प्रेरण सख्त

प्रेरण हार्डनिंग एक प्रकार की सतह हार्डनिंग होती है जिसमें धातु का भाग प्रेरण ऊष्मन या प्रेरण-हीटेड होता है और फिर ठंडा हो जाता है। ठंडी होती हुई धातु मार्टेंसिटिक परिवर्तन से निकलती है, जिससे कठोरता (पदार्थ विज्ञान) और भाग की भंगुरता बढ़ जाती है। प्रेरण हार्डनिंग का उपयोग भाग के गुणों को प्रभावित किए बिना किसी भाग या असेंबली के चयनित कठोर क्षेत्रों के लिए किया जाता है।

प्रक्रिया

प्रेरण हीटिंग गैर संपर्क हीटिंग प्रक्रिया है जो वर्क-पीस की सतह परत के अंदर गर्मी उत्पन्न करने के लिए विद्युत चुंबकत्व प्रेरण के सिद्धांत का उपयोग करती है। प्रवाहकीय पदार्थ को सशक्त वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र में रखकर, विद्युत प्रवाह को पदार्थ में प्रवाहित किया जा सकता है जिसके कारण गर्मी उत्पन्न होती है और पदार्थ में R² हानि चुंबकीय पदार्थ में, हिस्टैरिसीस हानि के कारण क्यूरी बिंदु के नीचे और अधिक गर्मी उत्पन्न होती है। उत्पन्न धारा मुख्य रूप से सतह परत में प्रवाहित होती है, इस परत की गहराई को वैकल्पिक क्षेत्र की आवृत्ति, सतह शक्ति घनत्व, पदार्थ की पारगम्यता (विद्युत चुंबकत्व), गर्मी का समय और बार या पदार्थ के व्यास द्वारा निर्धारित किया जाता है। इस गर्म परत को पानी, तेल, या बहुलक आधारित शमन में बुझाकर, सतह की परत को मार्टेन्सिटिक संरचना बनाने के लिए बदल दिया जाता है जो आधार धातु की तुलना में कठिन होता है।

परिभाषा

स्टील की सतह हार्डनिंग करने के लिए व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली प्रक्रिया होती है। घटकों को वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से तत्काल शमन के बाद परिवर्तन सीमा के अन्दर या ऊपर के तापमान पर गर्म किया जाता है। घटक का मूल उपचार से अप्रभावित रहता है और इसके भौतिक गुण उस बार के होते हैं जिससे इसे मशीनीकृत किया गया था, जबकि स्थिति की कठोरता 37/58 रॉकवेल मापदंड के अन्दर हो सकती है। 0.40/0.45% की सीमा में समतुल्य कार्बन पदार्थ वाले कार्बन और मिश्र धातु स्टील्स इस प्रक्रिया के लिए सबसे उपयुक्त हैं।

एक बड़ी प्रत्यावर्ती धारा कुंडल के माध्यम से संचालित होती है, जिससे अंतरिक्ष में बहुत ही तीव्र और त्वरिती से बदलते चुंबकीय क्षेत्र का निर्माण होता है। वर्कपीस को गर्म करने के लिए इस वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र के अन्दर रखा जाता है जहां वर्कपीस के अन्दर एड़ी धाराएं उत्पन्न होती हैं और प्रतिरोध धातु के जूल हीटिंग की ओर जाता है।

कई यांत्रिक भाग में सुधार के लिए , जैसे कि शाफ्ट, गियर और स्प्रिंग्स को मशीनिंग के बाद सतह के उपचार के अधीन किया जाता है। इन उपचारों की प्रभावशीलता सतह पदार्थ गुणों के संशोधन और अवशिष्ट तनाव की प्रारंभ दोनों पर निर्भर करती है। इन उपचारों में, प्रेरण हार्डनिंग घटक विकट स्थायित्व में सुधार करने के लिए सबसे व्यापक रूप से नियोजित में से है। यह कार्य-टुकड़ा में तन्यता अवशिष्ट तनाव के साथ कठिन कोर और संपीड़ित तनाव के साथ कठिन सतह परत निर्धारित करता है, जो घटक स्थायित्व (पदार्थ) जीवन और वियर के प्रतिरोध को बढ़ाने में बहुत प्रभावी सिद्ध हुआ है। प्रेरण सतह कठोर कम मिश्रित मध्यम कार्बन स्टील्स का व्यापक रूप से महत्वपूर्ण मोटर वाहन और मशीन अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जाता है जिसके लिए उच्च वियर के प्रतिरोध की आवश्यकता होती है। प्रेरण कठोर भागों का वियर का प्रतिरोध व्यवहार हार्डनिंग गहराई और सतह परत में अवशिष्ट संपीड़ित तनाव के परिमाण और वितरण पर निर्भर करता है।

इतिहास

माइकल फैराडे द्वारा 1831 में सभी प्रेरण हीटिंग प्रणाली की खोज की गई थी। फैराडे ने सिद्ध किया कि सामान्य चुंबकीय कोर के चारों ओर तार के दो कॉइल घुमाकर दूसरी वाइंडिंग में विद्युत प्रवाह को प्रारंभ और बंद करके दूसरी वाइंडिंग में क्षणिक वैद्युतवाहक बल बनाना संभव था। उन्होंने आगे देखा कि यदि धारा को स्थिर रखा जाता है, जिससे दूसरी वाइंडिंग में कोई ईएमएफ प्रेरित नहीं होता है और यह धारा विपरीत दिशाओं में प्रवाहित होता है, इस प्रकार परिपथ में धारा बढ़ रहा हो या घट रहा हो किन्तु फैराडे ने निष्कर्ष निकाला कि बदलते चुंबकीय क्षेत्र द्वारा विद्युत प्रवाह उत्पन्न किया जा सकता है। चूंकि प्राथमिक और द्वितीयक वाइंडिंग के बीच कोई भौतिक संबंध नहीं था, द्वितीयक कुंडल में ईएमएफ को प्रेरित कहा जाता था और इसलिए फैराडे के प्रेरण के नियम का जन्म हुआ था। बार खोजे जाने के बाद, इन सिद्धांतों को अगली शताब्दी में डाइनेमो (विद्युत जनरेटर और विद्युत मोटर, जो ही चीज़ के वेरिएंट हैं) और विद्युत ट्रांसफार्मर के रूपों के डिजाइन में नियोजित किया गया था। इन अनुप्रयोगों में, विद्युत या चुंबकीय परिपथ में उत्पन्न किसी भी गर्मी को अवांछनीय अनुभव किया गया था। इंजीनियरों ने बड़ी लंबाई में जाकर प्रभाव को कम करने के लिए लेमिनेट किया हुआ कोर और अन्य विधियों का उपयोग किया गया था।

पिछली शताब्दी की प्रारंभ में स्टील को पिघलाने के साधन के रूप में सिद्धांतों की खोज की गई थी, और प्रेरण भट्टी के लिए आवश्यक शक्ति प्रदान करने के लिए मोटर जनरेटर विकसित किया गया था। स्टील को पिघलाने की कार्यप्रणाली की सामान्य स्वीकृति के बाद, इंजीनियरों ने प्रक्रिया के उपयोग के लिए अन्य संभावनाओं का पता लगाना प्रारंभ किया था। यह पहले से ही समझा गया था कि स्टील में वर्तमान पैठ की गहराई इसकी चुंबकीय पारगम्यता, प्रतिरोधकता और प्रयुक्त क्षेत्र की आवृत्ति का कार्य है। मिडवैल स्टील और ओहियो क्रैंकशाफ्ट कंपनी के इंजीनियरों ने मोटर जनरेटर का उपयोग करके पहली सतह हार्डनिंग प्रेरण हीटिंग प्रणाली विकसित करने के लिए इस ज्ञान को आकर्षित किया था।

सरलता से स्वचालित प्रणालियों की आवश्यकता ने प्रेरण हार्डनिंग प्रक्रिया की समझ और उपयोग में बड़े मापदंड पर प्रगति की और 1950 के दशक के अंत तक मोटर जनरेटर और थर्मोनिक उत्सर्जन ट्रायोड ऑसिलेटर का उपयोग करने वाली कई प्रणालियाँ उद्योगों की विशाल सरणी में नियमित उपयोग में थीं। आधुनिक समय की प्रेरण हीटिंग इकाइयां 1 किलोवाट से कई मेगावाट तक की शक्तियों की श्रृंखला विकसित करने के लिए अर्धचालक प्रौद्योगिकी और डिजिटल नियंत्रण प्रणालियों में नवीनतम उपयोग करती हैं।

प्रमुख विधि

सिंगल शॉट हार्डनिंग

सिंगल शॉट प्रणाली में घटक को स्थिर रूप से रखा जाता है या कॉइल में घुमाया जाता है और उपचारित किए जाने वाले पूरे क्षेत्र को पूर्व निर्धारित समय के लिए साथ गर्म किया जाता है, जिसके बाद या तो फ्लड शमन या ड्रॉप शमन प्रणाली होती है। एकल शॉट का उपयोग अधिकांशतः उन स्थितियों में किया जाता है जहां कोई अन्य विधि वांछित परिणाम प्राप्त नहीं करती है, उदाहरण के लिए हथौड़ों के सपाट चेहरे को हार्डनिंग करना, जटिल आकार के औजारों को हार्डनिंग करना या छोटे गियर का उत्पादन करता था।

शाफ़्ट हार्डनिंग के स्थिति में सिंगल शॉट मेथडोलॉजी का और लाभ प्रोग्रेसिव ट्रैवर्स हार्डनिंग मेथड्स की तुलना में प्रोडक्शन टाइम है। इसके अतिरिक्त कॉइल्स का उपयोग करने की क्षमता जो व्यासीय प्रवाह के अतिरिक्त घटक में अनुदैर्ध्य वर्तमान प्रवाह बना सकती है, कुछ जटिल ज्यामिति के साथ लाभ हो सकता है।

सिंगल शॉट एप्रोच के हानि हैं। कुंडल डिजाइन अत्यंत जटिल और सम्मिलित प्रक्रिया हो सकती है। अधिकांशतः दिए गए क्षेत्रों में चुंबकीय क्षेत्र की सांद्रता को प्रभावित करने के लिए फेराइट (चुंबक) या लैमिनेटेड लोडिंग पदार्थ के उपयोग की आवश्यकता होती है जिससे उत्पादित गर्मी पैटर्न को परिष्कृत किया जा सकता था। और दोष यह है कि अनुप्रस्थ दृष्टिकोण की तुलना में बढ़े हुए सतह क्षेत्र के गर्म होने के कारण बहुत अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है।

ट्रैवर्स हार्डनिंग

अनुप्रस्थ हार्डनिंग प्रणालियों में वर्कपीस को प्रेरण कुंडली के माध्यम से उत्तरोत्तर पारित किया जाता है और निम्नलिखित शमन स्प्रे या रिंग का उपयोग किया जाता है। ट्रैवर्स हार्डनिंग का उपयोग शाफ्ट प्रकार के घटकों जैसे एक्सल शाफ्ट, एक्सकेवेटर बकेट पिन, स्टीयरिंग कंपोनेंट्स, पावर टूल शाफ्ट और ड्राइव शाफ्ट के उत्पादन में बड़े मापदंड पर किया जाता है। घटक को रिंग प्रकार के प्रारंभ करनेवाला के माध्यम से खिलाया जाता है जो सामान्यतः ही मोड़ की सुविधा देता है। मोड़ की चौड़ाई अनुप्रस्थ गति, उपलब्ध शक्ति और जनरेटर की आवृत्ति से तय होती है। यह ऊष्मा का गतिमान बैंड बनाता है जो बुझने पर कठोर सतह परत बनाता है। शमन वलय या तो निम्नलिखित व्यवस्था का अभिन्न अंग हो सकता है या आवेदन की आवश्यकताओं के अधीन दोनों का संयोजन हो सकता है। अलग-अलग गति और शक्ति से शाफ्ट बनाना संभव है जो अपनी पूरी लंबाई के साथ या सिर्फ विशिष्ट क्षेत्रों में कठोर हो और व्यास या स्प्लिन में कदमों के साथ शाफ्ट को हार्डनिंग करने के लिए भी उपयोग किया जाता है। प्रक्रिया के समय भाग को घुमाने के लिए गोल शाफ्ट को हार्डनिंग करते समय यह सामान्य है कि कुंडल की सांद्रता के कारण किसी भी भिन्नता को सुनिश्चित किया जाए और घटक को हटा दिया जाता है।

अनुप्रस्थ विधियाँ किनारे के घटकों के उत्पादन में भी सम्मिलित हैं, जैसे कि कागज़ के चाकू, चमड़े के चाकू, लॉनमॉवर बॉटम ब्लेड और हैकसॉ ब्लेड आदि इस प्रकार के अनुप्रयोग सामान्यतः हेयरपिन कॉइल या अनुप्रस्थ फ्लक्स कॉइल का उपयोग करते हैं जो घटक के किनारे पर बैठता है। घटक को कॉइल के माध्यम से आगे बढ़ाया जाता है और नोजल या ड्रिल किए गए ब्लॉकों से मिलकर निम्नलिखित स्प्रे शमन होता है।

कॉइल के माध्यम से प्रगतिशील गति प्रदान करने के लिए कई विधियों का उपयोग किया जाता है और ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज दोनों प्रणालियों का उपयोग किया जाता है। ये सामान्यतः स्थितीय नियंत्रण, स्विचिंग, निगरानी और सेटिंग के लिए डिजिटल डाटा एनकोडर (स्थिति) और निर्देशयोग्य तर्क नियंत्रक को नियोजित करते हैं। सभी स्थितियों में ट्रैवर्स की गति को सूक्ष्मता से नियंत्रित और सुसंगत होना चाहिए क्योंकि गति में भिन्नता का कठोरता की गहराई और प्राप्त कठोरता मूल्य पर प्रभाव पड़ता है।

उपकरण

शक्ति की आवश्यकता

प्रेरण हार्डनिंग के लिए बिजली की आपूर्ति कुछ किलोवाट से लेकर सैकड़ों किलोवाट तक की शक्ति में भिन्न होती है, जो गर्म किए जाने वाले घटक के आकार और नियोजित उत्पादन विधि अर्थात सिंगल शॉट हार्डनिंग, ट्रैवर्स हार्डनिंग या जलमग्न हार्डनिंग के आधार पर भिन्न होती है।

सही बिजली आपूर्ति का चयन करने के लिए पहले गर्म होने वाले घटक के सतह क्षेत्र की गणना करना आवश्यक है। बार यह स्थापित हो जाने के बाद आवश्यक शक्ति घनत्व, ताप समय और जनरेटर संचालन आवृत्ति की गणना करने के लिए विभिन्न विधियों का उपयोग किया जा सकता है। परंपरागत रूप से यह रेखांकन, जटिल अनुभवजन्य गणना और अनुभव की श्रृंखला का उपयोग करके किया गया था। आधुनिक तकनीकें सामान्यतः परिमित तत्व विश्लेषण और कंप्यूटर-सहायता प्राप्त निर्माण तकनीकों का उपयोग करती हैं, चूँकि इस तरह के सभी विधियों के साथ प्रेरण ताप प्रक्रिया का गहन कार्यसाधक ज्ञान अभी भी आवश्यक है।

एकल शॉट अनुप्रयोगों के लिए गर्म किए जाने वाले कुल क्षेत्र की गणना करने की आवश्यकता है। अनुप्रस्थ हार्डनिंग होने के स्थिति में घटक की परिधि को कॉइल के चेहरे की चौड़ाई से गुणा किया जाता है। कॉइल फेस चौड़ाई का चयन करते समय इस बात का ध्यान रखा जाना चाहिए कि चुनी गई चौड़ाई के कॉइल का निर्माण करना व्यावहारिक है और यह एप्लिकेशन के लिए आवश्यक शक्ति पर जीवित रहता है।

आवृत्ति

हार्डनिंग के लिए प्रेरण हीटिंग प्रणाली सामान्यतः 1 किलोहर्ट्ज़ से 400 किलोहर्ट्ज़ तक विभिन्न संचालन आवृत्ति में उपलब्ध हैं। उच्च और निम्न आवृत्तियाँ उपलब्ध हैं किन्तु सामान्यतः इनका उपयोग विशेषज्ञ अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है। संचालन आवृत्ति और वर्तमान प्रवेश गहराई के बीच संबंध और इसलिए कठोरता गहराई व्युत्क्रमानुपाती है। अर्थात आवृत्ति जितनी कम होगी स्थिति उतनी ही गहरा होटी है।

विभिन्न केस गहराई और पदार्थ व्यास के लिए आवृत्तियों के उदाहरण

केस की गहराई [मिमी]	बार व्यास [मिमी]	आवृत्ति [किलोहर्ट्ज़]
0.8 to 1.5	5 to 25	200 to 400
1.5 to 3.0	10 to 50	10 to 100
	>50	3 to 10
3.0 to 10.0	20 to 50	3 to 10
	50 to 100	1 to 3
	>100	1

उपरोक्त तालिका विशुद्ध रूप से उदाहरणात्मक है, इन सीमाओं के बाहर बिजली घनत्व, आवृत्ति और निवेश सहित अन्य व्यावहारिक विचारों को संतुलित करके अच्छे परिणाम प्राप्त किए जा सकते हैं जो अंतिम चयन, गर्मी समय और कुंडल चौड़ाई को प्रभावित कर सकते हैं। साथ ही बिजली घनत्व और आवृत्ति, जिस समय के लिए पदार्थ गर्म हो जाती है, उस गहराई को प्रभावित करेगी जिससे गर्मी प्रवाहकत्त्व द्वारा प्रवाहित होती है। कॉइल में समय ट्रैवर्स गति और कॉइल की चौड़ाई से प्रभावित हो सकता है, चूँकि इसका समग्र बिजली की आवश्यकता या उपकरण थ्रूपुट पर भी प्रभाव पड़ता है।

उपरोक्त तालिका से यह देखा जा सकता है कि किसी भी अनुप्रयोग के लिए सही उपकरण का चयन अत्यंत जटिल हो सकता है क्योंकि किसी दिए गए परिणाम के लिए शक्ति, आवृत्ति और गति के से अधिक संयोजन का उपयोग किया जा सकता है। चूँकि व्यवहार में कई चयन पिछले अनुभव और व्यावहारिकता के आधार पर तुरंत स्पष्ट हो जाते हैं।

लाभ

• त्वरित प्रक्रिया, कोई होल्डिंग समय की आवश्यकता नहीं है, इसलिए उत्पादन दर अधिक है
• कोई स्केलिंग या डीकार्बराइजिंग नहीं है
• केस की अधिक गहराई, 8 मिमी तक है
• चयनात्मक हार्डनिंग है
• उच्च वियर और फैटिग प्रतिरोध है

अनुप्रयोग

प्रक्रिया स्टील जैसे विद्युत प्रवाहकीय चुंबकीय पदार्थ के लिए प्रयुक्त होती है।

एक्सल जैसे लंबे वर्क पीस को प्रोसेस किया जा सकता है।

यह भी देखें

• स्थिति को सशक्त बनाना
• प्रेरण फोर्जिंग
• प्रेरण हीटर
• प्रेरण हटना फिटिंग

संदर्भ

ग्रन्थसूची

• Davies, John; Simpson, Peter (1979), Induction Heating Handbook, McGraw-Hill, ISBN 0-07-084515-8.
• Rapoport, Edgar; Pleshivtseva, Yulia (2006), Optimal Control of Induction Heating Processes, CRC Press, ISBN 0-8493-3754-2.
• Rudnev, Valery; Loveless, Don; Cook, Raymond; Black, Micah (2002), Handbook of Induction Heating, CRC Press, ISBN 0-8247-0848-2.

बाहरी संबंध

• Frequently Asked Questions About The Induction Hardening Process with examples of Induction Heating Applications
• The National Metals Centre offering Design, Modeling & Simulation (DMS) technologies relating to Induction Hardening processes - NAMTEC