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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
CLAYTON TOLEDO MIRANDA
Nova formulação de óleo solúvel para usinagem de metais ferrosos e não
ferrosos
Lorena, 2011
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CLAYTON TOLEDO MIRANDA
Nova formulação de óleo solúvel para usinagem de metais ferrosos e não
ferrosos
Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia Industrial Química.
Orientador: Luís Fernando Figueiredo Faria
Lorena, 2011.
3
Dedico esta conquista a
minha namorada Talyta, por
me apoiar de forma incondicional
durante esta etapa de minha vida.
4
AGRADECIMENTOS
A Deus pela presença constante em todos os momentos.
A Nossa Senhora da Aparecida pela iluminação nos momentos de dificuldade.
Ao Prof. Luís Fernando Figueiredo Faria, pela oportunidade, confiança, comprometimento,
incentivo e orientação.
A minha namorada Talyta pelo apoio, confiança e compreensão em relação a todos os
momentos que passamos separados em função da realização desse trabalho.
Ao meu pai e irmã pelo apoio e incentivo nos momentos mais críticos.
Ao colega de trabalho Rafael Gemignani pelo aprendizado durante conversas e discussões
e pelo privilégio da convivência.
Aos colegas Edgar, Fernanda e Júnior pela convivência durante o longo período que
estudamos juntos.
Aos amigos Alessandro e Joel pelas conversas, conselhos, ajudas e orientações no início do
curso.
A Christiane Fonseca pela ajuda com a manipulação do software MiniTab®.
A todos aqueles que contribuíram para que este trabalho fosse realizado e, que
eventualmente não foram citados.
A YUSHIRO DO BRASIL pela oportunidade e autorização para a realização deste
trabalho.
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RESUMO
Fluidos de corte são utilizados no segmento de “metalworking”. Possuem
formulações complexas que variam de acordo com o tipo de operação executada e com os
metais a serem trabalhados. Neste trabalho foi realizado um planejamento fatorial
fracionado, do tipo 2(5-1), a fim de verificar o grau de significância das variáveis de
controle: amina, anticorrosivo, emulsificante, ácido graxo e tensoativo. Como variável de
resposta utilizou-se a determinação do valor de pH a 5% e para auxiliar nas escolhas
caracterizou-se os produtos em relação a estabilidade e corrosão em cavaco a 3%.
Constatou-se maior significância para anticorrosivo, emulsificante e ácido graxo. Com esse
resultado, definiu-se um planejamento experimental complementar – DCCR – para estudar
a otimização da formulação de fluido de corte. Observou-se que, para as variáveis
anticorrosivo e emulsificante, o ponto de máximo para os valores de pH a 5% é próximo
das concentrações 0,5% e 3,5% respectivamente. Já para a variável de controle ácido graxo
existem dois pontos de máximo, um próximo da concentração 3,5% e outro da
concentração de 6,5%. Mas para um fluido de corte ser aceito no mercado é preciso que
esse também apresente resultados satisfatórios de estabilidade e corrosão em cavaco a 3%.
E considerando essas variáveis de resposta, apenas dois experimentos demonstraram
resultados satisfatórios. Para comparação com o óleo de mercado optou-se pela formulação
F16, pois foi utilizado um teor de ácido graxo maior e isso conferirá ao fluido de corte
maior lubricidade. A nova formulação F16 apresentou propriedades físico-químicas
equivalentes ao óleo de mercado SSM e diferenciais como o menor custo. Com os
resultados obtidos neste trabalho, existe grandes possibilidade desta nova formulação se
tornar um fluido de corte bem aceito no mercado de “metalworking”, levando em
consideração a versatilidade de trabalhar com diversos tipos de metais, elevada resistência
à degradação microbiológica, boa propriedade anticorrosiva e menor custo.
PALAVRAS CHAVES:
- Fluido de corte; - Planejamento Experimental;
- Usinagem;
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ABSTRACT
Cutting fluids are used in the segment of "metalworking". They have complex
formulations that vary with the type of operation performed and the metals to be worked.
In this paper we present a fractional factorial design, type 2(5-1) in order to ascertain the
degree of significance of control variables: amine, corrosion, emulsifiers, fatty acid and
surfactant. As the response variable used to determine the pH value to 5% and to assist in
choosing the products was characterized with respect to stability and corrosion on chip to
3%. It was found greater significance for corrosion, emulsifier and fatty acid. With this
result, we defined an experimental design complement - DCCR - to study the optimization
of the formulation of cutting fluid. It was observed that, for the variables anticorrosion and
emulsifier, the point of maximum values for pH is close to 5% concentrations of 0.5% and
3.5% respectively. As for the control variable fatty acid there are two maximum points, a
concentration close to 3.5% and other concentrations of 6.5%. But for a cutting fluid is
being accepted in the market must also submit the outcome of a chip stability and
corrosion in 3%. And considering these response variables, only two experiments have
shown satisfactory results. For comparison with the oil market was chosen for the
formulation F16, was used as higher fatty acid content and this will give the most cutting
fluid lubricity. The new formulation F16 had physicochemical properties similar to the oil
market differentials such as SSM and the lowest cost. The results obtained in this work;
there is great possibility of this new formulation to become a cutting fluid well accepted in
the market "metalworking", taking into account the versatility of working with various
types of metals, high resistance to microbial degradation, good anticorrosive property and
lower cost.
KEYWORDS:
- Cutting fluid; - Experimental Designs;
-Metalworking;
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1– Distribuição das temperaturas numa ferramenta. 16
Figura 2– Distribuição do calor entre ferramenta, peça e cavaco. 17
Figura 3– Relação da dureza dos materiais em função da temperatura. 17
Figura 4– O mecanismo do corte de metais. 18
Figura 5– Seção transfersal da interface cavaco-ferramenta. 18
Figura 6– Tipos de Fluidos de corte e suas subdivisões. 23
Figura 7– Classificação e composição básica dos fluidos de corte solúveis. 25
Figura 8- Trietanolamina (TEA), Fórmula molecular: C6H15NO3, CAS: 102-71-6. 29
Figura 9- Mistura de ácido dibásico, CAS: 72162-23-3. 29
Figura 10- Ácido Graxo de “Tall Oil” (mistura de ácido oléico e linoleico), CAS: 61790-12-3. 31
Figura 11- Álcool Laurílico Etoxilado (n = número de unidades de óxido de eteno; R = cadeia do álcool graxo com 12 átomos de carbono), CAS: 9002-92-0. 32
Figura 12– Aparência do papel filtro, após teste de corrosão em cavacos. 35
Figura 13- Diagrama de Pareto em função dos efeitos dos valores de pH a 5% para o planejamento fatorial fracionado. 44
Figura 14- Efeitos principais em função dos valores de pH a 5% para o planejamento fatorial fracionado. 46
Figura 15- Gráfico de superfície de resposta para as variáveis anticorrosivo e emulsificante, de acordo com o valor de pH a 5%. 52
Figura 16- Gráfico de curva de contorno para as variáveis anticorrosivo e emulsificante, de acordo com o valor de pH a 5%. 53
Figura 17- Gráfico de superfície de resposta para as variáveis anticorrosivo e ácido graxo, de acordo com o valor de pH a 5%. 54
Figura 18- Gráfico de curva de contorno para as variáveis anticorrosivo e ácido graxo, de acordo com o valor de pH a 5%. 54
Figura 19- Gráfico de superfície de resposta para as variáveis emulsificante e ácido graxo, de acordo com o valor de pH a 5%. 55
Figura 20- Gráfico de curva de contorno para as variáveis emulsificante e ácido graxo, de acordo com o valor de pH a 5%. 56
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1– Propriedades físico-químicas da TEA. 28
Tabela 2– Propriedades físico-químicas do anticorrosivo. 29
Tabela 3– Propriedades físico-químicas do ácido graxo de “Tall Oil”. 30
Tabela 4– Composição do ácido graxo de “Tall Oil”. 31
Tabela 5– Propriedades físico-químicas do tensoativo. 32
Tabela 6– Propriedades físico-químicas do óleo SSM. 33
Tabela 7– Avaliação do grau de corrosão em cavacos. 36
Tabela 8- Valores do domínio experimental investigado (variáveis e seus níveis) para um plano
fatorial fracionado 2((((5-1)))). 42
Tabela 9- Matriz de experimentos do planejamento experimental do tipo fatorial fracionado. 42
Tabela 10- Condições experimentais e valores de estabilidade, pH a 5% e corrosão a 3% para cada experimento da matriz. 43
Tabela 11- Determinação dos valores de t e do p-valor de cada termo para a resposta de pH a 5% no primeiro tratamento estatístico. 45
Tabela 12- Valores do domínio experimental (variáveis e seus níveis) para DCCR. 47
Tabela 13- Matriz de experimentos do planejamento DCCR. 48
Tabela 14- Valores de estabilidade, pH a 5% e corrosão a 3% para cada experimento da matriz do DCCR. 49
Tabela 15- Determinação dos valores de t e do p-valor de cada termo para a resposta de pH a 5% no segundo tratamento estatístico. 50
Tabela 16- Coeficientes para pH a 5%, a 95% de confiança, para cada termo do DCCR. 51
Tabela 17- Análise de variância (ANOVA) de cada termo para a resposta de pH a 5% no segundo tratamento estatístico. 51
Tabela 18- Formulações que apresentaram os melhores valores de respostas para fluido de corte. 57
Tabela 19- Resultados comparativos das análises físico-químicas entre a formulação F16 e o óleo de mercado SSM. 58
Tabela 20- Resultados do teste de espuma. 60
Tabela 21- Resultados do teste de resistência microbiológica com emulsão a 10%. 61
Tabela 22- Comparação do custo de matéria-prima (R$/Kg) dos produtos. 62
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SUMÁRIO
OBJETIVO....................................................................................................................................... 11
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................... 12
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..................................................................................................... 14
2.1- FLUIDOS DE CORTE ......................................................................................................... 14
2.1.1- FUNÇÕES DOS FLUIDOS DE CORTE ...................................................................... 15
2.1.2- PROPRIEDADES DO FLUIDO DE CORTE ............................................................... 19
2.1.3- CLASSIFICAÇÃO DOS FLUIDOS DE CORTE ......................................................... 22
2.1.4- TIPOS DE FLUIDOS DE CORTE ................................................................................ 23
2.1.5- TIPOS DE ADITIVOS UTILIZADOS EM FLUIDOS DE CORTE ............................ 26
3. MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................................................ 28
3.1 MATERIAIS .......................................................................................................................... 28
3.1.1- TRIETANOLAMINA (TEA) ........................................................................................ 28
3.1.2- ANTICORROSIVO ....................................................................................................... 29
3.1.3- EMULSIFICANTE ........................................................................................................ 30
3.1.4- ÁCIDO GRAXO............................................................................................................ 30
3.1.5- TENSOATIVOS ............................................................................................................ 31
3.1.6- DEMAIS ADITIVOS .................................................................................................... 32
3.1.7- ÓLEO COMERCIAL (SSM) ......................................................................................... 33
3.1.8- EQUIPAMENTOS ........................................................................................................ 33
3.2 MÉTODOS ............................................................................................................................ 34
3.2.1- PREPARO DAS FORMULAÇÕES .............................................................................. 34
3.2.2- DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES E CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS DOS FLUIDOS DE CORTE ............................................................................... 34
3.2.2.1 ESTABILIDADE DO PRODUTO (NORMA YUSHIRO – NY-01) .......................... 34
3.2.2.2 DETERMINAÇÃO DE pH a 5% (NORMA YUSHIRO – NY-29) ............................ 35
3.2.2.3 CORROSÃO Á 3% EM CAVACO (NORMA YUSHIRO – NY-20) ......................... 35
3.2.2.4 ÍNDICE DE ACIDEZ (NORMA YUSHIRO – NY-04) .............................................. 37
3.2.2.5 ÍNDICE DE AMINA (NORMA YUSHIRO – NY-06) ............................................... 38
10
3.2.2.6 ESTUDO DO PERCENTUAL DE ESPUMA (NORMA YUSHIRO – NY-30)......... 39
3.2.2.7 ESTUDO DA RESISTÊNCIA MICROBIOLÓGICA (NORMA YUSHIRO – NY-32) .................................................................................................................................................. 39
3.2.2.8 ESTUDO DO COEFICIENTE DE FRICÇÃO (NORMA YUSHIRO – NY-38) ........ 40
3.2.2.9 ESTUDO DO APARECIMENTO DE MANCHA EM ALUMÍNIO E METAIS AMARELOS (NORMA YUSHIRO – NY-40) ....................................................................... 40
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................................. 41
4.1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 41
4.2 ESTUDO DO GRAU DE SIGNIFICÂNCIA DAS VARIÁVEIS DE CONTROLE ............ 41
4.3 ESCOLHA DAS VARIÁVEIS DE CONTROLE E SEUS RESPECTIVOS NÍVEIS PARA O DCCR ....................................................................................................................................... 46
4.4 OTIMIZAÇÃO DA FORMULAÇÃO DO FLUIDO DE CORTE POR MEIO DO DCCR . 48
4.5 ESTUDO COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES E CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS ENTRE A FORMULAÇÃO OTIMIZADA E ÓLEO DE MERCADO ................. 57
4.5.1 ESTABILIDADE DO PRODUTO (NORMA YUSHIRO – NY-01) ............................. 58
4.5.2 DETERMINAÇÃO DE pH a 5% (NORMA YUSHIRO – NY-29) ............................... 58
4.5.3 CORROSÃO EM CAVACO (NORMA YUSHIRO – NY-20) ...................................... 59
4.5.4 ÍNDICE DE ACIDEZ (NORMA YUSHIRO – NY-04) ................................................. 59
4.5.5 ÍNDICE DE AMINA (NORMA YUSHIRO – NY-06) .................................................. 59
4.5.6 ESTUDO DO PERCENTUAL DE ESPUMA (NORMA YUSHIRO – NY-30)............ 60
4.5.7 ESTUDO DA RESISTÊNCIA MICROBIOLÓGICA (NORMA YUSHIRO – NY-32) 60
4.5.8 ESTUDO DO COEFICIENTE DE FRICÇÃO (NORMA YUSHIRO – NY-38) ........... 61
4.5.9 ESTUDO DO APARECIMENTO DE MANCHA EM ALUMÍNIO E METAIS AMARELOS (NORMA YUSHIRO – NY-40) ....................................................................... 61
4.6 ANÁLISE COMPARATIVA DO CUSTO DOS FLUIDOS DE CORTE ............................ 62
5. CONCLUSÕES ........................................................................................................................... 63
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFRICAS ...................................................................................... 65
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OBJETIVO
Desenvolver um óleo solúvel em água para usinagem de metais, como por exemplo,
aço, aço inox, ferro fundido e, se possível, metais amarelos e alumínio. Esse novo produto
deve ter propriedades e características físico-químicas equivalentes ao produto de mercado,
mas, principalmente com um custo comercial reduzido. Avaliando o grau de significância
das variáveis de controle amina, anticorrosivo, emulsificante, ácido graxo e tensoativo,
considerando o valor de pH a 5% como variável de resposta. Para isso será utilizado
planejamento experimental do tipo fatorial fracionado e para otimização da formulação,
outro do tipo delineamento composto central rotacional.
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1. INTRODUÇÃO
Este trabalho foi realizado em parceria com a Empresa YUSHIRO DO BRASIL
INDÚSTRIA QUÍMICA LTDA. O projeto consistiu em desenvolver um óleo solúvel para
atender o mercado de “metalworking” com propriedades equivalentes a um produto de
mercado desta empresa, porém com o diferencial de menor custo.
Atualmente com o aumento da concorrência, de todos os níveis, os clientes estão
solicitando óleos mais versáteis, com maior poder anticorrosivo e maior resistência à
degradação das emulsões nos sistemas de usinagem. Sempre considerando o custo do
produto.
Óleos de usinagem, conhecidos também como fluidos de corte, têm importância
fundamental no desenvolvimento do mercado de “metalworking” (indústria metal-
mecânica). O principal processo de fabricação desse segmento é a usinagem, um dos mais
populares do mundo. Apesar dessa popularidade, trata-se de um processo complexo e
simples ao mesmo tempo, no qual se produzem peças removendo-se o excesso de material
na forma de cavacos. É um processo complexo devido às dificuldades em determinar as
imprevisíveis condições ideais de corte. E simples porque, uma vez determinadas essas
condições, o cavaco se forma corretamente, dispensando qualquer tipo de intervenção do
operador. As condições ideais de corte são as capazes de produzir peças dentro de
especificações de forma, tamanho e acabamento ao menor custo possível (MACHADO;
ABRÃO; COELHO; SILVA, 2009).
Em se tratando de sistemas de manufatura, qualquer condição de aumentar a
produtividade e/ou reduzir custos deve ser considerada. Na usinagem, seja em velocidade
de corte convencional ou em alta velocidade, deve ser considerado o uso de fluido de corte
e quando esse é escolhido e aplicado apropriadamente traz benefícios. A escolha
apropriada de um fluido de corte deve recair naquele que possui formulação química
confiável, propriedades e características físico-químicas corretas, para atacar as
adversidades de um processo de corte específico. Deve ser aplicado usando um método que
permita que ele chegue o mais próximo possível da aresta de corte, dentro da interface
cavaco-ferramenta, para que ele possa exercer suas funções adequadamente.
Esses fluidos são largamente utilizados no processo de usinagem para refrigerar e
lubrificar o sistema, melhorar o acabamento das peças produzidas, reduzir o desgaste de
13
ferramenta, remover os cavacos da área de corte, proteger contra corrosão as peças e o
equipamento (RUNGE; DUARTE, 1990).
Os avanços obtidos durante a fabricação têm garantido o sucesso dos fluidos de
corte, bem como o desenvolvimento de novos aditivos. Assim os fluidos de corte vêm
apresentando melhores propriedades refrigerantes e lubrificantes, menores riscos aos
operadores e maior resistência à degradação que os fluidos de corte de outras gerações.
Este trabalho é constituído de cinco capítulos, como descrito a seguir:
No Capítulo 1 tem-se uma introdução geral, seguida pelo Capítulo 2, onde são
descritos alguns aspectos teóricos sobre fluidos de corte, necessários à compreensão dos
resultados.
No Capítulo 3 apresentam-se os materiais e métodos utilizados para obtenção da
nova formulação, sua caracterização e análise comparativa com óleo de mercado. No
Capítulo 4 são apresentados e discutidos os resultados experimentais obtidos e no Capítulo
5 têm-se algumas conclusões e considerações finais sobre o trabalho.
14
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1- FLUIDOS DE CORTE
Por definição, trata-se de toda e qualquer substância fluida destinada a ser
empregada em operações de usinagem.
De acordo com Ferraresi (1977), como operação de usinagem entende-se aquela
que ao conferir forma, dimensões ou acabamento a peça ou combinação desses itens,
produz cavaco. E por cavaco entende-se aquela porção de material da peça retirada pela
ferramenta e caracterizada por apresentar forma geométrica irregular.
Em 1890, Taylor iniciou a utilização de fluido de corte na usinagem dos materiais.
Inicialmente, utilizou água para resfriar a região ferramenta/peça/cavaco, conseguindo um
amento de 33% na velocidade do corte (CAKIR et al., 2007)
Assim, pode-se considerar a água como o primeiro fluido de corte usado, dado o
seu elevado calor específico e calor latente de vaporização, os quais lhe conferem uma
grande capacidade de resfriar, tendo ainda a considerar o seu baixo custo.
Mas a água não molha eficientemente o metal, pois apresenta um pequeno poder
umectante não podendo, por isso, exercer plenamente as suas funções refrigerantes sob as
condições de trabalho. A maior desvantagem da água é o fato dela causar a corrosão dos
materiais ferrosos. Além disso, a água pura oferece uma lubrificação diminuta e só pode
ser empregado em um pequeno intervalo de temperatura.
Devido à capacidade da água de resfriar, elaboraram-se soluções aquosas, também
denominadas soluções químicas, que molham melhor o metal, e oxidam menos que a água
pura, apresentando ainda um certo poder lubrificante. Entre as soluções mais comuns,
temos as de sais de sódio e cálcio que se usam em operações de retificação e
esmerilhamento.
Procurando obter propriedades lubrificantes e de proteção contra ferrugem a partir
dos fluidos de corte, os pesquisadores se voltaram para os óleos.
Os óleos mostraram ser satisfatórios para muitas operações de corte. Foram
testados a seguir os óleos graxos que mostraram ser superiores aos óleos minerais quanto
ao seu poder lubrificante. Porém, os óleos de qualquer espécie não resfriam tão bem quanto
à água ou as soluções aquosas, uma vez que o seu calor específico é a metade do da água.
15
No entanto, os óleos, em virtude do seu grande poder lubrificante, reduzem
consideravelmente o atrito, por conseguinte, a quantidade de calor gerado na usinagem
diminui, o que pode, até certo ponto, compensar a sua menor capacidade de resfriar.
Procurando-se aliar as qualidades de refrigeração e lubrificação, desenvolveram-se
os óleos emulsionáveis, comumente denominados “óleos solúveis”, e as pastas
lubrificantes. Estes produtos formam emulsões quando misturados em determinadas
proporções com a água. Para trabalhos de usinagem, são mais usados os óleos
emulsionáveis do que as pastas, pois eles formam emulsões mais rapidamente e são de uso
mais fácil.
Com o constante aumento das velocidades de corte e a necessidade de usinar ligas
cada vez mais duras e tenazes, os fluidos de corte já enumerados não satisfaziam
plenamente, deixando de conferir a precisão desejada em certas operações de corte.
Surgiram então os fluidos de corte EP os quais, no início, constituíam os óleos
emulsionáveis com característica de extrema pressão, usando-se para isso óleos
sulfurizados. Posteriormente, e até os nossos dias, foram surgindo após constantes
desenvolvimentos, os óleos contendo cloro, associações de cloro e enxofre e, mais
recentemente, os óleos de corte contendo aditivos especiais à base de fósforo, como
elementos de extrema pressão, juntamente com o enxofre e cloro.
2.1.1- FUNÇÕES DOS FLUIDOS DE CORTE
Os fluidos de corte apresentam as seguintes funções:
- Refrigerar;
- Lubrificar (ação de antifricção e anti-solda);
- Melhorar o acabamento de superfície;
- Reduzir o desgaste das ferramentas;
- Remover os cavacos da área de corte;
- Proteger contra corrosão (equipamento, ferramenta e peça).
Embora as duas primeiras funções sejam consideradas prioritárias, há situações em
que a remoção de cavacos se torna crítica, como na furação profunda e no serramento,
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processos nos quais a aplicação deficiente de fluido de corte pode resultar no engripamento
dos cavacos, o que causa a quebra prematura da ferramenta de corte.
Agora sob baixas velocidades de corte, caso em que as temperaturas são mais
baixas, a refrigeração é relativamente sem importância, enquanto a lubrificação é
fundamental para reduzir o atrito e evitar a formação de arestas postiças de corte. Já sob
altas velocidades de corte, a temperatura de usinagem é mais elevada, além disso, as
condições não são favoráveis para a penetração do fluido de corte na interface para que ele
exerça suas funções.
As funções de refrigeração e lubrificação do fluido de corte serão detalhadas
abaixo:
� Refrigeração
A função primária do fluido de corte é a de remover o calor gerado durante a
operação de corte, para prolongar a vida útil das ferramentas e garantir a precisão
dimensional das peças através da redução de distorções térmicas (RUNGE e DUARTE,
1990).
As temperaturas envolvidas na área de corte variam consideravelmente. A
distribuição típica do calor na ferramenta é ilustrada na Figura 1.
Figura 1– Distribuição das temperaturas numa ferramenta. Fonte: Runge e Duarte, 1990, p.73.
A distribuição do colar entre ferramenta, peça e cavaco é mostrada na Figura 2,
onde os cavacos recebem a maior parte do calor gerado na operação de corte.
17
PEÇA 15%
CAVACO 70%
FERRAMENTA 15%
Figura 2– Distribuição do calor entre ferramenta, peça e cavaco. Fonte: Runge e Duarte, 1990, p.73.
Segundo Runge e Duarte (1990), aproximadamente 75% do calor gerado pela
deformação do metal da peça e outros 25% são gerados pelo atrito entre a ferramenta e o
cavaco. Se este calor não for removido de maneira eficiente, ocorrerão distorções térmicas
nas peças usinadas e rápida destêmpera das ferramentas de corte, resultando em rápido e
prematuro desgate e consequentemente em frequentes trocas das mesmas. O efeito do calor
sobre os materiais usados na fabricação de ferramentas é amplamente conhecido; de uma
maneira geral os materiais para ferramentas podem ser colocados na seguinte ordem
crescente de resistência: aço carbono, aço rápido, ligas fundidas, carbureto e óxidos.
A dureza inicial dos materiais usados para a fabricação de ferramentas e sua
diminuição em relação ao aumento de temperatura é mostrada na Figura 3.
Figura 3– Relação da dureza dos materiais em função da temperatura. Fonte: Runge e Duarte, 1990, p.74.
18
À medida que a ferramenta realiza sua função de corte, o metal deforma-se por
cisalhamento ou fluxo plástico ao longo de um plano de cisalhamento que se estende do
topo da ferramenta para a superfície do metal, conforme ilustra a Figura 4. Abaixo do
plano de cisalhamento, há metal que não sofreu qualquer distúrbio e, acima do mesmo, o
metal forma o cavaco. A redução do atrito na interface ferramenta-cavaco aumenta o
ângulo de cisalhamento, resultando em cavaco de pouca espessura, com menor deformação
de metal. A velocidade de corte é um dos mais importantes entre os fatores que influem
sobre o acabamento da superfície das peças. Mecanicamente falando quanto mais alta a
velocidade de corte, mais eficiente será a acão de corte quanto ao aspecto de acabamento
de superficie e de energia dispendida. À baixa velocidade, o calor dissipa-se rapidamente
na zona de corte, resultando em efeito de têmpera na superfície da peça e formação de
depósitos na ponta da ferramenta (arestas postiças).
Figura 4– O mecanismo do corte de metais. Fonte: Runge e Duarte, 1990, p.75.
� Lubrificação
Por melhor que seja o acabamento superficial da ferramenta sempre haverá, em
escala microscópica, asperezas Em forma de pico e vales, como mostra a Figura 5.
FLUIDO DE
CORTE
CAVACO
FERRAMENTA
FLUIDO DE
CORTE
CAVACO
FERRAMENTA
Figura 5– Seção transfersal da interface cavaco-ferramenta. Fonte: Runge e Duarte, 1990, p.76.
19
As pequenas saliências existentes na ferramenta colidem com saliências existentes
nos cavacos, à medida que estes deslizam sobre a ferramenta, e, sob as condições de alta
temperaturas e pressões, podem chegar a soldar-se. O contínuo cisalhamento destas
asperezas soldadas resulta em desgaste da ferramenta, principalmente na ponta, onde
ocorre a concentração do calor. Pequenas partículas do cavaco soldam-se na ponta da
ferramenta, formando aresta postiça. Enquanto uma aresta postiça pequena e controlada
pode ser benéfica para prolongar a vida útil das ferramentas entre as afiações, arestas
postiças excessivas e descontroladas resultam em mau acabamento de superfície.
O fluido de corte penetra entre a superfície da ferramenta e a do cavaco por
capilaridade e resulta em redução do atrito, aumento do ângulo de cisalhamento e cavaco
de menor espessura. Reduzem-se o consumo de energia e a geração de calor. A
inexistência, ou a existência controlada da aresta postiça expõe superfícies metálicas
recém-geradas ao calor e às pressões, criando assim condições para que possam reagir com
os aditivos presentes no fluido de corte para formar películas sólidas de baixa resitência ao
cisalhamento entre as superfícies em atrito. O cavaco desliza livremente sobre as
superfícies da ferramenta, a qual rende muito mais entre as afiações. As velocidades de
corte e de avanço podem ser aumentadas e produzem-se mais peças entre as reafiações das
ferramentas.
2.1.2- PROPRIEDADES DO FLUIDO DE CORTE
Além de propriedades de refrigerar e lubrificar, um fluido corte deve apresentar
outras propriedades também muito importantes para um bom desempenho durante a
operação de usinagem, como:
• Propriedades Anticorrosivas – necessárias para proteger contra corrosão a peça, a
ferramenta e os componentes da máquina operatriz.
• Propriedades Antiespumantes – devido à considerável agitação e aeração que os
fluidos sofrem, às vezes em virtude da alta pressão de trabalho, existe a tendência
de formação de espuma. Assim essa propriedade é necessária para evitar formação
de espuma persistente que possa vir a dificultar a visão do operador ou influir
20
negativamente sobre a propriedade de refrigeração por meio de bolhas de ar na área
do corte, baixa transferência de calor no reservatório, entre outras.
• Propriedades Antioxidantes – necessárias para evitar a oxidação do fluido de corte
prematuramente sob a ação das elevadas temperaturas e da forte aeração às quais é
exposto, provocando assim a degradação do fluido.
• Umectação – boa capacidade de umectação faz com que a superfície da peça, a
ferramenta e os cavacos sejam molhados rapidamente pelo fluido e influi sobre a
propriedade de refrigeração. Além das matérias graxas, para melhorar a umectação
dos fluidos faz-se uso de componentes específicos nos fluidos de corte.
• Absorção de calor – influenciada pela viscosidade, pelo calor específico, pela
condutibilidade térmica, e, no caso de fluidos aquosos, até certo grau, pelo calor
latente de vaporização, influenciando diretamente sobre as propriedades de
refrigeração.
• Propriedades antifricção (antidesgaste) – reforçam as propriedades lubrificantes do
óleo mineral são proporcionadas pela matéria graxa e aditivos do tipo ZDTP
(ditiofosfato de zinco) e outros.
• Propriedades anti-solda – necessárias quando o poder lubrificante e os aditivos
antidesgaste não são suficientes para resistir às elevadas pressões de corte. Incluem
nesta área os aditivos EP à base de enxofre, cloro e outros.
• Estabilidade do fluido – A estabilidade durante a estocagem e uso é necessária para
assegurar que o produto seja homogêneo ao chegar à área de corte. Os óleos
emulsionáveis são bastante sensíveis quanto à estabilidade, devido à variedade de
matéria-prima utilizadas na formulação. Entretanto, os óleos integrais e os fluidos
sintéticos também apresentam a possibilidade de separação durante sua estocagem,
se as matérias-primas não forem selecionadas corretamente.
21
• Ausência de odores – a ausência de odores fortes e/ou desagradáveis é muito mais
importante tendo em vista de que o fluido de corte, na operação de usinagem, expõe
grandes superfícies à atmosfera e que o seu aquecimento durante o corte contribui
mais ainda para o desprendimento de odores.
• Isenção de precipitados – o fluido não deve formar precipitados sólidos ou de
qualquer outra natureza. Esta propriedade é importante para garantir a sua livre
circulação pelo sistema, e evitar o seu depósito sobre guias e barramentos. Óleos
emulsionáveis são particularmente sensíveis a esse problema na presença de água
dura. Fluidos sintéticos podem formar resíduos às vezes difíceis ou impossíveis de
serem removidos por meios normais.
• Viscosidade – deve ser suficientemente baixa de modo a permitir uma fácil
circulação do fluido, bem como favorecer a decantação rápida das limalhas e
contaminantes em geral. Em algumas aplicações, por outro lado, é importante que a
viscosidade seja suficientemente elevada, de modo a permitir uma boa aderência do
fluido às arestas da ferramenta de corte.
• Baixa tendência à formação de névoa – deve-se evitar a formação de nevoa. Isto
geralmente ocorre devido às elevadas velocidades de operação das máquinas e do
mau dimensionamento do fluido de corte para a operação em questão. Em óleos
integrais a viscosidade influencia bastante. São utilizados aditivos antinévoa, que
devido ao seu alto peso molecular, reduzem a formação da mesma.
• Compatibilidade com meio ambiente – deve ser avaliada em relação a saúde
humana, porque os operadores das máquinas são expostos ao contato direto e por
longo período de tempo à aspiração de névoa e vapores formados durante a
operação. A máquina é composta de uma grande variedade de materiais, e esses
devem ser compatíveis com o fluido e não podem agredir o meio ambiente.
• Propriedades de lavagem e decantação de cavacos e impurezas – devido à
considerável quantidade de cavaco e poeira produzidos durante o corte, esses
devem ser rapidamente removidos da área de corte para evitar quebra da ferramenta
22
e danos à peça. No caso de furação profunda, rosqueamento de furos cegos e
operações semelhantes, a remoção dos cavacos é particularmente importante. As
propriedades dos fluidos de corte que influem sobre a ação de lavagem são a
viscosidade, a tensão superficial e a facilidade de decantação dos cavacos. Outro
aspecto relevante é que cavacos finos não removidos influem sobre o grau de
acabamento das superfícies, principalmente em operações de retifica, mas pode
causar lesões na pele do operador da máquina ao manipular peças, limpar as mãos.
• Propriedades bactericidas e fungicidas – evitam a decomposição por bactérias e
fungos dos fluidos de corte, bem como odores desagradáveis e entupimento de
tubulações.
• Transparência – é desejável para permitir que o operador observe a peça durante o
processo de usinagem.
2.1.3- CLASSIFICAÇÃO DOS FLUIDOS DE CORTE
Os fluidos de corte podem ser classificados de várias formas, entretanto não há uma
padronização. Os fluidos gasosos e sólidos são descritos em literatura técnica, estudos de
Shaw (1982) relatam aumentos significativos de vida de ferramenta com uso de fluidos
gasosos, mas o uso industrial é inviável comercialmente.
Desta forma, industrialmente são mais utilizados os fluidos líquidos de corte e
existe uma variedade grande disponível no mercado com diversos fornecedores atuando
para atender as indústrias metal mecânicas. Esses produtos podem ser divididos em quatro
classes e agrupados em dois tipos básicos (COMMITEE, 1991):
• Fluidos de corte integral – compreendidos pelos óleos integrais, que não são
emulsionáveis em água. São encontrados em uma variedade muito grande em
relação a sua viscosidade e níveis de aditivação.
• Fluidos de corte solúvel – compreendidos pelos fluidos emulsionáveis, semi-
sintéticos e sintéticos.
23
Figura 6– Tipos de Fluidos de corte e suas subdivisões.
2.1.4- TIPOS DE FLUIDOS DE CORTE
• Óleos Integrais – têm como principal matéria-prima o óleo mineral básico, podendo
ser utilizado sem aditivação ou na presença de aditivos polares e/ou aditivos
químicos ativos ou inativos óleos de corte possuem excelentes propriedades
lubrificantes, boa característica anticorrosiva, vida útil longa, porém possuem
propriedades refrigerantes inferiores aos fluidos de corte solúveis (WEBSTER,
1995; SALES, 2001). Não são corrosivos e, se utilizados corretamente permanecem
com as propriedades inalteradas por um longo tempo. O tipo de óleo mineral básico
empregado na formulação é importante para não causar danos à saúde do operador,
deve ser utilizado óleos base parafínica ou naftênica e com baixo nível de
aromáticos.
24
• Fluidos Emulsionáveis – são comumente chamados de óleos solúveis, emulsões ou
óleos emulsionáveis. Esses tipos de fluidos combinam as propriedades de
lubrificação e prevenção da oxidação do óleo com excelentes propriedades da água
de resfriamento. Emulsões, com suas propriedades de lubrificação e refrigeração,
são mais eficientemente utilizadas para operações de corte de metal com altas
velocidades de corte e de baixas pressões de corte acompanhada pela geração de
calor considerável. Uma emulsão é uma suspensão de gotículas de óleo em água
feitos através da mistura do óleo com emulgadores, agentes tensoativos e outros
aditivos. Estes emulsificantes ou emulgadores reduzem o tamanho das partículas do
óleo mineral em gotículas (frações menores), mantendo-as dispersas e evitando a
sua coalescência por longos períodos de tempo. A utilização de agentes
emulsificantes em fluidos solúveis reduz a tensão superficial significativamente,
podendo assim provocar formação de espuma no sistema. Para minimizar tal
problema faz-se uso de antiespumante na composição do fluido de corte.
Bactericidas, geralmente compostos orgânicos, são adicionados para controlar o
crescimento de microrganismos, como bactérias e fungos. Mesmo as emulsões
apresentando menor poder de lubrificação, incluem-se entre as vantagens um maior
poder refrigerante (maior redução de calor), as condições de trabalho mais limpo, a
economia resultante da diluição com água, melhor aceitação do operador,
benefícios à saúde e segurança. Elas podem ser usadas para praticamente todas as
operações industriais de corte. (EL BARAIDE, 1996; SALES et al.,2001).
• Fluidos Sintéticos – são conhecidos também como soluções químicas, suas
formulações contêm emulsificantes, tensoativos, agentes anticorrosivos,
passivadores, antiespumantes, bactericidas, algumas vezes agentes de lubricidade e
são isentas de óleo mineral. Os tipos mais simples oferecem boa proteção
anticorrosiva e ótima refrigeração, geralmente utilizada para usinagem de retifica
de desbaste. Já os tipos mais complexos podem ser considerados como produtos de
uso geral, com boas propriedades de refrigeração, lubrificação e anticorrosivas. As
propriedades de detergência e decantação ajudam a prolongar a vida útil do fluido
e também são menos suscetíveis à proliferação de bactérias (MACHADO et al.,
2009) . Proporcionam soluções estáveis e apesar de não conter óleo mineral, a
lubricidade dos agentes umectantes proporcionam poder lubrificante suficiente para
25
operações de usinagem mais severas (RUNGE e DUARTE, 1990). Foram soluções
translúcidas ou transparentes, resultando em boa visibilidade durante a operação de
usinagem (BENITO et al., 2009).
• Fluidos Semi-sintéticos – apresentam um teor de óleo mineral menor que os fluidos
emulsionáveis (menos de 50% no fluido concentrado) e podem ser chamados, mais
apropriadamente, de óleos solúveis com baixo teor de óleo mineral. Possuem em
sua formulação óleos minerais, água, emulgadores, anticorrosivos, bactericidas.
Possuem alto teor de emulgadores, e conseqüentemente formam particulas de óleo
menores, o que resulta em emulsões translúcidas ou transparentes o que faz com
que freqüentemente sejam confundidas com os fluidos. Este tipo de fluido
apresenta boas propriedades de umectação, de lubrificação e baixo potencial de
corrosão e de ataque bacteriano. Os fluidos semi-sintéticos geralmente possuem
suficiente poder lubrificante para aplicações moderadas a pesadas. Com melhores
propriedades de umectação que os óles solúveis convencionais, permitem mais
altas velocidades e avanços. Possuem usualmente melhores propriedades de
decantação e limpeza do que os óleos solúveis convencionais, contribuindo assim
para mais longa vida útil nos sitemas. Devido ao baixo teor de óleo, apresentam
menor formação de névoa. (EL BARADIE, 1996).
Figura 7– Classificação e composição básica dos fluidos de corte solúveis. Fonte: BENITO el at., 2009.
26
2.1.5- TIPOS DE ADITIVOS UTILIZADOS EM FLUIDOS DE C ORTE
O desempenho desses fluidos depende da sua formulação. A concentração de
emulsificante (surfactante) desempenha um papel fundamental não só no comportamento
de lubrificação, mas também em outras propriedades, tais como a estabilidade, tamanho de
gota ou molhabilidade, que afetam significativamente o desempenho MWF. A fim de
evitar a proliferação de microrganismos, os biocidas são adicionados ao MWFs. A
caracterização do sistema óleo-água-surfactante pode prolongar a vida útil da emulsão e
diminuir o custo do processo (et al Bataller 2004;. Fernández et al, 2005a).
Os aditivos utilizados nas formulações dos fluídos de corte são compostos
químicos, a maioria deles orgânicos, que quando estão em sinergismo, aumentam a
eficiência dos mesmos e conferindo ao fluido as características necessárias às exigências
das operações de usinagem (Petrobrás, 1999). Segundo Runge e Duarte, os principais
aditivos são:
• Antiespumante – agentes químicos que previnem e reduzem a formação de espuma
estável pela aglutinação das minúsculas bolhas de ar que se encontram na superfície
do óleo, formando assim bolhas maiores e instáveis. Isso ocorre pela redução da
tensão superficial de modo a permitir uma maior velocidade de colapso das bolhas
de ar. Geralmente utilizando compostos de silicone.
• Anticorrosivo – substâncias químicas que evitam o ataque dos agentes corrosivos
às superfícies metálicas. Protegendo contra corrosão não só as partes do
equipamento, mas principalmente as peças quando em contato com o fluido de
corte. A ação desse aditivo é pela adsorção de aditivos polares nas superfícies
metálicas, formando uma película que repele a água e neutraliza os ácidos
corrosivos. Usualmente utilizam-se aminas combinadas com ácidos orgânicos,
sulfonato de sódio, parafinas oxidadas ou ainda nitrito de sódio.
• Antidesgaste/Extrema Pressão (EP) – são aditivos que confere ao fluido de corte
uma lubricidade adicional quando necessário para operações mais severas,
suportando as elevadas temperaturas e pressões do corte. Formam uma película na
superfície, evitando o contato direto metal-metal. Essa película é menos resistente
27
ao cisalhamento do que o metal base, reduzindo o atrito e impedindo o
grimpamento das superfícies de contato. Muitas vezes são compostos orgânicos
contendo cloro, fósforo, enxofre ou zinco.
• Biocidas – compostos químicos que reduzem o crescimento de microrganismos
(bactérias, fungos e leveduras) em emulsões de fluidos de corte. Evitando a rápida
degradação do fluido, a quebra da emulsão, a formação de subprodutos e a
ocorrência de efeitos maléficos pelo contato do homem com as emulsões
contaminadas.
• Detergentes – são compostos organometálicos contendo sódio, cálcio ou magnésio
que mantêm as superfícies metálicas livres de depósitos, lamas ou borras. Esses
reagem com os resíduos superficiais, como lama ou materiais de processos
anteriores, neutralizando e mantendo solúveis.
• Emulgadores/Emulsificantes/Tensoativos - são agentes químicos que permitem
formar emulsões do tipo óleo em água (O/A) ou água em óleo (A/O), mantendo as
propriedades do óleo mineral. Reduz a tensão superficial e forma uma película
monomolecular relativamente estável na interface óleo-água. Normalmente utiliza-
se sabão de ácidos graxo, gorduras sulfatadas, sulfonatos de petróleo, emulgadores
não-iônicos e álcool etoxilado.
• Passivador metálico – compostos que impedem ou neutralizam o efeito catalítico
dos metais na oxidação. Formam uma película protetora inativa por absorção ou
adsorção, resultando em um complexo catalítico inativo com os íons metálicos
solúveis e insolúveis. Muito utilizado em fluidos destinados para usinagem de
metais amarelos, alumínio e materiais zincados.
28
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo, são apresentadas as matérias-primas e aditivos utilizados durante os
procedimentos experimentais, bem como as metodologias empregadas na obtenção das
novas formulações, no estudo das propriedades e características físico-químicas das
mesmas.
3.1 MATERIAIS
3.1.1- TRIETANOLAMINA (TEA)
A Trietanolamina, esse tipo de amina denominada industrialmente de TEA, é um
composto químico orgânico que atua como uma base fraca devido a par de elétrons no
átomo de nitrogênio. Apresenta-se como um líquido viscoso, límpido, pouco higroscópio e
volátil, totalmente solúvel em água e miscível com a maioria dos solventes orgânicos
oxigenados. Possuiu um odor amoniacal suave.
Tabela 1– Propriedades físico-químicas da TEA. Aspecto Líquido límpido, incolor
pH, solução aquosa a 10% peso a 20ºC 10,6
Ponto de Ebulição 335 a 340ºC (decompõe-se)
Ponto de Fulgor, copo abeto 190°C
Densidade, 20ºC 1,124g/cm3
Solubilidade, em água a 20ºC completa
Viscosidade, 30ºC 400mPa.s.
Na Figura 8 é demonstrada a estrutura química, fórmula molecular e o número CAS
da trietanolamina (TEA).
29
Figura 8- Trietanolamina (TEA), Fórmula molecular: C6H15NO3, CAS: 102-71-6.
Na formulação de fluido de corte, a TEA é utilizada para manter uma boa reserva
alcalina do produto, contribuindo com o valor de pH e evitando assim a rápida deterioração
da emulsão nos sistemas de usinagem e também auxiliam na ação anticorrosiva em
conjunto com ácidos orgânicos.
3.1.2- ANTICORROSIVO
Trata-se de mistura de ácido dibásico, principalmente cadeias com 11 e 12 átomos
de carbono, livre de nitritos, que proporciona excelentes propriedades anticorrosivas.
Tabela 2– Propriedades físico-químicas do anticorrosivo. Estado físico Flocos sólidos
Cor Variadas
Temperatura de fusão 85 ∼ 95ºC
Ponto de fulgor 190ºC
Peso específico 1,02
Na Figura 9 é demonstrada a estrutura química, fórmula molecular e o número CAS
do anticorrosivo utilizado.
Figura 9- Mistura de ácido dibásico, CAS: 72162-23-3.
30
Essa mistura de ácidos é um efetivo inibidor de corrosão para uma variedade de
fluidos de corte, incluindo os sintéticos, semi-sintéticos e óleos emulsionáveis. O poder
anticorrosivo é aumentado quando se utiliza em conjunto com aminas (MEA, DEA, TEA,
DGA ou AMP).
3.1.3- EMULSIFICANTE
Trata-se de um aditivo, base éster derivado vegetal, responsável pela formação de
emulsão do óleo em água. Reduzem a tensão superficial e formam uma película
monomolecular semiestável na interface óleo/água.
Por questões de propriedade industrial da YUSHIRO DO BRASIL INDÚSTRIA
QUÍMICA LTDA, neste caso, não é possível fornecer detalhes da molécula e número
CAS.
3.1.4- ÁCIDO GRAXO
São compostos orgânicos de cadeia longa, pode apresentar uma ou mais duplas
ligações. Têm como grupo funcional, o grupo carboxílico. Para este estudo será utilizado
ácido graxo do “Tall Oil”. Composto principalmente de ácido oléico e linoléico.
Tabela 3– Propriedades físico-químicas do ácido graxo de “Tall Oil”. Aspecto Líquido amarelo
Índice de acidez, mg KOH/g 170 ∼ 190
Índice de iodo, gI2/100g 130 min.
Índice de saponificação, mg KOH/g 175 ∼ 195
31
Tabela 4– Composição do ácido graxo de “Tall Oil”. Ácido palmítico (C16.0) 4 ∼ 8%
Ácido esteárico (C18.0) 2 ∼ 4%
Ácido oléico (C18.1) 30 ∼ 45%
Ácido linoléico (C18.2) 20 ∼ 30%
Na Figura 10 é demonstrada a estrutura química, fórmula molecular e o número
CAS do ácido graxo (“Tall Oil”).
Figura 10- Ácido Graxo de “Tall Oil” (mistura de ácido oléico e linoleico), CAS: 61790-12-3.
Na formulação de fluido de corte, os ácidos graxos são utilizados para proporcionar
um poder maior lubricidade. Isso ocorre devido à polaridade da molécula, formando uma
película antidesgaste por adsorção nas superfícies metálicas.
3.1.5- TENSOATIVOS
São moléculas cuja estrutura química contém grupos com afinidades distintas e
interligadas, ou seja, uma cabeça polar ou hidrofílica (afinidade com água) ligada a uma
cauda apolar ou hidrofóbica (afinidade com óleo). Os tensoativos podem ser classificados
de acordo com a região polar ou hidrofílica, em: iônicos (catiônicos, aniônicos e anfóteros)
e não iônicos.
32
Neste trabalho, será utilizado álcool laurílico etoxilado que pertence ao grupo de
tensoativos não iônicos.
Tabela 5– Propriedades físico-químicas do tensoativo. Aspecto Líquido viscoso incolor, praticamente
inodoro
pH, solução aquosa a 1% em peso 6 ∼ 8
Ponto de Fulgor, copo aberto 160ºC
Densidade, 20ºC 0,925 g/cm3
Viscosidade, 25ºC 32mPa.s.
Na Figura 11 é demonstrada a estrutura química, fórmula molecular e o número
CAS do tensoativo utilizado.
Figura 11- Álcool Laurílico Etoxilado (n = número de unidades de óxido de eteno; R = cadeia do álcool graxo com 12 átomos de carbono), CAS: 9002-92-0.
Nas formulações de fluido de corte, o álcool laurílico etoxilado é utilizado para
auxiliar na estabilidade do produto, além proporcionar uma boa umectação das superfícies
e detergência. Em comparação com outros tipos de tensoativos, apresenta uma baixa
tendência a formação de espuma nos sistemas de usinagem.
3.1.6- DEMAIS ADITIVOS
• Água com dureza de 45 ppm;
• Apassivador de Metais – propriedade industrial;
• Antioxidante – propriedade industrial;
• Biocida – Benzotiazolinona (BIT);
• Fungicida – propriedade industrial;
• Óleo Refinado de Soja.
33
3.1.7- ÓLEO COMERCIAL (SSM)
Neste trabalho será utilizado o óleo denominado de SSM, produzido e
comercializado pela YUSHIRO DO BRASIL, que se trata de um óleo solúvel semi
sintético de base mineral para usinagem de metais ferrosos. Contém água, amina,
anticorrosivo, antioxidante, ácido graxo, emulsificante, biocida, fungicidas e tensoativo.
Tabela 6– Propriedades físico-químicas do óleo SSM.
Aparência Castanho
Densidade 20/4ºC, g/cm³ 0,990 ∼ 1,100
Índice de Acidez, mg KOH/g 15 ∼ 25
Índice de Amina, mg HCl/g 60 ∼ 80
Corrosão em Cavaco Fundido 3%/hs Grau 1 em 24 horas
pH a 5% 9,0 a 9,4
3.1.8- EQUIPAMENTOS
• Agitador magnético com aquecimento – marca FISATOM;
• Balança Eletrônica com precisão de 0,01 g – marca SHIMADZU;
• Balança Semi Analítica com precisão de 0,0001 g – marca SHIMADU;
• Bastão magnético – marca FISATOM;
• Béquer de vidro de 600 ml – marca TGI;
• Bomba aeradora com tudo poroso;
• Bureta de 25 ml;
• Estufa com circulação de ar – marca FANEM;
• Erlenmeyer de 125 ml – marca TGI;
• Frasco de vidro para estabilidade de 200 ml – marca APACE;
• Kit bactéria, tipo lamino cultivo – marca INTERLAB;
• pH-metro – marca DIGIMED;
• Placa de Petri;
• Papel de filtro – marca NALGON;
34
• Proveta de vidro de 500 ml – marca SATELIT;
• Termômetro – marca INCOTERM.
3.2 MÉTODOS
3.2.1- PREPARO DAS FORMULAÇÕES
As formulações foram preparadas a partir de planejamento experimental, divido em
duas etapas, sendo o primeiro do tipo fatorial fracionado 25-1 para avaliar o grau de
significância de cada variável de controle e, o segundo, do tipo delineamento composto
central rotacional (DCCR) para otimização final das novas formulações.
Todas as formulações preparadas seguiram o mesmo procedimento experimental
descrito abaixo:
Passo 1. Adicionar ao béquer a primeira sequencia (contém água, amina, anticorrosivo, e
antioxidante), aquecer entre 75 a 80ºC e agitar por 15 minutos.
Passo 2. Resfriar até 55ºC, adicionar a segunda sequencia (contém emulsificante, ácido
graxo e fungicida) e agitar por 15 minutos.
Passo 3. Adicionar a terceira parte (contém óleo refinado, biocida, apassivador e
tensoativo) e agitar por 20 minutos.
Passo 4. Resfriar abaixo de 30ºC e guardar o produto em frascos de vidro devidamente
identificado.
3.2.2- DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES E CARACTERÍSTI CAS FÍSICO-
QUÍMICAS DOS FLUIDOS DE CORTE
3.2.2.1 ESTABILIDADE DO PRODUTO (NORMA YUSHIRO – NY -01)
Após o procedimento de formulação, deve-se reservar entre 100 e 150 mL do
produto em um frasco de vidro transparente com tampa e devidamente identificado. O
frasco deve permanecer em repouso e a temperatura ambiente durante um período de 12
dias. Ao longo deste período deve ser observado se o produto apresentará algum tipo de
separação de fases ou aspecto turvo. A análise é verificada visualmente e o produto não
35
apresentando nenhum problema de estabilidade é considerado conforme. Caso venha
apresentar separação ou aspecto turvo, o mesmo deve ser classificado como não conforme.
3.2.2.2 DETERMINAÇÃO DE pH a 5% (NORMA YUSHIRO – NY -29)
A determinação do pH é realizada pelo método potenciométrico, por meio do
instrumento pH-metro. Antes do uso, deve-se verificar a limpeza e calibração do
instrumento/elétrodo, utilizando soluções tampões de referência.
Então se prepara uma emulsão a 5% de óleo em água, utilizando provetas de 100ml
e com agitação vigorosa. Em seguida imergir o elétrodo de vidro do pH-metro dentro da
emulsão preparada. Deve-se esperar a estabilização do instrumento e anotar o valor de pH
mostrado no display.
3.2.2.3 CORROSÃO Á 3% EM CAVACO (NORMA YUSHIRO – NY-20)
A corrosão em cavaco consiste em contar as manchas sobre um filtro de papel
utilizado, como resultado da ação corrosiva dos fluidos de corte solubilizados em água
sobre os cavacos de ferro fundido.
Prepara-se uma emulsão do fluido a 3% numa proveta de 100ml. Deve-se pesar 2g
de cavaco de ferro fundido, sobre o papel de filtro já acondicionado na placa de Petri, em
seguida pipetar 3ml da emulsão a ser testada, umedecer os cavacos de ferro uniformemente
e espalhar utilizando uma espátula de plástico. A placa de Petri deve ser coberta e deixada
em repouso durante 24 horas. Após esse tempo descartar os cavacos cuidadosamente e
verificar visualmente o grau de corrosão, comparando com a classificação apresentada na
Figura 12 e na Tabela 7.
Figura 12– Aparência do papel filtro, após teste de corrosão em cavacos.
36
Tabela 7– Avaliação do grau de corrosão em cavacos.
Grau de Corrosão Significado Aparência da Superfície do
Filtro
0 Sem Corrosão
Inalterada ou sem manchas.
1 Vestígios de Corrosão
Até três sinais de corrosão no
máximo, com diâmetros
médios inferiores a 1mm.
2 Ligeira Corrosão
Com manchas que
compreendam área não
superior a 1% do papel filtro,
mas com número de manchas
que o grau 1 ou com
tamanhos maior que 1mm.
3 Corrosão Moderada
Com manchas que
compreendam área superior a
1% do papel filtro, mas não
superior a 5% da superfície.
4 Forte Corrosão
Acima de %5 da superfície
do papel filtro.
37
3.2.2.4 ÍNDICE DE ACIDEZ (NORMA YUSHIRO – NY-04)
O índice de acidez consiste em determinar o valor que representa a acidez de um
material orgânico e pode ser correlacionado com as propriedades anticorrosivas do
produto.
Coloca-se o erlenmeyer na balança e tara o seu peso. Pesa-se em duplicata a
amostra e anota-se o peso. Adiciona aproximadamente 50 mL da solução padrão e agitar a
fim de dissolver toda a amostra. Solução padrão é preparada com 50% de solvente e 50%
de álcool etílico 96%. Adiciona-se a solução de Hidróxido de Potássio N/10 dentro da
Bureta. Adiciona-se 3 a 5 gotas do indicador fenolftaleína dentro do erlenmeyer com a
amostra. Essa amostra deve ser titulada com a solução de Hidróxido de Potássio N/10 até a
mudança para a cor rosa claro. Anota-se o volume gasto e efetua-se o cálculo. Caso os
resultados das amostras apresentem diferença de 5% maior ou menor, deve se repetir o
ensaio.
INDICE DE ACIDEZ (mg KOH/g) = A x F /g
Onde:
A = Volume de KOH.
F = Fator da solução de KOH.
g = Peso da amostra.
Determinação do Fator (F)
Pipeta-se 20 ou 10 mL da solução de ácido oxálico N/10 dentro de um erlenmeyer
de125 ou 300 mL. Adiciona-se3 a 5 gotas de indicador fenolftaleína dentro do erlenmeyer.
Titular com a solução de KOH N/10 até a mudança de cor (incolor para rosa claro). Repetir
três vezes o procedimento e calcular a média para efetuar o cálculo do fator.
F = V1 / V2 x K
Onde:
F = Fator desejado
V1 = Volume de Acido Oxálico N/10
38
V2 = Volume de N/10 KOH gasto
K = Constante (5,611)
3.2.2.5 ÍNDICE DE AMINA (NORMA YUSHIRO – NY-06)
O índice de amina está correlacionado com a reserva alcalina, que implicará em
uma maior resistência microbiológica. Coloca-se o erlenmeyer na balança e tara-se o seu
peso. Pesa-se a amostra em duplicata e anotam-se os pesos. Adiciona-se aproximadamente
50 mL da solução padrão para diluição da amostra. Solução padrão é preparada com 50%
de solvente e 50% de álcool etílico 96%. Agita-se até a dissolução completa da amostra.
Adicionam-se a solução de ácido clorídrico N/2 dentro de uma bureta de 25 mL. Adiciona-
se 3 a 5 gotas do indicador azul de Bromofenol 0,1% dentro do erlenmeyer com a amostra.
Titula-se com a solução de ácido clorídrico N/2 até a mudança da cor azul para amarelo.
Anotar-se o volume gasto de HCl e efetuar o cálculo. Caso os resultados das amostras
apresentem diferença de 5% maior ou menor, o ensaio deve ser repetido.
ÍNDICE DE AMINA ( mgHCl) = A x F / g
Onde:
A = Volume gasto de HCl. (mL)
F = Fator constante do HCl.
g = Peso da amostra. (g)
Determinação do Fator (F)
Pipeta-se 20 mL da solução de carbonato de sódio N/2 dentro de um erlenmeyer de
125 ou 300 mL. Adiciona-se 3 a 5 gotas de indicador metil orange 0,1% dentro do
erlenmeyer. Titula-se com a solução de HCl N/2, até a mudança da cor (laranja para rosa
claro). Anota-se o volume gasto de HCl N/2 e efetuar o cálculo.
F = V1 / V2 x K
Onde:
F = Fator constante
39
V1 = Volume de Carbonato de sódio N/2
V2 = Volume de HCl N/2 gasto
K = Constante (28.05)
3.2.2.6 ESTUDO DO PERCENTUAL DE ESPUMA (NORMA YUSHIRO – NY-30)
Este ensaio é verificado o volume de espuma formado quando a emulsão do fluido
de corte é submetida à aeração e quanto tempo a espuma é cessada após a retirada da
aeração.
Prepara-se 300 ml de emulsão a 10% com o fluido do corte a ser testado, em uma
proveta de 500 ml. Insira-se na proveta o tubo do aerador e ligue o equipamento. A aeração
deve ser constante durante 5 horas. Após esse tempo, anota-se o volume de espuma
formada e desliga-se o equipamento. Em seguida, cronometra-se o tempo que a espuma
levará para se desfazer.
Com esse resultado pode-se ter um idéia de como o fluido irá se comportar se
trabalhar em sistemas com alta pressão.
3.2.2.7 ESTUDO DA RESISTÊNCIA MICROBIOLÓGICA (NORMA YUSHIRO –
NY-32)
Com este ensaio é possível verificar como o fluido de corte se comportará em
relação à degradação da emulsão ao longo do tempo. O ensaio é realizado em situação
severa.
Prepara-se 200 ml de emulsão a 10% com o fluido de corte. Em um frasco de vidro,
pesa-se 50 g de cavaco de ferro fundido e 2 g de fubá. Adiciona-se a emulsão dentro deste
frasco. Diariamente realiza-se ensaios de determinação de pH e teste de lamino cultivo (Kit
de bactéria da Interlab) para determinação da proliferação de bactérias.
40
3.2.2.8 ESTUDO DO COEFICIENTE DE FRICÇÃO (NORMA YUSHIRO – NY-38)
O coeficiente de fricção é um valor adimensional que pode ser correlacionado com
a característica de lubricidade do fluido de corte. Este valor é inversamente proporcional ao
poder de lubricidade, ou seja, quanto mais próximo de zero, maior será a lubricidade
proporcionada pelo fluido de corte e isso pode representar um melhor desempenho
operacional e/ou ferramental. Sozinho o coeficiente de fricção é apenas um número, o ideal
é sempre comparar este valor com um fluido de corte de mercado para verificar qual pode
apresentar uma melhor lubricidade.
Prepara-se uma emulsão a 10% do fluido de corte e adiciona-se aproximadamente
10 ml desta emulsão no equipamento. Este equipamento funciona como um pêndulo, e
registram-se quantas vezes o pêndulo passa por um ponto pré- determinado na escala. Ao
final do ensaio o equipamento retorna o valor de coeficiente de fricção. Para teste
comparativos é muito importante que as emulsões sejam preparadas na mesma
concentração.
3.2.2.9 ESTUDO DO APARECIMENTO DE MANCHA EM ALUMÍNI O E METAIS
AMARELOS (NORMA YUSHIRO – NY-40)
Prepara-se uma emulsão a 10% do fluido de corte e adiciona-se 50 ml em um
béquer. Cuidadosamente acomoda-se a peça no béquer de tal forma que apenas metade da
peça permaneça submersa na emulsão. A peça deve permanecer em contato com a emulsão
durante 24 horas. Ao final deste período deve-se avaliar se apareceram manchas na peça
em teste, através de inspeção visual.
41
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo são apresentados e discutidos os resultados experimentais obtidos no
desenvolvimento de um novo fluido de corte, envolvendo planejamento fatorial fracionado,
delineamento composto central rotacional e a caracterização comparativa com o óleo
solúvel de mercado.
A primeira etapa do estudo envolveu um planejamento experimental fatorial
fracionado, 2(5-1), para avaliar o grau de significância das variáveis de controle. A segunda
etapa, com base nos resultados da primeira etapa, estudou-se a otimização final da
formulação do fluido de corte por meio do delineamento composto central rotacional
(DCCR). E a última etapa abrange a caracterização completa e comparativa com o óleo
solúvel de mercado, onde os principais pontos estudados foram reserva alcalina, resistência
à degradação da emulsão e teste de mancha em metais.
4.2 ESTUDO DO GRAU DE SIGNIFICÂNCIA DAS VARIÁVEIS D E CONTROLE
Com a finalidade de avaliar o grau de significância das variáveis de controle,
utilizou-se um planejamento fatorial fracionado 2(5-1), em que foram investigadas cinco
variáveis a dois níveis (-1) e (+1). Assim, alterou-se a concentração da amina (A),
anticorrosivo (B), emulsificante (C), ácido graxo (D) e tensoativo (E), como mostra a
Tabela 8.
Como variável de resposta foi analisado o pH a 5% para fins estatísticos, contudo,
os produtos de cada experimento final foram caracterizados quanto a estabilidade e
corrosão a 3%.
Os valores escolhidos para as variáveis de controle do primeiro planejamento experimental
foram escolhidos de acordo com o conhecimento prático adquirido durante a vivência na indústria.
42
Tabela 8- Valores do domínio experimental investigado (variáveis e seus níveis) para um plano fatorial fracionado 2(5-1).
Variáveis de Controle
Níveis
(-1) (0) (+1)
Amina (A) 8% 10% 12%
Anticorrosivo (B) 1% 2% 3%
Emulsificante (C) 5% 6,5% 8%
Ácido Graxo (D) 3% 4% 5%
Tensoativo (E) 1% 2% 3%
A Tabela 9 apresenta a matriz com total de 19 experimentos, os quais 3 realizados
no ponto central.
Tabela 9- Matriz de experimentos do planejamento experimental do tipo fatorial fracionado.
Experimento Amina
(A)
Anticorrosivo
(B)
Emulsificante
(C)
Ácido Graxo
(D)
Tensoativo
(E)
E1 -1 -1 -1 -1 +1
E2 +1 -1 -1 -1 -1
E3 -1 +1 -1 -1 -1
E4 +1 +1 -1 -1 +1
E5 -1 -1 +1 -1 -1
E6 +1 -1 +1 -1 +1
E7 -1 +1 +1 -1 +1
E8 +1 +1 +1 -1 -1
E9 -1 -1 -1 +1 -1
E10 +1 -1 -1 +1 +1
E11 -1 +1 -1 +1 +1
E12 +1 +1 -1 +1 -1
E13 -1 -1 +1 +1 +1
E14 +1 -1 +1 +1 -1
E15 -1 +1 +1 +1 -1
E16 +1 +1 +1 +1 +1
E17 0 0 0 0 0
E18 0 0 0 0 0
E19 0 0 0 0 0
43
Com os resultados dos experimentos do primeiro planejamento experimental
(Tabela 10) e em conjunto com as informações obtidas pelo tratamento estatístico
(software Minitab) foi possível avaliar o grau de significância de cada variável de
controle em estudo. Vale ressaltar que as variáveis de respostas de Estabilidade e Corrosão
a 3% foram utilizadas como auxiliares para as decisões das escolhas dos níveis de estudo
no DCCR.
Tabela 10- Condições experimentais e valores de estabilidade, pH a 5% e corrosão a 3% para cada experimento da matriz.
Experimento A
(%)
B
(%)
C
(%)
D
(%)
E
(%)
Est
abili
dade
pH a
5%
Cor
rosã
o a
3%
E1 8 1 5 3 3 Ruim 9,24 1
E2 12 1 5 3 1 Ruim 9,25 1
E3 8 3 5 3 1 Ruim 8,74 1
E4 12 3 5 3 3 Ruim 8,87 0
E5 8 1 8 3 1 Ruim 9,05 2
E6 12 1 8 3 3 Ruim 9,06 1
E7 8 3 8 3 3 Ruim 8,70 1
E8 12 3 8 3 1 Ruim 8,87 1
E9 8 1 5 5 1 Ruim 9,00 2
E10 12 1 5 5 3 Boa 9,10 1
E11 8 3 5 5 3 Boa 8,87 0
E12 12 3 5 5 1 Ruim 8,77 0
E13 8 1 8 5 3 Boa 8,91 3
E14 12 1 8 5 1 Ruim 9,02 2
E15 8 3 8 5 1 Boa 8,58 1
E16 12 3 8 5 3 Boa 8,69 0
E17 10 2 6,5 4 2 Ruim 9,00 1
E18 10 2 6,5 4 2 Ruim 9,03 1
E19 10 2 6,5 4 2 Ruim 9,01 1
44
Em relação ao primeiro planejamento experimental, com os resultados obtidos no
teste de significância dos efeitos principais a um nível de confiança de 95% para os valores
de pH a 5% foi construído o diagrama de Pareto apresentado na Figura 13. Na seqüência,
também foram estimados os valores de p-valor, responsáveis pela determinação da
significância de cada variável (Tabela 11).
Analisando o diagrama de Pareto para os valores de pH a 5% foi verificado que as
variáveis anticorrosivo, emulsificante e ácido graxo foram as mais significativas. Enquanto
a variável tensoativo não apresentou significância nesta primeira avaliação.
AB
ADCDBCE
BEDEAC
BDCEA
AE
ABCDEDC
B
403020100Efeitos Padronizados
4,30
A AminaB A nticorrosiv oC EmulsificanteD Á cido graxoE Tensoativ o
Factor Name
Diagrama de Paretos(pH a 5%)
Figura 13- Diagrama de Pareto em função dos efeitos dos valores de pH a 5% para o planejamento fatorial fracionado.
Corroborando com as afirmações anteriores, na análise dos valores do teste t
(Tabela 11) os efeitos que apresentaram maior significância estatística (p<0,05) para a
variável resposta pH a 5% foram o teor de anticorrosivo, emulsificante e ácido graxo.
45
Tabela 11- Determinação dos valores de t e do p-valor de cada termo para a resposta de pH a 5% no primeiro tratamento estatístico.
Fatores Coeficientes Erro Padrão t p-valor
Média 9,013 0,004 1022,02 0,000
Amina 0,034 0,004 8,84 0,013
Anticorrosivo -0,159 0,004 -41,57 0,001
Emulsificante -0,060 0,004 -15,71 0,004
Ácido graxo -0,053 0,004 -13,75 0,005
Tensoativo 0,010 0,004 2,62 0,120
Amina*Anticorrosivo 0,005 0,004 1,31 0,321
Amina*Emulsificante 0,016 0,004 4,26 0,051
Amina*Ácido graxo -0,006 0,004 -1,64 0,243
Amina*Tensoativo -0,034 0,004 -8,84 0,013
Anticorrosivo*Emulsificante 0,009 0,004 2,29 0,149
Anticorrosivo*Ácido graxo 0,019 0,004 4,91 0,039
Anticorrosivo*Tensoativo 0,011 0,004 2,95 0,098
Emulsificante*Ácido graxo -0,008 0,004 -1,96 0,188
Emulsificante*Tensoativo -0,030 0,004 -7,86 0,016
Ácido graxo*Tensoativo 0,015 0,004 3,93 0,059
Ainda analisando os resultados da Tabela 11 também foi obtido o coeficiente de
determinação (R2) de 99,92% e o coeficiente de correlação (r) de 99,96%. O coeficiente de
determinação demonstra que os fatores escolhidos (amina, anticorrosivo, emulsificante,
ácido graxo e tensoativo) para o estudo da variação dos valores de pH a 5%, foram
responsáveis por 99,92% da variabilidade da resposta avaliada. Através do coeficiente de
correlação obtido conclui-se que existe uma elevada relação entre os fatores estudados e a
resposta valore de pH a 5%.
Outro recurso disponível com o tratamento estatístico dos resultados é a avaliação
dos efeitos principais individualizados para a variável de resposta valor de pH a 5%,
demonstrado na Figura 14. Através da intensidade de inclinação das retas obtidas é
possível observar o quanto cada fator é significativo para o modelo dentro dos limites
escolhidos. Assim, é possível verificar que o teor de anticorrosivo apresentou maior
inclinação em relação aos demais fatores; e a inclinação para o fator tensoativo foi pouco
acentuada.
46
1-1
9,1
9,0
8,9
8,8
1-1 1-1
1-1
9,1
9,0
8,9
8,8
1-1
Amina
pH a 5%
Anticorrosivo Emulsificante
Ácido graxo Tensoativo
Efeitos Principais
Figura 14- Efeitos principais em função dos valores de pH a 5% para o planejamento fatorial fracionado.
Analisando os efeitos principais para o valor de pH a 5% observa-se então que o
teor de anticorrosivo foi a variável com maior influência, seguida pelo teor de
emulsificante e ácido graxo; por sua vez, o teor de tensoativo não apresentou significância
para esta variável de reposta.
Em síntese, dos 19 experimentos realizados aqueles que apresentaram os melhores
índices de pH a 5% foram os experimentos E1 e E2, com os respectivos valores 9,24 e
9,25. Porém esses experimentos não apresentaram valores aceitáveis de estabilidade e
corrosão a 3%.
Considerando todos os resultados obtidos, o experimento que alcançou as melhores
características foi o E10, o qual apresentou uma boa estabilidade, valor de pH a 5% igual a
9,10 e grau 1 de corrosão a 3%.
4.3 ESCOLHA DAS VARIÁVEIS DE CONTROLE E SEUS RESPECTIVOS
NÍVEIS PARA O DCCR
Com base no diagrama de Pareto para os valores de pH a 5%, foi decidido estudar
as 3 variáveis de controle que apresentaram o maior grau de significância. Assim foram
47
escolhidas as seguintes variáveis: Anticorrosivo, Emulsificante e Ácido Graxo, sendo que
as outras variáveis de controle tiveram seus valores fixados.
No caso do teor de amina, optou-se por fixar o valor no menor nível testado no
planejamento fatorial fracionado, mesmo essa variável de controle tendo apresentando um
efeito principal contrário ao escolhido. Isso se deve ao fato do objetivo principal do
trabalho ser desenvolver um fluido de corte com o menor custo possível, mesmo quando
utilizado o teor de amina no nível (-1) foi possível obter respostas razoavelmente boas.
Assim o teor de amina foi fixado em 8% para o planejamento do DCCR.
No caso do teor de tensoativo, escolheu-se em fixar o valor no maior nível do
planejamento experimental preliminar. Essa escolha se fez pelo fato de que dos 19
experimentos realizados na primeira fase experimental, apenas 5 apresentaram boa
estabilidade e sendo que 4 foram realizados com o nível (+1) para esta variável de controle.
Assim o teor de tensoativo foi fixado em 3% para o planejamento do DCCR.
A escolha dos níveis para as variáveis de controle do planejamento DCCR foram
realizadas com base no diagrama de Efeitos Principais (Figura 14). Os valores dos níveis (-
1) para anticorrosivo e emulsificante, utilizados no planejamento fatorial fracionado, foram
propostos como ponto central para o planejamento de DCCR.
A exceção se fez com a escolha do ponto central de ácido graxo, pois mesmo o
diagrama de Efeitos Principais para pH a 5% indicando significância maior para nível (-1),
optou-se por trabalhar com valor do nível (+1). Isso é justificado pela análise de
estabilidade, afinal todos os experimentos que apresentaram boa estabilidade foram
realizados com o nível superior para essa variável de controle.
Após esta análise, com as variáveis de controle e os respectivos níveis (Tabela 12)
foi então desenvolvido o planejamento experimental do tipo Delineamento Composto
Central Rotacional (DCCR).
Tabela 12- Valores do domínio experimental (variáveis e seus níveis) para DCCR.
Variáveis de Controle Níveis
(-1,68) (-1,00) (0,00) (1,00) (1,68)
Anticorrosivo (B) 0,50% 0,70% 1% 1,30% 1,50%
Emulsificante (C) 3,50% 4,11% 5% 5,89% 6,50%
Ácido Graxo (D) 3,50% 4,11% 5% 5,89% 6,50%
Considerando os resultados do planejamento preliminar, ressalta-se que os fatores
de amina e tensoativo foram fixados nos valores respectivos de 8% e 3%.
48
A Tabela 13 apresenta a matriz experimental, gerada com software MiniTab® com
total de 20 experimentos, os quais 6 são para o ponto central.
Tabela 13- Matriz de experimentos do planejamento DCCR.
Experimento Anticorrosivo
(B)
Emulsificante
(C)
Ácido Graxo
(D)
F1 0,00 0,00 -1,68
F2 0,00 0,00 0,00
F3 -1,00 -1,00 -1,00
F4 0,00 0,00 0,00
F5 -1,00 -1,00 1,00
F6 -1,68 0,00 0,00
F7 1,00 -1,00 1,00
F8 1,00 1,00 -1,00
F9 0,00 0,00 0,00
F10 0,00 0,00 0,00
F11 0,00 0,00 1,68
F12 -1,00 1,00 1,00
F13 0,00 0,00 0,00
F14 0,00 0,00 0,00
F15 1,00 1,00 1,00
F16 0,00 -1,68 0,00
F17 0,00 1,68 0,00
F18 -1,00 1,00 -1,00
F19 1,00 -1,00 -1,00
F20 1,68 0,00 0,00
4.4 OTIMIZAÇÃO DA FORMULAÇÃO DO FLUIDO DE CORTE POR MEIO DO
DCCR
Utilizando a matriz de experimentos apresentados no item anterior, foram
realizados os ensaios e os produtos obtidos foram caracterizados quanto ao pH a 5%,
estabilidade e corrosão a 3%. Ressalta-se que as duas últimas variáveis de respostas são
auxiliares para a determinação da escolha da formulação de fluido de corte a ser
comparada com óleo de mercado.
49
A seguir na Tabela 14 estão apresentadas as variações das respostas obtidas com a
matriz experimental do DCCR.
Tabela 14- Valores de estabilidade, pH a 5% e corrosão a 3% para cada experimento da matriz do DCCR.
Experimento B
(%)
C
(%)
D
(%)
Est
abili
dade
pH a
5%
Cor
rosã
o a
3%
F1 1 5 3,5 Boa 9,05 1
F2 1 5 5 Boa 8,92 1
F3 0,7 4,11 4,11 Boa 9,13 2
F4 1 5 5 Boa 8,95 1
F5 0,7 4,11 5,89 Boa 9,07 2
F6 0,5 5 5 Boa 9,11 3
F7 1,3 4,11 5,89 Boa 8,97 1
F8 1,3 5,89 4,11 Boa 8,93 1
F9 1 5 5 Boa 8,96 1
F10 1 5 5 Boa 8,94 1
F11 1 5 6,5 Boa 8,95 1
F12 0,7 5,89 5,89 Boa 8,98 3
F13 1 5 5 Boa 8,91 1
F14 1 5 5 Boa 8,93 1
F15 1,3 5,89 5,89 Boa 8,96 3
F16 1 3,5 5 Boa 9,16 1
F17 1 6,5 5 Boa 8,87 3
F18 0,7 5,89 4,11 Boa 9,04 3
F19 1,3 4,11 4,11 Boa 8,93 1
F20 1,5 5 5 Boa 8,90 1
50
Em relação ao segundo planejamento experimental, o DCCR, com um nível de
confiança de 95% foram determinados os valores de t e do p-valor (Tabela 15) de cada
termo para a resposta de valor de pH a 5%.
Tabela 15- Determinação dos valores de t e do p-valor de cada termo para a resposta de pH a 5% no segundo tratamento estatístico.
Fatores Coeficientes Erro Padrão t p-valor
Média 8,935 0,017 530,12 0,000
Anticorrosivo -0,057 0,011 -5,13 0,000
Emulsificante -0,050 0,011 -4,44 0,001
Ácido Graxo -0,016 0,011 -1,43 0,184
Anticorrosivo*Anticorrosivo 0,023 0,011 2,08 0,064
Emulsificante*Emulsificante 0,026 0,011 2,41 0,037
Ácido Graxo*Ácido Graxo 0,021 0,011 1,92 0,084
Anticorrosivo*Emulsificante 0,021 0,015 1,46 0,176
Anticorrosivo*Ácido Graxo 0,024 0,015 1,63 0,135
Emulsificante*Ácido Graxo -0,001 0,015 -0,09 0,934
Foi obtido o coeficiente de determinação (R2) de 86,56% e o coeficiente de
correlação (r) de 93,04%. O coeficiente de determinação demonstra que os fatores
escolhidos (anticorrosivo, emulsificante e ácido graxo) para o estudo da variação dos
valores de pH a 5%, foram responsáveis por 86,56% da variabilidade da resposta avaliada.
Através do coeficiente de correlação obtido conclui-se que existe uma boa interação entre
os fatores estudados e a resposta valore de pH a 5%.
Através dos resultados foi possível determinar um modelo matemático para variável
reposta pH a 5%. Na Tabela 16 são descritos os coeficientes do modelo de regressão, a
partir da matriz codificada.
51
Tabela 16- Coeficientes para pH a 5%, a 95% de confiança, para cada termo do DCCR.
Fatores Coeficientes relativos à variável resposta pH a 5%
B -0,057
C -0,050
D -0,016
BB 0,023
CC 0,026
DD 0,021
BC 0,021
BD 0,024
CD -0,001
O modelo matemático completo ajustado para o valor de pH a 5% no planejamento
DCCR está descrito a seguir (Equação 1):
pH a 5% = 8,935 – 0,057B – 0,050C – 0,016D + 0,023BB + 0,026CC + 0,021DD +
0,021BC + 0,024BD – 0,001CD. … Equação (1)
Outro recurso disponível com o tratamento estatístico, foi a análise de variância
(ANOVA) dos resultados para cada fator em função da variável resposta de pH a 5%. Na
Tabela 17 são demonstrados os valores da ANOVA.
Tabela 17- Análise de variância (ANOVA) de cada termo para a resposta de pH a 5% no segundo tratamento estatístico.
Fonte de Variação
Grau de Liberdade
Soma dos Quadrados
Quadrado Médio Fcalc p-valor
Regressão 9 0,10995 0,01222 7,15 0,002
Resíduos 10 0,0171 0,00171
Total 19 0,12702
Considerando o modelo apresentado foi possível verificar que a regressão dos
resultados foi altamente significativa com um nível de confiança igual a 95% (p-valor =
0,002<0,05), e com isso pode-se dizer que tal modelo atende de forma satisfatória o
conjunto de experimentos realizados neste trabalho. A seguir são apresentados os gráficos
52
de superfícies de resposta e curvas de contorno entre as variáveis de controle utilizadas no
DCCR, com base na variável resposta pH a 5%.
Analisando as Figuras 15 e 16 onde são mostradas as variáveis de pH a 5% em
função do anticorrosivo e emulsificante, é possível verificar que o ponto de máximo se
aproxima do nível (-1,68) para ambas as variáveis. Quando para estas variáveis são
utilizados valores entre os níveis (1) e (1,68) a resposta para pH a 5% não é satisfatória, ou
seja, valor de pH a 5% é menor que 9,00.
Contudo, é aceitável trabalhar com o emulsificante no nível mínimo (-1,68) e com o
anticorrosivo no nível central (0), mesmo assim obter valores aceitáveis de pH a 5% (9,00
a 9,50).
Figura 15- Gráfico de superfície de resposta para as variáveis anticorrosivo e emulsificante, de acordo com o valor de pH a 5%.
pH a 5%
53
Figura 16- Gráfico de curva de contorno para as variáveis anticorrosivo e emulsificante, de acordo com o valor de pH a 5%.
A seguir, analisando as Figuras 17 e 18 que mostram as influências da presença de
anticorrosivo e ácido graxo, é possível verificar que o ponto de máximo se aproxima do
nível (-1,68) para estas variáveis de controle. Também nota-se que se for utilizado
anticorrosivo no nível mínimo (-1,68) é possível trabalhar ao longo de todos os níveis para
ácido graxo e obter valores aceitáveis para pH a 5%. Para o nível máximo (1,68) de
anticorrosivo o valor de pH está no ponto crítico, ou seja, inferior a 9,00.
No entanto, pode-se trabalhar com anticorrosivo e ácido graxo no nível central (0) e
obter valores aceitáveis de pH a 5% (9,00 a 9,50).
pH a 5%
54
Figura 17- Gráfico de superfície de resposta para as variáveis anticorrosivo e ácido graxo, de acordo com o valor de pH a 5%.
Figura 18- Gráfico de curva de contorno para as variáveis anticorrosivo e ácido graxo, de acordo com o valor de pH a 5%.
pH a 5%
pH a 5%
55
Complementando a análise dos resultados do DCCR a partir das Figuras 19 e 20
onde são mostrados as influências do emulsificante e ácido graxo, é possível verificar que
o ponto de máximo se aproxima do nível (-1,68) para a variável de controle emulsificante e
dos níveis (-1,68) e (1,68) para o ácido graxo.
Também nota-se que se for utilizado ácido graxo no nível mínimo (-1,68) e
emulsificante no nível central (0) obtém-se valores aceitáveis para pH a 5%.
Ainda assim, é possível trabalhar com emulsificante no nível mínimo (-1,68) e
ácido graxo no nível central (0) e obter valores aceitáveis de pH a 5% (9,00 a 9,50).
Figura 19- Gráfico de superfície de resposta para as variáveis emulsificante e ácido graxo, de acordo com o valor de pH a 5%.
pH a 5%
56
Figura 20- Gráfico de curva de contorno para as variáveis emulsificante e ácido graxo, de acordo com o valor de pH a 5%.
Em síntese, com a análise dos gráficos de superfície de resposta e curva de controle
é possível afirmar que para maximizar a resposta do valor de pH a 5% é ideal trabalhar
com ambas as variáveis de controle no nível (-1,68), pois verificamos que os melhores
resultados aconteceram nessas condições. Mas no desenvolvimento de um fluido de corte é
preciso considerar outros fatores, como por exemplo, estabilidade e corrosão em cavaco de
ferro fundido a 3%. Isto é necessário porque não é interessante comercialmente e nem
tecnicamente, apresentar um fluido de corte ao mercado de “metalworking” com ótimo
valor de pH a 5%, se o produto não apresentar uma boa estabilidade e um grau satisfatório
de corrosão a 3%.
Assim, analisando os resultados apresentados na Tabela 14 é possível verificar que
entre todos os experimentos realizados no DCCR apenas dois apresentaram os valores de
respostas dentro do aceitável para uma formulação de fluido de corte. Então, segue na
Tabela 18 as formulações que apresentaram bons resultados de resposta para estabilidade,
pH a 5% e corrosão a 3%.
pH a 5% pH a 5%
57
Tabela 18- Formulações que apresentaram os melhores valores de respostas para fluido de corte.
Experimento B
(%)
C
(%)
D
(%)
Est
abili
dade
pH a
5%
Cor
rosã
o a
3%
F1 1 5 3,5 Boa 9,05 1
F16 1 3,5 5 Boa 9,16 1
Entre as formulações que apresentaram bons resultados de resposta, a formulação
escolhida para continuar o estudo comparativo com óleo solúvel de mercado foi F16. Isso é
justificado por essa ter apresentado um valor de pH a 5% maior que a F1 e, além disso,
nessa foi utilizado um teor de ácido graxo maior, que conferirá a esse fluido de corte mais
lubricidade.
4.5 ESTUDO COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES E CARACTERÍ STICAS
FÍSICO-QUÍMICAS ENTRE A FORMULAÇÃO OTIMIZADA E ÓLEO DE
MERCADO
Uma vez definida a formulação que apresentou os melhores resultados, um óleo
solúvel nesta proporção foi produzido e submetido a várias análises comparativas com um
óleo de mercado, que durante esse estudo será denominado de SSM. O objetivo é verificar
se essa nova formulação possui propriedades e características físico-químicas equivalentes
ao óleo de mercado, como proposto no objetivo principal do trabalho. Na Tabela 19 segue
os resultados da comparação entre as formulações.
58
Tabela 19- Resultados comparativos das análises físico-químicas entre a formulação F16 e o óleo de mercado SSM.
Análises Físico-Químicas F16 SSM
Estabilidade Conforme Conforme
pH a 5% 9,16 9,20
Corrosão a 3% em cavaco Grau 1 Grau 2
Índice de Acidez, mg KOH/g 23,93 20,71
Índice de Amina, mg HCl/g 67,07 63,89
Percentual de Espuma, % 13,33 46,67
Resistência Microbiológica Vide Tabela 21 Vide Tabela 21
Coeficiente de Fricção, a 10% 0,134 0,257
Manchas em aço, aço inox e
chumbaloy Isento Isento
Manchas em cobre e alumínio Isento Sim
4.5.1 ESTABILIDADE DO PRODUTO (NORMA YUSHIRO – NY-0 1)
Quando se trata de estabilidade do produto desenvolvido com a formulação F16 e o
SSM, ambos apresentaram bons resultados. Não existe diferente de estabilidade entre os
produtos em questão. Este já é um indicio que a formulação F16 pode competir com o
produto de mercado.
4.5.2 DETERMINAÇÃO DE pH a 5% (NORMA YUSHIRO – NY-2 9)
A formulação F16 apresentou resultado de pH próximo ao SSM. O valor de pH
indica que ambos os produtos apresentam uma boa resistência microbiológica quando os
produtos estão no início do uso. Sabe-se que quando em uso os fluidos de corte apresentam
valores de pH inferiores a 8,2 está se iniciando o processo de degradação por contaminação
microbiológica e assim a vida útil deste fluido está comprometida.
59
4.5.3 CORROSÃO EM CAVACO (NORMA YUSHIRO – NY-20)
Para esta propriedade, a formulação F16 apresentou um melhor resultado de
corrosão em cavaco quando comparado com o óleo de mercado SSM. Esse resultado indica
que a formulação F16 apresenta uma maior tendência de proteger os equipamentos, as
ferramentas e as peças contra corrosão mesmo se trabalhar com concentração de 3%.
Enquanto o SSM já não demonstra um resultado muito satisfatório em relação à corrosão.
Aqui está mais um forte indicativo que essa nova formulação pode vir a agradar os
Clientes da linha de “metalworking”, pois esse resultado representa uma maior segurança
contra oxidação dos equipamentos e peças usinadas para quem vier utilizar o fluido de
corte com a formulação F16.
4.5.4 ÍNDICE DE ACIDEZ (NORMA YUSHIRO – NY-04)
Com relação ao índice de acidez a formulação F16 apresentou um valor maior que
o óleo SSM, esta grandeza está diretamente relacionado com a resistência à corrosão em
cavaco de ferro fundido. Esse resultado só vem a comprovar o teste de corrosão em cavaco
de ferro fundido, onde a formulação F16 apresentou-se resultado ligeiramente melhor em
comparação ao óleo de mercado.
4.5.5 ÍNDICE DE AMINA (NORMA YUSHIRO – NY-06)
O resultado para o índice de amina também foi mais positivo para a formulação F16
onde valores superiores ao óleo SSM foram encontrados. Este índice indica uma boa
reserva alcalina, que está diretamente relacionada com resistência à degradação deste
fluido de corte quando estiver em uso. Esse resultado demonstra que a formulação F16
deverá apresentar uma vida útil igual ou melhor que o óleo de mercado, mesmo se
trabalhar em sistemas onde a contaminação por óleos hidráulicos for alta.
60
4.5.6 ESTUDO DO PERCENTUAL DE ESPUMA (NORMA YUSHIRO – NY-30)
A formulação F16 apresentou um melhor resultado de percentual de espuma
formado se comparado com o fluido SSM. Pode verificar na Tabela 20 que além do
percentual de espuma formada ser menor, o volume de espuma diminui mais rápido uma
vez formado.
Tabela 20- Resultados do teste de espuma.
Fluido de corte Volume de espuma
(ml)
Tempo para cessar a
espuma (s)
F16 40 5
SSM 140 30
Este resultado é um indicativo que a formulação não apresentará problema de
espuma, mesmo se trabalhar em sistemas com alta pressão. E é conhecido que este tipo de
problema ocorre atualmente com o produto de mercado SSM, onde é preciso utilizar uma
quantidade maior de espumante nos sistemas para garantir que não ocorrerá
transbordamento dos tanques. Esse melhor desempenho da formulação F16 deve ser em
função, principalmente, do tipo de ácido graxo e tensoativo utilizado no desenvolvimento
deste novo fluido de corte.
4.5.7 ESTUDO DA RESISTÊNCIA MICROBIOLÓGICA (NORMA Y USHIRO –
NY-32)
No teste de resistência microbiológica, a formulação F16 foi superior em relação ao
óleo SSM. O desempenho neste teste foi satisfatório, pois é possível verificar uma
superioridade significativa na formulação F16. O resultado indica que esse novo fluido de
corte proporcionará uma maior vida útil da emulsão, que implicará em uma série de
vantagens ao Cliente que fizer uso deste fluido de corte. Na Tabela 21 estão os resultados
obtidos no teste de resistência microbiológica.
61
Tabela 21- Resultados do teste de resistência microbiológica com emulsão a 10%. Fluido
de corte
1º dia 2º dia 3º dia 4º dia 5º dia 6º dia
pH Bactéria pH Bactéria. pH Bactéria pH Bactéria pH Bactéria pH Bactéria
F16 9,27 102 9,25 102 9,24 102 9,26 102 9,18 102 9,10 103
SSM 9,34 102 9,33 102 9,33 102 9,04 103 8,93 103 8,82 105
Fluido de
corte
7º dia 8º dia 9º dia 10º dia 11º dia 12º dia
pH Bactéria pH Bactéria. pH Bactéria pH Bactéria pH Bactéria pH Bactéria
F16 9,08 103 9,07 103 9,04 105 8,95 105 8,94 105 8,78 105
SSM 8,70 105 8,65 105 8,54 107 8,47 >107 8,27 >107 8,03 >107
Isso vem a confirmar o maior valor de índice de amina apresentado anteriormente
pela formulação F16, que representa uma maior reserva alcalina e por sua vez uma maior
resistência microbiana.
4.5.8 ESTUDO DO COEFICIENTE DE FRICÇÃO (NORMA YUSHI RO – NY-38)
Com relação ao coeficiente de fricção a formulação F16 apresentou um valor menor
que o óleo SSM, isso significa uma melhor característica de lubricidade do fluido de corte.
Esse coeficiente é inversamente proporcional ao poder de lubricidade do produto. Com
esse resultado o fluido de corte com a formulação F16 tem boas possibilidades de
apresentar um melhor desempenho operacional no processo de usinagem, quando
comparado com o óleo de mercado SSM.
4.5.9 ESTUDO DO APARECIMENTO DE MANCHA EM ALUMÍNIO E METAIS
AMARELOS (NORMA YUSHIRO – NY-40)
Ambos os produtos testados não apresentaram manchas nos materiais aço, aço inox
e chumbaloy, quando submersos em emulsão a 10%. O diferencial ocorreu quando o teste
foi realizado em cobre e alumínio, onde apenas a formulação F16 apresentou bom
resultado, isto é, não provocou mancha nesses materiais.
Esse resultado demonstra uma maior versatilidade do novo fluido de corte em
relação ao óleo de mercado, pois assim, pode se trabalhar este fluido de corte com diversos
tipos de materiais.
62
4.6 ANÁLISE COMPARATIVA DO CUSTO DOS FLUIDOS DE COR TE
Para finalizar o trabalho foi realizada uma análise comparativa do custo de matéria-
prima do fluido de corte desenvolvido com a formulação F16 e o óleo de mercado SSM.
Atualmente o mercado de “metalworking” exige fluido de corte versátil, ou seja, que
possam trabalhar com diferentes tipos de materiais e com o menor custo possível. Como
foi visto a formulação F16 apresentou resultados tão bons ou melhores que o óleo de
mercado SSM. Abaixo segue a Tabela 22, onde estão demonstrados os custos de matéria-
prima de cada óleo.
Tabela 22- Comparação do custo de matéria-prima (R$/Kg) dos produtos.
Matéria-prima F16 SSM
Amina 0,816 0,507
Anticorrosivo 0,170 0,226
Emulsificante 0,125 0,648
Ácido Graxo 0,172 0,473
Tensoativo 0,392 0,678
Biocidas/Fungicidas 0,665 0,464
Óleo Refinado 0,421 0,572
Apassivador de Metais 0,153 -
Demais itens 0,319 0,860
TOTAL (R$/Kg) 3,233 4,428
A nova formulação apresentou um custo de matéria-prima menor que o óleo de
mercado SSM, com uma redução de 26,99% no valor. Esse resultado é expressivo, ainda
mais considerando o desempenho nas demais avaliações apresentadas ao longo do estudo.
O fluido de corte desenvolvido com a formulação F16 tem fortes indicadores de que será
um produto bem aceito no mercado de “metalworking”.
63
5. CONCLUSÕES
Com esse trabalho realizado para desenvolver um óleo solúvel em água para
usinagem de metais foi possível chegar às seguintes conclusões:
� O planejamento experimental fatorial fracionado demonstrou que o anticorrosivo é
a variável de controle mais significativa para a resposta do valor de pH a 5%,
seguido das variáveis emulsificante e ácido graxo. Por outro aspecto, o tensoativo
apresentou-se muito influente par variável de resposta da estabilidade.
� Neste planejamento preliminar, apenas o experimento E10 apresentou bons
resultados nas três variáveis de respostas: estabilidade, valor de pH a 5% e corrosão
em cavaco a 3%.
� Com o DDCR foi possível verificar que para as variáveis de controle anticorrosivo
e emulsificante o ponto de máximo para valor de pH a 5% é próximo ao nível (-
1,68). Enquanto para ácido graxo existem dois pontos de máximo, um próximo ao
nível (-1,68) e outro ao nível (1,68). Mas para um fluido de corte ser versátil e bem
aceito no mercado de “metalworking” é preciso levar em consideração a
estabilidade e corrosão.
� Ainda a partir do DCCR e considerando todas as variáveis de resposta, as
formulações F1 e F16 apresentaram os melhores resultados. Em ambas as
formulações a concentração de anticorrosivo foi de 1%. Para o emulsificante, as
concentrações foram 5% e 3,5%, respectivamente nas formulações F1 e F16. Para o
ácido graxo, as concentrações foram 3,5% e 5%, respectivamente nas formulações
F1 e F16.
� Em uma análise econômica preliminar, ressalta-se que o custo das matérias-primas
emulsificante e ácido graxo são praticamente iguais, e como as concentrações
dessas variáveis são alternadas nas melhores formulações, o custo final de F1 e F16
é igual. Então a escolha pela formulação F16 se fez em virtude da maior quantidade
de ácido graxo, que proporcionará uma maior lubricidade para o fluido de corte.
� Os resultados do fluido de corte desenvolvido com a formulação F16 foram iguais
ou melhores quando comparado com o óleo de mercado SSM. O novo fluido de
64
corte apresentou melhor resultado de corrosão em cavaco, maior índice de acidez e
maior índice de amina. Os resultados mais expressivos foram os testes de
resistência microbiológica e de percentual de espuma. Além disso, demonstrou uma
maior versatilidade para trabalhar com vários tipos de metais, como aço, aço inox,
ferro fundido, metais amarelos e até alumínio.
Com base em todos os resultados apresentados é possível concluir que o objetivo
principal do trabalho, desenvolver um óleo solúvel em água para usinagem de metais, foi
atendido com sucesso e conseguiu-se desenvolver um fluido de corte com propriedades e
características físico-químicas equivalentes ao produto de mercado SSM. E mais o custo
deste novo produto com a formulação F16 foi menor e assim tem grandes chances de
conquistar os Clientes do mercado de “metalworking”.
65
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFRICAS
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66
WEBSTER, J., Selection of Coolant Type and Application Technique in Grinding. Supergrind. P. 205-218, 1995.