冷卻能力

冷卻能力是指熱處理工件在冷卻時，不同的工藝目標和不同的材料對冷卻過程有不同的要求，因此需要選擇合適的淬火介質。不同的淬火介質具有不同的冷卻能力。一般來說，退火和正火對冷卻過程的要求沒有淬火嚴格，所以往往通過在空氣介質中適當改變冷卻方式來達到冷卻目的。淬火時，加熱到奧氏體狀態的工件的冷卻速度應高于獲得馬氏體組織的臨界冷卻速度，冷卻時應防止工件變形和開裂。

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淬火冷卻是淬火工藝中最關鍵的工序。鋼加熱到奧氏體后，只有當冷卻速度大于臨界冷卻速度時，才能獲得馬氏體組織。因此，淬火冷卻介質的理想性能是使鋼處于高溫區（700℃以上）緩慢冷卻以降低工件的熱應力；在550600℃之間以足夠快的冷卻速度通過奧氏體的等溫轉變圖“鼻尖”以防止珠光體或貝氏體轉變；在過冷奧氏體穩定且容易引起淬火裂紋的低溫區（300℃以下）緩冷使工件在緩冷條件下通過奧氏體向馬氏體的轉變區，從而降低轉變應力。下圖是理想淬火冷卻曲線示意圖。

但是目前還沒有找到這樣理想的淬火冷卻介質，現有的淬火冷卻介質有一些優點，也會伴隨著其他缺點。因此，在掌握淬火冷卻介質的特性后，通過合理選擇各種淬火冷卻介質，取長補短，可以盡可能接近理想的冷卻速度取長補短，綜合運用，并采用適當的淬火方法。

此外，淬火冷卻介質還必須具有成分穩定粘度低流動性好工件易腐蝕淬火后工件表面潔凈清洗方便來源方便價格低廉無污染安全可靠等特點。

水是應用最廣泛的淬火介質，具有來源廣價格低成分穩定不變質無毒無味不燃燒等優點。水具有很強的冷卻能力，屬于激冷淬火介質。靜止水的蒸汽膜階段較長，從800℃以上到400℃左右，這一階段的冷卻速率小于200℃/s，進入低于400℃的沸騰期后，冷卻速度可急劇上升到700℃/s。冷卻速度仍然低于100℃45℃/s。

水作為淬火冷卻介質的主要缺點如下：

1）在奧氏體等溫轉變圖的鼻區，即500~600℃左右，水處于蒸汽膜階段，冷卻速度不夠快，往往導致工件冷卻不均勻，冷卻速度不夠“軟點”在馬氏體轉變溫度，即300~100℃左右，水處于沸騰階段，冷卻速度過快，容易使馬氏體轉變速度過快，產生較大的內應力，導致工件嚴重變形甚至開裂。

2）水溫對制冷量影響很大，所以對環境溫度的變化很敏感。隨著水溫的升高，制冷量急劇下降，最大冷卻速度的溫度范圍向低溫移動。水溫超過30℃時，在500 ~ 600℃范圍內冷卻速度明顯下降，往往導致工件硬化，但在馬氏體相變范圍內對冷卻速度影響不大。當水溫上升到60℃時，冷卻速度會下降50%左右。

3）當水中含有更多氣體時（如新換的水）或混有不溶性雜質如油的水、肥皂、泥等，會顯著降低其冷卻能力，因此應特別注意使用和管理。

根據水的冷卻特性，水一般只適合小截面尺寸、簡單形狀碳鋼工件的淬火和冷卻。淬火時，還必須注意：水溫保持在40℃以下，最好在15 ~ 30℃之間，保持水的流動或循環，以破壞工件表面的蒸汽膜你也可以在淬火過程中擺動工件（或者使工件上下移動）為了破壞蒸汽膜，在500~650℃范圍內提高冷卻速度，改善冷卻條件，避免出現軟點。

淬火介質的冷卻能力主要與淬火介質的物理性質有關。通過改變三個不同冷卻階段的持續時間、傳熱速度影響淬火介質的冷卻能力。比如一般延長蒸汽膜階段的因素，會降低淬火介質的冷卻能力，導致淬火不均勻，出現軟斑；一般能增加沸騰階段的因素會提高淬火介質的冷卻能力，因為這個階段工件的熱量損失最大、冷卻速度也最大。也就是說，沸騰階段長蒸汽膜階段短對流階段短的淬火介質冷卻能力強。

1、蒸汽壓

蒸汽壓是硬化介質中飽和氣體的壓力。它反映了液體分子的內聚力蒸汽壓越高，硬化介質越容易蒸發。蒸汽壓相對較低的物質傳熱系數越高，越容易帶走工件的熱量，也就是說蒸汽壓低的介質冷卻能力強。

2、汽化熱

汽化熱是指單位質量的液體在相同溫度下完全變成氣體所需的熱量。當硬化介質的汽化熱較大時，熱負荷較大，硬化介質的冷卻能力較強。

3、比熱容

一般來說，介質的比熱容越大，單位質量的介質所能吸收的熱量就越多，介質的冷卻能力也就越強，因為比熱容是通過提高單位溫度來表征單位質量的介質所吸收的熱量。水的冷卻能力強，是因為水的比熱容遠大于其他固體或液體物質。

4、溫度

溫度變化對淬火介質的冷卻能力有明顯的影響，但對不同介質的影響規律會有所不同。隨著水和水基淬火介質溫度的升高，蒸汽膜階段變長，制冷量下降，但下降程度不同，如下圖所示。而油則隨著溫度的升高流動性更好，有利于散熱，從而提高冷卻能力。

5、傳熱系數

液體的傳熱系數是指沿熱流方向在單位溫度梯度和單位時間內通過單位面積的熱量，用來表征介質導熱的能力，也就是說傳熱系數越大，硬化介質的冷卻能力越強。

6、表面張力

表面張力可以用來表征其潤濕金屬的能力。表面張力小的硬化介質容易潤濕金屬，所以工件表面接觸好，固體和散熱性能好。

7、黏度

液體的粘度是指液體流動時分子間的內摩擦。摩擦力可以用粘度來表示，粘度對硬化介質的冷卻性能也有很大的影響。粘度越大，介質的流動性越差，不利于對流散熱，帶走熱量；反之，其冷卻能力越強。