用于淬火鑄件的系統和方法與流程

相關申請的交叉引用

本申請要求于2014年9月18日提交的美國臨時專利申請no.62/052,279和于2014年11月17日提交的美國臨時專利申請no.62/080,647的權益，其每一個通過引用整體并為所有目的并入本文。

本發明總體上涉及在熱處理或從模或模具初始移除之后的金屬鑄件的淬火，更具體地涉及在固溶處理之后和老化之前壓鑄薄壁鋁鑄件的淬火。

技術實現要素：

簡而言之，本公開的一個實施例包括用于通過淬火循環來冷卻熱鑄件的淬火系統。淬火系統通常包括限定淬火室的外殼，該淬火室的尺寸和形狀適于接收處于加熱狀態的一個或多個鑄件。淬火系統還包括一個或多個大量空氣風扇(bulkairfan)，其與淬火室流體連通并且構造成建立冷卻空氣的大量流動，所述冷卻空氣圍繞熱鑄件并以第一冷卻速率從熱鑄件提取熱量。淬火系統還包括與淬火室內的多個噴嘴流體連通的可加壓冷卻系統，并且所述噴嘴構造成將冷卻流體的多個定向流噴射到熱鑄件上，以第二冷卻速率從鑄件提取熱量。在一些方面，冷卻流體是冷卻液體(例如水)的高壓噴射，而在其它方面，冷卻流體是高速冷卻空氣流。該系統還包括可編程控制器，該可編程控制器被配置成順序地啟動大量空氣風扇以在第一預定時間段內以第一冷卻速率冷卻鑄件，然后停用大量空氣風扇并啟動可加壓冷卻系統以在第二預定時間段內以第二冷卻速率冷卻鑄件。

本公開的另一個實施例包括一種用于淬火具有在約450℃至約550℃范圍內的初始表面溫度的熱鑄件的方法。該方法包括在大量空氣流第一階段淬火中并且在范圍為約10秒至約50秒的第一預定時間段內將鑄件冷卻至在從約275℃至約450℃范圍內的第一中間表面溫度，隨后在定向流第二階段淬火中并且在約10秒至約40秒的第二預定時間段內將鑄件冷卻至小于約175℃的第二中間表面溫度。在一些方面中，冷卻流體包括冷卻液體(例如水)的高壓噴射，而在其它方面中，定向流包括高速空氣。該方法還包括在第三階段淬火中并且在小于約30秒的第三預定時間段內將鑄件冷卻至小于約70℃的最終淬火表面溫度。在一些方面中，第三階段淬火包括大量空氣流，而在其它方面中，第三階段淬火包括多個定向空氣流。

本公開的又一個實施例包括一種用于淬火具有約450℃至約650℃的初始表面溫度的熱鑄件的方法，并且該方法包括在第一階段大量空氣流淬火中并且在小于約20秒的第一預定時間段內冷卻至在約275℃至約450℃范圍內的第一中間表面溫度。該方法包括然后在第二階段噴水淬火中并且在小于約20秒的第二預定時間段內將鑄件冷卻至小于約125℃的第二中間表面溫度。該方法還包括在第三階段大量空氣流淬火中并且在小于約20秒的第三預定時間段內將鑄件冷卻至小于約50℃的最終淬火表面溫度。

附圖說明

圖1是根據本公開的代表性實施例的用于淬火鑄件的多階段空氣/液體淬火系統的示意圖。

圖2是表示根據另一代表性實施例的在多階段淬火過程中的鑄件的溫度變化的曲線圖。

圖3是根據又一代表性實施例的用于冷卻鑄件的多階段空氣/液體淬火系統的示意圖。

圖4是描述根據又一代表性實施例的用于淬火鑄件的多階段方法的流程圖。

圖5是根據本公開的代表性實施例的用于淬火鑄件的多階段大量空氣/定向空氣淬火系統的示意圖。

圖6是表示根據另一代表性實施例的整個多階段淬火過程中鑄件的溫度變化的曲線圖。

圖7a是根據本公開的另一個代表性實施例的用于淬火鑄件的多階段大量空氣/定向空氣淬火系統的示意圖。

圖7b是根據本公開的又一個代表性實施例的用于淬火鑄件的多階段大量空氣/定向空氣淬火系統的示意圖。

圖8是根據本公開的又一個代表性實施例的用于淬火鑄件的多階段大量空氣/定向空氣淬火系統的示意圖。

圖9是描述根據另一代表性實施例的用于淬火鑄件的多階段方法的流程圖。

本領域技術人員將明白和理解，根據通常的實踐，下面討論的附圖的各種特征不一定按比例繪制，并且附圖的各種特征和元件的尺寸可以擴大或縮小以更清楚地示出這里描述的本發明的實施例。

具體實施方式

提供以下描述作為用于淬火金屬鑄件的多階段系統和方法的示例性實施例的使能教導。相關領域的技術人員將認識到，可以對所描述的實施例進行改變，同時仍然獲得有益的結果。還將顯而易見的是，可以通過選擇實施例的一些特征而不利用其它特征來獲得所描述的實施例的一些期望的益處。換句話說，來自一個實施例或方面的特征可以以任何適當組合與來自其它實施例或方面的特征組合。例如，方法方面或實施例的任何單獨或共同特征可以應用于裝置、產品或組件方面或實施例，反之亦然。因此，本領域技術人員將認識到，對所描述的實施例的許多修改和適應是可能的，并且甚至在某些情況下是期望的，并且是本發明的一部分。因此，提供以下描述作為對實施例的原理的說明，而不是對其的限制，因為本發明的范圍由權利要求限定。

圖1-9所示的是多階段淬火系統和方法的幾個代表性實施例，用于例如在鑄件的初始形成之后，或在鑄件的固溶熱處理之后等淬火熱金屬鑄件。如下面更詳細地描述的，淬火系統和方法可以提供優于用于淬火金屬鑄件的其它系統和方法的幾個顯著的優點和益處，例如改善鑄件的機械性能，同時基本上減少淬火時間和鑄件的變形。然而，所述優點并不意味著以任何方式進行限制，因為本領域技術人員將理解，在實踐本公開時也可以實現其他優點。

在圖1所示的本公開的一個實施例中，多階段淬火系統10通常包括殼體20，殼體20包括圍繞淬火室26的外殼22，一個或多個熱鑄件(在附圖中表示為單個鑄件80)可以定位或固定于該淬火室26內。在圖1中，鑄件80被描繪為用于通過高壓壓鑄(hpdc)工藝由鋁合金材料形成的汽車懸架系統的控制臂82。然而，應當理解，為了討論的目的，控制臂82僅僅是代表性的鑄造部件80，并且熱鑄件也可以成形為用于工業領域(例如汽車、鐵路、飛機和海洋運輸工業，以及用于采礦、發電、石油和天然氣生產以及諸如此類)中的各種部件(例如發動機缸體、變速器殼體、驅動箱、沖擊塔、泵殼體、底盤框架部件、懸架部件、機體部件和類似物)，其通常需要高強度和尺寸準確的金屬部件。在一些方面，鑄件80可以包括為部件提供其所需剛度和強度的厚壁部分以及用于減少部件的總重量或材料成本而不顯著降低性能的薄壁部分。

此外，熱鑄件80可以由各種各樣的鑄造材料制成，包括各種鋁合金(等于或大于50重量％的鋁)和非鋁合金(小于50重量％的鋁)。另外，熱鑄造80也可以通過除了hpdc工藝以外的各種鑄造工藝來制造，包括但不限于低壓鑄造(lpdc)、高真空壓鑄(hvdc)、重力壓鑄和類似工藝。

如圖1所示，在一個方面，熱鑄件80可使用支撐系統50可移除地定位或固定在淬火室26內，支撐系統50在淬火過程期間定位和定向鑄件80。在一個方面，支撐系統50可以包括框架或固定裝置54，其從托盤52向上延伸，以跨越其底表面和/或下邊緣在幾個位置接觸鑄件，從而在淬火室26內將鑄件松散地保持在期望的位置和取向，但是固定裝置54和托盤52兩者大體上是敞開的或空的，以便不阻擋各種冷卻流體到達鑄件的流動。然而，在其他方面，支撐系統可以包括全位置固定裝置(未示出)，其在初始形成或熱處理之后緊緊地或具有緊密公差地夾緊在熱鑄件80周圍，并且在淬火工藝期間與鑄件80一起移動，并且其可以在淬火期間剛性約束鑄件，以便減少或最小化可將金屬部件拉出尺寸公差的變形。在其它實施例中，鑄件80可以自由地懸掛在淬火室26內(即，沒有下側支撐或夾緊)，例如從與鑄件一體形成但在淬火完成之前不會從該部件移除的立管或短柱。

多階段淬火系統10通常還包括加壓液體噴射冷卻系統30和大量空氣冷卻系統40。液體噴射冷卻系統30可包括加壓冷卻液體源，其通過一個或多個歧管31與具有噴嘴頭34的多個噴嘴32流體連通。噴嘴32構造成在淬火循環的一個或多個部分期間將冷卻液體36噴射到熱鑄件80上以提供液體噴射淬火。冷卻液36通常可以包括水或水與一種或多種另外的液體組分(例如乙二醇)的混合物。另外，噴嘴頭34可以被配置成以多種狀態提供冷卻液體36，從具有大液滴的高壓/高速流到由具有小于或約100μm的平均尺寸的液滴形成的霧化霧。在另一方面，冷卻液體36在從噴嘴分散之前的溫度可以保持在已經被優化以提供期望的冷卻效果的預定溫度。

液體噴射冷卻系統30的噴嘴32和噴嘴頭34可以在方向和流動方面進行配置，以便提供對冷卻液體36施加到熱鑄件80上的準確控制，用于從其中提取熱量。例如，單獨的噴嘴32和噴嘴頭34的構造可以手動地或通過可編程的致動來定制，以匹配特定的鑄造部件，以便相對于施加到鑄件的薄壁部分的冷卻液體的量增加施加到鑄件80的較厚部分的冷卻液體36的量。此外，冷卻液體可以同時施加到鑄件80的所有側面或暴露表面(即，前、后、側面、底部、頂部或內部)。以這種方式，可以在整個淬火循環的液體噴射冷卻部分中以基本上均勻的方式冷卻鑄件80。因為鑄件80的各個部分的相對溫度可以在整個淬火循環中保持基本相等，所以可以顯著減少鑄件80的任何熱致內應力和由此產生的尺寸變形。

大量空氣冷卻系統40可以包括一個或多個可旋轉冷卻風扇42，其構造成提供大量冷卻空氣44的流，其通過入口24進入淬火室26，穿過熱鑄件80的外表面并圍繞其流動，從鑄件移除熱量，然后通過一個或多個出口28作為排氣流48離開室26。在一個方面，可以控制大量冷卻空氣44的溫度和流速以提供期望的冷卻特性。例如，驅動可旋轉冷卻風扇42的電動機可由變頻驅動器(vfd)供電，所述變頻驅動器可在寬范圍的操作速度或頻率下提供連續可變的冷卻空氣大量流。大量空氣冷卻系統40和腔室26還可以構造成確保冷卻空氣44通過基本上所有的鑄件80的暴露的外表面，以在整個淬火循環的強制空氣冷卻部分中以基本上均勻的方式冷卻鑄件。

此外，如本領域技術人員所理解的，圖1中所示的大量空氣冷卻系統40的構造僅僅說明了提供圍繞鑄件80的冷卻空氣44的流的廣義大量空氣系統。這是因為冷卻風扇42可以位于室26的上方或下方，或者甚至遠離室，并且配置成抽吸或推動冷卻空氣通過腔室并且從任何方向穿過鑄件80。實際上，由于加熱的排氣空氣48有時可以與來自液體噴射冷卻系統30的蒸汽混合，因此可以有利的是從下面將冷卻空氣44吸入室中，并且將混合的排氣48和加熱的水蒸汽通過位于腔室26的上部中的出口沿與圖1所示的方向相反的方向排出。

多階段淬火系統10通常還包括可編程控制器66，例如計算機或類似的基于電子處理器的裝置，其被配置為啟動和停用大量空氣冷卻系統40和加壓液體噴射冷卻系統30。因而，控制器66可用于調節由液體噴射冷卻系統30和體空氣冷卻系統40提供的冷卻，以確保每種類型的鑄件80可經歷特定的預編程淬火過程。在一個方面，控制器66還可以用于自動調節通過各個噴嘴32的液體的定位和流動，如上所述。或者，淬火系統10可利用基本計時器系統，其中設定的時間表用于順序地啟動和停用每個冷卻系統30、40。

圖1還示出可選的溫度感測系統60，其可以通過使用一個或多個溫度傳感器62來測量和監測鑄件80的表面溫度。在一個方面，溫度傳感器62可以在一個或多個位置處遠程測量鑄件80的表面溫度，而不接觸表面，例如用紅外傳感器。在其它方面，一個或多個溫度傳感器可以直接位于鑄造部件上或內部。可以通過控制線路64在溫度傳感器62和可編程控制器66之間建立電通信，其中可編程控制器66用于監測和記錄鑄件80在經歷淬火過程時的表面溫度的降低。

一旦熱鑄件80已經被定位或固定在淬火室26內，大量空氣冷卻系統40和液體噴射冷卻系統30就可以獨立地或一起操作，以使用預定順序的淬火階段或步驟快速淬火鑄件80。例如，下面說明利用本公開的多階段淬火系統10的一個示例性實施例，如可以應用于鋁合金鑄件。特別地，在圖2中提供了用于淬火鋁合金鑄件80的代表性工藝100的溫度與時間的關系圖(也稱為淬火特性)，其中鑄件的溫度102可以在三個或更多個不同的階段或時期中快速且均勻地減小，所述階段或時期包括大量空氣冷卻系統40和液體噴射冷卻系統30的交替操作。如上所述，鑄件80的溫度102以基本上均勻的方式快速但可控地降低可導致具有最小尺寸變形的高強度部件。

在進入淬火工藝100的第一階段(“階段i”)110之前，熱鑄件可以在初始溫度112下被放置到淬火系統中，例如當鑄件離開溶液爐時的升高的后熱處理溫度。對于鋁基合金，例如，初始溫度112可以在約450℃至約650℃的范圍內，并且在一個代表性實施例(圖2)中可以為約550℃。然后可以啟動大量空氣冷卻系統40以提供階段i大量空氣淬火114，其將鑄件從初始溫度112冷卻到第一中間溫度122。根據鑄造合金和/或鑄件的厚度，第一中間溫度122可以在約275℃至約450℃的范圍內，并且在圖2的實施例中，可以為約350℃。階段i大量空氣淬火114在持續約5秒至約20秒的階段i時間段116期間發生。這可導致階段i冷卻速率118在約10℃/秒和約40℃/秒之間變化。在一些方面，階段i冷卻速率118可以是基本上線性或恒定的(也如圖2所示)，而在其它方面，階段i冷卻速率118可以是非線性的或可變的。

在淬火過程100的第一階段110結束時，可以停用大量空氣冷卻系統40，并啟動液體噴射冷卻系統30，以提供第二階段(“階段ii”)120液體(或液體/空氣)噴射淬火124，其進一步將鑄件從第一中間溫度122冷卻到第二中間溫度132。第二中間溫度132可以為約150℃或更低，并且在圖2的實施例中，可以為約100℃。階段ii120液體噴射淬火124可以具有持續時間在約5秒和約20秒之間的時間段126，導致階段ii冷卻速率128在約12.5℃/秒和約50℃/秒之間變化。在一些方面，階段ii冷卻速率128可以是基本上恒定的，而在其它方面，階段ii冷卻速率128可以是可變的。

在鑄件溫度已經達到第二中間溫度132之后，液體噴射冷卻系統30可以被停用，并且大量空氣冷卻系統40被重新啟動，以提供第三階段(“階段iii”)130大量空氣淬火134，其進一步將鑄件從第二中間溫度132冷卻到約70℃或更低的最終淬火溫度142。在圖2的實施例中，最終淬火溫度142可以為約50℃。階段iii130大量空氣淬火134可具有持續約5秒至約10秒的時間段136，導致約5℃/秒至約10℃/秒的階段iii冷卻速率138。在一些方面，階段iii冷卻速率138可以是基本上恒定的，而在其他方面，階段iii冷卻速率138可以是可變的。當階段ii120冷卻液體是水時，階段iii130大量空氣還可用于在階段ii噴射淬火124之后干燥留在鑄件上的任何殘余水分。在達到約50℃的最終淬火溫度142之后，可以允許鑄件逐漸冷卻144至環境溫度以進行自然時效，或者可以在允許自然冷卻之前將其轉移到用于在升高的溫度下人工時效的次級爐中并且持續延長的時間段。

如上所述，空氣淬火階段114、134和噴射淬火階段124中的每一個可以被配置為在整個淬火步驟中以基本上均勻的方式冷卻鑄件，以減少可能在零件內產生的熱致應力。本公開的該特征可以起到最小化或基本上減少否則可能在淬火過程中產生的熱致尺寸變形的作用，導致較少的鑄件由于落在尺寸公差之外而被拒絕。在一些實施例中，均勻淬火工藝可以與支撐系統50(圖1)組合，支撐系統50包括緊公差支撐(未示出，但是本領域已知)，以在淬火期間進一步約束鑄件而抵抗溫度引起的變形。

在熱鋁合金鑄件上執行多階段淬火工藝100從初始溫度122到最終淬火溫度142的總時間可以在約15秒至約50秒的范圍內。雖然多階段淬火方法100可能比如本領域目前可獲得的水或油中的立即浸漬淬火花費更長的時間，但是在整個淬火過程中可變地控制鑄件的冷卻速率的能力可導致淬火的鑄件改善的冶金性能和減小的尺寸變形。此外，在一些方面，預期多階段淬火過程100在用于推斷適當優化的固溶熱處理過程時可以為所得到的鑄件提供這樣的改進的冶金特性，即，可能不需要在次級爐中在高溫下人工地使鑄件老化的附加步驟來滿足客戶規格。

應當理解，圖1和2中所示的多階段淬火系統10和淬火過程100是基于爐(batch-based)或基于槽(cell-based)的淬火系統，其中淬火工藝中的每個階段在可基本上固定在空間中或至少在外殼20的室26內的鑄件上的相同位置處執行。然而，批量生產的鑄件也可能或甚至很可能經歷多階段淬火工藝100，同時移動通過連續工藝淬火系統，例如圖3所示的淬火系統200。

多階段淬火系統200通常包括限定淬火室206的長形外殼202，多個鑄件(未示出)以基本上恒定的速度201從在外殼202的一端處的入口開口204行進通過所述淬火室206到相對端處的出口開口208。外殼202可以包括具有提供階段i空氣淬火114(圖2)的大量空氣冷卻系統212的第一部分210。根據鑄件行進通過外殼202的速度201，第一大量空氣冷卻系統212可以包括一個或多個冷卻風扇214，其提供通過室206的大量冷卻空氣流。在一個方面，冷卻風扇214可以設有vfd驅動器，使得冷卻空氣的大量流量在寬的操作速度范圍內是連續可變的，使得在淬火系統200的階段i空氣淬火114內提供的冷卻速率可以是可調節的，以用不同的淬火特性適應各種類型的鑄件。

在通過第一部分210之后，鑄件然后可以進入具有液體噴射冷卻系統222的第二部分220，該液體噴射冷卻系統222提供階段ii噴射淬火124(圖2)。液體噴射冷卻系統222可以包括具有噴嘴頭226的噴嘴224的排，噴嘴頭226在淬火過程的中間階段ii部分期間將冷卻液體例如水或水/乙二醇混合物噴射到熱鑄件上。

在到達第二部分220的端部時，鑄件然后可以進入具有提供階段iii空氣淬火134(圖2)的另一大量空氣冷卻系統232的第三部分230。與靠近外殼202的入口的第一大量空氣冷卻系統212一樣，第二大量空氣冷卻系統232也可以包括一個或多個冷卻風扇234，這取決于鑄件穿過外殼202的速度201。淬火系統200的第三部分230中的冷卻風扇234也可以設置有vfd驅動器，使得在階段iii空氣淬火134內提供的冷卻速率可以是可調節的。

也如圖3所示，多階段淬火系統200還可以包括可選的溫度感測系統260，其可以通過使用可以沿著外殼202的長度間隔開的多個溫度傳感器262來測量鑄件的表面溫度。在其它方面，一個或多個溫度傳感器可以直接位于鑄造部件上或其內部。盡管未示出，但應當理解，溫度感測系統260可以與上述可編程控制器電通信，其可以用于監測和記錄鑄件在它們通過淬火系統200時的表面溫度的降低。

圖4是描述本公開的另一代表性實施例的流程圖，其包括用于淬火熱鑄件的多階段方法300，其包括以下步驟：獲得302具有大于或約450℃的表面溫度的金屬鑄件，以及在小于或約20秒的第一階段持續時間內在第一階段大量空氣淬火中將鑄件冷卻304至約350℃的表面溫度。該方法還包括以下步驟：在小于或約20秒的第二階段持續時間內，在第二階段液體噴射淬火中將鑄件冷卻306至約100℃的表面溫度，接著在第三階段大量空氣淬火中冷卻在小于或約10秒的第三階段持續時間內將鑄件冷卻308到大約50℃的表面溫度。

在圖5所示的多階段淬火系統的另一個實施例中，大量空氣冷卻系統440可以保持基本上不變，而加壓液體噴射冷卻系統可以用加壓定向空氣冷卻系統430代替。定向空氣冷卻系統430可以包括加壓冷卻空氣源，其通過一個或多個歧管431與多個噴嘴432和噴嘴頭434流體連通。雖然加壓冷卻空氣通常可以包括壓縮空氣，但是在一些方面，定向空氣可以替代地包括另一種氣體成分，例如氬氣，或者一種或多種空氣和另外的氣體組分，例如空氣和氬氣的混合物。類似于上述液體噴射冷卻系統，定向空氣冷卻系統430的噴嘴432和噴嘴頭434可以被配置或定位成在可以窄聚焦的多個高速流436中提供定向空氣，使得定向流436在淬火循環的一個或多個部分期間撞擊熱鑄件480的特定區域。此外，在從噴嘴分散之前的加壓冷卻空氣的溫度可以保持在已經被優化以提供期望的冷卻效果的預定溫度。

如同圖1所示的淬火系統的實施例，圖5的鑄件480代表通過高壓模鑄(hpdc)工藝由鋁合金材料形成的控制臂482。然而，應當理解，鑄件480可以由各種各樣的鑄造材料制成，包括各種鋁合金(等于或大于50重量％的鋁)和非鋁合金(小于50重量％的鋁)，并且鑄件480可以通過除了hpdc工藝之外的各種鑄造工藝制成。還應當理解，為了討論的目的，控制臂482僅僅是代表性的鑄件480，鑄件也可以成形為用于各種工業的各種部件，并且在一些方面，鑄件480可以包括為部件提供所需剛度和強度的厚壁部分和用于減小部件的總重量或材料成本而不顯著降低性能的薄壁部分。

此外，熱鑄造480可以使用支撐系統450可移除地定位或固定在淬火室426內，支撐系統450在淬火過程期間定位和定向鑄件480。在一個方面，支撐系統450可包括從托盤452向上延伸以在橫跨其底表面和/或下邊緣的幾個位置處接觸鑄件的框架或固定裝置454，以便松弛地將鑄件保持在淬火室426內的期望位置和取向，但固定裝置454和托盤452兩者大體上是敞開的或空的，以便不阻擋各種冷卻流體到達鑄件的流動。

加壓定向空氣冷卻系統430的噴嘴432和噴嘴頭434可在方向和流動上配置成以便提供定向空氣436施加到熱鑄件480上的準確控制。例如，各個噴嘴432和噴嘴頭434的配置可以是手動地或通過可編程的致動可定制的，以匹配特定鑄造部件，以便相對于被施加到鑄件的薄壁部的定向空氣的體積/速度增加被施加到鑄件80的較厚部分定向空氣流436的體積和/或速度。此外，定向空氣436可以被同時施加到所有側面或鑄件480的暴露表面上(即正面、背面、側面、底部、頂部或內部)。以這種方式，澆鑄480可以以基本上均勻的方式在整個淬火循環的定向空氣冷卻部分中被冷卻。因此，鑄件480的各部分的相對溫度可以保持在整個淬火循環基本相等，得到的預期結果是熱致內部應力和所得的鑄件480的尺寸變形會大幅減小。

大量空氣冷卻系統440可以包括一個或多個可旋轉的風扇442，其被配置為提供低速冷卻空氣444的大量流，該大量流通過在外殼422中的入口424進入殼體420的室426，橫穿和圍繞熱鑄件480的外表面，以從鑄件除去熱量，然后通過一個或多個出口428作為排氣流448離開室426。在一個方面，冷卻空氣444的溫度和流量可被控制，以提供所需的冷卻特性。例如，可旋轉的冷卻風扇442可以用變頻驅動器(vfd)供電，其提供在操作速度或頻率的寬范圍上的冷卻空氣444的連續可變大量流。此外，大量空氣冷卻系統440和腔室426可構造成確保冷卻空氣444經過基本上鑄件480的所有暴露外表面，以在淬火循環的整個大量空氣冷卻部分中以基本上均勻的方式冷卻鑄件。

而且，如本領域技術人員所理解的，在圖5所示的大量空氣冷卻系統440的配置僅是通用大量空氣系統的示例，該系統提供冷卻空氣444的廣泛分布的流，其通常以比來自定向空氣冷卻系統430的高速冷卻空氣流436低的速度流動。例如，風扇442可以被定位在室426的上方或下方或甚至遠離該室，并且被配置來抽吸或推動冷卻空氣通過室并且從任何方向經過鑄件40。事實上，可能有利的是將冷卻空氣444從下方抽吸到室中，并沿與圖5所示的方向相反的方向通過設在該室426的上部中的出口排出排氣空氣448。

多階段淬火系統410一般還包括可編程控制器466，諸如計算機或類似的基于電子處理器的設備，其被配置為啟動和停用的大量空氣冷卻系統440和加壓定向空氣冷卻系統430。因而，控制器466可以被用來調節由定向空氣冷卻系統430和大容量的空氣冷卻系統440提供的冷卻，以確保每種類型的鑄件480的可以經歷特定的、預先編程的淬火過程。在一個方面中，控制器466還可以用于自動調節通過各個噴嘴432冷卻空氣的定位和流動，如上所述。可替代地，淬火系統410可以利用基本定時器系統，其中，一組定義的時間表被用于順序地啟動和停用每一個冷卻系統430、440。

在圖5中還示出可選的溫度感測系統460，其可以通過使用一個或多個溫度傳感器462測量并檢測鑄件480的表面溫度。在一個方面，溫度傳感器462可以在一個或多個位置遠程測量鑄件480的表面溫度，而不與表面接觸，例如用紅外傳感器。在其它方面，所述一個或多個溫度傳感器可以直接位于鑄件部分上或鑄件部分內。電通信可以在溫度傳感器462和可編程控制器466之間通過控制線464建立，可編程控制器466被用來監測和記錄鑄件480在經歷淬火過程時表面溫度的降低。

類似于上述多階段淬火系統10的三個階段空氣/液體實施例，一旦熱鑄件480已經被定位或固定在圖5中示出的多階段淬火系統410的淬火室426內，大量空氣冷卻系統和定向空氣冷卻系統就可以獨立或一起操作，以使用淬火階段或步驟的一個預定序列迅速淬火鑄件。利用多階段淬火系統410中的一個方法如下所述，可能適用于鋁合金鑄件。例如，用于淬火鋁合金鑄件480的代表性過程500的溫度與時間的曲線圖在圖6中被提供(也稱為淬火特性)，其中鑄件溫度502可在三個不同的階段被快速降低。所述階段可以包括大量空氣冷卻系統和定向空氣冷卻系統的交替操作。然而，應該理解，所述階段也可包括大量空氣冷卻和定向空氣冷卻的任何序列，并且可包括多于或少于三個不同的階段。通過以受控的方式迅速降低鑄件的溫度502，本文所述的淬火系統導致具有最小尺寸變形的高強度部件。

在進入第一階段(“階段i”)510的淬火工藝500之前，熱鑄件可以在初始溫度512被放置到淬火系統410中。對于鋁基合金，例如，初始溫度512可以在從約450℃至約650℃的范圍內，并且在一個代表性實施例(圖3)中可以是約500℃。大量空氣冷卻系統440然后可以被啟動，以提供階段i大量空氣淬火514，其將鑄件從初始溫度512冷卻到第一中間溫度522。根據鑄造合金和/或鑄件的厚度，第一中間溫度522的范圍可以從約275℃至約450℃，并在圖6的實施例中可以是約350℃。階段i510大容量空氣淬火514在持續約20秒和約50秒之間的階段i時間周期516期間進行。這可得到的階段i冷卻速率518在約20℃/秒至約3℃/秒之間的范圍內。在一些方面中，階段i冷卻速率518可以是基本線性的或恒定的，而在其它方面中，階段i冷卻速率518可以是非線性的或可變的。

在淬火過程500的第一階段510結束時，大量空氣冷卻系統440可以停用并啟動定向空氣冷卻系統430以提供第二階段(“階段ii”)520定向空氣淬火524，其將鑄件從第一中間溫度522進一步冷卻到第二中間溫度532。第二中間溫度532的范圍可以從約100℃至約175℃，并且在圖6的實施例中可以是約150℃。階段ii520定向空氣淬火524可以具有持續大約20秒和大約40秒之間的時間段526，得到的階段ii冷卻速率528在約20℃/秒至約3℃/秒之間的范圍內。在某些方面中，階段ii冷卻速率528可以基本上是恒定的，而在其它方面中，階段ii冷卻速率528可以是可變的。

在鑄件溫度已達到第二中間溫度532之后，在一個方面中，之間空氣冷卻系統430可以被調節，使得空氣通過歧管的流動被降低以提供第三階段(“階段iii”)530定向空氣淬火534，其進一步將鑄件從第二中間溫度532冷卻到約70℃或更低的最終淬火溫度542。在圖6的實施例中，最終淬火溫度542可以是大約50℃。階段iii530定向空氣淬火534可具有小于或大約60秒的時間段536，所產生的階段iii冷卻速率538在約3.5℃/秒至約0.5℃/秒之間。在一些方面中，階段iii冷卻速率538可以基本上是恒定的，而在其它方面中，階段iii冷卻速率538可以是可變的。在達到約50℃的最終淬火溫度542之后，鑄件可以被允許逐漸冷卻544到環境溫度以自然時效，或者可以在升高的溫度下轉移至次級爐中以人工老化。在一可替代實施例(未示出)中，所述定向空氣冷卻系統430可以在淬火過程500的階段ii520完成后停用，并且在階段iii530期間重新啟動大量冷卻系統440以提供大量空氣冷卻。

如上討論的，所述大量空氣淬火階段514和定向空氣淬火階段524、534中的每個都可被構造成在整個淬火步驟中以基本上均勻的方式冷卻鑄件，以減小可能會在部件內產生的熱致應力。本公開的這一特征可以用以最小化或顯著減小否則可能在淬火過程中產生的熱致尺寸變形，使得更少鑄件由于落在尺寸公差以外而被拒絕。在一些實施方案中，均勻淬火過程可以與支撐系統450(圖5)相結合，其包括緊公差支撐(未示出但在本領域中已知的)，以抵抗任何熱致變形的方式在淬火過程中進一步約束鑄件。

用以從初始溫度522至最終淬火溫度542在熱鋁合金鑄件上進行多階段淬火過程500的總時間的范圍可以從約60秒至約150秒。在一些實施方案中，對于范圍可以從約90至約180秒的總共序列時間，將鑄件移入和移出淬火系統410的額外時間小于約30秒。雖然圖6的多階段淬火工藝圖500可能比當前技術中可用的在水中或油中的立即浸沒淬火需要更長的時間，但在整個多階段淬火過程中可變地控制鑄件的冷卻速率的能力可得到具有改善的冶金特性和減小的尺寸變形的淬火鑄件。此外，在一些方面中，可以預期的是多階段淬火過程500當用來推斷適當優化的固溶熱處理過程時可以給所得到的鑄件提供這樣的改進的冶金特性，即，在升高的溫度下在次級爐中人工老化鑄件的額外步驟可能沒有必要。

應當理解，在圖1-2中所示的多階段淬火系統10的空氣/液體的實施方案和在圖5-6中所示的多階段淬火系統410的大量空氣/定向空氣的實施例可以應用為用于淬火金屬鑄件原始或oem系統。然而，也有可能甚至很可能的是，多階段淬火系統10、410也可以用于改造現有的金屬鑄造淬火系統。特別是，大量空氣/定向空氣淬火系統410可以容易地添加到不在淬火過程利用水的現有金屬鑄件空氣淬火系統。例如，如在圖7a-7b中所示的那些有代表性的改造大量空氣/定向空氣淬火系統610、611可以用于通過添加定向空氣冷卻系統630和相關的部件改善現有的空氣淬火系統，而無需更換現有的系統。這樣的現有系統通常還包括殼體620，其包括包圍室626的外殼622，熱鑄件680可被定位或固定在所述室內。

圖7a-7b所示的淬火系統610、611通常包括一種改進的或修改的大量空氣冷卻系統640和新的定向空氣冷卻系統630。定向空氣冷卻系統630通常具有多個歧管631，其中每個歧管包括具有噴嘴頭634的多個噴嘴632，所述噴嘴頭在淬火循環的一個或多個部分期間將冷卻空氣636的高速流引導到熱鑄件680上。歧管631可以具有各種配置的噴嘴，包括不同數量的噴嘴、不同定向噴嘴或噴嘴之間的不同間距。在一個方面中，例如，歧管631可以是可互換的，并且可以用不同的歧管631更換或從外殼622移除。通過使用對應于特定鑄件680的特定的一組可互換歧管631，淬火系統610可以被配置為在淬火循環期間引導空氣，以對于特定部分或鑄造680優化所需特性。在另一方面，歧管631包括分別重新配置的噴嘴632，其可以為與不同類型或型號的鑄件680使用而進行修改，而不改變歧管，優選通過手動地或使用經預編程序列的動力致動器操縱單個噴嘴632和噴嘴頭634。

噴嘴632適于引導通過歧管631經由管道系統633從一個或多個加壓的保持罐650供給的加壓空氣，每個壓力保持罐650通過一個或多個空氣壓縮機649被填充。此外，多個控制閥或自動調節器651可用于控制或調節從加壓保持罐650到所述一個或多個歧管631的空氣流。調節器651和加壓保持罐650可遠離歧管631定位，并且可以通過基于電子處理器的設備666進行控制，所述基于電子處理器的設備能夠操作自動調節器651來控制由定向空氣冷卻系統630和大容量空氣冷卻系統640提供的冷卻，以確保逐漸680經歷一特定的、預編程的淬火過程。每個調節器651可對應于并控制到特定歧管631的流動，或調節器651可協作以控制到一些或全部的歧管631的組合的總流動。在一些實施例中，熱交換器635可以被包括在管道系統633內，以當增壓空氣從保持罐650行進到歧管631和噴嘴632時對其進行冷卻。

另外，在一些方面中，改型淬火系統610、611也可以被修改為包括具有開放式固定裝置654的可去除托盤，其將鑄件松散地支撐在淬火室626內的期望位置和取向，固定裝置654和托盤被較大地開口或是空的，以便不阻止來自噴嘴632的冷卻空氣的各種高速流流到鑄件。

在圖7a示意性地示出的一個代表性實施例中，多階段淬火系統610可包括兩個自動調節器651，調節器a和調節器b。自動調節器651可以以各種不同的方式來協同操作，以控制定向空氣636通過管道系統633和歧管631的流動，使得自動調節器651可以改變定向空氣636的流速，用于更快或更慢的定向淬火。例如，調節器a和調節器b中的一個可以在淬火的某些階段打開，調節器a和調節器b中的另一個可以在淬火的某些階段打開，或調節器a和調節器的b都可以在淬火的某些階段打開。可替代地，調節器a和b可以在定向空氣淬滅的某些階段完全打開，并且在定向空氣淬火的其他階段部分地關閉。此外，在砂模用于形成金屬鑄件的實施例中，調節器651還可以與特定的噴嘴632協同操作以集中定向冷卻空氣636的流，以從鑄件除去內部和/或外部的殘余砂。

在如圖7b所示的多階段淬火空氣系統611的另一代表性實施例中，兩個單獨組的空氣壓縮機649和加壓保持罐650可通過管道系統633聯網到一起，所述管道系統具有至少四個自動化的穩壓器651(c，d，e，f)，其可以被配置為使冷卻空氣636從每個保持罐650到所述多個歧管631和噴嘴632單獨地循環。以這種方式，保持罐之一可以被抽吸，同時淬火淬火室中的鑄件680，而另一個保持罐關閉以用來自空氣壓縮機649的壓縮空氣重新填充，將用于下一批鑄件。在一個方面中，兩個空氣壓縮機649每個的尺寸都設置成以約50馬力移動約15000-20000立方英尺每分鐘(cfm)的空氣或氣體，其可以足以在小于約3分鐘內重新填充耗盡的加壓保持罐650。然而，應理解，可使用較高或較低馬力的空氣壓縮機649，以及每個保持罐650使用多個空氣壓縮機，并且從每個壓縮機的流量可以是高于或低于15000-20000cfm，而不脫離本公開的范圍。

應當理解，在圖7a-7b中所示的例子僅是示例性的，并且該自動調節器651可以在不脫離本公開的范圍的前提下以其它方式構造。例如，更多或更少的自動調節器651可以以各種組合或配置用于控制從保持罐620到噴嘴632的冷卻空氣636的流動和壓力。

與圖1-2中所示的淬火過程100和多階段淬火系統10的空氣/液體的實施方案相同，在圖5-6中所示的淬火過程500和多階段淬火系統410的大量空氣/定向空氣的實施例可以是基于爐或基于槽的淬火系統，其中淬火過程的每個階段可以在基本固定在空間中或者至少在外殼420的室426內的鑄件480的相同位置上執行。然而，也有可能甚至很可能，批量生產的鑄件將經歷多階段淬火過程500，同時移動通過連續工藝淬火系統，例如，圖8所示的多階段淬火系統700。

多階段淬火系統700一般包括長形的外殼702，其限定一淬火室706，，多個鑄件(未示出)通過室706以基本上恒定的速度701從在外殼702的一個端部處的入口開口704行進至在相對端部處的出口開口708。外殼702一般包括具有提供階段i空氣淬火514(圖6)的大量空氣冷卻系統712的第一部分710。根據鑄件穿過外殼702行進的速度701，大量空氣冷卻系統712可以包括一個或多個冷卻風扇714，其提供冷卻空氣通過腔室706的大量流動。在一個方面，冷卻風扇714可以被提供有vfd驅動器，使冷卻空氣的大量流動在寬范圍的操作速度上連續可變，使得在淬火系統700的階段i空氣淬火514中提供的冷卻速率可調節，以通過不同淬火特性適應不同類型的鑄件。

在穿過第一部分710后，鑄件然后可以進入具有提供階段ii定向空氣淬火524(圖6)的定向空氣淬火系統722的第二部分720。定向空氣淬火系統722可以包括從被加壓空氣管道系統728供給的多個歧管726向內延伸的噴嘴724的排，每個噴嘴724包括噴嘴頭，其在淬火過程的階段ii部分期間將冷卻空氣引導到熱鑄件上。

在到達第二部分720的終點時，鑄件可繼而進入第三部分730。第三部分730可具有另一定向空氣淬火系統732，其提供階段iii定向空氣淬火530(圖6)。與階段ii定向空氣淬火系統722相同，第二定向空氣淬火系統732可以包括從被加壓空氣管道系統738供給的多個歧管736向內延伸的噴嘴734的排，每個噴嘴734包括噴嘴頭，其在淬火過程的階段ii部分期間將冷卻空氣引導到熱鑄件上。

在圖8中還示出，多階段淬火系統700還可以包括可選的溫度感測系統760，其可以通過使用可沿外殼702的長度間隔開的多個溫度傳感器762而測量鑄件的表面溫度。在其它方面中，所述一個或多個溫度傳感器可以直接位于鑄件部分上或鑄件部分內。雖然未示出，但可以理解的是，溫度感測系統760可以與上述可編程控制器電通信，其可用于當它們通過淬火系統700時監測和記錄鑄件表面溫度的降低。

在本公開的又一實施例中，圖9是描繪用于淬火熱鑄件的方法800的流程圖，其包括以下步驟：獲得802金屬鑄件，其表面或內部溫度的范圍可以從約475℃至約535℃；和冷卻804鑄件的步驟，其中在第一階段大量空氣淬火中在約20至約50秒的第一階段的持續時間內將鑄件冷卻到表面或內部的溫度范圍為從約300℃至約350℃。該方法還包括在第二階段定向空氣淬火中在約20至約40秒的第二階段持續時間內冷卻806鑄件到表面溫度從約100℃至約175℃的步驟，和隨后在第三階段定向空氣淬火中在小于或約60秒的第三階段持續時間內冷卻鑄件808到約50℃的表面溫度。

本發明已經在本發明人認為是代表實施本發明的最佳模式的優選實施例和方法的方面描述。本領域技術人員然而應該理解的是，大范圍的添加、刪除和修改，局部的和總體的，都可以對示出和示例性實施例做出，而不脫離本發明的精神和范圍。這些和其他的修改可能由本領域的技術人員在不脫離由下面的權利要求限定的本發明的精神和范圍的前提下可以作出。