Afschrikolie en warmtebehandelingsvloeistoffen zijn bedoeld voor het snel of gecontroleerd afkoelen van staal of andere metalen als onderdeel van een hardings-, ontlaat- of ander warmtebehandelingsproces. Afkoelende olie heeft twee hoofdfuncties. Hij vergemakkelijkt het harden van staal door de warmteoverdracht tijdens het afschrikken te regelen, en hij verbetert de bevochtiging van staal tijdens het afschrikken om de vorming van ongewenste thermische en transformationele gradiënten te minimaliseren die tot verhoogde vervorming en scheurvorming kunnen leiden.
Olie heeft een groot voordeel boven water door zijn hogere kooktraject. Een typische olie heeft een kooktraject tussen 230ºC en 480ºC. Hierdoor begint de langzamere convectieve afkoelfase eerder, waardoor de transformatiespanningen, die het grootste probleem vormen bij snelle waterkoeling, kunnen vrijkomen. Olie is daarom in staat om ingewikkelde vormen en legeringen met een hoge hardheid met succes af te koelen.
Het afschrikproces
Wanneer warmtebehandelingsvloeistoffen worden gebruikt om metalen af te koelen, vindt de afkoeling in drie verschillende stadia plaats: filmkoken, kernkoken en convectieve warmteoverdracht.
filmkoken
filmkoken, ook bekend als het “dampdeken”-stadium, treedt op bij de eerste onderdompeling. Contact tussen het hete metaaloppervlak en het blusmiddel creëert een damplaag (bekend als het Leidenfrost fenomeen) doordat de toevoer van warmte groter is dan de afvoer ervan. De stabiliteit van de damplaag, en dus het vermogen van de olie om staal te harden, hangt af van de onregelmatigheden van het metaaloppervlak, de aanwezige oxiden, de oppervlaktebevochtigende additieven (die het bevochtigen versnellen en de laag destabiliseren), en de moleculaire samenstelling van de blusolie (inclusief de aanwezigheid van vluchtiger bijproducten van de oliedegradatie). De koeling in dit stadium is een functie van geleiding door het dampomhulsel en is betrekkelijk langzaam aangezien de dampdeken als een isolator fungeert.
Nucleate Boiling
Als het onderdeel afkoelt, stort het dampomhulsel op punten in en ontstaat nucleate boiling (hevig koken van het blusmiddel). De warmteoverdracht is het snelst in dit stadium, met warmteoverdrachtscoëfficiënten die soms meer dan twee orden van grootte hoger zijn dan tijdens het filmkoken, grotendeels als gevolg van de verdampingswarmte. Het kookpunt van het quenchant bepaalt het einde van deze fase. De punten waarop deze overgang plaatsvindt en de snelheid van warmteoverdracht in dit gebied zijn afhankelijk van de totale moleculaire samenstelling van de olie.
Convectieve warmteoverdracht
Wanneer het onderdeel is afgekoeld tot onder het kookpunt van het quenchant, treedt langzame afkoeling op door convectie en geleiding (ook wel het “vloeibare” stadium genoemd). De koelsnelheid in deze fase is langzaam en exponentieel afhankelijk van de viscositeit van de olie, die varieert met de mate van ontleding van de olie. De warmteoverdrachtsnelheid neemt toe bij lagere viscositeiten en neemt af bij toenemende viscositeit.
Figuur 1 – Typische koelcurven en koelsnelheidscurven voor nieuwe oliën.
Het ideale quenchant is er een met weinig of geen dampfase, een snelle kernkookfase en een trage snelheid bij convectieve afkoeling. De hoge aanvankelijke koelsnelheden staan de ontwikkeling van volledige hardheid toe door sneller dan de zogenaamde kritieke omzettingssnelheid te doven en dan aan een langzamer tarief te koelen aangezien het metaal blijft koelen. Dit maakt spanningsnivellering mogelijk, waardoor vervorming en scheurvorming in het werkstuk worden verminderd.
Deze video toont het olie-quenchen van gelegeerd staal:
Video credit: groves28
Olie Selection
Bij het selecteren van afschrikoliën zullen industriële inkopers rekening moeten houden met de chemie, eigenschappen en kenmerken van de vloeistof die nodig zijn voor de toepassing.
Chemie
De chemie van het blusmiddel is de belangrijkste overweging bij het selecteren van de beste vloeistof voor de toepassing.
- Reine oliën zijn niet-emulgeerbare producten die in onverdunde vorm bij verspanende bewerkingen worden gebruikt. Ze zijn samengesteld uit minerale of petroleumoliën en bevatten vaak polaire smeermiddelen zoals vetten, plantaardige oliën en esters, alsook additieven onder extreme druk zoals chloor, zwavel en fosfor. Rechte oliën bieden de beste smering en de slechtste koeleigenschappen onder de blusvloeistoffen. Zij zijn over het algemeen ook het meest economisch.
- In water oplosbare en emulsievloeistoffen zijn sterk verdunde oliën, ook wel bekend als vloeistoffen met een hoog watergehalte (HWCF). Oplosbare olievloeistoffen vormen een emulsie wanneer ze met water worden gemengd. Het concentraat bestaat uit een minerale basisolie en emulgatoren om een stabiele emulsie te helpen produceren. Deze vloeistoffen worden gebruikt in verdunde vorm met concentraties van 3% tot 10%, en leveren goede prestaties op het gebied van smering en warmteoverdracht. Zij worden op grote schaal in de industrie gebruikt en zijn de minst dure van alle blusvloeistoffen. In water oplosbare vloeistoffen worden gebruikt als water-olie-emulsies of olie-water-emulsies. Water-in-olie-emulsies hebben een continue oliefase en superieure smeer- en wrijvingsreducerende eigenschappen (d.w.z. bij het vormen en trekken van metaal). Olie-water emulsies bestaan uit druppeltjes olie in een continue waterfase en hebben betere koeleigenschappen (b.v. metaalsnijvloeistoffen en slijpkoelvloeistoffen).
- Synthetische of semi-synthetische vloeistoffen of vetten zijn gebaseerd op synthetische verbindingen zoals siliconen, polyglycol, esters, diesters, chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK’s), en mengsels van synthetische vloeistoffen en water. Zij bevatten geen aardolie of minerale olie, maar zijn samengesteld uit organische en anorganische alkalische verbindingen met additieven voor corrosie-inhibitie. Synthetische vloeistoffen worden meestal gebruikt in verdunde vorm met concentraties van 3% tot 10%. Zij leveren vaak de beste koelprestaties van alle warmtebehandelingsvloeistoffen. Sommige synthetische vloeistoffen, zoals fosfaatesters, reageren of lossen verf, pijpschroefdraadverbindingen en elektrische isolatie op. Semi-synthetische vloeistoffen zijn in wezen een combinatie van synthetische en oplosbare aardolie- of minerale olievloeistoffen. De eigenschappen, kosten en warmteoverdrachtprestaties van semi-synthetische vloeistoffen liggen tussen die van synthetische en oplosbare olievloeistoffen.
- Micro-dispersieoliën bevatten een dispersie van vaste smeermiddeldeeltjes zoals PTFE (Teflon®), grafiet, en molybdeendisulfide of boornitride in een minerale, petroleum of synthetische oliebasis. Teflon® is een gedeponeerd handelsmerk van DuPont.
Eigenschappen
Eigenschappen voor het beschrijven van warmtebehandelingsvloeistoffen kunnen worden geclassificeerd als primair of secundair.
Primaire
Primaire eigenschappen zijn die welke de prestaties van de vloeistof beschrijven. Hiertoe behoren koelsnelheid, thermische geleidbaarheid, viscositeit, watergehalte en slibvorming.
- Koelsnelheid / afschriksnelheid – de snelheid waarmee een afschrikvloeistof een werkstuk kan afkoelen. Deze specificatie wordt ofwel gegeven als een verhouding ten opzichte van water of als een getal gebaseerd op de GM-quenchometertest. The GM test (also called the “nickel ball” test) measures how long it takes for a nickel ball to be cooled to the point at which it becomes magnetic. The figure below gives an example of the setup for such a test.
Figure 2 – GM quenchometer test apparatus. Image credit: Machinery Lubrication
This property does not give any information about the cooling pathway, however (as demonstrated in figure 3); it merely gives the time required to cool to a certain temperature.
Figure 3 – Cooling curves for 3 different quenching oils with the same GM results. Image Credit: Machinery Lubrication
- Thermal conductivity – the measure of a fluid’s ability to transfer heat. Afkoelingsvloeistoffen met een hogere thermische geleidbaarheid zullen metalen sneller afkoelen dan die met een lage thermische geleidbaarheid.
- Viscositeit – de dikte van een vloeistof, gewoonlijk gemeten in centistokes (cSt). De warmteoverdracht tijdens de convectieve fase is exponentieel afhankelijk van de viscositeit van de olie, die varieert met de mate van ontleding van de olie. De ontleding van de olie (vorming van slib en vernis) zal aanvankelijk resulteren in een vermindering van de olieviscositeit, gevolgd door een voortdurende toename van de viscositeit naarmate de afbraak voortschrijdt. De warmteoverdracht neemt toe bij lagere viscositeiten en af bij toenemende viscositeit. Figuur 4 toont de verandering van de viscositeit in de tijd.
Figuur 3 – Viscositeit van een martemperolie als functie van de tijd. Image Credit: Machinery Lubrication
- Watergehalte – de hoeveelheid water in de dempingsvloeistof. Omdat water niet compatibel is met olie en andere fysische eigenschappen heeft, zoals viscositeit en kookpunt, zal het de thermische gradiënten doen toenemen en kan het zachte plekken, ongelijke hardheid of vlekken op het werkstuk veroorzaken. Wanneer met water verontreinigde olie wordt verhit, kan een krakend geluid worden gehoord; de basis van een kwalitatieve veldtest voor water in blusolie. Veel geautomatiseerde vochtdetectors meten doorgaans slechts 0,5 procent, wat onvoldoende is voor de vochtgehaltes die zijn toegestaan voor smeltoliën (doorgaans minder dan 0,1 procent).
Selectietip: Voor smeltoliën is doorgaans een vochtgehalte van minder dan 0,1 procent vereist. Houd er rekening mee dat veel geautomatiseerde vochtdetectoren slechts 0,5 procent meten.
- Slibgehalte – de hoeveelheid slib en vernis in de blusvloeistof als gevolg van thermische en oxidatieve degradatie. Deze bijproducten adsorberen doorgaans niet gelijkmatig op het metaaloppervlak tijdens het blussen, wat leidt tot een niet-uniforme warmteoverdracht, grotere thermische gradiënten, scheuren en vervorming. Slib kan ook filters verstoppen en warmtewisselaaroppervlakken vervuilen, waardoor oververhitting, overmatige schuimvorming en brand kunnen ontstaan. De relatieve hoeveelheid slib in de blusolie kan worden gekwantificeerd aan de hand van het precipitatiegetal. Dit getal kan worden gebruikt om de resterende levensduur van gebruikte olie te schatten door het te vergelijken met de niveaus in nieuwe olie.
Deze afbeeldingen tonen de verschillen in analytische spectra van nieuwe en gedegradeerde oliën:
Figuur 4A – IR-spectra van een nieuwe vs. matig gedegradeerde quench-olie. Image credit: Machinery Lubrication
Figuur 4B – IR-spectra van een nieuwe vs. sterk gedegradeerde smeerolie. Image credit: Machinery Lubrication
Secondary
Secondary properties zijn die eigenschappen die de bedrijfsparameters van een vloeistof beschrijven. Ze omvatten bedrijfstemperatuur, vloeipunt en vlampunt.
- Bedrijfstemperatuur – het normale temperatuurbereik waarvoor de vloeistof is ontworpen, of de maximumtemperatuur van materiaal dat de vloeistof veilig of effectief kan koelen.
- Vloeipunt – de laagste temperatuur waarbij vloeistof of olie vloeit. Het vloeipunt ligt meestal 15°F tot 20°F onder de laagste eindgebruikstemperatuur van het systeem om schade aan de pomp door cavitatie te voorkomen.
- Vlampunt – de temperatuur waarbij de vloeistof voldoende dampen produceert om een ontvlambaar mengsel te vormen in lucht nabij de oppervlakte. Hoe lager het vlampunt, des te gemakkelijker is het materiaal te ontsteken. Bedrijfstemperaturen en -procedures moeten samen met het vlampunt van een olie in aanmerking worden genomen om een veilig blusproces te waarborgen.
Selectietip: Het minimale vlampunt van een olie moet, onder normale bedrijfsomstandigheden, 90°C (160°F) boven de gebruikte olietemperatuur liggen.
Features
Smeltende oliën en warmtebehandelingsvloeistoffen kunnen een aantal extra eigenschappen hebben die veelzijdigheid en functionaliteit toevoegen. Hiertoe behoren biologisch afbreekbare, weinig schuimende en waterverplaatsende eigenschappen.
- Biologisch afbreekbaar – vloeistoffen zijn ontworpen of geschikt om te ontbinden of af te breken in onschadelijke chemicaliën wanneer ze in het milieu vrijkomen. Dit is nuttig voor toepassingen met grote volumes, waar de verwijderingskosten voor afgebroken oliën anders zeer hoog zouden kunnen oplopen.
- Laagschuimend – vloeistoffen produceren geen schuim of slechts kleine hoeveelheden schuim. De niet-schuimende eigenschappen worden bereikt door het gebruik van additieven die ingesloten lucht afbreken. Lekken die lucht in een systeem brengen kunnen schade aan de pomp veroorzaken als gevolg van cavitatie. Schuimvorming kan ook het koelvermogen en de bulkmodulus (of stijfheid) van de vloeistof verminderen.
- Waterverplaatsing – vloeistoffen hebben het vermogen om water van een oppervlak te verplaatsen op basis van bevochtigings- of oppervlakte-energie-eigenschappen. Vloeistoffen met een lage oppervlakte-energie of interfaciale spanning in vergelijking met water zullen onder het water of vocht op een oppervlak stromen.