油圧システムにおけるピストンシール用低摩擦材料

低摩擦油圧性能を実現する適切なピストンシール材料の選択

油圧システムにおいてピストンシール材が重要な理由

油圧システム低摩擦、長寿命、流体適合性、寸法安定性を兼ね備えたピストンシールが求められています。適切なピストンシール材料の選択は、システム効率、発熱、ポンプの消費電力、そしてスティックスリップや漏れのリスクに直接影響します。エンジニアが「ピストンシール材料」を検索する場合、通常、エネルギー損失の削減、メンテナンス間隔の延長、応答性の向上、極端な温度や腐食性の高い流体での動作など、現実的な問題の1つ以上を解決しようとしています。

低摩擦ピストンシール材の主要性能基準

ピストンシールの材質選定は、測定可能な基準に基づいて行う必要があります。低摩擦用途では、以下の点を優先してください。

• 静的および動的摩擦係数（低いほど良い）。
• 予想される滑り速度と圧力下での耐摩耗性。
• 圧縮永久歪みと弾性回復により、シーリングのプリロードを維持します。
• 使用中の温度範囲と熱安定性。
• 油圧作動油（鉱油、水グリコール、生分解性流体など）との化学的適合性。
• 透過性とガス拡散（空気圧/油圧ハイブリッド システムの場合）。
• 製造公差およびスプリングやバックアップ リングとの統合能力。

これらの基準を理解することで、アプリケーションの要件をテストと資格認定の対象となる候補者の絞り込みリストに変換できます。

一般的な低摩擦ピストンシール材料の選択肢とその比較

低摩擦ピストンシールに最もよく使用される材料は油圧シリンダーPTFE（および充填PTFE系）、ポリウレタン（PU）、HNBR、FKM、そして低摩擦コーティングや摺動リングと組み合わせたエンジニアリングエラストマーなどがあります。以下の表は、データに基づいた材料選定をサポートするために、各材料の実用的な範囲と強度をまとめたものです。

注記：摩擦係数の範囲は潤滑状態における典型的な値であり、表面仕上げ、圧力、速度によって変化する可能性があります。出典には、材料データシートやトライボロジーに関する参考文献が含まれます（参考文献を参照）。

トレードオフ：摩擦とシール力および漏れリスク

PTFEなどの低摩擦材料はヒステリシスとエネルギー損失を低減しますが、ピストンシール用途ではエラストマーよりも弾性が低いため、グランド公差とバックアップリングの仕様が適切でないと漏れが発生するリスクがあります。充填PTFEは耐荷重性を高め、高圧下でのシール性を向上させますが、ラジアルプリロードを維持するために、適切に適合したバックアップリングまたは通電されたエラストマーが必要になる場合があります。ポリウレタンは高圧下でも優れた耐摩耗性とシール性を発揮しますが、摩擦はPTFEよりも高く、一部のリン酸エステルなどの不適合な流体に対してより敏感です。

真の低摩擦性能を実現するための設計と設置の考慮事項

材料の選択は、設計および組み立て方法と組み合わせる必要があります。

• ロッド/ピストンの表面仕上げ: 慣らし運転と潤滑保持のバランスをとるために、PTFE 充填シールの場合は Ra 0.2 ～ 0.4 µm、ポリウレタンの場合は 0.4 ～ 1.6 µm を目指します。
• バックアップ リングの使用: 低摩擦材料は高圧下で押し出される可能性がありますが、適切なサイズのバックアップ リング (PTFE または複合材) が押し出しを防止します。
• 事前潤滑と慣らし運転: 多くの低摩擦シールは、安定した摩擦特性を得るために初期潤滑サイクルを実施することで効果を発揮します。
• グランド許容差と圧縮: エラストマー励起 PTFE アセンブリでは、過度の摩擦なしに密閉するために適切な圧縮が必要です。
• 相手面の硬度: 表面が硬いほどシールの摩耗は減りますが、汚染されている場合は摩耗のリスクが高まります。表面コーティング (例: 硬質クロム、窒化処理) は慎重に使用してください。

試験と資格：候補者の確認方法

材料を生産段階に投入する前に、現場の状況を反映した管理された試験を実施してください。典型的な試験マトリックス項目には以下が含まれます。

• トライボメーターは代表的な圧力と速度での摩擦係数と摩耗率をテストします。
• 熱サイクルと汚染暴露を伴う実物大シリンダー耐久テスト。
• 油圧作動油との適合性テスト（ASTM D471 スタイルの膨潤/硬度変化テスト）。
• ASTM または ISO 規格に準拠した圧縮永久歪みおよびシール力保持テスト。

文書化されたテスト結果はリスクを軽減し、利害関係者に対して材料の選択を正当化するのに役立ちます。

アプリケーション別の選択ガイドラインの例

以下は、一般的なアプリケーションシナリオと推奨されるピストンシール材料のアプローチです。

• 低摩擦が最も重要な高速、低圧作動の場合、エラストマー エナジャイザーを備えた未使用または軽く充填された PTFE を検討してください。
• 中程度の速度の高圧シリンダー（> 200 bar）：充填PTFE（ブロンズまたはカーボン）とバックアップリングの組み合わせにより、低摩擦と押し出し抵抗。
• 摩耗性または汚染されやすい環境: ポリウレタンは優れた耐摩耗性を備えていますが、流体の適合性チェックが必要です。
• 高温または化学的に攻撃的な流体: FFKM または特殊充填 PTFE グレードを検討してください。

コストとライフサイクル：ピストンシール材の適切な経済的選択

低摩擦特殊材料は単価が高くなる場合がありますが、ライフサイクル分析では、エネルギー消費量の削減、メンテナンス回数の減少、MTBFの延長といったメリットが得られることが多く、有利に働くことが多いです。評価にあたっては、直接コスト（材料費、加工費、試験費）と間接コスト（ダウンタイム、エネルギー費、保証費）を考慮しましょう。多くの場合、高負荷摺動用途において、充填PTFEシールは、ポリウレタンシールを頻繁に交換するよりも総所有コスト（TCO）を削減します。

ポリパック：カスタムピストンシール材ソリューションの提供

ポリパックは、シール製造、シール材料の開発、カスタマイズを専門とする科学的で技術的な油圧シールメーカーおよびオイルシールサプライヤーです。シーリングソリューション特殊な作業環境にも対応可能です。PolypacのカスタムゴムリングおよびOリング工場は、10,000平方メートルを超える敷地面積を誇り、工場面積は8,000平方メートルです。当社の生産設備および試験設備は、業界最先端の水準を誇ります。中国最大級のシール製造・開発企業として、国内外の数多くの大学や研究機関と長年にわたる連携・協力関係を維持しています。

2008年に設立されたPolypacは、ブロンズ充填PTFE、カーボン充填PTFE、グラファイトPTFE、MoS2充填PTFE、ガラス充填PTFEなどの充填PTFEシールの製造からスタートしました。現在では、NBR、FKM、シリコン、EPDM、FFKMなど、様々な材質のOリングも取り扱うようになり、製品ラインを拡大しています。Polypacの主力製品と強みは以下の通りです。

• 製品範囲: Oリング、ロッドシール、ピストンシール、端面スプリングシール、スクレーパーシール、ロータリーシール、バックアップリング、ダストリング。
• 技術的強み: 社内でのシーリング材料開発と、トライボロジー挙動と互換性を検証するための高度な製造/テスト設備。
• カスタマイズ: 特殊な動作条件 (高圧、高温、腐食性流体など) に合わせてカスタマイズされた材料配合と形状。
• R&D パートナーシップ: 大学や研究機関との継続的な連携により、材料科学と製品の信頼性が向上します。
• 規模と品質: 厳しい許容範囲で試作と大量生産の両方をサポートできる大規模な施設の設置面積と生産能力。

充填剤入り PTFE ブレンドおよびエラストマー PTFE 複合シールに関する Polypac の経験により、シールの完全性や寿命を犠牲にすることなく低摩擦ピストン シール材料を実装することが目標の場合、Polypac は実用的なパートナーになります。

実装チェックリスト: 指定、テスト、展開

材料の選択を信頼性の高い現場でのパフォーマンスに変換するには、次のチェックリストに従ってください。

1. 動作範囲を定義します: 圧力、速度、温度、流体、汚染レベル。
2. ピストンシール材料オプションの候補リストを作成します (例: 低摩擦コーティングを施した青銅充填 PTFE、PU、HNBR)。
3. グランド設計の許容範囲、バックアップ リング、および表面仕上げの要件を指定します。
4. 実験室でのトライボロジー、流体適合性、および圧縮永久歪みのテストを実行します。
5. 熱サイクルと汚染物質を含むフルスケールのシリンダー耐久テストを実行します。
6. ライフサイクル コストを分析し、総所有コストに基づいて材料を選択します。
7. 低摩擦性能を維持するために、インストールおよびメンテナンスの手順を文書化します。

耐用年数にわたって摩擦を低く保つためのメンテナンスと現場でのヒント

最高のピストンシール素材であっても、適切なメンテナンスが必要です。

• 流体の清浄性を維持します。粒子汚染は、スライディングシールの摩耗の主な原因です。
• 流体の状態と添加剤を監視します。添加剤によっては、エラストマーを膨張させたり、摩擦に影響を与えたりするものがあります。
• カウンター表面に腐食や傷がないか点検し、損傷したロッドやピストンは速やかに修理または交換してください。
• 押し出しや摩耗の兆候が見られる場合は、サービス中にバックアップ リングをシールと交換してください。
• 暦時間だけでなく、サイクル数、時間、温度暴露に基づいた予測メンテナンス間隔を採用します。

要約と推奨される出発点

シールの完全性を損なうことなく低摩擦が求められるほとんどの油圧ピストンシール用途では、充填PTFEグレード（ブロンズ、カーボン、MoS2）とエラストマー製エナジャイザーまたはバックアップリングの組み合わせが優れた出発点となります。ポリウレタンは、絶対的な低摩擦が最優先事項ではない、摩耗性が高く高負荷の摺動用途において、依然として堅牢な選択肢です。選定にあたっては、対象を絞ったトライボロジー試験とフィールド試験を実施し、ライフサイクルコスト分析を調達決定に組み入れてください。

FAQ — ピストンシール材に関するよくある質問

1. 一般的に使用されている最も低摩擦のピストンシール材料は何ですか?

バージンPTFEおよび特定の充填PTFEグレードは、適切な潤滑下では最も低い動摩擦係数を示します。充填PTFEは、低摩擦を維持しながら、優れた耐荷重性と耐摩耗性を備えています。

2. 低摩擦ピストンシールにポリウレタンを使用できますか?

ポリウレタンはPTFEベースの材料よりも摩擦が大きいものの、優れた耐摩耗性と耐荷重性を備えています。システムが汚染物質や高い機械的ストレスにさらされる場合、または多少の摩擦が許容される場合は、PUを使用してください。

3. 充填剤入り PTFE 素材の違いと、それらの選択方法を教えてください。

充填剤（青銅、炭素、ガラス、MoS2）は、特定の環境下におけるPTFEの荷重容量、熱挙動、摩擦を変化させます。青銅充填PTFEは一般的に熱伝導率と摩耗寿命を向上させ、炭素は摩擦を低減し強度を高め、MoS2は境界潤滑条件下での性能を向上させます。圧力、速度、温度、流体の適合性に基づいてお選びください。

4. 低摩擦シールは漏れのリスクを高めますか?

正しく設計されていれば問題ありません。低摩擦材料では、シール力を維持し、はみ出しを防ぐために、適切なグランドスクイーズ、エナジャイザーエレメント、バックアップリングが必要となることがよくあります。漏れを防ぐには、インターフェースの設計が不可欠です。

5. 材料の性能を確認するためにシールサプライヤーにどのようなテストを依頼する必要がありますか?

トライボメーターの摩擦および摩耗データ、流体適合性レポート (ASTM D471)、圧縮永久歪みおよび老化データ、および動作条件を代表するフルスケールの耐久テスト結果を要求してください。

6. 表面仕上げは低摩擦ピストンシールの寿命にどのような影響を与えますか?

表面仕上げはシールに大きな影響を与えます。PTFE充填シールの場合、より滑らかな仕上げ（Ra 0.2～0.4 µm）は、アブレシブ摩耗と摩擦変動を低減します。ポリウレタンの場合、やや粗い仕上げは潤滑膜の保持に役立ちます。設計段階で必ず仕上げをご指定ください。

材料の選択とカスタムソリューションについては、Polypacにお問い合わせください。

適切なピストンシール材料の選定や耐久試験用のカスタムプロトタイプの製作でお困りの場合は、Polypacの技術チームまでお問い合わせください。当社は、要求の厳しい油圧用途向けに、材料開発、カスタムシール設計、検証試験を提供しています。製品ラインナップをご覧いただき、販売チャネルまたはテクニカルサポートからお見積もりをご依頼ください。

参考文献

• パーカーOリングハンドブック、パーカー・ハネフィン社。2025年12月12日にアクセス。https://www.parker.com/Literature/Seal%20Group/O-Ring%20Handbook.pdf
• ポリテトラフルオロエチレン（PTFE） — Wikipedia。2025年12月12日アクセス。https://en.wikipedia.org/wiki/Polytetrafluoroethylene
• ポリウレタン — Wikipedia。2025年12月12日にアクセス。https://en.wikipedia.org/wiki/Polyurethane
• 油圧流体動力 — 用語集（ISO 5598）。国際標準化機構（ISO）. アクセス日：2025年12月12日。https://www.iso.org/standard/25581.
• 材料特性とデータシート — エンジニアリングツールボックス（摩擦および摩耗範囲）。アクセス日：2025年12月12日。https://www.engineeringtoolbox.com/friction-coefficients-d_778.
• シール設計と試験のベストプラクティス — SKFシール技術出版物。アクセス日：2025年12月12日。https://www.skf.com/group/products/seals

この記事のデータとガイダンスは、エンジニアリング上の意思決定をサポートすることを目的としています。アプリケーション固有の推奨事項については、代表的な動作条件下で試験を実施するか、カスタム材料の開発と検証についてはPolypacにご相談ください。