Warum eine Dichtung mit 70 Shore A im Betrieb dennoch versagen kann
Alles in allem: Der Gummitest – Was Gummikäufer wissen müssen
Warum Härte wieder auf der Qualitätsagenda steht
Das Thema Härtenormen wird dieses Jahr, 2026, erneut diskutiert. Kürzlich wurde D1415 von ASTM wieder bestätigt, D2240-15 (2021) ist weiterhin gültig. Ende letzten Jahres wurde eine separate Überarbeitungsinitiative für D2240 angekündigt, um die Details zu Konditionierung und Kalibrierung zu präzisieren. Es ist anzumerken, dass eine Anforderung ohne Angabe eines Härtewertes nicht vollständig beschrieben werden kann.
Viele Zeichnungen fordern eine Shore-A-Härte von 70 ± 5. Dieser Bereich erleichtert die Chargenkontrolle, jedoch lässt sich anhand der Gummihärte weder das Polymer identifizieren noch die Flüssigkeitsbeständigkeit vorhersagen oder die Belastbarkeit einer Dichtung nachweisen. Käufer benötigen weiterhin Angaben zum Prüfort, zur Probenart und zum verwendeten Messgerät.
Was eine Durometer-Messung tatsächlich aussagt
Ein Shore-Härteprüfgerät drückt einen Eindringkörper mit definierter Federkraft in die Oberfläche. Je geringer die Eindringtiefe, desto höher der Wert. Gemäß ASTM D2240 handelt es sich dabei um eine empirische Kontrollmessung, die vom Elastizitätsmodul und dem viskoelastischen Verhalten beeinflusst wird. Die Shore-A-Härte misst daher den Eindringwiderstand, nicht den Dichtungsdruck.
ISO 48-4 empfiehlt die Shore-A-Skala für die Prüfung von Gummi mit normaler Härte. Die Shore-D-Skala dient hingegen der Härtemessung härterer Materialien, Shore A0 ist für Materialien mit relativ geringer Härte oder Zellstrukturen vorgesehen, während Shore AM für dünne Prüfkörper bestimmt ist.
Die Wahl einer ungeeigneten Skala kann dazu führen, dass Härtedaten von Elastomeren als sehr genau dargestellt werden, tatsächlich aber eine ganz andere Frage beantworten.
Sie sehen, zwei Mischungen können zwar auf demselben Weg eine Shore-A-Härte von 70 erreichen, verhalten sich aber beim Durchlaufen einer Nut sehr unterschiedlich. Füllstoff, Weichmacher, Härtungssystem, Polymer und Nachhärtung beeinflussen gemeinsam Modul, Spannungsrelaxation, Druckverformungsrest und Kälteverhalten. Solche Unterschiede wirken sich auf die Leistung der Gummidichtung aus, selbst wenn die Ausgangsmessungen gleich sind.
Warum Shore-A- und IRHD-Ergebnisse nicht austauschbar sind
ASTM D1415 misst die Veränderung der Eindringtiefe einer starren Kugel zwischen einer Anfangskraft und einer höheren Endkraft. Die Ergebnisse werden in internationalen Gummihärtegraden (IRHD) angegeben. Laut ASTM sind IRHD- und Typ-A-Messwerte bei Standardproben für viele Vulkanisate vergleichbar, die Methoden jedoch nicht gleichwertig.
Die Ergebnisse hängen von der Eindringzeit, der Geometrie des Eindringkörpers, der Kraft und der Probenform ab. Die IRHD-Prüfung umfasst normale, hohe, niedrige und Mikro-Verfahren. ISO 48-2 beschreibt Verfahren N hauptsächlich für IRHD-Werte von 35 bis 85 mm und Verfahren M für dünnere oder kleinere Proben im gleichen Bereich.
Ein Zertifikat mit einem Wert von 72 aus der IRHD-Prüfung sollte nicht neben einem Ergebnis von 69 Shore A Härte platziert und als Drei-Punkte-Differenz interpretiert werden. Vergleichen Sie zunächst Norm, Skala, Konditionierung, Probe, Einwirkzeit und Prüfort. Nur vergleichbare Prüfmethoden ermöglichen eine aussagekräftige Trendanalyse.
Die Geometrie des Teils kann die Zahl verschieben
Eine ebene Platte bietet dem Eindringkörper eine stabile Auflagefläche. Ein O-Ring weist eine schmale, gewölbte Wölbung auf, während eine dünne Lippe nahe an einem harten Einsatz anliegen kann. Die Geometrie beeinflusst die Lastverteilung im Bauteil und kann die scheinbare Härte des Gummis verändern.
ISO 48-2 beinhaltet Verfahren zur Bestimmung der scheinbaren Härte gekrümmter Oberflächen und erwähnt O-Ringe. Die Mikro-IRHD-Prüfung eignet sich für kleine Bereiche. Dennoch sollte ein Messwert eines fertigen Teils nicht automatisch einem Standardwert gleichgesetzt werden, es sei denn, der Prüfplan legt diese Beziehung fest.
Grate, Angüsse, Oberflächenbeschaffenheit, lokale Schichtdicken und nahegelegene Einsätze können die Messung verfälschen. In der Zeichnung sollte angegeben werden, ob die Härte des Elastomers an einer Prüfplatte, der fertigen Dichtung oder an beiden geprüft wird, und die zulässigen Messbereiche sollten gekennzeichnet sein.
Temperatur und Zeitpunkt sind wichtiger als es scheint.
Gummi besitzt elastische Eigenschaften und Relaxationsprozesse, die sich mit der Zeit entwickeln. Schnell- und Langzeitmessungen können daher voneinander abweichen, da die Probe nach dem Entfernen des Eindrucks Zeit benötigt, um sich zu entspannen.
Die Temperatur hat natürlich einen großen Einfluss auf die Ergebnisänderungen. Beispielsweise liefert ein Bauteil, das aus einem Kühlwagen ausgebaut wurde, möglicherweise keine vergleichbaren Messwerte wie dasselbe Bauteil nach einer Konditionierung im Labor.
Das offene D2240-Revisionsprojekt erwähnt ausdrücklich die Klärung der Konditionierung. Probentemperatur, Konditionierungszeit, Verweilzeit und Verwendung des Geräteständers sind zu dokumentieren. Für eine gute IRHD-Prüfung ist dieselbe Sorgfalt erforderlich; andernfalls kann eine geringfügige Abweichung eher auf das Verfahren als auf die Substanz zurückzuführen sein.
Die Methode sollte reproduzierbar sein, bevor die Toleranz enger gefasst wird. Ein enger Härtebereich des Elastomers kann zu Fehlausschüssen führen, wenn die Bediener unterschiedliche Haltezeiten verwenden oder nicht unterstützte Teile prüfen. Eine stabile Methode verbessert die Kontrolle der Dichtungsleistung von Gummidichtungen oft mehr als eine unrealistische Toleranzgrenze.
Ein O-Ring-Versagen bei der NASA zeigt die Grenzen einer Zahl auf
Eine öffentliche Untersuchung der NASA zu den O-Ringen der Durchflussregelventile des Space Shuttles liefert ein aufschlussreiches Beispiel. Nach einem fehlgeschlagenen Helium-Dichtheitstest im Jahr 2005 untersuchten Forscher neun Nitril-O-Ringe von drei Orbitern. Sechs der neun wiesen Risse auf. Der undichte Ring war am stärksten beschädigt.
Im gerissenen Bereich war die Shore-A-Härte um fast vier Punkte höher als im übrigen Bereich. Die dynamisch-mechanische Analyse ergab einen um fast 25 % niedrigeren Speichermodul, während der geschätzte Druckverformungsrest 9,5 % betrug. Ein einzelner Härtewert reichte nicht aus, um den Zustand zu erklären.
Laut Bericht wurden radiale Risse durch Ozonangriff verursacht. Die Nitrilsubstanz war für den Einsatz mit Hydraulikflüssigkeit ausgelegt, das Ventil hatte jedoch einen O-Ring in einer trockenen Atmosphäre eingesetzt.
Die Konstruktion wies einen Spalt von bis zu 0,23 mm auf, wodurch der Außendurchmesser drei Einflüssen ausgesetzt war: Ozon (normalerweise unproblematisch), Luft unter Druck (Ozon wird bei Kontakt mit dieser aktiviert) und erhöhter Temperatur. Anders ausgedrückt: Der Fehler war auf die Wechselwirkung des Materials mit der Umgebung und der Geometrie der Bauteile zurückzuführen; die Härte des Gummis allein war nur einer von vielen Faktoren und nicht der Hauptfaktor.
Dieser Fall verdeutlicht die Wichtigkeit einer gründlichen Prüfung von Gummidichtungen. Die Härte kann zwar auf ein lokales Problem hinweisen, eine umfassende Diagnose erfordert jedoch unter Umständen auch eine Sichtprüfung, die Bestimmung des Druckverformungsrestes, Zugversuchsdaten, eine Analyse der Prüfmedien sowie eine Nutenprüfung. Bekannte Nennwerte sind keine Entschuldigung für eine ungeeignete Umgebung.
Härte ist nicht dasselbe wie Dichtungskraft
Eine statische Dichtung ist wirksam, da beim Zusammendrücken eines Materials eine Kontaktkraft entsteht. Die Härte ist eine der Eigenschaften, die diese Kraft beeinflussen, weshalb die Shore-A-Härte häufig als Maß dafür herangezogen wird. Allerdings können zwei Verbindungen der Härteklasse 70 bei 20 % Kompression aufgrund ihrer unterschiedlichen Spannungs-Dehnungs-Kurven und Relaxationsraten zu unterschiedlichen Kräften führen.
Diese Diskrepanz tritt im Laufe der Zeit auf. Eine Formulierung kann nach Wärmeeinwirkung ihre Festigkeit beibehalten, während eine andere abflacht oder sich entspannt, obwohl beide anfänglich eine ähnliche Elastomerhärte aufwiesen. Druckverformungsrest, Spannungsrelaxation, Flüssigkeitsquellung, thermische Alterung und Tieftemperaturerholung gehören daher neben der Härte zu den wichtigsten Kriterien eines aussagekräftigen Qualifizierungsplans.
Die Nutfüllung und die Toleranzen spielen ebenfalls eine Rolle. Eine härtere Dichtung in einer kleinen Nut kann die Montagekräfte erhöhen; eine weichere Dichtung in einer großen Nut kann zu geringem Anpressdruck führen. Die Leistungsfähigkeit von Gummidichtungen hängt davon ab, dass die Dichtungsmasse auf Anpressdruck, Spiel, Druck, Bewegung und Oberflächenbeschaffenheit abgestimmt ist.
Wie man eine Härteanforderung formuliert, die Lieferanten wiederholen können
Zunächst ist die relevante Norm oder Skala anzugeben, beispielsweise ASTM D2240 Typ A oder ein vereinbartes Verfahren nach ASTM D1415 oder ISO 48. Anschließend sind der Zielwert, die zulässigen Abweichungen und die Art der zu verwendenden Probe zu nennen.
Beispielsweise macht eine Spezifikation von 70 +/- 5 keinen Sinn, wenn die eine Partei einen 6 mm Plaque-Test durchführt und die andere einen kleinen O-Ring für die Prüfung verwendet.
Ergänzen Sie die Angaben zu Konditionierungstemperatur und -zeit, der Verzögerung nach dem Formen bzw. der Nachhärtung, der Verweilzeit, der Anzahl der Messwerte und den zugelassenen Messzonen. Geben Sie an, ob es sich bei den Ergebnissen um Einzelwerte, einen Median oder einen Durchschnitt handelt. Nennen Sie bei IRHD-Prüfungen an gekrümmten Teilen das anzuwendende Verfahren zur Bestimmung der scheinbaren Härte oder der Mikrohärte, anstatt die Wahl dem Prüfer zu überlassen.
Die Härte von Gummimaterialien sollte mit Anwendungstests verknüpft werden. Für Öldichtungen sind möglicherweise Daten zur Flüssigkeitsimmersion erforderlich, für statische Dichtungen Druckverformungs- oder Spannungsrelaxationsprüfungen und für dynamische Dichtungen Verschleißprüfungen. Die Tests sollten das tatsächliche Medium, die Temperatur, den Druck und den Betriebszyklus widerspiegeln.
Die Produktion sollte sich eng an das genehmigte Muster anpassen.
Sobald eine Methode ausgewählt ist, dient die Härte als verlässlicher Prozessindikator. Eine Veränderung kann auf Abweichungen in der Mischung, ein falsches Material, eine Abweichung vom Aushärtungsprozess oder eine falsche Lagerung hinweisen.
Häufiger liefert eine Batch-Trendanalyse Erkenntnisse als ein einfacher Durchlauf innerhalb einer breiten Toleranz.
Die Produktionskontrolle sollte die Rückverfolgbarkeit der Materialidentität, des Aushärtungszeitraums, der Probenherkunft, der Geräteprüfung und der Bedienermethode gewährleisten. Lässt sich ein Fertigteil nicht zuverlässig vermessen, kann eine vereinbarte Referenzplatte aus derselben Charge die Kontrolle unterstützen. Periodische IRHD-Prüfungen des Fertigteils bestätigen, dass die Geometrie keine Veränderungen verdeckt hat.
Wie Yida die Dichtungshärtekontrolle angeht
Dalian Yida Precision Rubber Products Co., Ltd. prüft die Zeichnung unter Berücksichtigung von Medium, Temperatur, Druck, Nut und Betriebszyklus. Dabei wird die einfache Zielvorgabe für die Shore-A-Härte von den Eigenschaften getrennt, die das Betriebsverhalten bestimmen.
Für ein neues Projekt kann Yida vor der Serienproduktion die Methode zur Bestimmung der Elastomerhärte, die Probenart, die Messpunkte und den Akzeptanzbereich festlegen. In derselben Besprechung können auch Druckverformungsrest, Abmessungen, Aussehen, Materialverträglichkeit und weitere für die Anwendung notwendige Prüfungen abgedeckt werden, anstatt sich auf einen einzigen praktischen Wert zu verlassen.
Die dokumentierten Material- und Prozessanforderungen tragen dazu bei, dass die Leistung von Gummidichtungen dem freigegebenen Muster entspricht. Bei angeforderten IRHD-Prüfungen oder Endteilprüfungen erfasst Yida die Bedingungen, sodass spätere Berichte auf derselben Grundlage verglichen werden können.
Senden Sie Yida die Zeichnung, das Anwendungsmedium, den Temperaturbereich, den Druck, die Bewegungsart, die Zielmenge und die aktuelle Spezifikation der Gummihärte. Yida prüft dann, ob die gewünschte Shore-A-Härte realisierbar ist und ermittelt den weiteren Informationsbedarf für die Mustererstellung oder Angebotserstellung.
