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Wer den passenden Kunststoff für Gleitlager sucht, landet häufig bei PTFE, POM-C oder PA6. Alle drei Werkstoffe besitzen gute Gleiteigenschaften, unterscheiden sich aber deutlich bei Verschleißfestigkeit, Belastbarkeit, Maßhaltigkeit, Feuchtigkeitsaufnahme und Temperaturbeständigkeit. Deshalb entscheidet nicht allein der Reibungskoeffizient darüber, welcher Kunststoff als Gleitlager-Werkstoff geeignet ist.
Für präzise Lagerbuchsen ist häufig POM-C die ausgewogenste Lösung. PA6 bietet Vorteile bei hohen mechanischen und stoßartigen Belastungen. PTFE kommt vor allem dort infrage, wo eine geringe Reibung, hohe Chemikalienbeständigkeit oder ein breiter Temperaturbereich erforderlich sind.
Ein Gleitlager aus Kunststoff muss die Welle zuverlässig führen, Reibung begrenzen und mechanischem Verschleiß widerstehen. Gleichzeitig darf sich die Lagerbuchse unter Druck, Wärme oder Feuchtigkeit nicht so stark verändern, dass die Welle klemmt oder das Betriebsspiel zu groß wird.
Wer das richtige Gleitlager-Material auswählen möchte, muss deshalb mehrere Faktoren gemeinsam betrachten:
Flächenpressung
Gleitgeschwindigkeit
Temperatur
Einschaltdauer
Feuchtigkeit
chemische Belastung
Wellenmaterial
Oberflächenrauheit
Schmierung
Verschmutzung
Fertigungstoleranzen
Der Kunststoff mit dem niedrigsten Reibwert ist nicht automatisch der beste Kunststoff für Lagerbuchsen. Ein Werkstoff kann sehr leicht gleiten, sich unter Dauerlast aber stärker verformen oder schneller verschleißen. Umgekehrt kann ein etwas höherer Reibungskoeffizient akzeptabel sein, wenn das Bauteil dadurch formstabiler und mechanisch belastbarer bleibt.
Einen ergänzenden Überblick über die grundsätzlichen Unterschiede zwischen den technischen Werkstoffen bietet der Vergleich PA6, POM-C oder PE-HD.
| Eigenschaft | PTFE | POM-C | PA6 |
|---|---|---|---|
| Gleiteigenschaften | Sehr gut | Gut | Gut |
| Verschleißfestigkeit | Bei reinem PTFE begrenzt | Gut | Gut bis sehr gut |
| Druckfestigkeit | Vergleichsweise gering | Hoch | Hoch |
| Kriechverhalten | Deutlich ausgeprägt | Gering | Gering bis mittel |
| Maßhaltigkeit | Unter Dauerlast eingeschränkt | Sehr gut | Feuchtigkeitsabhängig |
| Feuchtigkeitsaufnahme | Sehr gering | Gering | Vergleichsweise hoch |
| Chemikalienbeständigkeit | Sehr hoch | Gut | Medienabhängig |
| Temperaturbeständigkeit | Sehr hoch | Mittel | Mittel |
| Schlagzähigkeit | Eher gering | Gut | Sehr gut |
| Schwingungsdämpfung | Mittel | Mittel | Sehr gut |
| Zerspanbarkeit | Anspruchsvoller | Sehr gut | Gut |
| Typische Stärke | Reibung und Medienbeständigkeit | Präzision und Wirtschaftlichkeit | Belastbarkeit und Zähigkeit |
Die Tabelle zeigt, warum es keinen universell besten Kunststoff mit guten Gleiteigenschaften gibt. Die Werkstoffauswahl hängt immer von der konkreten Kombination aus Last, Bewegung und Umgebung ab.
PTFE besitzt von den drei Werkstoffen grundsätzlich den niedrigsten Reibungskoeffizienten. Daraus folgt jedoch nicht automatisch, dass ein PTFE-Gleitlager die höchste Lebensdauer erreicht.
Reibung und Verschleiß müssen getrennt betrachtet werden. Ein Werkstoff kann leicht gleiten, sich unter dauerhafter Belastung aber verformen oder vergleichsweise schnell abtragen. Umgekehrt kann ein mechanisch belastbarerer Kunststoff mit etwas höherem Reibwert unter realen Betriebsbedingungen länger halten.
Für die Auswahl eines verschleißfesten Kunststoffs für Gleitlager sind mindestens drei Fragen entscheidend:
Wie hoch ist die mechanische Belastung?
Wie schnell und wie lange bewegt sich die Welle?
Wie gut kann entstehende Reibungswärme abgeführt werden?
Hinzu kommen Start-Stopp-Vorgänge, wechselnde Lasten, Schmutz, Schmierung und die Beschaffenheit der Gegenlauffläche.
PTFE besitzt sehr gute Gleiteigenschaften, nimmt praktisch keine Feuchtigkeit auf und ist gegenüber vielen Chemikalien beständig. Der Werkstoff eignet sich daher für Lagerstellen, bei denen geringe Reibung, aggressive Medien oder ungewöhnliche Temperaturen eine zentrale Rolle spielen.
Typische Einsatzbedingungen für ein PTFE-Gleitlager sind:
Kontakt mit aggressiven Chemikalien
sehr niedrige oder hohe Temperaturen
geringe Gleitgeschwindigkeiten
Trocken- oder Notlauf
empfindliche Prozessmedien
niedrige Losbrechkräfte
wechselnde Umgebungsbedingungen
Für gefräste Gleitelemente, Zwischenlagen und größere Lagerkomponenten können PTFE Platten Zuschnitte als Ausgangsmaterial eingesetzt werden.
Das PTFE-Kriechverhalten ist einer der wichtigsten Nachteile bei mechanisch belasteten Lagerbuchsen. Reines PTFE kann sich unter dauerhafter Druckbelastung langsam verformen. Dadurch verändern sich Wandstärke, Lagerspiel und Druckverteilung.
Das ist besonders kritisch bei:
hoher Flächenpressung
dünnwandigen Buchsen
engen Passungen
dauerhafter statischer Belastung
wechselnden Belastungsrichtungen
langen Standzeiten unter Druck
Ein Kunststoff für hohe Flächenpressung muss nicht nur einen niedrigen Reibwert, sondern auch eine ausreichende Druck- und Kriechfestigkeit besitzen. Reines PTFE erreicht hier häufig schneller seine Grenzen als POM-C oder PA6.
In unveränderter Form ist PTFE bei vielen belasteten Gleitlageranwendungen nicht verschleißfester als POM-C. PTFE besitzt zwar einen niedrigeren Reibwert, POM-C bietet aber häufig die höhere Formstabilität und mechanische Belastbarkeit.
Die Entscheidung PTFE oder POM hängt deshalb von der Priorität ab:
sehr geringe Reibung und Chemikalienbeständigkeit: eher PTFE
Präzision, Druckfestigkeit und Maßhaltigkeit: eher POM-C
hohe Temperatur in Verbindung mit aggressiven Medien: häufig PTFE
wirtschaftliche Lagerbuchse im allgemeinen Maschinenbau: häufig POM-C
Bei höheren mechanischen und thermischen Anforderungen kann statt PTFE ein anderer Hochleistungskunststoff notwendig werden. Der Vergleich PEEK oder PTFE zeigt, wo die Unterschiede bei Belastbarkeit, Temperatur und chemischer Beständigkeit liegen.
POM-C gehört zu den wichtigsten Werkstoffen für präzise Gleit- und Führungselemente. Ein POM-Gleitlager verbindet gute Gleiteigenschaften mit hoher Festigkeit, geringer Wasseraufnahme und sehr guter Zerspanbarkeit.
POM-C eignet sich besonders für:
präzise Lagerbuchsen
Führungsringe
Rollen
Gleitschienen
kleine und mittlere Lagerdurchmesser
intermittierende Bewegungen
moderate Gleitgeschwindigkeiten
wirtschaftlich zu fertigende Serienteile
Für gedrehte Lagerbuchsen und Führungsringe können POM-C-Rundstäbe als Ausgangsmaterial verwendet werden. Für flache Gleitelemente, Ringe oder individuell bearbeitete Bauteile stehen außerdem POM-C-Scheiben zur Verfügung.
POM-C bietet einen ausgewogenen Kompromiss aus Reibungsverhalten, Verschleißfestigkeit, Druckfestigkeit, Maßhaltigkeit und Kosten. Besonders bei einer präzisen Gleitlagerbuchse aus Kunststoff ist die geringe Feuchtigkeitsaufnahme ein Vorteil.
Die POM-Maßhaltigkeit ermöglicht enge und reproduzierbare Toleranzen. Im Vergleich zu PA6 verändert sich der Werkstoff bei wechselnder Luftfeuchtigkeit deutlich weniger. Dadurch sinkt das Risiko, dass eine Buchse aufquillt und die Welle klemmt.
POM-C eignet sich daher häufig für:
präzise Passungen
wechselnde Luftfeuchtigkeit
automatisierte Baugruppen
mechanische Führungen
Lebensmittel- und Fördertechnik
allgemeine Maschinenbauteile
Die Grenzen liegen vor allem bei höheren Temperaturen und bestimmten chemischen Medien. Vor dem Kontakt mit Säuren, Oxidationsmitteln oder dauerhaft heißem Wasser sollte die Chemikalienbeständigkeit des Kunststoffs geprüft werden.
POM-C kann als Kunststoff für Trockenlauf eingesetzt werden, wenn Flächenpressung, Gleitgeschwindigkeit und Laufdauer moderat bleiben. Für dauerhaft hohe Laufleistungen kann jedoch ein speziell modifizierter Werkstoff besser geeignet sein.
Ein POM-PTFE-Compound enthält Festschmierstoffe, die Reibung und Verschleiß reduzieren können. Solche Werkstoffe eignen sich häufig besser für ein Kunststoffgleitlager ohne Schmierung als unverändertes Standard-POM.
Ob POM-C im Trockenlauf ausreichend ist, hängt unter anderem ab von:
Wellenwerkstoff
Oberflächenrauheit
Flächenpressung
Geschwindigkeit
Betriebstemperatur
Einschaltzeit
Kühlung
Schmutzeintrag
POM-C ist deshalb nicht pauschal selbstschmierend. Die Bezeichnung selbstschmierender Kunststoff sollte nur für Werkstoffe verwendet werden, die speziell für tribologische Anwendungen modifiziert wurden.
PA6 besitzt eine hohe Zähigkeit, gute Verschleißfestigkeit und ausgeprägte Dämpfungseigenschaften. Ein PA6-Gleitlager eignet sich deshalb besonders für größere, mechanisch belastete und stoßbeanspruchte Lagerstellen.
Typische Einsatzbereiche sind:
größere Lagerbuchsen
hohe mechanische Belastungen
Stoßbelastungen
schwingende Konstruktionen
Rollen
Führungen
langsam laufende Lager
geräuscharme Lagerstellen
Kunststofflager im Maschinenbau
Für individuell gedrehte oder gefräste Bauteile können PA6-Scheiben als Halbzeug dienen.
Bei hohen mechanischen Belastungen ist PA6 häufig geeigneter als reines PTFE. Der Werkstoff kann Stoßbelastungen und Schwingungen besser aufnehmen und besitzt eine höhere Zähigkeit.
Ob PA6 oder POM-C geeigneter ist, hängt von der Art der Belastung ab:
hohe Stoßbelastung und Schwingung: eher PA6
enge Toleranzen und hohe Maßhaltigkeit: eher POM-C
größere Lagerdurchmesser: häufig PA6
wechselnde Feuchtigkeit: häufig POM-C
mechanische Robustheit: häufig PA6
präzise Serienbuchse: häufig POM-C
Die Entscheidung POM oder PA6 ist daher keine reine Frage der Festigkeit. POM-C ist dimensionsstabiler, PA6 ist zäher und dämpft Belastungsspitzen besser.
Die PA6-Feuchtigkeitsaufnahme ist der wichtigste konstruktive Unterschied zu POM-C und PTFE. PA6 nimmt Feuchtigkeit aus der Umgebung auf. Dadurch können sich Abmessungen, Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit verändern.
Für ein Kunststoffgleitlager bei Feuchtigkeit bedeutet das:
Der Innendurchmesser kann sich verändern.
Das Betriebsspiel kann kleiner werden.
Die Buchse kann auf der Welle klemmen.
Die Steifigkeit kann abnehmen.
Die Zähigkeit kann steigen.
Trockene Datenblattwerte können von den späteren Betriebswerten abweichen.
Die Feuchtigkeitsaufnahme schließt PA6 als Gleitlager-Werkstoff nicht aus. Sie muss aber bei der Konstruktion berücksichtigt werden. Ein größeres Ausgangsspiel, realistische Fertigungstoleranzen und gegebenenfalls eine Konditionierung des Bauteils können notwendig sein.
Der Werkstoffvergleich PA6, POM-C oder PE-HD erläutert die Unterschiede bei Wasseraufnahme und Maßverhalten weiter.
PA6 kann unter geeigneten Bedingungen trockenlaufen. Für einen dauerhaften Trockenlauf mit hohen Laufleistungen sind jedoch häufig modifizierte Varianten geeigneter.
Ein PA6 G + Öl Gleitlager enthält eingelagerte Schmierstoffe, die Reibung und Verschleiß reduzieren. Auch ein PA6-MoS2-Gleitlager kann bessere tribologische Eigenschaften aufweisen als unverändertes PA6.
Solche Werkstoffe kommen infrage, wenn:
eine externe Schmierung unerwünscht ist,
die Lagerstelle schwer zugänglich ist,
Schmutz an Schmiermitteln haften würde,
längere Wartungsintervalle erforderlich sind,
Reibung und Verschleiß gegenüber Standard-PA6 reduziert werden sollen.
Ob PA6 oder PTFE geeigneter ist, hängt wiederum vom Einsatz ab. Bei der Entscheidung PA6 oder PTFE bietet PA6 meist die höhere mechanische Belastbarkeit, während PTFE bei Reibung, Chemikalienbeständigkeit und Temperatur Vorteile besitzt.
Viele Kunststoffgleitlager können ohne zusätzliche Schmierung eingesetzt werden. Das bedeutet jedoch nicht, dass jede Lagerstelle dauerhaft wartungsfrei arbeitet.
Eine Schmierung kann:
den Reibwert reduzieren,
den Verschleiß verringern,
die Wärmeabfuhr verbessern,
Geräusche reduzieren,
die Lebensdauer erhöhen.
Gleichzeitig kann eine Schmierung bei Kunststofflagern unerwünscht sein. Öl oder Fett kann Schmutz binden, Prozessmedien verunreinigen oder den Kunststoff chemisch angreifen.
Vor dem Einsatz eines Schmierstoffs sollte geprüft werden:
Ist der Schmierstoff mit dem Kunststoff verträglich?
Darf er mit dem Prozessmedium in Kontakt kommen?
Kann er ausgewaschen werden?
Verändert er den Kunststoff?
Ist ein trockenlaufender Compound geeigneter?
Ein Kunststoffgleitlager ohne Schmierung ist besonders sinnvoll, wenn Wartung schwer möglich ist oder saubere Betriebsbedingungen gefordert werden. In solchen Fällen sollte die Werkstofftype gezielt für Trockenlauf ausgelegt sein.
Der PV-Wert eines Gleitlagers kombiniert Flächenpressung und Gleitgeschwindigkeit:
PV = Flächenpressung × Gleitgeschwindigkeit
Er dient als erste Orientierung für die mechanische und thermische Belastung der Lagerstelle. Eine hohe Last bei niedriger Geschwindigkeit kann ebenso kritisch sein wie eine geringere Last bei hoher Geschwindigkeit.
Der zulässige PV-Wert hängt ab von:
Werkstofftype
Füllstoffen
Umgebungstemperatur
Kühlung
Schmierung
Wellenmaterial
Oberflächenrauheit
Lagergeometrie
Einschaltdauer
Bewegungstyp
Ein Datenblattwert darf nicht ungeprüft auf jede Konstruktion übertragen werden. Besonders bei oszillierenden Bewegungen, häufigem Anfahren oder schlechter Wärmeabfuhr können die tatsächlichen Belastungsgrenzen niedriger liegen.
Den Gleitlager-Verschleiß zu berechnen ist bei Kunststoffen nur näherungsweise möglich. Neben Druck und Geschwindigkeit beeinflussen auch Temperatur, Oberflächenrauheit, Schmierung, Verschmutzung und Werkstoffpaarung die Lebensdauer.
Für eine erste Auslegung können verwendet werden:
PV-Wert
spezifische Verschleißrate
Laufweg
Flächenpressung
Gleitgeschwindigkeit
Einschaltdauer
erwartete Temperatur
In kritischen Anwendungen sollte die rechnerische Auslegung durch einen Praxistest ergänzt werden. Schon geringe Veränderungen der Wellenoberfläche oder der Materialmodifikation können die Verschleißrate deutlich verändern.
Die Gegenlauffläche hat einen direkten Einfluss auf Reibung und Verschleiß. Eine zu raue Welle kann den Kunststoff abrasiv abtragen. Eine ungeeignete, sehr glatte Oberfläche kann bei bestimmten Werkstoffpaarungen ebenfalls problematisch sein, weil sich kein stabiler Übertragungsfilm bildet.
Zu berücksichtigen sind:
Wellenwerkstoff
Oberflächenhärte
Rauheit
Beschichtung
Korrosionsbeständigkeit
Rundlauf
Kanten
Schmutzpartikel
Bei gefüllten oder faserverstärkten Gleitwerkstoffen muss zusätzlich geprüft werden, ob harte Füllstoffe die Welle angreifen. Ein verschleißfester Kunststoff für Gleitlager kann dadurch zwar länger halten, gleichzeitig aber den Gegenlaufpartner stärker beanspruchen.
Kunststoffe reagieren stärker auf Temperatur und Feuchtigkeit als metallische Lagerwerkstoffe. Das erforderliche Lagerspiel muss deshalb mehrere Einflüsse aufnehmen:
Fertigungstoleranzen
Wärmeausdehnung
Wasseraufnahme
Verformung unter Last
Einpressverformung
Wellenabweichungen
Verschmutzungen
Bei POM-C lassen sich in der Regel engere und stabilere Toleranzen realisieren als bei PA6. Bei PA6 muss der spätere Feuchtigkeitszustand berücksichtigt werden. PTFE nimmt zwar kaum Feuchtigkeit auf, kann sich unter dauerhafter Last aber durch Kriechen verformen.
Auch bei niedrigen Temperaturen verändern sich die Werkstoffeigenschaften. Wer Kunststofflager in kalten Umgebungen einsetzt, sollte deshalb zusätzlich das Verhalten von Kunststoffen bei tiefen Temperaturen berücksichtigen.
Standard-PTFE, Standard-POM-C und Standard-PA6 reichen nicht für jede Lagerstelle aus. Bei hoher Laufleistung, Trockenlauf oder anspruchsvollen Belastungen sind modifizierte Werkstoffe häufig die bessere Lösung.
Typische Varianten sind:
PA6 G mit eingelagertem Öl
PA6 mit Molybdändisulfid
POM mit PTFE
gefülltes PTFE
faserverstärkte Compounds
spezielle tribologische Hochleistungskunststoffe
Die Additive können:
den Reibwert senken,
den Verschleiß reduzieren,
die Druckfestigkeit verbessern,
das Kriechverhalten reduzieren,
die Notlaufeigenschaften erhöhen.
Gleichzeitig können Füllstoffe die Schlagzähigkeit verringern, die Gegenlauffläche stärker beanspruchen oder die Eignung für Lebensmittelkontakt einschränken. Deshalb reicht es nicht, nur die Polymergruppe festzulegen. Entscheidend ist die konkrete Werkstofftype.
Für eine maßgenaue Lagerbuchse bei normalen Temperaturen und moderater Belastung ist POM-C häufig die wirtschaftlichste Wahl. Das Material ist gut zerspanbar, nimmt wenig Feuchtigkeit auf und ermöglicht reproduzierbare Toleranzen. Als Ausgangsmaterial eignen sich beispielsweise POM-C-Rundstäbe.
Bei größeren Abmessungen, wechselnden Lasten und Schwingungen kann PA6 geeigneter sein. Die hohe Zähigkeit und Dämpfung sprechen für den Werkstoff. Das notwendige Lagerspiel muss jedoch die Feuchtigkeitsaufnahme berücksichtigen. Für individuell bearbeitete Bauteile können PA6-Scheiben verwendet werden.
Bei Kontakt mit aggressiven Medien spricht vieles für PTFE oder einen geeigneten PTFE-Compound. Für größere Gleitelemente und Zwischenlagen können PTFE-Platten nach Maß eingesetzt werden. Vor der Auswahl sollte dennoch die konkrete Chemikalienbeständigkeit des Kunststoffs geprüft werden.
Für dauerhaften Trockenlauf ist nicht automatisch reines PTFE die beste Wahl. Ein POM-PTFE-Compound oder ölmodifiziertes PA6 kann eine bessere Kombination aus Verschleißfestigkeit, Belastbarkeit und Wirtschaftlichkeit erreichen.
POM-C bietet Vorteile, wenn enge Toleranzen eingehalten werden müssen. PA6 kann eingesetzt werden, wenn Maßänderungen konstruktiv berücksichtigt werden und Zähigkeit wichtiger ist als maximale Dimensionsstabilität.
PTFE besitzt grundsätzlich den breitesten Temperaturbereich der drei Werkstoffe. Dennoch müssen Belastung, Kriechverhalten und Materialmodifikation geprüft werden. Bei sehr tiefen Temperaturen sollten zusätzlich die Hinweise zu Kunststoffen bei tiefen Temperaturen berücksichtigt werden.
PTFE eignet sich besonders, wenn sehr geringe Reibung, hohe Chemikalienbeständigkeit oder ein breiter Temperaturbereich im Vordergrund stehen. Bei hoher Dauerbelastung sollte eine gefüllte Variante oder ein Verbundsystem geprüft werden.
POM-C ist häufig die beste Ausgangsbasis für präzise, wirtschaftliche und moderat belastete Kunststoffgleitlager. Der Werkstoff bietet eine hohe Maßhaltigkeit, gute Bearbeitbarkeit und geringe Wasseraufnahme.
PA6 ist besonders interessant, wenn Zähigkeit, Dämpfung, Größe und mechanische Robustheit entscheidend sind. Die Feuchtigkeitsaufnahme und daraus resultierende Maßänderungen müssen konstruktiv berücksichtigt werden.
Bei dauerhaft hohen Belastungen, hohen Geschwindigkeiten oder anspruchsvollen Temperaturen reicht die grobe Auswahl zwischen PTFE, POM und PA6 nicht aus. Dann müssen PV-Wert, konkrete Werkstofftype, Gegenlauffläche, Lagerspiel und erwartete Verschleißrate gemeinsam bewertet werden.
