Din ce material sunt realizate inelele Glyd și etanșările cu treaptă? Explicație privind compușii din PTFE

Un inel Glyd sau un etanșeu în trepte este, de fapt, format din două materiale care lucrează împreună: un inel rigid de uzură din PTFE și un element elastic („energizer”) din cauciuc aflat sub el. Anelul O majoritatea discuțiilor privind aceste etanșeuri se concentrează asupra formei lor, dar compusul specific de PTFE și materialul inelului O ales pentru o anumită aplicație au un impact la fel de mare asupra duratei reale de funcționare a etanșeului. Acest articol analizează din ce sunt alcătuite aceste compuși, de ce se adaugă umpluturi în PTFE-ul pur și cum trebuie abordată alegerea materialului pentru un cilindru dat.

Din ce material este confecționat un inel Glyd sau un etanșeu în trepte?

Inelul de uzură din ambele variante este realizat din PTFE (politetrafluoroetilen), aproape întotdeauna modificat cu un material de umplutură, nu utilizat în forma sa pură, nefolosită. Elementul elastic („energizer”) sub formă de inel O este un elastomer convențional separat — de obicei NBR, HNBR sau FKM — ales independent de compusul de PTFE, în funcție de fluidul hidraulic și de temperatură la care va fi supus etanșeul în exploatare.

De ce se folosește PTFE pentru inelul de uzură, în loc de cauciuc?

PTFE oferă o combinație neobișnuită de proprietăți care îl fac foarte potrivit pentru inelele de uzură cu alunecare: un coeficient de frecare foarte scăzut, un comportament minim de stick-slip (mișcare neregulată și sacadată care poate apărea atunci când frecarea statică și cea dinamică a unui etanș la diferă prea mult), o rezistență chimică largă și o gamă extinsă de temperaturi de utilizare. Niciunul dintre compușii obișnuiți de cauciuc nu se compară cu combinația PTFE de frecare scăzută și rezistență la uzură în contactul continuu de alunecare, care este tocmai sarcina pe care o au un piston sau sigiliu de bară experiențe.

Compromisul constă în faptul că PTFE-ul pur are o rezistență relativ scăzută la uzura abrazivă și poate suferi deformare (fluaj) sub sarcină permanentă; de aceea, compușii PTFE umpluți, nu PTFE-ul virgin, sunt aproape întotdeauna utilizați în inelele Glyd și în etanșurile tip Step.

Foto1: Compus PTFE umplut: particule de umplutură în matricea de PTFE

Ce înseamnă «PTFE umplut» și de ce este important acest lucru?

PTFE-ul umplut este o rezină PTFE simplă la care s-a adăugat un material secundar — de obicei bronz, carbon, grafit sau fibră de sticlă, uneori în combinație — pentru a îmbunătăți proprietățile acolo unde PTFE-ul neumplut nu este suficient. Umplerea îmbunătățește, în general, rezistența la uzură, rezistența la fluaj sub sarcină și conductivitatea termică, păstrând în același timp majoritatea proprietăților de frecare scăzută și rezistență chimică ale PTFE-ului. Tipul specific de umplutură și procentul său în greutate sunt alese pentru a corespunde sarcinii, vitezei și mediului de funcționare așteptate ale garniturii, motiv pentru care expresia «garnitură PTFE» singură nu descrie în întregime din ce este compusă o anumită garnitură Glyd Ring sau Step Seal.

Pentru ce este potrivit PTFE-ul umplut cu bronz?

Bronzul este de obicei adăugat într-o concentrație relativ ridicată, în mod uzual între 40–60% în greutate, oferind PTFE-ului umplut cea mai bună rezistență la uzură și capacitate de susținere a încărcărilor dintre opțiunile comune de umpluturi, precum și o bună conductivitate termică care ajută la evacuarea căldurii de la zona de contact alunecător. Compromisurile constau într-o rezistență chimică redusă comparativ cu PTFE-ul nefumplut și într-o potrivire redusă în aplicații unde conductivitatea electrică ar reprezenta o problemă, deoarece umplerea cu bronz face compusul conductiv.

PTFE-ul umplut cu bronz este o alegere frecventă pentru inelele Glyd și pentru etanșările tip Step care funcționează sub încărcări sau presiuni mai mari, acolo unde rezistența la uzură și stabilitatea dimensională sub încărcare sunt mai importante decât marja de rezistență chimică a compusului.

Foto2: Eșantion de etanșare din PTFE umplut cu bronz vs. PTFE nefumplut

La ce este potrivit PTFE-ul umplut cu carbon sau grafit?

Umplutura din carbon, de obicei adăugată în proporție de aproximativ 10–35% în greutate, îmbunătățește rezistența la uzură și rezistența la deformare sub sarcină, păstrând în mare parte rezistența chimică a PTFE-ului, spre deosebire de umplutura din bronz. Grafitul este adesea adăugat împreună cu carbonul sau separat, într-o proporție mai mică, în principal pentru a reduce în continuare coeficientul de frecare și pentru a îmbunătăți comportamentul autolubrifiant, deși grafitul singur nu îmbunătățește rezistența la uzură în aceeași măsură ca și carbonul.

Amestecurile de carbon și de carbon-grafit reprezintă o alegere frecventă atunci când rezistența chimică trebuie să rămână apropiată de cea a PTFE-ului nefumizat sau atunci când conductivitatea electrică oferită de o umplutură din bronz ar fi nedorită, dar este totuși necesară o rezistență la uzură semnificativ superioară celei oferite de PTFE-ul simplu.

Foto3: Comparație între etanșarea din PTFE umplut cu carbon-grafit și cea umplută cu bronz

Cum se compară aceste compuși din PTFE unul cu celălalt?

Tabelul de mai jos rezumă poziționarea generală între opțiunile comune de PTFE umplut. Performanța exactă depinde de procentul de umplutură și de formula specifică a compusului utilizată de un anumit producător.

Foto4: Compuneri de etanșare cu PTFE umplut, comparate lângă lângă

Din ce material este realizat elementul de energizare al garniturii O-ring și de ce contează și această alegere?

O-ring-ul de sub inelul din PTFE este un elastomer convențional, iar materialul său urmează aceeași logică utilizată pentru orice alt O-ring hidraulic: NBR pentru servicii generale cu uleiuri minerale la temperaturi moderate, HNBR acolo unde aplicația funcționează la temperaturi mai ridicate sau necesită o rezistență superioară la îmbătrânire pe termen lung și FKM acolo unde rezistența chimică sau temperatura continuă ridicată este prioritară. Deoarece singura funcție a O-ring-ului este de a furniza o forță de compresiune constantă inelului din PTFE, selecția materialului său este determinată de aceleași întrebări legate de compatibilitatea cu uleiul și de temperatură, care sunt abordate în comparațiile generale ale materialelor pentru etanșări, nu de caracteristici specifice ale designului Glyd Ring sau Step Seal.

Merită tratată ca o decizie cu adevărat separată de alegerea compusului din PTFE: o set de închisoră cu un inel excelent din PTFE umplut cu bronz, dar cu un O-ring energizator slab potrivit fluidului hidraulic utilizat, va ceda totuși prematur, dar doar din partea energizatorului, nu din partea inelului de uzură.

Cum influențează temperatura performanța unui etanșeu din PTFE?

PTFE-ul în sine are un domeniu de temperaturi utilizabile neobișnuit de larg și suportă căldura mult mai bine decât majoritatea compușilor de cauciuc, astfel încât inelul de uzură din PTFE este rar componenta care limitează temperatura într-un etanșeu Glyd Ring sau Step Seal. În aproape toate cazurile, inelul O care îl energizează atinge limita sa de temperatură mai întâi, ceea ce înseamnă că clasificarea etanșeului pentru temperaturi înalte este, în general, determinată de alegerea materialului inelului O (NBR, HNBR sau FKM), nu de compoziția PTFE-ului.

Aceasta reprezintă o metodă utilă de diagnosticare rapidă în cazul defectării unui etanșeu datorită căldurii: dacă un etanșeu Glyd Ring sau Step Seal se defectează într-o aplicație cu temperaturi ridicate, inelul O energizator este, în general, primul element care trebuie verificat, chiar dacă inelul din PTFE este partea mai vizibilă a ansamblului.

Cum influențează alegerea umpluturii frecarea și durata de viață la uzură?

Alegerea umpluturii este, în final, un compromis între frecare, rezistența la uzură și rezistența chimică; îmbunătățirea unuia dintre aceste aspecte implică, de obicei, o scădere a celorlalte. Bronzul oferă cea mai bună rezistență la uzură și capacitate de încărcare, dar determină cea mai mare reducere a rezistenței chimice. Grafitul reduce frecarea cel mai eficient, dar contribuie cel mai puțin, în mod individual, la rezistența la uzură. Carbonul se situează între cele două: îmbunătățește semnificativ rezistența la uzură, păstrând totuși rezistența chimică aproape de cea a PTFE neumplut. Umpluturile combinate, cum ar fi carbonul amestecat cu grafit, sunt frecvent utilizate tocmai pentru că permit unui compozit să beneficieze parțial de avantajele fiecărei umpluturi, fără a accepta integral compromisul asociat uneia singure.

În practică, aplicațiile cu viteză și sarcină mai mari tind să favorizeze aliajele din bronz sau grafit-carbon datorită rezistenței lor la uzură, în timp ce aplicațiile în care expunerea chimică reprezintă o problemă mai importantă — de exemplu, fluide hidraulice neobișnuite sau fluide care ar reacționa cu bronzul — tind să favorizeze în schimb umpluturile din carbon sau grafit.

Cercetarea orientată în mod specific către previzionarea duratei de viață a inelelor Glyd a combinat o formulă empirică pentru rata de uzură a PTFE cu un model mecanic al garniturii și un model de scurgere, obținând o rată de uzură exprimată în forma generală:

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

unde Δω′ este rata de uzură volumetrică, F este forța de contact dintre inelul de uzură și suprafața sa de contact, V este viteza de alunecare, iar t este timpul de funcționare, exponenții fiind determinați experimental pe baza testelor de uzură ale compozitelor din PTFE. Două aspecte sunt remarcabile în această ajustare specifică: rata de uzură variază aproximativ liniar cu viteza de alunecare (adică la puterea întâi, fiind cea mai puternică influență individuală din formulă), în timp ce dependența de forța de contact este relativ slabă, iar uzura este aproape independentă de timp după ce sistemul a intrat în regim stabil de funcționare. Implicația practică este că viteza cilindrului are un efect disproportionat asupra duratei de viață a inelului de uzură comparativ cu încărcarea, mai mare decât ar sugera intuiția bazată doar pe presiunea statică de contact.

În combinație cu un model de scurgere prin jocul rezidual din jurul inelului de uzură — care se comportă ca un flux printr-o deschidere concentrică îngustă, generat parțial de diferența de presiune de pe aceasta și parțial de mișcarea de antrenare a suprafeței mobile — acest tip de formulă pentru rata de uzură permite proiectanților să lucreze în sens invers, pornind de la o rată de scurgere admisibilă către un volum maxim admisibil de uzură, iar de acolo către o durată de viață estimată. Într-un exemplu publicat, realizat cu această metodă, un inel Glyd montat cu o precomprimare specifică a garniturii O și funcționând la 28 MPa și la o viteză de mișcare alternativă de 0,1 m/s a fost estimat la aproximativ 2 milioane de secunde de durată de viață (pe ordinea a câțiva ani de funcționare tipică), iar aceeași metodă a arătat că durata de viață crește atunci când precomprimarea garniturii O este ajustată — o ilustrare concretă a motivului pentru care starea și montarea energizatorului cu garnitură O, nu doar compusul din PTFE, intră direct în calculul duratei de viață.

Cum puteți identifica compusul potrivit de PTFE pentru aplicația dumneavoastră?

Deoarece umplutura potrivită depinde de încărcare, viteză, temperatură și chimia lichidului hidraulic, în mod conjunct, nu doar de un singur factor, abordarea cea mai fiabilă este să descrieți furnizorului de etanșări condițiile reale de funcționare ale cilindrului, nu să presupuneți că o etanșare generică din PTFE va avea aceeași performanță indiferent de tipul de umplutură. Dacă este disponibil numărul de piesă al unei etanșări existente sau specificația producătorului, acesta indică, de obicei, tipul de umplutură; dacă nu este disponibil, un furnizor familiarizat cu aplicația cilindrului poate recomanda, în general, un compus adecvat pe baza regimului de funcționare descris.

La fel ca în cazul oricărei combinații de inel de uzură și element de presiune, verificarea atât a umpluturii PTFE, cât și a elastomerului inelului O — nu doar a unuia dintre ele, presupunând că celălalt este un standard implicit — oferă o imagine mai completă despre faptul dacă o anumită etanșare de înlocuire este, de fapt, potrivită pentru aplicație.

Foto5: Tehnician care verifică compusul de PTFE

1. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. „Metodă de calcul pentru durata de funcționare a inelelor Glyd utilizate în pistoanele cilindrilor hidraulici.” Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
2. Dai L. „Optimizarea și investigația experimentală a performanței de etanșare a inelelor hidraulice reciprocante Glyd.” Teză de masterat, Jiangnan University, 2025.
3. Nikas G. K. „Optzeci de ani de cercetare privind etanșările hidraulice reciprocante: revizuire a studiilor tribologice și a subiectelor conexe din anii 1930 până în prezent.” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.