Ratgeber O-Ringe und Dichtungsringe

O-Ringe sind eine der am weitesten verbreiteten von Dichtungen. Sie gehören zu den ältesten industriell hergestellten Elementen und werden zur Abdichtung von dynamischen, hydraulischen und pneumatischen Bauelementen verwendet, z.B. in Armaturen und im Automobilbau. Form und Funktion sind über die letzten 120 Jahren gleich geblieben, die Materialien haben sich jedoch entscheidend weiterentwickelt, um verschiedenen Ansprüchen zu genügen und auch unter schwierigen Bedingungen perfekt abzudichten. Sie sind in Deutschland nach DIN 3771-1 (ISO 3601-1) genormt und bieten eine einfache Lösung für ein alltägliches Problem. Die eigentliche Frage lautet daher: Welche Dichtung eignet sich für was? Auf diese und weitere gehen wir im Verlauf dieses Ratgebers ein.

O-Ring-Größen errechnen sich aus dem Produkt aus Innendurchmesser und Schnurstärke. Letzteres bezieht sich auf den Durchmesser des runden Querschnitts.

Dichtungsringe verhindern Leckagen zwischen Verbindungen aus Rohren, Leitungen und Anschlüssen. Die Dichtungswirkung ist bidirektional, d.h. das Eindringen von Fremdkörpern oder Partikeln ins Leitungssystem wird ebenso verhindert. Oftmals werden O-Ringe in Bereichen eingesetzt, in denen sie sehr hohem Druck standhalten müssen. Die Anforderungen diese Art von Dichtungen sind daher höher als bei einfachen aus Kork, Papier oder Gummi.

O-Ringe werden in eine Nut zwischen zwei Verbindungsstücken eingesetzt, die durch das Elastomer perfekt ausgefüllt wird. Je mehr Druck auf den Dichtungsring wirkt, desto mehr verformt dieser sich und desto fester dichtet er. Wird ein bestimmter Punkt überschritten, z.B. bei extrem hoher dynamischer Krafteinwirkung, kann dies die Dichtwirkung wiederum mindern. Daher ist es wichtig, einen guten Kompromiss zwischen Materialformbarkeit (auch Kompressionsrate genannt), Größe und Drucktoleranz zu finden, damit die Dichtung zuverlässig hält. Darüber hinaus verschleißen O-Ringe durch erhöhte oder langfristige Beanspruchung. In diesem Falle empfiehlt sich ein Austausch, um die ursprüngliche Dichtheit wiederherzustellen.

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen statischen und dynamischen O-Ringen. Während erstere für den Kontakt mit zwei oder mehr Oberflächen vorgesehen ist, die sich nicht relativ zueinander bewegen, dichten dynamische O-Ringe bewegliche Bauteile ab. Statische Anwendungen sind beispielsweise radiale oder axiale Dichtungen, dynamische zum Beispiel Dichtungen in Kolben.

Unter Druck verschiebt sich der O-Ring in seiner Nut in Richtung der Niederdruckseite der Dichtung und drückt sie immer dichter gegen die Innenwände der zwischen zwei Bauteilen befindlichen Verbindungselemente. Dabei verformt sich das Dichtungselement. Die für statische O-Ringe verwendeten Materialien weisen meist eine höhere Kompressionsrate auf. Diese kann bis zu 30 Prozent betragen. Bei dynamischen Anwendungen wirken zusätzliche Belastungen wie Scherkräfte auf die Dichtung ein, weshalb die Kompression nicht mehr als 16, bei kleineren Querschnitten maximal 20 Prozent betragen sollte.

Solange die Beanspruchungsrate des gewählten O-Ringes unterschritten bleibt, sind selbst unter hohem Druck Leckagen weitgehend ausgeschlossen. Die Extrusion des Dichtungsrings in den Spalt erhöht die Dichtwirkung noch weiter. Allerdings können bestimmte Faktoren wie Abrieb oder Kontakt mit Mineralöl zu einer vorzeitigen Materialermüdung führen. Darüber hinaus benötigen dynamische O-Ringe mehr Schmierung und sollten regelmäßiger auf Verschleiß geprüft werden. Die Auswahl des richtigen Materials sowie Pflege von Dichtungsringen minimiert hingegen Wartungskosten.

Jeder O-Ring verfügt über besondere Eigenschaften wie Resistenz gegenüber bestimmten Chemikalien und Mediendurchlässigkeit, die ihn für bestimmte Einsatzbereiche tauglich machen. Neben den Standardausführungen mit rundem Querschnitt existieren noch andere Formen, z.B. mit quadratischem oder kreuzförmigem Querschnitt.Untenstehend finden Sie eine Übersicht der verschiedenen O-Ring-Materialien und deren besonderen Eigenschaften.

Dichtungsgummis aus Naturkautschuk

Flache Dichtungsgummis gehören zu den einfachen Dichtungsringtypen und werden zum Beispiel im Sanitärbereich eingesetzt, als Abdichtungen für Armaturen und Rohrverbindungen. Gummidichtungen sind in einer sehr breiten Palette von Dichtungs- und O-Ring-Typen erhältlich, einschließlich Naturkautschuk sowie einer großen Auswahl an anderen Elastomer- und Mischungsprodukten.

Viton® ist der Handelsname für einen von Chemours (ehemals Du Pont de Nemours) produzierten Fluorkautschuk. O-Ringe aus diesem Material stellen eine beliebte Alternative zu den weit verbreiteten Nitril-Dichtungen dar und eignen sich hervorragend für höhere Temperaturen. Darüber hinaus weisen sie eine hohe Beständigkeit gegenüber aggressiven Chemikalien wie Mineralöl und Säuren auf. Produkte aus 100 % (jungfräulichem) Viton® sind Mischungen vorzuziehen, da solche Polymerblends nicht für dieselben Temperaturen und mechanischen Belastungen ausgelegt sind wie die Originale.

Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), oftmals Nitrilkautschuk oder einfach Nitril abgekürzt, ist eines der beliebtesten und preiswertesten Materialien für Dichtungsringe. Durch die konstante Dichtungsverträglichkeit gegenüber Flüssigkeiten und Gasen, darunter Wasser, Benzin, Mineralöl und Propan, erweisen sich Nitril-O-Ringe als vielseitig einsetzbar. Der Kontakt mit Phosphatester-Hydraulikflüssigkeiten, Bremsflüssigkeiten und halogenierten Kohlenwasserstoffen hingegen schädigt Nitril, ebenso wie sehr hohe oder niedrige Temperaturen. Im Gegenzug sind Nitril-O-Ringe äußerst abriebfest. Die endgültigen Materialeigenschaften variieren je nach Nitrilgehalt. Der standardgemäße Anteil in Polymerblends beträgt 32 Prozent. Andere Mischungen mit einem Nitrilanteil von 50 Prozent oder mehr sind beispielsweise für den Einsatz in Kohlenwasserstoffanwendungen bestimmt; Dichtungsringe, die für sehr niedrige Temperaturen ausgelegt sind, enthalten nur maximal 18 Prozent Nitril.

In der Industrie ist Silikon von enormer Wichtigkeit und bildet den Standard für viele Dichtungen. Ein großer Vorteil von Silikon-O-Ringen ist ihre Resistenz gegenüber Ozon, Säuren und Wasser sowie ihre gute Witterungs- und Hitzebeständigkeit. Diese Eigenschaften machen sie fast unentbehrlich für Anwendungen in Außenbereichen. Auch bei mechanischer Beanspruchung beweisen sie eine hohe Scher- und Zugfestigkeit. Noch bessere Reißfestigkeit bieten spezielle Silikonkautschukmischungen.

Wellendichtringe dienen überwiegend zum Abdichten von Rohren und Leitungen in niedrigen Druckverhältnissen. Sie bestehen aus einem Metallring, der in ein Elastomer- oder Metallgehäuse umfasst und mit einer Wurmfeder, bei neueren Ausführungen mit einer Staublippe, versehen ist. Sie kommen beispielsweise dort zum Einsatz, wo ein Metall-O-Ring (s.u.) aufgrund thermischer Ausdehnung nicht ausreichend abdichten. Wellendichtungsringe sind nach DIN-Norm 3760 genormt, Dichtungen für Kraftfahrzeuge nach DIN 3761.

Dichtungsringe aus Metall werden vor allem in Bereichen eingesetzt, in denen extrem hohe Temperaturen oder Druckverhältnisse herrschen, z.B. in Schwermaschinen. Diese typischerweise aus Edelstahl gefertigten Dichtungselemente gelten als äußerst strapazierfähig, vor allem bei statischen Anwendungen, eignen sich jedoch weniger für dynamische Belastungen.

Je nach Einsatzumgebung (z.B. Temperatur), mechanischer (statischer oder dynamischer) Belastung und Material kann die Lebenszeit eines O-Rings kürzer oder länger ausfallen. Ebenso kann falsche Lagerung Dichtungsringe vorschnell altern lassen. Typische Faktoren, die sich auf die Haltbarkeit auswirken sind zum Beispiel

• die Temperatur (korrekte Lagerung bei 20° C),
• Luftfeuchtigkeit (ideal sind 65 %),
• Ozon (bei Dichtungen aus Elastomer),
• aggressive Medien wie Mineralöle oder Säuren,
• direkter Kontakt mit bestimmten Metallen wie Kupfer, Stahl oder Mangan, UV-Strahlung (durch Sonnenlicht oder Leuchtstoffröhren).

Grundsätzlich sollten O-Ringe aus Elastomeren liegend, nicht hängend gelagert werden. Bei sachgemäßer Lagerung sind Nitril-O-Ringe bis zu fünf, Dichtungsringe aus Fluorsilikon gar bis zu 15 Jahre haltbar.

Hochtemperatur-Dichtringe halten extremer Hitze stand, ohne dass es dabei zu Einbußen in der Dichtwirkung kommt. Sie werden vor allem in industriellen Umgebungen wie Öl- und Gasraffinerien eingesetzt, sowie bei chemischen Produktionsanlagen oder anderen Bereichen, in denen hohe Temperaturen im Spiel sind. Weitere Anwendungsgebiete sind Luft- und Raumfahrttechnik oder Hochleistungsmotoren. Typische Materialien mit hoher Temperaturbeständigkeit sind Nitril, hydriertes Nitril, Silikonkautschuk und Polyacrylat, wobei die spezifische Betriebstemperatur ausschlaggebend ist, um eine wirtschaftliche Kaufentscheidung zu treffen.

Verbrennungsmotoren

Insbesondere bei Hochleistungs- oder Turbomotoren herrschen hohe Temperaturen und Druckverhältnisse, die robuste Materialien voraussetzen. Doch nicht nur die mechanischen Ansprüche an O-Ringe sind hoch. Viele einfache Kautschuke und Polymere sind nicht für die Verwendung mit Mineralölen, Kraftstoffen oder Kühlmitteln geeignet. Daher empfehlen sich O-Ringe aus speziellen hergestellten Materialmischungen hergestellt werden, die auch bei Kontakt mit in Motoren verwendeten chemischen Subtanzen die Dichtungswirkung beizubehalten. Zugleich müssen sie hoher Hitze standhalten. Empfehlenswerte Materialien sind beispielsweise Silikon-Kautschuk (VMQ) und Polyacrylat-Kautschuk (ACM).

Lebensmittelproduktion

Als „lebensmittelecht“ deklarierte O-Ringe müssen den Normen der EU-Richtlinie EG 1935/2004 entsprechen. Erst dann sind sie zur Verwendung in der Lebensmittelproduktion bzw. zur Zubereitung von Speisen und Getränken freigegeben, wo der Kontakt mit Wasser, sauren Zutaten sowie Fetten/Ölen die Integrität der Dichtungen potenziell gefährdet. Einige gängige lebensmittelechte Werkstoffe sind EPDM, Fluorkarbon, Nitril, Neopren und Silikon.

CO2-haltige Einsatzumgebungen

Kohlendioxid stellt oft ein Problem für viele Arten von O-Ringen dar: Weichere Materialien neigen dazu, das Gas mit der Zeit zu absorbieren, was zu einem „aufzublähen“ des Ringes führt. Dadurch kann keine zuverlässige Dichtung garantiert werden. Im Laufe der Zeit führt das dazu, dass der O-Ring spröde wird.

Für Anwendungen, bei denen der O-Ring CO2-Kontakt hat, empfehlen sich Materialien wie Polyurethan, PTFE, Nitril und Fluorelastomere. Berücksichtigen Sie bei der Wahl des Werkstoffes auch andere Umweltbedingungen wie Temperatur, mechanische Beanspruchung oder Ozon.

Luftfahrt

Gerade in der Luft- und Raumfahrt müssen O-Ringe chemisch hochbeständig sein und in einem breiten Temperatur- und Druckbereich arbeiten können, um Unfälle zu vermeiden. Besonders kritische Stellen sind Dichtungen für Tankdeckel, Kraftstoffsysteme und Ventildeckel. Hierfür eignen sich u.a. Nitrile, Ethylen-Propylen, Fluorsilikone.