Welches Dichtungsmaterial eignet sich am besten für Felsbohrgeräte? Vergleich von PU/HNBR/PTFE

Die Frage, welches Dichtungsmaterial am besten ist, hat eine frustrierende, aber zutreffende Antwort: Es hängt davon ab, welcher Versagensart Sie vorbeugen möchten. PU (Polyurethan) versagt durch thermische Kompressionssetzung oberhalb von 90 °C. HNBR (hydriertes Nitrilkautschuk) versagt durch Oberflächenabrasion in Umgebungen mit hoher Partikelbelastung. PTFE (Polytetrafluorethylen) versagt durch Extrusion in Bohrungs-Spielräume, wenn es in dynamischen Anwendungen nicht ordnungsgemäß gestützt ist. Jedes Material weist eine dominierende Versagensart auf, und die richtige Wahl ist das Material, dessen dominierende Versagensart unter Ihren spezifischen Betriebsbedingungen am wenigsten wahrscheinlich ist.

Das klingt nach einem Problem aus der Werkstoffwissenschaft. In der Praxis handelt es sich um eine Standortbedingungsanalyse mit drei Eingangsgrößen: Betriebstemperatur, Fluidchemie und dynamische Lastwechselfrequenz. Stimmen diese drei Eingangsgrößen, folgt die Werkstoffauswahl logisch. Liegen sie falsch vor – oder wird ein generisches „Standard-PU-Kit“ für eine Anwendung eingesetzt, die stattdessen HNBR erfordert –, versagt die Dichtung so, wie PU bei Überhitzung versagt: schleichend und lautlos, ohne äußeren Leckagehinweis, bis die Kompressionsverformung abgeschlossen ist und der Durchfluss an der Dichtung bereits über Monate hinweg zunimmt.

PU: Die Standard-Dynamikdichtung und ihre Temperaturgrenze

Polyurethan ist das Standardmaterial für Schlagkolben-Dichtungen, Führungshülsen-Dichtungen und dynamische Spülkasten-Dichtungen in hydraulischen Bohrgeräten. Die Gründe hierfür sind praktischer Natur: PU weist eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit, eine hohe Zugfestigkeit unter dynamischen Lasten sowie eine gute Elastizität zur Aufrechterhaltung des Dichtkontakts bei zyklischen Schlagfrequenzen von 30–60 Hz auf. Es verträgt Mineralöl-Hydraulikflüssigkeiten ohne nennenswerte Quellung und ist über den Temperaturbereich hinweg dimensionsstabil, der typisch für oberflächennahe und unter Tage in gemäßigtem Klima betriebene Anlagen ist.

Die Grenze ist thermisch bedingt. Bei dauerhaften Temperaturen oberhalb von 90–95 °C erfährt Polyurethan eine beschleunigte Kompressionsverformung – der Elastomer verliert seine elastische Rückstellfähigkeit, und die Dichtlippe passt sich dauerhaft den Abmessungen der Bohrungsnut an, ohne zu ihrer vorgesehenen Dichtgeometrie zurückzukehren. Die Dichtung sieht physisch intakt aus; sie erfüllt jedoch nicht mehr ihre Funktion als federbelastetes Dichtelement. Der Durchtritt von Druckmedium im Schlagraum beginnt, noch bevor ein äußerlich sichtbarer Leckageaustritt auftritt.

Tiefe Bergwerke mit hohen Temperaturen – Umgebungstemperaturen an der Arbeitsstelle über 35 °C, Rücklauföltemperatur des Hydrauliksystems über 75 °C – überschreiten regelmäßig das zulässige Temperaturfenster von Polyurethan (PU) bei längerer, kontinuierlicher Schlagbetriebszeit. Auch Oberflächenbetriebe in tropischen Klimazonen ohne ausreichende Ölkühlung können dies bewirken. In solchen Umgebungen ist der Einsatz von PU nicht deshalb wirtschaftlich falsch, weil es preisgünstig ist; er ist falsch, weil die Lebensdauer bis zum Ausfall unvorhersehbar ist und ausgefallene Dichtungen im Schlagkreislauf keine offensichtliche Warnung erzeugen.

HNBR: Die Hochtemperatur- und Chemikalienbeständigkeits-Aufwertung

Hydriertes Nitrilkautschuk (HNBR) behebt die Temperaturanfälligkeit von PU, indem die ungesättigten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen im Nitril-Grundgerüst durch Wasserstoff gesättigt werden. Das resultierende Polymer behält die Ölbeständigkeit des Nitrils bei – die polaren C≡N-Gruppen, die eine Quellung in Mineralölen verhindern, bleiben erhalten – während das gesättigte Grundgerüst sowohl thermischer Degradation als auch chemischem Angriff durch Ozon, aggressive Wasserzusammensetzungen und hydraulische Flüssigkeiten auf Esterbasis widersteht.

HNBR behält nützliche Dichtungseigenschaften bis zu einer kontinuierlichen Temperatur von 150 °C – ein Spielraum von 60 °C über PU. In heißen Bergwerksumgebungen übersetzt sich dieser Spielraum direkt in längere und vorhersehbarere Wartungsintervalle. Ein Bohrhammer in einem tiefen Goldbergwerk, bei dem die Rücklauföltemperatur konstant bei 95 °C liegt, weist HNBR-Dichtungen im Schlagkreis auf, die um 40–70 % länger halten als PU-Dichtungen. Das ist keine marginale Verbesserung; bei einer Betriebslebensdauer von 5.000 Stunden entspricht dies dem Unterschied zwischen 12 und 8 Dichtungssatzwechseln pro Gerät.

HNBR verträgt außerdem saures Grubenwasser und salzhaltiges Grundwasser besser als PU. In Kupfer- und Goldbetrieben, in denen das Gesteinswasser sauer ist (pH 4–5), wird das PU-Rückgrat durch die Wasserstoffionenkonzentration angegriffen, während HNBRs gesättigtes Polymer diesem Angriff widersteht. Das Symptom ist eine beschleunigte Oberflächenrissbildung an PU-Dichtungen – Mikrorisse, die sich nach innen ausbreiten und Umgehungsströmungspfade erzeugen – während HNBR-Dichtungen im selben Kreislauf normale Verschleifmuster aufweisen.

PTFE: Chemisch inert, aber mechanisch anspruchsvoll

Polytetrafluorethylen—PTFE—gehört in eine andere Kategorie als PU und HNBR. Sein Kohlenstoff-Fluor-Gerüst ist im Wesentlichen chemisch inert; es quillt weder in Säuren, Basen, Lösungsmitteln noch in irgendeiner der aggressiven Flüssigkeiten auf, die im Bergbau auftreten. Es weist eine extrem geringe Reibung auf und erfordert weniger Schmierung als elastomerische Dichtungen; zudem behält es seine Eigenschaften über einen breiten Temperaturbereich hinweg bei.

Die mechanische Realität ist, dass PTFE eine sehr geringe Elastizität besitzt. Es passt sich nicht wie ein Elastomer der Bohrungsgeometrie an – zur Aufrechterhaltung des Dichtkontakts bei Verschleiß der Oberfläche ist eine federbelastete Energiespule oder ein Stützelement erforderlich. Bei dynamischen Schlaganwendungen wird eine reine PTFE-Dichtung ohne Stützring unter den zyklischen Druckspitzen von 160–220 bar im Schlagbetrieb in den Freiraum zwischen Kolben und Bohrung extrudiert. Das extrudierte Material versagt innerhalb weniger Stunden.

Die geeignete Rolle von PTFE in einem Dichtungssatz für Bohrhammer ist bei statischen Kreisläufen: O-Ringe am Speicheranschluss, Dichtungen für den Spülwassereinlasssitz sowie statische Schnittstellen am Ventilblock. Bei einem hydraulischen Bohrhammer mit schnellem Hub, der in einem Bauxitbergwerk getestet wurde, versagten Kolbendichtungen aus HNBR-Elasteromer aufgrund von Verunreinigungen und hoher Temperatur. Der Austausch durch selbstverstärkte Dichtungen mit PTFE-Körper beseitigte den häufigen Austauschzyklus – denn bei diesem spezifischen schnellen Hub und in dieser verunreinigten Umgebung überwiegen die Verschleißfestigkeit und chemische Inertheit von PTFE dessen geringere Elastizität. Dies ist eine spezifische Anwendung; sie lässt sich nicht allgemein auf alle dynamischen Schlagdichtungen übertragen.

Materialvergleich nach Bohrhammerschaltkreis und Betriebsbedingung

Die richtige Wahl treffen – ohne Labor

Die meisten Standorte verfügen nicht über Öl-Analysedaten oder Daten zur Chemie des Grubenwassers zum Zeitpunkt der Bestellung eines Dichtungssatzes. Drei Feldindikatoren ermöglichen eine zuverlässige Entscheidung ohne formale Prüfung. Erstens: Welche Temperatur hat das rückführende Hydrauliköl? Messen Sie mit einem Infrarot-Thermometer am Rücklaufschlauch nach 30 Minuten Schlagbetrieb. Bei einer konstanten Temperatur über 80 °C ist HNBR für den Schlagkreislauf erforderlich. Zweitens: Wie sieht das Grubenwasser an der Bohrstelle aus? Grüne oder orange Verfärbung deutet auf mineralische Säure hin; für Spül-Dichtungen ist HNBR einzusetzen. Drittens: Sind frühere PU-Sätze vorzeitig mit Oberflächenrissbildung oder Kompressionsset statt abrasivem Verschleiß ausgefallen? Falls ja, liegt die Ausfallursache in Temperatur oder Chemie und nicht in mechanischer Belastung – wechseln Sie den Werkstoff.

HOVOO liefert Dichtungssätze für Bohrhammer in PU und HNBR für alle gängigen Drifter-Modelle sowie statische Dichtungen aus PTFE-Compound für chemisch aggressive Anwendungen. Die Artikelbezeichnung des Satzes enthält die Angabe des Werkstoffes, sodass Bestellungen eindeutig und nicht standardmäßig auf einen einzigen Werkstoff festgelegt werden. Vollständige Modell- und Werkstoffbezeichnungen finden Sie unter hovooseal.com.