Почему уплотнение с твердостью 70 по Шору-А может выйти из строя во время эксплуатации?

В целом: Тест на резину — что нужно знать покупателям резины.

Почему твердость снова в центре внимания в вопросах качества

В этом году, 2026, тема стандартов твердости вновь стала предметом обсуждения. Недавно стандарт D1415 был повторно утвержден ASTM, а стандарт D2240-15 (2021) по-прежнему действует. К концу прошлого года была объявлена ​​отдельная инициатива по пересмотру стандарта D2240 для уточнения деталей, касающихся подготовки и калибровки. Следует отметить, что без указания значения твердости требование не может быть полностью описано.

Во многих чертежах требуется твердость по Шору А 70 +/- 5. Этот диапазон помогает контролировать качество партии, но твердость резины не позволяет идентифицировать полимер, предсказать сопротивление жидкости или доказать, что уплотнение выдержит нагрузку. Покупателям по-прежнему необходимо знать место проведения испытаний, тип образца и метод измерения.

Что на самом деле показывает показание дюрометра?

Твердость по Шору измеряется с помощью индентора, вдавливаемого в поверхность под действием заданной силы пружины. Меньшее проникновение приводит к большему значению. В стандарте ASTM D2240 этот результат называется эмпирическим контрольным измерением, на которое влияют модуль упругости и вязкоупругое поведение. Таким образом, твердость по Шору А измеряет сопротивление вдавливанию, а не давление герметизации.

Стандарт ISO 48-4 рекомендует использовать шкалу А для испытания резины нормальной твердости. С другой стороны, шкала Шора D используется для измерения твердости более твердых материалов, шкала Шора A0 — для материалов с относительно низкой твердостью или пористых материалов, а шкала Шора AM предназначена для тонких образцов.

Выбор неподходящей шкалы может привести к тому, что данные о твердости эластомеров будут представлены как очень точные, но на самом деле это ответит на совершенно другой вопрос.

Видите ли, два компаунда могут достигать твердости 70 по Шору А одинаковым способом, но будут вести себя совершенно по-разному при прохождении через канавку. Наполнитель, пластификатор, система вулканизации, полимер и последующая вулканизация вместе могут влиять на модуль упругости, релаксацию напряжений, остаточную деформацию при сжатии и реакцию на низких температурах. Такие различия повлияют на характеристики резинового уплотнения, если исходные измерения будут одинаковыми.

Почему результаты Shore A и IRHD не взаимозаменяемы

Стандарт ASTM D1415 измеряет изменение глубины проникновения жесткого шарика между начальной и большей конечной силой. Результаты приводятся в международных градусах твердости резины. ASTM утверждает, что показания IRHD и типа А могут быть сопоставимы на стандартных образцах для многих вулканизатов, но методы не эквивалентны.

Время выдержки, геометрия индентора, сила и форма образца могут влиять на результаты. Испытания на ИК-гидродинамику включают нормальный, высокий, низкий и микрометоды. В стандарте ISO 48-2 метод N в основном предназначен для значений ИК-гидродинамики от 35 до 85, а метод M — для более тонких или меньших образцов в аналогичном диапазоне.

Сертификат, подтверждающий значение 72 по результатам ИК-спектроскопии твердости, не следует сопоставлять с результатом 69 по шкале Шора А и считать разницей в три пункта. Сначала сравните стандарт, шкалу, условия подготовки, образец, время выдержки и место проведения испытаний. Только сопоставленные методы позволяют выявить полезную тенденцию.

Геометрия детали может изменить число.

Плоская пластина обеспечивает индентору стабильную поверхность. Уплотнительное кольцо имеет узкую изогнутую форму, а тонкий выступ может располагаться близко к твердой вставке. Геометрия изменяет распределение нагрузки по детали и может влиять на кажущуюся твердость резины.

Стандарт ISO 48-2 включает методы измерения кажущейся твердости для криволинейных поверхностей и упоминает уплотнительные кольца. Микроизмерения твердости под воздействием инфракрасного излучения (IRHD) могут применяться для небольших участков. Тем не менее, показания, полученные на готовой детали, не следует считать равными стандартному значению, измеренному на контрольной пластине, если план контроля не устанавливает эту взаимосвязь.

Линии размытия, литниковые каналы, текстура, локальная толщина и расположенные рядом вставки могут исказить показания. На чертеже должно быть указано, проверяется ли твердость эластомера на тестовом образце, на готовом уплотнении или на обоих, а также должны быть отмечены допустимые зоны измерения.

Температура и время имеют большее значение, чем кажется на первый взгляд.

Резина обладает свойствами эластичности и релаксации, которые происходят со временем. Быстрые и отложенные измерения также могут различаться, поскольку для релаксации образца после снятия вдавливания требуется время.

Температура, безусловно, играет большую роль в изменении результатов. Например, компонент, извлеченный из рефрижераторного грузовика, может не давать показаний, сопоставимых с показаниями того же компонента после лабораторной обработки.

В открытом проекте пересмотра D2240 конкретно упоминается уточнение условий кондиционирования. Необходимо зафиксировать температуру образца, время кондиционирования, время выдержки и использование штатива прибора. Качественное тестирование IRHD требует такого же подхода; в противном случае, небольшая разница может быть связана с процедурой, а не с самим соединением.

Перед ужесточением допуска необходимо обеспечить воспроизводимость метода. Узкий диапазон твердости эластомера может привести к ложным срабатываниям, если операторы используют разное время выдержки или тестируют детали без опоры. Стабильный метод часто улучшает контроль качества резиновых уплотнений больше, чем нереалистичный предел.

Разрушение уплотнительного кольца NASA демонстрирует предел возможностей одного числа.

Полезным примером служит публичная оценка НАСА состояния уплотнительных колец клапанов регулирования потока космического челнока. После провала испытания на герметичность с использованием гелия в 2005 году исследователи изучили девять нитриловых уплотнительных колец с трех орбитальных аппаратов. В шести из девяти были обнаружены трещины. Наиболее серьезно поврежденным оказалось протекающее кольцо.

В треснувшем квадранте твердость по Шору А была почти на четыре пункта выше, чем в других местах. Динамический механический анализ показал, что модуль упругости при хранении почти на 25% ниже, а расчетная остаточная деформация при сжатии составила 9,5%. Одного измерения твердости было недостаточно для объяснения данного состояния.

Согласно отчету, радиальные трещины предположительно были вызваны воздействием озона. Нитрильное вещество было предназначено для работы с гидравлической жидкостью, но на самом деле уплотнительное кольцо клапана находилось в сухой атмосфере.

В конструкции имелся зазор до 0,009 дюйма, из-за которого внешний диаметр был подвержен воздействию трех факторов: озона (обычно это не проблема), воздуха под давлением (озон активизируется при контакте с ним) и повышенной температуры. Другими словами, причиной отказа стало взаимодействие материала с окружающей средой и геометрией крепежных элементов; твердость резины была лишь одним из многих факторов, но не главным.

Этот случай иллюстрирует важность тщательной оценки резиновых уплотнений. Твердость может указывать на локальную проблему, но для всесторонней диагностики может потребоваться визуальный осмотр, оценка остаточной деформации при сжатии, данных о прочности на растяжение, анализ рабочей среды и оценка канавок. Привычные номинальные значения не являются оправданием для неподходящей среды.

Твердость — это не то же самое, что усилие герметизации.

Статическое уплотнение эффективно, потому что при сжатии материала возникает контактная сила. Твердость — одно из свойств, влияющих на эту силу, поэтому твердость по Шору А обычно используется в качестве ее меры. Однако два компаунда с твердостью 70 могут создавать разные силы при 20% сжатии из-за различий в их кривых напряжение-деформация и скоростях релаксации.

Со временем наблюдается аналогичный разрыв. Одна композиция может сохранять полезную прочность после воздействия тепла, в то время как другая может деформироваться или расслабиться, даже если обе изначально имели схожую твердость эластомера. Поэтому остаточная деформация при сжатии, релаксация напряжений, набухание в жидкости, термическое старение и восстановление при низких температурах должны рассматриваться наряду с твердостью в серьезном плане квалификации.

Заполнение канавок и допуски также имеют значение. Более жесткое уплотнение в небольшой канавке может увеличить усилие при сборке; более мягкое уплотнение в большой канавке может не обеспечивать достаточного контактного давления. Эффективность резинового уплотнения зависит от подбора состава в соответствии с давлением сжатия, зазором, давлением, движением и качеством поверхности.

Как сформулировать требование к твердости, которое поставщики смогут повторить.

Для начала определите соответствующий стандарт или шкалу, например, ASTM D2240 Type A или согласованный метод ASTM D1415 или ISO 48. Укажите целевое значение, допустимые отклонения и тип используемого образца.

Например, спецификация 70 +/- 5 не имеет смысла, если одна сторона проводит тест на наличие зубного налета размером 6 мм, а другая использует для тестирования маленькое уплотнительное кольцо.

Укажите температуру и время кондиционирования, задержку после формования или постполимеризации, время выдержки, количество измерений и утвержденные зоны измерения. Укажите, являются ли результаты индивидуальными значениями, медианой или средним значением. При проведении испытаний на ИК-гидродинамику (IRHD) криволинейных деталей укажите применимый метод измерения кажущейся твердости или микрометод, вместо того чтобы оставлять выбор за инспектором.

Сопоставьте показатели твердости резины с результатами испытаний в реальных условиях. Для масляных уплотнений могут потребоваться данные, полученные при погружении в жидкость, для статических прокладок — данные об остаточной деформации при сжатии или релаксации напряжений, а для динамических уплотнений — данные об износе. Испытания должны отражать фактическую среду, температуру, давление и рабочий цикл.

Обеспечение производства в точном соответствии с утвержденным образцом.

После выбора метода твердость становится надежным индикатором процесса. Изменение твердости может указывать на вариативность смешивания, использование неправильного материала, смещение параметров отверждения или неправильное хранение.

Чаще всего анализ пакетных трендов дает более глубокое понимание ситуации, чем простой проход в широком диапазоне допусков.

Контроль производства должен обеспечивать прослеживаемость идентичности компаунда, диапазона отверждения, источника образца, проверки прибора и метода работы оператора. Если готовую деталь невозможно надежно измерить, для контроля можно использовать согласованную контрольную пластину, отлитую из той же партии, а периодическое тестирование готовой детали методом ИК-спектроскопии с динамической деформацией (IRHD) подтверждает, что геометрия не скрывает изменений.

Как компания Yida подходит к контролю твердости уплотнений

Компания Dalian Yida Precision Rubber Products Co., Ltd. анализирует чертеж с учетом среды, температуры, давления, канавки и цикла эксплуатации. Анализ позволяет отделить простую целевую твердость по Шору А от свойств, определяющих поведение при эксплуатации.

Для нового проекта компания Yida может согласовать метод измерения твердости эластомера, тип образца, точки измерения и допустимый диапазон еще до начала серийного производства. В ходе того же обсуждения можно затронуть вопросы остаточной деформации при сжатии, размеров, внешнего вида, совместимости материалов и других необходимых для применения испытаний, вместо того чтобы полагаться на одно удобное число.

Зарегистрированные требования к материалам и технологическим процессам помогают поддерживать соответствие характеристик резинового уплотнения утвержденному образцу. При проведении испытаний на ИК-излучение или проверке готовых деталей компания Yida регистрирует условия, чтобы последующие отчеты можно было сравнивать на той же основе.

Отправьте Иде чертеж, информацию о среде применения, диапазоне температур, давлении, типе перемещения, целевом количестве и текущих характеристиках твердости резины. Ида сможет оценить, насколько целесообразна требуемая твердость по Шору А, и определить дополнительную информацию, необходимую перед отбором образцов или составлением коммерческого предложения.