O-Ringe unter Druck

Die Messung des Druckverformungsrestes ist in DIN 53517 genormt und erfolgt im Labor üblicherweise bei konstanten Temperaturen. Der DVR ist abhängig von der Prüfzeit, der Prüftemperatur, der Ausgangsverpressung und von der Geometrie des Prüfkörpers. Zum Vergleich verschiedener Werkstoffe ist es deshalb wichtig, die Prüfung an einer einheitlichen Schnurstärke durchzuführen.

Ein Beispielversuch zeigt das Rückstellvermögen von O-Ringen der Schnurstärke 3,53 mm bei unterschiedlichen Ausgangsverpressungen. Die Prüfzeit war bei diesem Versuch 70 h, die Temperatur betrug 200 °C. Bei kleinen Ausgangsverformungen treten besonders hohe Druckverformungsreste auf (Abb. 2). Eine geschickte Rezepturgestaltung, wie beispielsweise bei Parofluor V8545-75, verringert die Empfindlichkeit gegenüber niedrigen Ausgangsverpressungen erheblich.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Perfluorelastomeren ist im Vergleich zu anderen Elastomeren groß. Beträgt dieser beispielsweise für Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR) ca. 100 • 10-6 K-1 und für FKM ca. 200 • 10-6 K-1, so liegen FFKM-Werkstoffe durchschnittlich bei 300 • 10-6 K-1. Abb. 3 stellt die Finite-Elemente-Berechnung der in einem verpreßten O-Ring-Querschnitt aus Perfluorelastomer aufgrund thermischer Ausdehnung auftretenden mechanischen Spannungen graphisch dar. Die stark schwankenden Spannungszustände bei zyklisch wechselnden Temperaturen unterstützen Gleitbewegungen der Makromoleküle im Elastomer und tragen so zur bleibenden Verformung bei.

Unterschiede zwischen dem bei konstanter Temperatur ermittelten Druckverformungsrest und dem Betriebsverhalten von O-Ringen in der Praxis dienten als Grundlage für einen Temperatur-Zyklus-Test. Bei diesem Versuch wurden O-Ringe mit der Schnurstärke 3,53 mm um 16% verpreßt und unterschiedlichen Temperaturzyklen ausgesetzt. Nach zwei und nach fünf Zyklen erfolgte die Ermittlung des Druckverformungsrestes jeweils eine halbe Stunde nach Entspannung bei Raumtemperatur.

Im Test waren neben dem Standard-Parofluor V8545-75 und dem Hifluor-Werkstoff V3819-75 drei herkömmliche Perfluorelastomere. Abb. 4 zeigt den Druckverformungsrest (DVR) in Prozent. Hifluor V3819-75 weist nach fünf Zyklen mit 44% die niedrigste bleibende Verformung auf, gefolgt von Parofluor V8545-75 mit 63% DVR. Die Perfluorelastomere A, B und C lagen nach 5 Zyklen bei Werten zwischen 71% und über 85% bleibender Verformung. Damit bietet Parofluor V8545-75 einen kleineren Druckverformungsrest bei zyklischen Temperaturen sowie die geringste Empfindlichkeit gegen kleine Verformungen. Lediglich Hifluor V3819-75 besitzt eine größere Rückstellfähigkeit bei zyklisch wechselnden Temperaturen.

Der Druckverformungsrest ist eine mittelbare Größe, die eine Aussage über das Langzeitverhalten einer Dichtung liefert. Ist das Relaxationsverhalten eines Elastomerwerkstoffs bekannt, läßt sich der Druckverformungsrest rechnerisch ermitteln.

In Abb. 5 sind die Simulationsergebnisse des DVR-Vorganges mit Hilfe einer Finite-Elemente-Berechnung dargestellt. Der O-Ring unterliegt bei Raumtemperatur einer 20%igen Verpressung. Die Farbabstufungen zeigen die dabei auftretenden Spannungen an.

Im linken Teil ist zu erkennen, daß sich nach einer Belastungsdauer von 250 h bei 120 °C das Niveau der Spannungen verringert. Kühlt man den O-Ring nach der Belastungszeit wieder auf Raumtemperatur ab und entlastet ihn, so ergibt sich die im unteren Teilbild unterbrochen gezeichnete Kontur. Hierbei ist eine geringfügige bleibende Verformung zu erkennen. Bei einer Vergrößerung der Belastungszeit auf 1000 h sinkt das Niveau der Spannungen weiter ab, wie im rechten Teilbild ersichtlich. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur und Entspannung kommt es in diesem Fall zu einer großen bleibenden Verformung, die einem Druckverformungsrest von nahezu 100% entspricht.

Praxiserfahrungen bestätigen die guten Testergebnisse. Bestehen hinsichtlich Temperaturbelastbarkeit, chemischer Beständigkeit und geringem Druckverformungsrest sehr hohe Anforderungen, ist Parofluor V8545-75 ein geeigneter Werkstoff. Als „dynamischer“ O-Ring in Gleitringdichtungen dichtet Parofluor V8545-75 bei schwankenden Temperaturen, niedriger Verpressung und aggressiven Chemikalien.

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