Trockenlauf Gleitringdichtungen sind extremen Bedingungen ausgesetzt, die herkömmliche Materialien innerhalb von Minuten zerstören würden. Diese Dichtungen müssen mit wenig oder gar keiner Schmierung arbeiten, wodurch starke Reibung und Hitze von über 400 °C entstehen. Die richtige Materialauswahl entscheidet darüber, ob Ihre Dichtung jahrelang hält oder katastrophal versagt.
Zwei kritische Komponenten benötigen spezielle Materialien: die Dichtflächen (die die primäre Dichtung bilden) und die sekundären Dichtungen (O-Ringe und Dichtungsringe, die ein Austreten von Flüssigkeiten um die Baugruppe herum verhindern).
Dichtungsflächenmaterialien
Kohlenstoff-Graphit
Kohlenstoff-Graphit ist das ideale Material für Trockenlaufdichtungen, da es seine eigene Schmierung erzeugt. Die Graphitstruktur schert auf natürliche Weise entlang der Molekülschichten und lagert im Betrieb einen mikroskopisch kleinen Schmierfilm auf der gegenüberliegenden Fläche ab. Dieses selbstschmierende Verhalten bedeutet, dass die Dichtung im Wesentlichen auf einer Graphit-auf-Graphit-Grenzfläche läuft und nicht auf einem zerstörerischen Metall-auf-Metall-Kontakt.
- Reiner Kohlenstoff-Graphit muss verbessert werden, um in Dichtungen effektiv zu funktionieren. Hersteller imprägnieren den porösen Kohlenstoff mit Harzen, Metallen oder speziellen Additiven, um die Festigkeit und Temperaturbeständigkeit zu erhöhen. Harzimprägnierter Kohlenstoff hält Temperaturen bis zu 250 °C stand und ist beständig gegen die meisten Chemikalien. Daher ist er die Standardwahl für allgemeine Anwendungen.
- Metallimprägnierter Kohlenstoff, typischerweise mit Antimon gefüllt, bietet unter anspruchsvollen Bedingungen eine noch bessere Leistung. Die Antimonfüllung erhöht die Wärmeleitfähigkeit und trägt so zur Wärmeableitung bei, die sonst die Dichtung zerstören würde. Diese Typen können bei 370 °C dauerhaft betrieben werden und behalten dabei ihre Schmiereigenschaften.
Siliziumkarbid (SiC)
Siliziumkarbid hat sich zum Goldstandard für harte Dichtflächen in Trockenlaufanwendungen entwickelt. Seine extreme Härte (nur Diamant übertrifft sie) und seine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit ermöglichen es ihm, Bedingungen standzuhalten, die andere Keramiken brechen lassen. SiC leitet Wärme fünfmal besser von der Reibungszone ab als Aluminiumoxid und verhindert so die Entstehung von Hotspots, die Dichtungsfehler.
Zwei Haupttypen erfüllen unterschiedliche Anforderungen bei Dichtungsanwendungen.
- Reaktionsgebundenes SiC enthält 8–12 % freies Silizium, was seine chemische Beständigkeit auf einen pH-Wert von 4–11 beschränkt, aber hervorragende Verschleißeigenschaften bietet.
- Direktgesintertes SiC bietet nahezu 100 % Reinheit, ist nahezu allen Chemikalien beständig und behält gleichzeitig seine überragende Festigkeit.
Die größte Schwäche des Materials ist seine Sprödigkeit – schnelle Temperaturschwankungen können zu katastrophalen Rissen führen.
Ingenieure kombinieren SiC häufig mit Kohlenstoff-Graphit-Oberflächen, um die ideale Kombination zu erzielen. Der Kohlenstoff sorgt für die Schmierung, während SiC eine harte, wärmeleitende Oberfläche bietet, die Verschleiß widersteht und Wärme effektiv ableitet.
Wolframkarbid (WC)
Wolframkarbid verleiht Dichtungsflächen mechanische Festigkeit, wo Siliziumkarbid reißen könnte. WC besteht aus Wolframkarbidkörnern, die mit Kobalt- oder Nickelbindern verfestigt sind. Dadurch ist das Material vibrations- und stoßbeständiger als jede Keramik. Diese Festigkeit macht es wertvoll für Pumpen mit Kavitation oder intermittierendem Betrieb.
Das Material kann sich nicht selbst schmieren und ist daher für den Trockenlauf von Hart auf Hart ungeeignet. Hartmetallflächen müssen immer auf Kohlenstoff-Graphit laufen, um zerstörerische Reibung und Fressen zu vermeiden. Selbst bei richtiger Paarung erzeugt WC aufgrund seines höheren Reibungskoeffizienten mit Kohlenstoff mehr Wärme als SiC.
WC ist nach wie vor beliebt bei ölgeschmierten Anwendungen und gemäßigten Bedingungen, wo seine Zähigkeit von Vorteil ist. Bei wirklich trockenen oder Hochtemperaturanwendungen wurde es weitgehend durch Siliziumkarbid ersetzt.
Elastomer-O-Ring-Materialien
Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)
EPDM eignet sich hervorragend für Heißwasser- und Dampfanwendungen und bleibt bis 150 °C flexibel, mit kurzen Temperaturschwankungen bis 180 °C. Das gesättigte Polymerrückgrat ist beständig gegen Ozon und Witterungseinflüsse, die Nitril zerstören, und eignet sich daher für exponierte Installationen. Dampfgehärtete Dichtungen und ätzende Anwendungen profitieren besonders von der chemischen Beständigkeit von EPDM.
Die größte Schwäche des Materials ist die Unverträglichkeit mit Erdölprodukten. EPDM quillt in Ölen und Kohlenwasserstofflösungsmitteln zerstörerisch auf und ist daher für ölgeschmierte Geräte ungeeignet. Selbst Montageschmiermittel müssen auf Silikonbasis und nicht auf Erdölbasis hergestellt sein.
Fluorkohlenwasserstoff (FKM, zB Viton®)
FKM-Elastomere haben sich zum Industriestandard für anspruchsvolle Dichtungsanwendungen entwickelt und vereinen eine Dauertemperaturbeständigkeit von 200 °C mit hoher chemischer Beständigkeit. Viton-O-Ringe sind beständig gegen Öle, Kraftstoffe, Säuren und die meisten Lösungsmittel und behalten ihre Dichtungsintegrität bei Temperaturen, die andere Gummis zerstören. Dank ihrer geringen Gasdurchlässigkeit eignen sich FKM ideal für Vakuum- und Gasdichtungsanwendungen.
Dieses Material versagt jedoch in heißem Wasser, Dampf und starken Basen, die zu einer schnellen Zersetzung führen. Auch Amine und bestimmte polare Lösungsmittel greifen Standard-FKM-Typen an.
Die meisten trockenlaufenden Dichtungen bestehen standardmäßig aus FKM-O-Ringen. Die Kombination aus Hitzebeständigkeit und chemischer Verträglichkeit deckt die meisten industriellen Anwendungen ab und rechtfertigt den moderaten Preisaufschlag gegenüber einfachen Elastomeren.
AFLAS (TFE/P-Copolymer)
AFLAS füllt die Lücke, in der FKM versagt, insbesondere bei Dampf- und Aminanwendungen. Dieses Tetrafluorethylen-Propylen-Copolymer bleibt bei 200 °C stabil und widersteht gleichzeitig den Basen und Dämpfen, die Viton zerstören. In der Öl- und Gasindustrie wird AFLAS besonders wegen seiner Beständigkeit gegen Sauergas und Ammoniak geschätzt.
Das Material weist im Vergleich zu FKM eine gewisse Kohlenwasserstoffbeständigkeit auf. Aromatische Lösungsmittel und chlorierte Verbindungen führen zu einer stärkeren Quellung von AFLAS, was seinen Einsatz in einigen chemischen Prozessen einschränkt.
Für Dichtungen in Raffinerien, die Hochdruckdampf oder Aminkorrosionsinhibitoren ausgesetzt sind, wird häufig AFLAS verwendet. Das Material ist teurer als Standard-FKM, aber günstiger als Perfluorelastomere und bietet somit eine kostengünstige Lösung für spezifische chemische Herausforderungen.
Perfluorelastomer (FFKM, z. B. Kalrez®)
Perfluorelastomere stellen die Spitze der Elastomertechnologie dar. Sie überstehen Dauertemperaturen bis zu 280 °C (Spezialtypen bis 330 °C) und sind nahezu allen Chemikalien beständig. FFKM kombiniert die chemische Inertheit von PTFE mit der echten Elastizität von Gummi und behält so die Dichtkraft bei Temperaturen bei, bei denen andere Elastomere verkohlen.
Die außergewöhnlichen Eigenschaften des Materials haben ihren Preis – es ist oft 10- bis 50-mal teurer als FKM. Die mechanischen Eigenschaften sind denen von Standardelastomeren etwas unterlegen, sodass bei der Installation eine sorgfältige Handhabung erforderlich ist.
FFKM wird unverzichtbar, wenn nichts anderes überlebt. Heiße Chlorkompressoren, aggressive Vakuumprozesse und die Halbleiterherstellung erfordern die einzigartige Kombination aus Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit von FFKM.
Nicht-Elastomer-Sekundärdichtungen
PTFE O-Ringe / Gekapselte O-Ringe
PTFE bietet universelle chemische Beständigkeit und ist bis 232 °C dauerhaft einsetzbar, besitzt jedoch nicht die für dynamische Dichtungen erforderliche Elastizität. O-Ringe aus reinem PTFE eignen sich nur für statische Anwendungen, bei denen sie mechanisch komprimiert werden können. Die Neigung des Materials zum Kaltfließen unter Last führt zu einer allmählichen Verschlechterung der Dichtung.
Gekapselte O-Ringe lösen das Elastizitätsproblem, indem sie einen PTFE-Mantel um einen Gummikern wickeln. Diese Konstruktion bietet chemische Beständigkeit auf der benetzten Oberfläche und erhält gleichzeitig die elastische Rückstellkraft. Der PTFE-Mantel schützt den Kern vor aggressiven Chemikalien, die freiliegende Elastomere zerstören würden.
Diese Hybriddichtungen spielen in hochkorrosiven Anwendungen eine entscheidende Rolle. Rauchende Säuren, starke Oxidationsmittel und Hochtemperatur-Sauerstoffanwendungen profitieren von der Reaktionsträgheit von PTFE, wenn die Elastomeroptionen ausgeschöpft sind.
Flexibler Graphit (Graphitfolie)
Flexibler Graphit übersteht extreme Temperaturen, die alle organischen Materialien zerstören – bis zu 455 °C in Luft und über 1000 °C in inerter Atmosphäre. Die reine Kohlenstoffzusammensetzung bietet Immunität gegen nahezu alle Chemikalien mit Ausnahme starker Oxidationsmittel bei erhöhten Temperaturen. Die Schichtstruktur des Materials bietet eine gewisse Selbstschmierung, die bei Trockenlauf vorteilhaft ist.
Graphit ist völlig unelastisch und benötigt daher mechanische Kompression, um die Dichtungskraft aufrechtzuerhalten. Die spröden Platten brechen leicht bei der Handhabung und können unter hohem Druck ohne ausreichende Unterstützung extrudiert werden. Die Installation erfordert erfahrene Techniker und spezielle Nutkonstruktionen.
Hochtemperatur-Gleitringdichtungen über 250 °C verwenden ausnahmslos flexiblen Graphit als Sekundärdichtung. Dichtungen nach API 682 Kategorie III erfordern Graphit, wenn Elastomere verkohlen würden. Kraftwerke und Raffinerien sind auf die Temperaturbeständigkeit von Graphit für Kesselspeisepumpen und Heißölanwendungen angewiesen.
Metallbälge
Metall Balg Verzichten Sie vollständig auf dynamische O-Ringe und verwenden Sie geschweißte Metallfalten, die sowohl Federkraft als auch Abdichtung gewährleisten. Diese Ganzmetallkonstruktion widersteht extremen Temperaturen und aggressiven Chemikalien, die jede weiche Dichtung zerstören. Der Balg biegt sich axial und sorgt gleichzeitig für eine hermetische Abdichtung. Dadurch werden die Stick-Slip-Probleme dynamischer O-Ringe unter trockenen Bedingungen vermieden.
Häufig gestellte Fragen
Welche Dichtungsflächenkombination ist für einen vollständigen Trockenlauf am besten geeignet?
Kohlenstoff-Graphit im Verbund mit Siliziumkarbid bietet die optimale Kombination für trockene Bedingungen. Der Kohlenstoff bildet einen Schmierfilm, während das SiC die Wärme effektiv ableitet und so einen Dauerbetrieb ohne Flüssigschmierung ermöglicht.
Wie heiß können trockenlaufende Dichtungen arbeiten?
Standardmäßige Kohlenstoff/SiC-Kombinationen arbeiten bei bis zu 370 °C, während Spezialmaterialien wie graphithaltiges SiC oder Diamantbeschichtungen Temperaturen von über 400 °C erreichen können. Sekundär Dichtungsmaterialien begrenzen typischerweise die maximale Temperatur, wobei FFKM-Elastomere 330 °C erreichen und flexibler Graphit über 450 °C übersteht.
Warum versagen O-Ringe bei trockenlaufenden Dichtungen?
O-Ringe versagen aufgrund thermischer Zersetzung, wenn die Reibungswärme ihre Temperaturgrenze überschreitet. Standardnitril härtet über 120 °C aus, während selbst Hochleistungs-FKM-Elastomere ohne geeignetes Wärmemanagement über 230 °C verkohlen.
Können zwei harte Flächen trocken zusammenlaufen?
Herkömmliche Hartstoffpaarungen wie SiC-auf-SiC versagen ohne Schmierung aufgrund extremer Reibung schnell. Graphithaltiges Siliziumkarbid ermöglicht Hart-Hart-Kombinationen durch die Einbindung schmierender Graphitpartikel in die Keramikmatrix.
Welche Materialkombination ist bei gelegentlichem Trockenlauf am wirtschaftlichsten?
Harzimprägnierter Kohlenstoff gegen reaktionsgebundenes Siliziumkarbid mit FKM-O-Ringen bietet eine gute Trockenlauftoleranz bei moderaten Kosten. Diese Kombination bewältigt zeitweise Trockenheitsbedingungen in den meisten industriellen Anwendungen ohne Premiummaterialien.
