¿Qué es la erosión por cavitación?
La erosión por cavitación es un efecto del deterioro de la superficie y la pérdida de material superficial, sobre todo en maquinaria hidráulica y los componentes asociados. Las diferencias de presión en líquidos a alta velocidad pueden provocar bolsas de vapor o gas, que se colapsan bruscamente en la superficie del material debido al cambio de presión cerca de la superficie. Estas burbujas de gas que explotan, también conocidas como microjets, con un impacto de varios 1000 bares de energía pueden, tarde o temprano, provocar daños en el material.
Mientras que la excelente resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables ha dado lugar a una amplia aplicación comercial de estos materiales, su deficiente comportamiento tribológico, especialmente la baja resistencia al desgaste abrasivo / adhesivo y la tendencia al frotamiento, ha impedido el uso de estos materiales en aplicaciones en las que se requiere tanto resistencia a la corrosión como al desgaste. La carburación a baja temperatura o la nitrocarburación ofrecen una solución para mejorar las propiedades mecánicas sin alterar la resistencia a la corrosión. Estos procesos termoquímicos de difusión forman una fase S metaestable de carbono o nitrógeno, al tiempo que evitan la precipitación de carburos y nitruros que provoca la sensibilización. Debido a la adición de grandes concentraciones de átomos de nitrógeno y/o carbono, se forman altas tensiones de compresión en la superficie. Estas tensiones de compresión, junto con la ocupación de los sitios intersticiales por átomos de nitrógeno y/o carbono, provocan un aumento de la dureza superficial del material y una mejora de las propiedades mecánicas, por ejemplo, con el S³PKolsterising®.
¿Qué causa la erosión por cavitación?
La cavitación se produce por las condiciones físicas y estructurales de los líquidos y se desencadena, por ejemplo, por las siguientes causas:
- aumento de la velocidad local con reducción de la presión hasta la formación de burbujas
- aumento de la presión por encima del punto de ebullición del líquido con colapso repentino de las burbujas de vapor
- reacciones químicas como resultado de la influencia del oxígeno a alta presión y altas temperaturas
- formación de elementos con erosión electrolítica en agua ácida o básica
¿Qué influye en la erosión por cavitación?
- parámetros geométricos (constructivos) (por ejemplo, geometrías de las resistencias al flujo o distancia entre la resistencia al flujo y la superficie sólida en peligro)
- parámetros operativos (por ejemplo, presión y viscosidad de funcionamiento o tipo de fluido a presión)
- parámetros específicos del material (por ejemplo, dureza y microestructura del material reivindicado)
¿Qué impacto tiene la erosión por cavitación en los impulsores o las carcasas de las bombas?
- aumenta la rugosidad de la pared y, por tanto, se reduce el rendimiento hidráulico.
- La reducción del grosor de la pared puede ir de la mano con la rugosidad y puede reducir la capacidad de carga del material de la pared.
- Una mayor rugosidad de la superficie puede provocar una importante emisión de ruido.
- drásticamente pueden producirse pérdidas de presión y de potencia.
- pérdida de ingresos, debido al tiempo de inactividad de los equipos y a los costes adicionales de análisis de fallos, reparación y sustitución.
- provocando fallos que pueden poner en peligro la vida y las lesiones de los trabajadores y otras personas.
Ejemplo: Diferentes tipos de erosión por cavitación
- La cavitación de la lámina comienza en el borde de la hélice, causa un ataque estacionario de gran superficie.
- La cavitación en burbuja consiste en un conjunto de burbujas individuales inestables y suele producirse en la sección media de la pala por una curvatura excesiva de la pala de la hélice.
¿Puede prevenirse la cavitación? ¿Influye la composición de la aleación en la resistencia de la erosión a la cavitación?
Adaptaciones operativas:
- aumentar la presión del líquido
- evitar temperaturas cercanas al punto de ebullición del fluido
- etc.
Adaptaciones geométricas:
- reducción del caudal, ya que esto provoca una reducción de la velocidad de flujo y, por tanto, un aumento de la presión local
- utilizar perfiles de cuchillas finas
- seleccionar pequeños ángulos de ataque de las palas
- evitar desviaciones bruscas del flujo
- redondear el borde de ataque
- etc.
Adaptaciones materiales:
- Utilización de materiales aleados que suelen ser más resistentes a la abrasión/erosión para conseguir una mayor dureza de base. Sin embargo, la aleación de elementos más duros (por ejemplo, Si) se asocia a menudo con una reducción de la ductilidad.
Otra posibilidad: endurecimiento superficial con Kolsterising®
¿Cómo puede ayudar Kolsterising® a prevenir la erosión por cavitación?
En todas las formas de cavitación, el grado de eliminación de material depende siempre de la resistencia de la superficie del material. Cuanto más duro sea el material, sin ser quebradizo, más resistente será, por eso la elección de los materiales desempeña un papel decisivo. Los aceros inoxidables austeníticos o dúplex son relativamente resistentes, pero a menudo se aplican revestimientos, por ejemplo, blindajes de estelita, para conseguir resistencias aún mayores. Debido a los retoques necesarios y a los procesos comparativamente caros, este método es más bien una solución para productos nicho.
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.
Otra ventaja de las zonas de difusión creadas es que no se producen desprendimientos ni delaminaciones, como ocurre con los revestimientos. Se trata de una ventaja decisiva frente a los recubrimientos por pulverización de estelita o los recubrimientos cerámicos. Las bajas temperaturas del proceso también significan que no se producen cambios dimensionales en los componentes acabados y, por lo tanto, no es necesario volver a trabajarlos. Todos los tipos de recubrimientos tienen también la desventaja de que no es posible el tratamiento en contornos complejos, ya que estas superficies no pueden recubrirse adecuadamente. Los procesosS³P permiten tratar contornos interiores, socavados e incluso los orificios más pequeños.