Verschleißschutz mit Polyurethan: Verschleißarten, Abriebfestigkeit & Wärmeentwicklung

Die Definition von Verschleiß: tribologisches System & 4 Systemelemente

Verschleiß ist der fortschreitende Materialverlust an der Oberfläche eines festen Körpers durch Kontakt und Relativbewegung mit einem festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörper. So definiert es die Tribologie, die Lehre von Reibung, Verschleiß und Schmierung. Verschleiß ist ein Prozess, kein Zustand, und er entsteht nie an einem Werkstoff allein, sondern immer in einem tribologischen System aus vier Elementen:

• Grundkörper: das betrachtete Bauteil, etwa eine Auskleidungsplatte oder ein Walzenbelag.

• Gegenkörper: der einwirkende Partner, etwa eine Gegenwalze oder das Schüttgut selbst.

• Zwischenstoff: Sand, Staub, Schmiermittel, Prozessflüssigkeit, Abriebpartikel.

• Umgebungsmedium: Luft, Wasser, Chemikalien, Temperatur, Feuchtigkeit.

Ändert sich ein Element, ändert sich der Verschleiß. Derselbe Polyurethan-Belag, der trockenen Quarzsand jahrelang aushält, kann in heißem, feuchtem Medium in Monaten versagen.

6 Verschleißarten nach Beanspruchung: Gleit-, Roll-, Wälz-, Prall-, Strahl- & Erosionsverschleiß

Die Verschleißart beschreibt, wie ein Bauteil beansprucht wird, und lässt sich an der Anlage direkt ablesen. Was dabei im Werkstoff passiert, beschreiben die Verschleißmechanismen im nächsten Abschnitt.

• Gleitverschleiß: Schüttgut rutscht über eine Auskleidung in einer Förderrinne. Meist wirkt Abrasion.

• Rollverschleiß: Ein PU-Walzenbelag rollt ohne nennenswerten Schlupf gegen eine Gegenwalze. Es wirken Zerrüttung und Abrasion, dazu Wärme.

• Wälzverschleiß: Rollen mit hohem Schlupf und hoher Flächenpressung, etwa ein Laufrad beim Anfahren und Bremsen. Durch den Schlupf entsteht zusätzlich Reibungswärme.

• Stoß- & Prallverschleiß: Erz schlägt an einer Übergabestelle aus mehreren Metern Höhe auf. Es wirkt Zerrüttung, Elastizität zählt mehr als Härte.

• Strahlverschleiß: Ein Partikelstrom trifft auf die Oberfläche, etwa im Zyklon oder in pneumatischen Förderleitungen. Es wirken Abrasion und Zerrüttung, je nach Auftreffwinkel.

• Erosions- & Hydroabrasivverschleiß: Schlamm oder sandhaltiges Wasser strömt entlang der Oberfläche, etwa in Pumpengehäusen. Es wirkt Abrasion, verstärkt durch das Medium.

Polyurethan ist bei Gleit-, Prall- und Strahlverschleiß mit körnigem Medium in seinem Element. Bei Wälzverschleiß mit hohem Schlupf und bei hohen Geschwindigkeiten stößt es an seine thermische Grenze.

Die 4 Verschleißmechanismen: Abrasion, Adhäsion, Oberflächenzerrüttung & tribochemische Reaktion

Hinter jeder Verschleißart stehen ein oder mehrere Verschleißmechanismen, also die physikalischen und chemischen Vorgänge im Kontaktbereich. Die Systematik stammt aus der zurückgezogenen DIN 50320 und lebt im Arbeitsblatt 7 der Gesellschaft für Tribologie weiter.

In der Praxis wirken meist zwei oder drei Mechanismen gleichzeitig, und ihr Anteil verschiebt sich: Eine abrasiv belastete Auskleidung kann nach dem ersten Riss in Zerrüttung übergehen und dann deutlich schneller versagen.

Abrasiver Verschleiß

Abrasiver Verschleiß entsteht, wenn harte Partikel oder Rauheitsspitzen in die Oberfläche eindringen und Material herausschneiden. Typisch sind Riefen und Furchen in Bewegungsrichtung. Abrasion dominiert überall, wo Sand, Erz, Kies oder Zement bewegt werden. Stahl und Keramik schützen sich dagegen durch Härte, Polyurethan durch ein anderes Prinzip, das weiter unten erklärt wird.

Adhäsiver Verschleiß

Adhäsiver Verschleiß entsteht, wenn zwei Oberflächen an einzelnen Kontaktpunkten regelrecht miteinander verschweißen und diese Verbindungen bei der Bewegung wieder abreißen. Dabei wird Material von einem Körper auf den anderen übertragen, im Extremfall fressen sich die Teile fest. Typisch ist das bei Metallteilen, die ohne ausreichende Schmierung aufeinander gleiten. Im Verschleißschutz mit Polyurethan steht Adhäsion selten im Vordergrund, hier dominieren meist Abrasion und Oberflächenzerrüttung.

Oberflächenzerrüttung

Oberflächenzerrüttung ist Ermüdungsverschleiß: Wechselbelastung durch Überrollen oder Prall erzeugt Mikrorisse, die wachsen und Partikel herauslösen. Typisch sind Rissnetzwerke, Pittings und Ausbrüche. Bei hochbelasteten PU-Rädern und Walzenbelägen ist sie ein wichtiger lebensdauerbegrenzender Mechanismus.

Tribochemische Reaktion

Bei der tribochemischen Reaktion löst die Reibung chemische Reaktionen aus, deren Reaktionsschichten mechanisch abgetragen werden. Klassisches Beispiel ist Passungsrost an Stahlwellen. Bei Polyurethan spielt dieser Mechanismus kaum eine Rolle. Verwandt ist die Hydrolyse: Wärme und Feuchte bauen die Polymerketten ab, besonders bei Polyester-Systemen.

Abriebfestigkeit messen: DIN ISO 4649, Taber Abraser & die Aussagekraft der Laborwerte

Abriebfestigkeit ist die Widerstandsfähigkeit einer Oberfläche gegen Materialverlust durch Reibung. Welches Prüfverfahren aussagekräftig ist, hängt von der Werkstoffklasse ab. Genau hier entstehen viele Missverständnisse beim Vergleich von Datenblättern.

DIN ISO 4649: das Verfahren für Elastomere

Standard für Elastomere und thermoplastische Elastomere ist die DIN ISO 4649. Auch thermoplastisches Polyurethan (TPU) wird nach diesem Verfahren geprüft. Ein Prüfkörper wird unter konstanter Anpresskraft über eine rotierende Trommel mit Schmirgelbogen geführt, bis 40 Meter Reibweg erreicht sind. Ergebnis ist der Volumenverlust in mm³: je kleiner, desto abriebfester. Polyurethan-Elastomere erreichen je nach Typ Werte zwischen etwa 5 und 45 mm³.

Taber Abraser: das Verfahren für Lacke & Beschichtungen

Der Taber Abraser arbeitet mit zwei Reibrädern auf einer rotierenden Probenplatte. Nach ASTM D4060 wird damit der Abriebwiderstand von Lacken und Beschichtungen geprüft, das Gerät wird aber auch für Folien, Laminate oder Leder eingesetzt. Für Elastomere ist es nicht das Standardverfahren.

Stift-Scheibe-Versuch & praxisnahe Prüfungen

Der Stift-Scheibe-Versuch (ASTM G99) misst Reibwert und Verschleiß einer konkreten Werkstoffpaarung beim Gleiten, etwa Polyurethan gegen Stahl, allerdings ohne Abrasivstoff. Für abrasive Anwendungen sind Bauteilprüfungen mit dem realen Schüttgut aussagekräftiger.

Warum Polyurethan verschleißfest ist: Elastizität, Shore-Härte & Rezeptur

Polyurethan schützt nach einem anderen Prinzip vor Verschleiß als Stahl oder Keramik. Wie gut dieses Prinzip greift, entscheidet die Rezeptur. Die wichtigsten Stellschrauben sind die Shore-Härte, die Polyol-Basis und das Isocyanat-System.

Elastizität statt Härte: das Wirkprinzip

Bei Stahl gilt: Je härter, desto weniger dringen Abrasivpartikel ein. Polyurethan dagegen gibt elastisch nach. Das Korn wird umschlossen, abgebremst und abgewiesen, die Energie geht in reversible Verformung statt in Materialabtrag. Unter Prall dämpft das Elastomer zusätzlich, wo Keramik ausbricht. Das ist der Kern seiner Verschleißfestigkeit und der Grund, warum ein Werkstoff mit 90 Shore A in vielen Anwendungen gehärteten Stahl überdauert.

Möglich macht das die segmentierte Struktur von Polyurethan-Elastomeren: Hartsegmente geben Festigkeit, Weichsegmente Dehnung und Rückstellung. So entsteht ein Werkstoff, der zugleich zäh, reißfest und elastisch ist. Diese Kombination fehlt Stahl, Gummi und technischen Thermoplasten.

Die Verschleißbeständigkeit hat aber Voraussetzungen: körnige, nicht scharfkantige Medien, moderate Flächenpressung und eine Bauteiltemperatur innerhalb der zulässigen Grenze.

Shore-Härte: Optimum bei 80-95 Shore A

Für abrasive Anwendungen liegt das Optimum meist bei 80 bis 95 Shore A. Das Material ist dann formstabil und tragfähig, aber elastisch genug, um Partikel abzuweisen. Im Shore-D-Bereich geht genau diese Elastizität verloren, das Material verhält sich unter Prall spröder. Zu weiches Material reißt leichter aus und erwärmt sich stärker. Bei starker Prallbelastung kommen dennoch auch deutlich weichere Einstellungen um 60 Shore A zum Einsatz.

Polyol-Basis: Polyester oder Polyether

Polyester-Polyurethane bieten meist die höhere Abrieb- und Reißfestigkeit und gute Ölbeständigkeit, sind aber hydrolyseempfindlich. Polyether-Polyurethane sind hydrolysebeständig, kälteflexibel und erwärmen sich unter dynamischer Last weniger. Für nasse, warme Bedingungen sind sie meist die bessere Wahl, auch wenn das Datenblatt des Polyesters besser aussieht.

Isocyanat-System: MDI, TDI & NDI

MDI- und TDI-Systeme sind die gängigen Systeme für Gießelastomere. NDI-Systeme haben eine besonders niedrige Hysterese und sind die erste Wahl, wo Wärme unter Wechsellast das Problem ist.

Dazu kommen Vernetzungsgrad, Kettenverlängerer und Additive. Dieses Zusammenspiel so einzustellen, dass es zum tribologischen System passt und nicht nur zum Abriebtest, ist der Kern der Materialentwicklung.

Wärmeentwicklung: die Grenze von Polyurethan im Verschleißschutz

Wenn Polyurethan-Bauteile im Verschleißschutz vorzeitig versagen, ist die Ursache oft nicht der Abrieb, sondern die Temperatur. Bei dynamisch belasteten Elastomeren kann die Bauteiltemperatur deutlich über der Umgebungstemperatur liegen.

2 Wärmequellen: Reibungswärme & Hysteresewärme

• Reibungswärme entsteht, wenn zwei Flächen aneinander entlanggleiten. Sie wächst mit Reibwert, Flächenpressung und Gleitgeschwindigkeit und entsteht an der Oberfläche. Beispiel: Laufen ein Walzenbelag aus Polyurethan und die Gegenwalze nicht exakt gleich schnell, rutschen ihre Oberflächen aneinander entlang. Dieses Rutschen nennt man Schlupf.

• Hysteresewärme entsteht, wenn der Werkstoff verformt wird, auch ganz ohne Gleiten. Bei jeder Verformung wird ein Teil der Energie nicht zurückgegeben, sondern in Wärme umgewandelt, und zwar im Inneren des Materials. Beispiel: Auch wenn derselbe Walzenbelag ohne jeden Schlupf abrollt, wird er bei jeder Umdrehung zusammengedrückt und wieder entlastet.

Warum die Wärme im Bauteil bleibt

Die Wärmeleitfähigkeit von Polyurethan liegt bei etwa 0,2 bis 0,4 W/(m·K) und damit nur bei einem Bruchteil der von Stahl. Wärme aus dem Kern wird kaum abgeführt. Bei dicken Belägen, hohen Frequenzen und Dauerbetrieb entsteht ein Wärmestau, der von außen nicht sichtbar ist und selten gemessen wird.

5 Folgen des Wärmestaus: vom Erweichen bis zur Ablösung

• 1

  Der Werkstoff erweicht und verformt sich stärker, die Hysterese steigt. Der Prozess verstärkt sich selbst.

• 2

  Die Abriebfestigkeit fällt. Das erweichte Material wird von Abrasivpartikeln leichter herausgerissen, Laborwerte aus dem kalten Zustand gelten dann nicht mehr.

• 3

  Bei Polyester-Systemen und Feuchtigkeit beschleunigt sich die Hydrolyse.

• 4

  Die Anbindung zum Kern versagt, oft sichtbar als Blase oder Ablösung an der Stirnseite.

• 5

  Es kommt zu Rissen und Ausbrüchen, weil der geschädigte Werkstoff der Wechsellast nicht mehr standhält.

Je nach Typ sind Polyurethane für Dauertemperaturen zwischen etwa 60 und 90 °C ausgelegt, spezielle Hochtemperatursysteme bis etwa 120 °C. Diese Grenze gilt für die Kerntemperatur des Bauteils, nicht für die Halle.

6 Gegenmaßnahmen gegen den Wärmestau

• Rezeptur: Hysteresearme NDI- oder Polyether-Systeme wählen.

• Härte: Ein härterer Belag verformt sich weniger, steht aber im Zielkonflikt mit dem Abrasionsschutz.

• Schichtdicke: Dünnere Beläge speichern weniger Wärme und geben sie schneller an den Kern ab.

• pv-Wert: Flächenpressung mal Gleitgeschwindigkeit muss im zulässigen Bereich der Rezeptur liegen.

• Kühlung: Rippen, Bohrungen sowie wärmeleitende oder gekühlte Kerne führen Wärme ab.

• Betriebsprofil: Abkühlpausen senken die Kerntemperatur und verlängern die Standzeit.

Verschleißfeste Kunststoffe & Werkstoffe im Vergleich: PU, PE-UHMW, PA, POM, Gummi, Keramik & Stahl

Die Frage nach dem verschleißfesten Kunststoff lässt sich nicht mit einer Rangliste beantworten. Jeder Werkstoff ist in einem System der beste und in einem anderen der schlechteste.

Daraus ergeben sich drei Regeln:

• 1

  Bei Prall und grobem Abrasiv gewinnt Elastizität: Polyurethan und Gummi liegen hier vor Keramik und meist auch vor Stahl, Polyurethan wegen der höheren Abriebfestigkeit vor Gummi.

• 2

  Bei feinem Abrasiv und hoher Temperatur gewinnt Härte, etwa Keramik bei heißem Zementstaub.

• 3

  Bei reinem Gleiten ohne Abrasiv gewinnt der niedrige Reibwert von PE-UHMW.

Die Werkstoffklassen selbst ordnet der Ratgeber Thermoplaste, Duroplaste & Elastomere: Kunststoffe im Vergleich ein.

Verschleißschutz in der Praxis: Auskleidungen, Beschichtungen & Formteile aus Polyurethan

Polyurethan kommt im Verschleißschutz in drei Bauformen zum Einsatz:

• Auskleidungs- & Verschleißschutzplatten: geklebt, geschraubt oder über eingegossene Stahlrücken befestigt und segmentweise austauschbar. Typisch für Rinnen, Trichter, Bunker und Rohrbögen.

• Verschleißschutzbeschichtung im Gießverfahren: fugenlos direkt auf das Bauteil gegossen. Die Standzeit hängt an der Haftung zum Kern, also an Strahlen, Haftvermittler und Verarbeitungstemperatur. Typisch für Walzen, Räder und Pumpengehäuse.

• Vollformteile: Siebmatten, Abstreifer, Zyklon-Einsätze oder Prallkörper ganz aus Polyurethan. Sie haben keine Grenzschicht, die versagen kann, aber auch keinen metallischen Kern zur Wärmeabfuhr.

Typische Einsatzfelder sind:

• Schüttgut- und Fördertechnik: Rinnen, Übergabestellen, Trichter und Rohrleitungen für Sand, Kies, Erz oder Getreide

• Aufbereitung und Klassierung: Siebbeläge, Hydrozyklone und Flotationszellen

• Walzen: Beläge in Papier-, Druck- und Folienmaschinen

• Räder: Laufräder für Flurförderzeuge, fahrerlose Transportsysteme und Rollenbahnen

• Pumpen: Gehäuse und Auskleidungen für abrasive Medien wie Schlamm

Anfrage-Checkliste: 9 Angaben für die Auslegung von Verschleißschutz

Ob Polyurethan passt und welche Rezeptur, lässt sich nur mit einem vollständigen Bild des Systems beantworten. Diese neun Angaben sollten vorliegen, bevor Sie einen Hersteller oder Berater anfragen:

• 1

  Verschleißbild: Riefen, Ausbrüche, Materialübertrag, Risse oder Ablösung?

• 2

  Medium: Korngröße, Kornform, Härte, Feuchte.

• 3

  Temperatur: Medium, Umgebung und möglichst die Bauteiltemperatur im Betrieb.

• 4

  Belastung: statisch oder dynamisch, Frequenz, Geschwindigkeit, Schlupf.

• 5

  Flächenpressung & Gleitgeschwindigkeit: für den pv-Wert.

• 6

  Chemische Umgebung: Öle, Wasser, Reinigungsmittel, Säuren, Laugen.

• 7

  Bisheriger Werkstoff: Standzeit und Art des Versagens.

• 8

  Geometrie & Befestigung: Schichtdicke, Kern, Klebung oder Verschraubung.

• 9

  Ziel: Standzeit, Kosten pro Betriebsstunde, Verfügbarkeit, Lärm, Gewicht.

Fazit: Verschleißschutz ist eine Systemfrage

Verschleiß entsteht im System, nicht am Werkstoff allein. Wer Verschleißart und Verschleißmechanismus kennt, kann den passenden Werkstoff gezielt auswählen. Wer nur die Härte vergleicht, tauscht ein Problem gegen das nächste.

Polyurethan ist überall dort überlegen, wo körniges Material gleitet, prallt oder strömt. Seine Grenze ist die Wärme, die bei dynamischer Belastung im Werkstoff entsteht und dort bleibt. Wer sie bei Rezeptur, Härte, Schichtdicke und Betriebsprofil berücksichtigt, erhält Bauteile, die Jahre statt Monate halten.

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