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Herausforderung Elastomerdichtungen

Herausforderung Elastomerdichtungen

Schadensmechanismen für den Ausfall von O-Ringen

Autor: Michael Krüger, Leiter Anwendungstechnik, C. Otto Gehrckens GmbH & Co. KG, Pinneberg

Die meistverbaute Dichtung, der O-Ring, soll zuverlässig seine Dichtfunktion erfüllen. Hierfür steht dem Anwender eine Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe zur Verfügung, die auf die jeweiligen Anwendungsbedingungen abgestimmt sein müssen. Trotz scheinbar richtiger Werkstoffwahl kann es nach einer kurzen Betriebszeit zu einer unerwarteten Leckage kommen.

Warum aber kam es zum Ausfall des O-Rings, welche grundlegenden Schadensmechanismen können auftreten und wie kann man diese Ursachen systematisch analysieren? Die Schadensmechanismen [1] kann man wie folgt klassifizieren:

  • Medieneinwirkung
  • Temperatureinwirkung/Alterung
  • Mechanische/physikalische Einwirkung
  • Herstellungsfehler

 

Medieneinwirkung

O-Ringe kommen mit unterschiedlichsten Medien in Kontakt, die in den Werkstoff eindringen und auf diesen physikalisch oder chemisch einwirken können. Zu dem physikalischen Reaktionsmechanismus gehört in erster Linie die Volumenänderung. Bei einer Quellung nimmt das Elastomer das Medium auf und es verändern sich die technologischen Werte (z. B. Abnahme der Reißfestigkeit oder Härte). Die Dichtung wird dadurch aber nicht zwangsläufig funktionsuntüchtig. Als Richtwerte können bei statischem Einbau 0-30 %, bei dynamischem Einbau 0-10 % Quellung zugelassen werden.

Profilschnitt eines durch Quellung ausgefallenen O-Rings

Bei einer Schrumpfung werden vom Medium Mischungsbestandteile (z. B. Weichmacher) herausgelöst. Dies kann dazu führen, dass die Verpressung der Dichtung zu gering wird oder gar nicht mehr vorhanden ist und es zur Leckage kommt.

 

Schadensbild bei einer Quellung

Der O-Ring ist noch uneingeschränkt elastisch, bricht nicht nach starkem Biegen oder Dehnen und zeigt auch in gedehntem Zustand keine Risse. Der gequollene O-Ring hat gegenüber dem Ausgangszustand eine deutlich reduzierte Härte und ein deutlich reduziertes spezifisches Gewicht.

Wird die Volumenzunahme des O-Ringes durch die Nut behindert, entwickeln sich sehr hohe Reaktionskräfte auf den O-Ring. Gleichzeitig wird er weicher, womit die mechanische Widerstandsfähigkeit gegen Spalteinwanderung, mechanische Beschädigung und Abrieb erheblich reduziert wird.

Bei einem chemischen Reaktionsmechanismus führt der Kontakt des Mediums zur Zerstörung des Elastomers. Als Folge wird der Werkstoff hart und spröde und verliert seine elastischen Eigenschaften, was dann zwangsläufig zum Ausfall der Dichtung führt.

 

Schadensbild bei einem chemischen Angriff

  • Erhärtung oder Klebrigkeit
  • Verlust der Elastizität
  • Risse (auf der Medien berührten Seite)
  • bleibende Verformung
  • Versprödung
  • Erweichung
  • klebrige Oberfläche
  • Quellung
  • Schrumpfung
  • Material bricht bei leichter Zug/Biegebeanspruchung

Ausfallursache chemischer Angriff durch Verhärtung des O-Rings

Ausfallursache chemischer Angriff durch Verhärtung des O-Rings

 

Beständigkeit von Elastomeren

Zur Beständigkeit von elastomeren Werkstoffen gegenüber Fluiden gibt es unterschiedliche Definitionen, aber keine Normung. Wichtigster Parameter bei der Beständigkeit ist die Volumenquellung. So lässt die aktuelle O-Ring-Norm DIN ISO 3601 im Teil 2 eine Volumenzunahme von bis zu 15 % bei Einbauräumen zu.

Die Volumenquellung selbst ist noch kein sicheres Indiz dafür, ob ein Werkstoff beständig ist oder nicht. Die auftretende Wechselwirkung zwischen Elastomer und Medium kann eine chemische Komponente umfassen, und diese ist mit einer Volumenzunahme nicht immer eindeutig zu erkennen. Um eine chemische Unverträglichkeit zu erkennen, bedarf es umfangreicher Versuche. Erst wenn ersichtlich ist, wie stark sich insbesondere die Parameter Reißfestigkeit und Reißdehnung nach Einlagerung im Medium verändert haben, ist es möglich, eine Beständigkeitsaussage zu machen.

Beständigkeitsangaben zum Basiselastomer erhält man entweder vom Dichtungshersteller direkt oder besser noch durch entsprechende praxisnahe Versuche.

Medium NR/BR IIR EPDM NBR HNBR CR CSM AU ACM VMQ FVMQ TFE/P FKM
Abwasser B B B A A B A D D B A E A
Acetamid D A A A A B B D D B A A B
Aceton C A A D D C B D D C D D D

Auszug aus einer Beständigkeitstabelle vom Hersteller

 

Thermische Einwirkungen

Elastomere sind über einen weiten Temperaturbereich sehr gut einsetzbar. Abhängig vom Kautschuktyp gibt es zwei Temperaturbereiche, in denen sich die Eigenschaften stark verändern: Unterhalb einer bestimmten Temperatur – der sog. Glasübergangstemperatur – verlieren Elastomere ihre Elastizität. Dieser Vorgang ist reversibel, d. h. nach Erwärmung sind die ursprünglichen Eigenschaften wieder hergestellt.

Die obere Temperatureinsatzgrenze wird stets durch die einwirkenden Medien bestimmt. Eine dauerhafte Überschreitung dieser oberen Temperaturgrenze führt zur Zerstörung des Werkstoffes. Die zulässigen Temperaturbereiche hängen vom eingesetzten Werkstoff ab und erlauben Einsatztemperaturen zwischen -100 °C (PVMQ) und +325 °C (FFKM.

Temperaturbereich verschiedener Werkstoffe (Medium: Luft)

Temperaturbereich verschiedener Werkstoffe (Medium: Luft)

 

Eine Schädigung, verursacht durch eine starke Überhitzung, führt in der Regel zu Rissbildungen oder beim Einsatz über zu lange Betriebszeiten innerhalb der polymertypischen Temperaturgrenzen, zur Versprödung und bleibenden Verformung.

 

Thermische Zersetzung eines NBR-Werkstoffes aufgrund zu hoher Einsatztemperatur

Thermische Zersetzung eines NBR-Werkstoffes aufgrund zu hoher Einsatztemperatur

 

Schadensmechanismus bei Einwirkung von Temperatur

  • Risse (an der Kontaktfläche)
  • Versprödung
  • bleibende Verformung
  • glänzende Oberfläche
  • rußender Belag

 

Mechanisch/physikalische Einwirkungen

Unter den unzulässigen physikalischen Beanspruchungen sind alle Ausfallursachen zusammengefasst, die einen Ausfall erklären können, ohne dass es zu Veränderungen in der Netzwerkstruktur gekommen sein muss und der Ausfall nicht auf einen Herstellungsfehler zurückgeht. „Mechanisch“ bedeutet, dass hier auch Montagebeschädigungen enthalten sind. Weitere typische Ursachen sind scharfkantige Einbauräume, zu geringe oder zu hohe Verpressung, Spaltextrusion, Abrieb oder explosive Dekompression [2].

Mögliche Schadensursachen durch mechanisch/physikalische Einwirkungen sind:

  • Nutüberfüllung
  • Montagebeschädigungen
  • Abrieb
  • Spaltextrusion
  • Spiralfehler

 

Montagebeschädigungen

O-Ringe müssen verpresst werden, um abdichten zu können. Dazu sind Verformungskräfte (z.B. Dehnen des O-Rings) bei der Montage erforderlich. Hierbei kann der O-Ring beschädigt werden, wenn dieser bei der Montage z. B. gegen scharfe Kanten gedrückt wird. Dies ist z. B. der Fall bei radial dichtenden O-Ringen, die ohne oder mit einer zu steilen Einführschräge montiert werden. Zusätzlich empfiehlt sich die Verwendung von Montagefetten, weil dadurch die Montagekräfte wesentlich reduziert werden. Ist dies nicht möglich, kann eine Oberflächenbehandlung das Beschädigungsrisiko deutlich senken.

 

Druckbeanspruchung

Die Widerstandsfähigkeit von O-Ringen gegenüber hohen Drücken wird maßgeblich von der Werkstoffhärte bestimmt. Ein härterer O-Ring kann bei gleichen abzudichtenden Spalten höheren Drücken widerstehen. Mit normgerechten Einbauräumen nach DIN ISO 3601 Teil 2 für ruhende Abdichtungen können O-Ringe (90 ± 5 IRHD) Drücke bis 70 MPa/700 bar problemlos abgedichtet werden. Voraussetzung hierfür ist die Begrenzung des Dichtspaltes „g“ auf nahezu Null.

Der häufigste Schaden zeigt sich als Extrusion am O-Ring. Das folgende gibt die Grenzsituation wieder: Unter hohem Druck wird der O-Ring in die „D“-Form verpresst und ein Teil des Querschnitts zwischen die abzudichtenden Maschinenteile gedrückt.

Verhalten des O-Ringes unter Druck

Bei zu hohem Druck kann das Material aber abscheren oder extrudieren. Dieser Schaden kann bei Medienkontakt und dadurch zu großer Werkstoffquellung auftreten.

Extrudierter O-Ring aufgrund Druckeinwirkung

 

Extrudierter O-Ring

Extrudierter O-Ring

 

 

Schadensmechanismus bei mechanisch/physikalischen Einwirkungen

  • noch volle Gummielastizität
  • Materialausbrüche
  • Extrusionsfahnen
  • keine äußere Einwirkung erkennbar
  • starke Veränderung der Form
  • Risse, Blasen, Einschnitte
  • Abflachungen

 

Herstellungsfehler

Herstellungsfehler sind Fehler, die direkt dem Herstellungsprozess zuzuordnen sind und auch eindeutig eine unzulässige Abweichung vom Soll-Zustand darstellen. Die Form- und Oberflächenabweichungen sind in der DIN ISO 3601 Teil 3 geregelt. Als häufigster Fehler sind Anrisse bzw. radiale Fließlinien, eine Vorstufe zu Anrissen, zu nennen [3]. Ebenso ist eine Untervulkanisation (dadurch mangelnde Werkstoffelastizität) ein ernstzunehmender Herstellungsfehler.

 

Schadensmechanismus aufgrund von Herstellungsfehlern

  • Risse
  • Fließfehler
  • Oberflächenfehler
  • Fremdmaterial (Schmutz, Trennmittel, Austriebreste)
  • Materialmangel
  • Untervulkanisation

Weitere Informationen zum Thema O-Ringe erhalten Sie über den Link

Quellenhinweise [1-3]: Dipl.-Ing. B. Richter, O-Ring Prüflabor Richter

Zum Thema Schadensanalyse von O-Ringen wird am 22.5. ein Beitrag in der Achema-Ausgabe der VERFAHRENSTECHNIK veröffentlicht.

 

Veröffentlicht von

Eva Linder

Das Schöne an der VERFAHRENSTECHNIK ist für mich die Branchenvielfalt und die Nähe zum Anwender.

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