חימום מהיר על ידי מערכת חימום אינדוקציה

אחד ההתפתחויות הבולטות האחרונות בתחום הטיפול בחום היה היישום של חימום אינדוקציה להתקשות משטח מקומית. ההתקדמות שנעשתה בהתאם ליישום זרם בתדר גבוה היו לא פחות מפנומנליות. החל לפני זמן קצר יחסית כשיטה מבוקשת להקשחת משטחי מיסבים על גלי ארכובה (כמה מיליונים כאלה נמצאים בשימוש וקובעים שיאי שירות בכל הזמנים), היום מוצאת את שיטת הקשחת השטח הסלקטיבית הזו מייצרת אזורים מוקשים בריבוי של חלקים. עם זאת, למרות רוחב היישום הנוכחי שלה, התקשות אינדוקציה עדיין בשלב התינוק שלה. השימוש הסביר שלו לטיפול בחום ולהתקשות של מתכות, חימום לצורך חישול או הלחמה, או הלחמה של מתכות דומות ושונות, אינו צפוי.

התקשות אינדוקציה גורם לייצור של חפצי פלדה מוקשים מקומיים עם מידת העומק והקשיות הרצויים, מבנה מתכתי חיוני של הליבה, אזור התיחום והמארז המוקשח, עם חוסר עיוות מעשי וללא היווצרות אבנית. זה מאפשר תכנון ציוד שמצדיק מיכון של כל הפעולה כדי לעמוד בדרישות קו הייצור. מחזורי זמן של שניות ספורות בלבד נשמרים על ידי ויסות אוטומטי של הספק ומרווחי חימום וריבוי שבריר שניות הכרחיים ליצירת תוצאות פקסימיליה של קיבועים מיוחדים מדויקים. ציוד התקשות אינדוקציה מאפשר למשתמש להקשיח רק את החלק הדרוש מכל חפץ פלדה ובכך לשמור על המשיכות והחוזק המקוריים; להקשיח פריטים בעלי עיצוב מסובך שלא ניתן לטפל בהם בצורה ישימה אחרת; כדי לבטל טיפול מקדים יקר רגיל כגון ציפוי נחושת וקרבוריזציה, ופעולות יישור וניקוי יקרות לאחר מכן; לצמצם את עלות החומר על ידי מבחר רחב של פלדות לבחירה; ולהקשיח פריט במכונה מלאה ללא צורך בפעולות גימור כלשהן.

למתבונן המזדמן נראה כי התקשות אינדוקציה אפשרית כתוצאה משינוי אנרגיה כלשהו המתרחש באזור אינדוקטיבי של נחושת. הנחושת נושאת זרם חשמלי בתדירות גבוהה, ובתוך מרווח של שניות ספורות, פני השטח של פיסת פלדה המוצבת בתוך אזור מלא אנרגיה זה מחוממים לטווח הקריטי שלו ונכבה לקשיות אופטימלית. ליצרן הציוד לשיטה זו של התקשות המשמעות היא יישום של תופעות של היסטרזה, זרמי מערבולת ואפקט העור לייצור יעיל של התקשות משטח מקומית.

החימום מתבצע על ידי שימוש בזרמים בתדר גבוה. כיום נעשה שימוש נרחב בתדרים שנבחרו במיוחד מ-2,000 עד 10,000 מחזורים ומעלה מ-100 מחזורים. זרם מסוג זה בזרימה דרך משרן מייצר שדה מגנטי בתדר גבוה באזור המשרן. כאשר מניחים חומר מגנטי כמו פלדה בתוך שדה זה, יש פיזור של אנרגיה בפלדה המייצרת חום. המולקולות בתוך הפלדה מנסות ליישר קו עם הקוטביות של שדה זה, ועם זה משתנה אלפי פעמים בשנייה, מתפתחת כמות עצומה של חיכוך מולקולרי פנימי כתוצאה מהנטייה הטבעית של הפלדה להתנגד לשינויים. באופן זה האנרגיה החשמלית הופכת, באמצעות מדיום החיכוך, לחום.

עם זאת, מכיוון שמאפיין מובנה נוסף של זרם בתדר גבוה הוא להתרכז על פני המוליך שלו, רק שכבות פני השטח מתחממות. נטייה זו, הנקראת "אפקט העור", היא פונקציה של התדר, ובשאר הדברים שווים, תדרים גבוהים יותר יעילים בעומקים רדודים יותר. פעולת החיכוך המייצרת את החום נקראת היסטרזיס והיא תלויה כמובן באיכויות המגנטיות של הפלדה. לפיכך, כאשר הטמפרטורה עברה את הנקודה הקריטית שבה הפלדה הופכת ללא מגנטית, כל חימום היסטרי נפסק.

קיים מקור חום נוסף עקב זרמי מערבולת הזורמים בפלדה כתוצאה מהשטף המשתנה במהירות בשטח. כאשר ההתנגדות של הפלדה עולה עם הטמפרטורה, עוצמת הפעולה הזו פוחתת ככל שהפלדה מתחממת, והיא רק חלק מהערך המקורי ה"קר" שלה כאשר מגיעים לטמפרטורת ההמרה המתאימה.

כאשר הטמפרטורה של מוט פלדה מחומם באופן אינדוקטיבי מגיעה לנקודה הקריטית, החימום עקב זרמי מערבולת ממשיך בקצב מופחת מאוד. מכיוון שכל הפעולה נמשכת בשכבות פני השטח, רק החלק הזה מושפע. תכונות הליבה המקוריות נשמרות, התקשות פני השטח מתבצעת על ידי כיבוי כאשר הושגה תמיסת קרביד מלאה באזורי הפנים. המשך הפעלת הכוח גורם לעלייה בעומק הקשיות, שכן כאשר כל שכבת פלדה מובאת לטמפרטורה, צפיפות הזרם עוברת לשכבה שמתחתיה מציעה התנגדות נמוכה יותר. ברור שבחירת התדר המתאים, ושליטה בכוח ובזמן החימום יאפשרו מילוי כל מפרט רצוי של התקשות פני השטח.

מטלורגיה של חימום אינדוקציה

ההתנהגות יוצאת הדופן של פלדה כשהיא מחוממת באופן אינדוקטיבי והתוצאות שהושגו, ראויות לדיון במטלורגיה המעורבת. שיעורי תמיסת קרביד של פחות משנייה, קשיות גבוהה מזו המופקת בטיפול בכבשן, וסוג נודולרי של מרטנזיט הם נקודות שיקול
שמסווגים את המטלורגיה של התקשות אינדוקציה כ"שונה". יתר על כן, פירוק פני השטח וצמיחת גרגרים אינם מתרחשים בגלל מחזור החימום הקצר.

חימום אינדוקציה מייצר קשיות שנשמרת עד 80 אחוז מעומקה, ומשם ואילך, ירידה הדרגתית דרך אזור מעבר לקשיות המקורית של הפלדה כפי שנמצאת בליבה שלא נפגעה. הקשר הוא אפוא אידיאלי, ומבטל כל סיכוי להתפרקות או בדיקה.

ניתן להשיג תמיסת קרביד מלאה והומוגניות, כפי שמעידים קשיות מקסימלית, עם זמן חימום כולל של 0.6 שניות. מתוך הזמן הזה, רק 0.2 עד 0.3 שניות הוא למעשה מעל הקריטי התחתון. מעניין לציין כי ציוד הקשחת אינדוקציה נמצא בפעולה יומיומית על בסיס ייצור עם תמיסת קרביד מלאה, הנובעת ממחזור חימום ומרווה שזמן הזמן הכולל שלו הוא פחות מ-0.2 שניות.

מרטנזיט נודולרי עדין והומוגני יותר הנובע מהתקשות האינדוקציה בולט יותר בקלות עם פלדות פחמן מאשר עם פלדת סגסוגת בגלל המראה הנודולרי של רוב מרטנזיט סגסוגת. למבנה העדין הזה יש למקורו אוסטניט שהוא תוצאה של דיפוזיה יסודית יותר של קרביד ממה שמתקבל בחימום תרמי. כמעט התפתחות מיידית של טמפרטורות קריטיות לאורך כל המיקרו-מבנה של קרביד הברזל והברזל אלפא תורמת במיוחד לתמיסת קרביד מהירה ולהפצה של מרכיבים אשר תוצר בלתי נמנע שלו הוא אוסטנטיט הומוגני לחלוטין. יתר על כן, המרת מבנה זה למרטנזיט תיצור מרטנזיט בעל מאפיינים דומים ועמידות מתאימה בפני בלאי או מכשירים חודרים.

חימום במהירות גבוהה על ידי אינדוקציה

 

=