« Tribologie/Lubrifiants/Lubrifiants liquides » : différence entre les versions

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* '''polyphényléthers''' : ils ont une excellente résistance à l'oxydation, une très bonne stabilité thermique jusqu'à 450 °C, un bon pouvoir lubrifiant, mais ils sont '''très chers''' ;
 
* '''polyalkylèneglycols''', essentiellement polypropylènes glycols : leur index de viscosité est très élevé, ils sont insensibles au cisaillement et dotés d'un très bas point d'écoulement, de bonnes propriétés antiusure, d'une grande stabilité thermique mais d'une faible résistance à l'oxydation. Comme ils ne sont pas miscibles auxavec les bases minérales, on doit les utiliser purs. Ils sont fabriqués dans une large gamme de viscosités ;
 
* '''polyoléfines''' : elles ont un très bon indice de viscosité, un bas point d'écoulement mais elles sont volatiles et il faut généralement les utiliser en mélange ;
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Ce « compoundage » ne visait qu'à améliorer une propriété particulière, l'onctuosité, par des produits que l'on peut considérer comme les premiers additifs. Aujourd'hui, l'industrie chimique produit toute une série de composés complexes dont l'apparition dans les huiles a constitué une seconde révolution. Si dans les premiers temps la proportion d'additifs ne dépassait pas 3 à 5 %, il est aujourd'hui courant d'en trouver de 25 à 30 % ...
 
La plupart des mécanismes modernes ne peuvent fonctionner que grâce à des lubrifiants hautement spécialisés, sans lesquels les progrès que nous connaissons n'auraient pas été possibles. Le terme de « dopes » désigne des produits qui forment ''in situ'' avec les métaux des composés ioniques que le frottement consomme par action mécanique. Si tous les dopes sont des additifs, en revanche tous les additifs ne sont pas des dopes. Le terme de « dopage » a d'ailleurs pris un sens péjoratif et n'est plus adéquat : les lubrifiants dopés ne sont pas améliorés temporairement comme certaines performances sportives, mais pour toute leur durée de vie, c'est-à-dire le temps qui s'écoule entre deux vidanges.
 
On distingue les additifs lyophiliques et les additifs lyophobiques. Les premiers ont une affinité avec le solvant, qui est la base lubrifiante. Ils sont constitués de particules colloïdales de dimensions inférieures au micromètre : additifs de viscosité, polyméthacrylates, acides gras, savons, additifs antiusure. Les seconds n'ont pas d'affinité avec le solvant dans lequel ils restent en suspension : graphite, bisulfure de molybdène (MoS<sub>2</sub>), PTFE micronisé, bentonite, etc.
 
=== Diverses sortes d'additifs ===
 
* '''additifs détergents''' (utilisés à raison de 3 à 15 %) : les premières huiles détergentes furent introduites en Europe par les armées alliées en 1944. L'un des premiers produits utilisés a été le naphténate d'aluminium, qui fut suivi par beaucoup d'autres. Les additifs détergents ont pour principal effet de maintenir en suspension dans l'huile les boues et particules charbonneuses afin d'éviter qu'elles se déposent et « gomment » les pièces, surtout à haute température, (par exemple, les gorges de segments dans les moteurs thermiques). Un des additifs détergents les plus couramment utilisés est le sulfonate de calcium ;
 
* '''additifs dispersants''' (de 3 à 15 %) : contrairement aux précédents, ils agissent essentiellement à basse température en retardant la formation de dépôtdépôts ou de boues (le ''sludge'' en anglais). Ce sont surtout des sels organiques, phénates, salycilates ou sulfonates de métaux alcalinoterreux : calcium, baryum, magnésium ;
 
* '''additifs abaissant le point de congélation''' (jusqu'à 0,5 %) : on les appelait autrefois inhibiteurs de figeage. Les méthylacrylates et les acrylates améliorent le comportement à froid des huiles paraffiniques. Grâce à leur structure fibreuse, ils forment sur les microcristaux de paraffines un film très mince qui évite leur grossissement et leur agglomération. Il existe une concentration optimale de l'ordre de 0,25 % au-delà de laquelle le point de congélation ne s'abaisse plus ;
 
* '''additifs de viscosité''' (de 5 à 10 %) : Lala viscosité des huiles diminue beaucoup lorsque la température augmente et l'on a cherché à corriger ce défaut. Si l'huile ne doit pas être trop visqueuse à froid pour faciliter le démarrage, elle ne doit pas non plus être trop fluide à chaud pour conserver une solidité raisonnablesuffisante aux films lubrifiants. On utilise un faible pourcentage de produitspolymères de masse moléculairemolaire relativement élevée (10 à 20 000), dude genrela famille des polybutènes, polyméthacrylates, polyacrylates, et polymères d'oléfines, qui tendent à limiter la liberté de mouvement des molécules de la base, et ce d'autant plus que la température est plus élevée ;
 
* '''additifs d'onctuosité, de frottement, d'adhésivité''' (proportions très variables) : ils augmentent l'adhérence du film d'huile pour en prévenir la rupture et sont donc très intéressants pour le glissement à faible vitesse sous forte charge. Ils diminuent la tendance au ''stick-slip'' dans les glissières. Beaucoup d'huiles ou de graisses contiennent des savons, commetels le naphténate de plomb qui convient bien aux couples roues et vis sans fin. Dans l'ordre d'efficacité croissante, on trouve diverses familles de composés polaires : esters gras naturels ou synthétiques, amines grasses, glyacides, alcools gras, acides gras de C<sub>12</sub> à C<sub>18</sub> ;
 
* '''additifs antiusure''' (1 %) : utiles surtout aux basses températures, ils s'accrochent aux surfaces par des liaisons chimiques et forment des film épais et plastiques qui répartissent les contraintes et réduisent l'usure. Leurs propriétés dépendent du substrat et des autres additifs qui inhibent parfois leur action, en particulier les détergents qui entrent en compétition avec eux pour se fixer sur les surfaces. Des additifs classiques sont le dithiophosphate de zinc, le tributylphosphate et le tricrésylphosphate, le dithiocarbonate de zinc, qui conviennent bien aux engrenages cylindriques et coniques moyennement chargés. On utilise aussi des composés organométalliques du plomb. L'usure du lubrifiant correspond à la disparition progressive de l'additif transformé en divers produits de dégradation. Lorsqu'il a entièrement disparu, le coefficient de frottement et l'usure augmentent brutalement ;
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=== Consommation sélective des additifs et entretien des lubrifiants ===
 
Au fil des heures de service, les lubrifiants voient leurs propriétés s'altérer progressivement, entre autres parce que certains additifs sont consommés et parce que le taux d'impuretés augmente.
 
Les additifs antiusure et extrême pression ont la propriétéspropriété de se fixer chimiquement sur les surfaces et ils sont éliminés au fur et à mesure que ces dernières s'usent. Tant qu'il reste une concentration suffisantessuffisante de ces produits, la surface mise à nu par l'élimination d'une particule d'usure est très vite recouverte d'une nouvelle pellicule protectrice. En revanche, lorsque les réserves sont épuisées, les surfaces prisesmises à nu ne sont plus protégées et les risques d'avarie sont grandsélevés.
 
L'efficacité des détergents et des dispersants diminue considérablement au fil du temps, de même que celle des produits destinés à neutraliser les acides au fur et à mesure de leur formation par oxydation des huiles de base.
 
Il est donc important de surveiller régulièrement la concentration de ces additifs. En cas de baisse trop importante de leur concentration, il faut vidanger le lubrifiant usé et refaire le plein en produit neuf ; dans certains cas, il est également possible d'utiliser des produits de complément qui permettent de faire remonter les concentrations, si l'huile de base est encore d'une qualité suffisante.
 
== Additifs et filtration ==
 
La présence d'additifs, en particulier de lubrifiants solides restant en suspension, fait fantasmerinterroger certains utilisateurs qui se demandent ce qui se passe lorsque le lubrifiant est filtré. On peut trouver ici quelques idées sur cette question :
* les additifs dissous traversent sans problème tous les filtres ;
* les huiles pour moteurs ne posent généralement pas de problème car les particules de graphite ou de bisulfure de molybdène que l'on peut y trouver sont beaucoup plus petites que les ouvertures des filtres usuels ; en revanche elles pourraient être arrêtées par des filtres aux passages trop étroits ;
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μ est, à une température et une pression données, une constante que l'on appelle coefficient ou module de viscosité dynamique, ou plus simplement '''viscosité dynamique'''. Cette grandeur a pour dimension M.L<sup>-1</sup>.T<sup>-1</sup>. Comme nous le verrons plus loin, il existe une autre sorte de viscosité.
 
L'unité de mesure correspondante est le pascal.seconde (Pa.s), défini comme la viscosité dynamique d'un fluide dans lequel le mouvement rectiligne et uniforme, dans son plan, d'une surface plane, solide, indéfinie, donne lieu à une force retardatrice de 1 newton par mètre carré de la surface en contact avec le fluide homogène et isotherme en écoulement relatif devenu permanent, lorsque le gradient de la vitesse du fluide, à la surface du solide et par mètre d'écartement normal à ladite surface, est de 1 mètre par seconde.
 
Le pascal.seconde s'appelait auparavant poiseuille (Pl), du nom du médecin [[w:Jean-Louis-Marie Poiseuille|Jean-Louis-Marie Poiseuille]]. On le trouve encore dans la littérature, de même que la poise (Po) et la centipoise (cPo) issusissues du système C.G.S.CGS. IlL'équivalence fautest retenirla quesuivante :
1 Pa.s = 1 Pl = 10 Po = 1 000 cPo.
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La viscosité dynamique ne tient pas compte de la masse volumique des fluides. Ainsi, de deux fluides de même viscosité dynamique s'écoulant dans les mêmes conditions sous l'effet de leur poids, le plus dense s'écoulera plus rapidement.
 
L'unité de mesure de la '''viscosité cinématique''', le mètre carré par seconde (m<sup>2</sup>/s), et est définie comme étant celle d'un fluide dont la viscosité dynamique est 1 pascal.seconde et la masse volumique 1 kilogramme par mètre cube. Il s'ensuit que la viscosité cinématique est égale au rapport de la viscosité dynamique à la masse volumique, toutes deux définies à la même température. ν étant la viscosité cinématique et ρ la masse volumique, alorson peut écrire :
 
ν = μ / ρ.
 
L'unité de mesure CGS était le stokes (St) ou cm<sup>2</sup>/s. On utilisait plus fréquemment le centistokes (cSt) qui n'est autre que le mm<sup>2</sup>/s.
 
1cSt = 10<sup>-6</sup> m<sup>2</sup>/s = 1 mm<sup>2</sup>/s.
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VI = 100. (H-U)/(H-L).
 
Les progrès du raffinage, ainsi que l'invention de lubrifiants synthétiques et d'additifs stabilisateurs de viscosité, ont permis d'obtenir des lubrifiants de viscosité plus stable que la meilleure huile de pétrole connue, atteignant des index de 130, 150, voire 350 pour certaines huiles fluorées à base de perfluoropolyéthers linéaires. On emploie alors une autre formule qui fait intervenir des coefficients de correction tenant compte de la viscosité.
 
L'ASTM a publié des tables permettant la lecture directe de l'index de 100 à 200 lorsque l'on connaît les viscosités à 40 °C et à 100 °C. Il existe également un abaque permettant, par un simple rappel de droites, de déterminer l''''index de viscosité élargi''' (VIE) de 100 à 300, toujours en partant des mêmes viscosités à 40 °C et 100 °C.
 
==== Compressibilité ====
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==== Tension de vapeur ====
À la pression atmosphérique, la température initiale de distillation des huiles avoisine 360 °C. La tension de vapeur à la température ambiante est donc très faible, de l'ordre de 1,3 10<sup>-74</sup> barmbar. Certains fluides synthétiques ont une tension de vapeur encore plus faible qui les fait apprécier pour les usages à très faible pression ou dans le vide.
 
==== Tension superficielle et onctuosité ====
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Le tensiomètre Lcomte de Nouy mesure l'effort d'arrachement d'un anneau horizontal en platine suspendu par des fils au plateau d'une balance de torsion. Il est également possible de faire des mesures dans des tubes capillaires en utilisant la loi de Jurin. Les huiles minérales ont des tensions superficielles inférieures de moitié à celle de l'eau.
 
Notons que toute pollution, même faible, peut modifier radicalement les valeurs trouvées. Ceci éclaire d'un jour nouveau le terme général d'onctuosité, qui englobe un ensemble de phénomènes de capillarité, de tension superficielle, d'adsorption, de polarisation moléculaire, tout cet ensemble représentant en fait les propriétés de contact et d'adhérence avec la matière au niveau d'une épilame moléculaire. Les nombreuses formules proposées pour chiffrer l'onctuosité sont sans fondement et vite en défaut. '''On fera d'énormes progrès en lubrification le jour où l'on saura chiffrer l'onctuosité !.'''
 
==== Désémulsibilité ====
En versant doucement de l'eau et de l'huile minérale pure dans un récipient, on observe une superposition des deux liquides, l'huile surnage. Si l'on agite violemment, l'ensemble prend un aspect trouble car le brassage a fractionné les deux liquides en minuscules gouttelettes dont la décantation peut ne progresser que très lentement.
 
Dans certains cas, l'émulsion prend même un caractère permanent, comme pour le lait qui est constitué de corps gras en suspension dans une solution saline.
 
L'aptitude d'une huile à se séparer rapidement de l'eau peut avoir des avantages et cela justifie que l'on fasse des essais. Pour les huiles destinées aux turbines, on considère qu'une décantation totale en 30 minutes est un bon résultat.
 
==== Désaération ====
La solubilité d'un gaz dans un liquide est proportionnelle à la pression relative de ce gaz, selon la loi de Henry. Sous la pression atmosphérique et à température ambiante, les huiles dissolvent au maximum 8 % de leur volume d'air, ce qui est sans conséquencesconséquence sur leurs propriétés mécaniques.
 
Une huile entraînant de l'air est une phase continue dans laquelle les bulles représentent une phase discontinue. Cet air produit des effets indésirables : cavitation, fonctionnement imprécis des systèmes hydrauliques, altération rapide de l'huile. Une compression adiabatique de 1 à 300 bar fait monter la température des bulles de 700 °C et des étincelles peuvent apparaître : c'est l'effet Lohrentz, analogue à l'allumage dans un moteur Diesel. Il est donc préférable que la mousse disparaisse rapidement...
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À partir d'une certaine température, les constituants volatils de l'huile peuvent brûler au contact d'une flamme : c'est le point éclair. Si on chauffe davantage, il arrive un moment où la combustion devient permanente : c'est le point de feu.
 
Ces deux températures sont très variables avec les paramètres locaux et en particulier avec la présence d'eau en suspension dans l'huile. Leur mesure fait l'objet de normes. À partir du point d'éclair Cleveland, il est possible de déduire le point de feu Cleveland avec une assez bonne précision. Quand une huile est portée à son point d'éclair, sa tension de vapeur est de l'ordre de 13 millibarmbar.
 
==== Température d'autoinflammation ====
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==== Teneur en cendres ====
On compare le résidu de la calcination de l'huile à la masse initiale. Pour une bonne huile minérale pure, on trouve en général une teneur en cendres allantvariant de 0,001 à 0,05 %. Cette teneur peut être beaucoup plus élevée, et sa mesure devient alors compliquée, si l'huile contient des additifs organo métalliques ou autres.
 
Une teneur en cendres élevée pose des problèmes dans les moteurs thermiques modernes car les résidus de combustion de l'huile tendent à se déposer dans les filtres à particules.
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==== Teneur en eau ====
''L'eau est l'un des principaux ennemis des lubrifiants''. Dans les environnements humides, lorsqu'un lubrifiant reçoit de l'eau directement ou par condensation de vapeur, ses performances sont en général fortement diminuées. La sensibilité à l'eau est très variable selon le produit utilisé, relativement faible pour les glycols, beaucoup plus élevée pour les oléfines. Une teneur en eau trop élevée est un sérieux signal d'alerte avant une prochaine défaillance du mécanisme concerné.
 
== Capacité de rétention d'impuretés et résistance à l'oxydation ==