L'huile lubrifiante : types, utilisations et performances

Contexte historique

Depuis l'Antiquité romaine, divers liquides, y compris l'eau, ont servi de lubrifiants pour réduire le frottement, la chaleur et l'usure entre pièces mécaniques en contact. Aujourd'hui, l'huile lubrifiante, ou huile de lubrification, est le lubrifiant le plus couramment utilisé en raison de sa grande polyvalence. Les deux catégories fondamentales sont les huiles minérales et synthétiques. Les huiles minérales sont raffinées à partir de pétrole brut naturel. Les huiles synthétiques sont des polyalphaoléfines manufacturées, des polyglycols ou des esters à base d'hydrocarbures.

Bien qu'il existe de nombreux types d'huiles lubrifiantes, les huiles minérales restent les plus utilisées car l'abondance du pétrole brut les rend peu coûteuses ; de plus, un vaste corpus de données sur leurs propriétés et applications existe déjà. Autre atout : elles peuvent être produites dans une large gamme de viscosités — la viscosité désignant la résistance d'une substance à l'écoulement — pour des applications variées. Elles vont des huiles à faible viscosité, composées de chaînes carbone-hydrogène d'un poids moléculaire d'environ 200 unités de masse atomique (uma), aux lubrifiants hautement visqueux atteignant 1000 uma. Des huiles minérales de viscosités différentes peuvent même être mélangées pour améliorer leurs performances. La courante huile moteur 10W-30, par exemple, associe une huile peu visqueuse (pour un démarrage aisé par temps froid) et une huile très visqueuse (pour une meilleure protection à température normale de fonctionnement).

Utilisées d'abord dans l'aérospatiale, les huiles synthétiques sont généralement formulées pour des applications spécifiques où les huiles minérales sont inadaptées : températures de fonctionnement extrêmes, exigence de résistance au feu, etc. Cet article se concentre sur les huiles lubrifiantes d'origine minérale.

Matières premières

Les huiles lubrifiantes ne sont qu'une des nombreuses fractions issues du pétrole brut, qui jaillit du puits sous forme de mélange liquide jaune à noir, inflammable, composé de milliers d'hydrocarbures (composés organiques ne contenant que du carbone et de l'hydrogène, présents dans tous les combustibles fossiles). Les gisements pétroliers se sont formés par la décomposition de minuscules plantes et animaux ayant vécu il y a environ 400 millions d'années. Des changements climatiques et géographiques ont fait varier la décomposition selon les régions.

En raison de ces taux de décomposition différents, la nature et la proportion des hydrocarbures résultants varient largement, tout comme les caractéristiques physiques et chimiques des bruts extraits de différents sites. Par exemple, le brut californien a une densité relative de 0,92 g/ml, tandis que le brut plus léger de Pennsylvanie affiche 0,81 g/ml. La densité relative (rapport du poids d'une substance à celui d'un volume égal d'eau) est un paramètre clé du brut. Globalement, elle s'échelonne entre 0,80 et 0,97 g/ml.

Selon l'application, des additifs chimiques peuvent être mélangés à l'huile raffinée pour lui conférer les propriétés physiques souhaitées. Les additifs courants incluent des métaux comme le plomb ou le sulfure métallique, qui améliorent la capacité de l'huile à prévenir le grippage et le rayage sous pressions extrêmes. Les polymères à haut poids moléculaire améliorent la viscosité, contrant l'amincissement de l'huile à haute température. Les nitrosamines agissent comme antioxydants et inhibiteurs de corrosion en neutralisant les acides et en formant des films protecteurs sur les surfaces métalliques.

Le processus de fabrication

L'huile lubrifiante est extraite du pétrole brut, qui subit d'abord une purification préliminaire (décantation) avant d'être pompé dans des tours de fractionnement. Une tour typique à haut rendement, de 7,6 à 10,6 m de diamètre et jusqu'à 122 m de haut, est construite en aciers de haute qualité pour résister aux composés corrosifs du brut ; elle comporte à l'intérieur une série ascendante de plateaux collecteurs de condensats. Dans la tour, les milliers d'hydrocarbures du brut sont séparés par distillation fractionnée. En remontant, les vapeurs se refroidissent, se condensent et redeviennent liquides à des vitesses déterminées par leurs points d'ébullition respectifs (plus le point d'ébullition est bas, plus la fraction monte haut avant de condenser). Le gaz naturel bout en premier, suivi de l'essence, du kérosène, du fioul, des lubrifiants et des goudrons.

Décantation

• 1 Le brut est acheminé du puits à la raffinerie par pipeline ou pétrolier. À la raffinerie, il subit une décantation pour éliminer l'eau et les contaminants solides (sable, roches) en suspension. Le brut est pompé dans de grands réservoirs où l'eau et l'huile se séparent et les contaminants se déposent.

Fractionnement

• 2 Le brut est chauffé à environ 371 °C (700 °F). Il se décompose en un mélange de vapeurs chaudes et de liquide pompé au bas de la première tour de fractionnement. Les vapeurs d'hydrocarbures remontent, se refroidissent, se condensent et sont collectées dans des plateaux à différents niveaux. La pression atmosphérique y est maintenue ; environ 80 % du brut se vaporise.
• 3 Les 20 % restants sont réchauffés et envoyés dans une seconde tour sous vide, ce qui abaisse le point d'ébullition du résidu pour le vaporiser à plus basse température. Les composés plus lourds (goudrons, inorganiques) restent pour un traitement ultérieur.

Filtrage et extraction par solvant

• 4 Après traitement complémentaire pour éliminer les composés indésirables, l'huile lubrifiante collectée dans les deux tours passe par plusieurs filtres ultrafins qui retirent les impuretés résiduelles. Les aromatiques, contaminants à cycles à six atomes de carbone, affecteraient la viscosité s'ils n'étaient pas éliminés par extraction par solvant. Les aromatiques étant plus solubles dans le solvant que la fraction d'huile, ils se dissolvent lors du traitement ; après évaporation du solvant, ils peuvent en être récupérés.

Additifs, inspection et conditionnement

• 5 Enfin, l'huile est mélangée aux additifs pour obtenir les propriétés physiques souhaitées (ex. : tenue aux basses températures). Elle subit alors une batterie de tests de contrôle qualité : viscosité, densité relative, couleur, point d'éclair et point de feu. L'huile conforme est conditionnée pour la vente et la distribution.

Contrôle qualité

La plupart des applications exigent des huiles non résineuses, claires, inodores et résistantes à l'oxydation. Plus d'une douzaine de tests physico-chimiques classent et déterminent le grade des huiles lubrifiantes. Tests physiques courants : viscosité, densité relative, couleur. Tests chimiques typiques : points d'éclair et de feu.

De toutes les propriétés, la viscosité — résistance à l'écoulement à températures et pressions données — est sans doute la plus critique. L'application et la plage de températures de fonctionnement dictent la viscosité appropriée. Trop visqueuse, l'huile oppose une résistance excessive aux pièces mobiles ; pas assez, elle est chassée des surfaces d'accouplement et ne lubrifie plus. Le viscosimètre universel Saybolt est l'instrument standard pour mesurer la viscosité des lubrifiants pétroliers entre 21 et 99 °C (70-210 °F). La viscosité s'exprime en secondes Saybolt universelles : temps en secondes pour que 50 ml d'huile s'écoulent d'une coupelle Saybolt à travers un orifice calibré à une température donnée.

La densité relative dépend du procédé de raffinage et des additifs (plomb, etc.). La couleur indique l'uniformité d'un grade ou d'une marque. Les points d'éclair et de feu varient selon l'origine du brut. Le point d'éclair est la température à laquelle l'huile dégage assez de vapeurs inflammables pour s'enflammer au contact d'une flamme. Le point de feu est la température supérieure à laquelle les vapeurs continuent de brûler une fois enflammées.

Les huiles moteur courantes sont classées par viscosité et performance selon les spécifications de la Society of Automotive Engineers (SAE). Facteurs de performance : prévention de l'usure, formation de dépôts de boue, épaississement de l'huile.

Perspectives d'avenir

L'avenir de l'huile lubrifiante minérale est limité, les réserves naturelles de pétrole étant finies et non renouvelables. Les experts estiment les réserves récupérables de pétrole léger à moyen à 1,6 billion de barils, dont un tiers déjà consommé. Les huiles de base synthétiques gagneront donc en importance à mesure que les réserves naturelles s'épuiseront. Cela vaut non seulement pour l'huile lubrifiante mais aussi pour les autres produits du raffinage.