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生物淬火油的特性与应用

2017-05-02 10:46


生物淬火油的特性与应用

   

最新消息:2017年4月15日,国务院办公厅以“国办发〔2017〕30号”文件下发了《国务院办公厅关于进一步加强“地沟油”治理的意见》,提出各地区、各有关部门要认真贯彻落实《中华人民共和国食品安全法》、《中华人民共和国农产品质量安全法》、《中华人民共和国动物防疫法》、《生猪屠宰管理条例》、《城市生活垃圾管理办法》等要求,以原料来源控制和油脂加工监管为重点,既要从严监管执法,加强源头治理,杜绝“地沟油”流向餐桌;也要加大政策扶持力度,建立长效机制,合力推动餐厨废弃物、肉类加工废弃物和检验检疫不合格畜禽产品的无害化处理和资源化利用。要把“地沟油”治理作为“十三五”期间食品安全重点工作任务,力争取得突破。

在此之前,国务院机关报《经济日报》于2015年11月7日,发表了我写的一篇“废弃食用油资源化利用效益大”报道,而中国热处理协会也已经把“生物热处理油”的研发和推广应用确定为热处理行业“十三五”规划的五个重点创新任务之一。

1 概述

   生物淬火油的定义

生物淬火油相对于矿物淬火油,是指以植物或动物油脂作为基础油调制的热处理工艺用油。

与矿物淬火油相比,生物淬火油具有以下突出特点:

1)属于可再生能源,具有节能和循环经济属性。

2)可以生物降解,环保效果明显。

3)冷却性能独特,没有膜沸腾阶段,对流阶段以下冷速平缓,具备“多级淬火油”特性,适用于连续冷却淬火、分级淬火或等温淬火,并可在一定条件下取代硝盐淬火。

4)在相等或相近的粘度等级下,开口闪点和烟点远高于矿物油,可以大幅度提高淬火油温,有效规避淬裂风险和减少工件变形,并减少油烟。

5)经特殊工艺和添加多种抗氧剂复合处理,抗氧化能力超过矿物淬火油。

2 生物淬火油实测指标(见表一)

表一


指标项目
实测数据
执行标准

运动粘度,mm2/s
37.33
GB/T265

开口闪点,℃
295
GB/T3536

燃点,℃
316
GB/T3536

烟点,℃
175
QB/J-011

酸值,mgKHO/g
0.18
GB/T5530

水分及挥发物,%
0.023
GB/T5528

光亮性,级
1
SH 0564附录A

热氧化安定性
粘度比,
1.81
SH/T0219,
(190℃氧化360h)

残炭增加值,%
1.64

特性温度,℃*
≈850
GB/T30823
(120℃)

特温时间,s*
<0.1

对流温度,℃
435.94

最大冷速,℃/s
104.46

最大冷速温度,℃
775.96

300℃冷速,℃/s
5.7

→600℃时间,s
2.94

400℃时间,s
14.00

300℃时间,s
28.73

200℃时间,s
>50s


3 解读生物淬火油冷却曲线

3.1 实测冷却性能

HWR-E全自动冷却性能测定仪测定2#生物淬火油冷却曲线

(IVF冷速仪测定)

同一种生物淬火油不同油温冷却性能对照表(IVF冷速仪)

表二


指标项目
80℃
120℃
160℃
最大冷速,℃/s
103.08
106.79
102.83
最大冷温。℃
732.73
736.45
728.13
300℃冷速,℃/s
5.43
4.66
3.59
特性温度,℃
848.27
847.22
848.33
*特温时间,s
——
——
——
对流开始温度,℃
396.86
423.22
414.63
*开度,℃
451.41
424.00
433.70
600℃时间,s
4.64
4.37
4.51
400℃时间,s
12.56
13.3
14.41
*300℃时间,s
≈28
33
35
200℃时间,s
53.21
0
0


注:IVF冷速仪不测定*项参数,本表数据根据曲线测量和计算求得。

3.2 数据解析

1)从上述四张冷却曲线图可以看出,2016年6月和2017年4月两批不同生产日期的生物淬火油,其试验重复性和再现性是相当稳定的,所有数据的浮动值均在相关标准的上下限范围之内。如ISO 9950(E)标准规定,标准油的冷却速度为50±3℃,而生物淬火油的再现性和重复性误差均不大于±2℃(102~106℃)。这不仅证明检测的精准性,同时也证明产品本身的性能相当稳定。

2)生物淬火油最突出的特点是没有膜沸腾阶段。GB/T30823(ISO 9950)规定,测试探头温度是850℃,而实际测得的特性温度均在847℃以上,特温时间则检测不到(小于0.1s)。这个特点,是矿物淬火油无论如何也不可能做到的。

3)而冷却到对流温度以下(即下贝氏体或马氏体形成阶段)时,生物淬火油的冷速又明显变慢,这不仅有利于组织晶粒细化,而且可以抑制工件变形和开裂。

4)综合分析冷却曲线还可以看出,由于生物淬火油没有膜沸腾直接进入泡沸腾阶段,冷却过程曲线显著左移,使其躲过钢材CCT曲线“鼻子尖”的趋势更为明显。同时,在80~160℃温度范围内,生物淬火油的冷却性能,除400℃以下冷却时间有所变化外,其他指标基本保持稳定,使生物淬火油具有“多级淬火油”特点,能够极大拓展工艺适应性,可以满足绝大多数工件的连续冷却淬火和分级淬火,从而减少生产现场配备的淬火槽数量和淬火油种类。      

4 生物淬火油的抗氧化性能

生物淬火油的抗氧化性能,不仅是用户关心的重点,也是我们研发的关键课题之一。为了确认生物淬火油在生产条件下的使用寿命,我们在SH/T0219《热处理油热氧化安定性测定法》(参照日本JIS K2242标准制定)标准的基础上,采用更为严苛的方法,进行了破坏性老化试验。其方法概要是:

以中碳钢和电解铜作为氧化触媒,在恒温190℃、强制通入定量压缩空气条件下,对生物淬火油和矿物油型分级淬火油同时进行连续老化360h,每120h检测一次粘度比、残炭增加值、开口闪点、烟点和冷却性能,对比两种淬火油的抗氧化能力。参照SH/T0219标准中“热油淬火油”指标,粘度比和残炭增加值的上限均为不大于2.0。

氧化后理化指标实测结果对照表(表三)

(表三)


氧化时间
指标项目
生物淬火油
石油分级淬火油
氧化前
粘度,mm2/s
37.33
7.73(100℃)

残炭
0.59
——

开口闪点,℃
298
227

烟点,℃
175
150
氧化
120h
粘度,mm2/s
43.12
13.6(100℃)

粘度比
1.16
1.76

残炭增加值,%
0.65
1.84

开口闪点,℃
296
202

烟点,℃
176
138
氧化
240h
粘度,mm2/s
55.25
氧化240h后只剩下粘稠膏状物,所有项目均无法检测。

粘度比
1.48

残炭增加值,%
1.03

开口闪点,℃
296

烟点,℃
177

氧化
360h
粘度,mm2/s
67.57

粘度比
1.81

残炭增加值,%
1.64

开口闪点,℃
294

烟点,℃
177


   氧化前/后冷却性能对照表见(表四)

(表四)


项        目
氧化前
氧化120h
氧化240h
氧化360h
特性温度,℃
0
0
0
0
特温时间,s
0
0
0
0
对流温度,℃
440.69
441.56
429.89
434.94
最大冷速,℃/s
103.37
103.88
104.14
104.62
最大冷温,℃
772
748
759.66
752
300℃冷速,℃/s
5.31
5.81
6.13
6.54
→600℃时间,s
3.37
3.22
3.32
3.1
400℃时间,s
14.26
14.34
14.17
14.35
300℃时间,s
27.52
27.91
28.09
28.21
200℃时间,s
>50
>50
>50
>50


注:破坏性老化试验对生物淬火油冷却性能的影响极其轻微,可以忽略不计。

5 应用案例

到目前为止,我公司已推出五种不同冷却特性的生物淬火油。其中,1#为轴承行业专用;2#为锯片行业专用;3#为40Cr、42CrMo、31CrMoV9等难以淬火硬化材料专用;4号为高铬铸球专用;5#回火和锻造余热处理专用。下列金相照片为轴承行业和锯片行业的应用实例。

图一:Cr15钢生物淬火油840℃淬火/180℃回火金相

  

第一组

  

第二组

  

            2000X                                 3500X

快速淬火油淬火

  

           2000X                                3500X

生物淬火油淬火

注:(图一)金相由“交通部船机修造工程重点实验室(大连海事大学)”测定。

图二:锯片钢生物淬火油淬火/回火效果


材料
项目
淬火态
备注
8CrV
淬火金相
 
相同工件、相同淬火工艺,采用100℃石油分级油出现淬火裂纹。

淬火硬度,HRC
60

拉伸强度,Mpa
1520

屈服强度,Mpa
1190

延伸率,%
9

50Mn2V
淬火金相
 
——

淬火硬度,HRC
60.5

拉伸强度,Mpa
1380

屈服强度,Mpa
1100

延伸率,%
4

74Cr1
淬火金相
 
——

淬火硬度,HRC
61.5

拉伸强度,Mpa
1340

屈服强度,Mpa
1280

延伸率,%
7


注:采用国产8CrV和50Mn2V钢、生物淬火油淬火的目的,是取代进口同类钢材生产高档

   锯片。

生物淬火油具有上述独特而明显的优势,但也并非可以解决所有热处理问题的灵丹妙药。这是因为,在决定热处理质量的材料/工艺/设备/冷却介质四大要素中,冷却介质只占其一。就淬火介质的冷却性能而言,有些指标又是相互矛盾、相互制约的,这就衍生出冷却介质的“理想特性”和“实际特性”概念。

从获得最佳淬火效果的角度,一般说来,我们希望淬火介质冷却特性的理想状态是:

尽可能高的上特性温度和尽可能短的特温时间;

② 较高的最大冷速;

③ 最大冷速温度处于屈氏体形成温度区间(400~550℃);

④ 钢材Ms点以下冷速尽可能缓慢。

然而,要达到上述理想状态,事实上是不可能的。如(图三)所示,为了避开出现屈氏体而下移最大冷速温度时,整个冷却速度曲线需要下移,必然使马氏体形成区间的冷速加快,从而造成工件变形和开裂风险大幅度增加,所以只能根据具体情况进行取舍。

(图三)

 

6 生物淬火油的应用与新型热处理工艺取得复合经济技术效益

如前所述,影响热处理质量有材料、工艺、设备和介质四大关键要素。在材料、设备已定的条件下,根据工况整合工艺与淬火介质的冷却特性,就是十分必要的。为此,在研发生物淬火油过程中,我们聘请业内专家,动用箱式马弗炉、井式渗碳炉和多用炉,对轴承钢、锯片用钢、高铬耐磨铸球等材料,进行了长达六个多月的验证性生产实验,通过对大量对比数据的分析,取得了一批翔实可靠的生物淬火油应用效果参数,现择其主要几点与各位分享。

预处理。采取固溶+球化预处理工艺,消除工件带状和组织偏析,获得更高综合性能。以8Crv为例,经过与未经过预处理工件金相组织对比见(图四)。

图四

   从图四可知,预处理工艺对组织细化的作用是及其明显的。

   未经预处理的8CrV工件,采用生物淬火油,油温100℃淬火,也出现图五所示的细微裂纹,而经过预处理的相同工件,在60℃的生物淬火油中淬火,也未发现淬裂现象。这回答了两个问题:一是生物淬火油抗淬火裂纹的优势,二是预处理的重要性。

图五

    

低温连续回火。

    我们知道,淬火+低温回火的工件,正常工艺流程是:工件加热淬火→清洗→入回火炉升温至回火温度→保温→冷却。由于生物淬火油具有很高的闪点,使其具备了另外一种功能——淬火后连续回火。

   对于为了获得回火马氏体、回火温度低于200℃的低温回火工件,应用生物热处理油,完全可以把上述工艺简化为:工件加热→生物淬火油淬火→环境温度空气冷却→进入相当于回火温度的生物油中保温→冷却。

   应用生物热处理油等温回火的技术经济优势非常明显。首先,省略了回火炉;其次,节约了回火升温耗能;再次,将清洗槽改为回火油槽,不需要配备清洗液;第四,缩短工艺流程时间,提高生产效率。

锻后余热处理。

锻造成型后余热处理属于高温形变热处理,即相变前的成型热处理,是锻造与热处理相结合的一种复合工艺,目的在于对锻件进行强韧化。根据锻造工件强韧化机理,要获得理想的锻件,除锻造工艺之外,锻后余热淬火/回火工艺和适宜的淬火介质是不可或缺的两大关键因素。锻后余热处理工艺有两个关键点:一是根据锻件材料的冶金学性质确定工件温度及冷却速度的分阶段控制,二是制定冷却工艺时,必须保证工件温度高于材料静态再结晶温度。由这两点派生出来的另一个要素,就是选择合适的冷却介质——应具有类似于硝盐的极短蒸汽膜阶段,使工件在淬火初始时实现奥氏体快速过冷,而在马氏体转变区的冷速明显变慢,有利于马氏体晶粒细化,从而获得高强韧性锻件。

如前所述,生物淬火油恰恰具备这一特点,这就使生物淬火油的应用范围得到拓展,同时解决了锻后余热淬火和回火所需的冷却介质难题。

7 关于三河市炬峰生物能源有限公司

三河市炬峰生物能源有限公司是以三河市炬峰生物质柴油有限公司和大连海威石油化工有限公司为主体,并吸收部分社会资金建成而成的有限责任公司。2017年初,炬峰公司又与河北清华发展研究院、中国热处理行业协会共同成立了“炬峰生物能源研发创新中心”,研发创新中心的主营方向是生物油的工业化利用,以及相关产品的应用技术与咨询服务,以期借力、整合更为优质的技术资源和推广渠道,尽快将这一成果推向国际市场。目前,公司采用大连海威石油化工有限公司拥有完全自主知识产权的发明专利,生产生物热处理油,是生物热处理油唯一授权生产经营企业,同时已全面展开生物切削油和生物轧制油等三项发明专利、两项实用新型专利的申报。

炬峰公司愿以蓝天一样广阔的视野,大海一样宽容的胸怀,高山一样凝重的情操,与业界同仁共创辉煌的明天!

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