Gleitlager Werkstoffe im Vergleich: Metall-Polymer Gleitlager
Lars Butenschön | 6. Mai 2021
In diesem Teil unserer Beitragsserie zum Thema Gleitlager Werkstoffe beschäftigen wir uns mit den sogenannten Metall-Polymer Gleitlagern. Was sind Metall-Polymer Gleitlager? Wie grenzen sie sich zu anderen Lagertypen ab? Wofür eignen sie sich besonders gut und wann lässt man lieber die Finger von ihnen?
In diesem Blogbeitrag nehmen wir Metall-Polymer Gleitlager wortwörtlich unter die Lupe und wägen die spezifischen Vor- und Nachteile gegenüber anderen Gleitlager Werkstoffen ab.
Metalle, genauer Stähle, Bronze, Kupfer oder Messing sind im Gleitlagerbereich aufgrund ihrer Trag- und Wärmeleitfähigkeit verbreitete Werkstoffe. Um deren Gleitfähigkeit und Verschleißfestigkeit zu verbessern werden Gleitlager aus diesen Materialien in der Regel geschmiert. Das Problem: Fett- oder Ölschmierung erfordern fertigungstechnisch anspruchsvolle Zuführsysteme in den Lagerstellen (Schmier-Rillen und Schmiernippel, Zentralschmierungen). Zudem gelangen die Schmierstoffe häufig in die Umwelt und verschmutzen umliegende Bauteile oder Waren. Auf der Suche nach alternativen Technologien zur Reibwertreduktion landete man schließlich schon Anfang des 20. Jahrhunderts bei einem speziellen Kunststoff, der hervorragende Gleiteigenschaften aufwies: Polytetrafluourethylen, kurz PTFE und bekannter unter dem Handelsnamen der Firma DuPont, Teflon.
Das Problem: Teflon bietet nicht nur hervorragende Gleiteigenschaften, sondern ist auch extrem weich. Gelänge es also, die Stabilität von Metall mit den Gleiteigenschaften eines Kunststoffes wie PTFE zu kombinieren, könnte man auf die Schmierung verzichten. Das Konzept: Eine strapazierfähige Schale aus Metall schützt eine eingebettete Schicht aus PTFE. Doch wie bringt man einen derart gut gleitenden und entsprechend schlecht haftenden Werkstoff dazu, am Metall zu halten?
Raffinierte Technik im Detail: Metall-Polymer-Gleitlager
Die größte Stärke von Metall-Polymer Gleitlagern ist zugleich ihre größte Schwäche. Der Schmier- oder besser Gleitfilm aus besonders gleitfähigen und entsprechend weichen Kunststoffen. Hierzu zählen PTFE, aber gelegentlich auch andere Kunststoffe wie Polyoxymethlyen (POM). Mit der geschickten Kombination verschiedener Fertigungsmethoden und Werkstoffen gelingt die Fixierung dieser Kunststoffe in den schützenden Metallhülsen. Aufschluss gibt die vergrößerte Ansicht dieser Lager.
Die im Vergleich zur Wanddicke der Metallhülse extrem dünne PTFE Schicht wird nicht direkt auf den Stahl aufgebracht. Stattdessen wird sie auf eine poröse Schicht Sinterbronze aufgebracht, die wiederum am Stahl haftet.
Die Vor- und Nachteile von Metall-Polymer Gleitlagern
Aus diesem Mehrschicht-Aufbau ergeben sich dann auch die Vor- und Nachteile dieses Gleitlagertyps. Der Haupt-Vorteil: Metall-Polymer- Gleitlager – zumindest jene mit PTFE-Gleitschicht laufen „trocken“, also ohne Fett- oder Ölschmierung. Die PTFE-Schicht sorgt für verhältnismäßig sehr geringe Reibwerte. Durch den hohen Metall-Anteil ist zudem die Wärmeableitung im Vergleich zu Vollkunststoff-Gleitlagern besser. Zu guter Letzt ist die Tragfähigkeit durch den verwendeten Stahl sehr hoch. Vor allem statische Lasten können so gut aufgenommen werden.
Die Hauptnachteile von Metall-Polymer Gleitlagern sind einerseits die Anfälligkeit des verwendeten Stahls für Korrosion, sowie das in einigen Varianten enthaltene Blei, weshalb diese nicht RoHS konform sind. Zudem ist das Gewicht verglichen mit Vollkunststoff-Gleitlagern hoch.
Die Haupteinschränkung bringt jedoch genau die für die guten Gleiteigenschaften nötige PTFE-Schicht. Wird diese extrem dünne Schicht durch unsachgemäßen Einbau beschädigt oder verkratzt oder durch erhöhten Verschleiß abgelaufen, läuft die zu lagernde Welle auf Metall. So kommt es bei verschlissenen Lagern nicht erstmal nur zu etwas mehr Lagerspiel, sondern häufig unmittelbar zu Beschädigungen an der häufig vergleichsweise teuren Welle. Herstellungsbedingt ist außerdem die Formgebung der Gleitlager auf Formen beschränkt, die sich aus gewalztem Blech zuschneiden oder biegen lassen.
Vorteile:
- Hohe statische Belastungen möglich
- Vergleichsweise gute Wärmeableitung
- Geringe Reibwerte (PTFE)
Nachteile:
- Dünne, empfindliche PTFE-Schicht
- Anfällig gegen Korrosion
- Einige Varianten nicht RoHS konform
- vergleichsweise hohes Gewicht
- Eingeschränkte Formgebung
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In jeder Gleitlageranwendung gilt es, diese Vor- und Nachteile gegeneinander abzuwägen. Längst nicht alle dieser Aspekte spielen in jeder Anwendung eine Rolle. So gibt es neben Metall-Polymer Gleitlagern weitere Lagertypen, die wiederum andere Stärken und Schwächen haben.
Die verschiedenen Gleitlagertypen eignen sich für unterschiedliche Anwendungen in unterschiedlichen Ausprägungen. Häufig überlappen sich Einsatzmöglichkeiten – nicht selten gibt es jedoch große Unterschiede in der Lebensdauer und Leistungsfähigkeit.
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