Datenblätter: Eigenschaften von Dichtungswerkstoffen
Fachwissen aus der Dichtungswelt für die Industrie

Inhaltsverzeichnis:

#1 Datenblätter: Eigenschaften von Dichtungswerkstoffen auf einen Blick

Aufgrund ihres vorteilhaften Verhältnisses zwischen Kosten und Leistungsfähigkeit sind O-Ringe für viele Dichtungsaufgaben prädestiniert. Damit die Dichtungselemente den hohen Anforderungen professioneller Anwender gerecht werden, gilt es einiges zu beachten. Konstrukteure und Instandhalter sollten besonderen Wert auf die Wahl des richtigen Basiselastomers in der passenden Werkstoffmischung legen. Der Grundwerkstoff gibt zwar die Beständigkeitseigenschaften der Dichtung gegenüber Kontaktmedien vor, doch die Einstellung der gewünschten Materialeigenschaften erfolgt durch die Beimischung vieler Zusatzstoffe zum Compound.

Angesichts mehrerer tausend Kontaktmedien und ebenso vieler Werkstoffrezepturen, die zum Teil unter Handelsnamen auf den Markt kommen, nehmen Praktiker die Unterstützung von O-Ring Lieferanten gerne an. Die erste Anlaufstelle für den Experten sind dabei die Beständigkeitstabellen für Elastomere und die rezepturspezifischen Datenblätter der Anbieter. Hier erfahren sie alle für die Wahl des passenden Werkstoffes relevanten Daten. Welche das sind, erfahren Sie in diesem Beitrag.

#2 Warum die Datenblätter so wichtig sind

Liegen keine groben Fehler in der Auslegung oder herstellungsbedingte Vorschädigungen vor, dann werden O-Ringe Stück für Stück undicht und fallen schließlich aus, wenn sie eine bleibende Verformung von 100 Prozent erreicht haben. Damit besteht die für die Dichtwirkung notwendige Verpressung des O-Ring-Querschnitts nicht mehr. Obwohl die dauerhafte Verformung eine wichtige Ausfallursache darstellt, geben weitere Kennwerte, vor allem für die Reaktion eines Werkstoffes auf Temperaturbelastung, wichtige Hinweise auf dessen Eignung für den Anwendungsfall.

Die Werte, allesamt dem jeweiligen technischen Datenblatt zu entnehmen, unterscheiden sich nicht nur zwischen den verschiedenen Basispolymeren, sondern auch zwischen den einzelnen Rezepturen. Technische Gummiwerkstoffe bestehen aus bis zu 20 Komponenten, deren Mischungsbestandteile die Werkstoffeigenschaften deutlich beeinflussen können. Dichte, Zugfestigkeit, Härte und Reißdehnung variieren so auch innerhalb einer Polymerfamilie deutlich.

#3 Wichtige technische Daten

Härte und Festigkeit sind zentrale Materialeigenschaften, die Aufschluss über die Einsatzmöglichkeiten eines Polymers dienen. Die Härte ist allgemein definiert als der Widerstand eines Körpers gegen das Eindringen eines härteren Körpers, die Festigkeit bezieht sich auf die Resistenz eines Materials gegen Trennung und Verformung.

#4 Härte

Der Konstrukteur stimmt bei der Auslegung die Härte auf den Anwendungsfall ab. Hier gilt es vor allem die durch Druckbeanspruchung verursachte Spaltextrusion zu vermeiden. Je härter das Elastomer ist, desto mehr Druck ist notwendig, um den O-Ring in den Dichtspalt zu pressen.

Oft liegt der Fehler nicht bei der Dimensionierung selbst. Ein anderer Umstand sorgt für Probleme: Die Härte von Normproben des verwendeten Werkstoffs und des fertigen O-Rings weichen meist voneinander ab. Schuld an der mangelnden Vergleichbarkeit sind unterschiedliche Teiledicken, die Krümmung der Oberfläche des fertigen O-Rings oder abweichende Messverfahren. Es bietet sich daher an, die Härtewerte der Fertigteile zu spezifizieren. Im Prüflabor stehen zwei Verfahren für die Ermittlung der Härte zur Verfügung: Die Messung kann in Shore nach DIN ISO 7619 oder IRHD-Härte (International Rubber Hardness Degree) nach DIN ISO 48 erfolgen.

Das Versuchsprinzip ist ähnlich: Ein Prüfkörper mit definierter Form wirkt mit einer bestimmten Druckkraft auf das Material. Nach dem Entlasten misst der Ingenieur das Eindringen des Prüfkörpers. Bei der Ermittlung der Shore-Härte von Normproben thermoplastischer Elastomere kommt die Messung nach Shore A zum Einsatz. Für die Prüfung der Härte von zäheren Polymeren eignet sich das Verfahren nach Shore D mit einem abweichenden Prüfkörper. Wichtig: Die Messwerte nach Shore A und D haben keinen linearen Zusammenhang, lassen sich aber ineinander umrechnen. Während die Shore-Härte zur Härtemessung an Normproben dient, wendet der Techniker die IRHD-Härte für Untersuchungen am Fertigteil an. Aufgrund des kleineren Prüfkörpers liefert nur dieses Verfahren bei O-Ringen mit Schnurstärken unter 3 mm zuverlässige Ergebnisse. Unter 1,6 mm Schnurstärke sind Messungen am Fertigteil nicht mehr aussagekräftig.

#5 Festigkeit

Die Reißfestigkeit oder Zugfestigkeit beschreibt, welche Kraft aufzuwenden ist, um eine Normprobe zu zerreißen. Die anzuwendende Dehngeschwindigkeit gibt DIN 53 504 vor. Angaben finden sich als Kraft in Bezug auf den Probenquerschnitt in der Einheit MPa. Für die Praxis gilt: Im laufenden Betrieb stehen O-Ringe kaum unter Zugbelastung, außerdem sind die Werte formabhängig. Besonders kleine O-Ringe erreichen die Werte der Normproben in der Regel nicht. Die Reißdehnung oder Bruchdehnung gibt an, wie groß die Dehnung im Moment des Zerreißens einer Normprobe ist. Sie ist vor allem für die Beurteilung von Montagevorgängen relevant. Beim Einbau kann ein Aufweiten des O-Rings notwendig sein, dabei sollten jedoch 50 Prozent der Reißdehnung nicht überschritten werden, sonst steigt das Risiko für Risse stark an.

#6 Temperaturbelastung

Elastomere können ihre Dichtwirkung nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches dauerhaft aufrechterhalten. Diesen Bereich begrenzt die Glasübergangstemperatur nach unten. Hier verliert das Elastomer vorübergehend seine Elastizität und ist nicht mehr mechanisch belastbar. Bei einer Stoßbeanspruchung kann der O-Ring glasartig brechen. Steigt die Einsatztemperatur erneut, gewinnt der O-Ring seine ursprünglichen Eigenschaften zurück. Das andere Ende des Bereichs markiert die obere Temperatureinsatzgrenze. Diese wird maßgeblich durch die einwirkenden Medien bestimmt. In den Datenblättern findet sich die Angabe für die Einwirkung von Luft. Eine Beständigkeit von bis 100 °C für Luft heißt also nicht, dass das Polymer ebenfalls bei 100 °C an Wasser beständig ist. Übersteigt die Einsatztemperatur die obere Grenze dauerhaft, dann kommt es zur nicht umkehrbaren Beschädigung des Dichtungselements.

Zwar lassen auch die Kennwerte Härte, Stoßelastizität und Druckverformungsrest Aussagen über die Elastizität bei Tieftemperaturen zu. Durchgesetzt hat sich aber der TR10-Test nach ISO S 2921 oder ASTM D 1329. Dabei fixiert der Prüfingenieur einen um 100 Prozent gedehnten Probenstreifen an einer Prüfvorrichtung. Nun friert er das Material ein. Nach dem Temperaturausgleich löst er die Probe einseitig aus der Fixierung. Während der nun folgenden Erwärmung und durch die Rückkehr der Elastizität strebt der Werkstoff zurück zu seinem Ausgangszustand. Der TR10-Punkt ist erreicht, wenn die Probe noch 90 Prozent der ursprünglichen Dehnung aufweist und damit der Werkstoff 10 Prozent seiner ursprünglichen Elastizität wiedergewonnen hat.

Der Druckverformungsrest eines Materials zeigt dessen Reaktion auf Druckbelastung bei bestimmten Temperaturen. Der Kennwert beschreibt die nach der Entlastung des Werkstoffs bleibende Formänderung als prozentualen Anteil der ursprünglichen Verformung. Dementsprechend gilt: Je geringer der Druckverformungsrest ausfällt, desto besser ist das Ergebnis. Maßgeblich für die Prüfung ist DIN ISO 815 (alternativ ASTM D 395), die eine Verpressung von 25 Prozent vorsieht. Das Labor kann den Druckverformungsrest bei verschiedenen Temperaturen, Dauern und unter unterschiedlichen Wirkmedien ermitteln, um einen aussagekräftigen Zusammenhang zwischen den Einflussfaktoren und der bleibenden Verformung zu ermitteln. Der Druckverformungsrest gilt als aussagekräftige Prüfmethode für den ausreichenden Vernetzungsgrad der Moleküle des Polymers.

#7 Serienbegleitende Prüfungen

Die Werte aus den Datenblättern dienen nicht nur zur Auslegung der Abdichtung. Zur Überwachung der Serienqualität können Händler und Anwender von O-Ringen Identitätsprüfungen etablieren. Diese erlauben bei geringem Aufwand eine Aussage darüber, inwieweit die O-Ringe aus der Lieferung mit der vereinbarten Beschaffenheit übereinstimmen. Auf diese Weise lassen sich zumindest Verwechslungen und grobe Abweichungen von der Ursprungsrezeptur aufdecken. In der Praxis hat sich dazu die Ermittlung von Abmessungen, Härte und Dichte der Probe bewährt.

Für die Überprüfung der Maße gehören berührungsfreie Messmaschinen zum Standard gut ausgestatteter Betriebe. Bei der Messung der Härte stellen die zahlreichen Fehlermöglichkeiten ein Problem dar. Die Abweichungen zwischen Normprobe und Fertigteil bewegen sich jedoch meist im Bereich von 5 Shore A. Die Dichte ist eine Stoffkonstante Stoffkonstante, also charakteristisch für die Elastomermischung und somit formunabhängig. Sie wird im Regelfall von Proben mit geschlossener Oberfläche mittels Dichtewaage ermittelt. Zwar überlappen sich die Dichtebereiche der verbreiteten Basispolymere, doch zumindest FKM und FFKM lassen sich aufgrund ihres deutlich höheren Raumgewichts von anderen Werkstoffen abgrenzen. Zeigt sich bei diesen Prüfungen eine verdächtige Abweichung, dann sollte die Kontaktaufnahme mit Ihrem Lieferanten folgen.

Luke Williams
Luke Williams

Blogautor- und Vertriebsleitung
NH Dichtungsservice
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