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La lubrificazione

In orologeria solitamente i lubrificanti usati si possono suddividere in tre principali tipologie: olio, grasso, grasso alla grafite.
Cominciamo col dare alcune definizioni dei materiali in questione.

-Olio: miscela lubrificante solitamente costituita da una base che può essere minerale (estrazione da petrolio) o sintetica (sintesi di altri elementi chimici), e da additivi, (composti chimici) che ne migliorano le prestazioni.
Una molecola tipica del lubrificante derivato dal petrolio consiste di una lunga catena degli atomi dell'idrogeno e del carbonio, denominata alcano. 
Un olio ha solitamente fra 15 e 20 atomi di carbonio.
Lubrificanti con le catene più lunghe del carbonio sono più spessi dei lubrificanti con le catene più corte del carbonio.
Un lubrificante con una catena più lunga del carbonio è meno volatile.
Le principali e più evidenti caratteristiche di un lubrificante sono la densità (massa/volume) e la viscosità (resistenza allo scorrimento: diminuisce all’aumentare della temperatura).

-Grasso: lubrificante ad alta viscosità adatto a lubrificare superfici dove agiscano pressioni molto forti. E’ prodotto con base di olio alla quale vengono impastai altri elementi. Un grasso ha fra 20 e 25 atomi di carbonio.

-Grasso alla grafite: è un grasso lubrificante adatto ad impieghi con pressioni e temperature elevate.
In questo grasso sono dispersi cristalli di grafite. Questi servono per ridurre l’attrito quando la pellicola di grasso dovesse ridursi o sparire a causa delle elevate pressioni.
Poiché la grafite non forma legami con le superfici del metallo, si perde facilmente: la miscelazione della grafite in olio permette di abbassare il livello di attrito oltre il livello realizzabile dai soli oli e gli oli fungono da elementi leganti, o come mezzo per trattenere la grafite.

Le proprietà dei materiali che ci interessano sono:
Proprietà adesiva: la capacità di un materiale di aderire alle superfici di un altro materiale.
Proprietà coesiva: la capacità di un materiale di tenere unite tra loro le proprie particelle.

Per poter scegliere correttamente i lubrificanti da usare in un movimento è però essenziale capire come lavorano questi lubrificanti.

Tutte le superfici hanno delle irregolarità, anche quelle più finemente lavorate, con lucidature o lappature.
Queste irregolarità sono visibili solo attraverso un microscopio ma esistono.
La visione al microscopio infatti offrirà delle superfici con molte asperità e rugosità, più o meno accentuate a seconda del tipo e grado di finitura della superficie stessa.
Se due superfici entrano in contatto tra di loro con forze minime, saranno pochi i punti che entreranno in contatto tra loro, ma aumentando la pressione aumenterà anche il numero dei punti che entreranno in contatto.
Uno scopo del lubrificante è quello di tenere separate le due superfici frapponendo una pellicola tra di esse.

Questa pellicola dovrebbe avere capacità specifiche: dovrebbe essere in grado di aderire alle superfici delle due parti che devono separare, ed avere, nella sua superficie esterna una buona capacità di adesione, per evitare che il lubrificante scivoli via non appena messo.
Nel contempo le particelle interne di tale lubrificante devono essere in grado di scorrere tra loro per svolgere il lavoro preposto.
In sintesi possiamo dire che le forze che attraggono le superfici del lubrificante alle superfici delle parti da separare devono essere maggiori delle forze che attraggono le molecole del lubrificante tra di loro.
Così avremo le molecole del lubrificante che aderiscono alle molecole delle superfici da lubrificare, mentre le stesse molecole di lubrificante scivoleranno tra loro, avendo un attrito minore di quello che avrebbero scivolando contro  le superfici da tenere separate.

L’evaporazione del lubrificante è un altro problema presente anche in orologeria.
Abbiamo detto che un lubrificante con una catena più lunga del carbonio è meno volatile, ma i lubrificanti con le catene più lunghe del carbonio sono più spessi dei lubrificanti con le catene più corte.
I lubrificanti più spessi possono interferire con l'azione del meccanismo una volta applicati alle superfici del supporto che sono sottoposte a coppia di torsione molto bassa e ad alte velocità.
E’ preferibile quindi l’utilizzo di un lubrificante più sottile, anche se i lubrificanti più sottili sono più facili a volatilizzarsi.

Anche il comportamento dei lubrificanti alle diverse temperature è un aspetto di cui tenere conto. Tutti sappiamo che l'acqua bolle a 100° Centigradi: a 99° è un liquido; a 101°, è un gas.
L'acqua congela a 0°C, all'interno di una gamma similmente stretta di temperature.
Gli oli, invece, solidificano gradualmente mentre la temperatura diventa più fredda, diventando lentamente sempre più spessi fino a che l'olio solidifica: gli oli si solidificano entro gamme di temperature molto più larghe perché gli oli sono prodotti come miscele di molte molecole differenti mescolate insieme per modificare le proprietà di densità e di lubrificazione della miscela stessa.

Altro aspetto importante dei lubrificanti è la loro tendenza ad alterarsi nel tempo e di perdere le loro caratteristiche, assumendone altre a volte molto dannose per le parti che dovrebbero proteggere.

Prima dell'avvento dell'automobile, il petrolio è stato usato principalmente per il cherosene per le lampade.
La maggior parte dei prodotti lubrificanti era di origine animale, o estratta da piante ed oli e grassi di pesce.
Questi oli si ossidano più facilmente in acidi grassi e diventano più instabili una volta sottoposti a calore.
Inoltre non sono ostili ai batteri, che ne accelerano il deterioramento, mentre gli oli minerali e sintetici hanno speranze di vita più lunghe.
Gli acidi grassi tendono a corrodere le parti del metallo ed anche a provocare la formazione di fango.
I nuovi oli hanno additivi che li proteggono dai batteri e dall'ossidazione, quindi estendendone considerevolmente la loro fase utile.

Questo ci introduce all’argomento che, nella pratica, ci interessa di più: il deperimento dei lubrificanti e l’usura.
I lubrificanti riducono l'attrito nelle boccole aderendo alle superfici del metallo per formare una pellicola che separa i metalli e proteggono i metalli da corrosione con la pellicola protettiva.
I lubrificanti vengono a mancare per molti motivi, il più comune dei quale è l’evaporazione nella cassa degli orologi.
Ogni boccola dell'orologio ha circa da un quarto alla metà di una goccia di olio. Se l'olio si volatilizza, non resta nulla.
L'olio inoltre come abbiamo già detto, si deteriora a causa della presenza dei batteri, con conseguente formazione di acidi corrosivi (l'olio diventa "gommoso").

Se i lubrificanti fossero usati correttamente, l’usura sarebbe minima. Principalmente l'usura si presenta dopo che i lubrificanti siano venuto a mancare.
Capire il come e perchè l'usura si presenta nelle boccole dell'orologio fornisce la comprensione come sia meglio utilizzare le boccole dell'orologio e come assicurare la massima durata dopo la riparazione.
Ci riferiamo principalmente alle boccole, intendendo le normali boccole in ottone, ma il discorso, per vie generali si può estendere anche ai rubini.
Nella riparazione di un orologio si deve fare attenzione a pulire perfettamente tutti i perni, per rimuovere qualsiasi imperfezione e qualsiasi parte di ossido.
Lo stesso vale per le boccole e tutte le sedi di perno.
Nelle boccole in ottone delle pendole per esempio, la boccola perfettamente pulita vista con una lente, presenta un aspetto giallo luminoso, mentre la presenza  di ossido la rende molto più scura e opaca, con colorazione tendente al marrone.

Per capire perchè l'usura avviene, dobbiamo considerare le proprietà fisiche dei metalli e degli ossidi, oltre che le loro proprietà chimiche.
La prima proprietà fisica da considerare è durezza.
Diamo un’occhiata a questa tabella:

  

Durezza
Mohs  

Durezza
Assoluto

Talco

  1

1

Piombo

  1.5  

  

Gesso

  2

3

Stagno

  1.5

  

Zinco

  2

  

Rame

  2.5

  

Calcite

  3

9

Ottone: lega di zinco e rame

  3

  

Alluminio

  3

  

Bronzo: lega di stagno e rame

  3.5

  

Fluorite

  4

21

Ossido di rame

  4

  

Ossido di zinco

  4

  

Ferro

  4

  

Apatite

  5

48

Ossido di piombo

  5

  

Lama di coltello (acciaio)

  5.5

  

Ortoclasio

  6

72

Ossido di ferro

  6

  

Buona lima d'acciaio
(acciaio ad alto tenore di carbonio)

  6.5

  

Ossido di stagno

  6.5

  

Quarzo

  7

100

Topazio

  8

200

Zaffiro, rubino: ossido di alluminio

  9

400

Carburo di silicio

9.5

  

Diamante

10

1600

 

Molti dei valori di durezza nella tabella sono soltanto approssimativi, ma sono utili per determinare parecchie cose:

1. Le leghe metalliche sono solitamente più dure dei metalli.
L'ottone è più duro del rame e dello zinco. L'acciaio è più duro del ferro.

2. Gli ossidi di metallo sono solitamente più duri dei metalli.
L'esempio migliore è ossido di alluminio, che è estremamente duro.
Dalla colonna assoluta di durezza nella tabella, tuttavia, possiamo vedere che il diamante è quattro volte più duro dell'ossido di alluminio.

3. L'ossido di rame, l'ossido dello zinco ed il ferro sono di durezza simile.
Ciò significa che questi ossidi, potrebbero graffiare la superficie di un perno di ferro dolce.
I perni d'acciaio ad alto tenore di carbonio, tuttavia, sono considerevolmente più duri di questi ossidi.
Ci si aspetterebbe che i perni di acciaio fossero difficilissimi da essere graffiati da questi ossidi.
Ciò nonostante, persino un ossido con meno durezza, quale l'ossido di zinco, può causare l'usura.
Il punto più importante da ricordare è che la causa principale di usura in una boccola di un orologio è la presenza degli ossidi di metallo.
Se la formazione degli ossidi potesse essere evitata, le boccole ed i perni durerebbero molto più a lungo.

4. Un perno d'acciaio, non protetto dal lubrificante, può formare uno strato di ossido se esposto ad ossigeno e ad umidità nell'aria.
L'ossido del ferro può essere inglobato nella superficie della boccola d'ottone, e graffiare il perno d'acciaio.
Quando la superficie del perno è graffiata, produce polvere, che a sua volta si ossida e lo fa molto più velocemente, visto che i granelli sono, in proporzione, più esposti agli agenti esterni quali ossigeno e umidità e si produce così una quantità ancora maggiore di ossido che andrà ad intaccare ancora il perno, e così via.
L'ossido del ferro è molto più duro del ferro e l’usura avviene ad un tasso accelerato.

Un'altra proprietà fisica da considerare è struttura.
Le strutture cristalline dure hanno fratture con i punti ed i bordi taglienti.
I minerali più duri, quali i diamanti, l'ossido di alluminio ed il carburo di silicio, con i loro punti e bordi taglienti, sono usati spesso come abrasivi.
L'ossido di alluminio è usato spesso per fare carta da smeriglio e carta vetrata.
Pensiamo a che cosa accadrebbe se introducessimo alcuni grani della sabbia in una boccola dell'orologio.
La sabbia è diossido di silicio, (SiO2 ), un altro minerale duro e cristallino.

L'ossido di alluminio svolge un ruolo importante in orologeria perché virtualmente tutti i rubini degli orologi hanno rubini rossi sintetici, fatti di ossido di alluminio.
Le superfici dei rubini sono lucidate con composti di polvere di diamante.
Quando un rubino è scheggiato, il relativo il perno d'acciaio si usura molto rapidamente.
Così le proprietà fisiche del minerale sono di capitale importanza: come superficie altamente lucidata, ha attrito molto basso, ma come superficie rotta o come polvere, ha attrito molto alto ed è estremamente abrasiva.

Le spiegazioni a questa pagina sono semplificate,  non accenniamo alla presenza di altri elementi nei metalli, intenzionali (nel caso delle leghe), o involontari (nel caso delle impurità).

La conoscenza delle cause dell’usura evidenzia così l'importanza della lucidatura meticolosa dei perni e della rimozione dello strato di ossido dalla superficie interna di ogni boccola.

Inoltre suggerisce che proprietà i lubrificanti dovrebbero avere: separare le superfici dei metalli e proteggere le superfici dei metalli dalla corrosione (causata da aria e da umidità).

Considerazioni

Molti orologiai e riparatori fanno l'errore di usare lo stesso lubrificante sottile per le prime e seconde ruote come fanno per lo scappamento.
Nel lubrificare un orologio da polso o un orologio più grande, è bene, in linea generale, cercare di usare la seguente regola pratica:
1) usare un lubrificante pesante, per applicazioni a bassa velocità e per alta coppia di torsione (perni di prime e seconde ruote e molla).
2) usare un lubrificante più leggero per, applicazioni ad alta velocità e bassa coppia di torsione (perni terze, quarte ruote, della ruota di scappamento, perni del bilanciere, perni della farfalla stabilizzatrice delle suonerie dei regolatori, ecc.).

 Inoltre si consideri il clima: gli oli per orologi svizzeri sono formulati nelle Alpi svizzere e la maggior parte dei oli dell'orologio sono fluidi quasi quanto l'acqua, nei climi caldi.
Mentre gli oli hanno certo spessore nelle condizioni climatiche più fredde, sono molto sottili e meno efficaci nei climi più caldi.
Lubrificanti usati nelle Alpi svizzere probabilmente avranno comportamenti diversi se impiegati in mezzo a deserti africani.
Va detto però che la maggior parte, dei possessori di orologi vivono in ambienti che oggi hanno ambienti climatizzati, e che in effetti non risentono molto del variare delle condizioni climatiche esterne.
Gli orologi che non sono intesi per un utilizzo estremo, in ambienti esterni ed in condizioni climatiche proibitive dovrebbero essere lubrificati con lubrificanti più spessi di quelli che si usano per un orologio che lavora in condizioni estreme.
Gli orologi utilizzati nelle normali circostanze e portati al polso non dovrebbero essere lubrificati con i lubrificanti ultrasottili che si potrebbero usare per lubrificare un orologio da polso per un uso in ambienti estremamente freddi, mentre si fanno scalate in alta montagna o nel tuffarsi in acque fredde.
Nel considerare quanto spesso debba essere un lubrificante da usare, bisogna determinare la densità di quel lubrificante alla temperatura più fredda che l’orologio debba sopportare.
Ma perchè usare un lubrificante più spesso se l’orologio fosse usato in circostanze che non richiederebbero un lubrificante più sottile?
Perché i lubrificanti spessi hanno punti più alti di ebollizione e vaporizzano meno facilmente.
I lubrificanti sottili vaporizzano facilmente: ci sono stati problemi con oli sottili che sono asciugati prematuramente.
Alcuni oli spariscono dopo soltanto tre anni: ci sono esperienze di un olio sintetico molto costoso che si è seccato dopo soltanto due anni.
Un lubrificante che viene a mancare dopo soltanto due anni non riesce non soltanto a lubrificare (ridurre l'attrito), ma non riesce nemmeno a proteggere dall’ossidazione.
I lubrificanti più spessi inoltre hanno proprietà coesive ed adesive migliori: questo significa che un lubrificante più spesso rimane meglio nel relativo posto una volta applicato ad una boccola senza spargersi o colare.
Se si considera lo scopo principale dei lubrificanti, il beneficio di un lubrificante più spesso diventa evidente: ridurre l’attrito fornendo una pellicola fra le due superfici di sfregamento del metallo che mantiene i metalli separati.
Un buon lubrificante aderisce ad ogni superficie metallica per generare questa pellicola ed è più difficile da spingere via sotto pressione.
Un buon lubrificante è coesivo in modo che fornisca una buona azione capillare che lo manterrà al suo posto.
Un lubrificante più spesso ha molecole più grandi (una catena più lunga del carbonio nel caso dei lubrificanti a base di petrolio) e quindi fornisce una pellicola più spessa che mantiene ulteriormente separati i metalli e resiste alle più alte pressioni.
Mentre le molecole del lubrificante scorrono l’una sull’altra, si genera una certa resistenza al movimento, che chiamiamo “trascinamento” e che aumenta con lo spessore del lubrificante.
Consideriamo però che nelle applicazioni a bassa coppia di torsione, la resistenza può alterare le prestazioni del orologio se il lubrificante è troppo spesso.

Come regola generale comunque possiamo considerare di usare un lubrificante più pesante per alte coppie di torsione, e applicazioni a bassa velocità e più sottile per basse coppie di torsione, e applicazioni ad alta velocità.

La pratica

Per prima cosa consideriamo l’ambiente.
Dobbiamo lavorare in ambienti puliti, privi il più possibile di polvere, pericolosa per i motivi sopra descritti.
I contenitori dell’olio dovrebbero essere sempre pieni, ma non traboccanti, con olio fresco, cambiato spesso. L’olio che resta per troppo tempo nei contenitori fatalmente si mischia alla polvere che comunque è sospesa nell’atmosfera.
Il prezzo di una boccetta di olio, e le quantità adoperate, nell’economia di una riparazione è tale da permettere cambi molto frequenti dei lubrificanti nei portaolio senza che questo incida in maniera significativa sui costi.
E’ meglio riservare allo stesso contenitore sempre lo stesso olio, anche nei posizionamenti in caso di portaolio a vaschette multiple: questo permette di evitare di adoperare il lubrificante sbagliato, visto che con l’abitudine certe azioni diventano automatiche e la possibilità di usare un tipo di lubrificante dove per molto tempo ce n’era un altro aumenta se si mettono gli oli a casaccio.
Gli oliatori possono essere conservati infilzati nei classici dischetti di midollo di sambuco, così da mantenerli sempre puliti.
I dischi di sambuco possono essere messi all’interno di un vecchio bariletto per molle da pendole, o fissati con doppio adesivo sopra ad un disco metallico per evitare il fastidioso inconveniente della caduta del tutto quando si infilzano due o tre oliatori in maniera casuale.
Evitiamo di pulire gli oliatori con le dita: le dita hanno particelle di grasso, sudore e impurità varie che non dovrebbero finire nei lubrificanti.
E’ bene essere concentrati quando si procede alla lubrificazione: in alcuni casi l’errore nella lubrificazione di una parte può portare a perdite di tempo notevoli per essere rimediato.
Controllare sempre le condizioni dei fori sede di perno, per la pulizia si può usare il classico bastoncino appuntito.

pulizia del foro dei rubini

Lo stesso vale per i perni e tutte le parti che devono essere lubrificate. E’ importante che siano pulite e lucide, prive di qualsiasi traccia di ossido, di impurità o di vecchio lubrificante non completamente rimosso nel lavaggio.

Sarebbe meglio lubrificare il movimento scarico, per consentire una disposizione più omogenea dell’olio nei perni.

L’olio si deposita tra il rubino ed il perno:

come depositare l'olio

la quantità di olio deve essere tale da coprire il perno e solo una minima parte del rubino (o pietra sintetica o come si vuole chiamare). E’ inutile riempire completamente la vaschetta del rubino, questo facilita la dispersione dell’olio che tenderà a “fuggire” spandendosi su tutta la platina.
L’olio dovrebbe andare a coprire anche la parte sottostante del perno, senza scivolare nell’albero della ruota.
L’ideale sarebbe avere il perno con una battuta ulteriore, che permettesse all’olio di rimanere in sede più facilmente.

battuta del perno sotto.

Questo si trova in alcuni crono da marina, mentre è facilmente intuibile che le difficoltà di un tale sistema sono notevoli in movimenti per orologi da polso.

Il bariletto: negli orologi automatici si lubrifica la parete interna del bariletto, per permetter lo slittamento della brida, oltre al fondo del bariletto stesso. A molla rimontata poco lubrificante tra le spire.
Va lubrificato anche l’albero del bariletto, ovviamente.

albero del bariletto.

Lubrificazione delle leve dell’àncora: una goccia di olio sulla leva di uscita facendo poi correre la ruota di scappamento, ripetendo l’operazione tre volte per un giro completo della ruota. Questo è sufficiente a ripartire l’olio su tutti i denti della ruota di scappamento.
In questa operazione bisogna fare molta attenzione a che l’olio non debordi dal piano di impulso per evitare di ritrovarlo poi nel perno dell’àncora o sopra l’àncora stessa, o comunque dove non dovrebbe essere. (disegno a destra)

Lubrificazione corretta ed errata lave d'ancora.

Negli orologi da polso non si lubrificano i perni dell’àncora, che devono girare a secco.
Questo perché in questo caso il lubrificante, date le ridotte dimensioni delle parti in cui ritroverebbe a lavorare, e perché nel caso del perno dell’àncora non si tratta di un moto rotatorio costante ed unidirezionale, ma di una serie continua di avanzamenti ed arresti in due sensi, le proprietà dei lubrificanti stessi, descritte prima, porterebbero ad un funzionamento assolutamente non omogeneo.

 

Lubrificazione del bilanciere.
Negli orologi più moderni, con dispositivo antiurto, si smonta la pietra e la contropietra, si deposita una goccia di olio nel rubino, facendo un cerchio che occupi circa i due terzi della pietra, si rimettono insieme pietra e contropietra e si inserisce il tutto nel dispositivo antiurto, chiudendo la molletta.
Nei movimenti più datati si può mettere una goccia di olio direttamente all’interno della pietra, lasciando poi che la punta dell’asse o una punta sottile usata per l’occasione, distribuisca l’olio per effetto della capillarità.
Importante comunque anche in questo caso che tutto sia perfettamente pulito.

Lubrificazione punte bilanciere.

Per quanto concerne il dispositivo di carica e di messa all’ora, si mette del grasso tra albero di carica e coppia carica, (pignone scorrevole e ruotino d’angolo) e tra le dentature di contatto della coppia carica. Lo stesso si fa per i punti di contatto tra bascula, copribascula e tiretto.

Essendo molte le tipologie e le forma dei queste parti del movimento ed essendo impossibile farne descrizioni di tutte, si può solo dire che dove ci sono punti di contatto e di sfregamento tra le parti, ci sono punti da lubrificare.  Resta alla perizia e all’osservazione di chi esegue l’operazione decidere dove applicare i lubrificanti.

Per quanto riguardale tipologie dei lubrificanti da usare, non esistono regole precise e codificate: questa è una delle situazioni in cui l’esperienza, la consuetudine, le scelte date dall’uso, determinano quali siano i lubrificanti più rispondenti alle esigenze dei singoli riparatori.

Tuttavia la consultazione delle tabelle fornite dai produttori di lubrificanti, (o le schede di lubrificazione dei movimenti) molte delle quali si trovano in rete, è senz’altro un buon punto di partenza per evitare di commettere grossolani errori che probabilmente si farebbero affidandosi al caso.

Per tutte quelle parti che possono risultare dubbie, ricordiamo che ormai in rete si trovano moltissime schede tecniche di lubrificazione di molti movimenti, con descrizioni dettagliate e particolareggiate delle parti da lubrificare e dei lubrificanti da usare.

Questo ha semplificato di molto e ridotto ancora di più i tempi per apprendere tale pratica, che negli anni passati era affidata solo all’esperienza del singolo, alla possibilità di ricevere insegnamenti dai predecessori e alla comprensione e la riesecuzione di lubrificazioni sbagliate in precedenza. 

Queste schede si possono consultare e usare per poter procedere alla lubrificazione dei movimenti descritti o di quelli che per caratteristiche e misure siano assimilabili a quei movimenti dei quali non si abbiano documentazioni specifiche.

 

 

Tabella e parte delle informazioni sono dal sito di Mark Headrick.