*BADANIA MOŻLIWOŚCI POLEPSZENIA
CHARAKTERYSTYK TARCIOWO-ZUŻYCIOWYCH NIEKTÓRYCH TWORZYW CIERNYCH FENOLOFORMALDEHYDOWYCH

Janusz JANECKI

 

Streszczenie

Rosnące w ostatnich latach prędkości pojazdów wymagają stosowania trwalszych i skuteczniejszych tworzyw hamulcowych. Z tworzyw organicznych najlepsze charakterystyki wykazują tworzywa oparte na żywicy fenoloformaldehydowej. W pracy opisano wyniki wstępnych badań prototypowych tworzyw ciernych, przy okazji których m.in. stwierdzono obiektywne możliwości polepszenia ich własności eksploatacyjnych na drodze wygrzewania poprodukcyjnego. Badania wpływu wygrzewania najlepszych z badanych w eliminacjach tworzyw wykazały wyraźne polepszenie charakterystyki tarciowej oraz odporności na zużycie szczególnie tworzyw fenoloformaldehydowych z wypełniaczem-ścierniwem i opiłkami metalowymi. Wysnuto hipotezę o niepełnym usieciowaniu i niepełnej sorpcji żywicy na azbeście w efekcie stosowanych metod produkcji, uzasadnioną badaniami specjalnymi.

1. Wprowadzenie
Procesy hamowania współczesnych pojazdów technicznych /także samolotów przy lądowaniach/ charakteryzują obecnie duże wartości jednostkowej energii kinetycznej, przypadającej na jednostkę powierzchni tarcia hamulców [1], [8]. W efekcie obciążenia cieplne warstwy wierzchniej tworzyw hamulcowych są duże, powodujące w wielu wypadkach znaczne udary cieplne, w wyniku wydzielania dużej ilości ciepła w jednostce czasu, temperatura warstwy wierzchniej sięga nie rzadko temperatury 800-1000°C, przy dużym gradiencie temperatury warstwy wierzchniej. Szczególnie trudne warunki występują w warstwie wierzchniej tworzyw hamulcowych, charakteryzujących się zawsze nikłą wartością współczynnika przewodzenia ciepła /rzędu 1/500-tna współczynnika przewodzenia metalu/, [5, 6, 7, 10] przypadkach hamowań awaryjnych, wymuszonych. Hamowania te stanowią dzisiaj w eksploatacji pojazdów szosowych ok. 50% ogólnej ilości hamowań; w przypadku lądowań współczesnych samolotów, wszelkie hamowania noszą charakter awaryjny. Stopień uogólnionych obciążeń tworzyw hamulcowych w eksploatacji charakteryzują dobitnie dane, podane w tablicach 1 i 2, zaś charakterystyczne cechy rozkładu temperatury warstwy wierzchniej /w poszczególnych etapach hamowania np. samolotów/ wykres podany na rys. 19.
Skuteczna i niezawodna praca hamulców jest możliwa tylko wówczas, gdy tworzywo, w wyniku dużej odporności cieplnej, zachowuje w dużym stopniu stałą wartość współczynnika tarcia, niezależnie od temperatury. Daje to gwarancję należytego kształtowania długości drogi hamowania przy różnej temperaturze warstwy wierzchniej /rys.2/. Przy częstych hamowaniach już początek hamowania odbywa się przy podwyższonej temperaturze warstwy wierzchniej. Tworzywo winno również mieć dużą odporność na zużywanie, niezależnie od temperatury efektywnej pracy warstwy wierzchniej. Tworzywo hamulcowe spełni swe zadanie, gdy będzie w toku pracy zapewniać jak największą wartość stosunku współczynnika tarcia do jednostkowego zużycia. Efektywność pracy takiego tworzywa jest najlepsza przy małych wartościach nacisków jednostkowych, co wynika z warunku opracowanego przez Kragielskigo [7, 8] :

µ/Jh = t · d (v+1) · n / (kn · k)

gdzie: kn - nacisk jednostkowy, nominalny;

t - jednostkowa siła tarcia;
t - parametr gładkości powierzchni;
n - ilość cykli zmian sił potrzebna do zniszczenia nierówności powierzchni;
µ - współczynnik tarcia;
Jh - zużycie liniowe;
h - głębokość deformowanej warstwy.
Powyższych wymagań nie spełniają w zasadzie powszechnie stosowane tworzywa kauczukowe. Poza małą odpornością na zużycie i niedużą stabilnością współczynnika tarcia z temperaturą oraz niską temperaturą destrukcji cieplnej /rzędu do 500°C/, tworzywa te łatwo podlegają destrukcji chemicznej pod działaniem płynów hamulcowych i smarów czy olejów.
Ostatnio coraz częściej stosuje się tworzywa fenoloformaldehydowe, w których wiążąca żywica ma wysoką temperaturę destrukcji cieplnej, niemal dwukrotnie wyższą od analogicznej temperatury kauczuku /czy gumy/ i jest nierozpuszczalna w żadnej cieczy, stosowanej w eksploatacji pojazdów. Przy umiejętnym doborze wypełniaczy własności użytkowe takich tworzyw są znacznie wyższe, niż tworzyw kauczukowych 5.
Wskutek braku na rynku dobrych tworzyw fenoloformaldehydowych, autor we współpracy z innymi pracownikami naukowo-badawczymi zainicjował poszukiwania nowych kompozycji i przeprowadził badania eliminacyjne na podstawie tych badań wytypowano tworzywo przyszłości, którego ulepszeniem na drodze obróbki cieplnej zajęto się w dalszej fazie pracy.

2. Efekty badań eliminacyjnych
Badaniom poddano szereg tworzyw, z których najważniejsze scharakteryzowano w tablicy 3. Badania prowadzono na specjalnej maszynie tarcia [3], [4], [5], [10], przy zachowaniu odpowiednich warunków; prędkość tarcia wynosiła 7,85 m/sek, naciski jednostkowe 16 kG/cm2 .
W efekcie tych badań określono charakterystyki tarciowe szeregu tworzyw /rys. 5/ oraz odporność na zużycie /charakteryzowane w tablicy 4 cyfrą zużycia wagowego/. W efekcie wytypowano tworzywo optymalne, które stanowiło materiał badawczy w następnych badaniach.
W toku badań eliminacyjnych stwierdzono wyraźną zmianę odporności na zużycie tworzyw badanych, szczególnie fenoloformaldehydowych, prawdopodobnie w wyniku nagrzania warstwy wierzchniej. W badaniu pierwszym /warstwa wierzchnia dziewicza/ odporność na zużycie tworzyw była wyraźnie niższa, niż w badaniu drugim, w którym warstwa wierzchnia była już uprzednio przygotowana przez nagrzewanie ciepłem tarcia w czasie badania pierwszego /p.tabl. 4/. W wyniku szeregu pomiarów wyeliminowano sugerowany uprzednio wpływ zgniotu mechanicznego oraz ewentualnych błędów pomiarowych; stało się pewnikiem, że podwyższenie odporności na zużycie jest wynikiem nagrzewania warstwy wierzchniej /do temperatur rzędu 150-200°C. Aby stwierdzić efekt takiego wygrzewania i uzasadnić celowość wygrzewania tworzyw po ich wyprodukowaniu oraz stwierdzić przyczyny ulepszającego działania wygrzewania, przeprowadzono badania opisane niżej.

3. Badania ulepszającego wpływu wygrzewania na charakterystykę tarciową i odporność na zużycie

Z badań eliminacyjnych 4 , 5 /popartych zresztą wynikami badań eksploatacyjnych gotowych nakładek/ wynikało, że tworzywem zasługującym na uwagę jest przede wszystkim tworzywo P-12, fenoloformaldehydowe bez dodatku kauczuku, wypełnione m.in. opiłkami metalowymi i ścierniwem. Postanowiono zatem zbadać rzeczywisty wpływ wygrzewania na tym tworzywie; jednocześnie dla porównania przyjęto do badań tworzywo stosowane w Polsce, AKF, kauczukowo-fenoloformaldehydowe jako tworzywo odniesienia, a także tworzywo P-10, z niedużym dodatkiem kauczuku 3.
Wstępnie określony niezbędny czas wygrzewania; w wyniku wstępnych prób określono, że w zasadzie po ok. 10 godzinach wygrzewania przestaje się zauważać zmiany: twardości tworzywa, wartości współczynnika tarcia, a także odporności na zużycie. Najprawdopodobniejsza hipoteza przyczyn polepszenia własności w wyniku wygrzewania głosiła, że jest to efekt pełniejszego usieciowania żywicy i ewent. zajścia do końca pozytywnych reakcji chemisorpcji żywicy na azbeście. Aby mieć pewność zatem, że procesy te przebiegną do końca w wyniku wygrzewania, a jednocześnie nie zajdą szkodliwe procesy destrukcji cieplnej, ustalono warunki wygrzewania materiału badawczego na 24 godziny w temperaturze ok. 190°C.
Badania ze względu na ich podstawowy cel i zapewnienie powtarzalności i wiarygodności wyników, przeprowadzono na specjalnie przygotowanej maszynie tarcia /rys.rys. 4 i 5/, zapewniającej szerokie możliwości różnicowania nacisków jednostkowych i prędkości tarcia przy zapewnieniu wiarygodności pomiarów siły tarcia /na drodze tensometrycznej/ dla określenia charakterystyki tarciowej. Próbki, wykonane w kształcie walców /f 7 mm, h = 11 mm/ tarto powierzchnią czołową po wirującej tarczy żeliwnej. Pomiar temperatury dokonywany był przy pomocy termopary, osadzonej w warstwie wierzchniej /p.rys. 6/; badania kontrolne dowiodły, że jest to najwiarygodniejszy sposób pomiaru rzeczywistej temperatury warstwy wierzchniej. Zużycie określano przez pomiar wagowy, korygowany przez pomiar ubytku liniowego.
Wynik pomiarów charakterystyki tarciowej obrazują krzywe na rys.rys. 7 i 8. Wynika z nich zupełnie jednoznacznie, że wyraźny efekt wygrzewania tworzywa zauważa się w przypadku tworzywa fenoloformaldehydowego /P-12/. Wartość współczynnika tarcia jest w całym zakresie temperatury w przypadku tworzywa wygrzanego wyższa, niż tworzywa nie poddanego takiemu zabiegowi. Korzyści te w przypadku tworzywa o przewadze kauczuku /AKF/ są już znikome. Chociażby z tego wynika, że polepszenie charakterystyki jest wynikiem przemian termoutwardzalnej żywicy fenoloformaldehydowej. Korzyści zastosowania zabiegu wygrzewania są bezsprzeczne.
Podobnie wyraźne korzyści obserwuje się przy ocenie odporności na zużycie. Zużycie wagowe tworzywa P-12 jest wielokrotnie niższe, niż zużycie dwóch innych tworzyw; tworzywo wygrzane wykazuje podwyższenie odporności na zużycie - w przypadku tworzywa P-12 o ok. 20 %. Jeszcze wyraźniejsze korzyści zauważa się przy porównaniu zużycia wagowego sprowadzonego do jednostki współczynnika tarcia. W tym przypadku tworzywo wygrzewane /P-12/ zwiększyło odporność na zużywanie o ok. 50 % w stosunku do tworzywa P-12 /p.druga część rys. 6.
Badania tarcia i zużycia przy innych prędkościach i naciskach niż pokazane na rys.rys. 7 i 8 dały podobne rezultaty 2. Upoważnia to do jednoznacznego wskazania na korzyści, wynikające z wprowadzenia procesu wygrzewania poprodukcyjnego do kształtowania lepszych własności użytkowych tworzyw hamulcowych, szczególnie opartych na żywicy fenoloformaldehydowej bez dodatku kauczuku.
Proces wygrzewania wywołał polepszenie wielu innych parametrów charakterystycznych własności tworzyw /p.tabl. 5/; m.in. zwiększyła się również twardość tworzywa. Interesujące jest, że twardość osiąga maksymalną wartość również po ok. 10-ciu godzinach wygrzewania - tzn. po takim okresie, po którym również i wzrost współczynnika tarcia i odporności na zużywanie są maksymalne. Sugeruje to, że poprzez pomiar twardości tworzywa, bez dodatkowych badań zużycia i tarcia, można określić jednoznacznie niezbędny czas wygrzewania tworzyw po wyprasowaniu nakładek hamulcowych.
Badania, które udowodniły słuszność hipotezy o niepełnym usieciowaniu tworzyw po ich wyprasowaniu i niepełnym zajściu reakcji chemisorpcji żywicy na azbeście, opisano w innych publikacjach 2, m.in. w publikacji J. Janeckiego i R. Marczaka zamieszczonej w nin. materiałach z konferencji.

    4. Wnioski
  1. Wygrzewanie tworzyw wykonanych z tłoczywa fenoloformaldehydowego bez lub z kauczukiem polepsza wyraźnie zarówno charakterystykę tarciową tworzyw, jak i ich odporność na zużywanie.
  2. Przyszłość rokuje przede wszystkim tworzywo fenoloformaldehydowe, z opiłkami metalowymi i ścierniwem obok innych wypełniaczy.
  3. Proces wygrzewania uszlachetnia tworzywo przy warunkach:
    a/ czas wygrzewania, większy od 10-ciu godzin, b/ temperatura wygrzewania ok. 190 C.
  4. 4. Uszlachetnienie tworzywa w wyniku wygrzewania jest wywołane najprawdopodobniej dalszym przebiegiem procesu usieciowywania żywicy i reakcji chemisorpcji żywicy na azbest; o zakończeniu tych procesów informuje m.in. pomiar twardości tworzywa.

    LITERATURA
  1. Dorner A. - Dauerenbremsung von Kfz. ATZ, nr 4/1958
  2. Janecki J. - Wpływ obróbki cieplnej hamulcowych tworzyw fenoloformaldehydowych na zmiany ich cierności i odporności na zużycie. "Biuletyn WITPiS", zeszyt. 1/1965.
  3. Janecki. J. - Badanie niektórych własności tarciowo-zużyciowych tworzywa ciernego fenoloformaldehydowego /AKF/. "Zagadnienia Tarcia, Smarowania i Zużycia", 2, 4 /w języku angielskim/ PAN-PWN 1960.
  4. Janecki J., Spaliński K. - Badania własności ciernych i wytrzymałości powierzchniowej niektórych organicznych tworzyw hamulcowych. "Zagadnienia Tarcia, Smarowania i Zużycia", Z. 3, PAN-PWN 1967.
  5. Janecki J., Spaliński K. - Eksploatacyjne badania własności ciernych organicznych tworzyw hamulcowych samochodów. Zagadnienia Tarcia, Smarowania i Zużycia", Z. 5, PAN-PWN /w druku/.
  6. Jegorov P.A. - Mietody ispitania awtomobila i jewo mechanizmow Maszgiz, Moskwa 1951.
  7. Kragielski I. W. - Trenije i iznos. Maszgiz, Moskwa, 1962.
  8. Kragielski I.W. - Procesy trenija w tormozach awjakoles. Podbor frikcjonnych par, Moskwa Izd. AN SSSR, 1951
  9. - RN-61/PChem. 1962, Tłoczywo NOG.
  10. - Sprawozdanie z pracy naukowo-badawczej nt. „Badania możliwości stosowania tworzyw sztucznych na części Maszyn i Mechanizmów” r.1965/66 /kier.J. Janecki/ WAT, Warszawa.
Tablica 3. Składniki tworzyw badanych w eliminacjach
Nazwa tworzywaAKFAK5AP-8P-10P-11P-12R
Składnik tworzywaIlość składnika w tłoczywie % (wagowo)
Żywica F-8--28-11,9-3023
Kauczuk-Buna S-412,516966,915--
Żywica F-11012,5--19----
Żywica fenolowa modyfikowna olejem lnianym----9,4---
Azbest krótki44426135,545,544,72743
Azbest długi------3-
Baryt BaSo4---10,796,42634
Czerwień żelazowa2732---28,5--
Kaolin---28,515,6---
Elektrokorund------6-
Opiłki mosiężne------8-
Siarka1,2530,9250,150,153,0--
Przyśpieszacz D0,25-0,0750,050,050,08--
Urotropina1,75---1,5---
Biel cynkowa0,75----0,75--
Aldol0,15----0,015--
Przyśpieszacz M0,15----0,015--
Przyśpieszacz S-0,08------
Minia ołowiana-7------

Tablica 4 : Zmiana zużycia wagowego próbek po drugim badaniu (wygrzewanie warstwy wierzchniej)
TworzywoZużycie [g]Zwiększenie odporności na zużycie
[%]
po pierwszym cyklu tarcia
S = 0 - 28000 m		 po drugim cyklu tarcia
S = 28000 - 56000 m
AKF0,40530,40011,05
5-A0,45440,44003,4
P-80,47950,46203,8
P-100,41120,37709,04
P-110,41540,40402,8
P-120,21370,20056,5
R0,83000,81002,4

PODPISY POD RYSUNKAMI

Rys. 1. Wyniki badań temperatury warstwy wierzchniej tworzywa NOG na maszynie laboratoryjnej typu IH-58 9
Rys. 2. - Droga hamowania samochodu w funkcji temperatury warstwy wierzchniej tworzywa nakładek wykonanych z: 1 - tworzywa FK-24A; 2 - tworzywa 6HK-1 10 , 7 3 - zależność pożądana.
Rys. 3. - Zależność współczynnika tarcia od temperatury. Tworzywo prototypowe w badaniach eliminacyjnych 4 , 10
Rys. 4. Schemat maszyny tarcia
Rys. 5. - Widok maszyny tarcia
Rys. 6. - Schemat pomiaru temperatury warstwy wierzchniej
Rys. 7. - Poglądowe zestawienie charakterystyk tarciowych tworzyw AKF i P-12 przed /n/ i po /w/ wygrzewaniu
Rys. 8. - Przestrzenny obraz charakterystyki tarciowej tworzywa P-12 przed /powierzchnia dolna/ i po /powierzchnia górna/ wygrzewaniu.
Tablica 1: Wydzielenie energii cieplnej na jednostkę powierzchni hamulca oraz temperatura przy intensywnym hamowaniu [5], [7]

Obiekt:   

Parametr
Samochód
 
Samolot
 
Koparka
 
Maszyna wiertnicza
 
12345
Jednostkowa ilość ciepła [kcal/cm2]200350250320
Temperatura warstwy wierzchniej [°C]3001000400600

Tablica 2: Energia kinetyczna hamowania pojazdów [7], [10]
PojazdEnergia kinetyczna hamowania w kGmPrzybliżony stosunek energii
1945-461955-561965--66
Samochód ciężarowy5·10416·10430·1041:3:6
Samochód osobowy13·10326·10340·1031:2:3
Samolot myśliwski0.9·1056·10512·1051:7:13
Pociąg towarowy12·10643·10660·1061:3:5

Rys. 1. Wyniki badań temperatury warstwy wierzchniej tworzywa NOG na maszynie laboratoryjnej typu IH-58 9

Rys. 2. - Droga hamowania samochodu w funkcji temperatury warstwy wierzchniej tworzywa nakładek wykonanych z: 1 - tworzywa FK-24A; 2 - tworzywa 6HK-1 10 , 7 3 - zależność pożądana.

Rys. 3. - Zależność współczynnika tarcia od temperatury. Tworzywo prototypowe w badaniach eliminacyjnych 4 , 10?

Rys. 4. Schemat maszyny tarcia

Rys. 5. - Widok maszyny tarcia

Rys. 6. - Schemat pomiaru temperatury warstwy wierzchniej

Rys. 7. - Poglądowe zestawienie charakterystyk tarciowych tworzyw AKF i P-12 przed /n/ i po /w/ wygrzewaniu

Rys. 8. - Przestrzenny obraz charakterystyki tarciowej tworzywa P-12 przed /powierzchnia dolna/ i po /powierzchnia górna/ wygrzewaniu.