Steter Tropfen schmiert den Stoff: Wie jede Werkstoffgruppe haben auch Kunststoffe ihre spezifischen

Steter Tropfen schmiert den Stoff: Wie jede Werkstoffgruppe haben auch Kunststoffe ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Gegen die hohe Reibung gibt es eine Lösung. Sie lautet: Inkorporation ausgewählter Schmieröle in die Polymermasse.

Konstrukteure sollten bei Gleitführungen dem Werkstoff Gusspolyamid mehr Beachtung schenken. Dieser ist nicht nur verschleißfest und weitgehend spannungsfrei, durch Zugabe von inkorporierten Schmierölen reduziert sich der Wartungsaufwand. Und nicht nur das – auch die Gefahr der Anlagenverschmutzung durch abtropfendes Schmieröl oder Schmierfett wird unterbunden.

Kunststoffe werden zukünftig in allen Lebensbereichen eine noch stärkere Rolle spielen. Denn im Vergleich zu Metallen bietet diese Werkstoffgruppe enorme Vorteile: Gusspolyamide verfügen über eine hohe Verschleißfestigkeit und sie bestechen durch die gestalterische Freiheit. Denn durch das Gießverfahren lässt sich fast jede beliebige  Form und Größe herstellen. Auch sind Gusspolyamidteile weitgehend spannungsfrei. Die geringe Wasseraufnahmefähigkeit dieses Werkstoffes wirkt sich auf die Formstabilität unter wechselnden klimatischen Bedingungen positiv aus – ein nicht zu unterschätzender Vorteil für jeden Exportartikel.

Steter Tropfen schmiert den Stoff: Wie jede Werkstoffgruppe haben auch Kunststoffe ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Gegen die hohe Reibung gibt es eine Lösung. Sie lautet: Inkorporation ausgewählter Schmieröle in die Polymermasse.

Auch für den Nachteil des Gusspolyamids, die immer noch relativ hohe Reibung, gibt es inzwischen eine Lösung. Sie lautet: inkorporierter Schmierstoff, der gleichmäßig verteilt zum Bestandteil des Werkstoffes wird. Eine solche Werkstoffgruppe mit inkorporiertem Schmierstoff bietet beispielsweise der Xantener Hersteller Schwartz, Spezialist für Form- und Pressteile aus technischen thermo- und duroplastischen Kunststoffen für den Anlagen- und Maschinenbau, mit Lamigamid 319 an. Das gute tribologische Verhalten macht sie für neue Anwendungen interessant, und das ohne Zusatzschmierung. Aber auch bei Anwendungen mit traditioneller Schmierung wirkt das inkorporierte Schmieröl vorteilhaft.

Brennpunkt Reibstelle
Die ansonsten immer noch relativ hohe Reibung des Materials zeigt die Abbildung 1 unten. In dieser sind Reibungswerte verschiedener polymerer Werkstoffe gegenüber gestellt. Für Polyamid wurde unter den gewählten Prüfbedingungen eine Reibungszahl von circa 0,6 ermittelt.

Gleitplatten aus Polyamid gibt es in verschiedenen Ausführungen.

Mit einer Zusatzschmierung lässt sich eine deutliche Reibungsabsenkung erreichen. Für viele Anwendungen ist aber der nachträgliche Schmierstoffauftrag mit einem Mehraufwand verbunden. Außerdem besteht die Gefahr, dass sich, vor allem bei Außenanwendungen, in die nasse, offene Schmierstoffschicht Staub aus der Umgebung einlagert, welcher dann bei einer Gleitbewegung in die Reibstelle gelangt und abrasiv wirkt.

Die Schmierstoffauswahl muss reibstellen- und anwendungsspezifisch erfolgen. Dies gilt auch bei Teleskopführungen.

Der inkorporierte Schmierstoff hat den Vorteil, dass im Einsatz an der Reibstelle der notwendige und richtige Schmierstoff vorhanden ist. Gebannt wird auch die Gefahr, dass Fremdstoffe über den klassischen Schmierstoff in die Reibstelle gelangen und darin abrasiv wirken. Dass eine inkorporierte Schmierung bei einem Gusspolyamid deutliche tribologische Verbesserungen bringt, zeigte auch der folgende Modellversuch: Auf einer mit Öl inkorporierten Polyamidplatte glitt eine ½-Zoll-Stahlkugel mit cirka 50 MPa, Pressung nach Hertz gerechnet.

Die Reibungszahl lag während der gesamten Laufzeit, es wurden 28.000 Lastwechsel simuliert, bei einem Wert von f =0,1. Im Vergleich hierzu stellte sich bei einem Gusspolyamid ohne Ölzusatz, unter den gleichen Prüfbedingungen, eine Reibungszahl von f =0,6 ein. Positiv zeigte sich auch das Verschleißverhalten von Polyamid mit inkorporiertem Öl. Die Vermessung nach Versuchsende ergab weder einen messbaren Platten- noch einen Kugelverschleiß. Dagegen stellte sich bei dem geprüften Gusspolyamid ohne Schmierstoffzusatz am Versuchsende ein signifikanter Plattenverschleiß ein.

Schadensgefahren mit Gusspolyamid bannen
Bei Gleitlagern und Gleitführungen entstehen kritische Schmierungszustände immer dann, wenn die notwendige Nachschmiermenge nicht nachgeführt wird oder die Nachschmierintervalle deutlich überschritten werden. In beiden Fällen tritt Schmierstoffmangel auf und es kommt zu einem verstärkten ungeschützten Materialkontakt. Damit steigen die Reibung und vor allem die Verschleißgefahr. Werden für diese Anwendungen Gusspolyamide mit inkorporierter Schmierung eingesetzt, wirkt das in dem Kunststoff vorhandene Öl wie ein Notlaufschmierstoff, sodass sich die Gefahr des vorzeitigen Bauteilausfalles bei Schmierstoffmangel wesentlich reduzieren lässt. Bei Schmierstoffmangel und geringer Relativgeschwindigkeit besteht auch die Gefahr des Ruckgleitens, auch Stick Slip genannt. Vor allem die verschlechterte Zustellungenauigkeit wird dann zum Problem. Ist ein Resonanzboden vorhanden, treten Quick- und Knackgeräusche auf. Auch diese Schadensgefahren lassen sich mit inkorporiertem Gusspolyamid weitgehend bannen.
Ein nicht zu unterschätzender Nachteil jeder Fettschmierung ist die starke Abhängigkeit des tribologischen Verhaltens von der Einsatztemperatur. Bei großer Kälte und der damit verbundenen Viskositätserhöhung des Grundöls mindert sich die Ölabgabe stark.

Autor Helmut Winkler weiß, warum Konstrukteure bei Gleitführungen dem Werkstoff Gusspolyamid mehr Beachtung schenken sollten.

Die Folge: An der Reibstelle tritt Schmierstoffmangel auf. Bei höheren Temperaturen lässt sich ein gegenteiliges Schmierfettverhalten feststellen. Die Haftfestigkeit des Schmierfettes an der Gleitpartneroberfläche wird reduziert – es besteht die Gefahr des Abtropfens und somit wiederum eine Unterversorgung der Reibstelle. Zusätzlich kommt es bei höheren Reibstellentemperaturen zu einer verstärkten Ölabgabe des Schmierfettes, verursacht durch die abnehmende Ölviskosität durch die Temperaturbelastung.
Alle genannten Gefahren traditioneller Kunststoffschmierung lassen sich mithilfe inkorporierter Polyamidwerkstoffe reduzierten. Für viele Anwendungen braucht es somit die Zusatzschmierung nicht. Ein Wermutstropfen bleibt allerdings:

Da bei vielen Kunststoffanwendungen kleine bis moderate relative Gleitgeschwindigkeiten vorherrschen, sollten Schmierfette mit einer höheren Grundölviskosität ausgewählt werden.

Da schon kleinere Abweichungen beim Beanspruchungsprofil einer Reibstelle gravierende Auswirkungen auf das Reibungs- und Verschleißverhalten haben, bleibt Konstrukteuren nichts anderes übrig, als sich verstärkt mit den tribologischen Sonderheiten auseinanderzusetzen.

Hintergrundwissen: Worauf es bei der Schmierstoffwahl ankommt
Werden ölinkorporierte Gleitplatten zusätzlich mit einem Schmierfett befettet, sollten Anwender einige Grundsatzregeln beachten. Die Schmierstoffindustrie hat für die Kunststoffanwendung spezielle Produkte entwickelt, die oft als Kunststoffschmierstoffe bezeichnet werden.Nachfolgend einige Tipps für die Schmierstoffauswahl:

  • Da bei vielen Kunststoffanwendungen kleine bis moderate relative Gleitgeschwindigkeiten vorherrschen, sollten Schmierfette mit einer höheren Grundölviskosität ausgewählt werden.
  • Bei der Kunststoffschmierung treten im Vergleich zur Metallschmierung niedrige spezifischen Belastungen auf. Verschleißschutzadditive sind also nicht notwendig.
  • Es ist auf ein gutes Langzeitverhalten des Schmierfettes zu achten. Durch die Alterung wird nicht nur das tribologische Verhalten eines Schmierfettes verschlechtert, auch steigt durch die Alterungsprodukte die Gefahr zunehmender Wechselwirkungen mit den Werkstoffen der Gleitpaarung.

    Tabelle 1: Orientierungshilfe für die Schmierstoffauswahl in Abhängigkeit von typischen Einsatzbedingungen.

  • Wichtig ist eine gute Haftfestigkeit des Schmierstoffes auf dem Reibpartner. Ein Maß hierfür kann die scheinbare dynamische Viskosität der Werkstoffkenndatenblätter sein.
  • Für das Tieftemperaturverhalten eines Schmierfettes wird oft der Pourpoint herangezogen. Faustregel: Pourpoint plus 20 °C ist untere Einsatztemperatur.
  • Messgröße für die Steifigkeit eines Schmierfettes ist die Penetration. Allgemein gilt: bei hohen Temperaturen eher steifere Schmierfette (z.B. NLGI 3) und bei tieferen weichere Produkte (zum Beispiel NLGI 1).

    Tabelle 2: Bewährte Schmierfette für die Teleskopschmierung verschiedener Hersteller.

  • Wird der Gegenlaufpartner lackiert, so ist die Verträglichkeit mit der Beschichtung ebenfalls abzuklären. Warm aushärtenden Zweikomponentenlacken ist der Vorzug zu geben. Das gilt auch, wenn der Gegenlaufpartner mit einem Gleitlack beschichtet ist.
  • Zur besseren Schmierfettverteilung an der Reibstelle sind Schmiernuten in die Gleitplatten einzuarbeiten.
  • Vor der Serienfreigabe ist die Verträglichkeit der jeweiligen Kombination nochmals abzuklären. Allgemeine Angaben sind hierfür nicht ausreichend.

Die Schmierstoffauswahl muss reibstellen- und anwendungsspezifisch erfolgen. Deshalb dienen die Angaben der Tabellen 1 und 2 lediglich zur Orientierung. Die technischen Details müssen vor der Produktfestlegung mit dem Schmierstofflieferanten abgestimmt werden. Hierbei ist es gut, wenn der Konstrukteur schon weiß welche Voraussetzungen erfüllt werden müssen. Je besser vorbereitet der Konstrukteur in das Gespräch mit den Schmierstofflieferanten geht, desto schneller und treffsicher wird es eine Entscheidung geben. In Tabelle 2 sind bewährte Schmierfette für Teleskopführungen zusammengestellt. Die Angaben beruhen auf den Erfahrungen der Schmierstoffhersteller. Ob ein Produkt für den spezifischen Anwendungsfall geeignet ist, muss aber über den Abgleich mit dem Anforderungsprofil (Gleitgeschwindigkeit, Last, Temperatur, Oberflächenrauheit) abgeklärt werden.

Autor: Helmut Winkler, freier Autor für ke NEXT

Reduzierter Wartungsaufwand: In dem Auslegearm sind Gleitplatten aus Polyamid eingebaut.

Praxistipp: Werkstoffgerechte Konstruktion
Grundvoraussetzung für eine lange Funktionssicherheit von Polyamidwerkstoffen ist  eine werkstoffgerechte Konstruktion. Werden hierbei Fehler gemacht, steigt der Werkstoff — egal ob mit oder ohne inkorporierten Schmierstoff ­— frühzeitig aus. Nachfolgend einige Tipps:

Die Oberflächenrauheit des Gegenlaufpartners: In der Literatur wird für die Anwendung Polyamid auf Stahl eine optimale Oberflächenrauheit des Stahlpartners  von Rv von 1 bis 3 Mikrometer angegeben. Eine geschliffene Gegenlauffläche ist deshalb zu empfehlen.
Riefenorientierung: Beim Schleifen eines metallischen Gegenlaufpartners ist auf die Riefenorientierung  zu achten.  Eine Ausrichtung in Gleitrichtung ist vorteilhaft. Am ungünstigsten sind Schleifriefen unter 45 Grad zur Gleitrichtung.
Oberflächenbehandlung des metallischen Gegenlaufpartners: Eine geeignete Lackierung der Gegenlaufoberfläche reduziert deutlich die Abrasivität dieser, was sich in längeren Standzeiten der Polyamidplatten bemerkbar macht.
Lastverteilung: Es ist auf eine möglichst gleichmäßige Lastverteilung zu achten. Bei Kanterträgern kann es  zur Überschreitung der zulässigen spezifischen Flächenbelastung kommen, was dann zu erhöhtem Verschleiß führt.
Gleitgeschwindigkeit: Die zulässige Gleitgeschwindigkeit sollte nicht überschritten werden. Dabei ist das Zusammenspiel zwischen Belastung, der Relativgeschwindigkeit und Reibstellentemperatur zu beachten. Als Orientierung kann der p x v-Wert herangezogen werden.

Autor: Helmut Winkler, freier Autor für ke NEXT