技术领域

本发明一般地涉及一种冶金铸造方法，更具体地，涉及除去铸件中 的砂芯并且对铸件热处理的方法和装置。

                      发明背景

成型金属铸件的传统铸造方法使用各种各样铸型中的一种，例如湿 砂铸型、精密砂型或者钢铸型，在铸型内表面具有所要求铸件，例如汽 缸盖或者发动机体的外部形貌。砂芯由砂料和合适的粘结剂材料组成， 其规定着铸件的内部形貌，被放置在铸模或铸型(mold or die)的内 部。砂芯一般被用来产生金属铸件内的外形轮廓和内部形貌，而且，铸 造过程完成后从铸件中移除以及回收砂芯中的砂料是必要的。根据应用 场合，砂芯或砂型中的粘结剂(如果使用)，可以包括酚醛树脂粘结剂、 酚醛氨基甲酸乙酯“冷芯”粘结剂或者其它合适的有机粘结剂材料。然 后，铸模或铸型被熔融金属合金填充。当合金凝固后，一般地把铸件从 铸模或铸型中移除，然后可以移到处理炉中进行热处理，从砂芯中回收 砂料，以及有时进行时效处理。热处理和时效处理是调整金属合金的过 程，结果使合金具有适用于不同应用场合的不同物理特性。

根据一些现有技术，一旦铸件成型，一般来说必须执行几个显著不 同的步骤，以便对金属铸件进行热处理以及从砂芯中充分回收纯砂料。 第一个步骤是将砂芯部分与铸件分离。将砂芯与铸件分离典型地使用一 种方法或者组合方法。例如，可以将砂料从铸件中凿掉，或者可以对铸 件进行物理摇动或振动，以打碎砂芯移除砂料。一旦砂料被从铸件中除 掉，则一般在随后的步骤中对铸件进行热处理和时效处理。在其它处理 方法中，如果要求强化和硬化铸件或消除铸件的内应力，则典型地对铸 件进行热处理。一个附加的步骤包括净化与铸件分离的砂料，包括灼烧 包裹砂料的粘结剂，磨光砂料，以及使砂料部分通过筛网。因此，砂料 部分可能再进行回收处理直至回收到充分纯净的砂料。

因此，工业中要求强化热处理铸件和回收砂芯材料的方法，结果， 一直需要更有效的方法以及相关装置，以便能够更有效地进行热处理、 移除砂芯以及从砂芯中回收充分纯的砂料。

                        发明概述

简言之，本发明包括例如应用于冶金厂进行铸件热处理以及除掉铸 造过程中使用的砂芯的系统和方法。本发明包括使用包含一种或多种使 砂芯碎裂的流体的流体流，有效除掉和回收砂芯中的砂料的多种实施方 案。除了砂料和其它适合的填充材料外，砂芯中还包含粘结剂材料，该 材料能够溶解于在该方法中使用并且射向或射入铸件的流体流中包含 的一种或多种流体。当砂芯被暴露于该流体中时，粘结剂趋于溶解，而 且砂芯碎裂。

在本发明的一个用于除掉砂芯和对铸件热处理的实施方案中，将熔 融材料，例如铝或其它金属，浇注到铸模或铸型中。在其中浇注熔融材 料之前，可以通过加热或冷却调节铸模或铸型的温度，以便使铸造过程 更有效。可以将铸模或铸型预热，以便当铸件在铸型中形成时，使金属 温度保持在接近于热处理的温度。然后，从铸型中移出铸件，并且将每 个铸件放在托台上具有已知x，y和z坐标的预定位置。每个托台的构形 中一般在具有x，y和z坐标的固定取向或位置安放一个或多个铸件， 每个铸件均处于已知指定位置或取向，这样，由砂芯形成的铸件芯孔按 已知指定位置取向或排列。托台还可以包括用来引导和帮助铸件保持在 所要求的已知指定位置的定位装置。

其中至少存在一个铸件的每个托台移动通过热处理站中的热处理 炉或室，以便进行热处理和除掉砂芯，并且可能地，回收砂芯。当经过 进行热处理的热处理站时，一系列具有与铸件位置固定或对齐的x，y，z 坐标的喷嘴，将由一种或多种流体，例如蒸汽，水，空气，油，有机溶 剂和它们的组合的流体流射向和射入铸件。流体流趋于碎裂、分离并且 有助于将砂芯中的砂料从铸件的内部腔孔中除掉，因为砂芯在热处理站 会部分地通过将在流体流中一种或多种组元中可溶的粘结剂溶解而发 生碎裂。典型地。喷嘴被安排在一系列顺序位于热处理室中的喷嘴站， 其中每个喷嘴站的喷嘴对应于铸件芯孔的已知位置，按预定排列取向， 而且，每个喷嘴装置可以通过控制系统或控制站进行远程控制。

在本发明的另一个实施方案中，铸件可以留在其铸模或铸型中用来 进行铸件的“型内”或“模内”热处理。在铸件的熔融金属浇注之前， 铸模或铸型典型地进行了预热，以便使金属保持在接近铸件热处理的温 度，从而在铸件凝固时和凝固之后至少可以部分地对铸型内的铸件进行 热处理。之后，其中存在铸件的铸模或铸型典型地位于或放在具有x，y，z 已知坐标的指定取向或位置，以便对其中的铸件进行预热和/或热处理 以及除掉砂芯。

为了对铸件进行热处理并且除掉和回收砂芯，铸件以及(有时)铸 模或铸型一般通过热处理站中的热处理炉。热处理站还包括多个喷嘴 站，每个喷嘴站拥有一系列按照与铸模或铸型和铸件的已知位置相对应 的预定方式取向或放置的喷嘴，以便向其施加高压流体。喷嘴站也可以 包括自动操纵的喷嘴，这些喷嘴可以沿着铸模或铸型周围的预定路径移 动，进入与铸模或铸型上用于到达铸件的检查口或孔洞的位置或取向相 对应的使用位置，以便将铸件与砂芯分离。热处理站也可以包括其它的 能量源，比如感应或辐射能量源，或者热氧气室，或者热流化床，为的 是给铸模或铸型提供能量，升高其温度，以便对其中的铸件进行热处理。 此后，铸件从铸模或铸型中移出，并且经过随后的型芯去除站或者处理 工序，以便进一步从铸件上去除砂芯，并且可能的话，加以回收。

在另一个实施方案中，先将铸模或铸型预热至预定温度。然后，当 熔融金属浇注至铸型中时，铸型被继续加热，以便在铸件凝固时但未从 铸型中取出的情况下，对铸件进行热处理。之后，将铸型移至淬火站， 对铸件进行淬火并将砂芯从中除掉。在该实施方案中，铸型一般保持在 位于或者邻近浇注站的一个已知固定位置或取向。铸型通过采用来自位 于铸型周围，典型地按铸型检查口排列的系列喷嘴的热流体进行加热。 随后，再在位于一系列根据铸型的位置或取向设定的喷嘴位置之间，围 绕铸型移动喷嘴位置，以便加热铸型，从而对铸型中的铸件进行热处理。 或者，铸模或铸型可以(至少部分)被放置在温度控制的流化床中，来 加热或者控制铸模或铸型温度，以便对铸件进行热处理，并且，可能地， 完成其它目的。

在又一个实施方案中，在铸型中或者去掉铸型的情况下，在预热站 对铸件进行预热，以便在实际热处理之前将铸件温度调整至接近或达到 合适的热处理温度范围。可以在预热期间或者在预热站，将一种或多种 流体流射向或射入铸件，以加热铸件和/或使其中存在的型芯碎裂。可 以将铸件置于指定位置，调整来自一个或多个喷嘴的流体流，以使流体 流射向或射入铸件。随后，将铸件移至热处理站热处理和进行进一步处 理。

通过结合附图阅读和了解本说明书，本发明的各种目的、特征及优 点将变得显而易见。

                     附图简述

图1是本发明第一个实施方案的示意图。

图2是说明将熔融金属浇注至铸型中的侧视图。

图3是说明铸件在托台中的定位的透视图。

图4是进行型内热处理和砂芯去除的本发明另一个实施方案的示意 图。

图5A-5B是侧视图，用于说明喷嘴移动至铸模或铸型周围的各个应 用位置，进行型内热处理和/或砂芯碎裂。

图6是示意性说明用于铸件型内热处理的加热室的另一个实施方案 的侧视图。

图7是示意性说明用于铸件型内热处理的加热室的再一个实施方案 的侧视图。

图8A-8C是示意性说明用于铸件型内热处理的加热室的其它实施方 案的侧视图。

图9说明的是热处理单元的一个附加实施方案，其包括连续排列的 如图6-8C所示的加热室的各种实施方案。

图10A是用于处理金属铸件的本发明又一个实施方案的示意图。

图10B是图10A中本发明实施方案的热处理线的侧视图。

                        发明详述

现在更详细地参照附图，其中，在所有几个附图中，类似的数字均 指的是类似的部分，图1大致描述了一种冶金铸造方法10。铸造方法已 为本领域的专业人员所公知，出于参考目的，将仅仅简要介绍传统铸造 方法。本领域的专业人员将会了解到本发明可以应用于任何类型的铸造 方法，包括铝、铁和其它各种金属或金属合金形成的铸件的成型。

如图1和2所示，根据本发明，在浇注或铸造站12，将熔融金属或 金属合金M浇注至铸模或铸型11中，形成铸件13(图3)，例如汽缸 盖或汽车发动机机体。典型地，铸造型芯安放或置于铸模或铸型中， 以产生其中所成型铸件内部的空腔和/或铸件细节或芯头。每个铸模或 铸型11典型地可以是永久铸模/铸型，可以由金属如铸铁、钢或其它材 料制成，并且具有抓斗式设计，以便易于打开和移出铸件。铸型也可以 包括“精密砂型”型铸型，该铸型一般由粒状材料如二氧化硅、锆石或 其它砂石与粘结剂混合而成。粘结剂由可溶于一种或多种流体如水、蒸 汽、有机溶剂等的材料制成。粘结剂可以由可溶于水和蒸汽并含有相当 数量苏打灰的铸造盐、酚醛树脂、酚醛氨基甲酸乙酯“冷芯”粘结剂材 料、或者可溶于某些有机溶剂和/或可热降解的其它合适的有机粘结剂 材料构成。铸模或铸型也可以是半永久砂型，铸型外壁由砂料和粘结剂、 金属如钢或者这两种材料或它们的组合制成，或者，可以包括熔模铸件 /铸型。

除非专门指出特定类型的铸模或铸型，否则，术语“铸型”此后将 用来泛指永久金属铸型和砂型。将进一步了解到：此处公开的本发明的 各种实施方案，根据应用场合，可以用于在永久或金属型、精密砂型、 半永久铸型和/或熔模铸型中处理铸件。

如图3所示，每个铸型11一般包括一系列的侧壁14，顶或上壁16 以及下壁或底部17，它们限定了容纳熔融金属M的内部型腔18。内部 型腔18一般具有浮凸图案，用于形成在铸型内部的待成型铸件13的内 部特征，以限定最终铸件的形状和构形。浇注孔19一般在每个铸型的 上壁或顶部16形成，其与内部型腔18相连，能够将熔融金属M浇注或 者进入铸型中，如图1和2所示。所获得的铸件具有铸型内部型腔的特 征，附加的芯孔或检查口21也在铸型中形成，其中在铸型中放置砂芯。

加热源或元件22，例如热空气吹风机或者其它合适的燃气或电加热 机构或流化床，一般也设置在浇注站12附近，用以预热铸型11。典型 地，依据成型铸件所用的金属或合金，将铸型预热至要求温度。例如， 对于铝，铸型预热至约400-600℃。为本领域的专业人员所公知的是， 对各种不同的形成铸件的金属合金或金属进行预热，一般需要改变预热 温度，其温度范围可能高于或低于400-600℃。此外，某些类型的铸型 可以要求较低的处理温度，以防止在浇注和凝固期间损坏铸型。在这 种情况下，如果要求金属处理温度更高，则可以使用适当的金属温度控 制方法，例如辐射或感应加热，来完成此处指定的工艺过程。

或者，可以在铸型中设置用于加热铸型的内部热源或元件。例如， 对于铸件在永久型金属铸型中成型的实施方案而言，铸型可以包括邻近 铸件形成的型腔或者通道，加热的流体介质如导热油在所述型腔或者通 道中盛放和/或在铸型中循环，以对铸型进行加热。之后，导热油或其 它合适的介质可以引入铸型中和/或在铸型中循环，其中，油的温度较 低，例如250℃-300℃，以便冷却铸件并使铸件凝固。之后，将温度较 高，例如加热至约500-550℃的导热油典型地引入铸型和/或在铸型中循 环，以抑制铸件冷却并且使其温度回升至均热温度，以便对铸件进行型 内热处理。铸型预热和/或向铸型中引入热介质导致铸型起热处理单元 的作用，并且有助于将铸件中的金属保持在或接近热处理的温度，从而 能够在熔融金属浇注至铸型中并凝固，以及，之后移送至随后进行热处 理的处理站时，最大限度地减少热量损耗。

如图1所示，一旦熔融金属或金属合金已浇注至铸型并且至少部分 已凝固成铸件时，通常借助铸型传送机构25将铸型和铸件从浇注站12 移开，并且移送至装载站26。铸型传送机构可以包括一个铸型传送机器 人(未示出)、绞盘或者其它类型的传统已知传送机构，用于将铸型从 浇注站运送至与浇注站紧邻的装载站。

在本发明的第一个实施方案中，在熔融金属M在铸型中凝固成铸件 之后，在装载站26之前或者在装载站26处(图1)，例如通过机械臂 或类似机构将铸件13(图3)从铸型11中移出，并且，置于托台27中 具有已知x，y和z坐标的已知指定位置。结果，铸件的芯孔21(图3) 同样地在已知位置取向或排列，用于将砂芯从铸件中移出。

如图3所示，每个托台通常是篮(basket)或承载物，其典型地由 金属材料制成，并且具有基座28和一系列侧壁29，从而界定出一个敞 口铸件室或者容器31，其中盛放一个或多个铸件13，而暴露出铸件的 芯孔或检查口。当放在托台27中的容器31内时，铸件一般固定在已知 的指定或规定方位或位置。托台还可以具有各种尺寸，以便盛放待运送 的多个铸件，其中每个铸件均保持在如图3所示的预定指定位置。此外， 如图3所示，托台27还可以包括定位装置32，该定位装置固定在每 个托台的基座和/或壁28和29上，用于引导和保持铸件处于托台27内 的要求指定位置。

定位装置可以包括例如图3所示的引导销33，或者可以包括如图3 中虚线34所示的缺口或凹槽，或者其它用于引导或导向铸件进入所要 求指定位置或方位的类似装置。典型地，引导销33由金属材料如铸铁 或者耐热性高的其它材料制成，并固定在托台的基座或任何侧壁上。相 应的定位或引导孔36(虚线示出)一般在铸造期间，例如通过使用固定 在铸型底部或侧壁上的引导销，或者通过使用可碎裂砂芯型材料，于铸 件中形成。当将铸件置于其托台中时，将引导销置入铸件中相应的引导 孔内，以将铸件定位并保持其具有已知确定x，y和z坐标的要求指定 位置，而铸件中的型芯检查口位置同样在已知位置取向或排列，以便能 够使热量更有效、更直接地作用在铸件中的砂芯上，从而促进砂料的分 离和去除，以便进行回收。

此外，在某些场合，铸型可以包括钢或铁“冷却物”或者内冷铁， 其上具有各种铸件的设计特征，改善铸件的晶粒结构。所述冷却物可以 在浇注之后去除，或者可以在铸件中的熔融金属凝固期间保留下来，作 为铸件的一部分。冷却物如果留在铸件中，则可以用作能够将铸件按照 要求的排列或位置定位在托台中的定位装置。去除冷却物所留下的特征 或细节也可以作为用来配合托台内的引导销或其它定位装置的定位点， 以便将每个铸件保持在所要求的指定位置。

如图1所示，在将每个铸件13放置在托台内具有已知x，y和z 坐标的位置或方位之后，然后，将托台内的铸件移送至并且通过热处理 站40，进行热处理、去除型芯和回收砂料(如要求)。托台一般在传 送带或者轨道上被传送或移动通过热处理站，这样，当铸件通过热处理 站时，它们仍保持在已知的指定位置。热处理站40一般包括热处理炉 如燃气炉，而且一般包括一系列处理区或室，用于热处理每个铸件并且 对砂芯中的砂料加以去除和回收。所述热处理区可以包括各种加热环 境，例如传导(包括使用流化床)和对流(例如使用加热的空气流)。 其它的加热室或应用装置可以包括感应和辐射加热环境。可以将处理区 和/或环境的数目分成或多或少的区域，因为可能要求单独进行热处理 和去除砂芯，而且，每个铸件典型地保持在其铸型内部，直至可以利用 托台将其运送通过热处理站。如果需要，还可以在热处理站40内对铸 件进行附加的时效处理。

美国专利5,294,094；5,565,046和5,738,162中介绍了对铸件实 施热处理同时将砂芯从铸件中去除，并还可以将铸件的砂芯的砂料回收 的热处理炉或系统的实施例，在此引入这些专利作为参考。美国专利 6,217,317中介绍了本发明可以利用的对金属铸件热处理和炉内去除砂 芯并回收砂料的热处理炉的又一个实施例，在此引入该专利同样作为参 考。此外，在此引入美国专利申请60/401,969；10/066,383和 09/665,354的全部作为参考。

如图1所示，热处理站40包括热和/或流体源或元件41，这里比如 包括沿热处理炉长度方向按隔开的间隔设置的一系列喷嘴站，以强化热 处理和将砂芯从铸件中去除。沿热处理站设置的喷嘴站的数目可根据需 要变化，取决于芯头或铸件的设计。每个喷嘴站或组件42包括一系列 喷嘴43，所述喷嘴在已知或者规定位置固定和取向，所述位置与托台中 正在通过的铸件的已知指定位置相对应。根据铸件的芯头，每个喷嘴站 中喷嘴的数目可变，这样，具有不同芯头的不同类型铸件可以在每个喷 嘴站利用任选不同的喷嘴排列或数目。喷嘴典型地通过可以远程操作的 控制系统来控制，以便在需要时，根据通过热处理站的铸件设计或芯头， 将不同喷嘴站处的不同的多个喷嘴启用或脱离。

根据铸件在托台中已知的指定位置或取向，通常每一个喷嘴43都 在预定位置和或取向固定，与铸件中形成的芯孔或检查口之一或芯头或 者一套芯孔对齐。典型地在高压和加热条件下，向每个喷嘴提供流体介 质，所述流体介质包括一种或多种组分，型芯的一种或多种组元可以溶 解其中。例如，所使用的流体介质可以包括空气、水、蒸汽、导热油、 其它有机溶剂及其混合物。流体在高压下导向芯孔，以产生相当高的流 体速度，典型地大约1000-15000FPM。但是，对于具体的铸造场合， 如需要，也可以使用更大或更小的速度和相应的压力。通过喷嘴作用在 铸件上的加压的流体流、蒸汽或气流，趋于冲击或接触铸件内的型芯， 并且有助于对铸件进行热处理，以及可以使砂芯中的粘结剂材料至少部 分溶解、降解或分解。当型芯粘结剂暴露在其可溶解其中的流体中时， 就开始在流体中溶解。粘结剂的溶解导致使粘结剂分子相互之间及其与 填充颗粒之间连接一起的化学结合断裂。这些化学结合的断裂趋于削弱 型芯，使其更容易在作用于型芯上的流体热量和冲击力作用下发生碎 裂。因此，当粘结剂材料在导向至芯的流体中可溶解时，与冲击型芯的 流体不是型芯内存在的特定材料的溶剂时相比，则型芯趋于以更快的速 度碎裂和从铸件中分离。此外，溶解度随温度升高而增大。因此，如果 流体和/或型芯被加热，则粘结剂材料将趋于在流体中甚至更快地溶解， 从而导致型芯的碎裂速度更快。因此，在型芯所暴露于的流体的热量、 作用力和溶剂特性中的一种或多种因素联合作用下，该型芯发生降解。 当砂芯破碎或被流体驱散时，砂芯的砂料会趋于随着流过铸件的流体通 过芯孔或检查口处从铸件中去除或清除掉，以回收和再利用砂料。

根据铸件的性质，还可以将每个喷嘴组件或站42中的喷嘴43调整 至不同的喷嘴位置，而且，也可以调节流体流或气流的压力。例如通过 使用可自动移动或定位的喷嘴，可以远程完成喷嘴的调整。根据分配流 体的喷嘴在热处理站内所处的区域，也可以从喷嘴中施加不同温度的流 体，这样，当铸件经过热处理炉或站时，流体流不会对热处理过程产生 消极影响。此外，每一个喷嘴站中的喷嘴可以在多个喷嘴位置之间移动， 包括不工作位置和工作位置之间，或在几个工作位置之间移动，当铸件 移入热处理站内不同的区或位置时，喷嘴位置指向芯孔或检查口和/或 与之对齐，以便策略性地将热流体介质的高压流导向不同的芯孔或检查 口，引起砂芯和/或砂型破碎或从铸件中脱离，从而从中去除砂芯。因 此，在热处理炉或站中使用喷嘴站可以增强和实现在对铸件进行热处理 中，从每个铸件中更有效地破坏和除掉砂芯，并有助于从砂芯中回收再 利用砂料。

如图1所示，在对每个铸件进行热处理和去除型芯完成之后，将每 个铸件从热处理站40中移出，并且典型地送入淬火站45，淬火站45 典型地包括淬火箱，其中充满冷却流体，例如水或其它已知材料，将每 个铸件浸泡其中进行冷却和淬火。淬火箱的容量或大小一般是所成型铸 件和构成铸件的金属或合金的比热以及每个铸件被加热到的温度的函 数。或者，淬火站可以包括一个或一系列用于向铸件施加冷却流体进行 淬火和/或进一步使粘结剂降解和除去型芯的喷嘴。

图4-8B中示出了铸件型内热处理的本发明的附加实施方案。如图 4所示，在铸造过程50的实施方案中，将熔融金属或合金M浇注至位于 浇注或铸造站52处的铸模或铸型51中。如图4-5B所示，该实施方案 中的铸模/铸型51典型地包括由金属如铸铁、钢或类似材料制成的永久 或半永久铸型(图4-5B)、或者可以是由砂料与本领域已知的有机粘结 剂混合制成的砂型或精密砂型。不经常地，铸型用于熔模铸造，其中， 铸型由采用模板成型的的陶瓷涂层构成。铸型一般包括确定铸型中的内 部腔室53的侧壁部分或壳体，且腔室53中容纳了熔融金属以形成铸件 54。每个铸型51一般还包括砂芯55，如图4所示，所述砂芯一般由砂 料与有机粘结剂混合制成，以在铸型内成型的铸件中形成孔和/或芯孔 或检查口，并且产生铸件细节或芯头。本实施方案中的铸型或砂型51 典型地还包括孔口或检查口56(图4-5B)，所述孔口或检查口在铸型 周围所选的要求位置或地点形成，并且，延伸通过铸型或砂型51的侧 壁57中，以便为热量直接作用于正处于型内的铸件并且从中分离和去 除砂芯，提供到达正在成型铸件54的通道。也可以在邻近浇注或铸造 站52处提供热源或元件，如热空气鼓风机、流体喷嘴、流化床或者其 它合适的燃气或电加热机构58(图4)，用于在引入熔融材料M时对铸 型或砂型进行预热。

或者，可以使永久金属铸型在铸型内邻近铸件处具有型腔，加热的 气体、蒸汽、水、有机溶剂、导热油或其它加热的介质可以存在型腔中 和/或在铸型中循环，以预热铸型并且使铸型起热处理单元的作用，对 铸型内的铸件进行加热。永久铸型中不同区域还可以进行不同的加热或 冷却，以使其中成型的铸件能够获得所要求的不同机械性能，例如沿着 铸件所要求的区域具有较高的韧性或延伸性能。典型地，根据用来形成 铸件的金属或合金所要求的热处理温度，将永久金属铸型预热至一个要 求温度，对于铝，该温度为400-600℃。对永久金属铸型预热，趋于在 从浇注站移送永久金属铸型时，使永久金属铸型内正在成型的铸件温度 基本保持在或接近铸件的热处理温度并最大程度地减小温度损失，并 且，还趋于在铸件凝固时对其进行至少部分热处理，而且，由于铸件不 必通过显著的重新加热使其温度升至热处理所需的水平，因此，能够通 过缩短热处理时间来强化铸件的热处理。

铸模或铸型温度的主动控制也允许仔细控制金属在铸模或铸型中 的凝固速率。因此，该过程可以包括规定和控制熔融金属的冷却速率， 这样，金属凝固时，会在固态金属整体或在指定区域产生优化的冶金显 微组织。例如，如果凝固金属的二次枝晶臂空间(SDAS)足够小，允许元 素更有效的溶解，则铝合金可能获得更高的性能。SDAS典型地由铸件或 铸件特定区域的冷却速率决定。因此，本发明中控制凝固期间的冷却速 率就可以获得要求的SDAS，从而改善铸件的性能。

一旦每个铸型51都已充满熔融材料M，铸型典型地通过传送机构 59从铸造或浇注站52送至附近的装载站61。传送机构59通常包括传 送机器人、绞盘、传送带、圆盘传送带或其它类型的传统已知传送机构， 用于将铸型由浇注站点送至装载站。传送机构在装载站将每个铸型放置 于已知指定位置，在热处理之前，铸型的x，y，z坐标位于已知方位或排 列。

在本发明的实施方案中，铸型之后一般移入热处理站62，对铸件进 行至少部分热处理，并且分解去掉砂芯和/或砂型。如上所述，热处理 站62一般包括热处理炉，典型的是燃气炉，该炉具有一系列的处理区 或室对铸型以及铸件进行加热，从而至少部分实现铸件的“型内”或模 内热处理。热处理区可以包括多种不同的加热环境如传导或对流加热 室，例如流化床或强迫通气室，而且，热处理区或室的数量可以根据所 处理的铸件，按照单个应用的要求，分成或多或少的区域。另外，在对 铸件至少部分进行“型内”热处理之后，铸件可以从其铸型中取出，并 通过热处理站，继续热处理、除掉砂芯以及可能的话，回收砂料。

美国专利5294994，5565046和5738162中介绍了热处理炉的实施 例，该热处理炉用于进行热处理和/或在铸件保持在型内的同时，至少 部分分解和/或去除铸件中的砂芯、在将铸件从铸型中取出之后继续热 处理和/或除掉砂芯以及可能的话，回收砂芯的砂料，在此引入上述专 利作为参考。美国专利6217317中说明并公开了本发明可使用的热处理 炉的另一个实施例，在此引入该专利同样作为参考。这些热处理炉还能 够对在铸件型内热处理期间从铸型检查口分离的铸件砂芯和/或砂型的 砂料进行回收。

热处理站62一般还包括热源63。在图4-5B所示的实施方案中，热 源63可以包括每个均带有许多喷嘴66的一系列喷嘴站64或组件。每 个喷嘴站64的喷嘴通常均在已知预设位置和/或方位取向，所述位置或 方位与铸型51上某些或某组检查口56的已知位置一致。喷嘴站的数量 以及每站的喷嘴数可以根据需要改变，以便以可变化的程度和/或量向 铸型提供热量和/或流体流，对其中的铸件进行热处理，从而能够控制 铸型以及铸件的加热，并且对铸件不同热处理阶段的加热进行调整。

每个喷嘴一般提供加热的流体介质流，所述介质流导向至铸型，典 型地导向至每个铸型中的一个特定铸型检查口或者一组铸型检查口，如 图5A和5B所示。作用在铸型上的流体介质典型地包括加热的空气、水、 蒸汽、导热油、有机溶剂或其混合物，或者其它通常已知的流体介质， 所述流体介质在高压下并以不同温度提供以加热铸型，其中，控制由喷 嘴提供的流体介质流的温度，以便当铸件通过热处理站中的不同喷嘴站 时，符合不同热处理阶段的要求。热流体介质通过检查口引入铸型一般 还趋于引起型芯粘结剂溶解，从而导致在热处理期间型芯至少部分碎裂 和从铸件中分离和/或去除，分离后的砂料与排放的流体通过检查口。 此外，铸型在通过喷嘴站时也可以至少部分打开，以使得热流体介质更 直接作用在铸件和芯孔上，进行热处理和去除砂芯。

除了使铸件通过一系列包含喷嘴的喷嘴站之外(其中固定所述喷嘴 的位置对准或对应于铸型的已知位置，以及检查口的已知位置)，还可 以将铸型在单一喷嘴站或浇注站保持在固定铸件位置，以便向其施加热 流体介质。在这一实施方案中，喷嘴66(如图5A和5B所示)典型地自 动操作，在一系列预定流体施加或喷嘴位置之间可动，如图5A和5B中 的箭头67和68所示。当喷嘴66沿箭头67和68方向在铸型周围移动 时，它们将加热加压的流体介质F喷向铸型，典型地直接喷向和喷进检 查口56，以便将铸型温度升高和保持在当铸件中的熔融金属凝固时，足 于对金属铸件进行热处理的温度。当金属凝固并被调整到所述优选热处 理温度时，这部分铸件可以在从铸型移出和淬火之前保持在铸型中完成 热处理。可动喷嘴的各种应用位置或喷嘴的位置，一般根据在浇注站中， 或者当采用铸型传送机构将铸型放置或定位在装载站时，铸型以及检查 口的已知x，y，z坐标来决定或设定。

作为另一个可选择方案，例如美国专利5294994，5565046和 5738162揭示的那样，将铸型连同其中存在的铸件浸泡在流化床中(如 图6中的73所示)，在此引入该专利作为参考。铸型和铸件浸泡在流 化床中进行加热、温度控制和/或铸型/型芯的砂去除。

本发明的铸型51，根据其中包含或形成的铸件的合金或金属所需 的固溶热处理温度典型地可以被加热到约450-650℃或更高，而且，典 型地可以被预热到足以能够在熔融金属浇注之后立即对铸件进行至少 部分热处理，并且足以能够在铸件仍存在于铸型或铸模中时对铸件进行 控制凝固的温度。铸型的加热进一步通过控制作用于铸型的流体介质的 温度来控制，以便将铸型加热并保持在对其中所成型铸件金属热处理所 需的要求温度下，从而最大限度地降低移送至热处理站期间的热量损 失，以及最大限度地减小将铸件重新加热到热处理温度所要求的重新加 热的量。

此外，还能够提高铸型或砂型组件的温度，以便对铸件进行型内热 处理，同时，通过将能量源或热源包含在铸型本身内，减少在熔融材料 和铸型表面，以及环境气氛之间可能发生的热量损耗传递。在所述实施 方案中，铸型典型地是永久型金属型，所述金属型存在与其中形成铸件 的内部空腔53紧邻的空腔或腔室(在图5A和5B中用虚线69表示)。 然后，将加热的流体介质，例如加热的水、蒸汽、导热油或者能够容易 保持热量的其它流体材料，例如通过安装在内部空腔中的孔或检查口56 (图4-5B)，送入铸型结构中。加热的介质进入铸型中趋于提高并且有 助于将铸件温度保持在热处理所要求的水平。

图6-8示出了在本发明的系统中使用的热处理站或室的各种可选择 的实施方案，而且，所述实施方案可以分别采用或者相互联合使用，以 便用另外的热处理室补充或替代上述的喷嘴站，所述热处理室具有各种 可选择的不同热源63，能够向铸型提供或者直射能量，以便将铸型温度 升高并且保持在对其中的铸件热处理所要求的温度。

如图6所示，在热处理室70的第一个实施例中，铸型51一般是砂 型组件，并且，被置于传送带或者运输机构71上，以便移动通过热处 理室70，如箭头72所示。加热室70典型地是一种细长的炉腔，其具有 绝热的底面、侧壁和顶盖，以及，如图6中实施方案所示，一个流化床 73，该流化床典型地由铸造砂，以及，由砂芯和砂型分离出的砂料构成， 以便进一步降解粘结剂和回收砂料。在该实施方案中，热源63是典型 地固定在加热室70顶盖上的辐射源74，但是，本领域的专业人员将会 了解到，该辐射源也可以固定在侧壁上。此外，可以使用多个辐射源。 当铸型在传送带或者运输机构上通过加热室70时，所述辐射源位于铸 型的侧壁、上方和/或下方方位。一种辐射源的实例是红外发射器或者 其它已知的辐射源。

辐射源一般将温度约400-650℃的能量射向通过加热室的铸型上， 而每个铸型的侧面和/或顶部则典型地处在被辐射位置，如箭头74所示。 依据待热处理铸件的金属，使铸型以及其中的铸件处于辐射能源下至要 求的时间长度。辐射能一般被铸型吸收，引起铸型温度相应升高，从而 从铸型外部至内部加热铸型并且因此加热其中的铸件。

图7是又一个在本发明的型内热处理中使用的可选择的加热室80， 所述加热室典型地用于由砂料和可燃粘结剂构成的砂型组件。如图7所 示，加热室80典型地是一种细长的炉腔，其具有绝热的门、顶盖和侧 壁，并且，包括传送带或者其它运输机构81，以便将铸型连同其中的铸 件沿箭头82的方向通过加热室80。加热室80的热源63一般包括感应 能源83，以便向铸型组件，并且因而向铸件以及其中存在的砂芯54和 55提供感应能，而且可能包括沿加热室底面、用于收集和回收自砂芯和 砂型分离出的砂料的流化床。

感应能源一般地可能包括一个导电线圈、微波能源或者其它已知感 应能源或发电机，并且，可以像图6中的辐射源那样，安装在铸型的上 方的加热室80的顶盖、沿着加热室的侧壁，或者二者兼而有之。感应 能源将产生如箭头84所示的高能量电磁波场，该电磁波场直射在铸型 51的顶部和/或侧面，并且具有特殊的(一种或多种)频率，该频率能 够被砂芯55吸收，从而引起砂芯以及因而铸件温度升高，因而，相应 地，通过从里到外加热铸件以及铸型，对铸型组件内的金属铸件进行热 处理。

图8A和8B是又一个在本发明中使用的可选择的加热室结构90，所 述加热室用于当铸件处于“型内”时通过向铸型以及铸件提供能量使其 温度升高，对铸件进行热处理。该实施方案中，铸型典型地将包括由砂 料和可燃粘结剂构成的砂型。如图8A和8B所示，加热室90典型地是 一种细长的高压釜或者在高压或真空下工作的类似加热室，并且包括包 括用于沿箭头92的方向传送铸型51连同其中的铸件54的传送带或者 运输机构91。当铸型和铸件通过高压釜加热室90时，它们一般通过存 在富氧气氛的加压低速氧气室93。

氧气室一般包括高压上游一侧94和低压下游一侧96，它们处于相 对的位置，这样，氧气流在二者之间通过。典型地，铸件和铸型将在大 约大气压下进入高压釜加热室。当铸型通过高压釜加热室90中的低速 氧气室时，室中的压力增大，并且，加热的氧气流指向并且被迫通过铸 型组件，如箭头97(图8A)和97’(图8B)所示。结果，氧气流进入并通 过铸型中并且到达铸件的内部型芯。

如图8A和8B所示，依据加热室的尺寸和空间构形，所述加压的低 速氧气室可以沿竖直方向取向(如图8A所示)或者基本沿水平方向取 向(如图8B所示)，以便迫使热氧气通过铸型组件。

如图8C所示，铸型可以带有或者包括如102所示沿着铸型上表面 或下表面的真空孔或开口。如103所示的抽吸或者真空作用于在每个铸 型中形成的开孔102上，以引导氧气进入并通过铸型。在该实施方案中， 铸型是气体或空气密封的，并且可以包括一个用于密封开孔102的塞子 (未示出)，但是，该塞子可以从开孔102上去掉，以便当氧气被导向 或者流过铸型时，提供沿着铸型的抽吸或者真空点。

当氧气97通过抽吸103抽过铸型时，一定百分比的氧气和砂型和/ 或砂芯中的粘结剂材料燃烧反应，增强了粘结剂材料在加热室内部的燃 烧，从而提供一个加热铸件的热源。结果，由其粘结剂材料与氧气的增 强燃烧进一步向铸型及其铸件提供热能，这种热能作为热源使铸型组件 中的铸件温度升高，同时，使铸型和/或砂芯中的粘结剂发生同样的分 解，从而易于去除和回收。

还将了解到：如图6-8C所示的各种热处理室可以分别使用，或者 可以沿着热处理站或单元105按一系列进行固定或安装(图9)，限定 了单独的热处理站或单独的热处理室，以便促进或提高砂芯和铸型的分 解以及与铸件的分离。如图9所示，可以在热处理单元105的上游端106 (图9)安装或设置辐射能热处理室70(图6)。当铸型连同其中的铸件 进入热处理单元105时，它们被容纳并且最初通过加热室70和其中的 辐射源。辐射加热室70一般将铸型加热至足于促使铸型中的粘结剂燃 烧，同时加热其中的铸件使仍在铸型内的铸件开始热处理的温度。

另一个其中存在感应能源的加热室80一般将位于辐射加热室70的 下游。加热室80将通过上述的电磁波高能场施加感应能，这一般趋于 进一步促进粘结剂的燃烧和铸件在铸型中的热处理。此外，施加感应能 量波将趋于引起砂型开裂或破断成部分或碎片，从而进一步促进砂型的 碎裂。

之后，例如如图8A-8C所示的氧气加热室90将位于加热室80的 下游。当砂型进入并通过加热室90时，受迫氧气流过加热室将促进和 强化砂型和砂芯的燃烧。结果，由于砂型中的粘结剂升至燃烧温度，和 铸型在加热室70和80中开裂和/或开裂的碎块发生破断或者分离，砂 芯中的粘结剂在氧气加热室90中的燃烧的进一步强化趋于促进提高砂 型和砂芯的破断以及与铸件的分离。结果，缩短了砂型和砂芯破碎和去 除所需要的时间，结果，铸件能够更快地直接暴露在加热单元的加热环 境下，同时，砂型中粘结剂的快速分解和燃烧进一步促进将铸件加热至 固溶热处理温度。

由于将能量施加在铸型本身，铸型被加热至要求温度，并且，当铸 件的熔融金属在铸型中凝固时，能够保持在对其中正在形成的铸件热处 理所需要的温度下。铸件的这种型内热处理能够明显缩短热处理铸件所 要求的处理时间，例如缩短至约10分钟或更短，因为在熔融金属材料 浇注至铸型后不久，铸件中的金属一般被升温并且稳定热处理温度下。 因此，在熔融金属材料浇注至铸型之后的较短时间内可以对铸件进行热 处理。将铸型温度升至对铸件热处理的热处理温度进一步促进了砂芯和 /或砂型中可燃有机粘结剂(如使用)的分解和燃烧，从而进一步缩短 铸造过程中进行热处理以及分离和回收砂芯和砂型所需要的时间。

在热处理站62中对型内的铸件进行热处理之后，典型地将铸件从 铸型中移出，而且，可以移到一个另外的热处理站，以完成铸件的热处 理(如果需要)，以及除去砂芯和对砂芯中的砂料加以可能的回收。然 后，将铸件移入淬火站110对铸件进行淬火和冷却。或者，如图4所示， 可以将铸件从铸型中移出并直接送至淬火站。淬火站110典型地包括存 在冷却流体如水或其它冷却剂材料的淬火槽，但是，该淬火站也可以包 括处理室，该处理室存在一个或者一系列如图4中111所示的喷嘴，用 于将冷却流体如空气或水施加在铸件上。淬火也可以在一个邻近的辅助 淬火装备中进行，该淬火装备紧邻浇注站，这样，能够最大限度地减少 铸件的熔融金属材料在铸型内凝固和处理的循环时间和热量变化。

在铸件的热处理和除砂完成之后，可以将铸件从铸型中移出并且送 入淬火站中的淬火槽，以便在进一步处理之前冷却铸件，并且，然后， 可以回收自铸件除掉的砂料，以便以后重新使用。此外，如图4中的虚 线所示，也可以将铸件直接从浇注站移至淬火站。例如，如果来自浇注 站的铸型在浇注站或者邻近浇注站被加热至用于对铸件进行型内热处 理的热处理温度，则此后，已处理的铸件可以直接移至淬火站。

图10A和10B示出了本发明的又一个实施方案200，该实施方案用 于强化热处理以及使砂芯和/或砂型从一系列铸件201分离并去除。在 该实施方案中，将熔融金属或金属合金M(图10A)在浇注或铸造站203 浇注在铸型，例如铸铁或其它永久性铸型或者半永久性或精密砂型202 中。铸型一般包括内部型腔204，该型腔用于盛放熔融金属并且使之凝 固成铸件201，而且，该型腔中提供了用于形成铸件孔口或其它内部细 节的砂芯206。典型地，该实施方案中的铸型也包括一系列延伸通过铸 型侧壁208的孔口或铸型检查口207。这些孔口提供连接内部型腔或腔 室204的通道，铸件在其中形成，结果热量直接作用于处于“型内”的 铸件上，并且有助于砂芯206的分离和去除。

之后，通过传送机构210将铸件从铸造或浇注站203移开，该传送 机构传送其中存在铸件的铸型，或者首先移开铸件，之后单独将铸件移 送至检查口传送带或者装载站，如图10A中的211所示，送至热处理线 或单元212。传送机构可以包括起重机或机械臂213，如图10B所示。 该起重机或机械臂包括抓紧或啮合部分214，该部分适合于啮合、抓紧 和提起铸型和/或铸件，其固定在与基础部分214可移动连接的主体或 可铰接的臂的一端上。结果，起重机或臂213在浇注站处的传送位置与 热处理单元或线212的检查口211之间可动，如图10A所示。但是，本 领域的专业人员将会了解到：也可以使用其它用于将铸件从浇注站移送 至热处理线的各种系统或设备，例如高架起重机、绞盘、传送带、提升 机、圆盘传送带、推杆(push rods)以及其它已知材料操纵装置。传 送机构210将铸型或铸件本身安放在热处理线的检查口或者装载站，在 热处理之前，铸型或铸件处于一个已知指定位置，该位置的X，Y和Z 坐标值具有已知的取向或排列。在一些实施方案中，如上所述，其可以 包括将铸件或铸型置于或者固定在定位装置上，例如，将一个或多个铸 件置于其中具有销、壁和/或其它类型的定位装置的托台中，以便将铸 型或铸件的位置定位和固定在托台中。

之后，铸型和/或铸件定位在已知的要求位置，在进入热处理单元 212中的热处理炉219内之前，铸型和/或铸件进入工艺温度控制站或者 预处理室218。一般地，在将铸件从浇注站移动或传送至热处理线期间， 将允许铸件进行充分量的冷却，因为这是铸型中的熔融金属凝固并硬化 成铸件所必需的。然而，当铸件中的金属冷却至低于其已经凝固的温度 时，其达到工艺控制温度，低于该温度时，会显著增加使铸件中金属的 温度回升至固溶热处理温度以及对其实施热处理所要求的时间。该工艺 控制温度一般地依据用于形成铸件的金属和/或金属合金而变，对于某 些金属或合金如铝/铜合金，其温度范围一般约400℃或更低，对于其它 金属或合金如铁和钢，则高达约1000-1300℃或更高。例如，对于铝/ 铜合金，工艺控制温度范围一般可以为约400-470℃，该温度通常低于 大多数铝/铜合金的固溶热处理温度，而所述固溶热处理温度范围为约 475-490℃，并且有时更高。

已发现当允许铸件中金属冷却至低于其工艺控制温度时，之后一般 有必要对铸件进行一段额外时间的加热，例如铸件中金属冷却至低于其 工艺控制温度每一分钟，则需要大约额外加热4分钟或更长的时间，以 便使铸件金属温度的回升至并且保持在所要求的固溶热处理温度，这 样，就可以对铸件进行热处理。结果，如果允许铸件中金属冷却至低于 其工艺控制温度即使很短时间，则对铸件进行处理和完成热处理所要求 的时间一般将显著增加。例如，如果允许铸件冷却至低于其工艺控制温 度约10分钟，则其在铸件金属的固溶热处理温度下，可能需要多达40 分钟或更长的额外热处理/保温时间，以便适当且完全地对铸件进行热 处理。另外，在成批处理系统，其中，铸件是被装在用于在同一时间内 成批处理众多铸件的篮子或托盘中的几个铸件之一，这时，一般必需对 全部整批铸件进行一段时间热处理，并且达到在该最低温度下完成铸件 的热处理所必需的程度。这就相应地要求该批次中大多数铸件进行热处 理的时间比确保同一批次中所有铸件完全热处理所要求的时间长的多， 结果导致了能源的浪费和铸件处理时间的增加。

如图10A和10B所示，工艺温度控制站218通常是伸长的通道或单 元，其具有侧壁221、顶盖222以及底面或底部223，传送带或类似的 传送机构224贯穿整个控制站，用以传送铸型和/或铸件通过其中。工 艺温度控制站218的顶盖222和侧壁221一般由辐射材料如金属、金属 箔、陶瓷或其它复合材料制成或者施用上述辐射材料，所述辐射材料向 内对铸件进行辐射或直接加热，所述顶盖和侧壁确定了工艺温度控制站 内的辐射室226。

一系列热源227通常安装在工艺温度控制站的顶盖上和/或沿着其 侧壁安装，以便使热能流进入辐射室226室，从而在其中产生一个加热 的环境。热源227可以包括辐射加热器如红外，或感应加热元件，传导、 对流或其它类型的加热元件，包括使用在铸型和/或铸件周围喷射加热 的流体介质如空气、水、蒸汽、导热油等的喷嘴。工艺温度控制站218 通常还包括检查口或上游端228和下游端或出口端229，而其中每个都 包括滑动门、帘或类似的封闭装置231。

当铸型和/或铸件通过工艺温度控制站的检查口端228进入时，通 过从热源227施加热量阻止铸件冷却。此后，铸件一般保持在或高于其 工艺控制温度，该温度一般依据用来成型铸件的金属而变化，直至铸件 进入热处理炉219。结果，允许铸件充分冷却以使其中的金属凝固，而 铸件在或高于工艺控制温度下的冷却则被抑制。最终，铸件进入热处理 炉，它们将更有效、更快地升至其固溶热处理温度并且基本上更有效地 完成热处理。

此外，如图10B所示，可以将附加热源或加热元件232固定在热处 理线219检查口211的上方，以便当铸件被置于热处理线上并且进入工 艺温度控制站时，向铸件提供热量。也可以在传送机构本身或沿着铸件 的移动路径233(图10A)安装热源如辐射加热器，对流、传导或其它 加热元件，以便在从浇注站向热处理线输运铸件时对铸件加热。

典型地，如图10A和10B所示，铸件和/或其中存在铸件的铸型将 从工艺温度控制站直接进入热处理线中的热处理炉219。热处理炉通常 包括如图1和图4的实施方案所述的热处理炉或站。美国专利5,294,994； 5,565,046；5,738,162和6,217,317介绍了用于热处理以及至少部分 分解和/或回收铸件中的砂芯和/或砂型的这种热处理炉的实施例，前面 已引入这些专利作为参考。

如上所述，热处理炉通常包括一系列用于加热铸型和/或铸件，对 铸件热处理的热处理区、室或站，如图104中的236所示。当铸件在铸 型中通过上述热处理区时，可以对铸件进行至少部分“型内”热处理， 同时，其中存在铸件的砂型能够迅速分解并且从铸件中去除，而其中的 砂料则得以回收利用。热处理区或室也可以包括多种不同加热环境，例 如传导或对流加热室、辐射加热室，或者其中空气正压或负压使氧气流 通过铸件的砂型以强化砂型中粘结剂的燃烧的加热室。热处理炉还可以 依据所处理的铸件，分成单独应用时所要求的或多或少的处理区。

在通过热处理炉219后，铸件一般从热处理炉中取出并且移至淬火 站240(图10A)进行淬火或进一步处理。

因此，本发明能够减少或消除一旦铸件从铸型中取出需对铸件进一 步热处理的要求。型内加热铸件可获得固溶加热时间，冷却铸件则产生 必需的淬火效应。从而显著减少成型金属铸件所要求的热处理量/工艺 时间。本发明还能够通过向在预设位置的铸件喷射流体流，使热处理以 及铸件内砂芯的分解和去除得到加强或更为有效，所述预设位置与通过 热处理站时铸件和/或其中存在铸件的铸型的已知方位或队列相对应。

本领域的专业人员将会了解：尽管已结合优选实施方案对本发明进 行了上述讨论，但是，只要不偏离如后面权利要求所述的本发明的精神 和范围，可以对本发明进行各种补充、修正和变化。