Av vilket material är en bergborrnings slagpistonspackning tillverkad? Förklaring av PTFE, HNBR, FKM och PU

En slag pistonsigill fungerar i en av de hårdaste positionerna i en hydraulisk krets. Oljan runt den är het, trycket pulserar och kolven den täter mot rör snabbt i en kort slaglängd, många gånger per sekund. Ingen enskild materialhantering klarar alla dessa krav väl, vilket är anledningen till att de flesta slagkolvsättringar består av fler än ett material. Den här artikeln förklarar vilka dessa material är, vad varje material bidrar med och hur kompromisserna påverkar sättet som tätningen beter sig i drift. Siffrorna som anges nedan kommer från publicerade ingenjörsstudier, listade i slutet; de flesta av dem mättes på provbitar eller i andra applikationer, så de visar trender och bör inte tolkas som bedömningar av en specifik tätning.

Vad är en bergborrslagskolvsättring gjord av?

Publicerade konstruktionsritningar för tätningsanordningar i hydrauliska slagverk beskriver vanligtvis en tvådelad konstruktion [1]. Den inre ringen, som är i kontakt med kolven, är tillverkad av en hård plast baserad på teflon, det vill säga ett PTFE-liknande material. Runt den sitter ett elastomerelement som täter mot höljet och trycker den inre ringen mot kolven. Elastomeren kan vara en nitrilgummi (NBR), hydrogenerat nitrilgummi (HNBR) eller fluorogummi (FKM), beroende på oljan och temperaturen. Vissa borrmodeller använder istället en läpp-tätning av ett enda material, oftast polyuretan (PU). Vilken konstruktion din borr använder beror på modellen och tillverkaren.

Varje del har en annan uppgift, så de två väljs därför separat. Plastringen väljs för glidning och slitage. Elastomeren väljs för elasticitet, oljetåliga egenskaper och värmebeständighet samt kostnad. En gummiprofil av tätanordningar gör samma uppdelning: NBR är oljetålig, moderat elastisk och billig, och lämpar sig för vanliga oljetemperaturer, medan FKM tål höga och låga temperaturer samt kemisk påverkan men är hårdare, mindre elastisk och dyrare [2].

Varför spelar materialvalet en så stor roll i en slagdelsenhet?

Tre förhållanden verkar samtidigt på tätningsringen. Det första är temperaturen: oljan i en driftsdrill är betydligt varmare än omgivningstemperaturen, och kontakten genererar dessutom friktionsvärme. Det andra är belastningen: trycket vid tätningsringen är pulserande snarare än konstant. I en prototyp som levererades vid 18 MPa uppmättes trycket i den primära buffertkammaren till korta toppar på ca 40 MPa utöver ett arbetsnivåtryck på 18–20 MPa [3], så materialet måste klara topptryck långt över det nominella trycket. Det tredje är glidhastigheten: kolven rör sig längs tätningsytan så länge drillen är i drift.

Värmen som genereras vid en glidkontakt kan uppskattas från friktionskoefficienten μ, kontakttrycket pc och glidhastigheten v. Värmeproduktionshastigheten per ytenhet är:

q = μ · pc · v (1)

Tre regler följer direkt från detta uttryck. Lägre friktion (ett bättre ringmaterial) minskar q i proportion. Lägre kontakttryck (en mildare elastomervorförspänning) minskar det också, men endast ner till det tryck som krävs för att täta. Och q ökar med kolvrörelshastigheten, vilken konstruktören inte kan välja. Därför placeras ett låg-friktionsmaterial i glidpositionen, och därför får elastomern bakom den inte trycka på ringen hårdare än nödvändigt.

Ett material som inte är lämpligt för denna kombination visar det på igenkännliga sätt: en läpp som härdas och spricker av värme, en plastring som slits snabbt, en elastomer som sväller i oljan eller en mjuk läpp som trycks in i klargapet under en trycktopp.

Varför är kolvringskontaktringen gjord av PTFE?

PTFE har en mycket låg friktionskoefficient, tål högre temperaturer än de flesta gummiblandningar och motstår kemisk påverkan från hydrauloljor. En översikt från 2026 om PTFE:s tribologi spårar dessa egenskaper till dess molekylära struktur [4]. Den mycket starka C–F-bindningen ger den kemiska stabiliteten. Fluoratomerna omsluter kolryggen i en spiral, vilket ger en mycket låg ytenergi och svaga krafter mellan närliggande kedjor. Som ett resultat glider kedjorna lätt över varandra under skjuvspänning, vilket är orsaken till den låga friktionen. Översikten anger också ett stabilt fysikaliskt egenskapsområde för PTFE från −250 till 260 °C – ett område som är betydligt bredare än det för någon gummiblandning.

Samma granskning beskriver hur PTFE slits. Friktion styrs av kedjglidning och av en tunn överförd PTFE-film som byggs upp på den motverkande ytan. Slitaget är främst adhesivt, med utmattning som spelar en mindre roll, och bildningen och brytandet av överföringsfilmen styr slitathastigheten. Två praktiska konsekvenser följer. En jämnare motyta hjälper filmen att bildas och minskar slitaget, medan en ojämnare yta har motsatt effekt. Och inom ett temperaturområde från −100 till 100 °C noterar granskningen att krypning kan orsaka att slitathastigheten ökar även om friktionskoefficienten sjunker, så ett lågt friktionsvärde ensamt visar inte att en PTFE-ring kommer att vara långlivad.

PTFE har också begränsningar i denna roll. Det har nästan ingen elastisk minne, så det kan inte trycka sig självt mot kolven när kontakten slits. Det deformeras också långsamt under pågående belastning, ett beteende som kallas krypning. Båda begränsningarna hanteras i konstruktionen: elastomerelementet ger förspänningen, och fyllnadsämnen som tillsätts till PTFE minskar krypning och slitage.

Vad bidrar fyllmedel med till PTFE?

Omodifierat PTFE slits för snabbt för en dynamisk tätning med hög belastning, så blandningen innehåller vanligtvis ett fyllmedel. Vanliga fyllmedel är brons, kol, grafit och glasfiber, ibland i kombination. I allmänna termer förbättrar fyllmedel slitstabiliteten och kryphämmningen. Slitage uttrycks vanligtvis som en specifik slitagehastighet, dvs. den volym som förloras per enhet last och glidsträcka:

k = ΔV / ( F · s ) (2)

Här är ΔV den förlorade volymen i mm³, F är normalkraften i N och s är glidsträckan i m, så k anges i mm³/(N·m). Publicerade tester visar hur mycket ett fyllmedel kan påverka k:

• I en reciprokerande test (50 N, 5 Hz, 30 minuter, 316 rostfritt stålspets) var slitagehastigheten för rent PTFE 1,05 × 10⁻⁴ mm³/(N·m). Med 5 % kolnanofiber sjönk den till 2,7 × 10⁻⁵, och med 5 % kolnanofiber plus 10 % grafen sjönk den till 4,7 × 10⁻⁶, vilket motsvarar ca 96 % lägre än för rent PTFE [5].
• En översikt av PTFE-kompositer rapporterar att 25 % grafit per volymminskade friktionskoefficienten till 0,19 och minskade volymnötningen med två storleksordningar, samt att en blandning av två längder korta kolfiber minskade den specifika nötningshastigheten med mer än 90 % [4].
• Samma översikt rapporterar en polyimid/PTFE-komposit med 20 % polyimid vars friktionskoefficient sjönk till 0,18, vars volymnötning sjönk till 4/1000 av ren PTFE och vars krypdeformation sjönk med 62,6 % [4].
• En molekylärdynamikstudie fann att tillsats av 5 % kolnanorör och sedan 10 % polyimid till PTFE sänkte den simulerade friktionskoefficienten med 6,7 % och nötningshastigheten med 11,6 % jämfört med nanorörskompositen [6]. Detta är ett simuleringsresultat och inte en provbänkstest.

Dessa siffror beskriver laboratorieprov mot en stålpinne och inte en färdig tätningsring på en kolvm, och de erhölls med fyllnadsämnen (nanofibrer, grafen, nanorör) som inte nödvändigtvis är desamma som de som används i kommersiella tätningsmaterial. De visar att typen av fyllnadsämne och dess mängd kan ändra slitage med en faktor tio eller mer. Valet av fyllnadsämne påverkar också sekundäregenskaperna: brons ger i allmänhet stark slitstyrka och lastprestanda men minskar kemisk beständighet, kol behåller kemisk beständighet närmare ofylld PTFE, grafit minskar friktionen och glasfiber ökar hårdheten men kan vara mer slipande för motytan.

Det exakta fyllnadsämnet och dess andel fastställs av tillverkaren för varje tätningsdel och är normalt inte synliga utifrån. Det är en av anledningarna till att två PTFE-tätningsdelar av samma storlek och profil kan ha olika prestanda.

Vad är elastomerelementet gjort av, och varför spelar det någon roll?

Elastomeren bakom PTFE-ringen har två uppgifter: den tillhandahåller den elastiska förspännningen som håller ringen i kontakt med kolven, och den täter statiskt mot höljet. Eftersom PTFE-ringen tål värme som gumman inte gör, är det ofta elastomeren som bestämmer tätningsdelens temperaturgräns.

• NBR är valet för allmänna ändamål för mineraloljebaserad hydraulikolja, med en kontinuerlig användningsgräns som vanligtvis anges till cirka 100–120 °C beroende på sammansättningen.
• HNBR behåller NBR:s oljebeständighet och ger samtidigt bättre beständighet mot värme och åldring, med en gräns som vanligtvis anges till cirka 150 °C. Det är ett vanligt val där oljan blir varm.
• FKM har den högsta temperaturbeständigheten av de tre, med en gräns som vanligtvis anges till cirka 200 °C, samt bredare kemisk beständighet – men till högre kostnad och med mindre flexibilitet vid låga temperaturer.

Detta är allmänna siffror. Gränsen för en viss tätning beror på sammansättningen av gumman och på den lokala temperaturen vid läppen, vilken kan vara högre än oljans bulktemperatur.

Anledningen till att HNBR håller längre än NBR i het olja är kemisk. NBR har omättade kol–kol-dubbelbindningar i sina kedjor, och dessa är benägna att oxideras och angripas av ozon, vilket försämrar dess stabilitet och åldrandebeteende. Genom att hydrogenera kedjan omvandlas de flesta av dessa dubbelbindningar till mättade bindningar, vilket ger HNBR en starkt mättad ryggrad som bevarar NBR:s olje- och slitagebeständighet samt lägger till värme-, kemisk och oxidationsbeständighet [7]. En översikt från 2026 rapporterar att moderna hydrogeneringskatalysatorer uppnår en hydrogeneringsgrad över 90 % och i vissa fall över 99 % [7]. Fyllda HNBR-sammansättningar i den översikten testades på åldrande vid 125 °C i 7 dagar och vid 160 °C i 20 dagar, vilket ger en uppfattning om temperaturområdet där HNBR utvärderas, även om testresultaten beror på fyllnadsmaterialet.

Åldringen accelererar med temperaturen på ett ungefär exponentiellt sätt. Arrheniusrelationen, som ofta används för att beskriva termiskt driven nedbrytning, uttrycker detta som:

r = A · exp ( − Ea / R T ) (3)

Här är r nedbrytningshastigheten, A en konstant, Ea aktiveringsenergin, R gaskonstanten och T den absoluta temperaturen. Den praktiska innebörden är att en liten temperaturhöjning vid läppen förkortar elastomermaterialets livslängd långt mer än vad en proportionell förändring skulle tyda på, vilket är anledningen till att den lokala temperaturen vid tätningsytan är viktigare än tankens temperatur.

Stelheten hos elastomermaterialet spelar också roll, eftersom den bestämmer förspänningskraften på PTFE-ringen. För gummiytor med hårdhet i intervallet 65–85 IRHD relaterar en regressionsanalys från en finit-elementstudie elasticitetsmodulen E (MPa) till hårdheten Hr [8]:

lg E = 0.0198 Hr − 0.5432 (4)

Varje 10 IRHD-poäng ökar modulen med en faktor av 10^0,198, vilket är ungefär 1,58. En sammansättning som är 10 poäng hårdare är alltså cirka 58 % styvare, så en liten förändring i hårdhet påverkar förspännningen mer än man kanske förväntar sig. Detta är en anledning till att en ersättningselastomer bör matcha den ursprungliga sammansättningen och inte bara ha 'ungefär samma hårdhet.'

Var passar polyuretan in?

Polyuretan är känt för sin slitstyrka och revbeständighet, som i allmänhet är bättre än konventionell gummi, samt för god draghållfasthet under belastning. Det används för vissa kolvs- och stångtätningar i hydraulisk utrustning, inklusive vissa slagapplikationer. Dess främsta begränsning är en lägre kontinuerlig driftstemperatur än HNBR eller FKM, så det är bättre lämpat för borrverktyg där oljetemperaturen hålls moderat och där föroreningar eller slitage är det dominerande problemet.

PU bör inte väljas endast för att det verkar starkare på ett datablad. Vid en slagtätning är den första frågan om oljetemperaturen vid läppen hålls inom PU-föreningens gränser. De studier som konsulterats för den här artikeln täcker inte PU, så inga numeriska gränsvärden anges här; föreningens eget datablad är den rätta källan.

Hur jämför dessa material sig med varandra?

Tabellen nedan sammanfattar den typiska funktionen och den främsta begränsningen för varje material som diskuterats ovan. Den faktiska prestandan beror på föreningen och tillverkaren.

Hur påverkar oljetyp och temperatur materialvalet?

Hydrauloljan i en bergborrmaskin är vanligtvis en mineralbaserad olja, och materialen NBR, HNBR, FKM, PU och PTFE är alla kompatibla med den vid normal användning. Om en borr använder brandhämmande eller syntetisk vätska måste kompatibiliteten kontrolleras för varje material, eftersom en tätning som fungerar utmärkt i mineralolja kan svälla eller försämras i en annan vätska.

Kompatibilitet testas genom nedsänkning. Ett prov av tätningen vägs i luft och i vatten före och efter nedsänkning i oljan (ett typiskt test använder 100 °C i 72 timmar), och volymförändringen beräknas enligt metoden i den kinesiska standarden GB/T 1690:

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

I detta uttryck är m₁ och m₂ provets massa i luft respektive i vatten före nedsänkning, medan m₃ och m₄ är samma massor efter nedsänkning. En positiv ΔV innebär att gumman svullnat, medan en negativ ΔV innebär att den krympt, vilket vanligtvis betyder att en del av gummans weichmacher har extraherats. Båda fallen kan orsaka läckage.

En publicerad testrapport visar varför detta är viktigt [9]. Tätningringar av fluoroelastomer nedsänktes vid 100 °C i 72 timmar i tre hydraulikvätskor som används i en pansarfordons fjädring samt i blandningar av dessa. Alla resultat visade krympning, från −4,9 % till −19,1 %, och de sämsta värdena överskred 4 % gränsen i den relevanta kinesiska standarden, varför författarna rekommenderade nitrilkautschuk för detta ändamål. Dessa vätskor är inte bergborrningsoljor, så siffrorna innebär inte att FKM är olämplig för en borr. Vad de visar är att ett material som allmänt bedöms vara kemiskt motståndskraftigt ändå kan vara en dålig match för en specifik vätska.

Samma gäller för blandning av oljor. En översikt av oljekompatibilitetstester [10] noterar att när två hydrauloljor blandas kan tillsatsmedlen reagera med varandra och bilda fällningar som blockerar filter och fina ventilpassager, och beskriver tester där oljorna blandas i förhållanden som 1:9, 5:5 och 9:1 och lagras vid 65 °C i 168 timmar. Om en borrns olja fylls på med en annan märkesolja påverkas både tätningsringen och kretsen.

Temperatur har två effekter. I ett varmt klimat eller vid en lång driftcykel når elastomeren först sin gräns, vilket driver konstruktionen mot HNBR eller FKM. I kalla förhållanden kan ett styvt material göra att tätningsringen är långsam att följa kolvens rörelse tills oljan värms upp, vilket är en situation där NBR och HNBR i allmänhet har fördel framför FKM och vissa PU-sorter.

Hur interagerar kolvytan med tätningsmaterialet?

Tätningen och kolven slits som ett par. En hård fyllnad, till exempel brons eller glasfiber, förbättrar tätningens egen slitstabilitet, men ställer också högre krav på motytan: kolven bör vara tillräckligt hård och slät så att fyllnaden inte polerar eller råkar skava den. En skavad kolvyta sliter snabbt alla tätningar, oavsett material.

PTFE-litteraturen stödjer detta. Som noterats ovan hjälper en slätare motyta till att överföringsfilmen bildas och minskar slitage, medan en grovare yta ökar det [4]. I en studie av motytor slits ren PTFE mest mot en hård WC-10Co-4Cr-beläggning, medan polymer/PTFE-sammansättningar slits mindre än ren PTFE mot kromplätering, och lägre krområhet ger lägre slitage [4]. Friktionskoefficienten själv ändrades knappast med motytan, men slitemekanismen gjorde det.

Det är därför en tätning som misslyckats tidigt bör undersökas tillsammans med kolven. Om kolvytan är skadad är det osannolikt att byta till ett annat tätmaterial ensamt löser problemet.

Hur kan du identifiera materialet i en befintlig tätning?

Färg och känsla är inte pålitliga sätt att identifiera en tätningssammansättning, eftersom färgen inte är standardiserad och fyllnadsämnen förändrar utseendet på PTFE. De pålitliga källorna är borrverktygstillverkarens reservdelskatalog, som vanligtvis anger det specificerade materialet mot reservdelsnumret, samt leverantörens skriftliga bekräftelse av materialklassen.

Om den ursprungliga specifikationen inte finns tillgänglig kan en leverantör som är bekant med borrmodellen vanligtvis identifiera konstruktionen från reservdelsnumret eller från ett prov av den trasiga tätningen. Begär materialet för varje komponent separat – både den hårda ringen och elastomeren – eftersom dessa väljs oberoende av varandra.

1. Li Chuan, Yan Tianjun, Li Tiehui. Stötpistontätnings- och Stegtätningslösningar för hydrauliska bergborrmaskiner. Rock Drilling Machinery & Pneumatic Tools, 2003, (3): 8–12. (På kinesiska)
2. Qin Shuai, Cheng Pin, Wang Shidu. Strukturell optimeringsdesign av gummikomponenter i tätningsanordningar för mekanisk utrustning. China Tire Resources Comprehensive Utilization, 2026, (8). (På kinesiska)
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 kinesiska)
4. Cao Xiaoyu, Zhang Xu, Dang En, Luan Su, Hao Jianxu, Guo Chenhui, Yu Xiaojing, Zhao Kang. Forskningsframsteg angående glidmotståndsegenskaperna hos polytetrafluoretylenmaterial. Polymer Materials Science & Engineering, 2026, online först. DOI: 10.16865/j.cnki.1000-7555.2026.0127. (På kinesiska)
5. An Lihui, Miao Xuemei, Liu Hao, Yang Song, Su Yujie, Wei Shijie. Synergistisk modifiering av PTFE med grafen och kolnanofibrer: tribologiska egenskaper och dynamisk termisk/elektrisk ledningsmekanism. Tribology, 2026, online first. (På kinesiska)
6. Wang Shuai, Ge Zhenghao, Wang Chaobao, Zhang Xiaoliang, Wang Haoyu. Molekylärdynamisk analys av friktions- och slitageegenskaper hos PI och CNT-fylld PTFE. Plastics Science and Technology, 2025, (10): 30–33. (På kinesiska)
7. Zhang Xia, Gao Zhixing, Wu Shujuan, Xu Huiren, Shang Quanmin, Wang Fushan. Forskningsframsteg inom framställning, förstärkande fyllmedel och tillämpningar av hydrogenerad nitrilbutadienkautschuk. Petrochemical Technology, 2026, 55(4): 611–623. (På kinesiska)
8. Lu Yunjiang, Huang Le, Dai Changhao. Analys av extrusionsmotstånd hos O-ring baserad på Marc. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2020, (3): 84–89. (På kinesiska)
9. Feng Dongliang, Zhao Ning, Chang Feng, Cai Wenbin, Wang Yongli, Yang Xin. Experimentell studie av kompatibiliteten mellan fluorogummiringar och hydrauloljor. Lubrication Engineering, 2018, 43(5): 111–114. (På kinesiska)
10. Zhang Wentian, Hu Chunling, Wang Jianhua, Shang Peihua, Ma Guoliang. Analys av testmetoder för kompatibilitet mellan hydraulolja och turbinolja. Lubricating Oil, 2023, 38(4): 55–59. (På kinesiska)