焼入れ油は、熱処理の焼入れ工程において、長い間最も広く使用されている冷却媒体である。焼入れ油には多くのユニークな冷却特性がありますが、エネルギー消費、環境汚染、火災の危険性などの問題もあります。
まず、焼入れ工程で消費される焼入れ油は貴重な石油資源である。調べてみると、2010年にわが国の熱処理業界が消費した鉱油の量は1.2×105トンを超え、これは標準的な石炭の2.1×105トンに相当し、換算した電力は52億kWh近くになる。このエネルギー消費量は非常に驚くべきものであることがわかる。
同時に、消費された鉱油の大部分はオイルヒュームとなって大気中に排出される。業界全体から排出されるオイルヒュームは8×107m3/年に達し、大量の一酸化炭素と二酸化硫黄を含み、熱処理工程における最も重要な汚染源となる。
さらに、熱処理業界における火災事故の大半は鉱油が原因である。
さらに、鉱油の冷却能力には限界があるため、低炭素ワークピースの焼入れや硬化の要件を満たせないことが多く、適用範囲が限定される。
急冷媒体として油を水に置き換え、急冷・冷却における省エネルギー、環境保護、安全の目標を達成することは可能か？
焼入れ油と比べ、水の冷却特性には2つの大きな違いがある：
第一に、フィルムの沸騰サイクルが長すぎるため、沸騰曲線がほとんどの鋼材のC曲線のノーズ先端から抜けにくい；
もうひとつは、下部の冷却速度が速すぎるため、冷却過程でワークへの応力が大きくなり、変形や割れのリスクが高まることだ。
従って、焼入れ油に代わる焼入れ媒体として水を使用する場合のポイントは、水の持つこの2つの冷却特性を克服しようとすることである。厳密に言えば、水の冷却特性そのものを変えることはできないが、ワークと水の接触タイミングや接触方法をコントロールすることで、必要な冷却効果を得ることができる。
水と空気の交互冷却法を部分的に使用することは、実用化可能な方法であることが、実践によって示されている。しかし、油の代わりに水を使用した焼入れ冷却では、変形や割れのリスクが高いことも経験的に証明されており、これらのリスクは、ブラインドプロセス実験のコストが高すぎるため、ブラインドプロセス実験によってのみ判断し、排除することはできません。
したがって、熱処理プロセスの数値シミュレーションは、油の代わりに水を使用する焼入れ技術を普及させるために必要な予備作業である。
理想的なクエンチング効果を真に得るためには、次のような重要な条件が必要である：
1.焼入れに油の代わりに水を使用する冷却システムには、空冷、ミスト冷却、水噴霧、水浸漬、組み合わせ/交互などの冷却機能が必要である。このため、噴射ユニットとそれぞれの媒体流路の特性が異なるシステムを装備し、迅速な水の噴射や急冷槽の空の状態を実現するために、高速応答の電動または空気圧バルブを装備する必要がある。
2.実験を通じて、異なる条件下での水冷能力のデータベースを取得し、シミュレーションとプロセス検証を通じて、プロセスデータベースを確立する。現在、世界には比較的成熟した熱処理シミュレーションソフトがあり、焼入れ・冷却過程におけるワークの温度場、組織場、応力場及び結合相関を仮想計算することにより、実現可能な冷却プロセスを推論することができ、プロセス実験のプロセスを簡略化することができる。不必要な損失と無駄を避けることができます。
3.インテリジェントな焼入れ冷却システムを確立し、プロセス機器を柔軟に切り替え、正確に制御することができる。いわゆる精密制御とは、制御プログラムと関連制御装置を指し、焼入れ工程中の空気や水などの焼入れ媒体のフローパターン、流量、圧力、圧力を制御する。温度や時間などの重要なパラメーターを設定・実行し、迅速な応答は秒単位で正確であるため、システムの冷却能力は空冷から近似塩水冷却までの全範囲をカバーし、さまざまなワークの焼入れ・冷却の要求に応えます。
