Langlebige Gleitlager und Wälzlager: Wie die gezielte Materialauswahl Reibung, Verschleiß und Korrosion minimiert

Lager sind zentrale Funktionsträger in nahezu allen Maschinen und Anlagen. Doch ihre Lebensdauer hängt nicht allein von Konstruktion und Schmierung ab, sondern maßgeblich von einer oft unterschätzten Größe: der richtigen Materialpaarung. Reibung, Verschleiß und Korrosion zählen zu den häufigsten Ausfallursachen von Lagerstellen, mit erheblichen Folgen für Effizienz, Wartung und Betriebssicherheit. Wer ihre Ursachen versteht und bereits in der Werkstoffauswahl gezielt gegensteuert, kann Standzeiten reduzieren, Energieverluste minimieren und die Zuverlässigkeit ganzer Systeme steigern. In diesem Beitrag zeigen wir, wie tribologische Grundprinzipien, passende Metallpaarungen und gezielte Schutzmaßnahmen zusammenspielen - und warum die Werkstoffwahl in der Lagertechnik weit mehr ist als eine reine Festigkeitsentscheidung.

Was sind Gleitlager und Wälzlager?

Lager übernehmen in nahezu jeder Maschine eine zentrale Funktion: Sie ermöglichen die Bewegung rotierender oder linearer Bauteile bei gleichzeitiger Aufnahme und Übertragung von Kräften. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Haupttypen: Wälzlager und Gleitlager.

Wälzlager bestehen aus einem Innen- und einem Außenring, zwischen denen Wälzkörper - beispielsweise Kugeln oder Rollen - laufen. Diese Konstruktion minimiert die Reibung und erlaubt präzise Bewegungen bei hohen Drehzahlen. Sie sind weit verbreitet in Antriebssträngen, Elektromotoren und Getrieben. Gleitlager hingegen verzichten auf Wälzkörper. Stattdessen gleitet eine Lagerfläche direkt auf einer Gegenfläche, meist getrennt durch einen Schmierfilm. Gleitlager eignen sich besonders für Anwendungen mit oszillierenden Bewegungen, hohen Lasten oder schwierigen Umgebungsbedingungen.

Weitere Informationen zu unterschiedlichen Lagerarten finden Sie in unserem Beitrag über die Unterschiede zwischen Gleitlagern und Kugellagern.

Bedeutung von Materialpaarungen im Lagerkontakt

Unabhängig davon, ob es sich um ein Wälzlager oder ein Gleitlager handelt: die Kontaktflächen zwischen Lager und Gegenkörper sind ausschlaggebend für das tribologische Verhalten des Systems. Genau an diesen Stellen treffen zwei Materialien aufeinander, die dauerhaft mechanisch belastet werden, Reibung erzeugen und thermisch beansprucht sind. Die richtige Materialpaarung ist daher kein Nebenaspekt, sondern ein wichtiges Kriterium für Funktionssicherheit, Energieeffizienz und Lebensdauer.

Metallische Werkstoffpaarungen kommen überall dort zum Einsatz, wo sich Maschinenelemente relativ zueinander bewegen und gleichzeitig mechanisch belastet werden. In Lageranwendungen bedeutet das konkret: Wellen rotieren, gleiten oder schwingen in einer Lagerstelle, wobei sich zwei metallische Flächen berühren - oft unter hoher Last, Temperatur, Drehzahl oder in schwierigen Umgebungsbedingungen. Diese Kontaktzonen sind Hotspots für Reibung, Verschleiß und potenzielle Korrosionsmechanismen. Besonders kritisch wird es, wenn der Schmierfilm unterbrochen ist, sich Mikrobewegungen einstellen (etwa durch Vibrationen) oder aggressive Medien einwirken. In solchen Fällen entscheidet die Werkstoffkombination direkt darüber, ob die Lagerstelle zuverlässig funktioniert oder frühzeitig ausfällt. Die Wahl der richtigen metallischen Paarung beeinflusst dabei:

• Reibungsverlust
• Verschleißverhalten
• Korrosionsanfälligkeit
• Notlaufeigenschaften

Tribologie verstehen - eine Definition

Wo sich Maschinenteile bewegen und berühren, entstehen Kräfte, und mit ihnen Reibung, Abnutzung und oft unerwünschte Energieverluste. Genau hier setzt die Tribologie an: Sie ist die interdisziplinäre Wissenschaft von Reibung, Schmierung und Verschleiß. In Lageranwendungen ist sie der Schlüssel zum Verständnis dafür, warum bestimmte Werkstoffe besser miteinander funktionieren als andere.

Reibung

Reibung ist die Kraft, die der Relativbewegung zweier Körper entgegenwirkt, wenn sie in Kontakt stehen. Sie entsteht an den Kontaktflächen durch mechanische Wechselwirkungen wie Verformung und Adhäsion.

Der Reibwert hängt stark von den Werkstoffeigenschaften der Kontaktpartner ab, insbesondere von ihrer Oberflächenhärte, Rauheit, chemischen Affinität und der Fähigkeit, eine stabile Schmierfilmbildung zu ermöglichen. Werkstoffe mit hoher Neigung zur Adhäsion (z.B. Aluminium auf Stahl) erzeugen deutlich höhere Reibung als tribologisch abgestimmte Paarungen (z.B. Stahl auf Bronze).

Verschleiß

Verschleiß bezeichnet den fortschreitenden Materialverlust an einer Oberfläche infolge mechanischer, thermischer oder chemischer Beanspruchung bei Relativbewegung. Es handelt sich um einen irreversiblen Prozess, der zur Abnutzung, Formveränderung oder Funktionseinbuße führt.

Das Verschleißverhalten wird wesentlich durch die Kombination der Werkstoffe bestimmt: Ihre Härte, Duktilität, Mikrostruktur und Oxidationsverhalten beeinflussen, wie widerstandsfähig sie gegenüber Adhäsion, Abrasion oder Reibkorrosion sind. Eine ungeeignete Werkstoffpaarung kann selbst bei guter Schmierung zu starkem Verschleiß führen.

Schmierung

Schmierung ist das gezielte Einbringen eines Mediums - meist eines Schmierstoffs - zwischen zwei Kontaktflächen, um Reibung und Verschleiß zu minimieren. Dabei soll ein stabiler Schmierfilm aufgebaut werden, der die direkte Berührung der Werkstoffe weitgehend verhindert.

Die Wirksamkeit der Schmierung hängt von der Oberflächenenergie, Struktur und Benetzbarkeit der Materialien ab. Einige Werkstoffe (z.B. Bronze oder PTFE-Verbundwerkstoffe) fördern eine gleichmäßige Schmierfilmbildung, während andere (z.B. sehr glatte, reaktive Metalloberflächen) eher zum Schmierfilmabriss neigen oder chemisch mit dem Schmierstoff reagieren.

Haftreibung und Gleitreibung - Arten von Reibung und ihre Bedeutung für Lager

Reibung ist ein bedeutendes Phänomen in jeder Lagerstelle. Sie tritt auf, sobald zwei Körper in Kontakt stehen und sich relativ zueinander bewegen oder diese Bewegung versuchen. Dabei unterscheidet man verschiedene Reibungsarten, die jeweils unterschiedlich wirken und auch unterschiedliche Anforderungen an Werkstoffe und Schmierung stellen.

Haftreibung

Haftreibung ist die Reibungskraft, die zwischen zwei festen Körpern wirkt, bevor sie sich relativ zueinander bewegen. In der Lagertechnik spielt sie vor allem beim Anfahren von Gleitlagern oder bei oszillierenden Bewegungen eine wichtige Rolle. Sie ist in der Regel höher als die Gleitreibung und kann zu einem ruckartigen Bewegungsbeginn führen - dem sogenannten Stick-Slip-Effekt.

Die Stärke dieser Reibung wird durch den Haftreibungskoeffizienten beschrieben, der je nach Werkstoffpaarung stark variiert. Werkstoffkombinationen mit hoher Adhäsionsneigung, wie Aluminium auf Stahl, weisen einen besonders hohen Haftreibungskoeffizienten auf. Dadurch steigt das Risiko unerwünschter Mikrobewegungen und ungleichmäßiger Bewegungsübergänge. Eine gezielte Materialauswahl mit abgestimmten Oberflächeneigenschaften und passenden Schmiermitteln hilft, diesen Effekt zu minimieren und einen stabilen Betriebszustand sicherzustellen.

Gleitreibung

Gleitreibung tritt auf, sobald sich zwei feste Körper nach dem Überwinden der Haftreibung kontinuierlich gegeneinander bewegen - dieser Übergang von Haftreibung zu Gleitreibung ist besonders relevant bei Anfahrvorgängen in Gleitlagern. Dort stellt die Gleitreibung die dominierende Reibungsform dar.

Ihr Reibungskoeffizient wird von zahlreichen Parametern beeinflusst, insbesondere von der Oberflächenrauheit, der chemischen Reaktivität der Kontaktpartner und deren Schmierverhalten. Werkstoffpaarungen mit guten Gleit- und Einlaufeigenschaften - beispielsweise Stahl auf Bronze -ermöglichen einen sanften Reibungsübergang, weisen niedrige Reibwerte auf und führen zu minimalem Verschleiß. Durch eine sorgfältige Abstimmung der Materialien lässt sich nicht nur der Reibungsverlust beim Übergang von Haftreibung zu Gleitreibung reduzieren, sondern auch die Wärmeentwicklung und der Materialabrieb im laufenden Betrieb deutlich begrenzen.

Rollreibung

Rollreibung tritt auf, wenn ein Körper sich über einen anderen abrollt, wie etwa bei Kugeln oder Zylindern in Wälzlagern.

Sie ist im Vergleich zur Gleitreibung deutlich geringer, da der Kontakt zwischen den Körpern nur punkt- oder linienförmig ist. Dennoch ist Rollreibung nicht zu vernachlässigen – insbesondere bei hohen Drehzahlen oder unzureichender Schmierung. Die Materialwahl beeinflusst die Rollreibung über die Härte, Formtreue und die Schmierfilmbildung auf den Laufbahnen. Gehärtete Wälzlagerstähle mit feinbearbeiteten Oberflächen tragen dazu bei, Rollreibung zu minimieren und die Lebensdauer des Lagers zu verlängern.

Reibkorrosion

Reibkorrosion ist eine Sonderform der Reibung, die durch mikroskopisch kleine Relativbewegungen unter Last entsteht – meist in scheinbar „ruhenden“ Verbindungen. Typische Einsatzorte sind Lagerpassungen, Schraubverbindungen oder Wellenaufnahmen, die wechselnden Belastungen oder Vibrationen ausgesetzt sind. Diese Bewegungen führen zu einer Kombination aus mechanischem Abrieb und chemischer Reaktion mit Sauerstoff: es entstehen Oxidpartikel, die wie Schleifmittel wirken und den Verschleiß beschleunigen. Reibkorrosion tritt verstärkt auf, wenn die Werkstoffpaarung nicht abgestimmt ist, beispielsweise bei großen Unterschieden im Wärmeausdehnungsverhalten oder bei reaktiven Metallen ohne Oberflächenschutz.

Werkstoffpaarungen und ihre Wirkung auf Verschleiß

Die Auswahl geeigneter Werkstoffpaarungen ist maßgebend, wenn es darum geht, Verschleiß in Lagerstellen zu minimieren. Denn dort, wo zwei Metalle bei Bewegung miteinander in Kontakt kommen, entstehen mikroskopische Belastungen, die auf Dauer zu Abnutzung (Abrasion) oder lokalem Materialübertrag (Adhäsion) führen können, insbesondere bei schlechter Schmierung oder wechselnden Betriebsbedingungen.

Härteverhältnisse

Ein wesentliches Kriterium ist das Härteverhältnis der beiden Kontaktpartner. Ist der Unterschied zu gering, besteht die Gefahr von Kaltverschweißung, besonders bei metallurgisch ähnlichen Werkstoffen. Ist der Unterschied zu groß, kann das härtere Material den weicheren Partner abrasiv abschleifen, wie ein Schleifkörper. Eine optimale Kombination besteht meist aus einem harten, formstabilen Werkstoff (z.B. gehärteter Stahl) und einem weicheren, gleitaktiven Partner (z.B. Bronze oder Sintermetall), der Partikel aufnehmen kann, ohne die Gegenfläche zu beschädigen.

Einen ausführlichen Überblick zu gängigen Härteverfahren finden Sie in unserem Techblog zu Härteverfahren von Stahl.

Chemische Affinität und Adhäsion

Ein oft unterschätzter Parameter ist die chemische Affinität zweier Metalle. Materialien mit ähnlicher elektronischer Struktur oder Gitteranordnung - etwa Aluminium und Stahl - neigen bei Reibkontakt dazu, sich lokal zu verbinden. Dieses Adhäsionsverhalten kann zu Materialübertrag, Mikroschweißungen und in der Folge zu verstärktem Verschleiß führen. Werkstoffpaarungen sollten daher gezielt so gewählt werden, dass die Neigung zur Adhäsion möglichst gering ist. Blei-, Zinn- oder Graphitanteile in Gleitlagermaterialien wirken hier oft als „Gleitmodifikatoren“.

Oxidschichten

Metalle reagieren an der Luft mit Sauerstoff und bilden Oxidschichten, die je nach Werkstoff und Umgebung günstig oder schädlich wirken können. Stabile, gleitfähige Oxide, wie sie etwa bei Blei-Bronze auftreten, wirken schützend und unterstützen die Schmierung. Harte, abrasive Oxide, wie Aluminiumoxid, können sich hingegen wie Schleifmittel verhalten und die Gegenfläche beschädigen. Deshalb ist es wichtig, bei der Werkstoffwahl nicht nur den Grundwerkstoff zu betrachten, sondern auch sein Oberflächenverhalten im realen Einsatz.

Gute versus schlechte Materialpaarungen

Bewährte Materialpaarungen sind:

• Stahl auf Bronze: Eine klassische, robuste Kombination mit guten Gleiteigenschaften, geringer Adhäsion und hoher Verschleißfestigkeit - ideal für dynamisch belastete Gleitlager mit intermittierender Schmierung.
• Stahl auf Blei-Bronze oder Weißmetall: Sehr gleitaktiv, mit Selbstschmiereffekt durch weiche Bestandteile (z. B. Blei, Zinn) - gut geeignet für Lager mit Notlauferfordernis oder für stoßartige Belastungen.
• Stahl auf Sintermetall: Poröses Lagermaterial, das Schmierstoff speichert - besonders effizient für wartungsarme Lagerstellen mit begrenztem Schmierzugang.
• Stahl auf PTFE: Hervorragend bei trockenlaufenden Anwendungen oder bei extremen Reibbedingungen - der Kunststoffanteil reduziert Reibung stark.

Kritische oder ungünstige Paarungen sind:

• Stahl auf Aluminium: Hohe Adhäsionsneigung, Bildung harter Aluminiumoxide, empfindlich gegenüber Reibkorrosion - ungeeignet ohne Beschichtung oder gezielte Schmiermaßnahmen.
• Stahl auf Edelstahl: Zwei harte, edle Metalle mit starker Affinität zur Kaltverschweißung - hohe Reibwerte, Gefahr von Fressen, insbesondere bei unzureichender Schmierung.
• Edelstahl auf Kupfer oder Messing: Korrosionschemisch problematisch - erhöhtes Risiko von Bimetallkorrosion, insbesondere bei Feuchtigkeit oder elektrochemisch aktiven Umgebungen.
• Aluminium auf Aluminium (gleiche oder ähnliche Legierung): Extrem hohe Adhäsions- und Fressneigung, sehr ungünstig für Gleitkontakte - sollte grundsätzlich vermieden werden, außer bei Trennung durch geeignete Beschichtung oder Polymerfolie.

Maßnahmen zum Schutz vor Reibung, Verschleiß und Korrosion bei Gleitlagern und Wälzlagern

In jeder Lagerstelle wirken Kräfte, Bewegungen und Umwelteinflüsse zusammen. Reibung, Verschleiß und Korrosion sind dabei nicht vermeidbar, aber sie lassen sich gezielt reduzieren. Vertiefende Informationen finden Sie in unserem Beitrag über Erosion und Korrosion im Maschinenbau. Zielführend ist ein ganzheitlicher Ansatz, der Werkstoffwahl, Oberflächenbehandlung, Schmierung und Konstruktion gleichermaßen berücksichtigt. Die folgenden Maßnahmen zeigen, wie sich diese tribologischen Herausforderungen in der Praxis wirksam kontrollieren lassen.

Verschleiß steuern durch gezielte Auswahl eines "Opferteils"

In vielen technischen Anwendungen ist es nicht wirtschaftlich sinnvoll, alle Lagerkomponenten maximal verschleißfest auszulegen. Stattdessen folgt die Konstruktion häufig dem Prinzip der geplanten Schwächung an der richtigen Stelle: durch die bewusste Auswahl eines „Opferteils“ innerhalb der Lagerpaarung. Das Opferteil ist der technisch und wirtschaftlich leichter austauschbare oder regenerierbare Bestandteil der Reibpaarung - meist die Lagerbuchse, Gleitplatte oder Lagerschale, seltener die Welle oder das Gehäuse.

Ziel ist es, den unvermeidbaren Verschleiß auf dieses Bauteil zu konzentrieren, um:

• Schäden an teureren, schwer ersetzbaren Teilen zu vermeiden (z.B. Welle, Gehäusebohrung),
• Wartung planbar und kosteneffizient zu gestalten,
• und die Gesamtlebensdauer des Systems durch einfachen Austausch gezielt zu verlängern.

Die gezielte Auswahl eines „Opferteils“ ist ein bewährtes Mittel in der Lagertechnik, um Funktion, Lebensdauer und Wartungskosten in Einklang zu bringen. Statt maximaler Verschleißfestigkeit an allen Stellen setzt man auf gezielten, kontrollierten Materialabbau dort, wo es technisch sinnvoll und wirtschaftlich vertretbar ist. Beispiele dafür sind:

• Stahlwelle und Bronzebuchse: Die Bronzebuchse ist weicher und gleitaktiver - sie verschleißt gezielt, lässt sich aber einfach ersetzen, ohne die gehärtete Welle zu beschädigen. Tipps zur geeigneten Passung liefert unser Beitrag zu den Grundlagen von Maßtoleranzen und der Passungsauswahl.
• Gehäuse mit austauschbarer Lagerschale (z.B. Weißmetall): Bei Hochlastanwendungen wird das weiche Lagermaterial durch Einlagen gezielt opferbar gemacht.
• Sintermetall- oder Kunststoff-Gleitlager in Blechgehäusen: Das Lager selbst ist ein preisgünstiger Verschleißkörper, der im Wartungsintervall schnell ersetzt werden kann.

Weitere Schutzmaßnahmen

Neben der gezielten Auswahl eines „Opferteils“ als austauschbare Verschleißkomponente stehen in der Lagertechnik zahlreiche weitere Schutzmaßnahmen zur Verfügung, um Reibung, Verschleiß und Korrosion zu minimieren. Dazu zählen unter anderem die abgestimmte Werkstoffpaarung, verschleißfeste Beschichtungen, die Optimierung der Oberflächenrauheit, der Einsatz geeigneter Schmierstoffe sowie konstruktive Maßnahmen wie Dichtsysteme oder isolierende Zwischenschichten. Ob Sintermetalllager mit eingebautem Schmierstoffreservoir, korrosionsbeständige Lagerschalen oder präzise abgestimmte Passungen zur Vermeidung von Reibkorrosion: durch die Kombination dieser Ansätze lassen sich langlebige, wartungsfreundliche und kosteneffiziente Lagerlösungen realisieren.