Was ist Kavitationserosion?
Kavitationserosion ist eine Auswirkung der Oberflächenverschlechterung und des Oberflächenmaterialverlusts, vor allem bei hydraulischen Maschinen und den dazugehörigen Komponenten. Druckunterschiede in Hochgeschwindigkeitsflüssigkeiten können Dampf- oder Gasblasen verursachen, die aufgrund der Druckänderung in der Nähe der Oberfläche abrupt auf der Oberfläche des Materials zusammenbrechen. Diese explodierenden Gasblasen, auch Mikrodüsen genannt, mit mehreren 1000 bar Energieeinwirkung können früher oder später zu Materialschäden führen.
Während die ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle zu einer breiten kommerziellen Anwendung dieser Werkstoffe geführt hat, hat das schlechte tribologische Verhalten, insbesondere die geringe Abrieb-/Haftverschleißfestigkeit und die Neigung zum Reiben, den Einsatz dieser Werkstoffe in Anwendungen verhindert, bei denen sowohl Korrosions- als auch Verschleißbeständigkeit erforderlich sind. Die Niedertemperaturaufkohlung oder Nitrocarburierung bietet eine Lösung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ohne Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit. Bei diesen thermochemischen Diffusionsverfahren wird eine metastabile Kohlenstoff- oder Stickstoff-S-Phase gebildet, während die Ausscheidung von Karbiden und Nitriden, die zu einer Sensibilisierung führt, vermieden wird. Durch die Zugabe großer Konzentrationen von Stickstoff- und/oder Kohlenstoffatomen entstehen an der Oberfläche hohe Druckspannungen. Diese Druckspannungen zusammen mit der Besetzung der Zwischengitterplätze durch Stickstoff- und/oder Kohlenstoffatome führen zu einer Erhöhung der Oberflächenhärte des Werkstoffs und zu verbesserten mechanischen Eigenschaften, z. B. bei der S³PKolsterising®.
Was verursacht Kavitationserosion?
Kavitation wird durch die physikalischen und strukturellen Bedingungen von Flüssigkeiten verursacht und beispielsweise durch folgende Ursachen ausgelöst:
- Zunahme der lokalen Geschwindigkeit bei Druckabnahme bis zur Blasenbildung
- Druckanstieg über den Siedepunkt der Flüssigkeit mit plötzlichem Zusammenbruch der Dampfblasen
- chemische Reaktionen durch Sauerstoffeinfluss bei hohem Druck und hohen Temperaturen
- Elementbildung durch elektrolytische Erosion in saurem oder basischem Wasser
Was beeinflusst die Kavitationserosion?
- geometrische (konstruktive) Parameter (z. B. Geometrien von Strömungswiderständen oder Abstand zwischen Strömungswiderstand und gefährdeter Festkörperoberfläche)
- Betriebsparameter (z. B. Betriebsdruck und -viskosität oder Art der Druckflüssigkeit)
- werkstoffspezifische Parameter (z. B. Härte und Gefüge des beanspruchten Werkstoffs)
Welche Auswirkungen hat die Kavitationserosion auf Pumpenlaufräder oder Pumpengehäuse?
- Die Wandrauhigkeit wird erhöht und damit die hydraulische Leistung verringert.
- Die Verringerung der Wandstärke kann mit einer Aufrauhung einhergehen und die Tragfähigkeit des Wandmaterials verringern.
- eine höhere Oberflächenrauhigkeit kann zu einer erheblichen Geräuschemission führen.
- drastische Druck- und Leistungsverluste auftreten können.
- Einnahmeverluste aufgrund von Ausfallzeiten und zusätzlichen Kosten für Fehleranalyse, Reparatur und Ersatz.
- die zu Fehlern führen, die das Leben und die Gesundheit von Arbeitnehmern und anderen gefährden können.
Beispiel: Verschiedene Arten der Kavitationserosion
- Blattkavitation beginnt an der Propellerkante und verursacht einen stationären großflächigen Angriff.
- Die Blasenkavitation besteht aus einer Reihe einzelner instabiler Blasen und tritt in der Regel im mittleren Blattbereich durch übermäßige Krümmung des Propellerblattes auf.
Kann Kavitation verhindert werden? Beeinflusst die Legierungszusammensetzung die Erosionsbeständigkeit gegen Kavitation?
Operative Anpassungen:
- den Druck der Flüssigkeit erhöhen
- Temperaturen in der Nähe des Siedepunkts der Flüssigkeit vermeiden
- usw.
Geometrische Anpassungen:
- Reduzierung des Durchflusses, da dies zu einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit und damit zu einem lokalen Druckanstieg führt
- dünne Klingenprofile verwenden
- kleine Anstellwinkel der Blätter wählen
- abrupte Umlenkungen der Strömung zu vermeiden
- die Vorderkante abrunden
- usw.
Materialanpassungen:
- Verwendung von legierten Werkstoffen, die im Allgemeinen widerstandsfähiger gegen Abrieb/Erosion sind, um eine höhere Grundhärte zu erreichen. Das Legieren von härteren Elementen (z. B. Si) ist jedoch häufig mit einer geringeren Duktilität verbunden.
Andere Möglichkeit: Oberflächenhärtung mit Kolsterising®
Wie kann Kolsterising® helfen, Kavitationserosion zu verhindern?
Bei allen Formen der Kavitation hängt der Grad des Materialabtrags immer von der Widerstandsfähigkeit der Materialoberfläche ab. Je härter das Material ist, ohne spröde zu sein, desto widerstandsfähiger ist es, weshalb die Wahl der Werkstoffe eine entscheidende Rolle spielt. Austenitische oder Duplex-Edelstähle sind relativ widerstandsfähig, aber oft werden Beschichtungen, z. B. Stellitpanzerungen, aufgebracht, um noch höhere Widerstandsfähigkeiten zu erreichen. Aufgrund der notwendigen Nacharbeit und der vergleichsweise teuren Verfahren ist diese Methode eher eine Lösung für Nischenprodukte.
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.
Ein weiterer Vorteil der entstehenden Diffusionszonen ist, dass Abplatzungen und Delaminationen, wie sie von Beschichtungen bekannt sind, nicht auftreten. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber Stellit-Spritzschichten oder Keramikbeschichtungen. Durch die niedrigen Prozesstemperaturen kommt es auch nicht zu Maßveränderungen an fertigen Bauteilen, so dass keine Nacharbeit erforderlich ist. Alle Beschichtungsarten haben zudem den Nachteil, dass bei komplexen Konturen keine Behandlung möglich ist, da diese Flächen nicht ausreichend beschichtet werden können. Bei S³P sind Innenkonturen, Hinterschneidungen und selbst kleinste Bohrungen möglich.