Di quale materiale è costituito un anello di supporto per trapani a percussione? Spiegazione di PTFE, nylon e PEEK

Un anello di supporto ha uno scopo semplice: deve essere più duro della guarnizione adiacente, in modo da impedire a quest’ultima di penetrare nel gioco di tolleranza. Tuttavia, il termine «più duro» è relativo e i materiali impiegati per gli anelli di supporto coprono un ampio spettro di resistenza, capacità termica e costo. Questo articolo illustra i materiali più comunemente utilizzati, le caratteristiche peculiari di ciascuno e come i compromessi si riflettono sul funzionamento di un circuito idraulico sottoposto a pressione pulsante. I valori indicati di seguito provengono da studi ingegneristici pubblicati, elencati alla fine del testo. Molti sono stati misurati su campioni di prova o in altri settori industriali, pertanto indicano andamenti generali e non costituiscono valutazioni specifiche per un determinato anello.

Di quale materiale è costituito un anello di supporto per perforatrici?

Gli anelli di supporto sono realizzati con un piccolo gruppo di polimeri rigidi. I piu comuni sono il PTFE (inclusi i composti di PTFE caricati), il nylon (poliammide) e il PEEK (polietere etere chetone). Un quarto gruppo e costituito da anelli in elastomero stampato, realizzati in nitrile o fluoroelastomero ad alta durezza, utilizzati in condizioni di pressione piu bassa. Il materiale viene normalmente scelto dal produttore della guarnizione per l’intero set di tenuta e per la pressione per cui e progettato, quindi l’anello presente nella vostra trivella fa parte di un design abbinato e non rappresenta una scelta arbitraria.

Quali funzioni deve assolvere il materiale di un anello di supporto?

Contano quattro proprieta. Il materiale deve essere sufficientemente rigido da resistere alla spinta nel gioco sotto pressione, poiche questo e l’obiettivo principale dell’anello. Deve mantenere la propria forma alla temperatura di esercizio dell’olio. Deve essere compatibile con l’olio idraulico, in modo da non rigonfiarsi ne ammorbidirsi. Infine, deve essere abbastanza delicato sulle superfici metalliche da non graffiare il cilindro o il pistone quando viene premuto contro di esse.

La rigidità è la proprietà che le collega. Uno studio agli elementi finiti su guarnizioni in gomma sottoposte a pressione [1] mostra quanto fortemente la rigidità controlli l’estrusione: per i composti di gomma esaminati, un aumento della durezza da 65 a 85 IRHD ha ridotto la lunghezza estrusa da 0,291 mm a 0,086 mm, e il modulo elastico E (MPa) ha seguito la durezza Hr (IRHD) secondo la relazione:

log₁₀ E = 0,0198 Hr − 0,5432 (1)

Tale relazione fornisce circa 5,5 MPa a 65 IRHD e 13,8 MPa a 85 IRHD. Le plastiche per anelli di supporto sono molto più rigide di qualsiasi gomma, motivo per cui un anello sottile può proteggere una guarnizione che una gomma più dura non riuscirebbe a proteggere. Lo stesso studio ha rilevato che il gioco aveva l’effetto più forte di tutti: nel suo montaggio, ogni ulteriore 0,1 mm di gioco aggiungeva circa 0,1 mm di estrusione [1]. Nessun materiale può compensare pienamente un gioco aumentato a causa dell’usura.

Queste proprietà agiscono in direzioni opposte. Un materiale più rigido resiste meglio all’estrusione, ma è meno tollerante verso superfici irregolari e danni causati durante l’installazione. Questo compromesso spiega perché non esiste un singolo materiale ottimale e perché diversi materiali sono comunemente utilizzati.

Quali sono le proprietà degli anelli di supporto in PTFE?

Il PTFE è ampiamente utilizzato per gli anelli di supporto, nelle versioni solide, con taglio obliquo (scarf-cut) e spiraliformi. È apprezzato per l’attrito estremamente basso, l’eccellente resistenza chimica e la capacità di tollerare un ampio intervallo di temperature. Una revisione del 2026 attribuisce tali caratteristiche alla sua struttura molecolare: i forti legami C–F garantiscono stabilità chimica, mentre la catena elicoidale avvolta da atomi di fluoro determina forze intercatenarie deboli ed energia superficiale molto bassa [2]. La stessa revisione indica un intervallo di stabilità delle proprietà fisiche compreso tra −250 e 260 °C. Grazie alla sua scivolosità, un anello in PTFE non genera attrito contro il pistone e produce poca calore.

Il PTFE è più morbido e più soggetto a deformazione lenta sotto carico rispetto al nylon o al PEEK, quindi viene generalmente utilizzato in condizioni di pressione moderata oppure in forma caricata, dove il riempitivo ne migliora la resistenza alla deformazione. La revisione osserva che, tra −100 e 100 °C, il fluage può far aumentare l’usura del PTFE anche mentre il suo coefficiente di attrito diminuisce [2]. Questa è la proprietà più rilevante per un anello di supporto, poiché un anello che subisce fluage lentamente penetrando nel gioco perde progressivamente la propria capacità di sostenere la tenuta.

I riempitivi risolvono questo problema. In prove pubblicate, un composito di poliimmide e PTFE (20% poliimmide) ha mostrato una deformazione per fluage del 62,6% inferiore rispetto al PTFE puro, e l’usura volumetrica è scesa a 4/1000 del valore del PTFE puro [2]. In un test distinto di movimento alternato, l’aggiunta del 5% di nanofibre di carbonio e del 10% di grafene ha ridotto il tasso di usura del PTFE da 1,05 × 10⁻⁴ a 4,7 × 10⁻⁶ mm³/(N·m), ossia circa del 96% [3]. Uno studio di dinamica molecolare sul PTFE con nanotubi di carbonio e poliimmide conferma la stessa tendenza [4]. Si tratta di risultati ottenuti su campioni, ma dimostrano perché le grade riempite si comportano in modo diverso rispetto al PTFE vergine e perché la grade è altrettanto importante quanto il nome del materiale.

Anche il calore rappresenta un problema. Lo stesso studio sulle nanofibre/graphene riporta che la conducibilità termica di tale composito è pari a 0,61 W/(m·K), ovvero il 165% in più rispetto al PTFE puro [3]. Ciò implica un valore di circa 0,23 W/(m·K) per il PTFE puro; pertanto, il PTFE non caricato è un cattivo conduttore e gli additivi favoriscono la dispersione del calore dalla zona di contatto. Per un anello di spessore L attraversato da un flusso termico q, la differenza di temperatura attraverso l’anello è:

δT = q · L / λ (2)

Qui λ indica la conducibilità termica. Un valore basso di λ comporta una ΔT maggiore per lo stesso flusso termico, motivo per cui la temperatura nella zona della guarnizione può risultare ben superiore a quella dell’olio nel serbatoio.

Quali sono le proprietà degli anelli di supporto in nylon?

Il nylon è una poliammide. Possiede una buona resistenza meccanica ed è comunemente utilizzato per gli anelli di supporto nei sistemi idraulici e pneumatici. È più duro e rigido del PTFE, quindi resiste meglio all’estrusione a un determinato valore di gioco. Le indicazioni fornite da un produttore citano l’impiego tipico di anelli di supporto in nylon 6,6 fino a circa 86 °C (circa 186 °F) e a circa 69 MPa (circa 10 000 psi); si tratta di valori indicativi per un materiale catalogato e non costituiscono una classificazione specifica per alcun perforatore roccia.

Il principale punto debole del nylon è l’acqua. Uno studio del 2026 su due materiali in nylon 6 colato [5] riporta che il nylon può assorbire fino a circa il 10% della propria massa in acqua dall’aria umida e dal 2% al 4% in condizioni di umidità ordinaria. L’acqua assorbita riduce la durezza, il modulo elastico, la resistenza a snervamento e la resistenza a trazione, mentre aumenta l’allungamento. In tale studio, la resistenza a trazione dei campioni superficiali, che assorbono la maggior quantità di umidità, era in media di circa 59–62 MPa, mentre quella dei campioni prelevati dal nucleo della piastra era in media di circa 97–99 MPa. Dopo aver bollito un nylon colato modificato in acqua per 45 minuti, la resistenza a trazione è scesa da 67,4 a 58,2 MPa, con una diminuzione del 13,7%; l’essiccazione a 60 °C non ha ripristinato le prestazioni originali. Un’essiccazione prolungata ha ulteriormente peggiorato le proprietà.

Valgono due avvertenze nella lettura di questi numeri. Sono stati misurati su lastre di grandi dimensioni in ghisa e non su anelli di supporto stampati o fresati; il risultato principale da considerare è la tendenza, non i valori assoluti. In un circuito idraulico l’anello è immerso nell’olio, quindi l’umidità rappresenta un problema soprattutto per lo stoccaggio, la movimentazione e i sistemi in cui l’acqua ha contaminato l’olio. Lo studio ha inoltre rilevato che la resistenza al taglio era circa 0,6 volte la resistenza a trazione (65 MPa per un materiale e 62,7 MPa per l’altro) [5], una regola pratica utile per stimare come l’anello resisterà al taglio sul bordo del gioco.

Una stima semplice illustra l’ordine di grandezza di tale carico. Si consideri un anello che collega un gioco radiale g sotto una pressione p, con una larghezza assiale w. La pressione agisce sulla faccia esposta lungo il gioco, quindi la forza per unità di circonferenza è p × g e la tensione media di taglio sul bordo del gioco risulta:

τ ≈ p · g / w (3)

A titolo illustrativo, si consideri una pressione di picco di 40 MPa, un gioco radiale di 0,15 mm (un gioco diametrale di 0,3 mm) e una larghezza ipotizzata dell’anello di 3 mm. In tal caso, τ è pari a circa 2 MPa, ben al di sotto della resistenza al taglio del nylon. Ciò suggerisce che i comuni guasti degli anelli di supporto raramente sono semplici fratture per taglio: si tratta piuttosto di fenomeni di fluage, di deformazione locale al bordo del gioco oppure di fatica causata da ripetuti picchi di pressione. Si tratta di una stima di primo ordine che trascura il fluage, le concentrazioni di tensione ai bordi e la geometria dell’anello; non deve pertanto essere utilizzata per finalità progettuali.

Un limite noto del nylon è quindi la sua sensibilità all’umidità. Anche il suo limite termico è inferiore a quello del PEEK, rendendolo una scelta meno adatta in presenza di olio ad alta temperatura.

Quali sono le proprietà degli anelli di supporto in PEEK?

Il PEEK è una plastica tecnica ad alte prestazioni con eccezionale resistenza meccanica e resistenza chimica. Viene utilizzato per anelli di supporto in applicazioni gravose a elevata pressione e temperatura. Le indicazioni del medesimo produttore citano un impiego tipico di anelli di supporto in PEEK fino a circa 500 °F (circa 260 °C) e circa 20.000 psi (circa 138 MPa), nuovamente come valore indicativo generale riportato nel catalogo.

Una revisione del 2026 descrive il PEEK come un termoplastico ad alta temperatura e semicristallino, il cui reticolo cristallino consente l’orientamento molecolare e conferisce quindi elevata resistenza meccanica, oltre a un’elevata temperatura di transizione vetrosa, stabilità chimica e buona resistenza alle radiazioni [6]. La revisione segnala anche uno svantaggio rilevante per le guarnizioni: il PEEK puro è un cattivo conduttore di calore, con una conducibilità termica compresa tra 0,2 e 0,3 W/(m·K) [6]. Un anello realizzato in questo materiale trattiene il calore nelle zone di contatto, esattamente la situazione descritta dall’Equazione 2. La ricerca sul PEEK caricato mira ad aumentare tale valore; ad esempio, l’aggiunta del 5% in massa di un particolare tipo di nanotubo di carbonio ha innalzato la conducibilità da 0,25 a 1,50 W/(m·K) [6]. Tale studio è stato condotto per il raffreddamento di dispositivi elettronici, non per guarnizioni, pertanto va interpretato come indicazione dell’entità dell’effetto che i caricanti possono esercitare sul PEEK, non come caratteristica intrinseca di anelli destinati a impieghi di tenuta.

I compromessi riguardano il costo e la durezza. Il PEEK è notevolmente più costoso del PTFE o del nylon, e poiché è molto duro esercita una maggiore sollecitazione sulle superfici metalliche su cui si appoggia: un cilindro ruvido o danneggiato usurerà sia una guarnizione che un anello rigido. Per molti circuiti di perforatrici a percussione l’anello non necessita delle prestazioni del PEEK, quindi quest’ultimo viene generalmente riservato alle pressioni e temperature più elevate.

Dove vengono installati gli anelli di supporto in elastomero?

Gli anelli in elastomero sagomati sono stampati in nitrile ad alta durezza (circa 90 Shore A è una gradazione comune) o in fluoroelastomero, e sono modellati per aderire a un O-ring . Si allungano sopra il pistone e scattano nella scanalatura, rendendone così semplice l’installazione. Essendo più morbidi degli anelli in plastica, sono adatti a posizioni a bassa pressione e non costituiscono un sostituto del PTFE, del nylon o del PEEK nelle applicazioni con picchi di pressione elevati.

La scelta tra NBR e FKM segue il classico compromesso del settore delle guarnizioni in gomma. Un'indagine sui componenti di tenuta in gomma descrive l'NBR come resistente agli oli, moderatamente elastico e a basso costo, adatto a temperature ordinarie degli oli; al contrario, l'FKM resiste a temperature elevate e basse nonché a sostanze chimiche, ma è più rigido, meno elastico e più costoso [7]. La compatibilità con ciascun fluido deve comunque essere verificata caso per caso. In un test di immersione (100 °C, 72 ore), anelli di tenuta in fluoroelastomero hanno subito una contrazione compresa tra il 4,9 % e il 19,1 % in tre fluidi idraulici per autoveicoli e relative miscele; gli autori hanno pertanto raccomandato l'uso della gomma nitrilica [8]. Tali fluidi non sono oli per perforatrici, quindi l'insegnamento riguarda il metodo, non i valori numerici: la classificazione generale di un materiale non sostituisce mai un test effettuato nel fluido reale.

Come si confrontano questi materiali l'uno accanto all'altro?

La tabella seguente riassume la collocazione generale di ciascun materiale. I limiti specifici dipendono dalla qualità del materiale e dalla classificazione fornita dal produttore.

In che modo pressione e temperatura influenzano la scelta del materiale?

Pressione e temperatura agiscono congiuntamente. Un materiale che resiste all’estrusione a temperatura ambiente diventerà più morbido quando l’olio è caldo, quindi una guarnizione potrebbe risultare adeguata in un test effettuato in un ambiente freddo, ma comunque subire estrusione in una trapanatrice funzionante da un’ora. La temperatura rilevante è quella presente sulla guarnizione, che può essere superiore alla temperatura media dell’olio.

In generale, pressioni e temperature moderate consentono l’uso di PTFE o nylon, mentre le pressioni e temperature più elevate spingono la scelta verso il PEEK. Le pressioni pulsanti devono essere considerate più gravose rispetto a una pressione costante con lo stesso valore medio, poiché i picchi caricano la guarnizione oltre il suo carico medio. Dati sperimentali di perforazione illustrano questo concetto. In un prototipo alimentato a 18 MPa, la pressione nella camera tampone primaria ha mostrato brevi picchi dell’ordine di 40 MPa [9]; in un modello a 15 MPa, la pressione nella camera ha raggiunto picchi di circa 25 MPa, ovvero circa 1,7 volte la pressione di alimentazione [10]. Una guarnizione scelta esclusivamente in base alla pressione di alimentazione risulterebbe sottodimensionata per tali picchi.

La frequenza incrementa il carico operativo. A una frequenza di percussione di circa 95 colpi al secondo [11], ogni guarnizione subisce circa 340 000 cicli di pressione in un’ora di perforazione. A tale numero di cicli, è la fatica e il fluage — e non la resistenza statica — a determinare la durata della guarnizione.

Come interagiscono durezza della guarnizione e dimensione del gioco?

Un anello più rigido non rende sicuro un gioco eccessivo. L'anello copre il gioco, e maggiore è il gioco, minore è la porzione di anello supportata dal metallo. Man mano che l’alesaggio o il pistone si usurano e il gioco aumenta, un anello che era adeguato quando nuovo potrebbe essere costretto a coprire un gioco per il quale non è mai stato progettato. Un materiale più resistente può estendere il campo di funzionamento, ma non può eliminare la necessità di ripristinare il gioco quando le parti metalliche sono usurate.

L’entità dell’effetto è evidente nello studio sull’estrusione della gomma [1]. Nella relazione calibrata, la lunghezza di estrusione aumenta di circa 1,0 mm per ogni millimetro di gioco, ma diminuisce soltanto di 0,0115 mm per ogni punto IRHD di durezza; pertanto, ridurre il gioco di 0,1 mm ha un effetto equivalente ad aumentare la durezza della gomma di circa nove punti. Una fonte pubblicata relativa alla guarnizione a gradini per martelli pneumatici fornisce una regola analoga per una configurazione con anello rigido in PTFE: il gioco diametrale massimo passa da 0,6–0,3 mm a pressioni fino a 20 MPa a 0,3–0,2 mm a pressioni comprese tra 20 e 40 MPa, per diametri di stelo compresi tra 30 e 36 mm [12]. Il gioco ammissibile si riduce all’aumentare della pressione, anche in presenza di un anello rigido.

Per tale motivo, il ripetersi di guasti degli anelli deve indurre l’ispezione a concentrarsi sull’alesaggio, sul pistone e sulla guida, e non soltanto sul materiale degli anelli. Uno studio sul gioco ottimale tra il pistone d’urto e il suo cilindro in un perforatore idraulico per roccia dimostra che il gioco è una variabile di progettazione che bilancia le perdite contro l’attrito; pertanto, il valore corretto rappresenta un compromesso e non è semplicemente «il più piccolo possibile» [10].

Come si può identificare il materiale di un anello di supporto già installato?

L’aspetto esteriore non è un metodo affidabile per identificare il materiale di un anello di supporto. Diversi di questi polimeri hanno un aspetto simile e gli additivi e i coloranti ne modificano il colore. Le fonti attendibili sono il catalogo ricambi del produttore del perforatore e la conferma scritta del fornitore delle guarnizioni riguardo al materiale e alla classe specificati.

Laddove i registri non sono disponibili, un fornitore che conosce il modello della trivella può spesso identificare il materiale dal numero di parte o da un campione dell'anello vecchio. Chiedere il materiale, la forma (monolitica, tagliata obliquamente o a spirale) e l'intervallo di pressione e temperatura per cui è stato specificato, quindi confrontare questi dati con le condizioni presenti nella propria trivella.

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3. An Lihui, Miao Xuemei, Liu Hao, Yang Song, Su Yujie, Wei Shijie. Modifica sinergica del PTFE mediante grafene e nanofibre di carbonio: proprietà tribologiche e meccanismo dinamico di conducibilità termica/elettrica. Tribology, 2026, online first. (In lingua cinese)
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10. Wang Jiansen, Yan Hongliang, Zhang Xin, Wang Yanjun, Liu Bin, Wei Liejiang. Progettazione ottimale del gioco tra pistone d’urto e cilindro di un perforatore idraulico a controllo a doppia camera. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2025, 49(4): 79–91. (In cinese)
11. Yang Mingming. Studio sperimentale sulle prestazioni d’urto di un perforatore idraulico. Equipment Management and Maintenance, 2025, (10). (In cinese)
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