Enhver CNC-maskinist kender frustrationen ved en del, der skifter dimensioner efter varmebehandling. En boring, der er målt perfekt på maskinen, bliver oval. En flad overflade fordrejes til et lavt fad. Kritiske tolerancer, der blev holdt inden for mikron, glider pludselig ud over acceptable grænser. Grundårsagen ligger i, hvordan varmebehandling ændrer metallets indre struktur. Blandt de mange varmebehandlingsprocesser repræsenterer annealing og quenching modsatte ender af spektret. At forstå deres særskilte virkninger på dimensionsstabilitet hjælper maskinmestrene med at vælge den rigtige proces og forudsige ændringer efter behandlingen.
Udglødning er en langsom, kontrolleret opvarmnings- og afkølingsproces. Metallet opvarmes til en bestemt temperatur, holdes der for at tillade omkrystallisation og afkøles derefter meget langsomt, ofte inde i selve ovnen. Denne langsomme afkøling giver atomer tid til at arrangere i en stressfri ligevægtsstruktur. For stål giver udglødning en blød, duktil mikrostruktur af ferrit og perlit. For aluminium fjerner udglødning koldbearbejdningseffekter og frembringer en blød, fuldt omkrystalliseret kornstruktur. Den vigtigste dimensionelle egenskab ved udglødning er minimal forvrængning. Fordi metallet aldrig oplever pludselige termiske gradienter eller fasetransformationer, der involverer volumenændringer, kommer dele fra udglødning med i det væsentlige de samme dimensioner, som de havde i gang. Eventuelle resterende spændinger fra tidligere bearbejdning eller koldbearbejdning aflastes gradvist og ensartet.
Dette gør udglødning til det foretrukne valg for dele, der allerede er blevet grovbearbejdet til næsten nettoform og kræver endelige dimensioner for at forblive stabile. Komplekse komponenter som formbaser, jigplader og præcisionshuse gennemgår ofte spændingsudglødning mellem skrub- og efterbearbejdning. Processen eliminerer de interne spændinger, der forårsager vridning under den endelige bearbejdning. Et praktisk eksempel er en stor aluminiumsplade, der har fået en lomme på den ene side. Uden udglødning ville den ubalancerede spænding fra bearbejdning få pladen til at bøje. En afspændingsudglødning ved 350 grader Fahrenheit i et par timer, efterfulgt af langsom luftafkøling, genopretter stabiliteten, før afsluttende snit tages.
Slukning er derimod en hurtig afkølingsproces. Metallet opvarmes til austenitiseringstemperaturen og dykkes derefter ned i vand, olie eller polymer. Denne hurtige afkøling fanger kulstof i en overmættet fast opløsning kaldet martensit i stål. Martensit har en kropscentreret tetragonal krystalstruktur, der er større i volumen end den originale austenit. Den pludselige volumenudvidelse sker ujævnt, fordi forskellige sektioner af delen afkøles med forskellige hastigheder. Tyndere sektioner afkøles hurtigere, transformeres hurtigere og udvides, mens tykkere sektioner stadig er varme og plastiske. Denne uoverensstemmelse skaber alvorlige indre spændinger og forårsager ofte målbar forvrængning. Et lige skaft kan blive bøjet. En rund boring kan blive oval. En flad tallerken kan udvikle en fadform på flere tusindedele pr. tommes tykkelse.
Slukning introducerer også resterende spændinger, der forbliver låst i delen. Disse spændinger forårsager ikke øjeblikkelig forvrængning, mens delen er intakt, men så snart materiale fjernes ved efterfølgende bearbejdning, forskydes balancen, og delen bevæger sig. Dette er grunden til, at mange butikker rapporterer, at kølede og hærdede ståldele ændrer dimensioner dramatisk under færdigslibning eller hård drejning. Løsningen er at inkludere et tempererings- eller stressaflastende trin umiddelbart efter bratkøling. Tempering genopvarmer den bratkølede del til en moderat temperatur, hvilket tillader en vis stressafslapning uden at miste hårdheden. Selv med temperering vil en bratkølet del dog aldrig være så formstabil som en udglødet del. Den grundlæggende volumenændring fra den martensitiske transformation kan ikke fortrydes.
Til applikationer, der kræver både høj hårdhed og dimensionsstabilitet, er den gennemprøvede sekvens at råbearbejde, derefter bratkøle og temperere, derefter færdiggøre maskinen. Finbearbejdningstrinnet fjerner den forvrængede hud og skaber endelige dimensioner fra det nu stabile materiale. Denne tilgang kræver dog ekstra opsætningstid og risikerer at miste koncentricitet. Et alternativ er at bruge austempering eller marquenching, som er modificerede quenching-processer, der reducerer termiske gradienter. Disse specialprocesser producerer mindre forvrængning, men koster mere og kræver strammere proceskontrol.
Materialevalg har også betydning. Lufthærdende værktøjsstål såsom A2 eller D2 forvrænger meget mindre under bratkøling end vandhærdende kvaliteter som W1. For kritiske dele kan angivelse af et stål med lav forvrængning eller et præcipitationshærdende rustfrit stål som 17 4 PH eliminere problemet. Udfældningshærdning bruger en relativt langsom luftafkølings- og ældningscyklus, der kombinerer høj styrke med fremragende dimensionsstabilitet.
En praktisk regel for CNC-butikker er ligetil. Hvis delen kræver høj hårdhed over 45 HRC og slidstyrke, er bratkøling nødvendig, men planlæg for færdigbearbejdning efter varmebehandling. Hvis delen kun kræver afspænding eller blødgøring for lettere bearbejdning, er udglødning det stabile valg. Sluk aldrig en del, der allerede er færdigbehandlet, til de endelige dimensioner. Forvrængningen vil uvægerligt kassere det. For dele, der er fanget mellem disse krav, skal du overveje en to-trins tilgang: grov maskine, bratkøling og temperament, og afslut derefter maskinen med hård drejning eller slibning. De ekstra operationer koster tid, men garanterer stabilitet. At forstå den grundlæggende forskel mellem den langsomme fredelige transformation af udglødning og den voldsomme, volumenændrende transformation af bratkøling er det første skridt mod forudsigelige, gentagelige deldimensioner.
