ANÁLISE DA DEGRADAÇÃO DE ÓLEOS DE BASE VEGETAL E MINERAL UTILIZADOS NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO

Transcrição

1 ANÁLISE DA DEGRADAÇÃO DE ÓLEOS DE BASE VEGETAL E MINERAL UTILIZADOS NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO I. S. Bicalho (1) ; L. R. Silva (1) ; H. L. O. Morais (1) ; C. R. Calado (1) ; E. J. A. Barbosa (2) ; C. Braga (1) ; F. A. Oliveira (1) (1) CEFET/MG; (2) IFMG Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais - CEFET-MG, Av. Amazonas Nova Suíça - Belo Horizonte - MG - Brasil. lrsilva@deii.cefetmg.br RESUMO Fluidos de corte são utilizados na usinagem para refrigerar e lubrificar a zona de corte. Eles conferem à peça melhor integridade superficial e reduzem a probabilidade de danos microestruturais. Entretanto, óleos de origem mineral, amplamente utilizados na indústria, são prejudiciais ao operador e ao meio ambiente. O objetivo deste trabalho visa estudar a degradação de óleos de base vegetal (biodegradáveis e renováveis), em comparação com o fluido de corte integral (base mineral). A caracterização da degradação foi realizada pela análise do ponto de fulgor, corrosão a lâmina de cobre, termogravimetria (TG) e índice de acidez em óleos de base vegetal, mineral, aditivados ou não. Todos os óleos vegetais analisados apresentaram melhor estabilidade térmica com o aumento da temperatura, o que indica início da degradação mais tardio. Os resultados obtidos revelam o elevado potencial do uso de óleos vegetais no processo de retificação. Palavras-chave: Fluidos de corte, óleos vegetais, processo de retificação, degradação. 8227

2 INTRODUÇÃO Um dos principais elementos causadores da poluição ambiental na indústria de metal-mecânica tem como base os fluidos de corte (1). Historicamente, observa-se que os fluidos de corte são na grande maioria à base de óleo mineral, devido principalmente a relação entre preço e características técnicas solicitadas. No entanto, os efeitos negativos gerados quanto à contaminação dos recursos hídricos, solo e o ambiente, faz surgir estudos sobre o seu uso em demasia (2). França (3) afirma que uma das principais funções do fluido de corte está na sua capacidade de lubrificação e refrigeração durante o processo, onde o calor produzido entre a superfície da peça e ferramenta seja reduzido, proporcionando um aumento da vida útil da peça e garantindo maior precisão dimensional pela redução das distorções térmicas. De acordo com Irani et al. (4), estes fatores são primordiais para redução de danos térmicos na zona de corte além de remover os cavacos da região de corte. Com o intuito de minimizar riscos ambientais e operacionais, os pesquisadores desenvolvem estudo de óleos vegetais como alternativa promissora para substituir o óleo mineral (5). O fluido de corte de base vegetal possui vantagens significativas em relação ao aumento da vida útil de ferramentas, melhora da superfície de acabamento, apresenta significativa biodegradabilidade e é de fonte renovável (2). O objetivo deste trabalho, portanto, é caracterizar a degradação dos óleos vegetais aditivados e não aditivados, comparando suas características com as do óleo integral. Os itens analisados no estudo foram ponto de fulgor, corrosão a lâmina de cobre, termogravimetria (TG) e índice de acidez em amostras com e sem aditivos de óleos vegetais e de um fluido de corte mineral parafínico. MATERIAIS E MÉTODOS O óleo mineral utilizado neste trabalho é o Mecafluid 14SC, da marca Petronas Lubrificantes do Brasil, de base parafínica, contendo aditivos sulfoclorados inativos indicados para operações de corte em geral. Já os óleos vegetais de canola, soja e milho são do fabricante Campestre S/A. Os aditivos de extrema pressão utilizados são o Liovac 580, Liovac 200 e Liovac 90 e como agente refrigerante o Liovac PLO todos fornecidos pela Miracema-Nuodex. Já os antioxidantes utilizados são o Lowinox HD98-LA PW e Naugalube 438-L fornecidos pela empresa Chemtura. 8228

3 A matriz experimental constituiu da análise dos óleos de soja, milho, canola e mineral 100% (sem mistura) e de diferentes formulações aditivadas de óleo de soja que estão identificadas conforme especificação apresentada na Tab. 1. Tabela 1 - Identificação das amostras aditivadas utilizadas na pesquisa. Concentração de aditivo (%v.v-1) Nome utilizado na pesquisa 5% Liovac 90 / 1% Liovac PLO / óleo de soja Soja 1 5% Liovac 200 / 1% Liovac PLO / óleo de soja Soja 2 5% Liovac 580 / 1% Liovac PLO / óleo de soja Soja 3 O procedimento para a obtenção desta mistura foi realizado utilizando um volume final de 5,0 litros para essa matriz. O sistema foi submetido à agitação mecânica (agitador mecânico modelo TE Tecnal) a uma velocidade de 700rpm por um período de 10 minutos, à temperatura ambiente (25ºC). Os ensaios de retificação foram realizados em uma retificadora plana tangencial (Sulmecânica RPH 600), sem deslocamento transversal. Os corpos de prova utilizados foram de aço ABNT 4340 temperado e revenido, com dureza média de 52 HRc e fornecido pela Açocon. A análise do ponto de fulgor foi realizada em um aparelho Vaso Aberto Cleveland marca Quimis, onde foi colocado cerca de 0,01L da amostra na cuba. Em seguida, a chama piloto do equipamento foi acesa e controlada para a obtenção de aproximadamente 3mm de comprimento. A amostra foi aquecida via resistência elétrica e a temperatura medida por um termômetro calibrado TE-013, com faixa de leitura de 100 a 360 C, imerso na amostra. A leitura da temperatura do ponto de fulgor foi feita pelo termômetro no momento em que ocorreu o primeiro lampejo de chama. A verificação da corrosividade do óleo por presença de compostos de enxofre foi realizada através da imersão de fitas de cobre em amostras de óleo. As fitas foram polidas com lixa de carborundum com granulometria de 400 e 600mesh e posteriormente limpas com algodão. Em seguida, as fitas foram mergulhadas em frascos contendo 300mL de óleo. Os frascos foram borbulhados com nitrogênio por 1 minuto, fechados e levados para uma estufa a 140 C±2, por 19h, conforme o procedimento descrito na NBR (6). A classificação da cor das fitas de cobre se deu de acordo com a escala cromática apresentada na norma mencionada. As curvas TG foram obtidas em uma Termobalança Shimadzu DTG-60H, por meio do método dinâmico, com razões de aquecimento de 10 C/min, com massa 8229

4 aproximadamente de 5mg em cadinho de platina, em atmosfera de ar com fluxo de 50mL/min no intervalo de 25 a 600 C. A análise das curvas TG pode informar a taxa de decomposição de substâncias, que permite avaliar as propriedades de uma substância em função do tempo ou da temperatura. Essa análise é bastante utilizada no estudo da eficácia da aplicação de aditivos em materiais orgânicos, quando se deseja avaliar a estabilidade térmica e oxidativa. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tab. 2 apresenta as temperaturas do ponto de fulgor das amostras de óleos estudadas. Tabela 2 - Ponto de fulgor das amostras de óleos. Amostras Mineral Soja Milho Canola Soja 1 Soja 2 Soja 3 Ponto de fulgor ( C) No ensaio do ponto de fulgor, repara-se que as amostras de óleos vegetais apresentaram valores muito superiores em relação ao valor encontrado para o óleo mineral, sendo esse considerado um indicativo muito positivo para a aplicação em processos de retificação, onde a margem de segurança aumenta com o aumento do ponto de fulgor do fluido de corte empregado. De maneira geral, podemos dizer que o óleo de soja, dentre os óleos vegetais 100%, é o que apresenta o maior ponto de fulgor, sendo esse resultado considerado favorável para sua escolha. Ainda em relação à amostra soja 100%, nota-se que ocorreu uma redução nos valores encontrados para o ponto de fulgor das amostras aditivadas. Esta redução se deve ao fato dos aditivos de (EP) e (AR) apresentarem ponto de fulgor inferior, diminuindo assim o potencial químico do solvente (óleos) como resultado da presença do soluto (aditivos). No entanto, percebe-se que estes valores são superiores ao do óleo mineral comercial. A Fig. 1 apresenta as lâminas de cobre do teste de corrosão e a classificação respectiva de cada uma está mostrada na Tab

5 Figura 1 - Lâminas de cobre do teste de corrosão. Tabela 3 - Classificação da corrosão das amostras de óleos. Amostras Mineral Soja Milho Canola Soja 1 Soja 2 Soja 3 Corrosão a lâmina de Cu 4B 1A 1A 1A 3A 4A 3A O resultado do teste de corrosão para as fitas de cobre expostas a amostras de soja, milho e canola indica uma variação de alaranjado claro quase igual à fita recém polida sendo classificada como levemente manchada (1A). Já as amostras de soja 1 e soja 3 indicam aparecimento de nuances avermelhadas em bronze sendo classificada como fortemente manchada (3A) e para a amostra soja 2, a fita apresentou-se com coloração preto transparente, variando do cinza escuro ao castanho e com escasso verde pavão, sendo classificada como corrosão (4A). Por fim a amostra mineral indica uma variação de grafite ou negro fosco sendo classificada como corrosão (4B). Em relação à amostra de soja 100%, percebe-se que a aditivação influenciou negativamente nesta propriedade, pois todas as amostras apresentaram índice de corrosão superior ao do óleo de soja 100%, contudo quando se compara o resultado encontrado para a amostra soja 2, que apresentou o pior índice de corrosão, ele é semelhante ao obtido para o óleo mineral. As análises da TG das amostras de óleos vegetais e do óleo mineral foram realizadas em atmosfera de ar, conforme Fig. 2. A Tab. 4 apresenta os dados termogravimétricos. 8231

6 Perda de massa (%) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Mineral Milho Soja Canola Temperatura ( C) Figura 2 - Curvas TG dos óleos 100%. Tabela 4 - Dados termogravimétricos das amostras de óleos. Amostras Etapas Intervalos de Δ Massa (%) temperatura ( C) Óleo mineral 1 107,27 283,20 85, ,20 570,00 13,93 Óleo de soja 1 231,97 383,30 40, ,30 457,94 47, ,84 569,00 10,58 Óleo de Milho 1 221,33 378,86 36, ,86-436,57 35, ,57 463,58 15, ,58 505,22 12,31 Óleo de Canola 1 204,39 386,22 33, ,22 426,78 38, ,78 561,66 27,11 Soja ,9 350,9 33, ,9 396,4 21, ,4 449,7 26, ,7 489,7 8, ,7 521,1 10,6 Soja ,0 376,3 51, ,3 413,8 8, ,8 443,2 13, ,8 523,0 5, ,0 593,0 7, ,0 593,0 10,1 Soja ,5 371,0 26, ,0 399,0 26, ,0 456,4 33, ,4 546,0 10,4 As etapas de variação de massa foram identificadas com o auxílio da derivada das curvas da TG (DTG). 8232

7 Pode-se observar que a amostra de óleo mineral apresentou a menor temperatura do início do processo de degradação e a maior perda de massa na etapa 1, já a amostra de óleo de soja, dentre os óleos 100%, apresenta a maior temperatura do início do processo de degradação. Já em relação às amostras aditivadas de óleo de soja, observa-se que o aditivo utilizado nas amostras soja 1 e soja 2 reduziu a temperatura do início do processo de degradação e o utilizado na amostra soja 3 aumentou a temperatura, sinalizando assim que a adição deste aditivo aumenta a estabilidade térmica do óleo de soja. CONCLUSÕES A análise preliminar dos óleos de soja, milho e canola no processo de retificação apresentou, em geral, resultados melhores do que os do óleo mineral. Os óleos vegetais mostraram-se menos agressivos ao processo e não corrosivos à peça. Na análise do ponto de fulgor, conclui-se que todas as amostras de óleos vegetais apresentaram valor superior ao do óleo mineral, o que aumenta a margem de segurança do processo. Nota-se também que a adição de aditivos diminuiu o ponto de fulgor do óleo de soja. Avaliando o teste de corrosão, mais uma vez todas as amostras de base vegetal apresentaram resultados melhores que o óleo mineral. Em relação às amostras aditivadas, percebe-se que estas apresentaram resultados piores do que o óleo de soja 100%, assim a aditivação neste caso não é recomendada. Analisando as curvas TG, a amostra de óleo mineral, dentre todas as amostras, apresentou a pior estabilidade térmica, pois começou a degradar primeiro. A amostra soja 3 apresentou a maior temperatura de início de degradação, o que mostra que a adição deste aditivo aumentou a estabilidade térmica do óleo de soja. AGRADECIMENTOS Ao CNPq pela bolsa de Produtividade em Pesquisa e à FAPEMIG pelo auxílio referente ao Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica. Ao CEFET-MG e ao Departamento de Engenharia de Materiais DEMAT. 8233

8 REFERÊNCIAS 1. SILVA, L. R., BIANCHI, E. C., FUSSE, R. Y., CATAI, R. E., FRANÇA, T. V., AGUIAR, P. R. Analysis of surface integrity for minimum quantity lubricant - MQL in grinding. International Journal of Machines Tools & Manufacture. v. 47, p , ALVES, S. M.; OLIVEIRA, J.F.G. Vegetable based cutting fluid: an environmental alternative to grinding process. In: CONFERÊNCIA INTERNACIONAL CIRP EM ENGENHARIA CICLO DE VIDA, 15., Sydney, Anais...Sydney: CIRP, p FRANÇA, V. T. Estudo da perdição da circularidade e rugosidade de peças retificadas utilizando as redes neurais artificiais f. Dissertação (Mestrado) Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista, Bauru. 4. IRANI, R. A.; RAUER, R. J.; WARKNTIN, A. A review of cutting fluid application in the grinding process. International Journal of Machine Tools and Manufacture, p , SHASHIDHARA Y.M.; JAYARAM,S.R. Vegetable oils as a potential cutting fluid - an evolution, Tribology International, v. 43 p , ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10505: Óleo mineral isolante - Determinação de enxofre corrosive, DEGRADATION ANALYSIS OF VEGETABLE AND MINERAL OILS USED IN GRINDING PROCESS ABSTRACT Cutting fluids are used in machining to cool and lubricate the cutting zone. They give to the component better surface integrity and reduce the probability of microstructural damage. However, mineral oils, widely used in industry, are harmful to the operator and to the environment. This work aims to study the degradation of vegetable oils (biodegradable and renewable), compared with the integral cutting fluid (mineral base). The characterization of degradation was performed by analysis of flashpoint, Copper strip corrosion, thermogravimetry (TG) and acid index in vegetables and mineral oils, additived or no additived. All vegetables oils analyzed showed better thermal stability with increasing temperature, which indicates the onset of degradation later. The results show the high potential of using vegetable oils in the grinding process. Keywords: Cutting fluids, vegetable oils, grinding process, degradation. 8234