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Lubrifiants Constitution par Jean AYEL Ingénieur de l’École nationale supérieure des arts et industries de Strasbourg et de l’École nationale supérieure du pétrole et des moteurs Docteur-Ingénieur Responsable du cycle Applications des produits pétroliers et énergétiques à l’École nationale supérieure du pétrole et des moteurs 1. 1.1 1.2 1.3 2. 2.1 2.2 2.3 3. 3.1 7 - 1997 3.2 Huiles de base ........................................................................................... Huiles d’origine végétale ............................................................................ Huiles minérales .......................................................................................... 1.2.1 Hydrocarbures contenus dans les huiles minérales........................ 1.2.2 Chaîne traditionnelle de raffinage des huiles minérales................. 1.2.3 Procédés d’hydrotraitement des huiles minérales .......................... 1.2.4 Reraffinage des huiles usagées......................................................... Huiles de synthèse....................................................................................... 1.3.1 Hydrocarbures synthétiques.............................................................. 1.3.2 Esters ................................................................................................... 1.3.3 Polyglycols .......................................................................................... 1.3.4 Esters phosphoriques......................................................................... 1.3.5 Dérivés siliciés .................................................................................... 1.3.6 Polyphényléther(s).............................................................................. 1.3.7 Composés organiques halogénés..................................................... Graisses lubrifiantes ............................................................................... Agents épaississants ................................................................................... 2.1.1 Graisses à savons ............................................................................... 2.1.2 Graisses sans savon ........................................................................... Huiles de base lubrifiantes.......................................................................... 2.2.1 Huiles minérales ................................................................................. 2.2.2 Huiles de synthèse.............................................................................. Additifs ......................................................................................................... — — — — — — — — 9 9 9 10 10 11 11 12 Lubrifiants solides ................................................................................... Mise en œuvre des lubrifiants solides ....................................................... 3.1.1 Lubrifiants solides en poudre ............................................................ 3.1.2 Dispersions de lubrifiants solides ..................................................... 3.1.3 Vernis de glissement .......................................................................... 3.1.4 Revêtements autolubrifiants préfabriqués sur support .................. 3.1.5 Matériaux autolubrifiants massifs..................................................... Caractéristiques des principaux lubrifiants solides .................................. 3.2.1 Lubrifiants solides lamellaires........................................................... 3.2.2 Lubrifiants solides polymériques ...................................................... 3.2.3 Sels et oxydes métalliques ................................................................ 3.2.4 Métaux mous et alliages métalliques ............................................... 3.2.5 Associations synergiques de lubrifiants solides.............................. — — — — — — — — — — — — — 12 12 12 12 12 13 14 14 14 17 19 19 21 Pour en savoir plus........................................................................................... BM 5 341 BM 5 341 - 2 — 2 — 3 — 3 — 3 — 3 — 5 — 5 — 6 — 6 — 7 — 7 — 8 — 8 — 8 Doc. B 5 344 S elon leur état physique, les lubrifiants peuvent être classés en trois groupes : — les lubrifiants liquides : d’origines végétale et animale (huiles grasses), minérales (huiles de pétrole) et synthétiques ; — les lubrifiants semi-solides ou plastiques qui comprennent essentiellement les graisses lubrifiantes mais aussi les cires, paraffines et vaselines extraites du pétrole pour applications lubrifiantes ; Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 5 341 − 1 LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ — les lubrifiants solides : lamellaires, polymériques, métaux mous, sels, oxydes, etc. Ces différents lubrifiants peuvent être utilisés sous forme de dispersions, émulsions ou solutions dans de l’eau chaque fois qu’un pouvoir réfrigérant élevé (travail des métaux à grande vitesse) ou qu’une grande résistance au feu (fluides hydrauliques type HF) sont recherchés. Les deux premières catégories de lubrifiants (huiles et graisses) contiennent une quantité variable d’additifs (jusqu’à 25 % en masse) selon l’application et la sévérité du service. Pour situer l’importance relative de chaque groupe de lubrifiants, il convient de rappeler que les lubrifiants liquides représentent 96 % du marché, les graisses 3 % et les lubrifiants solides environ 1 %. Sigles et Symboles Symbole BSS CFC DAB HF HFC NS PA PAG PAO PEEK PFPE PIB PIO PPE PTFE S TCP VI Définition Bright Stock Solvent chlorofluorocarbure ou chlorofluorocarbone dialkylbenzène fluides hydrauliques résistant au feu (symbole ISO) hydrofluorocarbure ou hydrofluorocarbone ou encore désignation ISO de certains fluides hydrauliques aqueux résistant au feu Neutral Solvent polyamide polyalkylèneglycol polyalphaoléfine polyéther-éther cétone perfluoropolyéther polyisobutène polyoléfine interne (Poly Internal Olefin ) polyphényléther polytétrafluoroéthylène Solvent tricrésylphosphate indice de viscosité (Viscosity Index) vaillant en extérieur mais peu sollicités thermiquement, lorsqu’il y a risque de pollution du milieu naturel par les fuites de fluides, ce qui est le cas des matériels hydrauliques agricoles et forestiers et de certains matériels de travaux publics. (0) Tableau 1 – Les différents types d’huiles de base 1. Huiles grasses naturelles Ce sont des huiles soit d’origine animale, soit d’origine végétale. 2. Huiles d’origine minérale (huiles de pétrole) Raffinage classique au solvant : — bases à tendance paraffinique (de loin les plus utilisées) ; — bases à tendance naphténique (en régression, quelques applications particulières) ; — bases à tendance aromatique (pour mémoire). Conversion à l’hydrogène : il s’agit de bases à structure isoparaffinique marquée, considérées par certains comme semi-synthétiques : — bases minérales hydroraffinées (VI ≈ 100) ; — bases minérales hydrocraquées (VI = 120 à 130) ; — bases minérales hydro-isomérisées (VI = 140 à 150). Raffinage poussé (incluant, de plus, un traitement à l’hydrogène) : — huiles blanches (huiles de vaseline) soit de qualité conforme à la pharmacopée française et européenne (huiles Codex ), soit de qualité technique ; — huiles superraffinées pour aviation et fluides hydrauliques à très haut VI (en régression) ; — huiles ultradéparaffinées (naphténiques Wax-free pour compresseurs frigorifiques). 1. Huiles de base Reraffinage des huiles usagées : — huiles à tendance paraffinique de qualité variable selon le procédé utilisé. Les huiles de base peuvent être d’origine naturelle : végétales, minérales extraites du pétrole (les plus utilisées), ou synthétique (tableau 1). 3. Huiles d’origine synthétique Il existe de nombreuses structures qui sont par ordre d’importance décroissante : — les hydrocarbures synthétiques ; — les esters organiques ; — les polyalkylèneglycols ; — les esters phosphoriques ; — les produits spéciaux (silicones, perfluoropolyéthers, etc.). 1.1 Huiles d’origine végétale L’utilisation d’huiles végétales, notamment d’huile de colza, connaît actuellement un regain d’intérêt pour la préparation de certains lubrifiants biodégradables (lubrifiants verts) destinés soit à des applications de graissage à huile perdue (lubrifiants de chaînes de tronçonneuses à bois, lubrifiants de chaînes de véhicules à deux roues, etc.), soit à la lubrification de matériels hydrauliques tra- BM 5 341 − 2 4. Huiles semi-synthétiques ou partiellement synthétiques (dites à base de synthèse) Il s’agit de mélanges d’huiles minérales et d’huiles de synthèse telles que PAO/PIO, esters, PAO/PIO + esters, dialkylbenzènes, etc. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS Il est à noter que pour des applications à température plus élevée (transmissions hydrauliques sévères, moteurs 2 temps, moteurs 4 temps, etc.), les lubrifiants biodégradables, encore rares, sont formulés avec des esters synthétiques. En effet, la trop faible stabilité à l’oxydation des huiles végétales les rend pour l’instant impropres à la lubrification de ces mécanismes avec les additivations conventionnelles. Cependant, des huiles moteurs de grades 5W-40 et 10W-40 à base d’huile de tournesol à haute teneur en acide oléique viennent d’être mises sur le marché. 1.2 Huiles minérales Les huiles minérales d’origine pétrolière sont extraites de coupes pétrolières provenant de la distillation du pétrole brut. Ces coupes, que l’on nomme des distillats, subissent des opérations de raffinage dont la complexité dépend à la fois de l’origine du brut utilisé et de la qualité recherchée des produits. 1.2.1 Hydrocarbures contenus dans les huiles minérales Les huiles minérales sont des mélanges d’un très grand nombre d’hydrocarbures de structures et de masses molaires différentes et d’une petite quantité d’impuretés résiduelles oxygénées, azotées et soufrées. Selon que le pétrole brut appartient aux types paraffinique ou naphténique, les huiles de base sont dites à tendance paraffinique ou à tendance naphténique. Les raffineries européennes produisent presque toutes des bases à tendance paraffinique, de sorte que les huiles naphténiques qui, jadis, entraient dans la composition de certains lubrifiants ont été, peu à peu, remplacées par les huiles à tendance paraffinique, essentiellement pour des raisons de prix, de disponibilité, de moindre toxicité et de meilleur comportement à haute température. Les paraffines sont des hydrocarbures saturés linéaires (n-paraffines) ou ramifiés (isoparaffines) caractérisés par une assez bonne stabilité à l’oxydation, un indice de viscosité élevé (de l’ordre de 100), une faible agressivité vis-à-vis des élastomères, mais un pouvoir solvant limité et un point de congélation relativement élevé. Les naphtènes, hydrocarbures saturés cycliques et souvent ramifiés, sont moins stables à l’oxydation que les précédents, possèdent des indices de viscosité faibles (0 à 60), sont plus agressifs vis-à-vis des élastomères, mais ont un bon pouvoir solvant et possèdent de très bonnes caractéristiques d’écoulement aux basses températures. Les aromatiques, produits insaturés cycliques, présentent des caractères encore plus accusés que les naphtènes : très denses, généralement peu stables à l’oxydation, ils sont très agressifs vis-à-vis des élastomères, et leurs indices de viscosité sont très bas ou même négatifs. Compte tenu de ces mauvaises caractéristiques, il est nécessaire de les éliminer au maximum par raffinage. De plus, ces hydrocarbures sont dangereux envers le milieu naturel (toxiques et difficilement biodégradables) et pour la santé des utilisateurs (caractères toxiques et mutagènes). 1.2.2 Chaîne traditionnelle de raffinage des huiles minérales Elle comporte les étapes suivantes (figure 1). La distillation atmosphérique du pétrole brut pour séparer les produits pétroliers selon leurs points de distillation. La distillation sous vide du résidu de distillation atmosphérique permet d’obtenir différentes coupes appelées distillats sous vide de viscosités variables, et un produit très lourd, le résidu sous vide destiné à la fabrication des bitumes et des huiles lubrifiantes les plus visqueuses dans l’unité de désasphaltage au propane. L’extraction au solvant des composés polycycliques contenus dans les distillats sous vide permet d’améliorer la stabilité à l’oxydation et la couleur. Le solvant solubilise sélectivement les composés aromatiques et polycycliques éliminés sous forme d’extraits aromatiques. Le déparaffinage consiste en l’élimination plus ou moins poussée, selon le point d’écoulement visé, des cristaux de paraffines indésirables en dissolvant l’huile dans un mélange de solvants spécifiques. Le mélange huile-solvant est refroidi ; les paraffines qui cristallisent sont séparées par filtration sur tambours. Le traitement de finition parachève éventuellement le raffinage en éliminant les derniers constituants indésirables (aromatiques résiduels, composés soufrés, azotés, oxygénés). Deux méthodes sont employées : — le traitement à la terre consiste à filtrer l’huile sur des terres activées (silicates d’alumine) qui retiennent les impuretés polaires par adsorption ; — le traitement à l’hydrogène (hydrofinition), plus moderne, consiste à pratiquer une hydrogénation catalytique des composés instables qui se transforment en composés saturés ou en composés gazeux que l’on élimine. On pratique quelquefois, avant l’hydrogénation, une redistillation pour étêter certaines bases fluides afin de diminuer leur volatilité. ■ Huiles de base minérales paraffiniques Elles sont désignées par les raffineurs et par les professionnels des lubrifiants par un symbole comportant un chiffre (60, 100, 150, 350, etc.) et une ou deux lettres (S pour Solvent ou NS pour Neutral Solvent ) indiquant le degré de finition de l’huile. Le chiffre représente la viscosité de l’huile exprimée dans l’ancien système d’unité empirique Second Saybolt Universal (SSU), mesurée à 37,8 oC (100 oF). L’huile paraffinique la plus visqueuse est dénommée Bright Stock Solvent (BSS). ■ Huiles de base minérales naphténiques Elles sont désignées par un chiffre (60, 90, 750, etc.) ayant la même signification que précédemment, et un qualificatif (Pale, Red, Pale Solvent ) caractérisant le degré de raffinage. ■ Huiles blanches ou huiles de vaseline Elles sont produites en deux qualités : — les huiles blanches de qualité médicinale ou alimentaire (huiles Codex ) ultrapures ; — les huiles blanches techniques, un peu moins pures, utilisées soit comme huiles de procédés, soit comme lubrifiants dans certaines applications industrielles. Elles étaient jadis blanchies par un traitement poussé à l’acide sulfurique, maintenant remplacé par un traitement sévère non polluant à l’hydrogène qui élimine totalement les hydrocarbures aromatiques et naphténiques lourds ainsi que les autres impuretés. 1.2.3 Procédés d’hydrotraitement des huiles minérales Il ne faut pas confondre les différents procédés d’hydrotraitement des huiles (hydroraffinage, hydrocraquage, hydro-isomérisation) avec l’hydrofinition, car ce sont des traitements beaucoup plus profonds d’hydrogénation et d’hydrogénolyse catalytique destinés à transformer presque complètement les hydrocarbures aromatiques et polycycliques en composés saturés et décyclisés et à éliminer pratiquement toutes les impuretés. Remarque : dans la littérature technique et commerciale, les termes d’huiles hydrocraquées, hydroraffinées, hydrotraitées et même hydrosynthétiques sont utilisés pour désigner, de manière souvent indistincte, les différentes bases obtenues par traitement à l’hydrogène. Il existe différents procédés d’obtention d’huiles minérales lubrifiantes par hydrotraitement profond. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 5 341 − 3 LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ Figure 1 – Procédé de fabrication des huiles minérales classiques. Schéma simplifié du procédé aux solvants ■ Bases hydroraffinées Ces bases minérales, obtenues à partir d’un procédé original de raffinage sous forte pression d’hydrogène, ont un indice de viscosité qui peut théoriquement varier de ≈ 100 à 130 mais qui, pour des raisons économiques, est généralement limité à la plage 95-105. Ces huiles sont disponibles dans une gamme de viscosité aussi large que celle des huiles minérales classiques raffinées au solvant. Elles s’en différencient cependant du fait d’une proportion plus faible en composés aromatiques et d’une teneur en soufre et en azote sensiblement réduite. Ce sont par exemple les bases dites HVI (High Viscosity Index ) que Shell produit en France dans sa raffinerie de Petit-Couronne. ■ Bases hydrocraquées Les bases lubrifiantes fluides dites hydrocraquées sont préparées en raffinant sur la chaîne traditionnelle de raffinage des huiles minérales le fond de cuve du procédé d’obtention des gazoles et carburéacteurs par hydrocraquage catalytique. Elles possèdent des indices de viscosité compris, en général, entre 120 et 130 ; elles sont en moyenne deux fois moins volatiles que les bases minérales classiques, mais ne sont disponibles que dans une gamme étroite de viscosité (3,5 à 6 mm2/s à 100 oC), ce qui les destine à la formulation des huiles moteurs fluides. Pour les grades plus visqueux à froid, il est nécessaire de leur associer des bases plus visqueuses. Actuellement, les principaux fournisseurs européens de bases hydrocraquées sont BP, qui les désigne bases hydrosynthétiques BM 5 341 − 4 BHK ou encore LHC (Lavera Hydrocracked Component ), Total, DEA/Fuchs en Allemagne, Energoinvest en ex-Yougoslavie. Ces bases sont encore désignées VHVI (Very High Viscosity Index ) par certains formulateurs, ou encore huiles MC (Molecularly Converted ) par d’autres. Mais le nombre d’unités d’hydrocraquage devant augmenter dans le futur pour satisfaire la demande croissante en gazoles et carburéacteurs à faible teneur en soufre, la production de bases lubrifiantes hydrocraquées va connaître un essor important dans les prochaines années. ■ Bases hydro-isomérisées Le procédé d’obtention de ces bases met aussi en œuvre de l’hydrogène mais, cette fois, la charge traitée est constituée de paraffines récupérées lors de l’opération de déparaffinage des huiles minérales classiques. Les conditions de traitement très sévères à l’hydrogène conduisent à un craquage et à un réarrangement des n-paraffines en molécules essentiellement isoparaffiniques caractérisées par un très bon indice de viscosité (VI = 140 à 150), un bas point d’écoulement (PE : – 18 oC) et une faible volatilité (du même ordre que celle des bases hydrocraquées). Les huiles ainsi obtenues sont disponibles dans une gamme de viscosité un peu plus large que celle des bases hydrocraquées (4 à 8 mm2/s à 100 oC) et, surtout, sont beaucoup plus pures puisqu’elles ne contiennent, au plus, que 0,1 % d’hydrocarbures aromatiques et moins de 5 mg/kg de soufre. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS Ces bases, d’excellente qualité, sont actuellement produites par Shell, en France à Petit-Couronne, sous la désignation de bases XHVI (eXtra High Viscosity Index ) et par Esso, en Grande-Bretagne à Fawley, sous la désignation EXXSYN . 1.2.4 Reraffinage des huiles usagées Les huiles usagées récupérées en stations-service et chez les gros utilisateurs peuvent être régénérées en éliminant les 15 à 20 % d’impuretés et additifs qu’elles contiennent. Pour des raisons de protection de l’environnement, les anciens procédés de régénération très polluants faisant appel à l’acide sulfurique cèdent de plus en plus la place à des procédés propres basés sur la distillation sous vide et un traitement de finition à l’hydrogène. Ces bases minérales régénérées ont des caractéristiques et des propriétés comparables à celles des bases minérales conventionnelles lorsque le traitement a été convenablement conduit. 1.3 Huiles de synthèse Désignées aussi bases synthétiques, elles sont obtenues par synthèse chimique telles que l’addition d’un produit sur lui-même ou polymérisation, ou l’addition d’un produit sur un autre comme l’estérification, l’alkylation, la fluoration, etc., de composants provenant de la pétrochimie, la carbochimie, la lipochimie (ou chimie des corps gras) et de la chimie minérale tels que : oléfines, aromatiques, alcools, acides, composés halogénés, phosphorés, siliciés, etc. Il existe une très grande variété de bases synthétiques dont celles ayant fait l’objet de développements commerciaux sont données (0) dans le tableau 2. Tableau 2 – Principales bases de synthèse et leurs utilisations Fréquence d’utilisation Famille Type de produits xxx x ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ x x • Diesters (esters de diacides) ........................ Esters de néopolyols .................................... Esters complexes (visqueux) ....................... x xx x x x x Monoalkylèneglycol et polyalkylèneglycols Monoéthers de polyalkylèneglycols : — monoéthers de polyoxyéthylèneglycols .......................................................... — monoéthers de polyoxypropylèneglycols................................................................ — monoéthers mixtes ................................ xx x xx x ........................ x ........................ xx x x • ........................ xx x ● Phosphates d’alkyles et/ou d’aryles ............ ........................ ........................ x x ● • ........................ x x ........................ ........................ x • ● Huiles silicones ou polysiloxanes : — silicones ordinaires ou polydiméthylsiloxanes ................................ — silicones phénylés ou polyméthylphénylsiloxanes........................ — silicones chlorés ou polyméthylchlorophénylsiloxanes............. — silicones fluorés ou fluorosilicones ...... Esters siliciques ou silicate-esters ............... ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ • • • • • • ● Polyphényléthers .......................................... ........................ ........................ • • ● Composés chlorés — polychlorobiphényles (PCB) (pyralène) Composés fluorés — fluorocarbones ....................................... — perfluoropolyéthers (PFPE) ................... Composés chlorofluorés .............................. ........................ ........................ •➘ ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ • x •➘ ● ● ● ● ● ● Polyglycols Dérivés siliciés Polyphényléthers Composés organiques halogénés Aviation et espace xxx x ● Esters-phosphates Industrie xxx x ● Esters Groupe motopropulseur automobile PAO et PIO ..................................................... Polybutènes et polyisobutènes (PIB) .......... Hydrocarbures aromatiques alkylés : — dialkylbenzènes (DAB) ........................... — polyphényles alkylés.............................. Hydrocarbures cycloaliphatiques ................ ● Hydrocarbures de synthèse Automobile en général ● ● x xx xxx x x • x •➘ xxx Très courant ; xx assez courant ; x moins fréquent ; • utilisation marginale ; ➘ en voie de disparition Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 5 341 − 5 LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ 1.3.1 Hydrocarbures synthétiques 1.3.1.1 Polyalphaoléfines hydrogénées Les polyalphaoléfines hydrogénées (PAO) représentent, de toute évidence, la famille d’hydrocarbures de synthèse la plus importante puisque leurs domaines d’utilisation sont ceux des huiles minérales. Leur structure chimique présente une grande analogie avec les meilleurs hydrocarbures contenus dans les huiles minérales. Les PAO sont désignées par un chiffre indiquant leur viscosité cinématique en mm 2/ s à 100 oC. Exemples : PAO 4, PAO 6, PAO 100. Les PAO sont fabriquées selon un procédé complexe à partir de l’éthylène transformé en α-décène, lui-même oligomérisé et hydrogéné. Ces produits, entièrement isoparaffiniques, sont caractérisés par une absence totale de composés aromatiques et d’impuretés, par des indices de viscosité très élevés (de l’ordre de 120 pour les plus fluides, jusqu’à 160-170 pour les plus visqueux, la moyenne s’établissant vers 135 pour une PAO 6) et par une gamme de viscosités très large, pratiquement entre 1,7 et 100 mm2/s à 100 oC. Les produits de viscosité comprise entre 4 et 8 mm2/s à 100 oC sont les plus fréquents. Les PAO les plus visqueuses (PAO 40 et PAO 100) sont moins disponibles et au moins deux fois plus chères. Leurs points d’écoulement sont très bas (de – 73 oC pour la PAO 2 à – 20 oC pour la PAO 100, avec des valeurs de l’ordre de – 60 oC à – 70 oC pour les huiles de viscosité courante). Elles sont très résistantes à la thermo-oxydation et, par conséquent, forment peu de dépôts en service. À viscosité égale, leur volatilité est très inférieure à celle des huiles minérales classiques. De caractère très apolaire, elles possèdent un très faible pouvoir solvant, ce qui leur confère un bon comportement en moussage, aération et désémulsion, ainsi qu’une parfaite neutralité vis-à-vis des élastomères (pas de gonflement) et des peintures. En revanche, ce faible pouvoir solvant constitue un handicap pour la solubilité des additifs, aussi doit-on y remédier par adjonction d’une certaine quantité d’ester (3 à 15 %) qui, par ailleurs, permet à la PAO ainsi corrigée de retrouver la même action vis-à-vis des joints que les bases minérales classiques. 1.3.1.2 Polyoléfines internes Ces hydrocarbures de synthèse (Poly Internal Olefins : PIO), très récemment mis sur le marché (1994), possèdent des propriétés très voisines de celles des PAO : faible viscosité à basse température (point d’écoulement de – 42 à – 57 oC), faible volatilité (pertes par évaporation Noack de 5 à 13 % selon la viscosité), points d’éclair un peu supérieurs à ceux des PAO, très bonne stabilité thermique et résistance à l’oxydation (comparable aux PAO de même viscosité), propriétés antiusure naturelles supérieures à celles des PAO, biodégradabilité supérieure aux PAO, mais indices de viscosité un peu plus faibles (118 à 128, contre 123 à 137 pour les PAO de même gamme de viscosité). Les PIO sont fabriquées à partir des n-paraffines issues du procédé de déparaffinage des gazoles qui sont transformées en n-oléfines puis oligomérisées et hydrogénées. Elles devraient être un peu moins chères que les PAO car, si le coût de fabrication est similaire, en revanche la matière première (n-paraffines) est moins onéreuse que l’α-décène. Les viscosités actuellement disponibles pour ces produits sont 4, 6 et 8 mm2/s à 100 oC. 1.3.1.3 Polybutènes et polyisobutènes Ces hydrocarbures synthétiques, mélanges de polybutènes et de polyisobutènes (PIB) en proportions variables, existent dans une très large plage de viscosité allant d’huiles très fluides jusqu’à des produits de très haute masse molaire et de très grande viscosité (plus BM 5 341 − 6 de 4 000 mm2/s à 100 oC). Les utilisations de ces produits sont très variables. Parmi celles-ci, on peut citer : les additifs d’adhésivité pour huiles de chaînes et d’organes mécaniques rapides fonctionnant sans protection, les produits d’isolation et d’imprégnation de câbles électriques, les agents épaississants pour huiles industrielles visqueuses. En automobile, ils sont essentiellement utilisés pour la lubrification des moteurs à essence deux temps à cause de leur faible tendance à former des dépôts, car ils se dépolymérisent vers 280-300 oC en donnant des produits volatils. Leurs propriétés lubrifiantes sont assez comparables à celles des huiles minérales, mais leurs indices de viscosité sont assez bas. Remarque : les polymères de faible masse molaire (faible viscosité) sont très riches en polybutènes, tandis que ceux de haute masse molaire (forte viscosité) sont surtout constitués de polyisobutènes. 1.3.1.4 Hydrocarbures aromatiques alkylés ■ Dialkylbenzènes (DAB) Désignés aussi par alkylats du benzène ou alkylbenzènes, ils sont fréquemment utilisés dans les compresseurs d’air à piston(s) et dans les compresseurs frigorifiques à cause de leurs très bonnes caractéristiques à basse température (point d’écoulement de – 25 oC à – 50 oC), de leur faible tendance à donner des résidus carbonés lorsqu’ils sont soumis à la thermo-oxydation, de leur très bas point de floculation avec les fluides frigorigènes. Par contre, ces produits ont une action solubilisante marquée vis-à-vis de certains élastomères et des peintures, des vernis et des plastiques à cause de leur caractère aromatique prononcé. ■ Alkylnaphtalènes De développement récent, ils sont obtenus par alkylation du naphtalène avec des alphaoléfines à longue chaîne (C8 à C26). Les huiles ainsi obtenues ont des viscosités s’étageant de 6 à 18 mm 2 / s à 100 oC, des indices de viscosité de 105 à 135, des points d’éclair de 260 à 300 oC et des points d’écoulement de – 45 à – 15 oC. Dotées d’un bon pouvoir lubrifiant, d’une stabilité thermique élevée et d’une faible volatilité, ces huiles sont utilisables comme fluides caloporteurs, huiles isolantes, fluides hydrauliques, bases pour huiles moteurs et pour la préparation de certaines graisses. ■ Polyphényles alkylés ou alkylpolyphényles Essentiellement constitués d’alkylbiphényles et d’alkylterphényles, ils sont caractérisés par une grande stabilité thermique (jusqu’à 350 oC), une grande résistance à l’oxydation et aux radiations mais, en revanche, ont un indice de viscosité très bas. Ils sont surtout utilisés comme fluides caloporteurs. 1.3.1.5 Hydrocarbures cycloaliphatiques Ils sont utilisés comme fluides de traction (exemple : fluides Santotrac de Monsanto) dans les variateurs de vitesse à friction à cause de leurs caractéristiques rhéologiques particulières sous très fortes pressions hertziennes et mouvement de roulement avec faible taux de glissement induisant un coefficient de traction, donc une puissance transmise beaucoup plus élevée que celle permise avec les huiles classiques. 1.3.2 Esters Ces produits sont obtenus par réaction chimique (estérification) entre des monoalcools et/ou des polyalcools généralement issus de la pétrochimie, avec des monoacides et/ou des polyacides organiques en présence d’un catalyseur. Les esters sont totalement dépourvus de composés aromatiques et d’impuretés soufrées ou azotées. À l’avenir, les esters devraient connaître un certain développement du fait de leur bonne aptitude à la biodégradabilité, propriété appréciée pour la formulation des huiles pour moteurs deux temps, des fluides hydrauliques pour engins terrestres et pour produits de Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS graissage perdu. En effet, certains d’entre eux peuvent être biodégradés jusqu’à plus de 95 % (dans le test CEC L-33-A-94), alors que les autres bases indiquées précédemment ne le sont, au mieux, qu’à 70 %. 1.3.2.1 Diesters ou esters de diacides Ils furent les premières huiles de synthèse utilisées pour lubrifier les turboréacteurs d’aviation. Aussi sont-ils appelés quelquefois esters de type I ou de première génération. Selon une terminologie anglo-saxonne ancienne, ils sont aussi quelquefois appelés esters dibasiques (dibasic esters ). Ils résultent de la réaction d’un diacide organique avec un monoalcool. Les diacides sont issus de la lipochimie, c’est-à-dire dérivés de corps gras naturels, tandis que les monoalcools sont, en général, issus de la pétrochimie. Outre les applications aéronautiques, en régression pour ce type de produit, les diesters entrent dans la formulation de certaines huiles moteurs synthétiques et partiellement synthétiques et de lubrifiants industriels et de graisses. Les diesters classiques (sébacates, adipates, etc.) restent fluides à des températures comprises entre – 40 oC et – 70 oC. Leurs indices de viscosité sont élevés (VI = 120 à plus de 200 avec 140 comme valeur moyenne). Ils sont peu volatils, possèdent un très bon pouvoir solvant et des propriétés lubrifiantes naturelles élevées. Mais il faut noter quelques inconvénients tels qu’une grande sensibilité à l’hydrolyse (commune à tous les produits à fonction ester), des caractéristiques de moussage et de désémulsion médiocres, l’attaque de certains élastomères, plastiques et peintures, et une limitation de l’efficacité des additifs à action de surface tels que les antiusures, à cause du trop fort pouvoir solvant de ce type d’huile de base qui, en séquestrant les additifs au sein du liquide, les gêne pour jouer leur rôle sur les surfaces métalliques. 1.3.2.2 Esters de néopolyols Ils ont supplanté en aéronautique les produits précédents, d’où leur désignation d’esters de type II ou de deuxième génération, à cause de leur plus grande stabilité thermique. Ils sont également de plus en plus utilisés en lubrification automobile et industrielle pour les mêmes applications que les diesters. Ils sont préparés en estérifiant des polyols avec des monoacides. Les principaux polyols utilisés possèdent une structure néopentylique qui est très ramifiée et très compacte, d’où le nom d’ester encombré (hindered ester ) donné aussi à ce type de produit. Ce sont, par exemple, le pentaérythritol (PE), le néopentylglycol (NPG), le triméthylolpropane (TMP). Les monoacides sont soit des acides naturels dérivés des corps gras, soit des acides synthétiques linéaires. Les esters de polyols ont des indices de viscosité moins élevés que les esters de diacides en raison de leur structure très ramifiée (VI = 90 à 180). En revanche, la structure néopentylique leur confère une plus grande stabilité thermique et une meilleure résistance à l’oxydation. Leurs propriétés à basse température (viscosité, point d’écoulement) et leur pouvoir lubrifiant sont quelque peu inférieurs à ceux des diesters. Les diesters et les esters de polyols sont des produits relativement fluides, leur viscosité cinématique à 100 oC étant, pour la majorité d’entre eux, comprise entre 2 et 8 mm2/s. 1.3.2.3 Esters complexes Plus visqueux (jusqu’à 65 mm2/s à 100 oC) et moins volatils que les précédents, ils sont utilisés soit pour épaissir les esters fluides, soit pour renforcer le pouvoir lubrifiant d’huiles synthétiques ou semi-synthétiques. Il existe plusieurs types de structure possibles puisqu’ils résultent de la combinaison de polyacides et de polyols avec blocage des chaînes terminales par des monoacides ou des monoalcools. Les esters complexes les plus fréquemment rencontrés sont des esters de néopolyols. 1.3.2.4 Esters polymères ou polyesters Il s’agit d’esters très visqueux qui sont en réalité des copolymères (cooligomères) d’esters et d’α-oléfines. Leur viscosité peut varier de 17 à 450 mm2/s à 100 oC, leur indice de viscosité, croissant avec la viscosité, varie de 135 à 200, leur point d’écoulement est de l’ordre de – 20 à – 30 oC, leur volatilité est négligeable et leurs propriétés lubrifiantes (propriétés antiusure et coefficient de frottement) sont très bonnes. 1.3.2.5 Triesters aromatiques Les principaux triesters aromatiques sont les phtalates et les trimellitates utilisés en lubrification industrielle pour les compresseurs d’air alternatifs, notamment à cause de leur très bonne stabilité thermique et leur faible volatilité. 1.3.3 Polyglycols Le terme polyglycol s’applique à une famille de polymères linéaires fabriqués à partir d’oxyde d’éthylène ou de propylène. Les polyglycols dérivés de l’oxyde d’éthylène sont solubles dans l’eau mais insolubles dans les huiles minérales, tandis que ceux fabriqués à partir de l’oxyde de propylène sont insolubles dans l’eau et peu solubles dans les huiles minérales. Il existe des polyglycols mixtes préparés à partir de mélanges d’oxydes d’éthylène et de propylène qui possèdent des propriétés intermédiaires. Les polyglycols et leurs dérivés sont utilisés pour la préparation des liquides de freins automobiles, des liquides de refroidissement de moteurs, de certains lubrifiants industriels tels que les fluides hydrauliques résistant au feu de type HFC (désignation normalisée ISO), de certains lubrifiants de coupe aqueux, des lubrifiants pour réducteurs à roue et vis sans fin, des lubrifiants pour compresseurs de gaz hydrocarbures et de certaines huiles pour moteurs et pour transmission de véhicules de compétition. D’une manière générale, ces produits possèdent un bon pouvoir lubrifiant, un indice de viscosité élevé à très élevé, un bas point d’écoulement, un pouvoir réfrigérant supérieur à celui des huiles minérales, une faible tendance à la formation de dépôts carbonés à haute température. De plus, ils sont peu toxiques et biodégradables s’ils contiennent une forte proportion d’oxyde d’éthylène. En revanche, leur affinité pour l’eau (solubilité pour certains et hydroscopicité pour les autres) peut entraîner des corrosions de métaux ferreux. Ils attaquent certains matériaux de joints, surtout acryliques, les peintures et les vernis classiques. Leur immiscibilité aux huiles minérales nécessite des précautions lors de leur mise en œuvre sur du matériel ayant déjà fonctionné avec des huiles à base minérale ou lors des appoints d’huiles neuves. 1.3.4 Esters phosphoriques Appelés aussi esters phosphates, ce sont des esters de l’acide phosphorique et d’alkyles et/ou d’aryles. Outre leur emploi comme additifs antiusure de type TCP (tricrésylphosphate), ils sont utilisés comme fluides hydrauliques difficilement inflammables à cause de leur bonne résistance au feu, de leur très haute température d’auto-inflammation (550 à 600 oC), de leur très bon pouvoir lubrifiant et de leur faible volatilité. Cependant, ils sont en concurrence avec des fluides hydrauliques beaucoup moins inflammables comme les fluides hydrauliques aqueux du type HFC. Certains constituants ou produits de dégradation sont irritants, toxiques et même neurotoxiques. De plus, leur structure ester les rend hydrolysables, et ils sont incompatibles avec les élastomères des joints et les peintures classiques. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 5 341 − 7 LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ 1.3.5 Dérivés siliciés Deux grandes familles de lubrifiants synthétiques appartiennent aux dérivés siliciés : les silicones, d’une part, et les esters siliciques, d’autre part. 1.3.7 Composés organiques halogénés 1.3.5.1 Silicones Les huiles silicones ou polysiloxanes se distinguent par leur très grande stabilité thermique, leurs excellentes caractéristiques viscosité-température (VI jusqu’à 400) et leur très bas point d’écoulement (– 70 à – 40 oC). Leur grande inertie chimique les rend utilisables dans un large domaine de températures (pratiquement de – 70 o C à + 250 o C et, exceptionnellement pendant de courtes durées, jusqu’à 320 et même 360 oC). Il faut noter leur faible pouvoir lubrifiant vis-à-vis des métaux (surtout acier/acier) dû à leur très faible adhésivité physique et à l’absence de réactivité vis-à-vis des métaux. Ils sont difficiles à améliorer de ce point de vue car les additifs classiques (antiusure, extrême-pression) sont soit insolubles, soit inefficaces. Leur prix est élevé (10 à 15 fois celui des huiles minérales). Remarque : les propriétés lubrifiantes des silicones sont en revanche très bonnes vis-à-vis des surfaces en plastique ou en élastomère (agent de démoulage). Ces caractéristiques s’appliquent aux silicones ordinaires ou polydiméthylsiloxanes. Le pouvoir lubrifiant de ces produits peut être amélioré de plusieurs manières : — greffage de groupements aromatiques (silicones phénylés ou polyméthylphénylsiloxanes) : ces produits possèdent une stabilité thermique supérieure aux silicones ordinaires. Leur tension superficielle est augmentée mais leur indice de viscosité est diminué. Leur prix est très élevé (50 à 70 fois celui des huiles minérales) ; — introduction de chlore (silicones chlorés ou chlorophénylés ou polyméthylchlorophénylsiloxanes) : cela améliore leur pouvoir lubrifiant tout en conservant leur stabilité thermique ; mais leur prix beaucoup plus élevé limite leur emploi ; — introduction de fluor (silicones fluorés ou fluorosilicones, comme par exemple les polytrifluoropropylméthylsiloxanes) : comparables du point de vue du pouvoir lubrifiant aux huiles minérales, ils sont très stables thermiquement, mais malheureusement excessivement chers (700 fois le prix des huiles minérales). Les huiles silicones sont utilisées sous forme d’huiles ou de graisses pour des applications spéciales, lorsque les températures sont extrêmes, en présence d’agents chimiques ou de solvants, dans l’industrie alimentaire pour certaines d’entre elles et pour des applications dans les industries électriques et électroniques (produits isolants et hydrophobes). 1.3.5.2 Esters siliciques Les esters siliciques, ou silicates esters, sont des esters d’acides orthosiliciques ou disiliciques. Dénués de bonnes propriétés lubrifiantes et sensibles à l’hydrolyse (fonction ester), ils sont surtout utilisés comme fluide hydraulique pour l’aviation supersonique (fluide M2V de Concorde, par exemple), ainsi que pour la fabrication de lubrifiants spéciaux et de liquides de freins pour véhicules de compétition. 1.3.6 Polyphényléther(s) De nombreuses structures ont été synthétisées dès 1955 pour les besoins de l’US Air Force. Un seul produit est actuellement disponible : le pentaphényléther de Monsanto (désigné Santovac 5 ou OS 124 ). C’est un des lubrifiants les plus thermostables. Il présente une excellente résistance aux radiations, aux agents chimiques ainsi qu’à l’hydrolyse, et possède de très faibles volatilité et tension de vapeur, un point d’auto-inflammation voisin de 600 oC et des propriétés lubrifiantes comparables à celles des huiles minérales. Ce produit pourrait constituer un lubrifiant exceptionnel, malheureusement son point d’écoulement (+ 5 oC) et son prix excessivement élevé (1 000 à 2 000 fois celui des huiles minérales) font qu’il est BM 5 341 − 8 réservé à des applications militaires ou nucléaires ainsi qu’à la lubrification des pompes à vide très poussé. Ce produit peut être fludifié par des solvants chlorés comme le trichloréthylène ou le 1, 1, 1-trichloréthane. Ce sont des composés chlorés, fluorés ou chlorofluorés. 1.3.7.1 Composés chlorés Les diphényles chlorés ou polychlorobiphényles (PCB) sont désignés par le terme générique d’Askarel ou par leurs marques commerciales (Pyralène, Arochlor, Chlorophen, etc.). Dans le passé, leurs excellentes propriétés de résistance au feu et diélectriques les ont fait largement utiliser comme fluides isolants dans les transformateurs et, plus rarement, comme fluides hydrauliques de sécurité (industrie minière en Allemagne). Aujourd’hui, les risques de formation de dioxines et de furanes lors de leur exposition à de très hautes températures les ont écartés de ces applications. Des produits de remplacement moins toxiques sont en cours de développement. 1.3.7.2 Composés fluorés ■ Fluorocarbones ou fluorocarbures Ils possèdent une excellente résistance à la température, mais ont des propriétés lubrifiantes déplorables qui limitent leur utilisation aux seuls fluides caloporteurs pour des applications très spécifiques. ■ Perfluoropolyéthers (PFPE) Ils sont également appelés polyéthers perfluoroalkylés ou simplement perfluoroéthers. Si ce n’était leur prix très élevé (500 à 1 000 fois celui des huiles minérales), ils seraient, de loin, les meilleurs lubrifiants liquides utilisables entre – 70 et + 300 oC. Ils sont actuellement synthétisés par Du Pont de Nemours sous la marque Krytox , et par la division Montefluos de Montedison sous les désignations Fomblin Y (perfluoropropylpolyéthers) et Fomblin Z (perfluoroéthylpolyéthers), plus performants que les précédents. Leur stabilité thermique et leur résistance à l’oxydation sont exceptionnelles, de même que leur résistance au feu (complètement ininflammables). Ils présentent une très grande inertie chimique vis-à-vis de l’oxygène, des halogènes, des acides, des bases, etc. Ils sont dotés d’un très bon pouvoir lubrifiant, d’une excellente résistance à l’hydrolyse, d’une très faible tension de vapeur qui peut encore être améliorée par distillation (série Fomblin VAC ). Ils présentent également un bas point d’écoulement (– 30 à – 60 oC, et même – 90 oC pour Fomblin série Z ), une bonne compatibilité avec les matériaux plastiques, les élastomères et les métaux et une bonne résistance aux radiations (inférieure cependant à celle du polyphényléther). Leur masse volumique élevée (1,9 à 2 kg/dm3) augmente le prix de la charge d’huile. Leurs utilisations sont très variées, mais limitées à des applications stratégiques ou exceptionnellement sévères comme, par exemple, la lubrification en milieu agressif très chaud, en milieu corrosif ou réactif, en présence de chlore, d’acide, etc., la lubrification des compresseurs de gaz réactif (O2), la lubrification en présence d’oxygène liquide (pompes en sidérurgie), la lubrification de pompes à vide à diffusion, des matériels d’enregistrement et informatiques, la préparation de graisses spéciales (haute température, vide, radiations) épaissies par du PTFE ou par de la silice colloïdale et la formulation de fluides hydrauliques non inflammables. 1.3.7.3 Composés chlorofluorés Les polychlorofluorocarbones sont en fait exclusivement des polychlorotrifluoroéthylènes. Ils possèdent une plus faible stabilité thermique que les fluorocarbures et sont (ou ont été) commercialisés sous la désignation Voltalef d’Atochem en France, Fluorolube, Kel-F, Halocarbon aux États-Unis. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS Malgré un ensemble de propriétés intéressantes (stabilité thermique jusqu’à 260 oC, inertie chimique, propriétés antiusure et extrême-pression sous charges élevées, bonne résistance au feu), ils sont supplantés par les perfluoropolyéthers (PFPE), à cause notamment de leur prix élevé, d’indices de viscosité bas ou négatifs et d’une certaine volatilité avec décomposition thermique en produits toxiques. 2. Graisses lubrifiantes Une graisse lubrifiante est un produit de consistance semi-fluide obtenue par dispersion d’un agent épaississant ou gélifiant dans une huile lubrifiante minérale ou synthétique, et pouvant comporter divers additifs destinés à lui conférer des propriétés particulières selon les applications visées. Une illustration souvent évoquée de la structure d’une graisse à savon métallique est celle d’une éponge imbibée de liquide. Bien que certains savons et autres agents gélifiants possèdent naturellement un pouvoir lubrifiant, c’est l’huile qui assure la fonction principale de lubrification par exsudation et alimentation du film d’huile. Certains produits constitués d’un solide pulvérulent dispersé dans une huile, généralement désignés pâtes lubrifiantes, sont dans la pratique considérés comme des graisses. Les graisses lubrifiantes sont utilisées de préférence aux huiles lorsque la quantité de chaleur à éliminer du mécanisme à lubrifier est faible (faible vitesse de glissement, même sous forte charge, vitesse moyenne mais charge modérée, etc.). En effet, de par sa consistance, la graisse reste en place dans le contact même à l’arrêt, et évite ainsi l’utilisation de circuits de lubrifiant compliqués et onéreux tout en protégeant bien les surfaces frottantes des agressions du milieu extérieur (rouille, corrosion, abrasion par les poussières, etc.). Elle contribue aussi à l’étanchéité des mécanismes et permet de simplifier la conception des joints. Grâce à cela, elle facilite les possibilités de graissage à vie de nombreux organes (roulements, articulations, câbleries, etc.). nelles pour l’automobile, à cause notamment de leur très bonne résistance au cisaillement ; — les graisses à savon de calcium (≈ 8 %, en régression) qui existent sous forme hydratée pour des applications peu sévères et sous forme anhydre pour des applications à plus haute température ; moins performantes que les graisses au lithium, elles présentent cependant l’avantage d’un excellent comportement en présence d’eau et d’un plus faible prix ; — les graisses à savon d’aluminium (< 0,5 %) qui ne conviennent pas pour la lubrification des roulements car elles sont trop cisaillables, mais trouvent quelques applications (articulations, pivots, engrenages nus, etc.) grâce à leur qualité d’adhérence et de tenue à l’eau ; — les graisses à savon de sodium qui ne sont plus guère utilisées, à cause notamment de leur sensibilité à l’eau. Les avantages et les inconvénients de ces graisses à savon simple sont résumés dans le tableau 3. (0) Tableau 3 – Comparaison des graisses à savon simple Type de savon Lithium ● Calcium hydraté ● Calcium anhydre ● Aluminium ● Sodium ● 2.1 Agents épaississants L’agent épaississant constitue la phase solide dispersée de la graisse. De nature organométallique, organique ou minérale, il se présente soit comme un enchevêtrement de fibres (et forme alors un réseau tridimensionnel appelé gélifiant), soit comme une dispersion de solides pulvérulents. La consistance et la stabilité structurale de la graisse dépendent de la nature et de la concentration de l’agent épaississant qui est comprise entre 5 et 40 %. En ne tenant compte que de la nature chimique de l’agent épaississant, les principaux types de graisses sont les suivants. 2.1.1 Graisses à savons 2.1.1.1 Graisses à savons métalliques simples ou graisses conventionnelles La plupart des graisses de bonne qualité sont obtenues par réaction d’un hydroxyde métallique (de lithium, de calcium, de sodium) ou, dans le cas des savons d’aluminium, de l’alcoolate d’aluminium, avec un acide gras dont le plus utilisé est l’acide 12-hydroxystéarique. D’autres graisses moins onéreuses, de qualité inférieure et destinées à des applications peu sévères, sont préparées par réaction d’un corps gras naturel avec un acide gras qui est souvent l’acide stéarique ou l’acide oléique. Les principales graisses à savons métalliques simples sont, par ordre d’utilisation décroissante : — les graisses à savon de lithium (40 à 50 %), qui constituent l’essentiel des graisses à roulements et des graisses multifonction- Avantages Bonne résistance à l’eau et au cisaillement ● Point de goutte environ 190 oC Inconvénients ● Stables jusqu’à 140 oC o Résistance à l’eau ● Limités à 60-70 C (au-delà, l’eau de Peu onéreux stabilisation s’évapore) ● Point de goutte environ 100 oC ● Bon pouvoir lubrifiant ● Bonne résistance à l’eau et au cisaillement ● Point de goutte environ 145 oC ● Bon pouvoir lubrifiant ● Limités à 120-130 oC Bonne résistance ● Pas compatibles à l’eau avec les autres savons ● Bonne adhérence ● Résistance médiocre naturelle au cisaillement ● Point de goutte environ o 120 C Structure fibreuse Peu onéreux ● Point de goutte supérieur à 150 oC ● Solubles à l’eau ● 2.1.1.2 Graisses à savons métalliques mixtes Ces savons proviennent de la réaction d’un acide gras, généralement l’acide 12-hydroxystéarique, sur un mélange de deux bases, pratiquement toujours les hydroxydes de calcium et de lithium et en aucun cas d’un mélange de graisses à savons simples correspondant à ces métaux. Certaines graisses mixtes au lithium-calcium représentent un compromis technico-économique entre les graisses simples correspondantes : assez bonne résistance au cisaillement mécanique, bonne tenue à l’eau, température maximale d’utilisation intermédiaire. Elles sont utilisées en tant que graisses multiusages pour l’automobile. 2.1.1.3 Graisses à savons métalliques complexes Ces savons sont préparés par réaction d’une base métallique (hydroxyde de calcium, de lithium ou alcoolate d’aluminium) sur un mélange de deux acides organiques (l’un à longue chaîne, l’autre à courte chaîne) dans des proportions variables permettant de moduler les propriétés et les performances des graisses obtenues. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 5 341 − 9 LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ L’avantage de ces savons complexes est de posséder un point de fusion (point de goutte ) très élevé (supérieur à 250 oC), ce qui permet leur utilisation jusqu’à des températures de 150 oC en continu et 180 oC en pointe. Ils résistent bien au cisaillement mécanique et offrent une bonne protection antirouille, ce qui permet la confection de graisses haute température multiusages. Cependant, celles-ci ont tendance à durcir lors de stockages prolongés, et de conduire parfois à des difficultés de lubrification à basse température (ressuage insuffisant). Les plus utilisées sont les graisses à savon de lithium complexe (≈ 22 % du marché mondial). Celles à base de savon de calcium complexe sont en général en régression (4 à 5 %), sans doute à cause de leur incompatibilité avec la plupart des autres graisses. Les graisses à base de savon d’aluminium complexe sont moins utilisées en Europe qu’aux États-Unis. Certains fabricants de graisses proposent des graisses à savon complexe de baryum pour leur bon comportement sous charges très élevées et leur bonne tenue à l’eau et surtout à la vapeur. Les avantages et inconvénients des différentes graisses à savon complexe sont rassemblés dans le tableau 4. (0) Tableau 4 – Comparaison des graisses à savon complexe Type de savon Lithium complexe Calcium complexe Avantages ● ● Bon comportement général ● Bonnes propriétés antiusure et extrême-pression ● Prix moyen ● Point de goutte supérieur à 300 oC ● ● Fabrication délicate Prix assez élevé Durcit avec la température Tend à durcir au stockage ● Incompatible avec les autres savons simples et complexes ● Aluminium ● Excellente résistance complexe à l’eau ● Bonne pompabilité ● Prix faible ● Point de goutte supérieur à 250 oC ● Baryum complexe ● ● Résiste à des charges élevées ● Bonne résistance à l’eau et à la vapeur ● Point de goutte supérieur à 260 oC Incompatible avec les autres savons simples et complexes Prix élevé Métal lourd (toxicité) ● Incompatible avec les autres savons simples et complexes ● 2.1.2 Graisses sans savon Les autres agents épaississants servant à la préparation des graisses dites sans savon ou infusibles, dont le point de goutte excède généralement 260 oC, sont, de ce fait, employées le plus souvent pour des applications à haute température. Rarement utilisées en lubrification automobile, ces graisses sont surtout réservées à des applications industrielles spécifiques. Les principales graisses entrant dans cette catégorie sont les suivantes. Les graisses à base de silico-aluminates (argiles), comme les bentonites, rendues oléophiles par un traitement chimique approprié (formation d’un sel d’ammonium quaternaire) sont infusibles et présentent une très bonne résistance à l’oxydation. Les graisses à base de polyurées aromatiques sont utilisées pour la préparation de graisses à point de goutte élevé pour les appli- BM 5 341 − 10 Il existe par ailleurs d’autres types d’agents gélifiants thermostables tels que, par exemple, le graphite, le noir de carbone (carbon black ), le polytétrafluoroéthylène (PTFE), certains alkylarylsulfonates de calcium hyperbasiques modifiés, les téréphtalamates de sodium, les pigments colorés tels que la phtalocyanine de cuivre (couleur bleue) et l’indanthrène (jaune). Ces derniers, malgré des propriétés thermiques intéressantes, ont l’inconvénient de tacher l’ensemble de l’atelier et, de ce fait, ne sont plus guère employées. Les avantages et les inconvénients des trois principales graisses sans savon sont donnés dans le tableau 5. (0) Tableau 5 – Comparaison des trois principales graisses sans savon Inconvénients Stables jusqu’à 150-160 oC ● Bonne résistance à l’eau et au travail mécanique ● Point de goutte supérieur à 250 oC ● cations à haute température, du fait de leur excellente résistance à l’oxydation. Dotées de bonnes propriétés lubrifiantes, les graisses à base polyurée résistent bien à l’eau et à la vapeur d’eau. En revanche, elles sont onéreuses et de fabrication délicate en raison du caractère dangereux d’un des produits utilisés pour leur préparation. Les graisses à base de silice colloïdale (gel de silice), généralement rendues hydrophobes à l’aide de composés polaires, présentent l’avantage de posséder une plage d’utilisation s’échelonnant entre – 50 oC et de très hautes températures selon la nature de l’huile de base et des additifs qui lui sont associés. Agent épaississant Bentonite Avantages Inconvénients Pas de point de goutte Additivation délicate Faible tenue au cisaillement mécanique ● Inadaptées aux vitesses élevées ● ● ● Silice colloïdale ● Pas de point de goutte ● Fabrication aisée ● Faible stabilité au cisaillement mécanique ● Pouvoir lubrifiant médiocre Polyurée aromatique ● Excellente stabilité thermique (supérieure à celle des savons complexes) ● Bonne résistance à l’eau ● Bonne résistance aux vibrations Coût élevé Fabrication très délicate (toxicité) ● Couple de frottement élevé ● ● 2.2 Huiles de base lubrifiantes La fonction lubrifiante d’une graisse exempte de lubrifiants solides est assurée principalement par l’huile, qui représente entre 80 et 95 % de la masse de la graisse. Le choix de la viscosité de l’huile de base dépend : — des conditions d’utilisation de la graisse : faible viscosité pour grande vitesse et basse température, viscosité élevée pour forte charge, faible vitesse, présence d’eau, haute température ou stockage prolongé ; — du taux désiré du ressuage de l’huile, nécessaire à la bonne alimentation du film lubrifiant. En effet, le ressuage diminue, au risque même de devenir insuffisant, lorsque la viscosité croît. De plus, pour maintenir en service les caractéristiques de la graisse, les huiles sont choisies pour être les moins volatiles et les moins oxydables possibles. Dans le domaine de l’automobile et de l’industrie, la grande majorité des graisses sont à base d’huiles minérales, mais on rencontre de plus en plus des graisses à base d’huiles de synthèse pour Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS répondre à des exigences particulières telles que les hautes et les basses températures d’utilisation. Les principales huiles entrant dans la composition des graisses sont comparées dans le tableau 6. à l’utilisation des huiles minérales paraffiniques, ce qui a obligé les fabricants à reformuler leurs graisses pour tenir compte de leur moindre pouvoir solvant. Cependant, les bases naphténiques restent préférées aux bases paraffiniques pour la formulation des graisses destinées aux applications à basses températures et des graisses pour les systèmes de graissage centralisés (meilleure pompabilité). 2.2.1 Huiles minérales Les huiles minérales, issues du raffinage des bruts paraffiniques ou naphténiques, sont, de très loin, les plus utilisées car elles apportent le meilleur compromis performances-prix pour la plupart des applications courantes. Pour des raisons de facilités de fabrication liées à leur bon pouvoir solvant vis-à-vis des savons, les huiles naphténiques furent traditionnellement les plus utilisées dans le passé mais, actuellement, ces bases étant toutes importées donc plus chères, la tendance est 2.2.2 Huiles de synthèse L’utilisation de bases synthétiques n’a d’intérêt que lorsque l’agent épaississant ne limite pas les avantages de ces lubrifiants. Il convient aussi de préciser que tous les fluides de synthèse ne sont pas compatibles avec tous les épaississants ; l’utilisation d’agents modificateurs de structure peut, dans certains cas, améliorer cette compatibilité. (0) Tableau 6 – Comparaison des huiles de base entrant dans la composition des graisses Huiles de base Avantages Huiles minérales ● ● ● ● Polyalphaoléfines (PAO) ● ● ● ● ● Esters ● ● ● ● ● Dialkylbenzène (DAB) ● ● ● Inconvénients Faible prix Large gamme de viscosité Bon pouvoir lubrifiant Compatibilité avec épaississants et additifs Températures d’emploi limitées (de – 20 oC pour les paraffiniques jusqu’à 120 à 160 oC selon viscosité) o ● Oxydation à partir de 120 à 160 C Bonne résistance à la thermo-oxydation Fluidité à basses températures (– 50 oC) Faible volatilité Indice de viscosité élevé Compatibles avec huiles minérales et esters ● Fluidité à basses températures (– 60 oC) Très bon pouvoir lubrifiant Bonne stabilité thermique Bonne solubilité des épaississants et additifs Compatibles avec huiles minérales, PAO, PAG Fluidité à basses températures (– 40 oC) Prix moyen Bonne solubilité des savons et des additifs ● ● ● Surtout disponibles en qualité fluide Attaque de certains élastomères, plastiques et peintures Grande diversité de structures nécessitant une sélection rigoureuse ● Prix élevé ● ● ● ● ● ● ● Polyalkylèneglycols (PAG) ● ● ● ● Silicones ● ● ● ● ● ● Perfluoropolyéthers (PFPE) ● ● ● ● ● Polyphényléthers (PPE) ● ● ● ● Solubilité limitée des épaississants et des additifs (1) Pouvoir lubrifiant moyen (1) Prix relativement élevé Très bon pouvoir lubrifiant Bon comportement à chaud (peu de dépôts) Indice de viscosité très élevé Bas point d’écoulement (– 20 à – 50 oC) ● Très haute stabilité thermique Excellent indice de viscosité Fluidité à basses températures (jusqu’à – 70 oC) Grande inertie chimique Faible volatilité Non toxique ● Excellente résistance à la thermo-oxydation Ininflammable Inertie chimique exceptionnelle Très bon pouvoir lubrifiant Faible volatilité ● Excellente résistance à la thermo-oxydation Très bonne résistance aux agents chimiques Bon pouvoir lubrifiant Faible volatilité ● Gamme de viscosité réduite Volatilité élevée Attaque de certains élastomères et peintures Pouvoir lubrifiant limité Affinité pour l’eau Attaque de certains élastomères et peintures ● Non miscible avec huiles minérales, PAO et nombreux additifs ● Prix relativement élevé ● ● ● ● ● ● ● ● Très faible pouvoir lubrifiant vis-à-vis des métaux Prix élevé à très élevé Incompatible avec la plupart des autres huiles et additifs Prix extrêmement élevé Masse volumique élevée (≈ 1,9 kg/dm3) Incompatible avec la plupart des autres huiles et additifs Risque de corrosion et de toxicité Prix exceptionnellement élevé Peu disponible sur le marché (un seul fabricant) Point d’écoulement très haut (+ 5 oC) (1) défauts corrigés par addition d’esters Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 5 341 − 11 LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ 2.3 Additifs 3.1.1 Lubrifiants solides en poudre Les additifs entrant dans la composition des graisses peuvent être solubles dans l’huile ou insolubles (lubrifiants solides). Ils sont, le plus souvent, de même nature que ceux utilisés dans les huiles lubrifiantes, mais on y ajoute certains additifs spécifiques tels que des agents d’adhérence (ou agents filants ), des modificateurs de structure, des colorants, des masques d’odeurs, etc. Les additifs solubles sont essentiellement des additifs antioxydants (phénoliques et aminés), des additifs antirouille et anticorrosifs (sulfonates, phosphates d’amines, dérivés du benzotriazole, etc.), des additifs extrême-pression et antiusure (composés soufrés, phosphorés et phospho-soufrés), des additifs abaisseurs de point d’écoulement (polyméthacrylates), des agents d’adhérence (polyisobutènes), des réducteurs et des modificateurs de frottement (corps gras et dérivés, phosphates d’amine, acides gras, etc.). Des additifs modificateurs de structure tels que l’eau, les glycols, la glycérine, etc., sont souvent utilisés lors de la fabrication de la graisse pour rigidifier et stabiliser le réseau de savon. Les produits d’addition insolubles sont considérés comme additifs améliorant le pouvoir lubrifiant lorsque, utilisés à faible teneur (quelques pour-cent), ils s’ajoutent à l’agent épaississant. Il s’agit, par ordre d’importance, du bisulfure de molybdène, du graphite et, plus rarement, du PTFE. Ils sont considérés comme agents épaississants pour des teneurs très supérieures (20 à 60 %) et sont, dans l’ordre de fréquence d’utilisation, le graphite, le noir de carbone et le PTFE. L’utilisation de ces lubrifiants sous forme de poudre est extrêmement limitée, elle ne concerne pratiquement que l’application de bisulfure de molybdène très filmogène sur des surfaces préparées à cet effet par frottement au cuir, par bufflage et au tonneau. 3. Lubrifiants solides Ce sont des composés solides facilement cisaillables par frottement, du fait : — d’une structure lamellaire : graphite, bisulfure de molybdène (MoS2 ), fluorure de graphique (CFx ), nitrure de bore (BN), etc. ; — d’une structure polymérique à longue chaîne droite orientée : polytétrafluoroéthylène (PTFE), polyamides, polyacétals, polyimides, etc. ; — d’une faible dureté ; métaux mous comme le plomb, l’étain, l’argent, l’indium ou leurs alliages. Les produits les plus utilisés sont le graphite, le bisulfure de molybdène et le PTFE. Les lubrifiants solides sont utilisés soit seuls, en substitution des graisses (lubrification sèche), soit associés aux lubrifiants conventionnels pour améliorer leurs performances en régime de lubrification limite ou assurer une lubrification temporaire de secours en cas de défaillance accidentelle du système de graissage. Ils ne peuvent être utilisés seuls à la place d’un lubrifiant liquide puisqu’ils ne permettent pas l’élimination des calories et donnent lieu à des coefficients de frottement plus élevés (0,03 à 0,3). Ils ne devraient donc être utilisés seuls que dans le cas de fonctionnement à faible vitesse de glissement, mais sous des charges et à des températures pouvant être très élevées. Pour certaines applications (aérospatiale, nucléaire, cryogénique, etc.), il n’y a pas d’alternative à l’utilisation de certains de ces produits du fait de leur tenue sous vide, en présence de radiations, à très basses ou très hautes températures, etc. 3.1 Mise en œuvre des lubrifiants solides Les lubrifiants solides sont mis en œuvre sous forme de poudres, de dispersions dans un fluide (huile, eau, solvant), dans les graisses et pâtes lubrifiantes, sous forme de vernis de glissement et de matériaux composites autolubrifiants. BM 5 341 − 12 3.1.2 Dispersions de lubrifiants solides Il existe trois types de dispersions de lubrifiants solides dans un fluide selon l’objectif visé. 3.1.2.1 Dispersions de petites quantités de lubrifiants solides Dans ce cas, le bisulfure de molybdène et/ou le graphite sont destinés à améliorer les propriétés lubrifiantes en régime limite de lubrifiants liquides traditionnels tels que les huiles de transmissions, les lubrifiants pour réducteurs lents et chargés et, quelquefois, les huiles pour moteurs (à très faible teneur). Ils ne présentent alors de l’intérêt qu’en cas de conditions de lubrification critiques : surchauffe, défaillance dans l’alimentation du film de lubrifiant, démarrage et arrêt des mécanismes. L’incorporation de lubrifiants solides dans une huile de graissage doit être faite par le formulateur et non par l’utilisateur, à cause de risques sérieux de floculation et d’antagonisme avec les autres constituants du produit. 3.1.2.2 Dispersions de lubrifiants à forte teneur dans un fluide (eau, huile fluide, solvant volatil) Elles sont utilisées pour la lubrification lors d’opérations de formage à chaud et à froid de métaux (forgeage, extrusion, emboutissage profond, etc.) ou pour la lubrification à haute température de galets, chaînes, paliers, articulations fonctionnant dans des fours, étuves de séchage, installations de verrerie, etc. Dans ce cas, le fluide sert de véhicule et s’évapore en laissant en place un film sec autolubrifiant. L’application de ces produits peut être réalisée au trempé, par enduction au pinceau ou à la brosse, au pistolet, à l’aide d’un générateur d’aérosol ou par électrodéposition. 3.1.2.3 Dispersions de lubrifiants solides dans les graisses Elles ont été examinées au paragraphe 2 ; cependant, des dispersions à haute teneur en lubrifiants solides dans des huiles sont utilisées comme pâtes d’assemblage et de montage pour le prétraitement de surfaces destinées à être emmanchées à force, vissées, ou pour faciliter le rodage de surfaces frottantes et, dans le cas d’assemblages fixes, leur démontage (pâtes antigrippantes). Ces pâtes, outre des lubrifiants solides comme le graphite, le bisulfure de molybdène et le PTFE, contiennent des métaux mous ou des oxydes métalliques en poudre (cuivre, zinc, plomb, oxyde de plomb, de zinc, etc.), des additifs extrême-pression très actifs et des additifs antirouille. 3.1.3 Vernis de glissement Les vernis de glissement, encore appelés feuils, sont des dispersions de lubrifiants solides dans une matrice, ou liant, qui peut être organique ou inorganique et peut comporter des additifs anticorrosion. Ce sont, en quelque sorte, des peintures dans lesquelles les pigments colorés seraient remplacés par des poudres de lubrifiants solides (figure 2). Comme les peintures, ils sont mis en œuvre par trempé, par enduction au pinceau, à la brosse ou au rouleau, par pulvérisation au pistolet ou à la bombe aérosol, ou par électrodéposition sur une surface qui doit être très propre, donc soigneusement dégraissée, et présenter une certaine rugosité pour mieux accrocher le film. Cela est obtenu par grenaillage ou microbillage ainsi que par des traitements chimiques de conversion qui rendent la surface poreuse et constituent de bonnes couches de liaison. La Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS phosphatation pour métaux ferreux, l’anodisation pour les alliages d’aluminium et de titane, l’oxalatation pour les métaux cuivreux et les aciers inoxydables, le bichromatage pour les alliages de magnésium sont les traitements les plus employés. Il existe deux grandes catégories de vernis de glissement. 3.1.3.1 Vernis à matrices organiques Ces vernis, polymérisables à température ambiante ou à chaud (120 à 250 oC), sont à base de résines acryliques, alkydes, cellulosiques, polyuréthannes pour ceux durcissant à l’air, et de résines phénoliques, époxy, époxy-phénoliques, polyamides, polyimides et silicones phénylées pour ceux durcissant à chaud. Les lubrifiants solides incorporés à ces résines sont essentiellement le graphite, le bisulfure de molybdène (MoS2 ), le polytétrafluoroéthylène (PTFE), le fluorure de graphite (CFx ), le nitrure de bore (BN) ou des mélanges synergiques (tels que graphite + MoS 2 + PTFE ; graphite + CF x ; MoS2 + trioxyde d’antimoine (Sb2O3 ) ; MoS2 + stéarate de lithium, etc.). Certains de ces vernis contiennent, en outre, des additifs inhibiteurs de corrosion comme le phosphite de sodium, le nitrite de sodium, le chlorure staneux, le phosphite de plomb, le trioxyde d’antimoine etc., et des métaux mous en poudre ou en paillettes parmi lesquels on trouve le plomb, l’argent, le cuivre, le bronze, l’étain, le cupro-plomb et différentes compositions de régules. Selon la nature de la résine et selon l’application, les solvants utilisés pour mettre en œuvre les vernis de glissement organiques sont l’eau, les hydrocarbures (naphta, white spirit, etc.), les solvants chlorés (trichloréthane, en régression), les solvants aromatiques (toluène), les cétones, les alcools (alcool isopropylique), les acétates d’éthyle et d’amyle, les solvants chlorofluorés (CFC en voie de disparition) et les solvants fluorés (HFC). L’avantage des vernis de glissement organiques tient à ce qu’ils confèrent, aux surfaces revêtues, une certaine protection contre la corrosion, surtout lorsqu’ils sont thermodurcissables (résines phénoliques, époxy, silicones, polyimides, etc.). 3.1.3.2 Vernis à matrices inorganiques Ils ont pour liants des sels comme les silicates alcalins (de sodium ou de potassium), les phosphates de sodium ou d’aluminium, le borate de sodium, le mélange eutectique de fluorures de calcium et de baryum, des organo-sels comme les titanates de butylpolymère (TBP) ou de butylmonomère (TBM), des verres, des céramiques (émaux) à base d’alumine (Al2O3 ), de carbure de bore (B4C), de nitrure de silicium (Si3N4 ), de carbure de silicium (SiC), de mélange de silice et d’oxyde de plomb (SiO2 /PbO), des cermets comme par exemple [Al2O3 + Cr, Mo], [Cr3C2 + Ni, Cr, Co], [WC + Ni, Fe, Cr, Co], etc. Ils lubrifient moins bien que les vernis organiques au-dessous de 250 oC mais mieux au-dessus puisqu’ils sont utilisables jusque vers 1 100 oC. Les vernis de glissement ont des épaisseurs qui, en général, varient de 5 à 15 µm et dont il faut parfois tenir compte dans les cotes de montage et les tolérances d’ajustement. 3.1.4 Revêtements autolubrifiants préfabriqués sur support Il existe de très nombreux revêtements autolubrifiants composites se présentant sous forme d’un film de 10 à 100 µm d’épaisseur déposé sur un support métallique, généralement un feuillard d’acier. Les pièces terminées se présentent sous forme de bagues, de douilles, de demi-coussinets, de rondelles, de butées, etc. Elles sont fabriquées par découpe et roulage pour les formes cylindriques, à partir de bandes continues. La surface de frottement peut être lisse ou bien comporter des petites indentations circulaires formant des réserves d’huile et permettant aux surfaces de fonctionner sans regraissage durant de longues périodes. Des pièces diverses (cages, bagues, billes et rouleaux de roulements, rotules, engrenages, glissières, vannes, visseries, etc.) peuvent être revêtues par ces films. Les principales technologies existantes sont les suivantes. 3.1.4.1 Couches de bronze, de bronze au plomb ou de régules poreux Elles sont obtenues par frittage sur un support d’acier et imprégnées à cœur de résines autolubrifiantes telles que du PTFE, du polyacétal, du polyéther-éther cétone (PEEK), du polyphénylène-sulfure (PPS). Ces couches peuvent contenir des produits d’addition tels que de fines particules de plomb, de graphite et de PTFE (dans matrice PEEK), etc. (figure 3). 3.1.4.2 Couches de résines autolubrifiantes Elles rassemblent essentiellement le PTFE et les polyimides, mais aussi les polyacétals, les résines phénoliques, vinylphénoliques et époxy, chargées de lubrifiants solides en poudres (graphite, MoS2 , WS2 , WSe2 , etc.) ou en fibres (carbone/graphite, PTFE) et de métaux mous (Pb, Cu, Ag, In, Ga) et peuvent être renforcés avec des fibres de textiles, de verre, de carbone tissées ou non tissées, ou même avec un treillis (grille) en acier, en acier inoxydable ou en cuivre (figure 4). Certaines couches de résines comportent des inclusions d’huile sous forme de microgouttelettes (revêtements Adhésoil ) qui permettent une lubrification liquide en libérant, par usure du liant, une quantité minime d’huile (figure 5). Celle-ci est soit un perfluoropolyéther (PFPE), soit une huile silicone. La matrice est généralement une résine époxy. Figure 3 – Revêtement autolubrifiant préfabriqué sur support Figure 2 – Vernis de glissement Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 5 341 − 13 LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ La troisième catégorie est celle des métaux frittés poreux (Ni, Ag, Ag-Cu, bronze, alliage gallium-indium, Ta, Ta-Mo, Mo-Nb-W, Co, Fe, etc.) imprégnés de résines autolubrifiantes (PTFE notamment) et de lubrifiants solides (MoS2 , WS2 , MoSe2 , NbSe2 , WSe2 , eutectique CaF2 /BaF2 ). Certaines de ces compositions sont destinées à des applications non conventionnelles (très hautes ou très basses températures, vide poussé, radiations, etc.). 3.2 Caractéristiques des principaux lubrifiants solides Les principaux lubrifiants solides sont comparés dans le tableau 7. Figure 4 – Revêtement autolubrifiant préfabriqué sur support avec fibres et armatures de renforcement (exemple revêtement Pydane) 3.2.1 Lubrifiants solides lamellaires 3.2.1.1 Graphite Figure 5 – Revêtement autolubrifiant à inclusions d’huile (revêtement Adhesoil ) Ces produits existent en plusieurs gammes d’épaisseurs : — couches minces (0 à 15 µm) renfermant aussi un lubrifiant solide (MoS2 , PTFE) ; — couches moyennes (20 à 80 µm) constituées uniquement de résine et d’huile ; — couches épaisses (supérieures à 80 µm) incorporant un durcisseur. 3.1.5 Matériaux autolubrifiants massifs Mis en œuvre par moulage ou frittage, ces matériaux autolubrifiants massifs servent à la fabrication de paliers secs, d’engrenages, de joints, de contacts électriques glissants, de cages de roulements, etc. Ils sont souvent en polymères (PTFE, polyamides, polyacétals) purs ou chargés avec des lubrifiants solides (MoS2 par exemple) et/ou des poudres métalliques (Pb, Cu, bronze). Ils peuvent être armés avec des fibres tissées ou non tissées de textiles (coton, polyesters, Nomex), des fibres de verre et des fibres de carbone ou de graphite. Dans le cas de fibres abrasives (verre), lorsque le matériau autolubrifiant s’use, le réseau de fibres de renforcement doit être tel que l’extrémité des fibres n’entre pas en contact avec la surface antagoniste. La deuxième grande catégorie de matériaux massifs autolubrifiants est celle des graphites et des carbones frittés pouvant être imprégnés par des résines ou des métaux (Ag, Cu, Pb). Ils peuvent, en outre, contenir des lubrifiants solides en poudre (MoS2 , PTFE) et être renforcés par des fibres de carbone. BM 5 341 − 14 De couleur gris-noir, le graphite est le plus ancien lubrifiant solide connu. C’est aussi le moins cher et le plus utilisé. Sa structure hexagonale est caractérisée par de fortes liaisons covalentes entre les atomes de carbone d’une même couche mais, en revanche, par une liaison faible, de type Van der Waals, entre les atomes de carbone des couches différentes, d’où une faible résistance au cisaillement entre couches et de bonnes propriétés de frottement. Il existe à l’état naturel, mais présente alors des qualités tribologiques très variables en fonction de son taux de cristallinité carbone graphitisé/carbone amorphe et de sa pureté. Il est également produit par synthèse, avec un haut degré de pureté et de cristallinité, à partir de coke de pétrole. Les propriétés lubrifiantes des graphites peuvent donc varier considérablement d’un échantillon à l’autre et leurs prix s’étager dans un rapport de 1 à 10. Les propriétés antifriction du graphite sont dues à l’adsorption de vapeur d’eau, de gaz tels que CO2 ou d’autres vapeurs condensables entre les couches. Cela explique ses médiocres performances dans le vide, à haute altitude, en ambiance neutre ou très sèche, et explique son utilisation fréquente sous forme de dispersions colloïdales dans l’eau, dans l’huile ou dans des solvants volatils. Sa mise en suspension est d’ailleurs facilitée par une masse volumique de 2 000 à 2 300 kg/m3 seulement. Dans l’air humide, son coefficient de frottement varie de 0,05 (sous forte pression) à 0,20 (sous faible pression) et reste modéré jusque vers 500-550 oC, plage de température à laquelle il commence à s’oxyder. En principe stable thermiquement jusqu’à plus de 2 000 oC en atmosphère neutre, il est utilisable dans l’air depuis – 180 oC jusque vers 450 oC en continu, et même jusqu’à 1 200 oC durant de très courts instants comme dans le cas de la lubrification des outillages de forgeage à chaud. Quoique moins adhérent aux surfaces que le bisulfure de molybdène, il forme par frottement des films qui peuvent supporter des pressions pouvant atteindre 70 MPa à vitesse modérée, mais comme il présente l’avantage de posséder des conductibilités thermique et électrique élevées, il peut être utilisé à plus haute vitesse que les autres lubrifiants solides usuels, car son facteur PV (Pression × Vitesse) se situe vers 700 kN · m–1 · s–1 à l’état massif, mais est multiplié par 10 lorsqu’il est dispersé dans une huile, à cause de l’effet réfrigérant de celle-ci. Sous forme de poudre, les meilleures propriétés lubrifiantes sont obtenues avec des particules de 1 à 40 µm. Au-dessous, et notamment pour des granulométries moyennes de moins de 0,1 µm, le coefficient de frottement remonte car la structure cristalline hexagonale lamellaire du graphite tend alors vers une structure turbostratique moins favorable. Si le graphite se comporte bien en présence d’eau douce, il faut éviter de l’utiliser en présence d’eau de mer car des corrosions galvaniques graves des surfaces peuvent se manifester par effet de pile graphite-métal. (0) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS Tableau 7 – Propriétés des principaux lubrifiants solides Désignation Graphite Bisulfure de molybdène Nitrure de bore Fluorure de graphite Polytétrafluoroéthylène Formule ......................................................... C MoS2 BN CFx (C2F4)n Prix relatif ...................................................... 1 3 20 50 à 60 6 Masse volumique .............................. (kg/m3) 2 000 à 3 000 4 800 à 5 000 2 200 à 2 300 2 650 2 100 à 2 300 Couleur .......................................................... gris-noir gris-noir bleuté blanc crème gris foncé à blanc blanc Coefficient de frottement (f )........................ 0,05 à 0,2 0,02 à 0,2 0,2 à 0,5 0,02 à 0,2 0,02 à 0,1 ➚ ➘➚ ➘ ➘ ........................... ➘ ➙ ➘ ➚ ➘➚ Température maximale d’emploi (en oC) : — dans l’air (1) ...................................... — en atmosphère neutre ...................... 450 (1 200) 2 000 350 (400) 650 à 700 750 (1 200) ........................... 400 (600) 700 250 (300) 300 Température minimale d’emploi ...........(oC) – 180 – 180 250 ........................... – 150 à – 160 Performance : — dans le vide ....................................... — en ambiance humide........................ — en ambiance très oxydante.............. — en présence de radiations................ médiocre excellente limitée bonne excellente mauvaise moyenne bonne non utilisé médiocre bonne bonne (2) bonne bonne bonne bonne (2) excellente excellente très bonne bonne (2) Température d’oxydation dans l’air (en oC) : — lente ................................................... — rapide................................................. 500 à 550 650 350 500 à 550 1 200 3 000 600 ........................... non inflammable Stabilité chimique ........................................ excellente moyenne bonne mais hydrolyse ........................... excellente jusqu’à 450 oC Adhérence aux surfaces, filmabilité ........... moyenne très bonne très faible excellente nulle Capacité de charge (résistance à la pression) ............................................................... très bonne très bonne moyenne excellente limitée Variation des coefficients de frottement : — en fonction de la vitesse .................. — en fonction de la charge................... (1) 1re valeur : service continu ; 2e valeur (entre parenthèses) : service exceptionnel (courte période) (2) bonne en présence de radiations γ mais sensibilité au rayonnement neutronique Les applications du graphite sont nombreuses. Il est utilisé sous forme de dispersions dans l’eau (20 à 30 %), dans les huiles minérales et synthétiques (10 à 40 %), dans des solvants volatils (10 à 20 % dans l’alcool isopropylique ou le white spirit par exemple) pour la lubrification des opérations de déformation plastique à chaud ou à froid (forgeage, tréfilage, étirage, extrusion, etc.), pour le démoulage de nombreux matériaux moulés, pour la lubrification à haute température (chaîne de convoyeur de four), etc. Il sert aussi d’agent épaississant de pâtes et de graisses lubrifiantes spéciales et, à plus faible teneur, il entre comme additif dans la composition de certaines graisses, et on le trouve souvent comme composant de nombreux vernis de glissement, seul ou en association avec d’autres lubrifiants solides. Il est également mis en œuvre sous forme de matériaux massifs autolubrifiants frittés et usinés tels que coussinets, bagues, butées, joints, glissières, etc., et aussi grâce à sa très bonne conductibilité électrique, sous forme de balais et contacts glissants électriques. 3.2.1.2 Bisulfure de molybdène De couleur gris-noir bleuté, le bisulfure de molybdène (MoS2 ) existe à l’état naturel sous forme de molybdénite. Celle-ci est affinée à l’acide fluorhydrique pour éliminer les impuretés abrasives comme la silice. Après le graphite, c’est le lubrifiant solide le plus utilisé grâce à ses remarquables propriétés tribologiques dues à sa structure hexagonale lamellaire constituée de couches d’atomes de molybdène prises en sandwich entre des couches d’atomes de soufre. Les liaisons entre les couches de molybdène et de soufre sont covalentes, donc fortes, alors que celles entre les couches de soufre voisines sont de type Van der Waals, donc faibles, ce qui explique que le cristal peut facilement glisser au niveau des clivages entre les couches de MoS2 . De masse volumique double de celle du graphite (4 800 à 5 000 kg/m3), le bisulfure de molybdène peut être utilisé à l’air de – 180 à + 350 oC environ en continu, et même jusqu’à 400 à 450 oC durant de courtes périodes. En effet, il commence à s’oxyder, d’abord lentement, dès 350 oC, puis plus rapidement à partir de 550 oC pour donner lieu à de l’oxyde molybdique (MoO3 ), qui est un matériau de frottement médiocre, et à du dioxyde de soufre (SO2 ) corrosif. En atmosphère neutre ou réductrice, il est efficace jusqu’à 650 à 700 oC et, contrairement au graphite, il conserve, et même améliore, ses bonnes propriétés de frottement dans le vide poussé jusqu’à 1 100 à 1 300 oC, aussi est-il largement utilisé en ambiance spatiale. En revanche, à l’inverse du graphite, son coefficient de frottement est indépendant de la présence de vapeurs adsorbées et peut même, s’il est très divisé (poudres ultrafines et micronisées) devenir corrosif en ambiance humide et à température ambiante en se transformant en MoO3 et en acide sulfurique H2SO4 . Il adhère beaucoup mieux aux surfaces que le graphite et forme par frottement un film bleu-noir brillant de 0,1 µm d’épaisseur. Il résiste à de très fortes pressions puisque sa capacité de charge dépasse 3 000 MPa, ce qui est supérieur à la limite de plasticité de la plupart des matériaux métalliques. Son coefficient de frottement varie dans d’assez larges proportions, pratiquement entre 0,02 et 0,2 selon la charge, la vitesse, sa pureté et la nature des matériaux des surfaces mais, dans la plupart des applications, il se situe dans la plage 0,04 à 0,09. Il est plus élevé en ambiance humide qu’en ambiance sèche, et diminue lorsque la vitesse et la charge augmentent, ce que l’on explique par un effet de séchage. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 5 341 − 15 LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ Sous très forte énergie (très forte pression, incrustation ou implantation de type sputtering ), on peut le faire diffuser dans les aciers, il se produit alors une réaction du soufre avec le fer et une diffusion du molybdène (exemple : traitement Microseal ). Les applications du bisulfure de molybdène sont nombreuses en lubrification sèche sous forme de poudres mises en œuvre à sec au frotté, sous forme de dispersions dans un fluide volatil par trempage, enduction ou pulvérisation et surtout sous forme de vernis de glissement, seul ou en association avec d’autres lubrifiants solides (graphite, PTFE, oxyde borique B2O3 , etc.). Elles sont aussi très nombreuses en lubrification humide sous forme de pâtes de montage, d’ajout dans les graisses spéciales et dans certaines huiles industrielles. 3.2.1.3 Autres dichalcogénures Il existe d’autres dichalcogénures (disulfures et diséléniures) de métaux de transition tels que molybdène, tungstène, tantale et niobium possédant une structure hexagonale lamellaire à faible résistance au cisaillement. Ces produits, étudiés principalement aux États-Unis dans les années 60 à 70, lors de la course à l’espace, sont tous préparés par synthèse. Certains peuvent même être considérés comme des curiosités de laboratoire. Souvent plus lourds, de qualité variable, toujours plus chers et, en général, ne possédant pas d’avantages techniques déterminants sur le bisulfure de molybdène, ils n’ont pu le concurrencer sauf pour quelques applications très particulières. Les seuls de ces dichalcogénures à avoir fait l’objet de quelques développements sont les suivants. ■ Bisulfure de tungstène (WS2 ) De couleur gris-noir, beaucoup plus cher et moins bon lubrifiant que MoS2 , il est cependant plus stable thermiquement et plus résistant à l’oxydation puisqu’il est utilisable de – 180 oC à + 450 à + 500 oC. Cela, ajouté à son très bon comportement dans le vide, lui a fait trouver quelques applications limitées en lubrification non conventionnelle, mais sa forte masse volumique (7 400 kg/m3) constitue un sérieux handicap pour sa mise en suspension dans les lubrifiants liquides et les graisses. Actuellement, d’ailleurs, ce produit n’est pratiquement plus utilisé. ■ Biséléniure de tungstène (WSe2 ) Encore plus dense que WS2 (ρ = 9 600 kg/m3), il est très stable à haute température et sous vide poussé. Ses propriétés de frottement sont supérieures à celles de MoS2 puisque son coefficient de frottement (compris entre 0,02 et 0,15) décroît en présence d’humidité, ce qui est d’ailleurs le cas de tous les séléniures. De plus, sa filmabilité (durée de vie des films) est bonne puisqu’il adhère bien aux surfaces métalliques ainsi qu’aux verres et aux plastiques. En dépit de ces qualités, il n’a fait l’objet que d’application très limitées du fait de son prix très élevé et de la toxicité des dérivés séléniés. ■ Biséléniure de niobium (NbSe2 ) Il a été utilisé dans des contacts électriques glissant dans le vide jusqu’à 500 oC grâce à sa meilleure conductibilité électrique que MoS2 et même que le graphite. Le fluorure de graphite est très supérieur au graphite et même au MoS2 en filmabilité et en capacité de charge grâce à la présence de fluor dans la molécule, responsable, en particulier, de bonnes propriétés extrême-pression, mais est moins bon conducteur thermique et électrique que le graphite, et cela d’autant moins que x augmente. Ses propriétés de frottement sont comparables à celles du bisulfure de molybdène. Son coefficient de frottement, variable de 0,02 à 0,2 selon les conditions tribologiques, est relativement indépendant de la vitesse, diminue lorsque la charge augmente et n’est guère affecté par l’humidité ambiante. Non toxique, hydrofuge et très stable chimiquement, il ne commence à se décomposer à l’air qu’au-dessus de 450 oC en donnant naissance à des gaz perfluorés et à un résidu de carbone. Sa faible masse volumique (ρ = 2 650 kg/m3) favorise sa dispersion dans les liquides et les graisses, mais son caractère oléofuge rend nécessaire la présence d’un agent dispersant efficace pour obtenir des suspensions stables dans les huiles. Comparé au MoS2 , en dépit de propriétés intéressantes, son prix beaucoup plus élevé et un manque de constance dans la qualité de sa fabrication font qu’il ne présente pas d’avantage déterminant sur son rival et explique sa faible percée commerciale. 3.2.1.5 Nitrure de bore Le nitrure de bore (BN) est une céramique existant sous différentes formes cristallines : celle à structure cubique est dure et abrasive, tandis que celle utilisée en lubrification possède une structure hexagonale lamellaire dont la masse volumique n’est que de 2 200 à 2 300 kg/m3. Appelé aussi graphite blanc à cause de sa couleur blanche à beige clair (ce qui est un avantage pour certaines applications), le nitrure de bore est peu filmogène, aussi est-il surtout utilisé sous forme de vernis de glissement. Il n’est intéressant qu’à haute température, pratiquement dans la plage de 250 à 750 o C en continu, et jusqu’à 1 200 oC en pointe. Dans ce domaine, son coefficient de frottement est de l’ordre de 0,2 à 0,3 mais, à plus basse température, il peut atteindre 0,5 avec, en plus, une capacité de charge médiocre. S’il est relativement stable dans l’air jusqu’à 3 000 oC, il subit cependant, à partir de 1 200 oC, une oxydation à cinétique lente qui entraîne une baisse de ses performances tribologiques. 3.2.1.6 Fluorure de cérium De structure hexagonale lamellaire et de couleur blanche, le CeF3 , sous-produit de la fabrication des terres rares, possède des propriétés antiusure et extrême-pression supérieures à celles du graphite et comparables à celles de MoS2 , mais n’améliore pas le coefficient de frottement des graisses dans lesquelles on l’incorpore. Moins cher mais deux fois plus dense que le bisulfure de molybdène, le fluorure de cérium est efficace à plus haute température, pratiquement jusqu’à 1 000 oC dans l’air et dans l’argon. De développement relativement récent, les applications industrielles de ce produit sont encore limitées. 3.2.1.7 Fluorure de calcium 3.2.1.4 Fluorure de graphite Composé synthétique obtenu par fluoration de graphites naturels ou synthétiques, le fluorure de graphite (CFx ), désigné aussi polymonofluorure de carbone (CFx )n , possède une structure hexagonale lamellaire et des propriétés qui dépendent du taux de fluoration x pouvant varier de 0,25 à environ 1,1. Sa couleur varie du noir au blanc lorsque x augmente. Il est blanc à gris clair pour x > 1 et est gris foncé pour x = 0,9. Les propriétés lubrifiantes optimales sont obtenues pour des taux de fluoration voisins de 0,9. Sa stabilité thermique dépend de sa composition et varie de 200 à plus de 500 oC. Les CFx utilisés comme lubrifiants tiennent jusqu’à 400 oC en continu, 600 oC en pointe dans l’air, et même jusqu’à 700 oC dans le vide, ce qui, de ce point de vue, les place un peu au-dessus du bisulfure de molybdène. BM 5 341 − 16 Le fluorure de calcium (CaF2 ), solide incolore de structure hexagonale lamellaire et de masse volumique égale à 3 180 kg/m3, est utilisable pour la lubrification à haute température (à partir de 500 oC et jusqu’à 1 000 oC) en environnement difficile, en présence de radiations notamment. Il est mis en œuvre sous forme de film déposé par fusion et projection (il fond à 1 300 oC) ou sous forme de charge de paliers en métaux frittés (Ni ou Ni-Cr). Il est souvent associé au fluorure de baryum (masse volumique : 4 830 kg /m 3 , point de fusion : 1 280 oC) sous forme de mélange eutectique à 38 % en masse de CaF2 et 62 % en masse de BaF2 ou à des oxydes comme l’oxyde de plomb PbO. Les coefficients de frottement de ces mélanges peuvent tomber de 0,25 à 0,40 aux températures inférieures à 500 oC à des valeurs aussi faibles que 0,06 vers 800 à 820 oC. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS 3.2.2 Lubrifiants solides polymériques Ils peuvent appartenir aux deux grandes classes de matières plastiques. Les thermoplastiques (polyéthylène, polyamides, etc.) qui présentent une chaîne linéaire dans laquelle le motif de base est répété plusieurs milliers de fois. Leur structure est soit amorphe, soit semi-cristalline. Possédant un point de fusion relativement net, ils sont mis en forme par fusion puis refroidissement dans un moule. Comme aucune réaction chimique n’a lieu durant le moulage, la transformation est réversible, les déchets peuvent être refondus. Les thermodurcissables (résines phénoliques, polyimides, etc.) possèdent un réseau bidimensionnel ou tridimensionnel. Une réaction chimique de réticulation s’opère lors de leur mise en forme réalisée à chaud. Le produit, une fois réticulé est infusible car la transformation est irréversible, les déchets ne sont pas récupérables. Les différences de ces deux classes ont des conséquences importantes en frottement. En effet, pour les thermoplastiques, la température de fusion constitue une limite absolue qui ne peut être dépassée alors que cette limitation n’existe pas pour les thermodurcissables qui peuvent fonctionner un certain temps à température élevée malgré une dégradation thermique de plus en plus importante. 3.2.2.1 Polytétrafluoroéthylène Solide blanc non inflammable, le polytétrafluoroéthylène (ou polytétrafluoréthylène) (PTFE), de formule (C2F4 )n , est un polymère linéaire de masse volumique égale à 2 200 ± 100 kg/m3 et de masse molaire comprise entre 5 × 105 et 5 × 106. Ses longues chaînes, de structure semblable à celle du polyéthylène, se présentent sous forme d’un zig-zag enroulé. Les fortes liaisons F-C et C-C lui confèrent une très grande inertie chimique (il n’est attaqué que par les métaux alcalins fondus) et une stabilité thermique élevée. Cependant, si on le chauffe à plus de 450 à 500 oC, il se décompose en donnant partiellement du monomère C2F4 et des composés fluorés toxiques à l’inhalation. Bien que classé parmi les thermoplastiques, le PTFE ne se ramollit pratiquement pas jusqu’à plus de 300 oC et passe par une transition à 327 oC qui le fait passer sans fusion de l’état cristallin à celui d’un gel amorphe très visqueux avec augmentation de volume de 25 % environ. Il ne peut donc être utilisé au-delà de cette température et, comme il ne passe pas par l’état fondu liquide et ne flue pas jusqu’à 400 oC, il ne peut être mis en forme à l’aide des techniques classiques des polymères thermoplastiques telles le moulage par injection et l’extrusion. Les deux procédés de fabrication du PTFE aboutissent soit à une poudre sèche, soit à une dispersion aqueuse avec agents émulsifiants. La mise en œuvre de pièces massives ou de profilés est réalisée selon des techniques spéciales, analogues à celles de la métallurgie des poudres, comme le moulage par frittage, l’estampage d’une préforme frittée ou l’extrusion-frittage. Pour ces trois processus, la température de frittage est comprise entre 360 et 380 oC. L’élaboration de feuilles et de films est assurée à partir des dispersions aqueuses selon différents procédés comme la cuisson entre 380 et 400 oC de dépôts préalablement séchés pour l’obtention de films minces poreux, le calandrage d’une préforme fondue pour celle de films épais ou le filage à 300 oC d’une pâte obtenue par coagulation de la dispersion, séchage et dilution par un lubrifiant et un alcool pour l’élaboration de bandes et de produits plats. Sur le plan du frottement, le PTFE est le meilleur matériau plastique autolubrifiant à cause de son exceptionnel pouvoir antiadhérent dû à sa très basse tension superficielle (γ = 0,018 N/m et angle de contact avec l’eau = 126o) et de ses coefficients de frottement très bas. En effet, pour le PTFE non chargé et non renforcé par des fibres frottant à sec sur des surfaces métalliques polies, ceux-ci varient de 0,02 sous charge relativement élevée et faible vitesse à 0,1 ou plus, à faible charge et vitesse élevée. Les valeurs les plus couramment citées se situent entre 0,04 et 0,05. Lorsque le PTFE est utilisé sous forme de matériau autolubrifiant composite, le coefficient de frottement est plus élevé ; rarement inférieur à 0,1, il peut atteindre 0,2 ou même 0,3 mais alors l’usure du matériau est considérablement réduite. Le PTFE est utilisable dans une large gamme de température. Il reste souple et conserve de bonnes propriétés lubrifiantes à très basses températures, pratiquement jusqu’à – 150 ou – 160 oC et même, dans certains cas, jusqu’à – 200 oC. Il peut supporter des températures maximales de fonctionnement de 250 à 260 oC en continu et, même, de 300 oC en pointe. Il peut être utilisé dans le vide poussé avec des coefficients de frottement sur acier de l’ordre de 0,04. Hydrophobe, il est peu sensible à l’humidité. Bien que son coefficient de frottement diminue lorsque la charge augmente, sa capacité de charge est limitée par sa déformation plastique, surtout lorsqu’il est utilisé pur sous forme massique. Sa résistance mécanique est médiocre (résistance à la traction : 15 à 35 MPa, résistance à la compression pour 1 % de déformation : ≈ 21 MPa), sans doute à cause des faibles liaisons latérales entre chaînes. Sa déformation, qui croît avec la charge, la température et la durée de sollicitation, n’est pas tout à fait un fluage car une partie de celle-ci est élastique mais, lorsque la sollicitation cesse, une partie seulement de la déformation disparaît. Le renforcement du PTFE par fibres (de verre notamment) ainsi que l’ajout de charges (graphite, MoS2 , bronze, etc.) augmentent sensiblement sa capacité de charge en réduisant fortement sa déformabilité. De plus, excellent isolant thermique et électrique, il n’évacue pas la chaleur induite par frottement, ce qui limite sa vitesse d’utilisation, à moins d’être chargé avec des matériaux bons conducteurs (bronze, cuivre, argent, graphite). C’est donc un excellent lubrifiant en frottement sec ou limite à très faible vitesse et sous des pressions n’excédant pas le dixième de sa résistance à la rupture. Il est à noter que, dans le langage technique courant, le PTFE est souvent désigné par l’un de ses noms commerciaux, la marque déposée Teflon de Du Pont, mais il existe bien d’autres marques commerciales telles que Algoflon (Montedison), Fluon (ICI), Foraflon (Elf-Atochem), Gaflon (Gachot-Plasticommium), Hostaflon (Hoechst), Tefzel (Du Pont), etc. 3.2.2.2 Autres polymères fluorés En dehors du PTFE qui représente plus de 90 % des polymères fluorés utilisés en lubrification, il existe d’autres dérivés fluorés aux propriétés voisines. ■ Copolymère tétrafluoréthène-perfluoroprène (FEP) Désigné aussi copolymère tétrafluoroéthylène-hexafluoropropène ou encore poly(éthylène-propylène) perfluoré, de masse volumique égale à 2 140 kg/m3, il présente de moins bonnes propriétés de frottement (coefficient de frottement de l’ordre de 0,2 à 0,3) et une moindre tenue à la température (200 contre 250 oC) que le PTFE mais présente l’avantage de pouvoir être mis en œuvre par les techniques classiques de transformation des thermoplastiques, et donc d’être moins cher. ■ Polytrifluorochloréthylène (PTFCE) ou polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE) De masse volumique de l’ordre de 2 100 à 2 120 kg/m3, il est encore moins résistant à la chaleur (utilisable jusqu’à 150 oC seulement, il fond vers 200 oC et se décompose vers 300 oC) mais peut lubrifier jusqu’à – 250 oC. Il possède de meilleures propriétés mécaniques que le PTFE et est plus facile à mettre en œuvre. En revanche, ses propriétés de frottement sont moins bonnes (coefficient de frottement : 0,12 à 0,3) et, soumis à plus de 300 oC, il dégage des gaz acides toxiques (HCl et HF). Cette décomposition est catalysée par le cuivre. De ce fait, le PTFCE est de moins en moins utilisé en lubrification. ■ Polyfluorure de vinylidène (PVDF ou PVF2) Il est léger (masse volumique : 1 750 kg/m3), plus résistant mécaniquement que les polymères fluorés précédents, facile à travailler mais n’est utilisable qu’entre – 40 et + 150 oC. Ses propriétés de frottement sont assez bonnes et il n’est pas toxique. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 5 341 − 17 LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ 3.2.2.3 Autres polymères autolubrifiants ■ Polyamides (PA) Connus aussi sous l’ancienne marque déposée américaine de Nylon , ce sont des polymères très légers (masse volumique : 1 020 à 1 130 kg/m3) résultant de la condensation d’un groupe acide organique sur une amine. Ils sont désignés par le symbole ISO PA suivi soit d’un chiffre indiquant le nombre d’atomes de carbone du motif de base amino-acide (PA 6, PA 11), soit de deux chiffres dont le premier est le nombre d’atomes de carbone de la diamine et le second celui du diacide (PA 6-6, PA 6-10, etc.). Ils possèdent de bonnes propriétés mécaniques ; ils fluent moins que le PTFE et résistent bien aux chocs et à la fatigue. Ils offrent une bonne résistance aux attaques chimiques, inférieure cependant à celles du PTFE et du FEP. Ils ont tendance à gonfler et à ramollir en présence d’humidité, surtout les PA 6 et PA 6-6. Leurs propriétés de frottement sont moyennes mais celles-ci, ainsi que leurs propriétés mécaniques, peuvent être nettement améliorées par l’addition de poudre de PTFE jusqu’à 20 % en masse, de fibres de verre jusqu’à 30 %, de MoS2 en quantité inférieure à 5 % et de graphite jusqu’à 10 %. À sec et à faible vitesse, ils résistent mieux à l’usure que le PTFE mais, au-delà de 1 m/s, le frottement et l’usure augmentent rapidement à cause de leur ramollissement. Ils se comportent bien en frottement en présence de liquides (eau ou huiles) et de graisses. Même avec des liquides de faible viscosité comme l’eau, ils ne donnent pas lieu à des défaillances graves en cas de contact direct des surfaces frottantes. Le liquide, refroidissant les contacts, permet de fonctionner à vitesse notablement plus élevée qu’en frottement sec. Ils conviennent spécialement pour la réalisation de petites surfaces de frottement faiblement chargées et pour les contacts animés de faibles amplitudes de mouvement (petits débattements). Leurs applications sont nombreuses : petits engrenages, pièces de frottement diverses (bagues, paliers, coussinets), systèmes vis-écrou, pièces de micro-mécanismes, etc. Les polyamides les plus utilisés sont les PA 6, PA 6-6 et PA 11 (Rilsan B ). Le tableau 8 résume les principales propriétés tribologiques des polyamides. ■ Polyéthylènes haute densité (PE hd) Les polyéthylènes haute densité et surtout le polyéthylène à masse molaire « ultra-élevée » (Ultra high molecular weight polyethylene : UHMWPE ) sont caractérisés par de bonnes propriétés mécaniques et par des coefficients de frottement très bas, souvent de l’ordre de 0,1 et même moins. Ils sont inertes chimiquement et non toxiques mais leur température d’emploi est limitée à 80 oC. Ils sont généralement utilisés non chargés pour des applications spécifiques telles que les prothèses chirurgicales, les skis de compétition, les revêtements de patinoires d’été, etc. ■ Polyacétals ou polyoxyméthylènes (POM) Ce sont des polymères très durs, de masse volumique de l’ordre de 1 410 à 1 425 kg/m3, faciles à mettre en œuvre par moulage par injection et utilisables de – 40 oC jusqu’à 100 à 140 oC selon les conditions de charge. Ils possèdent des coefficients de frottement à sec sur acier allant de 0,1 à 0,2 mais qui peuvent être diminués jusque vers 0,07 par addition de poudre de PTFE comme charge, jusqu’à 25 % en masse. Ils résistent à de plus fortes pressions que les polyamides mais sont plus sensibles aux chocs. Leurs comportements antiusure et antifriction en présence de lubrifiant (huile ou graisse) sont très bons, même à faible vitesse et forte charge, c’est-à-dire en régime de lubrification limite. Ils se comportent bien en cas de défaillance du lubrifiant, ce qui permet de les utiliser dans des conditions de lubrification sporadique ou intermittente. Ils sont peu sensibles à l’humidité et résistent assez bien à de nombreux produits chimiques et solvants. En revanche, il est difficile de faire adhérer les polyacétals aux métaux ; il faut soit les utiliser sous forme massive avec éventuellement un renforcement par fibres de verre (jusqu’à 30 % en masse), soit utiliser des artifices tels que leur emprisonnement dans du bronze fritté, par exemple. ■ Polyimides (PI) Ce sont des polymères techniques, thermodurcissables et thermostables, conservant une grande dureté et de bonnes propriétés mécaniques jusqu’à 250 oC. Leurs masses volumiques varient de 1 400 à 1 700 kg/m3 selon la nature de leur charge. Ils peuvent être renforcés par des fibres de verre, de carbone, de graphite ou par des filaments métalliques. À sec, leurs coefficients de frottement sont assez élevés (0,3 à 0,4) mais peuvent être abaissés entre 0,12 et 0,25 par addition de charges de lubrifiants solides comme le graphite (jusqu’à 40 %), le bisulfure de molybdène, le PTFE ou le CFx . Leurs capacités de charge et leur résistance à l’usure sont très bonnes. Leur sensibilité à l’eau, modérée à l’état pur, augmente lorsqu’ils sont chargés mais leur intérêt réside surtout dans leur bonne résistance au feu et aux radiations et dans leur domaine d’emploi allant de – 200 oC à + 260 oC dans l’air et jusqu’à 320 oC, et même à 350 oC en pointe, en atmosphère neutre. En revanche, leur fabrication est délicate et leur prix élevé, ce qui limite leur emploi aux applications haute température (palier de tunnel de four), aéronautiques, astronautiques et nucléaires. Les deux principales structures de polyimides, fortement réticulées à haute teneur en cycles et noyaux aromatiques sont les polyarylimides comme, par exemple, les Vespel de Du Pont et les polyamino-bis-malénimides (PABM) tels que les Kinel de Rhône-Poulenc. (0) Tableau 8 – Principales propriétés tribologiques des polyamides Symbole Désignation chimique Température maximale d’utilisation (oC) Type de produit essayé Coefficient de frottement, sur acier Résistance à l’usure non chargé chargé 0,2 à 0,3 0,1 à 0,3 Passable Bonne 80 à 120 120 non chargé 0,2 à 0,3 0,1 à 0,35 Faible Moyenne à basse 100 à 130 chargé PA 6 Polyaminocaprolactame (ou polyhexaneamide) PA 6-6 Polyadipate d’hexaméthylènediamine PA 6-10 Polysébacate d’hexaméthylènediamine non chargé chargé 0,2 à 0,3 0,1 à 0,35 Passable Bonne 80 à 120 120 PA 6-12 Polydodécanedioate d’hexaméthylènediamine non chargé chargé 0,25 à 0,3 0,1 à 0,33 Passable Bonne 80 à 120 120 PA 11 Polyundécanamide chargé ≈ 0,2 Bonne 120 à 130 PA 12 Polylauroamide (ou polydodécanamide) chargé 0,1 à 0,2 Bonne 120 BM 5 341 − 18 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique 130 à 150 _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS ■ Résines thermodurcissables phénoliques ou phénoplastes (PF) Résultant de la polycondensation du formol sur le phénol, elles sont connues depuis longtemps. De prix peu élevé et de bonne stabilité thermique (utilisables jusque vers 140 oC), elles sont, la plupart du temps, renforcées par des tissus de fibres textiles (Celoron ), dans les engrenages silencieux, les cages de roulement, les petits paliers de mécanismes simples, mais sont quelquefois chargées avec, par exemple, de la farine de bois et de la poudre de PTFE ce qui permet d’obtenir des coefficients de frottement sur acier de l’ordre de 0,15 à 0,25. Le comportement tribologique de ces matériaux s’améliore sensiblement lorsqu’ils sont préalablement imprégnés à chaud d’huiles lubrifiantes. ■ Polyesters saturés ou polytéréphtalates d’alkylène Ils résultent soit de l’action de l’acide téréphtalique sur l’éthylèneglycol : polytéréphtalate d’éthylène (PETP), soit de celle du téréphtalate de diméthyle sur le butylèneglycol : polytéréphtalate de butylène (PBTP). De faible masse volumique (1 300 à 1 400 kg/m3) et de dureté comparable à celle des polyacétals et résistant bien aux agents chimiques et aux solvants, ils présentent un excellent comportement au glissement, surtout lorsqu’ils sont chargés avec du PTFE (coefficients de frottement sur acier : 0,2 à 0,25 sans charge et 0,1 à 0,2 avec charge). Ils résistent bien à l’abrasion et sont utilisables de – 40 oC jusqu’à 80 à 100 oC seulement. Leurs applications tribologiques sont similaires à celles des polyacétals : petits paliers, guides, engrenages, etc. Bien que les deux polyesters possèdent des propriétés similaires, le PETP est de plus en plus remplacé dans ces applications par le PBTP plus facile à élaborer. ■ Polysulfure de phénylène (PPS) C’est une résine thermoplastique (marque Ryton de Philipps Petroleum) à haute résistance thermique constituée d’une chaîne de noyaux benzéniques reliés entre eux par un atome de soufre. Il peut être utilisé non chargé et surtout chargé et renforcé par fibres jusqu’à 250 à 260 oC. Son coefficient de frottement est assez élevé (0,25 à 0,30) mais peut être notablement abaissé jusqu’à 0,08 à 0,10 par addition de 20 % de poudre de PTFE. Il se comporte mieux en présence d’eau qu’à sec. ■ Polysulfones (PSO) et polyéthersulfones (PES) Ce sont aussi des thermoplastiques à haute performance mécanique et résistant au feu. Les PSO sont utilisables depuis – 70 oC jusqu’à des températures comprises entre 150 et 260 oC selon leur structure tandis que les PES tiennent jusqu’à 180 oC. Leurs propriétés de frottement sont intéressantes (coefficient de frottement variant de 0,14 à 0,22) et, assez faciles à mettre en œuvre, ils pourraient constituer de bons supports pour la préparation de vernis de glissement thermostables mais ne sont pas encore très utilisés. ■ Résines éthoxylines Désignées aussi polyépoxydes ou simplement époxy (EP), ce sont des thermodurcissables dont les applications principales sont celles des colles et adhésifs. Mais certaines d’entre elles sont utilisées comme liants de vernis de glissement à la place des résines phénoliques grâce à leur coefficient de frottement à sec un peu plus faible (0,2), leur bon comportement en présence d’eau, d’huiles ou de graisses et, naturellement, de leur très bonne adhérence aux surfaces. ■ Autres polymères Il existe d’autres polymères doués de propriétés tribologiques intéressantes tels que les polyuréthannes linéaires (PU) utilisés sous forme de pièces moulées rigides (engrenages, paliers), les polyuréthannes réticulés (PUR) mis en œuvre sous forme de résine très adhérente pour vernis de glissement, les polyoxyphénylènes modifiés (PPO) ou les polycarbonates (PC), de comportement similaire, utilisés sous forme de petites pièces moulées. Les coefficients de frottement à sec sur acier de ces différents matériaux, compris entre 0,3 et 0,4, peuvent être notablement abaissés par addition, comme charge, de poudres de lubrifiants solides classiques (PTFE, graphite et MoS2 ). 3.2.3 Sels et oxydes métalliques À côté des sels minéraux déjà cités au paragraphe 3.2.1 en tant que lubrifiants solides lamellaires, des sulfures, phosphates, borates et silicates de métaux alcalins (Na, K) ou de métaux mous (Pb, In, Al, Zn, etc.) ainsi que des oxydes de plomb (PbO), de zinc (ZnO), d’antimoine (Sb2O3 ) sont quelquefois utilisés soit comme liants de revêtements autolubrifiants inorganiques, soit comme charges de matériaux autolubrifiants utilisables à haute température. Des oxydes complexes comme les molybdates ou les tungstates de plomb (PbMoO4 et PbWO4 ), de sodium (Na2WO4 ), de potassium (K2MoO4 ), de nickel (NiMoO4 ) ou d’argent (Ag2MoO4 ), inefficaces à température ambiante (coefficient de frottement de l’ordre de 0,5), donnent de bons résultats à haute température puisque, à 700 oC, leurs coefficients de frottement sur acier, compris entre 0,17 et 0,35, sont dus à un mécanisme de lubrification pâteuse. Parmi les sels métalliques, on peut considérer comme lubrifiant solide le triborate de potassium développé par Chevron Chemical sous forme de dispersions ultrafines dans les huiles minérales ou synthétiques, ou dans les graisses, de très petites sphérules de diamètre compris entre 0,1 et 0,2 µm. Dans les huiles, la dispersion est stabilisée par un additif dispersant pour huiles moteurs, elle peut renfermer jusqu’à 10 ou 12 % en masse de triborate de potassium. Sous l’action du frottement, les particules de triborate se déposent sur les surfaces frottantes, selon un mécanisme de type électrodéposition et forment un matelas mou d’environ 20 µm d’épaisseur. Cette couche antifriction est d’autant plus efficace que l’huile est plus fluide. Bien que solide, le triborate de potassium peut être considéré comme additif réducteur de frottement et antiusure des huiles et des graisses lubrifiantes et entre dans la composition de paquets d’additifs EP multifonctionnels pour huiles de transmission. 3.2.4 Métaux mous et alliages métalliques Certains métaux mous, caractérisés par une faible résistance au cisaillement et par une solubilité faible à nulle dans le fer et certains de leurs alliages, présentent un bon comportement tribologique avec les aciers. Ce sont principalement le plomb, l’étain, l’indium, l’argent et plus rarement, pour des raisons de prix et de disponibilité, l’or, le cadmium, le baryum, le thallium et le gallium réservés à des applications très spécifiques, en général espace et vide poussé. Les principales propriétés de ces métaux sont données dans le tableau 9. Ils peuvent être employés à l’état pur mais, le plus souvent, ils sont utilisés sous forme d’alliages antifriction associés entre eux (exemple Pb-Sn, Pb-In) ou alliés avec des éléments destinés à améliorer leur tenue mécanique tels que le cuivre, l’aluminium, l’antimoine, le nickel, le cobalt et le silicium. Ils peuvent être mis en œuvre soit sous forme de films minces déposés sur un support, en général un feuillard d’acier, soit sous forme de charge de matériaux massifs autolubrifiants composites, soit encore sous forme de particules métalliques dispersées dans les vernis de glissement ou dans certaines graisses antigrippantes. Les dépôts de films minces sont réalisés, selon les cas, par différentes techniques telles que : — le trempage dans un bain de métal fondu : Pb, Sn, In, Cd, etc. ; — la coulée continue ou discontinue sur support : régules, cupro-plomb, Al-Sn, bronze au plomb, etc. ; — le dépôt électrolytique : Pb-Sn, Pb-In, Ag, In, etc. ; — le placage mécanique : Au, Al-Sn, etc. ; — le frittage sur support, à partir de poudres : cupro-plomb, bronzes, aciers imprégnés, etc. ; — les dépôts chimiques obtenus par réduction d’un sel métallique dissous : Pb, Sn, Au, etc. ; — les dépôts sous vide obtenus par différentes techniques telles que les dépôts physiques en phase vapeur (PVD) qui se subdivisent en évaporation sous vide (tous métaux et alliages), en dépôts ioniques (tous métaux et alliages) et en pulvérisation cathodique ou sputtering (tous métaux et alliages), et les dépôts chimiques en phase vapeur (CVD) obtenus par réduction d’un composé gazeux du métal d’apport (tous métaux et alliages). (0) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 5 341 − 19 LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ Tableau 9 – Propriétés de quelques métaux mous à bonnes propriétés de frottement Dureté Métaux Point de fusion Symbole Indium Gallium Plomb Thallium Étain Or Argent Cuivre Cadmium Antimoine In Ga Pb TI Sn Au Ag Cu Cd Sb Échelle Moh Brinell (HB) 1 1 à 1,5 1,5 1,2 1,5 à 1,8 2,5 à 3 2,5 à 3 3 3 3,3 1,0 2,5 2,9 3 14 25 27 30 35 42 Les revêtements autolubrifiants métalliques sont utilisables à sec à faible vitesse de glissement et faible charge ou en présence de lubrifiants, à des vitesses pouvant être très élevées (plus de 20 m/s) et à des pressions pouvant dépasser 100 MPa. Ils sont, en théorie, d’autant plus efficaces que leur épaisseur est faible ; c’est ainsi qu’avec une couche d’indium de 4 µm d’épaisseur, le coefficient de frottement sur acier passe de 0,35 pour l’indium massif à 0,04. Par ailleurs, pour les couches minces, le coefficient de frottement diminue lorsque la charge augmente, contrairement à la première loi du frottement d’Amontons-Coulomb, mais cet effet est naturellement limité par le point de fusion du revêtement. En pratique, à cause de l’usure et de la tenue dans le temps, les épaisseurs des films métalliques sont comprises entre quelques micromètres pour les dépôts de plomb ou d’étain sur pistons de moteurs ou pour les dépôts électrolytiques d’étain (flash ) sur certains coussinets à quelques centaines de micromètres pour les couches antifriction des coussinets en passant par quelques dizaines de micromètres pour les revêtements superficiels ou couches de rodage (overlay ) en étain ou en plomb allié à l’étain ou à l’indium des coussinets trimétalliques. Les principaux alliages métalliques antifriction utilisés dans les paliers lisses, les butées, les bagues de frottement et les patins de glissières sont les suivants. 3.2.4.1 Métaux blancs Également nommés régules (en anglais Babbitt metals ), ils sont de moins en moins utilisés à cause de leurs trop faibles capacité de charge et tenue thermique malgré de bonnes propriétés de frottement et une excellente conformabilité. Ces métaux existent en deux versions : — les régules à base d’étain : 80 à 90 % Sn + 7 à 12 % Sb + 3 à 6 % Cu + éventuellement 1 à 2 % Pb ou 1 % Cd ; — les régules à base de plomb : 74 à 83 % Pb + 9 à 15 % Sb + 1 à 12 % Sn (moyenne 6 %) + éventuellement 0,5 à 1,2 % As, 1 % Cu, 0,4 à 1 % Cd, 0,5 % Ni. 3.2.4.2 Alliages à base de plomb Ils contiennent 5 à 20 % d’étain ou plus rarement d’indium avec, éventuellement, un peu de cuivre et sont utilisés sous forme de dépôts électrolytiques, comme revêtements de surface des coussinets trimétalliques en cupro-plomb. Les éléments d’addition du plomb (Sn, In, Cu) sont destinés à améliorer sa tenue mécanique, sa résistance à la fatigue et surtout à diminuer sa sensibilité à la corrosion par les produits acides d’oxydation des huiles de graissage. Une telle couche superficielle améliore nettement les propriétés de frottement du substrat. Les principaux alliages à base de plomb sont : — les alliages plomb-étain contenant 5 à 20 % de Sn (exemple : PbSn10) ; BM 5 341 − 20 (oC) 155 30 327 303 232 1 063 961 1 083 321 631 Résistance au cisaillement (MPa) 7,5 6,8 11,2 7,7 45 47 18 19 ............................... Coefficient de frottement sur acier (à sec) 0,15 à 0,35 0,25 à 0,50 0,2 à 0,4 0,25 à 0,57 0,18 à 0,40 0,35 à 0,55 0,25 à 0,50 0,18 à 0,40 — les alliages plomb-étain-cuivre contenant 8 à 12 % de Sn et 1 à 3 % de Cu (exemple : PbSn10Cu2) ; — les alliages plomb-indium contenant 5 à 16 % d’In (rares). 3.2.4.3 Alliages à base de cuivre Ils contiennent généralement du plomb comme élément principal d’addition, mais peuvent aussi renfermer de l’étain et éventuellement d’autres éléments en faibles teneurs comme le nickel, l’antimoine, le phosphore, le zinc, le manganèse et le silicium. Ce sont des matériaux à deux phases ou pseudo-alliages qui existent en deux variantes principales. ■ Cupro-plomb Également appelés métaux roses, ils sont élaborés par frittage ou coulée en continu, sont caractérisés par une capacité de charge élevée mais une faible résistance à la fatigue et une grande sensibilité à la corrosion acide. Ils existent en plusieurs variantes : — les cupro-plomb simples pouvant contenir 26 à 50 % de plomb, la valeur usuelle se situant à 30 % (exemple : CuPb30) ; — les cupro-plomb améliorés par addition d’étain, de nickel, etc., tels que les cupro-plomb à l’étain renfermant 17 à 32 % de Pb et 1 à 7 % de Sn (exemple : CuPb24Sn4), les cupro-plomb au nickel avec 1 à 2,5 % de Ni, les cupro-plomb à l’étain et au nickel contenant, par exemple 4 % de Sn et 2,5 % de Ni et des cupro-plomb plus complexes renfermant des petites quantités de Ni, Sb, Zn, P, Mn, etc. ■ Bronzes au plomb Ils sont élaborés également soit par frittage, soit par coulée en continu et renferment 4 à 26 % de Pb et 3 à 15 % de Sn, plus, éventuellement, 1,5 à 4 % de Zn pour durcir la structure (exemples : CuPb22Sn5, CuPb10Sn10, CuPb8Sn4Zn3). Leur teneur en plomb est plus faible que celle des cupro-plomb et leur structure plus fine ; la présence d’étain leur confère une résistance accrue à la fatigue. 3.2.4.4 Alliages à base d’aluminium Ce sont également des matériaux à deux phases, avec l’aluminium comme phase résistante. L’élément principal d’addition est l’étain dans la majorité des cas, mais il existe des alliages antifriction aluminium-silicium et aluminium-plomb. Des éléments minoritaires comme le cuivre, le nickel, le cadmium ou le manganèse sont quelquefois ajoutés. Les grandes familles d’alliages d’aluminium sont les suivantes. ■ Alliages aluminium-étain Ils contiennent 6 à 40 % de Sn selon que l’on veut privilégier les propriétés antifriction (jusqu’à 40 % de Sn) ou améliorer la résistance à la fatigue (teneur en Sn limitée à 6 ou 7 %). Le bon compromis se situe vers 20 % d’étain mais est d’élaboration délicate. Ces alliages et, notamment ceux à plus forte teneur en étain, peuvent être utilisés Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS sans revêtement superficiel, dans les moteurs à essence, par exemple. Pour des applications plus sévères, dans les moteurs Diesel notamment, les alliages à plus faible teneur en étain (moins de 15 %) sont revêtus d’un film mince (1 à 3 µm) d’étain déposé par voie électrolytique ou chimique ou d’une couche, dite de rodage, plus épaisse (20 à 30 µm), de régule à base d’étain. Les alliages Al-Sn sont accrochés à leur support en acier par colaminage suivi d’un chauffage. Les trois principales qualités d’alliages Al-Sn disponibles commercialement sont : — les alliages à 6 % d’étain avec 1 % de cuivre et éventuellement 1 à 1,5 % de silicium et 1 % de Ni (exemple : AlSn6Cu1Ni1) ; — les alliages à 20 % d’étain avec 1 % de cuivre (AlSn20Cu1) qui commencent à être déposés par la technique de pulvérisation cathodique (sputtering ) ; — les alliages à 40 % d’étain avec moins de 0,5 % de cuivre (AlSn40). ■ Alliages aluminium-silicium Ils renferment 4 à 11 % de Si et souvent 1 à 1,5 % de Cu et 1 % de Cd, sont obligatoirement revêtus par une couche en métal blanc et commencent à être utilisés pour des applications spécifiques à cause de leur bonne tenue mécanique et de leur résistance à l’usure (exemple : AlSi11Cu1). ■ Alliages aluminium-plomb Avec 4 à 8,5 % de Pb, 4 % de Si, 0,5 à 1,5 % de Sn et 0,1 à 1 % de Cu, ils ont des performances voisines de celles des alliages Al-Sn, mais sont moins chers, car le plomb est meilleur marché que l’étain, en dépit d’une technologie de fabrication par frittage plus délicate à maîtriser. De plus, les coussinets en Al-Pb peuvent être utilisés sur moteurs à essence sans revêtement superficiel (exemple : AlPb6Si4Sn1,5Cu). ■ Autres alliages Il existe d’autres alliages antifriction moins répandus à base d’aluminium tels que l’alliage aluminium-cadmium (AlCd3Cu1Ni1) préconisé avec un revêtement plomb-étain-cuivre surmonté d’un mince flash électrolytique d’étain, ou des alliages aluminium-zinc contenant, en faible teneur, du silicium, du cuivre et du plomb (exemple : AlZn4,5SiCuPb). Ce dernier matériau a été développé avec un revêtement de phosphate de zinc. 3.2.5 Associations synergiques de lubrifiants solides Les fabricants de dispersions, de graisses, de pâtes et de vernis de glissement à base de lubrifiants solides mettent largement à profit la synergie entre produits dans leurs formulations. C’est ainsi que des résultats très intéressants en terme de frottement, de capacité de charge et de durée de vie sont observés avec les associations suivantes : — graphite + 25 à 30 % en masse de bisulfure de molybdène (MoS2) ; — MoS2 + 15 à 25 % de PTFE ; — MoS2 + stéarate de lithium ; — MoS2 + dithiophosphate de zinc (ZnDTP) ; — graphite + 10 % de nitrure de bore (BN) ; — graphite + oxyde de zinc ZnO ; — MoS2 ou CFx avec liant polyimide (cas des vernis de glissement) ; — PTFE + particules de plomb ; — association ternaire MoS2 + graphite + PTFE, etc. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 5 341 − 21 P O U R E N LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ Revues françaises et étrangères France Industrial Lubrication and Tribology (bimestr.). Énergie fluide (m) Journal of Automotive Engineering (bimestr.). Entraînements et systèmes (m), Journal of the Institute of Petroleum (bimestr.). Ingénieurs de l’automobile (m). Journal of Synthetic Lubrication (trim.). Pétrole et techniques (bimestr.). Lubrication Science (trim.). Revue de l’Institut Français du Pétrole (bimestr.) (en français avec sommaire en anglais et en espagnol). Pétrole informations (m). Rivista dei Combustibili (m). Allemagne S A V O I R Tribology International (bimestr.). Italie Rivista Italiana delle Sostanze Grasse (m). Erdöl und Kohle, Erdgas, Petrochemie (m) (en allemand avec sommaire en anglais et en français). Tribologia e Lubrificazione (trim.). Suisse Fett Wissenschaft Technologie (m). Schmierungstechnik, Fachzeitschrift für Tribotechnik (m). Wear (m) (textes en allemand, anglais et français). République tchèque et slovaque Tribologie und Schmierungstechnik (bimestr.). Ropa a Uhlie (m) (en tchèque avec sommaire en allemand, anglais et français). États-Unis Automotive Engineering (m). International Journal of Engineering Fluid Mechanics (trim.). Journal of Tribology (trim.). Japon Tribologist (m) (trad. anglaise : Japanese Journal of Tribology). Russie Lubrication Engineering (m). Doklady Akamemii Nauk SSSR (bimens.) (trad. anglaise : Doklady Chemistry (m)). NLGI Spokesman (m). STLE Tribology Transactions (trim.). Vestnik Mashinostroeniya (m) (trad. anglaise : Russian Engineering Journal). Grande-Bretagne Organismes français et étrangers P L U S France Allemagne Association Française de Normalisation AFNOR. Association Française des Techniciens du Pétrole AFTP. Bureau de Normalisation du Pétrole BNPé. Bureau Véritas. Laboratoire central. Deutsches Institut für Normung DIN. Grande-Bretagne British Standards Institution BSI. Institute of Petroleum IP. Centre Professionnel des Lubrifiants CPL. États-Unis Chambre Syndicale de la Distribution des Produits Pétroliers CSDPP. American Petroleum Institute API. Chambre Syndicale du Raffinage du Pétrole CSRP. American Society for Testing and Materials ASTM. Chambre Syndicale du ReRaffinage du pétrole CSRR. Coordinating Research Council CRC. Chambre Syndicale Nationale de l’Industrie des Lubrifiants CSNIL. Society of Tribologists and Lubrication Engineers STLE (ancien ASLE). Comité Professionnel du Pétrole CPDP. Society of Automotive Engineers SAE. Direction Centrale du Service des Essences des Armées DCSEA. Direction des Hydrocarbures DHYCA. Organismes internationaux Fédération Française des Pétroliers Indépendants FFPI. Conseil Européen de Coordination pour le développement des essais de performances des lubrifiants et des combustibles pour moteurs CEC. Fédération Nationale de l’Industrie des Lubrifiants FNIL. Commission Électrotechnique Internationale CEI. Groupement Français de Coordination GFC. Comité Européen de Normalisation CEN. Institut Français du Pétrole IFP. International Organization for Standardization ISO. Institut National de l’Environnement et des Risques Industriels INERIS. Institut National de Recherche et de Sécurité INRS. Association des Constructeurs Européens d’Automobiles ACEA (ancien CCMC). Laboratoire National d’Essais LNE. Association Technique de l’Industrie Européenne des Lubrifiants ATIEL. Union Française des Industries Pétrolières UFIP (ancien UCSIP). Union Européenne des Indépendants en Lubrifiants UEIL. Fabrication et distribution des lubrifiants La fabrication et la distribution des lubrifiants en France sont assurées par : a ) les grandes sociétés : ces sociétés dites « A », au nombre de 11, s’approvisionnent en huiles de base auprès des raffineries françaises et à l’importation. Elles disposent d’usines de fabrication et de conditionnement ainsi que d’un important réseau de dépôts. Elles exercent leur activité sur tout le territoire, d’une part en vendant directement à la consommation (circuit A1) et d’autre part en vendant en gros aux industriels du graissage (circuit A2) ; Doc. B 5 344 − 2 b ) les industriels du graissage : les IG, au nombre de 120 environ, s’approvisionnent principalement auprès des sociétés A2, des régénérateurs et à l’importation. Certains fabriquent, conditionnent et vendent dans toute la France avec un important réseau de dépôts, d’autres exercent une activité régionale ou même locale ; c ) les fabricants d’additifs : au nombre de 8 ; Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS d ) d’autres sociétés, titulaires d’autorisation d’importation de lubrifiants, et qui, pour diverses raisons, sont en dehors de toute organisation professionnelle. — CSRR : Chambre Syndicale du ReRaffinage du pétrole, qui regroupe 6 IG (qui sont également au CSNIL) et 2 autres sociétés. La presque totalité des fabricants d’additifs et des autres sociétés ne sont pas affiliés à un syndicat professionnel et adhèrent au Centre Professionnel des Lubrifiants à titre individuel. Sur le plan syndical, les fabricants et distributeurs de lubrifiants sont répartis en trois syndicats : — CSDPP : Chambre Syndicale de la Distribution des Produits Pétroliers, qui regroupe toutes les sociétés A ; — CSNIL : Chambre Syndicale Nationale de l’Industrie des Lubrifiants, qui regroupe tous les IG et 1 fabricant d’additifs ; Le Centre Professionnel des Lubrifiants (CPL) réunit tous les membres des syndicats susvisés. Sa compétence s’étend à toutes les questions spécifiques intéressant l’ensemble de ses adhérents. P O U R E N Statistiques lubrifiants 1992 du centre professionnel des lubrifiants (0) Tableau A – Classification des lubrifiants (suite) Tableau A – Classification des lubrifiants Code Code Désignation Désignation Huiles pour mouvements, toutes viscosités, y compris les huiles pour mouvements compoundées, les huiles pour glissières, les huiles pour outils pneumatiques et les huiles pour le graissage perdu. H.2 B J.1 Graisses pour automobiles. C Huiles pour cylindres de machines à vapeur saturée et surchauffée. J.2 Graisses autres. Huiles pour moteurs d’avions, toutes viscosités, y compris les huiles de rinçage et de protection. K.0 Huiles pour le traitement thermique. D.av I Huiles de vaseline autres. Vaselines. D.e Toutes huiles finies (autres que pour l’aviation) pour moteurs essence, monogrades ou multigrades. K.1 Huiles non solubles pour le travail des métaux (coupe, laminage et tréfilage, etc.). D.dt Huiles pour moteurs deux temps, prémélangées ou non, y compris les huiles pour moteurs deux temps destinées aux hors-bord. K.2 Huiles solubles pour le travail des métaux y compris les fluides solubles de synthèse. D.u Huiles pour moteurs Diesel destinées aux véhicules utilitaires (y compris SNCF et Marine). D.t Huiles pour moteurs Diesel, dites Tourisme, destinées aux voitures particulières et aux véhicules légers. D.m Huiles multifonctionnelles destinées à l’agriculture, aux travaux publics, etc. D.a Huiles finies pour moteurs non comprises dans les autres huiles D, telles que les huiles pour moteurs à gaz, etc. E.0 Huiles pour compresseurs. E.1 Huiles pour turbines, toutes viscosités. E.2a Huiles pour transmissions hydrauliques y compris les huiles de relevage et les fluides ininflammables. E.2b Huiles pour amortisseurs et circuits de freinage. E.3 Huiles pour transmissions automatiques y compris les huiles pour convertisseurs de couple. F Huiles isolantes pour transformateurs, y compris toutes les huiles pour usages électriques ainsi que les huiles pour imprégnation des câbles. H.1 K.3a Huiles pour engrenages sous carter pour automobiles. K.3b Huiles pour engrenages autres qu’automobiles y compris pour boîtes-essieux et engrenages nus. K.4a Tous produits de démoulage (minéraux, synthétiques et produits concrets). K.4b Toutes huiles de protection à l’exclusion des huiles pour imprégnation de câbles électriques. K.4c Toutes huiles finies pour ensimage à l’exclusion des produits de graissage pour matériel textile. K.4d Tous fluides caloporteurs. K.4e Toutes huiles finies n’entrant pas dans les autres catégories (dégrippants, huiles pour horlogerie, etc.). L Huiles de base, toutes viscosités. M Huiles de base, autres que les huiles blanches, utilisées en mélange avec d’autres matières premières pour la fabrication de produits non lubrifiants (encre, insecticides, caoutchouc, etc.). (0) Huiles de vaseline codex. Tableau B – Situation des ressources en France (en masse) 1970 1980 1984 1988 1992 Provenance — Production des raffineries — Régénération — Importations — Additifs de lubrification (1) Total (t) (%) (t) (%) (t) (%) (t) (%) (t) (%) 1 054 512 71 113 25 530 97 019 1 248 174 84,5 5,7 2,0 7,8 100 1 407 248 75 852 103 451 219 775 1 806 326 77,9 4,2 5,7 12,2 100 1 265 315 72 922 93 698 226 266 1 658 201 76,3 4,4 5,7 13,6 100 1 541 218 68 643 110 364 262 919 1 983 144 77,7 3,5 5,6 13,2 100 1 530 228 50 683 129 443 306 622 2 016 976 75,9 2,5 6,4 15,2 100 (1) Les tonnages ont été diminués des huiles de base issues des raffineries françaises ayant servi à leur fabrication et qui sont déjà comprises dans le raffinage. Depuis environ 5 ans, la production d’huiles de base plafonne aux alentours de 1,5 Mt tandis que la régénération décroît régulièrement : elle n’était plus que de 50 kt en 1992 et devrait arriver à presque rien en 1993 par suite de la fermeture quasi totale des usines de reraffinage. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique Doc. B 5 344 − 3 S A V O I R P L U S P O U R E N S A V O I R P L U S LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ Les importations croissent du fait de l’augmentation des échanges intercommunautaires mais restent cependant à un niveau très modeste avec une certaine stabilité. allongements des intervalles de vidange, diminution de la consommation d’huile par les moteurs, etc.) et des huiles pour moteurs 2 temps (recul du parc des cyclomoteurs, diminution des concentrations d’huile dans l’essence, etc.), le marché intérieur français des lubrifiants pour automobiles reste relativement stable. La production d’additifs est en forte hausse et atteint environ 15 % de la production mondiale, ce qui place la France au deuxième rang mondial derrière les États-Unis. Cette augmentation semble être due pour une bonne part à l’augmentation du taux moyen d’additivation des lubrifiants. Par contre, la vente des lubrifiants industriels proprement dits – c’est-à-dire en excluant les huiles de procédés qui ne sont que des huiles de base servant de matières premières pour différentes fabrications telles que les encres, le caoutchouc, les insecticides, etc. – continue de régresser régulièrement et semble indiquer une baisse de la production industrielle dans l’ensemble de l’industrie et en particulier de l’industrie automobile. Malgré la croissance régulière des huiles pour moteurs Diesel et des huiles multifonctionnelles (augmentation du parc de véhicules Diesel et diversité de plus en plus grande dans l’emploi des huiles multiusages comme huiles pour Diesel, systèmes hydrauliques, transmissions, etc.) et la chute assez importante des huiles pour moteurs à essence (accroissement de la diésélisation, (0) Tableau C – Ventes sur le marché intérieur français (en masse) Appel lation CPL 1960 (t) B Huiles mouvements C Huiles cylindres D.av Moteurs d’avions D.e Moteurs essence D.dt Moteurs 2 temps D.u Moteurs Diesel véhic. util. D.t Moteurs Diesel véhic. touris. D.m Huiles multifonctionnelles D.a Moteurs autres E.0 Compresseurs E.1 Huiles turbines E.2a Transm. hydrauliques E.2b Amortisseurs et freins E.3 1970 1980 1984 1988 1992 Désignation courante Transm. automatiques F Huiles isolantes I Vaselines J.1 Graisses auto J.2 Graisses autres K.0 Traitement thermique K.1 Usinage métaux K.2 Huiles solubles K.3a Engrenages auto K.3b Engrenages autres K.4a Démoulage K.4b Protection K.4c Ensimage K.4d Fluides caloporteurs K.4e Autres (%) (t) (%) (t) (%) (t) (%) (t) (%) 7,2 48 250 5,1 35 865 4,3 34 131 3,8 32 223 3,7 9 8 650 1,6 4 289 0,5 1 779 0,2 895 0,1 571 0,1 598 0,1 29 973 0,2 772 0,1 1 450 0,1 1 152 0,1 1 656 0,2 1 160 0,1 28 209 025 22,2 17 586 1,9 57,1 243 145 25,9 11 838 1,3 14 823 1,6 101 139 10,8 8,5 16 392 1,7 178 170 21,3 177 045 19,6 146 233 16,8 1 13 551 1,6 12 288 1,4 11 591 1,4 16 219 343 26,2 160 519 17,8 149 808 17,2 2 54 115 6 72 868 8,4 5 39 075 4,3 38 578 4,4 6 9 053 1,1 8 884 0,9 1 000 0,1 27 7 542 0,9 19 10 394 1,2 8 477 0,9 6 009 0,7 20 93 043 11,1 105 365 11,6 95 949 11,0 3 15 782 1,9 21 468 2,4 6 068 0,7 21 12 307 499 58,6 466 014 15 373 2,9 69 560 18 244 2,1 13 978 2,7 17 246 2,1 22 091 2,4 20 728 2,5 19 599 2,2 19 364 2,2 11 3 029 0,6 3 757 0,5 2 662 0,3 2 246 0,3 2 353 0,3 3 757 0,4 24 16 419 2 27 077 5,2 16 449 2 16 053 3 30 634 3,8 14 540 1,5 12 852 1,5 12 576 1,4 10 876 1,3 17 16 064 1,7 14 299 1,7 15 677 1,7 13 174 1,5 15 37 198 4,1 4 102 0,5 23 14 263 2,7 16 731 31 604 12 114 6 2,3 47 202 30 617 35 669 3,8 2 28 036 3,4 33 082 3,8 8 2,9 30 003 3,5 10 35 846 4 34 049 3,9 7 14 323 1,6 13 416 1,5 14 1,2 10 129 1,1 6 325 0,7 22 1,1 7 705 0,8 7 482 0,9 18 0,4 2 851 0,3 1 160 0,1 26 24 612 2,6 22 927 2,7 26 291 5,8 3,8 38 658 4,1 31 708 3,8 19 422 2,1 15 300 1,8 11 212 1,2 9 685 6 494 0,7 9 546 3 331 0,4 3 494 2 811 0,3 2 380 0,3 4 023 0,4 3 029 0,3 25 6 832 0,7 6 752 0,8 13 481 1,5 14 124 1,6 13 10,2 4 100 Huiles vaseline codex 2 335 0,4 3 900 0,5 14 867 1,6 19 654 2,4 20 600 2,3 Huiles vaseline non codex 5 590 1,1 5 906 0,7 4 917 0,5 5 349 0,6 6 179 0,7 Huiles de procédés – 525 561 – 27 514 3,4 50 134 5,3 55 083 6,6 51 507 5,7 89 141 100 815 325 100 939 753 100 837 287 100 903 932 100 870 995 (0) (0) Doc. B 5 344 − 4 (Rang) 58 315 H.1 Total (%) 12,8 H.2 M (t) 67 023 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS Tableau D – Comparaison des ventes sur le marché intérieur français des lubrifiants pour l’automobile et pour l’industrie (en %) LUBRIFIANTS POUR 1980 1984 1988 1992 D.e 22,2 21,3 19,6 16,8 2 temps D.dt 1,9 1,6 Diesel D.u, D.t Huiles multiusages D.m Essence Huiles moteurs L’AUTOMOBILE Total huiles moteurs Lubrifiants divers 1,4 25,6 25,9 26,2 4,3 4,4 50 49,1 49,1 48,2 3,9 Boîtes et ponts K.3a 4,1 3,8 4 Amortisseurs, freins, transmissions automatiques E.2b, E.3 1,7 1,9 2,4 2,8 Graisses J.1 1,5 1,5 1,4 1,3 7,3 7,2 7,8 8,0 Total lubrifiants divers Total lubrifiants pour l’automobile L’INDUSTRIE 1,4 23,8 57,3 56,3 56,9 56,2 Huiles de procédés H.1, H.2, M 7,4 9,6 8,7 10,2 Travail des métaux K.0, K.1, K.2 6,4 6,1 7,0 7,8 Fluides hydrauliques E.2a 10,8 11,1 11,6 11,0 Autres B, C, D.av, D.a, E.0, E.1, F, I, J.2, K.3b, K.4a, b, c, d, e Total lubrifiants pour l’industrie 18,1 16,9 15,8 14,8 42,7 43,7 43,1 43,8 Tableau E – Ressources et distribution des lubrifiants dans le monde en 1990 Production Pays États-Unis URSS Japon Chine FRANCE Italie Allemagne fédérale Grande-Bretagne Canada Singapour Brésil Yougoslavie Pays-Bas Inde Corée du Sud Arabie Saoudite Australie Iran Espagne Irak Monde Europe Amérique Asie Afrique Océanie Importation (kt) 8 737 7 700 2 232 1 825 1 635 1 228 1 162 974 821 680 678 600 598 580 574 570 560 550 520 420 39 466 17 128 12 238 8 543 997 560 Rang 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Pays Chine Belgique États-Unis Allemagne fédérale Pays-Bas Inde Mexique Suède Cuba Grande-Bretagne Singapour Autriche Finlande Japon FRANCE Grèce Malaisie Canada Espagne Algérie Monde Europe Asie Amérique Afrique Océanie Consommation (kt) 800 694 612 517 444 380 260 223 220 187 180 164 153 138 118 114 106 99 95 90 7 961 3 383 2 182 1 538 725 133 Rang Pays 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 États-Unis URSS Chine Japon Allemagne fédérale FRANCE Inde Canada Grande-Bretagne Italie Brésil Mexique Espagne Corée du Sud Australie Afrique du Sud Irak Yougoslavie Cuba Arabie Saoudite Monde Europe Amérique Asie Afrique Océanie (kt) 8 419 7 668 2 254 2 206 1 190 968 955 832 822 763 633 627 526 504 462 403 363 342 330 298 38 553 16 057 11 905 8 351 1 693 547 P O U R E N S A V O I R Exportation Rang Pays 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 États-Unis FRANCE Singapour Pays-Bas Italie Grande-Bretagne Belgique Allemagne fédérale Chine Iran Suède Australie Arabie Saoudite Yougoslavie Japon Pakistan Grèce Bahrein URSS Vénézuela 1 022 808 782 745 679 582 427 412 360 330 327 270 270 250 199 140 121 120 117 100 Monde Europe Asie Amérique Océanie Afrique 9 415 4 810 2 381 1 882 270 72 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique (kt) Rang 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12 14 15 16 17 18 19 20 Doc. B 5 344 − 5 P L U S P O U R E N S A V O I R P L U S LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ (0) Tableau F – Consommation annuelle (en kg par habitant) des lubrifiants dans différents pays, classée par ordre décroissant en 1990 (suite) Tableau F – Consommation annuelle (en kg par habitant) des lubrifiants dans différents pays, classée par ordre décroissant en 1990 Pays Lubrifiants États-Unis Canada Belgique Australie Norvège Autriche Finlande Suède Allemagne fédérale Pays-Bas Japon FRANCE Danemark Yougouslavie Grande-Bretagne Espagne Italie Grèce Portugal Suisse 33,7 31,4 27,7 27,0 22,9 21,4 21,2 19,5 19,0 18,7 17,9 17,1 15,0 14,4 14,3 13,5 13,3 13,1 12,7 11,6 Lubrifiants Tous produits pétroliers Afrique du Sud Argentine Mexique Turquie Brésil Inde 11,4 7,6 7,3 5,3 4,2 1,2 529 636 722 387 443 70 Communauté Économique Européenne 16,0 1 485 Monde 7,3 597 Tous produits pétroliers 3 087 2 607 2 142 2 072 1 679 1 224 1 994 1 687 1 761 1 483 1 664 1 455 1 689 663 1 334 1 142 1 530 1 430 1 156 1 871 Pays On peut voir que la consommation de lubrifiants par habitant et par an peut être prise, en un certain sens, comme un critère du niveau d’industrialisation et de motorisation d’un pays. Le pays le moins bien servi est l’Inde avec 1,2 kg, tandis que les États-Unis ou le Canada dépassent 30 kg par an. Naturellement, ces chiffres intègrent également un certain nombre de facteurs indépendants du niveau industriel du pays tels que l’étendue du territoire en rapport avec la densité de population (Canada, Norvège, Australie, etc.), la faible consommation des moteurs produits dans le pays (France, etc.), les habitudes en matière d’espacement des vidanges des moteurs et des machines, ainsi que la pénétration du suivi en service des charges d’huiles. Normalisation des méthodes d’essais L’Association Française de Normalisation (AFNOR) met à la disposition des lecteurs les collections de normes françaises, étrangères et internationales ; celles-ci peuvent être également acquises à l’AFNOR. Dans chaque pays, le service national de normalisation peut rendre les mêmes services. Dans les tableaux ci-dessous, nous indiquons les numéros de normes françaises et étrangères. La correspondance entre les normes d’une même ligne n’est pas nécessairement rigoureuse. (0) Tableau G – Propriétés et caractéristiques structurales Méthode d’essais ANALYSE FONCTIONNELLE Groupe d’hydrocarbures [adsorption indicateurs fluorescents (FIA)] Groupe d’hydrocarbures (autres méthodes) Aromatiques Aromatiques Asphaltènes (voir insolubles) Naphtènes Indice de brome (teneur en insaturés) Indice de saponification (teneurs : esters, corps saponifiables) Constante viscosité-densité (VGC) Monoacides des esters (chromato. gaz) Acidité, alcalinité des huiles TAN, SAN, TBN, SBN (méthode potentiométrique) TAN, SAN, SBN (méthodes indic. colorés) TBS, SBN (méthodes potentiométriques) TAN (micro-indicateurs) SAN (extraction à l’eau) TBN (acide perchlorique) Neutralité PH des fluides Fluides de coupe Fluides difficilement inflammables (A, C) Acidité, alcalinité des graisses TENEUR EN MÉTALLOÏDES Azote Kjeldahl Au microcoulomètre Doc. B 5 344 − 6 ISO AFNOR-NF ASTM IP DIN ... M 07-024 D 1319 156 51791 3840 ... ... M 07-016 C 27-225 ... D 3238 D 936 D 2007 368 ... ... 51378 51384 ... ... 3839 6293 ... M 07-017 T 60-110 D 2159 D 1159 D 94 ... 130 136 51410 51774 51559-1 ASTM D 2002 ASTM D 2710 ... ... ... ... D 2501 ... ... ... FTMS 3500.1 6619 6618 ... ... ... 3771 ... ... T 60-112 ... ... ... ... ... D 664 D 974 D 4739 D 3339 ... D 2896 ... 177 139 51809-2 51558-1 IP 1 et FTMS 5102.1 182 276 ... ISO 3771 ... FTMS 5101.7 ... ... ... ... E 48-612 T 60-133 ... ... 51369 D 128 37 51809-1 ... ... ... ... D 3228 D 3431 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique Autres ASTM D 2549 _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS Tableau G – Propriétés et caractéristiques structurales (suite) Méthode d’essais ISO AFNOR-NF ASTM IP DIN ... ... ... ... ... ... D 808 D 1317 ... ... 118 244 51577.1 ... ... D 1018 4265 ... ... ... ... ... D 4047 D 1091 ... 149 51363.1 245 ... ... 2192 ... ... ... ... 4260 ... ... 5662 T 60-108 T 60-109 M 07-031 ... ... M 07-025 ... T 60-142 ... ... T 60-131 ... D 129 D 1266 D 2622 D 4294 D 1552 ... D 2785 ... D 1662 D 1275 ... 61 107 ... 336 ... 242 243 ... 155 315 51768 ... 51400 51400.2 51400.6 51400.1 DIN 51400.2 FTMS 3180.2 51409 51400 EN 41 51388 DIN 51353 DOSAGE DES MÉTAUX DANS LES HUILES Ba, Ca, P, S, Zn Ba, Ca, Mg, Zn Ba, Ca, P, Zn Ba, Ca, Zn Ba Ca Cu Fe Mg Na Zn ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... M 07-038 ... D 4927 D 4628 ... ... ... ... ... D 4042 ... D 1026 ... 308 187 ... 110 111 ... ... ... 51401.1 IP 339 DOSAGE DES MÉTAUX DANS LES GRAISSES Ca, Fe, Li, Mo, Na Li, Na Pb ... ... ... ... ... ... ... D 3340 D 1262 ... 199 ... DOSAGE DES MÉTAUX DANS LES ADDITIFS Ba, Ca, Mg, Zn Ba Ba, Ca, P, S, Zn (Fluo X) Ba, Ca, Mg, P, S, Zn (Spectro. Atomi. Plasma) ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... D 4927 D 4951 339 271 CENDRES Oxydées Sulfatées Sulfatées dans les graisses Constituants inorganiques 6245 3987 ... ... M 07-045 T 60-143 T 60-144 ... D 482 D 874 D 128 ... RÉSIDUS (teneur en carbone) Conradson Ramsbottom Carbone Micro Carbon Residu Tester 6615 4262 ... T 60-116 T 60-117 ... D 189 D 524 D 4530 TENEURS EN SÉDIMENTS, INSOLUBLES, ASPHALTÈNES Insolubles pentane (membrane filtrante) Insolubles pentane et toluène Insolubles naphta Insolubles heptane et solubles toluène Insolubles toluène Insolubles graisses ... ... ... ... ... ... ... T 60-157 ... T 60-115 ... ... TENEUR EN HUILE Émulsions de coupe Graisses à savon Huiles grasses dans les huiles de coupes (IR) ... ... ... ... ... ... Carbone Voir résidus Chlore À la bombe À l’alcoolate de sodium Flask Hydrogène À la lampe Phosphore Au phosphomolybdate Par photométrie et gravimétrie À la bombe Soufre Au tube de quartz À la bombe À la lampe Par spectrographie RX Par spectrométrie de fluorescence X Par four à induction (hautes températures) Flask Wickbold Soufre total Huiles de coupe (soufre actif) Huiles isolantes (soufre corrosif) Autres E N DIN 51400.3 S A V O I R 51391 51404 51397 51431 117 51815.1 ... ... 4 163 ... 122 EN 7 51575 51803 ASTM D 4042 13 14 51551 D 4055 D 893 D 2273 ... D 96 D 128 ... 143 51586 51595 ... D 128 ... 137 ... ... 51368 51814 ... DOSAGE DES LUBRIFIANTS SOLIDES (cf. tableau lubrifiants solides) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique P O U R ASTM D 91 FTMS 3110.1 Doc. B 5 344 − 7 P L U S P O U R E N S A V O I R LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ Tableau G – Propriétés et caractéristiques structurales (suite) Méthode d’essais ISO AFNOR-NF ASTM IP DIN Autres 3733 ... 3734 ... T 60-113 T 60-154 ... C 27-228 D 95 D 1744 D 96 74 ... ... ISO 3733 51577 51593 ASTM D 3607 TENEUR EN GLYCOLS (antigels) ... ... D 4291 ... 51375 ASTM D 2982 POLLUTION PAR LES CARBURANTS Essence (distillation) Essence (chromato.) Gazole ... ... ... ... ... ... D 322 D 3525 D 3524 23 ... 51565 ... ASTM D 3607 POLLUTION EN PARTICULES Huiles moteurs Fluides hydrauliques (compt. autom. « HIAC ») Fluides hydrauliques (compt. autom. à absorption) Fluides hydrauliques (compt. gravimétrique) Fluides hydrauliques (compt. au microscope) Huiles turbines aviation (compt. gravimétrique) Graisses Huiles isolantes ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... E 48-658 E 48-652 E 48-651 ... ... C 27-232 ... ... 316 327 51592 FTMS 3006.3 D 4898 ... ... D 1404 327 275 ... 134 ... ... ... 51813 FTMS 3011.1 FTMS 3009.3 FTMS 3010.1 FTMS 3005.4 AUTRES CORPS Antioxydants (huiles isolantes) Chlorures Sulfonates solubles (chromato. liquide) Polychlorobiphényles (huiles isolantes) ... ... ... ... C 27-227 M 07-023 ... C 27-234 ... D 878 D 3712 ... 77 51554 51576 CEI 666 NF T 20-056 TENEUR EN EAU Distillation par entraînement Karl Fisher Centrifugation Karl Fisher (huiles isolantes) (0) P L U S Tableau H – Propriétés et caractéristiques massiques Méthode d’essais ISO AFNOR-NF 3675 3838 ... ... ... T 60-101 T 60-180 ... ... T 60-172 DENSITÉ API ... MASSE MOLAIRE Par mesure thermoélectrique Relative à partir de la viscosité À partir des pertes par évaporation MASSE VOLUMIQUE Aréomètre Pycnomètre Lipkin (liquides fluides) Pycnomètre Lipkin (produits visqueux) Pycnomètre Bingham Densimètre digital COMPRESSIBILITÉ Modules de compressibilité des fluides hydrauliques Des graisses ASTM IP DIN D 1298 D 941 D 1481 D 1480 D 4052 160 189 51757 51757 249 365 ... ... D 287 160 ... ... ... ... ... ... D 2503 D 2502 D 2878 6073 ... ... ... Autres ASTM D 1217 ... 51816-2 IP DIN Autres ... (0) Tableau I – Propriétés et caractéristiques optiques Méthode d’essais ISO AFNOR-NF COULEUR ASTM Saybolt Lovibond 2049 ... ... T 60-104 M 07-003 ... D 1500 D 156 ... 196 ... 17 ISO 2049 51411 INDICE DE RÉFRACTION IR et dispersion relative IR des corps visqueux 5661 ... ... ... D 1218 D 1747 ... 51423.1 ... ... ... ... D 2008 D 2269 ULTRAVIOLET Absorbance et absorptivité Absorption (huiles blanches) ASTM (0) Doc. B 5 344 − 8 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS Tableau J – Propriétés et caractéristiques rhéologiques Méthode d’essais VISCOSITÉ DES HUILES Viscosimètres capillaires Principes généraux Ubbelohde (liquides transparents) Cannon-Fenske (liquides opaques) Tube en U (liquides opaques) Vogel-Ossag (+ 10/+ 150oC) Vogel-Ossag (– 55/+ 10 oC) Autres viscosimètres Huiles turbines aviation (basses temp.) Visco. apparente (haute temp. + cisaillement élevé) Viscosimètres chute de corps Höppler (bille) Viscosimètres rotatifs Brookfield (viscosité) Cold Cranking Simulator (CCS) Mini-Rotary Viscometer (MRV) MRV (basse température) Brookfield (pompabilité huiles moteurs) Brookfield scanning (basse temp. + cisaillement faible) Ravenfield TBS Viscometer (haute temp. + cisaillement élevé) ISO AFNOR-NF ASTM IP DIN 3104 3105 ... ... ... ... ... ... ... T 60-100 T 60-100 T 60-100 ... ... ... ... ... ... D 445 D 446 D 446 D 445 ... ... D 446 D 2532 D 4624 71 71 ... 71 ... ... 71 51550 51562.1 51366 51372 51561 51569 ... ... ... ... 53015 ... ... ... ... ... ... ... ... T 60-152 ... ... ... ... ... ... ... D 2983 D 2602 D 3829 D 4684 ... D 5133 D 4741 D 4683 267 350 51398 51377 CEC L-18-A-80 IP 383 ... ... CEC L-32-A-87 370 ... CEC L-36-A-90 Autres 3016 ... ... ... ... ... ... T 60-105 ... ... T 60-122 ... ... ... D 97 ... ... 15 ... ... ISO 3016 ... ... FTMS 203.1 FTMS 204.1 ... ... ... ... ... ... ... 51568 51427 2137 2137 ... 2176 ... ... ... ... ... ... ... ... T 60-132 T 60-140 T 60-171 T 60-102 ... ... T 60-139 ... T 60-122 ... ... ... D 217 D 1403 50 310 ISO 2137 51804.2 D 566 D 2265 D 3232 D 1092 ... 132 132 ISO 2176 ... 51805 D 1478 D 4693 D 217 186 50 51818 2909 ... ... T 60-136 ... T 60-148 D 2270 ... D 341 226 ... ISO 2909 51563 ... ... ... M 82-659-1 D 2161 E N AUTRES ESSAIS DES HUILES Point d’écoulement Point d’écoulement stabilisé (huiles moteurs) Point d’écoulement dilué Point de fluage Point de sillon Channel Test CRC L-15 Fluidité Pompabilité RHÉOLOGIE DES GRAISSES Pénétration au cône (éch. : 1) Pénétration au cône (éch. : 1/4 et 1/2) Pénétration au cône (à basse température) Point de goutte (bain liquide < 260 oC) Point de goutte (four < 360 oC) Viscosité apparente Trident Probe Viscosité apparente SOD Pression d’écoulement (Kesternich) Point de fluage Couple à basse température (roulement à billes) Couple à basse température (roulement de fusée) Classification NLGI ABAQUES. CALCULS. CONVERSIONS Indice de viscosité Indice de pente m Abaque ASTM (viscosité-température) Conversion des viscosités mm2/s SSU et SSF mm2/s oE SSU Sec. Red P L U S Tableau K – Propriétés et caractéristiques superficielles Tension de surface dynamique (bulle rapide) Tension de surface Tension interfaciale eau/huile (anneau) SOLUBILITÉ DES GAZ Dans les liquides Dans les liquides pétroliers Dans les liquides organiques ISO AFNOR-NF ASTM ... ... 6295 ... ... ... D 2285 D 3825 D 971 ... ... ... ... ... ... D 2780 D 2779 D 3827 IP DIN Autres ... ... ASTM D 3827 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique S A V O I R FTMS 3456.2 (0) Méthode d’essais P O U R Doc. B 5 344 − 9 P O U R E N S A V O I R P L U S LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ Tableau K – Propriétés et caractéristiques superficielles (suite) Méthode d’essais ISO AFNOR-NF ASTM IP DIN DÉSAÉRATION Des huiles lubrifiantes et fluides hydrauliques (IMPINGER) Des fluides difficilement inflammables Des fluides isolants ... ... ... T 60-149 E 48-614 C 27-230 D 3427 313 51381 MOUSSAGE Sphère poreuse Huiles turbines aviation Huiles de coupe Fluides aqueux (mélangeur) Fluides aqueux (bouteille) Huiles engrenages EP/GL-4 ... ... ... ... ... ... T 60-129 ... ... ... ... ... D 892 ... ... D 3519 D 3601 ... 146 ... 312 ... FTMS 3213.1 et 3214.1 ... ... CRC L-12 6614 ... ... ... T 60-125 T 60-156 ... ... D 1401 ... ... D 2711 ... 19 ... 51599 FTMS 3201.7 51589 STABILITÉ DES ÉMULSIONS AQUEUSES Huiles de laminage Fluides difficilement inflammables A et B Au stockage à température élevée Au stockage à basse température Huiles de coupe Mise en émulsion et stabilité au repos ... ... ... ... ... ... ... E 48-615 ... ... ... T 60-187 D 3342 290 263 51367 APTITUDE À LA PULVÉRISATION ... ... DÉSÉMULSION Huiles turbines (palette) Huiles turbines neuves non inhibées (barbotage vapeur) Huiles turbines (barbotage vapeur) Huiles moyennement à très visqueuses D 3707 D 3709 D 1479 Autres FTMS 3205.3 D 3705 (0) Tableau L – Propriétés et caractéristiques solvantes Méthode d’essais ISO AFNOR-NF ASTM IP DIN Autres 2977 ... ... ... ... ... ... ... M 07-021 ... ... ... ... ... ... ... D 611 ... ... ... ... ... ... D 4056 2 ... ... ... ... ... ... 51775 51593 51351 51590 ... ... ... DIN 51787 COMPATIBILITÉ MATÉRIAUX ET LUBRIFIANTS Élastomères et fluides hydrauliques Élastomères et huiles Joints et huiles turbines aviation Éléments filtrants et fluides Élastomères et graisses ... ... ... ... ... E 48-610 T 47-204 ... E 48-673 ... D 3604 ... ... 324 278 ... ... FTMS 3603.5 ... FTMS 3432.1 D 4289 AUTRES ESSAIS Résistance des graisses au fuel Résistance des graisses au mélange eau/alcool Résistance des graisses à l’eau Sensibilité à l’eau des fluides de transmissions ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... D 4997 ... ... ... ... ... 51807-1 FTMS 5414.4 FTMS 5415.1 FTMS 3463.2 MISCIBILITÉ (entre liquides) Point d’aniline Résistance aux frigorigènes (essai Philipp) Point de floculation (Floc Test ) Insolubles dans les frigorigènes Homogénéité et miscibilité des huiles Compatibilité des huiles turbines aviation Compatibilité des huiles engrenages Méthode de calcul (eau/huile) (0) (0) (0) (0) (0) Doc. B 5 344 − 10 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique FTMS 1303.2 FTMS 3470.1 FTMS 3403.2 FTMS 3430.2 (0) _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS Tableau M – Propriétés et caractéristiques thermiques et d’inflammabilité Méthode d’essais ISO AFNOR-NF ASTM Conductivité thermique Vitesse de trempe Chaleur spécifique en général Chaleur spécifique des huiles turbines aviation (DSC) ... ... ... ... ... T 60-178 ... ... D 2717 D 3520 D 2766 D 3947 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... E 48-613 ... ... ... ... ... ... T 60-161 ... ... D 2878 ... ... ... 2719 ... ... 2592 ... ... ... ... ... ... ... ... T 60-103 M 07-011 M 07-036 M 07-019 ... ... T 60-118 ... ... ... ... E 48-618 ... E 48-620 ... D 3115 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 3015 ... ... T 60-105 VOLATILITÉ Tension de vapeur apparente Tension de vapeur fluide HFD Distillation sous pression réduite Volatilisation dans le vide Plage d’ébullition (chromato. gaz.) Pertes par évaporation 100/150 oC Pertes par évaporation 93/316 oC Pertes par évaporation 100/540 oC Essai Noack Volatilité Volatilité (mélange d’huile) INFLAMMATION Points d’éclair et de feu Vase clos Luchaire Vase clos Abel Vase clos Abel-Pensky Vase clos Pensky-Martens Vase clos Setaflash Vase clos Tag Vase ouvert Cleveland Vase ouvert Pensky-Martens Vase ouvert Tag Point d’auto-inflammation Seuil de réactivité Inflammabilité (lubrifiants et fluides HF) Inflammabilité (jet sous pression) Propagation flamme (fluides HF/charbon) Réactivité explosive en présence d’alliages utilisés en aviation, sous haut taux de cisaillement STABILITÉ THERMIQUE aux hautes températures Huiles turbines aviation Huiles de coupe émulsifiables Fluides hydrauliques Température de décomposition (Isoténiscope) Cokéfaction des huiles « Panel Coker Test » Cokéfaction en film mince aux basses températures Huiles Huiles de coupe émulsifiables Point de trouble D 1160 D 2715 D 2887 D 972 D 2595 ... ... ... ... ... ... D 93 D 3828 D 56 D 92 ... D 1310 E 659 D 2883 D 3119 ... IP DIN Autres ... ... FTMS 1110.2 ... 51 356 183 ... ... ... ... ... 51581 ... ... FTMS 350.2 FTMS 353.1 FTMS 3480.1 170 304 34 303 304 36 35 ... 51755 51758 IP 304 DIN 53213 IP 304 ISO 2592 ... 51794 ... ... ... ... FTMS 6053.1 FTMS 6052.1 ... ... D 2160 D 2879 ... D 3711 ... 311 ... ... FTMS 3410.1 et 3411.1 ... FTMS 2508.1 ... ... FTMS 3462 ... ... D 2500 ... 311 219 ... FTMS 3458.1 ou 3459.1 ISO 3015 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique Doc. B 5 344 − 11 P O U R E N S A V O I R P L U S P O U R LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ Tableau N – Propriétés et caractéristiques d’oxydabilité Méthode d’essais E N S A V O I R P L U S HUILES Thermo-oxydation (appareil universel) Huiles minérales pures Huiles minérales inhibées Huiles de base sans additif cendreux Huiles EP Huiles engrenages EP/GL5 (1) Huiles compresseurs (POT) Huiles turbines (CIGRE) Huiles turbines (RBOT) Huiles turbines (TOST) (2) Huiles turbines en service Huiles turbines aviation Huiles turbines aviation Huiles isolantes Huiles minérales isolantes inhibées Huiles isolantes à base d’hydrocarbures Huiles minérales méthode Baader Huiles (faibles viscosités) Fluides hydrauliques, huiles pour broches Huiles turbines aviation et fluides hydrauliques Stabilité à l’oxydation des huiles moteurs (TFOUT) GRAISSES Essai à la bombe Oxydabilité sur boîte d’essieux ferroviaires ISO AFNOR-NF ASTM ... ... ... ... ... ... ... ... ... 4263 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... T 60-130 ... ... ... ... ... ... ... T 60-150 ... ... ... C 27-220 C 27-223 C 27-219 ... ... ... ... T 60-182 D 4871 ... D 4310 ... D 2893 ... ... ... D 2272 D 943 ... ... ... D 1313 ... ... ... ... F 19-503 D 942 IP DIN Autres 306 ... ... ... D 4636 D 4742 48 ... ... ... 280 229 ... 328 ... ... 307 335 51352.1 51586 ... 51352.2 ... ... 51554.1 & 2 ... ... ... ... 51554 51394 ... 142 51808 FTMS 2504 51587 FTMS 5003.1 FTMS 5307.2 CEI 474 FTMS 5308.7 FTMS 5308.7 (1) Méthode CRC-L-60 TOST (Thermal Oxidation Stability Test ). (2) TOST : Turbine Oxidation Stability Test Note : voir aussi propriétés et caractéristiques thermiques et d’inflammabilité, de corrosivité et essais de performances sur mécanismes. Tableau O – Propriétés et caractéristiques de corrosivité ISO AFNOR-NF ASTM IP DIN Autres CORROSIVITÉ DU FER (rouille) Cabinet humide Cabinet humide Huiles Huiles turbines minérales inhibées Huiles engrenages EP/GL-5, CRC L-33 Huiles turbines aviation Huiles antirouille Fluides aqueux (essais Herbert) Fluides aqueux Graisses (EMCOR) Graisses Revêtement anticorrosion (brouillard salin) Méthode d’essais ... ... ... 7120 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... T 60-151 ... ... ... ... ... T 60-135 ... ... D 1748 ... ... D 665 ... ... ... ... D 4627 ... D 1743 ... 366 ... ... 135 ... ... ... 125 287 220 ... ... 51359 ... ... 51585 ... ... 51386.1 FTMS 5329.2 FTMS 3007.2 ASTM D 3603 FTMS 5326.1 FTMS 5307.2 51360 51802 ... ... CRC L-41 FTMS 4001.3 CORROSIVITÉ DU CUIVRE Huiles (lame) Huiles isolantes (lame) Graisses (lame) Graisses à 25 oC Graisses à 100 oC 2160 5662 ... ... ... M 07-015 T 60-131 ... ... ... D 130 D 1275 D 4048 ... ... 154 315 112 ... ... 51759 51353 51811 ... ... FTMS 5304.5 FTMS 5309.5 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... T 60-160 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 178 ... ... 293 ... ... 331 329 ... ... ... ... 51394 51355 51357 51358 FTMS 5322.2 FTMS 5305.1 FTMS 5321.2 FTMS 5308.7 ... FTMS 5306.5 CORROSIVITÉ DE MÉTAUX DIVERS Huiles (acier, laiton) Huiles (Cu, Ag, Fe) Huiles (Cu, Pb) Huiles légères Huiles engrenages (Cu, Fe) Huiles moteurs (acide hydrobromique) Huiles moteurs (eau de mer) Fluides HFD (acier, cuivre) Fluides HF hydratés (Cu, Cd, Fe, Zn, Al, laiton) Fluides de coupe (Cu, Fe, acier, laiton) Doc. B 5 344 − 12 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS Tableau P – Propriétés et caractéristiques d’hydrolyse Méthode d’essais ISO AFNOR-NF ASTM IP DIN Autres Stabilité à l’hydrolyse (Coca Cola Test ) ... ... D 2619 ... ... FTMS 3457.2 E N Tableau Q – Propriétés et caractéristiques mécaniques ISO AFNOR-NF MACHINES DE FROTTEMENT POUR HUILES DKA Faville-Levally LFW1 SAE No 2 (embrayage à frictions) Transmissions de tracteur John Deere Méthode d’essais ASTM ... ... ... ... ... ... ... ... IP DIN Autres 332 ... CEC L-11-T-72 MACHINES DE FROTTEMENT POUR GRAISSES Faville-Levally LFW1 ... ... D 3704 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... D 1947 ... D 1947 D 1947 ... D 4998 D 4996 334 166 ... ... ... 51354 CEC-L-07-A-85 ... ... ... FTMS 6508.2 FTMS 6509.2 FTMS 6511.2 232 ... ... ... ... ... IP 233, IP 234 FTMS 6506.1 FTMS 6507.1 ... ... 239 239 ... 240 281 ... ... CEC L-30-T-81 CEC L-31-T-81 51350 ... ... 51389 FTMS 6503.2 FTMS 6520.1 FTMS 6505.1 ASTM D 2271 ... D 2714 D 4736 D 4999 MACHINES D’USURE ET DE CAPACITÉ DE CHARGE POUR HUILES Engrenages droits FZG IAE RYDER-ERDCO WADD WADD FZG (fluides hydrauliques) Réducteurs finaux John Deere Ponts hypoïdes MIRA Pour huiles EP/GL-5 procédure CRC L 37 Pour huiles EP/GL-5 procédure CRC L 42 Autres machines d’essais Falex usure, Pin and Vee block Falex EP Faville-Levally, LFW1, usure, Ring and block MIRA Cames-poussoirs (pitting ) MIRA Cames-poussoirs (scuffing ) Shell, 4 billes, usure Shell, 4 billes, EP Shell, 4 billes, EP Timken Vickers, pompe à palettes (fluides hydrauliques) Banc hydraulique pour direction assistée ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... E 48-617 E 48-617 ... ... E 48-617 ... D 2670 D 3233 D 2714 ... ... D 4172 D 2783 ... D 2782 D 2882 D 4862 MACHINES D’USURE ET DE CAPACITÉ DE CHARGE POUR GRAISSES Engrenages gauches hélicoïdaux Falex oscillante Model 1, usure, Ring and block Shell, 4 billes, usure Shell, 4 billes, EP Shell, 4 billes, EP Timken ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... D 3704 D 2266 D 2596 ... D 2509 ... ... FTMS 335.3 239 239 ... 326 51350 51350 ... FTMS 6503.2 FTMS 6520.1 MACHINES DE CISAILLEMENT POUR HUILES FISST (injecteur Diesel) FZG (engrenages) Orbahn (injecteur Diesel) Sonic test (ultrasons) ... ... ... ... ... ... ... ... D 3945 B ... D 3945 A D 2603 351 294 ... 51382 51382 CEC L-14-A-88 FTMS 3472 ... 2137 ... ... T 60-140 T 60-132 ... ... D 1403 D 217 ... D 1831 310 50 ... 51804.2 ISO 2137 ... FTMS 313.3 ... ... ... ... ... ... 300 305 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 333 ... ... ... ... FTMS 3451.4 FTMS 361.4 FTMS 3452.2 MACHINES DE CISAILLEMENT POUR GRAISSES Malaxeur 8 trous, « Working test » Malaxeur 61 trous, « Working test » Malaxeur 270 trous, « Working test » Malaxeur Shell à rouleau, « Rolling test » MACHINES DE FATIGUE Shell, 4 billes, fatigue Unisteel AUTRES ESSAIS MÉCANIQUES POUR HUILES Palier pour endurance « Work factor » Pour fluides hydrauliques automobile Palier pour huiles turbines P O U R Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique Doc. B 5 344 − 13 S A V O I R P L U S P O U R LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ Tableau Q – Propriétés et caractéristiques mécaniques (suite) Méthode d’essais E N S A V O I R AFNOR-NF ASTM IP DIN ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... T 60-135 ... ... D 1741 D 3337 D 3527 D 3336 D 1478 ... D 1263 D 1264 ... D 4170 ... 168 51806 186 266 ... 215 220 ... 51802 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... D 3428 D 4425 D 4173 D 4049 ... ... 51807.2 ... ... F 19-501 F 19-502 MACHINES À ROULEMENT D’ESSAIS POUR GRAISSES Durée de vie-performance (roulements) Durée de vie-performance (petits roulements) Durée de vie-performance (fusées de roues) Tenue à haute température Couple à basse température Malaxage Tendance aux fuites (fusées de roue) Délavage à l’eau « Water Washout » EMCOR (émulsion-corrosion) FAFNIR (corrosion de contact) Essai Sikorsky (corrosion de contact) AUTRES ESSAIS MÉCANIQUES POUR GRAISSES Rotule sphérique automobile Séparation de l’huile par centrifugation (Koppers) Emboutissage Délavage à l’eau (par pulvérisation) Délavage à l’eau (statique) Boîtes d’essieux ferroviaires (roulements) : — endurance — chocs et vibrations, banc ROPECS Autres ASTM D 4290 FTMS 6516.2 Tableau R – Propriétés et caractéristiques électriques Méthode d’essais P L U S ISO Permittivité relative, facteur de dissipation Résistivité Conductivité Rigidité diélectrique Maintenance et surveillance en service Tension de claquage au choc de foudre ISO AFNOR-NF ASTM IP DIN Autres ... ... ... ... ... ... C 27-210 C 27-210 ... C 27-221 C 27-222 C 27-218 ... ... D 4308 ... ... ... 53483 ... NF C 26-230 NF C 26-215 295 57303.10 ASTM D 877 (0) Tableau S – Propriétés et caractéristiques biologiques Méthode d’essais ISO AFNOR-NF ASTM IP DIN Autres Biodégradabilité des huiles pour moteurs hors-bord 2 T Biorésistance des fluides aqueux de travail des métaux ... ... ... ... ... D 3946 ... ... CEC L 33-T-82 (0) Tableau T – Propriétés et caractéristiques de stabilité au stockage Méthode d’essais Huiles engrenages EP Huiles aviation (turbines, hydrauliques) Huiles légères, fluides hydrauliques Graisses ISO AFNOR-NF ASTM IP DIN Autres ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... D 1 742 ... ... ... 121 ... ... ... 51817 FTMS 3440.1 FTMS 3465.1 FTMS 202.1 FTMS 321.3 ou 3467.1 (0) (0) Doc. B 5 344 − 14 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique (0) _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS Tableau U – Essais moteurs CEC –L– ASTM – STP – IP DIN Autres 01-U-90 24-A-78 ... ... ... ... ... 509 AI 509 A II ... 175 279 ... ... ... ... ... ... FTMS 341.4 FTMS 346.2 ASTM Research Report RR-D-2-1273 ... 12-A-76 ... ... ... ... 51361-3 51361-4 ... ... ... ... ... ... 17-A-78 42-A-92 35-U-92 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... DCSEA 214 A (LCSEA-M-03) ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... FTMS 339.6 FTMS 354.1 et 355 DEF-STAN 91-22/2 MOTEURS ESSENCE Monocylindres Petter W1 CLR L38 02-A-78 ... ... 509 A IV 176 ... ... FTMS 3405.2 ou ASTM D 5119 Multicylindres Fiat 132 Mercedes M 102 E Peugeot PSA TU3 Ford Tornado Oldsmobile V8 (Seq. II D) Buick V6 (Seq. III E) 34-U-90 41-T-88 38-T-87 27-T-79 ... ... Moteur MOTEURS DIESEL Monocylindres Petter AV1 Petter AVB Caterpillar IG2 Caterpillar IH2 Caterpillar IK MWM KD 12E A MWM KD 12E B Multicylindres Mack T6 Mack T7 Cummins NTC-4 00 Mercedes OM 616 Mercedes OM 364 A VW 1,6 TD Peugeot 504 (Indénor) 2 Temps GM 3-71 GM 6V-53T Rootes TS3 Ford 4 cyl. (Seq. V. E) Buick V6 (Seq. VI) Volvo B 20 A 2 Temps Johnson/Evinrude (performances) Yamaha RD-350 B (encrassement) Yamaha CE-50 S (préallumage) Yamaha CE-50 S (serrage) ... ... 26-U-92 28-U-92 ... ... ... ASTM-Research Report RR-D-2-1219 RR-D-2-1220 RR-D-2-1194 315 HI ... ... ... ... ... ... ... ... ... ASTM-Research-Report RR-D-2-1225 RR-D-2-1226 RR-D-2-1204 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ASTM D 4857 ASTM D 4858 ASTM D 4863 Tableau V – Propriétés et caractéristiques des lubrifiants solides Méthode d’essais ANALYSES Teneur en graphite et en MoS2 (huiles) Teneur en graphite et en MoS2 (graisses) Teneur en MoS2 des huiles (RX) Teneur en MoS2 des graisses Teneur en graphite (CCR) Épaisseur de film Pureté du MoS2 Cendres et matières volatiles du graphite PERFORMANCES Corrosivité (film) Pouvoir anticorrosif de l’acier (film) Sensibilité aux chocs thermiques (film) Adhésivité, résistance aux fluides (film) Abrasivité du graphite Usure Alpha LFW 1 (film) Usure et capacité de charge Falex (film) Usure et coefficient de frottement pour matériaux autolubrifiants (machine Falex) ISO AFNOR-NF ASTM IP DIN Autres ... ... ... ... 6615 ... ... ... ... ... ... ... T 60-116 ... ... ... ... D 128 ... ... D 189 ... ... D 1553 ... ... ... ... 13 ... ... 51831 51831 51379.2 ... 51551 ... ... FTMS 3720.2 ou 3722.2 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... D 2649 ... D 2511 D 2510 D 1367 D 2981 D 2625 D 3702 ... ... ... ... FTMS 3814.1 FTMS 5331.1 ... ... FTMS 7001.1 ... ... FTMS 3807.1 ou 3812.1 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique FTMS 3816.1 FTMS 3710.1 Doc. B 5 344 − 15 P O U R E N S A V O I R P L U S P O U R E N LUBRIFIANTS _________________________________________________________________________________________________________________________ Tableau W – Méthodes d’échantillonnage Méthode ISO AFNOR-NF ASTM IP DIN Autres Méthode générale Pour moteurs à combustion Pour fluides hydrauliques aviation Pour huiles de laminage Pour huiles isolantes Pour fluides hydrauliques en circuit de fonctionnement 3170 ... ... ... ... ... M 07-001 ... ... ... C 27-475 E 48-650 D 4177 ... ... D 4042 ... 51 ... 320 51750 51574 ASTM D 4057 ... ... CEI 475 (0) S A V O I R Tableau X – Principales méthodes d’essais CEC (1) (4) Numéro de code CEC (2) L-01-U-90 L-02-A-78 Moteur Petter AV1 (D) Moteur Petter W1 (E) L-07-A-85 Machine FZG L-11-T-72 Machine DKA L-12-A-76 L-33-T-82 Moteur MWM KD 12E – Méthode B – (E) Injecteur Bosch Moteur Mercedes-Benz OM 616 (D) Moteur Petter AV-B suralimenté (D) Moteur Volvo B20A (E) Moteur Ford Tornado suralimenté (D) Moteurs hors-bord Johnson et Evinrude (E) Équipement de laboratoire L-34-U-90 L-35-U-92 Moteur Fiat 132C (E) Moteur VW-ATL 1,6 litre (D) L-14-A-88 L-17-A-78 L-24-A-78 L-26-U-92 L-27-T-79 P L U S Appareillage utilisé (3) L-28-U-92 Détermination Dépôts. Gommage Oxydation huile. Corrosion coussinets Capacité de charge des huiles transmissions Coefficient de friction des huiles ATF Propreté du piston Stabilité au cisaillement Usure cames et cylindres Propreté du piston. Conditions sévères Usure cames et poussoirs Polissage des chemises Performances huiles moteurs hors-bord Biodégradabilité des huiles hors-bord 2T Préallumage Évaluation huile (1) CEC = Conseil Européen de Coordination pour le développement des essais de performances des lubrifiants et des combustibles pour moteurs. (2) L = Lubrifiant M = Méthode A = Méthode Approuvée T = Méthode Tentative U = Procédure non suivie de méthode A ou T (3) D= Moteur Diesel E = Moteur Essence (4) Les titres complets de ces documents sont donnés dans la rubrique Normes internationales Tableau X – Principales méthodes d’essais CEC (1) (4) Numéro de code CEC (2) Appareillage utilisé (3) L-36-A-90 Viscosimètre Ravenfield L-37-T-85 L-38-T-87 Machine FZG Moteur PSA TU3 (E) L-39-T-87 Essai en verrerie L-40-T-87 L-41-T-88 L-42-A-92 Appareil Noack Mercedes-Benz M 102-E (E) Mercedes-Benz OM 364-A (D) M-02-A-78 M-03-T-74 Manuel de cotation M-04-T-74 M-06-T-79 M-11-T-91 M-12-T-91 M-13-T-91 Détermination Viscosité dynamique sous haut cisaillement Stabilité au cisaillement Usure adhésive de la distribution Compatibilité huile/élastomère Pertes par évaporation Boues Polissage Cotation des moteurs Huiles de ponts hypoïdes : endurance grande vitesse Huiles de ponts hypoïdes : chocs et grande vitesse. Transmission non automatique Performance des synchro. dans transmission manuelle Comportement à froid pour véhicules Diesel Prise échantillon huile à bord d’un navire Méthodes pour analyse huile en service (1) CEC = Conseil Européen de Coordination pour le développement des essais de performances des lubrifiants et des combustibles pour moteurs. (2) L = Lubrifiant M = Méthode A = Méthode Approuvée T = Méthode Tentative U = Procédure non suivie de méthode A ou T (3) D= Moteur Diesel E = Moteur Essence (4) Les titres complets de ces documents sont donnés dans la rubrique Normes internationales Normes internationales Conseil Européen de Coordination CEC L 01-U-90 Essai d’huiles de graissage de moteurs Diesel sur moteur Diesel Petter AV1 type laboratoire (Moteur Petter AV1). L-02-A-78 Essai d’oxydation d’huile et de corrosion de coussinet (Moteur Petter W1). L-07-A-85 Procédure pour la mesure de la résistance à la charge des fluides de transmission automobile (Machine FZG). L-11-T-72 Détermination du coefficient de frottement des fluides de transmission automatique (Machine de friction DKA). L-12-A-76 Performance des huiles pour moteurs à grande puissance dans des conditions de marche sévères. Évaluation de la propreté des pistons dans le moteur d’essai Diesel MWM KD 12E (méthode B) (Moteur MWM KD 12E). Doc. B 5 344 − 16 L-14-A-88 Détermination de la stabilité au cisaillement mécanique des huiles lubrifiantes contenant des polymères (Injecteur Bosch sur appareil Kurt Orbahn). L-17-A-78 Évaluation de la performance d’une huile, en ce qui concerne l’usure des cames et des cylindres (Moteur Mercedes-Benz OM 616). L-24-A-78 Évaluation des huiles de carter vis-à-vis de leur aptitude à former des dépôts sur les pistons dans des conditions de régime sévère (Moteur Petter AV-B suralimenté). L-26-U-92 Évaluation des huiles de graissage vis-à-vis des piqûres et de l’usure des cames et des poussoirs (Moteur Volvo B20A). L-27-T-79 Essai de polissage des cylindres (Moteur Ford Tornado suralimenté). Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique _________________________________________________________________________________________________________________________ LUBRIFIANTS L-28-U-92 Évaluation de la performance des lubrifiants sur moteur horsbord (Moteurs Johnson et Evinrude). L-33-T-82 Biodégradabilité dans l’eau des huiles de moteur hors-bord 2 temps (Équipement de laboratoire). L-34-U-90 Tendances au préallumage des lubrifiants pour moteurs (Moteur Fiat 132C). L-35-U-92 Essai d’huiles moteurs sur moteur Diesel turbocompressé de véhicule de tourisme (Moteur VW-ATL 1,6 litre). L-36-A-90 Mesure de la viscosité apparente d’un lubrifiant à haute température et haut taux de cisaillement à l’aide du viscosimètre Ravenfield (Viscosimètre Ravenfield). L-37-T-85 Stabilité au cisaillement des huiles contenant un polymère (Machine FZG). L-38-T-87 Essai d’usure de la distribution sur moteur à essence (Moteur PSA TU3). L-39-T-87 Évaluation de la compatibilité huile/élastomère (Essai en verrerie). L-40-T-87 Pertes par évaporation des huiles lubrifiantes (Appareil Noack). L-41-T-88 Évaluation des propriétés anti-boues des huiles moteurs dans un moteur à essence (Moteur Mercedes-Benz M 102-E). L-42-A-92 Essai de l’usure par polissage des cylindres (Moteur MercedesBenz OM 364 A). M-02-A-78 Évaluation de l’état d’un moteur à combustion interne. M-03-T-74 High Speed Endurance Test Procedure for Hypoid Oils in Passenger Cars (en anglais). M-04-T-74 High Speed Shock Test Procedure for Hypoid Oils/Axles in Passenger Cars with Non-Automatic Transmission (en anglais). M-06-T-79 The Synchromesh Performance of Lubricants in Manually Shifted Transmissions (en anglais). M-11-T-91 Essai de comportement à froid pour les véhicules Diesel. M-12-T-91 Prise d’un échantillon représentatif de lubrifiant moteur à bord d’un navire. M-13-T-91 Méthodes standardisées recommandées pour l’analyse des lubrifiants en service. ISO 6743-1 1981 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Partie 1 : Famille A (Graissage perdu). ISO 6743-2 1981 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Partie 2 : Famille F (Paliers de broche, paliers et embrayages associés). ISO 6743-3A 1987 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Partie 3A : Famille D (Compresseurs). ISO 6743-3B 1988 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Partie 3B : Famille D (Compresseurs de gaz et frigorifiques). ISO 6743-4 1982 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Partie 4 : Famille H (Systèmes hydrauliques). ISO 6743-5 1988 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Partie 5 : Famille T (Turbines). ISO 6743-6 1990 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Partie 6 : Famille C (Engrenages). ISO 6743-7 1986 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Partie 7 : Famille M (Travail des métaux). ISO 6743-8 1987 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Partie 8 : Famille R (Protection temporaire contre la corrosion). ISO 6743-9 1987 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Partie 9 : Famille X (Graisses). ISO 6743-10 1989 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Partie 10 : Famille Y (Autres applications). ISO 6743-11 1990 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Partie 11 : Famille P (Outils pneumatiques). ISO 6743-12 1989 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Partie 12 : Famille Q (Fluides de transfert de chaleur). International Organization for Standardization ISO ISO 3448 1975 Lubrifiants liquides industriels. Classification ISO selon la viscosité. ISO 6743-13 1989 ISO/TR 3498 1986 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Recommandations pour le choix des lubrifiants pour machines-outils. Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Partie 13 : Famille G (Glissières). ISO 8068 1987 ISO 4346 1977 Câbles en acier d’usage courant. Lubrifiants. Exigences de base. Produits pétroliers et lubrifiants. Huiles lubrifiantes de pétrole pour turbines (catégories ISO-L-TSA et ISO-L-TGA). Spécifications. ISO 6743-0 1981 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Partie 0. Généralités. ISO 8681 1986 Lubrifiants, huiles industrielles et produits connexes (classe L). Classification. Système de classification. Définition des classes de produits. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique Doc. B 5 344 − 17 P O U R E N S A V O I R P L U S