Tribologie ist die Wissenschaft und Technik von aufeinander einwirkenden Oberflächen in Relativbewegung. Sie umfasst das Gesamtgebiet von Reibung und Verschleiß, einschließlich Schmierung, und schließt entsprechende Grenzwechselwirkungen sowohl zwischen Festkörpern als auch zwischen Festkörpern und Flüssigkeiten oder Gasen ein.

Ein Tribosystem ist die Gesamtheit der bei einem tribologischen Vorgang beteiligten stofflichen Partner in einem Belastungskollektiv sowie den daraus resultierenden tribologischen Kenngrößen und Wechselwirkungen. Reibung und Verschleiß sind keine Werkstoffeigenschaften, sondern systembezogene Größen, da die bei der relativen Bewegung zweier Körper gegeneinander auftretenden physikalischen Phänomene von Faktoren wie den beteiligten Werkstoffen, der Beschaffenheit und Größe der Oberflächen, Geschwindigkeit, Flächenpressung, Temperatur sowie dem eingesetzten Schmierstoff abhängen.
Der italienische Compoundierer Lati, Vedano Olona, entwickelt und produziert Kunststoffe mit tribologisch optimierten Eigenschaften. Diese unter dem Namen Latilub kommerzialisierten und mit verschiedenen Basiskunststoffen erhältlichen Compounds ermöglichen die Realisierung komplexer tribologischer Systeme in Verbindung mit den besonderen Vorteilen thermoplastischer Kunststoffe. Je nach Anforderung und Anwendung kommen verschiedene Additive oder Additivkombinationen zum Einsatz.

Was bewirkt Molybdändisulfid?

Molybdändisulfid (MoS2) verbessert die Gleit- und Verschleißeigenschaften eines Kunststoffs. Es wirkt nukleierend auf teilkristalline Kunststoffe, das heißt, es begünstigt die Bildung kleinster Kristalle, vor allem in Bereichen, in denen das Bauteil schnell abkühlt, zum Beispiel an den Oberflächen, die mit dem gekühlten Werkzeug in Berührung kommen. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt bei Polyamid (PA) und Polyoxymethylen (POM).
MoS2 eignet sich vor allem für Kunststoff/Metall-Paarungen, denn es lagert sich nach und nach in die Oberfläche des metallischen Gegenlaufpartners ein und glättet diese. Kunststoff-Compounds mit MoS2 kommen bevorzugt für Anwendungen mit moderaten spezifischen Drücken und Gleitgeschwindigkeiten zum Einsatz.

Was bewirkt Grafit als Füllstoff?

Grafit besitzt eine hexagonale Kristallgitterstruktur und besteht aus parallel angeordneten Ebenen, die sich relativ gegeneinander verschieben lassen. Damit gefüllte Kunststoffe besitzen einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten sowie eine sehr geringe Verschleißrate. Auf Grund der guten elektrischen Leitfähigkeit von Grafit verfügen sie darüber hinaus über antistatische Eigenschaften. Wegen der charakteristischen Farbe des Füllstoffs lassen sie sich allerdings nicht einfärben.

Grafitgefüllte Kunststoffe eignen sich für Anwendungen, die eine hohe Dimensionsstabilität erfordern und bei denen geringe Geschwindigkeiten und Drücke auftreten.

Welche Wirkung hat die Einarbeitung von Silikonöl?

In die Polymermatrix eingearbeitetes Silikonöl migriert im Laufe der Zeit an die Oberfläche eines Kunststoffbauteils und bildet dort eine Schmierschicht aus, die dazu beiträgt, Reibung und Verschleiß zu verringern. Vor allem hochviskose Öle bilden eine dauerhafte Schicht auf der Oberfläche des gesamten Werkstücks und kommen daher bevorzugt zum Einsatz. Silikonöl eignet sich vor allem für Anwendungen, bei denen sich Bauteile mit geringer Flächenpressung und hoher Geschwindigkeit gegeneinander bewegen.

Compounds mit PTFE

Polytetrafluorethylen (PTFE) ist ein Kunststoff mit hohem Molekulargewicht und mittlerer Verschleißfestigkeit. Es besitzt den niedrigsten Reibungskoeffizienten aller bekannten Feststoffe. Die Kräfte, die an der Kontaktfläche der beiden sich gegeneinander bewegenden Oberflächen, entstehen, bewirken eine Art Laminieren der PTFE-Partikel. Diese lagern sich in den Poren an der Bauteiloberfläche ab, verringern somit deren Rauigkeit und reduzieren die Reibung. Damit sich diese selbstschmierende Schicht auf der Oberfläche ausbilden kann, ist meist eine kurze Einlaufzeit erforderlich.

Die besten Ergebnisse werden mit einem Anteil von 15Gew.-% PTFE bei amorphen und 20Gew.-% bei kristallinen Kunststoffen erzielt. Compounds mit PTFE eignen sich für Anwendungen mit hohen Flächenpressungen und Gleitgeschwindigkeiten.
Da der Haftreibungskoeffizient von PTFE typischerweise höher ist als derGleitreibungskoeffizient, kann es in der Anlaufphase zu einem Ruckgleiten der sich gegeneinander bewegenden Körper kommen. Um diesen so genannten Stick-Slip-Effekt zu vermeiden, kommt PTFE häufig in Verbindung mit Silikonöl zum Einsatz. PE-UHMW (ultrahochmolekulares Polyethylen) hat ein ähnliches Eigenschaftsprofil wie PTFE und wird vor allem dort verwendet, wo Schmierstoffe ohne Halogene wie Fluor gefordert sind.

Was bewirken Kohlenstofffasern

Kohlenstofffasern tragen zu einer Erhöhung des p-v-Grenzwerts und damit zur Verschleißfestigkeit bei. Darüber hinaus senken sie den Reibungskoeffizienten, erhöhen die Steifigkeit, Festigkeit und Bruchlast sowie die elektrische und thermische Leitfähigkeit eines Kunststoff-Compounds. Sie kommen häufig in Kombination mit PTFE zum Einsatz, um vermehrten Verschleiß bei bestimmten Gegenlaufpartnern auf Grund der hohen Oberflächenhärte von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen zu vermeiden.

Welchen Einfluss auf Compoundshaben Aramidfasern?

Aramidfasern sind weicher, zäher und weniger bruchempfindlich als andere Fasern. Kunststoffe mit Aramidfasern besitzen hervorragende Selbstschmier-Eigenschaften und einen geringen Reibungskoeffizienten. Dank ihres günstigen Verschleißverhaltens sind sie ideal für Teile mit rotierender und/oder oszillierender Relativbewegung gegen leicht verschleißende Werkstoffe, zum Beispiel andere Kunststoffe oder Metalle wie Bronze, Kupfer oder Aluminium. Typische Anwendungen sind Lagerbuchsen, Anlaufscheiben, Gleitführungen und Zahnräder. Bei Compounds auf Basis inhärent selbstschmierender Kunststoffe wie PA, POM oder PEEK ergeben Aramidfasern besonders gute Gleiteigenschaften.

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Über den Autor

Luca Posca, Technical Marketing Manager, Lati, Vedano Olona/Italien, info@de.lati.com