Comparatif des poudres lubrifiantes industrielles : graphite, disulfure de molybdène, nitrure de bore et PTFE

Bien qu’elle soit devenue un standard dans les pratiques, la lubrification classique avec des huiles et des graisses n’est pas toujours la solution adaptée pour les industriels. Soit parce qu’elle atteint ses limites dans des conditions de fortes charges ou de hautes températures, soit parce que l’application en elle-même exclut l’utilisation de liquide ou de pâte sur la pièce à lubrifier. Il existe alors une alternative : la lubrification solide.

Découvrez dans ce comparatif les caractéristiques principales des poudres lubrifiantes les plus utilisées dans l’industrie.

1. Qu’est-ce qu’une poudre lubrifiante et comment fonctionne-t-elle ?
2. Comment met-on en œuvre les poudres lubrifiantes ?
3. Quelles sont les poudres lubrifiantes utilisées dans l’industrie ?
4. Tableau récapitulatif des poudres lubrifiantes
5. Conclusion

Les lubrifiants liquides sont très répandus dans l’industrie, mais dans certaines conditions et pour certaines applications, ces lubrifiants montrent leurs limites. Voici 4 raisons pour lesquelles le choix d’un lubrifiant sec peut s’avérer pertinent :

• Des hautes températures d’utilisation.

Les lubrifiants classiques sous forme liquide sont souvent utilisés dans des conditions de températures ordinaires ou moyennement basses mais ils atteignent leurs limites dès +150°C. Le lubrifiant liquide peut alors se dégrader, durcir, se détruire ou tout simplement perdre ses caractéristiques tribologiques (viscosité, écoulement, coefficient de frottement, usure…).

• Des matériaux spécifiques utilisés.

Pour certains matériaux comme la céramique ou les polymères, il n’est pas facile de trouver un lubrifiant liquide adapté. En effet, il peut détériorer le support, gêner des opérations de fabrication ultérieures ou s’infiltrer dans les supports poreux.

• Une mise en œuvre spécifique.

Dans certaines applications nécessitant la mise œuvre d’une couche lubrifiante fine, uniforme, homogène, ne coulant pas et non collante, l’utilisation de lubrifiants liquides sous forme de graisse ou d’huile n’est pas adaptée.

• Une charge importante.

Les lubrifiants liquides ne sont pas adaptés pour recevoir des pressions importantes. A l’inverse, la structure cristalline et moléculaire en couche des lubrifiants solides permet de supporter de fortes charges même à haute vitesse de déplacement.

 

Pour aller plus loin :

1. Qu’est-ce qu’une poudre lubrifiante et comment fonctionne-t-elle ?

Les poudres lubrifiantes sont des matières qui réduisent en phase solide les frottements entre des surfaces glissant l’une contre l’autre, sans avoir besoin d’un milieu liquide (huile ou graisse).

Les propriétés de faible friction des lubrifiants solides résultent :

• soit de leur structure cristalline lamellaire en couches qui permet aux différentes couches de coulisser l’une par rapport à l’autre et par conséquent de réduire les frictions. C’est le cas du graphite, du disulfure de molybdène (MoS2 ) ou du nitrure de bore (BN)
• soit d’une structure polymérique à longue chaîne droite orientée qui permet un glissement facile entre les molécules comme c’est le cas pour le polytétrafluoroéthylène (PTFE ou Téflon)

Structure lamellaire du disulfure de molybdène à gauche et du graphite à droite

2. Comment met-on en œuvre les poudres lubrifiantes ?

Bien que l’on parle de poudres lubrifiantes, ces poudres sont souvent formulées dans une base liquide. En effet, le plus souvent la poudre lubrifiante est dissoute et dispersée dans un fluide comme de l’eau (lubrifiant solide en base aqueuse) ou de l’alcool, de l’acétone, de l’éther…(lubrifiant solide en base solvant).

La mise en œuvre et la dépose du lubrifiant solide se fait alors dans la majorité des cas par :

• pulvérisation : spray, pistolet, aérosol
• trempage : bac, fût, bidon 
• application à la main : pinceau, spatule

Ensuite, une fois l’opération de dépose réalisée, il faut observer un temps d’évaporation pour qu’il ne reste sur la pièce lubrifiée que le film de lubrifiant solide résiduel. S’il s’agit d’une base solvant, l’évaporation aura lieu à température ambiante mais s’il s’agit d’une base aqueuse, il faudra prévoir un système de chauffe pour favoriser l’évaporation de l’eau.

Donc bien que la mise en œuvre nécessite un passage par une étape de dissolution dans un liquide, on parle de lubrification sèche puisqu’une fois la base évaporée, il ne reste que la poudre lubrifiante sur le support.

3. Quelles sont les poudres lubrifiantes utilisées dans l’industrie ?

Les 4 types de lubrifiants solides principalement utilisés dans l’industrie sont : 

• Le graphite
• Le disulfure de molybdène
• Le nitrure de Bore
• Le PTFE (ou Téflon)

Toutefois, dans la composition du produit de lubrification outre base liquide (solvant ou aqueuse) dans laquelle est dissoute la poudre, de nombreux additifs peuvent entrer en jeu permettant d’adapter les formulations aux différentes applications. Parmi ces additifs on retrouve notamment :

• des liants pour faire adhérer la poudre au support une fois la base évaporée
• des épaississants pour obtenir la viscosité du mélange attendue
• des agents rhéologiques pour assurer la texture et le comportement du fluide
• des agents mouillants pour favoriser la dissolution
• des agents de conservation
• des pigments
• …

Le cas du graphite

Le graphite est l’une des formes naturelles du Carbone (au même titre que le diamant qui ne diffère du graphite que par sa structure cristallographique). Il s’agit d’un minéral de couleur grise à noire opaque et avec un brillance proche de celle du métal. Le graphite est naturellement présent dans la nature dans certaines roches d’où il est extrait mais il s’agit bien souvent de graphite de synthèse. 

Le graphite a une structure cristalline lamellaire à réseau de couches qui peuvent coulisser entre elles et réduire ainsi les frottements.

Toutefois, le graphite ne fonctionne comme lubrifiant qu’en atmosphère humide, en présence de vapeur d’eau. Il n’est donc pas adapté pour des applications, sous vide d’air (cas des applications spatiales) ou sous une atmosphère anhydre.

• Le graphite est le seul lubrifiant solide à avoir des propriétés conductrices, c’est donc le seul utilisable lorsque la conductivité est un point important comme par exemple dans la protection et la lubrification des contacteurs électriques soumis à de fortes tensions.
• Le graphite a aussi une bonne résistance à la température jusqu’à environ +450°C ce qui lui permet d’être utilisé dans des conditions extrêmes ou avec des vitesses de déplacement importantes, génératrices de chaleur.
• Le graphite a d’excellentes propriétés lubrifiantes et anti-grippantes. Conditionné en aérosol, il permet par exemple de lubrifier les pièces métalliques, plastiques ou en caoutchouc sans laisser de corps gras. 

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Il est couramment utilisé dans des applications telles que le formage à chaud et à froid des métaux, le tréfilage et les revêtements de billettes de métaux ou sur les outils de coupe à grande vitesse.

Il est aussi utilisé comme agent de démoulage pour les applications de moulage sous pression pour le plastique, le caoutchouc ou le verre.

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Autre cas d’utilisation, dans les fonderies d’aluminium, il joue aussi bien un rôle dans la protection des anodes nécessaires à l’électrolyse de l’aluminium ainsi que dans leur démoulage. Les anodes sont préalablement protégées par trempage dans une solution aqueuse de graphite puis séchées par des brûleurs pour ne laisser aucune goutte d’eau sur ces dernières qui pourraient être dangereuses dans le processus de fabrication.

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Le cas du disulfure de molybdène

A l’instar du graphite le disulfure de molybdène (MoS2) a une structure cristallographique hexagonale en couche lui conférant sa faible résistance au cisaillement et ses caractéristiques lubrifiantes. Le coefficient de frottement du MoS2 est inférieur à celui du graphite ce qui lui confère des qualités de lubrification supérieures. Aussi, le MoS2 ne nécessite pas la présence d’humidité, il est donc totalement compatible avec des environnements sous vide ou anhydres. 

Enfin, sa résistance en température est proche de celle du graphite : +400°C. Cette limite est principalement dûe au fait que le MoS2 commence à s’oxyder à partir de cette température mais il peut atteindre +700°C dans un environnement privé d’oxygène. 

Le MoS2 présente de très bonnes caractéristiques mécaniques et peut donc être utilisé pour lubrifier de façon permanente des petits mécanismes même soumis à de très fortes charges. C’est aussi le seul lubrifiant solide utilisable pour la lubrification des raccords en présence d’oxygène comme les robinets de bouteilles d’oxygène, les détendeurs ou les raccords de tuyauterie.

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Le cas du Nitrure de Bore

Le nitrure de Bore est une poudre céramique lubrifiante de couleur blanche dont la principale caractéristique est sa résistance aux très hautes températures puisqu’elle supporte des température allant jusqu’à +1200°C même en atmosphère oxydante. 

Sa couleur blanche le rend aussi intéressant pour permettre un contrôle visuel et vérifier sa présence sur la pièce à lubrifier. C’est notamment pertinent sur les outils de découpe pour savoir si la lubrification est toujours présente et homogène.

Aussi, son excellente résistance aux températures élevées et le fait qu’il présente un aspect lisse et homogène le rend particulièrement adapté pour la protection des bras de soudure exposés aux projections de grattons. 

En effet, particulièrement utilisés dans l’automobile, ces bras de soudure automatisés doivent être nettoyés régulièrement par les opérateurs si aucune protection n’est mise en place : une opération fastidieuse et sans valeur ajoutée pour les industriels.  

➡️ Lisez notre cas pratique sur « Comment protéger les bras de soudure des grattons dans l’industrie automobile ? »

Dans ce cas, le nitrure de bore peut alors être pulvérisé directement par les opérateurs sur les bras de soudure à l’aide d’un aérosol afin d’éviter l’accroche des grattons de soudure. C’est une solution parfaitement adaptée puisque le nitrure de bore résiste à la température élevée des projections de métal en fusion et permet la dépose d’un film blanc opaque, totalement homogène et sans coulure sur toute la surface du bras.

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Le cas du PTFE

Contrairement aux autres lubrifiants solides présentés, le PTFE n’a pas de structure cristallographique en couches. Toutefois, les macromolécules de PTFE glissent facilement les unes sur les autres, leur donnant un comportement similaire à celui des structures lamellaires du graphite, du disulfure de molybdène et du nitrure de bore.

Mais la spécificité principale du PTFE est qu’il présente l’un des plus petits coefficients de frottement statique et dynamique : 0,04.

Toutefois, sa limite principale par rapport aux autres lubrifiants solides réside dans sa température de fonctionnement maximale limitée à +260°C. Cette limite est dûe au fait qu’il s’agisse d’un polymère et qu’il est donc plus sensible à la température. 

Les lubrifiants solides au PTFE sont très souvent utilisés comme agents de démoulage pour les pièces plastiques, caoutchoucs, etc… et permettent une lubrification propre des mécanismes délicats.

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4. Tableau récapitulatif des poudres lubrifiantes

Caractéristique	Graphite C	Disulfure de molybdène MoS2	Nitrure de Bore BN	PTFE
Résistance thermique	Bonne +450°C	Bonne  +450°C +700°C en atmosphère anhydre	Excellente +1200°C	Faible +250°C
Résistance chimique	Bonne  Hors oxydants	Bonne	Bonne	Excellente Inerte vis-à-vis de la plupart de solvant
Résistance mécanique	Faible	Bonne	Excellente	Faible
Conductivité	Oui	Non	Non	Non
Environnement anhydre	Non	Oui	Oui	Oui
Couleur	Noire	Noire	Blanc	Blanc

5. Conclusion

L’utilisation de lubrification sèche est incontournable dans certaines situations rencontrées par les industriels. Il est donc important de savoir quelles sont les grandes familles de produits compatibles avec vos applications.

Dans tous les cas, la lubrification est un domaine très technique à la croisée de la chimie, de la mécanique et de l’ingénierie et pour lequel l’accompagnement par un expert est un vrai gage de sérénité et de performance. Afer Industrie compte parmi ses collaborateurs des ingénieurs et des docteurs en chimie prêts à vous aider à trouver et à formuler spécifiquement pour vos besoins le produit le plus adapté. 

➡️ Lisez notre article « Les 6 étapes d’un développement sur-mesure d’un lubrifiant sec avec AFER »

 

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