Das Langzeitverhalten von O-Ring Dichtungen

Qualitative und quantitative Beschreibung des Zeitverhaltens funktionswichtiger Einflussfaktoren

Was macht eine O-Ring Dichtung letztlich für viele technische Lösungen zu einer guten Dichtung und durch welche Wirkungsmechanismen kann dann die Funktionssicherheit unter Betriebsbedingungen beeinträchtigt beziehungsweise ausser Kraft gesetzt werden?

Die in Bild 1 dargestellten Eigenschaften beziehungsweise Einflüsse geben darauf eine Antwort. Zunächst zeichnet sich ein Gummiwerkstoff dadurch aus, dass dieser ein erhebliches Rückstellvermögen nach einer starken Deformation besitzt. Dabei ist für die Anwendung in der Regel zunächst nicht die Höhe der Rückstellkraft entscheidend, sondern das Weg-Rückstellverhalten, da die Störgröße auf die Dichtung zunächst als Weg auftritt, zum Beispiel infolge von Druckaufweitungen oder Temperaturänderungen. Der große Unterschied zwischen verschiedenen O-Ring Werkstoffen besteht in der Praxis darin, dass dieses Rückstell-verhalten zeit- und temperaturabhängig unterschiedlich schnell nachlassen kann. Druckverformungsrest-Messungen an O-Ringen können diese teilweise erheblichen Unterschiede aufzeigen und so zur Definition einer angemessenen O-Ring Qualität beitragen. 

Unter Gummielastizität Bild 1 ist hier insbesondere das Vermögen der elastomeren Werkstoffe gemeint, dass diese die aus den druckbeaufschlagten O-Ringflächen resultierende Kraft als Erhöhung der Dichtflächenpressung weitergeben zu können. Je höher also der anstehende Druck ist, desto höher ist auch die daraus entstehende Dichtflächenpressung. Durch dieses Funktionsprinzip können O-Ring Dichtungen in extremen Anwendungen Drücke von weit über 1000 bar abdichten. Diese Gummielastizität tritt uneingeschränkt nur oberhalb der Glasübergangstemperatur auf, bei tiefen Temperaturen lässt diese nach und unterhalb einer werkstoffabhängigen Grenztemperatur geht diese ganz verloren. Während der Einfluss niedriger Temperaturen auf die Gummielastizität voll reversibel ist, tritt durch die Alterung eine irreversible Einschränkung der Gummielastizität ein. Bei einer fortgeschrittenen Alterung verlieren also O-Ring Dichtungen ihr Vermögen, auch hohe Drücke sicher abzudichten.

Voraussetzung für ein gute Dichtung ist natürlich auch eine ausreichende chemische Beständigkeit. Ist diese nicht gegeben, bewirkt eine dadurch verursachte Veränderung in der Netzwerk- und Polymerstruktur sowohl eine Spannungsrelaxation als auch einen Verlust der Gummielastizität. Zusätzlich können auftretende Risse an der Oberfläche direkt zu einem Ausfall des O-Ringes führen.

Gummidichtungen werden häufig auch als sogenannte Weichdichtungen bezeichnet. Diese „Weichheit“ fördert zum einen ein gutes Dichtvermögen an nicht ideal glatten Oberflächen, zum anderen bedeutet dies aber auch eine begrenzte physikalische Beanspruchbarkeit in Bezug auf Zugspannungen. Daher müssen O-Ring Dichtungen auch bezüglich der physikalischen Beanspruchungen ausgelegt werden, wie zum Beispiel gegenüber der Einwirkung von hohen Drücken durch Spaltextrusion oder gegenüber der Auswirkung explosiver Dekompression von Gasen oder gegenüber der Einwirkung von Verschleiß bei dynamisch eingesetzten O-Ringen. Neben einer möglichen Beeinträchtigung der Einsatzgrenzen der O-Ringe durch oben beschriebene Vorgänge (Spannungsrelaxation, Alterung und chemische Einwirkung) können zusätzliche negative Effekte durch Quellung oder durch erhöhte Temperaturen (reversible Reduktion der physikalischen Belastungsgrenzen des Werkstoffes infolge der Viskoelastizität) auftreten und zu einem vorzeitigem Dichtungsausfall führen.

Beschreibung des Relaxationsverhaltens von O-Ringen

Das Relaxationsverhalten von Elastomeren in Abhängigkeit der Zeit lässt sich nach Timm, Bild 2, auf ein sogenanntes physikalisches und chemisches Kriechen zurückführen. Für Betrachtungen bei langen Zeiträumen ist danach der chemische Anteil deutlich stärker als der physikalische Anteil. Somit kann angenommenen werden, dass sich die Abhängigkeit der Spannungsrelaxation als Folge eines überwiegend chemischen Reaktionsmechanimus als Arrheniusgerade darstellen lässt. Um dies zu überprüfen, wurden im O-Ring Prüflabor Richter Druckverformungsrestversuche an NBR O-Ringen verschiedener Schnurstärken bei drei unterschiedlichen Temperaturen bis zu einer Dauer von über 18.000 h durchgeführt und ausgewertet. Die Ergebnisse daraus sind in Bild 3 für unterschiedliche Lebensdauerkriterien zusammengefasst und in Bild 4 für das Lebensdauerkriterium 95 % Druckverformungsrest in Form von Arrheniusgeraden dargestellt. Aus diesen so gewonnen „Kurven“ lassen sich nun für den überprüften O-Ringwerkstoff realistische Werte in Bezug auf das Langzeitverhalten ableiten. So kann zum Beispiel angenommen werden, dass die geprüften O-Ringe bei einer Temperatur von 60°C bei dem genannten Lebensdauerkriterium von 95 % für 5 Jahre ununterbrochenem Betrieb als betriebssicher betrachtet werden können.

Interessanter Weise liegen die durch die Langzeitergebnisse ermittelten Werte bei der Schnurstärke von 1,78 mm tatsächlich auf einer Geraden, während dies bei den dickeren Schnurstärken nicht der Fall ist. Erklärt wird dies dadurch, dass bei den größeren Schnurstärken das Verhältnis der freien Oberfläche des O-Ringes im Verhältnis zu seiner Masse abnimmt, so dass der für den Oxidationsprozess erforderliche Sauerstoff bei den höheren Temperaturen nicht mehr in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Die Oxidation läuft damit bei dickeren Schnurstärken und bei hohen Temperaturen infolge von Sauerstoffmangel gebremst ab. Das heißt bei relativ hohen Temperaturen ist der Einfluss der Schnurstärke auf die Lebensdauer hoch (siehe Bild 3 bei 125°C), bei niedrigen Temperaturen gering (siehe Bild 3 bei 80°C).
Ähnliche Versuche, jedoch nur bei 2 unterschiedlichen Temperaturen und bei Prüfzeiten von max. 4000 h wurden auch an peroxidisch vernetzten EPDM O-Ringen durchgeführt, Bild 5. Für ein Lebensdauerkriterium von 100 % Druckverformungsrest ergibt sich daraus für die geprüften O-Ringe eine zu erwartende abgesicherte Betriebsdauer bei 80°C von ca 500.000 h (= 57 Jahre). Die Ergebnisse von Druckspannungsrelaxationsmessungen im Hause Freudenberg ergaben für einen geprüften EPDM-Werkstoff bei 75°C Lebensdauerannahmen je nach Lebensdauerkriterium zwischen 46 Jahre und 230 Jahre, Bild 6
Ein anderes Beispiel für einen Ansatz der Ermittlung des Zeitverhaltens der Spannungsrelaxation von O-Ringen zeigt Bild 7. Die dort dargestellten Ergebnisse, die im Hause Parker Hannifin von Herrn Dr. Achenbach rechnerisch ermittelt wurden, sind mit Hilfe eines relativ aufwendigen Materialmodelles für die Spannungsrelaxation an FKM- und HNBR O-Ringen bei 95°C in einem Kühlwassergemisch ermittelt worden. Während der HNBR O-Ring nach einer simulierten Betriebsdauer von 20 000 h nach einer Abschaltung die Entstehung eines Spaltes zulässt, hält der FKM-O-Ring noch dicht. Sofern also gut auflösende Materialmodelle bestehen, ergibt sich daraus eine interessante Möglichkeit, das Langzeitverhalten von O-Ringen unter verschiedensten Betriebsbedingungen rechnerisch zu simulieren.

Alterung

Bei der Alterung verliert der Gummiwerkstoff durch parallel ablaufende Kettenspaltungen der Polymere und Nachvernetzungen infolge der Einwirkung von Wärme und Sauerstoff kontinuierlich an Gummielastizität. Dargestellt wird dieser Verlust an elastischen Eigenschaften häufig über die relative Änderung der Reißdehnung des Werkstoffes. Wie in Bild 8 dargestellt, lassen sich damit bei der Definition eines geeigneten Lebensdauerkriteriums, z.B. 50 % Verlust der Reißdehnung, in Abhängigkeit der Betriebstemperatur Lebensdauergrenzen ermitteln. Als zulässige sogenannte „Dauertemperatur“ gilt die Grenztemperatur, bei der der betrachtete Werkstoff nach 1000 Betriebsstunden genau 50 % seiner Reißdehnung eingebüßt hat. Der Verlust der Gummielastizität wirkt sich auf das Funktionsverhalten von O-Ringen ähnlich wie die Einwirkung von tiefen Temperaturen aus, welches in Bild 9 dargestellt ist, das heißt der Werkstoff verliert dadurch an dynamischen Rückstellvermögen. Während der kältebedingte Verlust der Gummieigenschaften reversibel ist, führt die Alterung zu irreversiblen Einschränkungen im Funktionsverhalten. Wie Bild 10 zeigt, führt eine hochfrequente Druckbeaufschlagung ebenfalls zu einem Verlust der Gummielastizität. Das heißt, das insbesondere bei hochfrequenter Druckbeanspruchung (z.B. in der Hydraulik) sich ein alterungsbedingter Verlust an Gummielastizität besonders schnell als Leckage auswirken kann.

Chemischer Angriff durch das Kontaktmedium

Eine unzulässige chemische Einwirkung auf den O-Ring hat ähnliche Folgen wie die Alterung durch Wärme und Sauerstoff, zusätzlich kann dies dann zu einer beschleunigten Spannungsrelaxation führen. Rissbildungen an der Oberfläche des O-Ringes können die Zeit bis zum Dichtungsausfall weiter verkürzen. Daher schließt eine gute O-Ring Auslegung eine Verträglichkeitsprüfung mit ein. Im Allgemeinen gilt eine Verträglichkeit mit dem umgebenden Medium dann als gegeben, wenn in einem angemessen langen Zeitraum, z.B. 1000 h, die Veränderungen der Reißdehnung bei einem Einlagerungsversuch bei der oberen Grenztemperatur kleiner ist als bei einer künstlichen Alterung in Luft unter gleichen Zeit/Temperaturbedingungen, vorausgesetzt, dass sich die Härte- und Volumenänderungen in einem für die Anwendung akzeptablen Rahmen bewegen. Bild 11 zeigt ein Beispiel einer so durchgeführten Verträglichkeitsprüfung (nur Darstellung der relativen Änderungen der Reißdehnungen). Um auch den möglichen Einfluss geringer Mengen an Additiven zu erkennen, werden in additivierten Ölen 1000h-Tests empfohlen bei einer ausreichenden Menge an Prüfflüssigkeit (80-faches Volumen der Probekörper).

Physikalische Einwirkungen

O-Ringe werden je nach Anwendung unterschiedlich stark physikalisch belastet. Bei hohen Drücken (>50 bar) ist der O-Ring auf unzulässige Spalteinwanderung zu überprüfen, bei dynamischen Anwendungen kann der Abriebwiderstand des O-Ringes ein wichtiges Auswahlkriterium werden und bei Hochdruck-Gasanwendungen die Resistenz der Rezeptur gegenüber der Beanspruchung auf explosive Dekompression. 
Um eine ausreichende Langlebigkeit der O-Ringe abzusichern, werden im Zweifelsfall physikalische Belastungstests unter „worst case“- Bedingungen empfohlen. Da die physikalischen Belastungsgrenzen von Elastomerwerkstoffen von der Temperatur abhängen, siehe Bild 12, heißt das, immer bei der oberen zulässigen Temperaturgrenze zu prüfen. Bild 13 und Bild 14 zeigen Schadensbilder von O-Ringen, die durch Spaltextrusion beziehungsweise explosive Dekompression zerstört wurden. 

Zusammenfassung

Die dargestellten Einflussfaktoren können an O-Ring-Dichtungen zu unbefriedigenden kurzen Betriebszeiten bis zum Ausfall führen. Daher sollte auch eine O-Ring Dichtung mit einem angemessenen Aufwand in Bezug auf die geforderte Lebensdauer ausgelegt werden. Die obigen Ausführungen beschreiben einige Methoden, wie dies in der Praxis aussehen kann und zeigen beispielhaft realisierbare Betriebszeiten von NBR-, EPDM-, und FKM-O-Ringen auf.