روغن های خاموش کننده و مایعات عملیات حرارتی

روغن خاموش کننده و سیالات عملیات حرارتی برای خنک کردن سریع یا کنترل شده فولاد یا سایر فلزات به عنوان بخشی از یک سخت شدن، تمپر یا سایر فرآیندهای عملیات حرارتی طراحی شده اند. روغن کوئنچ دو وظیفه اصلی را انجام می دهد. این کار سخت شدن فولاد را با کنترل انتقال حرارت در حین کوئنچ کردن تسهیل می کند و خیس شدن فولاد را در هنگام کوئنچ افزایش می دهد تا تشکیل گرادیان های حرارتی و تبدیلی نامطلوب را به حداقل برساند که ممکن است منجر به افزایش اعوجاج و ترک شود.

روغن دارای مزیت عمده ای نسبت به آب به دلیل دامنه جوش بالاتر آن است. یک روغن معمولی دارای محدوده جوش بین 450 درجه فارنهایت (230 درجه سانتیگراد) و 900 درجه فارنهایت (480 درجه سانتیگراد) است. این امر باعث می‌شود که مرحله خنک‌کننده همرفتی کندتر زودتر شروع شود، و باعث آزاد شدن تنش‌های تبدیلی می‌شود که مشکل اصلی خنک‌سازی سریع آب است. بنابراین، روغن قادر است اشکال پیچیده و آلیاژهای با سختی بالا را با موفقیت خاموش کند.

فرآیند خاموش کردن

هنگامی که از سیالات عملیات حرارتی برای خاموش کردن فلزات استفاده می شود، خنک سازی در سه مرحله مجزا رخ می دهد: جوش فیلم، جوش هسته ای و انتقال حرارت همرفتی.

جوش فیلم

جوشاندن فیلم که به عنوان مرحله "پتوی بخار" نیز شناخته می شود، پس از غوطه وری اولیه رخ می دهد. تماس بین سطح فلز داغ و خاموش کننده، لایه ای از بخار (که به عنوان پدیده لیدنفراست شناخته می شود) ایجاد می کند، زیرا گرما بیشتر از گرما است. پایداری لایه بخار و در نتیجه توانایی روغن در سخت شدن فولاد، به بی نظمی های سطح فلز، اکسیدهای موجود، افزودنی های مرطوب کننده سطح (که باعث تسریع خیس شدن و بی ثباتی لایه می شود) و ترکیب مولکولی روغن خاموش کننده بستگی دارد. از جمله وجود فرآورده های فرعی تخریب نفت). خنک سازی در این مرحله تابعی از رسانش از طریق پوشش بخار است و نسبتاً کند است زیرا پوشش بخار به عنوان یک عایق عمل می کند.

جوشاندن هسته ای

با سرد شدن قطعه، پوشش بخار در نقاطی فرو می ریزد و جوش هسته ای (جوش شدید خاموش کننده) حاصل می شود. انتقال حرارت در این مرحله سریعترین است، با ضرایب انتقال حرارت گاهی اوقات بیش از دو مرتبه بزرگتر از زمان جوشاندن فیلم، عمدتاً به دلیل گرمای تبخیر. نقطه جوش کوئنچنت نتیجه این مرحله را مشخص می کند. نقاطی که این انتقال در آن رخ می دهد و سرعت انتقال حرارت در این منطقه به ترکیب مولکولی کلی روغن بستگی دارد.

انتقال حرارت همرفتی

هنگامی که قطعه در زیر نقطه جوش کوئنچنت سرد می شود، خنک شدن آهسته توسط همرفت و رسانش اتفاق می افتد (که به آن مرحله "مایع" نیز می گویند). سرعت خنک شدن در این مرحله آهسته است و به طور تصاعدی به ویسکوزیته روغن بستگی دارد که با درجه تجزیه روغن تغییر می کند. نرخ انتقال حرارت با ویسکوزیته کمتر افزایش می یابد و با افزایش ویسکوزیته کاهش می یابد.

شکل 1 - منحنی های خنک کننده معمولی و منحنی های سرعت خنک کننده برای روغن های جدید. 

خاموش کننده ایده آل آن است که مرحله بخار کم یا بدون مرحله بخار، مرحله جوش هسته دار سریع و سرعت آهسته در طول خنک سازی همرفتی را نشان دهد. سرعت خنک‌سازی اولیه بالا، امکان ایجاد سختی کامل را با خاموش کردن سریع‌تر از نرخ تبدیل بحرانی و سپس سرد شدن با سرعت پایین‌تری با ادامه سرد شدن فلز فراهم می‌کند. این اجازه می دهد تا یکسان سازی تنش، کاهش اعوجاج و ترک در قطعه کار.

انتخاب روغن

هنگام انتخاب روغن های خاموش کننده، خریداران صنعتی باید شیمی، خواص و ویژگی های سیال مورد نیاز برای کاربرد را در نظر بگیرند.

شیمی

شیمی محیط خاموش کننده ملاحظات اولیه در انتخاب بهترین سیال برای کاربرد است.

• روغن های مستقیم محصولات غیر امولسیون پذیر هستند که در عملیات ماشینکاری به صورت رقیق نشده استفاده می شوند. آنها از مواد معدنی پایه یا روغن های نفتی تشکیل شده اند و اغلب حاوی روان کننده های قطبی مانند چربی ها، روغن های گیاهی و استرها و همچنین افزودنی های فشار شدید مانند کلر، گوگرد و فسفر هستند. روغن‌های مستقیم بهترین روان‌کاری و ضعیف‌ترین ویژگی‌های خنک‌کنندگی را در میان سیالات خاموش کننده ارائه می‌کنند. آنها همچنین به طور کلی اقتصادی ترین هستند.

• سیالات محلول در آب و مایعات امولسیونی روغن های بسیار رقیق شده ای هستند که به عنوان مایعات با محتوای آب بالا (HWCF) نیز شناخته می شوند. مایعات روغن محلول وقتی با آب مخلوط می شوند امولسیون تشکیل می دهند. این کنسانتره شامل یک روغن معدنی پایه و امولسیفایرهایی است که به تولید امولسیون پایدار کمک می کند. این سیالات به صورت رقیق شده با غلظت های بین 3 تا 10 درصد استفاده می شوند و عملکرد روانکاری و انتقال حرارت خوبی را ارائه می دهند. آنها به طور گسترده در صنعت استفاده می شوند و در بین تمام مایعات خاموش کننده کم هزینه هستند. سیالات محلول در آب به عنوان امولسیون آب-روغن یا امولسیون روغن-آب استفاده می شود. امولسیون های آب در روغن دارای فاز پیوسته روغن، و کیفیت روانکاری و کاهش اصطکاک برتر هستند (یعنی شکل دهی و کشیدن فلز). امولسیون های روغن-آب از قطرات روغن در فاز آب پیوسته تشکیل شده اند و ویژگی های خنک کنندگی بهتری دارند (یعنی سیالات برش فلز و خنک کننده های آسیاب).

• سیالات یا گریس های مصنوعی یا نیمه مصنوعی بر اساس ترکیبات مصنوعی مانند سیلیکون، پلی گلیکول، استرها، دی استرها، کلروفلوئوروکربن ها (CFC) و مخلوطی از مایعات مصنوعی و آب هستند. سیالات مصنوعی بالاترین مقاومت در برابر آتش و هزینه را دارند. آنها فاقد پایه نفتی یا روغن معدنی هستند، اما در عوض از ترکیبات قلیایی آلی و معدنی با مواد افزودنی برای مهار خوردگی فرموله شده اند. سیالات مصنوعی معمولاً به شکل رقیق شده با غلظت های مختلف از 3٪ تا 10٪ استفاده می شود. آنها اغلب بهترین عملکرد خنک کننده را در بین تمام سیالات عملیات حرارتی ارائه می دهند. برخی از مواد مصنوعی، مانند استرهای فسفات، رنگ، ترکیبات نخ لوله و عایق الکتریکی را واکنش داده یا حل می کنند. سیالات نیمه سنتتیک اساساً ترکیبی از مایعات نفتی یا روغن معدنی مصنوعی و محلول هستند. ویژگی ها، هزینه و عملکرد انتقال حرارت سیالات نیمه مصنوعی بین سیالات روغن مصنوعی و محلول قرار می گیرد.

• روغن های میکرو پراکندگی حاوی پراکندگی ذرات روان کننده جامد مانند PTFE (Teflon®)، گرافیت، و دی سولفید مولیبدن یا نیترید بور در پایه روغن معدنی، نفتی یا مصنوعی است. تفلون® یک علامت تجاری ثبت شده DuPont است.

خواص

خواص برای توصیف سیالات عملیات حرارتی را می توان به دو دسته اولیه یا ثانویه طبقه بندی کرد.

اولیه

خواص اولیه آنهایی هستند که عملکرد سیال را توصیف می کنند. از جمله این موارد می توان به سرعت خنک کننده، هدایت حرارتی، ویسکوزیته، محتوای آب و تشکیل لجن اشاره کرد.

• سرعت خنک کننده / سرعت خاموش کردن - سرعتی که سیال خنک کننده می تواند قطعه کار را خنک کند. این مشخصات یا به صورت نسبت در مقایسه با آب یا به صورت عدد بر اساس آزمون کوئنکومتر GM ارائه می شود. تست GM (همچنین به آن تست "توپ نیکل" نیز گفته می شود) مدت زمانی را که طول می کشد تا یک توپ نیکل تا نقطه ای که در آن مغناطیسی می شود خنک شود، اندازه گیری می کند. شکل زیر نمونه ای از تنظیمات چنین آزمایشی را نشان می دهد.

شکل 2 - دستگاه تست کوئنکومتر GM. اعتبار تصویر: ماشین آلات روانکاری

با این حال، این ویژگی هیچ اطلاعاتی در مورد مسیر خنک کننده نمی دهد (همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است). صرفاً زمان لازم برای خنک شدن تا دمای معین را می دهد.

شکل 3 - منحنی های خنک کننده برای 3 روغن کوئنچ مختلف با نتایج GM یکسان.

• هدایت حرارتی - اندازه گیری توانایی سیال برای انتقال گرما. سیالات خاموش کننده با رسانایی حرارتی بالاتر، فلزات را سریعتر از آنهایی که رسانایی حرارتی پایینی دارند خنک می کند.

• ویسکوزیته - ضخامت یک سیال که معمولاً بر حسب سنتیستوک (cSt) اندازه گیری می شود. انتقال حرارت در مرحله همرفتی به طور تصاعدی به ویسکوزیته روغن بستگی دارد که با درجه تجزیه روغن متفاوت است. تجزیه روغن (تشکیل لجن و لاک) در ابتدا منجر به کاهش ویسکوزیته روغن و به دنبال آن افزایش مداوم ویسکوزیته با ادامه تخریب خواهد شد. نرخ انتقال حرارت با ویسکوزیته کمتر افزایش می یابد و با افزایش ویسکوزیته کاهش می یابد. شکل 4 تغییر ویسکوزیته را در طول زمان نشان می دهد.

شکل 3 - ویسکوزیته روغن مارتمپرینگ به عنوان تابعی از زمان.

• محتوای آب - مقدار آب در مایع خاموش کننده. آب از آنجایی که با روغن سازگار نیست و دارای خواص فیزیکی متفاوتی مانند ویسکوزیته و نقطه جوش است، باعث افزایش گرادیان حرارتی می شود و ممکن است باعث ایجاد لکه های نرم، سختی ناهموار و یا لکه بر روی قطعه کار شود. هنگامی که روغن آلوده به آب گرم می شود، ممکن است صدای ترقه شنیده شود. اساس یک آزمایش میدانی کیفی برای آب در روغن کوئنچ. بسیاری از آشکارسازهای رطوبت خودکار معمولاً 0.5 درصد اندازه گیری می کنند که برای سطوح رطوبت مجاز برای روغن های خاموش (معمولاً کمتر از 0.1 درصد) کافی نیست.

• محتوای لجن - مقدار لجن و لاک در سیال خاموش کننده در نتیجه تخریب حرارتی و اکسیداتیو. این محصولات فرعی معمولاً به طور یکنواخت روی سطح فلز جذب نمی‌شوند و در نتیجه انتقال حرارت غیریکنواخت، افزایش گرادیان حرارتی، ترک‌خوردگی و اعوجاج ایجاد می‌شود. لجن همچنین ممکن است فیلترها و سطوح مبدل حرارتی کثیف را مسدود کند و باعث گرم شدن بیش از حد، کف کردن بیش از حد و آتش سوزی شود. مقدار نسبی لجن در روغن کوئنچ را می توان با عدد بارندگی تعیین کرد. از این عدد می توان برای تخمین عمر باقیمانده روغن مصرف شده با مقایسه آن با سطوح موجود در روغن جدید استفاده کرد.

این تصاویر تفاوت در طیف های تحلیلی روغن های جدید و تجزیه شده را نشان می دهد:

شکل 4A - طیف مادون قرمز یک روغن کوئنچ جدید در مقابل با تخریب متوسط. اعتبار تصویر: ماشین آلات روانکاری

شکل 4B - طیف مادون قرمز یک روغن کوئنچ جدید در برابر تخریب شدید. 

ثانویه

خواص ثانویه آنهایی هستند که پارامترهای عملیاتی سیال را توصیف می کنند. آنها شامل دمای عملیاتی، نقطه ریزش و نقطه اشتعال هستند.

• دمای عملیاتی - محدوده نرمال دماهایی که سیال برای آن طراحی شده است، یا حداکثر دمای ماده ای که سیال می تواند به طور ایمن یا موثر خنک شود.

• نقطه ریزش - پایین ترین دمایی که سیال یا روغن در آن جریان دارد. نقطه ریزش معمولاً 15 درجه فارنهایت تا 20 درجه فارنهایت پایین‌تر از پایین‌ترین دمای استفاده نهایی سیستم است تا از آسیب پمپ از طریق کاویتاسیون جلوگیری شود.

• نقطه اشتعال - دمایی که در آن سیال بخارهای کافی برای تشکیل مخلوط قابل اشتعال در هوای نزدیک به سطح تولید می کند. هر چه نقطه اشتعال کمتر باشد، مشتعل شدن مواد آسان تر است. دماها و مراحل کار باید همراه با نقطه اشتعال روغن در نظر گرفته شود تا فرآیند خاموش کردن ایمن تضمین شود.

ویژگی ها

روغن های خاموش کننده و سیالات عملیات حرارتی می توانند تعدادی ویژگی اضافی داشته باشند که تطبیق پذیری و کارایی را اضافه می کند. از جمله این ویژگی‌های زیست تخریب‌پذیر، کف کم و ویژگی‌های جابجایی آب است.

• زیست تخریب پذیر - سیالات برای تجزیه یا تجزیه شدن به مواد شیمیایی بی ضرر طراحی یا مناسب هستند که وقتی در محیط آزاد می شوند. این برای عملیات با حجم بالا که در غیر این صورت هزینه های دفع روغن های تجزیه شده می تواند بسیار بالا باشد مفید است.

• کف کم - سیالات کف تولید نمی کنند یا فقط مقدار کمی کف تولید می کنند. ویژگی های عدم کف کردن از طریق استفاده از مواد افزودنی که هوای خارج شده را می شکنند به دست می آید. نشتی که هوا را به سیستم وارد می کند می تواند باعث آسیب پمپ به دلیل کاویتاسیون شود. کف کردن همچنین می تواند توانایی خنک کنندگی و مدول حجمی (یا سفتی) سیال را کاهش دهد.

• جابجایی آب - سیالات توانایی جابجایی آب از سطح را بر اساس ویژگی های خیس شدن یا انرژی سطحی دارند. سیالاتی با انرژی سطحی یا کشش سطحی کم در مقایسه با آب در زیر آب یا رطوبت روی سطح جریان می‌یابند.

مراجع

Vac Aero International Inc. - Oil Quenching Technology

روانکاری ماشین آلات - اصول Quenchant: نظارت بر وضعیت روغن های کوئنچ

https://www.globalspec.com/