グライドリングおよびステップシールの材質は何ですか？ PTFE複合材料について解説

グライドリングまたはステップシールは、実際には2種類の材料が協調して機能する構造です。すなわち、剛性のあるPTFE製摩耗リングと、その下に配置されたゴム製エナジャイザー（弾性体）です。 オーリング こうしたシールに関する議論の多くはその形状に集中していますが、実際の寿命に与える影響という点では、特定の用途に応じて選択されるPTFE配合材およびOリング用ゴム材の種類も、同様に重要です。本稿では、これらの配合材の組成、純粋なPTFEにフィラーを添加する理由、および特定のシリンダー用途における材料選定の考え方について解説します。

グライドリングおよびステップシールはどのような材料で作られているか？

両設計とも、摩耗リングはPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）で構成されていますが、通常は純粋な無充填PTFEではなく、何らかのフィラーを添加して改質されたものが使用されます。また、その下に配置されるOリング型エナジャイザーは、従来型のエラストマー（一般的にはNBR、HNBR、FKMなど）であり、PTFE配合材とは独立して選定され、使用環境における作動油および温度条件に応じて決定されます。

なぜ摩耗リングにはゴムではなくPTFEが用いられるのか？

PTFEは、非常に低い摩擦係数、最小限のスティック・スリップ現象（シールの静止摩擦と動摩擦の差が大きすぎることで生じる、カクカクとした不均一な動き）、広範囲にわたる耐薬品性、および広い使用温度範囲という、特異な特性の組み合わせを備えており、スライド式ウェアリングとして極めて適しています。一般的なゴム系材料のいずれも、ピストンや……といった連続的なスライド接触において、PTFEが持つ低摩擦性と耐摩耗性の両方を同時に満たすことはできません。 ロッドシール 体験。

ただし、純粋なPTFEには、研磨性摩耗に対する耐性が比較的低く、長時間の荷重下で変形（クリープ）しやすいという欠点があります。そのため、グライドリングやステップシールでは、未充填のPTFEではなく、充填剤を添加したPTFE複合材がほとんど常に用いられます。

写真1：充填PTFE複合材：PTFEマトリックス中に充填粒子が分散

『充填PTFE』とは何か、そしてなぜそれが重要なのか？

充填PTFEは、ブロンズ、カーボン、グラファイト、ガラス繊維などの二次材料（単独または複数の組み合わせ）を純粋なPTFE樹脂に混合したものです。これにより、無充填PTFEでは不足する特性が向上します。一般的に、摩耗抵抗性、荷重下でのクリープ抵抗性、熱伝導性が高まりますが、PTFE本来の低摩擦性や耐薬品性はほぼ維持されます。具体的な充填材の種類とその重量比は、シールが想定される荷重、速度、使用環境に応じて選定されます。そのため、「PTFEシール」という表現だけでは、特定のグライドリングやステップシールの実際の構成材を十分に説明できません。

ブロンズ充填PTFEはどのような用途に適していますか？

ブロンズは通常、比較的高濃度で添加され、一般的には重量比で40～60％の範囲となります。この配合により、充填PTFEは、代表的な充填材の中では最もバランスの取れた耐摩耗性と荷重支持性能を発揮します。また、滑動接触部から熱を効率よく逃がすための優れた熱伝導性も備えています。一方、デメリットとしては、無充填PTFEに比べて耐薬品性が低下すること、およびブロンズによる導電性の付与により、電気的絶縁性が求められる用途には不向きとなる点が挙げられます。

ブロンズ充填PTFEは、より高い荷重または圧力下で動作するグライドリングやステップシールに広く採用されています。このような用途では、耐摩耗性や荷重下での寸法安定性が、材料の耐薬品性の余裕よりも重要となるためです。

写真2：ブロンズ充填PTFE製シール（左）と無充填PTFE製シール（右）の比較

カーボン／グラファイト充填PTFEはどのような用途に適していますか？

カーボン充填材は、通常、重量比で約10～35％の割合で添加され、PTFE本来の耐薬品性をほぼ損なわず、摩耗抵抗性および荷重下での変形抵抗性を向上させます。これに対し、ブロンズ充填材は耐薬品性を著しく低下させることがあります。また、グラファイトは、カーボンと併用されるか、あるいは単独でより少量（低濃度）で添加され、主に摩擦係数の低減および自己潤滑性の向上を目的としています。ただし、グラファイト単体ではカーボンほど摩耗抵抗性を高めることはできません。

カーボン単独またはカーボン・グラファイト混合充填材は、無充填PTFEに近い耐薬品性を維持する必要がある場合、あるいはブロンズ充填材による電気伝導性が望ましくない場合に広く採用されています。同時に、無充填PTFEよりも明確に優れた摩耗抵抗性が求められる用途にも適しています。

写真3：カーボン・グラファイト充填PTFEシールとブロンズ充填PTFEシールの比較

これらのPTFE複合材を並べて比較すると？

以下の表は、一般的な充填PTFEの主な特徴を概観したものです。実際の性能は、充填剤の含有量および各メーカーが採用する具体的な配合組成によって異なります。

写真4：充填PTFEシール材の並列比較

Oリングのエナジャイザーにはどのような材料が使われており、その選択がなぜ重要なのですか？

PTFEリングの下にあるOリングは従来型のエラストマー製であり、その材質選定は他の油圧用Oリングと同様の原則に従います。すなわち、中温域での一般的な鉱物油使用にはNBR、高温動作や長期経年劣化抵抗性が求められる場合はHNBR、化学薬品耐性や連続高温使用が優先される場合はFKMを採用します。Oリングの役割はPTFEリングに一貫したスプリング力を供給することのみであるため、その材質選定は、グライドリングやステップシールという特殊構造に固有の要因ではなく、より一般的なシール材比較で検討される油適合性および温度条件によって左右されます。

このOリングの材質選定は、PTFE化合物の選択とは実質的に独立した判断事項として扱う価値があります。 シーークット たとえ優れた青銅充填PTFEリングを採用していても、使用する油圧作動油に不適切なOリング（エネルギザ）を組み合わせれば、摩耗リングではなくエネルギザ側から早期に故障が発生します。

温度はPTFEシールの性能にどのように影響しますか？

PTFE自体は、異常に広い使用温度範囲を持ち、ほとんどのゴム系材料が耐えられないほど高い温度にも耐えるため、グライドリングやステップシールにおいて、PTFE製ウェアリングは通常、温度による制限要因にはなりません。実際には、その下に配置されたOリング式エナジャイザーがまず温度限界に達することがほとんどであり、したがってシール全体の実効的な高温耐性は、Oリングの材質（NBR、HNBR、またはFKM）によって決まることが一般的です。PTFEの配合組成は、この限界にほとんど関与しません。

熱によるシール故障の原因を特定する際には、この点が便利な手がかりになります。つまり、グライドリングやステップシールが高温用途で故障している場合、目立つ部分であるPTFEリングではなく、むしろその下のOリング式エナジャイザーから点検を始めるのが一般的です。

フィラーの選択は摩擦特性および摩耗寿命にどのような影響を与えますか？

フィラーの選択は、最終的に摩擦係数、耐摩耗性、耐薬品性のバランスを取ることになります。いずれかの特性を向上させると、他の特性が一定程度低下する傾向があります。ブロンズ系フィラーは最も優れた耐摩耗性と荷重支持能力を発揮しますが、耐薬品性の低下幅が最も大きくなります。グラファイト系フィラーは摩擦低減効果が最も顕著ですが、単独では耐摩耗性への寄与が最も小さいです。カーボン系フィラーはその中間的な位置にあり、耐摩耗性を実質的に向上させつつ、無充填PTFEに近い水準で耐薬品性を維持します。カーボンとグラファイトを混合した複合フィラーは、こうしたトレードオフを一方に偏らせずに、それぞれの長所を部分的に取り入れられるため、広く用いられています。

実用的な観点から、高速・高負荷用途では摩耗耐性に優れるブロンズ系やカーボン・グラファイト系複合材料が好まれる一方、化学薬品への暴露が主な懸念となる用途（特殊な油圧作動油やブロンズと反応する油圧作動油など）では、カーボンまたはグラファイト充填材が好まれます。

グライドリングの寿命を予測することを目的とした研究では、経験的PTFE摩耗率式とシールの機械的モデルおよび漏れモデルを統合し、一般形で表された摩耗率が導出されています。

δω′ = k · Fa · Vb · tc = 6.2×10⁻¹⁷ · F⁰·⁴ · V¹·⁰⁹ · t⁻⁰·⁰² （1）

ここで、Δω′は体積摩耗率、Fは摩耗リングとその対向面との間の接触力、Vは滑走速度、tは運転時間であり、指数はPTFE複合材料の摩耗試験結果から求められたものである。この式のフィッティング結果から特に注目すべき点が二つある。第一に、摩耗率は滑走速度に対してほぼ一次のべき乗（つまりほぼ直線的）で変化し、これは本式における最も強い単一の影響要因である。第二に、接触力に対する依存性は比較的弱く、また運転開始後の経過時間に対する依存性もほとんど見られない。実用上の意味としては、シリンダの速度が摩耗リングの寿命に及ぼす影響は、負荷に比べて非常に大きく、静的な接触圧力のみに基づく直感よりもはるかに顕著であるということである。

この摩耗率式は、ウェアリング周囲の残存クリアランスを通じた漏れモデルと組み合わせて用いられる。この漏れモデルは、圧力差と移動面の引きずり運動の両方によって駆動される、狭く同心状の隙間を流れる流れとして振る舞う。これにより、設計者は許容漏れ量から最大許容摩耗量を逆算し、さらにそこから推定される使用寿命を導き出すことができる。公表された実例の一つでは、特定のOリング予圧で取り付けられ、28 MPaの圧力および0.1 m/sの往復速度で動作するグライドリングについて、使用寿命が約200万秒（通常の使用条件下で数年程度）と推定された。また、同様の手法を用いた解析では、Oリングの予圧を調整することで使用寿命が延長することも示されており、これはOリングエナジャイザーの状態および取付品質が、PTFE配合材と同様に、使用寿命の計算に直接影響を与えるという事実を具体的に示す例である。

アプリケーションに最適なPTFE複合材をどのように選定すればよいですか？

適切なフィラーは、負荷、速度、温度、および作動油の化学的性質という複数の要因が相互に影響し合うものであり、単一の要因だけでは決まりません。そのため、最も確実な方法は、「PTFEシール」という汎用的な名称にとらわれず、シリンダーの実際の使用条件をシールサプライヤーに詳細に伝えることです。既存のシールに部品番号やメーカー仕様が明記されている場合は、通常、そこにフィラーの種類が示されています。その情報がない場合でも、シリンダーの用途に詳しいサプライヤーであれば、ご説明いただいた使用条件に基づいて、適切な複合材を提案できることがほとんどです。

あらゆるウェアリングとエナジャイザーの組み合わせと同様に、PTFEのフィラーとOリングのエラストマーの両方を個別に確認することが重要です。片方のみに注目し、もう一方を「標準的なデフォルト」として安易に想定するのは避けてください。両者を総合的に検討することで、交換用シールがそのアプリケーションに本当に適合しているかどうかをより正確に判断できます。

写真5：技術者がPTFE複合材を確認中

1. Jin Z.、Liang G.、Long R.、Li W.「油圧シリンダピストン用グライドリングの寿命算出方法」『沈陽化工大学学報』、2022年、36巻4号、pp. 362–367。
2. Dai L.「油圧往復式グライドリングの密封性能の最適化と実験的検討」修士論文、江南大学、2025年。
3. Nikas G. K.「油圧往復式シールに関する80年にわたる研究：1930年代以降の摩擦学的研究および関連トピックの総説」『インスティテューション・オブ・メカニカル・エンジニアーズ・プロシーディングス、パートJ：エンジニアリング摩擦学ジャーナル』、2010年、224巻1号、pp. 1–23。