Lebensdaueroptimierung von PTFE-Dichtungen Mischung und Geometrie stimmt - KEM

Lebensdaueroptimierung von PTFE-Dichtungen

Mischung und Geometrie stimmt

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Mit PTFE und PTFE-Compounds kommen Dichtungswerkstoffe zum Einsatz, welche in puncto Lebensdauer, Reibung, Beständigkeit und Produktdesign zusätzliche Sicherheit geben. Bedingung dafür ist die optimale Abstimmung zwischen Dichtungswerkstoff und Gegenlauffläche.

Der Autor Dipl.-Ing. (FH) Thomas Deigner ist Leiter Vertrieb bei Elring Kunststoff-Technik GmbH, Bietigheim-Bissingen

Langzeitverschleiß untersucht
Um ein Produkt funktionsoptimiert zu gestalten, muß die beste Kombination zwischen Dichtungsdesign, PTFE-Compound und Gegenlaufoberfläche definiert werden. Deshalb hat Elring Kunststoff-Technik Langzeitverschleißuntersuchungen der verschiedenen PTFE-Compounds auf unterschiedlichen Gegen-laufoberflächen, mit und ohne Oberflächenbeschichtung durchgeführt. Mit diesen Prüfstandsergebnissen ist man somit in der Lage, schon im voraus die optimale Auswahl des PTFE-Compounds und der Ausführung der Gegenlauffläche festzulegen. Weiterhin ist es möglich PTFE-Compounds gezielt zu entwickeln, da durch die ausgewählte Zugabe von Füllstoffen in die PTFE-Matrix z.B. der Parameter LebensdauerLangzeitverschleiß optimiert werden kann. Der Aufbau des Langzeitverschleiß-Prüfstandes sieht folgendermaßen aus: Auf einer Prüfscheibe mit entsprechender Oberfläche rotieren drei PTFE-Versuchskörper. Als Pa-rameter können Drehzahl, Anpressdruck, Temperatur, Atmosphäre, Zeit und Geschwindigkeit eingestellt werden. Ausgewertet wird dann der Abrieb der PTFE-Versuchskörper, aber auch das Einlaufen in die Gegen-laufoberfläche. Bei Bedarf kann ebenfalls die Erwärmung der Prüfscheibe während des Versuches erfasst werden.
Untersuchungs-ergebnisse
Auf dem Diagramm 1 sind die Verschleißergebnisse von zwei PTFE-Compounds auf unterschiedlichen Gegenlaufoberflächen im absoluten Trockenlauf dargestellt. Der Werkstoff HS21037 ist ein Werkstoff mit Kohle- und organischer Füllung. VS15167 ist ein Versuchswerkstoff mit rein organischem Füllstoff zur Verschleißoptimierung. Die Gegenlaufoberflächen waren Edelstahl, Chromoxid (aufgespritzt), hartanodisiertes Aluminium, Chromnitrid (PVD-Schicht), TiCN (PVD-Schicht) und eine Nickel-Phosphorschicht mit PTFE-Einlagerung. Als Ergebnis sieht man einen bis zu Faktor 10 unterschiedlichen Abrieb der einzelnen Oberflächen zueinander, welches sich so direkt auf die Lebensdauer der Dichtung auswirkt.
In einer ähnlichen Größenordnung bewegt sich auch die Verbesserung durch den Versuchswerkstoff, die Lebensdauer der Dichtung nochmals zu erhöhen. Als gute Standardlösung für den Anwender hat sich Edelstahl ungehärtet oder plasmanitriert und die hartanodisierte Aluminiumoberfläche erwiesen. Benötigt man eine hohe Oberflächenhärte, so eignet sich die Chromoxidschicht. Die Abriebwerte der TiCN- und NiP/PTFE-Schicht zeigen zwar bessere Ergebnisse als die Chromoxidschicht, sind jedoch auf Grund ihrer geringen Schichtdicke eingelaufen und somit nur bedingt zu empfehlen. Bei der Chromoxidschicht fiel noch auf, daß die Wärmeleitfähigkeit zu wünschen übrig läßt, welches bei Anwendungen im Zusammenhang mit ölgeschmierten Dichtungen zu beachten ist, damit die Dichtstelle nicht in den Temperaturbereich für Ölkohlebildung kommt. Vergleicht man die Abriebeigenschaften von HS21037 auf der Chromoxidschicht mit der Edelstahloberfläche, so ist ein deutlicher Unterschied zu erkennen, jedoch ein unwesentlicher Unterschied für VS15167. Dies zeigt, dass die Abriebergebnisse nicht verallgemeinert werden können, sondern stets die konkrete Paarung PTFE-Compound zur Gegenlauffläche untersucht werden muss.
Versuch unter Stickstoffatmosphäre
Bei einem weiteren Versuch wurde der Anpreßdruck von 0,42 N/mm² auf das doppelte erhöht und auf eine Stickstoffatmosphäre umgestellt. Im Vergleich zum Diagramm 1 zeigt der PTFE-Compound HS21037 einen höheren Verschleiß wie unter normaler Atmosphäre. Dies ist zu erklären, da die Stickstoffatmosphäre trockener wirkt als Luft. Aber die wesentliche Erkenntnis ist der hohe Verschleißanstieg durch die Verdopplung der Anpresskraft. Bei der Produktauslegeung bedeutet dies, daß die Anpresskraft der Dichtlippe einen bestimmten Wert nicht überschreiten darf, um auf die geforderte Lebensdauer zu kommen.
Produktbezogene Erkenntnisse
Folgende Erkenntnisse aus den Verschleißuntersuchungen sind auf die Produkte umsetzbar:
n Radialwellendichtring mit PTFE-Lippe finden ihren Einsatz zur Abdichtung von drehenden Wellen. Bei RWDR konnte durch die richtige Kombination des PTFE-Werkstoffes für die Dichtlippe und der dazugehöhrigen Oberflächenbeschichtung der Welle die Lebensdauer auf ca. 20 000 Stunden, unter Mangelschmierung bei einer Gleitgeschwindigkeit von bis zu 40m/s gesteigert werden.
n Federunterstützte Nutringe aus PTFE werden zur Abdichtung von hin- und hergehenden Kolben und Stangen eingesetzt.
Durch die Abriebversuche konnten PTFE-Compounds entwickelt werden, welche bei erhöhten P-V-Werten noch entsprechende Lebensdauer erreichen und dies ohne Zusatzschmierstoff auch noch bei Temperaturen bis ca. 300 °C.
n Memory Manschetten aus PTFE werden vorwiegend zur Abdichtung hin- und hergehender Kolben und Stangen eingesetzt. Auf Grund der relativ dünnen Dichtlippe und der Anforderung an die Leichtgängigkeit der Memory Manschette, kann durch die dafür eingestellte Anpresskraft in Kombination mit dem PTFE-Com-pound die Laufleistung im Trockenlauf auf das vierfache erhöht werden
n Memory Manschetten mit integriertem Führungsbund dichten hin- und hergehen-de Kolben und Stangen ab, ohne dazu ein zusätzliches Führungselement zu benötigen, um die Seitenkräfte aufzunehmen. Um die Kombination von Dichtung und Führung zu realisieren, war dies durch eine verbesserte Druckstandsfestigkeit des Dichtungswerkstoffes zu erreichen, da nur so die zusätzlich auftretenden Querkräfte aufgenommen werden können.
n PTFE-Kolbenringe finden ihren Einsatz als Dichtelement bei Trockenlauf-Kompressoren mit Kolbenprinzip.
Durch entsprechende Paarung des PTFE-Compounds in Bezug auf die Gegenlauffläche können PTFE-Kolbenringe auch ohne Schmierung eine Laufleistung von über 10 000 Stunden erreichen. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades wurden PTFE-Kolbenringe mit gasdichtem Stoß entwickelt.
PTFE-Compounds richtig auslegen
Die Beispiele der heutigen Standardprodukte zeigen, dass es absolut notwendig ist, die Dichtstelle in ihrer Gesamtheit zu betrachten und alle Bauteile lebensdaueroptimiert auszulegen. Somit ist man auch in der Lage, für komplexe Multifunktionsteile den richtigen PTFE-Compound und die Gegenlauffläche bzw. deren Beschichtung im voraus auszulegen, da aus den umfangreichen Versuchen mit vorhandenen PTFE-Compounds auf den verschiedenen Gleitoberflächen die Kennwerte vorliegen. Die Vorteile der Endprodukte sind u. a. längere Revisionszyklen, höhere Gleitgeschwindigkeiten, Reduzierung von Reibwärme und Reibkraft, Anpassung des Werkstoffes an den Gegenlaufwerkstoff.
PTFE-Herstellung auch ohne Formenkosten
Obwohl PTFE in der Gruppe der Kunststoffe/Thermoplaste angesiedelt, wird es nicht wie die meisten Thermoplaste im Einspritzverfahren mit einem Formwerkzeug hergestellt, sondern gepresst, gesintert und dann spanend in Form gebracht. Durch den Herstellungsprozess ohne Formwerkzeuge und somit ohne hohe Formwerkzeugkosten, ist es wirtschaftlich, auch bei geringeren Stückzahlen schon kundenspezifische PTFE-Dichtungen herzustellen.
Ausführliche Informationen
PTFE-Dichtungen
KEM 432
Radialwellendichtringe
KEM 433
Memory Manschette
KEM 434
Internet
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