ทำไมลูกสูบฟอร์จ (forged) ถึงแข็งแรงทนทานกว่าลูกสูบเหล็กหล่อหรือเหล็กขึ้นรูป

คอรถยนต์ที่ติดตามข่าวคราวในวงการยานยนต์ระดับโลกมักพบเห็นการใช้ชิ้นส่วน “ฟอร์จ” หรือ forged ในรถสมรรถนะสูงหรือรถยนต์ที่ต้องการความทนทานเป็นพิเศษ

หนึ่งในชิ้นส่วนสำคัญที่มักผ่านกระบวนการผลิตแบบฟอร์จก็คือลูกสูบซึ่งต้องการความทนทานเป็นอย่างยิ่งเพื่อรองรับการใช้งานในช่วงรอบเครื่องยนต์สูง ยิ่งลูกสูบมีความแข็งแรงมากเท่าไหร่ก็จะยิ่งรองรับแรงม้า-แรงบิดได้สูงมากขึ้นเท่านั้น

เว็บไซต์ Donut Media ได้ทำการทดลองเพื่อค้นหาเหตุผลว่าทำไมลูกสูบฟอร์จถึงแข็งแกร่งเพียงนี้ พร้อมเปรียบเทียบกับลูกสูบเหล็กหล่อดั้งเดิมและลูกสูบบิลเล็ต (billet) ที่สะกัดจากเหล็กก้อนที่มีความแข็งแรงขึ้นมาอีกระดับ

ทำความเข้าใจกระบวนการผลิต

ก่อนอื่นต้องทำความเข้าใจกระบวนการผลิตลูกสูบแต่ละประเภทกันก่อน ลูกสูบเหล็กหล่อหรือ cast ทำจากการหลอมโลหะผสมหรืออัลลอยให้เป็นของเหลว จากนั้นทำการเทลงในแม่พิมพ์เพื่อขึ้นรูปให้เป็นกระบอกสูบตามขนาดที่กำหนดไว้ตั้งแต่ต้น

การทำลูกสูบเหล็กหล่อไม่มีความซับซ้อนมากนัก มีต้นทุนต่ำ ผลิตง่ายและรวดเร็ว จึงเป็นที่นิยมของบริษัทผู้ผลิตรถยนต์กระแสหลักทั่วไป เหมาะสำหรับการใช้งานในรถยนต์ระดับแมสที่มีการผลิตออกจำหน่ายเป็นจำนวนมาก

อย่างไรก็ตาม จุดอ่อนของลูกสูบเหล็กหล่อคือการไม่สามารถควบคุมการหล่อตัวของโลหะได้ บางครั้งอาจเกิดความไม่สม่ำเสมอของผลึกโลหะและมีรูอากาศเกิดขึ้น ทำให้มีความแข็งแรงน้อยกว่าลูกสูบฟอร์จหรือบิลเล็ต ถึงแม้จะผลิตด้วยวัสดุแบบเดียวกันก็ตาม

ขยับมาดูกันที่ลูกสูบบิลเล็ต เกิดจากการสกัดโลหะทั้งก้อนให้กลายเป็นลูกสูบ กระบวนการผลิตเช่นนี้ทำให้ตัวลูกสูบมีความแข็งแรงมากขึ้น ผลึกโลหะมีความหนาแน่น แต่จุดอ่อนอยู่ตรงที่จุดตัดของลูกสูบอาจทำให้เกิดเกรนของโลหะ

สุดท้าย ลูกสูบฟอร์จมีกระบวนการผลิตช่วงเริ่มต้นคล้ายกับลูกสูบบิลเล็ต แต่แทนที่จะสกัดให้กลายเป็นลูกสูบที่ต้องการ ก้อนเหล็กถูกทำความร้อน นำเข้าเตาหลอม และกดอัดในดาย (die) หรือแม่พิมพ์หล่อฉีดให้มีขนาดตามต้องการด้วยแรงหลายพันปอนด์  นั่นทำให้ผลึกโลหะมีความหนาแน่นสูงมากและจัดเรียงตัวกันได้อย่างสมบูรณ์แบบ  

เมื่อเกรนโลหะมีการเรียงตัวที่เป็นเลิศและมีจุดอ่อนน้อย ทำให้ลูกสูบฟอร์จมีความแข็งแรงทนทานมากที่สุดและรองรับการทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพ รวมถึงตอบสนองต่อการ “จุดระเบิด” อย่างเต็มที่ ทำให้เป็นที่นิยมสำหรับบริษัทผู้ผลิตรถสมรรถนะสูงและสำนักแต่งต่าง ๆ ใช้งานในรถยนต์หลายร้อยแรงม้าไปจนถึงระดับทะลุพันแรงม้า