创新助力奎克好富顿淬火冷却介质可持续发展

2022-06-21马敏姚继洪

金属加工(热加工) 2022年5期

马敏，姚继洪

奎克好富顿（中国）有限公司上海 201712

1 序言

应对气候变化，实现可持续发展，造福子孙万代已经是人类命运共同体的核心内容和共识。我国已向世界宣示，中国力争在2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”（“双碳”目标）。奎克好富顿自合并初期就已将可持续发展作为新公司重要的核心价值之一，并在2020年的可持续发展报告中明确：全球运营将在2030年实现“碳中和”，并在2030年之前建立科学的目标，争取实现2050年整个价值链上净零排放[1]。

实现可持续发展离不开技术的进步和创新。在 “双碳”目标下，我公司更是重新调整了战略组织结构，将资源集中于新产品的开发平台和重点行业，其中约30%的研发支出用于创新。每一个创新研究项目都设有全球战略组织，以积极影响产品的整个生命周期。热处理是相对高耗能产业，又是制造业不可或缺的环节。奎克好富顿自1880年首次开创专用淬火油以来，一直致力于热处理工艺介质的创新与开发，根据新法规以及新材料和新技术的发展，不断搭建更好的产品体系。

2 减少有害物质的使用

奎克好富顿在2020年的可持续发展报告中明确指出，公司会致力于产品的完整生命周期的管理和解决方案，通过创新来减少这些影响，并与客户进行有效的沟通。通过研发、原材料和产品安全团队的合作，识别现有产品中的有害物质，进一步评估和使用更安全可靠的可替代原料。目前，超过90%的产品采用低于分类标准中致癌、诱变和致毒（CMR）物质。2020年，我们的金属加工技术研发团队与产品管理部门一起确定新的化学物质性质，使具有CMR和水毒特性的材料与2019年相比又有4%的下降。近些年，国外对有关苯酚类结构的化学物质的使用限制有可能进一步加大，这又是对整个行业的一次挑战。奎克好富顿已经提前做好了充分准备，可保证客户的正常产品供应。另外，由于欧洲和美国对于杀菌剂管制的日益严苛，奎克好富顿提出并开发了不含杀菌剂的淬火液AQUA QUENCH 222，不仅冷却性能优异，其生物稳定性比含有杀菌剂的产品也更胜一筹。目前，在国外如欧洲和日本，已经有很多客户认可并使用了这个产品。2021年，奎克好富顿还建立了新的产品安全管理方法，确保始终用最先进的技术管理产品合规和文档管理。

3 使用可再生和可降解材料

使用可再生和可降解材料一直是国内外公认的重要研究方向。奎克好富顿很早就制定了战略规划，通过组建可再生原料小组，规划可再生材料的正确使用和管理，关注点不止于产品的可再生能力，更要关注产品对大气、土壤和水的影响。

淬火冷却介质品种繁多（油、气、水、盐、聚合物等），客户一般根据材料、工件尺寸和性能要求选择淬火冷却介质类型。矿物油类是品种最齐全、功能化最多的主流淬火冷却介质。近几年来，由于环保要求和冷却性能表现，植物油类的淬火冷却介质（菜籽油、橄榄油、棕榈仁油等）逐步变成研究热点[2，3]。与传统矿物油类淬火冷却介质相比，植物油基淬火冷却介质在对环境保护方面的表现更优异。矿物油与植物油相关性能比较见表1，植物油基淬火油与一种典型的矿物油基淬火油的冷却性能比较见表2，植物油基淬火油和矿物油基淬火油的冷却特性曲线如图1所示[2-4]。

图1 植物油基淬火油和矿物油基淬火油的冷却特性曲线

表1 矿物油与植物油相关性能比较

表2 植物油基淬火油与一种典型的矿物油基淬火油的冷却性能比较

通过对工件力学性能、油品润湿能力，以及淬火后化学稳定性的研究表明，用棕榈油、椰子油、葵花籽油、花生油和蓖麻油等植物油替代矿物油作为淬火冷却介质，表面润湿性差别不大，但在淬火烈度方面却与常规矿物淬火油相当[2]。

影响植物油大规模使用的一个技术难题是其中包含很多不稳定的结构，如不饱和键的亚油酸、亚麻酸等。所有的研究者都认同，如果植物油经过减少氧化不稳定性等处理后，可很好地替代矿物油。目前，常用的减少不稳定结构的方法是环氧化[2,5]、氢化[2，6]和酯化[2，7]。

奎克好富顿很早就开发了植物油基淬火油BIOQUENCH 700，经过严格的原材料筛选和复配，其中稳定性结构的组分含量很高。BIO-QUENCH 700和同类的植物淬火油QUENCH 3082-64-1已经在美洲和欧洲的一些高合金钢或碳素钢的淬火工艺（见图2）中得到了很好的应用。该淬火冷却介质的特点是上特性温度高，工件的畸变也可得到理想的控制。

图2 植物基淬火油用于高合金钢零件的淬火

4 再生油技术

研究发现，大部分废润滑油中劣化了的组分含量通常＜10%，其他90%左右的组分都还能保持原有的性能[8]。如果能将这些废油再生，不仅有经济价值，也是延长产品生命周期、减少碳排放的一个重要方法。矿物油的变质过程可以归为以下两大类。

1）烷烃、环烷烃和带长侧链的芳香烃的氧化过程。烃氧化为过氧化物, 再继续氧化变成羧基酸类、沥青质酸类甚至碳化物。

2）带短侧链的芳香烃和无侧链芳香烃所经历的氧化过程。烃氧化成过氧化物，继续氧化为酚类、胶质、沥青质、半焦油质。反应生成的污染物也有很多, 主要包括酸类、沥青胶质、有机盐和炭等[9]，这些都是影响产品性能的关键因素。常用的再生工艺包括絮凝、蒸馏、萃取、加氢处理、膜分离和吸附等[10]。另外，通过多种工艺组合处理，可以提高再生的效率并减少设备的损坏和影响。

奎克好富顿在美国很早就有利用再生油技术生产淬火油产品（HOUGHTO-QUENCH 3xxx系列）的实践。通过严格的质量把控，再生油产品可以与新矿物油产品具有相类似的使用寿命。在中国，目前可作为原料的再生油仍然处于价高量少、质量混杂的阶段，因此再生油真正大规模应用到淬火油领域还需要经历一定的时间。

生物油，尤其是“地沟油”的再生是一个非常复杂的问题。由于“地沟油”中含有各种植物油和动物油，并且成分复杂，所以老化的过程中会引起成分的聚合水解并产生多种极性物质，如二聚以上的多聚物、脂肪酸和水等[2，11-14]。图3给出了植物油脂肪酸部分氧化途径和氧化副产物。

图3 植物油中脂肪酸部分氧化路径和氧化副产物[14]

另外，在长期烹制和存放中产生的有害菌种，如黄曲霉菌等，都是导致氧化后的植物油与新油在冷却能力上出现较大差异的原因[11-13]。在国际上，再生油用于淬火冷却介质的最新研究方向主要还是以单一食用油，如葵花籽油的再生使用为主。通过一系列物理化学的处理方法得到中性的油品，其冷却性能与精炼的葵花籽油及矿物油相当[12]。另外，还有一些方法是通过酯交换法制备脂肪酸甲酯，并与部分新油或矿物油混合，仍能够得到与新油类似的冷却特性[13]。

有趣的是，有一些国外学者[15]采用真空热解工艺，得到黏度降低、淬火性能良好的生物油。用该生物油对25CD4钢（中国牌号25CrMoA）进行淬火试验，与未加工的植物油比较，发现其冷却曲线与标准矿物油（嘉实多ILOQUECHTM1）的冷却曲线很接近。处理后钢的硬度从29～30HRC提高到43～45HRC，这说明经一定热解之后的植物油更有利于提升油品的冷却能力。

5 提升整个生产线的低碳环保水平

热处理工序属于中间工序，机加工工序中的介质，如切削和磨削过程中的清洗剂、液压油、脱模剂等都可能对于淬火冷却介质产生影响。奎克和好富顿通过合并实现了优势互补，产品线也得以拓展和延伸，对热处理客户有很大帮助。例如，最近开发的低温清洗技术，除可以提高清洗能力外，还帮助客户节约了能源，达到低碳环保的目的。

6 智能装备技术

奎克好富顿一个很有特点的产品就是QH FLUIDCARETM团队对设备、技术和整体解决方案的推荐和实施。根据客户的需求，资深的技术和管理团队通过项目支持，可以提供安全的工作环境，合理使用水和化学品，以满足客户减少浪费、降本增效、节能减排的需求。此外，奎克好富顿意识到先进的管理离不开过硬的装备，公司资深工程技术团队开发出一系列QH FLUID INTELLIGENCE™ 和QH-FLUIDWORKER™ 工具，可以帮助客户不同程度地实现无人车间的化学品管理。根据生产规划和化学品的使用数据，智能化装备能够自动检测并及时补给化学品，保证客户对化学品的有效使用和生产供给的有序进行。奎克好富顿自行研发的GREENLIGHTTM等传感器已经在热处理、金属加工、轧制等多种场合得到了成功应用。QH-FLUIDWORKER™是一种在线紫外线杀菌系统。例如，某客户发现控制阀有异味、切削液中细菌生长复杂，为管理细菌每隔5～6次就需换液，数周内就需要按指示剂添加杀菌剂。使用QHFLUIDWORKER™之后，配合奎克好富顿开发的耐紫外线切削液，气味和细菌停止增长，切削液也没有因为紫外线光照而发生短期质变，极大地降低了处理和管理成本。这项技术在热处理客户中也有很好地应用，配备耐紫外线的AQUA QUENCH 140 UV 淬火液，彻底解决了使用中的生菌隐患。

7 新应用技术

特种工艺介质主要是为了配合工艺的需求，奎克好富顿一直在不断探索新的技术和应用方向。真空气淬是近几年行业技术应用的新方向，气淬的气源主要是氮气（N2）和惰性气体（如Ar）等，可以避免使用不可再生的石油，但是这种工艺对设备有一定要求，而且气体制造中能耗转化的碳当量与应用石油相比还需要核算，因此该技术的进一步成熟使用还需要一个过程。近几年，水基淬火液的应用拓展也成为工艺改进的新方向，为迎合国家在大气排放方面的新要求，大型工件的整体淬火从“油变液”的成功探索也越来越多地得到了验证。目前，淬火液在压淬方面的应用正受到一些客户的关注。