Tribos oznacza tarcie. A tribologia (zwana także trybologią) jest stosunkowo młodą (samo pojęcie pojawiło się w 1966 r.) dziedziną nauki, obejmującą swym zainteresowaniem wszelkie fizyczne i chemiczne procesy związane z tarciem.

Tribologia powstała poniekąd z potrzeby: dominujące sposoby zwiększania trwałości maszyn koncentrowały się na przynoszących szybki efekt poszukiwaniach i usprawnieniach najsłabszych elementów, co nie zawsze było rozwiązaniem najlepszym (nawet jeśli skutecznym). W miarę upływu czasu rosło znaczenie prac związanych z trwałością maszyn i ich elementów, smarowaniem i tarciem, co zaowocowało powstaniem nowej dziedziny nauki. Brytyjczycy w 1968 r. zdefiniowali ją jako dziedzinę badającą “oddziaływania i technologie oddziałujących na siebie powierzchni znajdujących się we względnym ruchu”. Substancje smarowe i odpowiednie powłoki przeciwdziałające zużywaniu się elementów maszyn należą do najistotniejszych obszarów zainteresowania tribologii. Ze względu na szeroki zakres badanych zjawisk i wyrafinowanych metod tworzenia skutecznych rozwiązań jest to gałąź szalenie interdyscyplinarna, skupiająca fizyków, chemików czy materiałoznawców i oparta przede wszystkim na fizyce oraz chemii ciała stałego.

Zakres zainteresowań
Działalność na styku nauk podstawowych i stosowanych pozwala podzielić całą naukę na tribologię jako naukę badającą procesy fizyczne i chemiczne w obszarze tarcia oraz tribotechnikę zajmującą się aspektami rozwiązań technicznych i problematyką ekonomiczną. Jednym z głównych nurtów badawczych są towarzyszące tarciu reakcje chemiczne, w tym także reakcje pomiędzy substancjami składającymi się na smar (czy olej) a materiałami, pomiędzy którymi dochodzi do tarcia. Wśród składników środków smarnych ważną rolę odgrywają dodatki tribologiczne - związki chemiczne obniżające współczynnik tarcia, przeciwdziałające zatarciom i zmniejszające zużycie. Bez tego rodzaju dodatków nie byłoby żadnych nowoczesnych olejów czy smarów.

Opracowywanie dodatków (polepszaczy) zaczęło się, jak na rozwój nauki, stosunkowo niedawno. Na początku lat 20. ubiegłego wieku Francuzi Maureau i Düfraise zauważyli, że pewne związki mogą ulepszyć olej podnosząc jego trwałość. Na skalę przemysłową dodatki do olejów pojawiły się kilkanaście lat później - w 1935 r. - pod marką Castrol. Stosowane dzisiaj środki uszlachetniające mogą stanowić nawet kilkanaście procent wagowych oleju.

Tribochemia
Ze względu na burzliwy rozwój prac naukowych na temat reakcji chemicznych towarzyszących tarciu powstała ważna część tribologii klasyfikowana jako tribochemia. Ponieważ przemiany chemiczne wynikają z oddziaływań mechanicznych podczas tarcia, tribochemia w pierwszym rzędzie bada właśnie zachodzące podczas oddziaływań mechanicznych przemiany chemiczne wierzchniej warstwy ciał stałych (m.in. pojawiające się wtedy warstwy ochronne przeciwdziałające zużywaniu elementów podlegających tarciu). Najbardziej zaawansowane prace prowadzą kraje o najwyższej kulturze i potężne ekonomicznie (jak USA i Japonia), badając specyficzne zjawiska zachodzące podczas tarcia na poziomie atomów i cząsteczek, kiedy to obserwuje się emisję jonów, elektronów, cząsteczek obojętnych, fotonów czy promieni rentgenowskich. Najnowszym prądem w tribologii jest nanotribologia zajmująca się badaniami w nanoskali. Do specjalistycznych gałęzi tribologii należy też biotribologia.

Tarcie i przemysł
Tribologia badając właściwości smarów, materiałów i tarcia pozwala lepiej zrozumieć ten ostatni proces i projektować dodatki modyfikujące właściwości smarne olejów silnikowych, przemysłowych czy smarów. Efekty prac służą zarówno projektantom maszyn, jak i producentom oraz użytkownikom, dlatego tribologia ma olbrzymie znaczenie dla przemysłu. Poza środkami smarnymi liczą się także nowe, odporne na zużycie powłoki konstruowane z odpowiednich kompozytów i materiałów. W każdej kropli oleju silnikowego czy przemysłowego produkowanych współcześnie można znaleźć efekty pracy tribologów. W zasadzie sam olej nie jest większym problemem dla producentów, dużo większe trudności wiążą się z uzyskaniem jego odpowiednich właściwości i odpowiedniej trwałości. I właśnie w tym miejscu wkracza tribologia przygotowując quasimagiczne mikstury. Jakkolwiek wielkie koncerny mają swoje własne laboratoria, to korzystają także ze współpracy z naukowcami z uniwersytetów i politechnik.

Płoccy tribolodzy
Tribolodzy pracują na wielu uczelniach technicznych w Polsce. Substancje smarowe to specjalność Zakładu Chemii i Technologii Organicznej Instytutu Chemii Politechniki Warszawskiej w Płocku. Pracujący tutaj zespół w ciągu lat badań zdobył ogromną wiedzę i doświadczenie cenione na całym świecie. Współpraca naukowa rozciąga się od USA po Chiny. Z Zakładem współpracuje kilka koncernów z całego świata produkujących oleje smarowe i dodatki. Zespół wykonuje też prace na zlecenie firm polskich (m.in. PKN Orlen czy Tedex Oil). W ramach prac dla przedsiębiorstw pracownicy badają np. mieszaniny wybranych związków chemicznych jako dodatków tribologicznych do olejów smarowych, smarność olejów, efektywność dodatków czy prowadzi analizy fizykochemicznych właściwości olejów. Dzięki zarobionym na współpracy komercyjnej pieniądzom może rozwijać działalność i pogłębiać wiedzę. Prace naukowców cenione są na wielu uczelniach, a ich wiedza bywa też wykorzystywana przez organizacje międzynarodowe.

Towarzystwo tribologów
Naukowcy rozpracowujący tajemnice tarcia mają też swoją organizację: Polskie Towarzystwo Tribologiczne założone z inicjatywy Podkomitetu Tribologii NOT i przy współpracy z Sekcją Tribologii PAN w 1991 r. Towarzystwo ma swoją stronę w Internecie, wydaje czasopismo “Tribologia” oraz Biuletyn PTT, organizuje seminaria i konferencje oraz prowadzi Szkołę Tribologiczną. Jest też członkiem-założycielem International Tribology Council. W ramach działalności statutowej zadaniem PTT jest “integracja osób, zespołów naukowych i technicznych zajmujących się tribologią; rozwój teorii, praktyki oraz organizacji i zarządzania tribologii oraz zbliżonych dziedzin techniki; popieranie, poszerzanie rozwoju i upowszechnianie wiedzy ogólnej, technicznej, finansowej i menedżerskiej w środowisku osób związanych z problematyką tribologii”. Naukowe pola działalności Towarzystwa to m.in. teoria i praktyka konstrukcji i eksploatacji warstw wierzchnich, mediów smarujących i węzłów tarcia w skali od nano- do makrotribologii, od łożysk i kół zębatych po przeguby maszyn i stawy człowieka.

Tribododatki
Tribologia ma szerokie pole do popisu w dziedzinie środków smarnych. Zajmuje się zarówno olejami podstawowymi i dodatkami do nich, jak mającymi wysoki współczynnik lepkości olejami pochodzącymi z procesu hydrokrakinkgu i hydroizomeryzacji oraz produktami syntetycznymi (oleje polialfaolefinowe, estrowe, poliglikolowe). Dziedziną newralgiczną są dodatki uszlachetniające stosowane w celu poprawy wybranych cech (ilość uszlachetniających uzupełnień na ogół waha się od kilku setnych procenta do kilku procent, w zależności od rodzaju i przeznaczenia oleju). Biorąc pod uwagę, że w olejach stosuje się dodatki podwyższające lepkość i wskaźnik lepkościowy, depresatory obniżające temperaturę płynięcia oleju, inhibitory korozji i utlenienia, dodatki smarowe (EP) - jak związki siarki lub fosforu oraz cyny, cynku, baru i selenu - przeciwzużyciowe, podnoszące zdolność do przenoszenia wielkich obciążeń mechanicznych, czy deemulgatory i dodatki przeciwpienne - specjaliści od tribologii, tribotechniki i tribochemii mają pełne ręce (czy raczej głowy) roboty.

Horyzont problemów
Zakres badań związany z różnego rodzaju maszynami jest mocno rozciągnięty. Z jednej strony są to np. prace związane z przekładniami czy sprężarkami, z drugiej - z modelowaniem tarcia w torebkach stawowych czy zagadnieniami smarowania drobnych mechanicznych elementów współczesnej elektroniki. Opracowania muszą uwzględniać rosnące wymagania jakościowe i zapewniać odpowiednie parametry różnego rodzaju olejom i innym środkom smarnym. Przykładowo, w przypadku smarowania przekładni zębatych podstawowymi parametrami są lepkość i wskaźnik lepkości, wpływające na grubość warstwy filmu olejowego na styku kół zębatych. Zagrożeniem podczas pracy przekładni jest niebezpieczeństwo zatarcia (zgrzanie wierzchnich warstw zębów).

Zależy ono od innego parametru - smarności, czyli zdolności do wytwarzania zapobiegających zatarciu granicznych warstw środka smarnego. Przykładem z innego poletka działalności są badania procesów tribochemicznych zachodzących podczas pracy głowicy dysku twardego komputera. Do prawidłowej pracy dysku i zabezpieczenia go przed zniszczeniem niezbędne jest zapewnienie odpowiedniej warstewki substancji smarowej: warstwy o grubości kilku nanometrów dającej skuteczną ochronę tylko podczas rozpoczynania i kończenia pracy komputera (w trakcie głowica nie styka się bezpośrednio z powierzchnią dysku). Takie badania prowadził prof. dr hab. Czesław Kajdas (Zakładu Chemii i Technologii Organicznej Instytutu Chemii Politechniki Warszawskiej w Płocku) w Stanach Zjednoczonych.

Analizy
Tribolodzy prowadza także analizy właściwości stosowanych olejów sprawdzając ich cechy za pomocą różnorodnych testów i analiz. Często są to bardzo kosztowne badania: w testach smarnościowych korzysta się m.in. ze stosunkowo taniego testera czterokulowego, ale także z tzw. stanowiska FZG - opracowanej w Niemczech bardzo drogiej i skomplikowanej metody badania olejów dla przekładni. Przy analizowaniu przemysłowych na zgodność z normami mierzy się kilkanaście różnych parametrów, m.in. gęstość, temperatury zapłonu i palenia, lepkość kinematyczną i względną, wskaźnik lepkości, liczbę kwasową, odporność na emulgowanie czy zawartość stałych ciał obcych. Wszystko po to by spełnić wymagania w czasach, kiedy rozwój jednych technologii wymusza coraz nowsze osiągnięcia w innych technologiach.

A lista życzeń w stosunku do smarnych jest długa. Obejmuje takie warunki jak odpowiednia smarność, brak reakcji z materiałami konstrukcyjnymi, wysoka trwałość bez utraty właściwości i jeszcze możliwie niska cena. Uzupełnieniem listy są wymagania związane z bezpieczeństwem (np. zagrożenie pożarem), ekologią (jak najmniejszy wpływ na środowisko, nietoksyczne) i utylizacją (niskie koszty i prosta procedura).

Tribologia rozwija się bardzo intensywnie. Naukowcy są forpocztą dla przedstawicieli biznesu (wykorzystują osiągnięcia naukowe po ich przemysłowym wdrożeniu), ale też ich działania są z gospodarką mocno związane. Wykorzystując najnowocześniejsze techniki i zdobycze różnych dziedzin nauki tribologia ma decydujący wpływ na praktycznie wszystkie dziedziny przemysłu i na życie zwykłych ludzi. Bo, jak wiadomo, kto nie smaruje, ten nie jedzie.

Dokończenie znajdziesz w wydaniu papierowym. Zamów prenumeratę miesięcznika ENERGIA GIGAWAT w cenie 108 zł za cały rok, 54 zł - za pół roku lub 27 zł - za kwartał. Możesz skorzystać z formularza, który znajdziesz tutaj

Zamów prenumeratę