Stangendichtung

Dichtungstechnik

Oft wird übersehen, welchen entscheidenden Einfluss Dichtungen auf die Funktion und Lebensdauer von Anlagen haben.
Proportionalventile etwa sind schon ab Schmutzpartikelgrößen von 3 μm in ihrer Funktion gefährdet.
Wälzlager wiederum werden bereits durch Wasseranteile im Schmierstoff von gerade mal 200 ppm hinsichtlich ihrer Lebensdauer erheblich beeinträchtigt.

Für rotierende oder lineare Bauteile erfüllen Dichtungen grundsätzlich zwei Aufgaben: Einerseits schützen sie das empfindliche Innenleben der Maschinenelemente vor Verunreinigung, andererseits bewahren sie die Umwelt vor dem Austritt von Schmierstoffen oder hydraulischen Betriebsmitteln.

Dynamische Dichtungen

Dynamische Dichtungen haben die Aufgabe, Stoffübergänge zwischen zwei relativ zueinander bewegenden Bauteilen, von einem Raum in einen anderen, zu verhindern bzw. auf ein zulässiges Maß zu reduzieren.

Nach der relativen Bewegung der Bauteile zueinander unterteilen sich dynamische Dichtungen in rotatorische Dichtungen (oder Wellendichtungen) und in translatorische Dichtungen. Die Abdichtung translatorisch bewegter Bauteile ist eine häufige Aufgabe in der Hydraulik und der Pneumatik. Abdichtungen linear geführter Schlitten, Wägen oder Tische, beispielsweise an Werkzeugmaschinen, zählen ebenso zu den translatorischen Dichtungen.

Weiter können dynamische Dichtungen in die Gruppen der Berührungsdichtungen und berührungslosen Dichtungen unterteilt werden.

Wird die Dichtung zwischen den beiden abzudichtenden Räumen so stark verpresst, dass auch mikroskopische Spalte zwischen Dichtung und abzudichtenden Teilen so klein werden, dass der zurückzuhaltende Stoff nicht mehr durchdringen kann, spricht man von einer berührenden Dichtung. Die Anpresskraft muss dabei mindestens so groß sein, dass die mittlere Flächenpressung dem Druck des abzudichtenden Mediums entspricht.

Dichtungen, welche ohne mechanische Berührung der beiden Teile und Dichtstoff auskommen, werden berührungsfreie Dichtungen genannt. Die Dichtwirkung wird durch sehr eng ausgebildete Spalten realisiert. Wegen der Berührungslosigkeit ist die Lebensdauer praktisch unbegrenzt, allerdings sind höhere Leckverluste als bei Berührungsdichtungen hinzunehmen. Zu den berührungsfreien dynamischen Dichtungen zählen Labyrinthdichtungen, die mithilfe von Strömungseffekten den abzudichtenden Stoff so gut wie irgend möglich zurückhalten.

Die Einsatzgrenzen verschiedener dynamischer Dichtungen bezüglich der zulässigen Gleitgeschwindigkeiten können stark variieren. Zudem ist die Eignung der einzelnen dynamischen Dichtungen stark von folgenden Einsatzbedingungen abhängig:

• Translatorische, rotatorische Bewegung oder eine Kombination aus beiden
• Bewegungsgeschwindigkeit (Hubgeschwindigkeit oder Drehzahl)
• Abzudichtendes Medium (Wasser, Luft, Öl, etc.)
• Höhe der Dichtleistung
• Größe des Druckunterschiedes voneinander abzudichtender Räume
• Temperaturunterschied
• Stärke des abzuhaltenden Verschmutzungsgrades
• Montageaufwand
• Kosten

Dynamische Dichtungen dürfen nicht mit zusätzlichen Funktionen, wie das Führen des bewegten Bauteils oder das übertragen von Kräften, beaufschlagt werden.

Statische Dichtungen

Statische Dichtungen haben die Aufgabe Stoffübergänge zwischen zwei Bauteilen, von einem Raum in einen anderen zu verhindern bzw. auf ein zulässiges Maß zu reduzieren. Im Gegensatz zu dynamischen Dichtstellen, führen bei statischen Dichtstellen die abzudichtenden Flächen keine für die Funktion des technischen Systems notwendigen relativen Bewegungen zueinander aus.

Möglichst geringe Reibungskräfte, wie sie bei dynamischen Dichtungen gefordert werden, um Energieverluste zu vermeiden, sind bei statischen Dichtungen demnach nicht erforderlich, wodurch Anpresskräfte zwischen dem Dichtstoff und den abzudichtenden Teilen höher gewählt werden können und so eine höhere Dichtwirkung erzielt werden kann.

Jede statische Dichtung hat – abhängig von Dichtungsart, Material und Hersteller – eine minimal erforderliche Pressung und eine maximal erlaubte Pressung.

Die vorgegebene Mindest-Pressung stellt sicher, dass auch mikroskopische Spalte zwischen Dichtung und abzudichtenden Teilen, durch eine ausreichende elastische und plastische Verformung der statischen Dichtung, so klein werden, dass der zurückzuhaltende Stoff nicht mehr durchdringen kann. Die Anpresskraft muss dabei mindesten so groß sein, dass die mittlere Flächenpressung dem Druck des abzudichtenden Mediums entspricht.

Bei Porösen Dichtstoffen stellt die Mindest-Pressung zudem sicher, dass innere Hohlräume der statischen Dichtung verschlossen werden.

Die Mindest-Pressung muss so ausgelegt sein, dass sie auch im Betrieb unter allen Betriebsbedingungen wie Beispielsweise Temperatur, Verformung oder Schwingungen dem abzudichtenden Druck standhält.
Dabei darf aber die maximal erlaubte Pressung darf nicht überschritten werden, da sonst die Dichtung zerstört wird.

In Abhängigkeit der Parameter minimal erforderliche Pressung, maximal erlaubte Pressung und des abzudichtenden Drucks kann eine Vorauswahl der statischen Dichtung getroffen werden.

Weitere Auswahlkriterien für eine statische Dichtung sind

• die chemische und thermische Beständigkeit,
• der Einbauraum,
• die Leckageklasse,
• die Lebensdauer und weitere.

Statische Dichtungen lassen sich unterteilen in Dichtungen, die rein durch äußere Kräfte angepresst werden, und solchen Dichtungen, die durch den Systemdruck aktiviert werden.

Zu den statischen Dichtungen, die rein durch äußere Kräfte angepresst werden, zählen Beispielsweise Flachdichtungen. Da sie nicht druckaktiviert sind, passen sie sich nicht automatisch dem abzudichtenden Druck an.

Statische Dichtungen mit Druckaktivierung sind unter anderem O-Ringe, die bei der Montage nur vorgepresst werden. Ihre Dichtpressung steigt gleich dem Systemdruck, wodurch diese immer um die Vorpressung höher ist als der abzudichtende Druck.

Sonderformen der Statischen Dichtungen bilden die Dichtstoffe (auch Flüssigdichtungen oder Dichtmassen genannt).
Dichtstoffe sind plastische und/oder elastische Massen auf Basis bestimmter Polymere. Sie werden zum Abdichten von Fugen, Nähten, Flächen und Durchbrüchen verwendet. Bei Erfüllung dieser Aufgaben stellen die Dichtstoffe eine „Brücke“ zwischen den Oberflächen der Werkstücke aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien her. Der Funktionsmechanismus wird wesentlich von folgenden Faktoren beeinflusst:

• Durch Oberflächenhaftung des Dichtstoffes zum Werkstück (Adhäsion).
• Durch Festigkeit innerhalb des Dichtstoffes (Kohäsion).

Ebenso können unlösbare Verbindungen, wie Schweiß-, Löt-, Klebe- oder Pressverbindungen als statische Dichtstellen angesehen werden, da sie neben der Funktion der Kraftdurchleitung auch den Stoffaustritt verhindern.

Werkstoffe

Der Einsatztemperaturbereich und die Medienbeständigkeit sind Primärkriterien bei der Werkstoffauswahl.
Dennoch müssen die mechanisch-technologischen Werte einer Elastomermischung in angemessener Weise berücksichtigt werden, da sie für die Lebensdauer der Dichtung mitbestimmend sind.

NBR – Acrylnitril-Butadien-Kautschuk

NBR ist der meist verwendete Werkstoff wegen seiner guten mechanischen Eigenschaften und Beständigkeit gegen Schmieröle und -fette auf Mineralölbasis. Eine gute Beständigkeit gegen Kraftstoffe ist meist nur mit Sondermischungen gegeben.

Seine Eigenschaften werden im Wesentlichen durch den Acrylnitril-Gehalt (ACN zwischen 18 % und 50 %) bestimmt. Ein geringer ACN-Gehalt führt zu einer guten Tieftemperaturflexibilität aber eingeschränkter Beständigkeit gegen Öle und Kraftstoffe; bei steigendem ACN-Gehalt nimmt die Kälteflexibilität ab und die Öl- und Kraftstoffbeständigkeit zu.

Der NBR-Standardwerkstoff weist einen mittleren ACN-Gehalt auf, um mit ausgewogenen Eigenschaften einen breiten Anwendungsbereich abzudecken. Er zeigt gute mechanisch-technologische Werte, z. B. hohen briebwiderstand und gute Beständigkeit gegen Schmieröle und -fette auf Mineralölbasis, Hydrauliköle H, H-L, H-LP, schwerentflammbare Druckflüssigkeiten HFA, HFB, HFC, aliphatische Kohlenwasserstoffe, Silikonöle und -fette, Wasser bis ca. +80 ͦ C.

Nicht beständig hingegen ist NBR in aromatischen und chlorierten Kohlenwasserstoffen, Kraftstoffen mit hohem Aromatengehalt, polaren Lösungsmitteln, Bremsflüssigkeiten auf Glykolbasis und schwerentflammbaren
Druckflüssigkeiten HFD.

Die Ozon-, Witterungs- und Alterungsbeständigkeit ist gering. In den überwiegenden Anwendungsfällen, z. B. wenn der Werkstoff mit Öl benetzt ist, wirkt sich das jedoch nicht nachteilig aus.

FKM – Fluor-Kautschuk (Handelsname VITON®)

FKM-Werkstoffe zeichnen sich durch ihre sehr hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit aus. Außerdem sind die sehr gute Alterungs- und Ozonbeständigkeit, die sehr geringe Gasdurchlässigkeit (gute Eignung für Vakuumeinsätze) und das selbstverlöschende Brandverhalten zu nennen.

Der FKM-Standardwerkstoff zeigt sehr gute Beständigkeitseigenschaften in Mineralölen und -fetten, aliphatischen, aromatischen und chlorierten Kohlenwasserstoffen, Kraftstoffen, schwerentflammbaren Druckflüssigkeiten HFD und vielen organischen Lösungsmitteln und Chemikalien.

Neben den Standard-FKM-Werkstoffen sind verschiedene Sondermischungen erhältlich, die durch unterschiedliche Zusammensetzung der Polymerketten und variierende Fluorgehalte (65 % bis 71 %) für spezielle Anwendungen zugeschnitten sind.

Nicht beständig ist FKM generell in Heißwasser, Wasserdampf, polaren Lösungsmitteln, Bremsflüssigkeiten auf Glykolbasis und niedermolekularen organischen Säuren.

EPDM – Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk

EPDM-Werkstoffe zeigen allgemein eine gute Heißwasser-, Wasserdampf-, Alterungs- und Chemikalienbeständigkeit sowie einen großen thermischen Anwendungsbereich. Sie werden in schwefel- und peroxidvernetzte Typen unterteilt, wobei die peroxidischen Mischungen thermisch höher belastbar sind und einen deutlich geringeren Druckverformungsrest zeigen.

EPDM ist gut beständig in Heißwasser und Wasserdampf, Waschmittel-, Natron- und Kalilaugen, Silikonölen und -fetten, vielen polaren Lösungsmitteln, vielen verdünnten Säuren und Chemikalien. Bei Bremsflüssigkeiten auf Glykolbasis sind Sonderqualitäten zu empfehlen.

Eine absolute Unverträglichkeit besteht für EPDM-Werkstoffe mit jeglichen Mineralölprodukten (Schmierstoffe, Kraftstoffe).

Die Temperatureinsatzgrenzen liegen bei - 45 ͦ C bis +130 ͦ C
(- 50 ͦ C bis +150 ͦ C peroxidvernetzt).

VMQ – Silikon-Kautschuk

Silikon-Kautschuke zeichnen sich besonders durch ihren großen thermischen Anwendungsbereich und die exzellente Ozon-, Witterungs- und Alterungsbeständigkeit aus. Die mechanischen Eigenschaften von Silikon sind im Vergleich zu anderen Elastomeren eher gering. Im Allgemeinen sind Silikon-Werkstoffe physiologisch unbedenklich, d.h. sie finden u.a. Anwendung in lebensmittelnahen und medizinischen Bereichen.

Der Silikon-Standardwerkstoff ist einsetzbar im Temperaturbereich von - 55 ͦ C bis +200 ͦ C und ist beständig in Wasser (bis 100 ͦ C), aliphatischen Motoren- und Getriebeölen, tierischen und pflanzlichen Ölen und Fetten.

Nicht beständig ist Silikon generell gegen Kraftstoffe, aromatische Mineralöle, Wasserdampf (kurzzeitig bis 120 ͦ C möglich), Silikonöle und -fette, Säuren und Alkalien.

TPU – Thermoplastisches Polyurethan

TPU-Werkstoffe gehören zu der Gruppe der thermoplastischen Elastomere (TPE‘s). Die Stärke des TPU‘s liegt in der Kombination seiner guten Eigenschaften, sowohl der physikalischen und chemischen, als auch der verarbeitungstechnischen und wirtschaftlichen. TPU wird im Standard auf thermoplastischen Spritzgießmaschinen produziert und hat sich seit vielen Jahren in der Dichtungstechnik etabliert, speziell bei Hydraulikanwendungen.

TPU-Werkstoffe heben sich von den klassischen Elastomeren durch ihre deutlich höhere mechanische Festigkeit ab. Weitere hervorragende Werkstoffeigenschaften sind ein hoher Abrieb-, Verschleiß- und Extrusionswiderstand, große Druckbelastbarkeit sowie eine hohe Reiß- und Weiterreißfestigkeit.

Der TPU-Werkstoff zeigt eine gute Flexibilität (auch im oberen Härtebereich) im Temperatureinsatzbereich von -40 ͦ C bis +100 ͦ C und eine sehr gute Alterungs- und Ozonbeständigkeit. TPU ist gut einsetzbar in Mineralölen und -fetten, Hydraulikölen H, HL, HLP, Silikonölen und -fetten, schwerentflammbaren Druckflüssigkeiten HFA und HFB und Wasser bis 50 ͦ C sowie reinen aliphatischen Kohlenwasserstoffen.

PTFE – Polytetrafluorethylen

PTFE ist ein fluorierter Kunststoff. PTFE verfügt über eine Vielzahl positiver Eigenschaften, die in der Dichtungstechnik unentbehrlich geworden sind. Er zeichnet sich aus durch seine fast universelle Chemikalienbeständigkeit, den breiten Temperatureinsatzbereich von -100 ͦ C bis +250 ͦ C, einen äußerst geringen Reibungswert und daraus resultierende sehr gute Gleiteigenschaften, kein Stick-Slip-Effekt, besondere Steifigkeit und die nahezu unbegrenzte Ozon-, Witterungs- und Alterungsbeständigkeit. Fast alle bekannten Hydraulikmedien, Schmierstoffe, Chemikalien und Lösemittel können dem PTFE nichts anhaben.

Nur elementares Fluor und Alkalimetalle greifen es bei hohen Temperaturen und Drücken an. Reines PTFE enthält keine extrahierbaren Stoffe, die auswandern und sich auf angrenzende Materialien ungünstig auswirken könnten. Es ist daher physiologisch unbedenklich und auch für Lebensmittel, pharmazeutische und medizinische Einsatzbereiche besonders geeignet. PTFE ist nicht entflammbar und stellt damit im Brandfall keine zusätzliche Gefahr dar.

PTFE ist nicht oder nur wenig elastisch. Deshalb werden PTFE-Dichtelemente durch elastische Vorspannelemente in Form von O-Ringen oder Edelstahlfedern aktiviert.

Aber auch PTFE hat gewisse Nachteile, wie z. B. die Neigung zum Kaltfluss oder Kriechen des reinen PTFE’s unter Druckbelastung. Diese Schwächen werden jedoch bei den Dichtungscompounds durch die Beimengung von Füllstoffen ausgeglichen. Füllstoffe, z. B. Bronze gefüllte Compounds, verleihen dem PTFE die Fähigkeit, sich den meisten Einsatzbedingungen anzupassen.

NBR F – Gummi-Gewebe-Werkstoffe

Als Basis für Gummi-Gewebe-Werkstoffe können Baumwoll- oder Kunstfasergewebe verwendet werden. Im Standard wird für Hydraulikdichtungen Baumwollgewebe verwendet. Außerhalb des Standards stehen eine ganze Reihe anderer Gewebearten und fast alle Elastomere für die Imprägnierung zur Verfügung.

Das Gewebe wird für die Herstellung von Hydraulikdichtungen mit einer NBR-Elastomerlösung imprägniert. Später werden entsprechende Abmessungen aus dem imprägnierten Fell geschnitten und für die Weiterverarbeitung aufgerollt und anschließend in Vulkanisationspressen unter Einfluss von Temperatur und Zeit zur Hydraulikdichtung vulkanisiert.

Hydraulikdichtungen werden entweder vollständig aus Gummi-Gewebe-Werkstoff hergestellt oder es werden Segmente der elastomeren Dichtung mit Gewebe armiert, z. B. die Lauffläche oder die druckabgewandte Seite, um einen besseren Schutz gegen Spaltextrusion zu erreichen.

Die sogenannte Mehrkomponentendichtung kann durch Anvulkanisieren von reinem Elastomer hergestellt werden.
Die Vorteile der imprägnierten Gummi-Gewebe-Hydraulikdichtungen sind vielfältig. Sie besitzen eine hohe Verschleißfestigkeit, sehr gute Reib- und Gleiteigenschaften (durch den in den Gewebeschmiertaschen eingelagerten Schmierstoff), eine gute Tieftemperaturbeständigkeit und eine hohe Druckstands- und Extrusionsfestigkeit. Außerdem sind Gummi-Gewebe-Hydraulikdichtungen sehr formstabil und haben eine geringe Quellneigung in Hydraulikmedien.

Sie sind auf Grund ihrer robusten Bauweise und Werkstoffkombination besonders für schwere Einsatzbedingungen,
z. B. in der Mobilhydraulik oder sogar der Schwerhydraulik, geeignet.