En mécanique, les lubrifiants ont notamment pour rôle de lubrifier, réfrigérer ou les deux à la fois; pour réduire le frottement d'une pièce par rapport à une autre ou pour l'usinage mécanique.
Burette à lubrifiant synthétique.
Les trois principales familles de lubrifiants sont[1]:
Les lubrifiants d'éléments mécaniques sont presque tous améliorés par des additifs. Ces additifs qui rentrent en plus ou moins petite proportion dans les lubrifiants apportent des propriétés que ne possédent pas, par nature, les huiles de bases vierges. Ils sont souvent nommés par la propriété qu'ils conférent[2]:
anti-oxydation;
anti-corrosion (effet obtenu par dépôt d'une fine couche dure et protectrice produire par des éléments adsorbés sur le métal à protéger);
Jusqu'à la révolution industrielle, les premiers lubrifiants mécaniques étaient des huiles végétales, ou des graisses animales (suif déposés sur les lieux de frottements de cordages, les axes de poulies ou d'engrenages (dans les rouages de moulins à vent et à eau dans la marine).
Les rouages et essieux des anciennes automobiles étaient lubrifiés avec une graisse à base de résine de bois, produite par «décomposition par les alcalis de l'huile pyrogénée de résine»[3]. Cette graisse faisait au milieu du XIXesiècle l'objet d'un commerce considérable[3].
L'huile de pied de bœuf est le lubrifiant traditionnel utilisé en horlogerie au XXesiècle; elle est appliquée aux différents points des mouvements d'horlogerie à l'aide d'un pique-huile[4].
Au début du XXIesiècle, Certains imaginent que les lubrifiants du futur pourraient être des liquides ioniques[5],[6],[7],[8], dont dans le domaine des nanotechnologies[9], mais ces produits sont souvent intrinsèquement toxiques et polluants, et leurs produits de dégradation peuvent l'être plus encore.
Alors que les lubrifiants sont considérés comme une source significative de pollution de l'eau, des sols et sédiments, on cherche à produire des lubrifiants alternatifs «verts» (biolubrifiants, non toxiques, biosourcés et biodégradables)[10],[11],[12], dont en se basant sur une analyse du cycle de vie et l'empreinte carbone[13].
Historiquement, les premiers grands fabricants de lubrifiants mécaniques sont issus de la pétrochimie ou plus généralement de la carbochimie. Au début des années 2000, ce sont notamment:
Depuis peu, les bioraffineries, plus proches des filières agroalimentaires et agrochimiques, proposent des lubrifiants verts, biodégradables, qui pourraient peu à peu prendre le relais d'un nombre croissant de lubrifiants pétroliers, dans le cadre de la décarbonisation de l'économie, afin de diminuer la participation de l'industrie au réchauffement climatique via ses émissions de gaz à effet de serre.
Utilisés exclusivement pour l'évacuation des calories:
l'air soufflé est le plus simple des réfrigérants, utilisé pour certains meulages;
l'eau, employée pour l'affûtage à la meule, plus rarement sur les machines-outils pour des raisons d'oxydation, mais peut être additionnée de 2 à 3% de soude pour pallier ce problème (voir chapitre: « Les résines »);
Huile animale: comme le suif qui est un produit résiduel obtenu par la fonte de la graisse de mouton ou de bœuf.
Huile végétale: utilisée quelquefois comme huile de coupe (colza, lin), mais devient rance à l'usage. En France en forêt, dans les zones naturelles sensibles, les intervenants doivent respecter la réglementation prise en application de l'article 44 de la Loi d'orientation agricole du et utiliser un biolubrifiant (lubrifiant biodégradable ou répondant à l'écolabel européen pour les scies à chaîne, y compris pour les têtes d'abatteuses.
Huile minérale: plus stable et qui ne s'oxyde pas à l'air, son pouvoir mouillant et lubrifiant est amélioré par l'incorporation d'une petite quantité de soufre (1 à 3%) ou de graphite.
Huile de coupe: elle doit posséder à la fois un pouvoir mouillant élevé et un pouvoir lubrifiant qui assure, malgré des pressions importantes, l'existence d'une pellicule d'huile entre le copeau et la surface d'attaque de l'outil (filmo-résistance de l'huile).
Pétrole lampant: permet l'usinage aisé de certaines matières comme l'aluminium qui auraient tendance à coller sur la face d'attaque de l'outil.
Eau savonneuse: utilisée pour lubrifier des chaines de distribution à basse vitesse, dans certains types d'entrepôts.
Depuis quelques années[Quand?] apparaissent des lubrifiants d'une nouvelle génération à base de nanoparticules, et augmentant sensiblement les performances, pouvant aller jusqu'à une diminution de 20% du coefficient de frottement, et une diminution de 55% de l'usure des pièces. Et la recherche n'est pas terminée[Qui?], laissant présager une nette amélioration de la longévité des pièces d'usure, et un meilleur rendement des moteurs.
Le travail de coupe provoque un fort dégagement de chaleur qui a pour causes:
l'effort de rupture du métal;
le frottement du copeau sur la face d'attaque de l'outil.
Ces effets dus à l'échauffement provoquent la destruction de l'arête de coupe par dépassement de la température limite jusqu'à laquelle l'outil conserve sa dureté, ainsi que la déformation de la pièce par suite de dilatation. Cette dilatation entraîne:
des erreurs de lecture de cotation; la température des instruments de mesure (pied à coulisse, palmer, calibre) étant à une température inférieure à celle de la pièce;
un allongement de la pièce qui peut être néfaste à son maintien sur la machine;
un mauvais état de surface.
Le suif, en petite quantité sur les outils (taraud, filière…).
Les huiles de coupe, à la fois réfrigérantes et lubrifiantes (huile végétale, animale ou minérale).
Fluides réfrigérants
L'air soufflé.
L'eau sur certaines meules d'affûtage. Pour la rectification des pièces, les risques d'oxydation sont diminués par une dissolution dans l'eau d'une faible quantité d'autres produits (carbonate de soude, de potasse, savon, huile de colza,etc.), selon le type de meule et le type de matière à usiner.
Fluides réfrigérants et lubrifiants
On peut limiter ces effets par un refroidissement constant et énergique de la zone de coupe, pour cela on utilise plus généralement un fluide appelé Eau de savon; de couleur blanche, ce fluide est réalisé en mélangeant à l’eau, qui sert de réfrigérant, 5 à 10% d’huile soluble qui sert de lubrifiant. Cette huile soluble est un mélange d'huile minérale, d'un agent d'émulsion qui assure la stabilité huile-eau, et un agent désinfectant (phénol) pour protéger l'ouvrier des allergies à l'huile (boutons). L'emploi de l'huile soluble est suffisant lorsque la pression copeau-outil n'est pas trop forte (tournage, fraisage, sciage, perçage).
Influences
Sur la vitesse de coupe, qui sera supérieure de 1,5 à 2 fois à la vitesse de coupe à sec.
Sur la pression de coupe, le copeau glisse mieux sur la surface d'attaque de l'outil.
Sur l'état de surface, en facilitant l'écoulement du copeau et diminuer le broutement et le phénomène d'arrachage.
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De par la nature des hydrocarbures qui les composent, mais aussi en raison de la toxicité intrinsèque de certains de leurs additifs, les lubrifiants minéraux sont souvent irritants, toxiques et parfois cancérogènes effets du raffinage, de l'hydrotraitement et du mélange des solvants[16]. Ces éléments doivent être décrits dans leurs fiches de sécurité.
Reeves, C. J., Siddaiah, A., & Menezes, P. L. (2017). Ionic Liquids: A Plausible Future of Bio-Lubricants. Journal of Bio-and Tribo-Corrosion, 3(2), 18 (résumé)
Madanhire, I., & Mbohwa, C. (2016). Development of Biodegradable Lubricants. In Mitigating Environmental Impact of Petroleum Lubricants (pp. 85-101). Springer, Cham (résumé).
Panchal, T. M., Patel, A., Chauhan, D. D., Thomas, M., & Patel, J. V. (2017). A methodological review on bio-lubricants from vegetable oil based resources. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 70, 65-70.
Syahir, A. Z., Zulkifli, N. W. M., Masjuki, H. H., Kalam, M. A., Alabdulkarem, A., Gulzar, M., ... & Harith, M. H. (2017). A review on bio-based lubricants and their applications. Journal of cleaner production, 168, 997-1016 (résumé).
Halder, C. A., Warne, T. M., Little, R. Q., & Garvin, P. J. (1984). Carcinogenicity of petroleum lubricating oil distillates: effects of solvent refining, hydroprocessing, and blending (Cancérogénicité des distillats de pétrole lubrifiants; effets du raffinage, de l'hydrotraitement et du mélange des solvants). American journal of industrial medicine, 5(4), 265-274 (résumé)
Madanhire I & Mbohwa C (2016) Mitigating environmental impact of petroleum lubricants (pp. 17-34). Berlin, Germany:: Springer.
Madanhire I & Mbohwa C (2016) Synthetic lubricants and the environment. In Mitigating Environmental Impact of Petroleum Lubricants (pp. 59-72). Springer, Cham (résumé).
Pillon, L. Z. (2016). Surface activity of petroleum derived lubricants. CRC Press.
Reeves, C. J., Siddaiah, A., & Menezes, P. L. (2017). Ionic Liquids: A Plausible Future of Bio-Lubricants. Journal of Bio-and Tribo-Corrosion, 3(2), 18 (résumé).
Uhler, A. D., Stout, S. A., Douglas, G. S., Healey, E. M., & Emsbo-Mattingly, S. D. (2016) Chemical character of marine heavy fuel oils and lubricants. In Standard Handbook Oil Spill Environmental Forensics (pp. 641-683). Academic Press (résumé).
