CN107075598A - 用于淬火铸件的系统和方法 - Google Patents

Abstract

淬火系统包括限定淬火室的外壳，淬火室尺寸设计成接收热铸件，大量空气风扇与淬火室流体连通并且被配置为建立冷却空气的大量流，其围绕热铸件并且以第一冷却速率从热铸件提取热量。淬火系统还包括加压冷却系统，其与淬火室内的多个喷嘴流体连通，并且被配置成将冷却流体的多个定向流喷射到热铸件上，以第二冷却速率提取热量。淬火系统还包括可编程控制器，其被配置为顺序启动大量空气风扇以在第一预定时间段内以第一冷却速率冷却铸件，并且然后启动加压冷却系统以在第二预定时间段内以第二冷却速率冷却铸件。

Description

用于淬火铸件的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年9月18日提交的美国临时专利申请No.62/052,279和于2014年11月17日提交的美国临时专利申请No.62/080,647的权益，其每一个通过引用整体并为所有目的并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及在热处理或从模或模具初始移除之后的金属铸件的淬火，更具体地涉及在固溶处理之后和老化之前压铸薄壁铝铸件的淬火。

发明内容

简而言之，本公开的一个实施例包括用于通过淬火循环来冷却热铸件的淬火系统。淬火系统通常包括限定淬火室的外壳，该淬火室的尺寸和形状适于接收处于加热状态的一个或多个铸件。淬火系统还包括一个或多个大量空气风扇(bulk air fan)，其与淬火室流体连通并且构造成建立冷却空气的大量流动，所述冷却空气围绕热铸件并以第一冷却速率从热铸件提取热量。淬火系统还包括与淬火室内的多个喷嘴流体连通的可加压冷却系统，并且所述喷嘴构造成将冷却流体的多个定向流喷射到热铸件上，以第二冷却速率从铸件提取热量。在一些方面，冷却流体是冷却液体(例如水)的高压喷射，而在其它方面，冷却流体是高速冷却空气流。该系统还包括可编程控制器，该可编程控制器被配置成顺序地启动大量空气风扇以在第一预定时间段内以第一冷却速率冷却铸件，然后停用大量空气风扇并启动可加压冷却系统以在第二预定时间段内以第二冷却速率冷却铸件。

本公开的另一个实施例包括一种用于淬火具有在约450℃至约550℃范围内的初始表面温度的热铸件的方法。该方法包括在大量空气流第一阶段淬火中并且在范围为约10秒至约50秒的第一预定时间段内将铸件冷却至在从约275℃至约450℃范围内的第一中间表面温度，随后在定向流第二阶段淬火中并且在约10秒至约40秒的第二预定时间段内将铸件冷却至小于约175℃的第二中间表面温度。在一些方面中，冷却流体包括冷却液体(例如水)的高压喷射，而在其它方面中，定向流包括高速空气。该方法还包括在第三阶段淬火中并且在小于约30秒的第三预定时间段内将铸件冷却至小于约70℃的最终淬火表面温度。在一些方面中，第三阶段淬火包括大量空气流，而在其它方面中，第三阶段淬火包括多个定向空气流。

本公开的又一个实施例包括一种用于淬火具有约450℃至约650℃的初始表面温度的热铸件的方法，并且该方法包括在第一阶段大量空气流淬火中并且在小于约20秒的第一预定时间段内冷却至在约275℃至约450℃范围内的第一中间表面温度。该方法包括然后在第二阶段喷水淬火中并且在小于约20秒的第二预定时间段内将铸件冷却至小于约125℃的第二中间表面温度。该方法还包括在第三阶段大量空气流淬火中并且在小于约20秒的第三预定时间段内将铸件冷却至小于约50℃的最终淬火表面温度。

附图说明

图1是根据本公开的代表性实施例的用于淬火铸件的多阶段空气/液体淬火系统的示意图。

图2是表示根据另一代表性实施例的在多阶段淬火过程中的铸件的温度变化的曲线图。

图3是根据又一代表性实施例的用于冷却铸件的多阶段空气/液体淬火系统的示意图。

图4是描述根据又一代表性实施例的用于淬火铸件的多阶段方法的流程图。

图5是根据本公开的代表性实施例的用于淬火铸件的多阶段大量空气/定向空气淬火系统的示意图。

图6是表示根据另一代表性实施例的整个多阶段淬火过程中铸件的温度变化的曲线图。

图7A是根据本公开的另一个代表性实施例的用于淬火铸件的多阶段大量空气/定向空气淬火系统的示意图。

图7B是根据本公开的又一个代表性实施例的用于淬火铸件的多阶段大量空气/定向空气淬火系统的示意图。

图8是根据本公开的又一个代表性实施例的用于淬火铸件的多阶段大量空气/定向空气淬火系统的示意图。

图9是描述根据另一代表性实施例的用于淬火铸件的多阶段方法的流程图。

本领域技术人员将明白和理解，根据通常的实践，下面讨论的附图的各种特征不一定按比例绘制，并且附图的各种特征和元件的尺寸可以扩大或缩小以更清楚地示出这里描述的本发明的实施例。

具体实施方式

提供以下描述作为用于淬火金属铸件的多阶段系统和方法的示例性实施例的使能教导。相关领域的技术人员将认识到，可以对所描述的实施例进行改变，同时仍然获得有益的结果。还将显而易见的是，可以通过选择实施例的一些特征而不利用其它特征来获得所描述的实施例的一些期望的益处。换句话说，来自一个实施例或方面的特征可以以任何适当组合与来自其它实施例或方面的特征组合。例如，方法方面或实施例的任何单独或共同特征可以应用于装置、产品或组件方面或实施例，反之亦然。因此，本领域技术人员将认识到，对所描述的实施例的许多修改和适应是可能的，并且甚至在某些情况下是期望的，并且是本发明的一部分。因此，提供以下描述作为对实施例的原理的说明，而不是对其的限制，因为本发明的范围由权利要求限定。

图1-9所示的是多阶段淬火系统和方法的几个代表性实施例，用于例如在铸件的初始形成之后，或在铸件的固溶热处理之后等淬火热金属铸件。如下面更详细地描述的，淬火系统和方法可以提供优于用于淬火金属铸件的其它系统和方法的几个显着的优点和益处，例如改善铸件的机械性能，同时基本上减少淬火时间和铸件的变形。然而，所述优点并不意味着以任何方式进行限制，因为本领域技术人员将理解，在实践本公开时也可以实现其他优点。

在图1所示的本公开的一个实施例中，多阶段淬火系统10通常包括壳体20，壳体20包括围绕淬火室26的外壳22，一个或多个热铸件(在附图中表示为单个铸件80)可以定位或固定于该淬火室26内。在图1中，铸件80被描绘为用于通过高压压铸(HPDC)工艺由铝合金材料形成的汽车悬架系统的控制臂82。然而，应当理解，为了讨论的目的，控制臂82仅仅是代表性的铸造部件80，并且热铸件也可以成形为用于工业领域(例如汽车、铁路、飞机和海洋运输工业，以及用于采矿、发电、石油和天然气生产以及诸如此类)中的各种部件(例如发动机缸体、变速器壳体、驱动箱、冲击塔、泵壳体、底盘框架部件、悬架部件、机体部件和类似物)，其通常需要高强度和尺寸准确的金属部件。在一些方面，铸件80可以包括为部件提供其所需刚度和强度的厚壁部分以及用于减少部件的总重量或材料成本而不显着降低性能的薄壁部分。

此外，热铸件80可以由各种各样的铸造材料制成，包括各种铝合金(等于或大于50重量％的铝)和非铝合金(小于50重量％的铝)。另外，热铸造80也可以通过除了HPDC工艺以外的各种铸造工艺来制造，包括但不限于低压铸造(LPDC)、高真空压铸(HVDC)、重力压铸和类似工艺。

如图1所示，在一个方面，热铸件80可使用支撑系统50可移除地定位或固定在淬火室26内，支撑系统50在淬火过程期间定位和定向铸件80。在一个方面，支撑系统50可以包括框架或固定装置54，其从托盘52向上延伸，以跨越其底表面和/或下边缘在几个位置接触铸件，从而在淬火室26内将铸件松散地保持在期望的位置和取向，但是固定装置54和托盘52两者大体上是敞开的或空的，以便不阻挡各种冷却流体到达铸件的流动。然而，在其他方面，支撑系统可以包括全位置固定装置(未示出)，其在初始形成或热处理之后紧紧地或具有紧密公差地夹紧在热铸件80周围，并且在淬火工艺期间与铸件80一起移动，并且其可以在淬火期间刚性约束铸件，以便减少或最小化可将金属部件拉出尺寸公差的变形。在其它实施例中，铸件80可以自由地悬挂在淬火室26内(即，没有下侧支撑或夹紧)，例如从与铸件一体形成但在淬火完成之前不会从该部件移除的立管或短柱。

多阶段淬火系统10通常还包括加压液体喷射冷却系统30和大量空气冷却系统40。液体喷射冷却系统30可包括加压冷却液体源，其通过一个或多个歧管31与具有喷嘴头34的多个喷嘴32流体连通。喷嘴32构造成在淬火循环的一个或多个部分期间将冷却液体36喷射到热铸件80上以提供液体喷射淬火。冷却液36通常可以包括水或水与一种或多种另外的液体组分(例如乙二醇)的混合物。另外，喷嘴头34可以被配置成以多种状态提供冷却液体36，从具有大液滴的高压/高速流到由具有小于或约100μm的平均尺寸的液滴形成的雾化雾。在另一方面，冷却液体36在从喷嘴分散之前的温度可以保持在已经被优化以提供期望的冷却效果的预定温度。

液体喷射冷却系统30的喷嘴32和喷嘴头34可以在方向和流动方面进行配置，以便提供对冷却液体36施加到热铸件80上的准确控制，用于从其中提取热量。例如，单独的喷嘴32和喷嘴头34的构造可以手动地或通过可编程的致动来定制，以匹配特定的铸造部件，以便相对于施加到铸件的薄壁部分的冷却液体的量增加施加到铸件80的较厚部分的冷却液体36的量。此外，冷却液体可以同时施加到铸件80的所有侧面或暴露表面(即，前、后、侧面、底部、顶部或内部)。以这种方式，可以在整个淬火循环的液体喷射冷却部分中以基本上均匀的方式冷却铸件80。因为铸件80的各个部分的相对温度可以在整个淬火循环中保持基本相等，所以可以显着减少铸件80的任何热致内应力和由此产生的尺寸变形。

大量空气冷却系统40可以包括一个或多个可旋转冷却风扇42，其构造成提供大量冷却空气44的流，其通过入口24进入淬火室26，穿过热铸件80的外表面并围绕其流动，从铸件移除热量，然后通过一个或多个出口28作为排气流48离开室26。在一个方面，可以控制大量冷却空气44的温度和流速以提供期望的冷却特性。例如，驱动可旋转冷却风扇42的电动机可由变频驱动器(VFD)供电，所述变频驱动器可在宽范围的操作速度或频率下提供连续可变的冷却空气大量流。大量空气冷却系统40和腔室26还可以构造成确保冷却空气44通过基本上所有的铸件80的暴露的外表面，以在整个淬火循环的强制空气冷却部分中以基本上均匀的方式冷却铸件。

此外，如本领域技术人员所理解的，图1中所示的大量空气冷却系统40的构造仅仅说明了提供围绕铸件80的冷却空气44的流的广义大量空气系统。这是因为冷却风扇42可以位于室26的上方或下方，或者甚至远离室，并且配置成抽吸或推动冷却空气通过腔室并且从任何方向穿过铸件80。实际上，由于加热的排气空气48有时可以与来自液体喷射冷却系统30的蒸汽混合，因此可以有利的是从下面将冷却空气44吸入室中，并且将混合的排气48和加热的水蒸汽通过位于腔室26的上部中的出口沿与图1所示的方向相反的方向排出。

多阶段淬火系统10通常还包括可编程控制器66，例如计算机或类似的基于电子处理器的装置，其被配置为启动和停用大量空气冷却系统40和加压液体喷射冷却系统30。因而，控制器66可用于调节由液体喷射冷却系统30和体空气冷却系统40提供的冷却，以确保每种类型的铸件80可经历特定的预编程淬火过程。在一个方面，控制器66还可以用于自动调节通过各个喷嘴32的液体的定位和流动，如上所述。或者，淬火系统10可利用基本计时器系统，其中设定的时间表用于顺序地启动和停用每个冷却系统30、40。

图1还示出可选的温度感测系统60，其可以通过使用一个或多个温度传感器62来测量和监测铸件80的表面温度。在一个方面，温度传感器62可以在一个或多个位置处远程测量铸件80的表面温度，而不接触表面，例如用红外传感器。在其它方面，一个或多个温度传感器可以直接位于铸造部件上或内部。可以通过控制线路64在温度传感器62和可编程控制器66之间建立电通信，其中可编程控制器66用于监测和记录铸件80在经历淬火过程时的表面温度的降低。

一旦热铸件80已经被定位或固定在淬火室26内，大量空气冷却系统40和液体喷射冷却系统30就可以独立地或一起操作，以使用预定顺序的淬火阶段或步骤快速淬火铸件80。例如，下面说明利用本公开的多阶段淬火系统10的一个示例性实施例，如可以应用于铝合金铸件。特别地，在图2中提供了用于淬火铝合金铸件80的代表性工艺100的温度与时间的关系图(也称为淬火特性)，其中铸件的温度102可以在三个或更多个不同的阶段或时期中快速且均匀地减小，所述阶段或时期包括大量空气冷却系统40和液体喷射冷却系统30的交替操作。如上所述，铸件80的温度102以基本上均匀的方式快速但可控地降低可导致具有最小尺寸变形的高强度部件。

在进入淬火工艺100的第一阶段(“阶段I”)110之前，热铸件可以在初始温度112下被放置到淬火系统中，例如当铸件离开溶液炉时的升高的后热处理温度。对于铝基合金，例如，初始温度112可以在约450℃至约650℃的范围内，并且在一个代表性实施例(图2)中可以为约550℃。然后可以启动大量空气冷却系统40以提供阶段I大量空气淬火114，其将铸件从初始温度112冷却到第一中间温度122。根据铸造合金和/或铸件的厚度，第一中间温度122可以在约275℃至约450℃的范围内，并且在图2的实施例中，可以为约350℃。阶段I大量空气淬火114在持续约5秒至约20秒的阶段I时间段116期间发生。这可导致阶段I冷却速率118在约10℃/秒和约40℃/秒之间变化。在一些方面，阶段I冷却速率118可以是基本上线性或恒定的(也如图2所示)，而在其它方面，阶段I冷却速率118可以是非线性的或可变的。

在淬火过程100的第一阶段110结束时，可以停用大量空气冷却系统40，并启动液体喷射冷却系统30，以提供第二阶段(“阶段II”)120液体(或液体/空气)喷射淬火124，其进一步将铸件从第一中间温度122冷却到第二中间温度132。第二中间温度132可以为约150℃或更低，并且在图2的实施例中，可以为约100℃。阶段II 120液体喷射淬火124可以具有持续时间在约5秒和约20秒之间的时间段126，导致阶段II冷却速率128在约12.5℃/秒和约50℃/秒之间变化。在一些方面，阶段II冷却速率128可以是基本上恒定的，而在其它方面，阶段II冷却速率128可以是可变的。

在铸件温度已经达到第二中间温度132之后，液体喷射冷却系统30可以被停用，并且大量空气冷却系统40被重新启动，以提供第三阶段(“阶段III”)130大量空气淬火134，其进一步将铸件从第二中间温度132冷却到约70℃或更低的最终淬火温度142。在图2的实施例中，最终淬火温度142可以为约50℃。阶段III 130大量空气淬火134可具有持续约5秒至约10秒的时间段136，导致约5℃/秒至约10℃/秒的阶段III冷却速率138。在一些方面，阶段III冷却速率138可以是基本上恒定的，而在其他方面，阶段III冷却速率138可以是可变的。当阶段II 120冷却液体是水时，阶段III 130大量空气还可用于在阶段II喷射淬火124之后干燥留在铸件上的任何残余水分。在达到约50℃的最终淬火温度142之后，可以允许铸件逐渐冷却144至环境温度以进行自然时效，或者可以在允许自然冷却之前将其转移到用于在升高的温度下人工时效的次级炉中并且持续延长的时间段。

如上所述，空气淬火阶段114、134和喷射淬火阶段124中的每一个可以被配置为在整个淬火步骤中以基本上均匀的方式冷却铸件，以减少可能在零件内产生的热致应力。本公开的该特征可以起到最小化或基本上减少否则可能在淬火过程中产生的热致尺寸变形的作用，导致较少的铸件由于落在尺寸公差之外而被拒绝。在一些实施例中，均匀淬火工艺可以与支撑系统50(图1)组合，支撑系统50包括紧公差支撑(未示出，但是本领域已知)，以在淬火期间进一步约束铸件而抵抗温度引起的变形。

在热铝合金铸件上执行多阶段淬火工艺100从初始温度122到最终淬火温度142的总时间可以在约15秒至约50秒的范围内。虽然多阶段淬火方法100可能比如本领域目前可获得的水或油中的立即浸渍淬火花费更长的时间，但是在整个淬火过程中可变地控制铸件的冷却速率的能力可导致淬火的铸件改善的冶金性能和减小的尺寸变形。此外，在一些方面，预期多阶段淬火过程100在用于推断适当优化的固溶热处理过程时可以为所得到的铸件提供这样的改进的冶金特性，即，可能不需要在次级炉中在高温下人工地使铸件老化的附加步骤来满足客户规格。

应当理解，图1和2中所示的多阶段淬火系统10和淬火过程100是基于炉(batch-based)或基于槽(cell-based)的淬火系统，其中淬火工艺中的每个阶段在可基本上固定在空间中或至少在外壳20的室26内的铸件上的相同位置处执行。然而，批量生产的铸件也可能或甚至很可能经历多阶段淬火工艺100，同时移动通过连续工艺淬火系统，例如图3所示的淬火系统200。

多阶段淬火系统200通常包括限定淬火室206的长形外壳202，多个铸件(未示出)以基本上恒定的速度201从在外壳202的一端处的入口开口204行进通过所述淬火室206到相对端处的出口开口208。外壳202可以包括具有提供阶段I空气淬火114(图2)的大量空气冷却系统212的第一部分210。根据铸件行进通过外壳202的速度201，第一大量空气冷却系统212可以包括一个或多个冷却风扇214，其提供通过室206的大量冷却空气流。在一个方面，冷却风扇214可以设有VFD驱动器，使得冷却空气的大量流量在宽的操作速度范围内是连续可变的，使得在淬火系统200的阶段I空气淬火114内提供的冷却速率可以是可调节的，以用不同的淬火特性适应各种类型的铸件。

在通过第一部分210之后，铸件然后可以进入具有液体喷射冷却系统222的第二部分220，该液体喷射冷却系统222提供阶段II喷射淬火124(图2)。液体喷射冷却系统222可以包括具有喷嘴头226的喷嘴224的排，喷嘴头226在淬火过程的中间阶段II部分期间将冷却液体例如水或水/乙二醇混合物喷射到热铸件上。

在到达第二部分220的端部时，铸件然后可以进入具有提供阶段III空气淬火134(图2)的另一大量空气冷却系统232的第三部分230。与靠近外壳202的入口的第一大量空气冷却系统212一样，第二大量空气冷却系统232也可以包括一个或多个冷却风扇234，这取决于铸件穿过外壳202的速度201。淬火系统200的第三部分230中的冷却风扇234也可以设置有VFD驱动器，使得在阶段III空气淬火134内提供的冷却速率可以是可调节的。

也如图3所示，多阶段淬火系统200还可以包括可选的温度感测系统260，其可以通过使用可以沿着外壳202的长度间隔开的多个温度传感器262来测量铸件的表面温度。在其它方面，一个或多个温度传感器可以直接位于铸造部件上或其内部。尽管未示出，但应当理解，温度感测系统260可以与上述可编程控制器电通信，其可以用于监测和记录铸件在它们通过淬火系统200时的表面温度的降低。

图4是描述本公开的另一代表性实施例的流程图，其包括用于淬火热铸件的多阶段方法300，其包括以下步骤：获得302具有大于或约450℃的表面温度的金属铸件，以及在小于或约20秒的第一阶段持续时间内在第一阶段大量空气淬火中将铸件冷却304至约350℃的表面温度。该方法还包括以下步骤：在小于或约20秒的第二阶段持续时间内，在第二阶段液体喷射淬火中将铸件冷却306至约100℃的表面温度，接着在第三阶段大量空气淬火中冷却在小于或约10秒的第三阶段持续时间内将铸件冷却308到大约50℃的表面温度。

在图5所示的多阶段淬火系统的另一个实施例中，大量空气冷却系统440可以保持基本上不变，而加压液体喷射冷却系统可以用加压定向空气冷却系统430代替。定向空气冷却系统430可以包括加压冷却空气源，其通过一个或多个歧管431与多个喷嘴432和喷嘴头434流体连通。虽然加压冷却空气通常可以包括压缩空气，但是在一些方面，定向空气可以替代地包括另一种气体成分，例如氩气，或者一种或多种空气和另外的气体组分，例如空气和氩气的混合物。类似于上述液体喷射冷却系统，定向空气冷却系统430的喷嘴432和喷嘴头434可以被配置或定位成在可以窄聚焦的多个高速流436中提供定向空气，使得定向流436在淬火循环的一个或多个部分期间撞击热铸件480的特定区域。此外，在从喷嘴分散之前的加压冷却空气的温度可以保持在已经被优化以提供期望的冷却效果的预定温度。

如同图1所示的淬火系统的实施例，图5的铸件480代表通过高压模铸(HPDC)工艺由铝合金材料形成的控制臂482。然而，应当理解，铸件480可以由各种各样的铸造材料制成，包括各种铝合金(等于或大于50重量％的铝)和非铝合金(小于50重量％的铝)，并且铸件480可以通过除了HPDC工艺之外的各种铸造工艺制成。还应当理解，为了讨论的目的，控制臂482仅仅是代表性的铸件480，铸件也可以成形为用于各种工业的各种部件，并且在一些方面，铸件480可以包括为部件提供所需刚度和强度的厚壁部分和用于减小部件的总重量或材料成本而不显着降低性能的薄壁部分。

此外，热铸造480可以使用支撑系统450可移除地定位或固定在淬火室426内，支撑系统450在淬火过程期间定位和定向铸件480。在一个方面，支撑系统450可包括从托盘452向上延伸以在横跨其底表面和/或下边缘的几个位置处接触铸件的框架或固定装置454，以便松弛地将铸件保持在淬火室426内的期望位置和取向，但固定装置454和托盘452两者大体上是敞开的或空的，以便不阻挡各种冷却流体到达铸件的流动。

加压定向空气冷却系统430的喷嘴432和喷嘴头434可在方向和流动上配置成以便提供定向空气436施加到热铸件480上的准确控制。例如，各个喷嘴432和喷嘴头434的配置可以是手动地或通过可编程的致动可定制的，以匹配特定铸造部件，以便相对于被施加到铸件的薄壁部的定向空气的体积/速度增加被施加到铸件80的较厚部分定向空气流436的体积和/或速度。此外，定向空气436可以被同时施加到所有侧面或铸件480的暴露表面上(即正面、背面、侧面、底部、顶部或内部)。以这种方式，浇铸480可以以基本上均匀的方式在整个淬火循环的定向空气冷却部分中被冷却。因此，铸件480的各部分的相对温度可以保持在整个淬火循环基本相等，得到的预期结果是热致内部应力和所得的铸件480的尺寸变形会大幅减小。

大量空气冷却系统440可以包括一个或多个可旋转的风扇442，其被配置为提供低速冷却空气444的大量流，该大量流通过在外壳422中的入口424进入壳体420的室426，横穿和围绕热铸件480的外表面，以从铸件除去热量，然后通过一个或多个出口428作为排气流448离开室426。在一个方面，冷却空气444的温度和流量可被控制，以提供所需的冷却特性。例如，可旋转的冷却风扇442可以用变频驱动器(VFD)供电，其提供在操作速度或频率的宽范围上的冷却空气444的连续可变大量流。此外，大量空气冷却系统440和腔室426可构造成确保冷却空气444经过基本上铸件480的所有暴露外表面，以在淬火循环的整个大量空气冷却部分中以基本上均匀的方式冷却铸件。

而且，如本领域技术人员所理解的，在图5所示的大量空气冷却系统440的配置仅是通用大量空气系统的示例，该系统提供冷却空气444的广泛分布的流，其通常以比来自定向空气冷却系统430的高速冷却空气流436低的速度流动。例如，风扇442可以被定位在室426的上方或下方或甚至远离该室，并且被配置来抽吸或推动冷却空气通过室并且从任何方向经过铸件40。事实上，可能有利的是将冷却空气444从下方抽吸到室中，并沿与图5所示的方向相反的方向通过设在该室426的上部中的出口排出排气空气448。

多阶段淬火系统410一般还包括可编程控制器466，诸如计算机或类似的基于电子处理器的设备，其被配置为启动和停用的大量空气冷却系统440和加压定向空气冷却系统430。因而，控制器466可以被用来调节由定向空气冷却系统430和大容量的空气冷却系统440提供的冷却，以确保每种类型的铸件480的可以经历特定的、预先编程的淬火过程。在一个方面中，控制器466还可以用于自动调节通过各个喷嘴432冷却空气的定位和流动，如上所述。可替代地，淬火系统410可以利用基本定时器系统，其中，一组定义的时间表被用于顺序地启动和停用每一个冷却系统430、440。

在图5中还示出可选的温度感测系统460，其可以通过使用一个或多个温度传感器462测量并检测铸件480的表面温度。在一个方面，温度传感器462可以在一个或多个位置远程测量铸件480的表面温度，而不与表面接触，例如用红外传感器。在其它方面，所述一个或多个温度传感器可以直接位于铸件部分上或铸件部分内。电通信可以在温度传感器462和可编程控制器466之间通过控制线464建立，可编程控制器466被用来监测和记录铸件480在经历淬火过程时表面温度的降低。

类似于上述多阶段淬火系统10的三个阶段空气/液体实施例，一旦热铸件480已经被定位或固定在图5中示出的多阶段淬火系统410的淬火室426内，大量空气冷却系统和定向空气冷却系统就可以独立或一起操作，以使用淬火阶段或步骤的一个预定序列迅速淬火铸件。利用多阶段淬火系统410中的一个方法如下所述，可能适用于铝合金铸件。例如，用于淬火铝合金铸件480的代表性过程500的温度与时间的曲线图在图6中被提供(也称为淬火特性)，其中铸件温度502可在三个不同的阶段被快速降低。所述阶段可以包括大量空气冷却系统和定向空气冷却系统的交替操作。然而，应该理解，所述阶段也可包括大量空气冷却和定向空气冷却的任何序列，并且可包括多于或少于三个不同的阶段。通过以受控的方式迅速降低铸件的温度502，本文所述的淬火系统导致具有最小尺寸变形的高强度部件。

在进入第一阶段(“阶段I”)510的淬火工艺500之前，热铸件可以在初始温度512被放置到淬火系统410中。对于铝基合金，例如，初始温度512可以在从约450℃至约650℃的范围内，并且在一个代表性实施例(图3)中可以是约500℃。大量空气冷却系统440然后可以被启动，以提供阶段I大量空气淬火514，其将铸件从初始温度512冷却到第一中间温度522。根据铸造合金和/或铸件的厚度，第一中间温度522的范围可以从约275℃至约450℃，并在图6的实施例中可以是约350℃。阶段I 510大容量空气淬火514在持续约20秒和约50秒之间的阶段I时间周期516期间进行。这可得到的阶段I冷却速率518在约20℃/秒至约3℃/秒之间的范围内。在一些方面中，阶段I冷却速率518可以是基本线性的或恒定的，而在其它方面中，阶段I冷却速率518可以是非线性的或可变的。

在淬火过程500的第一阶段510结束时，大量空气冷却系统440可以停用并启动定向空气冷却系统430以提供第二阶段(“阶段II”)520定向空气淬火524，其将铸件从第一中间温度522进一步冷却到第二中间温度532。第二中间温度532的范围可以从约100℃至约175℃，并且在图6的实施例中可以是约150℃。阶段II 520定向空气淬火524可以具有持续大约20秒和大约40秒之间的时间段526，得到的阶段II冷却速率528在约20℃/秒至约3℃/秒之间的范围内。在某些方面中，阶段II冷却速率528可以基本上是恒定的，而在其它方面中，阶段II冷却速率528可以是可变的。

在铸件温度已达到第二中间温度532之后，在一个方面中，之间空气冷却系统430可以被调节，使得空气通过歧管的流动被降低以提供第三阶段(“阶段III”)530定向空气淬火534，其进一步将铸件从第二中间温度532冷却到约70℃或更低的最终淬火温度542。在图6的实施例中，最终淬火温度542可以是大约50℃。阶段III 530定向空气淬火534可具有小于或大约60秒的时间段536，所产生的阶段III冷却速率538在约3.5℃/秒至约0.5℃/秒之间。在一些方面中，阶段III冷却速率538可以基本上是恒定的，而在其它方面中，阶段III冷却速率538可以是可变的。在达到约50℃的最终淬火温度542之后，铸件可以被允许逐渐冷却544到环境温度以自然时效，或者可以在升高的温度下转移至次级炉中以人工老化。在一可替代实施例(未示出)中，所述定向空气冷却系统430可以在淬火过程500的阶段II 520完成后停用，并且在阶段III 530期间重新启动大量冷却系统440以提供大量空气冷却。

如上讨论的，所述大量空气淬火阶段514和定向空气淬火阶段524、534中的每个都可被构造成在整个淬火步骤中以基本上均匀的方式冷却铸件，以减小可能会在部件内产生的热致应力。本公开的这一特征可以用以最小化或显著减小否则可能在淬火过程中产生的热致尺寸变形，使得更少铸件由于落在尺寸公差以外而被拒绝。在一些实施方案中，均匀淬火过程可以与支撑系统450(图5)相结合，其包括紧公差支撑(未示出但在本领域中已知的)，以抵抗任何热致变形的方式在淬火过程中进一步约束铸件。

用以从初始温度522至最终淬火温度542在热铝合金铸件上进行多阶段淬火过程500的总时间的范围可以从约60秒至约150秒。在一些实施方案中，对于范围可以从约90至约180秒的总共序列时间，将铸件移入和移出淬火系统410的额外时间小于约30秒。虽然图6的多阶段淬火工艺图500可能比当前技术中可用的在水中或油中的立即浸没淬火需要更长的时间，但在整个多阶段淬火过程中可变地控制铸件的冷却速率的能力可得到具有改善的冶金特性和减小的尺寸变形的淬火铸件。此外，在一些方面中，可以预期的是多阶段淬火过程500当用来推断适当优化的固溶热处理过程时可以给所得到的铸件提供这样的改进的冶金特性，即，在升高的温度下在次级炉中人工老化铸件的额外步骤可能没有必要。

应当理解，在图1-2中所示的多阶段淬火系统10的空气/液体的实施方案和在图5-6中所示的多阶段淬火系统410的大量空气/定向空气的实施例可以应用为用于淬火金属铸件原始或OEM系统。然而，也有可能甚至很可能的是，多阶段淬火系统10、410也可以用于改造现有的金属铸造淬火系统。特别是，大量空气/定向空气淬火系统410可以容易地添加到不在淬火过程利用水的现有金属铸件空气淬火系统。例如，如在图7A-7B中所示的那些有代表性的改造大量空气/定向空气淬火系统610、611可以用于通过添加定向空气冷却系统630和相关的部件改善现有的空气淬火系统，而无需更换现有的系统。这样的现有系统通常还包括壳体620，其包括包围室626的外壳622，热铸件680可被定位或固定在所述室内。

图7A-7B所示的淬火系统610、611通常包括一种改进的或修改的大量空气冷却系统640和新的定向空气冷却系统630。定向空气冷却系统630通常具有多个歧管631，其中每个歧管包括具有喷嘴头634的多个喷嘴632，所述喷嘴头在淬火循环的一个或多个部分期间将冷却空气636的高速流引导到热铸件680上。歧管631可以具有各种配置的喷嘴，包括不同数量的喷嘴、不同定向喷嘴或喷嘴之间的不同间距。在一个方面中，例如，歧管631可以是可互换的，并且可以用不同的歧管631更换或从外壳622移除。通过使用对应于特定铸件680的特定的一组可互换歧管631，淬火系统610可以被配置为在淬火循环期间引导空气，以对于特定部分或铸造680优化所需特性。在另一方面，歧管631包括分别重新配置的喷嘴632，其可以为与不同类型或型号的铸件680使用而进行修改，而不改变歧管，优选通过手动地或使用经预编程序列的动力致动器操纵单个喷嘴632和喷嘴头634。

喷嘴632适于引导通过歧管631经由管道系统633从一个或多个加压的保持罐650供给的加压空气，每个压力保持罐650通过一个或多个空气压缩机649被填充。此外，多个控制阀或自动调节器651可用于控制或调节从加压保持罐650到所述一个或多个歧管631的空气流。调节器651和加压保持罐650可远离歧管631定位，并且可以通过基于电子处理器的设备666进行控制，所述基于电子处理器的设备能够操作自动调节器651来控制由定向空气冷却系统630和大容量空气冷却系统640提供的冷却，以确保逐渐680经历一特定的、预编程的淬火过程。每个调节器651可对应于并控制到特定歧管631的流动，或调节器651可协作以控制到一些或全部的歧管631的组合的总流动。在一些实施例中，热交换器635可以被包括在管道系统633内，以当增压空气从保持罐650行进到歧管631和喷嘴632时对其进行冷却。

另外，在一些方面中，改型淬火系统610、611也可以被修改为包括具有开放式固定装置654的可去除托盘，其将铸件松散地支撑在淬火室626内的期望位置和取向，固定装置654和托盘被较大地开口或是空的，以便不阻止来自喷嘴632的冷却空气的各种高速流流到铸件。

在图7A示意性地示出的一个代表性实施例中，多阶段淬火系统610可包括两个自动调节器651，调节器A和调节器B。自动调节器651可以以各种不同的方式来协同操作，以控制定向空气636通过管道系统633和歧管631的流动，使得自动调节器651可以改变定向空气636的流速，用于更快或更慢的定向淬火。例如，调节器A和调节器B中的一个可以在淬火的某些阶段打开，调节器A和调节器B中的另一个可以在淬火的某些阶段打开，或调节器A和调节器的B都可以在淬火的某些阶段打开。可替代地，调节器A和B可以在定向空气淬灭的某些阶段完全打开，并且在定向空气淬火的其他阶段部分地关闭。此外，在砂模用于形成金属铸件的实施例中，调节器651还可以与特定的喷嘴632协同操作以集中定向冷却空气636的流，以从铸件除去内部和/或外部的残余砂。

在如图7B所示的多阶段淬火空气系统611的另一代表性实施例中，两个单独组的空气压缩机649和加压保持罐650可通过管道系统633联网到一起，所述管道系统具有至少四个自动化的稳压器651(C，D，E，F)，其可以被配置为使冷却空气636从每个保持罐650到所述多个歧管631和喷嘴632单独地循环。以这种方式，保持罐之一可以被抽吸，同时淬火淬火室中的铸件680，而另一个保持罐关闭以用来自空气压缩机649的压缩空气重新填充，将用于下一批铸件。在一个方面中，两个空气压缩机649每个的尺寸都设置成以约50马力移动约15000-20000立方英尺每分钟(CFM)的空气或气体，其可以足以在小于约3分钟内重新填充耗尽的加压保持罐650。然而，应理解，可使用较高或较低马力的空气压缩机649，以及每个保持罐650使用多个空气压缩机，并且从每个压缩机的流量可以是高于或低于15000-20000CFM，而不脱离本公开的范围。

应当理解，在图7A-7B中所示的例子仅是示例性的，并且该自动调节器651可以在不脱离本公开的范围的前提下以其它方式构造。例如，更多或更少的自动调节器651可以以各种组合或配置用于控制从保持罐620到喷嘴632的冷却空气636的流动和压力。

与图1-2中所示的淬火过程100和多阶段淬火系统10的空气/液体的实施方案相同，在图5-6中所示的淬火过程500和多阶段淬火系统410的大量空气/定向空气的实施例可以是基于炉或基于槽的淬火系统，其中淬火过程的每个阶段可以在基本固定在空间中或者至少在外壳420的室426内的铸件480的相同位置上执行。然而，也有可能甚至很可能，批量生产的铸件将经历多阶段淬火过程500，同时移动通过连续工艺淬火系统，例如，图8所示的多阶段淬火系统700。

多阶段淬火系统700一般包括长形的外壳702，其限定一淬火室706，，多个铸件(未示出)通过室706以基本上恒定的速度701从在外壳702的一个端部处的入口开口704行进至在相对端部处的出口开口708。外壳702一般包括具有提供阶段I空气淬火514(图6)的大量空气冷却系统712的第一部分710。根据铸件穿过外壳702行进的速度701，大量空气冷却系统712可以包括一个或多个冷却风扇714，其提供冷却空气通过腔室706的大量流动。在一个方面，冷却风扇714可以被提供有VFD驱动器，使冷却空气的大量流动在宽范围的操作速度上连续可变，使得在淬火系统700的阶段I空气淬火514中提供的冷却速率可调节，以通过不同淬火特性适应不同类型的铸件。

在穿过第一部分710后，铸件然后可以进入具有提供阶段II定向空气淬火524(图6)的定向空气淬火系统722的第二部分720。定向空气淬火系统722可以包括从被加压空气管道系统728供给的多个歧管726向内延伸的喷嘴724的排，每个喷嘴724包括喷嘴头，其在淬火过程的阶段II部分期间将冷却空气引导到热铸件上。

在到达第二部分720的终点时，铸件可继而进入第三部分730。第三部分730可具有另一定向空气淬火系统732，其提供阶段III定向空气淬火530(图6)。与阶段II定向空气淬火系统722相同，第二定向空气淬火系统732可以包括从被加压空气管道系统738供给的多个歧管736向内延伸的喷嘴734的排，每个喷嘴734包括喷嘴头，其在淬火过程的阶段II部分期间将冷却空气引导到热铸件上。

在图8中还示出，多阶段淬火系统700还可以包括可选的温度感测系统760，其可以通过使用可沿外壳702的长度间隔开的多个温度传感器762而测量铸件的表面温度。在其它方面中，所述一个或多个温度传感器可以直接位于铸件部分上或铸件部分内。虽然未示出，但可以理解的是，温度感测系统760可以与上述可编程控制器电通信，其可用于当它们通过淬火系统700时监测和记录铸件表面温度的降低。

在本公开的又一实施例中，图9是描绘用于淬火热铸件的方法800的流程图，其包括以下步骤：获得802金属铸件，其表面或内部温度的范围可以从约475℃至约535℃；和冷却804铸件的步骤，其中在第一阶段大量空气淬火中在约20至约50秒的第一阶段的持续时间内将铸件冷却到表面或内部的温度范围为从约300℃至约350℃。该方法还包括在第二阶段定向空气淬火中在约20至约40秒的第二阶段持续时间内冷却806铸件到表面温度从约100℃至约175℃的步骤，和随后在第三阶段定向空气淬火中在小于或约60秒的第三阶段持续时间内冷却铸件808到约50℃的表面温度。

本发明已经在本发明人认为是代表实施本发明的最佳模式的优选实施例和方法的方面描述。本领域技术人员然而应该理解的是，大范围的添加、删除和修改，局部的和总体的，都可以对示出和示例性实施例做出，而不脱离本发明的精神和范围。这些和其他的修改可能由本领域的技术人员在不脱离由下面的权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下可以作出。

Claims (24)

1.一种用于通过淬火循环冷却热铸件的淬火系统，该淬火系统包括：

外壳，其限定用于容纳在加热状态下的至少一个铸件的淬火室；

至少一个大量空气风扇，其与所述淬火室流体连通并且被配置为建立围绕所述至少一个铸件以第一冷却速率从所述至少一个铸件提取热量的冷却空气的大量流；以及

可加压的冷却系统，其与淬火室中的多个喷嘴流体连通并且被配置成将冷却流体的多个的定向流喷射到所述至少一个铸件上，以第二冷却速率从所述铸件提取热量。

2.根据权利要求1所述的淬火系统，其中，所述第二冷却速率比所述第一冷却速率大。

3.根据权利要求1所述的淬火系统，其中，所述冷却流体包括水。

4.根据权利要求3所述的淬火系统，其中，所述水包括乙二醇。

5.根据权利要求3所述的淬火系统，其中，水的定向流还包括雾化水滴的定向流。

6.根据权利要求1所述的淬火系统，其中，所述冷却流体包括高速空气。

7.根据权利要求6所述的淬火系统，其中，所述高速空气包括氩气。

8.根据权利要求1所述的淬火系统，还包括可编程控制器，其构造成顺序地启动所述至少一个大量空气风扇以在第一预定时间段内以所述第一冷却速率冷却铸件，并且然后启动所述可加压的冷却系统，以在第二预定时间段内以所述第二冷却速率冷却铸件。

9.根据权利要求1所述的淬火系统，还包括温度监测系统，其被配置为监测在淬火循环期间所述至少一个铸件的温度。

10.根据权利要求1所述的淬火系统，其中，驱动所述的至少一个大量空气风扇的马达由变频驱动器(VFD)供电。

11.根据权利要求所述1的淬火系统，其中，所述至少一个铸件在输送装置上连续移动通过所述外壳，并且所述多个喷嘴定位在所述至少一个大量空气风扇的下游。

12.根据权利要求11所述的淬火系统，还包括第二大量空气风扇，其与所述淬火室流体连通并且在所述多个喷嘴的下游。

13.根据权利要求11所述的淬火系统，还包括多个第二喷嘴，其在淬火室中并且在所述多个喷嘴的下游。

14.一种用于淬火热铸件的方法，所述热铸件的初始表面温度范围为约450℃至约550℃，所述方法包括：

在大量空气流第一阶段淬火中并且在从约10秒至约50秒的第一预定时间段内，将铸件冷却到范围从约275℃至约450℃的第一中间表面温度；

在定向流第二阶段淬火中并且在从约10秒至约40秒的第二预定时段内，将铸件冷却到低于约175℃的第二中间表面温度；和

在第三阶段淬火中并且在小于约60秒的第三预定时间段内，将铸件冷却到低于约70℃的最终淬火表面温度。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二阶段定向流淬火还包括高压水的定向喷射。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二阶段定向流淬火还包括高速空气的定向流。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第三阶段淬火还包括大量空气流淬火。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第三阶段淬火还包括高速空气的定向流。

19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一中间表面温度在约300℃至约350℃的范围内。

20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二中间表面温度的范围为约100℃至约150℃。

21.根据权利要求14所述的方法，其中，所述最终淬火表面温度低于约50℃。

22.根据权利要求14所述的方法，其中，所述热铸件是压铸薄壁铝合金铸件。

23.一种用于淬火热铸件的方法，所述热铸件的初始表面温度范围在约450℃至约650℃，所述方法包括：

在第一阶段大量空气流淬火中并且在小于约20秒的第一预定时间段内，将铸件冷却到范围在约275℃至约450℃的第一中间表面温度；

在第二阶段喷水淬火中并且在小于约20秒的第二预定时间段内，将铸件冷却到低于约155℃的第二中间表面温度；和

在第三阶段大量空气流淬火中并且在小于约20秒的第三预定时间段内，将铸件冷却到低于约50℃的最终淬火表面温度。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述热铸件是压铸薄壁铝合金铸件。