¿De Qué Material Están Hechos los Anillos Glyd y las Juntas de Paso? Explicación de Compuestos de PTFE

Un anillo Glyd o un sello de escalón consta realmente de dos materiales que trabajan en conjunto: un anillo de desgaste rígido de PTFE y un elastómero Junta tórica energizador situado debajo. La mayor parte de la discusión sobre estos sellos se centra en su forma, pero el compuesto específico de PTFE y el material del anillo tórico elegidos para una aplicación determinada influyen tanto como la forma en la duración real del sello. En este artículo se analiza de qué están hechos estos compuestos, por qué se añaden cargas al PTFE puro y cómo evaluar la elección del material para un cilindro concreto.

¿De qué material está hecho un anillo Glyd o un sello de escalón?

El anillo de desgaste en ambos diseños está fabricado con PTFE (politetrafluoroetileno), casi siempre modificado con un material de relleno en lugar de utilizarse en su forma pura y sin relleno. El energizador de junta tórica situado debajo es un elastómero convencional independiente, comúnmente NBR, HNBR o FKM, seleccionado por separado del compuesto de PTFE según el fluido hidráulico y la temperatura a los que la junta estará expuesta durante su funcionamiento.

¿Por qué se utiliza PTFE para el anillo de desgaste en lugar de caucho?

El PTFE ofrece una combinación inusual de propiedades que lo hacen especialmente adecuado para un anillo de desgaste deslizante: un coeficiente de fricción muy bajo, un comportamiento mínimo de adherencia-deslizamiento (el movimiento entrecortado e irregular que puede producirse cuando la fricción estática y dinámica de una junta difieren excesivamente), una amplia resistencia química y un rango de temperaturas de uso muy amplio. Ninguno de los compuestos de caucho comunes iguala la combinación del PTFE de baja fricción y alta resistencia al desgaste en contacto deslizante continuo, que es precisamente la función que desempeña un pistón o sello de varilla experiencias.

El compromiso es que el PTFE puro tiene una resistencia relativamente baja al desgaste abrasivo y puede deformarse (fluencia) bajo carga sostenida, por lo que casi siempre se utilizan compuestos de PTFE reforzado, en lugar de PTFE virgen, en los anillos Glyd y los sellos escalonados.

Foto 1: Compuesto de PTFE reforzado: partículas de refuerzo en la matriz de PTFE

¿Qué significa «PTFE reforzado» y por qué es importante?

El PTFE reforzado es resina de PTFE pura a la que se le ha añadido un material secundario —comúnmente bronce, carbono, grafito o fibra de vidrio, a veces en combinación— para mejorar propiedades en las que el PTFE sin refuerzo resulta insuficiente. El refuerzo mejora generalmente la resistencia al desgaste, la resistencia a la fluencia bajo carga y la conductividad térmica, conservando al mismo tiempo la mayor parte del bajo coeficiente de fricción y de la resistencia química del PTFE. El tipo específico de refuerzo y su porcentaje en peso se seleccionan para adaptarse a la carga prevista, la velocidad y el entorno operativo del sello, razón por la cual la mera denominación «sello de PTFE» no describe completamente la composición de un anillo Glyd o un sello escalonado determinado.

¿Para qué sirve el PTFE reforzado con bronce?

Normalmente se añade bronce en una proporción relativamente alta, habitualmente entre el 40 % y el 60 % en peso, lo que confiere al PTFE reforzado su mejor resistencia al desgaste y capacidad de soporte de cargas entre las opciones comunes de cargas, además de una buena conductividad térmica que ayuda a disipar el calor desde la zona de contacto deslizante. Las contrapartidas son una menor resistencia química comparada con el PTFE sin carga y una menor idoneidad en aplicaciones donde la conductividad eléctrica supondría un problema, ya que la carga de bronce hace que el compuesto sea conductor.

El PTFE reforzado con bronce es una opción frecuente para anillos Glyd y sellos escalonados que operan bajo cargas o presiones más elevadas, donde la resistencia al desgaste y la estabilidad dimensional bajo carga tienen mayor importancia que el margen de resistencia química del compuesto.

Foto 2: Muestra de sello de PTFE reforzado con bronce frente a PTFE sin carga

¿Para qué sirve el PTFE reforzado con carbono o grafito?

El relleno de carbono, que normalmente se añade en una proporción aproximada del 10–35 % en peso, mejora la resistencia al desgaste y la resistencia a la deformación bajo carga, manteniendo prácticamente intacta la resistencia química del PTFE, a diferencia del relleno de bronce. A menudo se añade grafito junto con el carbono, o bien solo, en un porcentaje menor, principalmente para reducir aún más el coeficiente de fricción y mejorar el comportamiento autorreductor, aunque el grafito solo no mejora tanto la resistencia al desgaste como lo hace el carbono.

Las mezclas de carbono y carbono-grafito son una opción habitual cuando se necesita conservar una resistencia química cercana a la del PTFE sin relleno, o cuando la conductividad eléctrica que aporta un relleno de bronce resultaría indeseable, pero aun así se requiere una resistencia al desgaste significativamente superior a la del PTFE puro.

Foto 3: Comparación entre un sello de PTFE reforzado con carbono-grafito y otro reforzado con bronce

¿Cómo se comparan estos compuestos de PTFE uno al lado del otro?

La tabla siguiente resume la posición general entre las opciones comunes de PTFE cargado. El rendimiento exacto depende del porcentaje de carga y de la formulación específica del compuesto utilizada por un fabricante determinado.

Foto 4: Comparación lado a lado de compuestos selladores de PTFE cargados

¿De qué material está hecho el energizador del anillo O y por qué también importa esa elección?

La junta tórica situada debajo del anillo de PTFE es un elastómero convencional, y su material sigue la misma lógica aplicada a cualquier otra junta tórica hidráulica: NBR para servicios generales con aceites minerales a temperaturas moderadas, HNBR cuando la aplicación opera a temperaturas más elevadas o requiere una mayor resistencia al envejecimiento a largo plazo, y FKM cuando la prioridad es la resistencia química o la capacidad de soportar altas temperaturas continuas. Dado que la única función de la junta tórica es proporcionar una fuerza de resorte constante al anillo de PTFE, su selección de material se rige por las mismas consideraciones de compatibilidad con el aceite y temperatura que se analizan en comparaciones generales de materiales para sellos, y no por características específicas del diseño Glyd Ring o Step Seal.

Vale la pena tratar esta decisión como genuinamente independiente de la elección del compuesto de PTFE: una kit de sellos con un anillo de PTFE reforzado con bronce excelente, pero con una junta tórica energizadora mal adaptada al fluido hidráulico empleado, seguirá fallando prematuramente, aunque esta vez por el lado del energizador y no por el anillo antidesgaste.

¿Cómo afecta la temperatura el rendimiento de un sello de PTFE?

El PTFE en sí tiene un rango de temperatura utilizable inusualmente amplio y tolera el calor mucho mejor que la mayoría de los compuestos de caucho, por lo que el anillo de desgaste de PTFE rara vez es el componente limitante en cuanto a temperatura en un Glyd Ring o un Step Seal. En casi todos los casos, el anillo tórico (O-ring) impulsor situado debajo alcanza su límite térmico primero, lo que significa que la clasificación efectiva del sello para altas temperaturas suele estar determinada por la elección del material del anillo tórico (NBR, HNBR o FKM), y no por el compuesto de PTFE.

Este es un atajo útil al diagnosticar una falla de sello relacionada con el calor: si un Glyd Ring o un Step Seal falla en una aplicación de alta temperatura, el anillo tórico impulsor generalmente es el primer lugar que hay que inspeccionar, aunque el anillo de PTFE sea la parte más visible del conjunto.

¿Cómo afecta la elección del agente de relleno la fricción y la vida útil por desgaste?

La elección del agente de relleno es, en última instancia, un equilibrio entre fricción, resistencia al desgaste y resistencia química; mejorar uno generalmente implica cierto deterioro en otro. El bronce ofrece la mejor resistencia al desgaste y capacidad de carga, pero provoca la mayor reducción en la resistencia química. El grafito reduce la fricción de forma más eficaz, pero por sí solo aporta la menor contribución a la resistencia al desgaste. El carbono se sitúa entre ambos: mejora significativamente la resistencia al desgaste, manteniendo la resistencia química cercana a la del PTFE sin relleno. Los rellenos combinados, como el carbono mezclado con grafito, son muy comunes precisamente porque permiten que un compuesto incorpore algunos de los beneficios de cada componente, en lugar de asumir plenamente una única compensación.

En términos prácticos, las aplicaciones de mayor velocidad y mayor carga suelen favorecer aleaciones de bronce o grafito-carbono por su resistencia al desgaste, mientras que las aplicaciones en las que la exposición química constituye una preocupación mayor —por ejemplo, fluidos hidráulicos inusuales o fluidos que reaccionarían con el bronce— suelen favorecer en cambio el carbono o el grafito como material de relleno.

La investigación dirigida específicamente a predecir la vida útil del anillo Glyd ha combinado una fórmula empírica de tasa de desgaste de PTFE con un modelo mecánico del sello y un modelo de fugas, obteniendo una tasa de desgaste expresada en la forma general:

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

donde Δω′ es la tasa volumétrica de desgaste, F es la fuerza de contacto entre el anillo de desgaste y su superficie acoplada, V es la velocidad de deslizamiento y t es el tiempo de funcionamiento, siendo los exponentes obtenidos mediante ensayos de desgaste de compuestos de PTFE. En este ajuste concreto destacan dos aspectos: la tasa de desgaste varía aproximadamente con la primera potencia de la velocidad de deslizamiento (una relación casi lineal y la influencia individual más fuerte en la fórmula), mientras que su dependencia respecto a la fuerza de contacto es comparativamente débil y prácticamente invariable con el tiempo una vez iniciado el funcionamiento. La implicación práctica es que la velocidad del cilindro afecta de forma desproporcionada a la vida útil del anillo de desgaste en comparación con la carga, más aún de lo que podría sugerir la intuición basada únicamente en la presión de contacto estática.

Combinado con un modelo de fuga a través del juego residual alrededor del anillo de desgaste —que se comporta como un flujo a través de una ranura estrecha y concéntrica, impulsado en parte por la diferencia de presión a través de ella y en parte por el arrastre de la superficie móvil—, este tipo de fórmula de tasa de desgaste permite a los diseñadores trabajar a la inversa partiendo de una tasa de fuga admisible para obtener un volumen máximo de desgaste permitido y, a partir de ahí, una vida útil estimada. En un ejemplo resuelto publicado que emplea este método, un anillo Glyd instalado con una precompresión específica del O-ring y funcionando a 28 MPa y una velocidad de movimiento alternativo de 0,1 m/s se estimó con una vida útil de aproximadamente 2 millones de segundos (del orden de varios años bajo condiciones típicas de servicio); además, el mismo método mostró que la vida útil aumentaba al ajustar la precompresión del O-ring: una ilustración concreta de por qué el estado y la instalación del O-ring energizador —no solo el compuesto de PTFE— influyen directamente en el cálculo de la vida útil.

¿Cómo puede identificar el compuesto de PTFE adecuado para su aplicación?

Dado que el relleno adecuado depende conjuntamente de la carga, la velocidad, la temperatura y la química del fluido hidráulico —y no de un solo factor—, el enfoque más fiable consiste en describir al proveedor de sellos las condiciones reales de operación del cilindro, en lugar de asumir que un «sello de PTFE» genérico funcionará igual independientemente del relleno. Cuando se dispone del número de pieza del sello existente o de la especificación del fabricante, normalmente indica el tipo de relleno; cuando no se dispone de dicha información, un proveedor familiarizado con la aplicación del cilindro suele poder recomendar un compuesto adecuado basándose en las condiciones de servicio descritas.

Al igual que con cualquier combinación de anillo de desgaste y energizador, confirmar tanto el relleno de PTFE como el elastómero de la junta tórica —en lugar de centrarse únicamente en uno e asumir que el otro es un valor predeterminado estándar— ofrece una visión más completa de si un sello de reemplazo determinado está realmente adaptado a la aplicación.

Foto 5: Técnico que verifica el compuesto de PTFE

1. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. «Método de cálculo de la vida útil de las juntas Glyd utilizadas en los pistones de cilindros hidráulicos». Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
2. Dai L. «Optimización e investigación experimental del rendimiento de sellado de las juntas Glyd de movimiento alternativo hidráulico». Tesis de maestría, Universidad Jiangnan, 2025.
3. Nikas G. K. «Ochenta años de investigación sobre juntas hidráulicas alternativas: revisión de estudios tribológicos y temas relacionados desde la década de 1930». Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.