Lubrificanti a film secco anti corrosione

I lubrificanti a film secco sono in grado di lubrificare e fornire allo stesso tempo la resistenza alla corrosione necessaria per le macchine che operano in condizioni estreme.

Le condizioni operative estreme potrebbero non verificarsi comunemente in tutti i settori, ma in alcuni specifici come l'aerospaziale, il militare e il navale, si riscontrano abbastanza spesso. Queste condizioni difficili possono includere:

• Temperature variabili, da molto alte a molto basse
• Velocità superficiali elevate o basse sugli alberi motore
• La presenza di vuoto
• Inaccessibilità per manutenzione o ri-lubrificazione
• La presenza di vibrazioni, carichi estremi e sollecitazioni
• Contaminanti abbondanti

I prodotti tradizionali lubrificanti minerali petroliferi (ad esempio oli e grassi) funzionano efficacemente solo quando le temperature di esercizio rientrano nell'intervallo compreso tra -20 °C e 100 °C (da -4 °F a 212 °F) e quando vengono soddisfatti parametri come la possibilità di lubrificare tutte le superfici interagenti e gli spazi liberi, riuscendo a sopportare le velocità e energie superficiali, il carico e la gravità operativa.

Condizioni che vanno oltre la capacità dei lubrificanti minerali richiedono lubrificanti a film secco.

Lubrificanti solidi

Un lubrificante solido è definito come una sostanza che riduce l'attrito e previene l'usura (nonché la corrosione, preferibilmente) quando interposta tra due superfici accoppiate soggette a movimento relativo.

I lubrificanti solidi vengono selezionati in base alle prestazioni richieste e all'ambiente a cui devono resistere. PTFE, MoS2, grafite, etilene propilene fluorurato (FEP), disolfuro di tungsteno (WS2), ossido di antimonio (Sb2O3), indio (In) e nitruro di boro (BN) sono alcuni comuni lubrificanti a film secco.

MoS2 (disolfuro di molibdeno) è la scelta più ovvia quando è richiesta un'elevata capacità di carico (fino a 250.000 libbre per pollice quadrato). In ambienti umidi, il MoS2 è influenzato negativamente. Funzionando come catodo per alcuni metalli, genera una tensione fino a 0,5 volt. Se aggiunto al grasso, il MoS2 può provocare corrosione galvanica accelerata e ruggine sui metalli ferrosi.

La grafite necessità di umidità atmosferica per lavorare correttamente, ma è anch'essa corrosiva perché provoca un dilavamento selettivo del ferro dalla ghisa grigia in quanto le particelle ferrose vengono rimosse e sostituite dalla grafite, indebolendo la struttura. La grafite ha una capacità di carico di 50.000 libbre per pollice quadrato, viene utilizzata nei giunti di binari ferroviari, serrature, armi da fuoco, dispositivi di fissaggio di ingranaggi aperti che operano a temperature molto elevate e cuscinetti. Tuttavia, ha lo svantaggio di essere elettricamente conduttiva, il che può essere ulteriore fonte di corrosione.

I fluoropolimeri come il PTFE hanno un basso coefficiente di attrito e nessuna influenza negativa con l'umidità, ma hanno capacità di carico e capacità termica limitate (6.000 libbre per pollice quadrato).

Mentre la grafite eccelle in termini di capacità termica (fino a 650°C / 1200°F), PTFE e MoS2 possono resistere rispettivamente a temperature di 260°C (500°F) e 400°C (750°F). A temperature più elevate i lubrificanti solidi tendono ad ossidarsi e a decomporsi.

Il nitruro di boro (esagonale) e il MoS2 possono venire applicati nelle parti interne dei veicoli spaziali.

Il bisolfuro di tungsteno viene spesso utilizzato per i cuscinetti a sfera dei veicoli spaziali, ma è più costoso. Ha migliori proprietà di attrito a temperature più elevate e carichi più elevati, rispetto al MoS2.

Le sostanze lubrificanti solide, per poter essere impiegate correttamente, devono essere legate con resine, affinché creino e mantengano una barriera sul substrato che lo protegga dagli agenti delle reazioni di ossidazione e da altre forme di corrosione.

Per ottenere dei prodotti lubrificanti con capacità anti corrosiva e adatti per applicazioni gravose, occorre formulare dei composti a partire da:

• Un lubrificante solido
• Leganti resinosi
• Un solvente
• Additivi

I leganti resinosi dovranno inoltre avere le seguenti caratteristiche:

• Stabilità a intervalli di temperatura operativa bassa e alta
• La capacità di formare una pellicola sulla superficie quando applicata
• Compatibilità con i lubrificanti solidi e con le superfici destinate a proteggere
• Resistenza all'usura e alla creazione di dannosi detriti da usura (per garantire una lunga durata del lubrificante solido poiché la ri-lubrificazione potrebbe non essere fattibile)
• La capacità di fornire protezione dalla corrosione anche in condizioni di film sottile

Dimensione delle particelle

La dimensione delle particelle dei lubrificanti solidi deve essere attentamente controllata poiché deve corrispondere alla ruvidità della superficie del substrato. Ad esempio, per gli ingranaggi aperti con dentatura dovrebbero venire impiegati lubrificanti con particelle più grandi, mentre per le superfici dei cuscinetti e gli alberi finemente rifiniti dovrebbero venire impiegati lubrificanti con particelle più fini.

Dimensioni consigliate:

• Grafite: da 2,5 a 10 micron
• MoS2​: da 2 a 6 micron
• PTFE: < 1 micron

Leganti resinosi

Come leganti vengono utilizzate diverse tipologie di resine per creare un legame tra la superficie da proteggere ed il lubrificante solido.

I leganti inorganici come i silicati non sono resistenti all'umidità e non possono fornire resistenza alla corrosione. Tuttavia, è stato scoperto che un legante di ossido borico (B2O3) insieme al solfuro di piombo (PbS) come pigmento lubrificante garantiscono protezione dall'usura e dalla corrosione nell'intervallo di temperature elevate di 538 °C (1000 °F). D'altro canto, non funziona come lubrificante a temperature inferiori a 538 °C (1000 °F).

I tipi comuni di leganti resinosi utilizzati insieme ai lubrificanti a film secco sono generalmente classificati come:

• Leganti termoindurenti
• Leganti termoplastici

Leganti termoindurenti

I leganti termoindurenti sono quelle resine che richiedono energia termica per la polimerizzazione. Possono essere polimerizzati attraverso un processo di evaporazione del solvente (ovvero mediante polimerizzazione all'aria ambiente). A causa dei requisiti di temperatura di polimerizzazione, le resine termoindurenti talvolta non sono preferibili per le applicazioni militari.

I leganti resinosi termoindurenti più diffusi per queste applicazioni sono le resine fenoliche, gli uretani, le resine epossidiche e le resine siliconiche.

I detriti da usura generati dalle resine epossidiche riducono le prestazioni della lubrificazione a lungo termine e quindi la durata può essere breve; le resine epossidiche hanno una buona adesione ai substrati metallici.

Le resine fenoliche non devono essere utilizzate in ambienti alcalini, non generano dannosi detriti da usura e sono adatte per applicazioni ad alto vuoto. Tuttavia la loro adesione ai metalli non è buona quanto quella delle resine epossidiche.

Anche i siliconi generano detriti dannosi, sebbene la forza di adesione con i metalli sia buona. È stato riscontrato che una combinazione di composti fenolici con resina epossidica produce una ragionevole forza di adesione con i metalli per applicazioni generali.

Le resine ceramiche necessitano di una polimerizzazione ad alta temperatura, che può interferire con le proprietà metallurgiche del substrato. I requisiti di polimerizzazione termica possono essere bilanciati incorporando un componente di polimerizzazione insieme alla resina, ma ciò richiede una formulazione e una miscelazione accurate appena prima dell'applicazione.

Un lubrificante a film secco accuratamente formulato e polimerizzato può garantire una ragionevole resistenza alla corrosione, protezione dall'usura e una durata funzionale del lubrificante più lunga con basso attrito. Il lubrificante MoS2 con resina termoindurente fornisce un'efficace resistenza all'usura e prevenzione della corrosione anche in un ambiente con radiazioni nucleari.

Considerando che ogni resina presenta i propri svantaggi e vantaggi, si può scegliere di impiegare miscele di resine per poter raggiungere un preciso risultato finale.

Leganti termoplastici

I leganti termoplastici con essiccazione all'aria, come le resine acriliche, richiedono un componente solvente. L'indurimento si ottiene consentendo al solvente di evaporare in modo che il film lubrificante secco disperso nella resina formi un rivestimento rigido sulla superficie desiderata. Questi hanno un limite di temperatura inferiore di -200°F (-129°C) e un limite superiore di 300°F (149°C). Possono essere formulati come comodi spray pressurizzati.

Acetati, vinili e alchidici sono l'altro tipo di resine che essiccano all'aria, ciascuno con proprietà diverse.

I prodotti legati con resina termoindurente generalmente hanno una maggiore resistenza all'usura rispetto ai prodotti legati con resina termoplastica polimerizzata all'aria.

I solventi vengono scelti in base alla solubilità della resina e alla velocità di evaporazione in condizioni ambientali normali. Vengono inoltre presi in considerazione la natura tossica di queste sostanze chimiche, le considerazioni sulla salute sul lavoro e i requisiti normativi.

Le dispersioni a base acquosa di resine stanno gradualmente sostituendo la componente solvente ovunque sia stata stabilita la fattibilità.

Il rapporto tra lubrificante solido e legante resinoso determina la durata all'usura, il coefficiente di attrito e la resistenza alla corrosione. Aumentando il lubrificante si riduce l'attrito, mentre diminuendone la concentrazione si migliora la resistenza alla corrosione e la durata del coating.

Gli additivi sono invece aggiunti ai formulati per migliorarne la fluidità, la protezione dalla corrosione, la bagnabilità, la capacità di dispersione e anti-sedimentazione, l'effetto estetico finale.

Applicazione

Anche le migliori formulazioni possono fallire se il pretrattamento superficiale e il processo di applicazione non vengono condotti sistematicamente. Per le superfici in acciaio, i migliori risultati si ottengono quando il pretrattamento comprende sgrassaggio a vapore, sabbiatura con ossido di alluminio (Al2O3) da 220 mesh e un trattamento di fosfatazione.

I metodi di applicazione del rivestimento sono: spruzzo convenzionale, immersione, spruzzo elettrostatico, rivestimento a pennello e a rullo. La scelta del metodo dipende dalla superficie totale, dal numero di parti da rivestire, dalla complessità e dalle dimensioni delle parti. Lo spessore del film deve essere compreso tra 5 e 15 micron e deve essere controllato con precisione per una buona prevenzione della corrosione.

Risultati tipici dei prodotti finali

Disolfuro di molibdeno (MoS2) disperso in resina fenolica

• Può essere polimerizzato a circa 300°F (149°C)
• Temperatura operativa massima 520°F (271°C)
• Elevata capacità di carico
• Buona resistenza alla corrosione
• Durabilità moderata

PTFE in resina fenolica

• Può essere polimerizzato a circa 404°F (207°C)
• Temperatura operativa massima 520°F (271°C)
• Bassa capacità di carico
• Eccellente resistenza alla corrosione
• Buona durata

Disolfuro di molibdeno (MoS2) /Grafite in resina siliconica

• Può essere polimerizzato a 500°F (260°C)
• Temperatura operativa massima 667°F (353°C)
• Elevata capacità di carico
• Discreta resistenza alla corrosione
• Durabilità moderata