Quellung bei O-Ringen: Ursache und Schutz
Quillt ein O-Ring, nimmt er Volumen auf und verliert an Festigkeit. So entsteht Quellung, so erkennen Sie sie, und so wählen Sie Werkstoff und Nut richtig aus.
- Bei der Quellung dringt das Medium in den O-Ring ein, das Volumen nimmt zu und die Festigkeit sinkt.
- Schon geringe Quellung kann in dynamischen Anwendungen zum Versagen führen, da die Reibung steigt.
- Fluorierte Elastomere wie FKM und FFKM (ECOLAST®) quellen in Mineralölmedien kaum.
- Quillt der O-Ring zu stark, droht eine Nutüberfüllung. Den Nutfüllgrad mit Reserve auslegen.
- Medium, Konzentration und Temperatur kennen, dann den passenden Werkstoff wählen.
Was ist Quellung bei O-Ringen?
Im Idealfall erfüllen O-Ringe ihre Aufgabe ganz unauffällig. Versagen sie, kommt es schnell zu hohen Stillstandskosten, oder ganze Produktchargen müssen wegen möglicher Verschmutzungen entsorgt werden. Eine der häufigsten Ursachen ist die Quellung.
Quellung ist eine physikalische Beeinflussung des O-Rings durch das Prozessmedium. Das Medium dringt in den Elastomerwerkstoff ein, der O-Ring nimmt an Volumen zu. Anders als beim chemischen Angriff bleibt das Material dabei zunächst elastisch, büßt jedoch einen Teil seiner Festigkeit ein.
Im Betrieb kommen O-Ringe nicht nur mit Luft, Wasser und Schmierstoffen in Kontakt. Schon diese vermeintlich harmlosen Stoffe können den Elastomerwerkstoffen zusetzen. Die Industrie verwendet darüber hinaus zahlreiche aggressive Prozessmedien. Eine fallgerechte Auswahl des O-Ring-Werkstoffes mit der passenden Medienbeständigkeit ist entscheidend für eine haltbare Abdichtung.
Wie das Medium die Quellung verursacht
Im industriellen Einsatz treffen O-Ringe auf eine Vielzahl an Medien. In der Lebensmittelindustrie sind das unter anderem Öle oder Aromastoffe, dazu kommen aggressive Reinigungs- und Sterilisationsmedien. In der Pharma- und Chemieindustrie begegnen O-Ringe der gesamten Bandbreite aus Säuren, Laugen und Lösungsmitteln.
Eine Beschädigung durch Prozessmedien kann zwei Mechanismen folgen. Bei der physikalischen Beeinflussung kommt es in der Regel zur Quellung: Das Medium dringt in den Elastomerwerkstoff ein. Die Folge ist eine Volumenzunahme, die die Polymermatrix schädigen kann.
Beim chemischen Angriff dagegen greift das Medium direkt das Netzwerk aus langkettigen Polymeren an, das den O-Ring-Werkstoffen ihre elastischen Eigenschaften gibt. An die Stelle der alten langkettigen Bindungen treten kürzere Segmente, oder der Werkstoff wird weiter vernetzt. Das macht das Material hart und spröde. Mehr dazu im Überblick zu den Schadensursachen bei O-Ringen.
Folgen der Volumenzunahme
Durch die Quellung büßt das Dichtungselement einen Teil seiner Festigkeit ein, bleibt jedoch elastisch. In der Folge ist es anfälliger für Ausbrüche oder die Spaltextrusion.
Auch der umgekehrte Effekt ist möglich. Bei der Schrumpfung löst das Kontaktmedium Mischungsbestandteile aus dem O-Ring. Dieser verliert an Volumen, sodass eine Mindestverpressung zwischen Dichtfläche und Nutgrund nicht mehr gewährleistet ist. Die Konsequenz ist hier ebenfalls der Verlust der Dichtwirkung. Beide Vorgänge können zumindest teilweise umkehrbar sein.
Geringe und starke Quellung
Wie stark sich eine Quellung auswirkt, hängt stark von der Anwendung ab. Besonders in dynamischen Anwendungen können bereits verhältnismäßig geringe Quellungen zu einem Versagen führen. Der Grund: In solchen Systemen ist die Reibung besonders entscheidend.
Eine zu erwartende Quellung sollte deshalb bereits bei der Gestaltung der Einbausituation berücksichtigt werden. Bei der Schadensanalyse achten Experten unter anderem auf eine deutliche Quellung oder Schrumpfung sowie auf eine Klebrigkeit der Oberfläche als Anzeichen für einen Medieneinfluss.
Werkstoffwahl gegen Quellung
Die Grundlage für die Medienbeständigkeit eines O-Rings schafft das Basispolymer. Es gibt mit Alterungsverhalten und Temperaturgrenzen weitere grundlegende Eigenschaften vor. Hinzu kommen zahlreiche Rezepturbestandteile wie Füllstoffe, Weichmacher, Alterungsschutzmittel oder Vulkanisationsbeschleuniger, die die Eigenschaften des Vulkanisates auf die Anforderungen abstimmen.
So müssen Ingenieure bei der Werkstoffauswahl meist mehrere Faktoren gegeneinander abwägen. Ein Überblick über das Quellverhalten der gängigen Werkstoffe:
| Werkstoff | Verhalten bei Medieneinfluss |
|---|---|
| EPDM | Eignet sich gut für Heißwasser, quillt jedoch bei bestimmten Fetten und Ölen. Kontakt mit diesen Stoffen bereits bei Montage und Lagerung vermeiden. |
| NBR | Sehr gut beständig gegenüber Ölen und Erdgasen. Nicht geeignet für heißes Prozesswasser oder Lösungsmittel, eingeschränkte Alterungsbeständigkeit. |
| VMQ (Silikon) | Physiologisch inert und gut für Lebensmittelanwendungen, zeigt aber Schwächen bei der häufig eingesetzten Dampfsterilisation. |
| FKM und FFKM (ECOLAST®) | Fluorierte Elastomere mit guter Beständigkeit gegenüber Medien auf Mineralölbasis. Sie quellen in diesen Flüssigkeiten kaum und eignen sich gut für den Langzeiteinsatz. |
| PTFE (TEFLON) | Ähnliches Beständigkeitsprofil wie FFKM, jedoch ohne die für Dichtungen zentrale Elastizität. Als Vollmaterial für mechanische Belastungen eher ungeeignet. |
FFKM stellt als vollständig fluorierter Kautschuk eine Weiterentwicklung von FKM dar. Es ist der elastische O-Ring-Werkstoff mit den besten Beständigkeitseigenschaften gegenüber Lösungsmitteln, aggressiven Säuren und Laugen. Die Kosten sind jedoch vergleichsweise hoch. PTFE-umhüllte Elastomere verbinden die Medienbeständigkeit mit der Fähigkeit zur flexiblen Formänderung.
Nutfüllgrad und Nutüberfüllung
Quillt ein O-Ring, kann es zu einer Nutüberfüllung kommen. Dann übersteigt das Volumen des O-Rings den durch Breite und Tiefe der Nut festgelegten Einbauraum deutlich.
Deshalb sollte der Nutfüllgrad von Anfang an Reserve lassen. Eine zu erwartende Quellung gehört bereits in die Auslegung der Einbausituation, damit der O-Ring auch im gequollenen Zustand sicher in der Nut bleibt und nicht in den Dichtspalt gedrückt wird.
Abhilfe und Vorbeugung
Entsprechende Erfahrung im Umgang mit den Dichtungselementen vorausgesetzt, lässt sich eine Vielzahl der Ausfallursachen vermeiden. Gegen Quellung helfen vor allem drei Hebel:
Im Fall eines Dichtungsversagens ist eine gründliche Schadensanalyse wichtig. Häufig wirken Medien, Temperaturen und mechanische Belastung komplex zusammen und sind zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme nur schwer abzusehen.
Häufige Fragen
Was ist Quellung bei einem O-Ring?
Wodurch wird die Quellung ausgelöst?
Welcher Werkstoff quillt am wenigsten?
Was passiert bei einer Nutüberfüllung?
Ist Quellung umkehrbar?
Wie erkenne ich eine Quellung am ausgebauten O-Ring?
