Von Plus- bis Minus-Graden

Temperatureinsatzgrenzen von O-Ringen

Autor: Dipl. Ing. Bernard Richter, O-Ring Prüflabor Richter


Rezeptur- und anwendungsbezogene Temperatureinsatzgrenzen von O-Ringen

Wo liegen realistische Hoch- und Tieftemperaturgrenzen von ORingen? Diese Frage muss sich jeder Anwender stellen, der ein vorgegebenes Anforderungsprofil einer Anwendung mit O-Ringen abdecken will. Tatsächlich ist aber diese Frage nicht eindeutig zu beantworten, solange die Randbedingen des spezifischen Einsatzes nicht klar definiert sind.

Bevor der Werkstoff für einen O-Ring festgelegt wird, wie z. B. NBR, EPDM oder FKM, muss sichergestellt sein, dass das Leistungspotential der ausgewählten Elastomer-Familie zur Anwendung passt. Das gilt natürlich für alle geforderten Eigenschaften, also nicht nur für die Temperaturbeständigkeit sondern ebenso für die Medienbeständigkeit und auch für die physikalischen Eigenschaften, wie z. B. den Widerstand gegen Spaltextrusion, Abrieb oder explosiver Dekompression. Im Folgenden soll dies vorausgesetzt werden, so dass sich die Auswahl des Werkstoffes dann ausschließlich auf die Temperaturbeständigkeit bezieht. Das bedeutet, man tut so, als würde man einen Werkstoff für den Einsatz in Luft auswählen, da alle anderen Einflüsse als nicht relevant für die Anwendung definiert werden. Diese Annahme sollte natürlich im Nachhinein, das heißt, nach der getroffenen Werkstoffauswahl, angemessen abgesichert werden.

Hochtemperaturgrenzen

Bevor der Werkstoff für einen O-Ring festgelegt wird, wie zum Beispiel NBR, EPDM oder FKM, muss sichergestellt sein, dass das Leistungspotential der ausgewählten Elastomer-Familie zur Anwendung passt. Das gilt natürlich für alle geforderten Eigenschaften, also nicht nur für die Temperaturbeständigkeit sondern ebenso für die Medienbeständigkeit und auch für die physikalischen Eigenschaften, wie zum Beispiel den Widerstand gegen Spaltextrusion, Abrieb oder explosiver Dekompression. Im Rahmen dieses Aufsatzes soll dies vorausgesetzt werden, sodass sich die Auswahl des Werkstoffes dann ausschließlich auf die Temperaturbeständigkeit bezieht. Das bedeutet, man tut so, als würde man einen Werkstoff für den Einsatz in Luft auswählen, da alle anderen Einflüsse als nicht relevant für die Anwendung definiert werden. Diese Annahme sollten natürlich im Nachhinein, das heißt, nach der getroffenen Werkstoffauswahl, angemessen abgesichert werden.

Bei der Überprüfung der in Frage kommender Elastomere muss dann sowohl die geforderte Hochtemperaturgrenze als auch die Tieftemperaturgrenze geklärt werden. Die Hochtemperaturbeständigkeit von Elastomeren wird begrenzt von dem chemischen Reaktionsmechanismus der Alterung infolge von Wärme und Sauerstoff. Das bedeutet, dass man die obere Temperaturgrenze eben nicht eindimensional definieren kann wie bei thermoplastischen Werkstoffen, wo die obere Temperatureinsatzgrenze durch einen physikalischen Mechanismus in Form einer Schmelz- bzw. Erweichungstemperatur begrenzt wird (Elastomere haben keinen Schmelzpunkt), sondern nur zweidimensional, das heißt eine thermische Beanspruchung ist erst klar definiert durch die Kombination einer Temperaturangabe mit einer (isothermen) Beanspruchungszeit. In der Polymerindustrie, das heißt bei den Herstellern der unterschiedlichen Synthesekautschuken, definiert man die Temperaturbeständigkeit der Elastomere üblicherweise nach dem 1000 h-Kriterium, das heißt, es wird diejenige Temperatur als zulässige Dauergebrauchstemperatur definiert, welche bei isothermer Beanspruchung (T=konstant) über 1000h noch eine ausreichende Elastizität gewährleistet. In der Regel wird die noch ausreichende Elastizität durch den Verlust der Reißdehnung des Werkstoffes um 50% seines Ausgangswertes definiert (=Lebensdauerkriterium). Wird dann das Erreichen dieses Lebensdauerkriteriums einmal durch eine Musterrezeptur mit einem bestimmten Polymer nachgewiesen, wird dies dann von der weiterverarbeitenden Industrie als Legitimation angesehen, alle aus dieser Polymerfamilie hergestellten Rezepturen dieser einmalig ermittelten Hochtemperaturgrenze zuzuordnen, auch wenn der Rezepturaufbau sich erheblich von der getesteten Musterrezeptur unterscheidet. Die Zusatzinformation, dass sich diese Temperatureinsatzgrenze ja nur auf 1000h bezieht, bleibt in der Regel ebenso auf der Strecke wie der Bezug zu einer bestimmten Musterrezeptur des Polymerherstellers. Was übrigbleibt, sind also eher vage Hochtemperaturgrenzen auf Datenblättern oder in technischen Veröffentlichungen, die letztlich ohne konkrete Angaben über das Alterungsverhalten nicht wirklich belastbar sind.

Hochtemperaturgrenzen

Setzt man einen guten Stand der Technik bezüglich Rezepturqualität voraus, wie er durch Polymerhersteller bereits nachgewiesen wurde, lassen sich die Temperatureinsatzgrenzen für verschiedene Elastomere gemäß Bild 1 daraus ableiten. Mithilfe dieses Diagrammes lässt sich nun relativ einfach feststellen, welcher Werkstoff bezüglich des Temperatureinsatzbereiches zur Anwendung passt, vorausgesetzt, das thermische Lastkollektiv der Anwendung ist ausreichend bekannt. Geht man beispielsweise von einer zu erzielenden Lebensdauer von 10.000 Betriebsstunden aus, so zeigt dieses Diagramm, dass ein NBR-Werkstoff bei dieser Betriebsdauer eine zulässige Dauertemperatur von ca. 70°C besitzt, ein HNBR-Elastomer von ca. 100°C und ein FKM-Elastomer von ca. 180°C. Dieses Diagramm kann also eine erhebliche Hilfestellung anbieten bei der richtigen Werkstoffauswahl. Um die Temperatureinsatzgrenzen von NBR O-Ringen möglichst genau abzubilden, wurden im O-Ring Prüflabor Richter Langzeit-Druckverformungsrestmessungen über 2 Jahre an O-Ringen unterschiedlicher Schnurstärke bei 3 unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt, Bild 2. Die Auswertung zeigt, dass die getesteten O-Ringe bei 60°C Dauertemperatur eine Lebensdauer von 5 Jahren erwarten lassen. Allerdings ist es praktisch nicht möglich, O-Ringe bis zu 2 Jahre lang zu testen, um realistische Angaben über das Langzeitverhalten zu gewinnen. Erfahrungsgemäß reichen hierzu auch Tests über ca. 3000h aus, möglichst bei 3 unterschiedlichen Temperaturen. Im O-Ring Prüflabor Richter wurden solche Tests schon für unterschiedliche O-Ring-Werkstoffe durchgeführt auf der Basis von NBR-HNBR-, FKM, EPDM- und VMQ-Werkstoffen, sodass daraus realistische Hochtemperaturgrenzen für O-Ringe rezepturspezifisch ermittelt werden konnten.

Zulässige Dauertemperaturen für einen guten Stand der Technik von NBR O-Ringen

Ist die richtige Wahl der Polymerfamilie getroffen, ist es nun Aufgabe des Anwenders, sicherzustellen, dass auch ein angemessener Stand der Technik bezüglich Rezepturqualität und Vulkanisationsgrad der O-Ringe angewendet wird. Anders ist eine verlässliche Temperatureinsatzgrenze der O-Ringe nicht abzusichern. Dies kann praktisch so aussehen, dass herstellerbezogen eine bestimmte Rezeptur aufgrund durchgeführter Versuche freigegeben wird und zusätzlich der Vernetzungsgrad der O-Ringe mittels eines Kurzzeit-Druckverformungsrestes (24h bei der zulässigen Dauertemüeratur nach dem 1000h-Kriterium)) definiert wird, oder das durch herstellerunabhängige Spezifikationen ein angemessener Stand der Rezepturqualität definiert wird. Ohne eine verbindliche Beschreibung von Minimalanforderungen an eine Rezeptur und einen bestimmten Vulkanisationsgrad der O-Ringe (bzw. einen maximal zulässigen Druckverformungsrest) ist jedoch keine belastbare Temperatureinsatzgrenze von O-Ringen möglich.

Zusammenfassung zum Thema Hochtemperaureinsatzgrenzen

Temperatureinsatzgrenzen von O-Ringen machen nur in Zusammenhang mit der Einsatzdauer Sinn, die bekannten Temperatureinsatzgrenzen von Elastomeren beziehen sich in der Regel auf 1000h. Erst wenn das diesbezügliche Anforderungsprofil der Anwendung bekannt ist, kann eine Werkstoffauswahl getroffen werden. Zur Absicherung der Temperaturbeständigkeit der O-Ringe sind definierte Anforderungen an die Rezeptur und an den Vulkanisationsgrad der O-Ringe erforderlich.
Tieftemperaturgrenzen von O-Ringen
Die Ermittlung der Tieftemperaturgrenzen von O-Ringen ist wesentlich einfacher als die Hochtemperaturgrenzen, da hier ein physikalischer Reaktionsmechanismus für das Versagen in der Kälte zugrunde liegt, nämlich der des Einfrierens. Allerdings sind allgemeine Tieftemperaturangaben auf Datenblättern in der Regel nicht dazu geeignet, Versagensgrenzen von O-Ringen bei tiefen Temperaturen ausreichend genau vorherzusagen, solange nicht angegeben wird, nach welchem Kriterium diese ermittelt wurden. Erfahrungsorientiert hat sich unter all den in der Elastomertechnik gängigen Kälte-prüfverfahren der TR10-Wert (ASTM D1329 bzw. ISO 2921) bei O-Ringen am besten bewährt. Der TR10-Wert selbst stellt eine eher konservative Tieftemperaturgrenze dar, welche für dynamische O-Ring Dichtungen anzuwenden ist oder für „eingefrorene“ O-Ringe, die im kalten Zustand mit Druck beaufschlagt werden. Für viele typischen O-Ring Abdichtungen kann man jedoch noch Dichtheit bis 10 bis 15°C unterhalb des TR10-Wertes erzielen, sofern im kalten Zustand lediglich gegen Umgebungsdruck abgedichtet werden muss. Bei den gängigen O-Ring Werkstoffen ergeben sich daraus die Tief-temperaturgrenzen gemäß Tabelle 1. Andere Tieftemperaturprüfungen zeigen entweder nur Momentaufnahmen bei bestimmten Temperaturen (z.B. Druckverformungsrest nach ISO 815-2 oder Kältesprödigkeitsprüfungen) oder zeigen keine so gute Korrelation zur erzielbaren unteren Dichtheitsgrenze, wie zum Beispiel der DSC-Wert (z.B. nach VDA 675 116 oder DIN 53 765). Bedingt durch den erheblichen möglichen Einfluss der Rezepturgestaltung innerhalb derselben Polymerfamilie und der Vielzahl an Kälteprüfverfahren wird empfohlen, den TR10-Wert zur Absicherung des Tieftemperaturverhaltens in O-Ring Spezifikationen mit aufzunehmen, zumal sich diese Prüfung auch direkt an den Fertigteilen durchführen lässt.

Tieftemperaturgrenzen von O-Ringen