De quel matériau sont constitués les joints Glyd Ring et les joints à étape ? Explication des composés de PTFE

Une bague Glyd ou un joint à étapes est en réalité constitué de deux matériaux travaillant ensemble : une bague d’usure rigide en PTFE et un élastomère Joint torique activateur situé en dessous. La plupart des discussions portant sur ces joints portent principalement sur leur forme, mais le composé spécifique de PTFE et le matériau de la bague torique choisis pour une application donnée influencent tout autant la durée de vie réelle du joint. Cet article examine la composition de ces composés, les raisons pour lesquelles des charges sont ajoutées au PTFE pur, et la manière d’aborder le choix des matériaux pour un vérin donné.

De quel matériau est constituée une bague Glyd ou un joint à étapes ?

La bague d’usure des deux conceptions est fabriquée en PTFE (polytétrafluoroéthylène), presque toujours modifié par l’ajout d’un matériau de charge plutôt que utilisé sous sa forme pure et non chargée. L’élastomère activateur sous-jacent est un élastomère classique, séparé — couramment du NBR, de l’HNBR ou du FKM — choisi indépendamment du composé de PTFE, en fonction du fluide hydraulique et de la température auxquels le joint sera exposé en service.

Pourquoi le PTFE est-il utilisé pour la bague d’usure plutôt que le caoutchouc ?

Le PTFE offre une combinaison inhabituelle de propriétés qui le rend particulièrement adapté aux bagues d’usure glissantes : un coefficient de frottement très faible, un comportement minimal de collé-décollé (mouvement saccadé et irrégulier pouvant survenir lorsque la différence entre les frottements statique et dynamique d’un joint est trop importante), une résistance chimique étendue et une large plage de températures d’utilisation. Aucun des élastomères courants ne possède la combinaison unique du PTFE en matière de faible frottement et de résistance à l’usure dans un contact glissant continu, ce qui correspond précisément à la fonction d’un piston ou joint tige les expériences.

L’inconvénient est que le PTFE pur présente une résistance relativement médiocre à l’usure abrasive et peut se déformer (fluage) sous charge prolongée ; c’est pourquoi des composés de PTFE chargés, et non du PTFE vierge, sont presque systématiquement utilisés dans les joints Glyd Ring et les joints à étape.

Photo1 : Composite de PTFE chargé : particules de charge dans une matrice de PTFE

Que signifie « PTFE chargé », et pourquoi cela importe-t-il ?

Le PTFE chargé est une résine PTFE pure à laquelle on a ajouté un matériau secondaire — généralement du bronze, du carbone, du graphite ou des fibres de verre, parfois en combinaison — afin d’améliorer les propriétés là où le PTFE non chargé présente des limites. Le chargement améliore généralement la résistance à l’usure, la résistance au fluage sous charge et la conductivité thermique, tout en conservant la plupart des caractéristiques du PTFE, notamment son faible coefficient de frottement et sa résistance chimique. Le type de chargeur spécifique et son pourcentage en masse sont choisis en fonction de la charge, de la vitesse et de l’environnement de fonctionnement prévus pour le joint, ce qui explique pourquoi l’appellation générique « joint en PTFE » ne décrit pas entièrement la composition d’un joint Glyd Ring ou d’un joint Step Seal donné.

À quoi sert le PTFE chargé de bronze ?

Le bronze est généralement ajouté à une teneur relativement élevée, couramment comprise entre 40 et 60 % en masse, et confère au PTFE chargé sa meilleure résistance à l’usure et sa meilleure capacité de support de charge parmi les options de charges courantes, ainsi qu’une bonne conductivité thermique qui aide à évacuer la chaleur depuis le contact glissant. Les compromis sont une résistance chimique réduite par rapport au PTFE non chargé, et une moindre adéquation dans les applications où la conductivité électrique poserait problème, car la charge en bronze rend le composé conducteur.

Le PTFE chargé de bronze constitue un choix courant pour les joints Glyd Rings et les joints à étapes (Step Seals) fonctionnant sous des charges ou des pressions plus élevées, lorsque la résistance à l’usure et la stabilité dimensionnelle sous charge priment sur la marge de résistance chimique du composé.

Photo 2 : Échantillon de joint en PTFE chargé de bronze comparé à du PTFE non chargé

À quoi sert le PTFE chargé de carbone ou de graphite ?

La charge en carbone, généralement ajoutée à hauteur de 10 à 35 % en poids, améliore la résistance à l’usure et la résistance à la déformation sous charge, tout en préservant dans une large mesure la résistance chimique du PTFE, contrairement à la charge en bronze. Le graphite est souvent ajouté conjointement au carbone ou seul, à un pourcentage inférieur, principalement afin de réduire davantage le coefficient de friction et d’améliorer les propriétés d’autolubrification, bien que le graphite seul n’améliore pas autant la résistance à l’usure que le carbone.

Les mélanges de carbone et de carbone-graphite constituent un choix courant lorsque la résistance chimique doit rester proche de celle du PTFE non chargé, ou lorsque la conductivité électrique apportée par une charge en bronze serait indésirable, tout en nécessitant néanmoins une résistance à l’usure nettement supérieure à celle du PTFE simple.

Photo 3 : Comparaison entre un joint en PTFE chargé en carbone-graphite et un joint en PTFE chargé en bronze

Comment ces composés de PTFE se comparent-ils côte à côte ?

Le tableau ci-dessous résume le positionnement général parmi les options courantes de PTFE chargé. Les performances exactes dépendent du pourcentage de chargeur et de la formulation spécifique du composé utilisée par un fabricant donné.

Photo 4 : Comparaison côte à côte de composés d’étanchéité en PTFE chargé

De quel matériau est constitué l’énergiseur de joint torique, et pourquoi ce choix compte-t-il également ?

La bague torique située sous la bague en PTFE est un élastomère classique, et son matériau suit la même logique que celle appliquée à toute autre bague torique hydraulique : le NBR pour les services généraux à base d’huile minérale à température modérée, le HNBR lorsque l’application fonctionne à des températures plus élevées ou exige une meilleure résistance au vieillissement à long terme, et le FKM lorsque la résistance chimique ou une température continue élevée constitue la priorité. Comme la seule fonction de la bague torique est d’appliquer une force de rappel constante sur la bague en PTFE, le choix de son matériau dépend des mêmes considérations relatives à la compatibilité avec l’huile hydraulique et à la température, telles qu’abordées dans les comparaisons générales des matériaux d’étanchéité, et non de critères spécifiques à la conception Glyd Ring ou Step Seal.

Il convient de considérer cette décision comme véritablement indépendante du choix du composé de PTFE : une kit de joint bague équipée d’une bague en PTFE chargée de bronze excellente, mais dont la bague torique énergisatrice est mal adaptée au fluide hydraulique utilisé, subira tout de même une défaillance précoce — uniquement du côté de l’énergisatrice, et non du côté de la bague d’usure.

Comment la température affecte-t-elle les performances d’un joint en PTFE ?

Le PTFE lui-même possède une plage de températures utilisables exceptionnellement étendue et résiste bien mieux à la chaleur que la plupart des composés caoutchoutiques ; ainsi, la bague d’usure en PTFE constitue rarement le composant limitant en température d’un joint Glyd Ring ou Step Seal. Dans presque tous les cas, c’est la bague torique énergisatrice située en dessous qui atteint sa limite thermique en premier, ce qui signifie que la classification du joint en température élevée dépend généralement du choix du matériau de la bague torique (NBR, HNBR ou FKM), et non du composé de PTFE.

Ceci constitue un raccourci utile lors du dépannage d’une défaillance de joint liée à la chaleur : si un joint Glyd Ring ou Step Seal échoue dans une application à haute température, la bague torique énergisatrice est généralement le premier élément à examiner, même si la bague en PTFE est la partie la plus visible de l’ensemble.

Comment le choix de la charge affecte-t-il le frottement et la durée de vie en usure ?

Le choix de la charge est finalement un équilibre entre le frottement, la résistance à l’usure et la résistance chimique ; améliorer l’un se fait généralement au détriment d’un autre. Le bronze offre la meilleure résistance à l’usure et la plus forte capacité de charge, mais entraîne la plus forte réduction de la résistance chimique. Le graphite réduit le frottement le plus efficacement, mais contribue le moins, pris isolément, à la résistance à l’usure. Le carbone se situe entre les deux : il améliore sensiblement la résistance à l’usure tout en préservant une résistance chimique proche de celle du PTFE non chargé. Les charges combinées, comme le carbone mélangé au graphite, sont courantes précisément parce qu’elles permettent à un composé de bénéficier partiellement des avantages de chacune, plutôt que de s’engager pleinement dans un seul compromis.

En pratique, les applications à vitesse et à charge plus élevées privilégient généralement les alliages de bronze ou de carbone-graphite en raison de leur résistance à l’usure, tandis que les applications exposées à des agents chimiques — par exemple des fluides hydrauliques inhabituels ou des fluides réagissant avec le bronze — privilégient plutôt le carbone ou le graphite comme matériau de remplissage.

Des recherches spécifiquement consacrées à la prédiction de la durée de vie des joints Glyd Ring ont combiné une formule empirique du taux d’usure du PTFE avec un modèle mécanique du joint et un modèle de fuite, produisant un taux d’usure exprimé sous la forme générale suivante :

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

où Δω′ est la vitesse d’usure volumique, F est la force de contact entre la bague d’usure et sa surface appariée, V est la vitesse de glissement et t est le temps de fonctionnement, les exposants étant déterminés à partir d’essais d’usure sur des composites en PTFE. Deux éléments se distinguent dans cet ajustement particulier : la vitesse d’usure varie approximativement proportionnellement à la vitesse de glissement (une relation presque linéaire, et l’influence individuelle la plus forte dans la formule), tandis que sa dépendance à l’égard de la force de contact est relativement faible, et qu’elle est presque invariante dans le temps une fois le système en marche. L’implication pratique est que la vitesse du cylindre exerce un effet disproportionné sur la durée de vie de la bague d’usure par rapport à la charge, davantage encore que ne le suggérerait l’intuition fondée uniquement sur la pression de contact statique.

Associée à un modèle de fuite à travers le jeu résiduel autour de la bague d’usure — qui se comporte comme un écoulement à travers un étroit espace concentrique, entraîné en partie par la différence de pression à ses extrémités et en partie par le mouvement d’entraînement de la surface mobile — cette formule de taux d’usure permet aux concepteurs de remonter, à partir d’un débit de fuite admissible, jusqu’au volume d’usure maximal autorisé, puis d’en déduire une durée de vie estimée. Dans un exemple numérique publié utilisant cette méthode, une bague Glyd Ring installée avec une compression préalable spécifique de la jointe torique et fonctionnant à 28 MPa et à une vitesse de va-et-vient de 0,1 m/s a été estimée à environ 2 millions de secondes de durée de vie (soit quelques années dans des conditions d’utilisation typiques) ; la même méthode a également montré que la durée de vie augmente lorsque la compression préalable de la jointe torique est ajustée — une illustration concrète du fait que l’état et l’installation de la jointe torique, et non seulement la composition en PTFE, interviennent directement dans le calcul de la durée de vie.

Comment identifier le composé en PTFE adapté à votre application ?

Comme le chargeur approprié dépend conjointement de la charge, de la vitesse, de la température et de la composition du fluide hydraulique — et non d’un seul de ces facteurs — l’approche la plus fiable consiste à décrire au fournisseur de joints les conditions réelles de fonctionnement du vérin, plutôt que de supposer qu’un « joint en PTFE » générique offrira les mêmes performances quel que soit le chargeur utilisé. Lorsque le numéro de pièce ou la spécification du fabricant du joint existant est disponible, il indique généralement le type de chargeur ; dans le cas contraire, un fournisseur familiarisé avec l’application du vérin pourra généralement recommander un composé adapté en fonction des conditions d’utilisation décrites.

Comme pour toute combinaison de bague d’usure et d’énergiseur, il est essentiel de confirmer à la fois le chargeur en PTFE et l’élastomère de la joint torique — plutôt que de se concentrer uniquement sur l’un d’eux en supposant que l’autre correspond à une référence standard par défaut — afin d’obtenir une vision complète de la compatibilité réelle du joint de remplacement avec l’application.

Photo5 : Technicien vérifiant le composé en PTFE

1. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. « Méthode de calcul de la durée de vie des bagues Glyd utilisées sur les pistons de vérins hydrauliques. » Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4) : 362–367.
2. Dai L. « Optimisation et étude expérimentale des performances d’étanchéité des bagues Glyd à mouvement alternatif hydraulique. » Mémoire de master, Université Jiangnan, 2025.
3. Nikas G. K. « Quatre-vingts ans de recherche sur les joints d’étanchéité hydrauliques alternatifs : revue des études tribologiques et des sujets connexes depuis les années 1930. » Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J : Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1) : 1–23.