Lubrificanti solidi: polimerici, grafite, cermet

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 .