Aus welchem Material bestehen Glyd-Ringe und Stufenringe? Erklärung von PTFE-Verbundwerkstoffen

Ein Glyd-Ring oder Step-Seal besteht eigentlich aus zwei Materialien, die zusammenwirken: einem starren PTFE-Verschleißring und einem darunterliegenden Gummienergizer. O-Ring der Großteil der Diskussionen rund um diese Dichtungen konzentriert sich auf ihre Form; doch die spezifische PTFE-Verbindung sowie das für eine gegebene Anwendung gewählte O-Ring-Material beeinflussen ebenso stark die tatsächliche Lebensdauer der Dichtung. Dieser Artikel untersucht, woraus diese Verbindungen bestehen, warum Füllstoffe zu reinem PTFE hinzugefügt werden und wie man bei der Materialauswahl für einen bestimmten Zylinder vorgehen sollte.

Aus welchem Material besteht ein Glyd-Ring oder Step-Seal?

Der Verschleißring beider Konstruktionen besteht aus PTFE (Polytetrafluorethylen), nahezu immer modifiziert mit einem Füllstoffmaterial statt in reiner, unveränderter Form eingesetzt. Der darunterliegende O-Ring-Energizer ist ein separates, herkömmliches Elastomer – üblicherweise NBR, HNBR oder FKM – das unabhängig von der PTFE-Verbindung anhand der hydraulischen Flüssigkeit und der Betriebstemperatur ausgewählt wird, der die Dichtung im Einsatz ausgesetzt sein wird.

Warum wird PTFE statt Gummi für den Verschleißring verwendet?

PTFE bietet eine ungewöhnliche Kombination von Eigenschaften, die es besonders für Gleitverschleißringe geeignet machen: einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten, minimales Stick-Slip-Verhalten (die ruckartige, ungleichmäßige Bewegung, die auftreten kann, wenn die statische und dynamische Reibung einer Dichtung zu stark voneinander abweichen), breite chemische Beständigkeit sowie einen weiten nutzbaren Temperaturbereich. Keine der gängigen Gummiverbindungen erreicht die Kombination aus niedriger Reibung und Verschleißfestigkeit von PTFE bei kontinuierlichem Gleitkontakt – genau diese Belastung tritt bei einem Kolben oder stange-Dichtung erfahrungen.

Der Nachteil ist, dass reines PTFE eine vergleichsweise geringe Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiß aufweist und sich unter dauerhafter Last verformen kann (Kriechverhalten). Daher werden in Glyd-Ringen und Stufenringen nahezu ausschließlich gefüllte PTFE-Verbindungen statt reines PTFE eingesetzt.

Foto 1: Gefüllte PTFE-Verbundwerkstoffe: Füllpartikel in PTFE-Matrix

Was bedeutet „gefülltes PTFE“, und warum ist das wichtig?

Gefülltes PTFE ist reines PTFE-Harz, dem ein sekundäres Material beigemischt wurde – üblicherweise Bronze, Kohlenstoff, Graphit oder Glasfaser, manchmal auch in Kombination – um Eigenschaften zu verbessern, bei denen ungefülltes PTFE an seine Grenzen stößt. Die Zugabe von Füllstoffen verbessert im Allgemeinen die Verschleißfestigkeit, die Kriechfestigkeit unter Last sowie die Wärmeleitfähigkeit, während der größte Teil der geringen Reibung und der chemischen Beständigkeit von PTFE erhalten bleibt. Der spezifische Füllstoff und dessen Gewichtsanteil werden so gewählt, dass sie zur erwarteten Belastung, Geschwindigkeit und Betriebsumgebung der Dichtung passen; daher beschreibt die Bezeichnung „PTFE-Dichtung“ allein nicht vollständig, aus welchem Material ein bestimmter Glyd-Ring oder eine bestimmte Step-Dichtung besteht.

Wofür eignet sich bronzefülltes PTFE?

Bronze wird üblicherweise in relativ hoher Konzentration zugegeben, typischerweise im Bereich von 40–60 Gewichtsprozent, und verleiht gefülltem PTFE die beste allgemeine Verschleißfestigkeit und Tragfähigkeit unter den gängigen Füllstoffoptionen sowie eine gute Wärmeleitfähigkeit, die hilft, Wärme von der Gleitkontaktstelle abzuführen. Die Nachteile sind eine geringere chemische Beständigkeit im Vergleich zu ungefülltem PTFE sowie eine eingeschränkte Eignung für Anwendungen, bei denen elektrische Leitfähigkeit problematisch wäre, da die Bronze-Füllung die Verbindung leitfähig macht.

Bronzegefülltes PTFE ist eine häufige Wahl für Glyd-Ringe und Stufenringe, die unter höheren Lasten oder Drücken arbeiten, wobei Verschleißfestigkeit und dimensionsstabile Formhaltung unter Last wichtiger sind als die chemische Beständigkeitsreserve des Werkstoffs.

Abbildung 2: Probe einer bronzegefüllten PTFE-Dichtung im Vergleich zu ungefülltem PTFE

Wofür eignet sich kohlenstoff- oder graphitgefülltes PTFE?

Kohlenstoff-Füllstoff, der üblicherweise in einem Gewichtsanteil von etwa 10–35 % zugegeben wird, verbessert die Verschleißfestigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Verformung unter Last, ohne die chemische Beständigkeit von PTFE wesentlich zu beeinträchtigen – im Gegensatz zur Bronze-Füllung. Graphit wird häufig zusammen mit Kohlenstoff oder allein in einem niedrigeren Anteil zugegeben, vor allem um den Reibungskoeffizienten weiter zu senken und das selbstschmierende Verhalten zu verbessern; reiner Graphit steigert die Verschleißfestigkeit jedoch nicht so stark wie Kohlenstoff.

Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Graphit-Mischungen sind eine gängige Wahl, wenn die chemische Beständigkeit nahe derjenigen von unfülltem PTFE bleiben muss oder wenn die elektrische Leitfähigkeit einer Bronze-Füllung unerwünscht wäre, gleichzeitig aber eine deutlich bessere Verschleißfestigkeit als bei reinem PTFE erforderlich ist.

Abbildung 3: Vergleich einer Dichtung aus kohlenstoff-graphit-gefülltem PTFE mit einer aus bronze-gefülltem PTFE

Wie schneiden diese PTFE-Compounds im direkten Vergleich ab?

Die nachstehende Tabelle fasst die allgemeine Positionierung der gängigen gefüllten PTFE-Varianten zusammen. Die exakte Leistung hängt vom Füllstoffanteil und der spezifischen Zusammensetzung ab, die ein jeweiliger Hersteller verwendet.

Foto 4: Seitlicher Vergleich gefüllter PTFE-Dichtungsverbundstoffe

Aus welchem Material besteht der O-Ring-Energizer, und warum ist diese Wahl ebenfalls wichtig?

Die O-Ring-Dichtung unterhalb des PTFE-Rings ist ein herkömmlicher Elastomer-Ring, und ihr Werkstoff folgt derselben Logik wie bei jeder anderen hydraulischen O-Ring-Dichtung: NBR für allgemeine Mineralölanwendungen bei mäßigen Temperaturen, HNBR dort, wo die Anwendung höhere Temperaturen aufweist oder eine bessere Langzeitalterungsbeständigkeit erfordert, und FKM, wenn chemische Beständigkeit oder hohe kontinuierliche Betriebstemperaturen im Vordergrund stehen. Da die einzige Aufgabe des O-Rings darin besteht, dem PTFE-Ring eine konstante Federkraft zuzuführen, richtet sich die Werkstoffauswahl ausschließlich nach denselben Fragen der Ölverträglichkeit und Temperaturbeständigkeit, die auch bei allgemeineren Dichtungswerkstoffvergleichen behandelt werden – nicht jedoch nach spezifischen Merkmalen der Glyd-Ring- oder Step-Seal-Konstruktion selbst.

Es empfiehlt sich, diese Entscheidung tatsächlich unabhängig von der Wahl der PTFE-Verbindung zu treffen: eine dichtungssatz mit einem ausgezeichneten bronzegeschütteten PTFE-Ring, aber einem O-Ring-Energizer, der schlecht auf die verwendete Hydraulikflüssigkeit abgestimmt ist, wird dennoch früh versagen – allerdings seitens des Energizers und nicht der Verschleißring-Dichtung.

Wie beeinflusst die Temperatur die Leistung einer PTFE-Dichtung?

PTFE selbst weist einen ungewöhnlich breiten nutzbaren Temperaturbereich auf und verträgt Hitze deutlich besser als die meisten Gummiverbindungen; daher ist der PTFE-Verschleißring bei einem Glyd-Ring oder Step-Seal selten die temperaturbegrenzende Komponente. In nahezu jedem Fall erreicht der darunterliegende O-Ring-Energizer zuerst seine Temperaturgrenze, was bedeutet, dass die effektive Hochtemperatur-Bewertung der Dichtung im Allgemeinen durch die Wahl des O-Ring-Materials (NBR, HNBR oder FKM) und nicht durch die PTFE-Verbindung bestimmt wird.

Dies ist eine nützliche Abkürzung bei der Fehlersuche bei temperaturbedingten Dichtungsversagen: Wenn ein Glyd-Ring oder Step-Seal in einer Hochtemperatur-Anwendung versagt, ist der O-Ring-Energizer im Allgemeinen der erste Ansatzpunkt – auch wenn der PTFE-Ring der sichtbarere Teil der Baugruppe ist.

Wie beeinflusst die Wahl des Füllstoffs Reibung und Verschleißlebensdauer?

Die Wahl des Füllstoffs stellt letztlich einen Kompromiss zwischen Reibung, Verschleißfestigkeit und chemischer Beständigkeit dar; eine Verbesserung des einen Aspekts geht in der Regel mit Einbußen beim anderen einher. Bronze bietet die beste Verschleißfestigkeit und Lasttragfähigkeit, führt jedoch zu dem stärksten Rückgang der chemischen Beständigkeit. Graphit senkt die Reibung am effektivsten, trägt aber allein am wenigsten zur Verschleißfestigkeit bei. Kohlenstoff nimmt eine Zwischenstellung ein: Er verbessert die Verschleißfestigkeit deutlich, während die chemische Beständigkeit nahe der von unfülltem PTFE bleibt. Kombinationsfüllstoffe – beispielsweise Kohlenstoff gemischt mit Graphit – sind daher weit verbreitet, da sie es ermöglichen, einige Vorteile beider Komponenten zu nutzen, anstatt sich vollständig für einen der genannten Kompromisse zu entscheiden.

In der Praxis bevorzugen Anwendungen mit höherer Geschwindigkeit und höherer Last aufgrund ihrer Verschleißfestigkeit Bronze- oder Kohlenstoff-Grafit-Mischungen, während Anwendungen, bei denen die chemische Belastung im Vordergrund steht – etwa ungewöhnliche Hydraulikflüssigkeiten oder Flüssigkeiten, die mit Bronze reagieren würden – stattdessen Kohlenstoff- oder Grafit-Füllstoffe bevorzugen.

Forschung, die gezielt die Lebensdauer von Glyd-Ringen vorhersagen soll, hat eine empirische PTFE-Verschleißrate-Formel mit einem mechanischen Modell der Dichtung und einem Leckagemodell kombiniert und so eine Verschleißrate in folgender allgemeiner Form ermittelt:

δω′ = k · Fa · Vb · tc = 6,2×10-17 · F0,4 · V1,09 · t-0,02 (1)

wobei Δω′ die volumetrische Verschleißrate, F die Kontaktkraft zwischen dem Verschleißring und seiner Gegenfläche, V die Gleitgeschwindigkeit und t die Betriebszeit ist; die Exponenten wurden anhand von Verschleißtests mit PTFE-Verbundwerkstoffen ermittelt. Zwei Aspekte fallen bei dieser speziellen Anpassung besonders auf: Die Verschleißrate skaliert annähernd linear mit der Gleitgeschwindigkeit (also etwa mit der ersten Potenz – der stärkste einzelne Einflussfaktor in der Formel), während ihre Abhängigkeit von der Kontaktkraft vergleichsweise schwach ist und sie nach dem Anlaufen nahezu zeitunabhängig wird. Die praktische Konsequenz ist, dass die Zylinderdrehzahl einen überproportional starken Einfluss auf die Lebensdauer des Verschleißrings im Vergleich zur Last hat – stärker, als es eine rein auf dem statischen Kontaktdruck beruhende Intuition vermuten ließe.

In Kombination mit einem Modell für Leckage durch die verbleibende Spielfuge um den Verschleißring – welches dem Durchfluss durch einen engen konzentrischen Spalt entspricht, der teilweise durch die Druckdifferenz über ihn und teilweise durch die Schleppbewegung der bewegten Oberfläche angetrieben wird – ermöglicht diese Art von Verschleißratenformel Konstrukteuren, rückwärts von einer zulässigen Leckagerate auf ein maximales zulässiges Verschleißvolumen zu schließen und von dort auf eine geschätzte Nutzungsdauer. In einem veröffentlichten Rechenbeispiel unter Verwendung dieser Methode wurde für einen Glyd Ring, der mit einer bestimmten O-Ring-Vorspannung installiert und bei 28 MPa sowie einer Hubgeschwindigkeit von 0,1 m/s betrieben wurde, eine Nutzungsdauer von etwa 2 Millionen Sekunden (in der Größenordnung von mehreren Jahren typischer Betriebszeit) ermittelt; dieselbe Methode zeigte zudem, dass sich die Nutzungsdauer erhöhte, wenn die O-Ring-Vorspannung angepasst wurde – eine konkrete Illustration dafür, warum der Zustand und die Montage des O-Ring-Energizers – nicht nur die PTFE-Zusammensetzung – unmittelbar in die Berechnung der Nutzungsdauer eingehen.

Wie können Sie die richtige PTFE-Verbindung für Ihre Anwendung identifizieren?

Da die richtige Füllstoffart von Last, Geschwindigkeit, Temperatur und der Chemie der Hydraulikflüssigkeit gemeinsam abhängt – und nicht von einem einzelnen Faktor – ist der zuverlässigste Ansatz, die tatsächlichen Betriebsbedingungen des Zylinders einem Dichtungslieferanten zu beschreiben, anstatt anzunehmen, dass eine generische ‚PTFE-Dichtung‘ unabhängig vom Füllstoff gleichermaßen funktioniert. Falls die Teilenummer oder die Herstellerangabe einer vorhandenen Dichtung vorliegt, wird darin in der Regel die Art des Füllstoffs angegeben; fehlt diese Angabe, kann ein Lieferant, der mit der Anwendung des Zylinders vertraut ist, in der Regel auf Grundlage der beschriebenen Einsatzbedingungen eine geeignete Verbindung empfehlen.

Wie bei jeder Kombination aus Verschleißring und Energizer ist es wichtig, sowohl den PTFE-Füllstoff als auch das O-Ring-Elastomer gemeinsam zu prüfen – statt sich nur auf einen Aspekt zu konzentrieren und den anderen als Standardstandardvorgabe anzunehmen – um ein vollständigeres Bild davon zu erhalten, ob eine bestimmte Ersatzdichtung tatsächlich auf die Anwendung abgestimmt ist.

Foto 5: Techniker überprüft PTFE-Verbindung

1. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. „Berechnungsmethode für die Lebensdauer von Glyd-Ringen in Hydraulikzylinderkolben.“ Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
2. Dai L. „Optimierung und experimentelle Untersuchung der Dichtleistung hydraulischer Hubglyd-Ringe.“ Masterarbeit, Jiangnan University, 2025.
3. Nikas G. K. „Achtzig Jahre Forschung zu hydraulischen Hubdichtungen: Übersicht tribologischer Studien und verwandter Themen seit den 1930er Jahren.“ Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.