創新助力奎克好富頓淬火冷卻介質可持續發展

馬敏，姚繼洪

奎克好富頓（中國）有限公司 上海 201712

1 序言

應對氣候變化，實現可持續發展，造福子孫萬代已經是人類命運共同體的核心內容和共識。我國已向世界宣示，中國力爭在2030年前實現“碳達峰”、2060年前實現“碳中和”（“雙碳”目標）。奎克好富頓自合并初期就已將可持續發展作為新公司重要的核心價值之一，并在2020年的可持續發展報告中明確：全球運營將在2030年實現“碳中和”，并在2030年之前建立科學的目標，爭取實現2050年整個價值鏈上凈零排放[1]。

實現可持續發展離不開技術的進步和創新。在 “雙碳”目標下，我公司更是重新調整了戰略組織結構，將資源集中于新產品的開發平臺和重點行業，其中約30%的研發支出用于創新。每一個創新研究項目都設有全球戰略組織，以積極影響產品的整個生命周期。熱處理是相對高耗能產業，又是制造業不可或缺的環節?？撕酶活D自1880年首次開創專用淬火油以來，一直致力于熱處理工藝介質的創新與開發，根據新法規以及新材料和新技術的發展，不斷搭建更好的產品體系。

2 減少有害物質的使用

奎克好富頓在2020年的可持續發展報告中明確指出，公司會致力于產品的完整生命周期的管理和解決方案，通過創新來減少這些影響，并與客戶進行有效的溝通。通過研發、原材料和產品安全團隊的合作，識別現有產品中的有害物質，進一步評估和使用更安全可靠的可替代原料。目前，超過90%的產品采用低于分類標準中致癌、誘變和致毒（CMR）物質。2020年，我們的金屬加工技術研發團隊與產品管理部門一起確定新的化學物質性質，使具有CMR和水毒特性的材料與2019年相比又有4%的下降。近些年，國外對有關苯酚類結構的化學物質的使用限制有可能進一步加大，這又是對整個行業的一次挑戰。奎克好富頓已經提前做好了充分準備，可保證客戶的正常產品供應。另外，由于歐洲和美國對于殺菌劑管制的日益嚴苛，奎克好富頓提出并開發了不含殺菌劑的淬火液AQUA QUENCH 222，不僅冷卻性能優異，其生物穩定性比含有殺菌劑的產品也更勝一籌。目前，在國外如歐洲和日本，已經有很多客戶認可并使用了這個產品。2021年，奎克好富頓還建立了新的產品安全管理方法，確保始終用最先進的技術管理產品合規和文檔管理。

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國內外公認的重要研究方向?？撕酶活D很早就制定了戰略規劃，通過組建可再生原料小組，規劃可再生材料的正確使用和管理，關注點不止于產品的可再生能力，更要關注產品對大氣、土壤和水的影響。

淬火冷卻介質品種繁多（油、氣、水、鹽、聚合物等），客戶一般根據材料、工件尺寸和性能要求選擇淬火冷卻介質類型。礦物油類是品種最齊全、功能化最多的主流淬火冷卻介質。近幾年來，由于環保要求和冷卻性能表現，植物油類的淬火冷卻介質（菜籽油、橄欖油、棕櫚仁油等）逐步變成研究熱點[2，3]。與傳統礦物油類淬火冷卻介質相比，植物油基淬火冷卻介質在對環境保護方面的表現更優異。礦物油與植物油相關性能比較見表1，植物油基淬火油與一種典型的礦物油基淬火油的冷卻性能比較見表2，植物油基淬火油和礦物油基淬火油的冷卻特性曲線如圖1所示[2-4]。

圖1 植物油基淬火油和礦物油基淬火油的冷卻特性曲線

表1 礦物油與植物油相關性能比較

表2 植物油基淬火油與一種典型的礦物油基淬火油的冷卻性能比較

通過對工件力學性能、油品潤濕能力，以及淬火后化學穩定性的研究表明，用棕櫚油、椰子油、葵花籽油、花生油和蓖麻油等植物油替代礦物油作為淬火冷卻介質，表面潤濕性差別不大，但在淬火烈度方面卻與常規礦物淬火油相當[2]。

影響植物油大規模使用的一個技術難題是其中包含很多不穩定的結構，如不飽和鍵的亞油酸、亞麻酸等。所有的研究者都認同，如果植物油經過減少氧化不穩定性等處理后，可很好地替代礦物油。目前，常用的減少不穩定結構的方法是環氧化[2,5]、氫化[2，6]和酯化[2，7]。

奎克好富頓很早就開發了植物油基淬火油BIOQUENCH 700，經過嚴格的原材料篩選和復配，其中穩定性結構的組分含量很高。BIO-QUENCH 700和同類的植物淬火油QUENCH 3082-64-1已經在美洲和歐洲的一些高合金鋼或碳素鋼的淬火工藝（見圖2）中得到了很好的應用。該淬火冷卻介質的特點是上特性溫度高，工件的畸變也可得到理想的控制。

圖2 植物基淬火油用于高合金鋼零件的淬火

4 再生油技術

研究發現，大部分廢潤滑油中劣化了的組分含量通常＜10%，其他90%左右的組分都還能保持原有的性能[8]。如果能將這些廢油再生，不僅有經濟價值，也是延長產品生命周期、減少碳排放的一個重要方法。礦物油的變質過程可以歸為以下兩大類。

1）烷烴、環烷烴和帶長側鏈的芳香烴的氧化過程。烴氧化為過氧化物, 再繼續氧化變成羧基酸類、瀝青質酸類甚至碳化物。

2）帶短側鏈的芳香烴和無側鏈芳香烴所經歷的氧化過程。烴氧化成過氧化物，繼續氧化為酚類、膠質、瀝青質、半焦油質。反應生成的污染物也有很多, 主要包括酸類、瀝青膠質、有機鹽和炭等[9]，這些都是影響產品性能的關鍵因素。常用的再生工藝包括絮凝、蒸餾、萃取、加氫處理、膜分離和吸附等[10]。另外，通過多種工藝組合處理，可以提高再生的效率并減少設備的損壞和影響。

奎克好富頓在美國很早就有利用再生油技術生產淬火油產品（HOUGHTO-QUENCH 3xxx系列）的實踐。通過嚴格的質量把控，再生油產品可以與新礦物油產品具有相類似的使用壽命。在中國，目前可作為原料的再生油仍然處于價高量少、質量混雜的階段，因此再生油真正大規模應用到淬火油領域還需要經歷一定的時間。

生物油，尤其是“地溝油”的再生是一個非常復雜的問題。由于“地溝油”中含有各種植物油和動物油，并且成分復雜，所以老化的過程中會引起成分的聚合水解并產生多種極性物質，如二聚以上的多聚物、脂肪酸和水等[2，11-14]。圖3給出了植物油脂肪酸部分氧化途徑和氧化副產物。

圖3 植物油中脂肪酸部分氧化路徑和氧化副產物[14]

另外，在長期烹制和存放中產生的有害菌種，如黃曲霉菌等，都是導致氧化后的植物油與新油在冷卻能力上出現較大差異的原因[11-13]。在國際上，再生油用于淬火冷卻介質的最新研究方向主要還是以單一食用油，如葵花籽油的再生使用為主。通過一系列物理化學的處理方法得到中性的油品，其冷卻性能與精煉的葵花籽油及礦物油相當[12]。另外，還有一些方法是通過酯交換法制備脂肪酸甲酯，并與部分新油或礦物油混合，仍能夠得到與新油類似的冷卻特性[13]。

有趣的是，有一些國外學者[15]采用真空熱解工藝，得到黏度降低、淬火性能良好的生物油。用該生物油對25CD4鋼（中國牌號25CrMoA）進行淬火試驗，與未加工的植物油比較，發現其冷卻曲線與標準礦物油（嘉實多ILOQUECHTM1）的冷卻曲線很接近。處理后鋼的硬度從29～30HRC提高到43～45HRC，這說明經一定熱解之后的植物油更有利于提升油品的冷卻能力。

5 提升整個生產線的低碳環保水平

熱處理工序屬于中間工序，機加工工序中的介質，如切削和磨削過程中的清洗劑、液壓油、脫模劑等都可能對于淬火冷卻介質產生影響?？撕秃酶活D通過合并實現了優勢互補，產品線也得以拓展和延伸，對熱處理客戶有很大幫助。例如，最近開發的低溫清洗技術， 除可以提高清洗能力外，還幫助客戶節約了能源，達到低碳環保的目的。

6 智能裝備技術

奎克好富頓一個很有特點的產品就是QH FLUIDCARETM團隊對設備、技術和整體解決方案的推薦和實施。根據客戶的需求，資深的技術和管理團隊通過項目支持，可以提供安全的工作環境，合理使用水和化學品，以滿足客戶減少浪費、降本增效、節能減排的需求。此外，奎克好富頓意識到先進的管理離不開過硬的裝備，公司資深工程技術團隊開發出一系列QH FLUID INTELLIGENCE? 和QH-FLUIDWORKER? 工具，可以幫助客戶不同程度地實現無人車間的化學品管理。根據生產規劃和化學品的使用數據，智能化裝備能夠自動檢測并及時補給化學品，保證客戶對化學品的有效使用和生產供給的有序進行?？撕酶活D自行研發的GREENLIGHTTM等傳感器已經在熱處理、金屬加工、軋制等多種場合得到了成功應用。QH-FLUIDWORKER?是一種在線紫外線殺菌系統。例如，某客戶發現控制閥有異味、切削液中細菌生長復雜，為管理細菌每隔5～6次就需換液，數周內就需要按指示劑添加殺菌劑。使用QHFLUIDWORKER?之后，配合奎克好富頓開發的耐紫外線切削液，氣味和細菌停止增長，切削液也沒有因為紫外線光照而發生短期質變，極大地降低了處理和管理成本。這項技術在熱處理客戶中也有很好地應用，配備耐紫外線的AQUA QUENCH 140 UV 淬火液，徹底解決了使用中的生菌隱患。

7 新應用技術

特種工藝介質主要是為了配合工藝的需求，奎克好富頓一直在不斷探索新的技術和應用方向。真空氣淬是近幾年行業技術應用的新方向，氣淬的氣源主要是氮氣（N2）和惰性氣體（如Ar）等，可以避免使用不可再生的石油，但是這種工藝對設備有一定要求，而且氣體制造中能耗轉化的碳當量與應用石油相比還需要核算，因此該技術的進一步成熟使用還需要一個過程。近幾年，水基淬火液的應用拓展也成為工藝改進的新方向，為迎合國家在大氣排放方面的新要求，大型工件的整體淬火從“油變液”的成功探索也越來越多地得到了驗證。目前，淬火液在壓淬方面的應用正受到一些客戶的關注。

8 結束語

奎克好富頓公司在“雙碳”目標的引領下，正在持續努力地對傳統熱處理工藝中淬火冷卻介質做出不斷的創新。通過減少有害物質的使用、引入可降解可再生原料、使用再生油等，可提升整個生產線的低碳環保水平。未來，還需通過研發新的智能裝備、關注并配合新的應用技術等，來促進淬火冷卻介質技術的可持續發展。