Wie Schäden an Elastomerbauteilen analysiert werden

Die Aufgabe der Schadensanalyse ist es, die Schadensursache zu ermitteln, um Schäden und deren Folgeerscheinungen vermeiden zu können. Die VDI-Richtlinie 3822 „Schadensanalyse“ beschreibt den prinzipiellen Verlauf einer Schadensanalyse mit verschiedenen Teilaufgaben, siehe dazu auch Bild 1. Die hier beschriebene Vorgehensweise bei der Schadensanalyse hat einen allgemeingültigen Charakter und wird demzufolge auch für andere Werkstoffe in der Form angewendet. Eine derart strukturierte Arbeitsweise bei der Analyse von Schäden führt erfahrungsgemäß meist zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Jedoch gibt es auch immer wieder Schadenfälle, bei denen aufgrund der jeweiligen Randbedingungen die Schadensursache nicht eineindeutig ermittelt werden kann.

• Der initiale Schritt der Schadensanalyse ist die Einleitung, bei der eine Dokumentation des Schadensbildes und zum Beispiel eine Erfassung konstruktiver, werkstoff- und fertigungstechnischer Besonderheiten stattfindet. Die anschließende Bestandsaufnahme umfasst das Sammeln so vieler Informationen bezüglich des Schadens wie möglich:
  Schadensanamnese,
• Betrachtung des Gesamtsystems,
• Erfassung des Soll- und Istzustandes,
• Einsatz- und Umfeldbedingungen,
• Erfassung zeitlicher und/oder örtlicher Besonderheiten,
• Erfassung der Häufigkeiten, Periodizität,

Änderungen hinsichtlich Konstruktion, Werkstoff, Verarbeitung und andere. Bei der Bestandsaufnahme sollte im Idealfall ein möglichst vollständiges Bild zur Situation im Umfeld des Schadens erstellt werden. In der Praxis zeigt sich aber oftmals, dass dies nicht möglich ist. So sind beispielsweise viele Teile in Systemen oder Baugruppen sogenannte „Zukaufteile“, über die kaum Informationen vorliegen beziehungsweise deren Hersteller nicht für Information zur Verfügung stehen. Ein weiterer Punkt ist, dass oft eine Inaugenscheinnahme des schadhaften Bauteils oder eines nicht schadhaften Vergleichsteils unter Einsatz- oder Umfeldbedingungen nicht möglich ist. Das erschwert unter Umständen die Bewertung hinsichtlich der Aufklärung der Schadensursache. Aus der Sicht eines Dienstleisters im Bereich der Schadensanalyse ist generell festzustellen, dass hinsichtlich möglicher Änderungen im System besondere Aufmerksamkeit geboten ist. Der nächste Schritt bei der Schadensanalyse nach der Bestandsaufnahme ist die Aufstellung einer oder mehrerer Schadenshypothesen. Hier fließen die Erkenntnisse aus der Einleitung, aus der Bestandsaufnahme und die Erfahrungen desjenigen, der die Schadensanalyse durchführt, ein. Es kann beispielsweise folgendes formuliert werden:
Es werden anhand des Schadensbildes folgende Schadenshypothesen aufgestellt:
Die Ursache für die Undichtigkeit der Dichtungen ist in der Rissentstehung zu sehen, die
a. durch eine Variation des Werkstoffes/der Werkstoffeigenschaften durch unterschiedliche Zusammensetzung (zum Beispiel Polymer, Füllstofftyp oder -anteil) und/oder unterschiedliche Vernetzungsdichte) bedingt ist oder
b. auf eine Maßabweichung der Dichtungen in Kombination mit einer zu hohen Belastung zurückzuführen ist.

Die Aufgabe besteht dann darin, die Gültigkeit oder Nicht-Gültigkeit der Schadenshypothese(n) zu beweisen. Dazu werden Prüfungen und Analysen ausgewählt, deren Ergebnisse dazu geeignet erscheinen, und es wird ein Untersuchungsplan aufgestellt. Alle Untersuchungen, die durchgeführt werden, werden unter dem Begriff „Instrumentelle Analysen“ zusammengefasst. Das können analytische Untersuchungen sein, mit denen es möglich ist, die Zusammensetzung einer Werkstoffprobe zu bewerten, oder es können auch Experimente durchgeführt werden, mit denen das mechanische Kennwertniveau charakterisiert wird. Da sehr viele Schadensfälle mit der Entstehung und Ausbreitung von Rissen (= Werkstofftrennung) verbunden sind, ist die lichtmikroskopische Untersuchung eines oder mehrerer Schadteile Bestandteil der meisten Schadensanalysen. Je nach Größe und Art der zu begutachtenden Teile ist dafür eine geeignete Präparation erforderlich. Dies ist bei Elastomerwerkstoffen nicht immer einfach, da ein mechanisches Bearbeiten wie Sägen, Fräsen oder Schleifen nicht immer möglich oder zielführend ist. Kleinere Bauteile wie O-Ringe oder Dichtungen können meist problemlos geschnitten werden, sodass hier eine Präparation der Bruchflächen vergleichsweise einfach ist. Schwieriger ist das beispielsweise bei Dämpferelementen mit mechanisch hochbelastbaren Elastomeren wie rußverstärkten Vulkanisaten auf Basis von Naturkautschuk (NR) oder von Blends aus NR und Polybutadienkautschuk (BR). Meist ist für das Aufklären der Schadensursache die gleichzeitige Untersuchung eines (ursprünglich) vergleichbaren, neuen Bauteils (Neuteil) oder eines Vergleichsteils erforderlich. Das Vergleichsteil ist dadurch gekennzeichnet, dass es im neuen Zustand mit dem Schadteil vergleichbar und dann in einem gleichartigen Umfeld und unter entsprechenden Randbedingungen wie das schadhafte Teil im Einsatz war. Somit kann der „Sollzustand“ bei den instrumentellen Analysen miterfasst werden, was oftmals die Benennung der Schadensursache erleichtert oder überhaupt ermöglicht. Der Idealzustand ist gegeben, wenn neben dem Schadteil auch Neu- und Vergleichsteil(e) für die Untersuchung verfügbar sind.

Eine Option bei den „Instrumentellen Analysen“ ist auch das Durchführen von Simulationen und Nachstellversuchen. Das kann zum Aufklären der Schadensursache beitragen, beispielsweise im Fall einer Rissbildung in Bauteilen mit komplexer Geometrie. Wenn die Ergebnisse aus dem Teil „Instrumentelle Analysen“ vorliegen, können anhand derer dann Feststellungen getroffen werden. Hierbei steht die faktenbezogene, nicht wertende Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse im Vordergrund. Es wird beispielsweise folgendes festgestellt:
Die Daten aus der Härteprüfung und aus dem durchgeführten Zugversuch zeigen, dass Unterschiede zwischen Neu-, Vergleichs und Schadteil bestehen. Die Härte des Schadteils ist deutlich höher ist als die des Neuteils und die des Vergleichsteils. Die Zugfestigkeit und die Reißdehnung sind demgegenüber für das Schadteil auf einem niedrigeren Niveau.
Liegen die Feststellungen in der Gesamtheit vor, können dann daraus Schlussfolgerungen gezogen werden. Für das obige Beispiel könnte die Schlussfolgerung lauten:
Aufgrund der veränderten mechanischen Eigenschaften des Schadteils im Vergleich zum Neuteil und zum Vergleichsteil wird geschlussfolgert, dass eine Alterung stattgefunden hat.
Die Schlussfolgerungen werden nun mit der oder den Schadenshypothesen abgeglichen. Die die Schadensanalyse durchführende Person muss dann entsprechend einschätzen, ob die Schadenshypothese(n) unter Einbeziehen aller Informationen zufriedenstellend hinsichtlich ihrer Gültigkeit bewertet werden kann (können). Wenn dies der Fall ist, kann die Schadensursache benannt und ein Fazit gezogen werden. In einem letzten Schritt sollten Maßnahmen zur Schadensvermeidung definiert werden. Wenn die Schadenshypothese durch die instrumentellen Analysen und die daraus resultierenden Schlussfolgerungen nicht bestätigt werden kann, ist eine Iterationsschleife aus neuer Schadenshypothese und gegebenenfalls weiteren Untersuchungen angezeigt.

Neben der Rissbildung beziehungsweise parallel oder als deren Folge tritt sehr häufig eine alterungsbedingte Schädigung als Ursache für den Ausfall von Elastomerkomponenten auf. Bei rund 50 % der ausgewerteten Fälle war eine thermooxidative Alterung nachweisbar oder es wurde ein schädigender Einfluss von Ozon (siehe Bild 3) oder einem Medium aufgezeigt. Ein Beispiel einer medialen Schädigung, die zur kompletten Zerstörung des Bauteils geführt hat, ist in Bild 4 dargestellt. Die dauerhafte Beaufschlagung des Schlauches mit heißem Wasser hat hier über einen Zeitraum von mehreren Jahren zu Alterungserscheinungen geführt. Dadurch kam es zu einer massiven Eigenschaftsveränderung in Form einer kompletten Versprödung des Schlauchmaterials und daraus folgender multipler Rissbildung. Alterungsbedingte Schäden stehen oft in engem Zusammenhang mit der Auslegung von Teilen zum Beispiel in Bezug auf die Werkstoffauswahl. Es muss gerade für Dichtungswerkstoffe berücksichtigt werden, ob möglicherweise eine Unbeständigkeit des Werkstoffes gegenüber dem oder den einwirkenden Medien besteht oder ob der Werkstoff die erforderliche Temperaturbeständigkeit aufweist. Oftmals kommt es in der Praxis auch zu einer Kombination mehrerer Einflussfaktoren wie hohe Temperatur, Medieneinfluss, Sauerstoffeinfluss, mechanische Belastung oder Strahlung. Es gibt genügend Beispiele, bei denen eine eineindeutige Zuweisung der Schadensursache zu einem einzelnen Aspekt nicht möglich ist.

Die Entwicklung des Schadens ist in diesen Fällen auf das gleichzeitige Auftreten mehrerer Einflussfaktoren zurückzuführen. Hier spielen Auslegung inklusive der Festlegung des Werkstoffes und der Konstruktion sowie der Herstellprozess selbst auch eine große Rolle. Das wird sehr gut durch den hohen prozentualen Anteil der Schadensursache in den Kategorien (4) und (5) illustriert. Für 64 % der ausgewerteten Schadensfälle tragen die Auslegung, der Herstellungsprozess oder auch die Montage zur Schadensentwicklung zumindest bei. In knapp einem Viertel der betrachteten Schadensfälle war dabei ein falscher Werkstoff die Ursache für den Schaden, wobei hier noch zu unterscheiden wäre, ob es sich um einen Auslegungsfehler beispielsweise wegen fehlender Werkstoffkenntnisse (falsche Werkstoffauswahl) oder um eine echte Werkstoffverwechslung handelt. Mit zunehmendem Outsourcing, Preisdruck und einer gewissen Intransparenz in der Lieferkette nimmt die Gefahr zu, Bauteile/Werkstoffe einzusetzen, die weder der Spezifikation noch den Anforderungen genügen.

Für 40 % der Schadensbeispiele wurden die konstruktive Auslegung bzw. Herstellungsfehler als Schadensursache aufgezeigt. Letzteres betrifft oftmals die Qualität der Mischung oder die Qualität der Bauteile selbst. Ausgehend von Inhomogenitäten im Elastomervolumen (z. B. Füllstoffagglomerate) oder der Oberfläche (zum Beispiel herstellungsbedingte Fehler, Montageverletzung) kann es insbesondere bei empfindlichen Werkstoffen zur Initiierung und Ausbreitung von Rissen kommen. In Bild 5 ist ein Beispiel dafür gezeigt. Recht oberflächennah liegt ein Partikel in der Elastomermatrix und die konzentrischen Ringe zeigen, dass die zur Leckage führende Rissausbreitung ihren Ursprung an diesem Partikel hat.

Oftmals sind solche Teile von derartigen Schäden betroffen, für die eine Resistenz gegenüber Medien und eine hohe Temperaturbeständigkeit gefordert sind und die gleichzeitig auch mechanisch belastet sind. Insbesondere Bauteile, die einer zyklischen, mechanischen Beanspruchung unterworfen sind, sind dabei gefährdet bezüglich einer Rissinitiierung und Rissausbreitung, ausgehend von konstruktiv bedingten Kerben oder Werkstoffinhomogenitäten.

In Bild 6 sind zwei Beispiele für oberflächliche, herstellungsbedingte Fehler gezeigt. Die im linken Teilbild erkennbaren Unebenheiten und Kanten aufgrund einer Entgratung können unter dynamischer Beanspruchung aufgrund ihrer Kerbwirkung zu Problemen führen. Im rechten Teilbild ist sehr gut der für die Leckage verantwortliche Riss im Bereich einer herstellungsbedingten Problemzone erkennbar.

Für die hier ausgewerteten Schadensfälle an Verbundteilen „Elastomer-Metall“ oder „Elastomer-Textil“ wurde für 60 % eine Anbindungsproblematik als Hauptursache des Versagens identifiziert. Diese Schäden sind weitgehend auch den herstellungsbedingten Schäden zuzuordnen, da es beispielsweise aufgrund einer unzureichenden Vorbehandlung der Metall- oder Gewebeoberfläche oder eines ungleichmäßigen Auftrags der Haftvermittlersubstanzen zu lokalen Anbindungsfehlern kommt. Ein Beispiel ist in Bild 7 gezeigt. Bei dem betreffenden Teil war eine großflächiger Anbindungsfehler gegeben, der ursächlich für ein katastrophales Versagen des betreffenden Bauelements war. Im linken Teil der Aufnahme ist die freiliegende Metalloberfläche zu sehen. Die aus der Vorbehandlung resultierende Struktur erscheint durch Reibprozesse weitgehend geglättet. Es ist weiterhin eine Übergangszone erkennbar, wo sich eine dünne Schicht Elastomerkomponente auf der Metalloberfläche befindet. Im rechten Teil der Aufnahme ist dann die Elastomerkomponente erkennbar, die fest haftend ist. Für die ausgewerteten Schadensfälle kann festgestellt werden, dass sich ausgehend von dem Anbindungsfehler die weitere Werkstofftrennung oder Schädigung oftmals Prozesse wie Reibung oder auch Korrosion beeinflusst oder verändert sind.

Fast alle der hier ausgewerteten Schadensfälle betrafen schwarz erscheinende Elastomerkomponenten, das heißt, es kam Ruß als Mischungskomponente zum Einsatz. Dieser erschwert beispielsweise das sinnvolle Anwenden der für Thermoplaste weit verbreiteten FTIR-Spektroskopie als Analyseverfahren zur Werkstoffidentifikation und -charakterisierung. Für viele Schadensanalysen im Zusammenhang mit Alterung oder generellen Werkstofffragen sind deshalb andere oder ergänzende analytische Methoden gefragt, um die entsprechenden Fragen beantworten zu können. Auch indirekte Verfahren wie Härteprüfung oder Zugprüfung zum Nachweis von alterungsbedingten Veränderungen können zum Einsatz kommen, sofern die Bauteilgeometrie/Form eine entsprechende Probenpräparation erlaubt. Das Netzwerk im Elastomer, die Zugabe von Ruß aber auch die Wechselwirkungen mit der Umwelt in Form von ein- oder ausdiffundierenden Substanzen machen die im Rahmen der Schadensanalysen erforderlichen analytischen Untersuchungen der Elastomere zu einer Herausforderung. Die Komplexität ist gleichzeitig allerdings auch mitverantwortlich, dass es für den Schadensanalytiker und sein interdisziplinäres Team immer spannend und lehrreich bleibt.

Quelle: Polymer Service GmbH Merseburg