The Effect of Structural Changes in Ester-Based Extreme Pressure Additives on the Lubricating Properties of Wire Drawing Fluids

Resumo Técnico: O Efeito de Mudanças Estruturais em Aditivos de Extrema Pressão à Base de Éster nas Propriedades Lubrificantes de Fluidos de Trefilação

Definição do Problema
O cabo de aço serve como um esqueleto de reforço crítico para produtos de borracha, particularmente em pneus, onde sua qualidade dita a segurança e a resistência à fadiga. O processo de trefilação úmida é essencial para melhorar as propriedades mecânicas e a integridade superficial do cabo de aço, mas submete o fio de aço revestido com latão e a matriz (tipicamente de carbeto de tungstênio) a pressões extremas (nível de GPa) e altas temperaturas instantâneas. Embora os fluidos de trefilação à base de água tradicionais ofereçam excelente resfriamento, eles frequentemente carecem de capacidade de suporte de filme de óleo suficiente sob tais cargas extremas, levando ao contato direto metal-metal, micro-rasgos e desgaste acelerado. Embora os ésteres de fosfato sejam reconhecidos como aditivos de extrema pressão (EP) eficazes devido à sua estabilidade térmica e capacidades de formação de filme, a influência específica da estrutura molecular — particularmente o comprimento da cadeia de óxido de etileno (EO) — na sua performance tribológica em interfaces multi-metais complexas (substrato latão/ferro vs. carbeto de tungstênio) permanece insuficientemente explorada.

Metodologia
Para abordar essa lacuna, o estudo sintetizou e avaliou três aditivos de extrema pressão à base de éster: fosfato de álcool graxo polioxietileno C18 (AEP) com números variados de adição de óxido de etileno (3EO, 5EO e 10EO). Estes foram incorporados em formulações de fluido de trefilação à base de água (identificadas como B23, B24 e B25, respectivamente) com um teor de fósforo controlado de 1,6%.

A performance tribológica foi avaliada utilizando um testador de fricção de quatro esferas TENKY modificado, configurado para testes de pino sobre disco para simular as condições de alta carga da trefilação de fios. A configuração de teste utilizou um bloco de teste de $\alpha$-latão e um pino chanfrado de carbeto de tungstênio, com um protocolo de carregamento de peso progressivo variando de 196 N a 2548 N. Um sistema de resfriamento a água foi empregado para gerenciar o aumento de temperatura e prevenir a degradação do aditivo.

A análise pós-teste incluiu:

• Quantificação de Desgaste: Medição do diâmetro da trilha de desgaste e perda de massa dos blocos de teste de latão.
• Análise Morfológica: Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) para observar a topografia da trilha de desgaste e modos de falha.
• Composição Química: Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) para mapear a distribuição elementar (especificamente Fósforo, Cobre, Zinco, Oxigênio e Carbono) nas trilhas de desgaste.
• Química de Superfície: Espectroscopia de Fotoelétrons de Raios-X (XPS) para analisar os estados químicos do fósforo e confirmar a formação de tribofilmes de fosfato inorgânico.

Resultos Principais
O estudo revelou uma distinta relação estrutura-atividade entre o comprimento da cadeia de EO e a performance de lubrificação:

1. Performance Tribológica: A formulação contendo o aditivo 5EO (B24) demonstrou a performance abrangente ideal. Exibiu o menor coeficiente de fricção (consistentemente abaixo de 0,03), o perfil de temperatura mais estável e a perda de massa mínima (0,048 g). Em contraste, a formulação 10EO (B25) apresentou o maior coeficiente de fricção, o aumento de temperatura mais rápido (atingindo quase 80°C) e o maior desgaste (0,0644 g). A formulação 3EO (B23) apresentou desempenho intermediário.
2. Mecanismos de Desgaste: A análise por MEV indicou que B24 e B23 exibiram principalmente desgaste adesivo com superfícies relativamente lisas e filmes lubrificantes estáveis. Por outro modo, B25 exibiu desgaste abrasivo severo, caracterizado por sulcos profundos, acúmulo de material e desgaste de três corpos, indicando uma falha do filme limite sob carga.
3. Eficiência de Formação de Filme: A análise por EDS confirmou que a superfície B24 possuía o maior teor de fósforo (1,97 % em massa), significativamente superior ao de B23 (1,21 %) e B25 (1,01 %). Os espectros XPS validaram ainda que o fósforo na superfície B24 existia predominantemente como fosfatos inorgânicos, confirmando a formação de um tribofilme protetor robusto. O menor teor de fósforo em B25 correlacionou-se com sua baixa performance de lubrificação.

Principais Contribuições

• Correlação Estrutura-Propriedade: O artigo estabelece que o comprimento da cadeia de EO nos aditivos de éster de fosfato regula criticamente o equilíbrio hidrofílico-lipofílico, que, por sua vez, governa a dispersibilidade em sistemas aquosos, a capacidade de adsorção interfacial e a eficiência da formação de filme de extrema pressão.
• Otimização do Número de EO: O estudo identifica o número de EO 5 como o ponto de equilíbrio ideal para fluidos de trefilação de cabos de aço, equilibrando solubilidade com capacidade de formação de filme para entregar propriedades superiores de anti-desgaste e redução de fricção.
• Visão Mecanística: Ao combinar EDS e XPS, a pesquisa elucida que a performance superior do aditivo 5EO é impulsionada por sua capacidade de gerar um filme lubrificante inorgânico contendo fósforo mais rico e estável na interface latão/aço em comparação com cadeias mais curtas (3EO) ou mais longas (10EO).

Significância
Os autores afirmam que este trabalho fornece suporte teórico e orientação prática para o design de lubrificantes de trefilação úmida de alto desempenho de próxima geração para cabos de aço. Ao demonstrar que modificações estruturais específicas em aditivos à base de éster podem aumentar significativamente a lubrificação de extrema pressão, o estudo aborda a necessidade da indústria por fluidos capazes de suportar maiores velocidades de trefilação e taxas de redução, protegendo simultaneamente o revestimento de latão e estendendo a vida útil da matriz. Os achados sugerem que a otimização do número de EO é uma estratégia viável para superar as limitações dos sistemas tradicionais à base de água em aplicações de alta carga.