Vật liệu chế tạo vòng Glyd và phớt bước là gì? Giải thích về các hợp chất PTFE

Một vòng Glyd hoặc phớt bước thực chất là hai vật liệu hoạt động cùng nhau: một vòng mòn PTFE cứng và một bộ phận đàn hồi bằng cao su Vòng chữ O đặt bên dưới. Phần lớn các thảo luận về những phớt này tập trung vào hình dạng của chúng, nhưng loại hợp chất PTFE cụ thể và vật liệu O-ring được chọn cho từng ứng dụng đều ảnh hưởng không kém phần quan trọng đến tuổi thọ thực tế của phớt. Bài viết này xem xét thành phần cấu tạo của các hợp chất này, lý do vì sao người ta thêm chất độn vào PTFE nguyên chất và cách lựa chọn vật liệu phù hợp cho một xi-lanh cụ thể.

Vật liệu cấu tạo nên vòng Glyd hoặc phớt bước là gì?

Vòng mòn trong cả hai thiết kế đều làm từ PTFE (polytetrafluoroethylene), gần như luôn được cải tiến bằng một chất độn thay vì sử dụng ở dạng nguyên chất chưa pha trộn. Bộ phận đàn hồi dạng O-ring đặt bên dưới là một loại cao su tổng hợp thông thường, thường là NBR, HNBR hoặc FKM, được lựa chọn độc lập với hợp chất PTFE dựa trên loại dầu thủy lực và nhiệt độ mà phớt sẽ chịu đựng trong quá trình vận hành.

Tại sao lại dùng PTFE làm vòng mòn thay vì cao su?

PTFE mang đến một tổ hợp tính chất đặc biệt khiến nó rất phù hợp làm vòng mòn trượt: hệ số ma sát cực thấp, hiện tượng dính–trượt tối thiểu (chuyển động giật cục, không đều có thể xảy ra khi ma sát tĩnh và ma sát động của phớt chênh lệch quá lớn), khả năng chống hóa chất rộng rãi và dải nhiệt độ làm việc rộng. Không một loại cao su thông dụng nào sánh được với PTFE về tổ hợp ma sát thấp và khả năng chống mài mòn trong điều kiện trượt liên tục — đúng là yêu cầu đối với piston hoặc con dấu Trục trải nghiệm.

Điểm đánh đổi là PTFE nguyên chất có khả năng chống mài mòn do va đập tương đối kém và dễ biến dạng (từ từ chảy) dưới tải trọng kéo dài; vì vậy, các hợp chất PTFE có độ đầy (filled PTFE), thay vì PTFE nguyên chất, gần như luôn được sử dụng trong Glyd Rings và Step Seals.

Ảnh 1: Vật liệu tổng hợp PTFE có độ đầy – các hạt độ đầy phân bố trong nền PTFE

‘PTFE có độ đầy’ nghĩa là gì, và tại sao điều này quan trọng?

PTFE đã được điền đầy là nhựa PTFE nguyên chất được trộn thêm một vật liệu thứ cấp — thường là đồng thau, carbon, than chì hoặc sợi thủy tinh, đôi khi kết hợp nhiều loại — nhằm cải thiện các đặc tính mà PTFE chưa điền đầy không đáp ứng được. Việc điền đầy thường làm tăng khả năng chống mài mòn, khả năng chống biến dạng dẻo dưới tải trọng và độ dẫn nhiệt, đồng thời vẫn giữ gần như toàn bộ đặc tính ma sát thấp và khả năng kháng hóa chất của PTFE. Loại chất điền đầy cụ thể cùng tỷ lệ phần trăm theo khối lượng của nó được lựa chọn sao cho phù hợp với tải trọng, tốc độ và môi trường vận hành dự kiến của phớt, vì vậy chỉ riêng cụm từ “phớt PTFE” không đủ để mô tả đầy đủ thành phần cấu tạo của một phớt Glyd Ring hoặc phớt Step Seal cụ thể.

Đồng thau điền đầy trong PTFE thích hợp cho những ứng dụng nào?

Đồng thau thường được thêm vào ở hàm lượng tương đối cao, phổ biến trong khoảng 40–60% theo khối lượng, và mang lại cho PTFE có độ bền mài mòn tổng hợp tốt nhất cũng như khả năng chịu tải vượt trội so với các loại chất độn thông dụng khác; đồng thời, nó còn có tính dẫn nhiệt tốt giúp tản nhiệt ra khỏi vùng tiếp xúc trượt. Tuy nhiên, điểm hạn chế là khả năng chống hóa chất giảm so với PTFE không độn, và không phù hợp trong các ứng dụng yêu cầu cách điện, vì độn đồng thau làm vật liệu trở nên dẫn điện.

PTFE độn đồng thau là lựa chọn phổ biến cho các gioăng Glyd Ring và gioăng bước (Step Seal) hoạt động dưới tải hoặc áp suất cao, nơi độ bền mài mòn và độ ổn định kích thước khi chịu tải quan trọng hơn dự trữ khả năng chống hóa chất của vật liệu.

Ảnh 2: Mẫu gioăng PTFE độn đồng thau so với PTFE không độn

PTFE độn carbon hoặc than chì thích hợp cho những ứng dụng nào?

Chất độn carbon, thường được thêm vào với tỷ lệ khoảng 10–35% theo khối lượng, cải thiện khả năng chống mài mòn và khả năng chống biến dạng dưới tải, trong khi vẫn giữ gần như nguyên vẹn khả năng chống hóa chất của PTFE, điều mà việc độn đồng thau không làm được. Than chì thường được thêm cùng với carbon hoặc riêng lẻ ở tỷ lệ thấp hơn, chủ yếu nhằm giảm thêm hệ số ma sát và nâng cao tính bôi trơn tự thân; tuy nhiên, chỉ dùng than chì đơn thuần sẽ không cải thiện khả năng chống mài mòn nhiều bằng carbon.

Các hỗn hợp carbon và carbon–than chì là lựa chọn phổ biến khi cần duy trì khả năng chống hóa chất gần với PTFE không độn, hoặc khi tính dẫn điện do độn đồng thau là điều không mong muốn, đồng thời vẫn yêu cầu khả năng chống mài mòn vượt trội rõ rệt so với PTFE nguyên chất.

Hình 3: So sánh gioăng PTFE độn carbon–than chì và gioăng PTFE độn đồng thau

Các hợp chất PTFE này so sánh với nhau như thế nào?

Bảng dưới đây tóm tắt vị trí chung giữa các lựa chọn PTFE được độn phổ biến. Hiệu suất chính xác phụ thuộc vào tỷ lệ phần trăm chất độn và công thức hợp chất cụ thể do nhà sản xuất nhất định sử dụng.

Ảnh 4: So sánh song song các hợp chất gioăng PTFE có độ đầy

Bộ tạo lực cho gioăng O-ring được làm từ vật liệu gì, và tại sao lựa chọn đó cũng quan trọng?

Vòng đệm O-ring nằm bên dưới vòng PTFE là loại cao su đàn hồi thông thường, và vật liệu của nó tuân theo cùng một nguyên tắc áp dụng cho mọi vòng đệm O-ring thủy lực khác: NBR cho dịch dầu khoáng nói chung ở nhiệt độ vừa phải, HNBR khi ứng dụng vận hành ở nhiệt độ cao hơn hoặc yêu cầu khả năng chống lão hóa dài hạn tốt hơn, và FKM khi ưu tiên khả năng chống hóa chất hoặc nhiệt độ liên tục cao. Vì nhiệm vụ duy nhất của vòng đệm O-ring là cung cấp lực đàn hồi ổn định cho vòng PTFE, nên việc lựa chọn vật liệu của nó được quyết định bởi cùng các câu hỏi về tính tương thích với dầu và nhiệt độ đã được đề cập trong các so sánh vật liệu phớt nói chung, chứ không phụ thuộc vào bất kỳ đặc điểm cụ thể nào của thiết kế Glyd Ring hay Step Seal.

Việc xem xét yếu tố này như một quyết định hoàn toàn tách biệt so với việc lựa chọn hợp chất PTFE là điều đáng làm: một bộ Kít Chống Rò Rỉ với vòng PTFE chứa đồng thau đạt chất lượng xuất sắc nhưng lại sử dụng vòng đệm O-ring làm bộ phận tạo lực không phù hợp với loại chất lỏng thủy lực đang dùng sẽ vẫn sớm thất bại, chỉ khác là sự cố phát sinh từ phía bộ phận tạo lực thay vì từ phía vòng chịu mài mòn.

Nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của gioăng PTFE?

Bản thân PTFE có dải nhiệt độ sử dụng bất thường rộng và chịu nhiệt tốt hơn nhiều so với hầu hết các hợp chất cao su, do đó vòng mòn PTFE hiếm khi là thành phần giới hạn nhiệt độ trong một Glyd Ring hoặc Step Seal. Trong gần như mọi trường hợp, vòng O-ring tạo lực ở phía dưới sẽ đạt tới giới hạn nhiệt độ trước, nghĩa là xếp hạng nhiệt độ cao hiệu dụng của gioăng thường được xác định bởi lựa chọn vật liệu vòng O-ring (NBR, HNBR hoặc FKM) chứ không phải bởi hợp chất PTFE.

Đây là một cách rút gọn hữu ích khi chẩn đoán sự cố gioăng liên quan đến nhiệt: nếu một Glyd Ring hoặc Step Seal bị hỏng trong ứng dụng nhiệt độ cao, vòng O-ring tạo lực thường là nơi đầu tiên cần kiểm tra, dù vòng PTFE mới là phần dễ thấy hơn trong cụm lắp ráp.

Việc lựa chọn chất độn ảnh hưởng như thế nào đến ma sát và tuổi thọ mài mòn?

Việc lựa chọn chất độn cuối cùng là sự cân bằng giữa ma sát, khả năng chống mài mòn và khả năng chống ăn mòn hóa học; việc cải thiện một yếu tố thường đi kèm với chi phí nhất định đối với yếu tố khác. Đồng thau mang lại khả năng chống mài mòn và khả năng chịu tải tốt nhất, nhưng đồng thời làm giảm mạnh nhất khả năng chống ăn mòn hóa học. Graphit giảm ma sát hiệu quả nhất, nhưng riêng bản thân nó lại đóng góp ít nhất vào khả năng chống mài mòn. Carbon nằm ở vị trí trung gian giữa hai loại trên: cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn trong khi vẫn giữ khả năng chống ăn mòn hóa học gần như tương đương với PTFE không có độn. Các chất độn kết hợp—ví dụ như carbon trộn với graphit—được sử dụng phổ biến chính vì chúng cho phép một hỗn hợp vừa kế thừa một số ưu điểm của từng thành phần, thay vì phải chấp nhận hoàn toàn một sự đánh đổi nào đó.

Về mặt thực tiễn, các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao và tải trọng cao thường ưu tiên sử dụng hỗn hợp đồng thanh hoặc carbon-graphite nhờ khả năng chống mài mòn tốt của chúng; trong khi các ứng dụng có nguy cơ tiếp xúc với hóa chất cao hơn — chẳng hạn như các loại chất lỏng thủy lực đặc biệt hoặc các chất lỏng phản ứng với đồng — lại thường ưu tiên dùng vật liệu carbon hoặc graphite làm chất độn.

Các nghiên cứu tập trung cụ thể vào việc dự đoán tuổi thọ phục vụ của vòng đệm Glyd Ring đã kết hợp công thức thực nghiệm về tốc độ mài mòn PTFE với mô hình cơ học của phớt và mô hình rò rỉ, từ đó đưa ra một biểu thức tốc độ mài mòn dưới dạng tổng quát:

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

trong đó Δω′ là tốc độ mài mòn thể tích, F là lực tiếp xúc giữa vòng mài mòn và bề mặt đối diện, V là tốc độ trượt, và t là thời gian vận hành, với các số mũ được xác định từ thử nghiệm mài mòn vật liệu tổng hợp PTFE. Hai điểm nổi bật trong mô hình phù hợp này là: tốc độ mài mòn tỷ lệ thuận với tốc độ trượt ở bậc gần bằng một (mối quan hệ gần như tuyến tính, và là yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất trong công thức), trong khi sự phụ thuộc vào lực tiếp xúc lại tương đối yếu, và gần như không thay đổi theo thời gian sau khi hệ thống đã vận hành ổn định. Hệ quả thực tiễn là tốc độ xy-lanh ảnh hưởng vượt trội đến tuổi thọ vòng mài mòn so với tải trọng, mức độ ảnh hưởng này lớn hơn nhiều so với dự đoán chỉ dựa trên áp suất tiếp xúc tĩnh.

Kết hợp với mô hình rò rỉ qua khe hở còn lại xung quanh vòng làm kín mòn — vốn hoạt động như dòng chảy qua khe hở đồng tâm hẹp, được tạo ra một phần bởi chênh lệch áp suất hai bên và một phần bởi chuyển động kéo của bề mặt chuyển động — loại công thức tính tốc độ mòn này cho phép các nhà thiết kế suy ngược từ tỷ lệ rò rỉ cho phép để xác định thể tích mòn tối đa cho phép, rồi từ đó ước tính tuổi thọ phục vụ. Trong một ví dụ minh họa đã công bố sử dụng phương pháp này, một vòng Glyd Ring lắp đặt với độ nén trước cụ thể của gioăng O-ring và vận hành ở áp suất 28 MPa cùng tốc độ chuyển động tịnh tiến 0,1 m/s được ước tính có tuổi thọ phục vụ khoảng 2 triệu giây (tương đương vài năm trong điều kiện vận hành điển hình); đồng thời, cùng phương pháp này cũng cho thấy tuổi thọ phục vụ tăng lên khi điều chỉnh độ nén trước của gioăng O-ring — đây là minh chứng rõ ràng cho thấy trạng thái và cách lắp đặt của bộ kích hoạt gioăng O-ring, chứ không chỉ riêng thành phần PTFE, trực tiếp ảnh hưởng đến việc tính toán tuổi thọ phục vụ.

Làm thế nào để xác định loại hợp chất PTFE phù hợp cho ứng dụng của bạn?

Vì loại chất độn phù hợp phụ thuộc đồng thời vào tải trọng, tốc độ, nhiệt độ và thành phần hóa học của chất lỏng thủy lực — chứ không chỉ dựa vào một yếu tố đơn lẻ — nên cách đáng tin cậy nhất là mô tả điều kiện vận hành thực tế của xi-lanh cho nhà cung cấp gioăng, thay vì giả định rằng một loại "gioăng PTFE chung chung" sẽ hoạt động như nhau bất kể loại chất độn. Khi số hiệu bộ phận hoặc thông số kỹ thuật do nhà sản xuất cung cấp của gioăng hiện có sẵn, thông thường chúng sẽ nêu rõ loại chất độn; nếu không có, nhà cung cấp am hiểu về ứng dụng cụ thể của xi-lanh thường có thể đề xuất loại hợp chất phù hợp dựa trên chế độ làm việc được mô tả.

Giống như mọi tổ hợp vòng chống mài mòn và bộ tạo lực, việc xác minh đồng thời cả loại chất độn PTFE lẫn loại cao su của gioăng O-ring — thay vì chỉ tập trung vào một trong hai và mặc định loại còn lại là tiêu chuẩn — sẽ cho cái nhìn toàn diện hơn về việc gioăng thay thế cụ thể đó thực sự có phù hợp với ứng dụng hay không.

Ảnh 5: Kỹ thuật viên kiểm tra hợp chất PTFE

1. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. “Phương pháp tính toán tuổi thọ phục vụ của gioăng Glyd dùng trên piston xi-lanh thủy lực.” Tạp chí Đại học Công nghệ Hóa chất Thẩm Dương, 2022, 36(4): 362–367.
2. Dai L. “Tối ưu hóa và nghiên cứu thực nghiệm hiệu suất làm kín của gioăng Glyd trượt thủy lực.” Luận văn thạc sĩ, Đại học Giang Nam, 2025.
3. Nikas G. K. “Tám mươi năm nghiên cứu về phớt thủy lực kiểu pít-tông: Tổng quan các nghiên cứu ma sát học và các chủ đề liên quan kể từ những năm 1930.” Tạp chí của Viện Kỹ sư Cơ khí, Phần J: Tạp chí Kỹ thuật Ma sát học, 2010, 224(1): 1–23.