Temperatur ist mehr als nur eine Zahl auf einem Datenblatt

Eine wirksame Abdichtung mag unter Umgebungsbedingungen ausreichend erscheinen, kann aber bei Kälte während eines Winterstarts, bei heißem Abschalten oder nach wiederholtem Betrieb versagen. Die Temperatur beeinflusst die Steifigkeit von Materialien und deren Rückstellvermögen nach Verformung. Sie verändert außerdem, wie schnell sie sich unter Belastung entspannen und wie anfällig sie für Alterung sind. Weitere Einflussfaktoren sind unter anderem Fluid, Druck und Bauteile. ISO 5119:2023 schreibt die Prüfung statischer O-Ringe bei niedriger Temperatur mit Druckgas vor. Sie definiert jedoch keine Akzeptanzkriterien für das Produkt. Tatsächlich können Lieferant und Kunde gemeinsam die für sie akzeptable Produktqualität festlegen. Die Norm besagt jedoch, dass eine Konfiguration nicht die Mindesttemperatur einer anderen vorgibt.

Was Kälte und Hitze mit einem Elastomer machen

Kälte verringert die Flexibilität und die Rückstellgeschwindigkeit. Kaltes Wetter macht Gummi spröde. Wenn Druck ein Loch in der Dichtung öffnet, wird das Material wahrscheinlich entweder komprimiert oder dehnt sich zu langsam aus. Das bedeutet, dass Leckagen auftreten können, bevor die Probe vollständig getrocknet ist – die Abdichtung erfordert einen guten Kontakt und nicht nur Trockenheit.

Hitze beschleunigt die Alterung und den Kraftverlust

Hohe Temperaturen können Oxidation, Vernetzung, Kettenbruch und den Verlust von Weichmachern verursachen. Die Dichtung kann hart oder spröde werden oder sogar reißen; eine geringere Anpresskraft kann zu Leckagen führen, selbst wenn die Abmessungen stimmen.

Thermische Zyklen erzeugen Bewegung

Gummi, Kunststoff und Metall dehnen sich unterschiedlich stark aus, wodurch sich Pressung und Spiel verändern. Zyklisches Fahren führt zu zusätzlicher Verformung, Anlaufdruck und Viskositätsänderung – daher kann der größte Schaden während des Übergangs auftreten, nicht an den Haltepunkten.

NBR, EPDM, FKM und Silikon: Ein Screening-Vergleich

Die von Parker angegebenen Temperaturbereiche für Gummidichtungen sind lediglich Richtwerte. Sie können je nach Medium stark variieren, und auch Spezialqualitäten unterscheiden sich. Sollte ein Temperaturbereich für eine Gummidichtung erneut verwendet werden, muss der Test daher unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen durchgeführt werden.

NBR: Gut geeignet für Öle, aber die Kältegrenzen hängen von der Rezeptur ab.

NBR-Gummidichtungen sind kostengünstige Produkte, die für verschiedene Öle und Kraftstoffe gut geeignet sind. Ein höherer Acrylnitrilanteil verbessert die Flüssigkeitsbeständigkeit der Gummidichtung, verringert aber gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit einer optimalen Funktion bei Kälte. Daher können Nitrilkautschukdichtungen gleicher Härte unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.

Die Einwirkung erhöhter Temperaturen führt nicht nur zu einer stärkeren Aushärtung und einem höheren Versagensgrad. Das Dichtungsmaterial muss im geplanten Test mit Öl, Additiven, Verweilzeit und Lebensdauer geprüft werden. Ein kurzer Ofentest reicht nicht aus, um die erforderliche Zeit zwischen Dichtungswechseln zu bestimmen.

EPDM: Wasserdicht und wetterfest – kein Erdöl

EPDM-Gummidichtungen vereinen Kälteflexibilität und Ozonbeständigkeit und sind zudem beständig gegen Witterungseinflüsse und viele wasserbasierte Flüssigkeiten. Obwohl EPDM für viele Anwendungen im Außenbereich und unter Wasser geeignet ist, können selbst Wasser und Dampf bei hohen Temperaturen je nach verwendeter Mischung Veränderungen hervorrufen.

Erdöle und Kraftstoffe sind seine größten Feinde. Ohne genaue Kenntnis der Details kann eine EPDM-Gummidichtung aufquellen und eine andere einen Teil ihrer Eigenschaften verlieren, selbst wenn beide Dichtungen noch unterhalb der thermischen Belastungsgrenze liegen. Daher muss man Schmierstoffe, Reinigungsmittel und versehentlichen Kontakt mit diesen Materialien genau im Auge behalten.

FKM: Mit hervorragenden Hochtemperatureigenschaften und einem guten Kompromiss beim Kaltstart

FKM-Gummidichtungen sind beständig gegen heiße Öle, verschiedene Kraftstoffe und chemische Lösungen. In den meisten Fällen sind FKM-Gummidichtungen Nitrilkautschukdichtungen bei hohen Temperaturen überlegen. Diese Werkstoffe finden breite Anwendung in der Nähe von Motoren, Pumpen, Kompressoren und in Prozessanlagen.

Gängige FKM-Gummidichtungen härten bei Kälte schneller aus, während Tieftemperatur-Typen nicht austauschbar sind. FKM-Gummidichtungen für Heißanwendungen müssen auf ihre Beständigkeit gegenüber Dampf, Aminen, Laugen und anderen ungewöhnlichen Flüssigkeiten geprüft werden, da Hitzebeständigkeit keinesfalls bedeutet, dass andere Eigenschaften erhalten bleiben oder das Material langfristig kompatibel ist.

Silikon: Erstaunliche Flexibilität über einen weiten Temperaturbereich, begrenzt durch die mechanische Leistungsfähigkeit

Silikonkautschukdichtungen bleiben in unterschiedlichen Temperaturbereichen elastisch. Sie eignen sich für die statische Abdichtung, die Temperaturregelung bei hohen und niedrigen Temperaturen sowie für die Abdichtung bei trockener Hitze. Angaben zur Regulierung oder Reinheit beziehen sich jedoch auf eine dokumentierte Rezeptur und nicht auf das Aussehen des Materials.

Aufgrund der geringeren Reiß-, Verschleiß- und Extrusionsbeständigkeit sowie der Gasdurchlässigkeit sollten die Bewegungs-, Verschleiß- und Druckspaltbereiche von Silikonkautschukdichtungen sorgfältig geprüft werden.

Beispiel für ein reales Problem bei niedrigen Temperaturen: Leckage eines CNG-Ventils

Zu Beginn veröffentlichte GM über die NHTSA ein Bulletin mit dem Titel „16-NM-121“, in dem die Entlüftung von CNG-Systemen unter extremen Kältebedingungen oder beim Tanken thematisiert wurde. Das schnell eingefüllte Gas dehnt sich aus, wodurch die Temperatur der Bauteile auf unter -40 °C sinkt und Gas an dem stark verhärteten O-Ring austritt.

Im Bulletin wurde außerdem berichtet, dass oberhalb von -40 °C keine Leckagen mehr auftraten, da die Elastizität wiederhergestellt war, und dass sich das Problem durch einen höheren Druck auf den Spender verschlimmern könnte; und neben Stationsprüfungen wurde das Ventil im letzteren Fall gegebenenfalls ausgetauscht.

Dieser öffentlich bekannte Fall von General Motors stammt nicht von Yida. Er zeigt, dass die Umgebungstemperatur allein kein ausreichender Richtwert ist, wenn Gasausdehnung, Druck, Metalltemperatur und Rückstellprozesse gemeinsam auf die Dichtung einwirken.

Kombination von Medien- und Temperaturbewertung

Eine heiße Oberfläche ist anfälliger für Flüssigkeitsangriffe und kann quellen oder Flüssigkeiten absondern. Eine kalte Oberfläche hingegen wird zähflüssiger, wodurch die einwirkende Kraft zunimmt. Zudem variiert die Zusammensetzung je nach Anwendungsfall, und dasselbe Material kann unter extremen Bedingungen ein völlig anderes Verhalten zeigen als im Normalbetrieb. Daher sollten Sie sich niemals auf Kompatibilitätsdaten verlassen, wenn Sie die tatsächlichen Bedingungen nicht kennen!

Welche Temperaturangaben werden angezeigt und welche nicht?

Gemäß ISO 3601-5:2015 müssen Anwender und Lieferanten die Anforderungen an die Materialeigenschaften, die durchzuführenden Prüfungen und die Muster vereinbaren. Die bloße Angabe des Polymernamens, der Härteklasse und einer generischen Platte beschreibt das Verhalten des versiegelten Materials nach der Herstellung nicht ausreichend.

Temperaturvalidierungsverfahren für eine fertige Versiegelung

Die Validierung muss exakt die Situation simulieren, die im realen Einsatz auftreten kann. Eine stabilisierte Kaltverweilzeit erfasst möglicherweise nicht die Erholung während der Druckbeaufschlagung, während ein kurzer Erwärmungsanstieg die zeitabhängige Spannungsrelaxation außer Acht lassen kann.

a. Ermitteln Sie die Dichtungstemperatur, wie sie tatsächlich funktioniert; es hat keinen Sinn, so zu tun, als ob, da die Umgebungs- oder Zufuhrtemperaturen möglicherweise nicht damit übereinstimmen.

b. Die Montageart für Verbindung, Dichtung, Nut, Hardware und Schmierstoff muss exakt gleich bleiben, d. h. es dürfen keine Änderungen vorgenommen werden.

c. Die vollständigen Produktionssiegel sollten der erforderlichen Einwirkzeit unterzogen werden, idealerweise mit dem eigentlichen Medium, wenn möglich.

d. Verwenden Sie freigegebene Werkzeuge, Schmierstoffe und bereits gefertigte Bauteile repräsentativer Baugruppen.

e. Kaltstart, Warmlauf, Abschaltung und Zyklus in der richtigen Druck-, Vakuum- oder Bewegungssequenz durchführen.

f. Die Leckage sollte während des Temperaturzyklustests und nicht erst nach dessen Abschluss gemessen werden.

g. Achten Sie auf Anzeichen von Setzung, Härteänderung, Rissbildung, Aufquellen, Extrusion und Montageschäden.

h. Dokumentieren Sie die Chargen und Versionen und entscheiden Sie dann, wann eine erneute Validierung für die vorgenommenen Änderungen erforderlich ist.

Richtlinien des Käufers für eine Dichtung, die bei einer bestimmten Temperatur arbeitet

Zusammenarbeit mit Dalian Yida bei der Materialauswahl und -validierung

Dalian Yida Precision Rubber Products Co., Ltd. kann die Kompatibilität mit verschiedenen Medien, Temperaturzyklen, Druck- und Vakuumgeschichte sowie anderen Faktoren im Zusammenhang mit der Konstruktion und Montage der Dichtung bewerten. Die Auswahl der passenden Dichtungsfamilie führt zu einer exakten Mischung und einem kontrollierten Prozess.

Senden Sie Zeichnungen, Informationen zur Dichtungsposition, gemessene Dichtungsgeometrie, Medieneigenschaften, Druck-/Vakuumzyklus, Kundenanforderungen und Normen. Die Leistungsangaben von Yida dürfen nur nach erfolgter Projektgenehmigung verwendet werden.

Der Gummi mit der höchsten Kennzahl ist nicht die Lösung, sondern eine Mischung, die unter realen Bedingungen Kontaktkraft, Rückstellvermögen und Gelenkstabilität gewährleistet. Führen Sie ein Screening durch, bestätigen Sie die Mischung und unterziehen Sie sie schließlich einem umfassenden Funktionstest.