Av vilket material är Glyd-ringar och stegtätningar tillverkade? Förklaring av PTFE-sammansättningar

En Glyd-ring eller stegtätning består egentligen av två material som arbetar tillsammans: en styv PTFE-slitage-ring och en gummiring O-ring under den. De flesta diskussionerna kring dessa tätningslösningar fokuserar på deras form, men det specifika PTFE-kompositem och O-ringens material som väljs för en viss applikation har lika stor inverkan på hur länge tätningen faktiskt håller. I den här artikeln undersöks vad dessa kompositmaterial består av, varför fyllnadsämnen tillsätts till rent PTFE och hur man bör tänka kring materialvalet för en given cylinder.

Vad är en Glyd-ring eller stegtätning gjord av?

Slitage-ringen i båda konstruktionerna är tillverkad av PTFE (polytetrafluoroeten), nästan alltid modifierad med ett fyllnadsämne snarare än använt i ren, outfylld form. O-ringens energizer under den är en separat, konventionell elastomer – vanligtvis NBR, HNBR eller FKM – som väljs oberoende av PTFE-kompositet baserat på hydraulikvätskan och temperaturen som tätningen kommer att utsättas för i drift.

Varför används PTFE för slitage-ringen istället för gummi?

PTFE erbjuder en ovanlig kombination av egenskaper som gör det särskilt lämpligt för glidande slitage-ringar: en mycket låg friktionskoefficient, minimal stick-slip-beteende (den ryckiga, ojämna rörelsen som kan uppstå när en tätningss statiska och dynamiska friktion skiljer sig åt för mycket), bred kemisk motstånd och ett brett användbart temperaturområde. Ingen av de vanliga gummiblandningarna matchar PTFE:s kombination av låg friktion och slitstyrka vid kontinuerlig glidkontakt, vilket är exakt den belastning en kolvmotor eller stavssäck upplevelser.

Kompromissen är att rent PTFE har relativt dålig motstånd mot abrasivt slitage och kan deformeras (krypa) under påverkan av en varaktig last, vilket är anledningen till att fyllda PTFE-blandningar, snarare än ren PTFE, nästan alltid används i Glyd Rings och Step Seals.

Foto1: Fylld PTFE-sammansättning: fyllnadspartiklar i PTFE-matris

Vad betyder "fylld PTFE", och varför är det viktigt?

Fylld PTFE är ren PTFE-har resin med ett sekundärt material blandat i — vanligen brons, kol, grafit eller glasfiber, ibland i kombination — för att förbättra egenskaper där ofylld PTFE inte räcker till. Fyllning förbättrar i allmänhet slitagebeständigheten, beständigheten mot krypning under belastning och värmeledningsförmågan, samtidigt som de flesta av PTFEs låga friktion och kemiska beständighet bevaras. Det specifika fyllningsmaterialet och dess viktprocent väljs för att anpassas till den förväntade belastningen, hastigheten och driftmiljön för tätningen, vilket är anledningen till att uttrycket "PTFE-tätning" ensamt inte fullständigt beskriver vad en given Glyd Ring eller Step Seal består av.

Vad är bronsfylld PTFE bra för?

Brons läggs vanligtvis till i en relativt hög koncentration, oftast inom intervallet 40–60 viktprocent, och ger fyllt PTFE dess bästa allmänna slitagebeständighet och bärförmåga bland de vanliga fyllningsalternativen, tillsammans med god värmeledningsförmåga som hjälper till att transportera bort värme från glidytan. Kompromisserna är minskad kemisk beständighet jämfört med outfyllt PTFE samt minskad lämplighet i applikationer där elektrisk ledning skulle utgöra ett problem, eftersom bronsfyllning gör materialet elektriskt ledande.

Brons-fyllt PTFE är ett vanligt val för Glyd Rings och Step Seals som arbetar under högre belastningar eller tryck, där slitagebeständighet och dimensionsstabilitet under belastning är viktigare än materialets marginal för kemisk beständighet.

Foto 2: Prov på brons-fyllt PTFE-tätning jämfört med outfyllt PTFE

Vad är kol- eller grafit-fyllt PTFE bra för?

Kolfyllning, vanligtvis tillsatt i ungefär 10–35 viktprocent, förbättrar slitstabilitet och motstånd mot deformation under belastning, samtidigt som PTFEs kemiska motstånd till stor del bevaras, till skillnad från bronsfyllning. Grafitt tillsätts ofta tillsammans med kol eller ensamt i lägre procentandel, främst för att ytterligare minska friktionskoefficienten och förbättra självsmörjande egenskaper, även om grafitt ensamt inte förbättrar slitstabiliteten lika mycket som kol gör.

Kol och kol-grafitblandningar är ett vanligt val där kemiskt motstånd behöver ligga nära det hos outfyllt PTFE, eller där elektrisk ledningsförmåga från en bronsfyllning skulle vara oönskad, samtidigt som man ändå behöver betydligt bättre slitstabilitet än vad rent PTFE erbjuder.

Foto 3: Jämförelse mellan PTFE-tätning med kol-grafitfyllning och PTFE-tätning med bronsfyllning

Hur jämför dessa PTFE-sammansättningar sig med varandra?

Tabellen nedan sammanfattar den allmänna positioneringen bland vanliga fyllda PTFE-alternativ. Den exakta prestandan beror på fyllnadsprocenten och den specifika sammansättningen som en viss tillverkare använder.

Foto 4: Jämförelse sida vid sida av fyllda PTFE-tätningssammansättningar

Vilket material är O-ringens energizer gjord av, och varför spelar också valet av material roll?

O-ringen under PTFE-ringen är en konventionell elastomer, och dess material följer samma logik som används för alla andra hydrauliska O-ringar: NBR för allmän mineraloljetjänst vid måttliga temperaturer, HNBR där applikationen kör varmare eller kräver bättre långtidshållbarhet, och FKM där kemisk motstånd eller hög kontinuerlig temperatur är prioriterat. Eftersom O-ringens enda uppgift är att tillföra konstant fjäderkraft till PTFE-ringen styrs valet av dess material av samma frågor om oljekompatibilitet och temperatur som behandlas i mer allmänna jämförelser av tätningars material, snarare än av något specifikt för Glyd Ring- eller Step Seal-konstruktionen själv.

Det är värt att behandla detta som ett verkligt separat beslut jämfört med valet av PTFE-sammansättning: ett sigillkit med en utmärkt bronsfylld PTFE-ring men en O-ring-energisator som är dåligt anpassad till den använda hydrauloljan kommer ändå att misslyckas tidigt, bara från energisatorsidan snarare än från slitage-ringens sida.

Hur påverkar temperatur prestandan hos en PTFE-tätning?

PTFE har i sig ett ovanligt brett användbart temperaturområde och tål värme långt bättre än de flesta gummiblandningar, så PTFE-slitageringen är sällan den temperaturbegränsande komponenten i en Glyd Ring eller en Step Seal. I nästan alla fall når O-ringens energizer under den sin temperaturgräns först, vilket innebär att tätningens effektiva högtemperaturklassning i allmänhet bestäms av valet av O-ringmaterial (NBR, HNBR eller FKM) snarare än av PTFE-blandningen.

Detta är en användbar genväg vid felsökning av en värmerelaterad tätningssvikt: om en Glyd Ring eller en Step Seal sviker i en högtemperaturapplikation är O-ringens energizer i allmänhet det första stället att undersöka, även om PTFE-ringen är den mest synliga delen av monteringen.

Hur påverkar valet av fyllnad friktion och slitagelevnad?

Valet av fyllnadsmaterial är i slutändan en balans mellan friktion, slitagebeständighet och kemisk beständighet; förbättring av den ena innebär oftast en viss försämring av någon annan. Brons ger bäst slitagebeständighet och lastkapacitet, men orsakar den största minskningen av kemisk beständighet. Grafit sänker friktionen mest effektivt, men bidrar minst till slitagebeständigheten på egen hand. Kol ligger mellan dessa två alternativ: det förbättrar slitagebeständigheten på ett betydelsefullt sätt samtidigt som kemisk beständighet bibehålls nära den hos ofylld PTFE. Kombinationsfyllnader, t.ex. kol blandat med grafit, är vanliga just därför att de gör det möjligt för en sammansättning att dra nytta av vissa fördelar från varje komponent istället för att fullständigt välja ett av kompromissalternativen.

I praktiken tenderar höghastighets- och höglastapplikationer att föredra brons eller kol-grafitblandningar på grund av deras slitstyrka, medan applikationer där kemisk påverkan är den större utmaningen – ovanliga hydraulikvätskor eller vätskor som reagerar med brons – hellre använder kol eller grafitt som fyllnad.

Forskning som specifikt syftar till att förutsäga Glyd Ring:s livslängd har kombinerat en empirisk PTFE-slitageformel med en mekanisk modell av tätningen och en läckagemodell, vilket resulterar i en slitagehastighet uttryckt i den allmänna formen:

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

där Δω′ är den volymetriska slitagehastigheten, F är kontaktkraften mellan slitageringen och dess motyta, V är glidhastigheten och t är drifttiden, med exponenter som anpassats utifrån slitageprov på PTFE-komposit. Två saker framstår i denna specifika anpassning: slitagehastigheten skalar med glidhastigheten till ungefär första ordningen (en nästan linjär relation och den starkaste enskilda påverkan i formeln), medan dess beroende av kontaktkraften är relativt svagt och det är nästan oberoende av tid en gång igångkört. Den praktiska innebörden är att cylinderhastigheten har en oproportionerligt stor effekt på slitageringens livslängd jämfört med belastningen – mer än vad intuitionen, baserad enbart på statiskt kontaktryck, skulle kunna förespegla.

Kombinerat med en modell för läckage genom resterande klarning runt slitageringen – som beter sig som strömning genom en smal koncentrisk springa, drivet delvis av tryckskillnaden över den och delvis av den rörliga ytan som drar med sig vätskan – gör denna typ av slitagehastighetsformel att konstruktörer kan arbeta baklänges från en tillåten läckhastighet till en maximal tillåten slitagevolym och därifrån till en uppskattad livslängd. I ett offentliggjort exempel där denna metod användes uppskattades livslängden för en Glyd Ring installerad med en specifik O-ring-förspänning och körande vid 28 MPa och 0,1 m/s reciprokerande hastighet till ungefär 2 miljoner sekunder (i storleksordningen några år vid normal drift), och samma metod visade att livslängden ökar när O-ring-förspänningen justeras – en konkret illustration av varför O-ring-energisatorns skick och installation, inte bara PTFE-sammansättningen, direkt ingår i livslängdsberäkningen.

Hur kan du identifiera rätt PTFE-sammansättning för ditt användningsområde?

Eftersom rätt fyllnad beror på belastning, hastighet, temperatur och hydraulikvätskans kemiska sammansättning tillsammans, snarare än på en enskild faktor, är den mest tillförlitliga metoden att beskriva cylinderns faktiska driftförhållanden för en tätningsspecialist i stället för att anta att en generisk "PTFE-tätning" presterar lika bra oavsett fyllnad. Om en befintlig tätning har ett delnummer eller tillverkarspecifikation anges fyllnadstypen vanligtvis där; om inte, kan en leverantör med kunskap om cylinderns användningsområde oftast rekommendera en lämplig sammansättning baserat på den beskrivna driftlasten.

Precis som vid alla kombinationer av slitage-ringar och energiseringselement bör både PTFE-fyllnaden och O-ringens elastomer verifieras tillsammans – istället för att fokusera på en av dem och anta att den andra är en standardstandard – vilket ger en mer fullständig bild av om en given utbytbar tätning verkligen är anpassad till användningsområdet.

Foto5: Tekniker som verifierar PTFE-sammansättning

1. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. "Beräkningsmetod för livslängden hos glydringar som används i hydraulcylinderns kolvar." Tidskriften för Shenyang-universitetet för kemisk teknik, 2022, 36(4): 362–367.
2. Dai L. "Optimering och experimentell undersökning av tätningsprestanda hos hydrauliska reciprocationsglydringar." Examensarbete, Jiangnan-universitetet, 2025.
3. Nikas G. K. "Åttio år av forskning om hydrauliska reciprocationstätningsringar: Översikt av tribologiska studier och relaterade ämnen sedan 1930-talet." Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.