Z akého materiálu sú vyrobené tesniace krúžky Glyd Ring a Step Seal? Vysvetlenie zliatin PTFE

Glyd kruh alebo krokové tesnenie je v skutočnosti dve materiály, ktoré spolupracujú: tuhý opotrebovateľný kruh z PTFE a gumový energetizátor pod ním. O-ring Väčšina diskusii o týchto tesneniach sa sústreďuje na ich tvar, avšak konkrétny zložený materiál PTFE a materiál O-krúžku vybrané pre dané použitie majú rovnako veľký vplyv na skutočnú životnosť tesnenia. Tento článok sa zaoberá tým, z akých materiálov sú tieto zložky vyrobené, prečo sa do čistého PTFE pridávajú plnivá a ako sa má uvažovať o výbere materiálu pre daný valec.

Z akého materiálu je vyrobený Glyd kruh alebo krokové tesnenie?

Opotrebovateľný kruh v oboch konštrukciách je vyrobený z PTFE (polytetrafluoroetylénu), takmer vždy modifikovaného plnivom namiesto použitia v čistej, neplnenej forme. Gumový energetizátor pod ním je samostatný, bežný elastomér – najčastejšie NBR, HNBR alebo FKM – vybraný nezávisle od zloženia PTFE na základe hydraulického média a teploty, ktorým bude tesnenie v prevádzke vystavené.

Prečo sa pre opotrebovateľný kruh používa PTFE namiesto gumy?

PTFE ponúka nezvyčajnú kombináciu vlastností, ktoré ho robia vhodným pre použitie ako posúvacie opotrebovateľné krúžky: veľmi nízky koeficient trenia, minimálne správanie „stick-slip“ (t.j. trhavý, nerovnomerný pohyb, ktorý môže vzniknúť, ak sa štatické a dynamické trenie tesniaceho prvku príliš líšia), široká chemická odolnosť a široký rozsah použiteľných teplôt. Žiadna z bežných gumových zmesí neposkytuje takú kombináciu nízkeho trenia a odolnosti voči opotrebovaniu pri nepretržitom posúvaní, čo je presne tá funkcia, ktorú plní piest alebo pečiatka valca skúsenosti.

Nevýhodou je, že čistý PTFE má relatívne nízku odolnosť voči abrazívnemu opotrebovaniu a môže sa deformovať („creep“) pod trvalým zaťažením, preto sa v Glyd Rings a Step Seals takmer vždy používajú nie čistý PTFE, ale PTFE so záplňou.

Foto1: Kompozitný PTFE so záplňou: častice plniva v PTFE matrici

Čo znamená pojem „PTFE so záplňou“ a prečo je to dôležité?

Plnený PTFE je čistá prysková hmota PTFE, do ktorej je zmiešaná sekundárna zložka – zvyčajne bronz, uhlík, grafit alebo sklenené vlákno, niekedy aj v kombinácii – za účelom zlepšenia vlastností, v ktorých neplnený PTFE dosahuje nedostatočné výsledky. Plnenie zvyčajne zvyšuje odolnosť proti opotrebovaniu, odolnosť proti creepu pod zaťažením a tepelnú vodivosť, pričom zachováva väčšinu nízkeho trenia a chemické odolnosti PTFE. Konkrétny typ plniiva a jeho hmotnostné percento sa vyberajú tak, aby zodpovedali očakávanému zaťaženiu, rýchlosti a prevádzkovému prostrediu tesnenia; preto samotný výraz „tesnenie z PTFE“ nestačí na úplné popísanie zloženia konkrétneho tesnenia Glyd Ring alebo Step Seal.

Na čo je vhodný PTFE plnený bronzom?

Bronz sa zvyčajne pridáva v relatívne vysokej koncentrácii, často v rozmedzí 40–60 hmotnostných percent, a poskytuje plnenému PTFE najlepšiu všeobecnú odolnosť proti opotrebovaniu a nosnú schopnosť medzi bežnými plniacimi látkami, spolu s dobrým tepelným vedením, ktoré pomáha odvádzať teplo od povrchu šmykovej kontaktnej plochy. Nevýhodou je znížená chemická odolnosť v porovnaní s neplneným PTFE a znížená vhodnosť pre aplikácie, kde by bola problematická elektrická vodivosť, pretože bronzové plnenie robí zlúčeninu vodivou.

PTFE plnené bronzom je bežnou voľbou pre tesniace krúžky Glyd Rings a krokové tesnenia (Step Seals) prevádzkované za vyšších zaťažení alebo tlakov, kde je dôležitejšia odolnosť proti opotrebovaniu a dimenzionálna stabilita pod zaťažením než rezerva chemickej odolnosti zlúčeniny.

Obrázok 2: Vzorka tesnenia z PTFE plneného bronzom oproti neplnenému PTFE

Na čo je vhodné PTFE plnené uhlíkom alebo grafitom?

Uhlíkový plnivo, zvyčajne pridané v množstve približne 10–35 hmotnostných percent, zlepšuje odolnosť voči opotrebovaniu a odolnosť voči deformácii pod zaťažením, pričom chemická odolnosť PTFE zostáva v podstate nezmenená, na rozdiel od plniva z bronzu. Grafit sa často pridáva spolu s uhlíkom alebo samostatne v nižšom percentu, najmä aby ďalej znížil koeficient trenia a zlepšil samomaznivé vlastnosti, hoci grafit samotný nezlepšuje odolnosť voči opotrebovaniu tak výrazne ako uhlík.

Uhlíkové plnivá a zmesi uhlíka s grafitom sú bežnou voľbou v prípadoch, keď musí chemická odolnosť zostať blízko úrovne neplneného PTFE, alebo keď by elektrická vodivosť spôsobená bronzovým plnivom bola nežiaduca, pričom stále je potrebné výrazne lepšia odolnosť voči opotrebovaniu v porovnaní s čistým PTFE.

Obrázok 3: Porovnanie tesnenia z PTFE naplneného uhlíkom a grafitom a PTFE naplneného bronzom

Ako sa tieto zlúčeniny PTFE navzájom porovnávajú?

Tabuľka nižšie zhrňuje všeobecné umiestnenie medzi bežnými naplnenými PTFE materiálmi. Presný výkon závisí od percentuálneho podielu plniiva a od konkrétnej zložky zmesi použitej daným výrobcom.

Obrázok 4: Porovnanie vyplnených PTFE tesniacich zmesí vedľa seba

Z akého materiálu je vyrobený energizátor O-krúžku a prečo je aj tento výber dôležitý?

O-krúžok pod PTFE krúžkom je konvenčný elastomér a jeho materiál sa volí podľa rovnakej logiky ako pri akomkoľvek inom hydraulickom O-krúžku: NBR pre všeobecné použitie s minerálnymi olejmi pri stredných teplotách, HNBR tam, kde aplikácia pracuje za vyšších teplôt alebo vyžaduje lepšiu odolnosť voči dlhodobej degradácii, a FKM tam, kde je prioritou chemická odolnosť alebo vysoká nepretržitá teplota. Keďže jedinou úlohou O-krúžku je poskytnúť konzistentnú pružinovú silu PTFE krúžku, výber jeho materiálu sa riadi rovnakými otázkami kompatibility s olejom a teploty, ktoré sa riešia aj pri všeobecnejších porovnaniach materiálov tesniacich krúžkov, a nie nejakými špecifickými požiadavkami na dizajn Glyd Ring alebo Step Seal.

Stojí za to tento výber považovať za skutočne samostatné rozhodnutie oddelené od výberu zloženia PTFE: sadová uzátvorka s vynikajúcim PTFE krúžkom naplneným bronzom, ale s O-krúžkom ako energizátorom, ktorý je zle prispôsobený používanému hydraulickému kvapalnému prostriedku, sa stále skoršie pokazí – len z dôvodu zlyhania energizátora, nie opotrebovávacieho krúžku.

Ako teplota ovplyvňuje výkon tesniaceho kruhku z PTFE?

Samotný materiál PTFE má nezvyčajne široký použiteľný rozsah teplôt a vydrží teplo ďaleko nad úrovňou, ktorú dokážu zvládnuť väčšina gumových zmesí, preto je tesniaci kruhok z PTFE zvyčajne len zriedka komponentom s obmedzením teploty v tesniacom systéme Glyd Ring alebo Step Seal. V takmer každom prípade sa teplotný limit najskôr dosiahne u O-krúžku, ktorý ho napája, čo znamená, že efektívny maximálny teplotný rozsah celého tesnenia je všeobecne určený výberom materiálu O-krúžku (NBR, HNBR alebo FKM), nie zmesou PTFE.

Toto je užitočná skratka pri riešení problémov s poruchami tesnení spôsobenými vysokou teplotou: ak sa v aplikácii s vysokou teplotou poruší tesnenie Glyd Ring alebo Step Seal, prvým miestom, kde sa treba pozrieť, je všeobecne O-krúžok, aj keď je PTFE kruhok viditeľnejšou súčasťou zostavy.

Ako voľba plniva ovplyvňuje trenie a životnosť pri opotrebovaní?

Voľba plniva je v konečnom dôsledku kompromis medzi trením, odolnosťou voči opotrebovaniu a chemickou odolnosťou; zlepšenie jedného aspektu zvyčajne niektorým spôsobom negatívne ovplyvní ostatné. Bronz poskytuje najlepšiu odolnosť voči opotrebovaniu a nosnú kapacitu, avšak najviac zníži chemickú odolnosť. Grafit najefektívnejšie zníži trenie, avšak sám o sebe prispieva najmenej k odolnosti voči opotrebovaniu. Uhlík sa nachádza medzi týmito dvoma materiálmi: významne zvyšuje odolnosť voči opotrebovaniu a zároveň udržiava chemickú odolnosť blízko úrovne neplneného PTFE. Kombinované plnivá, napríklad uhlík zmiešaný s grafitom, sú bežné práve preto, lebo umožňujú kompozitu využiť niektoré výhody každého plniva namiesto toho, aby sa úplne zameriaval na jeden kompromis.

V praxi sa vyššie rýchlosti a vyššie zaťaženia skôr výhodne prejavujú pri použití zliatin z bronzu alebo uhlíka s grafitom kvôli ich odolnosti voči opotrebovaniu, zatiaľ čo aplikácie, kde je väčším problémom chemické pôsobenie – nezvyčajné hydraulické kvapaliny alebo kvapaliny, ktoré by reagovali s bronzom – skôr uprednostňujú plnivá z uhlíka alebo grafitu.

Výskum zameraný špecificky na predikciu životnosti tesniaceho krúžku Glyd sa zameriaval na kombináciu empirickej vzorca pre mieru opotrebovania PTFE s mechanickým modelom tesnenia a modelom úniku, čím vznikla miera opotrebovania vyjadrená všeobecným tvarom:

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

kde Δω′ je objemová rýchlosť opotrebovania, F je kontaktná sila medzi opotrebovacím kruhom a jeho protiľahlym povrchom, V je rýchlosť posúvania a t je doba prevádzky; exponenty boli určené z testov opotrebovania kompozitov PTFE. V tomto konkrétnom prispôsobení sa vynikajú dve veci: rýchlosť opotrebovania rastie približne úmernou prvej mocnine rýchlosti posúvania (t.j. takmer lineárny vzťah, čo je najvýraznejší jednotlivý vplyv vo vzorci), zatiaľ čo jej závislosť od kontaktnej sily je relatívne slabá a po dosiahnutí ustáleného chodu je takmer nezávislá od času. Praktický dôsledok je, že rýchlosť valca má nepomerne väčší vplyv na životnosť opotrebovacieho kruhu v porovnaní so zaťažením – a to viac, než by mohla naznačovať intuícia založená výlučne na statickom kontaktnom tlaku.

Spoločne s modelom úniku cez zvyškovú medzeru okolo opotrebovávacej krúžku – ktorá sa správa ako prúdenie cez úzky sústredný rozsah, spôsobené čiastočne tlakovým rozdielom cez neho a čiastočne ťahovým pohybom pohybujúcej sa plochy – tento typ vzorca na rýchlosť opotrebovania umožňuje konštruktérom postupovať späť od povolenej rýchlosti úniku k maximálnej povolenej objemovej strate materiálu v dôsledku opotrebovania a odtiaľ k odhadu životnosti. V jednom publikovanom príklade používajúcom túto metódu sa pre Glyd Ring nainštalovaný so špecifickým predkompresným O-krúžkom a prevádzkovaný pri tlaku 28 MPa a rýchlosti reciprokého pohybu 0,1 m/s odhadla životnosť približne na 2 milióny sekúnd (v poradí niekoľko rokov typickej prevádzky); rovnaká metóda ukázala, že životnosť sa zvyšuje pri úprave predkompresie O-krúžku – konkrétna ilustrácia toho, prečo stav a inštalácia O-krúžkového energizátora, nie iba zloženie PTFE, priamo vstupujú do výpočtu životnosti.

Ako môžete identifikovať správny zlúčeninový materiál PTFE pre vašu aplikáciu?

Keďže správny plnivozáhrnujúci prvok závisí od zaťaženia, rýchlosti, teploty a chémie hydraulického kvapalného prostredia spoločne, nie od jediného faktora, najspoľahlivejším prístupom je popísať skutočné prevádzkové podmienky valca dodávateľovi tesniacich prvkov namiesto predpokladania, že všeobecný „tesniaci prvok z PTFE“ bude vykazovať rovnaký výkon bez ohľadu na použité plnivo. Ak je k dispozícii číslo súčasti existujúceho tesniaceho prvku alebo špecifikácia výrobcu, zvyčajne uvádza typ použitého plniva; ak nie je, dodávateľ oboznámený s aplikáciou valca zvyčajne dokáže odporučiť vhodnú zlúčeninu na základe opísaného zaťaženia.

Rovnako ako pri akejkoľvek kombinácii opotrebovateľného krúžku a napínacieho kruhu je potrebné overiť nielen plnivo PTFE, ale aj elastomér O-krúžku – namiesto toho, aby sa sústredili len na jeden prvok a predpokladali, že druhý je štandardným predvoleným riešením – čo poskytuje komplexnejší obraz, či daný náhradný tesniaci prvok skutočne zodpovedá požiadavkám aplikácie.

Obr. 5: Technik overuje zlúčeninový materiál PTFE

1. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. „Výpočtová metóda pre životnosť tesnení Glyd Ring používaných v piestoch hydraulických valcov.“ Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
2. Dai L. „Optimalizácia a experimentálne skúmanie výkonu tesnenia hydraulického posuvného tesnenia Glyd Ring.“ Diplomová práca, Jiangnan University, 2025.
3. Nikas G. K. „Osemdesiat rokov výskumu hydraulických pohyblivých tesnení: Prehľad tribologických štúdií a súvisiacich tém od tridsiatych rokov 20. storočia.“ Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.