Comment fonctionne une graisse lubrifiante.

Publié par

Andrea R. Aikin, rédactrice en chef | Article de fond TLT Mai 2022

La demande des clients pour des graisses répondant à des exigences plus extrêmes stimule le développement et les tests de graisse.

CONCEPTS CLÉS
•  L’électrification des chaînes cinématiques des véhicules automobiles est l’un des moteurs du besoin de meilleures graisses lubrifiantes.
•  La compréhension technique de la manière dont la graisse lubrifie les pièces des machines doit être développée davantage pour répondre aux besoins du marché en matière de graisses performantes dans des environnements extrêmes. 
•  Aujourd’hui plus que jamais, les graisses doivent être respectueuses de l’homme et de l’environnement, avec une faible empreinte carbone et sans problèmes critiques de chaîne d’approvisionnement.
•  La diminution des pertes par friction grâce à des lubrifiants améliorés a le potentiel de réduire les émissions de dioxyde de carbone (CO2) et de réduire le changement climatique.

Alors que le marché de masse pour les huiles lubrifiantes diminue, l’importance et l’utilisation des graisses lubrifiantes augmentent. L’une des principales raisons de ce changement est l’électrification des transmissions des véhicules à moteur. L’électrification réduit le besoin d’huiles moteur, réduit le volume d’huile pour engrenages nécessaire et nécessite moins de lubrifiant de refroidissement pour l’usinage des composants du moteur. De nombreux fabricants de lubrifiants voient l’avenir se tourner vers les graisses lubrifiantes, car des produits de plus en plus puissants et spécialisés sont nécessaires pour répondre aux demandes de l’industrie.

Malgré ce passage prévu aux graisses lubrifiantes, la compréhension technique de la façon dont la graisse lubrifie les pièces de machine est limitée. On a supposé que l’huile contribuait à la lubrification et que l’épaississant n’apportait que la stabilité mécanique. Cependant, aujourd’hui, les composants épaississants sont connus pour apporter également une contribution significative à la lubrification. Des questions subsistent quant à la façon dont une graisse lubrifiante évolue au cours de sa durée de vie, quels paramètres ont une importance pour une application particulière et quelle influence la température a sur la lubrification. Par rapport au test des huiles, il existe très peu de méthodes de test spéciales qui permettent de se prononcer sur l’adéquation des graisses dans des applications pratiques et pas seulement dans les roulements.

Changements de graisse qui limitent la durée de vie
Thomas Litters, expert senior en graisses lubrifiantes chez Fuchs Schmierstoffe GmbH à Mannheim, en Allemagne, identifie les propriétés rhéologiques, les propriétés chimiques et les impuretés mécaniques comme ayant un impact sur la durée de vie de la graisse. 

Selon Litters, les propriétés rhéologiques comprennent la consistance de la graisse, la limite d’élasticité et la viscosité de cisaillement, ainsi que le ressuage de l’huile. La limite d’élasticité et, dans une moindre mesure, la viscosité de cisaillement font référence à l’équilibre entre la protection d’un tribosystème graissé contre les fuites et la nécessité de le relubrifier car « très souvent, les graisses commencent d’abord à ramollir et ensuite à durcir ». Le saignement d’huile fait référence à la séparation de l’huile et de l’épaississant qui peut se produire à mesure qu’une graisse vieillit. Litters note: « La purge d’huile est nécessaire pour fournir à toutes sortes de tribocontacts une quantité suffisante de lubrifiant et ainsi éviter autant que possible la famine. »

Contrairement aux propriétés rhéologiques, Litters répertorie la stabilité à l’oxydation, la stabilité thermique, les additifs tribochimiques et, dans des cas particuliers, (c’est-à-dire les esters) la décomposition hydrolytique comme propriétés chimiques importantes pour la durée de vie. La stabilité à l’oxydation fait référence à la « dégradation de l’épaississant et de l’huile, parfois la polymérisation à des viscosités trop élevées ». La stabilité thermique comprend « la perte d’huile due à l’évaporation de l’huile de base oxydative ». Les additifs tribochimiques peuvent se dégrader au point de ne plus avoir d’effet positif. Dans certains cas, les produits de réaction additifs peuvent devenir agressifs pour les épaississants de graisse. Cela peut également raccourcir la durée de vie de la graisse si les additifs n’ont pas été correctement sélectionnés. Enfin, dans des cas particuliers, une décomposition hydrolytique peut se produire dans une graisse lorsque de l’eau est présente dans un système.

Les litières répertorient les impuretés mécaniques qui sont introduites dans la graisse pendant l’utilisation comme un autre moyen de limiter la durée de vie de la graisse. Il peut s’agir de débris d’usure, de pollution ou d’impacts environnementaux sur un système d’exploitation.

Le Dr Erik Kuhn est professeur au Centre de recherche en tribologie (TREC) de l’Institut de conception technique et de développement de produits de l’Université des sciences appliquées de Hambourg, en Allemagne. Kuhn note qu’un certain nombre de mécanismes sont responsables de la limitation de la durée de vie de la graisse. Un mécanisme important qu’il identifie « est le changement de la structure de la graisse ou la dégradation structurelle ».

Défis à venir pour les graisses
Litters note que de nouveaux types de graisses sont absolument nécessaires : « Le principal défi de l’industrie des graisses est de remplacer les épaississants à base de lithium, qui représentent encore plus de 75 % de l’ensemble du marché mondial des graisses. » Il déclare : « Il existe une tendance mondiale actuelle à remplacer les épaississants à base de lithium par des épaississants à base de sulfonate de calcium et de polyurée ; cependant, ces alternatives ont une durabilité limitée tant qu’elles reposent sur l’industrie pétrochimique (c’est-à-dire les sulfonates) et les voies chimiques à forte consommation d’énergie (c’est-à-dire l’urée).

Le Dr Markus Matzke, expert principal en technologie de lubrification chez Robert Bosch GmbH à Stuttgart, en Allemagne, déclare : « La demande croissante des clients pour une densité de puissance plus élevée et une durabilité plus longue augmentera encore les charges sur la graisse. Matzke déclare : « La densité de puissance élevée des moteurs électriques dans les véhicules électriques modernes entraîne un collectif de charge difficile de températures élevées, de facteurs de vitesse élevée, de tension électrique et de longue durée de vie sans aucune chance de renouveler la graisse. Peu de graisses actuellement sur le marché peuvent répondre à toutes ces exigences.

Matzke dit que ces demandes des clients nécessiteront « des graisses hautes performances encore plus sophistiquées et une compréhension détaillée des mécanismes de lubrification et de dégradation des graisses pour roulements ».

Litters note: « De nombreux additifs que nous utilisons aujourd’hui seront retirés du marché en raison de problèmes environnementaux ou de perturbations de la chaîne d’approvisionnement. » Ces changements augmenteront « la pression pour développer des épaississants plus fonctionnels, qui peuvent prendre en charge les fonctions additives typiques (par exemple, les performances à haute pression extrême [EP]). »

Connaissances plus sophistiquées nécessaires 
Matzke note que s’il existe déjà un assez bon niveau de compréhension des mécanismes de lubrification des graisses, il existe toujours une demande pour une compréhension plus détaillée des mécanismes de dégradation des graisses, ainsi que de la présence et de la distribution des graisses. Des conditions d’application plus sévères « nécessiteront une compréhension de plus en plus approfondie afin de concevoir la lubrification fiable de l’élément tribologique de la machine ». Il existe également une demande croissante de modèles quantitatifs de la lubrification et des mécanismes de vieillissement pour permettre une conception basée sur la simulation de nouveaux composants. Il constate que les modèles qualitatifs et les équations actuellement disponibles ne sont pas encore suffisants pour appliquer les outils de conception numérique assistée par ordinateur.

Kuhn dit : « Il y a un manque de connaissances, en particulier dans la compréhension de la dégradation structurelle des graisses causée par la contrainte de cisaillement mécanique. Lorsqu’une contrainte de cisaillement est appliquée, les différentes réactions des graisses ne sont pas bien comprises, ce qui est lié au phénomène de thixotropie des graisses. La thixotropie est la diminution progressive de la viscosité d’une graisse dans le temps sous une contrainte de cisaillement appliquée constante. Il peut y avoir une récupération progressive de la viscosité une fois la contrainte supprimée.

Innovations nécessaires,
note Matzke : « L’une des fonctions principales de la lubrification est la réduction du frottement dans les composants mobiles, ce qui réduit la consommation d’énergie pour le fonctionnement de toute machine tribologique. » Une étude allemande de 2019 a révélé que « 23% de la consommation mondiale d’énergie primaire peut être attribuée aux pertes par frottement ». 1L’étude a conclu qu’il existe un « potentiel réaliste à long terme de réduction de l’utilisation globale d’énergie primaire par une réduction des pertes par frottement de 8,6 % ». impacts anthropiques sur le climat grâce à la réduction de la consommation d’énergie.

Les lubrifiants entièrement synthétiques hautement sophistiqués ont une empreinte carbone plus élevée pendant la production que les lubrifiants à base d’huile minérale. Cependant, les avantages d’efficacité qu’offrent les lubrifiants entièrement synthétiques pendant la phase d’utilisation du produit grâce à la réduction de la friction peuvent contrecarrer cette empreinte carbone de production plus élevée. Matzke déclare : « Pour quantifier les avantages de telles avancées technologiques, nous devons appliquer largement la méthode d’analyse du cycle de vie (ACV) selon la norme ISO 14040. » Cela signifie que des données ACV précises sur les composants des lubrifiants sont nécessaires. Matzke prédit : « Ce sera un domaine d’innovation important pour les cinq à 10 prochaines années. »

Nouveaux bancs d’essai et procédures nécessaires
Des méthodes sont actuellement disponibles pour tester les graisses afin de permettre des comparaisons directes de différentes formulations de graisse. Matzke note que ce type de benchmarking des graisses « est nécessaire pour optimiser la formulation et identifier les candidats les plus prometteurs pour une application ». Cependant, ces méthodes actuelles ne sont pas capables de relier les valeurs mesurées aux exigences réelles de l’application du produit.

Matzke propose des exemples des méthodes existantes de séparation d’huile de la norme ASTM D6184 ou DIN 51817. Il constate que « les deux méthodes sont utiles pour la comparaison de différentes formulations de graisse et pour le contrôle qualité du processus de fabrication de la graisse ». Cependant, il note que ces résultats de test ne sont pas corrélés avec la détermination de savoir si une valeur spécifique de séparation d’huile répond aux exigences d’une application donnée. Ce manque se traduit par la sélection de graisses avec les meilleures valeurs de test mais nécessite toujours la réalisation de tests d’endurance des composants qui ont de longues durées et des coûts élevés.

Un autre exemple où les méthodes existantes fournissent des données pratiques limitées est l’évaluation de la résistance thermo-oxydative des graisses. Matzke note que cela « est une condition préalable pour qu’une graisse dans les applications à haute température atteigne la durée de vie de la graisse demandée ». Les méthodes actuellement disponibles (par exemple, DIN 51808, ASTM D8206) évaluent la stabilité thermo-oxydative après une durée fixe ou une diminution fixe de la pression d’oxygène. Cependant, dit Matzke, « Ces critères ne fournissent aucune information sur la question de savoir si les additifs antioxydants protecteurs sont déjà complètement épuisés ou encore disponibles. » Sans ces informations sur les additifs, il est impossible de déterminer si la « graisse peut encore répondre à ses exigences ou a déjà échoué ».

L’équipe de Matzke et le groupe de travail DIN sur le vieillissement des graisses travaillent sur une méthode qui identifierait le chaînon manquant entre les tests thermo-oxydatifs sur banc et les applications des produits. Cette méthode « évalue le temps d’épuisement final des antioxydants, qui correspond au moment de la défaillance thermo-oxydante de la graisse ». Matzke note : « La méthode a été présentée lors de plusieurs conférences, la dernière en date lors de la conférence 2021 de la Société allemande de tribologie (GfT). » 2

Un autre domaine où des recherches supplémentaires seraient utiles est le facteur de vitesse des graisses. Le terme facteur de vitesse est utilisé pour indiquer la vitesse de roulement admissible pour un lubrifiant. Matzke note : « Il n’y a pas de norme internationale définie pour l’évaluation du facteur de vitesse des graisses, il est donc presque impossible de comparer différentes graisses avant les tests d’endurance des composants. » Normaliser une telle méthode serait utile.

Epaississants de savon
Litters constate que le principal moteur des innovations dans les épaississants de savon sont les roulements à rouleaux lubrifiés à la graisse. « Les roulements étaient et seront l’application de graisse la plus pertinente, indépendamment de ce qui se passera dans les transmissions automobiles et industrielles et dans la production d’énergie. » Cela signifie qu’il pense que les exigences de l’industrie des roulements seront le principal moteur des innovations en matière de graisse. Selon Litters, « les fabricants de roulements veulent voir une graisse avec une meilleure fiabilité (c’est-à-dire, aujourd’hui une durée de vie L10, demain une durée de vie L1) et, comme toujours, une meilleure efficacité. »

La durée de vie L10 est définie comme le nombre de tours ou d’heures que 90 % des roulements identiques effectueront avant que la fatigue ne se produise. Cela signifie que 10 % des roulements ne devraient pas atteindre la durée de vie L10. Contrairement aux normes actuelles, avec un objectif futur de durée de vie L1, seulement 1 % des roulements n’atteindraient pas l’objectif de durée de vie L1.

Litters note: « Les autres savons métalliques ne présentent pas les propriétés » polyvalentes « des savons à l’acide lithium-12-hydroxystéarique (HSA). » Cela a été prouvé au cours de décennies de recherche sur les graisses ; cependant, Litters dit que d’autres savons métalliques « peuvent se rapprocher des savons au lithium lorsque des additifs (par exemple, des polymères) ou des techniques de production avancées sont appliqués ». En mélangeant différents épaississants, différentes propriétés peuvent être développées dans la graisse qui peuvent être utiles pour des applications spécifiques. De plus, Litters note que les biopolymères sont prometteurs en tant qu’alternatives possibles aux graisses au lithium ou en tant qu’additifs aux graisses sans lithium, mais il reste encore un long chemin à parcourir pour les établir sur le marché tant que leurs coûts restent nettement plus élevés.

L’importance du marché des épaississants au savon de lithium changera sous la pression des prix des matières premières et des exigences de performance accrues. Litters s’attend à ce que la part de marché des épaississants au savon au lithium « diminue de 10% et plus au cours de la prochaine décennie » en raison de préoccupations environnementales. Il prévoit qu’elles seront remplacées par « des graisses polyurées pour les applications automobiles (par exemple, les roulements de roue, les arbres de transmission) et par des sulfonates de calcium dans les domaines industriels (par exemple, les mines, la sidérurgie) ».

Nouvelles approches de test
Matzke note : « Une caractéristique centrale du comportement de lubrification d’une graisse est sa capacité à libérer son huile de base à un taux adéquat dans toutes les conditions de fonctionnement. » La vitesse de séparation de l’huile est fortement affectée par la température. Malgré cette réalité, les méthodes courantes d’évaluation de la séparation d’huile ou de la purge d’huile sont effectuées à des températures constantes (par exemple, 100 C pour ASTM D1478-20 et 40 C pour DIN 51817).

Lorsque les températures diminuent, les taux de séparation d’huile sont considérablement réduits jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de séparation d’huile. Matzke déclare : « Cela doit être pris en compte dans les applications à basse température lorsqu’il n’y a pas suffisamment de chauffage par friction de la graisse » pour éviter une lubrification insuffisante et une défaillance des composants. Bien que ces résultats n’aient pas encore été publiés, l’équipe de Matzke a découvert que « la température à laquelle la séparation de l’huile n’est plus possible est bien supérieure à la température de fonctionnement inférieure généralement spécifiée selon la méthode de pression d’écoulement (c’est-à-dire DIN 51805) ».

Kuhn suggère de se concentrer sur des bancs d’essai qui permettent « à un dispositif optique d’observer le processus de cisaillement dans un film de graisse ». Il note que des investigations plus théoriques sont nécessaires pour permettre la compréhension « de la situation énergétique d’une graisse stressée » alors que les études sur les phénomènes d’auto-optimisation dans les graisses ne font que commencer. Kuhn dit qu’il est « nécessaire d’observer expérimentalement le processus de dégradation in situ » en utilisant différentes techniques (par exemple, la microscopie à force atomique [AFM], le microscope électronique à balayage [SEM] et le rhéomètre).

conclusion
La compréhension technique de la manière dont la graisse lubrifie les pièces des machines doit être développée davantage pour répondre aux besoins du marché en matière de graisses performantes dans des environnements extrêmes. Maintenant, plus que jamais, les graisses ont besoin d’une meilleure durabilité, que Litters définit comme étant respectueuses de l’homme et de l’environnement, avec une faible empreinte carbone et aucun problème critique de chaîne d’approvisionnement. En diminuant les pertes par frottement grâce à des lubrifiants améliorés, il est possible de réduire à la fois les émissions de dioxyde de carbone et les impacts du changement climatique causés par la consommation d’énergie.

RÉFÉRENCES
1.  Gesellschaft für Tribologie eV (2022), « La tribologie en Allemagne : technologie interdisciplinaire pour la réduction des émissions de CO 2 et la conservation des ressources. Disponible  ici .
2. Matzke, M., Beyer-Faiss, S., Grebe, M. et Hoeger, O. (2022), « Évaluation de la durée de vie de la graisse thermo-oxydante – étude en laboratoire avec la méthode catalytiquement accélérée utilisant RapidOxy, » Tribologie und Schmierungstechnik, 69 (1), p. 41-49.

Andrea R. Aikin est un écrivain et éditeur scientifique indépendant basé dans la région de Denver. Vous pouvez la contacter à pivoaiki@sprynet.com . 

Voir l’article : https://www.stle.org/files/TLTArchives/2022/05_May/Feature.aspx

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