Elastomerwissenschaft: Die Glasübergangstemperatur (Tg) von

Die Glasübergangstemperatur hilft Ingenieuren zu beschreiben, wie ein Elastomer bei sinkender Temperatur steifer wird. Sie ist jedoch keine allgemeingültige Ausfalltemperatur für Dichtungen. Ein angegebener Tg-Wert gilt stets für eine bestimmte Mischung, einen bestimmten Probekörper, ein Prüfverfahren, eine Frequenz, eine Aufheizrate und eine Auswertungskonvention. Für sich allein belegt er nicht, ob ein Pneumatikzylinder bei einem Kaltstart dicht bleibt.

Diese Unterscheidung verändert den Auswahlprozess. Vergleichen Sie nicht lediglich allgemeine Temperaturtabellen für NBR, Polyurethan, FKM oder Silikon, sondern spezifizieren Sie die genaue Mischung und verlangen Sie Nachweise für deren niedrigste zulässige Betriebstemperatur. Prüfen Sie anschließend den montierten Zylinder unter den tatsächlichen Bedingungen hinsichtlich Druck, Verweilzeit, Schmierung und Bewegungsprofil.

Die wichtigsten Erkenntnisse
ISO 4664-3 behandelt den mittels DMA ermittelten Tg-Wert als Orientierung und nicht als vollständige Einsatzgrenze.
Tg, TR10, Gehman-Steifigkeit und Sprödigkeit beantworten unterschiedliche Fragen.
Geben Sie die konkrete Dichtungsmischung erst nach repräsentativen Prüfungen zu Leckage nach Kaltlagerung, Losbrechverhalten und zyklischem Betrieb frei.

Was sagt die Glasübergangstemperatur tatsächlich über eine Zylinderdichtung aus?

ISO 4664-3 gilt für vulkanisierte Kautschuke mit 30 bis 80 IRHD und bestimmt Tg anhand des Maximums von tan Delta während eines Temperaturdurchlaufs bei festgelegter Dehnung und Frequenz. Die Norm beschreibt diesen Wert als Anhaltspunkt für die Gebrauchstemperatur und nicht als Bestehens- oder Versagensgrenze einer fertigen Dichtung (ISO 4664-3:2021).

Die Glasübergangstemperatur (Tg) ist ein durch das Prüfverfahren definierter Punkt innerhalb des Bereichs, in dem sich die molekulare Beweglichkeit und das mechanische Verhalten eines amorphen Polymers mit der Temperatur deutlich verändern. Ein Elastomer enthält Polymerkettensegmente, die sich neu anordnen können, sofern ausreichend Wärmeenergie und Zeit zur Verfügung stehen. Bei sinkender Temperatur werden diese Bewegungen langsamer, der Speichermodul steigt und die Dämpfung verändert sich.

Entscheidend ist, welcher Punkt angegeben wird. Ein DMA-Bericht kann den Beginn der Speichermoduländerung, das Maximum des Verlustmoduls oder das Maximum von tan Delta verwenden. Diese Punkte liegen nicht bei derselben Temperatur. ISO 4664-3 beseitigt einen Teil dieser Mehrdeutigkeit, indem sie für ihr Verfahren das Maximum von tan Delta festlegt; ein nach einem anderen Verfahren ermittelter Wert kann jedoch auf einer anderen Definition beruhen.

Tg beantwortet daher eine eng umrissene Frage: Bei welcher Temperatur erreichte die gemessene viskoelastische Reaktion unter den angegebenen Laborbedingungen den vom Verfahren definierten Übergangspunkt? Die folgenden anwendungsbezogenen Fragen beantwortet der Wert nicht unmittelbar:

Hält die Dichtlippe nach achtstündiger Kaltlagerung noch Kontakt?
Welcher Druck ist erforderlich, um den Zylinder in Bewegung zu setzen?
Erreicht das Fett weiterhin die Gleitfläche?
Erholt sich die Dichtung bei der vorgegebenen Geschwindigkeit schnell genug?
Hält die Baugruppe nach wiederholten Kaltstarts den zulässigen Leckagegrenzwert ein?

Eine Zylinderdichtung kann bereits vor Erreichen des angegebenen Tg-Werts so stark versteifen, dass Reibung oder Rückstellvermögen beeinträchtigt werden. Eine statische Dichtung kann zudem unter Bedingungen noch Druck halten, unter denen eine dynamische Dichtung der bewegten Oberfläche nicht mehr folgen kann. Geometrie, Verpressung, druckunterstützte Anpressung, Oberflächengüte, Spiel, Schmierstoff und Bewegungsgeschwindigkeit beeinflussen diesen Unterschied.

Die technisch relevante Frage lautet nicht: „Wie hoch ist der Tg-Wert des Polymers?“, sondern: „Welche gemessene Eigenschaft wird bei dieser Dichtungskonstruktion, dieser Temperatur und dieser Verformungsgeschwindigkeit zum begrenzenden Faktor?“ Tg hilft, den Übergangsbereich einzugrenzen. Der Wert allein benennt jedoch nicht den begrenzenden Mechanismus.

Eine umfassendere Werkstoffauswahl für hohe wie niedrige Temperaturen behandelt der Beitrag darüber, wie sich die Temperatur auf Zylinderdichtungen auswirkt. Der vorliegende Leitfaden konzentriert sich darauf, wie Tieftemperaturnachweise zu interpretieren sind.

Warum kann dasselbe Elastomer mehrere angegebene Tg-Werte aufweisen?

TA Instruments nennt drei gängige DMA-Ergebnisse – den Beginn der Speichermoduländerung, das Maximum des Verlustmoduls und das Maximum von tan Delta – und zeigt, dass sich die gemessene Übergangstemperatur mit der Verformungsfrequenz verschiebt. Ein Tg-Wert ist daher unvollständig, wenn Prüfverfahren und Auswertungspunkt nicht mit angegeben werden (TA Instruments).

DSC und DMA erfassen nicht dasselbe physikalische Signal. Die dynamische Differenzkalorimetrie ermittelt eine Änderung der Wärmekapazität. Die dynamisch-mechanische Analyse misst Änderungen von Steifigkeit und Dämpfung bei oszillierender Verformung. Selbst innerhalb der DMA bestimmt die Prüffrequenz mit, wie viel Zeit den Polymerketten für ihre Reaktion bleibt.

Eine höhere Frequenz verschiebt den mittels DMA ermittelten Übergang gewöhnlich zu einer höheren angegebenen Temperatur, weil die molekulare Reaktion innerhalb eines kürzeren Zyklus erfolgen muss. Auch Aufheizrate, Probekörperform, Dehnungsamplitude, thermische Vorgeschichte, Vulkanisationszustand, Weichmachergehalt, Füllstoffe und aufgenommene Flüssigkeiten können das Ergebnis oder dessen Auslegung beeinflussen.

Angegebenes Ergebnis	Vom Gerät erfasste Größe	Zusammen mit dem Wert erforderliche Angaben	Wesentliche Einschränkung bei der Dichtungsauswahl
DSC-Tg	Stufe der Wärmekapazität	Norm, Aufheizrate, thermische Vorgeschichte, Beginn oder Mittelpunkt	Erfasst weder die Wiederherstellung der Kontaktkraft noch die Gleitreibung
DMA-Tg	Speichermodul, Verlustmodul und Phasenverhalten	Norm, Frequenz, Dehnung, Einspannung, ausgewähltes Kurvenmerkmal	Das Ergebnis hängt von der Zeitskala und dem gewählten Auswertungspunkt ab
Lieferantenangabe zu Tg ohne Verfahren	Unbekannt	Vollständiger Prüfbericht erforderlich	Nicht für einen direkten Vergleich von Mischungen geeignet
Niedrigste Betriebstemperatur	Produkt- oder Mischungsfreigabe	Genaue Mischung, Medium, statische oder dynamische Beanspruchung, Qualifizierungsgrundlage	Lässt sich möglicherweise nicht auf eine andere Dichtungsgeometrie oder Anwendung übertragen

ISO 22768 behandelt die DSC-Bestimmung von Tg an Rohkautschuk und Kautschuklatex, während ISO 4664-3 vulkanisierten Kautschuk mittels dynamischer Prüfung untersucht. Dieser unterschiedliche Anwendungsbereich ist wesentlich. Ein DSC-Wert eines Rohpolymers darf nicht so dargestellt werden, als handele es sich um die geprüfte Einsatzgrenze einer fertigen Pneumatikdichtung (ISO 22768:2020).

Wenn zwei Lieferantendatenblätter unterschiedliche Tg-Werte nennen, dürfen Sie nicht vorschnell annehmen, dass eine Mischung bei Kälte besser abdichtet. Vergleichen Sie zunächst Polymerformulierung, Vulkanisationszustand, Prüfnorm, Auswertungspunkt, Frequenz beziehungsweise Aufheizrate, Konditionierung und Prüfmedium. Nur unter gleichen Bedingungen ermittelte Daten erlauben eine aussagekräftige Rangfolge.

Tieftemperaturprüfungen als Ergänzung zu Tg

ISO 2921 misst die Temperaturrückstellung, nachdem ein gedehnter Gummiprobekörper eingefroren und wieder erwärmt wurde; ISO 1432 ermittelt dagegen die relative Steifigkeit von Raumtemperatur bis etwa -120°C. Gemeinsam liefern diese Verfahren zwei zusätzliche Perspektiven – Rückstellung und Versteifung –, die Tg allein für die Qualifizierung einer Dichtung nicht quantifizieren kann (ISO 2921; ISO 1432).

Keine einzelne Probekörperprüfung bildet eine geschmierte Dichtlippe nach, die an einem gehonten Rohr oder einer Kolbenstange gleitet. Ein belastbares Qualifizierungspaket kombiniert mehrere Messungen, die jeweils anhand des Fehlermechanismus ausgewählt werden, den sie aufdecken können.

Jedes Verfahren verringert die Unsicherheit; nur die Prüfung des montierten Zylinders berücksichtigt jedoch die tatsächliche Dichtungsgeometrie, den Schmierstoff, die Oberflächen, den Druck, die Verweilzeit und die Bewegung.

Tg aus der dynamisch-mechanischen Analyse

DMA eignet sich zum Vergleich des Übergangsverhaltens eindeutig bezeichneter Mischungen, wenn dieselbe Norm, Frequenz, Dehnung und derselbe Auswertungspunkt verwendet werden. Das Verfahren hilft zu erklären, weshalb sich Steifigkeit und Dämpfung in einem bestimmten Temperaturbereich rasch ändern. Verpressung, druckunterstützte Anpressung und Gleitkontakt einer Dichtung werden dabei dennoch nicht simuliert.

Temperaturrückstellung

Bei der TR-Prüfung wird ein Probekörper gedehnt, eingefroren und entspannt; anschließend wird seine Rückstellung mit steigender Temperatur erfasst. TR10 ist die Temperatur, bei der sich der Probekörper um 10% seiner eingefrorenen Dehnung zurückgestellt hat. Parker beschreibt TR10 als hilfreichen Kennwert für dynamische Dichtungen sowie statische Dichtungen bei pulsierendem Druck und grenzt dieses Verhalten zugleich von statischen Anwendungen mit konstantem Druck ab (Parker O-Ring Handbook).

TR10 ist kein austauschbarer Ersatz für Tg. ASTM D1329 beschreibt die TR-Prüfung als Vergleichsverfahren, das zusammen mit anderen Tieftemperaturprüfungen eingesetzt wird, und weist auf Zusammenhänge mit der Tieftemperaturflexibilität und dem Kristallisationsverhalten hin (ASTM D1329).

Gehman-Steifigkeit

Die Gehman-Prüfung vergleicht die Torsionssteifigkeit bei tiefer Temperatur mit der Steifigkeit bei einer Referenztemperatur. Sie ist hilfreich, wenn eine Konstruktion von der Flexibilität und nicht von der Widerstandsfähigkeit gegen Schlagbeanspruchung abhängt. Das Ergebnis bleibt eine Probekörpereigenschaft; Kontaktspannung der Dichtlippe und Montagetoleranzen werden nicht berücksichtigt.

Tieftemperatursprödigkeit

ISO 812 bewertet Sprödbruch unter festgelegten Schlagbedingungen. Die Norm weist ausdrücklich darauf hin, dass das Ergebnis nicht zwangsläufig der niedrigsten Einsatztemperatur eines Werkstoffs entspricht. Eine Dichtung kann eine stoßfreie Lagerungsbedingung bestehen und dennoch nicht das für dynamisches Abdichten erforderliche Rückstellvermögen besitzen. Umgekehrt kann sie bei einer Schlagprüfung versagen, die ihrer tatsächlichen Verformung nicht entspricht.

Druckspannungsrelaxation und Bauteilleckage

ISO 3384-2 misst die Gegenkraft, die ein komprimierter Gummiprobekörper während Temperaturwechseln beibehält. Dies kann Konstruktionen unterstützen, bei denen die Aufrechterhaltung der Kontaktkraft wesentlich ist; der Probekörper ist jedoch weiterhin keine vollständige Zylinderdichtung. Die abschließenden Nachweise sollten Leckage- und Bewegungsmessungen an der realen Baugruppe umfassen (ISO 3384-2:2019).

Warum sind allgemeine Temperaturtabellen für NBR, FKM, Polyurethan und Silikon unsicher?

Parker nennt für Standard-Nitrilkautschuk eine Untergrenze von -34°C und für eine Tieftemperatur-Nitrilfamilie eine Untergrenze von -55°C – ein Unterschied von 21°C innerhalb derselben Polymerfamilie. Dasselbe Handbuch weist darauf hin, dass Medien und Einsatzbedingungen die nutzbaren Bereiche verändern können, und verlangt Prüfungen unter realen Betriebsbedingungen (Parker O-Ring Handbook).

„NBR“ bezeichnet eine Polymerfamilie und keine fertige Rezeptur. Acrylnitrilgehalt, Weichmacher, Füllstoff, Vulkanisationssystem, Härte und Verarbeitung beeinflussen das Tieftemperaturverhalten. Das Dichtungsprofil fügt eine weitere Ebene hinzu: Zwei Mischungen mit ähnlichen Labordaten können in unterschiedlichen Geometrien verschiedene Lippenkräfte oder Reibwerte erzeugen.

FKM verdeutlicht denselben Sachverhalt. Trelleborg veröffentlicht für seine XLT-FKM-Familie TR10-Werte von -30°C bis -45°C. Diese Werte gelten für eindeutig bezeichnete Tieftemperaturformulierungen und dürfen nicht auf jede FKM-Dichtung übertragen werden (Trelleborg Sealing Solutions).

Polyurethan lässt sich besonders schwer verallgemeinern, da „PU“ unterschiedliche chemische Systeme, Härten, Additive und Verarbeitungsverfahren bezeichnen kann. Die pauschale Aussage, Polyurethan weise stets eine bessere Kälteflexibilität als NBR oder FKM auf, ist nicht belastbar. Fordern Sie Daten für die tatsächlich gelieferte Werkstoffsorte an.

Silikon bleibt bei niedrigeren Temperaturen häufig flexibler als viele Kohlenwasserstoffelastomere. Dadurch ist es jedoch nicht automatisch der beste Werkstoff für dynamische Zylinderdichtungen. Verschleiß, Weiterreißfestigkeit, Extrusionsbeständigkeit, Schmierstoffverträglichkeit, Druck, Oberflächengüte und Zyklenanforderungen können eine ansonsten vielversprechende Mischung ausschließen.

Verlangen Sie bei der Prüfung eines Lieferantenangebots mindestens die folgende eindeutige Werkstoffidentifikation:

Erforderliche Angabe	Warum sie wichtig ist
Hersteller und Mischungsbezeichnung	Verhindert, dass der Name einer Polymerfamilie einen kontrollierten Werkstoff ersetzt
Polymer- und Vulkanisationssystem	Hilft, das chemische und thermische Verhalten zu erklären
Härte und Probekörperzustand	Beeinflusst den Vergleich mit Laborberichten
Tg- oder TR-Ergebnis einschließlich Verfahren	Macht die angegebene Temperatur interpretierbar
Niedrigste Betriebstemperatur und deren Grundlage	Trennt eine Produktaussage von einem Rohstoffkennwert
Freigegebener Schmierstoff und freigegebene Medien	Berücksichtigt Extraktion, Quellung, Viskosität und chemische Verträglichkeit
Statische oder dynamische Anwendung	Verhindert, dass die Grenze eines statischen O-Rings auf eine hin- und hergehende Dichtung übertragen wird

Bei unseren Anwendungsprüfungen ist selten der Lieferantenbericht mit der niedrigsten auf dem Deckblatt genannten Temperatur am nützlichsten. Entscheidend ist vielmehr ein Bericht, der Mischung, Verfahren, Konditionierung, Medium, Probekörper und vorgesehenen Dichtungseinsatz eindeutig ausweist. Erst diese Angaben ermöglichen dem Konstruktionsteam zu beurteilen, ob die Nachweise übertragbar sind.

Ein niedrigerer Tg-Wert ist keine Qualitätsrangfolge, sondern ein einzelnes Konstruktionsmerkmal. Wird eine Mischung ausschließlich wegen ihres niedrigsten angegebenen Tg-Werts gewählt, können Verschleißbeständigkeit, Medienverträglichkeit, Extrusionsbeständigkeit, Herstellbarkeit oder Hochtemperaturstabilität verloren gehen, die der Zylinder ebenfalls benötigt.

Wenn chemische Einwirkung und Verschleiß ebenso wichtig sind wie das Kälteverhalten, lesen Sie den umfassenderen Leitfaden zur Auswahl von Dichtungswerkstoffen.

Die tatsächliche niedrigste Betriebstemperatur der Dichtung bestimmen

Parker unterscheidet das dynamische Verhalten im Bereich von TR10 von der statischen Abdichtung bei konstantem Druck, deren Einsatzgrenze bei bestimmten O-Ring-Anwendungen etwa 8°C niedriger liegen kann. Dieser bedingte Unterschied zeigt, weshalb ein allgemeiner Abzug von der Umgebungstemperatur unsicher ist. Bestimmen Sie die untere Einsatzgrenze der Dichtung anhand von Messungen oder eines validierten Modells der tatsächlichen Maschine (Parker O-Ring Handbook).

Druckluft kann sich bei Expansion und Entlüftung abkühlen, doch die Temperatur an einer Dichtung hängt nicht nur vom Eingangsdruck ab. Druckverhältnis, Ventil- und Abluftdrosselung, Schlauchvolumen, Zyklusfrequenz, Verweilzeit, Wärmeübertragung, Zylindermasse, Feuchtigkeit und Sensorposition sind ebenfalls maßgeblich. Eine pauschale Berechnung nach dem Muster „Umgebungstemperatur minus 25°C“ verschleiert diese Einflussgrößen.

Statten Sie die Anwendung messtechnisch aus, bevor Sie eine kritische Tieftemperaturgrenze festlegen. Platzieren Sie einen geeigneten Kontaktsensor möglichst nahe am Dichtungsbereich, sofern die Konstruktion dies zulässt. Eine Infrarotmessung an einer glänzenden Zylinderoberfläche kann irreführend sein, weil Emissionsgrad und Sichtlinie das Ergebnis beeinflussen.

Erfassen Sie mindestens die folgenden Bedingungen:

Niedrigste Umgebungstemperatur und Dauer der Kaltlagerung
Versorgungsdruck an der Maschine, nicht nur im Kompressorraum
Zyklusfrequenz, Hub, Geschwindigkeit, Verweilzeit und Last
Konfiguration von Ventil, Schlauch, Drosselung und Abluft
Temperatur von Zylinderrohr oder Enddeckel nahe der betreffenden Dichtung
Drucktaupunkt der Druckluft sowie Hinweise auf Feuchtigkeit oder Vereisung
Schmierstoffsorte und deren angegebene Tieftemperatureigenschaften

Nach unserer Erfahrung klärt eine zeitlich synchronisierte Aufzeichnung von lokaler Temperatur, Kammerdruck und Bewegungsbeginn Unstimmigkeiten beim Kaltstart schneller als voneinander getrennte Einzelmessungen. Sie zeigt, ob die Dichtung tatsächlich kalt war, als sich Reibung oder Leckage änderten, und ob gleichzeitig ein Druck- oder Durchflussproblem auftrat.

Der kälteste momentane Messwert ist nicht immer der einzige Auslegungspunkt. Eine Dichtung kann einen kurzen Temperaturabfall verkraften, sich nach langer Verweilzeit jedoch nicht mehr ausreichend zurückstellen. Umgekehrt kann sich ein Zylinder durch wiederholte Zyklen erwärmen. Prüfen Sie sowohl die erste Bewegung im kalten Zustand als auch den stabilisierten Betriebszustand.

Eine Tieftemperaturfreigabe ist nur dann aussagekräftig, wenn sie mit dem gemessenen Lastprofil, einer eindeutig bezeichneten Mischung, dem vollständigen Werkstoffsystem und reproduzierbaren Abnahmekriterien für die Baugruppe verknüpft ist.

Bei Systemen, die dauerhaft unter dem Gefrierpunkt betrieben werden, muss der vollständige Zylinder betrachtet werden. Luftqualität, Kondensat, Fett, Sensoren, Schläuche, Endlagendämpfung, Befestigung und Werkstoffschrumpfung können noch vor der Dichtungsmischung zum begrenzenden Faktor werden. Nutzen Sie für diese Systembetrachtung den Konstruktionsleitfaden für Pneumatikzylinder unterhalb des Gefrierpunkts.

Belegen Leckage, Ruckgleiten oder Risse beim Kaltstart, dass die Dichtung Tg unterschritten hat?

ISO 812 sieht zwei Ergebnisarten vor: die niedrigste Temperatur ohne Sprödbruch und die Temperatur, bei der 50% der Probekörper versagen. Die Norm stellt zugleich klar, dass keine der beiden Temperaturen zwangsläufig die niedrigste Gebrauchstemperatur ist. Leckage oder Schäden beim Kaltstart können daher nicht beweisen, dass eine Dichtung Tg unterschritten hat (ISO 812:2017).

Eine steife Dichtung kann den Losbrechdruck und das Ruckgleiten erhöhen. Eingedicktes Fett kann jedoch dieselben Auswirkungen haben. Auch ein geringerer Druck an der Verbrauchsstelle, gedrosselte Abluft, Querbelastung, Vereisung durch Feuchtigkeit, Verunreinigungen, Oberflächenschäden und Maßschrumpfung können kälteabhängige Symptome verursachen.

Beobachtung	Möglicher Zusammenhang mit Tg	Weitere Prüfungen vor der Ursachenfestlegung
Leckage nach langer Kaltlagerung	Verringertes Rückstellvermögen oder geringere Kontaktkraft	Dichtungsschaden, Schrumpfung, Druck, Zustand der Bohrung, Montagetoleranz
Hoher Druck bei der ersten Bewegung	Erhöhte Dichtungssteifigkeit	Fettviskosität, Fehlausrichtung, Querlast, Führungsreibung, zu geringer Versorgungsdruck
Ruckartige Anfangsbewegung	Ruckgleiten an der Dichtfläche	Abluftdrosselung, Ventilreaktion, Laständerung, klemmende Führung
Nach dem Zyklieren abnehmende Leckage	Baugruppe erwärmt sich und das Werkstoffverhalten verbessert sich	Eis löst sich, Fett verteilt sich neu, Versorgungsdruck erholt sich
Risse oder ausgebrochene Kanten	Möglicherweise trat spröde Verformung auf	Ozon, chemischer Angriff, Montageeinschnitte, Ermüdung, Extrusion
Bleibende Formänderung	Schlechtes Rückstell- oder Druckverformungsverhalten	Quellung, thermische Alterung, übermäßige Verpressung, unverträglicher Schmierstoff

Beginnen Sie mit einem kontrollierten Vergleich. Messen Sie Leckage, Druck bei der ersten Bewegung, Geschwindigkeit und Temperatur im warmen und kalten Zustand bei identischer Last und identischen Ventileinstellungen. Untersuchen Sie Dichtung und Gegenlaufflächen nach der Prüfung. Wiederholen Sie die Prüfung nach Möglichkeit mit einer bekannten Referenzmischung, während der übrige Zylinder unverändert bleibt.

Ein Aufwärmzeitraum ist kein Eignungsnachweis. Muss sich die Maschine bei der festgelegten Mindesttemperatur sicher bewegen, gehört die erste angeforderte Bewegung zum Abnahmetest. Wird der Druck erhöht, um einen kalten Zylinder gewaltsam in Bewegung zu setzen, kann es zu einer unerwarteten Beschleunigung kommen, sobald die Reibung abnimmt.

Bei Schadensbildern ohne Temperaturbezug vergleichen Sie die Beobachtungen mit dem Leitfaden zu Bauarten und Ausfallursachen industrieller Zylinderdichtungen.

Die Sprödigkeitsprüfung von Gummi ist außerdem klar von der Schlagprüfung metallischer Werkstoffe zu trennen. Der Leitfaden zur Sprödigkeit polar-tauglicher Zylinder erläutert, weshalb das Charpy-Ergebnis einer Metallprobe keinen vollständigen Zylinder für den Kälteeinsatz zertifizieren kann.

Wie ist eine Tieftemperaturdichtung vor der Serienfreigabe zu qualifizieren?

ISO 3384-2 legt zwei Temperaturwechselverfahren zur Messung der Druckspannungsrelaxation fest; keines davon ist jedoch eine Leckageprüfung am vollständigen Zylinder. Die Qualifizierung sollte kontrollierte Werkstoffdaten mit Kaltlagerungsprüfungen am konkreten Zylinder bei der vorgesehenen Mischung, dem vorgesehenen Schmierstoff, Druck und Bewegungszyklus verbinden (ISO 3384-2:2019).

Beginnen Sie mit einem schriftlichen Lastprofil. Legen Sie niedrigste Umgebungs- und Bauteiltemperaturen, Lagerungsdauer, Betriebsdruck, Last, Hub, Geschwindigkeit, Verweilzeit, Zyklenzahl, Luftqualität, Schmierstoff und zulässige Leckage fest. Ohne Abnahmekriterien liefert eine Prüfung in der Kältekammer lediglich Beobachtungen, aber keine objektive Freigabeentscheidung.

1. Rückverfolgbare Werkstoffnachweise prüfen

Fordern Sie die genaue Mischungsbezeichnung und die Prüfberichte an, auf denen die Tieftemperaturfreigabe beruht. Erfassen Sie Norm, Probekörperzustand, Prüfmedium, Ergebnisdefinition und Datum. Ein Datenblatt, das lediglich „Tieftemperatur-NBR“ angibt, genügt für eine kritische Anwendung nicht.

2. Warmen Ausgangszustand ermitteln

Messen Sie bei Referenztemperatur Leckage, Losbrechdruck, Aus- und Einfahrzeit, Geschwindigkeitsstabilität, Dämpfungsverhalten und Positionswiederholgenauigkeit. Die Prüfung im warmen Zustand bestätigt vor der Kältebeanspruchung den ordnungsgemäßen Zustand der Baugruppe und liefert eine Vergleichsbasis.

3. Vollständige Baugruppe kaltlagern

Lagern Sie die Baugruppe so lange kalt, bis sich Zylinderkörper, Enddeckel, Dichtungen, Schmierstoff und innere Bauteile dem Zielzustand angenähert haben. Erfassen Sie die Temperaturen an festgelegten Messstellen. Setzen Sie die Kammertemperatur nicht mit der Dichtungstemperatur gleich.

4. Statische Dichtheit vor der Bewegung prüfen

Beaufschlagen Sie die festgelegte Kammer beziehungsweise die festgelegten Kammern mit Druck und messen Sie die Leckage nach der geforderten Verweilzeit. Prüfen Sie beide Druckrichtungen, wenn die Dichtungsanordnung dies erfordert. Die statische Leckage ist zu bewerten, bevor die Baugruppe durch Reibung erwärmt wird.

5. Erste angeforderte Bewegung prüfen

Erfassen Sie den Druck bei Bewegungsbeginn, die Verfahrzeit, das Geschwindigkeitsprofil, Ruckgleiten, die Position und ungewöhnliche Geräusche. Verwenden Sie geeignete Schutzeinrichtungen und risikomindernde Verfahren, da sich ein kalter Zylinder plötzlich lösen kann.

6. Repräsentative Zyklen wiederholen

Fahren Sie das festgelegte Lastprofil und verfolgen Sie die Veränderungen von Temperatur, Leckage und Reibung. Beziehen Sie relevante Pausen und Neustarts ein. Eine kontinuierliche Zyklusprüfung kann den Kaltstart nach langer Verweilzeit übersehen, der das tatsächliche Problem verursacht.

7. Untersuchen und erneut prüfen

Untersuchen Sie Dichtlippen, Kontaktflächen, Schmierstoffverteilung sowie Anzeichen für Risse, Abrieb, Extrusion oder bleibende Verformung. Wiederholen Sie Leckage- und Bewegungsprüfungen nach der festgelegten Zyklenzahl. Dokumentieren Sie für die Serienfreigabe, was als Versagen gilt und ob eine Demontage selbst weitere Vergleiche ungültig macht.

Änderungskontrolle ist Bestandteil der Qualifizierung. Ändern sich die freigegebene Mischung, Vulkanisation, der Schmierstoff, die Dichtungsgeometrie, Oberflächengüte oder der Lieferant, stützt die frühere Kälteprüfung die Baugruppe möglicherweise nicht mehr. Die Beschaffungsspezifikation sollte festlegen, welche Änderungen eine Überprüfung oder erneute Qualifizierung auslösen.

Häufig gestellte Fragen zu Tg bei Zylinderdichtungen

ISO 4664-3, ISO 2921, ISO 1432 und ISO 812 beschreiben vier unterschiedliche Aspekte des Tieftemperaturverhaltens: dynamischen Übergang, Rückstellung, Steifigkeit und Sprödbruch unter Schlagbeanspruchung. Die Ergebnisse ergänzen einander; eine technische Entscheidung darf daher keine einzelne Prüfung als allgemeingültige niedrigste Betriebstemperatur behandeln.

Ist Tg die niedrigste Betriebstemperatur einer Pneumatikzylinderdichtung?

Nein. ISO 4664-3 beschreibt den mittels DMA ermittelten Tg-Wert als Anhaltspunkt für die Gebrauchstemperatur. Die niedrigste Betriebstemperatur einer fertigen Dichtung hängt darüber hinaus von Mischungsrezeptur, Geometrie, Verpressung, Schmierstoff, Druck, Bewegungsgeschwindigkeit, Verweilzeit, Oberflächen und Leckagegrenzwerten ab. Verwenden Sie Tg zur Vorauswahl und qualifizieren Sie anschließend den montierten Zylinder.

Ist TR10 für dynamische Dichtungen aussagekräftiger als Tg?

TR10 bewertet unmittelbar die Rückstellung beim kontrollierten Erwärmen und ist häufig hilfreich, um Gummimischungen für tiefe Temperaturen zu vergleichen. Das Verfahren ist dennoch keine vollständige Prüfung einer dynamischen Dichtung. Bestätigen Sie die genaue Mischung und das Verfahren; messen Sie anschließend Leckage, Losbrechdruck, Reibung und Bewegung an der vorgesehenen Dichtungsgeometrie und dem vorgesehenen Schmiersystem.

Kann ich NBR, FKM und Polyurethan anhand einer allgemeinen Tg-Tabelle vergleichen?

Nicht zuverlässig. Parker nennt zwischen seinen Bereichen für Standard- und Tieftemperatur-Nitrilkautschuk einen Unterschied von 21°C. Dies verdeutlicht, wie stark die Formulierung selbst innerhalb einer Werkstofffamilie ins Gewicht fällt. Vergleichen Sie eindeutig bezeichnete Mischungen anhand einheitlicher Prüfverfahren, Medien, Härten und Anwendungsarten, anstatt jedem Polymernamen einen einzigen Tg-Wert oder eine einzige Einsatzgrenze zuzuordnen.

Belegt eine vorübergehende Leckage beim Kaltstart, dass die Dichtung glasartig geworden ist?

Nein. Ein verringertes Rückstellvermögen des Elastomers ist eine mögliche Ursache. Kaltes Fett, Feuchtigkeit oder Eis, zu geringer Druck an der Verbrauchsstelle, gedrosselter Durchfluss, Querbelastung, Maßschrumpfung oder bereits vorhandene Oberflächenschäden können jedoch ein ähnliches Verhalten hervorrufen. Vergleichen Sie kontrollierte Messungen im warmen und kalten Zustand, bevor Sie das Versagen dem Glasübergang zuordnen.

Welche Unterlagen sollte ein Lieferant für eine Tieftemperaturdichtung bereitstellen?

Fordern Sie Mischungsbezeichnung, Polymer- und Vulkanisationssystem, Härte, Tieftemperaturprüfverfahren und Prüfbericht, die Grundlage der niedrigsten Betriebstemperatur, verträgliche Schmierstoffe und Medien sowie die Einordnung als statische oder dynamische Anwendung an. Verlangen Sie für die Serienfreigabe außerdem Ergebnisse zu Leckage nach Kaltlagerung und zur ersten Bewegung an einer repräsentativen Zylinderbaugruppe mit schriftlichen Abnahmekriterien.

Elastomerwissenschaft: Die Glasübergangstemperatur (Tg) von Zylinderdichtungen

Jason Tan