Z jakiego materiału wykonane są pierścienie Glyd i uszczelki krokowe? Wyjaśnienie związków PTFE

Pierścień Glyd lub uszczelka krokowa to w rzeczywistości dwa materiały działające razem: sztywny pierścień zużycia z PTFE i gumowa uszczelka energetyzująca pod nim. O-kręg w większości dyskusji dotyczących tych uszczelek głównym tematem jest ich kształt, ale konkretny skład PTFE oraz materiał pierścienia O-ring wybrane dla danej aplikacji mają takie samo znaczenie dla rzeczywistej trwałości uszczelki. W tym artykule omawiamy, z czego składają się te materiały, dlaczego do czystego PTFE dodaje się napełniacze oraz jak dobierać odpowiedni materiał dla konkretnej cylindrycznej aplikacji.

Z jakiego materiału wykonana jest uszczelka Glyd Ring lub Step Seal?

Pierścień zużycia w obu konstrukcjach wykonany jest z PTFE (politetrafluoroetylen), prawie zawsze zmodyfikowanego materiałem napełniającym, a nie używanego w postaci czystej, niemodyfikowanej. Gumowa uszczelka energetyzująca typu O-ring umieszczona pod nim to osobny, konwencjonalny elastomer — najczęściej NBR, HNBR lub FKM — dobierany niezależnie od składu PTFE na podstawie rodzaju płynu hydraulicznego oraz temperatury, jakie uszczelka będzie przechodzić w eksploatacji.

Dlaczego do pierścienia zużycia stosuje się PTFE zamiast gumy?

PTFE oferuje nietypową kombinację właściwości, dzięki której doskonale nadaje się na pierścień ślizgowy: bardzo niski współczynnik tarcia, minimalne zachowanie stick-slip (drżenie, nieregularny ruch występujący, gdy różnica między tarciem statycznym a dynamicznym uszczelnienia jest zbyt duża), szeroka odporność chemiczna oraz szeroki zakres temperatur roboczych. Żadna z powszechnie stosowanych mieszanki kauczukowych nie dorównuje PTFE pod względem jednoczesnej niskiej wartości tarcia i odporności na zużycie w warunkach ciągłego poślizgu – a to właśnie takie obciążenie występuje w przypadku tłoka lub pieczęć wałkowa doświadczenia.

Kompromisem jest fakt, że czyste PTFE ma stosunkowo słabe odporności na zużycie ścierne i może ulec odkształceniom (pełzaniu) pod długotrwałym obciążeniem; dlatego w pierścieniach Glyd Rings i uszczelkach typu Step Seals praktycznie zawsze stosuje się kompozyty PTFE z dodatkami, a nie czyste PTFE.

Zdjęcie 1: Kompozyt PTFE z dodatkami – cząstki napełniacza w matrycy PTFE

Co oznacza termin „PTFE z dodatkami” i dlaczego ma to znaczenie?

Wypełniony PTFE to zwykły żywiczny PTFE z dodatkowym materiałem zmieszonym w nim — najczęściej brązem, węglem, grafitem lub włóknem szklanym, czasem w połączeniu — w celu poprawy właściwości, w których niewypełniony PTFE jest niewystarczający. Wypełnianie zazwyczaj poprawia odporność na zużycie, odporność na pełzanie pod obciążeniem oraz przewodność cieplną, zachowując przy tym większość niskiego współczynnika tarcia i odporności chemicznej PTFE. Konkretny rodzaj napełniacza oraz jego zawartość wagowa są dobierane tak, aby dopasować się do oczekiwanego obciążenia, prędkości i warunków eksploatacji uszczelki, dlatego określenie „uszczelka z PTFE” samo w sobie nie opisuje w pełni składu konkretnej uszczelki Glyd Ring lub uszczelki typu Step Seal.

Do czego nadaje się PTFE wypełniony brązem?

Miedź cynkowa jest zwykle dodawana w stosunkowo wysokim stężeniu, najczęściej w zakresie 40–60% wagowych, zapewniając wypełnionemu PTFE najlepszą ogólną odporność na zużycie i nośność spośród powszechnie stosowanych wypełniaczy, a także dobrą przewodność cieplną, która pomaga odprowadzać ciepło od powierzchni ślizgania. Wadami są obniżona odporność chemiczna w porównaniu z niewypełnionym PTFE oraz mniejsza przydatność tam, gdzie przewodność elektryczna stanowi problem, ponieważ wypełnienie miedzią cynkową czyni materiał przewodzącym.

PTFE wypełnione miedzią cynkową to powszechne rozwiązanie dla pierścieni Glyd oraz uszczelek typu Step działających przy wyższych obciążeniach lub ciśnieniach, gdzie kluczowe są odporność na zużycie i stabilność wymiarowa pod obciążeniem – bardziej niż zapas odporności chemicznej materiału.

Zdjęcie 2: Próbka uszczelki z PTFE wypełnionego miedzią cynkową w porównaniu z niewypełnionym PTFE

Do czego nadaje się PTFE wypełnione węglem lub grafitem?

Napełniacz węglowy, zwykle dodawany w ilości około 10–35% wagowych, poprawia odporność na zużycie oraz odporność na odkształcenia pod obciążeniem, zachowując przy tym w dużej mierze odporność chemiczną PTFE, w przeciwieństwie do napełnienia brązowym. Grafit dodawany jest często razem z węglem lub samodzielnie – w niższej proporcji – głównie w celu dalszego obniżenia współczynnika tarcia i poprawy właściwości samosmarujących, choć sam grafit nie poprawia odporności na zużycie w takim stopniu jak węgiel.

Mieszanki węglowe oraz węglowo-grafitowe są powszechnie wybierane tam, gdzie odporność chemiczna musi pozostawać zbliżona do odporności nienapełnionego PTFE albo tam, gdzie przewodność elektryczna wynikająca z napełnienia brązowym byłaby niepożądana, a jednocześnie wymagana jest istotnie lepsza odporność na zużycie niż ta zapewniana przez zwykłe PTFE.

Zdjęcie 3: Porównanie uszczelki z PTFE napełnionym węglem i grafitem oraz uszczelki z PTFE napełnionym brązem

Jak te związki PTFE porównują się ze sobą bezpośrednio?

Poniższa tabela podsumowuje ogólne pozycjonowanie wśród powszechnie stosowanych wersji PTFE z napełniaczem. Dokładne właściwości zależą od procentowego udziału napełniacza oraz konkretnej formuły złożenia stosowanej przez danego producenta.

Zdjęcie 4: Porównanie obok siebie uszczelnień z wypełnionego PTFE

Z jakiego materiału wykonano wspornik pierścienia O-ring i dlaczego ten wybór również ma znaczenie?

O-ring pod pierścieniem PTFE to konwencjonalny elastomer, a jego materiał dobiera się według tej samej logiki co w przypadku dowolnego innego hydraulicznego O-ringa: NBR do ogólnego zastosowania w olejach mineralnych przy umiarkowanych temperaturach, HNBR tam, gdzie aplikacja działa w wyższych temperaturach lub wymaga lepszej odporności na starzenie się w długim okresie, oraz FKM tam, gdzie priorytetem jest odporność chemiczna lub wysoka temperatura pracy ciągłej. Ponieważ jedynym zadaniem O-ringa jest zapewnienie stałej siły sprężystej działającej na pierścień PTFE, wybór jego materiału zależy od tych samych kwestii zgodności z olejem i temperatury, które omawia się przy ogólnych porównaniach materiałów uszczelniających, a nie od jakichkolwiek cech specyficznych dla konstrukcji Glyd Ring lub Step Seal.

Warto traktować tę decyzję jako rzeczywiście odrębną od wyboru materiału PTFE: zestaw uszczelnień nawet doskonały pierścień PTFE wypełniony brązem połączony z energizatorem O-ringa słabo dopasowanym do używanego płynu hydraulicznego ulegnie wczesnej awarii – jednak nie ze strony pierścienia zużycia, lecz właśnie ze strony energizatora.

W jaki sposób temperatura wpływa na wydajność uszczelki z PTFE?

Sam PTFE charakteryzuje się niezwykle szerokim zakresem temperatur roboczych i dobrze znosi temperatury znacznie wyższe niż większość mieszanki gumowych, dlatego pierścień zużycia z PTFE rzadko stanowi element ograniczający temperaturę w uszczelce Glyd Ring lub uszczelce typu Step Seal. W prawie każdym przypadku najpierw osiąga swój limit temperaturowy pierścień O-ring znajdujący się pod nim, co oznacza, że efektywna górna granica temperatury uszczelki jest zwykle określana przez wybór materiału pierścienia O-ring (NBR, HNBR lub FKM), a nie przez związek PTFE.

Jest to przydatne uproszczenie przy diagnozowaniu awarii uszczelki spowodowanej wysoką temperaturą: jeśli uszczelka Glyd Ring lub uszczelka typu Step Seal ulega awarii w warunkach wysokiej temperatury, pierwszym miejscem, które należy sprawdzić, jest zwykle pierścień O-ring, mimo że pierścień z PTFE jest bardziej widoczną częścią zespołu.

W jaki sposób wybór napełniacza wpływa na tarcie i czas użytkowania?

Wybór wypełniacza to ostatecznie kompromis między tarciem, odpornością na zużycie i odpornością chemiczną; poprawa jednego z tych parametrów wiąże się zwykle z pewną utratą innego. Miedź cynkowa zapewnia najlepszą odporność na zużycie i nośność, ale powoduje największą redukcję odporności chemicznej. Grafit najskuteczniej obniża tarcie, ale samodzielnie wnosi najmniejszy wkład w odporność na zużycie. Węgiel zajmuje pozycję pośrednią: znacząco poprawia odporność na zużycie, zachowując przy tym odporność chemiczną bliską nieuwypełnionemu PTFE. Wypełniacze kombinowane, np. węgiel mieszany z grafitem, są powszechne właśnie dlatego, że pozwalają materiałowi wykorzystać niektóre zalety każdego z wypełniaczy, unikając pełnego zaangażowania w jeden z kompromisów.

W praktyce zastosowania wymagające wyższych prędkości i większych obciążeń zwykle korzystają z brązu lub mieszanki węgla z grafitem ze względu na ich odporność na zużycie, podczas gdy w zastosowaniach, w których głównym zagrożeniem jest narażenie na działanie chemiczne — np. nietypowe ciecze hydrauliczne lub ciecze reagujące z brązem — preferuje się wypełnienia z węgla lub grafitu.

Badania skoncentrowane konkretnie na przewidywaniu czasu pracy pierścienia Glyd wykorzystały empiryczną formułę szybkości zużycia PTFE połączoną z mechanicznym modelem uszczelki oraz modelem przecieków, co doprowadziło do uzyskania wzoru na szybkość zużycia w ogólnej postaci:

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

gdzie Δω′ to objętościowa szybkość zużycia, F to siła kontaktu między pierścieniem zużycia a powierzchnią z nim współpracującą, V to prędkość poślizgu, a t to czas pracy, przy czym wykładniki zostały dobrane na podstawie testów zużycia kompozytów PTFE. W tym konkretnym dopasowaniu rzucają się w oczy dwie rzeczy: szybkość zużycia zależy od prędkości poślizgu mniej więcej w pierwszej potędze (zależność niemal liniowa i najmocniejszy pojedynczy wpływ we wzorze), podczas gdy jej zależność od siły kontaktu jest stosunkowo słaba, a po uruchomieniu urządzenia prawie nie zmienia się wraz z upływem czasu. Konsekwencją praktyczną jest to, że prędkość cylindra ma znacznie większy wpływ na żywotność pierścienia zużycia niż obciążenie – większy, niż mogłoby się wydawać na podstawie intuicji opartej wyłącznie na statycznej presji kontaktowej.

Po połączeniu z modelem wycieku przez pozostałą szczelinę wokół pierścienia zużycia — który zachowuje się jak przepływ przez wąską, współosiową szczelinę, napędzaną częściowo różnicą ciśnień po obu stronach, a częściowo ruchem powierzchni poruszającej się — ten rodzaj wzoru na szybkość zużycia pozwala projektantom wykonać obliczenia odwrotne: od dopuszczalnego wycieku do maksymalnej dopuszczalnej objętości zużycia, a następnie do oszacowanej trwałości eksploatacyjnej. W jednym opublikowanym przykładzie obliczeniowym zastosowanym tą metodą oszacowano trwałość eksploatacyjną pierścienia Glyd Ring zainstalowanego z określonym wciskiem pierścienia O-ring i pracującego przy ciśnieniu 28 MPa oraz prędkości ruchu posuwisto-zwrotnego 0,1 m/s na około 2 miliony sekund (czyli kilka lat typowej eksploatacji); ta sama metoda wykazała wzrost trwałości eksploatacyjnej przy dostosowaniu wcisku pierścienia O-ring — co stanowi konkretną ilustrację tego, dlaczego stan i sposób montażu energizatora w postaci pierścienia O-ring, a nie tylko związek PTFE, ma bezpośredni wpływ na obliczanie trwałości eksploatacyjnej.

Jak wybrać odpowiedni związek PTFE do swojego zastosowania?

Ponieważ odpowiedni napełniacz zależy od obciążenia, prędkości, temperatury oraz chemii płynu hydraulicznego razem, a nie od pojedynczego czynnika, najbardziej niezawodnym podejściem jest opisanie rzeczywistych warunków pracy cylindra dostawcy uszczelek zamiast zakładać, że ogólny „uszczelniacz PTFE” będzie działał tak samo niezależnie od rodzaju napełniacza. Jeśli znany jest numer katalogowy istniejącego uszczeleń lub specyfikacja producenta, zwykle wskazuje ona typ napełniacza; jeśli nie jest znany, dostawca zapoznany z zastosowaniem cylindra zazwyczaj może zalecić odpowiedni związek na podstawie opisanego obciążenia.

Tak jak w przypadku każdej kombinacji pierścienia zużycia i elementu napinającego, potwierdzenie zarówno rodzaju napełniacza PTFE, jak i elastomeru pierścienia O-ring — zamiast skupiać się tylko na jednym z nich i zakładać, że drugi jest standardowym domyślnym rozwiązaniem — daje bardziej kompleksowy obraz tego, czy dany uszczeleń zastępczy rzeczywiście odpowiada danemu zastosowaniu.

Zdjęcie 5: Technik sprawdzający związek PTFE

1. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. „Metoda obliczania czasu życia pierścieni Glyd stosowanych w tłoczyskach cylindrów hydraulicznych.” Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
2. Dai L. „Optymalizacja i badania eksperymentalne wydajności uszczelniania pierścieni Glyd w układach hydraulicznych.” Praca magisterska, Jiangnan University, 2025.
3. Nikas G. K. „Osiemdziesiąt lat badań uszczelnień hydraulicznych tłokowych: przegląd badań tribologicznych i tematów pokrewnych od lat trzydziestych XX wieku.” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.