齒輪淬火冷卻技術的核心是通過控制冷卻速度和均勻性，使齒輪獲得目標組織（如馬氏體）并減少淬火應力，避免變形或開裂。以下是常見的淬火冷卻方法及其特點、應用場景：
一、液體介質冷卻法
1. 水冷卻（水冷）
原理：水的冷卻能力強（在 200~300℃時冷卻速度最快），能快速將齒輪溫度降至 Ms 點以下，形成馬氏體。
特點：
成本低、來源廣，但冷卻速度不可調，淬火應力大，易導致齒輪變形或開裂。
適用于低碳鋼（如 20CrMnTi）或截面較小、形狀簡單的齒輪，不適用于高碳鋼或合金鋼。
改進措施：可通過提高水溫（如 40~60℃）或添加少量無機鹽（如 NaCl），略微降低冷卻速度，減少應力。
2. 油冷卻（油冷）
原理：礦物油（如淬火油）的冷卻速度低于水，在 200~300℃時冷卻速度顯著放緩，可減少淬火應力。
特點：
適用于中高碳鋼（如 45 鋼）、合金結構鋼（如 20CrNiMo）及大截面齒輪，能有效降低變形風險。
缺點是冷卻速度較慢，可能導致淬火硬度不足，且油易氧化、冒煙，需定期更換。
類型：分為普通淬火油、快速淬火油（含添加劑，提高低溫冷卻速度）和等溫淬火油（用于貝氏體淬火）。
3. 聚合物水溶液冷卻（PAG/PEO 溶液）
原理：水溶性聚合物（如聚乙二醇 PAG）溶液在高溫下聚合物析出，在齒輪表面形成膜層，減緩冷卻速度，低溫時膜層溶解，冷卻速度加快。
特點：
冷卻速度可通過調節溶液濃度（如 5%~20%）精確控制，兼顧淬火硬度和變形控制，適用于復雜形狀齒輪（如汽車變速箱齒輪）。
無油煙污染，環保性好，但溶液需定期維護（防微生物繁殖、濃度監測）。
二、熔融鹽 / 堿浴冷卻法（等溫淬火 / 分級淬火）
1. 等溫淬火（貝氏體淬火）
原理：齒輪奧氏體化后，浸入熔融鹽浴（如硝酸鉀 + 亞硝酸鈉，溫度 200~400℃）或堿浴中，保持一定時間，使奧氏體轉變為下貝氏體，再空冷。
特點：
下貝氏體組織兼具高硬度和高韌性，淬火應力極低，齒輪變形量小，適用于要求高沖擊韌性的齒輪（如鑿巖機齒輪）。
鹽浴溫度需精確控制，成本較高，多用于精密齒輪或航空齒輪。
2. 分級淬火（馬氏體分級淬火）
原理：齒輪先浸入中溫鹽浴（如 300~500℃）中保溫，使內外溫度均勻，再空冷或油冷。
特點：
減少齒輪內外溫差，降低熱應力和組織應力，顯著減少變形開裂，適用于高碳高合金鋼齒輪（如 Cr12MoV）或大模數齒輪。
鹽浴保溫時間需根據齒輪尺寸確定，過長會導致奧氏體分解，影響硬度。
三、氣體冷卻法（空冷 / 氣冷）
1. 空冷（自然冷卻）
原理：奧氏體化后在空氣中自然冷卻，冷卻速度最慢，形成珠光體或索氏體組織。
特點：
屬于 “正火” 范疇，主要用于預備熱處理（細化晶粒、消除應力），而非終將淬火。
適用于對硬度要求不高、需改善切削性能的齒輪（如鑄鐵齒輪）。
2. 強制氣冷（真空淬火氣冷）
原理：在真空爐中奧氏體化后，通入高壓惰性氣體（如氮氣、氬氣）強制對流冷卻，冷卻速度可通過氣壓（1~20bar）調節。
特點：
真空環境避免氧化脫碳，氣體冷卻均勻性好，淬火應力低，適用于精密齒輪（如航空航天齒輪）或不銹鋼齒輪。
設備成本高，冷卻速度低于液體介質，需配合合金設計（如增加淬透性元素）。
四、噴霧 / 噴射冷卻法
1. 噴霧淬火
原理：通過高壓噴嘴將水或聚合物溶液霧化，噴射到齒輪表面，利用汽化吸熱加速冷卻，冷卻速度介于水冷和油冷之間。
特點：
冷卻均勻性好，可通過調節噴霧壓力、流量控制冷卻速度，適用于大型齒輪（如風電齒輪）或齒面淬火。
需專用噴霧設備，能耗較高，需處理廢水。
2. 噴射淬火
原理：使用高壓液體（水或油）直接噴射到齒輪表面，局部冷卻速度快，適用于齒面感應淬火后的冷卻。
特點：
針對齒面局部淬火，可減少整體變形，常用于汽車齒輪的齒面強化（如半軸齒輪）。
五、新型冷卻技術
1. 磁場淬火
原理：在淬火冷卻過程中施加交變磁場，影響奧氏體向馬氏體轉變時的晶體取向，降低相變應力。
特點：可進一步減少變形，提高齒輪疲勞強度，尚處于研究和小批量應用階段。
2. 納米流體冷卻
原理：在淬火介質中添加納米顆粒（如 Al?O?、TiO?），提高介質的導熱系數和比熱容，增強冷卻效率。
特點：冷卻速度均勻性優于傳統介質，可用于高端齒輪的精密淬火，但成本較高。
六、冷卻方法選擇原則
材料特性：低碳鋼選水冷，中高碳鋼 / 合金鋼選油冷或聚合物溶液，高淬透性鋼可選氣冷。
齒輪結構：復雜形狀、薄壁齒輪選分級淬火或等溫淬火；大模數齒輪選噴霧淬火或強制氣冷。
性能要求：需高硬度選水冷，需強韌性匹配選貝氏體等溫淬火。
成本與環保：批量生產優先選水或聚合物溶液，精密齒輪選真空氣冷或鹽浴淬火。
通過合理選擇冷卻方法，可在保證齒輪硬度和耐磨性的同時，將變形量控制在 0.05~0.1mm 以內（視精度要求），避免淬火裂紋等缺陷。