Graisse lubrifiante
Les graisses lubrifiantes sont des graisses utilisées dans la
lubrification. Ce sont des produits viscoplastiques à deux phases
(émulsion) 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...
- des additifs solides : graphite, disulfure 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... 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 minérales.
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.
- 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.
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.
Voir aussi
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