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冷卻能力（冷卻能力）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-16

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冷卻能力

熱處理工件在冷卻時，不同的工藝目標(biāo)，不同的材料，對冷卻過程的要求也各不相同，需要選用合適的淬火介質(zhì)。不同淬火介質(zhì)所具有的冷卻能力不一樣。一般來說，退火及正火對冷卻過程的要求不像淬火那樣嚴(yán)格，因此常在空氣介質(zhì)中通過適當(dāng)改變冷卻方式來達(dá)到冷卻目的。淬火時，既要加熱到奧氏體狀態(tài)的工件冷卻速度大于臨界冷卻速度，以獲得馬氏體組織，又要防止工件在冷卻過程中的變形和開裂。

基本信息

中文名	冷卻能力
外文名	Cooling Capacity
應(yīng)用	熱處理工件
影響	蒸汽壓等
冷卻介質(zhì)	水等

介質(zhì)性能要求

淬火冷卻是淬火工藝中最為關(guān)鍵的工序。鋼加熱到奧氏體后，只有冷卻速度大于臨界冷卻速度時才能獲得馬氏體組織。因此，理想淬火冷卻介質(zhì)的性能是使鋼在高溫區(qū)域（700℃以上）較緩慢地冷卻，以減少工件的熱應(yīng)力；在550~600℃間以足夠快的冷卻速度迅速通過奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的“鼻尖”，以防止發(fā)生珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變；在容易造成淬火裂紋的過冷奧氏體較穩(wěn)定的低溫區(qū)域（300℃以下）緩慢冷卻，使工件在緩冷條件下通過奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變區(qū)，從而減少相變應(yīng)力。下圖為理想的淬火冷卻曲線示意圖。

理想的淬火冷卻曲線示意圖

但這樣的理想淬火冷卻介質(zhì)目前仍未發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的淬火冷卻介質(zhì)具備某些優(yōu)點，就會伴隨另外的缺點。所以我們只能在掌握了淬火冷卻介質(zhì)的性能之后，通過合理選用多種淬火冷卻介質(zhì)，取長補(bǔ)短，配合使用，并采用適當(dāng)?shù)拇慊鸱椒ǎ瑏肀M可能接近理想的冷卻速度。

此外，淬火冷卻介質(zhì)還必須具有成分穩(wěn)定，在使用過程中不易變質(zhì)老化，粘度小，流動性好，并且不易腐蝕工件，淬火后工件表面清潔，便于清洗以及來源方便，價格低廉，無公害，安全可靠等特點。

常用淬火介質(zhì)

水是應(yīng)用最廣的淬火介質(zhì)，它具有來源廣，價格低，成分穩(wěn)定且不易變質(zhì)，無毒無臭又不燃燒。水的冷卻能力較強(qiáng)，屬于激冷淬火介質(zhì)。靜止水的蒸汽膜階段長，由800℃以上一直持續(xù)到400℃左右，此階段冷卻速度小于200℃/s，400℃以下進(jìn)入沸騰期后，冷卻速度可急劇上升到700℃/s。在100℃以下冷卻速度仍有45℃/s。

水作為淬火冷卻介質(zhì)的主要缺點有：

（1）在奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的鼻部區(qū)，即500~600℃左右，水處于蒸汽膜階段，冷卻速度不夠快，往往會造成工件冷卻不均勻及冷卻速度不足而形成的“軟點”。在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，即300~100℃左右，水處于沸騰階段，冷卻速度太快，易使馬氏體轉(zhuǎn)變速度過快而產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致工件嚴(yán)重變形甚至開裂。

（2）水溫對冷卻能力影響大，因此對環(huán)境溫度的變化敏感。水溫升高，冷卻能力急劇下降，且最大冷卻速度的溫度區(qū)間移向低溫。當(dāng)水溫超過30℃時，在500～600℃范圍冷卻速度明顯下降，往往導(dǎo)致工件淬不硬，而對馬氏體轉(zhuǎn)變范圍的冷卻速度影響卻較小。當(dāng)水溫提高到60℃冷卻速度將下降50%左右。

（3）當(dāng)水中含有較多氣體（如新?lián)Q的水），或是水中混入不溶雜質(zhì)，如油、肥皂、泥漿等，均會顯著降低其冷卻能力，故使用和管理中應(yīng)特別注意。

根據(jù)水的冷卻特性可知，水一般只能適用于截面尺寸不大、形狀較簡單的碳素鋼工件的淬火冷卻。淬火時，還必須注意：保持水溫在40℃以下，最好在15~30℃之間，并保持水的流動性或循環(huán)，以破壞工件表面蒸汽膜，也可以在淬火時用擺動工件（或使工件上下運動）的方法來破壞蒸汽膜，提高500~650℃區(qū)間的冷卻速度，改善冷卻條件，避免產(chǎn)生軟點。

影響主要因素

影響淬硬介質(zhì)冷卻能力主要跟淬硬介質(zhì)的物理性質(zhì)有關(guān)。這些因素通過改變?nèi)齻€不同冷卻階段的持續(xù)時間、熱量傳遞的快慢來影響淬硬介質(zhì)的冷卻能力。例如，一般使蒸汽膜階段延長的因素，都能降低淬硬介質(zhì)的冷卻能力，導(dǎo)致淬火不均勻并出現(xiàn)軟點等現(xiàn)象；一般能夠增大沸騰階段的因素，都會提高淬硬介質(zhì)的冷卻能力，原因是這階段的工件的熱量損失最大、冷卻速度也最大。這也就是說，沸騰階段長而蒸汽膜階段與對流階段短的淬硬介質(zhì)冷卻能力強(qiáng)。

1、蒸汽壓

蒸汽壓是淬硬介質(zhì)飽和氣體的壓強(qiáng)。它反映了液體分子內(nèi)聚力的大小，蒸汽壓越高，淬硬介質(zhì)越容易汽化。而蒸汽壓相對低的物質(zhì)，其傳熱系數(shù)越大，越容易帶走工件的熱量，也就是說蒸汽壓低的介質(zhì)冷卻能力強(qiáng)。

2、汽化熱

汽化熱指單位質(zhì)量的液體完全變成同溫度氣體所需要的熱量。當(dāng)淬硬介質(zhì)的汽化熱越大時，則熱負(fù)荷就越大，該淬硬介質(zhì)的冷卻能力越強(qiáng)。

3、比熱容

通常介質(zhì)比熱容越大，那么單位質(zhì)量介質(zhì)所能夠吸收的熱量也就越多，則介質(zhì)冷卻能力也就越強(qiáng)，因為比熱容是用來表征單位質(zhì)量的介質(zhì)升高單位溫度所吸收的熱量。水的冷卻能力較強(qiáng)是因為水的比熱容要比其他固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)的比熱容要大得多的緣故。

4、溫度

溫度變化對淬硬介質(zhì)的冷卻能力有明顯的影響，但影響規(guī)律會隨著介質(zhì)的不同而不同。水和以水為基的淬硬介質(zhì)，隨溫度升高，蒸汽膜階段變長，冷卻能力降低，可是降低的程度不盡相同，如下圖所示。而油與水相反，隨溫度升高，流動性變好，有利于散熱，從而提高了冷卻能力。

冷卻能力曲線

5、傳熱系數(shù)

液體的傳熱系數(shù)是指在沿?zé)崃鞣较蛏希瑔挝粶囟忍荻群蛦挝粫r間內(nèi)通過單位面積的熱量，它用來表征介質(zhì)傳導(dǎo)熱量的能力，也就是說傳熱系數(shù)越大時，該淬硬介質(zhì)的冷卻能力也就越強(qiáng)。

6、表面張力

表面張力可以用來表征其濕潤金屬的能力。表面張力小的淬硬介質(zhì)易濕潤金屬，因而工件表面接觸的好，固散熱性能好。

7、黏度

液體的黏性是指液體流動時其分子間的內(nèi)部摩擦力。可用黏度來表示該摩擦力大小，它對淬硬介質(zhì)的冷卻性能也有較大的影響。黏度越大，介質(zhì)的流動性越差，不利于對流散熱而帶走熱量；反之，其冷卻能力越強(qiáng)。

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