Janusz JANECKI

*POSTĘP W BADANIACH MATERIAŁÓW FRYKCYJNYCH


*Janusz JANECKI; "MATERIAŁY II KRAJOWEGO KOLOKWIUM TRYBOLOGICZNEGO", Gębice - Sulejówek, 1982 r

1. WPROWADZENIE

    Pracę węzłów tarcia par typowo ciernych potraktować można, w sensie trybologicznym, jako proces tarcia technicznie suchego, w którym jednak zachodzą zjawiska czy elementy specyficznego tarcia płynnego w fazie stałej w warstwie wierzchniej, biorącej udział w procesie odkształcania, głęboko zalegającego, zwłaszcza w przypadku pracy par ciernych mocno obciążonych, szczególnie termicznie. W przeważającej liczbie praktycznych przypadków jest to tarcie dwu skrajnie różnych tworzyw - z reguły niemal tworzywa azbestowego, sztucznego po metalu czarnym, staliwie lub żeliwie, rzadziej stali. Takie skojarzenie materiałów wykazuje wszystkie symptomy pracy pary wysokociernej: wartość współczynnika tarcia jest tu niekiedy o rząd większa, niż wartość współczynnika tarcia par ślizgowych, przeciwtarciowych. Taki układ tarciowy, wysokocierny, określa stosunkowo duża liczba rozmaitych czynników, mających zdecydowany wpływ na cechy pracy "tarciowej":
  • charakter zmiany obciążenia i wartości nacisków jednostkowych,
  • charakter ruchu i wartość prędkości względnej;
  • czas trwania wzajemnego przemieszczenia partnerów tarcia /a więc czas prześlizgu sprzęgła, jednorazowego, czy czas jednorazowego hamowania/;
  • stan powierzchni i warstwy wierzchniej materiałów ciernych;
  • temperatura warstwy wierzchniej i powierzchni tarcia;
  • współczynnik wzajemnego pokrycia /przekrycie/ partnerów pary tarciowej.
Powyższy wykaz nie wyczerpuje bynajmniej wszystkich możliwych czynników rzutujących na specyfikę trybologiczną par ciernych, gdyż w konkretnych rozwiązaniach par ciernych /w urządzeniach i maszynach/ do głosu dochodzić może szereg na pozór drugorzędnych czynników, w konkretnym rozwiązaniu konstrukcyjnym mających jednak wpływ na specyfikę pracy tarciowej i jej efekty.
Zgodnie z współczesnymi teoriami tarcia, a szczególnie hipotezą molekularno-mechaniczną, opór tarcia i efekt tarcia - zużycie zależą jednak przede wszystkim od dwóch składowych oddziaływań: mechanicznego /deformacyjnego/ i molekularnego /adhezyjnego/. Składowa mechaniczna wynika z wzajemnego oddziaływania powierzchni elementów pary, przy czym zachodzi tu działanie deformujące z reguły wielokrotnie w toku pracy; opór tarcia wynikający ze składowej mechanicznej zależy głównie od własności mechanicznych materiału warstwy wierzchniej i jej struktury geometrycznej. Trzeba od razu stwierdzić, że decydujący wpływ mają tutaj własności partnera typowo ciernego /w przeważających ilościach praktycznych zastosowań - materiały azbestowe, sztuczne/, a nie jego metalowego partnera tarciowego. Naturalnie, ponieważ własności mechaniczne każdego materiału zmieniają się wraz z temperaturą i wartością wywołanych naprężeń w materiale /warstwy wierzchniej/, zatem cechy "trybologiczne" pary ciernej będą także od tych czynników zależały w stopniu niemal zasadniczym.
Składowa molekularna /adhezyjna/ jest funkcją określonej budowy chemicznej i molekularnej trącego tworzywa /tworzyw/. Zależy ona od całego szeregu czynników i cech; struktury, powinowactwa chemicznego, własności chemicznych, szczególnie wytrzymałości na ścinanie, stanu powierzchni: chropowatości, mikrochropowatości, reliefu powierzchni, a także od jakości i grubości warstw adsorbowanych, czy błon dyfuzyjnych, w efekcie tarcia zachodzą zjawiska utleniania, topnienia, odparowywania, sublimacji. Wpływają one na tworzenie się warstwy wierzchniej o nowych własnościach - i znów na ukonstytuowanie się pewnego systemu podziału na składowe: mechaniczną i molekularną.
Fakt, że uwzględnia się w tarciu par ciernych hipotezę molekularno-mechaniczną, nie przesądza o tym, że tarcie par ciernych podporządkowuje się wiernie regułom określanym przez tę teorię tarcia, i że niesłuszna jest hipoteza energetyczna tarcia. Na odwrót wydaje się, że dla praktycznych zastosowań hipoteza energetyczna nadaje się właśnie dla zastosowania przy rozważaniu trybologii par ciernych: pozwala ona wyciągnąć znacznie więcej konkretnych "inżynierskich" informacji o przebiegu tarcia i zużywania, niż hipoteza molekularno-mechaniczna, Do tej sprawy wrócimy w odpowiednim miejscu.
Ostatnie lata cechuje wyraźne stosowanie w przeważającej ilości węzłów ciernych maszyn i urządzeń technicznych materiałów azbestowych, sztucznych. Do historii /mimo szerokiego stosowania dotychczas w kolejnictwie / przechodzą pary cierne żeliwo-żeliwo, w ogóle pary, których obaj partnerzy są wykonane z metalu. W specyficznych tylko urządzeniach stosuje się spieki metalowo-ceramiczne. Powszechnie stosuje się tworzywa sztuczne - kompozyty, w których azbest stanowi jeden z zasadniczych składników, niezależnie od udziału ilościowego, procentowego innych składników. Tworzenie skutecznie działających i trwałych par ciernych możliwe jest tylko przy łącznym potraktowaniu spraw inżynierii materiałowej i trybologii tworzyw ciernych, przy czym ogromnej aktualności nabiera opracowywanie najbardziej racjonalnych i wiarygodnych metod badań, opartych przede wszystkim o badania trybologiczne.
Współczesna literatura naukowa na razie zawiera bardzo ograniczone informacje o tarciu i własnościach materiałów azbestowych, jak i zresztą w ogóle o pracy par ciernych, taki materiał zawierających. Stąd niemal niemożliwe jest wybranie odpowiedniego materiału ciernego dla określonych warunków eksploatacji, dokonanie odpowiednich obliczeń konstrukcyjnych - a co najmniej równie trudne jest opracowanie nowego materiału ciernego o z góry założonych własnościach. Sytuację komplikuje fakt występowania w toku tarcia, w szczególności pod wpływem ciepła wpływającym na zjawiska temperaturowe /zresztą i innych czynników/, specyficznych zjawisk fizykochemicznej mechaniki w strefie styku tarciowego, wywołujących zupełnie niemożliwe do przewidzenia zjawiska wpływające na diametralną niekiedy zmianę charakterystyki tarciowej. Dla przykładu, niedawno odkryte zjawisko "katastroficznego" zużywania metali w następstwie nawodorowania warstwy wierzchniej zmusza także do rewizji poglądów na przyrodę tarcia i zużywania par ciernych, w których jeden z partnerów jest metalem, zaś drugi, materiał azbestowy, zawiera niemal zawsze w sobie także metal lub jego związki chemiczne.
Trybologii par ciernych nie można dzisiaj, jak już wspomniałem, traktować wyłącznie "trybologicznie" tzn. zawężać do badań tarcia i zużywania. Naturalnie - takie podejście do sprawy jest możliwe, jednak wyłącznie wówczas, gdy się ma "trybologicznie" dokonać oceny konkretnego tworzywa /pary ciernej/, tzn. dokonać technicznej ekspertyzy takiej pary /pomijam naturalnie badania, przy użyciu konkretnej pary ciernej, mechanizmu zjawisk zachodzących w danej parze/. Jednak każda próba optymalizacji tworzywa, próba doboru właściwego gatunku tworzywa dla danej pary, próba modyfikacji, zmusza do zajęcia się inżynierią materiałową takiego tworzywa. Efektywne badania naukowe z zakresu trybologii tworzyw ciernych prowadzić można wyłącznie wówczas, gdy atakuje się równolegle problem inżynierii materiałowej tych tworzyw, gdy zna się zasady komponowania, gdy na podstawie badań trybologicznych umie się dokonać właściwie ukierunkowanej modyfikacji tworzywa. Stąd w tej pracy wspomnimy także o zasadach komponowania tworzywa /chodzi o skład tłoczywa/ i o dorobku nauki z tego zakresu. Wreszcie, trybologia par ciernych zmusza zawsze do zastanawiania się nad cechami konstrukcji, dla których pary te są przeznaczone. Dobranie należytego materiału dla partnerów łożyska ślizgowego silnika np. Fiata 125p, jest de facto równoznaczne ze stworzeniem łożyska ślizgowego dla silników spalinowych z zapłonem iskrowym dla całej grupy rozmaitych samochodów, Natomiast dobra para cierna hamulca Fiata 125p wcale nie musi być dobra dla samochodu STAR, nawet jeśli mielibyśmy w obu przypadkach hamulce tarczowe. Stąd też przy projektowaniu i obliczaniu, a także badaniu par ciernych, nie uwzględnianie cech konstrukcji i przeznaczenia pary ciernej jest niemożliwe; niemożliwe, jeśli chce się uzyskać dobrze, efektywnie działającą parę cierną.

2. WSPÓŁCZESNE węzły TARCIA PAR CIERNYCH - HAMULCE I SPRZĘGŁA

Zgodnie z współczesna klasyfikacja /konstrukcyjne, uwzględniająca już specyfikę trybologii/ [1] węzły cierne dzieli się na 5 grup /p. rys. l/. W założeniu przyjęto tutaj fakt kontaktowania partnerów w strefie makro. Dodatkowe informacje, związane bezpośrednio z klasyfikacja, daje pojęcie współczynnika wzajemnego przekrycia, b. ważne przy tarciu par ciernych.
Rys. 1. Klasyfikacja hamulców i sprzęgieł współczesnych maszyn i urządzeń technicznych.
Ten współczynnik przyjmuje różne wartości /p. rys. l/; w typowych hamulcach tarczowych, a także sprzęgłach, wartość jego sięga niemal liczby 1,0. Oznacza to, że w takim przypadku w sprzęgle lub hamulcu występuje w trakcie pracy w objętościach makro taka sama temperatura w każdym punkcie styku i w każdej chwili; naturalnie wpływ krawędzi ma także tu miejsce, ale w silnie obciążonych termicznie hamulcach tarczowych jest on stosunkowo nieznaczny.
Współczesne hamulce dzieli się dodatkowo wg klasyfikacji grupowej na: nakładkowe, komorowe, taśmowe i tarczowe. Najczęstszym przypadkiem rozwiązania hamulca głównego samochodu jest rozwiązanie nakładkowe, z wewnętrznym umieszczeniem nakładek na powierzchni walcowej bębna /p. rys. 2/.
Rys. 2. Schemat nakładkowego bębnowego hamulca samochodu
1- nakładka metalowa,
2- okładzina cierna,
3- bęben,
Qn - siła nacisku na pedał hamulca,
Pn - siła w cięgle podłużnym układu hamulcowego.

Specyfiką tego rozwiązania jest wpływ siły tarcia, wytwarzanej przy hamowaniu, na zmianę obrazu rozkładu nacisków normalnych na powierzchni nakładki, w stosunku do rozkładu tych nacisków wynikających z wytworzenia siły hamowania Ph /p. rys. 2/. Może tu, w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego, zachodzić efekt dodatkowego "zaklinowywania" się /powiększania nacisku/, jak i efekt osłabiania /zmniejszania/ zadanych układem sterowania nacisków. Niezależnie jednak od rozwiązania konstrukcyjnego /także i w przypadku stosowania tzw. pływających nakładek/, siły normalne między nakładkami a powierzchnią walca są w różnych punktach /na długości nakładki/ różne co do wartości. Ten fakt zwraca uwagę trybologa na przyjęcie w procesie tworzenia nakładek i prowadzenie badań odpowiedniego modelu badania - takiego, który by symulował ten nierównomierny rozkład, wpływający przecież także na odpowiedni rozkładowi nacisków /i elementarnych sił tarcia/, rozkład temperatury.

W komorowych hamulcach, w których z reguły do wewnętrznej powierzchni walcowej bębna dociskane są, przy wykorzystaniu pneumatycznych rozprężnych komór /lub hydraulicznych/ nakładki pokrywające niemal całą powierzchnię tarcia bębna /e więc współczynnik pokrycia b. bliski jedności/, nacisk wywierany przez nakładki hamulcowe na bęben jest stały we wszystkich punktach styku i nie zależy od wartości współczynnika tarcia /nie ma efektu wzmocnienia faktem występowania siły tarcia/. Takie hamulce odznaczają się stabilnością procesu hamowania, a z punktu widzenia trybologa - taką samą wartością nacisku i temperatury we wszystkich punktach styku. Nie ma więc tu procesu nagrzewania i ostygania, gdyż na całym obwodzie bębna, w jego poszczególnych miejscach, panuje stała temperatura, zależne wyłącznie od intensywności i czasu hamowania.
Te hamulce stosowane są raczej wyłącznie w samolotach.
Hamulce taśmowe, w których występuje silna zależność momentu hamowanie /nacisków jednostkowych/ od wartości współczynnika tarcia, a następnie efektu "samowzmocnienia", w sensie trybologicznym podobne są do hamulców nakładkowych. Cechuje je niestabilność procesu hamowania.
Najpowszechniej stosowane są w technice pojazdowej /ostatnio także w pojazdach szynowych/ hamulce tarczowe, bez wątpienia o najskuteczniejszym hamowaniu, odznaczające się dużą stabilnością momentu hamowania. Cechują się one największą z wszystkich rozwiązań jednostkową energią cieplną /a więc i energią tarcia/ będącą następstwem przenoszenia dużych wartości nacisków jednostkowych normalnych /rząd 50...100 kG/cm2/. Stosuje się je od zaledwie 20-30 lat, a to dlatego, że dopiero niedawno udało się stworzyć tworzywo cierne, hamulcowe, pracujące w wysokich temperaturach bez destrukcji /niekiedy ponad 1000°C/ /p. rys. 3/.
Rys. 3. Schemat hamulca tarczowego, samochodowego
1 - tarcza
2 - klocek cierny.

Rozkład nacisków na całej powierzchni klocka hamulcowego jest stały, zatem i rozkład temperatury na powierzchni, jeśli pominąć strefy brzegowe, jest stały. Rozwiązanie konstrukcyjne pozwala na szybką wymianę zużytych klocków. Praca odkrytego hamulca /tarcza narażona jest na bezpośredni wpływ otoczenia/ zmusza niekiedy trybologa przy badaniu do uwzględniania faktu destrukcyjnego wpływu w procesie zużycia czynników atmosferycznych, chociażby korozji. Cechy hamulców tarczowych /trybologiczne/ mają z reguły sprzęgła tarczowe; jedynie o rząd mniejszy jest tutaj nacisk jednostkowy - a więc i warunki cieplne, mimo znacznie większego współczynnika przekrycia niż w jakichkolwiek hamulcach tarczowych. Niemniej trybologicznie jakość zjawisk zachodzących przy tarciu jest dla hamulców tarczowych i typowych sprzęgieł czołowych taka sama.

3. WSPÓŁCZESNE MATERIAŁY AZBESTOWE CIERNE W WĘZŁACH TARCIA MASZYN I POJAZDÓW

Materiały cierna sztuczne, azbestowe, są dzisiaj rozpowszechnione we wszystkich rodzajach maszyn i urządzeń technicznych, zarówno w ich urządzeniach hamujących jak i sprzęgłowych. Praktycznie materiały te wyparły wszelkie inne klasyczne tworzywa hamulcowe /np. żeliwo/, a z kolei nie są wypierana z zasadniczych urządzeń, szczególnie z pojazdów wszelkiego typu, przez nowe, modne materiały ceramiczne, czy ceramiczno-polimerowe. Właściwie te ostatnie stosowane są tylko w nielicznych rozwiązaniach specjalnych, w aparaturze badawczej, a także w technice kosmicznej. Mimo krytyki azbestu, jako materiału rakotwórczego /co zresztą nie jest dotychczas udokumentowane/, na razie nie widać możliwości wyparcia materiałów ciernych azbestowych przez tworzywa bezazbestowe, oparte o włókno szklane, czy węglowe /o materiałach takich wspomnimy przy analizowaniu perspektywicznych prac naukowo-badawczych/.
Nie ulega wątpliwości, że w najcięższych warunkach pracują materiały cierne w hamulcach pojazdów, szczególnie tarczowych, ale także i bębnowych, czy też w hamulcach samolotów i sprzęgłach pojazdów. Można zaryzykować bez większej omyłki twierdzenie, że we wszystkich urządzeniach hamulcowych i sprzęgłowych innych maszyn /np. maszyny górnicze, dźwignice itp. itd./ materiały hamulcowe azbestowe, wytrzymujące pracę w hamulcach pojazdów, spełnią swą rolę nawet w najtrudniejszych warunkach pracy. Przywykło się uważać, że istnieje 5 stopni "ciężkości" warunków pracy tworzyw hamulcowych, klasyfikowanych wg temperatury panującej w warstwie wierzchniej: b. lekkie - do 100°C, lekkie - do 250°C, średnie - do 600°C /zwykle np. hamulce bębnowe samochodu/, ciężkie - do 1000°C /zwykle hamulce tarczowe przeciętnych samochodów, hamulce samolotów śmigłowych/, b. ciężkie - powyżej 1000°C /hamulce tarczowe szybkich samochodów, hamulce samolotów odrzutowych, hamulce tarczowe szybkich pociągów/. Naturalnie, wyżej wyszczególnione przykłady osiągania przez hamulce odpowiednich temperatur dotyczą sytuacji ekstremalnych tj. wówczas, gdy ma miejsce awaryjne hamowanie, lub hamowanie nieawaryjne po długotrwałym przyhamowywaniu /np. zjazd z długiego stromego wzniesienia/. Praktyka eksploatacji dowodzi, że przeciętnie w normalnym ruchu pojazdów hamulce bębnowe samochodu mają temperaturę rzędu 100..300°C, hamulce tarczowe samochodu 450..600°C, hamulce tarczowe pociągu 250...800°C, hamulce tarczowe współczesnego samolotu myśliwskiego /przy lądowaniu/ nawet 1200°C. Dodatkowe informacje dot. warunków pracy hamulców podaje tablica l, [29] .

Tablica l.    
Warunki pracy tworzyw ciernych w różnych węzłach tarcia

ParametrHamulec samochoduHamulec kolei żelaznejHamulec samolotu
bębnowytarczowy
Współczynnik przekrycia0,5...0,750,10... 0,150,10...0,151,0
Nacisk jednostkowy N/cm250...150200...50050...100150...250
Prędkość prześlizgu m/s5...105...1550...8030...50
Jednostkowa praca tarcia kJ/cm20,2...0,51,5...2,010...203...4
Jednostkowa moc tarcia W/cm250...10300...6001500... 3500200...250
Maximum temperatury °C300...400500... 6008001400

 

Skuteczność działania hamulców /sprzęgieł/ zależy naturalnie od odporności na destrukcję materiałów tworzących parę hamulcowa, ale przede wszystkim od wartości i stabilności współczynnika tarcie. Najwyższą wartość i największą stabilność współczynnika tarcia uzyskuje się przy stosowaniu przy wysokiej podatności elementu ciernego przy naprężeniach normalnym i stycznym. Duża podatność materiału jest gwarancję równomiernego rozdziału rzeczywistych obciążeń w styku tarciowym, a tym samym wpływa na obniżenia temperatury trącego elementu, na obniżenie gradientu temperatury i naprężeń .cieplnych. Z reguły zależność współczynnika tarcia od temperatury jest malejąca /rys. 4 - 7/ i obniżenie temperatury w strefie styku powoduje pewne zwiększenie wartości współczynnika tarcia [2] .

Rys. 4. Krzywa charakterystyki tarciowo-cieplnej tworzywa z lepiszczem kauczukowym
Rys. 5. Krzywa charakterystyki tarciowo-cieplnej tworzywa azbestowo-bakelitowego

Rys. 6.Krzywa charakterystyki tarciowe -cieplnej kompozycji metaloceramicznej

Rys. 7. Krzywa charakterystyki tarciowo-cieplnej tworzywa z lepiszczem fenolowoformaldehydowym;
1 - bez obróbki cieplnej,
2-po obróbce cieplnej.

Na charakter pracy styku ciernego wpływa szereg rozmaitych czynników, m.in. działania substancji otoczenia /tlen, woda, inne produkty reakcji chemicznych i fizycznych/, szczególnie na przeciwpartnera metalowego, w miejscach, w których chwilowo brak styku z elementem ciernym /intensywne szczególnie przy wolnobieżnych urządzeniach hamulcowych czy sprzęgłowych/, czas trwania ślizgania pary ciernej, sposób chłodzenia, podatność urządzenia na drgania, itp. zespół warunków pracy styku ciernego narzuca naturalnie pewne ogólne zasady doboru rozmaitych skojarzeń ciernych do konkretnych warunków pracy /zresztą i konkretnego rozwiązania konstrukcyjnego/. Pogląd na tę sprawę pozwalają sobie wyrobić dane zawarte w tablicy 2.

3.1. własności FIZYKO-CHEMICZNE TWORZYW CIERNYCH

Wynikowe własności fizyko-chemiczne /zresztą i mechaniczne/ kompozycji - tworzywa ciernego sztucznego /azbestowego/ zależą w znacznym stopniu od własności poszczególnych komponentów; pewien wpływ mają tutaj naturalnie zachodzące niekiedy reakcje chemiczne między poszczególnymi składnikami kompozycji, jak i "wzmocnienia" fizyczne, w wyniku czego własności kompozytu nie zawszą są wypadkowe "średnią arytmetyczną" własności składników tworzywa. Fakt występowania lepiszcza - polimeru, wpływa na wysokie własności sprężyste tworzywa, ale i na zdolności do pełzania w czasie, pod obciążeniem, nawet niedużym.

Tablica 2.   
Zalecane zakresy stosowania par ciernych

Rodzaj zastosowania Materiał Nacisk kG/cm2 nie więcej niż Temperatura stosowania °C Orientacyjna wartość współczynnika tarcia /obliczeniowa
Pow.Obj.
Lekkie warunki. bez smaruAzbesto-kauczukowy, spieki żywico-metalowe, naturalne polimery /skóra, celuloza, itp.102001200,3 ¸ 0,35.
średnie warunki, bez smaruAzbesto-żywico-kauczukowe, spieki żywico-metalowe - po stali i żeliwie154002500,25 ¸ 0,28
Ciężkie warunki, bez smaruAzbesto-żywicowe, kompozyty, azbesto-metalo-grafitowe po stali i żeliwie6012006000,22 ¸ 0,25
Lekkie warunki, smarowanieSpieki żywico-metalowe, azbesto-żywicowe materiały, po stali, żeliwie, brązie, molibdenie351001000,12
Ciężkie warunki w specjalnych okolicznościachStale, stopy tytanu, spieki metalowe po stali1500-60 ¸ +50-40 ¸ +400,22 ¸ 0,25

 

Azbest wpływa na podwyższenie odporności cieplnej tworzywa, zaś inne składniki - napełniacze, podnoszę własności mechaniczne, cieplne, przeciwzatarciowe, własności tłumienia drgań tarciowych itp.
Własności sprężyste tworzywa sztucznego azbestowego /oznaczać będziemy te tworzywa symbolem TSA/ pokazuje rys.9.
Rys. 8. Typowe krzywe odkształcenia materiałów ciernych azbestowych:
1 - z lepiszczem żywicowym,
2 - z lepiszczem kauczukowym.

Jak widać, przy temperaturze pokojowej krzywa rozciągania wykazuje proporcjonalne zależność między wydłużeniem i naprężeniem do wartości ok.80...90% siły niszczącej. Wydłużenia przy rozciąganiu z reguły nie przekraczają wartości l…2 %. Przy ściskaniu zauważa się wpływ odkształcenia plastycznego - względne odkształcenie niszczące sięga wartości 10 i więcej %. Różnice modułów przy rozciąganiu i ściskaniu są następstwem bardzo skomplikowanej struktury tworzywa. Dla sztywnych tworzyw ciernych moduł sprężystości przy zginaniu ma wartość zaledwie równe 60...80 % wartości modułu sprężystości przy rozciąganiu. Współczynnik Poissona takich tworzyw zmienia się zwykle w granicach 0,32 - 0,42. Odkształcanie plastyczne i zdolność do pełzania mogą znacznie obniżać wartość modułu sprężystości; wartość modułu sprężystości przy badaniu metodami dynamicznymi jest znacznie większa od wartości modułu, stwierdzonej przy badaniach statycznych. Także w przypadku długo działających obciążeń, siły powodujące zniszczenie materiału - tworzywa sztucznego są mniejsze znacznie od sił, które wywołują zniszczenie przy szybkim przykładaniu tych sił. Dla określania rzeczywistej wytrzymałości tworzywa sztucznego stosuje się zatem cieplną fluktuacyjną teorię trwałości; dla materiałów azbestowych opisuje ją wzór Żurkowa [3].

tp = t0 • exp[(u0 - g · s) k • T]
gdzie:
tp - trwałość,
t0 - stała czasowa /10-12...10-13.
s - przyłożone naprężenie,
T - temperatura,
k - stała Bolzmana, »1,4 • 10-21J/°C,
u0 - energia aktywacji elementarnego aktu procesu niszczenia,
g - współczynnik, zależny od rodzaju materiału.

Dla materiałów azbestowych, w których podstawowe lepiszcze stanowi kauczuk, wartości parametrów u0 = 2,4...2,4 • 10-17 J i g = 0,45…0,60 • 10-26m3; dla tworzywa o lepiszczu termoutwardzanym parametry te mają wartość: 4,7•10-18 J i 2,5•10-26m3. Ważną cechą materiałów ciernych azbestowych jest zdolność do pełzania. Jest ona dobrze opisywana równaniem Brońskiego / 4 / opartym o liniową teorię lepkosprężystości :

et = e0{ 1 + l[1 - exp(D ta)]}
gdzie:
et - pełna deformacja w określonym momencie,
e0 - chwilowa /sprężysta/ część deformacji obliczona wg prawa Hoocka,
t - czas od początku badania,
l = (eĄ - e0)/e0,
eĄ - odkształcenie w czasie t ® Ą,
D, a- reologiczne współczynniki materiału.

Dla materiału azbestowego, o lepiszczu kauczukowym: l = 3,6...4,0 , D = 0,10...0,12 , a 0,45...0.49 , zaś w przypadku lepiszcza termoutwardzalnego parametry te mają wartość l = 1,0...l,5; D= 0,003...0,05; a = 0,5...0.6.
Przełom udarnościowy materiałów azbestowych ciernych jest wyraźnie kruchy; jest to efekt niejednorodnej budowy makroskopowej materiału i braku powiązania w masie między poszczególnymi makromolekułami lepiszcza. Twardość materiałów ma znaczny wpływ na rzeczywistą powierzchnię styku przy tarciu; dla różnych materiałów azbestowych jest różna, aż od 20 do 500 MPa - przy czy górną granicę osiągają materiały z lepiszczem termoutwardzalnym i znaczną zawartością napełniaczy mineralnych gruboziarnistych.
Pojemność cieplna materiałów azbestowych jest bliska pojemności mineralnych materiałów; przewodnictwo cieplne jest naturalnie znacznie mniejsze, niż przewodnictwo metali /różnica 2-ch rzędów/ i jest tym mniejsze, im więcej azbestu w swym składzie me tworzywo sztuczne azbestowe. Rozszerzalność cieplna tworzyw azbestowych jest znikoma i nie przekracza na ogół wartości [15, 40] • 10-6°K.
Istnieje znaczny wpływ temperatury na własności tworzyw azbestowych sztucznych. Stosunkowo krótkotrwałe nagrzewanie /typowe dla elementów hamulców i sprzęgieł ciernych/ powoduje zmniejszenie twardości, obniża odporność na rozciąganie i ściskanie; zmniejszenie to ma w zasadzie kształt wykładniczy. Podobny przebieg, z pewnymi cechami specyficznymi, ma zmiana udarności /p. rys.9/, a także zmiana wytrzymałości zmęczeniowej /odporności na zmęczenie/ /rys.10/. Natomiast fizykocieplne własności tworzyw sztucznych azbestowych w przedziale temperatur [-40, +350]°C zmieniają się stosunkowo nieznacznie; zmiany te mogę być w toku kształtowania, badania i stosowania /konstruowania/ układów ciernych pomijane.
Wspomnieć należy, że długotrwała obróbka cieplna sztucznych ciernych tworzyw azbestowych wpływa wyraźnie na zwiększenie ich twardości, kruchości, modułu sprężystości i trwałości.
Rys. 9. Jednostkowa praca udaru /wytrzymałość udarowa/ tworzyw o lepiszczach:
1-kauczukowym,
2-kauczukowo-żywicznym,
3- żywicznym /żywica termoutwardzalna/.
Rys. 10. Krzywe wytrzymałości zmęczeniowej tworzywa ciernego typu 6 KH-1B /ZSRR/ /lepiszcze kauczukowe/ w różnych temperaturach.

Obróbka cieplna podwyższa również wartość współczynnika tarcia i stabilność charakterystyki tarciowo-cieplnej [5] [6]. Dzieje się to przede wszystkim wskutek zwiększonego stopnia pełnego usieciowania lepiszcza oraz zwiększania sorpcji, szczególnie lepiszcza na azbeście mającym bardzo rozwiniętą powierzchnię oddziaływania sił międzycząsteczkowych bliskiego zasięgu i wchodzącym w pełną "reakcję" z lepiszczem dopiero w wyniku długotrwałego, rzędu godzin, wygrzewania [6]. W sytuacji, gdy ta termiczna obróbka odbywa się w kontrolowanych warunkach /zwykle temperatura rzędu 180-230°C dla tworzywa azbestowego z lepiszczem żywicą fenoloformaldehydową/, istnieją wyraźne jej pozytywy; natomiast długotrwałe przegrzewanie tworzywa /np. zachodzące przy b. intensywnym długotrwałym hamowaniu pojazdu, przy którym nierzadko masa nakładki hamulcowej nagrzewa się do temperatury rzędu 500°C/ prowadzi do pogorszenia jakości tworzywa, przede wszystkim wskutek destrukcji tworzywa, do której dochodzi m.in. w wyniku odparowywania pewnych substancji składowych elementów tłoczywa.
Nie jest zadaniem niniejszej pracy przekazanie wszystkich informacji o własnościach materiałów azbestowych ciernych ani o powiązaniach między czynnikami zewnętrznymi a zmianami tych własności, tym bardziej, że nie ma praktycznie możliwości podania tu określonych reguł, którym podlegają wszystkie tworzywa cierne azbestowe niezależnie od składu. Na pozór nieduże różnice w składzie /zarówno rodzaj i ilość rodzajów napełniaczy, jak i wzajemne ich proporcje/ mogą spowodować znaczne odchyłki zmian własności od przeciętnych. Dlatego też raczej dla przykładu podajemy zestawienie własności niektórych gatunków tworzyw ciernych, azbestowych, będących niejako reprezentantami grup gatunków /tablica 3/.

3.2. WYMAGANIA STAWIANE TWORZYWOM SZTUCZNYM AZBESTOWYM, CIERNYM

W węzłach tarcia zachodzą, jak wynika to z szerokiej literatury i doświadczeń praktycznych, bardzo skomplikowane i różnorakie procesy. Aby, mimo tej złożoności, zapewnić dużą stabilność i niezawodność działania pary wysokotarciowej, materiałowi azbestowemu ciernemu stawia się dość wygórowane i skomplikowane wymagania; te wymagania powodują, że proces kształtowania własności eksploatacyjnych tworzyw nakładek hamulcowych czy sprzęgieł jest procesem skomplikowanym, niełatwym, pełnym nierozszyfrowanych tajemnic, pozbawionym w dużym stopniu jednoznacznych reguł. Zasadnicze wymagania sprowadzają się do następujących:
  1. materiał cierny winien zapewniać istnienie znanej i stabilnie utrzymywanej wartości współczynnika tarcia, ze stosunkowo niedużymi wahaniami, nawet przy przechodzeniu w strefę wysokiej temperatury /wysokiego gradientu temperatury w.w./;
  2. azbestowy materiał cierny winien mieć zdolność do szybkiego dopracowania /dotarcia/ się z metalowym partnerem /zarówno na powierzchni czołowej, płaskiej, jak i na cylindrycznej/;

Tablica 3 a    
Fizyko-mechaniczne własności azbestowych nakładek ciernych hamulców

Własność /Parametry Na lepiszczu Elastyczne nakładki
kauczukowym kauczukowe żywicowymżywicowym
Twardość, HB wg GOST 13811-68MN/m2160-270170-500470-48020-35
kG/mm216-2717-5047-482-3,5
wg GOST 1786-74MN/m2200-310210-440393-430-
kG/mm220-3121-4439-43-
Gęstośćkg/m32000-25002009-26002300-25302100
g/cm32,0-2,52,0-2,62,3-2,52,1
Wytrzymałość na:
ścinanieMN/m235,9-69,120,7-38,928,0-34,113,8-16,3
kG/cm2359-691207-389280-341138-163
ściskanieMN/m256,7-104,843,2-151,872,8-75,125,0-35,0
kG/cm2567-1048432-1518723-751253-350
zginanieMN/m232,5-81,827,8-56,522,0-42,3-
kG/cm2325-818278-565220-423-
rozciąganieMN/m214,8-52,120,4-24,525,1-21,810,8-11,9
kG/cm2148-521204-245251-218108-119
Moduł sprężystości przy zginaniuGN/m238-5039-6769-751,6-2,1-
kG/mm2380-500393-670690-75316-21
Jednostkowa praca udarukJ/m23,0-12,32,1-5,82,5-6,423,4-24,2
Współczynnik tarcia-0,44-0,560,42-0,500,37-0,380,46-0,47
Zużyciemm0,07-0,170,09-0,280,13-0,140,07-0,18
Chłonność :
%
wody0,1-0,80,2-0,70,2-0,30,4-0,6
oleju0,2-0,90,2-0,30,15-0,30,45-0,7
benzyny0,2-1,50,2-0,80,2-0,33,3-4,9
Jedn. poj. cieplnaJ/kg °K880-1170920-1130960-1000889-1000
kcal./m. h °C0,21-0,280,22-0,270,23-0,240,21-0,24
Przewodność cieplnaW/m °K0,40-0,520,41-0,640,76-0,810,43-0,50
kcal./m.h.°C0,34-0,450,35-0,550,65-0,700,37-0,43
Skurcz cieplny%0,24-0,630,11-0,550,38-0,450,33-1.3

 


Tablica 3 b    
Fizyko-mechaniczne własności azbestowych nakładek ciernych hamulców

Własność /Parametr Na lepiszczukartonowo-lateksowekartonowo-bakelitowetkaninowe bakelitowane Spiralnie nawinięte
kauczuk kauczuk + żywica
Twardość, HB wg GOST 13811-68MN/m2250180-260140380320-330110-120
kG/mm22518-26143832-3311-12
Twardość, wg GOST 1786-74MN/m2190220-270190320280-370110-170
kG/mm21922-27193228-3711-17
Gęstośćkg/m322001900-2300160020002000-21001500-1800
g/cm32,2 1,9-2,31,62,02,0-2,11,5-1,8
Wytrzymałość:
przy ścinaniuMN/m234,123,5-45,350,984,381-90,3108,4-121,7
kG/cm2341235-453509843810-9031084-1217
na ściskanieMN/m288,862,9-11073,0104,395,2-10237,4-56,8
kG/cm2888629-11007301043952-1020374-568
na zginanieMN/m251,141,3-53,756,110763,5-64,272,5-99,1
kG/cm2511413-5375611070635-642725-991
na rozciąganieMN/m234,218,2-35,511,054,718,4-18,513,9-27,9
kG/cm2342182-355110547184-185139-279
Moduł sprężystości przy zginaniuGN/m232,335-45485647-4933-37
kG/mm2323350-450480560470-493330-370
Jednostkowa praca udarukJ/m26,42,0-6,65,212,315,3-26,96,9-21,2
Współczynnik tarcia-0,470,33-0,530,430,340,41-0,440,5-0,57
Zużyciemm0,130,05-0,070,130,120,110,10-0,11
Chłonność
% wody
0,30,3-0,60,3-0,63,01,32,2-2,66,2-10,1
oleju0,30,3-0,456,10,71,8-1,93,5-9,7
benzyny0,60,25-0,77,10,81,2-1,74,8-7,5
Jednostkowa pojemność cieplnaJ/m °K1130920-11301090105012201260-1340
kcal/m,h,°C0,270,22-0,270,260,250,290,30-0,32
Przewodność cieplnaW/m°K0,510,42-0,480,350,350,44-0,450,38
kcal/mh°C0,440,36-0,410,300,300,38-0,39 0,33
Skurcz cieplny%0,670,22-0,570,450,370,36-0,450,07-0,09

  1. winien wykazywać b. dużą odporność na sczepianie się z metalowym partnerem i nie metalizować się, ani nie namazywać na powierzchnię metalu;
  2. winien być w pełni odpornym na działanie tłuszczów /materiały pędne i smary/ oraz na działanie korozyjne;
  3. winien być mechanicznie wytrzymałym, a także odpornym na zużycie przy tarciu;
  4. winien mieć określone własności fizykocieplne;
  5. winien być prosty w technologii wytwarzania tłoczywa i kształtowanie elementu ciernego /klocka, nakładki, tarczy itp./ [7].
Z trybologicznego punktu widzenia najważniejszym problemem jest uzyskanie odpowiedniej wartości współczynnika tarcia, zwykle dużej /0,2...0,5/ oraz otrzymanie takiego tworzywa, by w dużym diapazonie temperatury /zwykle -40°C...+500°C/ możliwe było utrzymanie stałej wartości tego współczynnika. Z reguły też, w zależności od rodzaju węzła ciernego, nakłada się dość surowe wymagania dotyczące nie przekraczania w toku pracy wartości współczynnika tarcia zarówno w dół, jak i w górę. Zwykle zbyt znaczny spadek wartości współczynnika tarcia poniżej wartości uznanej za znamionową stawia pod znakiem zapytania możliwość skutecznego hamowania czy skuteczność przenoszenia odpowiedniego momentu obrotowego. Natomiast zbyt znaczny wzrost powoduje niestabilny proces hamowania pojazdów, mogący doprowadzić do katastrofy /gwałtowna utrata przyczepności zablokowanego koła do nawierzchni drogi/. Prowadzi także w hamulcach pojazdów do zjawiska samozaklinowania hamulców - a więc do nagłego, gwałtownego i zbyt intensywnego procesu hamowania. Przy przekroczeniu pewnej wartości współczynnika tarcia siła tarcia teoretycznie wzrasta do nieskończoności, blokując w pełni hamulce. Wypada wspomnieć, że praktyka konstruktorska zakłada obecnie przyjmowanie dla obliczeń wartości współczynnika tarcia w hamulcach samochodu » 0,3, zaś w hamulcach pojazdów szynowych » 0,2...0,3 , a w hamulcach samolotów - zwykle » 0,25...0,50. Dla ciernych sprzęgieł suchych przyjmuje się wartość obliczeniowa » 0,3. Niezależnie od tego ważne sprawa jest stabilność współczynnika tarcia w funkcji temperatury /warstwy wierzchniej i masy całej nakładki hamulcowej/. Dla oceny tej stabilności proponuje się wykorzystanie [8] specjalnych współczynników:
  1. współczynnik stabilności współczynnika tarcia
    ast = mśr/mmax

  2. współczynnik oscylacji współczynnika tarcia
    g = mmun/mmax

  3. współczynnik efektywności hamowania
    bef = ast/th2
    gdzie : th - czas hamowania

  4. sprowadzona efektywność hamowania
    k = n • bef/h
    gdzie:
    n - ilość hamowań,
    h - zużycie liniowe.
Porównywania jakości poszczególnych par tarcia przy stosowaniu tych współczynników daje znacznie więcej informacji o parze tarcia, niż ocena ich dokonana wyłącznie na podstawie zmierzonych w trakcie badań laboratoryjnych standardowych wartości współczynnika tarcia pary.
Ważną cechą tworzywa ciernego, azbestowego, jest zdolność szybkiego i skutecznego dopracowania /dotarcia/ z partnerem. Zanim nastąpi pełne dotarcie obu elementów, na powierzchniach rzeczywistego styku istnieją znacznie większe naciski jednostkowe, znacznie większe siły tarcia i wydzielają się znacznie większe, niż przeciętnie, ilości ciepła. Prowadzić to może przy długotrwałej pracy do głębokiej destrukcji tworzywa ciernego w mikroobszarach /pod punktami rzeczywistego styku/ do rozluźnienia struktury całej nakładki hamulcowej. W praktyce, przy normalnie stosowanym w pojeździe reżimie jazdy /i hamowania/ dopracowanie powinno nastąpić po przebiegu samochodu w mieście ok. 200..300 km. Tworzywo, które dopracowuje się znacznie wolniej, nie jest tworzywem dobrym.
Odporność na zużycie zależy od całego szeregu czynników i parametrów tworzywa i całej trącej pary; jest jednak wyraźnie zależna od wartości współczynnika tarcia. Przy przeciętnie ukształtowanych tworzywach np. hamulcowych, ich zużycie zupełne /wg norm eksploatacyjnych/ nie powinno zajść wcześniej, niż po 30...50 tys. km w hamulcach tarczowych i 50...70 tys. km w hamulcach bębnowych. Nakładki sprzęgieł współczesnych samochodów winny wytrzymać przebieg nie mniejszy od 100...150 tys. km.
Nakładka hamulcowa pracuje w węźle tarcia w złożonym stanie naprężeń. Wartość naprężenia stykowego jest w zasadzie równa wartości nacisku jednostkowego; siła tarcia wywołuje w nakładce powstanie naprężeń rozciągających oraz ścinających. Naprężenie ścinające można założyć w pierwszym przybliżeniu jako wartość równe iloczynowi siły normalnej jednostkowej oraz wartości współczynnika tarcia. Ważną cechą tworzywa jest jego twardość. Jest ona, w podwyższonej temperaturze tarcia tworzywa azbestowego, proporcjonalna /w mikro - a także w makro obszarach/ do powierzchni rzeczywistego styku. W związku z tym im większa twardość, wyjściowa tworzywa, tym większe są naciski rzeczywiste w miejscach rzeczywistego styku i tym wyższa temperatura w pojedynczych polach styku. Wg współczesnych badań [9] [10] [11] [12] stosunek twardości do wytrzymałości na ścinanie w dość dużym stopniu decyduje o wartości /poziomie wartości/ współczynnika tarcia. Przy porównywalnie stałych parametrach tworzywa, materiał mniej twardy jest w węźle tarcia lepszy i skuteczniejszy od materiału bardziej twardego. Wzrost modułu sprężystości tworzywa azbestowego ciernego wpływa z reguły na obniżenie wartości współczynnika tarcia oraz na wzrost zużywalności tworzywa. Malenie wartości współczynnika tarcia tłumaczy się zmniejszeniem pola powierzchni rzeczywistego styku tworzywa z metalem, zaś wzrost zużywalności - wzrostem wartości naprężeń w miejscach rzeczywistego styku powierzchni trących.
W sytuacji bardzo sztywnego mocowania nakładki hamulcowej /zarówno nitami, jak - przede wszystkim - przez klejenie i naprasowywanie/, w następstwie zjawiska rozszerzalności cieplnej w nakładce pojawi się określony stan naprężeń, określany /definiowany/ wg orientacyjnej zależności :
d = e • E
gdzie:
d - naprężenie wywołane przyczynami "cieplnymi",
e- deformacja względna /rozszerzenie cieplne, cieplne "zagęszczenie" struktury/,
E - moduł sprężystości.
Powyższa zależność nie uwzględnia wpływu zjawiska lepkosprężystości i uwarunkowanych nim zjawisk relaksacji.
Analiza powyższej zależności funkcyjnej dowodzi, że kształtować należy tworzywo cierne tak, by miało ono możliwie minimalne zdolność do rozszerzania pod wpływem ciepła oraz możliwie minimalną zmianę objętości /zmniejszenie/ w wyniku procesów odparowywania pewnych frakcji pod wpływem nagrzewania. Praktyka wykazała, że stan naprężeń wytwarzany w nakładce pod wpływem zjawisk termicznych jest w wyniku relaksacji jednak wyraźnie mniejszy, niż opisywany powyższą formułą. Niemniej istnieje zjawisko powstawania naprężeń cieplnych o wystarczająco dużej wartości, by nie wolno było pomijać zjawiska zmęczenie tworzywa ciernego /kolejne nagrzewanie i stygnięcie daje zjawisko zmęczenia materiału/. Stwierdzono zresztą, że materiał o mniejszej wytrzymałości na zmęczenie charakteryzuje się większa zużywalnością. Trzeba też wreszcie wspomnieć, że dla przypadku sprzęgieł /elementy wirujące, których fragmenty podlegają wówczas działaniu dużych sił odśrodkowych/ ważne jest by materiał miał możliwie małą gęstość, co rzutować będzie na mniejsze wartości dodatkowych naprężeń.
Jak widać z powyższego, kształtowanie tworzywa ciernego zmusza do uwzględnienia szeregu zjawisk, często "kontrowersyjnych" i do ciągle jeszcze ogromnego eksperymentowania przy kształtowaniu przede wszystkim składu tłoczywa, ale także i technologii przetwórstwa.

4. TEORIA TARCIA TWORZYW SZTUCZNYCH, CIERNYCH.
HIPOTEZY

Problemami zakresu stosowalności i wiarygodności hipotez tarcia zewnętrznego tworzyw ciernych literatura światowa zajmowała się dotychczas bardzo rzadko. Jedynie niektóre prace Kragielskiego [l] poruszają, bardzo zresztą ogólnie, problemy przydatności jednej z trzech hipotez, stosowanych dla tarcia zewnętrznego metali: mechanicznej, molekularno-mechanicznej i molekularnej. W praktyce jednak przeważa ogólny pogląd, że istnieje tutaj zarówno oddziaływanie mechaniczne w klasycznym tego słowa zrozumieniu /pokonywanie mikrochropowatości i chropowatości powierzchni, zaczepianie wierzchołków nierównością trących partnerów o siebie nawzajem/, jak i w specyficznym: wysoka cierność pary [13] tłumaczy się powszechnie faktem wielokrotnego głębokiego przedeformowywania tworzywa ciernego sztucznego, co stwarza dodatkowe opory tarcia, wpływając na wyraźne podwyższenie współczynnika tarcia pary trącej. Pewnym potwierdzeniem słuszności tej hipotezy jest powszechnie spotykany wzrost wartości współczynnika tarcia w miarę podwyższania w umiarkowanych granicach temperatury warstwy wierzchniej, co jest równoznaczne z wchodzeniem w sferę przedeformowywania głębszych warstewek warstwy wierzchniej; naturalnie wzrost powyżej temperatury początku destrukcji, szczególnie lepiszcza, jest na ogół czynnikiem powodującym malenie cierności pary. Wszystkie te rozważania są jednak oparte o dedukcje logiczne, bez przytaczania dowodów bezpośrednich i bez uzasadnienia matematycznego. Tworzywa cierne sztuczne jak na razie nie poddają się żadnym regułom gry, którym już dość precyzyjnie w sensie teorii podporządkowujemy procesy i zjawiska tarcia tworzyw metalowych.
Znane hipotezy tarcia zewnętrznego bazują przede wszystkim na tarciu metali, co umożliwia w pewnym stopniu fakt wysokiego poziomu nauk podstawowych, głównie fizyki metali, także daleko zaawansowanej fizyko-chemii powierzchni. Gorzej znacznie jest z tworzywami sztucznymi i teorią tarcia tych tworzyw, chociażby z tego względu, że przebieg zjawisk cieplnych determinując /i kształt/ charakterystykę cieplną tarcia oraz mechanizm zjawisk przy tarciu tego specyficznego materiału, jest skrajnie inny niż w przypadku tworzywa klasycznego, metalu. Tutaj np. wysoka cierność metali przy tarciu fizycznie suchym tłumaczy jednoznacznie /przynajmniej dość jednoznacznie/ teoria adhezyjnego sczepiania i zrywania mostków sczepień, zaś np. wysoką cierność pary staliwo-żeliwo, oprócz zjawisk adhezyjnych, duża kruchość żeliwa i duży w związku z tym udział czynnika mechanicznego zaczepiania chropowatych nierówności.
W nauce o tarciu dużo uwagi poświęca się problemowi antycierności i cierności tworzyw, Antyciernym tworzywom /np. Fedorczenko [14] stawia jednoznacznie wymagania dużej odporności na płynięcie plastyczne, a także, obok innych cech, wymaganie dużego przewodnictwa cieplnego. Takimi własnościami nie dysponują na ogół tworzywa sztuczne /polimery lub wiązane polimerami/, nie mówiąc już o skrajnej odmienności ich budowy od budowy metali. Trudno zatem mówić dzisiaj o tarciu zewnętrznym tworzyw sztucznych w klasycznym pojęciu tego słowa. W przypadku technologicznych skojarzeń jest to już w tak dużym stopniu tarcie wewnętrzne w dość grubej warstwie wierzchniej, że trudnym jest przyporządkowanie praw tarcia takich skojarzeń klasycznym hipotezom tarcia zewnętrznego. Tutaj jedynie przyjmować można, że - jak u wszystkich par trących" siła tarcia jest proporcjonalna do nacisku i współczynnika tarcia, który jest po prostu stosunkiem arytmetycznym siły tarcia do obciążenia normalnego: to prawo /Amontonsa/ służyć może jedynie do oznaczeń wartości jednej z trzech wielkości wchodzących we wzór przy dysponowaniu dwoma pozostałymi, ale nie wyjaśnia bynajmniej mechanizmu tarcia. Tworzywa cierne poddają się także ogólnym regułom powstawania przyczyny tarcia: przy dostatecznie wysokiej temperaturze lepiszcze w najlepszym przypadku zwęgla się - co powoduje przejście przynajmniej we fragmentach od "cierności" do tarcia wewnętrznego /płynnego/ w fazie stałej.
Tworzywa cierne pracują w bardzo ostrych warunkach i z reguły tarcie ich jest tarciem patologicznym [15]. Jedną z ważniejszych cech tych tworzyw - wskaźników cierności - jest duża jednostkowa wartość pracy tarcia, co wiąże się z wydzieleniem ciepła i nagrzewaniem warstwy wierzchniej do bardzo wysokiej temperatury.
Wywołuje to drastyczne zmiany składu chemicznego, struktury i stanu naprężeń, co prowadzi do znacznych zmian własności warstwy wierzchniej, do małej stabilności współczynnika tarcia, dużego niszczenia materiału warstwy wierzchniej i naruszania geometrii /i jakości/ powierzchni tarcia. Przebiegi tarcia są wybitnie niestacjonarne. Dla opisania tego typu tarcia przydatna może być chyba jedynie hipoteza czwartej rodziny - hipoteza energetyczna [15] .
Przyjmijmy, że u podstaw leżę następujące przesłanki [15] :
  1. przy tarciu zewnętrznym normalnym istnieje równowaga dynamiczna między procesami tworzenia struktur wtórnych, a procesami niszczenia powierzchni i warstwy wierzchniej; współczynnik tarcia zmienia się skokowo przy naruszeniu tej równowagi;
  2. istnieje transformacja pracy mechanicznej w energię procesów wewnętrznych;
  3. istnieje bilans energetyczny procesów tarcia zewnętrznego, zgodny z I zasadą termodynamiki;
  4. uniknięcie teksturowania warstwy wierzchniej /szczególnie przy "tarciu technicznym jest niemożliwe;
  5. istnieje praca szeregu więzów /równoznaczne z działaniem sił tarcia/ tarciowych, kwalifikujących się do kilku grup:
    1. w obszarze gazohydrodynamicznym /dotyczy to także warstewki adsorbowanej/ :
      1. T1 - wewnętrzne tarcia w warstwie granicznej oraz w cienkiej warstwie przy powierzchni,
      2. T2 - poślizg quasihydrodynamiczny;
    2. w normalnym procesie tarcia zewnętrznego :
      1. T3- poślizg warstwy granicznej;
      2. T4- teksturowanie przypowierzchniowe /nm/;
      3. T5- procesy sprężysto-drganiowe ww;
      4. T8- współoddziaływanie molekularne pól faz stałych /Van der Valsa/;
      5. T10- zewnętrzna dyssypacja energii;
      6. T9- mechanizm uszkodzeń przez nagromadzenie uszkodzeń i dyspersję struktur wtórnych;
    3. w patologicznym procesie tarcia:
      1. T6- deformacja makroskopowa ww, /składowa mechaniczna/;
      2. T2- niszczenie połączeń dyfuzyjnych /składowa adhezyjna/;
      3. T8, T9- różne mechanizmy niszczenia makroskopowych objętości ciała w.w.
W procesie tarcia normalnego istnieje obiektywna możliwość teoretycznego opisania współzależności między poszczególnymi wielkościami /parametrami/. W procesie tarcia patologicznego /a takim jest jednak w zasadzie tarcie tworzyw ciernych/ opisanie takich współzależności jest niemożliwe przynajmniej przy obecnym stanie wiedzy/.
Istota hipotezy energetycznej została podana przez Kuźniecowa, a rozwinięta przez cały szereg badaczy. Wg tej hipotezy cała praca tarcia idzie na kształtowanie nowej powierzchni tarcia, z czego wynika, że:

Pt = T / N = (C • M)/(N • d)
gdzie:
C - współczynnik zależny od rozmiarów cząstek zużycia,
M - masa zużytego materiału,
N - energia przypadająca na jednostkę powierzchni tarcia,
d - gęstość materiału pary trącej.
Według tej hipotezy nie można fizyki i mechanizmu tarcia zewnętrznego rozpatrywać w izolacji od jego skutków /form i cech zużycia/.
Analiza powyższych rozważań została zamieszczona w szeregu publikacji /l5/. Podamy jedynie, że a/ większa część pracy tarcia idzie na odkształcanie materiału warstwy wierzchniej, b/ znikoma część energii jest rozproszona: rozproszenie jest stosunkowo większe przy naruszeniu normalności procesu tarcia.

Kostecki [15] podał ogólna formułę hipotezy energetycznej tarcia zewnętrznego :

ET = Q + Esm + Ewe + Ep + Ed
gdzie:
ET - praca sił tarcia,
Q - ciepło wydzielone przy tarciu,
Esm - praca przesunięć i poślizgu warstwy granicznej,
Ewe - przyrost energii wewnętrznej metalu,
Ep - przyrost energii powierzchniowej,
Ed - energia rozproszona /zewnętrznie/.

Każdy składnik tej formuły związany jest ze ściśle określonym procesem, tzn. odzwierciedla pracę traconą na pokonanie odpowiednich więzów tarcia /normalnego/. Oznacza to, że siła tarcia jest operatorem szeregu parametrów :

Kolejnym członom w tym wzorze odpowiadają określone więzy tarciowe. Indeks "n" wskazuje na to, że zależność słuszna jest dla tarcia normalnego.

Jak wspomnieliśmy, tarcia tworzyw ciernych, szczególnie sztucznych, nie można traktować jako tarcie w pełni normalne: zachodzą przecież w tym tarciu pewne jakoby patologiczne cechy, jeśli nawet pominąć fakt głębokiego naruszania ww. takiego jak np. głębokie wyrywanie, głębokie przedeformowywanie, metalizowanie /skokowa zmiana wartości współczynnika tarcia w pewnej strefie/. Jeśli jednak potraktować tarcie tworzyw ciernych w skali i czasie "makro" - to i tutaj istnieje "stacjonarność" procesów i równowaga między narastaniem zmian sięgających w głąb warstwy wierzchniej a intensywnością ubytku materiału. Jedynie w mikroprocesach" stacjonarności tej nie daje się wyraźnie zauważyć.
Jak wynika z powyższych rozważań /także i rozważań dotyczących popularnie opisanych cech szczególnych tarcia tworzyw ciernych/, ze względu na dramatyczne zmiany struktury, temperatury, wielokrotne przedeformowywanie materiału, itp. opisanie ich jakąkolwiek ze znanych hipotez, poza być może energetyczną, ma nikłe szanse powodzenia. Złożoność zjawisk przy tarciu tworzyw ciernych /para cierna/ poglądowo przedstawia schemat na rys. 11. Jak wynika z analizy zjawisk i analizy zależności zarówno Kuźniecowa jak i Kosteckiego, siła tarcia /opory tarcia/ będzie zawierała zasadniczo trzy więzy składowe :

Ttw. ciernych = T4 + T5 + T8
gdzie zgodnie z :
T4 - więzy dotyczące procesu teksturowania powierzchni i w.w.
T5 - sprężysto~drganiowe procesy w warstwie wierzchniej.
T6 - molekularne oddziaływanie pól faz stałych /także pewien sens hipotezy molekularnej/.
Można by przypuszczać, że w grę wchodzić mogą jeszcze:
T4 - niszczenie więzów dyfuzyjnych, jednak chyba wyłącznie wówczas, gdy do takiej "jednoimiennej" adhezji może dojść /możliwe raczej przy parze ciernej metalowej staliwo-żeliwo/,
T8 - niszczenie makroobjętości materiału warstwy wierzchniej, raczej jedynie przy gwałtownym naruszeniu warunków quasitrwałego tarcia /uznać trzeba, że wielokrotne przedeformowywanie wg Kragielskiego nie jest niszczeniem makroobjętości w pełnym słowa tego znaczeniu/.

Niestety nie ma dokładniejszych - w literaturze - analiz słuszności tak sformułowanej hipotezy /propozycji zależności od określonych więzów/ energetycznej dla par ciernych. Jedynie Kragielski próbował wyjaśnić pewne mechanizmy tarcia: stwierdził m.in. że w zasadzie brak tutaj adhezji, ale jednocześnie wykazał że nie istniała stacjonarność warunków tarcia i że wobec tych faktów mogą istnieć zjawiska quasiadhezyjne, występujące na razie w bliżej nieokreślonych sytuacjach.
W sumie należy stwierdzić, że aczkolwiek istnieją przesłanki do formułowania ogólnej hipotezy tarcia suchego tworzyw ciernych w oparciu o hipotezę energetyczna, to niemal brak na razie jakiegokolwiek dorobku w tej dziedzinie, brak potwierdzenia eksperymentalnego prawdopodobieństwa słuszności takiego formułowania hipotezy, i brak niestety prowadzenia badań w tym kierunku [15]. Wstępne przygotowania eksperymentu z tego zakresu, które miały by poprzeć ewentualną słuszność przyjęcia tylko określonych więzów, jako więzów decydujących w procesie tarcia par ciernych, są zaledwie zarysowane i stanowczo przedwcześnie jest o nich mówić, a już stanowczo wróżbiarstwem byłoby przewidywanie efektów takich badań.
Szereg badań laboratoryjnych, rozważań teoretycznych i praktyka eksploatacyjna dowodzą, że najistotniejszym parametrem, określającym specyfikę tarcia tworzyw azbestowych ciernych, jest zespół zjawisk cieplnych /reżim temperaturowy/. Stosowalność tworzyw azbestowych ciernych zasadniczo ogranicza ich wytrzymałość cieplna. Stąd też charakteryzuje się właściwości takich tworzyw przede wszystkim przez uzależnienie współczynnika tarcia lub intensywności zużywania od temperatury warstwy wierzchniej tworzywa ciernego.
Charakterystyka tarciowo-cieplna tworzywa azbestowego ciernego trącego po metalu może mieć różny charakter. Stwierdzono jednak, że najbardziej typowym przebiegiem jest przebieg wskazujący na obniżenie wartości współczynnika tarcia w przedziale temperatur 150...300°C /p. rys. 11/.
Rys. 11. Zależność współczynnika tarcia tworzywa FK-16 µ od temperatury przy tarciu o:
- żeliwo szare /a, b/ i mosiądz /c, d/.
Wsp. przekrycia K2 = : 1- 1,0; 2,4 - 0,75; 3,5 - 0,5.
Nacisk jednostkowy N/cm2 1, 2, 3 - 60; 4 - 80; 5 - 120.

Czasami jest to ostre obniżenie wartości wapółczynnika tarcia niemal do wartości świadczącej o istnieniu tarcie płynnego, najczęściej jest to obniżenie monotoniczne. Zauważa się także, szczególnie przy zaaplikowaniu powtarzalnych cykli badawczych na maszynach tarcia, że przebieg powtórnego badania jest inny, niż pierwotnego; materiał azbestowy cierny potrafi więc przekształcać się nieco w toku tarcia i zmieniać własności wyjściowe; jest to efekt procesów polimeryzacji, reakcji chemicznych i fizycznych między poszczególnymi składnikami tworzywa, procesów narastającego zmęczenia materiału i naruszania więzi międzycząsteczkowej itp. Charakterystyczne jest, że po każdym następnym cyklu badawczym /poddaniu działaniu ciepła w wyniku tarcia/ różnice w przebiegu charakterystyk termiczno-tarciowym są coraz mniejsze.

W efekcie szeregu badań dokonano dotychczas obserwacji, które pozwalają twierdzić że :
  1. temperatura tarcia /warstwy wierzchniej/ ma różny wpływ na przebieg charakterystyki tarciowej przy różnych warunkach pracy pary tarciowej /warunkach badania/,
  2. brak jednoznacznej sprecyzowanej współzależności między wartością gradientu temperatury w warstwie wierzchniej, a charakterystykami tarciowymi,
  3. zauważa się bardzo istotny wpływ współczynnika przekrycia pary trącej, na wartość współczynnika tarcia i charakterystykę tarciowo-cieplną - przy czym zmniejszenie współczynnika wzajemnego przekrycia zmniejsza wartość współczynnika zmienności tarciowej stabilności cieplnej materiału trącego,
  4. nie istnieje określona zależność między cieplnymi zależnościami charakterystyk wytrzymałościowych materiału i charakterystyką tarciową /wskaźniki własności mechanicznych zmieniają się wykładniczo w miarę podwyższania temperatury, natomiast charakterystyka tarciowo-cieplna może mieć bardzo różnoraki przebieg/.
Analiza ww faktów dowodzi, że nie można przy dzisiejszym stanie wiedzy wyjaśnić bez reszty problemu wpływu temperatury na tarcia /charakterystyki tarciowe/. Na przykład - stwierdzenia sformułowane w punktach 2 i 3 są sprzeczne z ogólnie znanymi teoriami tarcia /czy znanymi interpretacjami fizykalnymi/, Wiadomo, że zmniejszenie współczynnika przekrycia w niektórych przypadkach prowadzi do zwiększenia powierzchniowego gradientu temperatury, a to - wg konkretnej literatury [18] powinno wpłynąć na podwyższenie współczynnika tarcia. Eksperymenty dają zupełnie odmienne wyniki: przy zmniejszeniu współczynnika wzajemnego przekrycia najczęściej obserwuje się bardzo silne zmniejszenie współczynnika tarcia.
Trzeba podkreślić, że wpływ temperatury na tarciowo-zużyciowe charakterystyki ciernych materiałów azbestowych można wyjaśnić z pozycji molekularno-mechanicznej teorii tarcia, zgodnie z którą tarcie rozpatruje się jako proces składający się z trzech współzależnie powiązanych z sobą etapów: współdziałanie powierzchni obu partnerów, zmiana powierzchni i wreszcie - zniszczenie: zużycie.
Na podstawie szeregu analiz wyników eksperymentów [18] uzasadniono hipotezę o dwóch zasadniczych aspektach wpływu temperatury na charakter zmian materiałów trących ciał :
  1. Wraz z podwyższeniem temperatury materiału zachodzi w nich konglomerat procesów fizycznych, uwarunkowanych zwiększeniem intensywności ruchu cieplnego molekuł. W następstwie tego zjawiska obniża się twardość materiału, a także i inne wskaźniki własności mechanicznych. Powyższe zjawiska są odwracalne i zanikają przy obniżeniu temperatury. Poziom zmian wskaźników własności mechanicznych warstw wierzchnich trącego materiału zależy wyraźnie od wartości temperatury powierzchni oraz od wartości gradientu temperatury warstwy wierzchniej.

  2. Przy podwyższonej temperaturze, w materiałach rozwijają się nieodwracalne procesy fizyko-chemiko-mechaniczne, prowadzące do zmiany struktury materiału i ich własności, a w następstwie do utworzenia warstwy wierzchniej o własnościach dalece odbiegających od własności materiału rdzeniowego. Jest to efekt przede wszystkim wieloskładnikowości materiału ciernego i znajdowania się w nim polimerów wchodzących w określonych warunkach temperaturowych w reakcje chemiczne /przekształcające się/, a także podatnych na chemisorpcję /na innych składowych tworzywa/.

5. ZUŻYWANIE TWORZYW CIERNYCH

5.1. UWAGI OGÓLNE

W procesie zużywania tworzyw ciernych wyróżnia się, podobnie jak i w procesie zużywania metali, trzy podstawowe okresy: docierania, okres pracy z intensywnością zużywania = constans oraz okres pracy zużywania awaryjnego. W przypadkach tworzyw ciernych cechami specyficznymi tych trzech okresów są:
  1. krótki czas trwania procesu docierania oraz zaaplikowania w tym okresie z reguły daleko surowszych warunków pracy, niż w parach metalowych /brak łagodzenia tarcia smarem, przenoszenie pełnego obciążenia uogólnionego przy występowaniu znacznie mniejszej wartości pola powierzchni rzeczywistego styku, niż w okresie ustabilizowanego zużywania/;
  2. w ogóle duża intensywność zużywania, wyrażająca się wartościami o 1 do 10 rzędów więcej, niż intensywność zużywania spotykana w parach przaciwtarciowych /niskotarciowych/;
  3. ogromnie zwiększona, przez b. krótki czas, intensywność zużywania, narastająca w okresie 3-cim, prowadząca bardzo szybko do destrukcji tworzywa w całej jego masie /nie tylko warstwa wierzchnia/.
W toku drugiego okresu ustala się określona, specyficzna dla warunków pracy chropowatość powierzchni współpracujących; jednak ze względu na nieustabilizowane warunki pracy /różny przebieg procesu hamowania/ oscylacje tej chropowatości są znacznie większe, niż w parach niskotarciowych. Stąd też intensywność zużywania nie jest stała, a jedynie quasistała - zaś odchyłki od tej "stałej" wartości są znacznie większe, niż dla pary niskotarciowej, nawet pary pracującej w bardzo nieustabilizowanych warunkach obciążeń zewnętrznych. Podkreślić też trzeba, że własności materiału w.w., biorącej czynny udział w procesie tarcia, różnią się w bardzo znaczny sposób od własności materiału rdzenia - a gradient zmian tych własności jest co najmniej o rząd większy niż w przypadku materiałów pracujących w parach niskotarciowych.

5.2. SPECYFIKA ZUŻYWANIA TWORZYW CIERNYCH

W procesie zużywania na ostateczny efekt - zużycia, składają się elementarne procesy, determinujące obraz zużywania tworzywa ciernego:
  1. odkształcenia sprężyste,
  2. odkształcenia sprężysto-plastyczne,
  3. mikroskrawanie,
  4. "destrukcja" termiczna składowych elementów tworzywa;
    ta ostatnia ułatwia przede wszystkim proces mikroskrawania, także ułatwia odkształcenie plastyczne.
Jak wykazał Kragielski, w stosunkowo małym stopniu ma miejsce "ścięcie" drobiny tworzywa po jednorazowym zazębieniu” nierówności powierzchni współpracujących, metalu i tworzywa ciernego [17]. Aby zużywanie było możliwie mało intensywne, należy dążyć do takiego ukształtowania własności tworzywa ciernego, by "zagwarantować" przewagę styku sprężystego.
Przy podwyższonej temperaturze, w materiałach rozwijają się nieodwracalne procesy fizyko-chemiko-mechaniczne, prowadzące do zmiany struktury materiału i ich własności, a w następstwie do utworzenia warstwy wierzchniej o własnościach dalece odbiegających od własności materiału rdzeniowego. Jest to efekt przede wszystkim wieloskładnikowości materiału ciernego i znajdowania się w nim polimerów wchodzących w określonych warunkach temperaturowych w reakcje chemiczne /przekształcające się/, a także podatnych na chemisorpcję /na innych składowych tworzywa/.
Przy odpowiednim doborze jednostkowego obciążenia uogólnionego powierzchni trących para dąży do takiego stanu jakoby "samoistnienie" w trakcie okresu docierania. Naturalnie zaaplikowanie przez konstruktora zbyt wytężonych warunków pracy uniemożliwia zachowanie warunków dla występowania wyłącznie /lub w przewadze/ odkształceń sprężystych mikroobjętości w.w. i prowadzi do intensywnego zużywania. Dzieje się tak niekiedy w wyniku braku doświadczenia konstruktorskiego, niekiedy w wyniku złego doboru gatunku tworzywa na konkretny węzeł tarcia, a czasami jest wymuszone, jak np. w samolotach czy szybkich samochodach wyścigowych i sportowych; wówczas jednostkowe prace tarcia /i obciążenia normalne/ są tak duże, że intensywność zużywania przekracza niekiedy wielokrotnie przeciętnie uzyskiwane efekty zużyciowe.
W szeregu prac [l7] Kragielski zaproponował podział na klasy zużywalności /ściślej: odporności na zużycie/, który został określony wg wartości logarytmu intensywności zużywania /liniowej/. Klas tych proponuje 10 /od 0 do IX/, przy czym w klasach 0 - V dominują odkształcenia sprężyste, w klasach VI - VII odkształcenia sprężysto-plastyczne, zaś w klasach VIII • IX - mikroskrawanie. Rozważenia Kragielskiego doprowadziły też do sporządzenia formuły obliczeniowej, pozwalającej obliczyć zużycie /intensywność zużywania/:

gdzie:
k1 - mnożnik, określany konfiguracją geometryczną i rozłożeniem wysokości pojedynczych nierówności ciał trących, zwykle równy ok. 0,2;
a - współczynnik przekrycia, równy ilorazowi pola powierzchni nominalnej i pola powierzchni trącej /suma pól powierzchni tarcia mikronierówności/, rzeczywistej ;
pa - ciśnienie nominalne;
pr - ciśnienie rzeczywiste;
n - ilość cykli doprowadzających do zniszczenia odkształcanego materiału /dekohezji/;
h - wysokość wgłębienia w materiał partnera mikronierówności trącego ciała;
r - promień zaokrąglenia wierzchołka wgłębianej nierówności.

Intensywność zużywania /liniowa/ I1 jest liczbą niemianowaną i równa jest ilorazowi zużycia liniowego oraz drogi tarcia /zużywania/. W przeciętnych parach tarciowych waha się ona w granicach 10-3 - 10-12, przy czym wartości nikłego zużywania dotyczą np. łożysk wału korbowego silnika spalinowego /10-11 - 10-13/, tulei cylindrów silnika /10-10 - 10-12, kół zębatych smarowanych /10-10 - 10-11/, sworzni kulistych układów kierowania samochodu /10-9 - 10-10, narzędzi skrawających /10-6 - 10-8, itp. Dla prawidłowo zaprojektowanych hamulców pojazdów /i ukształtowanych tworzyw ciernych/ intensywność zużywania wynosi na ogół 10-5 - 10-7, aczkolwiek w hamulcach samolotów szybkich i samochodów wyścigowych ma wartość rzędu 10-3. Praktyka pokazuje też, że intensywność zużywanie elementów dobrych hamulców tarczowych jest mniejsza od intensywności zużywania innych hamulców /taśmowych, bębnowych itp/.

Wiadomo powszechnie, że proces zużywania najczęściej zachodzi na drodze zmęczeniowego oddziaływania wzajemnego na siebie mikronierówności trących powierzchni. Ilość cykli prowadzących do zniszczenia /dekohezji/ trących mikronierówności zmniejsza się w miarę wzrostu amplitudy wartości naprężeń i odwzorowana jest krzywe Wöhlera. Krzywą tę można opisać doświadczalnymi krzywymi. Np. dla styku sprężystego zależność ta przedstawia się następująco:

gdzie:
i - odpowiednio naprężenie rzeczywiste i naprężenie niszczące przy jednokrotnym rozciąganiu,
ty - parametr /wykładnik/ krzywej Wöhlera dla zmęczenia tarciowego.

Okazuje się, że wartość wykładnika ty dla tworzyw azbestowych na osnowie żywic /fenolowych i innych/ jest niekiedy 2 i 3-krotnie wyższa, niż np. dla stali czy żeliwa. Np. dla żeliwa o wytrzymałości na rozciąganie = 6600 kG/cm2 ty osiąga wartość 4,1 , zaś dla radzieckiego tworzywa hamulcowego RETINAX - 12,6. Oznacza to, że w przypadku występowania przede wszystkim styku sprężystego materiał cierny jest odporniejszy na zmęczenie i będzie zużywał się wolniej, niż żeliwo. Zatem słuszna jest teoria Kragielskiego, mówiąca o mechanizmie zużywania tworzyw ciernych przy zachodzeniu zjawisk wielokrotnego przedeformowania tworzywa w warstwie wierzchniej w wyniku tarcia. Dekohezja następuje tutaj później, stąd duża żywotność nakładki hamulcowej mimo poddawania jej brutalnemu obciążeniu, tarciu i występowaniu bardzo wysokiej temperatury.

5.3. UWAGI O METALIZOWANIU -TWORZYW CIERNYCH W TOKU TARCIA
Przy długotrwałej pracy tworzyw hamulcowych, szczególnie tarczowych, przy wysilonych warunkach tarcia, pojawia się zjawisko częściowej utraty cierności; jak wykazał szereg badań [30] [31], jest to następstwo zjawiska metalizowania tworzywa ciernego metalem przeciwpartnera. Badania wcześniejsze [6], przy braku w latach 60-tych odpowiednio czułych metod dla identyfikacji tych metalicznych plam, wprawdzie je stwierdzały, jednak nie udowodniały, że jest to metal, i że jest to metal przeniesiony z metalowego przeciwpartnera /tarczy hamulcowej/. Dopiero badania wykonane w latach 70-tych przy użyciu mikroskopu scaningowego i czułych sond analizujących /także W. Rakowski/ przez S. Ścieżkę [30] [31] dowiodły niezbicie, że jest to metal i to metal pochodzący z przeciwpartnera. Te obserwacje i dowodowe badania należy uznać za oryginalny dorobek naukowy polskiej szkoły trybologicznej.
Analiza literatury dowodzi, że nią zbadano dotychczas wyczerpująco mechanizmu metalizowania. Wydawała się słuszna jedna z dwu hipotez /lub obie/:
  1. że jest to następstwo adhezyjnego sczepiania jednoimiennych metali /żelaza/ zawartych w tworzywie ciernym /azbest, czerwień żelazowa, opiłki żelazne/ oraz metalu przeciwpartnera /zwykle tarcza staliwna/; przebieg hipotetycznego przenoszenia tłumaczy wówczas teza Bowdena o sczepianiu i zrywaniu mostków sczepień, z przenoszeniem cząstek często wyrwanych z np. metalu na powierzchnię /warstwę wierzchnią/ tworzywa ciernego;
  2. że jest to następstwo zwykłego mechanicznego oddziaływania procesu ścierania i wykruszania cząstek żelaza z przeciwpartnera i wtłaczania ich, a następnie rozmazywania na powierzchni /w warstwie wierzchniej/, lub też namazywania mechanicznego na powierzchni tworzywa ciernego wierzchołków nierówności przeciwpartnera, nadtopionych w wyniku wysokiej temperatury.
O ile by słuszne była hipoteza pierwsza - to można by zjawiska metalizowania uniknąć, przynajmniej w skali makro, przez wyeliminowanie ze składu tłoczywa ciernego napełniaczy żelaznych lub zawierających żelazo w dużych ilościach /np. czerwień żelazowa: azbest zawiera znikome ilości związków żelaza/. Jeśli słuszna jest hipoteza druga - nie można wyeliminować zjawiska drogą składu tłoczywa ciernego, a jedynie przez unikanie skrajnie wysilonych warunków pracy /problem odpowiedniego konstruowania, obniżania nacisków jednostkowych, formowania wytrzymałych partnerów odpornych na destrukcje temperaturowe, wprowadzanie lepszych warunków chłodzenia hamulców/.
W związku z tym przeprowadzono badania związane z poszukiwaniem dowodów na jedną z omówionych hipotez. Zastosowano [32] dla badań tarciowych takie materiały partnerów trących, by wykluczyć powinowactwo chemiczne między ich składnikami. Tworzywo cierne pozbawiono wszelkich składników metali kolorowych, zaś tarczę hamulcową wykonano z mosiądzu, Na stanowisku badawczym w WITPiS zaaplikowano takie warunki badań, przy których w badaniach klasycznych skojarzeń występowały wyraźne oznaki metalizowania.
Badania wykonane na mikroskopie scaningowym oraz mikroanalizatorze Rtg wykazały jednoznacznie istnienie plam /warstewek/ metalu na powierzchni tworzywa ciernego, przy czym potwierdziły jednoznacznie, że są to plamy mosiądzu przeciwpartnera /określono obecność miedzi i cynku/.
Powyższe badania są jednoznacznym dowodem na to, że słuszna jest hipoteza 2 - mówiąca o metalizowaniu w wyniku zwykłych mechanicznych działań, powodowanych zarówno procesem ścierania /wykruszanie cząstek i ich wgniatanie i rozmazywanie/, jak i efektem nadtapiania wierzchołków nierówności metalowego partnera i rozmazywania metalu na powierzchni tworzywa ciernego.
Powyższe należy uznać za oryginalne osiągnięcie polskiej szkoły trybologicznej w zakresie badań mechanizmu określonych zjawisk trybologicznych; w toku są badania mająca na calu uściślenie, które ze zjawisk przenoszenie /nadtapianie czy wykruszanie/ ma decydujące znaczenie przy metalizowaniu tworzywa hamulcowego.

6. WYBRANE PROBLEMY OBLICZANIA TARCIA TWORZYW CIERNYCH

6.1. INFORMACJE OGÓLNE

Problemy stereotypowych badań własności tworzyw ciernych są na ogół znane. W badaniach naukowych /kontynuowanych w laboratoriach badawczych uczelni i instytutów/ stosuje się do tych badań na ogół maszynę tarciowa typu I-47 /maszyna Kragielskiego/, często z szeregiem modyfikacji; dla badań weryfikacyjnych buduje się już stanowiska badawcze, umożliwiające zbadania całej nakładki hamulcowej, tarczy lub sprzęgła, czy innego elementu ciernego, w warunkach dość zbliżonych do rzeczywistych warunków pracy. Często też wykonuje się badania tarciowo-zużyciowe na maszynach specjalnej konstrukcji. W badaniach przemysłowych podstawową metodą określania przebiegu współczynnika tarcia i odporności na zużycie jest metoda z użyciem aparatu /maszyny/ typu Ranci.
Wszystkie badania wykonywane wg opisu wyżej zamieszczonego, są badaniami bądź "pierwiastkowymi" /prowadzonymi przy daleko posuniętym uproszczeniu warunków pracy/, bądź "stanowiskowymi", dającymi informację o pewnych parametrach pracy w dość zawężonych warunkach badań. Na ich podstawie szczególnie badań "pierwiastkowych" - trudno wyrobić sobie obiektywne zdanie o właściwościach tarciowo-zużyciowych pary ciernej w eksploatacji. W badaniach zaś stanowiskowych próbuje się na ogół przy znacznej ilości badań być może niepotrzebnych - wyeliminować tworzywa złe i uzyskać taką parę, która - wymagając jeszcze badań eksploatacyjnych rokuje jednak nadzieję na to, że będzie odpowiednia dla danej maszyny /pojazdu/.
Poszukuje się - jako że wyżej opisana droga jest trudna i żmudna - drogi teoretycznych rozważań i obliczeń, opartych o pewien portfel informacji o tworzywie ciernym, która by pozwoliła na uzasadnione prognozowanie właściwości konkretnej pary ciernej w procesie eksploatacji. Problemem nie jest przecież wyłącznie stworzenie tworzywa o dobrych własnościach ciernych i przeciwzużyciowych, ale stworzenie dobrego, skutecznego tarciowo węzła ciernego danej maszyny. Stąd też problem trybologiczny nie kończy się na zdjęciu charakterystyk tarciowo-zużyciowych danego tworzywa ciernego, a kończy się dopiero - poprzez konstrukcję - na badaniach kwalifikacyjnych wytypowanej, skonstruowanej i wyprodukowanej pary tarciowej, wysokociernej.
Istnieją określone reguły tworzenia węzła tarcia. Zwykle proces taki składa się z kilku etapów:
  1. - kierując się kryterium wytrzymałości, dobiera się możliwie najlepszy materiał przeciwtrący /metal/; odporność na zużywanie tego materiału jest proporcjonalna do jego twardości oraz do liniowego wydłużenia przy rozrywaniu;
  2. - dobiera się wstępnie, na podstawie oceny charakterystyk wyrażających zależność współczynnika tarcia i intensywności zużywania tworzywa od temperatury /z reguły maksymalnej/ odpowiedni gatunek tworzywa, przebadanego uprzednio na określonej maszynie tarciowej /np. I-47/;
  3. - dokonuje się wyboru /sprecyzowania/ konstrukcji węzła ciernego i wartości /zresztą nie tylko wartości/ obciążenia węzła, określa się współczynnik wzajemnego przekrycia trących partnerów oraz wymiary elementów trących /także ew. sposób chłodzenia w czasie pracy/;
  4. - zestawia się i rozwiązuje równania cieplnej dynamiki tarcia, które pozwalają otrzymać - dla konkretnego węzła ciernego - zależności /zmienności siły/momentu/ tarcia, prędkości i temperatury. Ten zestaw równań - i ogólny sposób postępowania - opiszemy szerzej;
  5. - dokonuje się realizacji konstrukcji węzła ciernego, bada węzeł tarcia na stanowisku badawczym /w izolacji od reszty maszyny/, a następnie wprost w maszynie, w badaniach eksploatacyjnych.
W sytuacji, w której węzeł tarcia pracować będzie w lekkich lub przeciętnie ciężkich warunkach materiał metalowy - partnerski - dobiera się wg danych katalogowych, bez specjalnych prób trybologicznych.

6.2. RÓWNANIA CIEPLNE DYNAMIKI TARCIA

Charakterystyki tarciowe materiałów, szczególnie przy intensywnym tarciu, zmieniają się w toku pracy, zwłaszcza w zależności od temperaturowego, prędkościowego i obciążeniowego reżimu. Te zależności są zresztą ze sobą ściśle sprzężone, co wynika chociażby z równania dynamiki hamowania:

/6.1/
gdzie:
V- prędkość tarcia w danym momencie;
V0 - prędkość początkowa;
Aa - nominalna powierzchnia etyku /tarcia/;
Wt - praca tarcia;
ft - współczynnik tarcia;
pt - ciśnienie;
t - czas.

Opieranie się na średniej wartości współczynnika tarcia z reguły nie zadowala. Wartość ta jest zależna od temperatury, nacisku jednostkowego, prędkości tarcia, zespołu warunków pracy, warunków przepływu /odprowadzania/ ciepła, całego splotu własności materiałów pary trącej i wreszcie typu pracy /hamulca,sprzęgła/.W Instytucie Maszynoznawstwa, pod kier. prof. Cziczinadze, opracowano system równań cieplnej dynamiki tarcia, które pozwalają prognozować ww zależności i dokonać właściwego wyboru pary tarcia do danych warunków pracy i rodzaju konstrukcji. System składa się z równań:
  1. równania dynamiki /p. równanie 6.l/:
  2. zależności zmiany współczynnika tarcia od temperatury /6.2/ otrzymanej w wyniku badań, zunifikowanych, na standardowej maszynie tarcia PTM6-60;
  3. prawa zmiany ciśnienia /nacisku jednostkowego /6,3/;
  4. średniej temperatury tarcia na trącym styku /6.4/;
  5. temperatury piku na wierzchołku nierówności /6.5/;
  6. temperatury objętościowej trącego materiału przy n - tym hamowaniu /6.6/;
  7. zależności twardości słabszego elementu składowego pary trącej od temperatury /6.7/ /tzw. gorąca twardość/;
  8. prawa zmiany temperatury na rzeczywistych polach styku trących ciał /6.8/, określonych współczynnikiem "K".
Równania te będą w niektórych przypadkach różne, zależne od rodzaju pary trącej /hamulce, sprzęgła, łożyska itp/. Najbardziej typowe dla techniki ciernej jest tarcie w hamulcach, stąd podamy formę równań CDT dla przypadku krótkotrwałej pracy, powtarzającej się /n = l/;
/6.2/
gdzie:
K1, 2, 3 - współczynnik;
fo - współczynnik tarcia przy temperaturze otoczenia;
S J - sumę temperatur: wierzchołka nierówności powierzchni /pik/, objętościową próbki, powierzchni próbki, objętościową metalu itp.

/6.3/
gdzie:
No - nacisk rzeczywisty w temperaturze otoczenia;

/6.4/
gdzie:
atp - współczynnik rozdziału potoków cieplnych;
Aak - powierzchnia nominalna styku;
Aai -powierzchnia rzeczywistego styku;
ft - współczynnik tarcia;
pt - nacisk jednostkowy;
Vt - prędkość tarcia;
a - szerokość powierzchni;
b - grubość warstwy trącej;
l - współczynnik przewodzenia ciepła,

/6.5/
gdzie:
Apik - powierzchnia rzeczywista pól "pików" /gdzie występują chwilowe pikowe temperatury/.

/6.6/
gdzie:
K - współczynnik;
G - ciężar badanego elementu;
Ci - ciepło właściwe.

/6.7/
gdzie:
m - współczynnik zależny od kształtu badanego elementu,
HB20 - twardość w temp. +20°C.

/6.8/
gdzie:
= · l - względny współczynnik oddawania ciepła.

Powyższe równania podane są w zapisie skróconym, nie rozszyfrowanym, za względu na ich rozmiar i konieczność stosowania długich opisów, w pełnym rozwinięciu opisane są w literaturze [l] [2] , która podaje także [2] przykład postępowania przy konstruowaniu i badaniu konkretnego węzła tarcia /hamulec/. Podkreślić należy dwie zasadnicze cechy całej teorii :
  1. rozwiązanie równań i uzyskania informacji pozwalających programować z dużym prawdopodobieństwem cechy pracy węzła tarcia /np. charakterystyki tarciowe konkretnego hamulca z konkretnym tworzywem azbestowo-ciernym/ bazują na laboratoryjnym eksperymencie tarciowo-zużyciowym, realizowanym wg określonego programu na znormalizowanej testowej maszynie tarcia [1][2]. Jak wiadomo, przenoszenie wyników badań laboratoryjnych /"pierwiastkowych"/ na konkretne konstrukcyjnie węzły tarcia jest bardzo zawodne, niemal niemożliwe, zaś nawet pełne badania stanowiskowe czasami dają informację, które nie potwierdzają się w eksploatacji /badaniach eksploatacyjnych/. Przy wykorzystaniu równań cieplnej teorii tarcia - jak twierdza Autorzy teorii - można na podstawie badań "pierwiastkowych" materiału i zastosowaniu obliczań /komputerowych/ osiągnąć rezultaty /wykreślenie charakterystyk - p. rys. 12/ nie odbiegające od wyników badań całego konkretnego hamulca więcej niż kilka %;
    Rys.12. Zmiany temperatury powierzchni tarcia /1/ i momentu tarcia /hamowania ?2/ w kolejnych hamowaniach /krzywe rysowane linią ciągłą- wyniki obliczeń krzywe rysowane linią przerywaną - wyniki eksperymentu/

  2. zastosowanie teorii wymaga przeprowadzenia badań testowych na znormalizowanej maszynie tarcia /zdjęcie charakterystyk tarciowych przy różnych wariantach obciążeń i prędkości oraz zastosowań odpowiednich cykli badawczych/, a następnie przetworzenia wyników przy użyciu komputera /obliczenie skomplikowane i długotrwałe/ przy zastosowaniu odpowiedniego programu, specjalnie opracowanego. Nie mogą być więc one szerzej realizowane przez biuro konstrukcyjne bez współpracy ze specjalistyczną jednostką badawczą, trybologiczną.
W kraju dotychczas nie sprawdzono tej teorii i nie wdrożono postępowania mającego na celu przygotowanie konstruktorów i badaczy do jej stosowania w praktyce.

7. WSPÓŁCZESNY STAN INŻYNIERII TWORZYW CIERNYCH

7.1. KOMPONOWANIE TŁOCZYW

Zasady kształtowania tworzyw ciernych są powszechnie znane i opisane w wielu popularno-technicznych i technicznych podręcznikach. Znane są reguły mieszania i ważenia komponentów tworzyw, przygotowywanie tłoczywa /metodą suchą i mokrą/, wstępne przygotowywanie półproduktu tworzywa na gotowy klocek (nakładkę) tarcz /tzw. pastylkowanie/, zasady zwijania tarcz sprzęgłowych itp., a także ogólne zasady prasowania (z reguły na gorąco) gotowego wyrobu /wartości ciśnień, temperatury i czasu prasowania, zależne nie tylko od typu lepiszcza, ale i od ostatecznej grubości wyrobu - klocka, nakładki/. W tym "klasycznym" zakresie nic nie ma de facto tajemnic - i od wielu 10-leci nie ma tu istotnych zmian. Zasadnicze tajemnice produkcji stanowią zasady komponowania składu tłoczywa i w pewnym stopniu zasady dobierania konkretnych wartości temperatury i ciśnienia prasowania do danego składu tłoczywa; gwoli prawdy trzeba jednak stwierdzić, że brak jest jakichkolwiek teorii i zasad świadomego komponowania składu tłoczywa dla uzyskania założonych parametrów tworzywa. W tym zakresie szereg istotnych osiągnięć mają - wg bardzo niekonkretnych informacji - firmy angielskie i francuskie, a nie jakby się wydawało, placówki naukowo-badawcze. W ZSRR, mimo intensywnego rozwoju nauk trybologicznych w sferze tworzyw ciernych i postępu w dziedzinie inżynierii materiałowej, brak także /opublikowanych/ metod owocnego przewidywania charakterystyk ciernych tworzywa w trakcie komponowania składu tworzywa. W Polsce zasadnicze osiągnięcia ma WITPiS /dr S. Zawalski/, w którym komponowanie składu tłoczywa pod zadaną charakterystykę tarciową odbywa się poprzez swoistą edycję charakterystyk tworzyw trójskładnikowych lub dwuskładnikowych, naturalnie z duży udziałem "rzemieślniczego" doświadczania twórcy, trudnym do sprecyzowania w formie recept, a tym bardziej w formie analitycznej. Komponowanie to jest także połączone z pracami poszukiwawczymi nowych lepiszcz, jak i z poszukiwaniem tworzyw bezazbestowych uwieńczonych już określonym powodzeniem*).
W WITPiS zajęto się problemami kształtowania własności tworzyw przeznaczonych na hamulce tarczowe samochodu. Problemy dotyczyły:
  1. docelowo - stworzenia skutecznego tworzywa, co najmniej tak skutecznego jak Textar czy Jurid /których pewne szczegóły produkcji okryte są tajemnicą/;
  2. dla osiągnięcia tego, poszukiwań właściwych lepiszczy, nowych napełniaczy oraz właściwych proporcji składników i warunków produkcji.

*)informację o tych ostatnich osiągnięciach zreferuje na kolokwium twórca, dr S. Zawalski

Wszczęto zatem poważniejsze badania, także podstawowe. Poza problemami związanymi z wyborem napełniaczy i lepiszcz, pozostawał do rozstrzygnięcia problem świadomego doboru składników tak, by już na tym etapie mieć w przybliżeniu rękojmię uzyskania tworzywa o znanej, należytej charakterystyce. Zajęto się zatem badaniami mającymi na celu:
  1. wstępne określenie przydatności poszczególnych składników - na zasadzie określenia ich odporności na temperaturę /w sensie ubytku masy/ - przez ocenę deriwatograficzną;
  2. określenie charakterystyk tarciowych wybranych składników w połączeniach 2-3 składnikowych /azbest-lepiszcze+badany napełniacz/;
  3. określenie charakterystyk tarciowych tworzyw 4,5…wieloskładnikowych.
Powszechnie stosowane w tworzywach hamulcowych są żywice fenolowo-formeldehydowe. Jednak temperatura destrukcji termicznej tych żywic jest stosunkowo-niska /200-300°C/. Dlatego też podjęto próby modyfikacji tych żywic, zarówno melaminą /tworzywo termoutwardzalne/ jak i polimerami termo-plastycznymi /np. poliakrylonitryl/, takimi, których temperatura topnienia jest bliska temperatury zwęglenia.
Poliakrylonitryl modyfikowany żywicą fenolowo-formaldehydową, w procesie tarcia usieciowuje się w sposób "drabinkowy", a więc następuje wyraźne ulepszenie, wzmocnienie warstwy wierzchniej.
Osiągnięcia w dziedzinie doboru i modyfikowania żywic podano w publikacjach [19] [20] [21] [22] [23] [24] ; charakterystyki podstawowych żywic pokazano na rys. 13.

Rys. 13. Poglądowe zestawienie charakterystyk tarciowych żywicy opracowanej /rezomel/ z klasycznymi ;
1-Nowolak nr 18,
2-Nowolak EF,
3-Pololit 2,
4-Żywice BA,
5-Rezomel.

Na rysunku tym brak charakterystyki poliakrylonitrylu której zdjęcie bez wymieszania polimeru z odpowiednim napełniaczem /-ami/ jest bardzo trudne.

Wspomnieć trzeba, że do wstępnej oceny przydatności zarówno żywic jak i napełniaczy zaadaptowano metodę deriwatograficzną, która na podstawie oceny ubytku masy pozwala jednocześnie wytypowywać składniki o pozytywnych i zadawalających własnościach. Przykład takiego deriwatogramu dla tworzywa dwuskładnikowego siarczan baru - łupek mielony pokazano na rys. 14.
Jak widać, ubytek przy temperaturze 1000°C wynoszący zaledwie 2,7 % masy mówi o pełnej przydatności tych składników jako elementów składowych tworzywa ciernego hamulców tarczowych,
Rys. 14.Deriwatogram mieszaniny siarczan baru-fyllit /łupek mielony/.
Naważka 5x450 mG: DTA - 1/10, DTG - 1/10, TG - 200 mG, T - 1000°C, d - 10°/min.

Tak mały ubytek jest równoznaczny z dużą odpornością termiczną tworzywa oraz z dobrymi własnościami antyściernymi /naturalnie w masie tworzywa, w połączeniu z odpowiednim lepiszczem/. Wspomnieć trzeba, że dla lepiszczy ubytki masy są większe już przy niższych temperaturach, dla najlepszych żywic, uzyskanych w wyniku badań WITPiS, są one znikome do temperatury rzędu 350°C, dopiero m.in. chemisorpcja żywicy na napełniaczach, jak również synergizm składu - zapewniają małe ubytki masy całego tworzywa przy wysokiej temperaturze, o wysokości której decyduje jednak raczej zespół napełniaczy o wysokiej odporności termicznej.
W badaniach stwierdziliśmy, że klasyczne napełniacze bez napełniaczy dodatkowych dają w efekcie tworzywo o niezbyt wysokich własnościach. W pracach nastawiono się zatem na badania nie tylko składu jakościowego, ale i ilościowego napełniaczy. Między innymi zbadano /a później zastosowano/ łupek mielony niestosowany w tworzywach hamulcowych, a także zastąpiono klasyczne opiłki mosiężne brązem. Dało to w efekcie wysokie własności cierne i termiczne tworzywa końcowego. Charakterystyki niektórych tworzyw, w tym także tworzywa opatentowanego przez nas /ZK-6-19/, zawierającego i łupek mielony i brąz /także szereg klasycznych napełniaczy/ pokazano na rys. 15.
Przeprowadzono także prace, które miały na celu stworzenie charakterystyk tworzyw składnikowych, co pokazano na rysunkach 16 i 17. Mieszano w odpowiednich proporcjach lepiszcze i dany napełniacz prasowano i dokonywano badań szczególnie charakterystyki tarciowej oraz innych badań uzupełniających.
Rys. 15. Zależność współczynnika tarcia od temperatury różnych tworzyw hamulcowych:
1 - żywica + azbest = ZK-2,
2 - żywica + azbest + brąz =ZK-I-4,
3 - źywica + azbest + brąz + łupek mielony = ZK-II-6,
4 - żywica + azbest+ brąz + łupek mielony + baryt = ZK-III-9,
5 - żywica + azbest + brąz + łupek mielony + baryt + czerwień żelazowa = ZK-IV-12,
6 - składniki jw. + sadza = ZK-V-15,
7 - ZK-VI-19,
8- ZK-VI-20.

Rys. 16. Zależność współczynnika tarcia / µ / układów dwuskładnikowych od temperatury: p=10 kG/cm2; V=9 m/s:
3 - opiłki ołowiane;
4 - opiłki brązu;
5 - opiłki mosiężne;
8 - proszek żeliwny;
9 - proszek stalowy;
12 - opiłki cynku;
16 - sadza HAF;
17 - grafit

Rys. 17. Zależność współczynnika tarcia / µ / układów dwuskładnikowych badanych od temperatury: p-10 kG/cm2; V=9 m/s;
1 - korund;
2 - węglik krzemu;
6 - czerwień żelazowa;
7 - łupek mielony;
10 - talk;
11 - kreda;
13 - baryt;
14 - azbest;
15 - mika

Dalsze próby dowiodły, że na podstawie takich charakterystyk, uzupełnionych pewnymi danymi dotyczącymi tworzyw trójskładnikowych /prasowanych z azbestem/ można na zasadzie addycji i uśredniania określić niezbędny skład tłoczywa dla uzyskania tworzywa o żądanej charakterystyce. Tę oryginalną metodę kształtowania żądanych własności tworzywa wypróbowano z powodzeniem i zastosowano zarówno przy kształtowaniu opatentowanego tworzywa ZK-VI-19, jak i przy kształtowaniu tworzyw dla trakcji kolei górniczych, a ostatnio w rozwojowej pracy nad stworzeniem tworzywa na hamulce tarczowe dla kolei szybkich [24].

Obecnie kontynuowane prace WITPiS dotyczą przede wszystkim:
  1. w strefie wdrażania - opracowania utylitarnego - kształtowania i optymalizowania tworzywa na hamulce kolei szybkich /w fazie badań półeksploatacyjnych/;
  2. w sferze prac podstawowych-poszukiwań odpowiednich modyfikacji substancji wiążących, szczególnie o strukturze drabinkowej - co rokuje w perspektywie nadzieję otrzymania tworzyw o znacznie wyższej, niż obecnie, temperaturze destrukcji;
  3. w tej samej sferze - prace poszukiwawcze nad tworzywem bezazbestowym, w celu wyeliminowania rakotwórczego azbestu /zresztą importowanego/.

7.2. OBRÓBKA CIEPLNA TWORZYW CIERNYCH

Ogromnym problemem w praktyce jest zarówno stabilność charakterystyki pary ciernej oraz uzyskane odpowiednio dużej cierności tworzywa i oporności na zjawisko destrukcji termicznej, polegającej na "topieniu" składników, co prowadzi do częściowego lub strefowego przechodzenia od tarcia zewnętrznego do tarcia "przy smarowaniu". Powszechnym jeszcze kilkanaście lat temu było zjawisko nieoczekiwanego, nagłego, z reguły chwilowego spadku wartości współczynnika tarcia, jak i zjawisko podwyższania cierności pary w miarę jej eksploatacji, naturalnie jedynie do osiągnięcia cierności optymalnej.
Badania*) dowiodły jednocześnie /potwierdzając powszechne obserwacje eksploatacyjne/, że w praktyce wytwarzania tworzyw nie uzyskuje się rzeczywistego końcowego produktu, a produkt jakiś przejściowy, który w toku wygrzewania eksploatacyjnego ciepłem, wydzielanym przy tarciu /np. przy hamowaniu/ samoulepsza się. Badania te sugerowały, że proces prasowania dokonywany jest albo w warunkach nie wystarczających do pełnego skonsolidowania tworzywa /pełnego usieciowania lepiszcza/, albo też jest w ogóle zbyt krótkotrwały, by tworzywo mogło się "zahartować" do granicy optymalizacji, wynikającej ze składu tworzywa i własności jego składników.
Przeprowadzono więc eksperyment*) polegający na badaniu odporności na zużycie i cierności tworzyw opartych o lepiszcze - polimer /termoutwardzalny/ po normalnym procesie produkcyjnym oraz po dodatkowym długotrwałym wygrzewaniu produkcyjnym w temperaturze gwarantującej zachodzenie procesu usieciowywania żywic termoutwardzalnych, Wyniki badań cierności oraz odporności na zużycie pokazano na rys. 18 i 19. Wynika z nich jednoznacznie, że i cierność i odporność na zużycie tworzyw ciernych poddawanych dodatkowej obróbce cieplnej są większe niż tworzyw wyprodukowanego na pozór w optymalnych warunkach, które winny były gwarantować uzyskanie optimum własności.
*) J. Janecki: Wpływ obróbki cieplnej hamulcowych tworzyw fenoloformaldehydowych na zmiany ich cierności na zużycie, Biuletyn WITPiS. 2. 1 /1968.

Rys. 18.Poglądowe zestawienie charakterystyki tarciowej tworzywa P-12 i AKF przed i po wygrzewaniu

Rys. 19. Zestawienie zużycia liniowego próbek badanych i przeciwpróbek

Autor przypuścił, że podwyższenie własności tworzyw ciernych w wyniku obróbki cieplnej jest następstwem uzyskania pełnego usieciowania lepiszcza i zwiększenia sorpcji żywicy-lepiszcza na azbeście, co nie jest osiągane w toku produkcji tworzywa /prasowanie na gorąco/. Przeprowadził więc eksperyment składający się z dwóch faz;

  1. badań wpływu wygrzewania tworzywa na zwiększenia stopnia usieciowania żywicy; niewygrzane i wygrzane próbki badanych tworzyw poddano badaniom na spektrofotometrze typu UR-10, na pryzmatach: KBr., NaCl oraz LiF, w pasmach od 400 do 5000 cm-1. Uzyskano widma próbek o wyraźnie wykształconych pasmach absorpcji /i licznych liniach widmowych/, które można jednoznacznie przypisać poszczególnym grupom funkcyjnym i rodnikom, występującym w żywicach fenoloformaldehydowych. Ostateczne wyniki obserwacji pozwalają stwierdzić, że szczególnie różnice istnieją w charakterystyce widm absorpcji w zakresie fal od 1100 do 1200 cm-1. Po wygrzewaniu powstaje szerokie, silnie zarysowane pasmo, dowodzące tworzenia się wiązań dwumetylenosterowych - CH2-O-CH2 - kosztem polimeryzacji grup metylowych.
    Następuje więc wzrost stopnia usieciowania; tak więc w toku produkcji - prasowania tworzyw nie osiąga się pełnego usieciowania, i to m.in. jest przyczyną uzyskania nieoptymalnych charakterystyk eksploatacyjnych;


    Zestawienie pasm absorpcji w podczerwieni żywic fenyloformaldehydowych prasowanej oraz wygrzewanych po prasowaniu

    Próbka Z a k r e s cm-1
    1. Wzorcowa bez wygrzewania435 460, 550, 605
    pierścień aromatycznywiązania eterowe
    735, 770830, 860, 880
    grupy metylenowepierścień aromatyczny
    970, 1020, 10801145, 1170
    grupy metylowewiązania eterowe
    1210, 12801610, 1660
    grupy metylowo-fenolowewoda związana
    2. Wygrzewana 2 godziny435 s, 460 s, 550 m, 605 m, 770 s, 850 m, 880 s, 970 s, 1020 s, 1080 s, 1160 m, 1170 m, 1172 m, 1210 s, 1280 s, 1605 m.
    3. Wygrzewana 5 godzin435 s, 460 s, 550 m, 605 m, 740 s, 770 s, 850 m, 880 s, 970 s, 1020 s, 1080 s, 1160 m , 1210 s, 1280 s, 1605 m.
    4. Wygrzewana 10 godzin435 s, 460 s, 550 m, 605 m, 740 s, 770 s, 850 m, 880 s, 970 s, 1020 s, 1160 m, 1210 s, 1280 s, 1610 s.
    Oznaczenia: s - silne pasmo absorpcji, m - słabe wykształcenie pasma.

  2. badań zjawiska chemisorpcji żywicy na azbeście w wyniku procesu wygrzewania.
    U podstaw badań leżało założenie, zgodne z teorię chemisorpcji: jeśli proces prasowania /wygrzewania produkcyjnego/ był zbyt krótki, mogło nie zajść do końca "wysycenie" możliwości chemisorpcyjnych żywicy na azbeście, co naturalnie doprowadziło do uzyskania nieoptymalnego tworzywa z określonego tłoczywa.
    Proces chemisorpcji zachodzi wyraźnie zawsze z efektem egzotermicznym, za wyjątkiem ostatniej fazy wysycania wiązań, dla osiągnięcia której potrzebne jest doprowadzenie ciepła. Wobec tego przy wygrzewaniu /powolnym podnoszeniu temperatury/ powinno zaistnieć w temperaturze ok. 150°C przyspieszenie wzrostu temperatury /wydzielanie ciepła/ a w temp. ok. 210-280 - spóźnienie wzrostu temperatury /pochłanianie ciepła dla zajścia ostatniej fazy powstawania wiązań chemisorpcyjnych żywicy na azbeście/. Eksperyment opisany w publikacji dowiódł tego w sposób jednoznaczny, jak to wynika z załączonego rysunku 20.
Wykrycie faktu i wyjaśnienie mechanizmu możliwości zoptymalizowania własności cierno-zużyciowych tworzyw ciernych, sztucznych poprzez obróbkę cieplną, są oryginalnym dorobkiem polskiego trybologa.
Szereg badań realizowanych w następnych latach, m.in. [25] (i inni) tegoż Autora potwierdziły tezy wyżej opisane. We wszystkich próbach wygrzewania rozmaitych nakładek i klocków hamulcowych z lepiszczem - żywice uzyskano polepszenie wskaźników tarciowo-zużyciowych.
Rys. 20. Temperatura tworzyw przy wygrzewaniu:
1 - próbka badana,
2 - ośrodek /także próbka wzorcowa w pełni usieciowana).

7.3. TWORZYWA O PODWYŻSZONEJ CIERNOŚCI PRZY PRACY W OŚRODKU CIEKŁYM

Problem drogi hamowania /a także niezawodnego przenoszenia energii przez sprzęgło - element cierny/ jest nadal problemem nr l w kształtowaniu własności tworzyw ciernych, szczególnie hamulcowych, dla pojazdów mechanicznych, w przypadku pojazdów terenowych optymalne osiągnięcia w kształtowaniu tworzyw ciernych zadawalają jedynie w pewnym stopniu. Tworzywa te wykazują małą skuteczność hamowania w przypadku powszechnie spotykanej pracy pojazdu w wodzie, przy poruszaniu się przez płytkie przeszkody wodne i przez teren pocięty miejscami podmokłymi. Wówczas, jak pokazuje praktyka, para hamulcowa /a niekiedy i sprzęgło suche!!!/ pracuje niemal w ciągłej styczności z woda, co prowadzi w znacznym stopniu do występowania tarcia mieszanego, a w każdym razie - innego niż normalnie suche w parze ciernej. Stąd też oryginalne polskie poszukiwania sposobów podwyższenia takiej "okazyjnej" cierności tworzyw hamulcowych, sztucznych.
Badania nad rozwiązaniem tego problemu wszczęto w WAT /Katedra Eksploatacji Pojazdów Mechanicznych/ w latach 62-63 we współpracy z Zakładami Chemicznymi w Boryszewie. Analiza warunków pracy oraz studia literaturowe i badania własne tworzyw hamulcowych, sztucznych dowiodły, że nie wystarcza dla zrealizowania celu badań podwyższyć cierność tworzywa przez zwiększenie ilości klasycznych "ciernych" napełniaczy, ale że trzeba zastosować napełniacz mineralny o dużej kruchości i twardości, tworzący na powierzchni tworzywa ciernego swoistą "szczoteczkę" cierną, która by wchodziła we współpracę z metalem przeciwpartnera /bęben/ nawet wówczas, gdy powierzchnie trące omywane będą wodą. Świadomie badacze szli na kompromis - zwiększenia zużywalności przeciwpartnera metalowego.
W wyniku wielu badań zastosowano napełniacz w formie proszku /piasku/ elektrokorundowego, optymalizując jego ilość i przeciętne rozmiary cząstek elektrokorundu.
Wyniki badań opisano w szeregu publikacji. "Dobroć" tworzywa z dodatkiem elektrokorundu w porównaniu do innych stosowanych tworzyw nie ulega wątpliwości. Podwyższono przeciętną jego cierność i - co ważne - stabilność charakterystyki ciernej /co ma znaczenie szczególne/. Przy pracy "na mokro" cierność tworzywa spadła o ok. 20 % - podczas gdy tworzywa z dodatkiem kauczuku /AKF/ traciły tę cierność w 60-70%, a tworzywa bezkauczukowe, ale i bez elektrokorundu, traciły ją w około 40 % /dla określonych warunków badań na stanowiskach badawczych/. Pomiary drogi hamowania samochodów i badania eksploatacyjnej skuteczności hamowania potwierdziły ogólnie wyniki badań laboratoryjnych. Niestety, wspomnieć należy że odporność na zużycie przeciwpartnera spadła o niemal 30 %. Ten fakt stał się bodźcem do dalszych poszukiwań
  1. w WAT K. Spaliński - do optymalizowania ilości i jakości domieszki ciernej - elektrokorundu /uzyskano dalszą dość pokaźną optymalizację tworzywa na tej zasadzie/ oraz
  2. w WiTPiS w latach 1968-74 [25] [26]. W WITPiS podstawowym kierunkiem badań nad uzyskiwaniem tworzywa ciernego o podwyższonej cierności stały się - po niezadowalających nas próbach badań nad doborem skuteczniejszego rodzaju i ilości korundu czy elektrokorundu - próby zastosowania ciętego włókna szklanego, o dużej cierności, stosunkowo dużej łamliwości, ale jednocześnie dużej wytrzymałości na zrywanie. Uzyskano w ten sposób tworzywo o podwyższonej udarności, jednocześnie wyższej elastyczności, dużej cierności zarówno pracy na sucho jak i przy pracy w wodzie. Jednocześnie znacznie obniżono zużywalność przeciwpartnera metalowego - bębna /samochód rodziny STAR/, doprowadzając go do stanu, w którym można było zachować proporcje żywotnościowe; i bęben na co najmniej 3 zmiany nakładek hamulcowych /przy tworzywie z elektrokorundem bęben wytrzymywał zwykle współpracę z dwoma kolejnymi kompletami nakładek hamulcowych/. Orientacyjne wyniki badań pokazują rys. rys. 21, 22 i 23.
    Należy wspomnieć, że wyniki badań laboratoryjnych, w których przeplatały się elementy trybologii i inżynierii materiałowej, zostały w pełni potwierdzone przez badania eksploatacyjne, a wyniki tych ostatnich badań wdrożono do produkcji i eksploatacji.
Rys. 21. Zależność współczynnika tarcia od temperatury
/aparat I-47/
dla tworzyw :
AKF; P-12n;
P-12w;
VIII
Rys. 22. Zależność współczynnika tarcia od temperatury
/aparat I-47/
dla tworzyw:
"2",
"3";
VIII

Rys. 23. Zużycie liniowe nakładek i bębnów w samochodzie Star 660 po przebiegu 10 000 km

Stworzenie tworzywa o podwyższonej cierności przy pracy w wodzie jest w sumie osiągnięciem nie wykazywanym przez literaturę krajową ani też zagraniczną. Wyniki naszych obserwacji dowodzą, że w przypadkach pojazdów z nakładkami hamulcowymi wykonywanymi za granicę dla pojazdów terenowych - nie stosuje się nakładek z tłoczywa o podwyższonej cierności. Tak więc należy te badania i ich efekty uznać za pionierskie i za oryginalne osiągnięcia badawcze.

8. NIEKTÓRE PROBLEMY METODYKI BADAŃ TWORZYW CIERNYCH

Jednym z podstawowych problemów, od których uzależniony jest prawidłowy dobór, wybór i kształtowanie cech tworzyw hamulcowych, jest problem doboru właściwej metodyki i metod oceny rzeczywistych własności tworzyw ciernych. Dotychczas przyjęty był system doboru na podstawie badań próbek na maszynie Kragielskiego /zmodyfikowanej/, zarówno w jednostkach badawczych, jak i w przemyśle /FOC/, a potem niekiedy na stanowiskach bezwładnościowych. Przyjęto tutaj reżim badań - szczególnie uogólnione obciążenia, które należy uznać za łagodne.
Próba hamulców, szosowa i imitacja jej, próba stanowiskowa, są próbami zgodnie z polska normę - łagodnymi, przy których gradient temperatury i maksymalna temperatura, zarówno warstw wierzchniej jak i objętościowe, są stosunkowo nieduże, w praktyce spotyka się przypadki utraty zdolności do hamowania pojazdu, szczególnie, po dłuższej jeździe w terenie górskim lub nawet miejskiej, przy częstych hamowaniach awaryjnych. Polska norma branżowa określa warunki badań tworzyw na aparacie Ranci /lub Kragielskiego/ w takich warunkach, w wyniku których temperatura warstwy wierzchniej oscyluje około wartości 100°C /szczególnie dotyczy to badań odporności na ścieranie/.
Istnieją znaczne różnice w mechanizmie zużywania przy łagodnych i wysilonych warunkach, wpływających na zjawiska cieplne. Przy łagodnych hamowania /odpowiadają one warunkom badań powszechnie stosowanych/, gradient temperatury warstwy wierzchniej nie jest duży, energie cieplne pochłaniane przez materiał cierny - umiarkowane, występuje bardzo płytkie przedeformowywanie materiału warstwy wierzchniej, a przyrost temperatury "objętościowej" jest znikomy. Nie spotyka się nadtapiania powierzchni i topnienia np. opiłków metalowych /stanowiących często napełniacz/, nie ma także zjawiska metalizowania. Przy wysilonych warunkach pracy hamulca /np. hamowanie awaryjne/ sytuacja jest odmienna; występują nawet objawy destrukcji termicznej makroobjętości tworzywa. Postawiono w WITPiS tezę o nieprawidłowościach ocen rzeczywistej przydatności tworzywa ciernego do określonych hamulców na podstawie badań "łagodnych", zalecanych przez PN branżową i stosowanych powszechnie /uwaga: problem jest istotny przede wszystkim dla hamulców tarczowych pojazdów/. Przeprowadzono badania porównawcze /na stanowisku Kragielskiego oraz na bezwładnościowym [27] aplikując przy ustabilizowanej wartości nacisku jednostkowego trzy wartości prędkości: 5 m/sek /warunki łagodne/, 10 m/sek /warunki ciężkie/, i 15 m/sek - warunki bardzo ciężkie, odpowiadające /w sensie wydzielania ciepła i wysokości temperatury tworzywa przy tych badaniach/ częstym hamowaniom awaryjnym z dużej szybkości /nacisk jednostkowy 490 kN/m2/. Wyniki badań podano na rys. 24.
Rys. 24.

Przy reżimie łagodnym temperatura w.w. wynosiła nieco powyżej 100°C, przy warunkach ciężkich sięgała ok. 250°C, co odpowiada w przybliżeniu, w praktyce, warunkom próby hamowania na gorąco wg obowiązującej PN. Natomiast w warunkach ciężkich temperatura przekraczała wyraźnie 400°C, co w praktyce częstego hamowania samochodu Fiat 125 przy względnie "ostrej" jeździe w mieście jest powszechnie spotykane. Jak widać na rys. 25 przy podobieństwie /skład/ dwóch badanych materiałów różnice początkowe są nieduże, a dopiero w bardzo ciężkich warunkach pracy uwypuklają się one ogromnie. Praktycznie na podstawie badań prowadzonych w warunkach łagodnych, a nawet ciężkich, oba tworzywa zakwalifikować można jako tworzywa o podobnych własnościach: dopiero badania w warunkach wysokiej temperatury pokazują, że tworzywo oznaczone nr 3 zaczyna wyraźnie destruować /temperatura ok. 450°C/, podczas gdy tworzywo 1 jakby "stabilizowało" się i jeszcze w temperaturze rzędu 700°C nie wykazuje oznak destrukcji. Trzeba nadmienić, że istniały przypadki wystąpienia dwóch tworzyw o podobnym składzie, gdzie tworzywo uznane jako lepsze na podstawie prób "łagodnych", stawało się wyraźnie "brakiem" przy zastosowaniu ciężkiego reżimu badań.

Jak wynika z powyższego, stosowanie przy ocenie tworzyw na hamulce tarczowe samochodów osobowych warunków badań zgodnych z obowiązującymi normami /branżowymi w zakresie oceny tworzywa i PN w zakresie badań drogi hamowania/ jest niezadowalające i może prowadzić do mylnych, tragicznych w skutkach informacji.
Powyższe dowodzi, że metodyka badań tworzyw ciernych wymaga jednak wyraźnej modyfikacji, także w zakresie warunków ustalanych odpowiednimi normami. Normy te, zadowalające dla powszechnie stosowanych w Polsce w latach 60-tych wyłącznie hamulców bębnowych, nie zapewnia je formułowania należytych wymagań stawianych tworzywem przeznaczonym na hamulce tarczowe. Istnieje także dość duża dowolność w budowaniu programu badań testowych okładzin /klocków/ ciernych. Na podstawie szeregu przeprowadzonych badań na rozmaitych stanowiskach badawczych, po konfrontacji wyników z wynikami uzyskanymi w eksploatacji, kolektyw WITPiS [28] zaproponował potraktowanie badań ocenowych przy ustabilizowanej produkcji tworzyw ciernych jako badań testowych, które pozwoliłyby w znacznym stopniu wyeliminować kosztowne i długotrwałe badania eksploatacyjne /chodzi szczególnie o badanie trwałościowe/.
Naszym zdaniem badania testowe powinny obejmować następujące próby prowadzone na trzech kompletach okładzin /klocków/, wybranych losowo z danej partii tworzywa:
  1. docieranie: cel uzyskania w 80 - % przylegania powierzchni, dla tworzyw współczesnych wymaga to ok. 150 zahamowań w warunkach obowiązujących dla badań stanowiskowych /stanowisko bezwładnościowe/;
  2. pomiary czasu i momentu hamowania w funkcji nacisku /v = const, T - 50°C/;
  3. jw. - w zależności od prędkości;
  4. pomiar temperatury okładzin będącej efektem piętnastu kolejnych przyhamowań /z prędkości maksymalnej do 0,5 V co 45 sekund/ oraz pomiar czasu i momentu hamowania w wyżej opisany sposób nagrzanych okładzin.
    Próba ta nawiązuje do próby hamowanie "na gorąco" wg PN-71/S-47000/;
  5. pomiar zużycia obydwu elementów pary trącej w trzech kolejnych seriach zahamowań, składających się każda z 250-ciu hamowań /liniowe i wagowe./
  6. dla przypadku hamulców tarczowych - badania jak w punkcie e/ - przy skróceniu czasu przerw /częstotliwość hamowań zdwojona/.
Wydaje się, że tak sformułowane warunki badań testowych pozwalają wystarczająco ocenić jakość tworzyw hamulców i prognozować zachowywanie się ich w eksploatacji.
W różnych placówkach naukowo-badawczych i w przemyśle stosuje się rozmaite metodyki badawcze. Można zaryzykować twierdzenie, że najbardziej ujednolicone są warunki i zasady badań tworzyw ciernych w ZSRR, gdzie Instytut Maszynoznawstwa AN ZSRR jest wiodącym instytutem, ustalającym i normalizującym metodyki i warunki badań. Nie próbując oczywiście oceniać stopnia wyłącznie doskonałości tych metod, należy ocenić wysoko sam fakt normalizacji i unifikacji badań tworzyw. Pozwala to w pełni na porównywanie wyników badań i dokonywanie obiektywnych ocen "dobroci" tworzyw badanych w różnych laboratoriach i zakładach produkcyjnych.
Opisano te badania w pracy [18], w rozdziale 2: w rozdziale 3-cim opisano również zasady cieplnej dynamiki tarcia, w równaniach służących do określania na drodze analitycznej podstawowe własności projektowanej pary tarcia, wykorzystuje się wyniki badań modelowych, prowadzonych w sposób zunifikowany i znormalizowany wg reguł opisanych w rozdziale 2.

ZAKOŃCZENIE
Niniejsza praca nie wyczerpuje naturalnie wszystkich problemów, związanych z kształtowaniem, pracą i badaniem tworzyw ciernych; zaledwie je sygnalizuje - a tylko w niektórych przypadkach omawia je szczegółowiej. Należy ją traktować jedynie jako wprowadzenie do dyskusji /ew. ukierunkowanie dyskusji/ w ramach II Krajowego Kolokwium Trybologii.

WAŻNIEJSZA LITERATURA
  1. Cziczinadze A. V. : Rascot i issledovanie vnesnego trenija pri tormozenii. Moskva, Izd. "Nauka", 1967 g.
  2. Cziczinadze A. V. : Trenie, iznaszivanie i smazka, Spravocnik, t.2. Moskva, Maszinostroenie, 1979 g,
  3. Bartenev G. M., Zuev J. S. : Procznost i razruszenie vysokoelasticznych materialov. Moskva - Leningrad, "Chimija". 1964.
  4. Bronski A. P.: Deformacija nesoversenno uprugich tel. Trudy Instituta im. Potiomkina, Moskva, 1956 t. XIX.
  5. Kosterin J. I. i drug.: Vlijanie termoobrabotki, mechaniceskie i frikcionnye svojstva asbofrikcionnych plastmass. "Proizvodstvo sin, rezinotechniceskich i asbotechniceskich izdelij". nr 10. Moskva. 1971.
  6. Janecki J.: Wpływ obróbki cieplnej hamulcowych tworzyw fenoloformaldehydowych na zmiany ich cierności i odporności na zużycie. Biuletyn WITPiS, z. 1, 1968 r.
  7. Kragelski I. V. : Trenie i iznos, Moskva, "Masinostroenie" 1968 g.
  8. Cziczinadze A.V,: Issledovanie temperaturnych polej nekotorych uzlov trenija. Moskva, In. Mas., Suchovo 1954.
  9. Bowden F. P., Tabor D.: Trenie i smazka tverdych tel. Moskva, "Masinostroenie", 1968.
  10. Genkin S. M., Ryżova Z.A.: Temperaturnaja zavisimost mechaniceskich svojstv tormoznych kompozicionnych materialov. Moskva, "Transport' 1969 g.
  11. Kragelski I. V., Grib V,V.: Ocenka frikcionnych svojstv polimernych materialov, putem snjatija krivych frikcionnoj teplostojkosti. Moskva, "Masinostroenie", 1968.
  12. Kragelski I. V., Grib V,V.: Brake Lining Quality Control. Test Procedure. SAE Journal 661a, 1967.
  13. Kragelski I. V. i drug.: Processy trenija v tormozach koles. Podbor frikcionnych par. Moskva. Izd.An SSSR, 1955.
  14. Fedorcenko I. M.: Problema antifrikcionnych meterialov v sovremennoj technike. Izd. NTO Maszprom, Moskva-Kiev. 1966.
  15. Janecki J.: Krytyczny przegląd hipotez tarcia suchego i ich fizyko-mechaniczne uzasadnienie. Materiały V. Szkoły Trybologicznej. Wyd. Pol.Czest.
  16. Kostecki V. I.; Trenie, iznos i smazka v maszinach. Izd. Technika. Kiev, 1970.
  17. Kostecki V. I.: Trenie, iznos i smazka, Spravocnik, t. l, str, 84…97. Izd. Maszinostroenie, Moskva, 1978.
  18. Zinovev E. B., Cziczinadze A. V.: Fizyko-chimiceskaja mechanika trenija i ocenka asbofrikcionnych materialov. Izd. Nauka, Moskva,1978.
  19. Zawalski St.: Optymalizacja tworzyw na nakładki hamulca tarczowego samochodu. Praca doktorska, Polit. Poznańska, 1974 r.
  20. Jakubik T., Janecki J., Zewalski St.: Badania nad optymalizacją tworzywa na nakładki hamulców tarczowych. "Polimery - tworzywa wielkocząsteczkowe", W.wa. z. II-III, 1975.
  21. Janecki J., Zawalski St.: Gestalltund der Reibeingenschaften der in bremsen von Fahrzeuge angawandten Reibkunststoffe in Ahnlehnung an ein neuse Harz und an beue Fullatoffe. Mat. II. EUROTRiB-u, Düsseldorf, 1977 r.
  22. Zawalski S. Sprawozdanie z pracy nauk.-bad. z zakresu tworzyw ciernych. Archiwum WITPiS, nr 71/Z. 2/76.
  23. Zawalski S. Sprawozdanie z prac nauk-bad, z zakresu tworzyw ciernych. Archiwum WITPiS, lata: 1976-1981 - Z-2/2-10.
  24. Szumniak J., Banaszkiewicz S.; Dobór tworzyw krajowych na okładziny cierne do hamulców tarczowych pojazdów szynowych. Sprawozdanie z pracy nauk.-bad.WITPiS nr 125/Z-7/76.
  25. Banaszkiewicz S.: Wpływ wybranych napełniaczy na własności użytkowa nakładek hamulcowych ciężkich pojazdów terenowych. Praca doktorska, Polit. Krakowska /WiTPiS 1980/.
  26. Banaszkiewicz S., Janecki J., Zawalski S.: Opracowanie tworzywa na nakładki hamulcowe samochodu o podwyższonej cierności przy pracy w wodzie. Sprawozdanie z pracy nauk.-bad.WiTPiS. 1975 r.
  27. Banaszkiewicz S., Janecki J.: Badanie materiałów ciernych na graniczne warunki eksploatacji. Mat. IV. Krajowego Sympozjum Eksploatacji Urządzeń Technicznych. T.6, Katowice, 1977.
  28. Janecki J., Marczak R., Pasteruk T.; Testowa metoda oceny jakości eksploatacyjnej pary hamulcowej samochodu na podstawie programowanych badań stanowiskowych. Materiały KONMOT 1977, wyd.Ossolineum.
  29. Kragelski I.V. i drug.; Osnovy rascetov na trenie i iznos. Moskva, Maszinostroenije, 1977,
  30. Ścieżka S.: Problemy tarcia suchego w hamulcach maszyn wyciągowych. Prace ZKMPW nr 72, Katowice, 1974. Wyd.Śląsk.
  31. Ścieżka S.: Problemy hamowania maszyn wyciągowych. Studium ważniejszych zjawisk trybologicznych w parze ciernej tworzywo hamulcowe - stal. Praca habilitacyjna, 1977 r.
  32. Janecki J.: Metallizirovanie poverchnosti trenija frikcionnych materialov v procesee trenija. Mat. I. Sympozjum INTERTRIBO 1981. CSRS.