Lubrificanti per alta temperatura

Cosa succede ad un dispositivo meccanico quando è sottoposto ad elevate temperature

Quali sono gli effetti  sui fluidi lubrificanti che li equipaggiano ?

Come si può incrementare la resistenza termica di un fluido lubrificante?

lubrificanti_per_alta_temperatura

Elevate temperature di esercizio possono causare importanti variazioni delle proprietà chimico fisiche dei materiali. I sottili film lubrificanti,  pari a 1/20 del diametro del capello umano !!) che separano le superfici in attrito possono subire delle rapide degradazioni se non formulati in sintonia con le condizioni di lavoro, determinando prematuro malfunzionamento del dispositivo meccanico.

Effetti della temperatura sui fluidi lubrificanti:

Alte temperature innescano processi di degradazione termica, perdita di massa e termo-ossidazione di un fluido lubrificante. Tali fenomeni avvengono principalmente attraverso le seguenti modalità:

  • Evaporazione: passaggio dalla stato liquido a gassoso delle frazioni molecolari leggere, con relativo assottigliamento del film lubrificante.

  • Ossidazione primaria: 1° fase della degradazione termica, nella quale si compie uno sfaldamento dei legami C-C e C-H, con formazione di radicali carbonilici che in presenza di ossigeno formano perossidi.

  • Ossidazione secondaria: radicalizzazione del processo di termo-ossidazione con formazione di depositi carboniosi, lacche e composti solidi. In questa fase il film lubrificante, se non opportunamente ripristinato, rischia di compromettere pesantemente le funzionalità del componente meccanico nel quale opera. 

evaporazione_ossidazione_primaria_secondaria

Nella  figura di seguito  è riportata la perdita per evaporazione secondo un prova comparativa, che prevede di sottoporre i vari fluidi lubrificanti ad una temperatura di 250°C per un ora. La prova mette in evidenza una prima importante differenza tra gli oli base di derivazione MINERALE in rapporto a quelli di derivazione SINTETICA: i fluidi lubrificanti formulati a partire da oli base minerale tendono più facilmente ad evaporare ed ad abbandonare la superfice d'attrito.

perdita-per-evaporazione-oli-base

(oli base a confronto Noack Volatility MIN/PAO/ESTERE/DIESTERE/POLIESTERE/POLIGLICOLE/SILICONE/PFPE - 250°C 1h)

 

Per stabilire l'efficacia della formulazione di un fluido lubrificante è importante conoscere la sua temperatura massima continuativa d'impiego. Questa è contenuta generalmente tra circa 90°C, per un fluido minerale non addittivato, fino a un massimo di 300°C per un lubrificante a base fluorurata. Essa rappresenta la temperatura alla quale un fluido lubrificante può svolgere le sue funzioni in piena efficienza, senza macroscopica perdita delle sue funzioni e con evidenti ripercussioni sul dispositivo meccanico. 

Non esiste fluido lubrificante che possa garantire al di sopra dei 300°C  la persistenza di un film separatore delle superfici in attrito in assenza ri-lubrificazione. In questa condizione termica  vengono generalmente impiegati lubrificanti solidi: grafite, nitruro di boro, bisolfuro di molibdeno.

 

film_thickness_function_of_temperature 

Effetti della temperatura sui dispositivi meccanici 

Le conseguenze più evidenti del malfunzionamento di un dispositivo meccanico non equipaggiato del fluido lubrificante più idoneo, per effetto delle alte temperature di esercizio, si possono tradurre con una  sequenza di fenomeni tra di loro concatenati e in successione :

  1. Assottigliamento del film lubrificante: la riduzione della viscosità del fluido lubrificante con l'aumentare della temperatura, si traduce in una riduzione del meato di lubrificazione responsabile della separazione delle superfici in attrito.

  2. Usura meccanica: perdita di materiale a causa della mancanza del film lubrificante idrodinamico, eroso dai processi di evaporazione e ossidazione primaria

  3. Aumento abnorme del coefficiente d’attrito, causato dall'evaporazione della massa fluida e la formazione di residui carboniosi

  4. Perdita di efficienza: aumento dell’assorbimento di energia e delle coppie di azionamento.

  5. Incremento della rumorosità: la perdita di materiale per usura meccanica, l'incremento del coefficiente d'attrito e la mancanza del cuscinetto lubrificante idrodinamico producono un incremento del rumore da attrito tra i materiali costituenti il sistema tribologico.

  6. Prematuro blocco del dispositivo: perdita della funzionalità dell'intero sistema.

 

  gear_train_damaged

L'immagine riporta un gruppo di riduzione  non più funzionante, che ha subito shock termici ripetuti, lubrificato con olio di formulazione minerale privo di additivazione per alte temperature. Nel cinematismo in questione si sono verificati in sequenza: usura, incremento del coefficiente d'attrito, aumento rumorosità e perdita di funzionalità.

Come verificare l'efficacia di un lubrificante per alte temperature

Esistono numerosi test predittivi per valutare le capacità di resistenza termica di un fluido lubrificante.  L’ASTM D-5483 fornisce il valore del tempo di induzione (OIT), cioè il tempo necessario ad esaurire le potenzialità di assorbimento termico di un lubrificante, sottoposto a determinate condizioni di temperatura e pressione, prima che si instaurino i processi di ossidazione secondaria (Oxidation Induction Time).

Il tempo di induzione è direttamente proporzionale alle capacità termo ossidative di un lubrificante, più alto è il valore e maggiore è il carico termico che il fluido lubrificante può sostenere. Solitamente è direttamente proporzionale al contenuto di anti-ossidanti e dipendente dalla composizione del fluido lubrificante.
 


effetto_antiossidante_nella_formulazione_2 

In figura sono riportati i valori dei tempi di induzione (=stabilità termica) di due formulazioni di grasso lubrificante a confronto con differenti concentrazioni di antiossidanti. La presenza di olio base sintetico e alta concentrazione di anti-ossidanti produce un effetto positivo sulla stabilità termo ossidativa del fluido lubrificante. Con l'1% di antiossidante nella formulazione, il grasso sintetico ha un tempo di induzione superiore dell'80% rispetto al grasso di formulazione minerale (96 contro 54 !!!)

TEMPO DI INDUZIONE ELEVATO = MAGGIORE CAPACITA' DI RESISTENZA TERMICA

Per una corretta funzionalità dei componenti meccanici è quindi fondamentale poter garantire una lubrificazione fluida in ogni condizione di esercizio, soprattutto quando si prefigurano condizioni termiche critiche:

Un fluido lubrificante correttamente formulato è dotato di speciali caratteristiche per limitare sia l’evaporazione, che l’innesco dell’ossidazione primaria, poichè una volta scaturita l’ossidazione secondaria il componente meccanico potrà essere già compromesso, vista la totale inutilità  di un film lubrificante CARBONIZZATO !

Mentre il processo di evaporazione si compie in maniera silente ma progressiva, l’innesco delle ossidazioni primarie e secondarie possono essere caratterizzate in maniera precisa attraverso test specifici come l'ASTM D-5483.

Vantaggi di un fluido lubrificante formulato per alte temperature:

La temperatura superiore di impiego reale a cui un cinematismo meccanico è sottoposto non è sempre facilmente prevedibile. Condizioni eccezionali di esercizio possono produrre transitori picchi termici e determinare fastidiose quando costose inefficienze. Quando il dispositivo non prevede una regolare ri-lubrificazione, ma è prevista una lubrificazione a vita, come ad esempio nei componenti di primo equipaggiamento di un autoveicolo, progettare un dispositivo meccanico con un fluido lubrificante per alte temperature, può garantire numerosi vantaggi:

  • Lubrificazione a vita, non è necessario ripristinare il film lubrificante, specie se il componente meccanico entro cui opera non è facilmente accessibile, i cicli termici di funzionamento che dovessero spingersi oltre la temperatura di progetto, sarebbero ben supportati dal fluido lubrificante.

  • Riduzione costi di manutenzione = meno interventi straordinari durante l'esercizio del componente.

  • Incremento della produttività = fermi produttivi meno frequenti 

  • Riduzione delle emissioni di fumi per evaporazione: il passaggio di stato da liquido a vapore è direttamente proporizionale alla temperatura, un maggiore stabilità termica del fluido lubrificante si traduce in una ridotta formazione di gas nocivi per l'utilizzatore.

  • Ambiente di lavoro più sicuro : riduzione di fumi e condense nei reparti produttivi.

 

confronto_grassi_percentuale_antiossidanti_4

 

Nell'immagine sopra vengono evidenziati gli effetti provocati dalla temperatura su due differenti formulazioni di grasso lubrificante, la cui variante è il solo contenuto di antiossidanti, cioè di additivi ritardanti il processo di ossidazione primaria. I campioni 1 e 3 si riferiscono alla stessa formulazione, contenente lo 0,1 % di antiossidanti, dopo 2h e 24h di esposizione continuativa a 150°C. Le immagini 2 e 4 sono riferite alla medesima esposizione tempo/temperatura ma con concentrazione superiore di antiossidanti pari all'1%.

E' evidente come 2h di esposizione continuativa a 150°C non siano sufficienti a determinare la carbonizzazione del film lubrificantene con lo 0,1% ne con l'1% di antiossidanti. Entrambi i campioni (1 e 2) sono immutati nella colorazione e non si registrano segni di carbonizzazione dei composti.

Differente è la condzione dei campioni 3 e 4, in questo caso la maggiore concentrazione di antiossidanti (1% in peso del campione 4) mette in evidenza una maggiore capacità di sopportazione del carico termico da parte dello stesso , che risulta solo virato in colorazione e non carbonizzato e totalmente inefficiente come il campione n.3

Caratteristiche di un fluido lubrificante per alte temperature:

L'incremento degli attriti e dell'usura meccanica derivanti dall'aumento della temperatura inducono, come visto, un rapido processo distruttivo del componente elettromeccanico. Vi sono degli aspetti progettuali da cui,  in fase di design del componente,  non  è possibile prescindere se si desidera che, anche in condizioni di carico termico elevato,  i componenti elettromeccanici continuino a lavorare in piena efficienza.

Ai fluidi lubrificanti è richiesto un ruolo fondamentale, specie in quelle condizioni di esercizio dove i sistemi meccanici possono essere spinti per ragioni non preventivate a oltrepassare, anche solo per brevi periodi,  i limiti termici previsti in sede progettuale, e dove è richiesta una durata del lubrificante per tutta la vita del componente, come nel caso dei componenti di primo equipaggiamento nell'industria automotive.

componenti_auto_long_life_lubrication

 

In queste situazioni un film lubrificante progettato per funzionare ad alte temperature può fare la differenza !! 

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