Die Wahl des richtigen Dichtungswerkstoffs für O-Ringe und Elastomerdichtungen

Speziell bei kritischen Bauteilen im Maschinenbau, wie z. B. den O-Ring Dichtungen, stellt sich generell zunächst die Frage, welcher Werkstoff zum Einsatz kommen soll. Um auf Nummer sicher zu gehen, müssten die Entwickler bei der Erstausstattung häufig einen sehr hochwertigen Werkstoff einsetzten, z. B. FFKM. Dieser ist gegen die meisten Medien hervorragend beständig – auch im Hochtemperaturbereich – und garantiert mit seinen physikalischen Eigenschaften ein optimales Dichtergebnis. Allerdings sind die Kosten für diesen Werkstoff meist höher als geplant, was unter Umständen zu einem nicht wettbewerbsfähigen Preis des Endproduktes führt.

Deshalb ist eine genaue Prüfung bei der Werkstoffauswahl essentiell, um eine optimale Dichtungslösung für die jeweilige Anforderung auszuwählen.

Vier Anforderungsprofile sind vor der Werkstoffauswahl zu überprüfen:

1. Einsatztemperatur: In welchem Temperaturbereich soll der O-Ring eingesetzt werden? Wie hoch ist die Minimal- und Maximaltemperatur? Handelt es sich hierbei um kurzzeitige Spitzen oder um einen Dauereinsatz der Dichtung in diesen Temperaturbereichen?

2. Chemische Beständigkeit: Gegen welche Medien muss der O-Ring  abdichten und beständig sein? Gibt es Wechselwirkungen, wie z. B. Einsatz sowohl in Säuren als auch Laugen? Welche Temperaturen haben die abzudichtenden Medien? Werden bei der Montage Öle oder Fette verwendet.

3. Mechanische Eigenschaften: Wie wird der O-Ring eingesetzt? Geht es um eine ruhende, statische Abdichtung oder eine nicht ruhende, dynamische? Bei dynamischen Dichtungen: Wie hoch ist die mechanische Beanspruchung? Wird die Dichtung selten, regelmäßig oder dauerhaft bewegt?

4. Zulassungen: Welche Richtlinien und Zulassungen gelten für den jeweiligen Produktionsprozess und müssen auch von den eingesetzten Dichtungswerkstoffen erfüllt werden?

Polyurethan-Kautschuk (AU)
Chloropren-Kautschuk (CR)
Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM)
Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM)
Polyetherurethan-Kautschuk (EU)
Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR)
Fluorkautschuk (FKM/FPM)
Fluorkatuschuk (FEPM)

Perfluorelastomer (FFKM/FFPM)
Fluorsilikon-Kautschuk (FVMQ)
Hydrierter Nitril-Kautschuk (HNBR)
Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR)
Natur-Kautschuk (NR)
Polytetrafluorethylen (PTFE)
Silikon-Kautschuk (VMQ)

Die aus Polyurethan-Kautschuk hergestellten O-Ringe zeichnen sich durch eine besonders hohe Leistungsfähigkeit aus: Polyurethan O-Ringe weisen hohe mechanische Werte auf, wie Zerreiß- und Abriebfestigkeit, sehr gute Rückprall-Elastizität sowie eine hohe Gasdichtigkeit. Die Kraftstoffbeständigkeit und die Beständigkeit gegenüber vielen technisch gebräuchlichen Ölen, besonders gegenüber solchen Ölen mit höherem Aromatengehalt, ist exzellent. Bedingt durch die gute Temperaturbeständigkeit (bis zu +125 °C) und gute Tiefentemperaturflexibilität (bis -30 °C) sowie ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Sauerstoff und Ozon haben Polyurethankautschuk- Dichtungen eine hohe Lebenserwartung.

Der Einsatzbereich für diesen Kautschuk ist dort angezeigt, wo hohe Heißwasser- und Dampfbeständigkeit der eingesetzten Dichtung gefordert wird. EPDM O-Ringe besitzen außerdem eine sehr gute Alterungs- und Ozonbeständigkeit. Die Kältebeständigkeit ist, verglichen mit den üblichen Synthesekautschuktypen, als gut zu bezeichnen. Das Verhalten gegen Öle, Schmierfette und Lösungsmittel entspricht etwa dem von Butadienstyrol-Kautschuk. EPDM Dichtungen weisen eine sehr gute Chemikalienbeständigkeit, auch gegen oxydierend wirkende Agenzien auf. Temperaturbereich von -50 °C bis +140 °C je nach eingesetzter Type.

FKM O-Ringe und FPM O-Ringe besitzen eine außerordentliche Beständigkeit gegen die Einwirkung von Mineralölen, aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen sowie Chlorkohlenwasserstoffen, konzentrierten und verdünnten Säuren, schwachen Alkalien. Eine ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit bis zu +200 °C und eine Tieftemperaturbeständigkeit bis -40 °C je nach eingesetzter Type sowie hohe mechanische Werte und eine hervorragende Alterungsbeständigkeit stellen FKM-/FPM-Kautschuk (u.a. Viton^®) weit über die herkömmlichen Synthesekautschuke. Aus FKM, FPM oder auch Viton^® können unterschiedlichste Dichtungsgeometrien produziert werden. Bei dem FKM-Dichtungswerkstoff Viton^®handelt es sich um einen Handelsnamen für das Basiselastomer FKM/FPM. Viton^® ist ein eingetragenes Warenzeichen der Firma Dupont Performance Elastomers.

O-Ringe aus HNBR zeichnen sich durch ein hervorragendes Eigenschaftsspektrum aus: Hohe Beständigkeit gegen additivhaltige, technische Öle; geringe Dampf- und Gasdurchlässigkeit; gute Kälteflexibilität von bis zu -30 °C je nach eingesetzter Type; gute Ozonbeständigkeit sowie einen hohen Abriebwiderstand. HNBR–Dichtungen sind hitzebeständig bis +150°C.

Naturkautschuk ist ein hochelastisches Material mit ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften. Trotz der Vielfalt der zur Verfügung stehenden Synthesekautschuk-Typen mit ihren speziellen Merkmalen, finden O-Ringe aus Natur-Kautschuk immer noch in zahlreichen Nischenbereichen ein bedeutendes Anwendungsgebiet. Die Einsatztemperatur liegt bei  -45 °C bis +100 °C je nach eingesetzter Type.

Das Einsatzgebiet dieses Kautschuks ergibt sich aus der hervorragenden Temperaturbeständigkeit (-55 °C bis zu +200 °C), welche allerdings nicht auf Heißwasser oder Dampf übertragen werden darf. Obwohl die Ölbeständigkeit von O-Ringen aus Silikonkautschuk ungefähr an die von NBR heranreicht, werden die guten physikalisch-mechanischen Eigenschaften dieses Werkstoffes nicht erreicht.

NBR-Kautschuk ist in erster Linie beständig gegen die Einwirkung von Mineralölen, insbesondere Hydraulikölen, Schmierfetten, Benzin sowie sonstigen aliphatischen Kohlenwasserstoffen, verdünnten Säuren und Laugen. Gute physikalische Werte wie z. B. hohe Abrieb- und Standfestigkeit und eine günstige Temperaturbeständigkeit (-25 °C bis zu +120 °C, teilweise auch bis -40 °C) sichern NBR O-Ringen einen breiten Anwendungsbereich.

PTFE O-Ringe besitzen eine universelle Beständigkeit außer gegen flüssige Alkalimetalle und Fluorgas unter Druck. Gute Gleiteigenschaften, geringer Verschleiß. Temperaturbeständigkeit von -200 °C bis zu +260 °C. Da PTFE jedoch eine Härte von ca. 95 °Shore besitzt, ist der Einbau von O-Ringen in geteilte Nuten zu empfehlen, bzw. wegen der geringen Elastizität aufgeschlitzte bzw. ummantelte Ausführungen vorzuziehen

Die chemischen und physikalischen Eigenschaften des CR-Kautschuks ähneln denen des NBR. Die Mineralölbeständigkeit ist zwar etwas geringer, die Alterungs-, Ozon-, Säuren- und Alkalienbeständigkeit jedoch ausgezeichnet. O-Ringe aus Chloropren-Kautschuk bewältigt einen Temperaturbereich von -40 °C bis +120 °C je nach eingesetzter Type.

Aus der peroxydischen Vernetzung ergibt sich eine hervorragende Heißwasser- und Dampfbeständigkeit. EPM O-Ringe besitzen eine sehr gute Beständigkeit gegen andere atmosphärische Bedingungen wie UV-Strahlung, Ozoneinwirkung und Feuchtigkeit sowie eine gute Säuren- und Alkalienbeständigkeit. Temperaturbereich von -20 °C bis +150 °C, teilweise bis zu +180 °C.

Polyetherurethan-Kautschuk zeichnet sich durch eine besonders hohe Leistungsfähigkeit aus: u. a. hohe mechanische Werte, wie Zerreiß- und Abriebfestigkeit, eine sehr gute Rückprallelastizität sowie eine hohe Gasdichtigkeit. Die Kraftstoffbeständigkeit und die Beständigkeit gegenüber vielen technisch gebräuchlichen Ölen, besonders gegenüber solchen Ölen mit höherem Aromatengehalt, ist exzellent. Bedingt durch eine gute Temperaturbeständigkeit als auch der ausgezeichneten Beständigkeit gegenüber Sauerstoff und Ozon, haben O-Ringe aus Polyurethan-Kautschuk eine hohe Lebenserwartung. EU Werkstoffe weisen eine bessere Hydrolysebeständigkeit als AU Werkstoffe auf und sind zudem auch beständiger im Einsatz mit wässrigen Medien. 

FEPM ist ein modifizierter Fluorkautschuk, der die hervorragende Chemikalienbeständigkeit von normalem Fluorkautschuk noch übertrifft. Bekannte Handelsnamen sind hier Viton^® Extreme und Aflas^®.

Beim Viton^® Extreme-ETP ist die Polymerstruktur ist die Quellung in Lösungsmitteln und stark basischen Medien deutlich reduziert; Hitzebeständigkeit und Kälteflexibilität bleiben erhalten und liegen im Bereich von -10 °C bis zu +200 °C. Dieser Werkstoff wird überall dort eingesetzt, wo besonders aggressive Chemikalien herausragende Beständigkeitseigenschaften erfordern.

Aflas^® ist ein Spezialkautschuk und gehört zur Gruppe der Fluorelastomere. Werkstoffe auf Basis Aflas zeigen eine außergewöhnliche gute Beständigkeit gegenüber einer Vielzahl spezifischer Medien und Chemikalien wie z.B.: Heißwasser, Wasserdampf, Säuren, Laugen, Ammoniak, Bleichmitteln, Sour (H2S) Gasen und Ölen sowie Aminen, insbesondere Medien mit aminhaltigen Additiven und Korrosionsinhibitoren, legierten Motoren- und Getriebeölen, Bremsflüssigkeiten und oxidierten Medien. Einschränkungen gibt es gegenüber aromatischen Kohlenwasserstoffen sowie gegenüber Kraftstoffen. Die Einsatztemperaturen sind ähnlich denen der Fluorelastomere.

Perfluorelastomere (FFKM) sind Terpolymere bestehend aus Tetrafluorethylen (TFE), Perfluormethylvinylether (PMVE) und einem Vernetzungsmonomer (Cure Site Monomer = CSM). FFKM O-Ringe sind vielseitig einsetzbar in industriellen Prozessen, die höchste Ansprüche an die Eigenschaften von Elastomerdichtungen stellen. 

Tetrafluorethylen (TFE) sorgt als Basismonomer für die chemische Beständigkeit, während die elastischen Eigenschaften durch die Vernetzung mit PMVE sowie mit dem perfluorierten Vernetzungsmonomer (CSM) erzielt werden. Bei vielen Anwendungen gibt es gar keine Alternative zu einem Perfluorelastomer, denn dieser Werkstoff ist extrem resistent, und das auch bei wechselnden Medien. FFKM/FFPM Vorteile auf einen Blick:

• Größte chemische Beständigkeit aller elastischen Dichtungswerkstoffe
• Hochtemperaturstabil bis 325 °C, je nach eingesetzter Type
• Geringer Druckverformungsrest
• Ausgezeichnetes Vakuumverhalten
• Flexibel in der Anwendung
• Geeignete Werkstoffe für unterschiedlichste Anforderungen
• Große Anzahl an Zulassungen

FVMQ O-Ringe weisen neben den typischen Eigenschaften des normalen Silikonkautschuks eine noch wesentlich verbesserte Beständigkeit gegenüber Ölen, Kraftstoffen und Lösungsmitteln auf. Dies gilt vor allem für aromatische und chlorierte Kohlenwasserstoffe und Alkohole. Einsatzgebiete von O-Ringen aus Fluorsilikon-Kautschauk ergeben sich also bei Forderungen nach einer Beständigkeit über einen weiten Temperaturbereich von -60 °C bis +200 °C bei gleichzeitiger Einwirkung aggressiver Medien, wie z. B. Benzin, Alkoholgemischen, aromatischen und naphthenischen Ölen und einer Reihe von chlorierten Lösungsmitteln.