Metalworking Fluids (MWF): Overcoming Stability Issues

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

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Formulating Different Types of Metalworking Fluids (MWFs)

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

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

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

Issues with Metalworking Fluid Stability

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

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

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

Overcoming Metalworking Fluid Instability

Las tecnologías actuales utilizadas para las pruebas de calidad (RMN) de los fluidos para el trabajo de metales (MWF) se basan en la medición de la distribución del tamaño de las gotas; ahora bien, pueden ser costosas, no aportar información directa sobre el envejecimiento y estar limitadas por el rango de tamaño de las gotas. Para obtener una verdadera medida de la estabilidad se requiere una solución analítica que ofrezca una medida directa de los fenómenos que se producen y sin depender de la agitación mecánica.

La tecnología Turbiscan es un gran paso adelante para la medición directa de la estabilidad que permite prescindir de métodos de ensayo como la determinación de sales por titulación o la conductividad iónica. Es el analizador de estabilidad de referencia, en el que se confía en todo el mundo para determinar la estabilidad de emulsiones y dispersiones en la etapa más temprana posible con una amplia gama de tamaños de gota disponibles. Esta tecnología basada en SMLS supervisa todos los fenómenos de inestabilidad en el transcurso del tiempo, ofreciendo clasificaciones del tamaño medio de las gotas y rankings globales de estabilidad con un método directo de medición, además de haber demostrado ser una solución útil para los ensayos de estabilidad y el análisis eficaz de los MWF.

Analizadores Turbiscan para ensayos de MWF

Microtrac suministra una amplia gama de analizadores TURBISCAN para el análisis de la estabilidad de dispersiones concentradas, incluidas emulsiones de aceite en agua para MWF. Estos analizadores ayudan a optimizar las formulaciones de nuevos productos y a evaluar los efectos de los aditivos en la estabilidad física de la emulsión, ofreciendo así a los formuladores una herramienta de I+D rentable para la mejora productiva y sensible del rendimiento de los fluidos para el trabajo de metales. El resultado: productos más seguros y eficientes que mejoran la eficiencia de la metalurgia, la seguridad de los trabajadores y la sostenibilidad.

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Al rango de productos "Dispersión de luz múltiple estática (SMLS)"

Referencias

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

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