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Mit faserverstärkter Gummischicht

Flachdichtungsmaterial für statische Anwendungen
Mit faserverstärkter Gummischicht

Unter ungünstigen Betriebsbedingungen mit Überlagerungen von dynamischen Einflüssen zeigen konventionelle Flachdichtungen auf Faserbasis Schwächen. Das Flachdichtungsmaterial MatriCS(r) besitzt selbst bei niedrigen Flächenpressungen eine hervorragende Anpassungsfähigkeit an die Dichtflächen bei hoher Ausblassicherheit, Temperaturbeständigkeit und Nachzugsfreiheit der Dichtverbindung.

Dipl.-Ing. (FH) Matthias Eppler, Dr. Rolf Gladen

Gesickte Dichtungen aus elastomerbeschichtetem Blech in verschiedenen Metallversionen und mit Beschichtungsdicken von 25 µm oder 60 µm aus Fluorkautschuk (FKM) oder Nitrilkautschuk (NBR) sind unter der Bezeichnung Retall(r) bereits am Markt etabliert [1]. Das Flachdichtungsmaterial MatriCS (Matrix Coated Steel) verbindet die Vorteile der reinen Weichstoffe, beispielsweise Kompressibilität, mit denen der Retalldichtungen.
Aufbau des Dichtungsmaterials
MatriCS-Dichtungen werden zur Zeit in zwei Varianten produziert. Standard ist ein Metallträger aus 0,25 mm dickem Baustahl. Bei MatriCS plus wird 0,20 mm dicker, nichtrostender Federstahl eingesetzt. Die Gesamtdicke beträgt bei beiden Ausführungen 0,5 mm. Im Unterschied zu Retall ist die Gummibeschichtung (NBR) mit Fasern verstärkt. Dies verleiht dem Material eine Kompressibilität und Rückerholung, die der von manchen Weichstoffen auf der Basis von gummigebundenen Fasern nahekommt. Damit verbessern sich Anpassungsfähigkeit und Temperaturbeständigkeit. MatriCS wird mit einer Antihaftschicht versehen, die einen niedrigen Reibwert besitzt. Das erleichtert die Demontage und ermöglicht Bauteil-Relativbewegungen ohne Zerstörung der Beschichtung.
Funktionsweise der Dichtungen
Für die meisten Anwendungen werden Dichtungen aus MatriCS jedoch mit speziell eingeprägten Sicken eingesetzt. Dies bewirkt selbst bei geringen Schraubenkräften eine hohe Linienpressung und damit eine sehr gute Dichtwirkung. Zudem können deutlich größere Unebenheiten ausgeglichen werden als bei Dichtungen ohne Sicke. Die Dichtlinien (Sicken) werden in ihrer Geometrie und Steifigkeit konstruktiv den Bauteilgegebenheiten und Abdichtbedingungen angepaßt. Um immer die optimale Lösung zu finden, werden die Dichtungen entsprechend den Kundenvorgaben für jeden Anwendungsfall neu ausgelegt.
Bei Faserdichtungen ist die Dichtwirkung vor allem zwischen den Schrauben der Dichtverbindung problematisch. Aufgrund der Durchbiegung der Bauteile gibt es Stellen mit ungenügender Flächenpressung. Dort werden die Poren der Dichtung nicht ausreichend verpreßt und die Oberflächenanpassung ist mangelhaft. Dadurch können sich Leckagekanäle (Abb. 1, unten) bilden. MatriCS mit Sicke besitzt dagegen an allen Stellen der Dichtverbindung eine federnde Mehrfach-Dichtlinie, die sich sowohl an die Rauhigkeiten als auch an die Unebenheiten der Bauteile sehr gut anpaßt (Abb. 1, oben). Im stark gepreßten Schraubenbereich ist die Sicke fast flachgequetscht; zwischen den Schrauben nimmt diese Verformung bis zur Stelle der geringsten Schraubenkraft ab. Eine Undichtigkeit durch den Materialquerschnitt ist bei diesem Dichtsystem aufgrund des Materialaufbaus nahezu ausgeschlossen. Selbst grob gefräste Dichtflächen können zumeist abgedichtet werden.
Vorteile
Der Metallträger bewirkt Ausblassicherheit. Wichtig ist die hohe Temperaturbeständigkeit von MatriCS. Aufgrund der speziellen Rezeptur der Beschichtung aus hochwertigen Fasern und Elastomer liegen die Einsatzgrenzen mit -40 °C bis ca. +220 °C, kurzzeitig +300 °C, deutlich höher als bei Retall-Dichtungen mit vergleichbarer Elastomerbeschichtung (ca. 180 °C) oder bei Dichtungen aus reinem NBR (120 °C).
Ein bekannter Nachteil beim Einsatz von Faserdichtungen, gerade bei höheren Temperaturen, ist das Setzen der Dichtung. Bei MatriCS ist dies aufgrund der geringen Schichtdicke und der Faserarmierung der Beschichtung vernachlässigbar gering. Bei einer Prüftemperatur von 300 °C wurde z. B. eine von der Flächenpressung nahezu unabhängige Warmverformung von maximal nur 5% gemessen. Das gewährt auch bei langer Einsatzdauer eine hohe Sicherheit der Abdichtung im Betrieb. Das Nachziehen der Dichtung nach dem Einbau entfällt.
Für problematische Anwendungengeeignet
MatriCS-Dichtungen kommen gerade in problematischen Anwendungsbereichen zum Einsatz. Ein Beispiel aus der Praxis soll dies verdeutlichen. Abbildung 2 zeigt den Zylinderkopf, die Ventilplatte und die Zylinderkopfdichtung eines Kältekompressors. Mehrere Faktoren machen den Einsatz einer Faserdichtung in diesem Fall unmöglich:
• Der Steg in der Mitte des Zylinderkopfes zwischen Saug- und Druckseite ist lang und hat nur zwei Schrauben, die weit vom Steg und der konstruktiv idealen Dichtlinie (gedachte Verbindungslinie zwischen zwei Schrauben) entfernt sind. Im vorliegenden Fall sind die Schrauben auch von der tatsächlichen Dichtlinie entfernt. Deshalb liegt am Mittelsteg nur eine geringe Flächenpressung vor, zumal auch die Ventilplatte nicht biegesteif ist.
• Der hohe, stoßartige Druck beim Anfahren vermindert die Flächenpressung schlagartig und ermöglicht damit das Bersten einer unverstärkten Weichstoffdichtung.
• Die Entlastung der Dichtverbindung durch den Innendruck reduziert im Betriebszustand die Flächenpressung weiterhin auf ein dann für Faserdichtungen zu geringes Niveau.
Diese Situation bewirkt bei Weichstoffdichtungen Undichtigkeit zwischen Saug- und Druckseite. Teilweise war im Betrieb auch der Dichtungssteg wegen zu geringer Verankerung und Festigkeit durchgebrochen.
Die ungünstige Pressungsverteilung im vorliegenden Kältekompressor kann mit der pressungsempfindlichen Folie Fuji-Film Prescale nachgewiesen werden. Hierzu wird diese Folie anstelle einer Dichtung zwischen Zylinderkopf und Ventilplatte eingebaut. Bereiche hoher Pressung sind nach dem Ausbau der Folie an einer dunklen Rotfärbung zu erkennen, Bereiche niedriger Pressung sind hellrot oder bleiben ganz weiß [2].
Dieses Problem ist mit Dichtungen aus MatriCS mit steifer Sicke im Stegbereich zu lösen. Die Sicke erzeugt eine hohe Linienpressung, die für eine sichere Abdichtung sorgt, zudem kann der metallische Dichtungssteg nicht bersten.
Eine weniger steife Sicke an der Außenkontur der Dichtung bewirkt, daß nicht unnötig Schraubenkraft für den kritischen Minimal-Pressungsbereich am Steg verloren geht. Abbildung 3 zeigt unten die Pressungsverteilung ohne Dichtung. Man sieht sofort die Stellen ungenügender Pressung am Steg. Im oberen Teil erkennt man bei eingebauter MatriCS-Dichtung auch am Steg geschlossene Linien im Sickenbereich. Die Flächenpressung ist nicht unterbrochen, Dichtheit somit gegeben.
Eine weitere Anwendung von MatriCS und MatriCS plus im Bereich der Kältekompressoren ist die Abdichtung von Bodenplatten, bei denen Anfahrdruckstöße zu starker Durchbiegung der Platte und – beim Einsatz von Faserstoffdichtungen – zu Leckage über die Schraubenlöcher führen können. Gerade in diesem Problembereich garantiert die spezielle Sickengestaltung eine optimale Abdichtung. Zudem erzielen MatriCS-Dichtungen mit spezieller Sickenführung als Reglerflanschdichtungen eine sehr gute Dichtwirkung. Beim Einsatz von Faserdichtungen treten hier aufgrund ungenügender Flächenpressung zwischen Mittelloch und Hochdruckbohrung oft Undichtigkeiten auf.
Auch für den Bereich der Hydraulik bieten sich gesickte MatriCS-Dichtungen als Lösung an. Problematisch sind hier die häufig sehr hohen Drücke und hohe dynamische Belastungen. Zur Zeit werden in der Hydraulik meist Gummi-O-Ringe bzw. Metallträger mit anvulkanisierter Gummi-Lippe eingesetzt. Die Vorteile von MatriCS-Dichtungen gegenüber Gummi-O-Ringen liegen zum einen in der einfacheren, automatisierbaren Montage. Zum anderen ist im Einbauzustand kontrollierbar, ob eine Dichtung montiert ist. Dies ist bei O-Ringen nicht möglich, da die Bauteile auf Block verschraubt werden. Darüber hinaus bleibt die Dichtverbindung über einen längeren Zeitraum elastisch, besonders bei Einsatz von MatriCS plus, da die Metallsicke im Vergleich zu Elastomeren weniger ermüdet. Dies erhöht zudem die Lebensdauer.
Allgemein sind Dichtungen aus MatriCS besonders in folgenden Problemfällen die ideale Lösung:
• geringe Einbaupressung bzw. ungenügende Flächenpressungsverteilung,
• schmale Stege, besonders im Zusammenhang mit hohem Druck,
• starke Durchbiegung der Teile unter Betriebsbedingungen bzw. unzureichende Restpressung aufgrund von Innendruckentlastung,
• Dynamik an der Dichtstelle (Druckschwankungen, Vibrationen, etc.) sowie
• bei durch häufige starke Temperaturschwankungen verursachten Dichtspaltänderungen, bei denen das Rückfederungsvermögen einer Weichstoffdichtung nicht ausreicht. Solche Bedingungen finden sich unter anderem bei Pumpen, Armaturen, Kompressoren, Klein-Verbrennungs- und Elektromotoren, Getrieben und Gasversorgungseinrichtungen.
Weitere Informationen cav-281
Schrifttum
[1] Dußler, K.; Gladen, R.: Flexibilität eingebaut. Ferderelastisches Metall-Dichtsystem für schwierige Abdichtaufgaben. Chemie Technik 25, S. 54, (1996).
[2] Gladen, R.; Dußler, K.: Eine einfache Methode zur Ermittlung der Einbauflächenpressung bei Flachdichtungen, Dichtungstechnik 1, Seite 30, (1998).
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