Perchè utilizzare un olio sintetico per la lubrificazione di un dispositivo meccanico? Quali vantaggi si ottengono rispetto ad un olio minerale? Quando non è sconsigliato l'utilizzo di un olio minerale? In questo articolo analizzeremo le caratteristiche di un fluido sintetico e di un fluido minerale sotto i seguenti aspetti:
- Proprietà lubrificanti
- Intervallo temperature di esercizio
- Vantaggi e svantaggi conseguiti dal dispositivo meccanico lubrificato
Gli ultimi 15 anni di progettazione meccanica hanno prodotto dispositivi caratterizzati da elevata affidabilità e ottimizzazione del rapporto qualità costo. L’industria dell’auto e della componentistica di primo impianto ad essa collegata ha fornito l’impulso più determinante: basti pensare agli elevati standard di affidabilità e durata che componenti come sistema frenante, gruppo frizione, chassis, cambio, attuatori elettromeccanici e soluzioni interno abitacolo garantiscono oggi rispetto al recente passato.
La lubrificazione ha assunto così un’importanza fondamentale, contribuendo a migliorare durata e affidabilità dei cinematismi, attraverso un'efficace separazione delle superfici in attrito in tutte le condizioni di esercizio: tanto più persistente è il "galleggiamento delle superfici" senza contatto dei materiali in attrito, tanto minore è l'usura meccanica conseguente.
Le soluzioni lubrificanti utilizzate nei componenti elettromeccanici, sono ancora oggi dominate da formulazioni create a partire da oli minerali, ma sempre di più l’olio sintetico, come costituente base della formulazione ha assunto un ruolo primario specie se si considera:
- l'estensione dell'intervallo di temperature di esercizio
- impiego massivo di plastiche ed elastomeri, che richiede una maggior cura nelle formulazioni lubrificanti sotto l’aspetto compatibilità
La prima differenza fondamentale tra un fluido minerale e un fluido sintetico riguarda il processo produttivo di ottenimento.
- Olio minerale: viene ottenuto attraverso il processo di distillazione e raffinazione del petrolio, è facilmente reperibile sul mercato sia sotto forma di olio rigenerato che di nuova produzione.
- Olio sintetico: identifica un’ampia famiglia di soluzioni tutte ottenute attraverso processi di sintesi dedicati a partire da mattoni chimici elementari . Si distinguono numerose famiglie ognuna caratterizzata da proprietà chimico-fisiche e funzionali differenti.
Analizziamo ora 5 differenti aspetti confrontando le prestazioni di alcune soluzioni lubrificanti sintetiche e minerali:
(1) Prestazioni alle basse temperature: punto di congelamento e punto di scorrimento
Quando le temperature si riducono, la viscosità di un fluido lubrificante tende ad aumentare sino all completa solidificazione. Le proprietà di scorrevolezza e lubrificazione sono tra di loro strettamente collegate. E' fondamentale conoscerle se si desidera che il film lubrificante funzioni come separatore delle superfici in attrito favorendone lo scorrimento reciproco e non l’incollaggio !! Di seguito si riportano i valori di congelamento di una base minerale e 4 oli sintetici, tutti possiedono la medesima viscosità di partenza a 40°C. I valori evidenziano da soli un prima importante differenza da tenere in considerazione in fase progettuale. Quale olio è più adatto al mio progetto ?
Conseguenza errata scelta sul dispositivo lubrificato: aumento del coefficiente d’attrito, aumento della potenza assorbita, blocco del dispositivo.
(2) Indice di viscosità o coefficiente viscosità temperatura
Rappresenta la relazione che lega la variazione di viscosità di un olio lubrificante, cioè del suo attrito interno, alla temperatura di riferimento. Viene espresso con un numero privo di unità di misura poichè rappresenta il rapporto tra viscosità a temperature differenti.
Maggiore è il suo valore e minore è la variazione della viscosità dell’olio al variare della temperatura.
E’ un parametro fondamentale, poiché ha un'influenza diretta sullo lo spessore del film lubrificante alle varie condizioni di esercizio termico. Se confrontiamo i valori degli indici con la curva di riferimento nell'intervallo di temperature compreso tra -40 e +40°C (vedi figura), si osserva come l'incremento di viscosità con l'abbassamento della temperatura ha un decorso molto rapido per la soluzione standard minerale rispetto agli oli "concorrenti" sintetici
Indice di viscosità e punto di congelamento rappresentano due parametri di notevole interesse per il progettista, basti pensare a quello che potrebbe succedere se si decidesse di utilizzare un lubrificante base minerale (punto di congelamento -12°C) per lubrificare degli attuatori meccanici operanti a - 20°C o -30°C.
Conseguenza errata scelta sul dispositivo lubrificato: usura meccanica elevata, incremento del coefficiente d’attrito dinamico, blocco dispositivo.
(3) Potere lubrificante alle alte temperature: conseguenze sul lubrificante
L'incremento della temperatura in corrispondenza del punto di attrito produce i seguenti effetti sul fluido lubrificante che li separa
- Assottigliamento del film lubrificante
- Riduzione della viscosità
- Evaporazione
- Termo-ossidazione primaria
- Termo-ossidazione secondaria
Ognuno di questi processi ha un innesco temporale e decorso differenti, nella tabella di seguito si riassume con un indice sintetico di qualità, le proprietà specifiche di ogni famiglia di oli, insieme ad un grafico riportate le temperature medie minime e massime, sostenibili dai fluidi, in modalità di funzionamento continuativo:
(4) Compatibilità materie plastiche ed elastomeri
La presenza di particolari in plastica o gomma (elastomeri) in molti componenti elettromeccanici pone un’attenzione particolare sulle potenziali interazioni esistenti con il lubrificante utilizzato e le possibili reazioni indesiderate, si parla in generale di incompatibilità quando il fluido lubrificante in qualche modo compromette o riduce la funzionalità del particolare polimerico. I principali fenomeni osservabili sui particolari sono:
- infragilimenti
- rigonfiamenti o strizioni
- rotture premature
- variazione durezza e proprietà meccaniche
- incremento di peso
Nell'immagine di seguito vengono messi a confronto gli effetti subiti da una guarnizione o-ring in materiale EPDM dopo immersione in una base minerale per 24h a 20°C, rispetto alle condizioni originarie: le dimensioni dopo condizionamento sono aumentate del 30% !!
Scarica la presentazione completa al seguente link.
Guarnizione EPDM a contatto con olio minerale e olio sintetico: come scegliere la soluzione più adatta.
(5) Durata del film lubrificante
Le escursioni termiche e gli attriti, che si verificano durante i naturali cicli di funzionamento di un dispositivo meccanico, determinano un progressivo impoverimento delle proprietà del fluido lubrificante responsabile della separazione delle superfici a contatto, per questo motivo alcuni cinematismi possono prevedere cicli di rilubrificazione programmata.
Lubrificanti formulati a partire da oli sintetici possiedono prestazioni decisamente superiori rispetto alle omologhe soluzioni minerali. In figura vengono messe a confronto le ore di funzionanento continuo (medie) in un intervallo compreso tra 80 e 150°C.
Conoscere la durata del film lubrificante in rapporto alle condizioni di esercizio non è semplice, solo un test sul campo può fornire una risposta certa, di sicuro è possibile formulare un fluido lubrficante appropriato sulla base della conoscenza dell'entità delle seguenti variabili:
- velocità di scorrimento
- carico di lavoro
- temperatura massima
- temperatura minima
- presenza di umidità
- contatto con fluidi chimici aggressivi
In questo articolo sono state confrontante le prestazioni di oli minerali e oli sintetici sotto 5 differenti aspetti. Si è visto come i vantaggi conseguibili con l'una o l'altra soluzione possono modificare pesantemente le prestazioni finali di un dispositivo meccanico.
Di seguito proponiamo una guida contenente una serie di indicazioni da tenere in considerazione se si desidera impiegare un lubrificante per basse temperature in fase progettuale.
