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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(shí)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(duì)應(yīng)的溫度隨溫度的升高向下移動(dòng)。淬火油隨油溫的升高流動(dòng)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(dòng)速度，能破壞蒸汽膜，促使沸騰冷卻階段提前到來(lái)，提高介質(zhì)的冷卻能力和工件冷卻的均勻性。相對(duì)運(yùn)動(dòng)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?dòng)速度對(duì)減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(shí)，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?dú)鈴?qiáng)烈循環(huán)淬火，其冷卻能力比常壓時(shí)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(shí)，會(huì)延長(zhǎng)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(shí)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(lái)說(shuō)，介質(zhì)的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、汽化熱越大，蒸汽壓、沸點(diǎn)、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(diǎn)時(shí), 即進(jìn)入超臨界狀態(tài)，這時(shí)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(diǎn)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(lái)說(shuō)不算困難。另外，CO₂還具有無(wú)毒、無(wú)味、不燃、不腐蝕、價(jià)格便宜、易于精制、易于回收等優(yōu)點(diǎn)。

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(duì)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(duì)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(dòng)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(guó)國(guó)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(shí)，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(shí)，如10MPa和12.5MPa，溫升導(dǎo)致的密度降低較平緩；壓強(qiáng)較低時(shí)，從低溫的液相升溫跨越準(zhǔn)臨界點(diǎn)進(jìn)入超臨界狀態(tài)時(shí)，幾度的溫升會(huì)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(gè)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(shí)，如50 ^oC和65 ^oC，壓縮導(dǎo)致的密度上升較平緩；溫度較低時(shí)，從氣相跨越準(zhǔn)臨界點(diǎn)進(jìn)入超臨界狀態(tài)時(shí)，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(diǎn)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(lái)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(shí)，其比焓在準(zhǔn)臨界點(diǎn)附近急劇升高，越接近7.38MPa，準(zhǔn)臨界點(diǎn)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(lái)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(shí)，其比焓在準(zhǔn)臨界點(diǎn)附近急劇降低，越接近31.1^oC，準(zhǔn)臨界點(diǎn)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(duì)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(duì)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(shí)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(shì)與比熱的變化趨勢(shì)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?cái)?shù)是流體力學(xué)中表征流體流動(dòng)中動(dòng)量交換與熱交換相對(duì)重要性的一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，表明溫度邊界層和流動(dòng)邊界層的關(guān)系，反映流體物理性質(zhì)對(duì)對(duì)流傳熱過程的影響。它的表達(dá)式為：

（1）

公式（1）中，v為運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)量傳遞和熱量傳遞的特性。當(dāng)幾何尺寸和流速一定時(shí)，流體運(yùn)動(dòng)粘度越大，意味著流動(dòng)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(lái)衡量?jī)煞N邊界層厚度的相對(duì)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(diǎn)附近外，幾乎與溫度及壓力無(wú)關(guān)。由于CO₂的動(dòng)力粘度μ和熱導(dǎo)率k隨溫度及壓力的變化趨勢(shì)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(guó)國(guó)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(dòng)力粘度變化曲線

（b）導(dǎo)熱系數(shù)曲線

（c）普朗特?cái)?shù)曲線

圖5 二氧化碳跨臨界恒壓變溫過程

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

(1) 流體的宏觀運(yùn)動(dòng)+微觀的導(dǎo)熱，導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)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(yùn)動(dòng)；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(huì)形成速度梯度很大的邊界層，對(duì)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(duì)流換熱的基本計(jì)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(duì)流換熱系數(shù)h的因素有：流體流動(dòng)的起因、流體有無(wú)相變、流體的流動(dòng)狀態(tài)、換熱表面的幾何因素、流體的物理性質(zhì)等。對(duì)流換熱系數(shù)h是流體熱導(dǎo)率k、動(dòng)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(lái)表征流體流動(dòng)情況的無(wú)量綱數(shù)，關(guān)系式為：

(4)

式中d為一特征長(zhǎng)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(dòng)是層流或湍流，也可用來(lái)確定物體在流體中流動(dòng)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(duì)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(shí)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(duì)流換熱問題時(shí)，一般采用衡量對(duì)流換熱相對(duì)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(zhǎng)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(duì)低雷諾數(shù)條件下超臨界壓力CO₂的換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Pettersen等研究了超臨界CO₂在微通道鋁管中被冷卻時(shí)的換熱和壓降情況。Dang和Hihara將數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)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(gè)新的關(guān)聯(lián)式。

到目前為止，對(duì)流換熱問題的研究還很不充分。(a) 某些方面還處在積累實(shí)驗(yàn)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(yàn)公式（實(shí)驗(yàn)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(lái)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(shí)驗(yàn)，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(diǎn)附近微管中下降流動(dòng)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(zhǎng)度為2m的垂直管內(nèi)進(jìn)行超臨界CO₂ 的換熱實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)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(gè)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(duì)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及控制技術(shù)與計(jì)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(shí)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(lái)實(shí)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(diǎn)區(qū)域時(shí)，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(duì)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(shí)間，其方法是通過計(jì)算或試驗(yàn)測(cè)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(shí)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(shí)，強(qiáng)烈淬火過程停止，隨后進(jìn)行等溫冷卻。實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈淬火冷卻可控的價(jià)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(duì)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(duì)M2高速鋼和GCr15鋼進(jìn)行了多次強(qiáng)烈淬火實(shí)驗(yàn)^[20]，指出：強(qiáng)烈淬火對(duì)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(wú)毒無(wú)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(duì)依賴于淬火介質(zhì)的淬火技術(shù)帶來(lái)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(cè)與控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算與人工智能技術(shù)的發(fā)展迎來(lái)快速的發(fā)展時(shí)機(jī)，淬火過程最終實(shí)現(xiàn)“綠色化、精密化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化”，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)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。