Metalworking Fluids (MWF): Overcoming Stability Issues

Metalworking fluids (MWFs) are a family of industrial liquids used to reduce the temperature of and/or lubricate metal workpieces while they are being machined. Cutting and grinding processes can generate significant amounts of heat and friction, which can cause undesirable thermomechanical side-effects: burning, deformation, smoking, surface roughness, thermal warping, etc. If a workpiece burns it may be unfit for downstream application, while off-gases and smoke represent a respiratory health risk for personnel. The thermomechanical drawbacks of conventional metalworking can represent logistical health and safety issues if not addressed.

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Formulating Different Types of Metalworking Fluids (MWFs)

MWFs are complex formulations containing mineral (petroleum) or organic oils and a range of additives and stabilizers, which may be emulsified in as much as 50% water. The three main classes of MWFs are:

Straight oils: Also known as neat oils, comprising either petroleum, animal, marine, or vegetable oils and are formulated without water dilution.
Soluble oils: 30-85% severely refined – or hydrotreated – petroleum oils, with emulsifiers and water dilution.
Semisynthetic MWFs: 5-30% petroleum oils in a 30-50% water dilution.

The compositions of different MWF classes are nominal, and many different components may be introduced during formulation to improve the functionality and stability of the product. These include, but are not limited to anti-mist agents, antifoams, biocides, corrosion inhibitors, dispersants, stabilizers, etc. As many as 20 different ingredients may be required to achieve the desired end-use properties of the MWF, such as optimal lubricity. In many cases, multiple different additives from the same category may be required. This can create a plethora of compatibility problems between the base fluids and the additives, or between the additives themselves.

Issues with Metalworking Fluid Stability

Conventionally, emulsified MWFs are prepared by mixing different compositions and individually assessing the effects of various additives. While this method is useful in determining the impact of individual ingredients on functionality and stability, it is time-consuming and costly. It also fails to offer true quantitative insights into multiple-factor interactions between distinct ingredients or phases in the MWF under storage or use conditions.

Chemical and physical instability issues in MWFs can reduce performance and detrimentally affect product quality, and a myriad of destabilizing phenomena may affect them: blooming, coalescence of oil droplets, emulsion breaking, foaming, phase separation, etc. Although emulsion composition and component affinity are the underlying factors of destabilization, the external force also plays a crucial role in the colloidal breakdown. The force of pumping can accelerate instability mechanics, which means products will destabilize quickly in real-world use conditions. This property directly correlates to MWF efficiency.

Typically, metalworking fluids would be tested for chemical or physical instability by leaving a sample on a test bench for an extended period (days, weeks, months) and examining it for physicochemical changes. Testing for instability in actual use conditions is more challenging. Centrifugation and general agitation have been used in the past to predict mechanically driven instability, such as destabilization pumping conditions. Alternative methods of instability testing have been developed to test for at-rest stability and meet the demands of MWF development and quality control.

Overcoming Metalworking Fluid Instability

As tecnologias atuais usadas para testes de qualidade de MWF (fluidos metalúrgicos) (NMR - Ressonância Magnética Nuclear) dependem da medição da distribuição do tamanho das gotas, mas podem ser caras, não fornecem informações diretas sobre envelhecimento e podem ser limitadas pela faixa de tamanho das gotas. Alcançar uma medida verdadeira de estabilidade requer uma solução analítica que ofereça uma medida direta dos fenômenos ocorridos e não dependa de agitação mecânica.

A tecnologia Turbiscan é um grande avanço na medição direta da estabilidade e nos permite abandonar métodos de teste como titulação de sal ou condutividade iônica. É o analisador de estabilidade de referência, confiável em todo o mundo para determinar a estabilidade de emulsões e dispersões no estágio mais precoce possível, com uma ampla faixa de tamanhos de gotas disponível. Esta tecnologia baseada em SMLS monitora todos os fenômenos de instabilidade ao longo do tempo, fornecendo tamanho médio de gotículas e classificações de estabilidade globais com um método direto de medição, e já foi comprovada como uma solução útil para testes de estabilidade e análise de eficiência de fluidos metalúrgicos.

Analisadores Turbiscan para testes de MWF (fluidos metalúrgicos)

A Microtrac fornece uma linha abrangente de analisadores TURBISCAN para análise de estabilidade de dispersões concentradas, incluindo emulsões óleo-água para MWFs. Esses analisadores ajudam na otimização de novas formulações de produtos e na avaliação dos efeitos dos aditivos na estabilidade física da emulsão, fornecendo assim aos formuladores uma ferramenta de P&D econômica para melhoria do desempenho de fluidos metalúrgicos produtivos e sensíveis. O resultado: produtos mais seguros e eficientes que melhoram a eficiência da metalurgia, a segurança dos trabalhadores e a sustentabilidade.

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Para a linha de produtos "Múltiplo Espalhamento Estático de Luz (SMLS)"

Referências

Design of Experiment Reduces Development Time for High-Performing Metal-Cutting Fluids

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