针对工程实际中缺乏满足控时淬火冷却工艺要求的淬火冷却设备的现状,本文对水和空气作为淬火介质实现交替控时淬火冷却(ATQ)的可行性进行了研究,得到了通过控制水淬与空冷时间比例可获得介于水和空气之间任意冷却能力的结论。在此基础上,以风电输入法兰轴、模具扁钢和船用曲轴等具体产品为对象,通过试验件的工艺分析、组织观察、以及实际产品的验证,研制出与之相应的水-空交替控时淬火冷却设备,并在此基础上总结出满足水-空交替控时淬火冷却工艺要求的淬火冷却设备设计准则。通过对水在浸液、喷射和浸喷三种状态下的冷却曲线的测量和换热系数的计算,发现浸喷状态和喷射状态的换热能力十分接近,而浸液状态下的换热能力则小得多。按换热系数与温度的面积积分值进行评价,在500℃-850℃间浸喷和喷射状态换热能力为浸液的5倍,在200℃-500℃以下为浸液状态下的2.5倍。该结果为设计曲轴在浸液的同时进行喷射淬火提供了依据。研究了以水和空气作为淬火介质实现控时淬火冷却的可行性,发现通过控制水淬与空冷时间比例可获得效果介于水和空气之间的任意冷却曲线,在此基础上提出了水-空交替控时淬火冷却设备应具有的功能,为该类型设备的设计提供了参考。在上述研究的基础上,针对不同产品的不同需求研制出相应的水-空交替控时淬火冷却设备:针对风力发电设备的关键部件——输入法兰轴,研制了多工位水-空交替控时淬火冷却设备,采用液面升降方法实现了在工件静止条件下的浸液淬火,极大的提高设备的可靠性;通过采用一个公共通道实现向多个淬火槽中供液的方法,实现了多个淬火工位共用一套快速注入泵系统的目标。针对中碳高合金模具扁钢,研制了扁钢在线水-空交替控时淬火冷却设备,在解决淬火件传送辊道与淬火槽侧板之间的密封问题的基础上,实现了在辊道传动条件下的在线浸液淬火。针对形状复杂的曲轴产品采用传统垂直吊装方式进行水淬与水溶性介质冷却中存在的力学性能低与开裂比例高的问题,发明了工件悬挂方式喷射淬火、浸液淬火和空冷组合控制淬火冷却方法,在此基础上研制了适用于船用曲轴的水-空交替控时淬火冷却设备。利用喷射和浸喷冷却能力接近的测试结果,在对中型船用曲轴喷射的同时进行浸喷淬火,实现了淬火过程中曲轴上下部分都获得相对均匀的冷却,使长度近6000mm的曲轴淬火冷却后沿轴向畸变量控制在8mm以内,淬火后曲轴无需进行校直。同时,在对曲轴进行组织分析的过程中,发现曲轴同一位置、不同区域的淬火态组织存在严重的差异。通过对采用不同淬火冷却工艺处理后曲轴淬火态组织的对比分析,发现这种因成分偏析造成淬火态组织的差异无法通过一般热处理和改变淬火冷却方式予以减轻或消除,建议通过改善原材料冶金质量、浇铸工艺、优化锭型等方式解决曲轴成分偏析的问题。