Spaltextrusion bei O-Ringen vermeiden

Spaltextrusion: Gefahr für O-Ringe unter Druck

Die Spaltextrusion ist eines der prominentesten Schadensbilder von O-Ringen. Das liegt vor allem an den sehr markanten Abschälungen am Elastomer. Sie führen deutlich vor Augen, welchen Belastungen O-Ringe in harten Einsatzbedingungen ausgesetzt sind. Zyklisch wechselnde Phasen von sehr hohem und niedrigerem Druck stellen die Hauptursache für den Schaden dar.

Gerade in der Hydraulik gehört die Spaltextrusion daher zu den verbreiteten Ausfallursachen für O-Ringe. In diesem Beitrag erfahren Sie, wie es zur Spaltextrusion kommt und woran Instandhalter das Schadensbild erkennen. Für den Praktiker mindestens genauso wichtig: Wir geben einen Überblick über die Faktoren, die die Spaltextrusion begünstigen. Daraus ergibt sich die wirksamste Strategie gegen die Spaltextrusion. Wie der Druck grundsätzlich auf die Dichtung wirkt, lesen Sie im Beitrag zu O-Ringen unter Druck.

Das Schadensbild von Spaltextrusion

Das Phänomen Spaltextrusion findet sich in der technischen Literatur auch unter den Bezeichnungen Extrusion, Spalteinwanderung oder Auspressung. Das Prinzip dahinter ist einfach: O-Ringe aus Elastomeren besitzen nahezu keine Kompressibilität. Mit steigendem Druck nimmt der O-Ring immer mehr die Kontur des Einbauraumes an. Da der O-Ring sich nicht verdichten lässt, presst ihn der Druck schließlich in den Dichtspalt zwischen Kolben und Zylinder.

Dieser Vorgang hinterlässt sehr charakteristische Abschälungen am Dichtungselement. Dabei schert die Kante der Nut eine dünne Schicht von der Oberfläche des O-Rings ab. Das geschieht meist nicht kreisrund, sondern vor allem an der Stelle mit dem größten Spaltmaß. Sind Kolben und Zylinder nicht präzise konzentrisch zueinander angeordnet, dann nimmt der Dichtspalt entlang des Umfangs verschiedene Breiten an. Unter besonders ungünstigen Konstellationen des Dichtungssystems kann es aber auch zu einem Abrollen des O-Rings über dessen gesamten Umfang kommen.

Je nachdem, wie stark der herrschende Druck ist und wie das Dichtungssystem in seiner Gesamtheit gestaltet ist, kann die Länge der Extrusionsfahne ein Vielfaches der Schnurstärke erreichen. Bei schnell wechselnden Druckverhältnissen können außerdem Teile des extrudierten Materials vom O-Ring abgetrennt werden. Diese Partikel stellen ein Risiko für sensible Prozesse dar. Sie können die Prozessmedien kontaminieren oder andere Anlagenkomponenten beschädigen.

Ursachen für die Spaltextrusion

Die Spaltextrusion entsteht durch die mechanische Belastung des O-Rings während des Betriebs. Mechanische und physikalische Einflüsse auf das Dichtungselement sind in der Praxis für die meisten Dichtungsausfälle verantwortlich. In dieser Kategorie spielen neben der Spaltextrusion auch Beschädigungen durch Montagefehler oder eine unzureichende Nutgestaltung eine wichtige Rolle. Einen Überblick über die verschiedenen Kategorien gibt der Beitrag zu den Schadensursachen bei O-Ringen.

Die Beschreibung des Schadensbildes hat es bereits deutlich gemacht. Diese Faktoren sind besonders entscheidend für das Risiko der Spaltextrusion:

Systemdruck

Bei der Spaltextrusion sorgt hoher und pulsierender Druck für die Beanspruchung. Nicht nur die Höhe des maximalen Drucks, sondern auch die Geschwindigkeit, mit der Druckwechsel erfolgen, beeinflusst die Belastung des O-Rings. Unvermittelte Druckstöße verursachen ein gesteigertes Risiko der Spaltextrusion.

Die Dichtung kann schnell einsetzenden Verformungen wenig Widerstand entgegensetzen. So ein schlagartiger Druckaufbau kommt sehr häufig in hydraulischen Systemen vor. Solche Druckstöße können in Fahrzeugkomponenten zum Beispiel durch ein plötzliches Abbremsen oder durch abrupte Richtungswechsel entstehen.

Betriebstemperatur

Dazu kommt, dass der Verformungswiderstand von Elastomeren stark in Abhängigkeit von der Temperatur variiert. O-Ringe in heißen Temperaturen können der Belastung weniger Widerstand entgegensetzen als Dichtungselemente in kühleren Umgebungen.

Kommen zu hohem Betriebsdruck auch noch extreme Temperaturspitzen, dann ist eine Spaltextrusion besonders wahrscheinlich. Das gilt zumindest dann, wenn der Konstrukteur bei der Auslegung keine Schutzvorkehrungen einplant.

Konstruktive Gestaltung

Hier entscheidet das Zusammenspiel aus Maß des Dichtspalts, Ausführung der Nuteinstiche und Abmessungen des O-Rings. Die Abstimmung dieser Faktoren ist schon bei statischen Dichtungen die Grundbedingung für die Funktion. Für dynamische Dichtungen, die ein noch höheres Risiko für Spaltextrusion haben, ist dieser Gestaltungspunkt entscheidend.

Mit dem Maß des Dichtspalts steigt auch die Gefahr der Spaltextrusion an. Das Problem: Die Realisierung geringerer Toleranzen bei den entsprechenden Bauteilen führt zu höheren Fertigungskosten. Außerdem können die Bauteile unter der Wirkung von Druck und Temperatur ihre Form ändern. Bei ungünstigen Fällen kann der maximale Dichtspalt das gesamte Durchmesserspiel betragen. Das trifft zu, wenn Kolben und Zylinder zueinander maximal außermittig positioniert sind.

Dazu kommt die Ausführung der Nutkanten. Eine scharfe Kante schert den O-Ring beim Spalteintritt besonders leicht ab. Der Konstrukteur sollte daher einen Radius für die Nuteinstiche vorsehen. Zu geringe Schnurstärken machen O-Ringe anfällig für die Spaltextrusion. Zwar presst der Druck selbst stärkere O-Ringe in den Dichtspalt, doch sie halten dem Materialabtrag länger stand. Die Grundlagen zur richtigen Nutgestaltung lesen Sie im Beitrag zu O-Ring-Nuten.

Werkstoffauswahl

Die Wahl eines härteren O-Rings ist die Standardempfehlung für extrusionsgefährdete Anwendungen. Eigentlich ist es aber vor allem die Steifigkeit der Dichtung, die diese davor schützt, in den Spalt gepresst zu werden. Das Elastizitätsmodul des O-Rings unter verschiedenen Umgebungsbedingungen liegt aber oft nicht vor. Daher ist die Härte ein wichtiger Anhaltspunkt für die Extrusionsfestigkeit eines O-Ring-Werkstoffes. Wie die Shorehärte gemessen wird und was sie aussagt, lesen Sie im eigenen Beitrag.

Materialien, deren mechanische Eigenschaften mit steigender Temperatur deutlich nachlassen, sind sehr anfällig für hohe Drücke. Auch die Beanspruchung durch die Prozessmedien sollte bei der Werkstoffauswahl Beachtung finden. Schädigungen durch Quellung und Schwindung reduzieren die Widerstandskraft der Dichtung gegen Spaltextrusion.

So sichern Sie O-Ringe gegen Spaltextrusion

Die Kenntnis über das Wirkprinzip der Spaltextrusion und die Ursachen ist die entscheidende Grundlage für eine erfolgreiche Prävention. Daher sollten Konstrukteure, die Dichtungssysteme gestalten, möglichst umfangreich über das Verhalten von Elastomerwerkstoffen unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen informiert sein. Nur dann erkennen sie Dichtungsfälle mit einem besonders hohen Risiko für die Spaltextrusion und können während der Auslegung Gegenmaßnahmen treffen.

Bei der Werkstoffauswahl sollten die O-Ringe mit höherer Härte und Festigkeit den Vorzug erhalten. Dabei ist stets die Beständigkeit gegenüber den verwendeten Prozessmedien vorausgesetzt. Wenn es zur Anwendung passt, stellen O-Ringe aus Thermoplasten eine Alternative dar.

Weitere Möglichkeiten ergeben sich durch den Einsatz von Formdichtungen oder Stützringen. Formdichtungen können mit einer anvulkanisierten Verstärkung aus Gewebe versehen sein. So wird die Dichtung steifer. Ein ähnliches Prinzip verfolgen Konstrukteure mit dem Einsatz von Stützringen. Sie sind nicht fest mit dem O-Ring verbunden. Stattdessen setzt sie der Monteur vor dem O-Ring an der druckabgewandten Seite ein. Wirkt der Druck abwechselnd von beiden Seiten, kommt auf jeder Seite ein Stützring zum Einsatz.

Die Bauteile haben selbst keine Dichtwirkung, verhindern aber das Einwandern des O-Rings in den Spalt. Sie sind mit den verschiedensten Profilen in geschlitzten oder geschlossenen Ausführungen erhältlich. Damit passen sie sich der Einbausituation und den Einsatzbedingungen an. Der Standardwerkstoff für Stützringe ist PTFE, doch es finden sich auch POM oder PA.

Sind die Möglichkeiten bei der Materialauswahl ohne den erwünschten Erfolg ausgeschöpft, werden die Präventionsmaßnahmen aufwendiger. Weitere Ansatzpunkte sind die Verringerung des Dichtspalts und die feinere Bearbeitung der Nut. Statt Fasen sollte der Konstrukteur Radien einsetzen. Die Realisierung geringerer Toleranzen und präziser Radien erfordert aber einen erhöhten Fertigungsaufwand. Im Einzelfall muss die Entscheidung fallen, welche Kombination der Präventionsmaßnahmen der Spaltextrusion am effizientesten vorbeugt.

Unterstützung bei kritischen Einsatzbedingungen

Einsatzbedingungen, die sehr herausfordernd für O-Ringe sind, erfordern eine besonders sorgfältige Auslegung des gesamten Dichtungssystems. Dazu gehört die Auswahl des Dichtungswerkstoffs ebenso wie die Definition der Schnurstärke und die Gestaltung der Nut. Am einfachsten ließe sich die Situation natürlich durch die Reduktion des Systemdrucks entschärfen. Bei der Spaltextrusion ist dies der problematischste Faktor.

Da die Druckbereiche allerdings in der Regel durch andere Abhängigkeiten vorgegeben sind, sollte der Konstrukteur die verbliebenen Freiheitsgrade umso besser nutzen. Verschiedene Elastomer-Compounds mit oder ohne Stützring, Schnurstärke und Ausführung der Einbaunut bieten wirksame Ansätze zur Risikobegrenzung.

Häufige Fragen