Vakuumdichtung O-Ringe kann nicht allein anhand von „Material + Abmessung + Härte“ ausgewählt werden. Unter Vakuum-Betriebsbedingungen ist ein Dichtungsversagen häufig keine einfache Leckage, sondern eine Gaslast, die gemeinsam durch echte Leckagen, Permeation durch Gummi, Ausgasung des Materials, Oberflächenkontamination, Verdampfung von Schmierstoffen und Entleerung der Nutstruktur verursacht wird. Für Kunden aus den Bereichen Hochvakuum, Ultrahochvakuum, Halbleiter, Galvanik, Spektroskopie und optische Resonatoren sollte die Reaktionsstrategie von „hält es den Druck?“ auf „kann die gesamte Gaslast und das Kontaminationsrisiko kontrolliert werden?“ angehoben werden.

1. Die zentrale Herausforderung bei Vakuum-O-Ringen: Nicht der Druck, sondern die Gaslast

Gewöhnliche hydraulische und pneumatische Dichtungen konzentrieren sich hauptsächlich auf Druckdifferenz, Verschleißfestigkeit und Medienverträglichkeit; Vakuum-Dichtungen sollten stärker fokussieren auf:

Zunächst echte Leckage: Flansch, Nut, Kratzer, Bearbeitungsmarkierungen und eingeschlossene Partikel bilden einen Mikrokanal zur Außenseite des Dichtungsringes. Gas tritt durch diese kleine Lücke leichter aus als Flüssigkeit; daher ist bei Vakuumdichtungen besonderes Augenmerk auf die Qualität der Dichtfläche zu legen. - Ich weiß. das Vakuumdichtungsmaterial von 's zeigt deutlich, dass Gas oder mikroskopische Lücken besonders empfindlich auf die Oberflächenrauheit der Vakuumdichtungsnut reagieren; daher wird empfohlen, die Dichtkontaktfläche mit einer Rauheit von 16 RMS zu verwenden und senkrechte Bearbeitungslinien, die die Dichtlinie kreuzen, zu vermeiden.

Zweitens: Permeation. Selbst bei fehlenden mechanischen Defekten kann Gas durch Diffusion durch die elastische Struktur auf die Niederdruckseite des Vakuums eine erhebliche Gaslast erzeugen. Die technischen Anleitungen von Kurt J. Lesker besagen, dass die Permeabilität von Elastomeren es Gas ermöglicht, sich bei niedrigem Druck zu diffundieren und auszudehnen; die Permeationsgeschwindigkeit variiert mit Temperatur, Druck, Gasart und Elastomerart; Pfeiffer weist ebenfalls darauf hin, dass elastische Dichtungsringe von Natur aus eine etwas höhere Permeation aufweisen und selbst dann, wenn das System keine offensichtlichen Leckagen aufweist, die elastischen Dichtungen selbst den erreichbaren Vakuumenddruck beeinflussen können.

Drittens: Ausgasung und flüchtige Stoffe. Niedermolekulare Substanzen, Weichmacher, unvernetzte Reste sowie adsorbierte Feuchtigkeit in O-Ringen werden nach dem Einbringen in Hochvakuum desorbiert. Das NASA-Material-Ausgasungs-Datenarchiv bewertet mittels der ASTM-E595-Methode den gesamten Materialverlust (TML) und die kondensierbaren flüchtigen Stoffe (CVCM) in einer realen Vakuumumgebung; übliche Richtwerte lauten TML ≤ 1 % und CVCM ≤ 0,1 %; diese Angaben stellen jedoch einen allgemeinen industriellen Reinheitsstandard dar und nicht zwingende Konformitätsanforderungen für sämtliche industrielle Vakuumanwendungen.

Viertens: Kontamination. Halbleiter-, Galvanik-, Spektroskopie- und optische Spiegel befürchten weniger ein »geringes Gasaustrittsverhalten« als vielmehr die Ablagerung flüchtiger Stoffe auf Wafern, Targets, Oberflächen optischer Linsen, Kontaktstellen und Analysekavitäten. Parker weist darauf hin, dass unter Vakuumbedingungen bestimmte Elastomer-Ölsorten oder deren Bestandteile migrieren und dünne Filme auf benachbarten Oberflächen bilden können, was zu einem empfindlichen Verlust der Oberflächenqualität führt.

2. Erstens: Vakuumklasse und Akzeptanzkriterien definieren

Vor der Auswahl müssen zunächst drei Kenngrößen beim Kunden erfragt werden:

Welcher Arbeitsdruck und welcher Grenzdruck sind vorgesehen?

Niedervakuum- und Grobvakuum-Anlagen können relativ große Gaslasten tolerieren; Hochvakuum-Anlagen – also Anlagen über dem Hochvakuum-Bereich hinaus – reagieren empfindlich auf diese Permeationsgrenze. Ein Beispiel von Pfeiffer zeigt: Bei einem DN 500 ISO-K-Flansch und einer FKM-Dichtung unter Vakuumluftbedingungen bei 60 % Luftfeuchtigkeit kann die Permeations-Gaslast zur druckbegrenzenden Engstelle werden; zudem wird darauf hingewiesen, dass die Permeations-Gaslast einer elastischen FKM-Dichtung Werte in der Größenordnung von 4×10⁻⁷ Pa·m³/s erreichen kann.

Welche Leckrate ist zulässig?

Bei der Vakuum-Leckdetektion werden üblicherweise die Einheiten mbar·L/s oder die SI-Einheit Pa·m³/s verwendet. In Pfeiffers Anleitungen zur Leckrate ist ebenfalls vermerkt, dass bei der Helium-Detektion die gängigste Einheit für die Leckrate mbar·L/s oder Pa·m³/s ist. Leybolds Daten zur Leckdetektion zeigen, dass die zulässige Leckrate je nach Vakuumklasse stark variiert: Im Niederdruckbereich kann eine vollständige Undichtigkeit akzeptiert werden; als Beispiel gilt: <10⁻⁷ mbar·L/s wird als „gasdicht“ bezeichnet, <10⁻¹⁰ mbar·L/s entspricht eher dem Ausdruck „absolut dicht“.

Handelt es sich um einen Druckanstiegstest oder um eine Helium-Massenspektrometer-Leckdetektion?

Druckanstiegsprüfungen können die gesamte Gaslast durch den Druckanstieg pro Zeiteinheit im Behälter abschätzen; wenn die Druckanstiegskurve einer Divergenz zustrebt, ist eher eine echte Leckage vorhanden; wenn sie sich einer Geraden annähert, jedoch sanft konvergiert, ist eher eine Gaslast vorhanden. Leybold verglich ausdrücklich Druckanstiegsprüfungen mit Permeations-/Entgasungskurven und wies darauf hin, dass Gaslasten unter 10⁻⁶ mbar·L/s üblicherweise mit Helium-Lecksuchgeräten für eine genaue Detektion erfasst werden müssen.

3. Auswahl des Materials: Nicht nur auf „FKM/Viton“ achten

3.1 FKM: Standardwahl für die meisten Hochvakuumgeräte

FKM-Fluorkautschuk gehört zu den gebräuchlichsten Vakuummaterialien O-Ring materialien, geeignet für die meisten Hochvakuum-Geräte, Instrumente, Beschichtungsanlagen, Vakuumpumpen-Anschlüsse, Beobachtungsfenster, statische Dichtungen für KF-/ISO-Flansche usw. Kurt J. Lesker weist darauf hin, dass FKM einer der am weitesten verbreiteten elastomeren Dichtstoffe für Vakuumanwendungen ist; es zeichnet sich durch gute Hochtemperaturbeständigkeit, Ozonbeständigkeit, Sauerstoffbeständigkeit sowie Kompatibilität mit zahlreichen Ölen und Lösungsmitteln aus und weist eine relativ niedrige Gasdurchlässigkeit auf; seine Tieftemperatur-Leistung ist jedoch im Allgemeinen schwächer.

Bei der Auswahl von FKM ist besonders auf „vakuumtaugliches FKM“ oder „FKM mit geringer Ausgasung“ zu achten – nicht auf gewöhnliches industrielles FKM. Gewöhnliches FKM kann bei unzureichender Nachvulkanisation, bei Vorhandensein von Trennmitteln an der Oberfläche oder bei Verunreinigungen durch flüchtige Stoffe bzw. Verpackungsmaterialien weiterhin eine erhöhte Ausgasung in Vakuumsystemen verursachen.

Anwendungsbereiche: Hochvakuum-Kammern, Beschichtungsanlagen, Laborinstrumente, Vakuumpumpen-Anschlüsse, gewöhnliche Hilfskammern für Halbleiter.

Risikopunkte: starke Ionenbelastung, stark korrosive Prozesse, Hochtemperatur-Backprozesse, optische Spektralgeräte mit hoher Reinheit – weitere Überprüfung oder Aufrüstung erforderlich.

3.2 FFKM: Halbleiter, korrosive Gase, Hochtemperaturprozesse – Prioritätsbetrachtung

FFKM (Perfluoroelastomer) eignet sich für Hochtemperatur-, stark korrosive, Plasma- sowie Halbleiter-Ätz- und -Abscheidungsprozesse und andere anspruchsvolle Anwendungen. Kurt J. Lesker beschreibt Kalrez 4079 wie folgt: Es wird in zahlreichen trockenen und nassen Halbleiterprozessumgebungen eingesetzt, weist eine hervorragende chemische Beständigkeit und thermische Stabilität auf und zeigt im reaktiven Plasma relativ geringe Verluste.

Anwendungsbereiche: Halbleiterätzung, CVD/PVD, ALD, korrosive Prozessgase, häufig wiederkehrende Hochtemperatur-Backzyklen.

Risikopunkte: hoher Preis; unterschiedliche FFKM-Formulierungen weisen große Unterschiede auf – es müssen unbedingt spezifische Anforderungen an Metallionenäquivalenz, niedrigen Metallgehalt, niedrige Partikelabgabe und niedrige Ausgasung angegeben werden.

3.3 EPDM: Wasserdampf, Ozon, Dampf, einige radioaktive Szenarien können in Betracht gezogen werden

EPDM eignet sich für Wasser, Dampf, Ozon und einige radiologische Umgebungen. Parkers Vakuumdichtungsmaterial wird empfohlen, bei heißem Wasser, Dampf oder Vorhandensein von Strahlung EPDM-Material zu verwenden. Kurt J. Lesker weist ebenfalls darauf hin, dass EPDM eine gute Beständigkeit gegenüber Wasser, Dampf, Ozon, Witterungsalterung sowie Mineralöl, Kraftstoffen und Kohlenwasserstoffflüssigkeiten aufweist, jedoch nicht ölfest ist.

Anwendbare Szenarien: relativ viele Wasserdampfsituationen, Ozon, Dampfreinigung, teilweise radiologische Umgebungen.

Risikopunkte: Kontakt mit Vakuumpumpenöl, Kohlenwasserstofflösemitteln und Öldampf ist nicht geeignet.

3.4 NBR: Geringe Kosten, jedoch nicht geeignet für hohe Reinheitsanforderungen oder anspruchsvolle Anwendungen

NBR-Acrylnitril-Butadien-Kautschuk ist bei kostenguenstigen Vakuumdichtungen weit verbreitet und eignet sich fuer gewoehnliche Vakuum- und Niedervakuum-Anwendungen, allgemeine Dichtungen fuer Gerätedeckel sowie Umgebungen ohne Reinheitsanforderungen. Allerdings ist es nicht das bevorzugte Material fuer Hochvakuum oder Ultra-Hochvakuum. Kurt J. Lesker weist darauf hin, dass NBR eines der vergleichsweise kostenguenstigen Standardmaterialien fuer Vakuumanwendungen ist; seine Wasserdampfdurchlaessigkeitsrate liegt jedoch etwa 20-mal hoeher als die von FKM, und es darf nicht in Sauerstoff- oder Sauerstoff-Plasma-Prozessen eingesetzt werden.

Anwendungsbereiche: Grobvakuum, Niedervakuum, allgemeine Maschinen- und Geräteausstattung, kostenkritische Anlagen.

Risikopunkte: Wasserdampf, Ozon, Sauerstoffionen, hohe Reinheitsanforderungen, Grenzdruckanforderungen fuer Hochvakuum.

3.5 Silikonkautschuk VMQ: Gute Tieftemperaturweichheit, doch Vorsicht bei Vakuumdurchlaessigkeit und Ausgasung

Silikonkautschuk mit guter Beständigkeit gegen niedrige Temperaturen, weich, geeignet für einige Dichtungsanwendungen bei niedrigen Temperaturen oder Anwendungen, bei denen keine hohe Reinheitsanforderung besteht; in Hochvakuum-Systemen ist jedoch Vorsicht geboten. Kurt J. Lesker weist darauf hin, dass die Wasserdampfdurchlässigkeit von Silikonkautschuk etwa das 200-Fache derjenigen von FKM beträgt und dass es nach langzeitiger Hochtemperaturbelastung zu Elastizitätsverlust, Verhärtung und Haftungsproblemen kommen kann.

Anwendbare Szenarien: niedrige Temperatur, hohe Weichheitsanforderung, Vakuumqualität nicht hochgradig, Risiko einer Kontamination akzeptabel.

Risikopunkte: Wasserdampfdurchlässigkeit, flüchtige Stoffe, Kontamination von Halbleitern/optischen Komponenten, langzeitige Druckbelastung bei hohen Temperaturen.

3.6 Butylkautschuk (IIR): geringe Gasdurchlässigkeit – Vorteil; jedoch eingeschränkter Anwendungsbereich bezüglich Betriebsbedingungen

Die Gasdurchlässigkeit von Butylkautschuk ist gering und macht ihn zu einem wertvollen Material für herkömmliche Vakuumdichtungen. Parker Material erläutert, dass die charakteristische Langzeitanwendbarkeit von Butylkautschuk in Vakuumdichtungen hauptsächlich auf seiner ausgezeichneten Beständigkeit gegen Gasdurchtritt beruht, während er gleichzeitig eine geringe Ausgasung, einen geringen Massenverlust und eine gute Feuchtigkeitsbeständigkeit aufweist. Allerdings ist die Kompatibilität von Butylkautschuk bei hohen Temperaturen, gegenüber chemischen Medien, Strahlung und bestimmten Verfahren nicht so breit wie die von FKM/FFKM; hierfür ist jeweils eine entsprechende Anwendungsvalidierung erforderlich.

Anwendungsbereiche: statisches Vakuum, hohe Priorität für geringe Gasdurchlässigkeit, moderate Temperatur- und Chemieumgebung.

Risikopunkte: hohe Temperaturen, Säuren, starke Oxidationsmittel, Ozon und spezielle Verfahren.

3.7 Wann sollten Gummi-O-Ringe nicht verwendet werden?

Falls der Kunde Ultra-Hochvakuum, langfristiges Hochtemperatur-Backen, extreme Sauberkeit, starke Strahlung, extreme Permeation oder sehr niedrigen Enddruck benötigt, sollten Metall-Dichtungen in Betracht gezogen werden, z. B. CF-Kupferdichtungen, Indiumdraht, Elastomere, metallische C-Ringe, metallische O-Ringe usw. Pfeiffer weist ausdrücklich darauf hin, dass bei Hochvakuum-, Langzeitbetriebs-, hoher Strahlungsbelastungs- oder extrem niedriger Permeationsrate-Anwendungen metallische Dichtelemente statt Elastomere verwendet werden sollten.

4. Bestimmung des Kompressionsverhältnisses: Vakuum-Dichtungen erfordern normalerweise eine stärkere Kompression als gewöhnliche statische Dichtungen

Die Kompressionsmenge eines Vakuum-O-Rings beeinflusst direkt die Leckrate. Parkers Anweisungen für Vakuum-O-Ring-Tests zeigen, dass bei Flanschdichtungen eine Erhöhung der Kompressionsmenge die Leckrate deutlich verringert; dies geschieht durch Verlängerung des Gasdurchtrittsweges, Verringerung der Eintrittsfläche für das Gas und besseres Ausfüllen mikroskopischer Oberflächenfehler der Metalloberfläche durch das Gummi.

Doch ist das Verdichtungsverhältnis nicht umso besser, je größer es ist. Eine zu hohe Verdichtung kann zu einer Überverdichtung der O-Ringe führen, wodurch die Nutfüllrate zu hoch wird, für thermische Ausdehnung kein Platz mehr bleibt und sich die bleibende Verformung schneller erhöht – was später zu Rückwärtsleckagen führt; Parker weist zudem darauf hin, dass extreme Verdichtung den Druck so stark erhöhen kann, dass es zu einer Überverdichtung kommt; falls eine flache Nut zur Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses eingesetzt wird, muss die Nut ausreichend Raum bieten, um das Volumen des O-Rings aufzunehmen.

Praktisch lässt sich dies folgendermaßen verstehen:

In Parkers Tabelle zur Vakuum-Endflächen-Rillenkonstruktion umfassen die verschiedenen Querschnitts-O-Ring-Verdichtungsraten grob den Bereich von 19 % bis 32 %; die genauen Abmessungen sind entsprechend Querschnitt, Nuttiefe, Nutbreite sowie innerer/äußerer Vakuumausrichtung und Montageform zu berechnen.

5. Oberflächenrauheit: Ein Punkt, der Kunden mehr Sorge bereitet, als sie sich vorstellen

Was bei Vakuumdichtungen am meisten befürchtet wird, sind Kratzer und Werkzeugspuren quer zur Dichtlinie. Selbst wenn das O-Ring-Material korrekt ist, können Querschnittsrillen, Kratzer oder Partikelspuren auf der Flanschfläche ebenfalls eine ‚unsichtbare Leckage‘ verursachen.

Parker empfiehlt, die Vakuum-Dichtungsflanschfläche mit einer umlaufenden Drehbearbeitung zu strukturieren und Bearbeitungslinien zu vermeiden, die senkrecht zur O-Ring-Dichtlinie verlaufen. Kurt J. Lesker weist ebenfalls darauf hin, dass Beschädigungen der Metalloberfläche oder Glasoberfläche, die sich über den O-Ring-Kontaktbereich erstrecken – von Werkzeugkratzern bis hin zur Außenseite, die zur Vakuumseite führt – Leckagen verursachen können.

Praktische Empfehlungen:

Die Dichtkontaktfläche muss die Rauheit eindeutig kennzeichnen; es darf nicht lediglich „maschinell bearbeitet“ angegeben werden. Für Hochvakuum-Endflächendichtungen kann die 16-RMS-Qualität als Referenz dienen; falls die Zeichnung Ra verwendet, ist mit dem Kunden die Umrechnung und die Akzeptanzmethode zu klären – RMS und Ra dürfen nicht mechanisch gleichgesetzt werden. Boden, Seitenwände der Nut sowie die Flanschverbindungsfläche sind auf Grat, Schnittmarkierungen, Korrosionspitsen und grobe Partikeleindellungen zu prüfen.

6. Konstruktive Entscheidungen: Endflächen-Stabdichtung versus radiale Stabdichtung

Die Vakuum-Statikdichtung sollte vorzugsweise zunächst eine Stirndichtung (Face Seal) verwenden. Die Stirndichtung ermöglicht leichter eine stabile Kompression und eignet sich zudem besser für die Helium-Lecksuche sowie für die Reinigung. Parker empfiehlt, bei statischen Vakuumdichtungen bevorzugt Stirn-Nutdichtungen oder Face-Seals zu verwenden und diese mit einer geeigneten Vakuumqualität sowie einer höheren Kompressionsmenge abzustimmen; falls jedoch eine radiale Dichtung oder Pfaddichtung (Path Seal) unumgänglich ist, kann sie nicht die gleiche Leistungsfähigkeit bieten.

Schwalbenschwanznuten eignen sich für Türen und vertikale Dichtungen, wenn Wartungszeiten verkürzt werden müssen; ihr Merkmal ist eine geringe Grundfläche, doch sind sie weniger geeignet bei thermischer Ausdehnung sowie bei Lösungsmittelbeständigkeit des Materials. Parker weist zudem darauf hin, dass Schwalbenschwanznuten außerhalb der Mikroelektronikindustrie seltener eingesetzt werden, da ihre geometrischen Eigenschaften das nutzbare Volumen, den Temperaturbereich, die Toleranzen sowie den qualitativ hochwertigen löslichen Zustand stärker beeinträchtigen können.

Doppelte O-Ringe sind nicht zwangsläufig besser, wie Kurt J. Lesker deutlich hervorhebt: Wenn zwischen zwei O-Ringen keine Differenzialpumpung erfolgt, sind doppelte O-Ringe nicht notwendigerweise besser als einzelne O-Ringe. Für Hochvakuum-Türventile, Load-Lock-Systeme und Halbleiter-Gate-Ventile kann jedoch eine Pumpkonstruktion mit „doppeltem O-Ring plus Zwischenpumpnut“ eingesetzt werden – doch dies gehört zur Systemgestaltung und ist nicht einfach nur das Hinzufügen eines weiteren O-Rings.

7. Ausgasung und geringe Flüchtigkeit: Es muss das gesamte Compound-System, die Nachbearbeitung sowie die Chargenkontrolle berücksichtigt werden.

„Geringe Ausgasung“ ist kein fester Eigenschaftsname für einen bestimmten Elastomerwerkstoff, sondern ergibt sich gemeinsam aus Compound-System, Formulierung, Vulkanisationssystem, Nachvernetzung, Reinigung, Verpackung und Chargenkontrolle.

Die Entgasungsdaten der NASA erklären, dass ASTM E595 zur Messung von TML und CVCM in Vakuumumgebungen verwendet wird und zur Überprüfung der geringen Entgasungsleistung von Materialien eingesetzt werden kann. Die niedrigen NASA-Entgasungsdaten von Parker Chemomerics bestätigen ebenfalls, dass ASTM E595 TML und CVCM misst; übliche Richtwerte für NASA-Anwendungen sind TML ≤ 1 % und CVCM ≤ 0,1 %.

Der Lieferant muss bei der Beschaffung folgende Angaben bereitstellen:

Parker weist außerdem darauf hin, dass das Vakuumbacken helfen kann, restliche flüchtige Stoffe zu entfernen, jedoch zu einer Schrumpfung der O-Ringe führen und deren Elastizität sowie Tieftemperaturverhalten verändern kann. Daher darf die Maßnahme „einmaliges Backen“ nicht pauschal als risikofreie Verarbeitung betrachtet werden; es ist eine Überprüfung der dimensionsbezogenen Veränderung, der Härteänderung und der bleibenden Kompressionsverformung erforderlich.

8. Sauberkeit: Die „unsichtbare Kenngröße“ der Vakuumdichtung

In Vakuumsystemen können Hautöle, Staub, Fasern, Trennmittel, Ölverunreinigungen und Reste von Reinigungsmitteln sämtlich als Gaslast- oder Leckstellequellen wirken. Die Empfehlungen von Kurt J. Lesker zur Hochvakuumreinigung weisen darauf hin, dass Verunreinigungsquellen für Vakuumkomponenten unter anderem Kühlschmierstoffe aus der Bearbeitung, menschliche Berührung und unsachgemäße Lagerung, wasserlösliche Verunreinigungen, Seifenflüssigkeit, Feuchtigkeit sowie Reste von Alkohol umfassen; abschließend sind thermische Trocknung und eine sachgerechte Verpackung erforderlich.

Praktische Betriebsempfehlungen:

O-Ringe und Dichtflächen dürfen vor der Montage nicht direkt mit den Händen berührt werden. Verwenden Sie fusselfreie Handschuhe, Vliesstoffe, saubere Lösemittel oder spezielle Halterungen. Auf der Oberfläche von O-Ringen dürfen sich keine Talkumpulver-, Faser-, Metallspäne-, Schneidflüssigkeits- oder handelsübliche Schmiermittel- sowie Transportölrückstände befinden. Kunden aus der Halbleiter- und Optikindustrie verlangen üblicherweise Reinraumreinigung, doppelte Verpackung in Reinraumbeuteln, Chargenetikettierung sowie ein Datum für die spätestens zulässige Entnahme aus der Verpackung.

9. Auswahl von Vakuumfetten: Nützlich, aber nicht grundsätzlich erforderlich

Die Funktion von Vakuumfett besteht darin, mikroskopische Unebenheiten auf Metalloberflächen auszufüllen, Leckagen durch Mikrokanäle zu verringern und die Montage zu unterstützen. Parkers Experimente zeigen, dass Hochvakuumfett die Permeation komprimierter O-Ringe deutlich reduzieren kann; unter übermäßigem Kompressionsgrad werden die Vorteile durch das Fett jedoch unvorhersehbar. Pfeiffer weist ebenfalls darauf hin, dass eine geringe Menge Schmierfett die Ausfüllung oberflächennaher Mikrodefekte verbessern und Leckagen senken kann, doch überschüssiges Schmierfett kann Kontaminationen verbreiten, Raum für thermische Ausdehnung beanspruchen und möglicherweise auf die Vakuumseite gelangen, wo es Ablagerungen bildet oder erneut entgasen kann.

Auswahlstrategie:

Pfeiffers Schlussfolgerung ist sehr direkt: Die Entscheidung, Fett einzusetzen, hängt davon ab, wie sauber das System sein muss; in Umgebungen mit hoher Reinheitsanforderung ist Schmierung möglicherweise überhaupt nicht zulässig; falls doch eingesetzt, sollte die Beschichtungsschicht extrem dünn sein – nahezu unspürbar durch Berührung. Apiezon-Daten zeigen, dass Vakuumfette verschiedene Systeme umfassen: Kohlenwasserstoff-basiert, silikonfrei, für Hochvakuum, Ultrahochvakuum sowie PFPE-basiert – jeweils geeignet für unterschiedliche Hochtemperatur- und starke Oxidations-/Korrosionsumgebungen, jedoch stets unter Prozessvalidierung.

Gewöhnliches gelbes Fett, handelsübliche Schmierstoffe oder mechanische Schmiermittel dürfen keinesfalls als Ersatz für Vakuumfett verwendet werden; selbst Produkte, die als „Hochvakuumfett“ gekennzeichnet sind, sind nicht zwangsläufig für halbleiter- oder optikempfindliche, kontaminationskritische Prozesse geeignet.

10. Wie man eine Helium-Leckdetektion durchführt: Wahre Lecks, Permeation und Ausgasung müssen klar unterschieden werden

Ein häufiger Irrtum bei der Helium-Leckdetektion im Vakuumbereich: Ein direktes Heliumsignal wird automatisch als Beschädigung der O-Ring-Dichtung interpretiert. Die tatsächliche Ursache kann jedoch auch Kratzer an der Dichtfläche, Partikeleinlagerungen, ein unvollständig gefülltes Nutprofil, Materialpermeation, Ausgasung oder Kontamination durch Schmiermittel sein.

Empfohlener Ablauf:

Zunächst Reinigung und Montagebestätigung durchführen. Prüfen Sie die Nut, die Flanschfläche, die Oberfläche des O-Rings, die Gleichmäßigkeit der Schraubenvorspannung, die Nuttiefe und die Kompressionsrate.

Anschließend Druckanstiegstest durchführen. Beobachten Sie, ob die Kurve linear ansteigt oder allmählich abflacht; weist der Druckanstieg eher eine gerade Linie auf, deutet dies stärker auf ein Leck hin; verläuft die Kurve hingegen allmählich in Richtung eines stabilen Wertes, spricht dies eher für Materialausgasung.

Schließlich Helium-Massenspektrometer-Leckdetektion durchführen. Bei Hochvakuum und Ultrahochvakuum wird üblicherweise äußeres Helium versprüht und die Vakuumreaktion beobachtet. Leybold weist darauf hin, dass Helium-Detektion kleinste Leckagen präzise lokalisieren und quantitativ messen kann; Leckraten unter 10⁻⁶ mbar·L/s erfordern in der Regel Helium-Leckdetektionsgeräte.

Die dokumentierten Leckraten müssen die Prüfmethode eindeutig angeben: Sprühmethode, Absorptionsmethode, Umhüllungsmethode, Prüfdruckdifferenz, Heliumkonzentration, Reaktionszeit, Hintergrundkorrekturverfahren sowie Druckhaltezeit und Interpretationsschwellenwert. Andernfalls hat „Helium-Detektion bestanden“ keinerlei ingenieurtechnische Aussagekraft.

11. Empfohlene Richtlinien für verschiedene Kunden

Kunden für Vakuumgeräte

Vorrangig niedrig ausgasende FKM 75A oder vakuumtaugliche FKM, Endflächennut, Kompression ca. 20–30 %, Oberfläche 16–32 RMS, Entscheidung über Vakuum-Backen und Helium-Lecktest gemäß Kundenanforderung an den Grenzdruck; Wartungshäufigkeit muss streng sein; bei bereits leichtem Oberflächenverschleiß kann eine extrem dünne Schicht Vakuumfett aufgetragen werden.

Kunden für Instrumente, Spektroskopie und Analysegeräte

Fokus liegt auf der Kontrolle von Ausgasung, flüchtigen Bestandteilen und dem Helium-Hintergrundsignal; vorrangig niedrig ausgasende FKM- oder FFKM-Werkstoffe wählen; Schmierfett möglichst sparsam oder gar nicht verwenden; saubere Verpackung, Chargenverfolgbarkeit und erforderliche Vorab-Verifizierungsdaten sind zwingend erforderlich; bei empfindlichen Analysekavitäten ist besonders die inhärente Materialqualität – also der eigene Qualitäts-Hintergrund – zu bewerten, nicht nur die Leckrate.

Kunden aus der Halbleiterindustrie

Prioritäre Auswahl von FFKM, korrosionsbeständigem, ionenresistentem FKM mit geringem Metallionengehalt, geringer Partikelabgabe und geringer Ausgasung; Formulierungsoptimierung erforderlich. Klärung von Prozessgas, Plasmatyp, Temperaturzyklus, Reinigungsflüssigkeit und Gehäuseposition ist zwingend notwendig. In den meisten Fällen wird die beliebige Verwendung von Vakuumfett nicht empfohlen. Erforderlich sind Chargenverfolgbarkeit, saubere Verpackung, CoA (Certificate of Analysis) sowie ausreichende Zeit zur Bereitstellung von TML/CVCM-Daten, Ionenanalyse-, Partikel- und Prozessverifikationsdaten.

Kunden für Beschichtungsanlagen

Bei herkömmlichen PVD- oder Verdampfungsverfahren sowie bei Vakuumtürdichtungen ist FKM geeignet; bei hohen Temperaturen, aktiven Gasen oder Risiko einer Beschichtungskontamination sollte auf FFKM oder eine spezielle, kontaminationsarme Formulierung umgestiegen werden. Für Türdichtungen kann zudem eine Doppel-O-Ring-Lösung mit Zwischenpumpnut in Betracht gezogen werden, anstatt lediglich einen weiteren O-Ring hinzuzufügen.

Kunden aus den Bereichen Optik, Luft- und Raumfahrt sowie UHV

Falls empfindliche optische Oberflächen, Ultra-Hochvakuum, langfristiges Ausheizen oder äußerst strenge Kontaminationsanforderungen vorliegen, sind Gummi-O-Ringe möglicherweise nicht geeignet; es ist vorzugsweise ein Elastomer zu bewerten, das niedrige Ausgasungswerte aufweist, vakuumtauglich ausgeheizt werden kann, in sauberer Verpackung geliefert wird, unnötige Verwendung vermeidet und einer vollständigen System-Ausgasungsprüfung unterzogen wurde.

12. Felder, die während der Beschaffung/Angebotsanfrage unbedingt abgefragt werden müssen

Bei der Übergabe von Auswahlbögen an Kunden oder Lieferanten mindestens folgende Felder einbeziehen:

13. Endgültige Auswahlentscheidung

Kann schnell entlang des folgenden Entscheidungspfades bewertet werden:

• Gewöhnliches grobes Vakuum/niedriges Vakuum, kostenorientiert: NBR oder EPDM können in Betracht gezogen werden, müssen aber hinsichtlich Medium und Temperatur bestätigt werden.
• Hochvakuum-Allgemein-Anlagen: FKM mit geringer Ausgasung ist die Hauptwahl.
• Halbleiter, korrosive Gase, Hochtemperatur-Plasma: FFKM oder spezielles ionenbeständiges FKM.
• Wasserdampf, Dampf, Ozon: EPDM erhält hervorragende Bewertung.
• Anforderung an Weichheit bei niedrigen Temperaturen: Silikonkautschuk oder EPDM können in Betracht gezogen werden, müssen jedoch bezüglich Durchlässigkeit und Ausgasung besonders evaluiert werden.
• Ultrahochvakuum, hohe Sauberkeit, langfristiges Backen, Empfindlichkeit gegenüber optischer Kontamination: Metall-Dichtungen haben Priorität; Gummi-O-Ringe nur als Kompromiss nach validierter Prüfung.

Zusammenfassung in einem Satz: Bei der Auswahl von O-Ringen für Vakuumdichtungen steht nicht die Frage im Vordergrund, „welcher Kautschuk besonders langlebig ist“, sondern ob Gesamt-Leckrate, Ausgasung, Durchlässigkeit, Kontamination sowie Oberfläche der Montagefläche unter dem geforderten Vakuumniveau kontrolliert werden können.