Lubrificazione e lubrificanti

Lubrificazione e lubrificanti
8.4
Lubrificazione e lubrificanti
8.4.1 Introduzione
La lubrificazione è l’operazione mediante la quale, per
interposizione di una sostanza con caratteristiche adatte, vengono ridotti l’attrito e l’usura tra le superfici a
contatto di solidi in movimento relativo.
Attrito e usura sono, come è noto, fenomeni ben distinti. L’attrito è una forza resistente risultante dalla somma
della forza necessaria per rompere le adesioni tra le
microasperità superficiali e della forza di deformazione
richiesta per incidere eventuali solcature quando i corpi
solidi si muovono o tendono a muoversi l’uno sull’altro;
a esso sono associati consumo di energia e produzione
di calore. L’usura, invece, è un processo di perdita progressiva di materiale causato dal movimento delle superfici. Si può sviluppare per cause di natura diversa (per
esempio, adesione e strappo delle asperità, abrasione,
fatica, corrosione) che determinano, in ogni caso, modifiche della morfologia delle superfici, delle dimensioni
e della massa dei corpi.
Non sempre è richiesto che attrito e usura siano ridotti insieme; talvolta può essere desiderabile ridurre l’usura e non l’attrito (per esempio, frizioni a bagno d’olio) oppure l’attrito e non l’usura (per esempio, rodaggio, operazioni di lucidatura e molatura), tuttavia in
generale la loro riduzione è un’esigenza comune di molte
applicazioni e la lubrificazione, nelle sue varie forme,
costituisce il modo per ottenerla.
È comprensibile come la lubrificazione, per i fenomeni che coinvolge, possa avere un impatto rilevante
sul comportamento dinamico delle macchine e dei sistemi meccanici. Se attuata correttamente, essa favorisce
il loro buon funzionamento, migliorando il rendimento generale, riducendo l’energia dissipata e attenuando
il logoramento dei componenti. Per contro una lubrificazione inadatta o assente può portare in breve tempo
alla messa fuori uso di una macchina, con danni anche
rilevanti.
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
A una lubrificazione ben orientata si accompagnano benefici economici significativi attraverso il risparmio di energia, la conservazione dei materiali e la riduzione degli interventi di manutenzione, con riflessi
positivi anche sull’impatto ambientale. Si stima che la
riduzione dell’attrito faccia diminuire approssimativamente del 4,5% il consumo totale di energia dei paesi
industrializzati.
Anche se il processo è noto, in alcune sue pratiche
elementari, fin dai tempi antichi, la nascita della moderna lubrificazione si fa risalire alla seconda metà del 19°
secolo, sotto la spinta di una crescente industrializzazione, quando sono state definite le prime equazioni della
lubrificazione idrodinamica. Da allora una quantità enorme di studi e applicazioni ha portato a un continuo chiarimento dei molteplici aspetti nei quali la lubrificazione
si articola. Gli studi più recenti rivelano diverse aree
ancora da investigare, con potenzialità applicative promettenti, e attestano che la ricerca nel campo della lubrificazione è tuttora viva e fiorente.
Modi di lubrificazione
Un metodo semplice per ridurre l’attrito e l’usura tra
corpi contrapposti in movimento relativo è quello di interporre tra le superfici una sostanza che scorra più facilmente del solido sottostante. Questo può essere conseguito o mediante un film fluido capace di mantenere le
superfici completamente separate, così da impedire il
contatto tra le asperità, oppure mediante la formazione
sulle superfici di una pellicola sottile, scorrevole e di elevata resistenza.
Ciò è quanto si può riscontrare nei tre modi fondamentali di lubrificazione che si possono presentare nei
sistemi reali: a film fluido, limite e mista. I tre suddetti modi di lubrificazione, a cui corrispondono situazioni di attrito e usura ben distinguibili, vengono generalmente discriminati in base a un parametro guida noto
come rapporto l, definito dal rapporto tra lo spessore
751
AUTOTRAZIONE
del film o dello strato protettivo e la rugosità media
delle superfici.
attrito
misto
752
attrito
idrodinamico
attrito limite
La caratteristica principale di questo modo di lubrificazione è che le superfici sono separate da un fluido
considerevolmente più spesso delle irregolarità superficiali e dei film protettivi che su di esse si possono formare per opera di reazioni chimiche. Lo spessore è tale
da consentire al film di comportarsi come il bulk del fluido. La separazione delle superfici è realizzata per mezzo
della pressione del fluido, la quale può essere generata
internamente al contatto (idrodinamica e varianti), oppure prodotta esternamente a esso (idrostatica). L’attrito del
contatto segue le leggi dell’attrito viscoso.
Nella lubrificazione idrodinamica (aerodinamica
nel caso di gas) la pressione generata internamente al
contatto è funzione delle caratteristiche geometriche,
delle condizioni dinamiche e cinematiche del contatto
e delle proprietà del lubrificante. Questa forma di lubrificazione si può incontrare in accoppiamenti meccanici caratterizzati da superfici conformi con gap decrescenti, quando sono sottoposti a una sufficiente velocità di scorrimento. Esempi di accoppiamenti reali che
riproducono queste condizioni sono le coppie prismatiche (per esempio cuscinetti reggispinta) e le coppie
rotoidali (per esempio cuscinetti cilindrici). Il parametro l può assumere in questi casi valori variabili entro
un intervallo compreso tra un minimo di 5 e un massimo di circa 100.
Nella lubrificazione elastoidrodinamica la pressione
interna raggiunge localmente valori molto elevati, tali da
provocare la deformazione elastica delle superfici. In tali
condizioni il film fluido acquista maggiore stabilità, così
da poter assicurare un basso attrito anche per spessori
inferiori al film idrodinamico. In questo regime il parametro l può assumere valori compresi tra 1 e 10. Condizioni elastoidrodinamiche si possono incontrare in accoppiamenti meccanici con superfici a geometrie tipicamente
non conformi e soggette a movimenti che comprendono
una significativa componente di rotolamento. A causa
della limitatezza della zona del contatto, riconducibile,
estremizzando, a un punto o a una linea, in questi contatti si sviluppano, sotto l’azione di carichi anche modesti, pressioni locali molto elevate, responsabili della deformazione elastica delle superfici. Ingranaggi, cuscinetti a
rulli e a sfere e camme sono alcuni esempi di accoppiamenti reali che possono operare in questo regime.
Una forma di lubrificazione con pressione generata
esternamente al contatto si presenta, invece, nella lubrificazione idrostatica (aerostatica nel caso di gas). In questo caso il fluido lubrificante è pompato nell’accoppiamento con una pressione già sufficiente a provocare il
distacco delle superfici, condizione che può essere poi
mantenuta anche in assenza di moto relativo. È questa
coefficiente di attrito
Lubrificazione a film fluido
viscosità.velocità/carico
fig. 1. Coefficiente di attrito di un cuscinetto in funzione
di variabili operative rilevanti (curva di Stribeck).
una modalità di lubrificazione riservata a situazioni particolari, spesso complessa e onerosa, che trova per esempio applicazione in sistemi lenti e pesanti, che non consentono di sfruttare effetti idrodinamici o che occorre
salvaguardare da arresti indesiderati.
Lubrificazione limite
Costituisce la condizione opposta alla precedente per
quanto riguarda la separazione delle superfici. In questo modo di lubrificazione l’attrito e l’usura sono determinati dalle proprietà del solido e degli strati superficiali con spessori di livello molecolare o poco più, che
si formano per interazione del solido con il lubrificante
o l’atmosfera circostante. L’attrito segue in molti casi
leggi analoghe a quelle del contatto non lubrificato.
Ai fini della lubrificazione sono importanti le caratteristiche chimiche e chimico-fisiche del lubrificante,
mentre le caratteristiche fisiche riferite al bulk del fluido hanno rilievo scarso o nullo.
È un modo di lubrificazione che si può incontrare in
contatti di vario tipo, accomunati dalla prerogativa di
operare in condizioni di carico elevato in rapporto alla
velocità delle superfici.
Poiché lo spessore degli strati superficiali è piccolo
a confronto con le rugosità delle superfici, in questo
modo di lubrificazione il parametro l assume valori inferiori all’unità.
Lubrificazione mista
Comprende entrambi i modi precedenti e si presenta quando nel contatto coesistono zone di stretto avvicinamento delle superfici, in cui l’attrito e l’usura sono
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
LUBRIFICAZIONE E LUBRIFICANTI
determinati dalle loro interazioni e dalla lubrificazione
limite, insieme a zone in cui prevale una sostanziale azione di lubrificazione a film fluido. Quest’ultima è talvolta
favorita da effetti idrodinamici originati da irregolarità
locali (lubrificazione delle asperità).
L’influenza del lubrificante si manifesta sia mediante le proprietà fisiche di bulk, sia attraverso le interazioni
chimiche con i solidi.
È un modo di lubrificazione alquanto diffuso, che si
può incontrare in molti elementi di macchine come ingranaggi, cuscinetti a rulli e a sfere, e anche in cuscinetti
piani convenzionali. Le condizioni operative che lo caratterizzano sono tali per cui lo spessore totale dei film limite e fluido supera le asperità superficiali di un fattore che
può variare da 2 a 5 (in dipendenza anche dal tipo di finitura delle superfici).
p
Azione del lubrificante
Uno stesso accoppiamento meccanico può mutare
il modo di lubrificazione in funzione delle condizioni
operative. Il passaggio da un regime di lubrificazione
a un altro è ben evidenziato nel diagramma di Stribeck
(fig. 1), nel quale il coefficiente di attrito è riportato in
funzione di un parametro adimensionale dato dal prodotto della viscosità per la velocità diviso il carico (forza
per unità di lunghezza). Alla variazione del modo di lubrificazione si accompagnano possibilità di funzionamento diverse da parte del lubrificante.
In sistemi meccanici complessi uno stesso lubrificante, per svolgere efficacemente la sua funzione, è chiamato a mettere in atto modalità di azione adeguate al
regime di lubrificazione in cui si trova di volta in volta
a operare. Tali azioni fanno leva sostanzialmente su alcune sue proprietà fisiche di bulk e su alcune proprietà chimiche o chimico-fisiche.
Aspetti fisici
Nel regime idrodinamico il lubrificante contribuisce
alla pressione interna del contatto mediante la viscosità, che determina anche l’attrito. Internamente a questi
fig. 3. Pressione del lubrificante (p)
in un cuscinetto.
contatti si viene a sviluppare un gradiente di pressione,
in conseguenza della necessità di mantenere una portata costante di fluido nel trascinamento attraverso sezioni decrescenti del meato (figg. 2 e 3). L’azione di questo gradiente è tale da ridurre la velocità del fluido in
ingresso al meato, aumentare quella in uscita e opporsi nel contempo allo schiacciamento delle superfici. Le
equazioni teoriche che descrivono questo comportamento sono state definite da Reynolds verso la fine del
19° secolo.
Sempre attraverso la sua viscosità il lubrificante può
contribuire alla pressione del contatto anche attraverso
un altro meccanismo, noto come squeeze (fig. 4), che si
verifica quando il fluido viene intrappolato tra superfici in avvicinamento. In questo caso la viscosità determina la resistenza alla fuoriuscita del lubrificante dal
p
pressione
p
velocità
fig. 2. Distribuzione della pressione (p)
in un cuneo fisico.
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
fig. 4. Distribuzione della pressione (p)
di squeeze.
753
AUTOTRAZIONE
contatto, creando un effetto cuscinetto che si oppone
all’avvicinamento delle superfici. Si genera così una
pressione che acquista maggiore rilievo con film sottili
ed è tenuta in particolare considerazione nella progettazione di cuscinetti a carico pulsante o per macchine alternative.
Per comprendere poi il contributo che il lubrificante
apporta nella lubrificazione elastoidrodinamica (fig. 5),
è necessario considerare due specifici fattori. Uno è che,
per effetto della elevata pressione locale, il lubrificante, nel brevissimo tempo di transito nel contatto, aumenta fortemente la sua viscosità, arrivando ad assumere
una istantanea consistenza vetrosa, che oppone una forte
resistenza all’avvicinamento delle superfici. L’altro fattore è che la deformazione elastica presente in questa
forma di lubrificazione, allargando l’area di sostegno,
aumenta la capacità del lubrificante di non sfuggire e di
resistere nella zona del contatto. Il risultato è che il film
fluido, che assume un tipico profilo quasi parallelo,
acquista stabilità e si mantiene integro fino a spessori
molto bassi. In queste situazioni il contributo del lubrificante alla lubrificazione deriva non solo dalla viscosità, ma anche dalla relazione di dipendenza della viscosità dalla pressione. I fondamenti teorici della lubrificazione elastoidrodinamica posti da Ertel e Grubin nel
corso degli anni Quaranta del 20° secolo hanno trovato
nei decenni successivi vari sviluppi (Ertel 1939; Grubin
e Vinogradova, 1949).
Un contributo particolare alla pressione nel contatto, di natura extraviscosa, può essere fornito da fluidi
con proprietà viscoelastiche. Sotto l’azione di stress sufficientemente elevati si possono originare, con questi
fluidi, sforzi normali di tipo elastico che si sommano agli
effetti viscosi. La rilevanza che queste proprietà possono assumere per la lubrificazione è molto legata al contesto operativo.
Altri meccanismi mediante i quali i fluidi possono
contribuire alla generazione di una pressione tra due
superfici (cuneo di densità, cuneo di viscosità, espansione locale) sono di scarso impatto sulla lubrificazione.
pressione
hertziana
p
entrata
regione hertziana
fig. 5. Pressione del lubrificante (p)
in un contatto elastoidrodinamico.
754
uscita
Aspetti chimico–fisici e chimici
Intervengono in situazioni in cui le superfici sono
poco distanziate e possono verificarsi contatti tra le asperità superficiali. In tali condizioni il lubrificante può
intervenire nel processo di lubrificazione anche tramite sottili film superficiali, alla cui formazione esso può
contribuire attraverso le proprietà chimiche o chimicofisiche.
Questa azione del lubrificante può espletarsi mediante una varietà di meccanismi, talvolta alquanto complessi,
che possono essere richiamati brevemente solo con le
necessarie semplificazioni.
Strati superficiali di lubrificanti si possono formare
per effetto delle forze di Van der Waals tra le molecole
polari del lubrificante e le superfici solide. Si formano
così degli strati ordinati costituiti da molecole ancorate
con una estremità alle superfici (adsorbimento fisico),
che possono scorrere facilmente tra loro. Tale proprietà
(talvolta attribuita a una proprietà indicata come untuosità) è posseduta in maniera più o meno accentuata da
tutti i lubrificanti liquidi, ma può essere esaltata con l’uso
di specifici additivi. Questi sono costituiti da molecole
a lunga catena, provviste di una testa polare (per esempio acidi grassi, esteri e ammidi) mediante la quale si
ancorano per adsorbimento chimico con gli ossidi metallici delle superfici, mantenendo inalterata la restante
parte della molecola. Ne derivano strati di elevato scorrimento che producono basso attrito (coefficiente di attrito 0,05-0,10), creando opposizione allo schiacciamento.
La resistenza di questi strati è tuttavia limitata a valori
bassi o moderati di carico e di temperatura.
Analoghi meccanismi di scorrimento a strati si possono incontrare anche con alcuni lubrificanti solidi. In
questi casi però il basso attrito è legato alla facile sfaldabilità di alcuni piani del reticolo cristallino (per esempio grafite, solfuro di molibdeno, nitruro di boro e altri)
o all’effetto di un profilo molecolare levigato (per esempio teflon, polietilene ad alta densità). Questi lubrificanti
presentano in genere difficoltà per una forte adesione
alla superficie del solido sottostante.
Film sottili più resistenti sono prodotti da alcuni additivi di comune impiego in oli e grassi lubrificanti, noti
come antiusura. Si tratta di composti contenenti zolfo,
fosforo e metalli, di stabilità termica limitata che, per
effetto della temperatura originata dall’attrito, si decompongono formando sulle superfici una pellicola protettiva. Questa è generalmente costituita da materiale amorfo
che, pur con qualche resistenza allo scorrimento (coefficiente di attrito 0,08-0,12), è comunque in grado di
sostenere la lubrificazione fino a condizioni di temperatura e di carico di media entità.
Strati superficiali ancor più resistenti, in grado di funzionare in condizioni severe, si possono formare con lubrificanti contenenti additivi detti per estreme pressioni
(Extreme Pressure, EP). La capacità di questi composti,
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
LUBRIFICAZIONE E LUBRIFICANTI
Lubrificanti con diverso stato di aggregazione
I lubrificanti maggiormente utilizzati sono liquidi;
non mancano tuttavia situazioni in cui può risultare conveniente l’impiego di lubrificanti che sfruttano proprietà
legate a un diverso stato di aggregazione.
Lubrificanti gassosi
Sono i lubrificanti più semplici e di minor viscosità,
che possono essere costituiti da gas di diverso tipo come
aria, azoto, ossigeno, elio. L’ampio campo di temperatura in cui mantengono invariato lo stato di aggregazione
e la loro elevata stabilità conferiscono a questi lubrificanti alcuni vantaggi rispetto a quelli liquidi. Possono
essere applicati a temperature molto basse (alcuni gradi
kelvin) o molto elevate (anche oltre 400-500 °C); inoltre
non presentano rischi di contaminazione, caratteristica
che li rende particolarmente interessanti per l’impiego
nell’industria alimentare, farmaceutica ed elettronica.
La loro bassa viscosità, sensibilmente inferiore a
quella dei liquidi, determina, nella lubrificazione aerostatica o aerodinamica, valori di attrito estremamente
contenuti. L’impiego dei gas risulta particolarmente vantaggioso nella lubrificazione di cuscinetti ad alto numero di giri (superiori a 15.000 giri/min), ove possono operare senza problemi legati all’eccessiva produzione di
calore. Inoltre poiché, diversamente dai liquidi, la loro
viscosità aumenta con l’aumentare della temperatura,
non perdono la capacità di sostenere il carico per surriscaldamento.
Alla bassa viscosità dei gas si accompagna anche una
capacità portante piuttosto scarsa (nei cuscinetti aerodinamici non supera 0,7 kg/cm2), aspetto che, quando necessario, viene migliorato in sede di progettazione con dimensioni dei cuscinetti significativamente più grandi di quelli per liquidi. A questo scopo vengono talvolta usati
cuscinetti ibridi (aerodinamici/aerostatici misti), ove la
capacità di sostenere il carico è generata, oltre che dal
movimento delle superfici, anche dalla pressione con cui
è fornito il gas.
Lubrificanti liquidi
Sono i lubrificanti di gran lunga più diffusi, che possono soddisfare le esigenze di moltissime applicazioni.
Ciò è reso possibile dal fatto che possiedono proprietà
grazie alle quali possono svolgere, in aggiunta alla funzione di lubrificare, anche una serie di altre desiderabili funzioni secondarie. Il loro impiego copre un intervallo di temperature che, considerando le diverse classi
di prodotti, si estende da circa ⫺60 a circa 250 °C.
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
300
250
viscosità cinematica (mm2. s⫺1)
che contengono zolfo, cloro e fosforo, di consentire la
lubrificazione in condizioni estreme, deriva dalla tendenza a reagire con il metallo delle superfici, per formare, alle elevate temperature del contatto, sali inorganici con elevati punti di fusione (600-700 °C).
olio paraffinico
olio naftenico
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80 100 120 140 160
temperatura (°C)
fig. 6. Diagramma viscosità-temperatura
di lubrificanti liquidi.
Possono estrinsecare la loro funzione lubrificante in
tutti i modi di lubrificazione: a film fluido, limite e mista.
Nella lubrificazione limite le prestazioni sono sostanzialmente determinate dalle proprietà chimiche e chimico-fisiche possedute naturalmente dai liquidi di base
o, come avviene più frequentemente, conferite mediante l’aggiunta di specifici additivi. In tali condizioni, a
seguito di reazioni chimiche talvolta complesse, questi
lubrificanti formano sulle superfici una pellicola che
costituisce l’ultima barriera per impedire il contatto tra
i solidi. L’efficacia e la resistenza di tale barriera dipendono in grande misura dalla capacità dei componenti di
sviluppare un’adeguata reattività in rapporto alla severità delle condizioni operative e di evitare nel contempo
reazioni di competizione interna.
Nella lubrificazione a film fluido, invece, l’influenza che il lubrificante liquido esercita attraverso le proprietà reologiche appare più semplice. Un ruolo primario è svolto, in questo caso, dalla viscosità, che risente
dell’azione di tre parametri fisici normalmente presenti nei contatti: temperatura, pressione e sforzo di taglio
(shear stress). Di particolare rilievo per la lubrificazione è l’effetto della temperatura (fig. 6), al cui aumento
corrisponde una riduzione di viscosità, con perdita di
capacità di sostenere il carico e maggiori rischi di grippaggio. La pressione, invece, esercita sulla viscosità un
effetto opposto (fig. 7), con conseguenze favorevoli per
la lubrificazione, che sono maggiormente avvertite nei
contatti elastoidrodinamici. Nei confronti dello shear
stress poi, i lubrificanti liquidi presentano una risposta
differenziata, in dipendenza dalle interazioni presenti tra
755
AUTOTRAZIONE
1.000.000
solido
solido
37
,8
°C
100.000
viscosità (cP)
0 °C
10.000
99
°C
1.000
5 °C
218,
100
10
olio paraffinico
olio naftenico
1
0,1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
pressione (GPa)
fig. 7. Diagramma viscosità-pressione
di lubrificanti liquidi.
le molecole (fig. 8). Liquidi semplici, poco associati (per
esempio oli base contenenti anche additivi di tipo semplice) presentano una viscosità insensibile allo shear
stress (comportamento newtoniano), mentre liquidi associati o con altre significative interazioni molecolari (per
esempio oli a bassa temperatura, oli contenenti polimeri modificatori di viscosità) hanno viscosità decrescenti con l’aumentare dello shear stress, secondo un tipico
andamento a sigmoide (comportamento pseudoplastico); tale effetto, che determina una riduzione della capacità di sopportare il carico, si mantiene reversibile entro
certi limiti di stress, superati i quali può diventare permanente. La dipendenza della viscosità dalle suddette
variabili è definita da note relazioni matematiche.
L’importanza della viscosità per i lubrificanti liquidi è dimostrata dal fatto che questa proprietà è alla base
di importanti sistemi di classificazione che consentono
viscosità
newtoniano
non newtoniano pseudoplastico
gradiente di scorrimento
fig. 8. Dipendenza della viscosità di lubrificanti liquidi
dallo sforzo di taglio.
756
di individuare le caratteristiche viscosimetriche appropriate per l’utilizzo corretto dei lubrificanti in alcune
applicazioni rilevanti (motori, trasmissioni, macchinari
industriali).
Tra le funzioni secondarie che possono svolgere i
lubrificanti liquidi hanno importanza anche l’asportazione di calore, la capacità di rimuovere e trasportare
frammenti di usura o di contaminanti solidi e la preservazione dalla corrosione. La loro importanza emerge
nella lubrificazione di macchine termiche, ove il calore
generato dai processi termodinamici sovrasta quello prodotto dall’attrito. A questo riguardo sono esempi applicativi ben noti i sistemi a lubrificazione forzata presenti nei motori a combustione interna degli autoveicoli.
Altre caratteristiche secondarie basate sulle proprietà
dei lubrificanti liquidi (per esempio compatibilità con
dispositivi ausiliari antinquinamento, biodegradabilità,
demulsività, ininfiammabilità, rigidità dielettrica, resistenza alle radiazioni) assumono rilievo per lo più in relazione ad applicazioni specifiche.
Un aspetto essenziale per il buon funzionamento dei
lubrificanti liquidi riguarda il mantenimento delle prestazioni per il tempo richiesto. La capacità di questi lubrificanti di rispondere adeguatamente alle esigenze di durata nelle diverse applicazioni è primariamente determinata dalle loro caratteristiche di stabilità, sia chimica
(inerzia termica, resistenza all’ossidazione e all’idrolisi, compatibilità con vari materiali) sia fisica (scarsa tendenza all’evaporazione e alla formazione di emulsioni e
di dispersioni).
Un aspetto di importanza fondamentale per la tecnologia dei lubrificanti liquidi, che sta alla base di molteplici estensioni applicative, riguarda la possibilità di
trattamento con additivi chimici. Molte delle proprietà
di questi lubrificanti possono essere migliorate o impartite mediante additivi. Senza additivi la maggior parte
delle moderne richieste di lubrificazione non potrebbe
essere adeguatamente soddisfatta. La gamma dei composti disponibili a questo riguardo è piuttosto ampia,
anche se le loro funzioni si riducono a un numero relativamente limitato. Tra le principali sono da ricordare:
la riduzione dell’usura, il controllo dell’attrito, l’aumento
della resistenza all’ossidazione, il contenimento della
formazione di depositi sulle parti lubrificate, la minimizzazione della ruggine e della corrosione, la variazione della viscosità e la sua riduzione con la temperatura, il miglioramento dello scorrimento a freddo, l’abbassamento della tendenza alla schiuma.
L’ampia varietà delle proprietà esibite dai lubrificanti liquidi non basta, in molti casi, ad assicurare le
prestazioni in servizio. In molte applicazioni, sia per
l’autotrazione sia per il macchinario industriale, le prestazioni sono garantite solo dal superamento di specifici programmi di prove correlati con il reale servizio. Tali
programmi, che spesso prevedono un consistente numero
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
LUBRIFICAZIONE E LUBRIFICANTI
di prove, sono definiti nell’ambito di sistemi generali di
classificazione prestazionale o di specifiche di singoli
costruttori di hardware meccanico. Particolarmente impegnativi per livello di complessità, durata e costo, sono i
programmi di prove motoristiche per la qualificazione
di lubrificanti per i motori degli autoveicoli.
Per quanto riguarda l’origine dei lubrificanti liquidi,
questi sono costituiti, per la maggioranza, da oli contenenti miscele di idrocarburi derivati dal petrolio, generalmente addizionati con opportuni additivi. La larga prevalenza di questi prodotti trova giustificazione nelle loro
soddisfacenti prestazioni generali, nel costo relativamente contenuto e nella facile disponibilità. Per impieghi speciali o particolarmente esigenti, ove le necessità
di servizio giustificano costi maggiori, possono essere
preferiti oli di origine sintetica.
Infine è opportuno ricordare la flessibilità applicativa dei lubrificanti liquidi. Il fatto che questi prodotti possano sottostare a trattamenti di vario tipo (pompaggio,
filtraggio, raffreddamento, nebulizzazione, ecc.), li rende
adatti all’impiego in sistemi di lubrificazione diversi, tra
i quali si possono citare, oltre ai già menzionati sistemi
a lubrificazione forzata, i sistemi a bagno d’olio (per
esempio ruote dentate a bassa velocità), i sistemi a nebbia d’olio (per esempio ingranaggi ad alta velocità) e i
sistemi a sbattimento (per esempio motori lenti o a media
velocità).
Lubrificanti semisolidi (grassi lubrificanti)
Sono prodotti solidi o semisolidi costituiti da una fase
liquida, generalmente un olio lubrificante, e da una fase solida dispersa, con funzione ispessente.
L’agente ispessente serve a conferire la necessaria
consistenza, proprietà grazie alla quale il grasso può
rimanere da solo nell’organo da lubrificare senza necessità di dispositivi ausiliari, impedendo, se necessario,
l’ingresso di sostanze dannose, come polvere e umidità,
dall’ambiente circostante.
Come ispessenti si usano generalmente saponi di litio,
sodio, calcio e alluminio. Il loro impiego è limitato dai
cambiamenti di fase (fusioni) che si verificano alle diverse temperature. Per applicazioni ad alte temperature vengono usati ispessenti ad alto punto di fusione (saponi
complessi, poliurea, bentone).
Di particolare rilievo per la lubrificazione sono le
proprietà reologiche. Sotto questo punto di vista i grassi sono caratterizzati da un comportamento di tipo plastico, con viscosità che diminuisce con l’aumentare dello
shear stress, una volta superata una soglia minima di sollecitazione. Possono essere sensibili, oltre che all’intensità della sollecitazione, anche alla sua durata, mostrando effetti dipendenti dal tempo (tixotropia).
Alla funzione lubrificante contribuisce in modo
sostanziale la componente oleosa, costituita nella maggior parte dei casi da prodotti di origine petrolifera; per
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
impieghi che si estendono nel campo delle basse e alte
temperature e per applicazioni particolari vengono usati
anche oli sintetici.
Come i lubrificanti liquidi anche i grassi possono
contenere additivi capaci di impartire al prodotto proprietà speciali (per esempio antiusura, antiruggine, antiossidanti).
La principale utilizzazione dei grassi lubrificanti è
nella lubrificazione di elementi di macchine come cuscinetti, ingranaggi e giunti, presenti in macchinari industriali, motori, macchine utensili e altro.
Lubrificanti solidi
Sono normalmente caratterizzati da una struttura dello
strato superficiale costituita da aggregati lamellari che
possono scorrere facilmente gli uni sugli altri (per esempio grafite, bisolfuro di molibdeno, azoturo di boro, ioduro di cadmio, borace, talco) o da conformazioni molecolari levigate (teflon, polietilene ad alta densità).
Vengono per lo più usati in condizioni in cui non è
possibile usare oli o grassi lubrificanti, come per esempio sotto vuoto o a temperature molto elevate o in presenza di intense radiazioni. La loro efficienza può essere condizionata dalla difficoltà di mantenere uno strato
sufficiente per la lubrificazione. La protezione dall’usura può talvolta risultare limitata, in conseguenza del
fatto che la rottura del film non è autorigenerante, come
succede, invece, con i lubrificanti liquidi. Dal punto di
vista applicativo possono essere impiegati con modalità
diverse, ognuna delle quali non è totalmente esente da
problemi. Così, per esempio, possono essere usati in
sospensione (problemi di stabilità), in paste (difficoltà
di penetrazione in spazi ristretti), con pretrattamento dei
materiali in forno ad alta temperatura (lo strato lubrificante, quando usurato, non può essere ricostituito).
8.4.2 Funzioni e prestazioni dei
lubrificanti per autotrazione
Lubrificanti motore
Funzioni per motori a quattro tempi
La lubrificazione di questi motori avviene mediante
un olio con caratteristiche specifiche, definito olio motore. Cambio e trasmissione hanno in genere una lubrificazione separata. Elementi importanti del circuito di
lubrificazione di un motore a quattro tempi sono: la
pompa di mandata che garantisce una portata di olio idonea, una valvola di regolazione che limita la pressione
massima del circuito, il filtro che sottrae all’olio sia le particelle d’usura sia parte dei depositi che si formano per
effetto della combustione. In casi particolari può essere
presente anche un radiatore per il raffreddamento dell’olio. In motori sottoposti a forti sollecitazioni centrifughe,
757
AUTOTRAZIONE
come nel caso di motori per competizioni o aeronautici,
l’olio è posto in appositi serbatoi dove viene ricondotto,
dopo aver lubrificato i vari organi, mediante più pompe
poste nel carter (motori a carter secco).
Per limitare al massimo il consumo di olio, i motori
sono generalmente dotati di diversi dispositivi quali:
fasce raschia-olio sui pistoni, tenute a labbro sull’albero motore, gommini sugli steli valvola, sistemi di separazione dell’olio dai gas di combustione che trafilano
nel carter (blow-by).
All’olio motore sono affidate varie importanti funzioni e in particolare:
• assicurare in qualsiasi condizione di esercizio un adeguato film lubrificante sui vari accoppiamenti meccanici in movimento relativo, allo scopo di limitare
la resistenza d’attrito e l’usura delle superfici;
• assicurare la pulizia del motore prevenendo la formazione di depositi e il loro accumulo in parti critiche;
• disperdere gli eventuali depositi formati e le particelle di usura, convogliandoli verso il filtro;
• proteggere le parti del motore dalla formazione di
ruggine e dall’attacco chimico dei prodotti acidi derivanti dalla combustione;
• favorire la tenuta tra le fasce elastiche del pistone e
la camicia del cilindro in modo da garantire il mantenimento del giusto rapporto di compressione ed
evitare che i prodotti di combustione raggiungano
l’olio nella coppa deteriorandolo precocemente;
• integrare il sistema di raffreddamento del motore in
modo da mantenere la temperatura entro i limiti corrispondenti al corretto funzionamento;
• evitare la formazione di bolle e di schiuma nell’impianto di lubrificazione che possono rendere irregolare l’erogazione dell’olio agli organi da lubrificare;
• garantire per un adeguato periodo di esercizio le proprietà sopra descritte.
Le caratteristiche richieste vengono conferite sia attraverso l’impiego di basi lubrificanti adeguate, sia con
l’impiego di opportuni additivi.
Funzioni per motori a due tempi
La tipologia dei motori a due tempi, così definiti perché operano con un ciclo composto da una fase utile e
una di sostituzione della carica, è molto diversa in funzione dei campi di impiego. Si va infatti dai piccoli motori di ciclomotori, motoseghe e generatori portatili ai
monumentali motori diesel marini che equipaggiano
superpetroliere e navi portacontainer.
Nel caso dei piccoli motori a due tempi, il lubrificante (a perdere) è miscelato al carburante e deve assolvere ai seguenti compiti: garantire la pulizia del motore
per prevenire la formazione di depositi (sulla candela per
evitare mancate accensioni, sul pistone per garantirne la
corretta tenuta, sulle luci di ammissione o di scarico per
prevenire perdite di potenza dovute alla loro ostruzio-
758
ne); garantire la lubrificazione dei vari accoppiamenti e
in particolare di quello pistone-cilindro e dei cuscinetti
di banco e di biella.
Per quanto riguarda i grandi motori diesel a due tempi
destinati all’uso marino bisogna considerare che essi
richiedono l’impiego di due diversi lubrificanti. Il primo
per la lubrificazione del manovellismo, cioè dei meccanismi che consentono la conversione del moto alternativo nel moto rotativo dell’albero motore, e il secondo
per la lubrificazione (a perdere) dei cilindri. Mentre per
il primo tipo di lubrificante non sono richieste proprietà
speciali, nel caso del secondo la principale proprietà deve
essere la capacità di neutralizzare i prodotti acidi della
combustione, in quanto questi motori generalmente sono
alimentati con carburanti a elevato contenuto di zolfo.
Classificazione viscosimetrica
e specifiche prestazionali
La viscosità ha una influenza diretta su alcune prestazioni degli oli motore. La SAE (Society of Automotive Engineers) ha definito un sistema di classificazione degli oli motore (SAE J 300) secondo categorie basate su misure di viscosità a bassa e ad alta temperatura
(tab. 1).
Le misure a bassa temperatura individuano gradazioni viscosimetriche contrassegnate da un numero con
il suffisso W (Winter). Queste gradazioni classificano
gli oli che consentono ai motori in buone condizioni di
raggiungere la velocità di trascinamento minima per l’avviamento in un certo intervallo di temperatura. Quanto
più è basso il grado W, tanto minore è la temperatura di
avviamento. La viscosità che è correlata alla velocità di
trascinamento è misurata con apposito viscosimetro denominato Cold Cranking Simulator (CCS).
Un lubrificante con la viscosità adatta per l’avviamento del motore può risultare poco pompabile, in quanto non arriva a lubrificare le diverse parti del motore nel
tempo e nella quantità richiesti, con rischi di usura. Una
sufficiente pompabilità dell’olio è assicurata da misurazioni eseguite mediante un particolare viscosimetro,
denominato Mini-Rotary Viscometer (MRV).
Le gradazioni ad alta temperatura sono correlate con
la lubrificazione del motore in condizioni di normale
funzionamento e vengono definite sulla base di misure
di viscosità cinematica a 100 °C e di viscosità dinamica
a elevati gradienti di scorrimento (shear) a 150 °C.
Quando un lubrificante, per le sue caratteristiche di
viscosità cinematica a 100 °C e di viscosità CCS, rientra nei gradi SAE X e nei gradi SAE Y W, può essere
classificato come YW-X (per esempio 15W-40 se ha una
viscosità a 100 °C compresa tra 12,5 e 16,3 mm2 s⫺1,
una viscosità a ⫺20 °C inferiore a 7.000 mPa⭈s, una pompabilità a ⫺25 °C e una viscosità ad alta temperatura e
alto shear maggiore di 3,7 mPa⭈s). I lubrificanti che
rispondono a tali caratteristiche si dicono multigradi e
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
LUBRIFICAZIONE E LUBRIFICANTI
tab. 1. Classificazione viscosimetrica degli oli motore (SAE J 300)
Avviamento
Pompabilità
Viscosità
CCS
max
(cP)
Temperatura
(°C)
0W
6.200
5W
Viscosità ad alta temperatura
Viscosità
MRV
max
(cP)
Temperatura
(°C)
⫺35
60.000
6.600
⫺30
10W
7.000
15W
Gradi SAE
Viscosità a 100 °C
(mm2⭈s⫺1)
Viscosità
a 150 °C e 106s⫺1
(mPa⭈s)
min.
max.
⫺40
3,8
–
60.000
⫺35
3,8
–
⫺25
60.000
⫺30
4,1
–
7.000
⫺20
60.000
⫺25
5,6
–
20W
9.500
⫺15
60.000
⫺20
5,6
–
25W
13.000
⫺10
60.000
⫺15
9,3
–
20
–
–
–
–
5,6
⬍9,3
2,6
30
–
–
–
–
9,3
⬍12,5
2,9
40
–
–
–
–
12,5
⬍16,3
2,9 (0W-40,
5W-40, 10W-40)
40
–
–
–
–
12,5
⬍16,3
3,7 (15W-40,
20W-40, 25W-40)
50
–
–
–
–
16,3
⬍21,9
3,7
60
–
–
–
–
21,9
⬍26,1
3,7
garantiscono prestazioni viscosimetriche soddisfacenti
(avviamento a freddo e protezione ad alta temperatura)
in un intervallo di temperature molto ampio.
In aggiunta alla classificazione viscosimetrica, gli
oli motore devono rispondere a opportune specifiche
prestazionali. Tali specifiche vengono richiamate dai
costruttori nelle pubblicazioni tecniche (manuali, libretti di uso e manutenzione, ecc.) e riportate dai produttori di lubrificanti sulle confezioni e sulla documentazione tecnica. Ciò consente all’utilizzatore finale la scelta
appropriata del lubrificante in funzione delle prescrizioni per il proprio macchinario e dell’offerta da parte
dei produttori di lubrificante.
Ciascuna specifica prestazionale per gli oli motore
contempla tipicamente più serie di valutazioni, di cui il
nucleo fondamentale è costituito dalle cosiddette prove
motoristiche che simulano l’esercizio.
Sistema di classificazione statunitense
Negli Stati Uniti la classificazione prestazionale dei
lubrificanti è il risultato dell’attività comune di alcuni
enti: l’ASTM (American Society for Testing and Materials), che cura i metodi e le procedure di prova; il SAE
(Society of Automotive Engineers) e l’EMA (Engine
Manufacturers Association), società di costruttori, che
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
min
definiscono le esigenze delle nuove specifiche; l’API
(American Petroleum Institute) che pubblica il sistema
di classificazione; l’ACC (American Chemistry Council), organismo di categoria dei produttori di additivi.
L’API ha anche l’importante compito di amministrare e
rilasciare le licenze d’uso del marchio.
L’Engine Oil Licensing and Certification System
(EOLCS) è un sistema di certificazione che descrive le
regole da seguire per la qualificazione dei lubrificanti
motore e gestisce il rilascio di marchi di conformità da
apporre sulle confezioni: l’API Service Symbol Donut
e il Certification Mark Starburst.
L’API pubblica sul proprio sito Internet la lista dei
lubrificanti per i quali è stata rilasciata la licenza ad
apporre il donut e/o lo starburst.
I livelli di prestazione API (API Service Categories)
si dividono in livelli per motori a benzina e per motori
diesel, contraddistinti rispettivamente dalla lettera S (da
Service) e C (da Commercial), poichè tradizionalmente
negli Stati Uniti i motori diesel trovano applicazione solo
nei veicoli commerciali. Tali lettere sono seguite da una
seconda lettera (per esempio, SL) progressiva in funzione delle successive riedizioni; per le categorie C
diesel, può inoltre essere presente anche un numero che
ne definisce la sfera applicativa.
759
AUTOTRAZIONE
In aggiunta e a complemento delle categorie di servizio, l’API definisce anche un livello prestazionale
Energy Conserving. Per poter rivendicare tale livello, i
lubrificanti devono dimostrare proprietà di risparmio di
carburante in una prova motoristica a confronto con i
risultati ottenuti alla stessa prova da un olio standard di
riferimento. Secondo quanto riportato dall’API nell’EOLCS, l’impiego esteso di oli motore che soddisfano tale requisito dovrebbe portare un risparmio complessivo di carburante del parco circolante.
A completamento dell’EOLCS, l’API amministra un
programma di monitoraggio dell’effettiva qualità dei
lubrificanti immessi sul mercato che hanno riportato il
donut.
Sistema di classificazione europeo
L’ACEA (Association des Constructeurs Européens
de l’Automobile) pubblica le cosiddette sequenze lubrificanti, che riportano i livelli prestazionali di riferimento per motori a benzina e diesel sia leggeri sia pesanti.
Le prime sequenze furono pubblicate nel 1996, ad aggiornamento delle precedenti sequenze CCMC (Comitato
Costruttori del Mercato Comune), e vengono aggiornate con cadenza biennale.
Per quanto riguarda le regole di qualificazione, il sistema europeo, denominato EELQMS (European Engine Lubricants Quality Management System) si ispira all’API EOLCS. Al sistema europeo concorrono enti quali
il CEC (Coordinating European Council), incaricato di
sviluppare e catalogare i metodi di prova, l’ATIEL (Associazione Tecnica Industria Europea Lubrificanti) e l’ACC
(American Chemistry Council).
L’ACEA non prevede un proprio marchio né gestisce un sistema di certificazioni. L’elenco degli operatori che ufficialmente, in adesione al sistema EELQMS,
si impegnano a rispettarne le regole è pubblicato sul sito
Internet dell’ATIEL.
Sistema di classificazione giapponese
I costruttori giapponesi si rifanno in generale alle
specifiche americane o a quelle europee a seconda del
mercato in cui operano.
Va per altro rilevato che in Giappone sono largamente diffusi i cosiddetti genuine oils, venduti dagli stessi
costruttori. Le loro caratteristiche sono spesso definite in
base a prove motoristiche sviluppate sempre dai costruttori.
Un particolare rilievo ha assunto la classificazione
qualitativa JASO (Japanese Automotive Standardizing
Organization) relativa agli oli per motoveicoli, che prevede livelli prestazionali per gli oli per motori a due e
quattro tempi (rispettivamente FB, FC e FD, MA e MB).
Il sistema relativo prevede la possibilità di registrazione
con abilitazione a riportare un marchio sulle confezioni
e la pubblicazione su sito Internet della lista degli oli
registrati.
760
Specifiche dei costruttori
Molti costruttori prevedono il rilascio di approvazioni formali e la pubblicazione di liste di oli approvati. Ciascun costruttore ha normalmente una serie articolata di
specifiche prestazionali, in funzione delle varie motorizzazioni e/o degli intervalli di sostituzione dell’olio.
Trend evolutivi degli oli motore
L’evoluzione degli oli motore segue di pari passo l’evoluzione motoristica ed è pertanto condizionata dal
miglioramento delle prestazioni e dalla riduzione delle
emissioni.
Riduzione del CO2 (Protocollo di Kyoto)
Con il Protocollo di Kyoto i paesi industrializzati si
impegnano a ridurre per il periodo 2008–12, il totale
delle emissioni di gas a effetto serra (CO2, metano, ossido di azoto, idrofluorocarburi, perfluorocarburi, esafluoro di zolfo; v. cap. 10.2) almeno del 5% rispetto ai
livelli del 1990 nel settore dei trasporti. L’Unione Europea ha operato una strategia per ridurre le emissioni di
CO2 dalle autovetture nuove da 186 g/km a 120 g/km, al
più tardi entro il 2012, in accordo con le associazioni dei
costruttori di autoveicoli dell’Europa, del Giappone e
della Corea del Sud.
Riduzione di emissioni degli inquinanti veicolari
(normativa comunitaria)
Negli ultimi anni si è assistito a un crescente interesse nei confronti della problematica connessa al particolato emesso da autoveicoli (v. cap. 10.2), principalmente in seguito a una serie di studi tossicologici che
individuano una relazione fra l’esposizione al particolato ambientale e gli effetti negativi sulla salute umana.
Un altro problema ambientale di recente attenzione
che riguarda le aree urbane e fortemente industrializzate è rappresentato dallo smog fotochimico, un particolare tipo di inquinamento dell’aria che si produce nelle
giornate caratterizzate da condizioni meteorologiche di
stabilità e di forte insolazione.
L’evidenza degli effetti delle emissioni autoveicolari sull’ambiente e sulla salute umana ha suggerito l’introduzione di opportune normative per regolare le emissioni dei mezzi di trasporto che dipendono dal tipo di
veicolo e dal carburante utilizzato.
Tutti i veicoli debbono essere attualmente omologati in base a normative comunitarie che prevedono limiti
di emissione allo scarico che divengono sempre più restrittivi. I limiti EURO 4 si applicano dal 2005 ai veicoli di
nuova omologazione e dal 2006 a tutti quelli di nuova
immatricolazione.
Lubrificanti ed emissioni
L’olio lubrificante influenza le emissioni allo scarico
in primo luogo attraverso la sua influenza sui consumi
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
LUBRIFICAZIONE E LUBRIFICANTI
di combustibile (fuel economy) per le ricadute dirette sui
quantitativi di CO2 emessi. Altre forme più dirette di contributo alle emissioni si hanno attraverso la quantità di
olio che trafila verso la camera di combustione o direttamente allo scarico (comunemente indicata con il termine consumo d’olio), attraverso la sua possibilità e capacità di bruciare in camera di combustione stessa, attraverso i fenomeni di assorbimento e desorbimento del
combustibile e infine più indirettamente attraverso l’impatto sui sistemi di post-trattamento dei gas di scarico.
Fuel economy
In un motore a combustione interna l’energia fornita dal carburante si distribuisce secondo uno schema
tipico: circa il 15% della risorsa energetica del combustibile risulta effettivamente sfruttabile per il veicolo;
circa il 30% viene dissipata nel raffreddamento dei cilindri; circa il 30% viene persa nello scarico dei gas
esausti; circa il 25% viene assorbita dai fenomeni di
attrito meccanico che si verificano negli accoppiamenti del motore.
L’attrito responsabile di tali riduzioni di efficienza si
origina in differenti condizioni operative di carico, velocità e temperatura che determinano, nelle parti del motore interessate, combinazioni di lubrificazione idrodinamica, mista e limite.
Il lubrificante può esercitare un ruolo significativo
nella limitazione di questi fenomeni contribuendo efficacemente alla cosiddetta fuel economy (FE), che rappresenta in campo motoristico il parametro di riferimento
per la valutazione del risparmio energetico.
Due opzioni principali si offrono per la riduzione dell’attrito: la prima prevede l’utilizzo di oli fluidi (a bassa
viscosità) quando prevale la lubrificazione a film fluido
(tipica dei cuscinetti), con elevato spessore di film d’olio; la seconda l’impiego di additivi chimici, detti Friction Modifiers (FM), attivi nei regimi misti e limite (tipici della distribuzione), con film molecolari.
Nel primo caso la selezione delle basi lubrificanti
risulta cruciale. Quali fattori rilevanti nei confronti dell’attrito emergono le caratteristiche reologiche: la viscosità cinematica, l’indice di viscosità, la viscosità HTHS
(High Temperature High Shear, ad alta temperatura e alti
shear), il coefficiente viscosità/pressione. Inoltre, soprattutto durante l’invecchiamento dell’olio, anche altre proprietà del fluido risultano significative: in particolare la
volatilità e la stabilità termossidativa.
Nel secondo ambito invece, diventano fondamentali l’adozione di composti Friction Modifiers appropriati e il controllo delle interazioni additivo/additivo e additivo/sistema di basi.
Le determinazioni quantitative di FE sono di carattere comparativo rispetto a oli standard di qualità media
e sono sensibili sia ai cicli di prova sia al tipo di motorizzazione utilizzato.
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
Negli Stati Uniti si attribuiscono riconoscimenti di
eccellenza a lubrificanti che, su tutto il ciclo di vita, superano il 2% di risparmio di carburante, mentre in Europa
la soglia di qualificazione per gli oli nuovi è posta al
2,5%. In particolari condizioni di esercizio (cicli urbani
e bassa temperatura) tuttavia i lubrificanti fluidi, rispetto a tecnologie più tradizionali, possono raggiungere
anche livelli di FE del 4-5%.
Consumo di olio
Il consumo di olio è da sempre oggetto di molta attenzione da parte degli utenti, ed è molto spesso considerato tra i principali parametri di giudizio della bontà di
un prodotto. Ultimamente il consumo ha assunto un’importanza maggiore per le sue implicazioni sulle emissioni allo scarico.
Tralasciando le eventuali perdite dalle tenute verso
l’esterno, che hanno ripercussioni ambientali ma non
influenzano le emissioni allo scarico, esistono principalmente tre fonti di trafilamento dell’olio che ne determinano la presenza allo scarico: la prima fonte è costituita dalla zona delle valvole, la seconda dalla zona della
segmentazione, la terza è legata alla eventuale presenza
di organi ausiliari come il turbocompressore, ampiamente
diffuso soprattutto nei motori diesel.
Il lubrificante, oltre a influenzare indirettamente il
consumo di olio in funzione delle sue capacità di preservare nel tempo il buono stato del motore, ha un’azione più diretta sul fenomeno, legata alla sua volatilità
e alle caratteristiche reologiche.
Effetto diretto sulle emissioni
Il lubrificante influenza tutte le emissioni regolamentate in quanto è in grado di contribuire alla frazione carboniosa del particolato (soot), alla frazione organica volatile/solubile (VOF/SOF, Volatile Organic Fraction/Soluble Organic Fraction) e agli idrocarburi incombusti o parzialmente combusti; attraverso la FE è inoltre in grado di influenzare le emissioni di NOx e di CO2.
Ovviamente il lubrificante condiziona lo stato del
motore nel tempo, relativamente alla formazione di depositi e usura, e la sua capacità di contrastare tali fenomeni si traduce nella possibilità di mantenere il livello originario delle emissioni gassose e di particolato. Lo stesso invecchiamento dell’olio lubrificante può comportare
effetti negativi sulle emissioni allo scarico. Anche la
quantità di solfati presenti nel particolato dipende in qualche misura dal lubrificante; la presenza di composti dello
zolfo nei lubrificanti contribuisce infatti alla presenza di
solfati nelle emissioni, come è stato riscontrato utilizzando gasoli virtualmente privi di zolfo.
Diversi studi dimostrano che l’impiego di oli di più
basso grado viscosimetrico SAE, rispetto alle gradazioni tradizionali, e di composizione sintetica può assicurare la riduzione contemporanea delle emissioni di
761
AUTOTRAZIONE
particolato e di NOx. In alcuni casi è stato sperimentalmente dimostrato come autovetture diesel con livelli di
emissioni di particolato e NOx posizionati in prossimità
dei limiti massimi siano rientrate agevolmente nei limiti ricorrendo all’impiego di oli fluidi sintetici.
La riduzione delle temperature allo scarico, conseguente alla diminuzione del consumo specifico reso possibile dall’uso di oli fluidi, può tuttavia avere influenza
negativa sulla efficienza dei catalizzatori, soprattutto
nella delicata fase di attivazione light-off degli stessi.
L’ottimizzazione del motore in funzione delle caratteristiche reologiche dell’olio riveste particolare importanza alla luce dell’esigenza di mantenere l’efficienza dei
sistemi di conversione catalitica.
Per finire la disamina degli effetti del lubrificante
sulle emissioni si accenna al fatto che le caratteristiche
sia chimiche sia fisiche dell’olio possono influire sulla
solubilità e sulla diffusione del carburante nel lubrificante. Questo fenomeno regola la capacità dello spessore di film d’olio presente sulle pareti del cilindro di
assorbire combustibile nella fase di compressione e rilasciarlo durante l’espansione, ove non ha più la possibilità di bruciare. Nei motori diesel il fenomeno può regolare anche la capacità del particolato di arricchirsi in
combustibile incombusto.
Sebbene i moderni oli lubrificanti contengano concentrazioni di idrocarburi polinucleari aromatici (PNA,
Polynuclear Aromatics hydrocarbons) molto basse, in
esercizio essi possono assorbire PNA prodotti dalla combustione.
Effetto indiretto sulle emissioni
Recentemente l’associazione europea costruttori e
alcune case automobilistiche che emanano specifiche
sui lubrificanti hanno deliberato nuove categorie di lubrificanti con limiti chimici massimi su ceneri, zolfo e in
alcuni casi fosforo, per tenere conto in primo luogo delle
esigenze dei motori diesel dotati di filtri antiparticolato
(DPF, Diesel Particulate Filters), ma anche di altri sistemi attuali e futuri.
La presenza di prodotti organometallici nel lubrificante è, come accennato in precedenza, responsabile
della lenta, ma progressiva occlusione nel tempo dei
DPF. La limitazione delle ceneri pone delle restrizioni
su alcuni tipi di additivi come detergenti e antiusura che
contengono composti organometallici. Tali richieste
hanno originato ricerche verso componenti ashless di
pari efficacia.
La riduzione delle ceneri si accompagna a quella di
zolfo e fosforo, anche in considerazione del fatto che la
sua limitazione provoca una automatica ripercussione
sugli additivi organometallici contenenti questi ultimi
elementi.
Lo zolfo è imputato soprattutto di ridurre l’efficacia
delle trappole per NOx, imponendone la più frequente
762
rigenerazione, ma in realtà causa l’avvelenamento reversibile di tutti i tipi di catalizzatore.
La presenza dello zolfo nei lubrificanti di uso attuale deriva dal contributo delle basi, se di tipo minerale, e
di alcuni dei componenti del pacchetto di additivi. Gli
oli minerali o con minima presenza di basi sintetiche
possono presentare un contenuto di zolfo fino a 7.0008.000 ppm, mentre gli oli con basi totalmente sintetiche
o non convenzionali possono presentare un tenore di
2.000-4.000 ppm. Si evidenzia pertanto l’importanza
emergente della limitazione dello zolfo nei lubrificanti
in presenza dei sistemi di post-trattamento dei gas di scarico che si rivelano sensibili all’avvelenamento da zolfo.
Il primo passo in tal senso è chiaramente connesso all’impiego di basi lubrificanti prive di zolfo, il che emarginerà in un prossimo futuro le basi minerali tradizionali
a vantaggio delle basi sintetiche e di quelle minerali soggette a trattamenti di hydrocracking e isomerizzazione.
Un ulteriore contributo alla riduzione dello zolfo sarà
però anche richiesto all’additivazione dell’olio, il che si
traduce nella limitazione di impiego di una serie di additivi di diversa funzionalità (detergenti, antiusura, antiossidanti, antiattrito) contenenti zolfo.
L’unica fonte di fosforo è rappresentata dal lubrificante e più in particolare dagli additivi antiusura (ditiofosfati di zinco) in esso contenuto. Gli oli tradizionali presentano un contenuto di fosforo generalmente intorno a
1.000-1.200 ppm. Il problema dell’interferenza del fosforo sulla funzionalità dei sistemi catalitici di trattamento
dei gas esausti è stato portato all’attenzione già da diversi anni ma la presenza di questo elemento è giustificata
dal suo importante ruolo di antiusura. La limitazione di
questo elemento pone la richiesta di additivi antiusura
alternativi caratterizzati dalla assenza di fosforo e possibilmente di zolfo.
Evoluzione delle richieste prestazionali tradizionali
Il raggiungimento di proprietà di compatibilità nei
confronti dei sistemi di post-trattamento dei gas di scarico deve coesistere sia con esigenze prestazionali tradizionali, sia con aspetti emergenti dalle più recenti evoluzioni tecnologiche dei motori.
Nel campo dei motori a benzina lo sviluppo di motori a iniezione diretta comporta come conseguenza una
possibile maggiore contaminazione dell’olio da parte del
combustibile, a causa del contatto diretto tra il carburante iniettato e lo spessore di film d’olio sulle pareti del
cilindro. La fluidodinamica della camera di combustione sembra tuttavia avere un ruolo importante nel favorire od ostacolare il contatto oltre che nel determinare la
corretta preparazione della miscela.
Un altro problema che sembra emergere relativamente a questa tipologia di motori è rappresentato dall’aumento dei depositi sulle valvole di aspirazione, sulle quali viene meno l’azione parzialmente dilavante operata
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
LUBRIFICAZIONE E LUBRIFICANTI
dall’iniezione di carburante verso le valvole stesse, che
avviene invece nei motori a iniezione nel collettore. Poiché l’olio lubrificante che trafila lungo le valvole resta
uno dei maggiori imputati della formazione dei depositi sulle stesse, aumentano le richieste da parte dei
costruttori verso oli con un basso contributo ai depositi sulle valvole.
Nel campo dei motori diesel per autovetture si è assistito negli ultimi anni a una lievitazione della potenza
specifica consentita dai nuovi impianti di iniezione ad
alta pressione (common rail e iniettori-pompa). La maggiore potenza specifica implica un maggiore carico termico sul pistone, che a sua volta si traduce in una richiesta nei confronti dell’olio di migliori prestazioni antiossidanti e detergenti.
Le elevate pressioni di iniezione, accompagnate da
una sovralimentazione spinta, hanno inoltre determinato un incremento delle sollecitazioni meccaniche sul
pistone, sulle fasce elastiche e sui cuscinetti. Conseguentemente, all’olio vengono richieste migliore ottimizzazione delle caratteristiche reologiche reali (indice
di viscosità, HTHS, coefficiente viscosità-pressione) e
migliori proprietà antiusura.
Ai fini della riduzione delle emissioni di NOx si è
diffuso nei motori diesel e in alcuni motori a benzina
l’impiego del ricircolo dei gas di scarico (EGR, Exhaust
Gas Recirculation). Questa tecnica consiste nel prelevare una certa quantità di gas allo scarico reintroducendola nei cilindri insieme all’aria aspirata, la cui portata
volumetrica risulta quindi ridotta di una quantità corrispondente alla portata di gas riciclato. L’effetto del ricircolo è quello di abbassare le temperature di picco in
camera di combustione, con influenza diretta sulla produzione di NOx. Tuttavia il gas ricircolato e aspirato nuovamente dal motore aumenta la contaminazione dell’olio lubrificante da parte di materiale carbonioso, di incombusti provenienti dal combustibile e di sostanze acide
generate in camera di combustione. L’uso dell’EGR richiede pertanto una maggiore attenzione alle proprietà neutralizzanti e disperdenti del lubrificante.
La ricerca di un esasperato isolamento acustico del
vano motore tende a ostacolare la perdita di calore verso
l’esterno con un aumento generale delle temperature
del motore. La conformazione aerodinamica delle vetture, con la ricerca del migliore coefficiente aerodinamico di resistenza all’avanzamento, ai fini della riduzione della potenza perduta per resistenza aerodinamica, non migliora la situazione termica gravosa dei motori.
Le proprietà antiossidanti degli oli vengono anche in
tal caso alla ribalta per la loro fondamentale importanza ai fini del mantenimento delle prestazioni del lubrificante nel tempo.
Parallelamente a tutto questo, la tendenza all’allungamento degli intervalli di manutenzione delle vetture
spinge i costruttori a prolungare anche gli intervalli di
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
cambio dell’olio. A tal fine diviene sempre più frequente
la richiesta da parte di molti costruttori verso oli long
life, cioè capaci di durare più a lungo di oli tradizionali. Il conferimento di proprietà long life porta naturalmente al rafforzamento di tutti gli aspetti prestazionali
dell’olio stesso, il cui effetto viene valutato attraverso
prove motoristiche normalizzate di maggiore severità.
Lubrificanti per la trasmissione
Funzioni dei lubrificanti per trasmissioni
Le caratteristiche dell’olio per gli apparati di trasmissione sono in parte diverse da quelle dell’olio motore in quanto non sono presenti le cause di contaminazione e le elevate temperature che si riscontrano nella
applicazione di questi ultimi. Le loro funzioni possono
così essere riassunte: formare anche nelle più severe condizioni di esercizio un film lubrificante tra i vari accoppiamenti in movimento relativo e in particolare tra le
superfici dei denti degli ingranaggi; asportare il calore
prodotto per attrito; proteggere le superfici metalliche
dalla ossidazione.
La capacità dell’olio di sopportare i carichi è fondamentale, date le elevate pressioni che si generano tra i
denti in presa degli ingranaggi. Tali pressioni e le conseguenti alte temperature locali possono rendere inadeguato il film solido che si forma in presenza di additivi
antiusura; in questi casi è necessario l’impiego di particolari additivi detti per EP che sono in grado di reagire
con le superfici stesse per formare composti che agiscono da lubrificanti solidi.
Classificazioni e specifiche prestazionali
Gli oli per trasmissione automobilistica comprendono gli oli per cambi e differenziali e gli oli per trasmissioni automatiche (ATF, Automatic Trasmission Fluids),
questi ultimi largamente diffusi negli Stati Uniti ma relativamente poco presenti in Europa, con la sola eccezione dei moderni mezzi di trasporto pubblici.
Gli oli per cambi e differenziali rientrano nella più
generale categoria degli oli per ingranaggi, di cui costituiscono uno dei casi più severi per il disegno (ingranaggi ipoidi), i carichi, le condizioni di temperatura in
cui operano.
Come per gli oli motore, anche per gli oli per trasmissioni la SAE ha predisposto un sistema di classificazione viscosimetrica basato su misure a bassa e alta
temperatura (SAE J 306) che servono da guida alla scelta del lubrificante in funzione delle condizioni ambientali e delle sollecitazioni termiche previste dall’impiego.
Le prestazioni degli oli per trasmissioni sono comunemente identificate dalla serie MIL-L-2105, definita da
un apposito organismo militare statunitense, e dalle serie
GL (Gear Lubricant) e MT (Manual Transmission), a cura
dell’API. I costruttori europei si rifanno a specifiche API
763
AUTOTRAZIONE
integrate in molti casi da specifiche proprie. Tali specifiche sono mirate per ogni settore applicativo e richiedono differenti proprietà al lubrificante; da questo punto
di vista, la caratteristica principale è il possesso o meno
di proprietà EP.
Buona parte delle esigenze dei cambi automatici sono
soddisfatte da fluidi per trasmissione automatica ATF.
Le trasmissioni automatiche moderne richiedono oli in
grado di assolvere a una serie complessa di compiti: essi
infatti agiscono come convertitori di coppia, fluidi idraulici, oli per ingranaggi, fluidi per lo smaltimento del calore. La funzione principale rimane peraltro quella di fornire caratteristiche d’attrito adeguate al corretto funzionamento di un sistema di frizioni in bagno d’olio. Tale
sistema è di norma costituito da una serie di piatti d’acciaio accoppiati a frizioni di refrattario, carta, grafite,
bronzo, ecc.
Nel 1967 General Motors introdusse il marchio
DEXRON: l’omologazione del prodotto era accompagnata dalla licenza d’uso del marchio sulla confezione.
Da allora a oggi la specifica DEXRON si è progressivamente evoluta. Ford ha seguito la stessa strada con l’introduzione del proprio marchio MERCON.
Particolare rilievo, specie nel settore della trazione
pesante e di off-highway (movimento terra, costruzioni,
trattori, ecc.), rivestono le specifiche degli oli per trasmissione emesse dalla apposita divisione di General
Motors e da Caterpillar.
Per la lubrificazione delle macchine agricole, a causa
della presenza di organi meccanici particolari (quali i
freni in bagno d’olio) e della necessità di unificare la
lubrificazione di tali organi quanto più possibile, sono
presenti lubrificanti specifici: oli destinati alla lubrificazione sia del motore sia degli organi ausiliari (STOU,
Super Tractor Oil Universal); oli destinati alla lubrificazione dei soli organi ausiliari ma non a quella del motore (UTTO, Universal Tractor Trasmission Oil). Si tratta
in genere di oli che rispondono alle specifiche dei principali costruttori di veicoli off-road (Deutz-Allis, J.I.
Case, John Deere, Massey-Ferguson, ecc.) e che prevedono, oltre a vari requisiti reologici, prove d’usura, di
corrosione e d’ossidazione, di compatibilità con gli elastomeri, di tolleranza all’acqua, e test su apparecchiature che simulano il reale esercizio.
Fluidi speciali
A completamento della gamma dei prodotti per autotrazione sono presenti altri fluidi, la cui funzione principale può essere o meno quella di lubrificare i componenti meccanici, dei quali si fa solo menzione. Si tratta di oli motore per rodaggio e protettivi, fluidi per
sistemi frenanti e frizioni idrauliche, per sistemi idraulici centralizzati (CHF, Central Hydraulic Fluid), e per sistemi di raffreddamento. Per alcune applicazioni, infine
764
(ingrassaggio, oli per sistemi di condizionamento) si fa
impiego di prodotti for life di derivazione industriale.
8.4.3 Principali componenti dei
lubrificanti per autotrazione
Oli base
Impiego degli oli base nei lubrificanti
per autotrazione
Accanto agli oli base minerali, ottenuti dalla lavorazione del greggio, acquistano sempre maggior importanza le basi non convenzionali (NCBO, Non Conventional Base Oils) e quelle sintetiche così definite perché
non derivano direttamente dalla lavorazione del greggio
o perché si ottengono da processi di sintesi.
Oli base minerali e NCBO derivanti dalla lavorazione dei greggi petroliferi sono trattati nei capitoli 8.1 e
8.2 del II volume. Le basi sintetiche più largamente utilizzate nel settore dei lubrificanti per autotrazione sono:
PAO (polialfaolefine, basi idrocarburiche da a-olefine
idrogenate), PIO (poly internal olefins, poliolefine interne) basi idrocarburiche da olefine interne idrogenate),
esteri. Altre basi sintetiche di uso più limitato sono: poliglicoli, polibuteni, aromatici alchilati.
La scelta della base o della miscela di basi è fondamentale perché, anche se molte proprietà del lubrificante
vengono garantite da un’adeguata additivazione, la natura chimica della base può influenzare pesantemente alcune caratteristiche prestazionali del lubrificante.
Quindi, a seconda della base impiegata, si avranno
effetti positivi o meno sia sulle caratteristiche chimicofisiche e reologiche sia su quelle prestazionali del lubrificante finito.
Basi minerali
Le loro caratteristiche dipendono dalla composizione idrocarburica del greggio, nonché dalla severità del
processo di estrazione e di deparaffinazione. Si possono comunque definire alcune caratteristiche generali,
tipiche di questa tipologia di basi. La presenza di composti aromatici determina un buon potere solvente e una
discreta resistenza all’ossidazione grazie ai composti
solforati che fungono da antiossidanti naturali. Per contro, i composti aromatici possono dare luogo a prodotti
di polimerizzazione che a lungo andare danno origine a
depositi.
Le basi minerali presentano caratteristiche a freddo
decisamente inferiori a quelle delle basi sintetiche a causa
dell’elevato contenuto di n-paraffine, per cui consentono di formulare lubrificanti in gradazioni viscosimetriche non particolarmente fluide.
Infine esse presentano una volatilità superiore alle basi
sintetiche che, unitamente alla degradazione causata dai
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
LUBRIFICAZIONE E LUBRIFICANTI
processi ossidativi, può contribuire a un più rapido deterioramento del lubrificante.
Basi minerali non convenzionali
I processi impiegati nella produzione delle basi non
convenzionali consentono di raggiungere una composizione finale dei tagli relativamente indipendente dalle
caratteristiche del greggio d’origine. Pertanto la qualità
di questi oli base è superiore a quella degli oli base ottenuti dal ciclo tradizionale al solvente, rispetto ai quali
offrono i seguenti vantaggi:
• volatilità inferiore a pari viscosità (minor consumo
in esercizio);
• indice di viscosità superiore (intervallo di temperature d’impiego più ampio);
• miglior stabilità alla temperatura (vita utile più lunga);
• tenore di zolfo basso o trascurabile (elemento di sempre maggiore importanza per gli oli motore, a causa
delle crescenti richieste di compatibilità con i dispositivi di trattamento dei gas di scarico).
Basi sintetiche
Le PAO costituiscono la classe di basi sintetiche
maggiormente usate in autotrazione. Sono costituite da
catene idrocarburiche sature a elevato grado di ramificazione. Presentano caratteristiche a freddo e volatilità
molto migliori degli oli minerali derivati da processi di
estrazione al solvente, hydrocracking o idroisomerizzazione.
Sono poco polari e di conseguenza hanno limitato
potere solvente (solvency), che può andare a scapito della
capacità di solubilizzazione degli additivi polari presenti nell’olio lubrificante e dei prodotti di ossidazione che
si formano in esercizio.
Un’altra classe di basi sintetiche tipicamente usata
in autotrazione è costituita dagli esteri; essi sono composti polari e per questo motivo vengono generalmente
impiegati in miscela con le PAO. In funzione del tipo di
acido e di alcol impiegati nella sintesi è possibile impartire alla base le caratteristiche reologiche e prestazionali desiderate. Grazie alla loro capacità lubrificante e, dove
richiesto, all’elevata biodegradabilità, gli esteri trovano
largo impiego negli oli per motori a due tempi.
Altre classi di basi sintetiche trovano impiego in settori della lubrificazione particolari.
Classificazione degli oli base (secondo API e ATIEL)
Sia API che ATIEL prevedono un criterio di classificazione degli oli base in relazione al contenuto di zolfo,
di saturi e all’indice di viscosità (tab. 2).
Additivi
Il contenuto d’additivi nell’olio lubrificante va da
poche parti per milione a vari punti percentuali e, in base
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
tab. 2. Classificazione API e ATIEL degli oli base.
Le regole di intercambiabilità nei lubrificanti finiti
variano in base al gruppo di appartenenza
Saturi
(% in peso)
Zolfo
(% in peso)
Indice
di Viscosità
(IV)
I
⬍90
e/o ⬎0,03
80-120
II
ⱖ90
ⱕ0,03
80-120
III
ⱖ90
ⱕ0,03
ⱖ120
Gruppo
IV
PAO
V
tutte le altre basi
VI (*)
PIO
(*) solo ATIEL.
alla funzione che tali prodotti devono svolgere, essi possono essere classificati in:
• sostanze che hanno come scopo il miglioramento
delle caratteristiche intrinseche degli oli base (modificatori dell’indice di viscosità e miglioratori del
punto di scorrimento);
• sostanze protettive del lubrificante (antiossidanti);
• sostanze che impartiscono nuove proprietà e proteggono le superfici metalliche del motore (detergenti,
disperdenti, modificatori d’attrito, additivi antiusura-EP, antiruggine e inibitori di corrosione).
Modificatori dell’indice di viscosità
La viscosità è la principale proprietà fisica del lubrificante ed è una misura delle interazioni intermolecolari dell’olio e quindi della resistenza al suo scorrimento.
All’aumentare della temperatura la viscosità del lubrificante tende a diminuire causando anche la diminuzione
dello spessore del film lubrificante fra le parti in moto
relativo. I modificatori dell’indice di viscosità (Viscosity Index Improvers, VII, o Viscosity Modifiers, VM)
influenzano l’andamento viscosità-temperatura, rallentando la diminuzione della viscosità al crescere della
temperatura grazie alle variazioni conformazionali che
la loro struttura subisce in funzione della temperatura.
I modificatori dell’indice di viscosità sono polimeri
a peso molecolare variabile appartenenti alle seguenti
categorie principali:
• copolimeri etilene-propilene idrogenati (detti anche
OCP, Olefin Co-Polymers);
• poliisopreni idrogenati che possono essere lineari,
parzialmente ramificati o a stella;
• polimetacrilati (PMA PolyMathAcrylates) di alcoli a catena lunga variabile da C12 a C18, lineare e/o
parzialmente ramificata;
765
AUTOTRAZIONE
•
copolimeri stirene-isoprene idrogenati, che possono
essere lineari, parzialmente ramificati o a stella;
• poliisobuteni (PIB PolyIsoButenes).
A bassa temperatura, questi polimeri hanno una struttura raccolta che minimizza le interazioni con la base lubrificante; con l’aumentare della temperatura, il polimero aumenta le interazioni con la base, estende le sue catene e si espande, contrastando la diminuzione di viscosità della base.
Nella produzione dei VM il controllo del peso molecolare e della sua distribuzione rappresenta un elemento critico poiché questi parametri regolano due importanti caratteristiche del polimero come il potere ispessente e la stabilità al taglio meccanico.
Miglioratori del punto di scorrimento
Tali additivi (Pour Point Depressant, PPD) migliorano le caratteristiche di scorrimento a bassa temperatura
del lubrificante. I tipi principali sono costituiti da polimetacrilati, copolimeri etilene-vinilacetato, polifumarati.
L’effetto dei PPD dipende largamente dalle caratteristiche delle basi impiegate e dalla loro concentrazione. Normalmente l’azione di tali additivi è più efficace
nei confronti delle basi fluide (SN 80, SN 150). Ogni
classe di PPD ha un limite d’efficacia: al di sopra di una
certa percentuale cessa l’effetto sul punto di scorrimento (che in certi casi può peggiorare) e comincia a farsi
sentire l’effetto ispessente. Le percentuali di trattamento tipiche variano tra lo 0,1 e l’1%.
Antiossidanti
L’ossidazione è il risultato dell’interazione dei componenti del lubrificante con l’ossigeno alle temperature
d’esercizio del motore. Essa è la principale causa di degradazione dell’olio e porta alla formazione di specie acide
che man mano aumentano di peso molecolare, dando
origine a lacche e morchie che portano a un incremento
di viscosità del lubrificante e formano depositi nelle zone
fredde del motore.
La degradazione ossidativa del lubrificante avviene
a causa di una serie complessa di reazioni radicaliche a
catena, che viene contrastata con particolari additivi
antiossidanti o inibitori d’ossidazione. Tali additivi da
una parte interrompono le reazioni chimiche responsabili dei processi citati e dall’altra decompongono i primi
prodotti di degradazione impedendone l’ulteriore evoluzione verso specie più dannose.
I tipi principali di questa classe di sostanze sono:
ammine aromatiche alchilate, fenoli stericamente impediti, zinco dialchilditiofosfati, derivati dell’acido dialchilditiocarbammico.
Le ammine e i fenoli impediti agiscono come trappole di radicali (radical scavenger) trasformando i perossidi reattivi in specie inattive. Gli zincoditiofosfati, oltre
ad agire con questi meccanismi, decompongono eteroliticamente gli idroperossidi (ROOH) disattivandoli.
766
Detergenti e disperdenti
Costituiscono due delle più importanti categorie di
additivi degli oli motore e hanno la funzione di mantenere il motore pulito. Tale obiettivo viene perseguito cercando di ridurre la formazione dei depositi e di mantenere in sospensione quei prodotti insolubili che da essi
derivano, contrastando la loro ulteriore aggregazione e
adesione sulle superfici metalliche calde/fredde.
Detergenti metallici. Servono per neutralizzare i
prodotti acidi derivanti dalla combustione (acidi organici e ossidi di zolfo), ridurre lacche e depositi nei pistoni e prevenire problemi alle fasce elastiche in condizioni severe di temperatura. Sono generalmente costituiti da dispersioni colloidali in basi lubrificanti di
carbonato di metalli alcalini o alcalino-terrosi, stabilizzate da uno strato adsorbito di molecole surfattanti.
Il nucleo carbonatico, tipicamente amorfo, rappresenta la riserva di basicità necessaria alla neutralizzazione dei composti acidi, mentre lo strato di tensioattivo
è costituito da sali di acidi a catena oleofila sufficientemente lunga (sapone) per assicurare la stabilità del
colloide. Le principali classi chimiche di detergenti
metallici usualmente impiegate sono: solfonati, solfofenati, salicilati.
Il valore del numero di basicità (BN) determina le
capacità neutralizzanti dell’additivo mentre il tenore di
sapone determina la sua efficacia detergente vera e propria. A seconda dell’abilità neutralizzante del detergente si distinguono detergenti neutri (BN⭐25) e sovrabasici (BN⬎25). Nell’autotrazione si impiegano principalmente detergenti a base di metalli alcalino-terrosi e
soprattutto quelli a base di calcio.
Disperdenti. Sono additivi fondamentali ai fini delle
prestazioni, dato che controllano lo stato d’aggregazione di morchie e, nei motori diesel, della fuliggine; nel
lubrificante costituiscono oltre il 50% dell’additivazione. Tra le tipologie molecolari più importanti si annoverano i derivati delle anidridi succiniche (succinimmidi,
succinesteri, ecc.) di impiego diffusissimo e la cui sintesi è ormai documentata da più di 1.500 brevetti.
Anche i disperdenti sono costituiti da molecole anfifiliche nelle quali la porzione lipofilica è generalmente
costituita da catene poliolefiniche (in genere poliisobutene) con peso molecolare variabile tra 700 e 3.000, mentre il gruppo polare è in genere il derivato di una poliammina o di un poliolo. Il legame tra queste due parti della
molecola finale viene ottenuto mediante differenti reazioni chimiche. Le più importanti classi dei disperdenti
sono: succinimmidi, esteri succinici, alchilfenolammine (basi di Mannich), disperdenti polimerici.
Fra tutte, le succinimmidi sono probabilmente la classe più importante e quella prodotta in maggiori volumi.
Si preparano in due stadi: il primo consiste nel funzionalizzare la catena di un oligomero alchilico (poliolefine, preferibilmente poliisobutene) con anidride maleica
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
LUBRIFICAZIONE E LUBRIFICANTI
per dar luogo a una poliisobutilensuccinanidride (PIBSA),
il secondo nel convertire la PIBSA nella polisobutilensuccinimmide finale (PIBSI) facendola reagire con una
N-ammino-polialchilammina (per esempio esaetilene eptaammina, HEHA; tetraetilene penta-ammina, TEPA, ecc.).
Gli esteri succinici impiegati come disperdenti per i
lubrificanti per autotrazione sono prodotti formati esterificando un derivato succinico di una poliolefina (analogo a quelli impiegati per le succinimmidi) con monoo poli-alcoli (per esempio pentaeritritolo), in modo da
produrre disperdenti con pesi molecolari in genere dello
stesso ordine di grandezza di quelli delle succinimmidi.
Le alchilfenolammine sono costituite da fenoli poliisobutilenici (o polialchil-sostituiti) fatti reagire con polialchilenammine mediante formaldeide, attraverso la reazione di Mannich.
Modificatori di attrito
Tali additivi sono delle specie chimiche in grado d’influenzare il coefficiente di attrito in condizioni di lubrificazione limite. Possono essere costituiti da molecole
organiche anfifiliche molto lunghe oppure da composti
metallo-organici (in genere a base di molibdeno). La
riduzione del coefficiente di attrito delle superfici avviene mediante formazione su di esse di film di molecole
a elevata scorrevolezza (per esempio MoS2 nel caso del
ditiocarbammato di Mo).
Additivi antiusura/EP
Sono additivi che vengono principalmente impiegati per ridurre l’usura in condizioni di lubrificazione limite. In condizioni di carico medio-alte o elevate (EP),
reagiscono con le superfici metalliche formando strati
tribochimici protettivi. Negli oli motore svolgono essenzialmente funzioni antiusura. Il ruolo EP, marginale, viene
lasciato ai detergenti metallici.
La principale classe di antiusura è costituita dagli
zincodialchilditiofosfati, la cui introduzione ha coinciso con il decollo della tecnologia di additivazione per
lubrificanti. Si hanno inoltre antiusura a base di molibdeno (dialchilditiofosfati, ditiocarbammati), composti
organici e detergenti metallici.
Negli oli per trasmissioni è diffuso l’utilizzo di additivi EP. Tra questi, i principali sono: solforizzati (antiusura/EP), composti zolfo-fosforo (antiusura/EP), paraffine clorurate (EP).
La struttura chimica dei ditiofosfati di zinco è così
rappresentabile:
RO
S
P
S
Zn
OR
P
RO
S
S
OR
La parte alcossido (RO) deriva da un alcol primario a catena corta (⬍C6) o a catena lunga (C6-C8) nei
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
ditiofosfati primari o da un alcol secondario (C3-C3-C6)
nei ditiofosfati secondari, raramente da un alchilfenolo
(ditiofosfati arilici).
Sono composti polari e per questo motivo vengono
generalmente impiegati in miscela con le PAO. La stabilità termica aumenta nell’ordine: secondari, primari a
catena corta, primari a catena lunga, acrilici, mentre l’efficacia antiusura varia nell’ordine inverso. L’additivo
antiusura infatti funziona come tale perché, decomponendosi alle temperature di contatto metallo-metallo reagisce con le superfici e forma strati a basso coefficiente d’attrito. Come già detto, i ditiofosfati di zinco svolgono inoltre un’azione antiossidante molto efficace.
Attualmente, l’impiego dei ditiofosfati di zinco viene
limitato poiché il fosforo in essi contenuto, rilasciato
durante la parziale combustione del lubrificante, può
interagire negativamente con i sistemi catalitici di trattamento dei gas esausti.
Anticorrosivi/antiruggine
Servono per proteggere le superfici metalliche del
motore dalla corrosione e dagli agenti aggressivi generati durante la combustione (acqua, prodotti acidi, ossidanti, ecc.) o per protezione nel trasporto e nello stoccaggio. La loro azione si esplica grazie alla creazione di
una barriera fisica, che essi stessi formano sulla superficie metallica, la quale impedisce l’attacco della superficie da parte degli agenti corrosivi.
I principali tipi sono: alcoli etossilati, acidi carbossilici a lunga catena, esteri fosforici, ammine, imidazoline e tioderivati.
Per la loro natura sono composti che possono dar
luogo a fenomeni che si contrappongono ad altre classi di additivi (per esempio i ditiofosfati di zinco), con
le quali spesso entrano in competizione per trattare le
superfici metalliche, o che possono influenzare negativamente altre proprietà del mezzo nel quale operano
(per esempio la demulsività). La presenza nel motore
di superfici metalliche di varia natura, inoltre, spesso
richiede l’impiego di miscele di diversi additivi anticorrosione.
8.4.4 Lubrificanti per l’industria
Classificazione
Per assicurare un’efficace lubrificazione è importante selezionare la corretta viscosità affinché si formi
un film lubrificante in grado di separare le due superfici in contatto. In generale è necessaria un’elevata viscosità dell’olio in presenza di alti carichi e basse velocità;
invece nel caso di velocità elevate, proprio per ridurre
gli attriti, si utilizzano lubrificanti molto fluidi. È stato
definito pertanto un sistema di classificazione viscosimetrica dei lubrificanti impiegati nell’industria.
767
AUTOTRAZIONE
tab. 3. Classificazione viscosimetrica
dei fluidi lubrificanti industriali (ISO 3448)
Viscosità
Simbolo ISO
media
(cSt a 40 °C)
Intervallo di viscosità
(cSt a 40 °C)
min.
max.
ISO VG 2
2,2
1,98
2,42
ISO VG 3
3,2
2,88
3,62
ISO VG 5
4,6
4,14
5,06
ISO VG 7
8,8
6,12
7,48
ISO VG 10
10
9,00
11,0
ISO VG 15
16
13,5
16,5
ISO VG 22
22
19,8
24,2
ISO VG 32
32
28,8
36,2
ISO VG 46
46
41,4
60,8
ISO VG 68
68
61,2
74,8
ISO VG 100
100
90
110
ISO VG 150
150
136
186
ISO VG 220
220
198
242
ISO VG 320
320
288
362
ISO VG 480
460
414
508
ISO VG 680
680
614
748
ISO VG 1000
1.000
900
1.100
ISO VG 1500
1.500
1.350
1.850
Esistono numerosi metodi per determinare la corretta
viscosità di un olio in relazione agli accoppiamenti meccanici industriali: alcuni di questi sono normalizzati, altri
sono stati sviluppati da costruttori come nel caso, per
esempio, degli ingranaggi e dei cuscinetti.
Il loro scopo è quello di fornire, unitamente all’indice di viscosità (IV), una guida per la scelta del lubrificante più adatto all’applicazione.
In passato in Europa veniva utilizzata la viscosità
Engler, mentre negli Stati Uniti si usava il sistema SUS.
Oggi per gli oli per l’industria si è affermato il sistema
ISO (International Standardization Organisation), che fa
riferimento alla viscosità cinematica a 40 °C in mm2/s
(o centistoke, cSt). La temperatura di riferimento (40 °C)
è stata scelta in modo da essere vicina sia alla media
delle temperature d’esercizio, sia alle temperature di
riferimento dei vecchi metodi di classificazione della
viscosità dei lubrificanti. Le gradazioni standard previste, definite ISO VG (ISO Viscosity Grade), consentono
768
di coprire tutte le esigenze pratiche di lubrificazione
industriale (tab. 3).
Nella definizione di lubrificanti industriali ricadono
numerosissimi prodotti con caratteristiche estremamente diverse tra loro nella composizione e destinati a moltepici e differenti applicazioni. Infatti, in questa categoria si possono individuare quattro tipologie fondamentali di prodotto: i fluidi lubrificanti industriali propriamente
detti, i grassi lubrificanti, i prodotti per lavorazioni meccaniche e gli oli per applicazioni varie e di processo.
L’ISO ha effettuato una puntuale ed estesa classificazione dei lubrificanti industriali emettendo la classificazione standard ISO 6743-99 ove sono individuate 18
famiglie di prodotti, in funzione dell’applicazione, ognuna contraddistinta da una lettera dell’alfabeto (tab. 4).
Si tratta di tutti i tipi di prodotti destinati alla lubrificazione del macchinario industriale, quali oli idraulici, oli
per turbine, oli per compressori, oli per cuscinetti e oli per
ingranaggi industriali.
Le caratteristiche rilevanti ai fini dell’applicazione
sono: viscosità/indice di viscosità, punto di scorrimento, demulsività, proprietà antischiuma, trattenimento dell’aria, compatibilità con le guarnizioni, proprietà antiusura, proprietà antiruggine, stabilità all’ossidazione. Oltre
a queste caratteristiche ve ne sono altre che tengono conto
dell’impiego specifico a cui il prodotto è destinato. Tali
caratteristiche sono determinate con modalità di prova
elaborate da enti normatori internazionali; per la maggior parte si tratta di metodi ASTM (American Society
for Testing and Materials).
Applicazioni
Turbine
Le diverse tipologie di applicazioni richiedono spesso prodotti specifici, come nel caso delle turbine. Infatti per queste sono necessarie particolari prestazioni in
termini di stabilità chimica del prodotto. Nel caso delle
turbine a vapore l’olio deve avere una spiccata capacità
di separarsi dall’acqua che accidentalmente può contaminarlo, mentre per le turbine a gas si esaltano le proprietà di resistenza all’ossidazione. Per gli oli per turbine industriali a vapore e a gas si utilizzano in genere basi
minerali speciali di qualità superiore a quella standard,
mentre per le turbine a gas di tipo aeronautico vengono
utilizzati oli sintetici, in genere esteri o polialfaolefine.
Cuscinetti
Una vasta parte delle applicazioni dei lubrificanti
industriali riguarda la lubrificazione di cuscinetti volventi o radenti. Per questi casi si utilizzano oli appositamente formulati che non abbiano problemi di compatibilità con i materiali, possiedano una elevatissima stabilità termossidativa e nel contempo tengano conto delle
particolari condizioni operative legate all’applicazione:
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
LUBRIFICAZIONE E LUBRIFICANTI
Ingranaggi
tab. 4. Classificazione dei lubrificanti industriali
e dei fluidi correlati (ISO 6743-99)
Famiglia
(lettera simbolo)
Applicazione
A
Sistemi a perdita
B
Sformanti
C
Ingranaggi
D
Compressori
E
Motori a combustione interna
F
Mandrini e fusi
G
Guide e slitte
H
Sistemi idraulici
M
Lavorazioni metalli
N
Dielettrici
P
Utensili pneumatici
Q
Diatermici
R
Protettivi temporanei
T
Turbine
U
Trattamenti termici
X
Applicazioni di grassi
Y
Altre applicazioni
Z
Macchine a vapore
si possono infatti citare gli oli per cuscinetti per laminatoi, contraddistinti da elevate viscosità ed elevate caratteristiche demulsive, e gli oli per cartiere, che possono
essere di tipo minerale ma a volte sono di tipo sintetico
(polialfaolefine o poliglicoli) per operare nelle parti calde
delle macchine, o addirittura di tipo detergente-disperdente per mantenere in sospensione le fibre di carta che
accidentalmente possono inquinarli.
Impianti idrostatici
In questa categoria, costituita essenzialmente da fluidi idraulici per comandi oleodinamici di macchine da
cantiere, impianti industriali, ecc., si concentrano i maggiori volumi di lubrificanti industriali. Questi prodotti,
oltre a soddisfare determinati requisiti chimico-fisici,
devono anche superare prove al banco di tipo tribologico o su rig test che simulano l’impiego reale. Le specifiche del settore sono di enti (ISO, DIN BS, ecc.) o di
costruttori di componenti o macchine (Eaton Vickers,
Bosch Rexroth, Denison, ecc.).
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
I prodotti per la lubrificazione degli ingranaggi industriali sono formulati tenendo conto: del tipo d’ingranaggio (disegno/forma); della presenza di coperture o
carter; delle pressioni specifiche; dell’area di contatto
sui denti in presa; della velocità; del moto relativo (rotolamento o strisciamento); dei materiali. Per applicazioni particolarmente severe, si utilizzano lubrificanti EP a
base di composti dello zolfo e del fosforo.
Compressori
La lubrificazione dei compressori costituisce un ampio
settore con prodotti estremamente diversificati nella loro
formulazione per tener conto sia del tipo di compressore sia della composizione chimica del gas da comprimere.
Nei compressori per aria alternativi, l’aria raggiunge, a seconda delle modalità operative, temperature anche
attorno a 200 °C; in queste condizioni l’olio può dar origine a depositi sulle valvole e sulla parte superiore dei
cilindri. È quindi importante che l’olio sia in grado di
resistere all’ossidazione e che abbia una bassa tendenza
a lasciare depositi. Nei compressori a vite, l’aria viene
compressa per confinamento tra due viti incapsulate in
un carter. In questo caso l’olio è immesso in grandi quantità e finemente nebulizzato nell’aria con la funzione sia
di lubrificare sia di asportare il calore. Le temperature
che si raggiungono sono più basse (100-120 °C), ma poiché il lubrificante è continuamente separato dall’aria e
riutilizzato, gli si richiede una spiccata resistenza all’ossidazione.
In generale per la compressione di altri gas e dei gas
frigorigeni nascono ulteriori problemi quali la miscibilità o immiscibilità a seconda delle modalità operative
del circuito di lubrificazione, nonché problemi di stabilità chimica reciproca tra gas e lubrificante.
Nei compressori di tipo dinamico (centrifughi e assiali) i problemi di lubrificazione, salvo casi particolari di
compatibilità con il gas, possono essere ricondotti a quelli delle turbine a vapore.
Guide e slitte
Sono organi meccanici diffusi praticamente in tutti i
macchinari industriali. Particolare è la situazione delle
macchine utensili dove, per raggiungere un’elevata precisione in produzione, i giochi tra slitta e guida devono
essere estremamente limitati e occorre evitare le condizioni di lubrificazione idrodinamica che ridurrebbero la
regolarità e l’uniformità del movimento delle slitte portautensili (o delle tavole portapezzo). Occorre cioè evitare il fenomeno dello stick and slip che è provocato
dalla lacerazione del film lubrificante durante il movimento. All’atto di questa lacerazione, le superfici metalliche vengono a diretto contatto e l’attrito aumenta. Al
momento in cui la potenza motrice vince questa resistenza
769
AUTOTRAZIONE
tab. 5. Consistenza e modalità di applicazione del grasso lubrificante
Numero
NLGI
Penetrazione
lavorata (dmm)
Consistenza
Modo di applicazione
000
445-475
fluido
sistemi centralizzati
00
400-430
fluido
sistemi centralizzati
0
355-385
semifluido
sistemi centralizzati
1
310-340
molto tenero
Ingrassatori a pistola e sistemi centralizzati
2
265-295
tenero
ingrassatori a pistola
3
220-250
bassa
ingrassatori a pressione
4
175-205
bassa
ingrassatori Stauffer
5
130-160
alta
grasso in pani
6
85-115
duro
grasso in pani
addizionale si ha un brusco aumento di velocità. Il ripetersi di questi rallentamenti e accelerazioni irregolari
produce un movimento a sbalzi, che si ripercuote sull’utensile e quindi sulla finitura del pezzo in lavorazione. Per evitare l’inconveniente descritto si usano oli additivati con sostanze a elevata polarità che riducono il coefficiente di attrito statico, rendendo in tal modo regolare
il movimento.
Grassi lubrificanti
Secondo la definizione fornita dall’ASTM, un grasso lubrificante è un prodotto da solido a semifluido
costituito da un agente ispessente in un lubrificante
liquido nel quale possono essere presenti altri ingredienti (additivi e lubrificanti solidi) che impartiscono
proprietà speciali. Tale definizione stabilisce un concetto fondamentale, ossia il grasso non è un olio molto
viscoso, ma un olio ispessito, un sistema multifase costituito da due componenti distinti: l’ispessente (agente
addensante) e un olio fluido. In base a ciò, variando la
percentuale di ispessente varia la consistenza del prodotto, che è codificata tramite numeri dalla statunitense NLGI (National Lubricating Grease Institute). Le
differenti consistenze sono necessarie in funzione del
tipo di applicazione e di erogazione del grasso, della
posizione del pezzo da lubrificare e dell’efficienza delle tenute (tab. 5).
Per ottenere la consistenza voluta si utilizzano numerosi tipi di agenti ispessenti, le cui categorie principali
sono costituite da saponi, saponi complessi, ispessenti
organici e ispessenti inorganici.
I saponi sono ottenuti dalla saponificazione di un
acido grasso con un metallo alcalino o alcalino-terroso.
770
I grassi complessi sono ottenuti facendo reagire contemporaneamente un acido grasso e un secondo composto polare, chiamato agente complessante, con un componente basico. Tali grassi sono stati sviluppati in quanto consentono di operare a temperature più elevate rispetto
ai saponi semplici.
Come ispessenti organici si intendono quelli a base
di poliuree ottenute dalla reazione di isocianati e ammine. Essi presentano un’elevata stabilità nel tempo e pertanto sono utilizzati in componenti lubrificati a vita.
Come ispessenti inorganici, i più diffusi sono quelli
al bentone ottenuti a partire da particolari argille: la bentonite e l’ettorite. Presentano la caratteristica di non avere
un punto di fusione vero e proprio e per tale motivo si
prestano a essere utilizzati in ampi intervalli di temperatura. Altra categoria sono gli ispessenti a base di silice. Infine si hanno anche i solfonati di calcio sovrabasici. Tale varietà d’ispessenti è motivata dal fatto che, oltre
alle forti differenze di costo tra una tipologia e l’altra,
cambiano anche le prestazioni (tab. 6).
L’olio base utilizzato nella formulazione di un grasso può essere di tipo minerale, vegetale o sintetico in
funzione delle prestazioni attese e dell’applicazione.
I grassi, alla pari dei lubrificanti liquidi, vengono
additivati per conferire loro particolari proprietà, quindi si utilizzano antiossidanti, antiusura, agenti EP, antiruggine, inibitori di corrosione, eccetera.
L’impiego dei grassi per la lubrificazione e per la protezione degli organi meccanici avviene in tutti quei casi
in cui l’esiguità degli spazi o i problemi di tenuta non
consentono l’impiego di lubrificanti liquidi. I grassi, in
molte applicazioni, sono utilizzati a perdita (siderurgia,
macchine continue di cartiere ecc.), ma in vari casi hanno
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
LUBRIFICAZIONE E LUBRIFICANTI
la funzione di lubrificare a vita un componente (cuscinetti volventi o piccoli riduttori).
Prodotti per lavorazioni meccaniche
Si tratta di una gamma molto ampia di prodotti che,
sfruttando le proprietà intrinseche degli oli di lubrificare e di raffreddare, facilitano le lavorazioni meccaniche,
le quali possono essere distinte in due categorie principali: per deformazione plastica e con asportazione di
materiale.
Le lavorazioni per deformazione plastica consentono di ottenere pezzi della forma finale voluta agendo sui
grezzi con azioni di deformazione. Tali lavorazioni possono essere eseguite a freddo o a caldo a seconda del tipo
e dell’entità di deformazione che il pezzo deve subire.
Alcune di queste operazioni riguardano la lavorazione del metallo nel processo metallurgico (siderurgia) quali la laminazione, l’estrusione delle barre, la
formatura dei tubi dal pieno fino alla trafilatura di fili.
Altre operazioni di deformazione plastica sono volte
all’ottenimento dei prodotti o dei componenti finiti,
quali lo stampaggio, l’imbutitura, la piegatura, la punzonatura, ecc.
Nelle operazioni di deformazione plastica il requisito principale richiesto al lubrificante è la riduzione dell’attrito che ha una diretta influenza sulla vita dell’utensile, sul consumo di energia e sulla finitura delle superfici. Tuttavia è sempre necessario ottimizzare le
prestazioni; per esempio in laminazione si cerca di ottenere un coefficiente d’attrito sufficientemente basso per
garantire bassi consumi energetici, ma si devono evitare fenomeni di slittamento che impedirebbero la presa
del materiale in entrata. Nelle lavorazioni a caldo, si sfrutta l’aumento della plasticità che si verifica nei metalli al
crescere della temperatura senza peraltro raggiungere il
punto di fusione.
Le lavorazioni con asportazione di materiale consistono nell’asportare dal pezzo grezzo in lavoro, mediante l’impiego di uno o più utensili, uno strato di metallo
superficiale che si trasforma in truciolo. Queste lavorazioni si eseguono a freddo, cioè senza riscaldare preventivamente il metallo da lavorare.
Prodotti emulsionabili
I prodotti emulsionati con acqua sono utilizzati in
quelle lavorazioni ove è necessario esaltare le capacità
raffreddanti. Le tipologie utilizzate sono le più svariate,
in considerazione del fatto che i materiali da lavorare
hanno diverse caratteristiche meccaniche che ne influenzano la lavorabilità nonché la compatibilità (problemi di
macchiatura), e le caratteristiche di lavorazione sono
molteplici.
Le emulsioni utilizzate sono di solito del tipo olio/acqua;
la loro formulazione è generalmente la seguente:
• un olio minerale preferibilmente a base naftenica o
mista;
• sostanze emulsionanti (o emulganti), come le miscele di solfonati naturali o sintetici;
• sostanze stabilizzanti, come i composti alcolici, che
contribuiscono a rendere più stabile il legame tra gli
emulganti e l’olio;
• additivi antiruggine;
• sostanze batteriostatiche o battericide e contro la proliferazione fungina;
tab. 6. Proprietà dei grassi lubrificanti in funzione del tipo di ispessente
(S⫽scarsa; D⫽discreta; B⫽buona; E⫽eccellente)
Proprietà
Sodio
Calcio
Calcio
convenzionale anidro
Liscio,
fibroso
Liscio, burroso
Punto goccia
(°C)
170
100
140
Max
temperatura
d’impiego (°C)
120
80
Resistenza
all’acqua
D-S
Stabilità
ossidazione
Pompabilità
Aspetto
Litio
Liscio, Liscio,
burroso burroso
Alluminio Calcio
Litio
Poliurea Bentonite
complesso complesso complesso
Liscio,
burroso
Liscio,
burroso
Liscio,
burroso
Liscio,
burroso
Liscio,
burroso
190
260⫹
260⫹
260⫹
240
infusibile
120
140
170
170
180
180
180⫹
B-E
E
B
B-E
B-E
B
B-E
B
D
S
B-E
B-E
B-E
D
B-E
B-E
B
S-D
B-E
B
B
B
S
B-E
B-E
D
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ
771
AUTOTRAZIONE
•
eventuali additivi anticorrosivi (rame), antiusura ed
EP;
• additivi antischiuma.
A seconda del tipo di olio e delle applicazioni, le percentuali di olio in acqua possono variare dall’1 al 25%
per ottenere la giusta protezione contro la corrosione
e per tenere conto della gravosità della lavorazione e del
materiale.
Mescolando l’olio emulsionabile con acqua si ottengono emulsioni di aspetto differente a seconda dello stato
di dispersione dell’olio, della sua concentrazione e del
tipo di emulgatore. Generalmente per la preparazione
degli oli emulsionabili destinati alle operazioni di taglio
si impiegano emulgatori di tipo ionico, che conferiscono alle emulsioni una reazione leggermente basica
(pH⫽8-9). Si tratta di emulsioni stabili in ambiente
alcalino, che però perdono progressivamente la stabilità quando subiscono un inquinamento acido. La stabilità delle emulsioni è anche funzione delle caratteristiche delle acque, in particolare della loro durezza.
largamente impiegati come additivi EP quelli a base di
cloro o di zolfo-cloro; oggi i prodotti a base di cloro
sono stati abbandonati in molti paesi per ragioni prevalentemente ambientali.
Prodotti sintetici
Bibliografia citata
Si definiscono sintetici quei prodotti costituiti esclusivamente da soluzioni acquose di additivi anticorrosivi, untuosanti, antischiuma, battericidi. Tali prodotti sono
impiegati per la preparazione di liquidi refrigeranti trasparenti destinati essenzialmente alle operazioni di finitura e super-finitura dei pezzi metallici, eseguite con
utensili abrasivi come mole, pietre abrasive, eccetera.
Ertel A.M. (1939) Hydrodynamic lubrication based on new
principles, «Akad. Nauk SSSR Prikadnaya Mathematica i
Mekhanika», 3, 41-52.
Grubin A.N., Vinogradova I.E. (1949) Investigation of the
contact of machine components, «Central Scientific
Research Institute for Technology and Mechanical
Engineering», 30.
Prodotti interi
Gli oli interi si impiegano nei casi in cui le proprietà
lubrificanti sono più importanti dell’asportazione del
calore. Questo avviene in alcune operazioni estremamente gravose, quali per esempio la foratura profonda. Gli oli da taglio interi sono costituiti da olio minerale con additivi EP e antiusura. In passato sono stati
772
Bibliografia generale
Booser E.R. (editor) (1983-1994) CRC handbook of
lubrication: theory and practice of tribology, Boca Raton
(FL), CRC Press, 3v.
Del Ross S. (1977) I lubrificanti. Caratteristiche fisiche,
chimiche e tecnologiche. Raffinazione additivi, Milano,
Etas.
Klamann D. (1984) Lubricants and related products: synthesis,
properties, applications, international standards, Weinheim,
Chemie.
Neale M.T. (1973) Tribology handbook, London, Butterworths.
Nortier R.M., Orszulik S.T. (1997) Chemistry and technology
of lubricants, London, Blackie.
Riccardo Maione
Eni - Divisione Refining & Marketing
Monterotondo, Roma, Italia
Luigi D’Elia
EniTecnologie
San Donato Milanese, Milano, Italia
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
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