Die Kunst der Kombination 1

Ob Stangen- oder Rotordichtung, für beide Bauarten gilt: Ihre unterschiedlichen Funktionen verlangen den Einsatz angepasster Dichtungswerkstoffe. Eine Lösung dafür bietet die Verwendung beispielsweise zweier Materialien. Sie so miteinander zu kombinieren, dass ihre gegenläufigen Eigenschaften sich ergänzen, ist eine Kunst der besonderen Art.

Ein einziger Werkstoff für Dichtungen? Das wäre der Traum der Konstrukteure! Gibt es aber nicht. Funktionsbestimmte Entwicklung, so nämlich lautet die Vorgabe. Beispiel Stangendichtung: Der Haftsitz erfordert hohe Steifigkeit, geringbleibende Verformung sowie hohe Reibung. Dynamische Dichtheit hingegen setzt etwa optimale dynamische Eigenschaften sowie niedrige Reibung voraus. Ähnliches gilt für Rotordichtungen. Ein Werkstoff allein kann diese Forderungen nicht erfüllen.

Was das beispielsweise für die Entwicklung von Stangendichtungen bedeutet, erläutert Dipl.-Ing. Martin Goerres, Leiter Produktentwicklung, LC Mobilhydraulik und Pneumatik bei der Merkel Freudenberg Fluidtechnic (Simrit) in Schwalmstadt: „Wir modifizieren beispielsweise bei unserer Leichtlaufdichtung LF 300 die Kontaktfläche im Druckbereich von 25 bis 200 bar. Auf diese Weise erhalten wir eine deutlich niedrigere Reibung.“ Als Nachteil bezeichnet der Experte den auf 320 bar begrenzten Einsatzbereich. Bei höheren Drücken (etwa bei 400 bar) wären Standarddichtungen besser geeignet.

Backringe für höhere Leistung
Für höhere Leistungen konzipierten Dichtungshersteller Backringe, die beispielsweise als sogenannte Full-Face-Backringe etwa aus POM oder PEEK hinter den normalen Dichtelementen plaziert werden. Sie verkleinern den Spalt, benötigen aber zusätzlichen Bauraum. Als Probleme sieht Goerres die schwierige Montage ungeschlitzter Ringe, beziehungsweise die Gefahr des Anknabberns des Dichtelements durch geschlitzte Ringe. Doch welche Gegenmaßnahmen bieten sich an? Eine Möglichkeit ist die Kombination zweier Werkstoffe. Goerres nennt ein Beispiel: „Unsere Stangendichtung HDR-2C setzt auf zwei  Polyurethanen auf, die sich hinsichtlich ihrer Härteeigenschaften – 93 Shore A, respektive 55 Shore D, entsprechend etwa 98 Shore A – ergänzen.“

Konkrekt: Simrit verwendet 92 AU 21100 bei den Dichtlippen sowie 98 AU 928 beim Dichtungsrücken. Goerres weiter: „Der Vorteil im Vergleich zu Full-Face-Backringen ist zudem, dass kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird. Der Nachteil: Zur Herstellung bedarf es spezieller Werkzeuge.“

Die Lösung eignet sich daher vor allem für anwenderspezifische Einsätze, bei denen ungeachtet hoher Belastung nur der Standardeinbauraum zur Verfügung steht.
Doch es gibt noch ganz andere Probleme: Bei Rotordichtungen kommen standardmäßig mehrteilige Dichtelemente zum Einsatz. Bei ihnen besteht allerdings die Gefahr der Relativdrehung der einzelnen Elemente. Die Montage erweist sich als, so Goerres, „teilweise komplex oder filigran“. Außerdem besteht bei geschlitzten Back-Ringen die Gefahr des Anknabberns. Und Dichtungen aus einem einzigen Werkstoff (zumeist Polyurethan) sind lediglich als Kompromiss anzusehen.  

Simrit setzt daher bei Rotordichtungen – etwa der CSDD-2C – auf ein weiches Material mit geringem Druckverformungsrest zur Aktivierung (92 AU 21100) sowie ein verschleiß- und temperaturfestes für die Kontaktfläche (98 AU 928). Simrit verbindet die beiden Polyurethane nicht nur chemisch, sondern auch mechanisch miteinander, um eine Relativbewegung beider Elemente zu vermeiden. Goerres: „Die Gestaltung der Gleitfläche sorgt zudem dafür, dass eine geringe Ölmenge unter die Dichtung gefördert wird. Das verhindert Trockenlaufen und zu hohe Reibung.“

Zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit beider Werkstoffe fuhr Simrit zuvor mit 300 Dichtungen Vergleichstests zwischen Standardprodukten und den Dichtungen mit zwei Werkstoffen. Die Versuchsbedingungen: Drücke von 250 bis 500 bar, Temperaturen von 60 bis 120 Grad Celsius, mittlere Hubgeschwindigkeit 0,3 Meter pro Sekunde, kurzzeitige Belastung von 50 000 Doppelhüben, Variierung des Spalts von 0,25 bis 1,5 Millimeter, Spaltradius 0,1 bis 0,5 Millimeter.

Eine weitere Versuchsreihe im Differentialbetrieb bei 400 bar, 100 Grad Celsius und einem Spaltradius von 0,3 Millimeter führte zu aufschlussreichen Ergebnissen. Goerres: „Bereits bei niedrigen Spaltmaßen tritt bei Standard-Polyurethan unter dieser Belastung Extrusion auf. Bei 0,5 Millimeter wird die Dichtung zerstört und Öl strömt aus. Wir brachen den Versuch dann nach wenigen tausend Doppelhüben ab. Bei der Zwei-Komponenten-Lösung (HDR-2C 60-75-10) kam es lediglich zu kleinen Extrusionsfahnen, das Material wurde aber nicht zerstört. Bis zu einem Spaltmaß von 0,7 Millimeter bestand volle Funktionsfähigkeit.“

Fazit
Dichtungshersteller können mit Kombinationen unterschiedlicher Werkstoffe gegenläufige Anforderungen erfüllen. Goerres: „Voll zum Tragen kommen die Vorteile der Werkstoffkombination aufgrund festen Verbundes der Materialien.“

Funktionen von Dichtungen
Die unterschiedlichen Funktionen die beispielsweise Stangendichtungen erfüllen müssen, erfordern zum Teil gegenläufige Werkstoffeigenschaften:

  • Haftsitz: Abwehren axialer Bewegungen der Dichtung im Einbauraum (Werkstoffeigenschaft: hohe Steifigkeit, geringe bleibende Verformung und hohe Reibung)
  • Statische Dichtheit: Verhindern von Leckage über den Nutgrund und Sichern des Druckaufbaus (Werkstoffeigenschaft: Gute Elastizität und hohe Anpresskraft)
  • Dynamische Dichtheit auch bei tiefen Temperaturen: Unterbinden von Leckage über die bewegte Stange (auch bei seitlicher Auslenkung), Sicherstellen des Druckaufbaus (Werkstoffeigenschaft: sehr gute dynamische Eigenschaften, geringe Relaxation auch in der Kälte, niedrige Reibung, Verschleißfestigkeit)
  • Extrusionsfestigkeit: Verhindern, dass die Dichtung bei hohem Druck und hoher Temperatur in den Spalt hinein extrudiert (Werkstoffeigenschaft: hohe Steifigkeit, Härte und Temperaturstabilität).