(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム、鉄、マグネシウムおよびそれらの合金から成る群から選ばれた金属の鍛錬品を焼き入れする方法において、
（ａ）大気圧に開放された冷却液の液溜まりを用意する段階と、
（ｂ）前記液溜まりに加熱された金属鍛錬品を浸漬して焼き入れする段階とを含み、
前記冷却液は、温度が３８℃〜８０℃（１00゜F〜180゜F）であり、実質的に水と十分な量の意図的に溶解させた二酸化炭素から成り、水に対する二酸化炭素の溶解は、二酸化炭素を含まない同一温度の水に比して冷却を抑制するために行なうものであって、この冷却抑制効果を得るための十分な量の二酸化炭素を前記冷却液に溶解させており、その量は、水１リットル（ガロン）当たりガス量で0.007〜1.5リットル（0.001〜0.2標準立方フィート）であり、前記規定水温が低い場合にガス量が多く、前記規定水温が高い場合にガス量が少ないことを特徴とする金属鍛錬品の焼き入れ方法。
【請求項２】
アルミニウム、鉄、マグネシウムおよびそれらの合金から成る群から選ばれた少なくとも１種の金属から成る鍛錬品の熱処理方法において、
（ａ）少なくとも１つの金属鍛錬品を溶体化温度である４27℃〜５93℃（８00゜F〜１100゜F）に加熱する段階と、
（ｂ）冷却液の溜まりに加熱された前記金属鍛錬品を浸漬する段階とを含み、
前記冷却液は、温度が３８℃〜８０℃（１00゜F〜１80゜F）であり、実質的に水と意図的に溶解させた二酸化炭素から成り、水に対する二酸化炭素の溶解は、二酸化炭素を含まない同一温度の水に比して冷却を抑制するために行なうものであって、この冷却抑制効果を得るための十分な量の二酸化炭素を前記冷却液に溶解させており、その量は、水１リットル（ガロン）当たりガス量で0.007〜1.5リットル（0.001〜0.2標準立方フィート）であり、水温が低い場合にガス量が多く、水温が高い場合にガス量が少なくなり、
前記冷却液の溜まりの頂面が、前記溜まりから放出される二酸化炭素の滞留層で覆われることを特徴とする金属鍛錬品の熱処理方法。
【請求項３】
前記金属鍛錬品が、前記段階（ｂ）に先だって熱間加工を施されていることを特徴とする請求項２に記載された金属鍛錬品の熱処理方法。
【請求項４】
アルミニウム、鉄、マグネシウムおよびそれらの合金から成る群から選ばれた金属物品の焼き入れ方法において、
（ａ）前記金属物品を温度427℃〜593℃（800゜F〜1100゜F）に加熱する段階と、
（ｂ）前記金属物品を大気に開放された、二酸化炭素を含む水の溜まりに沈める段階とを含み、
前記炭酸ガスを含む水は、温度が３８℃〜８０℃（１00゜F〜１80゜F）であり、実質的に水と溶解させた二酸化炭素から成り、水に対する二酸化炭素の溶解は、二酸化炭素を含まない同一温度の水に比して前記金属物品の初期冷却を抑制するために行なうものであって、この冷却抑制効果を得るための十分な量の二酸化炭素を前記冷却液に溶解させており、その量は、水１リットル（ガロン）当たりガス量で0.007〜1.5リットル（0.001〜0.2標準立方フィート）であり、前記規定水温が低い場合にガス量が多く、前記規定水温が高い場合にガス量が少ないことを特徴とする金属物品の焼き入れ方法。
【請求項５】
アルミニウムまたはアルミニウム合金製物品を、実質的に水と二酸化炭素から成る温度38℃〜80℃（１00゜F〜１80゜F）の炭酸ガスを含む水の溜まりに焼き入れる方法であり、
前記水には二酸化炭素を意図的に溶解させており、二酸化炭素の溶解は、二酸化炭素を含まない同一温度の水に比して冷却を抑制するために行なうものであって、この冷却抑制効果を得るための十分な量の二酸化炭素を前記冷却液に溶解させており、その量は、水１リットル（ガロン）当たりガス量で0.007〜1.5リットル（0.001〜0.2標準立方フィート）であり、前記規定水温が低い場合にガス量が多く、前記規定水温が高い場合にガス量が少ないことを特徴とするアルミニウムまたはアルミニウム合金から成る物品の焼き入れ方法。
【請求項６】
75％以上のアルミニウムを含むアルミニウム合金から成る物品を焼き入れる方法であり、
（ａ）大気圧に開放された温度３８℃〜８０℃（１00゜F〜１80゜F）の水から成る溜まりを要する段階と、
（ｂ）前記加熱されたアルミニウム合金製物品を前記溜まりに沈めて焼き入れる段階とを含み、
前記溜まりは、実質的に水と十分な量の意図的に溶解させた二酸化炭素から成り、
水に対する二酸化炭素の溶解は、315.6℃（600゜F）を超える温度からの前記アルミニウム合金製物品の冷却を、二酸化炭素を含まない同一温度の水に比して抑制するために行なうものであって、この冷却抑制効果を得るための十分な量の二酸化炭素を前記冷却液に溶解させており、その量は、水１リットル（ガロン）当たりガス量で0.007〜1.5リットル（0.001〜0.2標準立方フィート）であり、前記規定水温が低い場合にガス量が多く、前記規定水温が高い場合にガス量が少ないことを特徴とするアルミニウム合金から成る加熱されたアルミニウム合金製物品の焼き入れ方法。
【請求項７】
アルミニウム、鉄、マグネシウムおよびそれらの合金から成る群から選ばれた金属から成る物品の溶体化熱処理方法において、
（ａ）前記金属物品を溶体化熱処理温度まで加熱する段階と、
（ｂ）水を用意する段階と、
（ｃ）前記水に対して加圧状態で二酸化炭素を溶解させ、次いで前記圧力を除去して冷却液を作り、該冷却液が実質的に水と溶解二酸化炭素から成り、水温が３８℃〜８０℃（１00゜F〜１80゜F）であり、前記溶解二酸化炭素の量は、水１リットル（ガロン）当たりガス量で0.007〜1.5リットル（0.001〜0.2標準立方フィート）であり、前記規定水温が低い場合に多く、前記規定水温が高い場合に少ない、前記二酸化炭素を溶解させて冷却液を作る段階と、
（ｄ）前記冷却液に溶解した二酸化炭素の量を検出する段階と、
（ｅ）前記検出された二酸化炭素の量を基準範囲と比較する段階と、
（ｆ）前記検出された二酸化炭素の量が前記基準範囲内にあるように制御する段階と、
（ｇ）加熱された前記金属物品を前記冷却液中に浸漬して焼き入れする段階とを含む金属物品の溶体化熱処理方法。
【請求項８】
前記金属物品がアルミニウム製であることを特徴とする請求項７に記載された金属物品の溶体化熱処理方法。
【請求項９】
アルミニウム、鉄、マグネシウムおよびそれらの合金から成る群から選ばれた金属から成る物品の焼き入れ方法において、
貯留水を用意する段階と、前記貯留水に意図的にガスを溶解させる段階と、前記金属物品を冷却剤中に浸漬する段階とを含み、
前記水の温度が３８℃〜８０℃（１00゜F〜１80゜F）であり、前記溶解二酸化炭素の量が水１リットル（ガロン）当たりガス量で0.007〜1.5リットル（0.001〜0.2標準立方フィート）であり、前記規定水温が低い場合にガス量が多く、前記規定水温が高い場合にガス量が少なく、
前記冷却剤による前記金属物品の冷却が、第１の時間帯に、温度66℃〜93℃（150゜F〜200゜F）の温水の冷却能力と概ね等しい冷却能力を有する前記二酸化炭素溶解水によって行なわれ、第２の時間帯に、温度66℃〜93℃（150゜F〜200゜F）の温水の冷却能力よりも大きな冷却能力を有する前記二酸化炭素溶解水によって行なわれることを特徴とする金属物品の焼き入れ方法。
【請求項１０】
実質的にアルミニウム、鉄、マグネシウムおよびそれらの合金から成る群から選ばれた金属から成る物品の焼き入れ方法において、
（ａ）実質的に水と意図的に溶解させた二酸化炭素から成る開放状態の溜まりを用意する段階と、
（ｂ）前記金属物品を前記溜まり中に浸漬して焼き入れを行なう段階とを含み、
前記水の温度が３８℃〜８０℃（１00゜F〜１80゜F）であり、
前記溶解二酸化炭素の量が水１リットル（ガロン）当たりガス量で0.007〜1.5リットル（0.001〜0.2標準立方フィート）であり、前記規定水温が低い場合にガス量が多く、前記規定水温が高い場合にガス量が少ないことを特徴とする金属物品の焼き入れ方法。
【請求項１１】
アルミニウム、鉄、マグネシウムおよびそれらの合金から成る群から選ばれた金属の鍛錬品を焼き入れする方法において、
大気圧に開放された大きな水浴体を用意する段階であって、該水浴体の温度が３８℃〜８０℃（100゜F〜１80゜F）であり、加圧された二酸化炭素を前記水浴体の一部に混合することによって水中に溶解せしめられた二酸化炭素を前記水浴体が含み、前記水浴体の一部とは、前記水浴体から引き出されて加圧混合機を通り、再び前記水浴体に戻される水である、前記水浴体を用意する段階と、
水と十分な量の溶解二酸化炭素から成る、実質的に単一相である水浴体を維持するために前記加圧混合機による混合を制御する段階と、
加熱された金属鍛錬品の１つ以上を同時に前記水浴体中に浸漬させて焼き入れを行なう段階とを含み、
前記二酸化炭素の混合を制御する段階における水に対する二酸化炭素の溶解は、焼き入れ初期に金属鍛錬品の冷却を抑制するために行なうものであって、その溶解量は、水１リットル（ガロン）当たりガス量で0.007〜1.5リットル（0.001〜0.2標準立方フィート）であり、前記規定水温が低い場合にガス量が多く、前記規定水温が高い場合にガス量が少ないことを特徴とする金属鍛錬品の焼き入れ方法。
【請求項１２】
前記水浴体の水が二酸化炭素で飽和していることを特徴とする請求項11に記載された金属鍛錬品の焼き入れ方法。
【請求項１３】
金属鍛錬品の冷却を、
初めに、意図的に溶解させた二酸化炭素を含まない同程度の温度の水の冷却能力よりも低い冷却能力を有する前記水浴体により３15.6℃（６00゜F）まで行ない、
次いで、意図的に溶解させた二酸化炭素を含まない同程度の温度の水の冷却能力と概ね等しい冷却能力を有する前記水浴体により行なうことを特徴とする請求項11に記載された金属鍛錬品の焼き入れ方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は加熱された金属物品を焼き入れする方法に係り、さらに詳しく言えば、本発明方法は、高温の金属物品を液体溜りの中に浸漬してその物品を迅速冷却し、これにより最終製品の性質を改善することに関するものである。本発明方法は、熱処理可能なアルミニウム，アルミニウム合金に使用する上で特に好適である。
焼き入れは多くの金属製造法における重要な段階である。一般に、焼き入れの目的は、低温（典型的には室温付近）まで迅速に冷却することにより、溶体化熱処理温度にて形成された固溶体を保存することである。材料は、冷水に浸漬するか、１次製造機におけるシート、プレートまたは押出加工品の連続熱処理において冷媒（典型的には冷水）を逐次に溢水（flooding）させるか高速噴射することによって、焼き入れられることが多い。
「浸漬」という用語およびその変化形は、本明細書では焼き入れするべき材料を冷却液（典型的には水）の溜りの液面下に沈めることを意味する。浸漬用の容器すなわちタンクの中へ完全に入れ込むことができるほど十分小さい部品に関しては、この浸漬という用語は一般にその全体を溜りの液面下に沈めることを意味する。しかしながら、多数の部分を有する部品の一部分だけを液溜り中に沈めることをも意味する。浸漬用の容器内に沈めるには大きすぎるスラブ、シート、プレート、箔および押出加工品の連続部分のような長尺材料に関しては、浸漬するという用語は連続材料の一部を逐次に浸漬して、常にその材料の一部分だけが液溜り中に沈められた状態を意味する。長尺材料に関しては、その一部分が連続的に液溜り中へ送り込まれる一方、これと同時に一部分は送り出される。
型鍛造品、鋳造品、衝撃押出加工品およびシートから形成される部材のような各種厚さの金属部品は、冷水よりも冷却速度が多少緩やかな媒体中で一般に焼き入れされる。この媒体は、約65〜80℃（150〜180゜F）の温度範囲に加熱された水、沸騰水またはポリアルキレン（polyalkylene）グリコールであってよい。材料を各種媒体に通すか沈めることによって、異なる冷却速度が得られ、このことは金属の強度や他の性質に影響を与える。
冷水による焼き入れは、金属を冷却する最も一般的な方法であるが、残留応力および反りを生じる問題を与える。金属の重量部分に残留応力が発生する１つの理由は、焼き入れ時の熱収縮の相違にある。残留応力の強さは、その部分の寸法が大きくなるほど、製品形状の非対称性が強まるほど、また冷却速度が増大するほど大きくなる。
熱処理後に必要とされる皮むき、トリミング（不要部分の切除）および機械加工のような金属除去作業は、引張り応力状態にある材料をしばしば露出させる。また、非対称的（残留応力に関して）金属除去作業は、残留応力の再分布による歪みを生じさせるだろう。
許容差の小さい部品が製造されるときには、最終的に生じた反りは、修正に費用がかかり、また、修正困難である。使用性能が因子になることが多いが、残留応力の差を減少させる主な誘因は、機械加工時の反りの減少または機械加工前の形状の改善である。焼き入れ時の薄い部分の反りも問題になるだろう。
部品の異なる部分における冷却速度の差を減少させる１つの方法は、通常使用されるよりも熱い緩やかな焼き入れ媒体すなわち水か、または水・ポリマー溶液を使用することである。厚い部分や薄い部分に使用される最もゆっくりした水による焼き入れ媒体である沸騰水は、最終製品の機械的性質および腐食耐性は低くなるが鍛錬品の焼き入れにしばしば使用される。
真直化の経費を減少させるための他の開発技術は、ポリビニルアルコール、アルケン（alkylene）グリコール、またはグリコールのような有機添加剤を添加した水中で焼き入れすることである。有機添加剤を含む溶液中での焼き入れは、焼き入れ後にこれらの部品を真直化する経費を大幅に減少させる。これらの溶液は有効であるとはいえ経費高となり、溶液を廃棄するときには環境上の懸念を与える。さらに、焼き入れ物品の表面にフィルムを残すことが多い。このフィルムは除去しなければならず、このことは付随的な洗浄段階を必要にする。解放内面を有する焼き入れされた金属に関しては、この洗浄段階でのフィルム除去は全く煩雑である。洗浄液の廃棄は別に経費を要する。
焼き入れ液としての水に代わる幾つかの従来技術が米国特許第4969959号、同第4722611号、同第4441937号、同第4404044号、同第4177086号および同第3850705号に記載されている。
したがって、冷水よりも残留応力および反りが小さく、焼き入れ溶液の廃棄に関する環境上の懸念を最小限に抑えた金属の焼き入れのための経済的且つ有効な焼き入れ溶液および焼き入れ方法を提供することが有利となる。
他の利点は、処理製品の強さに悪い影響を与えることなく残留応力および反りを減少させる金属の溶体化熱処理；金属が柔軟である間の焼き入れの第１段階での冷却速度はゆっくりで、金属が冷却されて柔軟性が低下したときの焼き入れ段階後半での冷却速度が速い焼き入れ媒体による焼き入れ；これまでは達成不可能であった公差内での金属の薄い部分の焼き入れ、およびこれによる従来の焼き入れ後に実施されていた寸法修正作業の必要性の低減およびしばしばその省略；焼き入れした物品の表面にフィルムをそれほど残さず、したがって焼き入れ後の洗浄段階の必要性を不要にする焼き入れ媒体；ポリアルキレングリコールのような有機物よりも環境に対する悪影響が小さい、冷水による焼き入れ速度をゆっくりさせるリサイクル可能で環境に優しい添加剤；付随的な環境に対する懸念を生じることのない既存製造設備の改善；これまで商業レベルとされていたよりも大きな厚さ対幅の比率を有する金属の焼き入れ、である。
本発明によれば、（ａ）溶解ガスを内部に含む冷却液の溜りを準備し、（ｂ）金属物品をその溜りの中に浸漬させて金属を焼き入れするようになす段階を含む金属物品を焼き入れする方法が提供される。この冷却液は水であることが最も好ましい。ガスは、液体水の中に大量に溶解可能な、アンモニア、窒素、二酸化炭素およびそれらの混合気でなる群から選択されることが好ましい。ガスは二酸化炭素であることが最も好ましい。
本発明の他の特徴は、金属を焼き入れする装置である。この装置は、（ａ）冷却液を保持する容器と、（ｂ）ガスを冷却液中に溶解させる混合手段とを含んで構成される。この装置はまた、（ｃ）冷却液を混合手段から前記容器へ移送する給送導管手段も含む。さらに、この容器は、溶解ガスを含む冷却液を受け入れるために底壁よりも上方に位置する入口手段を含む。入口手段は、第１導管手段から流入する冷却液を分配するための少なくとも１つの開口を有する。
好適形態によれば、前記装置が、容器から混合手段へ冷却液を移送する導管手段を含む。この例では、冷却液が、混合室中にリサイクルされて付加的なガスが冷却液中に溶解せしめられ、焼き入れ時の冷却液への熱移動が低減化される。この再調整された冷却液は、その後容器へ戻るように移送され、再使用することができる。
その他の好適形態は、以下の事項の１つまたはそれ以上を含む。すなわち：
（１）容器中へリサイクルされる冷却液から溶解ガスを奪うための、加圧空気の入口を有する混合手段。この混合手段は溜りの内側または外側に配置され得る。
（２）密閉装置中へ新たな冷却材料を導入するための給送手段。新たな冷却液は蒸発して失われた冷却液に代えて使用される。新たな冷却液はまた容器へ移送される冷却液の温度を低下または上昇させるために導入されることもできる。
（３）冷却液を加熱または冷却する加熱ポンプ手段。この加熱ポンプは容器内部または導管内部に配置されることができる。
本発明の第２の方法は、（ａ）冷却液にガスが溶解して含まれる溶液を準備する、（ｂ）その溶液を十分に長い時間にわたり金属物品に噴射してその金属を焼き入れするようになす、ことによる金属物品の焼き入れである。第１の方法と同様に、ガスは二酸化炭素であることが最も好ましく、冷却液は水であることが好ましい。この方法は、熱処理された金属の連続シートまたは長尺な押出加工品の焼き入れに特に有利である。
本発明の他の特徴は、押出モールド成形で得られる金属、またはシート、箔またはプレートとなるように圧延された金属のような連続した金属を噴射による焼き入れをするために有用な装置に関する。この装置は、（ａ）ガスを冷却液に溶解させるためのガス混合手段と、（ｂ）この冷却液を金属に対して噴射するための噴射手段とを含んでなる。この装置はまた、（ｃ）混合手段および噴射手段が互いに隣接されていない場合には、混合室から噴射手段へ冷却液を移送するための給送導管手段も含む。
本発明方法および装置は、種々の異なる金属の焼き入れに使用でき、またアルミニウム，アルミニウム合金に使用することに特に適当である。さらに、この方法は圧延、鋳造、押出加工および鍛造を含む各種の金属成形方法で形成された金属の焼き入れに有用である。
本発明の他の特徴は、添付図面とともに考えるべき好ましい実施例に関連する以下の説明にさらに述べられており、添付図面で同一符号は同じ部品を示しており、さらに、
第１図は、焼き入れされた金属物品の製造における主要段階を示すフローチャートであり；
第２図は、本発明の浸漬用タンク装置の側面図であり；
第３図は、第２図に示された浸漬用タンクの線IV−IVを通る頂部断面図であり；
第４図は、噴射手段を含む本発明の代替実施例の側面図であり；
第５図は、静止混合装置へ流れ込む空気，ガスの量を制御することで二酸化炭素の溶解レベルを予め定めた範囲内に自動的に保持する方法における決定を示す論理および方法のフローチャートであり；
第６図は、120.7mm×38.1mm×304.8mm（4.75インチ×1.5インチ×12インチ）の焼き入れしたAA7050アルミニウム合金ブロックに基づいた各種の従来技術の冷却液による冷却速度と本発明の冷却液による冷却速度とを比較した焼き入れの熱データのグラフである。
発明を実施する態様
「溶解ガス」という用語は、本明細書では大気圧以上の圧力で流体中に噴射され、または他の方法で導入すなわち人為的に加えられたガスを意味するように使用されている。
「溶解ガスを含む流体」という語句およびその変化形は、自然界で生じる通常の溶解ガスレベルよりも高いレベルで溶解ガスを含む流体を含めることを意図している。例えば、一般に金属の焼き入れに使用される水道水、湖水、川水などの純水はある量のガスを含んでいるが、これらの純水がガスを含む流体であるとはみなさない。しかしながら自然に生じる炭酸水は、これまで金属の焼き入れに使用されていないが、本発明の目的のために溶解ガスを含む流体であるとみなされる。
本明細書で使用される「薄壁部品」という用語は、１つの寸法（例えば長さ）が他の２つの寸法の一方よりも少なくともほぼ１桁（an  order  of  magnitude）大きい少なくとも一部分を有する金属を意味するように使用される。代表的には、薄壁部品は厚さや幅に比べて長さが格段に大きい圧延製品である。鍛造品や押出加工品は、１つの壁を通る断面厚さが一方向において他の方向におけるよりも少なくとも１桁小さいならば、典型的に薄壁と考え得られる。
まず第１図を参照すれば、成形金属物品の製造における主要段階のフローチャートが示されている。これらの段階はアルミニウム，アルミニウム合金の焼き入れに使用する上で特に適しているが、他の様々な種類の金属部品の焼き入れにも使用できる。これらの段階はこの技術分野では一般に周知であり、便宜的に第１図の左側に列挙した広い範疇に分類できる。これらの広い範疇の各々は多数の段階を含む。これらの広い範疇の各々につき少なくとも２つの代表的な段階が列挙されている。本発明は金属の凝固に関連する、特に成形部品を焼き入れする処理段階に関連する方法および装置に関する。
アルミニウム合金のような合金は、強度、硬さなどの性質を向上させるために従来より処理されてきた。この処理はこの技術分野で析出硬化と称され、第１図に示されるように溶解、焼き入れおよび焼鈍、または時効の副段階を含む。析出硬化よりも金属の溶体化熱処理が先に行われる。この段階の間、金属中に形成された少なくともある量の金属間化合物は溶解され、固溶体となされる。溶体化処理に関する明確な時間および温度は処理される特定の合金に応じて決まるが、アルミニウム合金で形成されたほとんどの部品は約427℃（800゜F）〜約593℃（1100゜F）の温度範囲における１つ以上の温度で溶体化熱処理される。
次に、溶体化処理された金属は溶体化熱処理炉から取り出されて、典型的には水で室温になるまで焼き入れされる（その金属がその合金の臨界温度にまで冷却される機会を得る前に）。典型的には、この第２の温度は204℃（400゜F）より低く、121℃（250゜F）よりも低いことが好ましい。焼き入れ時のこの物品の温度変化は非常に急激に起こり、先行する溶体化熱処理時に溶解された元素の大部分は析出する時間を持てない。この焼き入れ処理は溶体化熱処理の一部であり、これはしたがって過飽和準安定固溶体を生じる。
焼き入れ作業時の金属の冷却速度は時効処理された部品の残留応力の大きさおよび最終的な機械的性質の両方に顕著な影響を及ぼす。最適な焼き入れパスは、最大の機械的性質および最小の残留応力および歪みを得るものである。この理想は、（ａ）部品が臨界温度範囲として知られた合金の特定温度範囲の上限に達するまでは、焼き入れの第１段階（第１の時間帯）を通じて遅く、（ｂ）臨界温度範囲を通じて急激な焼き入れによって最も良く達成される。この焼き入れパスは、必要とされる温度範囲までは応力を発生する急激な焼き入れを制限する。
金属がその最高温度にあり、したがって最も柔軟であるときは、焼き入れの第１段階は残留応力の発生に対して十分長い時間であると考えられる。金属が臨界温度範囲の上限に達するまでは、冷却液にとって焼き入れの第１段階で遅い熱移動速度を有することが望ましい。焼き入れのこの第１段階の間に部品が急激に冷却されすぎたならば、この部品は内部応力を発生し、この応力が望ましくない熱歪みを、特に熱慣性の小さな薄壁物品に生じることになる。一般的に、臨界温度範囲の上限にまで金属が冷却される速度を遅くするほど、部品に形成される残留応力の値は小さくなる。
臨界温度範囲の上限に達した後、この部品は迅速な冷却が望ましい焼き入れの第２段階（第２の時間帯）に進入する。金属がこの臨界温度範囲内に保持される時間長さは焼き入れ時に使用される冷却液の成分、使用される冷却液の量、使用される冷却液の温度および部品の厚さによってきまる。金属が臨界温度範囲を通じて冷却されるとき、降伏／引張り強度、破断靭性、時効後の耐食性のようなその機械的性質を発現する準備がなされる。熱慣性が小さい薄壁部分は素早く冷却され、臨界温度範囲内で費やす時間は１秒以内である。熱慣性の大きな厚い部分は臨界温度範囲内で数分間を費やす。
上述したように、臨界温度範囲は合金特有のものであり、例えば合金の化学組成に応じて変化する。AA6061、AA7075、AA7050のようなアルミニウム合金は、それらの機械的性質を発現するために399〜288℃（750〜550゜F）の温度範囲を通じて迅速な冷却を必要とする。
臨界温度範囲を通過した後、この方法は室温またはその近くまでのゆっくりした冷却速度へ戻されることが望ましい。この第３の焼き入れ段階時に金属が経験する冷却速度は最初の２つの段階時の冷却速度よりも重要でない。
約21℃（70゜F）の温度の冷水は金属を焼き入れするための冷却液として非常に有効であることが見出されており、また他の冷却液の焼き入れ速度と比較して標準的であると考えることができる。約21℃（70゜F）の温度の冷水は理想的な冷却液ではない。何故なら、焼き入れの第１および第２の段階の両方において素早い冷却を行うからである。薄壁を有する部品に関しては、冷水を使用した焼き入れの第１段階で発生した内部応力は部品に反りを引き起こす。
約66℃（150゜F）の温度を有する温水は焼き入れのその段階における過大残留応力を減少させるうえで冷水よりもさらに有効であると知られており、薄壁を有する部品の熱歪みを除去することができる。しかしながら、温水の冷却作用が緩やかになるほど、部品が臨界温度範囲内に保持される時間が増大し、これは多くの合金にとって最適な機械的性質に及ばない結果をもたらすことになる。
さらに、温水による焼き入れは極めて一貫した効果を発揮するとは考えられず、応力の減少は被加工物品内部で、または被加工物品の間で変化する。さらに、温水による焼き入れは表面仕上げのような被加工物品の各種状況に敏感である。
温水焼き入れ媒体が焼き入れの臨界温度段階より前の焼き入れ処理時に冷い焼き入れ媒体と交換できるならば、部品は低残留応力および良好な機械的性質を有して製造することができる。焼き入れ処理時の焼き入れ温水を冷水で置き換えるか、浸漬による焼き入れ時の水温を変化させることは、法外の企てである。焼き入れタンクは流体溜り、一般には水の溜りであり、素早く温度を変化できるようにするには大きすぎる。温度約66℃（150゜F）の3785リットル（1000ガロン）を超える温水が満たされたタンクの温度を約21℃（70゜F）の温度の冷水に１秒以内で変化させる試みは実際的でない。
当業者は、被加工物品の過大内部応力の発生を避けることを望んでしばしば最適焼き入れよりも抑えて設定している。上述したような有機添加剤は焼き入れの第１段階時の冷却速度の低下に有効であった。しかしながら、それらは焼き入れの第２段階時の臨界温度範囲での冷却速度も低下させてしまう。
この技術分野での挑戦は、金属温度が最高で柔軟なときに焼き入れする第１段階時に温水による焼き入れと似てゆっくりした冷却速度と、金属が冷却されて柔軟性が低下したときの臨界温度範囲での速い冷却速度との最高の組み合わせを有する焼き入れ媒体を見出すことである。
驚くべきことに、CO2のようなガスが冷水に溶解すると、浸漬焼き入れの最初の迅速段階時の熱冷却速度が温水焼き入れの熱冷却速度と同様となり、さらに焼き入れ後半の臨界段階時にはこの焼き入れ媒体が意図して溶解されたガスを全く含まない冷水と同様に作用することが、見出された。
いずれの理論によっても束縛されることを望まないが、その金属が炭酸水の溜りの中に浸漬すなわち沈められた直後にCO2蒸気の絶縁層が金属表面上に形成されると考えられる。高温金属からの熱がその金属の高温表面との接触に応答して水を局所蒸発すなわち核沸騰させると考えられる。水蒸気およびCO2は小さな気泡を形成し、この気泡が合体して水に露出した金属表面上に小さな気泡の層を形成する。この小さな気泡は典型的には約100〜約350ミクロンの数百ミクロンの桁の寸法である。これらの小さな気泡はガス状のCO2で充満されると考えられる。この層は絶縁層として作用して、金属を焼き入れ媒体から引き離し、これにより熱除去（すなわち、そうでなければ金属の熱冷却が冷却媒体で行われる）速度を低下させるものと考えられる。この層は、金属が比較的高温であるときに金属表面に滞留ガス層を形成する。
さらに、金属表面はこのフィルムで一様に覆われ、CO2を含む水に露された金属被加工物品の全面は、フィルム絶縁のこの作用を経験すると考える。CO2気泡は表面で沸騰して、焼き入れ処理時に離脱すなわち失われると考えられる。しかしながら、蒸気の失われる層は一定して新たな気泡で置換され、この新たな気泡は金属被加工物品が炭酸水の沸騰点より高温である限りガスの蒸発で絶えず形成されるものとさらに考えられる。金属の被加工物品の表面から離脱する気泡は溜りの液面へ向けて浮上する間に冷水中に再吸収されると考えられる。非常に僅かな気泡が溜りの水面に認められる。
金属の表面温度が炭酸水の沸騰点より高く保持されている限り、新たな気泡が連続的に形成され、これらの気泡は金属表面に付着してその金属を冷水から絶縁して、これにより冷却速度を低下させ、冷水溜りの冷却速度を温水のそれとほぼ同じ程度にする。金属の被加工物品が連続的に冷却される間、新たな気泡の発生速度は低下し、絶縁層は次第に退化して、冷水が金属表面に直接に接触することになる。
金属が冷却し続けると、溶解されたCO2の蒸気は発生しなくなり、CO2を含む溶解された溶液の冷却速度は典型的に冷水焼き入れのそれにほぼ近づき、すなわち水中のCO2ガスは冷却速度にもはや重要な要素を持たなくなる。
焼き入れのための好ましい冷媒は水で、好ましいガスはCO2である。水は安価且つ入手可能なことから好ましい冷媒である。CO2は無臭で比較的安価であり、水に良く溶けるので好ましい。さらに、リサイクル水中のガス増強がないので、CO2はポリアルキレングリコールのような化学添加剤と関係するいかなる欠点の影響も受けない。
第２図は本発明の実施に使用される装置の側面図である（特に横断面図での）。この装置は容器10を含み、この容器10は流体12の溜りを保持するための開放タンクである。「開放タンク」という用語は本明細書では、タンク内に保持された流体溜りに対して大気圧を超える圧力または大気圧未満の圧力を与えるための、または熱が逃げるのを防止するための準備がなされていないことを意味する。流体12は水であることが好ましい。
容器10は、タンクから流体を取り出すための底部に近い出口ポート14と、容器10の１つの側壁17の頂部付近に配置されたオーバーフローポート16とを有する。オーバーフローポート16は装置から流体を排出するためのドレン（図示せず）に連結されることができる。
出口ポート14はポンプ20を含む導管18に連結されており、ポンプ20は水を加圧してその大部分を導管22および分配器24に通して容器10へ戻すように循環させる。分配器24は容器20に流入する水を分配するためのポート26を備えた導管である。
ポンプ20は小量の水を導管28へ加圧して循環させ、導管28は水を容器10へ再循環させる前に、CO2を水に溶解させるために、またはその代わりに空気を水中へ噴射して水から溶解ガスを奪うようにするために静止混合器30へ導く。導管への空気およびガスの入口はそれぞれ制御バルブ32,34で制御され、これらの制御バルブはガスセンサー36の下流且つ静止混合器30の上流に配置されている。上述で説明したように、CO2は好ましいとされるガスであり、冷水が好ましいとされる流体である。二酸化炭素は水に非常に溶けやすい。
ガスセンサー36は、導管28を流れる流体に現在溶解されているガス量を決定する。ガスセンサー36がこのレベルを決定する手段は周知であり、本発明で重要ではない。購入可能な二酸化炭素を検出するように調整された赤外線スペクトロメータが有用であると見出されている。しかしながら、当業者は溶液中のガス量を検出して数量化する他の既存手段や新開発の手段も使用できると認識するであろう。このような装置には、限定するわけではないが、膜を通るガスの透過、または流体の抵抗すなわち導電性の変化を基にする装置が含まれる。センサー36を通過した流体は導管38でタンク10内に導かれる。
ガスセンサー36からの出力はマイクロプロセッサ40へ送られ、マイクロプロセッサ40は溶液中の現在のガス量を基準信号または信号範囲と比較する。この比較に基づいて、マイクロプロセッサ40は指令信号を制御バルブ32,34の制御装置（図示せず）に送り、ガスセンサー36の出力信号に応じて装置への空気および（または）（and/or＝「および／または」を意味する）ガスの流れを調整させ、停止させもする。この指令信号は適当なバルブを適当に変化させる。マイクロプロセッサ40はセンサー36からの信号を基準信号と連続的に比較するので、バルブ32,34の開度はその信号が基準範囲内になるまで連続して増分的に変化される。
ガスおよび（または）空気は静止混合器30内で水に溶解される。静止混合器30は内部バッフルを備えており、このバッフルは回転し、水に溶解するガスに空気を溶け込ませることを助成する。この静止混合器はこの分野で周知であり、ガスを圧力下で流体に噴射し、これによりそのガスを流体に溶解させるために一般に使用されている。水に溶解せしめられたガスの正確な量は水温および加圧ガスの流れに応じて決まる。水中へのガスの流れは、水が大気圧に近い圧力の下でそのガスで飽和されるレベルに設定されることが好ましい。これを達成するために必要なガス量は１リットル（１ガロン）当たり0.007リットル（0.001SCF）と少ない。水がガスで過飽和状態とされるならば、飽和点を超えた過剰ガスは容器10が開放タンクであるのでこの容器10内に気泡となって解放される。
ガスを含む流体は静止混合器30から導管42を経て容器10へ送られ、そこでタンクに入る。このガスを含む流体はその後マニホルド装置へ移送され、このマニホルド装置は容器10の底部近くに配置された給送導管44および平行パイプ46を含んでなる（第３図に最も良く示されている）。パイプ46は容器10内にガスを含む流体を解放してタンク内に混合流を発生させるための一連の出口を備えている。
容器10内の流体は、その流体に作用する圧力が大気圧まで低下する。上述したように、容器10は開放タンクであり、内部に収容された流体溜りはその流体が加圧されて、これにより意図的に溶解された以上のガスを保持するように閉じ込められてはいない。過剰ガス（すなわち、大気圧の下で二酸化炭素の飽和点より高い濃度に溶解されたガス）は解放されて気泡を形成し、この気泡は溜りの液面へ浮上する。これまでは、浸漬用タンク内での冷却速度を減速するために二酸化炭素を使用できるようにする十分な量のCO2を溶液内に保持できるとは考えられなかった。
熱ポンプ48は本発明の選択的な特徴であり、本発明を実施するために必須であると考えるものではない。使用するならば、タンク10内に配置することが好ましい。熱ポンプ48は水の溜りを所望温度に維持することに有用であろう。マイクロプロセッサおよび温度制御装置（全て図示せず）が溜りの温度を自動的に維持するために使用できる。さらに、熱ポンプ48は焼き入れの前に水を予熱することに使用できる。焼き入れを安定化させるために温水を使用できる。さらに、二酸化炭素は温水（66〜93℃（150〜200゜F））に溶けやすく、本発明方法は冷水と同様に温水に使用でき、またはそれらの中間の温度で使用できる。
冷水は高温金属を焼き入れすることに関連する水温上昇に逆作用することで有用である。必要ならば、水入口導管50が冷水を水源から容器10内へ運び、オーバーフローポート16が過剰水をドレン（図示せず）へ解放する。付加的な加圧空気源および静止混合器（全て図示せず）がオーバーフローポート16を出て廃棄装置またはリサイクル装置へ解放される前の水から全ての溶解ガスを奪うために使用できる。
装置の運転に当って、容器10が水で満たされる。出口ポート14を出る水はポンプ20で加圧され、その流れは２つに分けられる。ポンプに流入した水の約70％を占める多量な部分は導管22へ向けられ、そこで容器10へ戻るように移送され、分配器24からポート26を通して分配される。分配器24で形成される流れのパターンはタンク10内の水を循環保持し、タンク内の水の局部的な高温箇所を分散させることに役立つ。
ポンプ20を出た水の残る量は導管28へ向けられ、そこで溶解されているガス量のレベルを決定するために小量が採取される。この採取はセンサー36に水が流入した結果であり、信号はマイクロプロセッサ40へ送られる。マイクロプロセッサの基準値およびセンサー36からの出力がどうであるかによってマイクロプロセッサは指令信号を制御バルブへ送り、制御バルブを適当に調整する。
二酸化炭素を含む適当な溶液により焼き入れするために、基準範囲は、水中の二酸化炭素量が水温に応じて水１リットル（ガロン）当たり0.007〜1.5リットル（0.001〜0.2標準立法フィート（SCF））で変化できるように設定することが好ましい。一般に、所要の効果を得るには、温度が上昇すれば炭酸化は少ないことが必要である。熱ポンプ48は水の初期温度を維持しまたは上昇させ、これにより二酸化炭素ガスを保存することに使用できる。所望の二酸化炭素レベルに到達したならば、部品はバスケットに入れるか、この分野で周知の他のいずれかの方法で溜りの中へ下ろされる。ほとんど全ての実施例に関しては、部品が水面下に完全に沈められる。部品は水の溜りの液面より十分下方の高さ位置にまで下ろされて、部品と溜りの液面との間の水に高温箇所が生じることを最小限に抑えるようになすことが好ましい。
始動の態様において、水は典型的にほんの僅かの二酸化炭素を含むか全く含まないものとされ、マイクロプロセッサは指令信号を制御バルブ32に送って閉止状態を保持させ、また信号を制御バルブ34へ送って開口させる。この方法は溶解ガスのレベルが所望範囲内にあると検出されるまで繰り返される。水中の過剰ガスは気泡としてタンク内に解放され、この方法に悪影響を及ぼさないように、すなわち焼き入れ速度の減速に寄与することのないようにする。したがって、気泡が溜りの水面に現れたならば、水に噴射される二酸化炭素の量は基準範囲の上限を下げることで減少されることができる。この代わりに、制御バルブ34はほとんどまたは全く気泡が溜りの水面に現れなくなるまで、手動で閉じることができる。
留意すべきは、二酸化炭素ガスは容器10内の水からゆっくりと逃げ出して表面に浮上することである。CO2は空気よりも重いので、CO2の滞留層が溜りの頂面に形成される。この滞留CO2層はタンクから空中へCO2が損失される速度を遅くする。CO2の損失を最小限に止めるために、この滞留ガス層を撹乱しないように注意しなければならない。
水中のCO2レベルが所望範囲内になったならば、部品は何も特別な考慮なしに溜りの中に浸漬されることができる。選択事項であるが、この浸漬された部品は、その部品の表面に形成された気泡の層の分散を促進するために、沈められている間は振動される。さらに、この部品が振動する結果として生じる乱れも、溜りの中に局部的な高温箇所が形成されることを最小限に抑える。部品は容器10の中に浸漬されている間の全てにわたり、またはその時間の一部にわたって振動されることができる。
焼き入れされる部品が水を置換して生じる流体のオーバーフローは、オーバーフローポート16を経て容器10から出る。オーバーフローポート16を通してて導管中を流れる水はリサイクルされるか、または適当な廃棄装置へ排出される。上述したように、二酸化炭素を含む水は環境に関する危惧を提起しない。水を適当なリサイクルまたは廃棄装置26へ移送する前に、水から溶解二酸化炭素を除去することが望ましい場合は、加圧空気が水と混合されて水からその溶解ガスを奪うようになされる。
二酸化炭素／水による焼き入れの後、タンクは通常の冷水による焼き入れ条件（すなわち、溶解ガスをほとんどまたは全く含まない）に迅速に復元される。基準範囲がゼロに設定されたならば、マイクロプロセッサは制御バルブ34に信号を送って閉止させる。このことがタンクに対する付加的なガスの流れを停止させる。しかしながら、ガスはしばらくの間は水中に残るので、マイクロプロセッサは付加的な指令信号を制御バルブ32に送って開口させ、これにより加圧空気を静止混合器30に流入する水に加えるようにプログラムされることができる。上述したように、加圧下での噴射空気は水からCO2の大部分を奪う。この奪取の行われた水はその後焼き入れタンクへ循環され、タンク条件を通常の迅速冷水焼き入れに戻すことができる。
水温は導管50を経て冷水を追加することで下げることができる。これは、水をオーバーフローポート16に流入させる。マイクロプロセッサおよび温度センサーは水温を自動制御するために使用できる（図示せず）。
マイクロプロセッサ40は信号を基準範囲内にするためのガスの最適流量を瞬間的に計算することができる。さらに、各種の焼き入れ実施例のためにコンピュータに多数の基準範囲をプログラムすることができる。上述したように、基準範囲をゼロに設定して、全ての溶解ガスを水から奪い取って通常の焼き入れ態様に戻すようにすることができる。
空気は二酸化炭素の流れを水から奪い取ることが知られており、コンピュータは最も効率的に二酸化炭素を使用するようにプログラムできる。このような問題の１つは第５図に示されている。第５図を参照すれば、溶解二酸化炭素レベルを予め定めた範囲内に自動的に維持する方法における決定を示す論理および方法のフロー図を示している。本質的にこの方法で続く手順は以下の段階を含む。すなわち、
（ａ）マイクロプロセッサ40に上限および下限基準値をインプットする。
（ｂ）ガス検出器すなわちセンサー36からの信号をマイクロプロセッサにインプットする。
（ｃ）センサーからのインプット信号がマイクロプロセッサに蓄えられている基準範囲内であるかを決定する。
（ｄ）センサーからの信号が下限基準値よりも小さいならば、制御バルブに指令信号を送ってガスバルブ34を所定量だけ開口させ、冷却液に溶解されるガスの流量を上方へ調整するようになす。
（ｅ）センサーからの信号が上限基準値よりも大きいならば、制御バルブに指令信号を送ってガスバルブ36を所定量だけ開口させ、冷却液に溶解されたガスの幾分かを除去するようになす。
（ｆ）センサーからの信号が基準範囲内であるならば、制御バルブには指令信号を送らない。
（ｇ）予め定めた時間長さだけ待機する。
（ｈ）段階（ｂ）〜（ｈ）を繰り返す。
次に第４図を参照すれば、本発明の代替装置が示されている。第４図の装置は、噴射ヘッド60が溶解ガスを含む冷却液を部品に噴射して、その材料を焼き入れするように使用されること以外は、第２図の装置に類似である。
第４図の噴射装置は容器62を含み、この容器62は水であることが好ましい流体64を集合させるための開放タンクである。容器62は、タンクから流体を取り出すための底部に近い出口ポート66と、オーバーフローポート68とを有する。オーバーフローポート68はリサイクル装置または廃棄装置へ導かれたドレンに連結可能である。
出口ポート66はポンプ72を含む導管70に連結されており、ポンプ72は水を加圧してその水を導管28'へ循環させ、この導管28'は静止混合器30'へ導いてその水にCO2を溶解させるか、この代わりに空気を水に噴射させるようにする。ポンプ72の全出力は導管28'へ循環される。
第２図に示された実施例と同様に、導管28'への空気およびガスの流入はそれぞれ制御バルブ32',34'で制御されるのであり、これらの制御バルブはガスセンサー36'の下流且つ静止混合器30'の上流に配置されている。ガスセンサー36'は導管28'を流れる流体に現在溶解しているガスの量を決定する。ガスセンサー36'がこのレベルを決定する手段は周知であり、本発明で重要ではない。センサー36'を通過する流体は導管38'を通して容器62の中へ向けられる。
ガスセンサー36'からの出力はマイクロプロセッサ40'へ送られ、マイクロプロセッサ40'は溶液中の現在のガス量を基準信号または信号範囲と比較する。この比較に基づいて、マイクロプロセッサ40'は指令信号を制御バルブ32',34'の制御装置（図示せず）へ送って、ガスセンサー36'の出力信号に応じて装置への空気および（または）ガスの流れを調整させ、停止させもする。この指令信号は適当なバルブを適当に変化させる。マイクロプロセッサ40'はセンサー36'からの信号を基準信号と連続的に比較するので、バルブ32',34'の開度はその信号が基準範囲内になるまで変化される。
ガスおよび（または）空気は静止混合器30'内で水に溶解される。静止混合器30'は内部バッフルを備えており、このバッフルは回転し、水に溶解するガスに空気を溶け込ませることを助成する。ガスを含む流体は静止混合器30'から導管42'を経て平行な噴射ヘッド60の列を含む給送導管74へ移送され、容器62を超えてガスを含む流体を解放する。噴射ヘッド60を出た流体に作用する圧力は大気圧まで低下する。
噴射ヘッド60は炭酸水のカーテンをタンク上方に形成する。部品はその外面が流体で濡れて焼き入れされるレベルにまで下げることができる。流体12'は容器62に集められ、静止混合器へリサイクルされるか、リサイクルまたは廃棄装置へ向けて流され得る。
本発明の有利な点は、以下の例で説明される。最初の３つの例は比較のために実行された。
例１
約132.5リットル（35ガロン（4.7立方フィート））の容量の焼き入れタンクがその床にガスマニホルドを有して構成された。このタンクは初期温度が約21℃（70゜F）の水で満たされ、冷却液（水）を循環させるためにブロック底部の近くにマニホルドを有して設計された。120.6×38.1×304.8mm（4.75×1.5×12インチ）の寸法を有するアルミニウム合金7050のブロックが約482℃（900゜F）の温度にまで加熱され、タンク内で焼き入れされた。上述したように、AA7050は、その機械的特性を向上させるために、約399〜288℃（750〜550゜F）の温度範囲で迅速冷却する必要がある。サーモカップル（熱電対）がブロック中心に固定された。
ブロックは、焼き入れの前に行われる溶体化熱処理をシミュレーションするために炉内に置かれた。ブロックが均一温度に加熱された後、ブロックは炉から取り出されて、冷水である焼き入れ溶液の中に直ちに沈められ、タンク床の上方約十数センチメートル（数インチ）のレベルにまで沈められた。この部品は焼き入れ中は振動されなかった。ブロック中心で受けた熱冷却はサーモカップルで測定され、連続的に記録され、プロットされて添付図面の第６図の曲線を形成した。第６図は各種の異なる焼き入れ媒体を比較する温度対時間のプロットである。
第６図に示されるように、全体の焼き入れ時のブロック中心の冷却速度は極めて迅速である（曲線の傾斜が急である）。臨界温度範囲以上での焼き入れ部分の冷却速度は１秒当たり約30℃（86゜F）（66℃/1.75秒（150゜F/1.75秒））であった。399℃（750゜F）より上にて受けたブロックの高い冷却速度は、薄壁を有する部品にとって速すぎると考えられる。臨界温度範囲（ΔtCW）時の冷却速度は１秒当たり約49℃（121゜F）（93℃/1.65秒（200゜F/1.65秒））であった。
例２
同じアルミニウムブロックを再加熱した後焼き入れするために初期温度が66℃（150゜F）の高温水の溜りを使用する以外は、例１の手順が繰り返された。ブロック中心の受けた熱冷却が測定され、記録され、プロットされ、そして第６図に示されている。
第６図のプロットの緩やかな傾斜で示されているように、臨界温度範囲より上の、また臨界温度範囲での例２のブロック中心での冷却速度は例１ほど迅速ではない。臨界温度範囲より上での焼き入れ時の冷却速度は、１秒当たり約17℃（30゜F）（66℃/5秒（150゜F/5秒））であった。ブロック中心の臨界温度範囲より上にとどまる時間は、冷水（例１）のときよりも約2.8倍の時間であった。したがって、臨界温度範囲より上の焼き入れで生じた残留応力は望ましく減少された。
しかしながら、例２のプロットの緩やかな傾斜は臨界温度範囲にまで続いている。臨界温度範囲での冷却速度は１秒当たり約24.7℃（44.4゜F）（93℃/4.5秒（200゜F/4.5秒））であった。臨界温度範囲（ΔtWW）にブロックがとどまる時間長さは（ΔtCW）よりも2.5倍以上である。上述で説明したように、これは望ましいことではないと考えられ、この分野ではその後に時効処理された被加工物品における機械強度の低下に関連すると考えられる。
例３
初期温度が38℃（100゜F）で、20重量％のUCON（登録商標）（ポリアルキレングリコール）を含有する水溶液が再加熱された後の同じアルミニウムブロックを焼き入れすることに使用された以外は、例１の手順が繰り返された。UCON（登録商標）は米国ニューヨーク州テリータウンに所在するユニオン・カーバイド・ケミカルズ・アンド・プラスチック・カンパニー、インコーポレーテッド、のスペシャルティー・ケミカルズ事業部で製造されている。ブロック中心で受ける熱冷却が測定され、記録され、そして第６図に示されている。
第６図の緩やかな傾斜で示されているように、例３のブロック中心の冷却速度は例１や例２の冷却速度ほど迅速ではない。焼き入れにおける最初の８〜９秒間だけ例３のブロックの冷却速度は例２のそれよりもゆっくりしている。この時間枠内の冷却速度は、１秒当たり約15℃（27゜F）（66℃/5.5秒（150゜F/5.5秒））であった。ブロック中心の臨界温度範囲より上にとどまる時間は、冷水（例１）のときの約3.1倍で、温水（例２）のときの約1.1倍であった。したがって、臨界温度範囲より上の焼き入れで生じた残留応力（例２におけるように）は望ましく減少された。
例３の緩やかな傾斜および緩やかな焼き入れ速度は臨界温度範囲にまで十分に続いた。臨界温度範囲での冷却速度は１秒当たり約24.7℃（44.4゜F）（93℃/4.3秒（200゜F/4.3秒））であった。臨界温度範囲（Δｔ20％）にブロックがとどまる時間長さは冷水（例１）の長さの約2.5倍であり、温水（例２）とほぼ同じであった。上述したように、これは望ましいことではないと考えられ、この分野ではその後に時効処理された被加工物品における機械強度の低下に関連すると考えられる。さらに、例３のブロックの冷却速度は曲線の真直部分で示されるように25秒間の経過にわたってかなり一定に維持された。
溜りからの取り出しにより、焼き入れしたブロックはポリアルキレングリコールのフィルムで覆われた。例３の溶液で焼き入れした部品は時効処理の前に洗浄を必要とする。
例４
同じアルミニウムブロックを再加熱した後に焼き入れするために使用された溜りに流入する水に二酸化炭素ガスが溶解された以外は、例１の手順が繰り返された。溜りの中の二酸化炭素のレベルは１リットル（１ガロン）当たりCO2が約0.7リットル（0.1標準立方フィート（SCF））に維持された。この量はタンク内へ炭酸水を連続圧送することで冷水に溶解した。ブロック中心が受けた熱冷却が測定され、記録され、そして第６に示された。
驚くことに、例４のブロック中心の冷却速度は例１ほど迅速ではない（第６図を参照されたい）。臨界温度範囲より上の焼き入れ部分における冷却速度は１秒当たり約17℃（29゜F）（66℃/5.2秒（150゜F/5.2秒））であった。ブロック中心の臨界温度範囲より上にとどまる時間は、冷水（例１）のときよりも約2.8倍の時間であった。臨界温度より上では、例４の冷却速度（焼き入れ強さ）は例２の場合と非常に似ていた。したがって、臨界温度範囲より上の焼き入れで生じた残留応力（例２におけるように）は望ましく減少された。
驚くことに、臨界温度の間、例４のブロックの冷却速度は増大した。臨界温度範囲の間の冷却速度は１秒当たり34.7℃（62.5゜F）（93℃/3.2秒（200゜F/3.2秒））であった。臨界温度範囲の間の熱伝達速度は曲線の比較的急な傾斜で示されるように例２および例３の熱伝達速度よりも速かった。例４のブロックが臨界温度範囲（ΔtCO2）にとどまる時間長さは、ΔtWWおよびΔtUCONの両方よりも短い。上述で説明したように、これは望ましくないと考えられ、この分野ではその後に時効処理された被加工物品における機械強度の低下に関連すると考えられる。冷却後20秒経った例４のブロック中心の温度は例１の冷水による焼き入れにおけるブロック温度よりも低かった。
本発明のある特徴は本発明から逸脱せずに変化されうることを認識すべきである。したがって、例えば本発明は二酸化炭素ガスが水に溶解した好ましい実施例に関して説明してきたが、本発明に含まれるガスには、いずれかのガス、冷却液媒体よりも揮発性の強い化学薬品、または高温面に接触されるとガスを解放する化学薬品が含まれることを認識しなければならない。冷却液として水が使用されるときに使用できるガスには、限定するわけでないが二酸化炭素、空気、酸素、窒素、炉ガスおよびその混合気が含まれる。さらに、本発明はガスの溶解に限定されるものではない。したがって、例えば本発明は二酸化炭素が水に溶解される好ましい実施例に関して説明したが、炭酸（H2CO3）が水と混合されることができると認識されねばならない。炭酸は二酸化炭素と水との反応で形成される。水のような焼き入れ媒体に炭酸を加えることはCO2ガスを溶解させることと同じ効果を有する。さらに、有機または無機炭酸塩が本発明の実施に使用できる。無機炭酸塩はCaCO3、K2CO3、Na2CO3を含む。無機炭酸塩は溶液からミネラルの付着が生じる可能性があるためにそれほど望ましくない。
本発明の好ましい実施例を冷水の炭酸化に関して上述で説明したが、当業者には本発明が温水による焼き入れにも有用であることが明白となろう。さらに、本発明は3.5％NaCl溶液のようなこの分野で使用される塩水溶液とともに使用できる。さらに、本発明はポリビニルアルコール、アルキレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールまたはグリコールのようなこの分野で使用される有機添加剤とともに使用することもできる。当業者は、重要な点が、使用されるガスを溶解できる流体の使用にあることを認識するだろう。
本発明の好ましい実施例はアルミニウム合金部品の焼き入れに特に有用であることに関して上述で説明したが、当業者には本発明が他の金属の焼き入れにも有用であることが明白となろう。本発明で使用することが適当な金属はアルミニウム，アルミニウム合金に限定されることはない。マグネシウム、銅、鉄、亜鉛、ニッケル、コバルト、チタン、およびそれらの合金のような他の金属から形成される物品も本発明で利益を得る。
本発明の好ましい実施例が鍛錬および鍛造アルミニウム，アルミニウム合金の部品を焼き入れするのに特に有用であるということに関して上述で説明されたが、当業者には金属物品を形成する方法がその有用性に重要であるとは考えられないことが明白となろう。本発明方法および装置は鋳造、圧延、打ち抜きおよび押出加工を含めて他の形成方法で製造された金属物品を焼き入れするうえでも有用であると推測される。さらに、鋳造はスクイズ鋳造（溶湯鍛造）、レオキャスティング（rheocasting）、コムポキャスティング（compocasting）、真空鋳造、または正圧鋳造で実施することができる。
本発明の好ましい実施例が7050アルミニウム合金部品の製造に特に有用であることに関して上述で説明したが、当業者には本発明が約75重量％以上のアルミニウムおよび１つ以上の合金元素を含む他のアルミニウム合金からなる部品の製造に有用であることが明白となろう。このような適当な合金元素の中で、マンガン、亜鉛、ベリリウム、リチウム、銅、けい素、マグネシウムで構成される本質的に特徴を形成する合金元素の群から少なくとも１つが選択される。これらの合金元素は、それらの１つ以上を含む合金がそれらの元素から特徴的な性質を本質的に導き出すという理由で、本質的に性質を形成する元素となる。通常はそれらの特徴を与える各元素の量は、マグネシウムおよび銅の各々に関しては合金中の合金元素としてその元素が存在しているならば合金全体の約0.5〜約10重量％であり、亜鉛元素に関しては合金中の合金元素としてその元素が存在しているならば合金全体の約0.05〜約12.0重量％であり、ベリリウム元素に関しては合金中の合金元素としてその元素が存在しているならば合金全体の約0.001〜約5.0重量％であり、リチウム元素に関しては合金中の合金元素としてその元素が存在しているならば合金全体の約0.2〜約3.0重量％であり、マグネシウム元素に関しては合金中の合金元素としてその元素が存在しているならば通常は合金全体の約0.15〜約2.0重量％である。
鉄およびシリコン元素は、本質的な性質形成合金元素として完全すなわち常に正確に分類できてはいないが、しばしば正確な量でアルミニウム合金中に存在し、これを含むある種の合金に発現された特徴的な性質によって顕著な効果を有する。例えば、鉄は、たとえ望ましくない不純物として存在し且つそのようにみなされても、しばしば存在することが望ましく、ある種の合金では特別な機能を発揮するために合金全体の約0.3〜2.0重量％の量に調整される。けい素もこのように考えられ、約0.25〜多くて15重量％と変化する範囲で見られるが、ある種の合金では特別な機能を発揮するために約0.3〜1.5重量％の範囲で見出される。前述したこれらの元素の２つの性質に照らして、また定義の便宜のために、鉄およびシリコン元素はある種の合金中にて特徴に影響する量で存在することが少なくとも望ましいとされるときには、性質形成合金成分として適当に考えられるべきものである。
これらの本質的な性質形成元素の１つ以上を含み得るこのようなアルミニウム，アルミニウム合金は、前述した性質形成元素を含むか含まないかに係わらずに、特定の性質を向上させるためにある量の周知の補助的合金元素を含む。このような補助的元素は通常はクロム、ニッケル、ジルコニウム、バナジウム、チタン、ボロン、鉛、カドミウム、ビスマスおよび場合によりシリコンおよび鉄とされる。また、リチウムは上述の本質的な性質形成元素に挙げられているが、ある例では上述した範囲内の量で補助的元素として合金中に存在される。これらの補助元素の１つが本明細書で考える種類のアルミニウム合金中に存在する場合、合金全体の重量パーセントでの量は、該当する元素で変化するが通常は約0.05〜0.4％であり、チタンは約0.01〜0.25％、バナジウムまたはジルコニウムは約0.05〜0.25％、ボロンは約0.0002〜0.04％、カドミウムは約0.05％〜0.5％、そしてビスマスまたは鉛は約0.4〜0.7％である。
アルミニウム合金は、最も好ましくは鍛錬および鍛造アルミニウム合金、例えばアルミニウム協会に登録された識別番号2011、2014、2017、2117、2218、2616、2219、2419、2519、2024、2124、2224、2025、2036、4032、6101、6201、6009、6010、6151、6351、6951、6053、6061、6262、6063、6066、6070、7001、7005、7010、7016、7021、7029、7049、7050、7150、7055、7075、7175（ｂ）、7475、7076、7178および他の適当な同様識別番号の合金を含んでいた。特に関心のあるアルミニウム合金は2014、6061、7050、7055および7075である。これらのアルミニウム合金は一般に総括的な識別番号が2000番台の合金、6000番台の合金、および7000番台の合金である。本発明で処理できる鋳造合金は最も好ましくは鋳造アルミニウム合金、例えばこれらの識別番号の222、242、295、296、319、336、355、356、357および712で識別される合金である。これらの鋳造合金は一般に総括的な識別番号が200番台の合金、600番台の合金、および700番台の合金である。
本発明は焼き入れ金属に関して説明してきたが、本発明方法および装置は金属マトリックス複合材、金属積層材およびサーメットですることが使用できる。
本発明の有用性は薄壁金属物品の反りを減じることに関してある程度説明したが、本発明の向上された冷却速度はまた幅対厚さの比が小さい焼き入れ金属物品にも有用であると考えられる。本発明により利益を得られる他の方法で形成されたおよび（または）機械加工された金属部品には航空機用部材およびアルミニウムホイールリムを含む鍛造アルミニウム製品や、押出チューブ、形状部材およびバーのような押出加工品や、スラブ、シート、箔およびプレートを含む圧延製品や、このような製造による製品の全てから機械加工された製品が含まれる。本発明はまた有機化合物を含む溶液中で焼き入れした後皮むきすることが困難な形状部材に特に有用である。上述で説明したように、本発明で使用した溶解ガスは焼き入れ後の洗浄や清浄処理を行うことを必要にするような残留物を残さない。
本発明はタンク内に部品全体を浸漬することで金属を焼き入れすることに関して説明したが、部品を完全に浸漬して焼き入れ媒体で完全に覆うようにすることに限定する意図はない。本発明は噴射焼き入れ、および（または）逐次に連続するシートの一部分を溜りの中に沈めて、シートの一部分だけが常に流体の中に沈められているようにすることを含めることが意図される。この実施例では、シート、プレートまたは箔（一般に平坦圧延製品と称される）の一部分が連続して同時に溜りの中へ進入および進出するようになされる。この連続シートはその後コイルに巻き上げられるか、他の方法で処理される。
同様に、本発明は細長い押出加工品、鋳造品または鍛造品の一部を溜りの中に逐次に浸漬して、押出加工品、鋳造品または鍛造品の一部だけが絶えず流体中に沈められているようにすることを含むように意図する。この実施例では、押出加工品、鋳造品または鍛造品の一部が連続して同時に溜りの中へ進入および進出するようになされる。
また、本発明の実施に有用となる二酸化炭素または他のガスの濃度を変化させることも考えられる。
さらに、本発明の装置は図面に示したものと異なる方法で構成することができることは、考えられる。したがって例えば、静止混合気30は容器10の外側に配置される必要はなく（第２図を参照されたい）、これにより導管42の必要性を排除することができる。さらに、第２図に示された熱ポンプ48は容器10の外側に配置できる。さらに、第２図および第４図のポンプに流入する水は容器からもたらされる必要はない。この水は代替冷水源からポンプへ流入されることができ、この水は意図的にある量の溶解ガスを含むことも含まないこともできる。
本発明の最高の態様と考えられるものが上述で説明された。しかしながら、当業者には記載形式の様々な変更を本発明の精神から逸脱せずに本発明に対してなし得ることが明白となろう。本発明の範囲は、請求の範囲を表現している用語の広義の意味において定義される。
【図２】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図５】
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