Tribologie/Lubrifiants/Lubrifiants pâteux

Les graisses lubrifiantes

Ce sont des produits viscoplastiques à deux phases qui comportent :

• une phase liquide, huile minérale ou fluide synthétique formant un support dispersant et représentant parfois plus de 90 % du poids de la graisse,
• une phase solide dispersée se comportant en agent épaississant, généralement un savon métallique, résultat de la réaction d'un acide gras (stéarique, oléique) avec un hydroxyde métallique (calcium, lithium, sodium, aluminium, magnésium). Cette phase représente de 8 à 40 % du poids. Dans certaines graisses, l'épaississant est un composé inorganique comme la bentonite, sorte d'argile possédant de remarquables propriétés d'adsorption.
• des additifs solubles améliorant les performances : antioxydant, antiusure, antirouille, extrême pression, etc.,
• des additifs solides : graphite, bisulfure de molybdène,
• éventuellement, de l'eau ou de la glycérine facilitant la dispersion des autres produits.

Les graisses ont une texture qui varie avec le savon utilisé et le processus de fabrication. L'examen au microscope fait généralement apparaître des fibres entremêlées plus ou moins longues, dont l'aspect est appelé butyreux (comme du beurre), spongieux, filant, etc. La longueur des fibres varie de quelques micromètres à plus de 100 micromètres. On peut comparer une graisse à une sorte d'éponge imbibée de liquide.

L'huile qui entre dans la composition d'une graisse a un rôle primordial. C'est elle qui assure la lubrification des organes en présence par interposition d'un film protecteur qui empêche leur contact. L'épaisseur de ce film est une fonction directe de la viscosité, laquelle, comme on le sait, varie beaucoup avec la température. Le comportement thermique de l'huile de base est donc un critère essentiel pour le choix d'une graisse, mais il existe bien d'autres facteurs à prendre en compte : par exemple, la volatilité, la résistance à l'oxydation, le comportement en présence d'eau, etc.

Les huiles minérales sont bien adaptées à la plupart des applications courantes, dans une gamme de températures allant de 30 à + 150 °C. L'utilisation d'huiles de synthèse s'impose dans le cas d'applications sévères : fortes amplitudes thermiques, environnement chimique agressif, etc.. En outre, leur bonne résistance à l'oxydation leur confère souvent une longévité accrue par rapport aux huiles végétales.

Les graisses sont d'autant plus « fermes » qu'elles contiennent plus d'épaississant et que leur température est plus basse. La structure chimique des épaississants influe directement sur les propriétés physiques : dimension, forme et densité des particules constituantes et surtout forces interparticules qui permettent de maintenir le mélange en équilibre. En tenant compte uniquement de la nature chimique de l'épaississant, on distingue trois grandes familles de graisses.

• les graisses conventionnelles à base de savons métalliques (calcium, sodium, aluminium, lithium), qui représentent plus de 50 % du marché. Malgré leur prix, on utilise beaucoup les graisses à base de savons de lithium qui correspondent à un bon compromis entre toutes les propriétés recherchées (graisses à usages multiples, utilisables jusqu'à 180-200 °C).
• les graisses à base de savons complexes, dont l'avantage est la résistance aux températures élevées, jusqu'à 250 °C.
• les graisses sans savon sont épaissies par des composés inorganiques tels que l'argile. Ces graisses sont pratiquement infusibles et leur résistance à l'oxydation est excellente.

La fabrication des graisses se fait généralement dans des cuiseurs chauffés à la vapeur et munis d'agitateurs pour assurer le mélange. Dans certains cas on opère dans un autoclave ou sous atmosphère inerte d'azote.

Propriétés rhéologiques des graisses

• plasticité : contrairement aux huiles, les graisses ont généralement un comportement non newtonien : il n'existe pas de proportionnalité entre la contrainte de cisaillement et le gradient de vitesse. Un produit plastique se comporte en effet comme un solide jusqu'à une certaine limite d'écoulement, puis comme un liquide obéissant ou non à la loi de proportionnalité. La plupart des graisses se ramollissent par malaxage, on dit alors qu'elle sont thixotropiques, et retrouvent leur structure originelle après un certain temps de repos. Inversement, les graisses rhéopexiques durcissent par cisaillement.

• viscosité apparente : elle caractérise le comportement de la graisse circulant dans des canalisations. Cette grandeur dépend du gradient de vitesse, de la température, et beaucoup de la viscosité de l'huile de base.

• pénétrabilité et consistance : la consistance représente la déformation viscoélastique sous une contrainte donnée, la graisse étant prise au repos et à l'état solide. On la chiffre arbitrairement par un essai normalisé de pénétrabilité au cône, effectué avec un équipement standard et après malaxage. La pénétrabilité n'est pas liée directement à la viscosité, certaines graisses dures s'écoulent facilement et au contraire, des graisses molles peuvent se révéler très visqueuses.

• point de goutte : cette caractéristique empirique est sans vrai rapport avec les performances des produits en service. La graisse placée dans un appareil normalisé est chauffée progressivement jusqu'à ce qu'une première goutte se détache. La température correspondante est appelée point de goutte, elle dépend dans une large mesure de l'épaississant. Selon les compositions, notamment la nature des savons utilisés, on peut trouver des valeurs allant de 85 à plus de 250 °C, parfois même la détermination est impossible. Deux graisses fabriquées avec les mêmes constituants, en proportion variable, auront à peu près le même point de goutte, mais la plus riche en savon sera bien plus dure que l'autre.

• pompabilité et pertes de charges : dans les réseaux de graissage, on apprécie les graisses qui s'écoulent facilement, répondent bien à la décompression dans les tiroirs des distributeurs et résistent à la cavitation.

Autres propriétés physicochimiques

• teneur en cendres : une graisse ne doit pas en principe contenir de charges inertes, talc, baryte ... sauf pour des usages bien particuliers. La calcination permet de détecter leur présence ainsi que d'autres anomalies ou pollutions.

• neutralité chimique : les graisses minérales sont en général neutres et sans action sur les métaux, mais elles peuvent réagir avec certains gaz ou fluides venant à leur contact et qui peuvent les décomposer ou les diluer. Le cas le plus fréquent est celui de l'eau, même à l'état de simple humidité. Les graisses à base de savons de sodium y sont très sensibles, mais pas celles à base de calcium ou de lithium.

• stabilité au cisaillement mécanique : les taux de cisaillement peuvent atteindre des valeurs considérables dans les roulements à rouleaux, les engrenages ... ce qui, par destruction réversible ou non de la structure des fibres, peut changer plus ou moins complètement les propriétés lubrifiantes. Cette stabilité est vérifiée à l'aide de divers appareils standardisés.

• températures limite d'utilisation : elles concernent aussi bien les applications à chaud ou à froid. Le point de goutte statique n'a guère d'intérêt. On a construit des machines qui mesurent un point de goutte dynamique, entre autres à l'aide de roulements. D'autres appareils permettent d'apprécier les variations de comportement à froid. Notons que les graisses à base de sodium, calcium ou lithium, sont résistantes à la chaleur et appréciées pour les roulements.

• résistance à l'eau : on l'apprécie par un essai de délavage. Les graisses à base de savons d'aluminium ou de lithium résistent bien, d'où leur application pour les articulations de matériels de chantiers ou autres.

• pouvoir antirouille : c'est une propriété intéressante pour les roulements qui, comme ceux des boîtes d'essieux, peuvent être soumis à des entrées d'eau ou à des phénomènes de condensation.

• propriétés antiusure et extrême pression : elles sont évaluées à l'aide de machines d'essais de frottement ou d'appareils de simulation.

• durée de vie, résistance à l'oxydation, résistance à l'évaporation : là encore il existe de très nombreuses méthodes d'essais.

Mélange des graisses et procédures de changement de lubrifiant

Dans l'industrie, on parle beaucoup de l'incompatibilité des lubrifiants, et plus particulièrement des graisses. Le problème se pose par exemple lorsque l'on veut changer la graisse dans un mécanisme pour en utiliser une autre de meilleures performances ou tout simplement parce que l'on change de fournisseur. Si cette opération est réalisée sans précaution, le résultat peut être catastrophique en raison de l'incompatibilité de nombreuses graisses entre elles.

Le fabricant de roulements NSK a conduit une étude sur 10 sortes de graisses contenant des épaississants différents. Les test ont été conduits d'abord en utilisant des graisses pure, puis des mélanges. Beaucoup d'incompatibilités ont été mises en évidence ; généralement les mélanges produisent un ramollissement par rapport aux produits purs, exceptionnellement un durcissement. Parfois, il se produit une séparation de l'huile de base et des charges. Les graisses au calcium et au lithium sont d'une manière générale celles qui se mélangent le plus facilement, en revanche les graisses à base de polyurée sont incompatibles avec presque toutes les autres et, parfois même, deux graisses à base du même durcisseur peuvent se révéler incompatibles en raison de l'action des autres composants. Aux interactions fâcheuses survenant entre les épaississants peuvent s'ajouter celles des huiles de base entre elles et celles des autres additifs.

Principaux résultats de l'étude NSK

O compatible ~ douteux X incompatible	CA	Ba	Ca	HC	CC	Ar	Li	HL	CL	PU
Complexes d'aluminium		X	X	O	X	X	X	X	O	X
Baryum	X		X	O	X	X	X	X	X	X
Calcium	X	X		O	X	O	O	~	O	X
Hydroxyde de calcium	O	O	O		~	O	O	O	O	X
Complexe de calcium	X	X	X	~		X	X	X	O	O
Argile	X	X	O	O	X		X	X	X	X
Lithium	X	X	O	O	X	X		O	O	X
Hydroxyde de lithium	X	X	~	O	X	X	O		O	X
Complexe de lithium	O	X	O	O	O	X	O	O		X
Polyurée	X	X	X	X	O	X	X	X	X

Précautions à prendre avant de changer de graisse

Lorsqu'il est absolument nécessaire de changer de type de graisse, un certain nombre de précautions élémentaires doivent être prises :

• vérifier que les montages utilisés permettent l'évacuation de toute la graisse en excès, en particulier s'il existe des roulements graissés à vie ou protégés.
• vérifier que les équipements sont en bon état, qu'il n'y a pas d'accessoires incompatibles (joints d'étanchéité par exemple), que les jeux sont corrects et qu'il n'existe pas d'endommagements qui pourraient être attribués au nouveau lubrifiant.
• attention aux conditions de remplissage des roulements : s'ils sont prévus pour fonctionner avec une quantité de graisse limitée, des échauffements anormaux pourraient résulter d'une introduction trop abondante de la nouvelle graisse.

Procédures de changement

1. Enlever la plus grande quantité possible de l'ancienne graisse avant d'introduire la nouvelle.
2. Pendant que les roulements tournent, pomper lentement la nouvelle graisse jusqu'à ce que l'ancienne soit complètement évacuée. Le changement de consistance et/ou de couleur de la graisse évacuée, s'il existe, peut indiquer que le renouvellement a bien eu lieu.
3. Répéter l'opération précédente après une ou deux heures de fonctionnement.
4. Après une semaine de fonctionnement, procéder à une nouvelle lubrification selon les procédures normales.
5. Augmenter temporairement les quantités de graisse introduites, au moins pendant les deux opérations de lubrification suivantes. Le flux de graisse supplémentaire aidera à évacuer les restes de l'ancienne graisse et améliorera l'étanchéité, surtout en cas d'amollissement provoqué par le mélange.
6. Commencer des tests pour évaluer le résultat (changements éventuels dans la consommation énergétique, la fréquence de lubrification, les vibrations, l'échauffement, etc.).
7. Avant de revenir aux intervalles de lubrification initiaux, analyser la graisse usée, tester sa consistance et vérifier que l'huile n'a pas tendance à se séparer.

Problèmes de contamination

De nombreux contaminants présents dans les huiles peuvent être éliminés par décantation ou par filtration, mais il en va tout autrement pour les graisses. Une fois que celles-ci sont chargées en produits indésirables, on peut être quasi certain que ceux-ci vont être introduits dans les machines et installations que l'on souhaite lubrifier. Il peut en résulter des avaries prématurées, dues à l'abrasion, à la fatigue, etc.

Conclusions et données pratiques

Pour les graisses plus encore que pour les huiles, les caractéristiques mesurées sont souvent imprécises et ne fournissent que des indications fragmentaires et insuffisantes pour définir directement les applications aux mécanismes. C'est pourquoi on a fabriqué d'innombrables machines à essayer les graisses, mais seuls des essais en vraie grandeur peuvent fournir aux fabricants et aux utilisateurs la vraie valeur d'usage d'une graisse. On peut cependant donner quelques indications pratiques pour orienter les choix :

• les graisses à base de savon de calcium ont une bonne stabilité mécanique et sont utilisables jusqu'à 120 °C.

• les graisses à base de sodium-calcium ont une bonne résistance au lavage et au ressuage par l'eau, leur utilisation est possible jusqu'à 120 °C et à des vitesses de rotation élevées.

• les graisses à base de lithium représentent environ 70 % des graisses pétrolières commercialisées. Le point de goutte est voisin de 175 °C et il peut atteindre 195 °C avec le savon de lithium de l'acide 12hydroxystéarique.

• les graisses à base de savons complexes de calcium, aluminium, lithium, avec des bentonites modifiées ou des structures cellulosiques, des épaississants de type polyurée, supportent de hautes températures sans fondre (165 à 230 °C).

• diverses graisses synthétiques, principalement à base de silicones, ont été mises au point pour des utilisations aérospatiales et militaires et sont utilisables dans une large gamme de températures.