Hvad er kavitationserosion?
Kavitationserosion er en effekt af overfladeforringelse og tab af overflademateriale, for det meste i hydrauliske maskiner og de tilhørende komponenter. Trykforskelle i væsker med høj hastighed kan forårsage damp- eller gaslommer, som kollapser pludseligt på materialets overflade på grund af trykændringen nær overfladen. Disse eksploderende gasbobler, også kendt som mikrostråler, med flere 1000 bars energipåvirkning kan før eller siden føre til materialeskader.
Mens den fremragende korrosionsbestandighed af rustfrit stål har resulteret i en bred kommerciel anvendelse af disse materialer, har dårlig tribologisk adfærd, især lav slidstyrke ved slibning/klæbning og en tendens til fretting, forhindret brugen af disse materialer i anvendelser, hvor både korrosions- og slidstyrke er påkrævet. Karburering ved lav temperatur eller nitrokarburering er en løsning til at forbedre de mekaniske egenskaber uden at ændre korrosionsbestandigheden. Disse termokemiske diffusionsprocesser danner metastabile kulstof- eller kvælstof-S-faser, mens man undgår udfældning af karbider og nitrider, der forårsager sensibilisering. På grund af tilsætningen af store koncentrationer af kvælstof- og/eller kulstofatomer dannes der høje trykspændinger på overfladen. Disse trykspændinger sammen med besættelse af de interstitielle steder af nitrogen- og/eller kulstofatomer forårsager en stigning i materialets overfladehårdhed og forbedrede mekaniske egenskaber, f.eks. med S³P. Kolsterising®.
Hvad forårsager kavitationserosion?
Kavitation forårsages af de fysiske og strukturelle forhold i væsker og udløses f.eks. af følgende årsager:
- stigning i lokal hastighed med reduktion af tryk til bobledannelse
- trykstigning over væskens kogepunkt med pludselig kollaps af dampboblerne
- kemiske reaktioner som følge af iltpåvirkning ved højt tryk og høje temperaturer
- Elementdannelse med elektrolytisk erosion i surt eller basisk vand
Hvad påvirker kavitationserosion?
- geometriske (konstruktive) parametre (f.eks. geometri af flowmodstande eller afstand mellem flowmodstand og truet fast overflade)
- Driftsparametre (f.eks. driftstryk og -viskositet eller type trykvæske)
- materialespecifikke parametre (f.eks. hårdhed og mikrostruktur af det materiale, der gøres krav på)
Hvad er virkningen på pumpehjul eller pumpehuse på grund af kavitationserosion?
- væggens ruhed øges, og dermed reduceres den hydrauliske ydeevne.
- Reduktion af vægtykkelsen kan gå hånd i hånd med opruening og kan reducere vægmaterialets bæreevne.
- højere overfladeruhed kan føre til en betydelig støjemission.
- Der kan opstå drastiske tryk- og effekttab.
- tab af indtægter på grund af udstyrets nedetid og de ekstra omkostninger til fejlanalyse, reparation og udskiftning.
- der forårsager fejl, som fører til potentiel risiko for liv og skade for arbejdere og andre.
Eksempel: Forskellige typer af kavitationserosion
- Bladkavitation starter ved propelkanten og forårsager et stationært angreb i et stort område.
- Boblekavitation består af et sæt individuelle ustabile bobler og opstår normalt i den midterste bladsektion ved overdreven krumning af propelbladet.
Kan kavitation forhindres? Påvirker legeringssammensætningen modstandsdygtigheden over for kavitation?
Operationelle tilpasninger:
- øge væskens tryk
- undgå temperaturer nær væskens kogepunkt
- osv.
Geometriske tilpasninger:
- reduktion af flowhastigheden, da dette fører til en reduktion af flowhastigheden og dermed til en lokal trykstigning
- Brug profiler med tynde blade
- vælg små angrebsvinkler på vingerne
- undgå pludselige afbøjninger af strømmen
- afrund den forreste kant
- osv.
Materielle tilpasninger:
- Brug af legerede materialer, der generelt er mere modstandsdygtige over for slid/erosion for at opnå en højere basishårdhed. Legering af hårdere elementer (f.eks. Si) er dog ofte forbundet med reduceret duktilitet.
Andre muligheder: Overfladehærdning med Kolsterising®
Hvordan kan Kolsterising® hjælpe med at forhindre kavitationserosion?
I alle kavitationsformer afhænger graden af materialefjernelse altid af materialeoverfladens modstandsdygtighed. Jo hårdere materialet er, uden at være skørt, jo mere modstandsdygtigt er det, og derfor spiller valget af materialer en afgørende rolle. Austenitisk eller duplex rustfrit stål er relativt modstandsdygtigt, men ofte anvendes belægninger, f.eks. stellitpanser, for at opnå endnu højere modstandsdygtighed. På grund af den nødvendige omarbejdning og de forholdsvis dyre processer er denne metode mere en løsning til nicheprodukter.
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.
En anden fordel ved de skabte diffusionszoner er, at afskalning og delaminering, som man kender det fra belægninger, ikke forekommer. Dette er en afgørende fordel i forhold til stellite spray-belægninger eller keramiske belægninger. De lave procestemperaturer betyder også, at der ikke opstår dimensionsændringer i de færdige komponenter, og at der derfor ikke er behov for efterbearbejdning. Alle typer belægninger har også den ulempe, at det ikke er muligt at behandle komplekse konturer, da disse overflader ikke kan belægges tilstrækkeligt. Med S³P er indre konturer, underskæringer og selv de mindste huller mulige.