Die Frage, die sich die Ingenieure stellen sollten, bevor sie FFKM für eine Dichtungsfunktion verwenden, die im Falle eines Lecks gefährlich sein kann, lautet: Ist der Einsatz von FFKM hier wirklich notwendig?

Für eine Dichtung sind verschiedene Arbeitsschritte erforderlich. Sie kann beispielsweise mit einem heißen Lösungsmittel in Berührung kommen, mit Dampf gereinigt werden und zwischen den Produktionszyklen abkühlen. In diesem Fall spielt das Dichtungsmaterial eine entscheidende Rolle, da es darüber entscheidet, ob die Dichtungsfunktion auch nach Einwirkung unterschiedlicher Bedingungen erhalten bleibt.

FFKM-Dichtungsringe kommen nur dann zum Einsatz, wenn herkömmliche Elastomere keine ausreichende chemische oder thermische Beständigkeit bieten. FFKMs vereinen die Elastizität einer Dichtung mit einem hochfluorierten Polymergerüst. Sie erweisen sich als die wirtschaftlichste Dichtungslösung für Anwendungen, bei denen Leckagen besonders wichtig sind.

FFKM gehört ebenfalls zu den Elastomeren, die für ihre außergewöhnlich hohen Preise bekannt sind. Daher dürfen ihre Typen nicht als austauschbar betrachtet werden. Eine durchdachte Spezifikation muss zwei Fragen aufwerfen: Ist FFKM wirklich notwendig, da ein geeignetes FK M oder ein anderes Elastomer verwendet werden kann? Wenn ja, welche FFKM-Mischung ist für die gegebene Belastung geeignet?

Was unterscheidet FFKM von FKM?

Perfluorelastomere gemäß ASTM D1418 werden mit FFKM klassifiziert. FFKM ist also die Bezeichnung und nicht der Name der Verbindung selbst. Durch die Kombination von Füllstoffen, Vernetzungsmitteln und Formulierungen lassen sich Eigenschaften wie Druckverformungsrest, Hochtemperaturverhalten, Tieftemperaturelastizität, Reinheitsgrad und spezifische Chemikalienbeständigkeit gezielt beeinflussen.

Die Fluorierung bis zum in FFKM erreichten Grad verleiht diesem Material die notwendige chemische Beständigkeit selbst gegenüber aggressivsten Flüssigkeiten. Laut Parker weist FFKM vergleichbare chemische Eigenschaften wie PTFE auf und besitzt die Elastizität von FKM. Obwohl sich Elastomere verformen und altern können, müssen sie kontrolliert komprimiert werden.

Es ist eine Tatsache, dass die Wahl einer FFKM-Dichtungslösung dann gerechtfertigt ist, wenn chemische/Temperatur-Bedingungen vorliegen, die zu Dichtungsproblemen führen können, z. B. zu unzulässiger Quellung, Aushärtung, Druckverformungsrest oder Eigenschaftsverlust bei weniger teuren Materialien, oder wenn die Dichtung einen Reinigungsprozess oder längere Ausfallzeiten verursachen kann, was den Austausch der minderwertigen Dichtung durch eine hochwertige rechtfertigt.

Temperaturbewertungen benötigen Kontext

Die oberen Grenzwerte für die Gleittemperatur variieren je nach Güteklasse.

Der europäische O-Ring-Leitfaden von Parker gibt eine ungefähre obere Grenze von etwa 310°C für die FFKM-Familie an, während verschiedene O-Ring-Lieferanten sehr unterschiedliche obere Grenzen angeben.

Sicherheitshalber müssen solche Zahlen mit der eigenen Materialrezeptur abgeglichen werden, da es sich nicht um allgemeine Regeln handelt.

Dichtungen, die extremen Temperaturen ausgesetzt sind, verhalten sich unter dem Einfluss von Hitze und Zeit unterschiedlich. Ein kurzzeitiger Temperaturanstieg unterscheidet sich grundlegend von einer anhaltenden Temperaturerhöhung. Bei dieser erhöhten Temperatur können Druckverformung, chemische Zersetzung und der Verlust der physikalischen Eigenschaften auftreten und sich rasch verschlimmern.

Die Dichtigkeit der Dichtung kann möglicherweise noch vorhanden sein, selbst wenn sie bereits undicht ist, da die Kontaktkraft stark reduziert wurde.

Niedrige Temperaturen dürfen wir jedoch nicht außer Acht lassen. Einige fluorierte FFKM-Materialien sind bei niedrigen Temperaturen so spröde und/oder unelastisch, dass sie bei kalten Verbindungen völlig unbrauchbar sind. Die Kältebeständigkeit gedruckter Fluorelastomere ist üblicherweise geringer als die Kälteleistung eines hochwertigen Materials, die der Anwender erwartet. Möglicherweise ist der Anlauf nach einer Kaltabschaltung der entscheidende Faktor.

Die chemische Beständigkeit ist sortenspezifisch

Um Langlebigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, müssen chemikalienbeständige O-Ringe entsprechend dem jeweiligen Arbeitsmedium ausgewählt werden, anstatt nur allgemeine Bezeichnungen wie Säure/Lauge, Lösungsmittel/Verdünnungsmittel oder Reiniger/Desinfektionsmittel usw. zu verwenden.

Die Stärke/Potenz, die Flüssigkeitsmenge/Feuchtigkeit, die Einwirkungstemperatur, der Druck und andere Verunreinigungen können die Art der Einwirkung beeinflussen. Die chemische Beständigkeit lässt sich anhand einer Kompatibilitätstabelle abschätzen, diese kann jedoch nicht jede mögliche Kombination und Situation abbilden, in der eine Flüssigkeit vorkommen kann.

Gebeizter Stahl ist eines von vielen Materialien und Chemikalien, deren Beständigkeit gegenüber den verschiedenen Einflüssen sorgfältig geprüft werden muss. In manchen Fällen wurden Materialien für solche Situationen angepasst, in anderen Fällen wurden sie nicht für die Beizlösung ausgewählt. Fluorierte Flüssigkeiten können, ähnlich wie einige Amine oder Ester, für manche Elastomere problematisch sein. Der Begriff „fluorierte Elastomere“ ist keine Garantie für die Eignung des Materials. Es gilt, die passenden Sorten zu finden.

Der öffentliche Vergleich beweist, warum die Wahl der Verbindung wichtig ist.

Ein Unternehmen veröffentlichte die Ergebnisse von Immersionstests an O-Ringen AS568 K214 aus Fluorelastomer in verschiedenen Photovoltaik-Zellfertigungsprozessen. Nach 168 Stunden in 30%iger Kaliumhydroxidlösung bei 80 °C wurde eine Volumenzunahme von 66,9 % festgestellt. Das Material erwies sich als zu spröde, um noch einige Eigenschaften nachweisen zu können.

Unter gleichen Bedingungen zeigten zwei getestete Fluorelastomere mit Perfluorgruppen (FFKM) Volumenänderungen von etwa 0,3 % bzw. sogar geringfügig von -0,5 %. Diese Ergebnisse scheinen die Verwendung von FFKM als Kandidaten für diese chemische Umgebung zu unterstützen, geben jedoch keine Auskunft über die Lebensdauer in jeder Dichtungskonstruktion, bei jedem Druck oder Prozesszyklus.

Dieselbe Publikation erwähnte einen erheblichen Unterschied zwischen FFKM-Formulierungen bei 49%iger Fluorwasserstoffsäure und 80 °C. Eine Formulierung wies eine Volumenänderung von 1,6 % auf, die andere hingegen von 13,1 %. Die geringere chemische Stabilität der letzteren Formulierung belegt, dass Materialien derselben Stoffgruppe unterschiedlich reagieren.

Es geht darum zu zeigen, dass chemikalienbeständige O-Ringe anhand individueller Materialdaten ausgewählt werden müssen. Die von DuPont angegebenen Werte sind vom Lieferanten gemeldete Laborergebnisse und nicht von Yida-Kunden. Daher müssen die Testbedingungen sorgfältig mit der geplanten Anwendung verglichen werden.

Die Nutkonstruktion gewährleistet weiterhin die Abdichtung.

Eine hochfeste Gummimischung ist nutzlos, wenn die Nut fehlerhaft ist. Der O-Ring muss minimal komprimiert werden, um Kontakt herzustellen, ohne unnötige Spannungen zu erzeugen. Die Nut muss ausreichend Spielraum bieten, damit die durch Temperaturänderungen bedingte Ausdehnung des O-Rings nicht behindert wird und auch die durch das Fluid verursachte Volumenänderung ausgeglichen werden kann. Die Toleranzen müssen an allen Extremwerten der Abmessungen überprüft werden.

Die Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst Reibung und Leckagepfade. Eine raue Oberfläche führt zu schnellerem Dichtungsverschleiß. Sind die Bearbeitungsspuren nicht in Fließrichtung ausgerichtet, kann sich die Dichtungsschicht ebenfalls schneller abnutzen. Scharfe Einbaukanten, Anschlüsse und Gewinde lassen sich am besten mit Führungshülsen oder Montagehülsen schützen.

Dynamische Anwendungen erfordern eine separate Bewertung. Hin- und hergehende oder rotierende Bewegungen erzeugen Wärme, Reibung und Verschleiß, die bei statischen Tauchversuchen nicht erfasst werden können. Material, Schmierstoff, Oberflächenbeschaffenheit, Drehzahl und Druck sollten zunächst gemeinsam getestet werden, bevor die Lebensdauer mit Sicherheit angegeben werden kann.

Was die Normen beweisen und was nicht

ASTM D1418 standardisiert Abkürzungen für Gummi und führt FFKM in seiner Nomenklatur auf. Die Norm erläutert Ingenieuren die Bedeutung der Bezeichnung. Sie definiert jedoch keine einheitliche Leistungsstufe, keinen einheitlichen chemischen Anwendungsbereich und keine einheitliche Einsatztemperatur für FFKM.

ASTM D471 beschreibt kontrollierte Verfahren zur Messung der Einwirkung von Flüssigkeiten auf Gummi. Laut ASTM liefert das Verfahren Vergleichsdaten, die aufgrund stark variierender Betriebsbedingungen möglicherweise nicht direkt mit der tatsächlichen Bauteilleistung korrelieren. Diese Einschränkung sollte in jedem Prüfbericht vermerkt sein.

ASTM D395 misst die Fähigkeit von Gummi, seine elastischen Eigenschaften nach längerer Kompression beizubehalten, und ist hauptsächlich auf statische Belastungen anwendbar. Ein gutes Ergebnis der Druckverformungsprüfung unterstützt die Materialauswahl, beweist aber nicht die Dichtheit in einer bestimmten Nut.

ISO 3601-3 definiert und klassifiziert Oberflächenfehler an genormten O-Ringen und legt Akzeptanzgrenzen fest. Sie trägt zur Qualitätssicherung von Formteilen bei. Sie legt jedoch weder die chemische Beständigkeit noch die Temperaturbeständigkeit oder die Lebensdauer eines montierten Dichtungssystems fest.

Ein praktischer Genehmigungsprozess

Beginnen Sie mit einem Anwendungsprotokoll. Listen Sie alle Prozessflüssigkeiten, deren Konzentrationen und mögliche Mischungen auf. Ergänzen Sie Schmierstoffe, Reinigungsmittel und Rückstände. Dokumentieren Sie minimale, kontinuierliche und maximale Temperaturen, Druck, Vakuumniveau, Bewegung, Zykluszeit und das voraussichtliche Wartungsintervall.

Anschließend werden Kandidatenverbindungen anhand von Lieferantendaten und gezielten Immersionstests geprüft. Sofern Sicherheit und Kontrolle dies zulassen, sollte die tatsächliche Flüssigkeit verwendet werden. Die Eigenschaftsänderungen, die das Design beeinflussen, sind zu messen und Akzeptanzgrenzen vor den Tests festzulegen, anstatt das Ergebnis im Nachhinein zu beurteilen.

Prüfen Sie die Formteile und deren Oberflächenbeschaffenheit anhand der Zeichnung. Montieren Sie die Teile gemäß der Fertigungsmethode und mit den entsprechenden Gegenstücken. Stellen Sie sicher, dass der O-Ring nicht verdreht, eingeschnitten oder eingeklemmt ist und dass Schmiermittel und Montagewerkzeuge dem vorgesehenen Prozess entsprechen.

Anschließend wird die abgedichtete Baugruppe repräsentativen thermischen, Druck- und chemischen Zyklen unterzogen. Dabei werden Leckagen oder andere definierte Funktionen während der Belastungsphasen gemessen. Nach der Prüfung wird die Baugruppe auf bleibende Verformungen, Risse, Extrusionen, Verklebungen, Ablagerungen und Oberflächenangriffe untersucht.

Dichtungen für extreme Temperaturen sollten nach jeder Änderung der Materialzusammensetzung, des Lieferanten, der Aushärtung, der Nachhärtung, der Werkzeuge oder der kritischen Abmessungen überprüft werden. Selbst scheinbar geringfügige Änderungen in den Einkaufsunterlagen können das Kompressionsverhalten, die Reinheit oder die chemische Reaktion beeinflussen.

Wann höhere Materialkosten sinnvoll sein können

FFKM kann gerechtfertigt sein, wenn ein Dichtungsausfall wertvolle Produkte verunreinigen, ein Sicherheitsrisiko darstellen, einen kontinuierlichen Prozess unterbrechen oder einen erschwerten Zugang zur Anlage erfordern kann. In diesen Fällen sollten die Anschaffungskosten mit dem Wartungsaufwand, dem Produktionsausfall und den Folgen des Ausfalls verglichen werden.

Es kann schwierig sein, die Verwendung von Premiummaterialien zu rechtfertigen, wenn die Betriebsbedingungen moderat sind, der Austausch einfach ist und ein bewährtes FKM bereits das erforderliche Intervall erfüllt. Eine Anwendungsprüfung sollte aufzeigen, welche Belastungen die kostengünstigere Option ausschließen. Ohne diese Begründung wird die Verwendung von Premiummaterialien eher zur Annahme als zur bewussten technischen Entscheidung.

Kundenspezifische FFKM-Dichtungen können dann sinnvoll sein, wenn ein Standard-O-Ring die erforderliche Geometrie, die Anordnung der Dichtung oder die Integration nicht gewährleisten kann. Kundenspezifische Konstruktionen erhöhen zudem den Bedarf an Maßprüfung, Werkzeugkontrolle und Endproduktprüfung, da Katalogdaten auf einem Standardmuster basieren können.

Zusammenarbeit mit Yida

Dalian Yida Precision Rubber Products Co., Ltd. fertigt kundenspezifische Präzisionsgummikomponenten, darunter auch kundenspezifische FFKM-Dichtungen für anspruchsvolle Anwendungen. Wir prüfen Zeichnungen, Betriebsbedingungen und Inspektionsanforderungen, um sicherzustellen, dass die Materialdiskussionen stets auf das konkrete Bauteil abgestimmt sind.

Die Auswahl des FFKM-Materials sollte mit einer zugelassenen Mischung und einem dokumentierten Validierungsplan abgeschlossen sein. Kein Lieferantenname, keine Polymerabkürzung und keine Angabe zur maximalen Temperatur können diese Arbeit ersetzen. Das beste Ergebnis wird erzielt, wenn Güteklasse, Geometrie und Prüfbedingungen auf eine klar definierte Dichtungsposition abgestimmt sind.

Sind diese Details geklärt, stellen FFKM-O-Ringe eine wertvolle Alternative für Umgebungen dar, die die Belastbarkeit herkömmlicher Elastomere übersteigen. Die Entscheidung ist am überzeugendsten, wenn sie auf werkstoffspezifischen Erkenntnissen und der Leistung des fertigen Bauteils basiert und nicht auf dem Ruf der Materialfamilie.