เหตุใดจึงควรเลือกวัสดุสิ้นเปลืองการเชื่อมโลหะผสมโคบอลต์สำหรับการซ่อมวาล์ว?

ในอุตสาหกรรมและการขนส่งสมัยใหม่ วาล์วซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของเครื่องยนต์ต้องสัมผัสกับอุณหภูมิที่สูง แรงดันสูง และสารกัดกร่อนเป็นเวลานาน ตามสถิติของ ระหว่างประเทศ รถยนต์ การซ่อมบำรุง สมาคม (ไออามา) ในปี 2024 พบว่าวาล์วเสียหายคิดเป็น 35% ของกรณีการซ่อมเครื่องยนต์ และการเลือกใช้วัสดุซ่อมแซมส่งผลโดยตรงต่ออายุการใช้งานของอุปกรณ์และความปลอดภัยในการทำงาน บทความนี้วิเคราะห์ข้อได้เปรียบทางเทคนิคของวัสดุสิ้นเปลืองสำหรับการเชื่อมโลหะผสมโคบอลต์ในการซ่อมวาล์วโดยอิงจากการวิจัยด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและข้อมูลการปฏิบัติในอุตสาหกรรม

ความท้าทายหลักของการซ่อมวาล์ว

สภาพการทำงานที่รุนแรงทำให้สูญเสียวัสดุ

วาล์วเครื่องยนต์สันดาปภายในทำงานภายใต้อุณหภูมิสูงถึง 800-1,000 องศาเซลเซียส ขณะที่วาล์วเทอร์โบชาร์จเจอร์ทำงานภายใต้อุณหภูมิสูงกว่า 1,200 องศาเซลเซียส ทนต่อแรงดันแก๊สได้สูงถึง 20 เมกะปาสกาล (ที่มา: เอสเออี ระหว่างประเทศ “เครื่องยนต์ วัสดุ ความน่าเชื่อถือ ศึกษา”) วัสดุสิ้นเปลืองสำหรับการเชื่อมแบบสเตนเลสทั่วไปอาจเกิดความล้าจากความร้อนและการกัดกร่อนแบบออกซิเดชันในสภาพแวดล้อมดังกล่าว

การโจมตีทางเคมีและการสึกหรอ

กรดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่มีกำมะถัน รวมถึงส่วนประกอบที่มีฤทธิ์เป็นด่างในน้ำมันหล่อลื่น เร่งการกัดกร่อนแบบกัลวานิกบนพื้นผิววาล์ว การทดสอบของ อเมริกัน สังคม สำหรับ การทดสอบ และ วัสดุ (เอส ที เอส ที) แสดงให้เห็นว่าอัตราการกัดกร่อนประจำปีของเหล็กอัลลอยด์ธรรมดาในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดจะอยู่ที่ 0.3 มม. (มาตรฐาน เอส ที เอส ที G1-03)

ความก้าวหน้าทางเทคนิคในวัสดุสิ้นเปลืองการเชื่อมโลหะผสมโคบอลต์

ประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูง

โลหะผสมที่มีส่วนประกอบของโคบอลต์จะมีอุณหภูมิของเส้นเฟสแข็งเกิน 1,320℃ ซึ่งสูงกว่าโลหะผสมที่มีส่วนประกอบของนิกเกิล (~1,260℃) และสแตนเลส (~1,370℃ แต่มีความต้านทานออกซิเดชันที่อ่อนแอ) อย่างมีนัยสำคัญ

คุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อนและการสึกหรอ

ในการทดสอบจำลองสภาพแวดล้อมไอเสียของเครื่องยนต์ (ที่มี ดังนั้น₂, ไนโตรเจนออกไซด์) โลหะผสมโคบอลต์มีศักยภาพการเกิดหลุมที่ +0.8V (เทียบกับ เอส ซี อี) ซึ่งสูงกว่าเหล็กกล้าไร้สนิม 316L ถึง 45% (ที่มา: สังคม ของ การกัดกร่อน วิศวกร นาซ TM0177-2016) ความแข็งร็อกเวลล์ (เอชอาร์ซี 38-60) ให้ความทนทานต่อการสึกหรอมากกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา (มาตรฐาน ไอเอสโอ 7124) ถึง 5 เท่า

สมบัติทางเทอร์โมเมคานิคส์ที่ตรงกัน

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของโลหะผสมโคบอลต์ (13.5×10⁻⁶/°C) มีความเข้ากันได้ดีกับวัสดุที่ใช้กับวาล์วทั่วไป (เช่น เหล็กทนความร้อน 21-4N) ช่วยลดความเค้นตกค้างหลังการเชื่อม

การยืนยันการสมัคร

ซ่อมวาล์วรถบรรทุกหนัก

ข้อมูลการติดตามจากบริษัทโลจิสติกส์เกี่ยวกับเครื่องยนต์ดีเซล 100 เครื่องแสดงให้เห็นว่าอายุการใช้งานโดยเฉลี่ยของวาล์วที่ซ่อมแซมด้วยวัสดุเชื่อมแบบใช้โคบอลต์จะอยู่ที่ 120,000 กิโลเมตร ซึ่งยาวนานกว่าวาล์วที่ซ่อมแซมด้วยวัสดุเชื่อมแบบใช้นิกเกิลแบบดั้งเดิมถึง 42% (แหล่งที่มาของข้อมูล: รายงานสมาคมขนส่งทางถนนแห่งประเทศจีน ประจำปี 2024)

การบำรุงรักษาเครื่องยนต์เครื่องบิน

แพรตต์ & วิทนีย์ ใช้วัสดุสิ้นเปลืองการเชื่อมโลหะผสมโคบอลต์ในการซ่อมวาล์วเครื่องยนต์ PW1100G ผ่านการทดสอบความล้าที่ได้รับการอนุมัติจาก เอฟเอเอ โดยมีอัตราการขยายตัวของรอยแตกร้าวลดลง 35% (เอฟเอเอ แอร์ 33.71-1A)

เกณฑ์การเลือกวัสดุสิ้นเปลืองสำหรับการเชื่อมโลหะผสมโคบอลต์

ความเข้ากันได้ของกระบวนการ

วัสดุสิ้นเปลืองสำหรับงานเชื่อมที่ใช้โคบอลต์รองรับการเชื่อม ทิก, มิก และเลเซอร์ด้วยกระแสไฟเชื่อมที่หลากหลาย (80-200A) และเหมาะสำหรับการซ่อมแซมวาล์วขนาด φ8-φ50 มม. อย่างแม่นยำ (มาตรฐาน เอดับบลิวเอส A5.11/A5.11M:2021)

ความคุ้มค่าต่อต้นทุน

ต้นทุนการซ่อมแซมเพียงครั้งเดียวสูงกว่าวัสดุสิ้นเปลืองการเชื่อมที่ใช้นิกเกิล 25% แต่ต้นทุนตลอดอายุการใช้งานต่ำกว่า 38% (อิงตามแบบจำลองต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน แอลซีซี ข้อมูลจากรายงานการเพิ่มประสิทธิภาพต้นทุนการบำรุงรักษาเชิงอุตสาหกรรมของ แมคคินซีย์ ปี 2023)

แนวโน้มอุตสาหกรรมและทิศทางนวัตกรรม

การปรับตัวของยานยนต์พลังงานใหม่

สิทธิบัตรเครื่องยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนของ โตโยต้า 2024 แสดงให้เห็นว่าการเคลือบโลหะผสมที่ใช้โคบอลต์ช่วยเพิ่มความทนทานของวาล์วภายใต้สภาวะอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงที่รุนแรงตั้งแต่ -40°C ถึง 85°C (วอ2024/037896A1)

ความก้าวหน้าของกระบวนการด้านสิ่งแวดล้อม

เทคโนโลยีการซ้อนทับพลาสม่าล่าสุดช่วยลดอัตราการกระเด็นของวัสดุเชื่อมที่ใช้โคบอลต์เหลือต่ำกว่า 2% ซึ่งสอดคล้องกับข้อกำหนด ระเบียบข้อบังคับ RoHS 2.0 ของสหภาพยุโรป (2015/863/สหภาพยุโรป)

บทสรุป

วัสดุสิ้นเปลืองสำหรับการเชื่อมโลหะผสมโคบอลต์กลายเป็นวัสดุมาตรฐานในด้านการซ่อมวาล์วเนื่องจากมีคุณสมบัติทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อน และมีคุณสมบัติเชิงกลที่ไม่เหมือนใคร ในอนาคต การผสานเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติและคอมโพสิตเมทริกซ์โคบอลต์จะช่วยให้การซ่อมวาล์วมีความแม่นยำมากขึ้นและมีต้นทุนต่ำลง