Lubrificanti per bassa temperatura

Quali effetti subisce un dispositivo meccanico quando la temperatura ragggiunge i -40°C?

Cosa succede ai fluidi lubrificanti nei dispositivi meccanici  a -40°C ?

Basse temperature modificano le caratteristiche fisiche e meccanico-dinamiche dei materiali e possono provocare prematuri malfunzionamenti dei dispositivi meccanici di cui fanno parte.
 
La progettazione di un dispositivo meccanico deve tenere in considerazione il limite inferiore di temperatura di lavoro verso la quale il componente può spingersi e svolgere una parte considerevole dei suoi cicli di funzionamento: -50° C, -40° C, -30° C, -20° C , quale temperatura minima ?
 
Non sempre sono prevedibili le reazioni dei materiali in condizioni di bassa temperatura, tra le variabili in gioco un fluido lubrificante non adeguato pur lavorando in piena efficienza a temperatura ambiente, potrebbe causare enormi danni al dispositivo durante i cicli di funzionamento a regimi artici se non opportunamente formulato.
 
 
 
grassi_lubrificanti_basse_tempeature
 
 

Osservando l'immagine dell'autovettura sopra, e considerando il numero di dispositivi elettromeccanici in essa contenuti, è fondamentale che questi siano equipaggati di un film lubrificante funzionale e non completamente solidificato: cuscinetti mozzo ruota, comandi idraulici freno, frizione, cambio, interrutori elettromeccanici freno, azionamento alzacristallo.....

Bassa temperatura: effetti sui materiali in un dispositivo meccanico

Tra i più comuni sicuramente citiamo:

  • Deformazioni dei materiali, contrazioni dei metalli e dei polimeri (elastomeri, plastiche e compositi).

  • Infragilimenti: diminuzione delle proprietà elastiche dei polimeri, alcuni elastomeri come la gomma nitrilica (NBR) se non opportunamente addittivati, infragiliscono e subiscono rotture permanenti durante i passaggi a basse temperature

  • Adesione delle superfici in reciproco scorrimento: effetti coesivi possono occorrere a causa di fenomeni di cristallizzazione

  • Incremento dei coefficienti di attrito statico e dinamico, per effetto dell'aumento della viscosità dinamica dei fluidi lubrificanti.

  • Variazione delle proprietà meccaniche dei materiali: allungamento a rottura.

Bassa temperatura, lubrificante e dispositivo meccanico: un circolo vizioso

Il processo di decadimento provocato dall'inadeguatezza del fluido lubrificante a funzionare correttamente " a freddo" è piuttosto lineare e caratterizzato da un precisa sequenza di eventi:
  1. Incremento dell'attrito interno: derivante dall’aggregazione dei polimeri  alle basse temperature, produce un incremento del coefficiente d’attrito delle superfici in reciproco scorrimento, per effetto della  maggiore forza necessaria a  far scorrere gli strati fluidi del film lubrificante.

  2. Aumento degli assorbimenti di potenza: è necessaria una maggiore erogazione di energia per fare funzionare  correttamente il dispositivo

  3. Incremento dell’usura meccanica: il maggiore attrito produce un aumento dell’usura da contatto e da sfregamento, con perdita di materiale utile al mantenimento dell'integrità del dispositivo.

  4. Riduzione dell'affidabilità: in queste condizioni non è più garantito il numero dei cicli di funzionamento originariamente previsto dalla progettazione, il contributo negativo non previsto, causato dall'effetto della bassa temperatura produrrà degli effetti distruttivi.

  5. Blocco del dispositivo: il disposiivo non risponde più ai comandi, o inizia a manifestare difettosità sempre più frequenti.

  6. Perdita di funzionalità del sistema: se il dispositivo è parte integrante di un sistema più complesso, come ad esempio il motorino di avviamento in un autovettura, la sua mancata funzionalità impedisce a tutto il sistema di svolgere la sua funzione

    conseguenze_di_una_lubrificazione_inadeguata_a_basse_temperature.png
 

I fluidi lubrificanti alle basse temperature: l'importanza dell'olio base

I componenti che costituiscono un fluido lubrificante sono essenzialmente quattro:
  1. Olio base

  2. Inspessente o datore di consistenza o sapone

  3. Lubrificanti solidi

  4. Additivi

L'immagine di seguito mette in eviedenza come per i tre formulati olio, grasso o pasta lubrificante,  l'olio base sia sempre presente in misura preponderante rispetto agli altri costituenti (dal 65 al 99% in peso). Per questo motivo è fondamentale analizzare almeno due caratteristiche fondamentali che  condizionano le prestazioni dell'olio base stesso alle basse temperature:
 

 

  • Punto di scorrimento
  • Curva viscosità temperatura
 
 
 composizione_fluidi_lubrificanti
 
 
 
 
  • Punto di scorrimento:  è regolato dalla normativa ASTM D-97 e definisce la temperatura minima che permette ad un olio lubrificante di mantenere le proprietà di scorrevolezza entro determinati valori. Nell'immagine è riportata un breve decrizione della procedura di verifica. 

    L’olio LUBRIFICANTE di prova viene inserito nella siringa (C) e forzato ad uscire dall’orifizio (D) attraverso una pressione (A) esercitata sullo stantuffo (B). Il sistema è inserito in camera climatica (E). Il test viene condotto riducendo progressivamente la temperatura della cella climatica, l’incremento della viscosità del olio LUBRIFICANTE che ne deriva, determina un aumento della pressione necessaria per la fuoriuscita dell’olio dall’orifizio D. Quando il valore della pressione (A) raggiunge 1400 mbar la prova viene terminata e la temperatura viene registrata come pour point o minima temperatura di funzionamento dell’olio lubrificante.

     
punto_di_congelamento_lubrificanti
 
Si riportano di seguito alcuni valori di punto di scorrimento di oli base di diversa natura chimica a confronto. La sola caratteristica in comune degli oli in esame è il valore di viscosità cinematica a 40°C. (46 cst).  E' evidente la differenza  esistente tra un olio minerale e gli altri oli di natura sintetica.
Questo valore è molto  importante in fase progettuale di qualsiasi dispositivo meccanico. Se la minima temperatura di funzionamento prevista è pari a - 30°C è impossibile ottenere prestazioni accettabili se si utilizza un olio base minerale che perde tutte le proprietà di scorrevolezza già a -12°C !!!
 
 
 
oli_lubrificanti_punto_di_congelamento
 
  • Curva viscosità temperatura: misura la variazione della viscosità cinematica di un olio al variare della temperatura. Si riportano di seguito le curve di viscosità caratteristiche. Oli base di natura sintetica come polialfaolefine (PAO), poliglicoli (PAG)  e siliconi, risultano molto più stabili (pendenza più bassa) degli oli minerali (retta blu pendenza elevata), i cui valori di viscosità tendono ad aumentare in maniera molto più marcata riducendo notevolmente il range termico applicativo d'impiego. La maggior parte dei fluidi lubrificanti reperibili  sul mercato sono ancora oggi formulati a partire da oli base minerali.

 
 
 
  
curve_viscosità_temperatura_oli_base_a_confronto
Nella guida di seguito analizzeremo 4 importanti aspetti da considerare nella scelta di un fluido lubrificante per basse temperature,  verranno forniti gli aspetti basilari se desidera una funzionalità ottimale dei dispositivi meccanici che li equipaggiano.
 
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