Qualitätsunterschiede von elastomeren Dichtungen – ein Überblick über den realen Dichtungsmarkt

Dipl. Ing. Bernhard Richter

O-Ring Prüflabor Richter GmbH


Wie die Dichtung zum Kunden kommt

Bevor wir uns intensiv mit der Qualität von Dichtungen beschäftigen, ist es zum Verständnis schon wichtig, auch einen Blick auf den Vertriebsweg der Dichtung zum Kunden zu werfen. Nur in vergleichsweise wenigen Ausnahmefällen kommt die Dichtung direkt vom Hersteller, das heißt, direkt von dem herstellenden Werk zum Endkunden. Der normale Weg zum Kunden führt über den technischen Handel, wenngleich von vielen Händlern nach außen hin gerne ein Herstellerimage aufgebaut wird, das sich häufig nur auf einen Bruchteil der ausgelieferten Dichtungen bezieht. Wegen des Zwanges des technischen Handels zur guten Verfügbarkeit ist es auch keine Seltenheit, dass sich technische Händler untereinander aushelfen, das heißt, dann erfolgt der Vertrieb der Dichtung dann erst aus dritter oder vierter Hand, was ja letztlich dem Endkunden in Form von zumutbaren Preisen und kurzen Lieferzeiten zu Gute kommt. Wirklich funktionieren kann dieses System aber am Ende nur, wenn es sich bei den Handelsobjekten, also den Dichtungen, auch um Normteile handelt, das heißt, dass die Funktionalität der Teile in allen funktionsrelevanten Eigenschaften auch ausreichend abgesichert ist. Und das ist bei den meisten Dichtungen eben allenfalls bezüglich Abmessungen der Fall, nicht aber in Bezug auf wichtige werkstofflichen Eigenschaften. Daher bleibt es in der Praxis der Dichtungsanwender nicht aus, dass diese immer wieder schlechte Erfahrungen sammeln müssen, was ihnen dann auch teuer zu stehen kommt. In der Regel ist das Problem aber nicht gelöst, wenn man lediglich den Lieferanten wechselt, der zunächst in unverbindlicher Weise natürlich das Blaue vom Himmel verspricht. Wirklich Abhilfe schaffen können Dichtungslieferanten nur, wenn diese selber wissen, was ihre verkauften Produkte denn tatsächlich auch leisten können (und nicht nur was sie leisten sollten), wenn sie diese selber prüfen, wozu diese aber in Regel gar nicht in der Lage sind. Wer nicht selber prüft, ist somit den Angaben der Hersteller, die oft von weit, weit her sind, ausgeliefert.

Was der Kunde vom Lieferanten erwartet

Allgemein ausgedrückt soll der ideale Lieferant die gewünschte Dichtung in der erforderlichen Qualität in der gewünschten Stückzahl in möglichst kurzer Zeit zu einem möglichst geringen Preis zur Verfügung stellen. Anwender mit einer geringen Anzahl an Dichtungspositionen und einer großen Stückzahl sind natürlich die absoluten Lieblingskunden der Dichtungsindustrie, weshalb diese Art der Kunden auch stark umworben ist von den Dichtungsherstellern. Je größer jetzt die Anzahl an erforderlichen Dichtungspositionen wird bei gleichzeitig stark sinkenden Stückzahlen pro Dichtungsausführung, desto unattraktiver werden diese Kunden für die Dichtungshersteller. Diese kritische Klientel kann nur über eine umfangreiche Lagerhaltung befriedigend bedient werden und damit kommt der technische Handel ins Spiel. Aber selbst große Dichtungshändler schaffen es kaum, die komplette Vielfalt an Dichtungsformen, Werkstoffen und Abmessungen so zu bevorraten, dass unterm Strich auch noch Geld verdient wird. Ergo arbeiten die Händler wieder mit anderen Händlern zusammen, teilweise im Rahmen von europaweiten Handelsvereinigungen. Damit beziehen aktuell die meisten Anwender ihre Dichtungen aus dem technischen Handel, als direkter Ansprechpartner häufig nur mit einem einzigen Händler, der nun mit einer Kombination aus Lagerhaltung und Networking mit anderen technischen Händlern versucht, den Kunden zufriedenzustellen. Dieses in der Praxis bewährte Modell kommt da an die Grenzen, wo Produkteigenschaften unzureichend spezifiziert bzw. definiert sind. Und das ist bei Elastomerdichtungen aber der Fall, nur dass man dies solange verdrängt, bis wirklich mal ein großer Flurschaden daraus entstanden ist. Erst dann hat man verstanden, dass auf Dauer der steinige Weg der Spezifikation von Grundeigenschaften von Dichtungen im Vergleich zu kostenintensiven und nervenaufreibenden Kundenreklamationen bzw. Dichtungsausfällen, immer noch der bequemere Weg ist. Die folgenden Informationen sollen helfen, Diesen erforderlichen Weg zu gehen, bevor es zu teuren Dichtungsausfällen kommt. Zunächst einmal soll die Frage gestellt werden, woher denn die große Vielfalt an Dichtungseigenschaften kommt.

Qualitätsunterschiede

Die drei großen Einflussgrößen-Polymer-Rezeptur-Vulkanisation

Werkstofflich betrachtet lassen sich Gummidichtungen mit einer Wundertüte vergleichen,
das heißt, es bleibt immer spannend, was sich tatsächlich hinter einer Dichtung
an Werkstoffeigenschaften verbirgt, Überraschungen, leider eher negative, sind jederzeit möglich. Dies resultiert letztlich aus folgenden drei großen Einflüssen:
1. Der möglichen Vielfalt an Polymeren, welche sich hinter den Kurzbezeichnungen
(z.B. FKM, NBR, EPDM) verbergen können, insbesondere
infolge der mit den Kurzbezeichnungen nicht geregelten Anteile
der zur Polymerisation eingesetzten Monomere. Aber auch die mittleren
Kettenlänge dieser Polymere ist mit diesen Kurzbezeichnungen
keinesfalls geregelt. Das bedeutet, dass bei NBR- und EPDMWerkstoffen
das Kälteverhalten mit der Polymerauswahl erheblich
beeinflusst werden kann, bei FKM-Werkstoffen sogar die chemische
Beständigkeit.

2. Dem großen Gestaltungsspielraum bei einer Rezeptur durch die
Wahl der Qualität und Quantität von Füllstoffen, Weichmachern,
Vernetzungschemikalien, zusätzlichen Verschnittpoymeren und zusätzlichen
Reagenzien zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften,
wie zum Beispiel Alterungsschutzmittel oder Ozonwachse. Das heißt
konkret, dass bei einem EPDM-Werkstoff erst durch die Rezepturgestaltung
festgelegt wird, ob der Polymeranteil jetzt bei 30 oder 60%
liegt, oder ob als Vernetzer Schwefel (zulässige Dauertemperatur
100°C) oder ein Peroxid (zulässige Dauertemperatur 150°C) verwendet
wird. Bei NBR-Dichtungsplatten, aus denen Flachdichtungen gestanzt
werden, bedeutet dies, dass durch erhebliche Zusätze von
SBR-Kautschuk (nicht mineralölbeständig) die Ölbeständigkeit, welche
im Allgemeinen der entscheidende Grund für die Wahl von NBRKautschuk
ist, verlorengehen kann.

3. Dem Einfluss der Vulkanisationsbedingungen. Da Gummiwerkstoffe
bei der Formgebung auch gleichzeitig einer chemische Umwandlung
unterworfen sind, haben die Prozessparameter bei der Formvulkanisation
(Werkzeugtemperatur und Werkzeugschließzeit) und anschließender
Nachvulkanisation im Temperofen (Zeit und Temperatur)
einen erheblichen Einfluss auf die Elastizitätseigenschaften der
Fertigteile. Werden zwei Chargen desselben Werkstoffes, das heißt,
derselben Rezeptur, unterschiedlich vulkanisiert, können sich daraus
stark unterschiedliche Eigenschaften ergeben, zum Beispiel bezüglich
des Druckverformungsrestes oder der Zugfestigkeit.

Ergebnisse aus der Messung an O-Ringen und anderen Dichtungen

Da der Verarbeitungsprozess bei der Herstellung der Dichtungen einen erheblichen Einfluss auf die Qualität hat, lässt sich die Qualität von Elastomerdichtungen nur überprüfen, wenn auch direkt an der Dichtung gemessen wird. Das Ergebnis dieser Messungen bildet dann zwar nicht den normgerechten Werkstoffkennwert der Rezeptur ab, welcher ja an ideal vulkanisierten Normprobekörpern ermittelt wird, aber nur so lässt sich überprüfen, ob die Dichtung tatsächlich auch angemessen vulkanisiert wurde. Bei der Festlegung der Sollwerte sollte neben dem Werkstoffkennwert der Rezeptur gebührend realitätsnahe, noch als zulässig betrachtete Schwankungen im Vulkanisationsprozess berücksichtigt werden, darüber hinaus sind zusätzliche Abschläge vom Werkstoffkennwert infolge geometrischer Einflüsse und infolge typischer zufälliger Messwertstreuungen gemacht werden. Werden keine Vorgaben für die Fertigteile gemacht, haftet der Dichtungslieferant nicht für den Vernetzungsgrad der Fertigteile. Beispiele für Ergebnisse aus Fertigteilprüfungen, welche die mögliche Schwankungsbreite an Eigenschaften abbildet.

Muster A Muster B Muster C
Härte, hardness 69 63 71 Shore-A
Dichte / density 1,13 1,21 1,10 g/cm³
Künstl. Alterung/accel. Ageling 70h/150°C
Volumenänderung nach change of volume after künstl. Alterung - accel. ageing 70h/150° -5,9 -10,9 -2,2 %
Masseänderung nach change of weight after -5,1 -8,7 -1,7 %
Härteänderung nach change of hardness after 12 17 3 Shore-A
destilliertes Wasser / distilled water 70h/150°C
Volumenänderung nach change of volume after dest. Wasser / distilled water 70h/150° 2,8 3,8 3,0 %
Masseänderung nach change of weight after 3,0 3,5 3,6 %
Härteänderung nach change of hardness after 3 1 -1 Shore-A
Druckverformungsrestprüfung / compression set
DVR / CS DIN ISO 815-1 Meth. A 24h /150°C 52,1 79,4 23,8 %
DVR/ CS DIN ISO 815 24h /150°C 19,8 87,1 16,6 %
Thermograviemetrie / Thermogravimetric analysis
flüchtige Bestandteile Volatiles 6,6 20,8 3,1 %
pyrolysierbare Bestandteile pyrolizable ingredients 50,4 34,0 57,8 %
oxidierbare Bestandteile oxidizable ingredient 39,7 31,0 35,8 %
anorganischer rest inorganic filler 3,3 14,2 3,3 %

Bild 2- Beispiel 1

Beispiel 1 zeigt einen Vergleich von EPDM-70 Armaturendichtungen, welche jeweils dieselbe Anwendung abdecken sollen. Bereits die Härte zeigt auf, dass an der Ausführung B der Nennwert der Härte von 70+/-5 Shore A nicht erreicht wird. Bereits eine Wärmelagerung über 70h bei 150°C führt an der Dichtung B zu einer Härtezunahme von 17 Shore A, an Ausführung A immerhin noch zu 12 Shore A, an Ausführung C nur zu 3 Shore A. Die gefundenen Unterschiede könnten sich aus EPDM-Polymeren mit stark unterschiedlichen Dienanteilen und/oder unterschiedlich hohen Weichmachergehalten in der Rezeptur erklären. Die unterschiedlichen Volumenabnahmen nach der Alterung bei 150°C zwischen 2,2% © und 10,9 % (B) erklären sich aus unterschiedlichen Weichmacheranteilen, siehe unten. Die Quellung in Wasser lässt hier keine signifikanten Unterschiede erkennen, es sei aber hier darauf hingewiesen, dass mineralische Füllstoffe hier durchaus für Überraschungen sorgen können und Quellwerte weit über 20% erzeugen könnten. Der Druckverformungsrest bei 150°C (24h) zeigt auf, dass nur eine der drei Dichtungen im typischen Bereich einer peroxidisch vernetzten EPDM-Rezeptur (<30%) liegt, möglich wären Werte bis 10%, auch hier fällt das Muster B mit 79% klar heraus, aber auch Muster A zeigt mit 52% kein befriedigendes Ergebnis. Geht man bei allen drei Werkstoffen von peroxidisch vernetzten Rezepturen aus, so können sich die gefundenen Unterschiede allein aus unterschiedlichen Vulkanisationsbedingungen erklären. Die durchgeführten thermogravimetrischen Analysen lassen auf die unterschiedlichen Rezepturzusammensetzungen schließen. Die pyrolysierbaren Bestandteile lassen auf den Polymeranteil schließen, welcher sich bei den drei Proben zwischen 34,0 (B) und 57,8 % © bewegt, die niedermolekularen Bestandteile (=flüchtige Bestandteile) lassen bei Probe B einen Anteil von ca. 21% erkennen, welcher sich zum überwiegenden Teil aus Weichmachern erklärt.

Muster A Muster B Muster C Muster D
Härte Anlieferung 64 60 67 54 IRHD
Dichte Anlieferung 1,11 1,11 1,15 1,16 g/cm³
Druckverformungsrestprüfung nach DIN ISO 815-1
DVR - Verf. A 24h/150° 24,1 25,3 37,9 84,2 %
Masseänderung nach change of weight after 24h/150°C 30,7 - 62,0 - %

Bild 3- Beispiel 2

Auch das Beispiel 2 zeigt peroxidisch vernetzte EPDM-Werkstoffe, diesmal Membranen. Von den 4 überprüften Membranen zeigen zwei einen befriedigenden Druckverformungsrest ( Proben A und B), eine Probe einen nicht mehr voll befriedigenden Wert (Probe C) und einen sehr schlechten Wert (Probe D). Proben 3 und 4 bestehen aus derselben Rezeptur und kommen vom selben Lieferanten.

Härte, IRHD M Dichte, g/cm³ Tg(DSC)
NBR 1 71 1,22 -62°C
NBR 2 73 1,20 -58°C
NBR 3 66 1,28 -52/-33°C
NBR 4 77 1,24 -31°C

Bild 4- Beispiel 3 DSC-Kennwerte von NBR O-Ringen

Das Beispiel 3 zeigt DSC-Werte (=thermodynamischer Glasübergangspunkt) von 4
verschiedenen NBR O-Ringen, welche von den Lieferanten durchweg als Kältewerkstoffe
für Temperaturen bis -40°C bezeichnet wurden. Während die O-Ring Positionen
1 bis 3 einen Glasübergang weit unterhalb der genannten -40°C zeigen, hat die Probe
4 einen Glasübergang bereits bei -31°C; somit liegt hier eindeutig keine Kältemischung
vor, wie im Datenblatt angegeben.

NBR 70 Werkstoffe Flachdichtung O-Ring Formdichtring
Härte, Shore A 72 70 68
Dichte, g/cm³ 1,41 1,27 1,25
Druckverformungsrest 24h/100°C, % 27 19 55

Bild 5 – Beispiel 4

Das Beispiel 4 zeigt das Ergebnis einer Vergleichsprüfung von einer Flachdichtung,
einem O-Ring und einem Formdichtring jeweils aus einem NBR 70-Werkstoff. Während
die Flachdichtung und der O-Ring akzeptabel vulkanisiert sind, zeigt der Formdichtring
jedoch einen Druckverformungsrestwert von 55 %, was auf einen unbefriedigenden
Vulkanisationsgrad zurückgeführt werden kann. Alle Teile stammen vom gleichen
Dichtungslieferanten.

FKM A Prüfplatte FKM80 FKM A O-Ring FPM 80 FKM B Prüfplatte FKM 80 FKM B O-Ring FKM 80 FKM C Prüfplatte FKM80 FKM C O-Ring FKM80
Härte, Shore A 83 77 83 81 80 80
Zugversuch
Zugfestigkeit, MPa 10,7 4,9 12,6 5,5 17,0 4,6
Reißdehnung, % 193 156 175 153 168 158
Spannungswert 100%, MPa 5,6 4,1 7,6 4,2 10,3 3,6
Druckverformungsrest 24h/200°C 24,3 29,8 19,5 27,4 11,9 29,7

Bild 6- Beispiel 5

Beispiel 5 zeigt einen Vergleich verschiedener FKM-Werkstoffe bezüglich Festigkeitswerten an O-Ringen im Vergleich zu Prüfplatten. Auffällig ist der große Unterschied in der Festigkeit zwischen den Prüfplatten und den O-Ringen. Vorausgegangen zu dieser Untersuchungen waren Abriebprobleme der O-Ringe. Die Untersuchung hat aufgezeigt, dass die O-Ringe das Potential der Rezepturen bei weitem nicht ausgeschöpft haben. Der Spannungswert bei 100% Dehnung zeigt besonders gut, dass dies an der fehlenden Vernetzungsdichte liegt-dies wiederum geht klar auf den Vulkanisationsvorgang zurück. Eine Verbesserung der Vulkanisationsbedingungen hat dann auch zu einer deutlichen Verbesserung der Zugfestigkeiten bzw. der Spannungswerte bei 100% Dehnung geführt, sodass die Werte der Prüfplatte annähernd auch am O-Ring erreicht wurden. Die durchgeführte Verbesserung des Vernetzungsvorgangs bzw. der Vulkanisation lässt sich am Druckverformungsrest nachvollziehen.

EPDM 80 O-Ringe, d2=3,53 mm EPDM A EPDM B
Druckverformungsrest 24h/100°C Verf. A 7% 14%
Druckverformungsrest 24h/100°C Verf. B 14% 60%
Druckverformungsrest 24h/0°C 14% 65%

Bild 7- Beispiel 6

Beispiel 6 zeigt einen Vergleich zweier EPDM O-Ringe, welche in der sterilen Verfahrenstechnik zu großen Unterschieden im Verhalten geführt haben. Während der O-Ring aus EPDM A schon jahrelang ohne Probleme eingesetzt wurde, hat der O-Ring aus EPDM B schon nach kurzer Einsatzdauer zu einer hohen bleibenden Verformung geführt, obwohl in beiden Fällen ein peroxidisch vernetzter EPDM Werkstoff vorliegt. Der entscheidende Unterschied erklärt sich aus einem hohen Ethylengehalt im Polymer,
was den schlechten Druckverformungsrest bei 0°C erklärt und damit auch den hohen DVR Wert nach 24h/100°C bei kaltem Ausbau (DVR nach DIN ISO 815-1, Verf. B).
Beispiel 7 zeigt nochmals zwei unterschiedliche peroxidisch vernetzte EPDMWerkstoffe,
welche sich erheblich im Kälteverhalten unterscheiden, was die beiden TR10-Werte gut belegen. Während diese Unterschiede bei der DSC-Prüfung nicht zu erkennen sind, können die unterschiedlichen Eigenschaften im Kälteverhalten neben den hier erwähnten Verfahren (Druckverformungsrest bei tiefen Temperaturen und TR10-Wert) auch über dynamisch mechanische Analysen (DMA) beschrieben werden.

TR2 TR10 TR30 TR50 TR70 TR70-10
EPDM A -45,3°C -27,4°C -9,0°C 1,1°C 9,5 °C 36,9 °C
EPDM B -52,6 °C -47,1°C -40,1°C -34,0°C -25,0°C 22,1°C

Bild 8 –Beispiel 7 TR-Vergleich von zwei EPDM-Werkstoffen

Wie Dichtungen spezifiziert werden sollten

Wer nicht direkt Eigenschaften an Dichtungen spezifiziert, kann keine gleichbleibende Qualität erwarten. Als Minimalanforderung an die werkstoffliche Ausführung der Dichtung wird die Definition des Vulkanisationsgrades der Dichtung in Form von maximal zulässigen Druckverformungsrest- oder Zugverformungsrestwerten am Fertigteil angesehen, verknüpft mit den Identifikationsmerkmalen Härte und Dichte der zugrunde gelegten Rezeptur. Der pragmatische Alltagsansatz kann also so aussehen, dass der Dichtungslieferant für eine bestimmte Anwendung mittels Datenblatt die Grundeigenschaften einer Rezeptur belegt und der Kunde sich dann durch Anwendungstests oder über Vergleiche mit bereits bewährten Rezepturen vergewissert, dass die Rezeptureigenschaften für die betreffenden Anwendungen ausreichend sind, und dass dann für das Fertigteil angemessene Druckverformungsrestwerte in Kombination mit Härte- und Dichtewerte entsprechend der gelieferten Rezeptur vereinbart werden. Ein ebenfalls einfacher Ansatz für O-Ringe wäre zum Beispiel eine allgemeine Bestellvorschrift, welche einen guten Stand der Technik belegt (Standardanforderungen), siehe Bild 8, und welche in bestimmten Fällen ergänzt werden könnte mit anwendungsbezogenen Zusatzanforderungen, wie zum Beispiel mit minimalen Festigkeits- oder Reißdehnungswerten am Fertigteil, mit einem Langzeit-Druckverformungsrest-Wert (1, 2, 3 6 Wochen Dauer), oder einem besonderen Tieftemperaturverhalten. Generell gilt, desto mehr die Anwendung materialtechnisch der Dichtung im Vergleich mit dem möglichen Stand der Technik abverlangt, desto engmaschiger muss die Spezifikation sein, das heißt, dass die Spezifikation in Sonderfällen durchaus das Leistungsspektrum einer bestimmten Rezeptur eins zu eins abbilden soll bzw. muss. Nur so ist gewährleistet, dass ein Lieferantenwechsel nicht mit einem Einbruch der Qualität verbunden ist.

Werkstoff-Prüfung NBR EPDM FKM
Temperatureinsatzbereich, °C (statischer Einstatz) -35 bis 100 -40 bis 150 -30 bis 200
Härte, DIN ISO 48 M, zulässige Abweichung vom Nennwert, IRHD +/-5 +/-5 +/-5
Spezifisches Gewicht, ISO 2781, zuverlässige Abweichung vom rezepturbezogenen Mittelwert, g/cm³ +/-0,02 +/-0,02 +/-0,03
Druckverformungsrest, DIN ISO 815-1, Zeit 24 h, % 25 max. T=100°C 30 max. T=150°C 25 max. T=200°C
Druckverformungsrest, DIN ISO 815, Zeit 24 h, Mesung 30Min. nach Entspannung, % 80 max. T=-25°C 80 max. T=-30°C 80 max. T=-15°C
Lagerung in ASTM-Öl Nr. 1, DIN ISO 1817, 168h/100°C, Änderung des Volumens, % +5/-10 - -
Lagerung in IRM-Öl903, DIN ISO 1817, 168h/100°C, Änderung des Volumens, % +20max. - +5 max.
Lagerung in Aceton, DIN ISO 1817, 24 h/23°C, Volumenzunahme in % - +10/-5 -
Umluft, DIN 53 508, 70 h, Härteänderung, IRHD +8 max. T=100°C +6 max. T=150°C +8 T=250°C

Bild 8-Beispiel für eine einfache Bestellvorschrift für O-Ringe (Werkstoffeigenschaften

Zusammenfassung

Der Vortrag soll aufzeigen, dass Dichtungen bezüglich ihren Werkstoffeigenschaften
keine Normteile sind und woher diese Unterschiede kommen. Anhand von EPDM-,
NBR- und FKM-Dichtungen werden hierzu aktuelle, praktische Beispiele gezeigt. Der
Vortrag soll Anwender ermutigen, Elastomerdichtungen angemessen zu spezifizieren.