Hva er materiale for støttetetning for bergborers slagpistong? Forklaring av PTFE, HNBR, FKM og PU

En støt pistonsegl fungerer i én av de hardeste posisjonene i en hydraulisk krets. Oljen rundt den er varm, trykket pulserer, og stempelen den tetner mot beveger seg raskt i en kort stroke, mange ganger per sekund. Ingen enkelt materiale håndterer alle disse kravene godt, noe som er grunnen til at de fleste slagstempeltetninger består av mer enn ett materiale. Denne artikkelen forklarer hvilke materialer disse er, hva hvert enkelt materiale bidrar med, og hvordan kompromissene påvirker tetningens oppførsel i drift. Tallene som er nevnt nedenfor er hentet fra publiserte ingeniørstudier, som er listet på slutten; de fleste av dem ble målt på prøveelementer eller i andre anvendelser, så de viser trender og bør ikke tolkes som rangeringer for en spesifikk tetning.

Hva er en bergboremaskins slagstempeltetning laget av?

Publiserte design for tettningsanordninger i hydrauliske slagapparater beskriver vanligvis en to-dels konstruksjon [1]. Den indre ringen, som berører stempelet, er laget av et hardt plastmateriale basert på teflon, altså et PTFE-type materiale. Rundt denne sitter et elastomerelement som tetner mot huset og presser den indre ringen mot stempelet. Elastomeren kan være en nitrilgummi- (NBR), hydrogenert nitrilgummi- (HNBR) eller fluoroelastomer- (FKM) sammensetning, avhengig av oljen og temperaturen. Noen borhodmodeller bruker i stedet en leppetetning av ett materiale, oftest polyuretan (PU). Hvilken konstruksjon din borer bruker, avhenger av modellen og produsenten.

Hver del har en annen funksjon, så de to velges separat. Plastringen velges for glidning og slitasje. Elastomeret velges for elastisitet, olje- og varmebestandighet samt pris. En gummioversikt over tettningsanordninger gjør samme inndeling: NBR er oljebestandig, moderat elastisk og lavpriset, og egner seg for vanlige oljetemperaturer, mens FKM tåler høye og lave temperaturer samt kjemisk angrep, men er hardere, mindre elastisk og dyrere [2].

Hvorfor er materialevalg så viktig i en perkusjonsenhet?

Tre forhold virker samtidig på tetningen. Det første er temperaturen: oljen i en driftsdrill er betydelig varmere enn omgivelsestemperaturen, og kontakten genererer egen friksjonsvarme. Det andre er belastningen: trykket på tetningen er pulsérende, ikke konstant. I ett prototype som ble levert med et trykk på 18 MPa, måltes korte trykkspisser på ca. 40 MPa i den primære bufferkammeret, i tillegg til et arbeidstrykk på 18–20 MPa [3], så materialet må tåle spisser langt over det nominelle trykket. Det tredje er glihastigheten: stempelen beveger seg langs tetningsflaten så lenge drillen er i drift.

Varmen som genereres ved en glipunkt kan anslås ut fra friksjonskoeffisienten μ, kontakttrykket pc og glihastigheten v. Oppvarmningsraten per enhet av kontaktareal er:

q = μ · pc · v (1)

Tre spakar følgjer direkte frå dette uttrykket. Lågare friksjon (eit betre ringmateriale) senkar q i same forhold. Lågare kontaktrykk (ein meir forsiktig elastomerforspenning) senkar det òg, men berre ned til det trykket som er naudsynt for tetting. Og q aukar med stempelfarten, noko som designeren ikkje kan velje. Difor sit eit låg-friksjonsmateriale på glideposisjonen, og difor må elastomeren bak ikkje presse ringen hardare enn naudsynt.

Eit materiale som ikkje er høveleg for denne kombinasjonen viser det på gjenkjennelige måtar: ein leppe som hardnar og sprekk av varme, ein plastisk ring som slitas raskt, ein elastomer som sveller i olja, eller ein myk leppe som vert pressa inn i klaringsspalten under ein trykkspiss.

Kvifor er stempelkontaktringen laga av PTFE?

PTFE har en svært lav friksjonskoeffisient, tåler høyere temperaturer enn de fleste gummiomsetningene og er motstandsdyktig mot kjemisk angrep fra hydraulikkvæsker. En oversikt fra 2026 over PTFE-tribologi tilbakefører disse egenskapene til dens molekylære struktur [4]. Den svært sterke C–F-bindingen gir den kjemiske stabiliteten. Fluoratomene omslutter karbonryggen i en heliks, noe som gir en svært lav overflateenergi og svake krefter mellom nabokjeder. Som følge av dette glir kjedene lett over hverandre under skjærbelastning, noe som er opphavet til den lave friksjonen. Oversikten angir også et stabilt fysisk-egenskapsområde for PTFE fra −250 til 260 °C, et område som er mye bredere enn det for noen gummiomsetning.

Den samme oversikten beskriver hvordan PTFE slites. Friksjon styres av kjedeglidning og av en tynn overført film av PTFE som bygges opp på den motstående flaten. Slitasje er hovedsakelig adhesiv, med utmattelse som en mindre faktor, og dannelse og oppbrudd av overføringsfilmen styrer slitasjehastigheten. To praktiske konsekvenser følger. En jevnere motflat hjelper filmen med å danne seg og reduserer slitasje, mens en ruere motflat har motsatt virkning. Og innenfor et temperaturområde fra −100 til 100 °C merker oversikten at krypning kan føre til økt slitasjehastighet selv om friksjonskoeffisienten synker, så en lav friksjonsverdi alene viser ikke at en PTFE-ring vil vare lenge.

PTFE har også begrensninger i denne rollen. Det har nesten ingen elastisk minne, så det kan ikke presse seg selv mot stempelet når kontakten slites. Det deformeres også sakte under vedvarende belastning, en oppførsel som kalles krypning. Begge begrensningene håndteres i konstruksjonen: elastomerelementet gir forspenningen, og fyllstoffer som legges til PTFE-reduserer krypning og slitasje.

Hva legger fyllstoffer til PTFE?

Ufylt PTFE slites for raskt til å brukes som dynamisk tetning under høy belastning, så sammensetningen blandes vanligvis med et fyllstoff. Vanlige fyllstoffer er bronse, karbon, grafit og glassfiber, noen ganger i kombinasjon. Generelt forbedrer fyllstoffer slitasjemotstand og krypfasthet. Slitasje uttrykkes vanligvis som en spesifikk slitasjerate, det vil si volumtap per enhet last og glideavstand:

k = ΔV / (F · s) (2)

Her er ΔV volumtapet i mm³, F er den normale lasten i N, og s er glideavstanden i m, slik at k er i mm³/(N·m). Publiserte tester viser hvor mye et fyllstoff kan endre k:

• I en svingetest (50 N, 5 Hz, 30 minutter, 316-edelstål-stift) hadde ren PTFE en slitasjerate på 1,05 × 10⁻⁴ mm³/(N·m). Med 5 % karbonnanofiber sank den til 2,7 × 10⁻⁵, og med 5 % karbonnanofiber pluss 10 % grafen sank den til 4,7 × 10⁻⁶, ca. 96 % lavere enn ren PTFE [5].
• En oversikt over PTFE-sammensetninger rapporterer at 25 % grafitt etter volum reduserte friksjonskoeffisienten til 0,19 og reduserte volumetrisk slitasje med to størrelsesordener, og at en blanding av to lengder av korte karbonfiber reduserte den spesifikke slitasjeraten med mer enn 90 % [4].
• Samme oversikt rapporterer en polyimid/PTFE-sammensetning med 20 % polyimid, hvis friksjonskoeffisient falt til 0,18, hvis volumetrisk slitasje falt til 4/1000 av ren PTFE og hvis krypdeformasjon falt med 62,6 % [4].
• En molekyldynamikkstudie fant at å tilsette 5 % karbonnanorør og deretter 10 % polyimid til PTFE senket den simulerte friksjonskoeffisienten med 6,7 % og slitasjeraten med 11,6 % i forhold til nanorørsammensetningen [6]. Dette er et simuleringsresultat og ikke en bänktest.

Disse tallene beskriver laboratorieprøver mot en stålpinne, ikke en ferdig tettningsring på en stempelet, og de ble oppnådd med fyllstoffer (nanofibre, grafen, nanorør) som ikke nødvendigvis er de samme som brukes i kommersielle tettningsmaterialer. De viser at type fyllstoff og mengden kan endre slitasjen med en faktor ti eller mer. Valget av fyllstoff påvirker også sekundære egenskaper: bronse gir vanligvis god slitasje- og belastningsmotstand, men reduserer kjemisk motstand; karbon beholder kjemisk motstand nærmere den ufullstendige PTFE-en; grafit senker friksjonen; og glassfiber øker hardheten, men kan være mer slitasjeforsterkende for motflaten.

Det nøyaktige fyllstoffet og dets andel bestemmes av produsenten for hver enkelt tetning og er vanligvis ikke synlig utvendig. Dette er en av årsakene til at to PTFE-tetninger med samme størrelse og profil likevel kan ha ulik ytelse.

Hva er elastomerelementet laget av, og hvorfor er det viktig?

Elastomeret bak PTFE-ringen har to oppgaver: det leverer den elastiske forspenningen som holder ringen i kontakt med stempelet, og det tetter statisk mot huset. Siden PTFE-ringen tåler varme som gummi ikke tåler, er elastomeret ofte den delen som bestemmer tettnings temperaturgrense.

• NBR er det allmennbrukte valget for mineralolje i hydraulikksystemer, med en kontinuerlig bruksgrense som vanligvis oppgis til ca. 100–120 °C, avhengig av sammensetningen.
• HNBR beholder NBRs oljebestandighet og gir bedre motstand mot varme og aldrende, med en grense som vanligvis oppgis til ca. 150 °C. Det er et vanlig valg der oljen blir varm.
• FKM har høyest temperaturbestandighet av de tre, vanligvis oppgitt til ca. 200 °C, samt bredere kjemisk bestandighet – men til høyere kostnad og med mindre fleksibilitet ved lave temperaturer.

Dette er generelle tall. Grensen for en bestemt tetning avhenger av sammensetningen av gummiematerialet og av temperaturen lokalt ved leppen, som kan være høyere enn oljens bulktemperatur.

Årsaken til at HNBR varer lenger enn NBR i varm olje er kjemisk. NBR har usatte karbon–karbon-dobbeltbindinger i sine kjeder, og disse er utsatt for oksidasjon og ozonangrep, noe som svekker stabiliteten og aldrendeegenskapene. Ved hydrogenering av kjeden konverteres de fleste av disse dobbeltbindingene til satte bindinger, noe som gir HNBR en sterkt mettet ryggrad som beholder olje- og slitasjemotstanden til NBR samt legger til varme-, kjemi- og oksidasjonsmotstand [7]. En oversiktsartikkel fra 2026 rapporterer at moderne hydrogeneringskatalysatorer oppnår en hydrogeneringsgrad over 90 % og i noen tilfeller over 99 % [7]. Fylte HNBR-sammensetninger i den nevnte oversikten ble testet på aldrende ved 125 °C i 7 dager og ved 160 °C i 20 dager, noe som gir et inntrykk av temperaturområdet der HNBR vurderes, selv om testresultatene avhenger av fyllstoffet.

Aldringen akselereres av temperaturen på en tilnærmet eksponentiell måte. Arrhenius’ relasjon, som ofte brukes til å beskrive termisk driven nedbrytning, uttrykker dette:

r = A · exp ( − Ea / R T ) (3)

Her er r nedbrytningshastigheten, A er en konstant, Ea er aktiveringsenergien, R er gasskonstanten og T er den absolutte temperaturen. Det praktiske betydningen er at en beskjeden temperaturstigning ved leppen forkorter levetiden til elastomeren langt mer enn en proporsjonal endring ville antyde, noe som forklarer hvorfor lokal temperatur ved tetningen er viktigere enn tanktemperaturen.

Stivheten til elastomeren er også viktig, fordi den bestemmer forspenningen på PTFE-ringen. For gummi-blandinger i området 65 til 85 IRHD relaterer en regresjon fra en elementmetodestudie elastisitetsmodulen E (MPa) til hardheten Hr [8]:

lg E = 0.0198 Hr − 0.5432 (4)

Hver 10 IRHD-poeng multipliserer modulen med 10^0,198, altså ca. 1,58. En sammensetning som er 10 poeng hardere, er derfor omtrent 58 % stivere, så en liten endring i hardhet påvirker forspenningen mer enn man kanskje skulle forvente. Dette er én grunn til at en erstatningselastomer bør matche den opprinnelige sammensetningen, og ikke bare ha «omtrent samme hardhet».

Hvor passer polyuretan inn?

Polyuretan er kjent for sin slitestyrke og revestyrke, som generelt er bedre enn hos konvensjonell gummivare, samt for god styrke under belastning. Den brukes til noen kolve- og stangtetninger i hydraulisk utstyr, inkludert noen slagapplikasjoner. Den viktigste begrensningen er en lavere kontinuerlig driftstemperatur enn HNBR eller FKM, så den egner seg best til bor hvor oljetemperaturen holder seg moderat og hvor forurensning eller slitasje er det dominerende problemet.

PU bør ikke velges bare fordi det virker sterkere på et dataark. Ved en perkusjonsforsegling er det første spørsmålet om oljetemperaturen ved leppen holder seg innenfor PU-forbindelsens grenseverdier. Studiene som ble rådført for denne artikkelen dekker ikke PU, så ingen numeriske grenseverdier er oppgitt her; forbindelsens eget dataark er den riktige kilden.

Hvordan sammenligner disse materialene seg med hverandre?

Tabellen nedenfor oppsummerer den typiske rollen og de viktigste begrensningene for hvert av materialene som er diskutert ovenfor. Den faktiske ytelsen avhenger av forbindelsen og produsenten.

Hvordan påvirker oljetype og temperatur materialevalget?

Hydraulikkoljen i en bergboremaskin er vanligvis en mineralbasert olje, og NBR, HNBR, FKM, PU og PTFE-typer er alle kompatible med den i typisk bruk. Hvis en boremaskin bruker brannsikker eller syntetisk væske, må kompatibiliteten sjekkes for hvert materiale, fordi en tetning som fungerer utmerket i mineralolje kan svelle opp eller degraderes i en annen væske.

Kompatibilitet testes ved nedsenkning. En prøve av tetningen veies i luft og i vann før og etter oppløsning i oljen (en typisk test bruker 100 °C i 72 timer), og volumendringen beregnes etter metoden i den kinesiske standarden GB/T 1690:

δV = [ (m3 − m4) − (m1 − m2) ] / (m1 − m2) × 100 % (5)

I dette uttrykket er m₁ og m₂ prøvens masse i luft og i vann før nedsenkning, og m₃ og m₄ er de samme massene etter nedsenkning. En positiv ΔV betyr at gummi har svulmet, og en negativ ΔV betyr at den har krympet, noe som vanligvis indikerer at en del av gummiens plastifiseringsmiddel er blitt ekstrahert. Begge situasjonene kan føre til lekkasje.

En publisert test viser hvorfor dette er viktig [9]. Fluoroelastomer-tettingeringer ble nedsenket ved 100 °C i 72 timer i tre hydraulikkvæsker brukt i en pansret kjøretøys fjæring og i blandinger av disse. Alle resultatene viste krymping, fra −4,9 % til −19,1 %, og de verste verdiene overskred 4 % -grensen i den aktuelle kinesiske standarden, så forfatterne anbefalte nitrilgummi for denne anvendelsen. Disse væskene er ikke bergboringsoljer, så tallene sier ikke at FKM er uegnet for et bor. De viser heller at et materiale som generelt er klassifisert som kjemisk bestandig likevel kan være dårlig egnet for en spesifikk væske.

Det samme gjelder blanding av oljer. En oversikt over tester av oljekompatibilitet [10] påpeker at når to hydraulikkoljer blandes, kan additivene reagere med hverandre og danne avleiringer som tetter filtre og fine ventilkretser, og beskriver tester der oljene blandes i forhold som 1:9, 5:5 og 9:1 og lagres ved 65 °C i 168 timer. Hvis en bors olje fylles opp med en annen merkevare, påvirkes både tetningen og kretsen.

Temperatur har to effekter. I et varmt klima eller ved lang driftstid når elastomeret først sitt grenseområde, noe som driver konstruksjonen mot HNBR eller FKM. I kalde forhold kan et stivt materiale føre til at tetningen er treghet i å følge stempelet inntil oljen har oppnådd arbeidstemperatur, noe som er et område der NBR og HNBR vanligvis har fortrinn framfor FKM og noen PU-typer.

Hvordan interagerer stempelets overflate med tetningsmaterialet?

Tetningen og stempelen slites som et par. Et hardt fyllstoff, som bronse eller glassfiber, forbedrer tetningens egen slitasjemotstand, men stiller også høyere krav til motflaten: stempelet må være hardt nok og glatt nok til at fyllstoffet ikke polerer eller riper det. Et ripet stempele sliter raskt på enhver tetning, uansett materiale.

PTFE-litteraturen støtter dette. Som nevnt ovenfor hjelper en glattere motflate overføringsfilmen å danne seg og reduserer slitasje, mens en ruere motflate øker den [4]. I én studie av motflater slitt ren PTFE mest mot en hard WC-10Co-4Cr-belægning, mens polymer/PTFE-komposittslitt mindre enn ren PTFE mot kromplatering, og lavere kromruhet ga lavere slitasje [4]. Selv om friksjonskoeffisienten endret seg lite med motflaten, endret slitasjemechanismen seg.

Derfor bør en tetning som har sviktet tidlig undersøkes sammen med stempelet. Hvis stempelets overflate er skadet, er det lite sannsynlig at bytte til et annet tetningsmateriale alene vil løse problemet.

Hvordan kan du identifisere materialet i en eksisterende tetning?

Farge og følelse er ikke pålitelige måter å identifisere en tetningsforbindelse på, fordi fargen ikke er standardisert og fyllstoffer endrer utseendet til PTFE. Pålitelige kilder er boreverktøyprodusentens reservedelskatalog, som vanligvis oppfører det angitte materialet sammen med reservedelsnummeret, og leverandørens skriftlige bekreftelse på materialetype.

Hvis den opprinnelige spesifikasjonen ikke er tilgjengelig, kan en leverandør som er kjent med boremodellen vanligvis identifisere konstruksjonen fra reservedelsnummeret eller fra et eksempel på den feilte tetningen. Be om materialet for hver komponent – både den harde ringen og elastomeren – separat, fordi de to velges uavhengig av hverandre.

1. Li Chuan, Yan Tianjun, Li Tiehui. Støtpistontetting og trinn-tetting for hydrauliske bergborhoder. Rock Drilling Machinery & Pneumatic Tools, 2003, (3): 8–12. (På kinesisk)
2. Qin Shuai, Cheng Pin, Wang Shidu. Strukturell optimaliseringsdesign av gummikomponenter i tettningsanordninger for mekanisk utstyr. China Tire Resources Comprehensive Utilization, 2026, (8). (På kinesisk)
3. Wang Jiansen, Yang Guangsheng, Liu Shaojun, Feng Huai, Wen Yongqiang. Analysis of the overpressure phenomenon in the primary buffer chamber of a dual-chamber-controlled hydraulic rock drill. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2026, 50(7): 57–67. (På kinesisk)
4. Cao Xiaoyu, Zhang Xu, Dang En, Luan Su, Hao Jianxu, Guo Chenhui, Yu Xiaojing, Zhao Kang. Forskningsframsteg innen anti-friksjonsytelse for polytetrafluoretylenmaterialer. Polymer Materials Science & Engineering, 2026, publisert før trykk. DOI: 10.16865/j.cnki.1000-7555.2026.0127. (På kinesisk)
5. An Lihui, Miao Xuemei, Liu Hao, Yang Song, Su Yujie, Wei Shijie. Synergistisk modifikasjon av PTFE ved hjelp av grafen og karbonnanofiber: tribologiske egenskaper og mekanisme for dynamisk termisk/elektrisk ledningsevne. Tribology, 2026, online first. (På kinesisk)
6. Wang Shuai, Ge Zhenghao, Wang Chaobao, Zhang Xiaoliang, Wang Haoyu. Molekyldynamisk analyse av friksjons- og slitasjeegenskaper for PI- og CNT-fylt PTFE. Plastics Science and Technology, 2025, (10): 30–33. (På kinesisk)
7. Zhang Xia, Gao Zhixing, Wu Shujuan, Xu Huiren, Shang Quanmin, Wang Fushan. Forskningsframsteg innen fremstilling, forsterkende fyllstoffer og anvendelser av hydrogenert nitrilbutadien-gummi. Petrochemical Technology, 2026, 55(4): 611–623. (På kinesisk)
8. Lu Yunjiang, Huang Le, Dai Changhao. Analyse av ekstrusjonsmotstand for O-ring basert på Marc. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2020, (3): 84–89. (På kinesisk)
9. Feng Dongliang, Zhao Ning, Chang Feng, Cai Wenbin, Wang Yongli, Yang Xin. Eksperimentell studie av kompatibiliteten mellom fluorogummitettring og hydraulikkoljer. Lubrication Engineering, 2018, 43(5): 111–114. (På kinesisk)
10. Zhang Wentian, Hu Chunling, Wang Jianhua, Shang Peihua, Ma Guoliang. Analyse av testmetoder for kompatibilitet mellom hydraulikkvæsker og turbinolje. Lubricating Oil, 2023, 38(4): 55–59. (På kinesisk)