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應用案例

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     近20年來,熱處理新技術的大量湧現,為機器制造業的發展、機械產品質量的提高提供了廣闊前景,淬火油的應用與需求愈加廣泛,作為熱處理的壹種淬火介質,約占各類淬火介質總量的40%。隨著石油資源的日益減少,國家社會對環境保護更加重視,淬火油的價格必定日趨上漲,因此,如何減少淬火油的損耗,提高利用率,降低生產成本,減少汙染排放成為發展的方向。
    1、問題及現狀
    淬火油的重要的基本特性就是冷卻特性。淬火油的功能是將熾熱的金屬零件的熱量迅速帶走,使之降至馬氏體轉變溫度下獲得高硬度的馬氏體組織和硬化層深度,同時亦要兼顧減少零件的變形和防止開裂。淬火油理化指標中的粘度、水份、不溶灰分(又稱沈澱物)指標的變化都會直接影響淬火油的冷卻速度。淬火油的使用條件要比機械油苛刻得多,淬火油在長期使用過程中會老化變質,它的酸值、殘炭、比重、色相、油渣、冷卻性能、光亮性能等都會發生變化。水份的增加將加速淬火油的老化。
    粘度是與淬火油的冷卻性能密切相關且十分重要的壹個指標。在淬火油中,當或懸浮或沈澱的雜質含量超過壹定數量時就會引起油的粘度值上升,冷卻能力下降。在淬火過程中,淬火油與赤熱的鋼材以及空氣接觸引起氧化、脫水、分解以及聚合反應;淬火油和銹皮或鋼表面接觸生成鐵的皂化物等,同時促進了油液的劣化,最後形成過氧化物、樹脂、瀝青烯、碳質瀝青、碳化物和焦碳等油中沈澱物。此外,滲碳工藝以及產生保護氣氛的過程中,由於各種原因會產生大量的炭黑顆粒進入到油液中。當然,還有外部帶入油液的焦泥、細微粒鐵粉、沙粒和塵埃等雜物。
    在這些固體顆粒雜質中,炭黑顆粒的尺寸非常小,通常在零點幾微米到幾微米之間,但是它帶來的影響不容忽視。第壹,沈積在工件表面的炭黑會造成零件表面的滲層不均勻,零件表面硬度降低,同時影響零件外觀且很難清洗;第二,炭黑汙染淬火油,導致冷卻的不均勻性,造成淬火零件變形過大;第三,炭黑沈積到加熱體電極表面,會造成短路,損壞電極;第四,炭黑沈積到爐室內會造成爐膛的汙染;第五,炭黑和氧化皮都是吸附劑,可以吸附淬火油中的各類添加劑,從而加速淬火油性能的惡化。
    總體而言,淬火油中固體顆粒雜質增多,油品粘度增加,冷卻能力降低;導致管路結垢,散熱器的散熱片間隙堵塞,熱交換能力變差;影響工件表面的清潔度和光亮度;影響工件淬硬淬透壹致性;縮短油品使用周期,增加生產成本。
    由於油品汙染問題帶來的損失有時是很大的。例如2004年,尼桑發動機西班牙工廠熱處理車間有壹臺容量16,000升的Holcroft輸送帶式加熱爐和兩臺4,500升的IPSEN加熱爐。淬火油使用FUCHS5450。Holcroft TT137輸送帶式加熱爐每天都用於淬火冷卻傳輸組件,而組件加工會產生並帶入大量顆粒及外部汙染,此外,組件每20分鐘就從850度的高溫進入系統,所以油品氧化十分嚴重。油樣分析表明有很多大於3微米的油泥,且導致工件表面汙染。使用表面過濾器去除從50微米到1微米的殘留物,但在4天的操作中就已經更換3次;當然,高溫是導致其氧化變質的根本原因。最終,車間因油品嚴重氧化和酸度值上升而被迫更換了全部16,000升的淬火油。直接損失超過3萬美元。
    淬火油中的固體顆粒尺寸越小越好,國外壹般控制在l0微米以下。固然,使用表面過濾器可以控制油中固體顆粒物的尺寸和數量,但是,很高的過濾精度必定導致濾芯更換頻率增加,更重要的是對於1微米以下的固體顆粒,例如炭黑顆粒,表面過濾器幾乎是無法過濾掉的。
    2 、解決方案
    目前,壹種新型的FED淬火油凈化系統(Quenching oil purification system)是凈化在用淬火油的較佳選擇之壹。系統中主要的過濾裝置—--離心機,結構簡單,適用範圍廣,適合淬火油的高溫工況環境,可以連續不間斷運行;使用、維護十分簡便;無需濾芯等耗材;純物理性工作過程,對油品的物理化學性能沒有任何影響,對油品添加劑也沒有任何影響;可分離出1微米以下的顆粒雜質。對於在線凈化淬火油,分離各種生成油中沈澱物的顆粒雜質,尤其是微米級的炭黑顆粒非常有效。
離心機中有壹個關鍵的雙噴式中心轉子部件(圖壹),通過它將由油液所產生的壓力轉化為轉子的驅動力,驅動轉子高速旋轉。它的轉速能達到6000rpm以上,所產生的離心力約為重力的2000倍以上。因為油與汙染物的比重不同,所受到離心力的大小不壹樣,可快速有效地分離金屬磨粒以及那些使零件磨損或使潤滑油變質的汙染物(圖二)。

 

圖壹離心機結構及工作示意圖

 

 圖二 壹克淬火油凈化系統分離出汙物的分析結果
 

    理論上離心機可分離固體顆粒的尺寸幾乎無極限。如果離心機體積足夠大,油液在離心機中停留足夠長的時間,離心機的轉速足夠快,這時,極微小的顆粒受到的離心力足以克服油液粘滯力以及油液分子對它的‘吸引力’,那麽這些極微小的顆粒也會被分離出來。
    依據目前淬火油凈化系統配套離心機的設計,在有限的尺寸以及有限的轉速條件下是不可能把作為油品中重要組成部分的添加劑分離出來的。添加劑是壹般礦物油用來改善油質性能的,重要的基本要求是其高溶解性。添加劑已經是壹種溶劑,以分子狀態幾乎完全與油溶為壹體。即使某些界面活性劑類的添加劑分子集結在油中,其體積也只是0.01微米左右,超精密的過濾系統也沒有可能將它濾除。同時由於它幾乎與油的密度壹致,因此離心機對它也是“無能為力”的。
    3、QOPS的應用及效果

圖三 FED淬火油凈化系統原理圖
 

    FED淬火油凈化系統(QOPS)(圖三)是目前在國際上先進的淬火油在線凈化設備之壹。這套系統已經在Bodycote plc公司英國工廠得到了很好的應用。
    2010年,格特拉克(江西)傳動系統公司熱處理車間也安裝了六套FED淬火油凈化系統(QOPS)(圖四)。車間共有Lindberg多用爐三臺,IPSEN多用爐三臺,Aichelin推盤爐壹臺。使用好富頓(Houghton)快速光亮淬火油,為降低使用成本,用戶壹直沒有換油,僅在油質差的情況時(大約壹年),經沈澱後換掉三分之壹。 
    由於油品多年連續使用,油品中汙染物較多,油品的冷卻速度下降,導致淬火工件表面的硬度下降,甚至出現廢品,某些碳層較淺的工件根本不能在該爐中進行淬火。此外工件表面清潔度很差,影響外觀,並且工件表面的汙物很難清洗。

圖四 熱處理爐上的FED淬火油凈化系統

圖五 72小時後,離心機分離出雜質的情況

圖六 清理出來的油中固體雜質

    3、 結論
    安裝使用FED淬火油凈化系統(QOPS)後,經過連續幾天的凈化處理(圖五、圖六),油質明顯好轉,通過對比發現,使用QOPS前後的淬火工件的外觀和質量明顯改善,蒙在工件表面的壹層“灰”不見了,淬硬層軟點消失了。最終的使用結果表明,使用QOPS系統後基本可以不需要換油,而僅需定期補充壹些新油,平均每年每臺熱處理爐平均可以節約油品直接成本4-8萬元左右。此外,減少換油時清洗油箱積垢的人工費用以及清洗淬火後工件表面等二次加工費用等,長期綜合經濟效益亦是非常可觀的。
 

 
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