WO2023283714A1 - Fluido de usinagem - Google Patents
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Definitions
- This patent describes a metalworking fluid. More specifically, it comprises a synthetic soluble metalworking fluid with metallic nanomaterial that acts as a co-lubricant.
- the machining fluid or cutting fluid is essential to cool the cutting region, lubricate the friction surfaces, drag the chips from the cutting area and protect the tool, the workpiece and the machine against corrosion and oxidation.
- This fluid can be solid (such as Molybdenum Disulfide paste), liquid (solutions, emulsions, oils) or gaseous (gases and mists).
- Document BRPI0702077 describes a metal cutting and machining fluid, biodegradable and non-toxic, soluble in water, which contains in its formulation castor oil and/or rapeseed oil sulfonated above 60%, rapeseed oil being mixed with Castor oil in proportions from 0.0% to 100%, also containing 4 additives, or more, namely: an anti-foaming additive, an anti-corrosive additive, a bactericidal additive and an emulsifying agent.
- Document BRPI0405554 describes a cutting fluid based on sulfonated castor oil, a bactericidal agent, an anticorrosive agent and an emulsifier, presenting results similar to those obtained when using mineral oil, providing a biodegradable product.
- metalworking fluids have in their composition a mineral oil that provides lubricating properties and chemical substances, called synthetics, which form solutions in water. They are therefore a mixture of two bases, one mineral and the other synthetic.
- Lubrication is an important property of fluids machining, ensuring better surface finish when severe cutting conditions are required (SUDA, S., YOKOTA, H., INASAKI, I., WAKABAYASHI, T. A synthetic ester as an optimal cutting fluid for minimal quantity lubrication machining). However, it generates waste that is subject to a series of rules for disposal.
- lubrication is an important factor. Even in dry or minimal fluid solutions, a lubricating agent is required to remove heat, to reduce tool friction and to prevent material sticking.
- the Applicant has developed studies with metallic nanomaterials that act synergistically with synthetic lubricants in the formulation, so that the nanomaterial acts as a co-lubricant after the degradation of the synthetic lubricant.
- the incorporation of the nanomaterial implies a decrease in the concentration of synthetic lubricants, and the elimination of emulsifiers, as well as a lower concentration of biocides and alkalizing amines, considering that the metallic nanomaterial used, in this case silver nanoparticles, has microbicidal activity and fungicide, being used in applications in medicine, biotechnology, cosmetics, textile industry, electronic products and packaging (LEM, KW, CHOUDHURY, A., LAKHANI, AA, KUYATE, P., HAW, JR, LEE, DS, Iqbal Z., and BRUMLIK, CJ; Use of Nanosilver in Consumer Products.
- the invention describes a biodegradable machining fluid, free of mineral and vegetable oils, emulsifiers, heavy metals, secondary amines, sodium nitrite, formaldehyde releasers and volatile compounds.
- the invention describes a machining fluid suitable for machining ferrous and non-ferrous metals, replacing semi-synthetic and integral fluids.
- the invention describes a metalworking fluid that uses synthetic lubricants in synergy with silver nanoparticles that, after degradation of the synthetic lubricant, act as a microscopic co-lubricant, filling the peaks and valleys of the machined material, providing less wear of tooling, through rolling friction, because the nanomaterial has a spherical shape.
- the invention describes a metalworking fluid that uses silver nanoparticles that act as an inorganic microbiological control agent, increasing the biostability of the solution in use, increasing the rate of reuse of the solution and preventing biofilm formation.
- the invention describes a metalworking fluid that, because it does not contain emulsifiers, has high demulsibility of mineral contaminants.
- the invention describes a metalworking fluid whose formulation uses lower concentrations of biocides and alkalizing amines, characterizing itself as a healthy product.
- the figure shows the graphical representation of the 4-Ball EP test for testing the lubricating properties under extreme load conditions, with "A” a semi-synthetic metalworking fluid, “B” a synthetic metalworking fluid, “C” a synthetic metalworking fluid with sulfonated castor oil, “D” the formulation of the metalworking fluid of the present invention without silver nanoparticles and ⁇ ” the metalworking fluid object of the present invention.
- the metalworking fluid object of the present invention patent, comprises a formulation containing between 10.0 to 30.0% v/v of synthetic lubricant, between 3.0 to 15.0% v/v of an agent alkalizing agent, between 2.0 to 8.0% v/v of an anticorrosive agent, between 0.1 to 4.0% v/v of a biocidal agent, between 1000 to 10000 ppm of silver nanoparticles and water in q.s.p.
- the formulation includes up to 2.0% v/v of a sequestering agent.
- the synthetic lubricant is based on PAG (polyalkylene glycol).
- the biocidal agent comprises thiazolinones and sodium salt, alone or in combination.
- the anticorrosive agent is preferably selected from salts of anticorrosive organic acids.
- the alkalizing agent is preferably amines.
- the nanoparticles act as a microscopic co-lubricant, filling the peaks and valleys of the machined material, providing less tooling wear through rolling friction because they are morphologically spherical.
- A-Ball EP tests were performed to test lubrication properties under extreme pressure conditions, analyzing the wear diameter at a given load.
- the metalworking fluid proposed in the present invention presented the best conditions in the friction between metals, even at high loads, when the wear curve presents an upward slope in the metalworking fluids of the state of the art (A, B, C and D).
- the state-of-the-art metalworking fluids show degradation of the lubricant and in the metalworking fluid object of the present patent (designated as ⁇ ” in graph 1), there is a slight increase in wear, substantially less than the others in comparison, practically maintaining the same initial conditions of the metalworking fluid with regard to lubrication conditions, due to the addition of silver nanoparticles that act as a co-lubricant.
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Abstract
É descrito um fluido de usinagem com nanomaterial metálico que atua sinergicamente com lubrificantes sintéticos da formulação, de forma que o nanomaterial atua como um co-lubrificante após a degradação do lubrificante sintético e, adicionalmente, promovendo a diminuição de concentração de lubrificantes sintéticos, a eliminação de emulsionantes e menor concentração de biocidas e aminas alcalinizantes.
Description
FLUIDO DE USINAGEM CAMPO DA INVENÇÃO
[01] A presente patente de invenção descreve um fluido de usinagem. Mais especificamente compreende um fluido de usinagem solúvel sintético com nanomaterial metálico que atua como um co-lubrificante.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[02] O fluido de usinagem ou fluido de corte é essencial para refrigerar a região de corte, lubrificar as superfícies em atrito, arrastar o cavaco da área de corte e proteger a ferramenta, a peça e a máquina contra corrosão e oxidação. Esse fluido pode ser sólido (tal como pasta de Bissulfeto de Molibdênio), líquido (soluções, emulsões, óleos) ou gasoso (gases e névoas).
[03] No entanto, a utilização de fluidos de corte no processo de usinagem faz da indústria metal-mecânica uma potencial agressora do meio ambiente. São vários os problemas decorrentes desta utilização, que vão desde a geração de efeitos nocivos ao ambiente de trabalho até a agressão do meio ambiente.
[04] Durante a operação de usinagem, a vaporização, os cavacos e as peças da máquina que entram em contato com o fluido de usinagem podem ser vetores de riscos de contaminação. A aplicação dos fluidos de corte nos processos de usinagem gera vapores, sobretudo, no contato do refrigerante com superfícies quentes e em movimento da peça trabalhada, da ferramenta, ou do cavaco, comprometendo o ar do local de trabalho. A pressão e o aquecimento do fluido de corte também exercem influência no grau de evaporação. Este comprometimento do ar, em decorrência do uso de aerossóis e dos vapores de agentes refrigerantes, varia em função, por exemplo, das propriedades físico- químicas do fluido de corte, da velocidade de rotação das peças que
estão sendo trabalhadas e do aquecimento das superfícies.
[05] O estado da técnica descreve fluidos de corte biodegradáveis. Segundo Eisentraeger et al. (EISENTRAEGER, A, SCHMIDT, M., MURRENHOFF H., DOTT, W., HAHN, S. Biodegradability testing of synthetic ester lubricants — effects of additives and usage. Chemosphere 48, 89-96. Germany. 2002), a biodegrabilidade é um dos mais importantes aspectos no que diz respeito ao descarte das substâncias no meio ambiente, sendo que, os fluidos de corte a base de ésteres sintéticos ou naturais são facilmente biodegradáveis em contraste com os óleos minerais.
[06] O documento BRPI0702077 descreve um fluido de corte e usinagem de metais, biodegradável e não tóxico, solúvel em água, que contém em sua formulação óleo de mamona e/ou óleo de colza sulfonados acima de 60%, sendo o óleo de colza misturado ao óleo de Mamona nas proporções de 0,0% a 100%, contendo também 4 aditivos, ou mais, sendo estes: um aditivo anti-espumante, um aditivo anti- corrosivo, um aditivo bactericida e um agente emulgador.
[07] O documento BRPI0405554 descreve um fluido de corte à base de óleo de mamona sulfonado, um agente bactericida, um anticorrosivo e um agente emulgador, apresentando resultados semelhantes aos obtidos quando se utiliza óleo mineral, provendo um produto biodegradável.
[08] Basicamente, os fluidos de usinagem possuem em sua composição um óleo mineral que provê propriedades lubrificantes e substâncias químicas, chamadas de sintéticas, que formam soluções em água. São, portanto uma mistura de duas bases, uma mineral e outra sintética.
[09] A lubrificação é uma propriedade importante nos fluidos de
usinagem, garantindo melhor acabamento superficial quando severas condições de corte são requeridas (SUDA, S., YOKOTA, H., INASAKI, I., WAKABAYASHI, T. A synthetic ester as an optimal cutting fluid for minimal quantity lubrication machining). No entanto, gera resíduos que se sujeitam a uma série de normas para o descarte.
[010] Como uma solução, o estado da técnica descreve a usinagem a seco e semi-seco, visando reduzir os efeitos prejudiciais dos fluidos de corte tradicionais e os custos associados com a compra (CHAKRABORTY, P., ASFOUR, S., CHO, S., ONARB, A. , LYNN, M., Modeling tool wear progression by using mixed effects modeling technique when end-milling AISI 4340 Steel. Journal of materiais Processing technology 2 0 5, 190-202. USA. 2008).
[011] No entanto, a lubrificação é fator importante. Mesmo nas soluções à seco ou com quantidade mínima de fluido, um agente lubrificante é necessário para a remoção de calor, para reduzir o atrito da ferramenta e evitar a aderência dos materiais.
[012] Dessa forma, o Requerente desenvolveu estudos com nanomateriais metálicos que atuam sinergicamente com lubrificantes sintéticos da formulação, de forma que o nanomaterial atua como um co-lubrificante após a degradação do lubrificante sintético.
[013] A incorporação do nanomaterial implica na diminuição de concentração de lubrificantes sintéticos, e na eliminação de emulsionantes, bem como menor concentração de biocidas e aminas alcalinizantes, tendo em vista que o nanomaterial metálico utilizado, no caso nanopartículas de prata, apresenta atividade microbicida e fungicida, sendo utilizado em aplicações na medicina, na biotecnologia, em cosméticos, na indústria têxtil, em produtos eletrónicos e para acondicionamento (LEM, K. W., CHOUDHURY, A., LAKHANI, A. A.,
KUYATE, P., HAW, J. R., LEE, D. S., Iqbal Z., e BRUMLIK, C. J.; Use of Nanosilver in Consumer Products. Disponível em: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22023078. Acesso em: 07 jul. de 2021) e para reduzir a corrosão dos metais (ATTA A. M., EL-MAHDY G. A., e AL-LOHEDAN H. A.; Corrosion Inhibition Efficiency of Modified Silver Nanoparticles For Carbon Steel in 1 M HCI. Chemistry department, College of Science, King Saud University. Arábia Saudita, 2013. Disponível em: http://www.electrochemsci.org/papers/vol8/80404873.pdf. Acesso em 07 jul. de 2021).
SUMÁRIO
[014] A invenção descreve um fluído de usinagem biodegradável, isento de óleos minerais e vegetais, emulsionantes, metais pesados, aminas secundárias, nitrito de sódio, liberadores de formol e compostos voláteis.
[015] A invenção descreve um fluído de usinagem indicado para usinagem de metais ferrosos e não ferrosos, em substituição aos fluidos semissintéticos e integrais.
[016] A invenção descreve um fluido de usinagem que utiliza lubrificantes sintéticos em sinergia com nanopartículas de prata que, após a degradação do lubrificante sintético, atuam como um co- lubrificante microscópico, preenchendo os picos e vales do material usinado, conferindo menor desgaste de ferramental, através do atrito de rolamento, em virtude do nanomaterial apresentar formato esférico. [017] A invenção descreve um fluido de usinagem que utiliza nanopartículas de prata que atuam como agente de controle microbiológico inorgânico, aumentando a bioestabilidade da solução em uso, aumentando a taxa de reaproveitamento da solução e
inviabilizando a formação de biofilme.
[018] A invenção descreve um fluido de usinagem que, por não conter emulsionantes, tem alta demulsibilidade de contaminantes minerais.
[019] A invenção descreve um fluido de usinagem cuja formulação utiliza concentrações menores de biocidas e aminas alcalinizantes, se caracterizando como um produto salubre.
[020] BREVE DESCRIÇÃO DA FIGURA
[021] A figura apresenta a representação gráfica do teste 4-Ball EP para testagem das propriedades lubrificantes sob condições extremas de carga, sendo “A” um fluido de usinagem semissintético, “B” um fluído de usinagem sintético, “C” um fluido de usinagem com óleo de mamona sulfonado, “D” a formulação de fluido de usinagem da presente invenção sem as nanopartículas de prata e Έ” o fluído de usinagem objeto da presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[022] O fluido de usinagem, objeto da presente patente de invenção, compreende uma formulação contendo entre 10,0 a 30,0% v/v de lubrificante sintético, entre 3,0 a 15,0% v/v de um agente alcalinizante, entre 2,0 a 8,0% v/v de um agente anticorrosivo, entre 0,1 a 4,0% v/v de um agente biocida, entre 1000 a 10000 ppm de nanopartículas de prata e água em q.s.p.
[023] Opcionalmente, a formulação inclui até 2,0% v/v de um agente sequestrante.
[024] O lubrificante sintético é de base PAG (polialquileno-glicol).
[025] O agente biocida compreende tiazolinonas e sal de sódio, isoladamente ou em combinação.
[026] O agente anticorrosivo é preferentemente selecionado dentre sais de ácidos orgânicos anticorrosivos.
[027] O agente alcalinizante é preferentemente as aminas.
[028] As nanopartículas atuam como um co-lubrificante microscópico, preenchendo os picos e vales do material usinado, conferindo menor desgaste de ferramental, através do atrito de rolamento por ser morfologicamente esféricas.
[029] Foram realizados testes A-Ball EP para testar propriedades de lubrificação sob condições extremas de pressão, sendo analisado o diâmetro do desgaste a uma dada carga. Conforme apresentado na figura 1, o fluído de usinagem proposto na presente invenção apresentou as melhores condições no atrito entre metais, mesmo em cargas elevadas, quando a curva de desgaste apresenta uma inclinação ascendente nos fluídos de usinagem do estado da técnica (A, B, C e D). Quando a carga chega em 140 kgf, os fluidos de usinagem do estado da técnica (A, B, C e D) apresentam degradação do lubrificante e no fluído de usinagem objeto da presente patente de invenção (designado como Έ” no gráfico 1), há um leve aumento de desgaste substancialmente menor que os demais em comparação, sendo praticamente mantidas as mesmas condições iniciais do fluido de usinagem no que diz respeito às condições de lubrificação, em virtude do acréscimo de nanopartículas de prata que atuam como co- lubrificante.
Claims
1. FLUIDO DE USINAGEM caracterizado por compreender entre 10,0 a 30,0% v/v de lubrificante sintético, entre 3,0 a 15,0% v/v de um agente alcalinizante, entre 2,0 a 8,0% v/v de agentes anticorrosivos, entre 0,1 a 4,0% v/v de um agente biocida, entre 1000 a 10000 ppm de nanopartículas de prata e água em q.s.p.
2. FLUIDO DE USINAGEM, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender até 2,0% v/v de um agente sequestrante.
3. FLUIDO DE USINAGEM, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do lubrificante sintético ser de base PAG (polialquileno-glicol).
4. FLUIDO DE USINAGEM, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do agente biocida compreender tiazolinonas e sal de sódio, isoladamente ou em combinação.
5. FLUIDO DE USINAGEM, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do agente anticorrosivo ser sais de ácidos orgânicos anticorrosivos.
6. FLUIDO DE USINAGEM, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do agente alcalinizante ser aminas.
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