REIFF - Auslegungen von statischen O-Ring Dichtungen

Der zu verwendende 0-Ring-Werkstoff hat einen Einfluss auf das Nutdesign. Es ist daher bei der Dichtungsauslegung besonders wichtig, den Werkstoff früh zu bestimmen. Der Einsatzfall legt den Elastomertyp fest; dabei sollte die Medienbeständigkeit an erster Stelle stehen. Allerdings muss das Elastomer auch gegenüber einer möglichen Extrusion beständig sein, wenn es mit dem maximal möglichen Druck beaufschlagt wird. Darüber hinaus sollte die Beibehaltung von guten physikalischen Eigenschaften über den gesamten Temperaturbereich sichergestellt sein.

Druckverformungsrest und Verpressung
Der Druckverformungsrest ist die prozentuale Verformung, die ein Elastomer nach einer festgelegten Zeit bei festgelegter Temperatur und definierter Verpressung dauerhaft zurückbehält. Der Druckverformungsrest ist ein besonders wichtiger Dichtungsfaktor, da er ein Maßstab für den zu erwartenden Verlust an elastomerer Rückstellkraft ist.
Der Druckverformungsrest wird in der Regel in trockener Luft ermittelt und misst den prozentualen Anteil vom ursprünglichen Querschnitt. Obwohl es wünschenswert ist, einen möglichst geringen Druckverformungsrest zu haben, ist es in einigen Fällen nicht so kritisch, wie es zuerst erscheint:
Wenn zum Beispiel planmäßige Wartungsarbeiten einen Ersatz der Dichtung fest vorsehen. Darüber hinaus kann ein O-Ring, der einen Druckverformungsrest von 100% aufweist, immer noch abdichten.
Dieses Kapitel behandelt die weiteren Merkmale, die für ein Funktionieren der Dichtung berücksichtigt werden müssen, wie den Druckverformungsrest, die Härte, die Zugfestigkeit, die chemische Beständigkeit. die thermischen Auswirkungen, den Druck sowie die Gefahr von Extrusion.
Hier finden Sie Daten und Verfahren die es Ihnen ermöglichen, spezielle Anforderungen an die Dichtung zu erkennen oder die maximale Leistung aus einer Dichtung herauszuholen. Vorausgesetzt der Systemdruck und die Temperaturen bleiben gleich und keine Bewegung oder sonstige Kraft unterbricht den Kontakt des O-Rings mit den abzudichtenden Flächen.
Darüber hinaus kann eine Volumenquellung ausgelöst durch den Kontakt des O-Ringes mit dem abzudichtenden Medium, den Druckverformungsrest ausgleichen.
Der Zustand, der dabei allerdings am meisten gefürchtet werden muss, ist das Vorhandensein eines hohen Druckverformungsrests und einer chemischen Schrumpfung des 0-Ringes. Dies wird zu einem Ausfall der Dichtung führen; es sei denn, die Dichtung wurde außerordentlich stark verpresst.
Der Druckverformungsrest wird folgendermaßen ermittelt:

Ein geringer Druckverformungsrest kennzeichnet eine gute dauerhafte Dichtfunktion. Der Druckverformungsrest erhöht sich allerdings mit zunehmender Temperatur und Zeit.
Für O-Ringe sollte die minimale Verpressung ungefähr 10% betragen. Der Grund dafür ist, dass nahezu alle Elastomere bei einer sehr geringen Verpressung schnell ihre elastomeren Rückstellkräfte verlieren und einen Druckverformungsrest von 100% erlangen.
Die meisten O-Ring-Anwendungen können bei einer derartig geringen von unter 10% Verpressung nicht funktionieren, mit Ausnahme von berührungslosen Dichtungsauslegungen in speziellen Pneumatik und Rotationsanwendungen.
Die geläufigsten Normen zur Ermittlung des Druckverformungsrests sind die DIN 53517 und ASTM D 395.

Hinweis:
Bitte beachten Sie, dass sich der Wert des Druckverformungsrests im Laufe der Zeit ändert und von der O-Ring-Schnurstärke abhängig ist. Die neben stehende Tabelle zeigt Ihnen diese Unterschiede anhand ermittelter Werte eines gleichen Compounds nach unterschiedlicher Zeitdauer auf. Die Probenkörper wurden um 25% verpresst der Prüfung unterzogen.

Zugspannung/-dehnung
Die Zugfestigkeit ist die maximale Spannung, die bei der Dehnung eines Teststückes (entweder ein O-Ring oder ein hantelförmiger Streifen) erreicht wird. Reißdehnung: Die Dehnung oder Reißdehnung ist die Summe der Ausdehnung zum Augenblick des Reißens.
Modul: (auch genannt „Modul 100“) Ist die Kraft, die zum Erreichen einer bestimmten Dehnung benötigt wird. Im Falle von Modul 100 wäre dies die notwendige Kraft, ein Muster um 100% zu dehnen.
Bei Elastomeren ist die notwendige Spannung nicht linear mit der Dehnung.
Dadurch ist der Modul weder ein Quotient, noch eine konstante Steigung dieser - sondern vielmehr eine Kennzeichnung eines spezifischen Punkts auf der „Spannungs-Dehnungs-Kurve“.
Zugprüfungen werden für die Kontrolle der Produktqualität genutzt sowie für die Beurteilung der Einwirkung von chemischen und thermischen Einflüssen auf ein Elastomer. Im letzten Fall ist die Beibehaltung seiner physikalischen Eigenschaften oft bedeutender, als die absoluten Werte seiner maximalen Zugspannung, der Reißdehnung oder dem Modul.

Weiterreißfestigkeit
Die Weiterreißfestigkeit oder der Weiterreißwiderstand ist bei den meisten Elastomeren relativ gering. Dieser Test misst die notwendige Kraft um eine Kerbe oder eben Schnitt fortzuführen. Dichtungswerkstoffe mit einer schwachen Weitereißfestigkeit versagen schnell unter weiterer Beanspruchung sobald ein Riss entsteht.
Eine geringe Weiterreißfestigkeit eines Compounds ist darüber hinaus Hinweis für eine schlechte Abriebsbeständigkeit, welche wiederum zu einem frühzeitigen Versagen eines O-Rings im dynamischen Einsatz führen kann.

Volumenänderung
Die Volumenänderung ist die Zu- oder Abnahme des Volumens eines Elastomers, nachdem es mit einem Medium im Kontakt war. Sie wird als Prozentsatz benannt. Zunahme durch Quellung oder Abnahme durch Schrumpfung des Volumens geht nahezu immer mit einer Änderung des Gewichts einher.
Eine Volumenquellung wird durch die Aufnahme eines gasförmigen oder flüssigen Mediums vom O-Ring verursacht. 
In statischen Anwendungen kann manchmal enger eine extreme Volumenquellung toleriert werden.
Tatsächlich kann ein O-Ring nur bis zu einer 100%igen Füllung der Nut aufquellen, so dass keine weitere Zunahme des Volumens möglich ist. Gleichgültig, wie viel Volumenquellung in einem Tauchversuch festgestellt wurde. Wenn die Quellung im freien Zustand 50 Prozent übersteigt, kann jedoch eine radial verpresste Baugruppe aufgrund der entstandenen Reibung nahezu unmöglich auseinander zu bauen sein.

Chemische Beständigkeit
Die chemische Beständigkeitsliste ist als Unterstützung für den Nutzer gedacht, die Einsetzbarkeit einer Vielzahl von Elastomeren in vielen verschiedenen Chemikalien zu bestimmen.
Die darin enthaltenen Bewertungen basieren auf einer Kombination aus veröffentlichter Literaturangaben, Laboruntersuchungen, tatsächlichen Praxiserfahrungen und Expertenschätzungen.

Hinweis: die Volumenquellung ist nur ein Indikator zur Bestimmung der chemischen Beständigkeit von Elastomeren und basiert nur allein auf die Einflussgröße „Löslichkeit“. Ein chemischer Angriff auf die Polymerkette kann sich auch durch eine Änderung der physikalischen Eigenschaften, wie der Zugfestigkeit Reißdehnung oder Härte auszeichnen.
In dynamischen Anwendungen ist eine Volumenquellung von bis zu 15 oder 20 Prozent für gewöhnlich akzeptabel. Höhere Verpressungen führen allerdings zu einer starken Zunahme der Reibung und einer Abnahme der Belastbarkeit und des Abriebwiderstandes bis zu dem Punkt, an dem der Gebrauch eines bestimmten Werkstoffes unmöglich wird.

Volumenschrumpfung wird oft von Medien verursacht, die Weichmacher aus dem elastomeren Compound entziehen. Eine Volumenabnahme wird üblicherweise von einer Zunahme der Härte begleitet. Genauso wie eine Quellung den Druckverformungsrest ausgleicht, intensiviert eine Volumenschrumpfung den Effekt des Druckverformungsrests. Dies bewirkt ein Wegziehen des O-Ringes von den abzudichtenden Oberflächen - Leckageweg entsteht. 
Es ist daher offensichtlich, dass ein chemisches Schrumpfen weitaus kritischer zu betrachten ist. als chemische Quellung.
Mehr als 3 oder 4 Prozent Schrumpfung kann ein ernsthaftes Problem für dynamische O-Ring-Abdichtungen sein.
Erhöhte Temperaturen oder eine ausgedehntere Einwirkungsdauer können aggressivere Bedingungen erzeugen. In einigen Fällen können spezielle Compounds der gleichen Werkstofffamilie bessere Beständigkeiten in bestimmten Anwendungen aufweisen als andere.

Elastomere können in chemischen Umgebungen quellen und / oder sich verschlechtern. Dies geschieht durch Reaktionen mit der Polymerkette und dem Vernetzungssystem oder durch Reaktionen mit den Füllstoffen. In der Halbleiterindustrie kann diese Verschlechterung durch eine erhöhte Verunreinigung und verringerter Standzeit der Dichtung beobachtet werden.

Thermische Einwirkungen
Jeder Kautschuk unterliegt der Alterung bei hohen Temperaturen. Die Volumenquellung sowie der Druckverformungsrest werden von der Hitze beeinflusst. Die erste Einwirkung von hoher Temperatur ist die, den Compound zu erweichen. Dies ist eine physikalische Veränderung, die wieder zurückgeht, sobald die Temperatur fällt. 
Bei Hochdruckanwendungen und steigenden Temperaturen kann der O-Ring durch dieses Erweichen dennoch beginnen, in den Dichtspalt zu fließen (Spaltextrusion). Mit ansteigender Zeit bei erhöhter Temperatur treten chemische Veränderungen auf.

Thermische Ausdehnung
Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient ist der Quotient der Änderung der Länge pro °C in Bezug auf die ursprüngliche Länge bei 0°C. Der volumetrische Ausdehnungskoeffizient von Festkörpern ist ungefähr drei Mal so hoch wie der lineare. Grob geschätzt besitzen Elastomere einen um das 10-fache höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Stahl. 
Bei Fluor- und Perfluorelastomeren Ist der thermische Ausdehnungskoeffizient sogar noch höher.
Dies kann bei hohen Temperaturen, wenn die Nut nahezu gefüllt, oder bei tiefen Temperaturen, wenn dadurch die Verpressung besonders gering ist, ein kritischer Faktor sein.
Ein Dichtungsversagen kann zur Leckage führen, wenn aufgrund tiefer Temperaturen eine zu geringe Verpressung erreicht wird. Dies führt im Allgemeinen zu einem Anstieg der Härte zusammen mit Änderungen des Volumens und des Druckverformungsrests sowie der Zugfestigkeit und Reißdehnung. Dadurch, dass diese Änderungen chemischer Natur sind, sind sie nicht reversibel.
Änderungen, die durch tiefe Temperaturen hervorgerufen werden, sind hauptsächlich physikalischer Natur und daher reversibel. Ein Elastomer wird bei anschließender Erwärmung nahezu alle dessen ursprüngliche Eigenschaften zurückerhalten.
Es gibt bestimmte Reaktionen, die bei bestimmten Bedingungen den O-Ring dazu führen, hohe Kräfte gegen die Nutseiten auszuüben. Wenn die Dichtung die Nut zu 100% komplett ausfüllt, ist die herrschende Kraft durch die thermische Ausdehnung des Kautschuks bestimmt. 
Die Nut muss immer ausreichend groß sein, um die maximale Ausdehnung des O-Ringes auffangen zu können.
Es gab Anwendungsfälle, bei denen Dichtungen aufgrund deren thermischen Ausdehnung der Stahlnuten zerrissen. Als Vorsorge sollte deshalb beachtet werden, dass in keinem Fall der Füllgrad einer Dichtungs-Nut mehr als 95% beträgt.
Besonders bei der Auslegung von O-Ringnuten für Anwendungen über 150°C sollte dies berücksichtigt werden. 
Unser O-Ring Berechnungsprogramm hilft Ihnen bei der Auslegung von O-Ring-Einbausituationen.