I lubrificanti sono sostanze che riducono l’attrito e l’usura nell’interfaccia di due materiali che devono rispondere a molti requisiti tra cui elevata temperatura di ebollizione, bassa temperatura di congelamento, elevata resistenza all’ossidazione, elevato indice di viscosità, stabilità termica.
I lubrificanti solidi devono essere in grado di sopportare il carico applicato senza subire deformazioni o perdite significative. Inoltre deve essere caratterizzato dall’avere un basso coefficiente di attrito e di usura.
Essi presentano alcuni vantaggi rispetto a quelli liquidi, semi-solidi e gassosi tra cui una maggior efficacia ad alte pressioni.
Classificazione dei lubrificanti
I lubrificanti solidi sono compositi autolubrificanti che, a seconda della loro composizione, sono classificati in polimeri, carbonio e grafite, composti metallici, ceramica e cermet.
Polimeri
I polimeri sono adatti a sopportare carichi leggeri e costituiscono il gruppo più importante dei lubrificanti solidi. Tuttavia a causa della loro bassa conduttività termica il calore è scarsamente dissipato e si può avere un problema di fusione.
I polimeri che vengono maggiormente utilizzati quali lubrificanti solidi sono il politetrafluoroetene e il nylon.
Il politetrafluoroetene noto come teflon è un polimero termoplastico non infiammabile duro e ceroso ottenuto per polimerizzazione del tetrafluoroetene CF2=CF2.
Esso ha:
- elevata stabilità chimica
- bassa energia superficiale
- basso coefficiente di attrito
- assenza di tossicità
- alta velocità di usura
- scarsa resistenza allo scorrimento
- scarsa conducibilità termica
- elevata dilatazione termica.
Il nylon 6,6, il nylon 6,10 e il nylon 6 hanno eccellenti proprietà antiusura. Sono inoltre usati in applicazioni che comportano carichi elevati o rotazioni ad alta velocità.
Gli svantaggi di tali polimeri possono essere superati utilizzando riempitivi come ferro o carbonio e un supporto metallico come bronzo o piombo.
Grafite
La grafite ha elevata stabilità termica ed è efficace sia in ambiente ossidante che riducente. Essa mostra buone caratteristiche a causa della struttura stratificata in cui è presente un debole legame tra gli strati che sono in grado di scivolare l’uno rispetto all’altro a seguito di una forza applicata minima.
E’ utilizzata nei cuscinetti a sfera, nei giunti di binari ferroviari, per la lubrificazione delle serrature e negli ingranaggi.
Composti metallici
Tra i composti metallici vi è il disolfuro di molibdeno MoS2 che come la grafite ha una struttura cristallina esagonale con la proprietà intrinseca del taglio facile tuttavia inizia a ossidarsi intorno ai 450°C trasformandosi in triossido di molibdeno MoO3 il quale è esso stesso un lubrificante.
Il disolfuro di molibdeno dà scarse prestazioni in presenza di umidità. Si presta tuttavia a lubrificare nel vuoto motivo per il quale è utilizzato nei veicoli spaziali.
Ceramica e cermet
In alternativa a questi lubrificanti possono essere utilizzati quelli in ceramica costituiti da CaF2/BaF2 o PbO/SiO2 che mostrano buone prestazioni a temperature oltre i 1000°C. Sono inoltre usati l’ossido di alluminio (I) Al2O, il carburo di boro B4C, il carburo di silicio SiC e il nitruro di silicio Si3N4.
I cermet sono materiali compositi costituiti dall’unione di un materiale ceramico e un materiale metallico. Questo è abitualmente carburo di titanio TiC, carburo di cromo Cr3C2 e carburo di tungsteno WC miscelati con cromo, molibdeno, nichel e cobalto. La parola cermet è stata in realtà coniata dall’aeronautica degli Stati Uniti , con l’idea che fossero una combinazione di due materiali, un metallo e una ceramica .