ריתוך בחישול

ריתוך בחישול הוא תהליך ריתוך במצב מוצק המחבר בין שני חלקי מתכת על ידי חימומם לטמפרטורה גבוהה ודפיקתם בפטיש. הריתוך עשוי להתבצע גם בחימום וחיבור המתכות יחד באמצעות מכבשים או אמצעים אחרים, יצירת לחץ גבוה דיו כדי לגרום לעיוות פלסטי  במשטחי הריתוך. ריתוך בחישול הוא שיטה לחיבור מתכות ששימשה מאז ימי קדם ומהווה מרכיב עיקרי במקצוע הנפחות המסורתית. ריתוך בחישול הוא רב-תכליתי, ומסוגל לחבר שורה של מתכות דומות ושונות. עם המצאת שיטות ריתוך חשמלי וריתוך בחמצן וגז בעירה במהלך המהפכה התעשייתית, הוחלף הריתוך בחישול הידני במידה רבה, אם כי ריתוך בחישול אוטומטי הוא תהליך ייצור נפוץ.

רקע
ריתוך בחישול הוא תהליך של חיבור מתכות על ידי חימומן מעבר לסף מסוים וחיבורן יחד בלחץ מספיק כדי לגרום לעיוות של משטחי הריתוך ויצירת קשר מתכתי בין אטומי המתכות. הלחץ הנדרש משתנה, בהתאם לטמפרטורה, חוזק וקשיות הסגסוגת. ריתוך בחישול הוא טכניקת הריתוך העתיקה ביותר, ונמצא בשימוש מאז ימי קדם.

תהליכי ריתוך בדרך כלל יכולים להתחלק לשתי קטגוריות: היתוך וריתוך בדיפוזיה. ריתוך התכה  כולל התכה מקומית של המתכות בממשקי הריתוך, והוא נפוץ בטכניקות ריתוך חשמלי או גז. התהליך דורש טמפרטורות גבוהות בהרבה מנקודת ההתכה של המתכת על מנת לגרום להתכה מקומית לפני שהחום מובל תרמית מהריתוך, ולעיתים קרובות משתמשים במתכת שלישית כחומר מילוי כדי למנוע מהריתוך להיפרד בשל מתח פנים גבוה. ריתוך בדיפוזיה מורכב מחיבור המתכות מבלי להתיך אותן, ריתוך המשטחים יחד כשהם במצב מוצק.

בריתוך בדיפוזיה, מקור החום לרוב נמוך מנקודת ההיתוך של המתכת, מה שמאפשר פיזור חום אחיד יותר ובכך מפחית את המאמצים התרמיים  באזור הריתוך עצמו. בשיטה זו בדרך כלל לא משתמשים במתכת שלישית כחומר מילוי, והריתוך מתרחש ישירות בין המתכות בממשק הריתוך. זה כולל שיטות כגון ריתוך קר, ריתוך בפיצוץ וריתוך בחישול. שלא כמו שיטות דיפוזיה אחרות, בריתוך בחישול המתכות מחוממות לטמפרטורה גבוהה לפני חיבורן יחד, מה שגורם לרוב לפלסטיות רבה יותר באזורי משטחי הריתוך. זה בדרך כלל הופך את שיטת הריתוך בחישול למגוונת יותר מטכניקות דיפוזיה קרה, המבוצעות בדרך כלל על מתכות רכות כמו נחושת או אלומיניום.

בריתוך בחישול, כל אזורי הריתוך מחוממים באופן שווה. ניתן להשתמש בריתוך בחישול למגוון רחב בהרבה של מתכות וסגסוגות קשות יותר, כמו פלדה וטיטניום.

היסטוריה
ממוזער|שמאל|220px|ספוג ברזל משמש באופן מסורתי לחישול הלהב בחרב היפנית.
ההיסטוריה של חיבור מתכות חוזרת לתקופת הברונזה, שבה עפרות ברונזה בעלות קשיות שונה חוברו לעיתים קרובות על ידי יציקה. שיטה זו כללה הנחת חלק מוצק בתוך מתכת מותכת הכלולה בתבנית ואיפשרה לו להתמצק מבלי להתיך בפועל את שתי המתכות, כגון להב של חרב לתוך ידית או קצהו של ראש חץ. גם הלחמה קשה והלחמה רכה היו נפוצים בתקופת הברונזה.

פעולת הריתוך (חיבור של שני חלקים מוצקים באמצעות דיפוזיה) החלה בברזל. תהליך הריתוך הראשון היה ריתוך בחישול, שהתחיל כאשר בני האדם למדו להתיך ברזל מעפרות ברזל; ככל הנראה באנטוליה (טורקיה) בסביבות 1800 לפני הספירה. אנשים קדומים לא יכלו ליצור טמפרטורות גבוהות מספיק כדי להתיך ברזל במלואו, ולכן תהליך בכבשן  ששימש להתכת ברזל יצר גוש של גרגירי ברזל שסונטרו יחד עם כמויות קטנות של סיגים וזיהומים אחרים, המכונה ספוג ברזל  עקב הנקבוביות שלו.

לאחר ההיתוך, היה צורך לחמם את ספוג הברזל מעל טמפרטורת הריתוך שלו ולהלום בו, או "לחשל" אותו. זה "סחט" החוצה כיסי אוויר וסיגים מומסים, והביא את גרגרי הברזל למגע קרוב לכדי יצירת גוש מוצק (מתיל).

פריטים רבים העשויים מברזל מחושל נמצאו על ידי ארכאולוגים, המראים עדויות לריתוך בחישול, אשר מתוארכים לפני שנת 1,000 לפני הספירה. מכיוון שברזל יוצר בדרך כלל בכמויות קטנות, כל חפץ גדול, כגון עמוד הברזל של דלהי, היה צריך להיות מרותך בחישול מתוך מתילים קטנים יותר.

ריתוך בחישול צמח בשיטת ניסוי וטעייה, והשתכלל במהלך מאות השנים הבאות. בשל האיכות הירודה של מתכות עתיקות, שיטת הריתוך בחישול הייתה נפוצה בייצור פלדות מרוכבות, על ידי חיבור פלדות עתירות פחמן, אשר מתנגדות למעוות אך נשברות בקלות, עם פלדות דלות-פחמן, אשר מתנגדות לשבר אך מתכופפות בקלות, ויוצרות חפץ בעל קשיחות  וחוזק גדולים יותר בהשוואה למה שניתן לייצר עם סגסוגת אחת. שיטה זו של ריתוך בתבנית  הופיעה לראשונה בסביבות שנת 700 לפני הספירה, ושימשה בעיקר לייצור כלי נשק כגון חרבות; הדוגמאות הידועות ביותר הן דמשקיות, יפניות  וויזיגותיות . תהליך זה היה נפוץ גם בייצור כלים, החל ממחרשות ברזל יצוק עם קצוות פלדה ועד אזמלים מברזל עם משטחי חיתוך מפלדה.

חומרים
ניתן לרתך מתכות רבות, כאשר הנפוצות ביותר הן פלדות עתירות ודלות פחמן. ניתן לרתך גם ברזל ואפילו ברזל יצוק היפואוטקטי. ניתן גם לרתך מספר סגסוגות אלומיניום. מתכות כגון נחושת, ברונזה ופליז אינן מרותכות בחישול בקלות. למרות שניתן לחשל סגסוגות המבוססות על נחושת, לעיתים קרובות ניכר קושי רב בשל נטייתה של הנחושת לספוג חמצן במהלך החימום. נחושת וסגסוגותיה מחוברות בדרך כלל טוב יותר בריתוך קר, ריתוך בפיצוץ או טכניקות אחרות של ריתוך בלחץ. בברזל או פלדה, אפילו נוכחות כמויות קטנות של נחושת מפחיתה מאוד את יכולתה של הסגסוגת להיות מרותכת בחישול.

סגסוגות טיטניום מרותכות בדרך כלל בחישול. זאת בשל נטייתו של הטיטניום לספוג חמצן כשהוא מותך, קשרי הדיפוזיה במצב מוצק של ריתוך בחישול הוא לעיתים קרובות חזק יותר מאשר ריתוך היתוך שבו המתכת מתנזלת.

ריתוך בחישול בין חומרים דומים נעשה על ידי דיפוזיה במצב מוצק. כתוצאה מכך נוצר ריתוך שמורכב מהחומרים המרותכים בלבד ללא חומרי מילוי או חומרי גישור. ריתוך בחישול בין חומרים לא דומים נעשה על ידי היווצרות של טמפרטורת התכה נמוכה יותר בין החומרים. בשל כך הריתוך לרוב חזק יותר מהמתכות הבודדות.

תהליכים
ממוזער|שמאל|220px|פטיש טפיפה  ממוכן
תהליך הריתוך בחישול המוכר והוותיק ביותר הוא שיטת ההלימה הידנית בפטיש. ההלימה הידנית נעשתה על ידי חימום המתכת לטמפרטורה המתאימה, ציפוי בתלחים (חול סיליקתי דק), חפיפה של משטחי הריתוך, ולאחר מכן חבטת המחבר שוב ושוב באמצעות פטיש ידני. המחבר נוצר לעיתים קרובות כדי לאפשר מרחב לתלחים לצאת החוצה, על ידי שיפוע או עיגול קל של המשטחים, והלימה באופן רציף כלפי חוץ כדי "לסחוט" את התלחים החוצה. מכות הפטיש בדרך כלל אינן נעשות בתשומת לב כמו אלו המשמשות לעיצוב, ומונעות מהתלחים לצאת מהמחבר במכה הראשונה.

כאשר פותחו פטישים מכניים, ניתן היה לבצע ריתוך בחישול על ידי חימום המתכת, ולאחר מכן הנחתה בין הפטיש הממוכן לסדן. הפטישים המכניים הראשונים הונעו במקור על ידי גלגלי מים, ואילו פטישים מכניים מודרניים יכולים להיות מופעלים גם על ידי אוויר דחוס, חשמל, קיטור, מנועי גז ועוד דרכים רבות אחרות. שיטה נוספת היא ריתוך בחישול עם תבנית , לפיה פיסות המתכת מחוממות ואז נלחצות לתוך תבנית אשר גם מספקת את הלחץ לריתוך וגם שומרת על החיבור בצורה המוגמרת. ריתוך גליל הוא תהליך ריתוך מחשל נוסף, שבו המתכות המחוממות חופפות ומועברות דרך גלילים בלחצים גבוהים כדי ליצור את הריתוך.

ריתוך בחישול מודרני הוא לרוב אוטומטי, תוך שימוש במחשבים, מכונות ומכבשים הידראוליים  מתוחכמים כדי לייצר מגוון מוצרים ממספר סגסוגות שונות. לדוגמה, צינור פלדה מרותך לרוב במהלך תהליך הייצור. מלאי שטוח מחומם ומוזן דרך גלילים בעלי צורה מיוחדת שגם מכופפים את הפלדה לצינור וגם מספקים בו זמנית את הלחץ לריתוך הקצוות לכדי תפר רציף.

ריתוך בדיפוזיה היא שיטה נפוצה לריתוך של סגסוגות טיטניום בתעשייה האווירית. בתהליך זה מחממים את המתכת בעודה במכבש או במות. מעבר לטמפרטורה קריטית ספציפית, המשתנה בהתאם לסגסוגת, הלכלוכים נשרפים והמשטחים נאלצים זה לזה.

שיטות אחרות כוללות ריתוך בהבזקה וריתוך בהקשה . אלו הן טכניקות ריתוך בחישול בהתנגדות בהן המכבש או התבנית מחושמלים, מעבירים זרם גבוה דרך הסגסוגת כדי ליצור את החום הדרוש לריתוך. ריתוך בחישול בגז מגן אקטיבי הוא תהליך של ריתוך בחישול בסביבה תגובתית לחמצן, לשריפת תחמוצות, באמצעות גז מימן וחימום השראתי.

טמפרטורה
ניתן לרתך ברזל, פלדות שונות ואפילו ברזל יצוק זה לזה, בתנאי שתכולת הפחמן שלהם קרובה מספיק כדי שטווחי הריתוך יתאימו. ניתן לרתך ברזל טהור כאשר צבעו כמעט לבן מחום; בין 1,400 ל-1,500 מעלות צלזיוס. ניתן לרתך פלדה עם תכולת פחמן של 2.0% כשצבעה צהוב-כתום, בין 900 ל-1,100 מעלות צלזיוס. פלדה רגילה, בין 0.2% ל-0.8% פחמן, מרותכת בדרך כלל בחום צהוב עז.

דרישה עיקרית לריתוך בחישול היא ששני משטחי הריתוך צריכים להיות מחוממים לאותה טמפרטורה ולרתכם לפני שהם מתקררים יתר על המידה. כאשר הפלדה מגיעה לטמפרטורה המתאימה, היא מתחילה להרתך בקלות רבה, ולכן מוט דק או מסמר דק שחומם לאותה טמפרטורה יטו להידבק במגע ראשון, ויתחילו להתכופף או להתפתל.

יש להקפיד להימנע מחימום יתר של המתכת עד כדי כך שהיא מוציאה ניצוצות  מחמצון מהיר (בעירה), אחרת הריתוך שיתקבל יהיה גרוע ושביר.

שחרור פחמן
כאשר פלדה מחוממת לטמפרטורת אוסטניט, הפחמן מתחיל להתפזר דרך הברזל. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר כך קצב הדיפוזיה גדול יותר. בטמפרטורות גבוהות מאוד, פחמן מתחבר בקלות עם חמצן ויוצר פחמן דו-חמצני, כך שהפחמן יכול להתפזר בקלות אל מחוץ לפלדה לאוויר שמסביב. בסיום עבודת הנפחות, הפלדה תהיה בעלת תכולת פחמן נמוכה יותר מזו שהייתה לפני החימום. לכן, רוב פעולות הנפחות נעשות במהירות האפשרית על מנת להפחית את שחרור הפחמן, ולמנוע מהפלדה להפוך לרכה מדי.

כדי לייצר את מידת הקשיות הנכונה במוצר המוגמר, היוצר מתחיל בדרך כלל בפלדה בעלת תכולת פחמן גבוהה מהרצוי. בימי קדם, נפח החל לעיתים קרובות עם פלדה שהייתה לה תכולת פחמן גבוהה מדי לשימוש רגיל. רוב תהליך הריתוך בחישול העתיק התחיל עם פלדה היפראוטקטואידית , בעלת תכולת פחמן הגבוהה לעיתים קרובות מ-1.0%. פלדות היפראוקטואידיות הן בדרך כלל שבירות מכדי להיות שימושיות במוצר מוגמר, אך בסוף החישול הייתה לפלדה בדרך כלל תכולת פחמן גבוהה שנעה בין 0.8% (פלדת כלי עבודה אוטקטואידית) ל-0.5% (פלדה גמישה היפואוקטואידית).

יישומים
ריתוך בחישול שימש לאורך ההיסטוריה בייצור כמעט כל פריט מפלדה וברזל. הוא שימש לייצור של כלי עבודה, מכשירים חקלאיים וכלי בישול ועד לייצור גדרות, שערים ותאי כלא. במהפכה התעשייתית המוקדמת, היה נפוץ בשימוש לייצור של דוודים ומכלי לחץ, עד להכנסת תהליך הריתוך התכה . ריתוך בחישול היה בשימוש נפוץ במהלך ימי הביניים לייצור שריון וכלי נשק.

אחד היישומים המפורסמים ביותר של ריתוך בחישול כלל ייצור להבים מרותכים בתבנית . במהלך תהליך זה, הנפח מושך שוב ושוב גוש פלדה, מקפל אותו לאחור ומרתך אותו על עצמו. יישום נוסף היה ייצור קנים לרובי ציד. תיל מתכת מתלפף על גבי סֶרֶן , ולאחר מכן חושל לקנה דק, אחיד וחזק. במקרים מסוימים, החפצים המרותכים בחישול נצרבו בחומצה כדי לחשוף את תבנית המתכת הבסיסית, שהיא ייחודית לכל פריט ומספקת משיכה אסתטית.

למרות המגוון השימושי והיישומי שלו, לריתוך בחישול היו מגבלות רבות. מגבלה עיקרית הייתה גודלם של חפצים שניתן היה לרתך. חפצים גדולים דרשו מקור חום גדול יותר, והגודל הפחית את היכולת לרתך אותו ידנית לפני שהוא מתקרר יותר מדי. ריתוך פריטים גדולים כמו לוחות פלדה או קורות לא היה אפשרי בדרך כלל, או לפחות לא מעשי מאוד, עד להמצאת ריתוך התכה, שחייב אותם להיות ממוסמרים במקום. במקרים מסוימים, ריתוך התכה יצר ריתוך חזק בהרבה, כמו למשל בבניית דוודים.

תלחים
ריתוך בחישול מחייב את משטחי הריתוך להיות נקיים במיוחד או שהמתכות לא יתחברו כראוי, אם בכלל. תחמוצות נוטות להיווצר על פני השטח בעוד זיהומים כמו זרחן וגופרית נוטים לנדוד אל פני השטח. לעיתים קרובות משתמשים בתלחים כדי למנוע את חמצון משטחי הריתוך, דבר היוצר ריתוך באיכות ירודה, וכדי לחלץ זיהומים אחרים מהמתכת. התלחים מתערבב עם התחמוצות שנוצרות ומוריד את טמפרטורת ההיתוך ואת צמיגות התחמוצות. זה מאפשר לתחמוצות לזרום החוצה מהמחבר כאשר שני החלקים מתחברים יחד. ניתן להכין תלחים פשוט מבוראקס, לפעמים בתוספת של אבקת שבבי ברזל.

התלחים העתיק ביותר ששימש לריתוך בחישול היה חול סיליקתי דק. הברזל או הפלדה מחוממים בסביבה מצומצמת בתוך הגחלת בעת החישול. המתכת נטולת החמצן יוצרת שכבה של תחמוצת ברזל הנקראת ווסטייט  על פני השטח שלה. כאשר המתכת חמה מספיק, אך מתחת לטמפרטורת הריתוך, הנפח מפזר מעט חול על המתכת. הסיליקון בחול מגיב עם הווסטייט ויוצר פאיאליט, הניתך ממש מתחת לטמפרטורת הריתוך. זה יוצר תלחים יעיל מאוד שעוזר ליצירת ריתוך חזק.

דוגמאות מוקדמות לתלחימים השתמשו בשילובים שונים ובכמויות שונות של שבבי ברזל, בוראקס, אמוניאק סל , בלסם  של קופאיבה , ציאניד של אשלג וזרחה. מהדורת 1920 של ספר העובדות והנוסחאות של סיינטיפיק אמריקן מציינת סוד מסחרי המוצע לעיתים קרובות כמו שימוש בקופראס , אשלגן חנקתי, מלח בישול, תחמוצת שחורה של מנגן, אשלג פרוס  ו"חול ריתוך נחמד" (סיליקט).

הערות שוליים

חישול