So prüfen Sie Schäden an der Dichtung

Es ist im laufenden Betrieb hydraulischer Anlagen schwer, ein Dichtungsschadensbild des Abriebs bei Elastomerdichtungen schnell zu erkennen und richtig einzuordnen. Experten des O-Ring Prüflabors haben daher eine umfassende Sammlung von möglichen Ursachen für erhöhten Dichtungsabrieb zusammengestellt. Mit diesem Überblick erhalten Sie eine Checkliste, die die verschiedenen Schadensbilder und deren Ursachen identifiziert. Sie soll die Schadensanalyse für den Anwender im Industriealltag vereinfachen und leitet Präventivmaßnahmen für den richtigen Einsatz der Dichtungen ab.

Von den vier Hauptschadensmechanismen wird der übermäßige Abrieb der 3. Hauptgruppe zugerechnet:

1. Medien

2. Temperatur / Alterung

3. Mechanisch / physikalische Einwirkungen

4. Herstellungsfehler

Die 3. Hauptgruppe lässt sich in drei Untergruppen aufteilen: Montagefehler, falscher Einbauraum und physikalische Überbeanspruchung durch die Betriebsbedingungen. Der übermäßige Abrieb gehört zur letzten Untergruppe, in der sich auch Schäden wie Spaltextrusion, explosive Dekompression, beziehungsweise Überhitzung, Luft im Öl oder Dichtungsüberströmung (Blow-By-Effekt) wiederfinden.

Dieses Fehlerbild verursachte Ausfälle an circa 2,5 Prozent von über 2000 im O-Ring Prüflabor Richter untersuchten Elastomerdichtungen.

In der Literatur wird das Schadensbild „Übermäßiger Abrieb“ auch als „Übermäßiger Abtragverschleiß“[1] oder „Abriebverschleiß“[2] bezeichnet.

Dieses Schadensbild tritt vorwiegend bei bewegten Abdichtungen auf und kann sehr viele verschiedene Ursachen haben. Bei einigen Schadensfällen dieses Typs gibt es meist nicht nur eine Ursache, sondern eine Kombination (zum Beispiel zu raue Gegenfläche in Verbindung mit Mangelschmierung und wenig geeignetem Dichtungswerkstoff).

Generell muss bei einer Dichtungsschadensanalyse immer das Umfeld berücksichtigt werden, beim Schadensbild „Abrieb“ gilt dies aber in besonderem Maße, da sehr oft nicht die Dichtung, sondern der Gleitpartner und/oder das Kontaktmedium für den Schaden ursächlich sind.

Abrieb entsteht durch Reibung und ist wie folgt miteinander verknüpft:

· „Die Reibung ist proportional zur Flächenpressung.

· Der Abrieb ist proportional zur Reibung.

· Die Erwärmung der Dichtung ist proportional zur Reibung.“[3]

2.1 Ungeeignete oder beschädigte Gegenlauffläche

Es ist ein uraltes Wissen, dass härtere Stoffe weichere ritzen. Diese Erkenntnis machte sich der Mineraloge Friedrich Mohs zu eigen, als er die Mohs‘sche Härteskala entwickelte. Sie besteht aus zehn Mineralien in aufsteigender Härte (1= Talk bis 10 = Diamant). Ein Mineral kann immer von einem anderen Mineral geritzt werden, das eine höhere Nummer als es selbst besitzt.

In der Regel sind Gummidichtungen um ein Vielfaches weicher als die Bauteile, in denen sie montiert und daher anfällig für Verletzungen und Abrieb sind. Besonders ist bei bewegten Dichtungen darauf zu achten, dass die Gegenlauffläche so glatt wie möglich ist und keine scharfen Kanten oder Übergänge aufweist. Oft „kann auch ein Verchromen nach dem Schleifen das Polieren nicht ersetzen.“[4]

Auch einzelne – zum Beispiel durch Beschädigungen verursachte Vertiefungen – sind kritisch. Zum einen können sie scharfe Kanten aufweisen, zum anderen kann durch Druck weiches Gummimaterial in eine Vertiefung gepresst werden. Bei Bewegen der Dichtung wird dieses Material dann abgeschert.

2.2 Hydroabrasion (= abrasive Feststoffpartikel, gelöst in Medien)

Dieses Fehlerbild wird durch den gleichen Umstand wie oben ausgelöst, sodass härtere Materialien weichere ritzen oder abschleifen. Hat eine Gegenlauffläche nur eine bestimmte Schadstelle, so ist diese an einer Dichtung in der Regel lokal eingrenzbar. Durch abrasive Feststoffpartikel (zum Beispiel aus Metall), die in Medien gelöst sind, kommt es hingegen meist zu Riefen in den Dichtflächen, welche durch Erosion[5] ausgewaschen und vergrößert werden. Erosionsriefen können einfach unter dem Mikroskop gefunden werden. Ebenso sind Feststoffpartikel unter einem guten Lichtmikroskop erkennbar, sofern sie nicht ausgespült wurden. Mithilfe von REM EDX lässt sich in Zweifelsfragen zusätzlich noch der Werkstoff des Partikels bestimmen und oft so seine Herkunft klären.

In der Hydraulik treten öfter Probleme durch Riefen auf. „Partikel in Dicht- und Führungsspalte schleifen Längsriefen in die Oberflächen der Stangen und Zylinder. Das Dichtverhalten verschlechtert sich noch nicht, solange diese Riefen nicht tiefer als einige μm sind (…). Durch tiefere Axialriefen strömt jedoch bei hohem Druck die Hydraulikflüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit. Dabei entsteht erosiver Verschleiß (…). Um derartige Schäden zu minimieren, sollten die Stangen- und Zylinderoberflächen möglichst hart sein.“[6]

2.3 Trockenlauf / Mangelschmierung

Beim erstmaligen Anlaufen von Maschinen erfahren dynamisch eingesetzte Dichtungen meist einen kurzen Trockenlauf, bis sie mit Schmiermittel versorgt werden. Nach Untersuchungen von Müller und Nau „führte dies jedoch nicht zu statistisch erkennbaren Nachteilen hinsichtlich der dynamischen Dichtheit im späteren Betrieb.“[7] Beim ersten Anlaufen trockener Radialwellendichtringen kommt es lediglich zu einer Verbreiterung der Berührzone, die aber in der Regel keine nachteiligen Folgen für die spätere Funktion der Dichtung hat.

Bleibt jedoch die Schmierung im laufenden Betrieb aus, kann schon nach wenigen Minuten (abhängig von der dynamischen Beanspruchung) die Dichtung so stark abgerieben werden, dass sie komplett ausfällt.

Durch Trockenlauf, beziehungsweise Mangelschmierung erfährt die Dichtung auch eine erhöhte Temperatur im Kontaktbereich. „Verschleiß ist meist mit dem Ablösen von Gummipartikeln, also mit Kettenbruch, verbunden, sodass die Temperatur ebenfalls eine wesentliche Rolle spielt. Höhere Temperaturen bewirken im Allgemeinen zwar eine höhere Elastizität der Produkte, jedoch auch einen Kettenabbau in eventuell noch höherem Ausmaß.“[8]

2.4 Konstruktive Mängel (fehlerhafte Auslegung)

Ein häufiger Fehler ist die ungenau definierte Oberflächenbeschaffenheit der Gegenlaufflächen. Es sollte nicht nur die Rauheit vorgegeben werden, sondern auch das Bearbeitungsverfahren, beziehungsweise die Topologie der Oberflächen.

Durch zu geringe Vorpressung der Dichtung (zum Beispiel fehlende Berücksichtigung des Durchmesserspiels) kann es zu einer Strömungserosion infolge dynamischer Spalt- oder Druckänderungen kommen. Insbesondere bei O-Ringen ist die Gefahr groß, da zur Reduktion der Reibung, beziehungsweise der Losbrechkräfte die Vorspannung von O-Ringen zu stark reduziert wird. Wird eine zu geringe Vorspannung angewendet, kommt es zu einem schnelleren Verlust des wichtigen Rückstellverhaltens des O-Rings.

2.5 Übermäßige druckbedingte Axialhübe (bei statischen Dichtungen)

Bei harten Druckstößen in Hydrauliksystemen können auch statisch eingesetzte Dichtungen Abrieb erfahren. Besitzt die Dichtungsbuchse ein zu großes Axialspiel, kann dies, trotz des geringen zurückgelegten Reibungsweges der Dichtung, beziehungsweise des O-Rings (wenige Zehntel Millimeter), auf Grund einer zyklischen Beanspruchung zu erheblichem Abriebverschleiß führen.

2.6 Ungeeignete Dichtungsrezeptur

Für den Mischungschemiker gibt es viele Möglichkeiten das Abriebverhalten einer Mischung zu beeinflussen. Die Qualität der Füllstoffe hat einen großen Einfluss. So werden besonders aktive Füllstoffe eingesetzt, um den Abrieb zu minimieren. Die „Polymer-Füllstoff-Wechselwirkung wird bei gleichbleibender chemischer Beschaffenheit der Füllstoffe umso intensiver, je größer die dem Kautschuk angebotene Füllstoffoberfläche ist, unabhängig davon, ob dies durch Erhöhung der Füllstoffmenge oder durch Verkleinerung der Füllstoffteilchen erreicht wird.“[9]

Auch das Vernetzungssystem kann dazu verwendet werden, Mischungseigenschaften bezüglich der Abriebbeständigkeit zu verbessern.

So ist das Basispolymer und seine mittlere Molekulargewichtsverteilung auch von entscheidender Bedeutung. „Kautschuke mit niedriger Tg [Glasübergangstemperatur] oder Elastomere mit geringer Hysterese [geringer Verlustwinkel δ] unterliegen einem geringen Verschleiß.“[10] Für extreme Anforderungen an Verschleißbeständigkeit eignen sich besonders thermoplastische Polyurethan-Elastomere, was ihren häufigen Einsatz im Hydraulikbereich erklärt. Im Bereich der klassischen Elastomere weisen HNBR-Werkstoffe die beste Abriebbeständigkeit auf.

Die Vernetzungsdichte ist auch eine Stellgröße, mit welcher man eine Rezeptur optimieren kann. Um eine gute Abriebbeständigkeit zu erhalten, braucht man eine eher geringere Vernetzungsdichte. Dies kann aber mit Einbußen bei anderen Eigenschaften verbunden sein, wie beispielsweise einem schlechteren Druckverformungsrest.

2.7 Geänderte Betriebsbedingungen

Kritisch kann ein Wechsel von Schmierstoffen, zum Beispiel von mineralischen Ölen hin zu synthetischen oder biologisch abbaubaren sein. Mitunter haben diese alternativen Schmierstoffe schlechtere tribologische Eigenschaften.

Durch stark erhöhte, ursprünglich nicht vorgesehene, Belastungen einer Anlage, können Dichtungen nicht genügend mit Schmierstoff versorgt werden.

Es besteht zudem die Möglichkeit, dass abweichende Temperaturen oder geänderte Maschinenprogramme zu vermehrtem Abrieb und somit zu verfrühtem Dichtungsausfall führen.

2.8 Übermäßige Quellung in Kontaktmedien

Werden Schmiermittel im nach hinein getauscht und nicht ihre Kompatibilität mit dem Dichtungswerkstoff geprüft oder werden ungeeignete Dichtungswerkstoffe eingesetzt, kann es zu übermäßigen Quellungen kommen. Für dynamische Abdichtungen sind in der Regel Volumenquellungen von 5-10 Prozent zulässig, höhere Quellraten können zu Problemen führen. Die Dichtung vergrößert durch die Quellung ihre Anlagefläche und erweicht stark, was ihren Widerstand gegen Abtragverschleiß reduziert.

Generell gilt nach Abtragverschleiß, dass die geschädigten Dichtungen einen nachweisbaren Masseverlust aufweisen. Außerdem kann mit Hilfe eines Profilprojektors die Querschnittfläche gemessen und mit der Ausgangsdichtung verglichen werden. Hier lässt sich bei dieser Schadensart eine reduzierte Fläche erkennen. Vorrangig zeigen sich an Stellen mit abgetragenem Material zwei Schadensbilder:

a) Entweder ist die Schadensfläche glatt und glänzend (flächiger Verschleiß) oder sie weist Riefen mit oder ohne Partikelresten auf.

b) Bei abgeriebenen Dichtungen ist in der Regel die Elastizität des Materials noch komplett erhalten, es zeigen sich also keine Alterserscheinungen.

3.1 Auswirkungen des Schadens

Die Folgen übermäßigen Abriebs zeigen sich schleichend. Nach anfänglichen Schwitzleckagen nimmt die Undichtigkeit immer mehr zu, bis es schließlich zu einem vollständigen Ausfall des Dichtsystems kommt.

Abrieb kann aber auch Durchrisse an Gummibauteilen, wie Faltenbälgen verursachen, wenn dünne Bereich stark abgeschliffen werden.

3.2 Abgrenzung zu ähnlichen Schadensbildern

Der Schaden „Bleibende Verformung“ kann auf den ersten Blick einem übermäßigen Abrieb ähneln. Jedoch weisen Dichtungen mit einer bleibenden Verformung in der Regel eine symmetrische Abflachung auf, sie zeigen keinen Masseverlust und haben Anzeichen von Alterung (Härtezunahme).

Erosionsschäden an Dichtungen durch überschießende Luft oder Blow-by-Effekte können ähnlich wie bei der Hydroabrasion riefenartige Strukturen erzeugen. Jedoch finden sich keinerlei Partikelrückstände in den Riefen.

Eine wichtige Vorbeugemaßnahme gegen Hydroabrasion ist eine regelmäßige Ölwartung und der Einsatz von geeigneten Filtern, um die Partikelfracht im Öl so gering wie möglich zu halten. Sind bei Stangendichtungen Abstreifer vorgesehen, können diese verhindern, dass Partikel Riefen in die Kolbenstangen schleifen.

Schließlich empfiehlt sich der Einsatz von abriebbeständigen, hochwertigen Dichtungsrezepturen in kritischen Anwendungen. Bei Bezug von Dichtungen sollte sichergestellt sein, dass der Lieferant nicht ohne Erlaubnis des Auftraggebers die Rezeptur ändert.

Über Jahrzehnte der Gummiprüfung hat sich eine Vielzahl von Abriebprüfmethoden entwickelt (Akron abrader, Abriebwiderstand nach DIN ISO 4649, DuPont-Grasselli Maschine, Dunlop-Lambourn-Maschine, Goodyear-Winkelmaschine, Pico-Abriebtest et cetera), die aber für konkrete Aussagen im Dichtungsbereich wenig hilfreich sind. So können bestimmte Arten von Weichmachern Schmiereffekte hervorrufen, wodurch ein guter Abbriebwiderstandswert vorgetäuscht wird. Diese Abriebprüfmethoden können lediglich die Werkstoffvorauswahl erleichtern. Letztendlich sollte die Tauglichkeit in Bezug auf Abrieb in möglichst realitätsnahen Versuchsständen (zum Beispiel für Hydraulik oder Pneumatik) nachgewiesen werden.

[1] Vgl. Schrader, Klaus: Hydaulik-Dichtungen Teil II: Schadensbilder, -ursachen, -vermeidung

[2] Parker Hannifin GmbH (Hrsg.): Prädifa Dichtungshandbuch, August 1999, S. 101

[3] Parker Hannifin GmbH (Hrsg.): O-Ring Handbuch, November 2005, S. 172

[4] Parker Hannifin GmbH (Hrsg.): Prädifa Dichtungshandbuch, August 1999, S. 101

[5] Die Strömungserosion ist meist ein Folgeschaden, der aber auch andere Ursachen haben kann, wie z. B. mangelnde Vorpressung der Dichtung.

[6] Müller, Heinz K. und Nau, Bernard S.: Fachwissen Dichtungstechnik, Kap. 5: Hydraulikdichtungen, S. 30 (Onlineveröffentlichung: www.fachwissen-dichtungstechnik.de , aufgerufen am 11.11.2018)

[7] Müller, Heinz K. und Nau, Bernard S.: Fachwissen Dichtungstechnik, Kap. 8: Wellendichtringe ohne Überdruck, S. 6f. (Onlineveröffentlichung: www.fachwissen-dichtungstechnik.de , aufgerufen am 11.12.2018)

[8] Röthemeyer, Fritz und Sommer, Franz: Kautschuktechnologie, Hanser Verlag, 2001, S. 518f.

[9] Kempermann, Th.: Vulkasil verstärkende Kieselsäure-Füllstoffe (Kap. D12) in: Bayer AG: Handbuch für die Gummiindustrie, 1991, S. 538

[10] Röthemeyer, Fritz und Sommer, Franz: Kautschuktechnologie, Hanser Verlag, 2001, S. 518