Tribologie/Lubrifiants

Un peu d'histoire

Dès l'Antiquité, l'homme a utilisé des corps lubrifiants d'origine animale ou végétale pour résoudre divers problèmes de frottement et de glissement.

Un bas-relief égyptien représente un homme versant de l'huile sur des planches afin de faciliter le glissement d'un traîneau chargé de pierres. Un chariot à roues retrouvé dans une tombe égyptienne, daté de 1400 avant J.-C., portait encore des traces du suif utilisé pour graisser les moyeux. Un ouvrage de Pline l'Ancien est d'ailleurs consacré aux lubrifiants et l'on a retrouvé les vestiges de deux savonneries à Pompéi.

À quelques exceptions près comme l'huile de ricin, les produits de l'époque étaient de médiocre qualité et vite dégradés. C'est probablement le développement des moyens de transport qui posa les premiers véritables problèmes de lubrification.

Les produits pétroliers étaient eux aussi connus : les Égyptiens se servaient d'asphalte pour embaumer leurs morts. Les bateliers d'Irak utilisent depuis des temps immémoriaux les bitumes pour calfater leurs embarcations. C'est en Chine que l'on a retrouvé les premières lampes à pétrole.

En 1627, une lettre patente autorisa l'exploitation commerciale à Pechelbronn, en Alsace, d'une source qui produisait une « huile de pierre » réputée pour ses propriétés thérapeutiques. En 1741 fut constituée la première société pétrolière de l'histoire, pour exploiter à côté de la source une veine de sable bitumineux dont on tirait une graisse apte à remplacer le « vieux oing » et le suif. Le roi Louis XV, conscient de l'intérêt de cette exploitation, la confia par lettre patente du 5 août 1772 à un certain Le Bel. De cette époque date l'origine de la société ANTAR, créée en 1927.

Dès le début de la Révolution industrielle et plus particulièrement à cause de la généralisation des machines à vapeur, la fabrication des lubrifiants prit de l'importance et quitta le stade artisanal. Plusieurs sociétés européennes spécialisées dans ce domaine ont d'ailleurs fêté récemment leur bicentenaire.

C'est la découverte et l'exploitation des champs pétroliers qui permit de disposer de bases minérales abondantes et bon marché. L'industrie du raffinage n'est pas née, comme on le croit généralement, de la fabrication de carburants, essence, gazole et fiouls, mais de la production de kérosène pour les lampes à pétrole et de lubrifiants. Le premier, supplanté par le gaz puis par l'électricité, a pris sa revanche comme carburant pour les turboréacteurs des avions. Les seconds ont connu une expansion jamais démentie depuis ...

En 1855 le chimiste américain B. Silliman, reprenant des travaux antérieurs, retrouva un certain nombre de produits naturels par distillation du pétrole : goudrons, lubrifiants, naphta, solvants pour les peintures ainsi que l'essence qui, considérée à l'époque comme produit mineur, était utilisée comme détachant.

En 1857, la ville de Bucarest était éclairée au pétrole.

Aujourd'hui, les chimistes savent améliorer les lubrifiants naturels par toutes sortes d'additifs ou « dopes » et aussi fabriquer toute une gamme de produits synthétiques. L'industrie des lubrifiants participe largement aux progrès de la construction mécanique depuis plusieurs dizaines d'années.

La France consomme chaque année environ un million de tonnes de lubrifiants dont la moitié pour les moteurs. Plusieurs centaines de sociétés ont leur activité principale dans ce domaine. Quelques unes sont très importantes et très connues mais la plupart des autres, plus discrètes et ignorées du grand public, disposent d'un remarquable savoir faire dans leur spécialité. La concentration industrielle est du reste très lente dans ce secteur.

Évolutions récentes

Les cinquante dernières années ont marqué un tournant important dans le domaine de la lubrification et des produits lubrifiants. Les charges et les vitesses des machines ont énormément augmenté et la manière de les lubrifier a beaucoup changé.

• Les broches des machines-outils, qui ne dépassaient guère des vitesses de rotation de quelques milliers de tours par minute, tournent aujourd'hui couramment dix fois plus vite.
• Les broches de certaines machines destinées à l'industrie textile atteignent parfois 600 000, voire 1 000 000 tours/min.
• Les turbines de centrales électriques, qui ne dépassaient guère 250 MW dans les années 1960, dépassent aujourd'hui couramment 1 GW.
• Dans le domaine de l'automobile, les multiples points de graissage qu'il fallait périodiquement alimenter ont discrètement disparu, cette révolution a commencé en France avec la Renault 4 L. Les joints de transmission, les roulements de roues, les pivots de suspension et bien d'autres éléments sont désormais graissés à vie.
• Le développement des techniques nucléaires et de l'industrie aérospatiale ont fait apparaître des problèmes radicalement nouveaux pour lesquels il a bien fallu trouver des solutions.
• Les évolutions et les découvertes réalisées dans les domaines dits « de pointe » se sont vulgarisées ; par exemple, les lubrifiants synthétiques réservés voici quelques décennies à la compétition automobile sont aujourd'hui entrés dans la pratique quotidienne.
• D'autres découvertes apportent des solutions inattendues à des problèmes anciens, comme les fluides magnétiques inventés au début des années 1950 par Jacob Rabinov et qui permettent de modifier la viscosité par application d'un champ magnétique.

Fonctions des lubrifiants

Elles sont multiples :

• diminuer les frottements et les résistances passives dans les machines, améliorer leur rendement et économiser l'énergie ;
• protéger les organes lubrifiés contre les diverses formes de corrosion et d'usure, donc contribuer à leur longévité ;
• évacuer la chaleur produite dans les moteurs ou lors de l'usinage, favoriser l'équilibre thermique des machines ;
• améliorer l'étanchéité vis-à-vis des gaz, des liquides ou des poussières ;
• éliminer les impuretés et les débris d'usure ;
• transmettre de l'énergie ou de la chaleur ;
• assurer l'isolation électrique ;
• améliorer l'état de surface des pièces usinées ;
• ...

Choix d'un lubrifiant

C'est une question très complexe et l'on peut dire qu'à chaque sorte de contact mécanique correspond une composition de lubrifiant optimale (ou moins mauvaise que les autres ...) et une façon de la mettre en œuvre. À la limite, s'il existe dans une machine 50 sortes de contacts différents, il faudrait idéalement utiliser 50 lubrifiants différents, et l'on devine facilement l'étendue des problèmes pratiques que cela pourrait poser.

Il serait vain et prématuré de dresser ici une liste des paramètres qui doivent être pris en considération, car il en existe des centaines. On trouvera des exemples dans l'article détaillé consacré aux applications de la tribologie.

On ne lubrifie pas dans les mêmes conditions les organes d'une machine produite en très grande série, comme une automobile, et les roulements spéciaux d'une installation industrielle très spécifique, par exemple ceux des rouleaux sécheurs d'une grosse machine pour la fabrication du papier (8 m de long, 1 m de diamètre, vitesse périphérique 40 km/h, chauffage interne par de la vapeur d'eau, poids de l'ordre de 5 t, ...). Dans le premier cas, on fera nécessairement appel à des lubrifiants disponibles dans le commerce, dans le second, on n'hésitera pas à créer une formule très spécifique et il est évident que le coût de l'opération n'est pas exactement celui d'une simple vidange.

Le nombre des lubrifiants dans une automobile est beaucoup plus élevé qu'il n'y paraît généralement. L'huile destinée au moteur doit être changée périodiquement, car en dépit de tous les progrès de la chimie, on ne sait pas lui donner la même durée de vie que le moteur. Les huiles destinées à la boîte de vitesses et le cas échéant au pont arrière sont renouvelées beaucoup moins souvent et la tendance actuelle est de lubrifier ces deux éléments « à vie ». Les roulements des roues sont graissés à vie depuis quelques dizaines d'années, de même que ceux des multiples moteurs utilisés pour les essuie-glaces, les ventilateurs, les lève-vitres, etc., et généralement ils le sont avec des graisses différentes. D'autres produits lubrifiants très spécialisés peuvent être rencontrés dans les compresseurs des systèmes de climatisation. En dressant l'inventaire, on arriverait facilement à plusieurs dizaines de produits, mais l'automobiliste lambda ne s'en aperçoit pas, si ce n'est pour la vidange du moteur.

Si l'on raisonne sur un organe particulier, par exemple la boîte de vitesses, on peut conclure qu'il existe un lubrifiant idéal pour chacun des engrenages qui fournissent les différents rapports de vitesses ; ces lubrifiants, selon toute vraisemblance, ne seront pas les meilleurs pour chacun des roulements qui guident les arbres. Évidemment il n'est pas question d'utiliser dix huiles différentes dans une même boîte de vitesses, et c'est la démarche inverse qui s'impose : après que l'on a choisi un des lubrifiants pour boîtes de vitesses disponibles dans le commerce, il faut concevoir les différents engrenages, roulements (pas toujours standard) et autres composants mobiles pour qu'ils puissent accomplir correctement leur service dans le lubrifiant imposé.

Certains constructeurs automobiles ont été plus loin : sur quelques modèles de leur gamme, ils ont créé des ensembles moteur-boîte-pont lubrifiés avec une seule huile. Celle-ci devenait alors, en quelque sorte, le fil directeur du projet. On peut remarquer que si cette solution n'a pas été généralisée, c'est vraisemblablement parce qu'elle posait en fin de compte plus de problèmes qu'elle n'en résolvait.

Dans ce domaine comme en beaucoup d'autres, le choix correct d'un lubrifiant suppose que l'on ait convenablement analysé le problème à résoudre et que l'on connaisse les propriétés des produits disponibles et leurs modes d'action. C'est ce que nous allons nous efforcer de faire dans la suite de cet exposé.

Notions fondamentales

Un lubrifiant est un produit qui satisfait à trois conditions fondamentales :

• un film doit pouvoir être formé à la surface des pièces ;
• le film formé doit être maintenu au contact ;
• le film formé et maintenu doit se déformer facilement, sans se rompre, par cisaillement.

Ce film est souvent appelé épilame ou epilamen.

Pour des surfaces correctement lubrifiées, le frottement et l'usure apparaissent comme deux grandeurs indépendantes ; en revanche, une lubrification médiocre les met en relation directe. Une partie de l'usure provient de l'attaque chimique. Si cette dernière forme des composés faciles à cisailler, les facteurs de frottement faibles iront souvent de pair avec une usure importante. L'utilisation inconsidérée de lubrifiants ou d'additifs susceptibles d'attaquer les surfaces peut entraîner de graves désordres.

L'onctuosité est une variable que l'on ne sait pas encore chiffrer et qui qualifie le comportement global des trois matériaux en présence, le lubrifiant et les deux pièces, compte tenu des traitements de surface éventuels et de l'ambiance. Elle caractérise la plus ou moins grande solidité des manteaux protecteurs.

La viscosité sera étudiée plus loin en détail. C'est une propriété fondamentale pour deux raisons aussi essentielles que contradictoires : un bon rendement mécanique impose un lubrifiant très fluide mais la sécurité de fonctionnement liée à l'épaisseur des films superficiels le fait préférer très visqueux.

Régimes de lubrification

On passe progressivement du frottement sec à la lubrification « idéale » où un film suffisamment épais sépare complètement les pièces. La transmission des efforts est assurée dans le premier cas par les seules aspérités des surfaces, dans le second par la pression qui règne dans la couche de lubrifiant.

Le frottement immédiat, ou sans lubrifiant, a été envisagé dans les chapitres précédents. Le frottement lubrifié ou médiat est subdivisé en plusieurs régimes différents :

• lubrification limite : l'épaisseur du film lubrifiant est insuffisante pour isoler complètement les solides en contact ; si la charge devient trop forte, il ne subsiste qu'une couche adsorbée quasi monomoléculaire. C'est la solidité de cette dernière qui empêche les contacts métal sur métal. L'aptitude du lubrifiant à former une couche adhérente, appelée onctuosité, est ici une qualité primordiale ;

• lubrification onctueuse : la couche de lubrifiant est plus épaisse, elle commence à porter une partie des charges mais il subsiste des contacts entre les aspérités des pièces. En général, les pressions sont plutôt importantes et les vitesses relatives plutôt faibles ;

• lubrification « mixte » : le fluide supporte une partie importante des charges mais des contacts subsistent entre les aspérités. Le frottement est minimal mais ce régime est très instable et il vaut mieux l'éviter ;

• lubrification hydrodynamique : le lubrifiant liquide est entraîné et mis sous pression par le mouvement relatif des surfaces. Il sépare totalement ces dernières et supporte l'intégralité des charges, grâce à sa viscosité, qui correspond à sa résistance à l'écoulement. Dans ce cas de figure les vitesses relatives ne sont jamais très faibles mais les pressions restent modérées, de sorte que l'on peut négliger les déformations des pièces et la compressibilité du lubrifiant ;

• lubrification « pseudo-hydrodynamique » : l'huile arrive dans le contact par capillarité et forme un film lubrifiant par effet d'entraînement mais ce film ne peut pas véritablement être mis sous pression et supporter les charges. C'est ce qui se passe par exemple dans les coussinets autolubrifiants en bronze poreux ;

• lubrification élastohydrodynamique : c'est un cas particulier du précédent, lorsque la pression dans le film liquide est suffisante pour déformer localement les solides en contact, comme c'est le cas lors du fonctionnement des engrenages. Cette déformation change la géométrie du film et la répartition des pressions, mais aussi les caractéristiques des lubrifiants : à 7 000 bar et 100 °C (conditions fréquentes dans les contacts), la viscosité des huiles naphténiques peut être multipliée par 100 000 ;

• lubrification hydrostatique ou aérostatique : elle consiste à envoyer, à l'aide d'une pompe ou d'un compresseur, un liquide ou un gaz sous pression pour séparer les surfaces qui peuvent alors être ou non en mouvement relatif. Elle est la garantie d'un frottement extrêmement faible et d'une absence quasi totale d'usure mais il faut une source d'énergie extérieure.

Classification des lubrifiants

On peut distinguer les lubrifiants selon leur origine, animale, végétale, minérale ou synthétique, ou selon leur présentation, liquide, pâte ou solide.

Lubrifiants d'origine animale

Ils sont constitués essentiellement d'esters résultant de la combinaison d'acides gras avec la glycérine. Ce sont souvent des « ancêtres » mais certains entrent encore dans diverses compositions :

• liquides : oléines, huiles de lard, de pied de bœuf ou de mouton, etc., très onctueuses, huiles de poisson, de baleine, de phoque, glycérine autrefois utilisée pour son point de congélation très bas ;

• pâteux : oléostéarines, suifs (qui deviennent très acides par oxydation), suintines et brais résultant du traitement de la laine, lanoline très utilisée dans les produits antirouille car elle absorbe l'eau ;

• solides : stéarine, dont l'usage est restreint à la formulation de graisses très dures.

Lubrifiants d'origine végétale

Ce sont en général des combinaisons d'acides gras peu ou pas estérifiés. Certains sont encore largement utilisés en addition dans les huiles de pétrole ou dans les graisses :

• liquides : huiles semisiccatives (s'épaississant par oxydation) de coton, de colza, huiles non siccatives d'arachide, d'olive, et surtout de ricin intéressante par sa forte viscosité et la possibilité de l'utiliser dans une large gamme de températures ;

• pâteux : huiles de palme, de coco et de coprah, liquides aux températures tropicales mais pâteuses dans nos régions ;

• solides : résines et colophanes tirées du pin, pouvant résister à l'eau.

Lubrifiants d'origine minérale

• Liquides : huiles de houille, de schiste, utilisables comme produits de remplacement, et surtout huiles de pétrole.

• Pâteux : vaseline.

• Solides : soufre utilisé autrefois pour sauver les paliers endommagés, talc, mica, bisulfures de molybdène et de tungstène, graphite, sulfure de plomb, oxyde de zinc.

Lubrifiants d'origine synthétique

• Liquides : silicones, polyglycols, esters phosphoriques, esters aliphatiques, polyoléfines, métaux liquides.

• Pâteux : verres, borates et oxyde de bore B₂O₃ (pâteux à chaud), graisses silicones.

• Solides : polyéthylènes, polytétrafluoroéthyène (PTFE), savons (stéarates de zinc, de calcium, d'aluminium, etc.), oxyde de plomb (PbO), disulfure de tungstène, phtalocyanine, fluorure de graphite, fluorures de calcium, de baryum et de lithium, nitrure de bore.

Incompatibilités et lubrifiants spéciaux

• Compresseurs à oxygène : ils peuvent être lubrifiés par l'eau. Tous les corps oxydables (y compris les métaux) peuvent s'enflammer violemment en présence d'oxygène sous pression et sont donc proscrits. L'eau est un très mauvais lubrifiant pour les métaux mais convient parfaitement pour le cuir et certaines matières plastiques.

• Compresseurs à chlore : ce gaz attaque tous les lubrifiants ordinaires et forme avec les hydrocarbures des composés explosifs (panclastite). L'acide sulfurique parfaitement anhydre, encore appelé huile de vitriol, constitue une solution possible.

• Compresseurs de machines frigorifiques : les fluides frigorigènes (fréons, foranes ...) présentent diverses incompatibilités avec les huiles : destruction catalytique mutuelle, dissolution du frigorigène dans le lubrifiant et précipitation des paraffines qui forment des bouchons dans les parties froides. On utilise aujourd'hui des huiles à base d'alkylbenzènes.

• Compresseurs de gaz naturels ou synthétiques comme le chlorure de vinyle : ces gaz sont solubles dans les hydrocarbures et l'on utilise des huiles à base de polyglycols protégés de la destruction catalytique.

• Hypercompresseurs d'éthylène pour la fabrication du polyéthylène : le problème vient non seulement des énormes pressions de refoulement utilisées, 2 500 à 3 000 bar, mais aussi de ce que le polyéthylène est utilisé pour emballer les aliments : il faut donc des produits lubrifiants absolument dépourvus de toxicité. On utilise les polyglycols, sauf pour le polyéthylène destiné à servir d'isolant électrique pour lequel on préfère, pour ne pas en altérer les qualités diélectriques, les polyisobutènes.

• Fluides ininflammables : on utilise, entre autres pour le matériel hydraulique, des huiles émulsionnées d'eau, des fluides à base de polyglycols, des esters phosphoriques. La dépense supplémentaire n'est pas destinée à améliorer le fonctionnement des mécanismes concernés mais à éviter les incendies.

• Joints d'étanchéité : tous les lubrifiants ne conviennent pas pour tous les types de matériaux. Parmi les incompatibilités essentielles, citons caoutchouc butyl et huile de pétrole, Viton et esters phosphoriques de type aviation, caoutchouc éthylènepropylène et hydrocarbures, en revanche on peut associer caoutchouc butyl ou éthylènepropylène et esters phosphoriques, Viton et polyglycols. La compatibilité des lubrifiants avec les joints d'étanchéité, en particulier avec les joints à lèvre, doit être prise en compte dès la conception des machines. Des fabricants importants de joints et de lubrifiants, comme Freudenberg Simrit et Kluber Lubrification, ont mis en commun leur compétence pour conseiller les meilleures solutions possibles aux divers problèmes qui peuvent se poser dans les bureaux d'études.

Lubrifiants gazeux

Dans certains mécanismes on trouve des surfaces mobiles totalement séparées par un flux de gaz maintenu sous pression ; le plus souvent, pour des raisons évidentes de disponibilité et de coût, on utilise de l'air. Il ne s'agit pas là d'une lubrification au sens propre du terme, mais d'une disposition constructive qui permet d'utiliser à bon escient les propriétés physiques des écoulements gazeux.

Le gaz peut être utilisé sous faible pression, il se comporte alors comme un fluide à peu près incompressible, et l'on obtient alors des déplacements sur « coussins d'air ». Des véhicules ont été construits sur ce principe, comme les « hovercrafts » ou l'aérotrain développé voici quelques décennies par l'inventeur Bertin. Dans d'autres applications, le gaz est soumis à des pressions beaucoup plus importantes et il se comporte alors comme un fluide compressible ; ce mode de fonctionnement est celui des guidages aérostatiques qui permettent d'obtenir des vitesses très élevées sans aucun contact matériel. Un exemple hélas connu de tous ou presque est le guidage des fraises de dentistes, l'air comprimé étant ici à la fois la source d'énergie, puisqu'il fait tourner une petite turbine, et l'élément de sustentation du rotor mobile, lequel atteint couramment 150 à 200 000 tours/min.

La lubrification des micromachines pose de nombreux problèmes, en particulier à cause des forces de tension superficielle et des quantités infimes de produits à introduire. Une solution prometteuse semble être l'utilisation d'une atmosphère d'argon saturée de 1-pentanol à l'état de vapeur. Ce produit se dépose sur les surfaces de silicones pour y former des couches protectrices quasi monomoléculaires.

Additifs

La plupart des lubrifiants commerciaux comportent généralement une base et toute une ribambelle d'additifs destinés à améliorer leurs propriétés physiques et/ou chimiques. Les actions de ces produits sont détaillées dans les articles relatifs aux lubrifiants liquides et pâteux (voir ci-dessous). Depuis quelque temps on voit apparaître d'autres sortes d'additifs, sous forme de nanoparticules, qui provoquent une baisse directe du coefficient de frottement.

Nanoparticules

De nombreuses sociétés et laboratoires de recherche travaillent aujourd'hui sur l'amélioration des lubrifiants par incorporation de nanoparticules, dont les dimensions sont de l'ordre de quelques milliardièmes de mètre.

La société états-unienne StClaire annonce la mise sur le marché, après une vingtaine d'années de recherche, de produits appelés « Nano Bearings^® ». Il s'agit de molécules sphériques de diamètres voisins de 90 nm et qui manifestent des qualités antifriction, particulièrement dans le cas de très hautes pressions de contact.

Les Nano-Bearings adhèrent fortement sur les surfaces, dont ils pénètrent les creux des aspérités en assurant une barrière efficace contre l'oxydation et l'humidité. Ils ne sont pas inflammables et on peut les incorporer dans une large gamme de lubrifiants à base synthétique ou minérale, qu'il s'agisse d'huiles ou de graisses. Aux dires du fabricant, ils ne contiennent ni PTFE, ni graphite, ni bisulfure de molybdène, ni cuivre, ni plomb, ni silicones, ni solvants dangereux. Le lecteur trouvera plus d'informations sur le site du fabricant : [1].

D'importantes recherches ont lieu actuellement sur l'addition de nanoparticules d'acide borique, en particulier dans les huiles destinées aux moteurs thermiques. Il semble que des gains très appréciables puissent être obtenus sur le coefficient de frottement.

Lubrifiants liquides et produits assimilés

Ils font l'objet d'un chapitre spécial en raison de l'abondance des notions traitées.

pour en savoir plus : lubrifiants liquides

Lubrifiants pâteux, graisses

Les divers lubrifiants pâteux, en particulier les graisses lubrifiantes, sont traités à part :

pour en savoir plus : lubrifiants pâteux

Lubrifiants solides et vernis de glissement

Les divers lubrifiants solides et les vernis de glissement, sont décrits ici :

pour en savoir plus : lubrifiants solides et vernis

Contamination des lubrifiants par des particules étrangères

On ne dira jamais assez que la propreté des lubrifiants est un facteur essentiel du bon fonctionnement et de la fiabilité des machines. Les matériaux presque invisibles qui se trouvent dans les huiles ou dans les graisses n'interviennent pas seulement par le nombre et la taille des particules, beaucoup d'autres facteurs interviennent.

Taille

On la définit généralement par le diamètre d'une sphère de même volume que la particule considérée, de façon à établir une comparaison avec le jeu régnant entre les surfaces fonctionnelles des mécanismes. Plus les particules sont petites, plus elles pénètrent facilement entre les surfaces et plus elles y causent des dommages de diverses sortes, principalement par usure abrasive. Ce phénomène est aggravé lorsqu'une grosse particule se trouve écrasée pour former des particules plus petites. Par exemple, une particule de 40 µm peut théoriquement être fragmentée en plus de 500 particules de 5 µm.

Surface extérieure

Lorsqu'une grosse particule se fragmente en plus petites, la surface extérieure en contact avec le lubrifiant s'accroît considérablement (elle est par exemple multipliée par 8 dans le cas de l'exemple précédent). Plus les particules se fragmentent, plus elles restent longtemps en suspension dans les huiles, plus elles retiennent l'eau en engendrant des émulsions, plus elles engendrent la formation de bulles d'air, plus elles consomment les additifs anti-usure, extrême pression, antirouille et autres ; Il en résulte une dégradation rapide des propriétés des lubrifiants, éventuellement aggravée par des réactions catalytiques indésirables.

Formes

Les particules plus ou moins sphériques agissent parfois à la manière des billes des roulements et peuvent créer des empreintes en déformant les surfaces si elles sont l'objet de pressions excessives. Lorsque les particules présentent un aspect anguleux, elles peuvent créer une usure rapide par abrasion à trois corps. La fragmentation des grosses particules en plus petites crée essentiellement des fragments anguleux et donc doublement dangereux à la fois par leur caractère agressif et par la facilité avec laquelle ils pénètrent entre les surfaces. Si une particule sphéroïdale est brisée en 1OO morceaux cubiques, il en résulte 8OO pointes abrasives ...

Dureté

Les particules sont souvent très dures à cause de l'écrouissage dont elles ont été l'objet et aussi en raison de leur nature (silice, alumine, débris d'outils de coupe, etc.). Si dans une certaine mesure la dureté rend les particules plus résistantes à l'écrasement, en revanche elle les rend aussi bien plus agressives.

Densité

Elle influe directement sur la flottabilité des particules dans les huiles. Les plus lourdes décantent plus facilement que les plus légères et sont a priori plus faciles à séparer. En revanche, elles créent plus facilement des phénomènes d'érosion dans les systèmes de circulation d'huile lorsque ceux-ci leur confèrent des vitesses importantes.

Composition chimique

La poussière minérale qui se forme à partir de la terre ou des roches est connue pour sa dureté et son pouvoir abrasif mais elle est chimiquement inerte par rapport aux huiles. En revanche les particules métalliques naissantes favorisent l'oxydation des lubrifiants et la formation d'acides, de vernis et de cambouis.

Polarité

Beaucoup de particules manifestent des tendances polaires ou possèdent des charges électriques dues à l'ionisation. De ce fait, elles ont tendance à réagir avec certains produits présents dans les lubrifiants, comme les additifs anti-usure, détergents, dispersants, etc. Elles ont aussi davantage tendance à s'agglomérer au point d'empêcher parfois le passage de l'huile et à former de nouveaux contaminants solides. Les réactions ainsi mises en jeu sont généralement favorisées par la présence d'eau.

Propriétés magnétiques

Des aimants permanents permettent de retenir une partie des particules magnétiques de fer ou d'acier et sont de ce fait souvent utilisés dans les systèmes de filtration des huiles. Cependant, certaines particules peuvent avoir été attirées par ces aimants sans que ceux-ci aient réussi à les fixer. Comme elles sont alors souvent devenues magnétiques elles-mêmes, on peut les retrouver fixées en grandes quantités sur certaines pièces des circuits de lubrification. Les particules peuvent aussi être magnétisées par l'action des électroaimants que l'on trouve souvent dans les servo-valves et autres composants actifs des circuits.

Conductivité électrique

C'est plutôt ici une qualité. Les lubrifiants faits à partir de bases très pures sont souvent de bons isolants électriques dans lesquels peuvent se former des charges électrostatiques importantes par suite de la friction moléculaire. Les particules conductrices présentes dans les huiles peuvent contribuer efficacement à la dispersion de ces charges en évitant les décharges brutales et donc les étincelles qui endommagent à la fois les surfaces et les lubrifiants.

Nombre

Il est clair que le potentiel de destruction des particules est d'autant plus grand que leur nombre est plus élevé, et il faut en outre se rappeler que les grosses particules se brisent en provoquant l'apparition d'une multitude de petites. Limiter la « population » de particules est un bon moyen d'améliorer la fiabilité des machines et installations.

Le coût des dégâts

L'action discrète mais permanente et efficace des particules coûte généralement beaucoup plus cher qu'une politique intelligente de surveillance attentive de la lubrification ... Les pertes économiques sont essentiellement de quatre ordres :

• consommation des surfaces par usure ;
• diminution des débits de lubrifiants et augmentation des frottements ;
• accroissement de la consommation de filtres et de lubrifiants ;
• augmentation des consommations d'énergie et de matières premières et des pollutions.

Les dangers des mélanges de lubrifiants

Pour beaucoup de gens non avertis, y compris dans les entreprises, une huile est une huile et une graisse est une graisse. Chacun devrait pourtant savoir que le fait de mélanger les lubrifiants sans discernement n'est généralement pas une bonne idée : non seulement cela peut présenter des risques de détérioration pour les machines ou les installations concernées, mais cela expose aussi à des accidents les utilisateurs ou les usagers de ces machines ou installations.

L'une des erreurs les plus fréquentes consiste à introduire des lubrifiants contenant des additifs extrême pression (EP) dans des mécanismes comportant des roues libres ou des systèmes antidévireurs. Ces organes exigent généralement des lubrifiants exempts d'additifs extrême pression pour fonctionner correctement, c'est-à-dire autoriser les mouvements relatifs dans un seul sens. Le blocage du mouvement interdit se fait par adhérence et si le coefficient de frottement devient trop bas par suite de la présence de produits inadéquats, cette fonction ne peut plus être assurée. Dans le cas des appareils de levage ou de manutention, par exemple, les systèmes anti-retour ont pour mission d'assurer la sécurité des opérations, en particulier en cas de panne du moteur de levage ou d'une coupure brutale d'alimentation. Il est clair que si le responsable de la lubrification a joué les apprentis sorciers en se livrant à des mélanges inconsidérés, il vaut mieux ne pas s'attarder sous les charges ...

Il faut ajouter que les effets d'un tel mélange sont quasi irréversibles, car une fois que les additifs EP se sont fixés sur toutes les surfaces du mécanisme, ils sont très difficiles à éliminer complètement : le simple retour au lubrifiant d'origine ne suffit donc pas à retrouver un comportement et un fonctionnement normaux.

De la même façon, il ne faut jamais confondre les huiles destinées aux moteurs des automobiles avec celles qui conviennent aux boîtes de vitesses ou aux ponts arrières. Même si dans certains cas les viscosités peuvent être voisines, les groupes d'additifs qui entrent dans la composition des unes et des autres sont très différents. D'ailleurs, les tentatives faites ces années dernières pour utiliser le même lubrifiant pour le moteur et la boîte-pont de certaines automobiles n'ont pas eu de suite, sans doute parce que la simplification apportée par l'utilisation d'un produit unique était accompagnée d'inconvénients notables pour la qualité du fonctionnement et la durée de vie de ces mécanismes. À viscosité similaire, utiliser une huile destinée aux moteurs dans une boîte de vitesses n'engendrera probablement pas de gros dégâts, du moins à court terme, en revanche l'utilisation d'une huile pour boîtes de vitesses dans un moteur aura toutes les chances de ne pas remplir convenablement sa fonction, avec tous les risques que l'on devine pour la bonne tenue de la mécanique.

Dans le même ordre d'idées, le mélange de lubrifiants ou l'usage indifférencié de graisses à usages multiples dans les accouplements à denture et dans les accouplements à lame élastique du type « Flexacier » (Citroën) n'est pas souhaitable, car les éléments internes de ces deux types de composants fonctionnent dans des conditions très différentes. Une graisse standard pour roulements utilisée dans l'un ou l'autre de ces types d'accouplements risque également de ne pas permettre un fonctionnement correct, tout en abrégeant singulièrement leur durée de vie.

Certaines huiles anti-usure contiennent des additifs à base de zinc et d'autres non. Beaucoup de composants hydrauliques à haute pression ne tolèrent pas la présence de zinc et peuvent être irrémédiablement endommagés si on les soumet à l'action de fluides qui en contiennent.

L'évolution actuelle est telle que les conditions de fonctionnement des mécanismes sont de plus en plus sévères ; outre les progrès réalisés dans de nombreux domaines, l'usage de matériaux de meilleure qualité, l'amélioration du tracé et de la précision des pièces, etc., il ne faut jamais oublier que le secret du fonctionnement correct de nombreuses machines et/ou installations tient à l'usage de lubrifiants formulés de manière spécifique. Il en résulte une évolution générale qui conduit à ce que dans une même entreprise, le nombre de lubrifiants différents tend naturellement à augmenter. Cela favorise évidemment les confusions et les erreurs et les responsables de la lubrification doivent donc se montrer d'autant plus attentifs et rigoureux lors des opérations de maintenance.

Élimination des lubrifiants

Il est d'autant plus difficile d'éliminer certains lubrifiants que ceux-ci sont justement conçus pour adhérer fortement aux surfaces.

Les lubrifiants silicones sont souvent très difficiles à retirer. On peut essayer l'alcool isopropylique mais sans garantie d'efficacité, tout dépend du lubrifiant incriminé. Les solvants fluorés ont été longtemps utilisés mais ils sont aujourd'hui, et à juste titre, interdits.

Problèmes sanitaires et d'environnement (à compléter par un spécialiste)

Émissions de particules polluantes par les moteurs

Les moteurs Diesel sont considérés comme une importante source de pollution atmosphérique et les particules qu'ils dégagent sont accusées d'accroître les risques d'asthme, de bronchites, etc. Cependant, on néglige trop souvent le rôle joué par les émissions de particules liées à la dégradation des lubrifiants.

Ce problème fait actuellement l'objet de diverses études, liées notamment aux recherches menées sur les moteurs à hydrogène, considérés par beaucoup comme les moteurs à combustion interne de l'avenir. Il semble que ces moteurs, qui ne produisent que de l'eau comme résidu de combustion, émettent en revanche davantage de particules que les moteurs Diesel en raison du mode de dégradation de leurs lubrifiants. Ces particules sont riches en éléments métalliques comme le calcium, le zinc, le magnésium ; on y trouve aussi du phosphore et des nanoparticules de fer et de carbone susceptibles, à terme, de créer des dommages pulmonaires si on les inhale pendant de longues périodes.

Dans les moteurs Diesel classiques, ces émanations se condensent à la surface des particules de suie et sont de ce fait beaucoup moins dispersées et plus faciles à éliminer. Elles sont dues pour l'essentiel à des éléments métalliques ajoutés au carburant pour faciliter la régénération des filtres utilisés pour épurer les gaz d'échappement, mais aussi à divers additifs présents dans les huiles. En l'absence de suies, la teneur des émissions en métaux et autres éléments nocifs est accrue. Les sources de ces éléments sont diverses : impuretés présentes dans le carburant, produits de combustion des huiles, particules d'usure produites dans le moteur, additifs divers. Par ailleurs, ces émissions sont d'autant plus dangereuses que leur très petite taille leur permet de pénétrer au plus profond des poumons, où elles peuvent créer des problèmes de santé.

Toxicité directe

À priori les lubrifiants d'origine naturelle tels le graphite, le talc, l'huile de colza ou le suif ne posent guère de problèmes pour la santé publique et pour l'environnement, car ils ne sont pas toxiques et ceux qui ne sont pas inertes peuvent être détruits facilement par des voies biologiques.

Il n'en va pas de même avec les huiles de pétrole et surtout avec les multiples produits de synthèse et additifs qui interviennent dans la composition de l'immense majorité des lubrifiants modernes. Il faut aussi, dans bien des cas, tenir compte du fait que la dégradation de lubrifiants non toxiques peut engendrer des composés chimiques dangereux.

Les huiles solubles utilisées pour la coupe des métaux, par exemple, ont longtemps été la cause de maladies professionnelles pour les ouvriers amenés à les manipuler. Il s'agissait essentiellement d'émulsions aqueuses contenant un certain pourcentage d'huiles végétales, par exemple de l'huile de colza. Ces huiles finissaient par se décomposer, devenant de véritables bouillons de culture à l'odeur nauséabonde. La contamination par les bactéries pouvait se faire par contact ou par inhalation d'aérosols provenant de l'huile pulvérisée pendant la coupe. L'adjonction de doses massives d'antiseptiques revenait souvent à remplacer un produit dangereux par un autre.

Les lubrifiants et l'industrie alimentaire

Depuis longtemps les grands fabricants de lubrifiants travaillent en collaboration avec les industriels du secteur agroalimentaire pour mettre au point des produits adaptés au matériel utilisé pour la préparation des aliments.

À titre d'exemple, la collaboration entre les sociétés Shell et Unilever a permis la mise au point de la gamme de liquides et des graisses Cassidamd et le lancement d'un service de gestion de la lubrification destinés à l’industrie des aliments et des boissons. Les points critiques présentant un risque de contamination par les lubrifiants ont été identifiés et les lubrifiants traditionnels ont cédé la place à des liquides et graisses synthétiques « Cassida » dont le contact accidentel avec les aliments n'entraîne aucune conséquence néfaste en matière de salubrité, tout en améliorant la fiabilité des installations. Consulter, sur ce sujet : [2]

Problèmes de pollution, de récupération et de recyclage

D'énormes quantités de lubrifiants sont répandues chaque année dans l'environnement. Les causes sont multiples :

• les fuites (voir le sol des parkings) ; les pertes paraissent infimes mais il faut les multiplier par le nombre d'engins à moteur pour avoir une idée de l'importance de cette pollution ;
• les gaz d'échappement de certains types de moteurs, entre autres ceux qui fonctionnement avec un mélange d'essence et d'huile ;
• les huiles « consommables » comme celles qui sont utilisées pour la lubrification des chaînes de tronçonneuses ;
• la malveillance et les décharges sauvages.

Outre la lubrification directe des machines et appareils comportant des pièces mobiles, les lubrifiants « industriels » appartiennent pour l'essentiel à cinq grandes catégories : fluides pour circuits hydrauliques, huiles pour turbines, huiles isolantes pour les équipements électriques (transformateurs), huiles pour le traitement thermique des métaux et fluides caloporteurs. Ils sont utilisés dans des secteurs d'activité très divers : industrie en général mais aussi agriculture, bâtiments et travaux publics, services techniques des collectivités, etc.

Les sources potentielles de pollution par les hydrocarbures et les diverses sortes de lubrifiants synthétiques ne manquent donc pas. Dans le cas des lubrifiants automobiles, l'élimination s'impose lors des opérations de vidange ou de réparation, mais aussi lors de la mise hors service.

Les « huiles noires » proviennent essentiellement de la vidange des moteurs et des installations de trempe des métaux, elles sont fortement dégradées par les chocs thermiques qu'elles ont subi et contaminées par toutes sortes de produits dangereux et leur valorisation est difficile. Les « huiles claires » comme celles qui ont servi pour les circuits hydrauliques sont au contraire peu chargées en impureté et en produits polluants et il est assez facile de les recycler.

Les huiles usagées sont très peu biodégradables et comme elles sont plus légères que l'eau, elles présentent la fâcheuse propriété de s'étaler à la surface des eaux en perturbant gravement la vie de la flore et de la faune. On a pu jadis s'en servir comme combustible mais cet usage est maintenant interdit, à juste titre, car leur combustion produit d'innombrables produits acides, toxiques ou cancérigènes comme les dioxines ou les hydrocarbures polycycliques aromatiques.

« Nano-additifs » et sécurité

Le développement des nanotechnologies ouvre de nouveaux horizons à l'industrie des lubrifiants. La présence de nanoparticules dans les huiles, les graisses, les vernis de glissement et les lubrifiants solides modifie beaucoup de leurs propriétés, à commencer par une meilleure préservation des mécanismes et une plus grande durée de vie des lubrifiants eux-mêmes..

Les nano-particules sont obtenues à partir de matériaux conventionnels divisés en fragments si petits que leurs dimensions se mesurent en nanomètres, c'est-à-dire en milliardièmes de mètre. L'épaisseur d'une feuille de papier ordinaire est d'environ 100 000 nanomètres. Lorsque les particules sont aussi petites, elles présentent des propriétés physiques et chimiques très différentes de celles du matériau considéré sous forme de blocs. Par exemple, les additifs extrême pression et les additifs anti-usure deviennent beaucoup plus stables, même dans des conditions extrêmes ; il en résulte une durée d'activité plus grande et un allongement du temps de fonctionnement entre deux opérations de maintenance. La diminution de l'usure s'accompagne d'un frottement plus faible et d'une réduction des bruits, des vibrations et de l'échauffement. La consommation d'énergie, la pollution et les coûts de maintenance sont diminués. La capacité de charge des guidages est augmentée.

Les nanoparticules peuvent être incorporées aux revêtements organiques ou métalliques ou encore aux matériaux poreux autolubrifiants. À l'état solide, elles sont utilisables dans les environnements ultra-propres.

Il faut cependant envisager leur utilisation avec beaucoup de prudence. Ces particules sont si petites qu'elles peuvent très facilement pénétrer dans le corps humain, par inhalation ou encore à travers la peau ; elles présentent moins de danger si elles sont utilisées en suspension dans des liquides. Au fur et à mesure que l'on découvre leurs effets et leurs propriétés, les procédures de sécurité indispensables peuvent être définies.