*

Janusz JANECKI,

 **

Aleksander PROWOTOROW

Jerzy SZUMNIAK,

*)KSZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI TWORZYW CIERNYCH WEDŁUG KRYTERIUM ENERGII POWIERZCHNIOWEJ SKŁADNIKÓW

*Janusz JANECKI, Aleksander PROWOTOROW, Jerzy SZUMNIAK; „KSZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI TWORZYW CIERNYCH WEDŁUG KRYTERIUM ENERGII POWIERZCHNIOWEJ SKŁADNIKÓW”, WYBRANE PROBLEMY TRIBOLOGII
**Jeszcze nie dysponujemy zdjęciem;

1 . WPROWADZENIE

Problemy opracowywania odpowiednich składników tworzyw ciernych są ciągle aktualne: brak w literaturze /oraz w praktyce/ Jednoznacznych metod uzyskiwania żądanych charakterystyk tribologicznych już w trakcie formowania składu tworzywa. Nie istnieją dotychczas jednoznaczne sposoby optymalnego doboru składników tworzywa: lepiszcza i napełniaczy, nadal w stadium eksperymentowania jest sposób świadomego, celowego doboru rodzaju i proporcji składników tworzywa. Wprawdzie w ostatnich latach opracowano metody prognozowania charakterystyk eksploatacyjnych rzeczywistych par wysokociernych na podstawie badań testowych laboratoryjnych [l , 2] nie wyklucza to jednak niezbędności długotrwałego, żmudnego eksperymentowania przy wyborze składu tworzywa ciernego dla uzyskania żądanej, określonej charakterystyki tarciowej i zużyciowej. Sprawą znacznie łatwiejszą jest określenie odpowiedniej technologii formowania tłoczywa i tworzywa ciernego.
Tribologia /i tribotechnika/ współczesna nie wypracowała jeszcze metod postępowania, pozwalających na określenie charakterystyk tribologicznych tworzyw ciernych przy ich kształtowaniu a priori. Daleko jeszcze do sytuacji, w jakiej znajduje się np. nauka o wytrzymałości materiałów, szczególnie w odniesieniu do metali i ich stopów. Jej praw, reguł i hipotez nie można niestety zastosować do wieloskładnikowych tworzyw ciernych.
W zakresie wytrzymałości powierzchniowej /odporności na proces zużywania przy tarciu/ dopiero eksperyment końcowy, tribologiczny, prowadzony na gotowym tworzywie ciernym, pozwala na określenie rzeczywistych charakterystyk tribologicznych, które zresztą nieczęsto zgadzają się z prognozami.

2. POSTĘP W METODACH KSZTAŁTOWANIA ŻĄDANYCH WŁASNOŚCI TRIBOLOGICZNYCH TWORZYWA

Pesymistyczna ocena stanu metod kształtowania własności tworzywa ciernego nie oznacza, że w ciągu ostatnich lat nie udało się uzyskać pewnego postępu w kształtowaniu a priori charakterystyk tribologicznych tworzywa już na etapie doboru składników tłoczywa. Należy podkreślić, że w tym zakresie polska tribologia ma wymierne osiągnięcia [3]. O ile do lat sześćdziesiątych uzyskiwało się odpowiednie tworzywo na drodze kolejnych licznych przybliżeń, w których decydującą rolę grało doświadczenie twórcy-technologa i tribologa, o tyle w latach sześćdziesiątych opracowano metodę określania przewidzianej, bliskiej rzeczywistości, charakterystyki tribologicznej tworzywa /szczególnie zależności współczynnika tarcia od temperatury/ na podstawie specyficznej addycji [4] charakterystyk tworzyw trójskładnikowych /lepiszcze + azbest + składnik - napełniacz dodatkowy/, określanych w badaniach laboratoryjnych. Skracało to już znacznie drogę dojścia do tworzywa o żądanej charakterystyce tribologicznej i gwarantowało w znacznie większym stopniu właściwe postępowanie optymalizujące. W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych poważniejsze włączenie do metodologii kształtowania a priori charakterystyk tribologicznych tworzywa, metody deriwatograficznej [5] pozwoliło na wstępne wyeliminowanie składników tworzywa, których zbyt duży ubytek w miarę wzrostu temperatury oraz zbyt niska temperatura destrukcji cieplnej nie dawały rękojmi uzyskania należytych własności tworzywa końcowego. Oba osiągnięcia skracały kilkakrotnie cykl kształtowania tworzywa ciernego. Szereg eksperymentów dowodziło, że efekty pozytywne może dać kojarzenie takich składników tłoczywa, które oprócz wyżej wspomnianych własności mierzonych deriwatograficznie - odpowiednio reagują na granicy faz, tzn. dają strefę międzyfazową dostatecznie elastyczną, tak by nie mogły mieć miejsca w jednym akcie "styk-przemieszczenie" procesy skrawania i ścinania mikroobjętości tworzywa [6] .

3. ENERGIA POWIERZCHNIOWA SKŁADNIKÓW A WŁASNOŚCI TRIBOLOGICZNE TWORZYWA

Zakłada się, że u podstaw mechanizmu zużywania materiałów ciernych /gdy jeszcze nie osiąga się destrukcji cieplnej w makroobszarach/ leży destrukcja wiązań chemicznych i międzymolekularnych, przede wszystkim na styku lepiszcze-ciało stałe. Mechanodestrukcja materiału ciernego determinowana jest termoaktywacyjnym procesem rozwijania submikropęknięć. W procesie tarcia koncentracja defektów naturalnie rośnie i wpływa bezpośrednio na poziom zużywania. Przebieg destrukcji można określić jako przebieg losowy, którego realizację charakteryzuje liczba elementarnych aktów destrukcji; operator takiego procesu losowego przedstawia się następująco:
/1/

określone zaś przekształcenia dla procesu zużywania normalnego /nie patologicznego/ dają prawdopodobieństwo występowania elementarnych aktów tribologicznych:
/2/
gdzie:
k - ilość elementarnych aktów oddziaływania,
l - wzajemne przemieszczenie pary trącej,
t - zmienna losowa,
U - energia aktywacji destrukcji termicznej,
fk (r)- funkcja intensywności strumienia losowego zdarzeń.

Należy przypuszczać, że zużycie pary trącej, ciernej, jest proporcjonalne do liczby wyżej wymienionych określonych, elementarnych aktów mechanodestrukcji wiązań chemicznych i międzymolekularnych. Takie podejście jest naturalnie nieco wyidealizowane; wiadomo, że rzeczywisty kontakt tribologiczny odbywa się z udziałem makroobciążeń styku i prowadzi przy tym do procesów ścinania i skrawania, a nie jedynie do wymienionych wyżej aktów destrukcji wiązań.
Wyniki badań zużywania materiałów ciernych oraz dane literatury [7] pozwalają określić zależność zużywania materiału ciernego od temperatury równaniem typu Arrheniusa:
DT = K0exp[E/(R•T)] /3/

Równanie /1/ i jego przekształcenia pozwalają przekształcić równanie /3/ i określić stałą szybkość procesu jako:
/4/

gdzie:

E0 - energia aktywacji procesu relaksacyjnego /zbliżona dla polimerów do energii aktywacji destrukcji termicznej U/,
gs - strukturalna składowa energii aktywacji zależna od stopnia usieciowania /równa energii aktywacji wtórnej struktury polimeru/.
Pośrednio z równania /4/ wynika, że maksymalna intensywność zużywania występuje wówczas, gdy gs ® U; dzieje się to wtedy, gdy warstwa wierzchnia osiągnęła poziom energii porównywalny z energią aktywacji destrukcji termicznej, co oznacza, że rozkład naprężeń wzdłuż łańcucha polimeru /lepiszcza/ jest tak mocno zróżnicowany, iż w punktach maksymalnych naprężeń zachodzi mechanodestrukcja.
Z równań pośrednio wynika, że zmniejszenie intensywności zużywania /podatności na zużywanie/ można uzyskać przez zwiększenie energii aktywacji U /stosowanie polimeru o dużej wytrzymałości cieplnej/ lub przez zmniejszenie gs, co osiąga się przez:
  1. proces utwardzania materiału ciernego bez skoków temperatury, prowadzących do lokalnych naprężeń;
  2. sterowanie procesem wzajemnego oddziaływania napełniaczy na makrocząstki polimeru w warstwie granicznej /między ciałem stałym a "płynnym" polimerem/; na strukturę tej warstwy ma wpływ energia powierzchniowa napełniacza - niski jej poziom daje nieduże "upakowanie" mikrocząstek polimeru, a więc prowadzi do tworzywa elastycznego, niepodatnego na jednorazowe akty skrawania i ścinania;
  3. dobranie napełniaczy, prowadzących do obniżenia gs;
  4. zastosowanie spoiwa /lepiszcza/ charakteryzującego się dużą elastycznością łańcuchów, oleju silikonowego.
Wynika z tego, że można uzyskać dobre gatunki tworzywa ciernego bez konieczności stosowania lepiszcza organicznego o bardzo wysokich własnościach, np. żywic o strukturach drabinkowych, a więc jednocześnie bardzo drogich. Dobranie napełniaczy o małej energii powierzchniowej /chodzi szczególnie o tzw. napełniacz wiodący, np. włókna stanowiące substytut azbestu w tworzywach klasycznych/ prowadzi do uzyskania umiarkowanego stopnia upakowania warstwy międzyfazowej /małej ilości wiązań/. Dla napełniaczy o małej energii powierzchniowej /włóknistych/ warstwa graniczna lepiszcza składać się będzie przede wszystkim z cząstek o małej masie cząsteczkowej, polikondensującej znacznie bardziej chaotycznie niż długie łańcuchy polimerów; jest to następstwo różnic w budowie cząstek /łańcuchów/ polimerów: większa liczba grup o odmiennej strukturze chemicznej prowadzi do usieciowywania w wyniku ukierunkowującego działania "podłoża", a to prowadzi do zwiększonej wytrzymałości cieplnej tworzywa.

4. BADANIE ZALEŻNOŚCI MIĘDZY ENERGIĄ POWIERZCHNIOWĄ SKŁADNIKÓW A JAKOŚCIĄ TWORZYWA

Badanie takie prowadzi do wniosku [8, 9], że dalszy postęp w metodologii wytypowywania należytych składników tworzywa ciernego można uzyskać przez wybranie wyłącznie takich składników, które wykazują minimum energii powierzchniowej. Wniosek taki wysnuto po analizie i eksperymencie związanym z kształtowaniem tworzywa ciernego bez azbestów eg o, w którym azbest /30-40% udziału wagowego prawie każdego gatunku tworzywa ciernego / zastąpiono tanią i łatwo dostępną watą stalową. Ten substytut azbestu jest wyjątkowo interesujący; został on w eksperymencie autorów [10] wyselekcjonowany jako zasadniczy /wyeliminowano nim włókna droższe, np. węglowe, mineralne itp./.
Badania tworzywa zawierającego 30% włókna stalowego wykazały zbyt niską lepkość udarową tego tworzywa. Próby doboru włókna o optymalnej długości nie udały się: nie można jednoznacznie określić takiej długości "nitek", przy których włókno przenosiłoby naprężenia o wartości zbliżonej do jego wytrzymałości. Pośrednio wynika z tego, że lepiszcze nie przylega /nie adsorbuje się/ do włókna stalowego we wszystkich jego punktach równomiernie, co przesądza o niemożności uzyskania warstwy granicznej o optymalnej gęstości, tzn. o optymalnym upakowaniu cząstek. Pomiary wykazały, że włókno stalowe charakteryzuje się dużą wartością energii powierzchniowej, znacznie większą niż np. włókno azbestowe. Nie może wokół niego utworzyć się gęsto upakowana warstwa graniczna, a jedynie chaotyczna - a taka warstwa ma małą odporność cieplną i łatwo destruuje. Zdecydowano się zatem na zabieg obniżenia energii powierzchniowej włókna stalowego przez impregnację /hydrofobizacja/ w roztworze oleju silikonowego, i na takim włóknie wykonano tworzywo cierne. Porównanie wyników badań wytrzymałościowych i tribologicznych tworzyw wzorcowych - włókna stalowego nie impregnowanego z żywicą fenoloformaldehydową oraz włókna impregnowanego /rys. 1/ - wykazało wyraźny optymalizujący wpływ zabiegu impregnowania: obniżenia energii powierzchniowej, zarówno w zakresie lepkości udarowej i w zakresie odporności na ciepło. Temperatura destrukcji tworzywa z włóknem impregnowanym sięgnęła wartości około 600 °C; wyraźnie polepszyła się także stabilność charakterystyki cieplnej tworzywa, jak i obniżyła podatność na zużywanie.
Rys. 1 . Udarność względna oraz zależność współczynnika tarcia badanych tworzyw od temperatury: 1 - tworzywo z włóknem stalowym nieimpregnowanym, 2 - z włóknem impregnowanym, 2a - z włóknem impregnowanym i żywicą wysoko modyfikowaną

O wartości efektów, tzn. o wysokiej jakości charakterystyk tribologicznych tworzyw z napełniaczami charakteryzującymi się niskim poziomem energii powierzchniowej, przekonał następny etap badań. Wykonano do badań 2 podstawowe rodzaje materiałów; azbestowy /azbest wag. 25%, żywica nowolakowa wag. 16% o dużej stabilności i trwałości cieplnej, baryt 50%/ oraz bezazbestowy na osnowie włókna stalowego /włókno stalowe hydrofobizowane - 25%, żywica nowolakowa nie modyfikowana 16%, baryt 59% / Dotychczas uznawano - przy szacowaniu "na wyczucie" - wyższość tribologiczną tworzywa pierwszego; brano pod uwagę dużą powierzchnię rozwiniętą azbestu, do której sorbuje żywica, oraz wysoką jakość modyfikowanej żywicy. W wyniku badań okazało się, wbrew pozorom, że wyraźnie lepsze są charakterystyki tribologiczne tworzywa drugiego /rys. 2/. Wnioski nasuwają się niejako samoistnie:
    Rys. 2. Zależność współczynnika tarcia od temperatury oraz zużycie względne tworzyw:
    1 - azbestowego z wysoko modyfikowaną żywicą,
    2 - z włóknem stalowym impregnowanym oraz żywicą nowolakową nie modyfikowaną,
    2a - z włóknem stalowym impregnowanym i wysoko modyfikowaną żywicą.

  1. doprowadzenie do stosowania składników - napełniaczy materiałów o małej energii powierzchniowej prowadzi do uzyskania tworzywa ciernego o wysokiej jakości, oraz
  2. w wypadku stosowania substytutów azbestu o niskiej energii powierzchniowej można stosować tanie, nie modyfikowane żywice, niechimeryczne w produkcji i eksploatacji, bez szkody dla wynikowej charakterystyki eksploatacyjnej tworzywa.
Wnioski te potwierdzają wyniki innych badań, w których stosowano inne substytuty azbestu charakteryzujące się niskim poziomem energii powierzchniowej /rys. 3/. Nie ulega wątpliwości, że tworzywo wieloskładnikowe o składnikach /innych niż "szkieletowy"/ charakteryzujących się niskim poziomem energii powierzchniowej będzie miało duże walory eksploatacyjne. Oznacza to także, że poprzedzenie procesu komponowania tworzywa wyborem składników o niedużym poziomie energii powierzchniowe) jest dalszym, wyraźnie optymalizującym, krokiem w opracowywaniu metod kształtowania a priori żądanych własności tribologicznych tworzyw ciernych. Stosowanie tej metody łącznie z dotychczas stosowanymi metodami doboru /addycja charakterystyk tworzyw trójskładnikowych oraz wyniki badań deriwatograficznych/ znacznie zmniejsza potrzebną dotychczas liczbę eksperymentalnych przybliżeń - wg naszego doświadczenia - co najmniej o 3/4. Oczywiście problem, przy tak dokonanym wyborze składu tworzywa, utrzymania czy ukształtowania właściwego, żądanego współczynnika tarcia /jego wartości/ jest sprawą prostą; bez naruszenia poziomu odporności tworzywa na zużywanie i bez obniżenia temperatury destrukcji można korygować wartość współczynnika tarcia.

Rys. 3. Zależność współczynnika tarcia od temperatury tworzyw: 1 - na osnowie azbestu z żywica, nie modyfikowaną, 2 - z wełną stalową , 3 - z wełną bazaltową, 4 - z włóknem węglowym

5. ZAKOŃCZENIE

Kształtowanie a priori własności tribologicznych tworzyw ciernych jest obecnie, przy wykorzystaniu wstępnych informacji o wartości energii powierzchniowej składników tworzywa, szczególnie substytów azbestu, znacznie prostsze; możliwa jest a priori eliminacja składników niepożądanych /mimo, że klasycznie stosowanych/, w najgorszym wypadku przy minimum prób technologicznych i tribologicznych, a więc realne optymalizowanie składu tłoczywa w fazie doboru składników.

6. LITERATURA

  1. Trenije i iznos frikcyonnych matieriałow . Red. A .W. Cziczinadze. Maszgiz, Moskwa 1972.
  2. Polimery w uzłach trenija maszyn i priborow. /Sprawocznik/: Maszynostrojenije, Moskwa 1980.
  3. Broś J, Janecki J., : Układy frykcyjne - zjawiska tarcia i zużywania oraz kształtowanie własności tworzyw ciernych. Materiały I Krajowego Kolokwium Tribologicznego - WITPiS,
  4. Zawalski S.: Badania nad optymalizacją tworzywa na nakładki hamulców tarczowych. Praca doktorska, P. Pozn., 1973.
  5. Jakubiuk T., Janecki J., Zawalski S.: Polimery - tworzywa wielkocząsteczkowe. Wyd. NOT, nr 2 i 3, 1975.
  6. Kragielskij l. W.; Osnowy rasczota na trenije i iznos. Maszynostrojenije, Moskwa 1977.
  7. Halbersteadt M., Knee S.: Efekt of potassum titanate fiber on the wear of brake linnigs. WEAR, 46, 1, 1978.
  8. Lipatow Ju.S.: Fiziczieskaja chimija napołniennych polimierow. Chimija, Moskwa 1977.
  9. Lipatow Ju. S.: Mieżfaznyje jawlenija w polimierach. Chimija, Kijew 1980.
  10. Janecki Ja., Szumniak Je., Prowotorow A.: Razrabotka tormoznych frikcyonnych matieriałow, nie sodierżaszczich asbiesta. Matieriały Mieżd. konf. po treniju i iznosu. Taszkent 1985.
  11. Prowotorow A.: Wpływ napełniaczy o małej energii powierzchniowej na wskaźniki tribologiczne tworzyw ciernych stosowanych w pojazdach samochodowych. Praca doktorska. WITPiS, 1986.