Co je kavitační eroze?
Kavitační eroze je důsledkem poškození povrchu a úbytku materiálu na povrchu, většinou u hydraulických strojů a souvisejících součástí. Rozdíly tlaků ve vysokorychlostních kapalinách mohou způsobit vznik parních nebo plynových kapes, které se v důsledku změny tlaku v blízkosti povrchu náhle zhroutí na povrch materiálu. Tyto explodující plynové bubliny, známé také jako mikrotrysky, s dopadem energie několika 1000 barů mohou dříve či později vést k poškození materiálu.
Zatímco vynikající odolnost korozivzdorných ocelí vedla k širokému komerčnímu využití těchto materiálů, špatné tribologické chování, zejména nízká odolnost proti abrazivnímu/adheznímu opotřebení a sklon k třepení, brání použití těchto materiálů v aplikacích, kde je vyžadována odolnost proti korozi i opotřebení. Nízkoteplotní nauhličování nebo nitro-uhličování nabízí řešení, jak zlepšit mechanické vlastnosti, aniž by se změnila odolnost proti korozi. Tyto termochemické difuzní procesy vytvářejí metastabilní uhlíkovou nebo dusíkovou S-fázi a zároveň zabraňují srážení karbidů a nitridů, které způsobuje senzibilizaci. V důsledku přídavku velkých koncentrací atomů dusíku a/nebo uhlíku vznikají na povrchu vysoká tlaková napětí. Tato tlaková napětí spolu s obsazením intersticiálních míst atomy dusíku a/nebo uhlíku způsobují zvýšení povrchové tvrdosti materiálu a zlepšení mechanických vlastností, např. při S³P. Kolsterising®.
Co způsobuje kavitační erozi?
Kavitaci způsobují fyzikální a strukturní podmínky kapalin a vyvolávají ji například tyto příčiny:
- zvýšení lokální rychlosti se snížením tlaku na tvorbu bublin.
- zvýšení tlaku nad bod varu kapaliny s náhlým zhroucením bublinek páry.
- chemické reakce v důsledku působení kyslíku při vysokém tlaku a vysokých teplotách.
- tvorba prvků s elektrolytickou erozí v kyselé nebo zásadité vodě
Co ovlivňuje kavitační erozi?
- geometrické (konstrukční) parametry (např. geometrie průtočných odporů nebo vzdálenost mezi průtočným odporem a ohroženým povrchem tělesa).
- provozní parametry (např. provozní tlak a viskozita nebo typ tlakové kapaliny).
- parametry specifické pro materiál (např. tvrdost a mikrostruktura deklarovaného materiálu).
Jaký dopad má kavitační eroze na oběžná kola nebo tělesa čerpadel?
- zvyšuje se drsnost stěn, a tím se snižuje hydraulický výkon.
- Zmenšení tloušťky stěny může jít ruku v ruce se zdrsněním a může snížit únosnost materiálu stěny.
- vyšší drsnost povrchu může vést k výrazné emisi hluku.
- může dojít k drastickým ztrátám tlaku a výkonu.
- ztráty příjmů v důsledku odstávek zařízení a dodatečných nákladů na analýzu poruch, opravy a výměny.
- způsobují poruchy vedoucí k potenciálnímu ohrožení života a zranění pracovníků a dalších osob.
Příklad: Různé typy kavitační eroze
- Kavitace listu začíná na okraji vrtule a způsobuje stacionární velkoplošný útok.
- Bublinková kavitace se skládá ze souboru jednotlivých nestacionárních bublinek a obvykle vzniká ve střední části listu v důsledku nadměrného zakřivení vrtulového listu.
Lze kavitaci zabránit? Má složení slitiny vliv na odolnost proti erozi a kavitaci?
Provozní úpravy:
- zvýšit tlak kapaliny
- vyhnout se teplotám blízkým bodu varu kapaliny.
- atd.
Geometrické úpravy:
- snížení průtoku, protože to vede ke snížení rychlosti proudění, a tím k místnímu zvýšení tlaku.
- používat tenké profily čepelí
- zvolte malé úhly náběhu lopatek.
- zabránit náhlému vychýlení proudu
- zaoblení náběžné hrany
- atd.
Úpravy materiálu:
- Použití legovaných materiálů, které jsou obecně odolnější proti otěru/erozi, aby se dosáhlo vyšší základní tvrdosti. Legování tvrdších prvků (např. Si) je však často spojeno se sníženou tažností.
Další možnost: Zpevnění povrchu pomocí Kolsterising®
Jak může Kolsterising® pomoci zabránit kavitační erozi?
U všech forem kavitace závisí stupeň úběru materiálu vždy na odolnosti povrchu materiálu. Čím je materiál tvrdší, aniž by byl křehký, tím je odolnější, proto hraje rozhodující roli výběr materiálů. Austenitické nebo duplexní nerezové oceli jsou relativně odolné, ale často se používají povlaky, například stelitové pancíře, aby se dosáhlo ještě vyšší odolnosti. Vzhledem k nutnému přepracování a poměrně nákladným procesům je tato metoda řešením spíše pro výklenkové výrobky.
Low temperature carburizing or nitrocarburizing offers an alternative solution to enhance the cavitation resistance without using expensive coatings while the corrosion resistance is maintained. These thermo-chemical diffusion processes (<500°C) form meta-stable carbon or nitrogen S-phase without forming carbides and nitrides precipitation that causes sensitization. Due to the addition of large concentrations of nitrogen and/or carbon atoms, high compressive stresses are formed at the surface. These compressive stresses along with occupation of the interstitial sites by nitrogen and/or carbon atoms cause an increase in the surface hardness of the material and improved cavitation erosion resistance and other mechanical properties. Particularly due to the high ductility in connection with very high residual compressive stresses, the impact of bladder implosion – typical for cavitation – can be greatly reduced. Thus cavitation erosion is very clearly minimized for many applications and stainless steels materials, or almost completely avoided.
Další výhodou vytvořených difuzních zón je, že nedochází k odlupování a delaminaci, jak je známo z nátěrů. To je rozhodující výhoda oproti stelitovým nástřikům nebo keramickým povlakům. Nízké procesní teploty také znamenají, že u hotových součástí nedochází k rozměrovým změnám, a proto není nutné žádné přepracování. Všechny typy povlaků mají také tu nevýhodu, že není možná žádná úprava ve složitých konturách, protože tyto povrchy nelze adekvátně povlakovat. U procesůS³P je možné provádět vnitřní kontury, podřezání a dokonce i nejmenší otvory.