Di quale materiale sono composti gli anelli Glyd e i sigilli a gradino? Spiegazione dei composti in PTFE

Un anello Glyd o una guarnizione a gradino sono in realtà due materiali che lavorano insieme: un anello di usura rigido in PTFE e un elastomero O-ring energizzatore posto al di sotto. La maggior parte della letteratura su queste guarnizioni si concentra sulla loro forma, ma il composto specifico di PTFE e il materiale dell’O-ring scelti per una determinata applicazione influenzano altrettanto la durata effettiva della guarnizione. Questo articolo esamina la composizione di tali composti, il motivo per cui ai normali PTFE vengono aggiunti degli additivi e come valutare la scelta del materiale per un dato cilindro.

Di quale materiale è costituito un anello Glyd o una guarnizione a gradino?

L’anello di usura in entrambi i design è realizzato in PTFE (politetrafluoroetilene), quasi sempre modificato con un materiale di riempimento anziché utilizzato nella sua forma pura e non caricata. L’elastomero energizzatore a forma di O-ring posto al di sotto è un materiale elastomerico convenzionale, comunemente NBR, HNBR o FKM, scelto indipendentemente dal composto di PTFE in base al fluido idraulico e alla temperatura cui la guarnizione sarà sottoposta in servizio.

Perché il PTFE viene utilizzato per l’anello di usura invece della gomma?

Il PTFE offre una combinazione insolita di proprietà che lo rendono particolarmente adatto come anello di usura scorrevole: un coefficiente di attrito molto basso, un comportamento minimo di stick-slip (il movimento scattoso e irregolare che può verificarsi quando l’attrito statico e dinamico di una guarnizione differiscono eccessivamente), un’ampia resistenza chimica e un ampio intervallo di temperature di impiego. Nessuno dei comuni elastomeri eguaglia la combinazione offerta dal PTFE tra basso attrito e resistenza all’usura in contatto scorrevole continuo, che è esattamente il tipo di sollecitazione cui è sottoposto un pistone o sigillo stelo esperienze.

Il compromesso consiste nel fatto che il PTFE puro presenta una resistenza relativamente scarsa all’usura abrasiva e può deformarsi (fluire) sotto carichi prolungati; per questo motivo, nei Glyd Ring e nei Step Seal si utilizzano quasi sempre composti di PTFE caricato, anziché PTFE vergine.

Foto1: Composito di PTFE caricato: particelle di carica immerse nella matrice di PTFE

Che cosa significa «PTFE caricato» e perché è importante?

Il PTFE caricato è una resina PTFE pura a cui è stato aggiunto un materiale secondario — comunemente bronzo, carbonio, grafite o fibra di vetro, talvolta in combinazione — per migliorare le prestazioni laddove il PTFE non caricato risulta insufficiente. L’aggiunta del carico migliora generalmente la resistenza all’usura, la resistenza al fluage sotto carico e la conducibilità termica, mantenendo quasi inalterate le basse caratteristiche di attrito e la resistenza chimica del PTFE. Il tipo specifico di carico e la sua percentuale in peso vengono scelti in funzione del carico previsto, della velocità e dell’ambiente operativo della guarnizione; per questo motivo, la semplice dicitura «guarnizione in PTFE» non descrive completamente la composizione di una determinata Glyd Ring o Step Seal.

A cosa serve il PTFE caricato con bronzo?

Il bronzo viene solitamente aggiunto in percentuale relativamente elevata, comunemente compresa tra il 40% e il 60% in peso, conferendo al PTFE caricato la migliore resistenza all’usura e capacità di sopportare carichi tra le opzioni di carica più comuni, oltre a una buona conducibilità termica che contribuisce a dissipare il calore generato dal contatto strisciante. I compromessi consistono in una ridotta resistenza chimica rispetto al PTFE non caricato e in una minore idoneità per applicazioni in cui la conducibilità elettrica rappresenterebbe un problema, poiché il riempimento in bronzo rende il composto conduttivo.

Il PTFE caricato con bronzo è una scelta frequente per anelli Glyd e guarnizioni a gradino che operano sotto carichi o pressioni elevate, dove la resistenza all’usura e la stabilità dimensionale sotto carico sono più importanti del margine di resistenza chimica del composto.

Foto 2: Campione di guarnizione in PTFE caricato con bronzo confrontato con PTFE non caricato

A cosa serve il PTFE caricato con carbonio o grafite?

Il riempitivo a base di carbonio, generalmente aggiunto in percentuale compresa tra il 10% e il 35% in peso, migliora la resistenza all’usura e la resistenza alla deformazione sotto carico, preservando per lo più la resistenza chimica del PTFE, a differenza del riempitivo in bronzo. Il grafite viene spesso aggiunto insieme al carbonio o da solo, in percentuale inferiore, principalmente per ridurre ulteriormente il coefficiente di attrito e migliorare le proprietà autolubrificanti; tuttavia, il grafite da solo non migliora l’usura quanto il carbonio.

I composti di PTFE caricati con carbonio o con miscele di carbonio e grafite rappresentano una scelta comune quando è necessario mantenere la resistenza chimica vicina a quella del PTFE non caricato, oppure quando la conducibilità elettrica fornita da un riempitivo in bronzo risulterebbe indesiderabile, pur richiedendo una resistenza all’usura significativamente superiore a quella offerta dal PTFE puro.

Figura 3: Confronto tra tenuta in PTFE caricato con carbonio-grafite e tenuta in PTFE caricato con bronzo

Come si confrontano questi composti di PTFE l’uno accanto all’altro?

La tabella seguente riassume il posizionamento generale tra le comuni opzioni di PTFE caricato. Le prestazioni esatte dipendono dalla percentuale di carica e dalla formulazione specifica del composto utilizzata da un determinato produttore.

Foto 4: Confronto affiancato di composti sigillanti in PTFE caricati

Di quale materiale è costituito l’energizzatore dell’O-ring e perché anche questa scelta è importante?

L'O-ring situato sotto l'anello in PTFE è un elastomero convenzionale, e il suo materiale segue la stessa logica applicata a qualsiasi altro O-ring idraulico: NBR per servizi generali con oli minerali a temperature moderate, HNBR quando l'applicazione opera a temperature più elevate o richiede una migliore resistenza all'invecchiamento a lungo termine, e FKM quando la priorità è la resistenza chimica o l'esposizione a temperature continue elevate. Poiché il compito esclusivo dell'O-ring è fornire una forza di richiamo costante all'anello in PTFE, la scelta del suo materiale dipende dalle medesime valutazioni di compatibilità con l'olio e di temperatura già trattate nei confronti generali tra materiali per tenute, piuttosto che da aspetti specifici della progettazione Glyd Ring o Step Seal.

Vale la pena considerare questa scelta come una decisione effettivamente distinta rispetto alla selezione del composto in PTFE: una kit di Sigillatura con un anello in PTFE riempito di bronzo eccellente, ma con un O-ring energizzatore mal abbinato al fluido idraulico in uso, fallirà comunque precocemente, semplicemente a causa del lato energizzatore anziché del lato anello antiusura.

In che modo la temperatura influisce sulle prestazioni di una guarnizione in PTFE?

Il PTFE in sé ha un campo di temperature utilizzabili insolitamente ampio e tollera il calore ben oltre quanto possano sopportare la maggior parte delle miscele di gomma; pertanto, l’anello antiusura in PTFE raramente costituisce il componente limitante per la temperatura in un Glyd Ring o in un Step Seal. In quasi tutti i casi, l’O-ring di energizzazione sottostante raggiunge per primo il proprio limite termico, il che significa che la classificazione efficace del sistema di tenuta per alte temperature è generalmente determinata dalla scelta del materiale dell’O-ring (NBR, HNBR o FKM), piuttosto che dal composto di PTFE.

Questo rappresenta una scorciatoia utile nella diagnosi di guasti delle guarnizioni legati al calore: se un Glyd Ring o uno Step Seal presenta un guasto in un’applicazione ad alta temperatura, l’O-ring di energizzazione è generalmente il primo elemento da ispezionare, anche se l’anello in PTFE è la parte più visibile dell’insieme.

In che modo la scelta del riempitivo influenza l’attrito e la durata d’uso?

La scelta del riempitivo è, in ultima analisi, un compromesso tra attrito, resistenza all'usura e resistenza chimica: migliorarne uno comporta generalmente un certo svantaggio per un altro. Il bronzo offre la migliore resistenza all'usura e capacità di carico, ma determina la riduzione maggiore della resistenza chimica. La grafite riduce l'attrito in modo più efficace, ma da sola contribuisce meno alla resistenza all'usura. Il carbonio si colloca a metà strada tra i due: migliora in modo significativo la resistenza all'usura, mantenendo la resistenza chimica vicina a quella del PTFE non caricato. I riempitivi combinati, come il carbonio miscelato con grafite, sono molto comuni proprio perché consentono a un composto di beneficiare parzialmente dei vantaggi di ciascun componente, anziché accettare pienamente uno solo dei compromessi.

In termini pratici, le applicazioni ad alta velocità e ad alto carico tendono a privilegiare leghe di bronzo o di carbonio-grafite per la loro resistenza all’usura, mentre nelle applicazioni in cui l’esposizione chimica rappresenta la preoccupazione maggiore — ad esempio fluidi idraulici insoliti o fluidi che reagirebbero con il bronzo — si preferisce invece il carbonio o la grafite come materiale di riempimento.

La ricerca specificamente volta a prevedere la durata utile degli anelli Glyd ha combinato una formula empirica del tasso di usura del PTFE con un modello meccanico della tenuta e con un modello di perdita, ottenendo un tasso di usura espresso nella forma generale:

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

dove Δω′ è la velocità volumetrica di usura, F è la forza di contatto tra l’anello d’usura e la sua superficie abbinata, V è la velocità di scorrimento e t è il tempo di funzionamento, con gli esponenti determinati sperimentalmente su compositi in PTFE. Due aspetti emergono chiaramente da questo particolare adattamento: la velocità di usura varia approssimativamente in proporzione lineare alla velocità di scorrimento (ovvero con un’esponente pari a circa uno, il fattore più influente nella formula), mentre la sua dipendenza dalla forza di contatto è relativamente debole e, una volta avviato il funzionamento, risulta quasi indipendente dal tempo. L’implicazione pratica è che la velocità del cilindro ha un effetto sproporzionatamente elevato sulla durata dell’anello d’usura rispetto al carico, più di quanto potrebbe suggerire l’intuizione basata esclusivamente sulla pressione di contatto statica.

Combinando questo tipo di formula per il tasso di usura con un modello di perdita attraverso il gioco residuo intorno all’anello di usura — che si comporta come un flusso attraverso un sottile interstizio concentrico, generato in parte dalla differenza di pressione ai suoi capi e in parte dal moto di trascinamento della superficie mobile — i progettisti possono risalire, partendo da una portata di perdita ammissibile, a un volume massimo di usura consentito e, da questo, a una stima della durata operativa. In un esempio numerico pubblicato che utilizza questo metodo, un anello Glyd Ring installato con una specifica precompressione dell’O-ring e funzionante a 28 MPa e a una velocità alternata di 0,1 m/s è stato stimato avere una durata operativa di circa 2 milioni di secondi (dell’ordine di qualche anno in condizioni operative tipiche); lo stesso metodo ha mostrato che la durata operativa aumenta modificando la precompressione dell’O-ring: una dimostrazione concreta del fatto che lo stato e l’installazione dell’energizzatore a O-ring, non solo la composizione del PTFE, influenzano direttamente il calcolo della durata operativa.

Come è possibile identificare il composto in PTFE più adatto alla propria applicazione?

Poiché il caricante più adatto dipende congiuntamente da carico, velocità, temperatura e chimica del fluido idraulico, e non da un singolo fattore, l’approccio più affidabile consiste nel descrivere al fornitore di guarnizioni le effettive condizioni operative del cilindro, anziché presupporre che una generica «guarnizione in PTFE» offra prestazioni identiche indipendentemente dal caricante. Qualora sia disponibile il codice articolo della guarnizione esistente o la specifica del produttore, quest’ultima indica generalmente il tipo di caricante; in caso contrario, un fornitore esperto nell’applicazione del cilindro potrà di norma raccomandare un composto idoneo sulla base delle condizioni operative descritte.

Come per qualsiasi combinazione di anello antifrizione ed energizzatore, verificare congiuntamente sia il caricante del PTFE sia l’elastomero della guarnizione a O-ring — anziché concentrarsi su uno solo e presupporre che l’altro sia un valore predefinito standard — fornisce una visione più completa della reale corrispondenza tra la guarnizione di ricambio prescelta e l’applicazione.

Foto 5: Tecnico che verifica il composto in PTFE

1. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. "Metodo di calcolo della durata utile dei ring Glyd impiegati nei pistoni dei cilindri idraulici." Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
2. Dai L. "Ottimizzazione e indagine sperimentale sulle prestazioni di tenuta idraulica a pistone del tipo Glyd Ring." Tesi di laurea magistrale, Jiangnan University, 2025.
3. Nikas G. K. «Ottant’anni di ricerca sulle guarnizioni idrauliche a movimento alternato: revisione degli studi tribologici e degli argomenti correlati dagli anni Trenta ad oggi». Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.