Verformung bei O-Ringen: gewollt und schädlich

Elastische Verformung: das Dichtprinzip des O-Rings

Ein O-Ring ohne elastische Eigenschaften funktioniert nur im Ausnahmefall. O-Ringe benötigen die Gummielastizität, um in die feinen Unebenheiten der Dichtflächen einzufließen. Dafür ist zusätzlich die mechanische Verpressung des O-Rings notwendig. So stellen sie selbst zwischen nicht optimal mechanisch bearbeiteten Bauteilen die maximale Dichtigkeit her.

Ein elastisches Verhalten ist auch gefragt, wenn plötzliche Druckstöße die Position der Dichtflächen zueinander verändern. Korrekte Herstellung und Lagerung vorausgesetzt, verfügen Elastomer-O-Ringe beim Einbau über die notwendige Rückstellkraft, um nach der Entlastung vom Druck selbständig wieder ihre Ausgangsform anzunehmen.

Diese Rückstellung ist physikalisch verankert. Die Geometrie des O-Rings wird bei der Vernetzung der Polymermoleküle während des Formgebungsprozesses festgelegt. Bei einer kraftinduzierten Dehnung werden die Moleküle gestreckt. Fällt die Kraft weg, nehmen die Moleküle wieder ihre ursprüngliche Positionierung zueinander ein. Dafür verantwortlich sind entropische Prozesse.

Bleibende Verformung: wenn die Rückstellkraft fehlt

Im Betrieb können extreme Temperaturen und schädliche Medien die Rückstellfähigkeit stark reduzieren. Dann tritt eine bleibende Verformung ein, die die Lebensdauer der Abdichtung stark begrenzt. Der O-Ring hat sich an eine statische Position im Dichtungssystem angepasst, die durch die Verpressung des Querschnitts zwischen den Dichtflächen vorgegeben ist.

Zusätzlich kann ein Medium wie Kühlwasser oder Hydrauliköl Druck auf das Dichtungselement ausüben. Auch dies bestimmt die Positionierung des O-Rings im Dichtspalt und kann eine weitere Verformung seines Querschnitts hervorrufen. Mehr zum Verhalten unter Last lesen Sie im Beitrag O-Ringe unter Druck.

Ändern sich die Druckverhältnisse, dann hat ein elastischer O-Ring die Neigung, wieder in seine ursprüngliche Geometrie zurückzukehren. Löst sich beispielsweise die Verschraubung des Deckels bei einer Flanschdichtung, dann lässt der Druck auf den O-Ring nach. Die axiale Verpressung des Querschnitts reduziert sich. Aus der aufgezwungenen ovalen Form muss der Querschnitt möglichst in die runde Form zurückkehren. So füllt er den vergrößerten Raum zwischen der Nut im Gehäuse und dem Flanschdeckel aus.

Bei einer bleibenden Verformung kann der O-Ring genau das oft nicht mehr. Der Druck fällt ab, ohne dass der O-Ring in seine Ausgangsform zurückkehrt. Der Querschnitt entspannt sich nicht ausreichend, um den vergrößerten Dichtspalt zu verschließen. Es kommt zu einem Leck. Eine geringere bleibende Verformung spricht generell für eine höhere Qualität des O-Ring-Werkstoffes.

Bei dynamischen Anwendungen kommt es noch viel schneller zu Änderungen im Dichtungssystem. Hier ist die Anordnung der abzudichtenden Bauteile weniger fix, daher wechseln die Kräfte, die auf den O-Ring wirken, ständig. In der Prozessindustrie finden sich oft wechselnde Druckbedingungen: Flüssigkeiten und Gase werden mit sehr hohen Maximaldrücken beaufschlagt, die jedoch sehr schnell wieder abfallen können. Auch dies muss der O-Ring abfedern.

Der Druckverformungsrest (DVR) als Kennzahl

Die Fähigkeit eines O-Rings, nach Druckentlastung in die Ausgangsform zurückzukehren, misst der Druckverformungsrest (DVR). Dabei handelt es sich um eine wichtige materialabhängige Kennzahl. Sie findet sich immer im Datenblatt eines O-Ring-Werkstoffes. Je höher der Druckverformungsrest ausfällt, desto stärker wird die Dichtung von einer vorübergehenden Druckbeanspruchung beeinflusst. Der O-Ring behält dann dauerhaft eine plastische Verformung zurück.

Der Techniker ermittelt den Druckverformungsrest auf folgende Weise: Der Querschnitt des O-Rings wird durch ein Gewicht um 25 Prozent verpresst. Das kann in temperierter Luft geschehen, jedoch genauso an allen anderen relevanten Kontaktmedien. Denn Temperatur und Medien haben einen Einfluss auf den Druckverformungsrest. So können Labore zusätzlich die Einflüsse von Quellung oder Extraktion mit auswerten. Die Angabe im Werkstoffdatenblatt bezieht sich jedoch auf die Lagerung an beheizter Luft in einem Wärmeschrank.

Nach dem Entlasten erhält die Probe Zeit, um sich wieder zu entspannen. Nun kann gemessen werden, in welchem Maß der O-Ring-Querschnitt seine ursprüngliche runde Form wieder angenommen hat. Bei der Auslegung einer Dichtung ist es wichtig, den Druckverformungsrest im entsprechenden Kontaktmedium zu berücksichtigen.

Das verdeutlicht das Beispiel EPDM: An Luft zeigt das Material schon bei 150 °C hohe bleibende Verformungen. O-Ringe aus EPDM sind jedoch sehr gut für den Einsatz mit Heißwasser und Dampf geeignet. Hier behalten die Dichtungen auch bei höheren Temperaturen eine geringe bleibende Verformung bei.

Bei der Schadensanalyse erkennen Techniker die bleibende Verformung beispielsweise so: Beim Ausbau einer innendichtenden Kolbendichtung fällt die fehlende radiale Anpresskraft auf die Dichtfläche auf. Dann hat der O-Ring die durch das Übermaß des Kolbens bewirkte Formänderung dauerhaft angenommen.

Ursachen einer bleibenden Verformung

Der Mechanismus hinter dem Verlust der Elastizität ist stets dieser: Unter Einwirkung der Umweltbedingungen gehen Verbindungen in der molekularen Struktur des Polymers verloren. Gleichzeitig können hohe Temperaturen zu einer Nachvernetzung führen. Dabei bilden die Moleküle weitere Bindungen, die die Steifigkeit des Materials erhöhen. Wie Hitze den Werkstoff verändert, vertieft der Beitrag Hitzeschaden bei O-Ringen.

Die Elastizität eines O-Rings hängt materialseitig von Basispolymer, Werkstoffrezeptur und ausreichender Vulkanisation ab. Doch auch die Auslegung der Nut und die Betriebsparameter können zu einem Versagen durch bleibende Verformung beitragen. Der allgemeine Sollbereich der Verpressung liegt zwischen 15 und 30 Prozent. Bei bestimmten Werkstoffen weichen die Empfehlungen ab. So erfordert das Material FFKM geringere Verpressungen.

Wichtig zu wissen: Bei gleicher prozentualer Verpressung und zunehmender Schnurstärke wachsen die Verformungskräfte an. Der Effekt einer größeren Schnurstärke muss also durch geringere Verpressungen kompensiert werden.

Die bleibende Verformung gibt Aufschluss darüber, wie gut das elastische Rückstellvermögen erhalten ist. Wie lange ein O-Ring mit bleibender Verformung die Dichtheit aufrechterhält, hängt jedoch vom individuellen Dichtungssystem ab. So können in manchen Fällen O-Ringe mit bleibender Verformung von 80 Prozent noch dicht sein, während andere Dichtungen bereits bei deutlich geringerer permanenter Formänderung ausfallen. Weitere typische Versagensbilder finden Sie in der Übersicht der Schadensursachen bei O-Ringen.

Lösungsansätze gegen eine bleibende Verformung

Es hängt vom gesamten Dichtungssystem ab, wie wirksam eine bleibende Verformung ausgeschlossen werden muss. Bei der Gestaltung müssen Ingenieure eine Vielzahl sich gegenseitig beeinflussender Faktoren beachten. Ist die Dichtstelle gegeben, kommt zuerst der O-Ring selbst auf den Prüfstand.

Über die Materialauswahl, also verschiedene Basispolymere und Compounds, lässt sich eine möglichst gute Passung zwischen O-Ring und Betriebsbedingungen erzielen. Reicht das nicht aus, um ein stabiles Dichtsystem herzustellen, folgen meist deutlich aufwendigere Maßnahmen wie das Nacharbeiten der Nut oder die Anpassung der Betriebsbedingungen.

Häufige Fragen