Scienza e tecnologia dei materiali - Prof. Brovarone - Dispensa 27 - Lubrificanti, Dispense di Scienza E Tecnologia Dei Materiali. Politecnico di Torino
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Scienza e tecnologia dei materiali - Prof. Brovarone - Dispensa 27 - Lubrificanti, Dispense di Scienza E Tecnologia Dei Materiali. Politecnico di Torino

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Scienza e tecnologia dei materiali - Prof. Brovarone - Dispensa 27 - Lubrificanti - Polito
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Microsoft PowerPoint - Dispensa27(lubrificanti)

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I LUBRIFICANTI sono sostanze che, INTERPONENDOSI tra due superfici in moto relativo, ne impediscono il contatto diretto in tutte le condizioni di carico, temperatura, velocità relativa, riducendo i fenomeni di attrito e usura

Il lubrificante sostituisce all’attrito tra le parti il proprio ATTRITO INTERNO O VISCOSITÀ che è molto più modesto; fondamentale è la sua capacità di ADERIRE FORTEMENTE alle superfici da lubrificare anche sotto forti pressioni.

LUBRIFICANTI

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I lubrificanti a base di idrocarburi:

o Migliorano il RENDIMENTO di macchine e motori diminuendo l’energia perduta per attrito

o Possono agire da FLUIDI DI RAFFREDDAMENTO, rimuovendo il calore prodotto per attrito o proveniente da sorgenti esterne

o PREVENGONO la formazione di ruggine, depositi, incrostazioni, proteggendo le superfici dall’attacco degli agenti atmosferici o dei prodotti aggressivi formatisi in esercizio

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I lubrificanti possono essere classificati, in base al loro stato di aggregazione, in lubrificanti:

o LIQUIDI

o PASTOSI

o SOLIDI

Oppure, in base all’utilizzazione, in lubrificanti:

o Per motori

o Per impieghi industriali

La domanda annua di lubrificanti in Italia supera le 300.000 tonnellate sia per il campo autoveicolistico che per quello industriale.

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LUBRIFICANTI LIQUIDI I lubrificanti liquidi sono sia di origine petrolifera sia sintetici.

I lubrificanti di origine petrolifera a base di idrocarburi hanno pesi molecolari che variano da 150 a 1000, sono di tipo saturo o di tipo aromatico o cicloparaffinico con catene laterali contenenti da 7 a 20 atomi di C Il parametro che più caratterizza un lubrificante è la VISCOSITÀ; essa misura la resistenza opposta alle forze che tendono a farlo scorrere ed è quindi un indice dell’ATTRITO INTERNO

Esiste una VISCOSITÀ DINAMICA: In un liquido che scorre su una superficie piana ferma spinto da una forza F lo strato a contatto con la superficie è privo di moto, mentre quello che si trova a una distanza x si muove con una velocità v.

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In ambito autoveicolistico si usa la VISCOSITÀ SAYBOLT che corrisponde ai secondi che 60 cm3 di lubrificante impiegano a uscire dal viscosimetro standardizzato di Saybolt.

Sui valori a –17,8°C (= 0°Fahrenheit) e a 98,9°C (= 210°Fahrenheit) è basata la classificazione degli oli lubrificanti per motori SAE (Society of Automotive Engineers).

Si parla anche di VISCOSITÀ CINEMATICA ν data dal rapporto tra la viscosità dinamica η e la massa volumica (o densità) d.

ν = η/d (ν è misurata in stokes o in centistokes).

Si parla infine anche di VISCOSITÀ RELATIVA di un lubrificante rispetto a quella dell’acqua alla stessa T.

E’ data dal rapporto tra il tempo di efflusso attraverso un foro sottile del lubrificante e quello di un ugual volume di acqua.

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Si parla talvolta infine anche di FLUIDITÀ (φ) che è data dal reciproco della viscosità dinamica.

φ = 1/η = 1/νd; (η = visc.dinamica; ν = visc. cinematica; d = densità).

INDICE DI VISCOSITÀ. E’ un numero pratico che serve a quantificare la dipendenza della viscosità di un lubrificante dalla T. L’indice di viscosità è alto quando la viscosità varia poco con la temperatura, com’è quasi sempre richiesto.

L’indice di viscosità viene determinato CONFRONTANDO il lubrificante in esame con due campioni con uguale viscosità a 98,9°C, ma con viscosità molto diverse a bassa T, dando indice 100 a quello la cui viscosità varia poco con la T e indice 0 a quello che presenta una forte variazione.

I.V. = ( L – U ) • 100 / L – H,

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TEMPERATURA DI INFIAMMABILITA’: E’ la T alla quale, a seguito della presenza di prodotti infiammabili, una fiammella provoca l’accensione della superficie del lubrificante.

Nei lubrificanti nuovi varia tra 130° e 300°C e dipende dalla viscosità e dalla presenza di additivi. E’ utile come indicatore di possibili contaminazioni da parte di carburanti o solventi.

PUNTO DI INTORBIDAMENTO: E’ la T alla quale il lubrificante comincia a perdere trasparenza a causa della comparsa di particelle solide di paraffina.

Deve essere il più basso possibile.

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PUNTO DI SCORRIMENTO E’ una T superiore di 3°C a quella alla quale il lubrificante non scorre più perché è tutto solidificato; è alta se predominano gli idrocarburi paraffinici e bassa se prevalgono quelli cicloparaffinici.

STABILITA’ TERMICA Indica la resistenza di un lubrificante riscaldato a 330 ÷ 340°C a decomporsi in prodotti costituiti da molecole di piccole dimensioni e quindi volatili.

CALORE SPECIFICO E’ legato alle proprietà refrigeranti del lubrificante in quanto misura l’energia termica che è in grado di assorbire; essa è dell’ordine di 1,4 ÷1,5 J g-1 K-1. Il calore specifico aumenta con la T.

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CONDUCIBILITA’ TERMICA Attiene anch’essa alle proprietà refrigeranti in quanto misura l’attitudine a trasferire energia termica dalle zone calde ai circuiti di raffreddamento. Essa vale circa 0,12 ÷ 0,14 W m-1K-1 e diminuisce all’aumentare sia della T sia della viscosità.

DEMULSIVITA’ Attitudine del lubrificante a SEPARARE RAPIDAMENTE L’ACQUA con cui è venuto a contatto per evitare che questa provochi fenomeni di corrosione, deterioramento degli additivi, formazione di bolle di vapore che interrompono i film lubrificanti

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SCHIUMEGGIAMENTO Tendenza del lubrificante a INGLOBARE ARIA sotto forma di schiuma esterna o interna con rischi di fuoriuscita dai serbatoi o di creazione di discontinuità del velo di lubrificante che innescano fenomeni di usura

RESIDUO CARBONIOSO E’ la quantità di materiale carbonioso che si forma per pirolisi a seguito di surriscaldamenti verificatisi in esercizio.

RESISTENZA ALL’OSSIDAZIONE Determina la VITA UTILE del lubrificante misurandone la capacità di resistere alla reazione con l’ossigeno dell’aria con formazione di prodotti acidi corrosivi o di sostanze volatili o di materiali polimerici che alterano la viscosità e formano depositi.

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PROTEZIONE DALLA CORROSIONE

Attitudine del lubrificante a PRESERVARE LE SUPERFICI da attacchi corrosivi sia da parte dell’umidità presente nell’olio o che condensa dall’atmosfera sia da parte di componenti acidi.

CAPACITA’ DI SOPPORTARE CARICHI ELEVATI

E’ l’attitudine a GARANTIRE LA CONTINUITÀ del film lubrificante anche in condizioni estreme quanto a carico applicato, temperatura, velocità di moto relativo delle superfici da lubrificare.

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FORMULAZIONE DEI LUBRIFICANTI

I lubrificanti si ottengono MESCOLANDO OLI BASE E ADDITIVI.

Gli oli base possono essere:

o MINERALI, ottenuti dalla lavorazione del petrolio, o oppure SINTETICI, o oppure derivare dalla RIGENERAZIONE di oli esausti (basi ri - raffinate).

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Gli oli base minerali contengono idrocarburi paraffinici, olefinici, naftenici e aromatici, dal cui rapporto dipendono viscosità e indice di viscosità, e piccole quantità di composti contenenti anche S, N, O che influenzano stabilità all’ossidazione, demulsività, resistenza alla corrosione, antischiumeggiamento.

Si ottengono distillando a pressione ridotta le frazioni altobollenti del petrolio, estraendo con solventi gli idrocarburi aromatici, effettuando una deparaffinazione per eliminare i componenti che solidificano alle temperature più alte. Sono costituiti da idrocarburi con peso molecolare che varia da 150 a 1000 con anelli ciclici con catene laterali contenenti da 7 a 20 atomi di carbonio.

OLI MINERALI

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OLI SINTETICI Gli oli base sintetici hanno, rispetto a quelli minerali, una volatilità e quindi un consumo minore, una minore viscosità, un indice di viscosità più elevato, una migliore stabilità alle alte temperature e quindi durata più lunga; purtroppo il loro costo è più elevato. Gli oli sintetici più utilizzati sono a base di polialfaolefine, di esteri, di poliglicoli, di polibuteni.

BASI RI-RAFFINATE Le basi ri-raffinate si ottengono eliminando dagli oli esausti le sostanze volatili, le sostanze insolubili, i residui degli additivi attraverso processi di distillazione e di idrogenazione. I prodotti ottenuti hanno caratteristiche identiche a quelle delle basi vergini.

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ADDITIVI

Gli additivi per lubrificanti svolgono la duplice funzione di MIGLIORARE le caratteristiche intrinseche degli oli base e di IMPARTIRE NUOVE PROPRIETÀ.

DETERGENTI

Tendono a LIMITARE IL DEPOSITO di sostanze non solubili, derivanti dai prodotti della combustione o dal degrado termo - ossidativo che si verifica nel funzionamento a caldo dei dispositivi.

Sono a base di saponi di calcio, nei quali è disperso carbonato di calcio in forma colloidale, che conferiscono al lubrificante caratteristiche basiche.

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DISPERDENTI Mantengono i prodotti insolubili formatisi nei lubrificanti sospesi sotto forma di dispersione finissima impedendo loro di depositarsi sulle superfici.

Sono, come i detergenti, costituiti da molecole contenenti una catena polimerica oleofila e una testa polare oleofoba.

La testa polare si attacca alle superfici impedendo che vi si formino depositi (azione detergente) oppure si attacca alle particelle di impurezze impedendone l’aggregazione e la precipitazione (azione disperdente).

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MIGLIORATORI DI I.V. Riducono la dipendenza della viscosità dalla T. Si ricorre a MACROMOLECOLE POLIMERICHE che a freddo sono arrotolate su se stesse con una piccola superficie di contatto con il lubrificante.

A CALDO, quando la viscosità tende a diminuire, le macromolecole si SROTOLANO, AUMENTANO DI VOLUME e instaurano con l’olio base interazioni che limitano la perdita di viscosità.

I miglioratori dell’indice di viscosità fanno anche aumentare la viscosità del lubrificante per cui occorre aggiungerli ad oli a bassa viscosità.

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OLI MULTIGRADO

Con questi additivi è risultato possibile ottenere lubrificanti per autotrazione appartenenti a più di una gradazione SAE (oli multigrado od oli quattro stagioni) risolvendo il problema del cambio stagionale del lubrificante. Classificazione SAE prevedeva nel passato lubrificanti contrassegnati dalle sigle 10W , 20W , 30W (W = winter ) a seconda che fossero idonei a T basse, medie, alte. Attuali OLI MULTIGRADO hanno sigle del tipo SAE10W30 oppure SAE15W40 per indicare che a basse T si comportano come i vecchi lubrificanti SAE10 e SAE15 e ad alte T come quelli SAEW30 e SAEW40

ADDITIVI CHE ABBASSANO IL PUNTO DI SCORRIMENTO

Annullano l’effetto nocivo della presenza di idrocarburi paraffinici che solidificano ad alte T sotto forma di cristalli TABULARI e aumentano la viscosità. Modificano la morfologia di questi cristalli facendo loro assumere una forma SFERICA assai meno penalizzante la viscosità.

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ADDITIVI ANTI-ATTRITO E ANTI-USURA (untuosanti)

Favoriscono il realizzarsi di uno strato aderente alle superfici da lubrificare anche nel caso di carichi molto forti. Sono caratterizzati da una parte oleosolubile rivolta verso il lubrificante e una parte contenente raggruppamenti chimici a forte polarità che si ancorano chimicamente alle superfici da lubrificare; in questi raggruppamenti sono presenti atomi di Cl, S, P.

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PACCHETTI DI ADDITIVI Sono miscele complesse di additivi che tengono conto della compatibilità tra i componenti.

Nei lubrificanti per autotrazione il pacchetto, che costituisce dal 5 al 18% del prodotto, è formato per il 35 ÷ 60% da disperdente; 25 ÷ 35% da detergente e 5 ÷ 15% da altri additivi.

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OLI MOTORE La lubrificazione è complessa a causa della forte variabilità delle condizioni di carico, velocità, temperatura e della natura dei materiali

IL LUBRIFICANTE DEVE: o Formare uno strato sugli accoppiamenti meccanici in moto relativo per contenere attriti e usura

o Assicurare la pulizia del motore prevenendo la formazione di depositi

o Proteggere le parti metalliche dalla ruggine e dall’attacco chimico da parte dei prodotti acidi formatisi nella combustione

o Collaborare con le fasce elastiche alla tenuta tra pistone e cilindro per impedire perdite di potenza

o Integrare il sistema di raffreddamento del motore

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MOTORI DIESEL E BENZINA Nei motori diesel la maggior criticità è nell’accoppiamento cilindro - pistone, a causa delle temperature elevate; inoltre lo zolfo del gasolio è fonte potenziale di acidità corrosiva e il particolato tende a ispessire il lubrificante e a formare depositi.

Nei motori a benzina le criticità sono nella distribuzione dove sono presenti fenomeni di usura e nella formazione di morchie che intasano il circuito di lubrificazione.

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CLASSIFICAZIONE LUBRIFICANTI La viscosità dinamica a bassa temperatura: definisce gradi SAE “W” dall’iniziale della parola inglese winter (inverno) da 0W a 25W in base a valori di viscosità misurati a temperature da –30°C a –5 °C. La T rappresenta quella minima alla quale il motore può essere avviato quando sia lubrificato con l’olio di grado SAE corrispondente; ad es. un olio 10W consente l’avviamento fino a –20°C (v. tabella)

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CONSUMO Il consumo dell’olio avviene per TRAFILAMENTI attraverso gli accoppiamenti cilindro - pistone e valvole - guida valvole oltre che per cattiva tenuta della coppa e della testa.

Il consumo è più contenuto se la viscosità è più alta e la volatilità è più bassa.

Il consumo può essere compensato con rabbocchi; se si usa un lubrificante diverso dall’originale si ottiene un prodotto con prestazioni inferiori a quelle di ciascuno dei due.

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