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淬火介質(zhì)的冷卻能力指介質(zhì)從淬火工件表面帶走熱量的能力，它同時受到介質(zhì)內(nèi)部因素與外部因素共同影響。

外部因素包括溫度、流速、壓強(qiáng)、工件幾何形狀及表面狀態(tài)。水及一些水溶液的冷卻能力通常隨溫度的升高而下降，最大冷卻速度所對應(yīng)的溫度隨溫度的升高向下移動。淬火油隨油溫的升高流動性增加，冷卻能力隨之提高，但影響幅度不大，只有黏度較大的油才較為明顯。

加快介質(zhì)的流動速度，能破壞蒸汽膜，促使沸騰冷卻階段提前到來，提高介質(zhì)的冷卻能力和工件冷卻的均勻性。相對運動速度越大，冷卻能力越強(qiáng)。但如果流體速度過大，將在工件截面變化處形成渦流，造成局部冷卻不均勻。因此，適當(dāng)?shù)牧鲃铀俣葘p小工件畸變和避免開裂均有較好的作用。

流體介質(zhì)以較高的壓強(qiáng)通過工件表面，帶走熱量的效率比常壓下高，尤其是在噴冷淬火時，壓強(qiáng)越大，介質(zhì)冷卻能力越強(qiáng)。用于真空氣淬爐的高壓氮氣強(qiáng)烈循環(huán)淬火，其冷卻能力比常壓時可提高3倍以上。

相同體積的工件表面積越大，降溫越快。粗糙表面比光滑表面冷卻要快。工件表面附有聚合物時，會延長蒸汽膜階段，使冷卻減慢。

此外，不同的鋼材由于成分不同，當(dāng)鋼中合金元素含量高時導(dǎo)熱率降低，在相同條件下的冷卻速度也降低。

內(nèi)部因素即介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，是決定介質(zhì)的冷卻能力的根本因素。一般來說，介質(zhì)的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、汽化熱越大，蒸汽壓、沸點、表面張力越小，則其冷卻能力越強(qiáng)。當(dāng)一種氣體的溫度和壓強(qiáng)均高于臨界點時, 即進(jìn)入超臨界狀態(tài)，這時它的粘性、密度、比熱以及其它一些性質(zhì)處于氣液兩相之間，這決定了超臨界流體的冷卻能力也將在氣液兩相之間的大范圍內(nèi)可調(diào)。

CO₂的臨界溫度為31.1^oC，臨界壓強(qiáng)為7.38MPa，狀態(tài)轉(zhuǎn)變點如圖1所示。因此超臨界二氧化碳如作為淬火冷卻介質(zhì)，可將工件最終冷卻到室溫附近。臨界壓強(qiáng)處于中等壓強(qiáng)，滿足該壓強(qiáng)要求的設(shè)備加工與控制等就目前工業(yè)水平來說不算困難。另外，CO₂還具有無毒、無味、不燃、不腐蝕、價格便宜、易于精制、易于回收等優(yōu)點。

在超臨界區(qū)，尤其在近臨界區(qū)或準(zhǔn)臨界區(qū)，CO₂的物性隨溫度的變化非常劇烈，所以對CO₂換熱影響較大的區(qū)域主要發(fā)生在近臨界區(qū)或準(zhǔn)臨界區(qū)。楊俊蘭等對超臨界壓力下CO₂流體的性質(zhì)進(jìn)行了深入研究，為全面了解超臨界CO₂的流動和傳熱特性建立了基礎(chǔ)。

圖1 二氧化碳相圖

氣體的密度受壓強(qiáng)變化的影響較大，很容易被壓縮；而液體的密度受溫度變化的影響較大，不能被壓縮。由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)發(fā)布的數(shù)據(jù)繪圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度高于31.1^oC，壓強(qiáng)超過7.38MPa時，CO₂超臨界流體的密度隨壓強(qiáng)和溫度的變化，均有大幅度變化，如圖2所示。從圖2（a）可以看出，在高于臨界壓強(qiáng)的條件下，壓強(qiáng)較高時，如10MPa和12.5MPa，溫升導(dǎo)致的密度降低較平緩；壓強(qiáng)較低時，從低溫的液相升溫跨越準(zhǔn)臨界點進(jìn)入超臨界狀態(tài)時，幾度的溫升會導(dǎo)致密度迅速降低超過50%的幅度，即CO₂體積迅速膨脹兩倍以上，也正是在這個劇烈膨脹的過程中，CO₂吸收了大量的熱量，比焓、比熱、換熱系數(shù)也將隨之出現(xiàn)大幅提升。圖2（b）所示的密度恒溫下的變壓曲線與此規(guī)律類似，在高于臨界溫度的條件下，溫度較高時，如50 ^oC和65 ^oC，壓縮導(dǎo)致的密度上升較平緩；溫度較低時，從氣相跨越準(zhǔn)臨界點進(jìn)入超臨界狀態(tài)時，壓縮比很高。

（a）恒壓變溫曲線

（b）恒溫變壓曲線

圖2 二氧化碳密度跨臨界變化規(guī)律

超臨界流體在準(zhǔn)臨界點附近，一些熱物理參數(shù)隨溫度的變化非常劇烈。從圖3(a)中7.5MPa，10MPa和12.5MP三條數(shù)據(jù)線來看，壓強(qiáng)在臨界壓強(qiáng)以上，CO₂隨溫度升高由液態(tài)轉(zhuǎn)變到超臨界狀態(tài)時，其比焓在準(zhǔn)臨界點附近急劇升高，越接近7.38MPa，準(zhǔn)臨界點附近的斜率越大，隨后緩慢升高；而從圖3(b)中的35 ^oC，50 ^oC和65 ^oC三條數(shù)據(jù)線來看溫度在31.1^oC以上，CO₂隨壓強(qiáng)升高由氣態(tài)轉(zhuǎn)變到超臨界狀態(tài)時，其比焓在準(zhǔn)臨界點附近急劇降低，越接近31.1^oC，準(zhǔn)臨界點附近的斜率越大，隨后緩慢降低。

（a）恒壓變溫曲線

（b）恒溫變壓曲線

圖3 二氧化碳比焓跨臨界變化規(guī)律

與比焓的變化規(guī)律相對應(yīng)的是比熱的變化，在比焓斜率最高的地方，比熱出現(xiàn)極值，如圖4所示。據(jù)Yoon等對超臨界CO₂在管內(nèi)徑為7.73mm銅管中的冷卻換熱進(jìn)行的研究，在25~65^oC，流速分別為241，338，464kg/m²·s, 超臨界CO₂冷卻時的換熱系數(shù)在2．0～15．0kW/(m²·K)范圍內(nèi)，且發(fā)現(xiàn)CO₂換熱系數(shù)的變化趨勢與比熱的變化趨勢非常相似，認(rèn)為這主要是由于比熱在準(zhǔn)臨界溫度附近變化比較劇烈，并在準(zhǔn)臨界溫度下達(dá)到最大值的緣故。

（a）恒壓變溫曲線

（b）恒溫變壓曲線

圖4 二氧化碳定壓比熱跨臨界變化規(guī)律

普朗特數(shù)是流體力學(xué)中表征流體流動中動量交換與熱交換相對重要性的一個無量綱參數(shù)，表明溫度邊界層和流動邊界層的關(guān)系，反映流體物理性質(zhì)對對流傳熱過程的影響。它的表達(dá)式為：

（1）

公式（1）中，v為運動粘度，單位是m²/s；α為熱擴(kuò)散系數(shù)，單位也是m²/s；μ為動力粘度，單位pa·s；C_p為等壓比熱容；k為熱導(dǎo)率。

其中v和α分別表示分子傳遞過程中動量傳遞和熱量傳遞的特性。當(dāng)幾何尺寸和流速一定時，流體運動粘度越大，意味著流動邊界層厚度越大；流體熱擴(kuò)散系數(shù)越大，溫度傳遞速度越快，溫度邊界層厚度發(fā)展得越快。因此，Pr數(shù)可用來衡量兩種邊界層厚度的相對大小。Pr數(shù)在不同的流體于不同的溫度、壓力下，數(shù)值是不同的。液體的Pr數(shù)隨溫度有顯著變化；而氣體的Pr數(shù)除臨界點附近外，幾乎與溫度及壓力無關(guān)。由于CO₂的動力粘度μ和熱導(dǎo)率k隨溫度及壓力的變化趨勢類似，如圖5(a,b)所示，它們的比值隨溫度及壓強(qiáng)的變化很小，因此根據(jù)公式(1)即可推斷，Pr數(shù)隨隨溫度及壓力的變化曲線應(yīng)該也與C_p類似。而依據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)發(fā)布的數(shù)據(jù)繪出的曲線與此規(guī)律吻合，如圖5(c)。

（a）動力粘度變化曲線

（b）導(dǎo)熱系數(shù)曲線

（c）普朗特數(shù)曲線

圖5 二氧化碳跨臨界恒壓變溫過程

對流換熱研究流體流經(jīng)固體時流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象。對流換熱與熱對流不同，既有熱對流，也有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式。對流換熱有以下特點：

(1) 流體的宏觀運動+微觀的導(dǎo)熱，導(dǎo)熱與熱對流同時存在的復(fù)雜熱傳遞過程

(2) 必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動；也必須有溫差

(3) 由于流體的粘性和受壁面摩擦阻力的影響，緊貼壁面處會形成速度梯度很大的邊界層，對流換熱的機(jī)理與通過緊靠換熱面的薄膜層的熱傳導(dǎo)有關(guān)。

對流換熱的基本計算式為牛頓提出的牛頓冷卻定律：

(2)

公式（2）中，Q為傳熱量，與固體工件溫度t_w和流體溫度t_f之差以及工件表面積A成正比。h定義為換熱系數(shù)。影響對流換熱系數(shù)h的因素有：流體流動的起因、流體有無相變、流體的流動狀態(tài)、換熱表面的幾何因素、流體的物理性質(zhì)等。對流換熱系數(shù)h是流體熱導(dǎo)率k、動力粘度μ、流速v、密度ρ的函數(shù)，即

(3)

公式（3）中，d為工件直徑，C為因雷諾系數(shù)范圍不同而異的常數(shù)，m為冪指數(shù)。而雷諾數(shù)Re是一種可用來表征流體流動情況的無量綱數(shù)，關(guān)系式為：

(4)

式中d為一特征長度。例如流體流過圓形管道，則d為管道的當(dāng)量直徑。利用雷諾數(shù)可區(qū)分流體的流動是層流或湍流，也可用來確定物體在流體中流動所受到的阻力。

根據(jù)公式(3)，提高冷卻流體的密度和流速，可以加大對流傳熱效率，而從圖2已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，CO₂超臨界流體的密度可隨壓強(qiáng)和溫度的變化進(jìn)行大幅度調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)冷卻特性快速、均勻、有效的轉(zhuǎn)換。

在研究管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱問題時，一般采用衡量對流換熱相對于相同流體層導(dǎo)熱的增強(qiáng)程度的努塞爾數(shù)Nu, Nu與h的關(guān)系式為

(5)

其中，L為傳熱面的幾何特征長度，垂直于傳熱面方向的尺度，單位是m，如熱管的直徑，傳熱層的厚度等；k為靜止流體的導(dǎo)熱系數(shù)。

李志輝和姜培學(xué)對低雷諾數(shù)條件下超臨界壓力CO₂的換熱進(jìn)行了實驗研究。Pettersen等研究了超臨界CO₂在微通道鋁管中被冷卻時的換熱和壓降情況。Dang和Hihara將數(shù)值計算與實驗測量所得到的換熱系數(shù)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)兩者符合得很好，最后擬合出一個新的關(guān)聯(lián)式。

到目前為止，對流換熱問題的研究還很不充分。(a) 某些方面還處在積累實驗數(shù)據(jù)的階段；(b) 某些方面研究比較詳細(xì)，但由于數(shù)學(xué)上的困難，使得在工程上可應(yīng)用的公式大多數(shù)還是經(jīng)驗公式（實驗結(jié)果）。而超臨界CO₂流體特殊的物性變化使得其傳熱與常規(guī)流體不同，需要按“變物性”來處理。

2002 年，S. M. Liao等分別在直徑為0. 70 、1. 40 和 2. 16 mm 不銹鋼圓管內(nèi)進(jìn)行 CO₂的超臨界換熱實驗，P =7.4MPa～12MPa，T=293K～383K，流速 v =1.2kg/s～12kg/s。由于浮升力的作用，在臨界點附近微管中下降流動的換熱系數(shù)是急劇下降的。

2007 年，J. H. Song等在直徑為4.4和9.0mm，長度為2m的垂直管內(nèi)進(jìn)行超臨界CO₂ 的換熱實驗，進(jìn)行了多組不同尺寸、質(zhì)量流量、熱流密度和進(jìn)口條件的實驗。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析比較得出，大的質(zhì)量流量和低的熱流密度有利于換熱；反之,小的質(zhì)量流量及高的熱流密度則容易產(chǎn)生換熱惡化。因此，控制超臨界CO ₂的質(zhì)量流量可以作為控制CO ₂淬火冷卻過程的一個重要手段。

控制冷卻技術(shù)是指通過研究淬火件的淬火冷卻條件（如介質(zhì)流速、介質(zhì)溫度等）對冷速影響的，控制其中的相關(guān)因素而得到所要求的組織及性能的技術(shù)^[17]。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及控制技術(shù)與計算機(jī)的緊密結(jié)合，淬火冷卻過程正向可控方向發(fā)展，最終實現(xiàn)智能化熱處理^[18]。S. W. Han等人提出了控制浸淬系統(tǒng)ITQS (Immersion Time Quenching System)^[19]。該系統(tǒng)的核心是通過控制攪拌的速度和方向來實現(xiàn)淬火開始階段增大淬火烈度，以獲得高硬度，當(dāng)工件溫度達(dá)到Ms點區(qū)域時，減低淬火烈度以減小工件的畸變和開裂傾向。結(jié)果表明，該系統(tǒng)對于減小工件的畸變的效果明顯。其成功的關(guān)鍵是精確地確定初始冷卻階段的冷卻時間，其方法是通過計算或試驗測量得出獲得一定淬硬層所要求的淬火烈度，然后查表確定所需要的時間。

強(qiáng)烈淬火技術(shù)最早是在1964年提出，是采用高速攪拌或高壓噴射或在CaCl₂水溶液或液氮中進(jìn)行快速冷卻，當(dāng)工件的表面層形成最大壓應(yīng)力時，強(qiáng)烈淬火過程停止，隨后進(jìn)行等溫冷卻。實現(xiàn)強(qiáng)烈淬火冷卻可控的價值更為顯著，用可控的強(qiáng)烈淬火方法代替或部分代替滲碳工藝對低碳合金鋼進(jìn)行熱處理，可使其消除淬火開裂、減小熱處理變形、減少能耗、減少環(huán)境污染、節(jié)約成本、提高生產(chǎn)效率。2005年，樊東黎對M2高速鋼和GCr15鋼進(jìn)行了多次強(qiáng)烈淬火實驗^[20]，指出：強(qiáng)烈淬火對鋼制品的使用壽命有明顯的正面影響。可控的強(qiáng)烈淬火方法能夠?qū)崿F(xiàn)用低成本的碳鋼或低合金鋼替代中、高合金鋼。

二氧化碳超臨界流體具有氣體的低粘度和液體的高密度、高比熱、高導(dǎo)熱性，且化學(xué)惰性，無毒無腐蝕，換熱特性隨溫度、壓強(qiáng)、流速的變化靈活可調(diào)。其基礎(chǔ)理論的深入研究和應(yīng)用技術(shù)的不斷開發(fā)，將對依賴于淬火介質(zhì)的淬火技術(shù)帶來極其深刻的變革。今后超臨界流體可控冷卻淬火將隨著在線監(jiān)測與控制技術(shù)、計算機(jī)模擬技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算與人工智能技術(shù)的發(fā)展迎來快速的發(fā)展時機(jī)，淬火過程最終實現(xiàn)“綠色化、精密化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化”，給國民經(jīng)濟(jì)帶來促進(jìn)金屬材料資源的合理利用和機(jī)械零部件使用壽命的大幅提升的重大意義。