冷却能力

冷却能力是指热处理工件在冷却时，不同的工艺目标和不同的材料对冷却过程有不同的要求，因此需要选择合适的淬火介质。不同的淬火介质具有不同的冷却能力。一般来说，退火和正火对冷却过程的要求没有淬火严格，所以往往通过在空气介质中适当改变冷却方式来达到冷却目的。淬火时，加热到奥氏体状态的工件的冷却速度应高于获得马氏体组织的临界冷却速度，冷却时应防止工件变形和开裂。

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淬火冷却是淬火工艺中最关键的工序。钢加热到奥氏体后，只有当冷却速度大于临界冷却速度时，才能获得马氏体组织。因此，淬火冷却介质的理想性能是使钢处于高温区（700℃以上）缓慢冷却以降低工件的热应力；在550600℃之间以足够快的冷却速度通过奥氏体的等温转变图“鼻尖”以防止珠光体或贝氏体转变；在过冷奥氏体稳定且容易引起淬火裂纹的低温区（300℃以下）缓冷使工件在缓冷条件下通过奥氏体向马氏体的转变区，从而降低转变应力。下图是理想淬火冷却曲线示意图。

但是目前还没有找到这样理想的淬火冷却介质，现有的淬火冷却介质有一些优点，也会伴随着其他缺点。因此，在掌握淬火冷却介质的特性后，通过合理选择各种淬火冷却介质，取长补短，可以尽可能接近理想的冷却速度取长补短，综合运用，并采用适当的淬火方法。

此外，淬火冷却介质还必须具有成分稳定粘度低流动性好工件易腐蚀淬火后工件表面洁净清洗方便来源方便价格低廉无污染安全可靠等特点。

水是应用最广泛的淬火介质，具有来源广价格低成分稳定不变质无毒无味不燃烧等优点。水具有很强的冷却能力，属于激冷淬火介质。静止水的蒸汽膜阶段较长，从800℃以上到400℃左右，这一阶段的冷却速率小于200℃/s，进入低于400℃的沸腾期后，冷却速度可急剧上升到700℃/s。冷却速度仍然低于100℃45℃/s。

水作为淬火冷却介质的主要缺点如下：

1）在奥氏体等温转变图的鼻区，即500~600℃左右，水处于蒸汽膜阶段，冷却速度不够快，往往导致工件冷却不均匀，冷却速度不够“软点”在马氏体转变温度，即300~100℃左右，水处于沸腾阶段，冷却速度过快，容易使马氏体转变速度过快，产生较大的内应力，导致工件严重变形甚至开裂。

2）水温对制冷量影响很大，所以对环境温度的变化很敏感。随着水温的升高，制冷量急剧下降，最大冷却速度的温度范围向低温移动。水温超过30℃时，在500 ~ 600℃范围内冷却速度明显下降，往往导致工件硬化，但在马氏体相变范围内对冷却速度影响不大。当水温上升到60℃时，冷却速度会下降50%左右。

3）当水中含有更多气体时（如新换的水）或混有不溶性杂质如油的水、肥皂、泥等，会显著降低其冷却能力，因此应特别注意使用和管理。

根据水的冷却特性，水一般只适合小截面尺寸、简单形状碳钢工件的淬火和冷却。淬火时，还必须注意：水温保持在40℃以下，最好在15 ~ 30℃之间，保持水的流动或循环，以破坏工件表面的蒸汽膜你也可以在淬火过程中摆动工件（或者使工件上下移动）为了破坏蒸汽膜，在500~650℃范围内提高冷却速度，改善冷却条件，避免出现软点。

淬火介质的冷却能力主要与淬火介质的物理性质有关。通过改变三个不同冷却阶段的持续时间、传热速度影响淬火介质的冷却能力。比如一般延长蒸汽膜阶段的因素，会降低淬火介质的冷却能力，导致淬火不均匀，出现软斑；一般能增加沸腾阶段的因素会提高淬火介质的冷却能力，因为这个阶段工件的热量损失最大、冷却速度也最大。也就是说，沸腾阶段长蒸汽膜阶段短对流阶段短的淬火介质冷却能力强。

1、蒸汽压

蒸汽压是硬化介质中饱和气体的压力。它反映了液体分子的内聚力蒸汽压越高，硬化介质越容易蒸发。蒸汽压相对较低的物质传热系数越高，越容易带走工件的热量，也就是说蒸汽压低的介质冷却能力强。

2、汽化热

汽化热是指单位质量的液体在相同温度下完全变成气体所需的热量。当硬化介质的汽化热较大时，热负荷较大，硬化介质的冷却能力较强。

3、比热容

一般来说，介质的比热容越大，单位质量的介质所能吸收的热量就越多，介质的冷却能力也就越强，因为比热容是通过提高单位温度来表征单位质量的介质所吸收的热量。水的冷却能力强，是因为水的比热容远大于其他固体或液体物质。

4、温度

温度变化对淬火介质的冷却能力有明显的影响，但对不同介质的影响规律会有所不同。随着水和水基淬火介质温度的升高，蒸汽膜阶段变长，制冷量下降，但下降程度不同，如下图所示。而油则随着温度的升高流动性更好，有利于散热，从而提高冷却能力。

5、传热系数

液体的传热系数是指沿热流方向在单位温度梯度和单位时间内通过单位面积的热量，用来表征介质导热的能力，也就是说传热系数越大，硬化介质的冷却能力越强。

6、表面张力

表面张力可以用来表征其润湿金属的能力。表面张力小的硬化介质容易润湿金属，所以工件表面接触好，固体和散热性能好。

7、黏度

液体的粘度是指液体流动时分子间的内摩擦。摩擦力可以用粘度来表示，粘度对硬化介质的冷却性能也有很大的影响。粘度越大，介质的流动性越差，不利于对流散热，带走热量；反之，其冷却能力越强。