Brevet FR3124800A1 — publié le 20230106

Composition lubrifiante aqueuse pour le travail des métaux L’invention concerne une composition lubrifiante aqueuse, comprenant au moins : - de l’eau ; - de 0,001 à 80 % massique d’au moins un polyalkylène glycol ; et - de 0,001 à 50 % massique d’au moins un polysaccharide à galactomannane. Elle concerne également l’utilisation d’une telle composition lubrifiante aqueuse à titre de lubrifiant dans un procédé de travail des métaux, en particulier pour réduire, voire prévenir la formation de résidus gommeux. Composition lubrifiante aqueuse pour le travail des métaux La présente invention concerne le domaine des compositions lubrifiantes, et plus particulièrement des compositions lubrifiantes mises en œuvre dans les procédés de travail des métaux, telles que les opérations d’usinage de pièces métalliques. En particulier, la présente invention concerne des compositions lubrifiantes à base aqueuse. Les compositions lubrifiantes, dites encore « lubrifiants » sont couramment mises en œuvre dans des systèmes mécaniques, pour réduire les frottements entre les pièces et ainsi les protéger contre l’usure. Outre les phénomènes d’usure, les frottements peuvent s’opposer au mouvement relatif des pièces en contact et induire des pertes d’énergie préjudiciables à un fonctionnement optimal du système mécanique. Les lubrifiants sont mis en œuvre pour de multiples applications, de la lubrification de moteurs de véhicule à combustion à la lubrification de machines mises en œuvre pour des opérations d’usinage, ce que l’on appelle dans le langage courant le travail des métaux, notamment pour des opérations de déformation de métaux. Le travail des métaux correspond plus généralement à la mise en œuvre de procédés mécaniques ou métallurgiques, à la fois diversifiés ou plus spécialisés, qui peuvent être définis comme des procédés de conformation, de découpe ou de jointage. Cela peut également concerner toute transformation mécanique du métal, telle que l’usinage (tournage, fraisage, perçage, sciage, filetage entre autres), le formage, la découpe, l’estampage, ou encore le laminage. Les opérations relatives au travail des métaux nécessitent tout particulièrement la mise en œuvre de compositions lubrifiantes, dans le but de réduire les forces de friction entre les parties en métal en contact et de prévenir leur usure prématurée, tout en garantissant avantageusement un refroidissement de ces dernières. Ces compositions lubrifiantes, dédiées à la lubrification dans des procédés d’usinage des métaux, sont également couramment désignées sous les dénominations « compositions ou fluides de travail des métaux », « lubrifiants ou fluides d’usinage » ou encore « lubrifiants ou fluides de coupe ». Classiquement, les formulations lubrifiantes mises en œuvre dans de telles opérations d’usinage sont des lubrifiants composés majoritairement d’une ou plusieurs huiles de base, auxquelles sont généralement associés des additifs dédiés à stimuler les performances lubrifiantes des huiles de base, comme par exemple des additifs modificateurs de frottement. D’une manière générale, ces formulations lubrifiantes sont classées au regard du type d’huile qu’elles intègrent. Ainsi : - Les fluides minéraux, non-renouvelables, sont ceux comprenant des huiles minérales, telles que les huiles paraffiniques, aromatiques ou naphténiques, dans leur formulation de base ; - Les fluides renouvelables, d’origine végétale ou animale, sont ceux comprenant des huiles végétales, animales ou des graisses dans leur formulation de base ; - Les fluides minéraux d’origine synthétique sont ceux comprenant des huiles minérales ou des dérivés pétrochimiques chimiquement modifiés, dans leur formulation de base comme, par exemple, des polyalphaoléfines, des polyalkylène glycols et des huiles minérales hydrogénées ; - Les fluides renouvelables d’origine synthétique sont ceux comprenant des huiles végétales ou animales chimiquement modifiées, dans leur formulation de base comme, par exemple, des esters d’huiles végétales, des huiles végétales sulfitées, oxydées, estérifiées, ou encore des huiles animales sulfatées. Certaines formulations, dites mixtes, comprennent un mélange des huiles listées ci-dessus dans leur formulation de base. Les plus connues sont appelées les huiles semi-synthétiques et correspondent à un mélange d’huiles synthétiques et minérales. Cependant, l’utilisation d’huiles ou de graisses dans des compositions lubrifiantes pour travail des métaux présentent plusieurs désavantages. En particulier, les lubrifiants à base huileuse présentent généralement une faible résistance aux attaques microbiennes, de faibles propriétés de refroidissement ou encore un impact négatif sur l’environnement de travail, la santé ou encore la sécurité. Des lubrifiants sous forme d’émulsion, comprenant une phase aqueuse ajoutée à une phase huileuse, ont ainsi été développés. Cependant, ces lubrifiants présentent une faible stabilité en partie due à la dureté de l’eau et/ou à la salinité. Dans le but de résoudre les problèmes liés à la mise en œuvre de formulations lubrifiantes à base d’huile dans des applications pour travail des métaux, des compositions à base d’eau ont montré un certain intérêt. Ces formulations comprennent généralement de l’eau, supplémentée par divers additifs afin de garantir les propriétés tribologiques requises pour les lubrifiants, en particulier en termes de réduction du frottement et de protection des pièces contre l’usure. A titre d’exemples, on peut ainsi citer les documents WO 2009/106359 et WO 2012/163550 qui décrivent des compositions lubrifiantes aqueuses comprenant notamment de l’eau et des sels de carboxyméthylcellulose. On peut également citer le document EP 3 042 946 qui propose un fluide de travail des métaux, exempt d’huile et d’émulsifiant, comprenant entre 0,1 et 2 % en poids d’un polymère de type cellulosique. Enfin, le document GB 1 272 100 propose un lubrifiant aqueux pour le travail des métaux comprenant (1) un polypropylène glycol linéaire ou un copolymère oxyde d’éthylène/oxyde de propylène de masse moléculaire comprise entre 2 000 et 9 000 Da, et (2) une polyvinyle pyrrolidone, un éther de cellulose ou un phosphate de triéthanolamine. Malheureusement, la mise en œuvre de lubrifiants aqueux pour une application dans le travail des métaux présente un désavantage majeur lié à la formation de ce que l’on nomme des « résidus gommeux ». Ces résidus gommeux apparaissent postérieurement aux opérations d’usinage. Une fois l’appareillage d’usinage à l’arrêt, le lubrifiant, soumis à une déshydratation ambiante, est susceptible de conduire à la formation de sels qui, combinés aux polymères présents au niveau du lubrifiant, peuvent former des résidus relativement visqueux et insolubles en phase aqueuse, désignés sous la dénomination « résidus gommeux » Les résidus gommeux adhèrent sur les parois de l’outillage, et sont susceptibles d’engendrer un blocage de l’outil d’usinage, nécessitant généralement des opérations indésirables de maintenance sur la machine. Ainsi, il demeure un besoin de disposer d’une composition lubrifiante aqueuse, pour le travail des métaux, engendrant peu ou pas de résidus gommeux, tout en maintenant, voire en améliorant, les propriétés tribologiques du lubrifiant, notamment en termes de propriétés anti-usure et extrême-pression. La présente invention vise précisément à répondre à ce besoin. La présente invention propose ainsi une nouvelle composition lubrifiante aqueuse présentant des propriétés tribologiques, en particulier extrême-pression et anti-usure, adaptées à sa mise en œuvre pour le travail des métaux, et conduisant à une faible formation, voire à l’absence de résidus gommeux après son utilisation au niveau de l’appareillage d’usinage. Plus particulièrement, elle concerne, selon un premier de ses aspects, une composition lubrifiante aqueuse, en particulier pour le travail des métaux, comprenant au moins : - de l’eau, de préférence de l’eau osmosée ; - de 0,001 à 80 % massique d’au moins un polyalkylène glycol ; et - de 0,001 à 50 % massique d’au moins un polysaccharide à galactomannane, les pourcentages étant exprimés par rapport à la masse totale de la composition. Par « composition aqueuse » au sens de la présente invention, on entend désigner une composition comprenant de l’eau à titre de fluide de base, autrement dit à titre de solvant majoritaire. En particulier, l’eau, de préférence osmosée, représente de préférence au moins 50 % massique de la masse totale de la composition lubrifiante. Dans la suite du texte, on désignera par « composition lubrifiante aqueuse » ou « lubrifiant aqueux », une composition lubrifiante selon l’invention. Par « eau osmosée » au sens de la présente invention, on entend désigner une eau ayant subi une purification, notamment par un procédé d’osmose inverse, afin de réduire la teneur en composés organiques et/ou minéraux, par exemple à une teneur inférieure à 5,0 % en poids, de préférence inférieure à 1,0 % en poids. Dans la suite du texte, les expressions « eau déminéralisée » ou encore « eau ultrapure » seront considérées comme équivalentes ou synonymes de l’expression « eau osmosée ». En particulier, l’eau osmosée peut être une « eau déionisée », autrement dit une eau ayant subi une purification afin de réduire la teneur en ions, tels que les ions Ca 2+ et HCO 3 - généralement présents dans l’eau. De préférence une eau déionisée ne comprend pas d’ions. Contre toute attente, les inventeurs ont découvert que la mise en œuvre combinée d’au moins un polyalkylène glycol et d’au moins un polysaccharide à galactomannane permet d’accéder à un fluide aqueux présentant d’excellentes propriétés tribologiques, adaptées à sa mise en œuvre comme lubrifiant pour le travail des métaux, tout en conduisant à une très faible formation de résidus gommeux après usage. Ainsi, comme illustré dans les exemples qui suivent, il est possible, en supplémentant une formulation lubrifiante aqueuse contenant au moins un polyalkylène glycol, par au moins un polysaccharide à galactomannane, en particulier de type gomme de guar, d’accéder à un fluide lubrifiant conduisant à une formation de résidus gommeux significativement réduite. La propension d’une formulation lubrifiante à former des résidus gommeux peut être évaluée comme décrit dans les exemples qui suivent. L’invention concerne ainsi l’utilisation de la combinaison d’au moins un polyalkylène glycol et d’au moins un polysaccharide à galactomannane, en particulier choisi parmi la gomme de guar et ses dérivés, dans une composition lubrifiante aqueuse, pour réduire sa propension à former des résidus gommeux après sa mise en œuvre comme lubrifiant pour le travail des métaux. Par ailleurs, la combinaison d’au moins un polysaccharide à galactomannane n’impacte pas les propriétés tribologiques de la formulation lubrifiante, en particulier les performances de réductions des frottements, dans les conditions d’extrême-pression. La composition lubrifiante aqueuse selon l’invention présente ainsi de bonnes propriétés anti-usure et extrême-pression, voire même, de manière surprenante, des propriétés anti-usure et/ou extrême-pression améliorées comparativement à une composition ne comprenant pas de polysaccharide à galactomannane selon l’invention. Les propriétés anti-usure et extrême-pression peuvent être évaluées par un test 4 billes extrême-pression, en particulier selon la norme ASTM D2783, tel que détaillé dans les exemples ci-après. Comme démontré dans les exemples, une composition lubrifiante aqueuse selon l’invention atteint des valeurs de charge de soudure élevées, sans augmentation significative du diamètre d’usure, ce qui témoigne de ses excellentes propriétés tribologiques. Ainsi, les compositions aqueuses selon l’invention s’avèrent particulièrement avantageuses pour une mise en œuvre en tant que lubrifiants pour le travail des métaux. Elles peuvent ainsi être employées à titre de fluides de travail des métaux, pour diverses applications, en substitution des lubrifiants conventionnellement mis en œuvre, notamment des lubrifiants hydrocarbonés. L’invention concerne ainsi, selon un autre de ses aspects, l’utilisation d’une composition lubrifiante aqueuse selon l’invention, à titre de lubrifiant dans un procédé de travail des métaux. Une composition aqueuse selon l’invention peut être plus particulièrement mise en œuvre à titre de lubrifiant dans toute opération d’usinage des métaux, par exemple dans des procédés de conformation, de découpe, de jointage ou toute autre transformation du métal telle que le formage, l’estampage, le laminage, etc. Elle peut être destinée à être mise en œuvre pour le travail de métaux variés, tels que l’aluminium, l’acier, l’acier galvanisé ou encore les métaux jaunes. L’invention concerne encore un procédé pour le travail des métaux mettant en œuvre, à titre de lubrifiant, une composition aqueuse lubrifiante selon l’invention. Ledit procédé comprend en particulier une étape d’application d’une composition aqueuse lubrifiante selon l’invention à la surface d’au moins une partie de l’outil (ou appareillage) d’usinage et/ou d’une pièce à usiner en métal. Le fluide lubrifiant selon l’invention permet avantageusement de réduire les frictions entre l’outil ou l’appareillage d’usinage et la pièce métallique usinée. La présente invention concerne également l’utilisation d’une composition lubrifiante aqueuse selon l’invention pour réduire, voire prévenir (éviter), la formation de résidus gommeux après une opération d’usinage de métaux faisant intervenir ladite composition à titre de fluide lubrifiant. Elle concerne plus particulièrement l’utilisation d’une composition lubrifiante aqueuse selon l’invention pour réduire les frottements au cours d’une opération d’usinage des métaux, en particulier les frottements entre l’outil d’usinage et la pièce métallique, ainsi que pour réduire, voire prévenir, l’apparition de résidus gommeux après une opération d’usinage de métaux faisant intervenir ladite composition à titre de fluide lubrifiant. L’invention concerne encore, selon un autre de ses aspects, un procédé de lubrification de l’outil (ou appareillage) mis en œuvre pour une opération d’usinage de métaux et/ou d’une pièce à usiner en métal, comprenant au moins une étape de mise en contact d’une partie de la surface dudit outil et/ou de ladite pièce, avec au moins une composition lubrifiante aqueuse selon l’invention. Enfin, de manière avantageuse, une composition lubrifiante selon l’invention, formée majoritairement d’eau, présente peu d’impact toxicologique notamment pour les personnes mettant en œuvre ce lubrifiant. De façon avantageuse, quand bien même l’eau est le solvant majoritaire d’un lubrifiant aqueux selon l’invention, la surface traitée est correctement lubrifiée. De plus, la présence d’une proportion importante en eau permet de faciliter le nettoyage des surfaces métalliques et l’élimination du lubrifiant après usinage, notamment par simple passage ou rinçage à l’eau. D’autres caractéristiques, variantes et avantages d’une composition lubrifiante aqueuse selon l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description et des exemples qui suivent, donnés à titre illustratif et non limitatif de l’invention. Les expressions « compris entre … et … », « allant de … à … », « formé de … à … », et « variant de … à … », doivent se comprendre bornes incluses, sauf mention contraire. Dans la description et les exemples, sauf indication contraire, les pourcentages sont des pourcentages pondéraux. Les pourcentages sont donc exprimés en masse par rapport à la masse totale de la composition. La température est exprimée en degré Celsius sauf indication contraire, et la pression est la pression atmosphérique, sauf indication contraire. Composition lubrifiante aqueuse, en particulier pour le travail des métaux, comprenant au moins : - de l’eau, de préférence osmosée ; - de 0,001 à 80 % massique d’au moins un polyalkylène glycol ; et - de 0,001 à 50 % massique d’au moins un polysaccharide à galactomannane, les pourcentages étant exprimés par rapport à la masse totale de la composition. Composition lubrifiante aqueuse selon la revendication 1, comprenant au moins 50 % massique d’eau, en particulier d’eau osmosée, de préférence entre 50 % et 90 % massique, plus préférentiellement entre 60 % et 75 % massique, par rapport à la masse totale de la composition. Composition lubrifiante aqueuse selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le ou lesdits polyalkylène glycols sont choisis parmi les copolymères, en particulier statistiques, comprenant des unités oxyde d’éthylène, oxyde de propylène et/ou oxyde de butylène. Composition lubrifiante aqueuse selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant de 0,1 % à 15 % massique de polyalkylène glycol(s), plus préférentiellement de 1 % à 10 % massique, en particulier de 2 % à 5 % massique, par rapport à la masse totale la composition. Composition lubrifiante aqueuse selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le ou lesdits polysaccharide(s) à galactomannane sont choisis parmi la gomme de guar, les dérives de gomme de guar et leurs mélanges, de préférence parmi la gomme de guar, l’hydroxypropyl guar, la carboxyméthyl hydroxypropyl guar, le chlorure d’hydroxypropyltrimonium de guar et leurs mélanges, et plus particulièrement l’hydroxypropyl guar. Composition lubrifiante aqueuse selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant de 0,1 % à 5 % massique de polysaccharide(s) à galactomannane, notamment de 0,1 % à 3,5 % massique et plus particulièrement de 0,2 % à 1 % massique, par rapport à la masse totale la composition. Composition lubrifiante aqueuse selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un ou plusieurs additifs choisis parmi des agents anti-mousses, des biocides, des régulateurs de pH, des inhibiteurs de corrosion, des additifs anti-usure et/ou extrême-pression, des agents séquestrant, des agents passivant les métaux, des colorants, des dispersants, des agents émulsifiants, des agents mouillant, et leurs mélanges, en particulier choisis parmi des agents anti-mousses, des biocides, des régulateurs de pH, des inhibiteurs de corrosion, des agents séquestrant, des agents passivant les métaux, des agents émulsifiants et leurs mélanges. Utilisation d’une composition lubrifiante aqueuse telle que définie selon l’une quelconque des revendications précédentes à titre de lubrifiant dans un procédé de travail des métaux. Utilisation d’une composition lubrifiante aqueuse telle que définie selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, pour réduire, voire prévenir la formation de résidus gommeux après une opération d’usinage de métaux faisant intervenir ladite composition à titre de fluide lubrifiant. Utilisation de la combinaison d’au moins un polyalkylène glycol et d’au moins un polysaccharide à galactomannane, en particulier choisi parmi la gomme de guar et ses dérivés, dans une composition lubrifiante aqueuse, pour réduire sa propension à former des résidus gommeux après sa mise en œuvre comme lubrifiant pour le travail des métaux.