Mitä on kavitaatioeroosio?
Kavitaatioeroosio on pinnan heikkenemisen ja pintamateriaalin häviämisen aiheuttama ilmiö, joka esiintyy useimmiten hydraulisissa koneissa ja niihin liittyvissä komponenteissa. Korkean nopeuden nesteiden paine-erot voivat aiheuttaa höyry- tai kaasutaskuja, jotka romahtavat äkillisesti materiaalin pinnalla pinnan lähellä tapahtuvan paineenmuutoksen vuoksi. Nämä räjähtävät kaasukuplat, joita kutsutaan myös mikrosuihkuiksi, joiden energiaisku on useita 1000 bar, voivat ennemmin tai myöhemmin johtaa materiaalivaurioon.
Ruostumattomien terästen erinomainen korroosionkestävyys on johtanut näiden materiaalien laajaan kaupalliseen käyttöön, mutta huono tribologinen käyttäytyminen, erityisesti heikko kulumiskestävyys ja taipumus kitkata, on estänyt näiden materiaalien käytön sovelluksissa, joissa vaaditaan sekä korroosion- että kulumiskestävyyttä. Matalassa lämpötilassa tapahtuva karburointi tai nitrokarburointi tarjoaa ratkaisun mekaanisten ominaisuuksien parantamiseen muuttamatta korroosionkestävyyttä. Näissä lämpökemiallisissa diffuusioprosesseissa muodostuu metastabiili hiili- tai typpifaasi S-faasina, mutta samalla vältetään herkistymistä aiheuttavien karbidien ja nitridien saostuminen. Suurten typpi- ja/tai hiiliatomipitoisuuksien lisäämisen vuoksi pintaan muodostuu suuria puristusjännityksiä. Nämä puristusjännitykset sekä typpi- ja/tai hiiliatomien asettuminen tilojen väliin aiheuttavat materiaalin pintakovuuden lisääntymisen ja parempia mekaanisia ominaisuuksia, esimerkiksi S³P yhteydessä S³PKolsterising®.
Mikä aiheuttaa kavitaatioeroosiota?
Kavitaatio johtuu nesteiden fysikaalisista ja rakenteellisista olosuhteista, ja sen aiheuttavat esimerkiksi seuraavat syyt:
- paikallisen nopeuden kasvu paineen alentuessa kuplan muodostumiseen asti
- paineen nousu nesteen kiehumispisteen yläpuolelle ja höyrykuplien äkillinen romahtaminen.
- kemialliset reaktiot, jotka johtuvat hapen vaikutuksesta korkeassa paineessa ja korkeissa lämpötiloissa.
- alkuaineiden muodostuminen elektrolyyttisen eroosion avulla happamassa tai emäksisessä vedessä
Mikä vaikuttaa kavitaatioeroosioon?
- geometriset (konstruktiiviset) parametrit (esim. virtausvastusten geometriat tai virtausvastuksen ja uhanalaisen kiinteän pinnan välinen etäisyys).
- toimintaparametrit (esim. käyttöpaine ja -viskositeetti tai paineistetun nesteen tyyppi).
- materiaalikohtaiset parametrit (esim. ilmoitetun materiaalin kovuus ja mikrorakenne).
Miten kavitaatioeroosio vaikuttaa pumpun juoksupyöriin tai pumppukoteloihin?
- seinämän karheus kasvaa ja hydraulinen suorituskyky heikkenee.
- seinämän paksuuden pienentäminen voi kulkea käsi kädessä karhennuksen kanssa ja vähentää seinämateriaalin kantavuutta.
- suurempi pinnankarheus voi johtaa merkittävään melupäästöön.
- voi esiintyä huomattavia paine- ja tehohäviöitä.
- tulonmenetykset, jotka johtuvat laitteiden seisokkiajasta ja vikojen analysoinnista, korjaamisesta ja uusimisesta aiheutuvista lisäkustannuksista.
- aiheuttaen vikoja, jotka voivat vaarantaa työntekijöiden ja muiden henkilöiden hengen ja loukkaantumisen.
Esimerkki: Erilaiset kavitaatioeroosiotyypit
- Levyn kavitaatio alkaa potkurin reunasta ja aiheuttaa paikallaan pysyvän laajapintaisen hyökkäyksen.
- Kuplakavitaatio koostuu yksittäisistä epävakaista kuplista, ja sitä esiintyy yleensä keskimmäisessä lapaosassa potkurin lavan liiallisen kaarevuuden vuoksi.
Voiko kavitaatiota ehkäistä? Vaikuttaako metalliseoksen koostumus eroosion kestävyyteen kavitaatiota vastaan?
Toiminnalliset mukautukset:
- lisätä nesteen painetta
- välttää lämpötiloja lähellä nesteen kiehumispistettä.
- jne.
Geometriset mukautukset:
- virtausnopeuden pienentäminen, koska se johtaa virtausnopeuden pienenemiseen ja siten paikalliseen paineen nousuun.
- käyttää ohuita teriä profiileissa
- valita siipien pienet kohtauskulmat.
- välttää virtauksen äkillisiä poikkeamia
- pyöristetään etureuna
- jne.
Materiaalin mukauttaminen:
- Seostettujen materiaalien käyttö, jotka ovat yleensä kulutusta/eroosiota kestävämpiä, jotta saavutetaan korkeampi peruskovuus. Kovempien alkuaineiden (esim. Si) seostaminen liittyy kuitenkin usein sitkeyden heikkenemiseen.
Muu mahdollisuus: Pinnan kovettaminen Kolsterising®
Miten Kolsterising® voi auttaa estämään kavitaatioeroosiota?
Kaikissa kavitaatiomuodoissa materiaalin poistoaste riippuu aina materiaalipinnan kestävyydestä. Mitä kovempi materiaali on, mutta ei hauras, sitä kestävämpi se on, minkä vuoksi materiaalivalinnalla on ratkaiseva merkitys. Austeniittiset tai duplex-ruostumattomat teräkset ovat suhteellisen kestäviä, mutta usein käytetään pinnoitteita, esimerkiksi stelliittipanssaria, jotta saavutetaan vielä korkeampi kestävyys. Tarvittavan jälkityön ja verrattain kalliiden prosessien vuoksi tämä menetelmä on pikemminkin ratkaisu kapeisiin tuotteisiin.
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.
Toinen luoduista diffuusiovyöhykkeistä johtuva etu on, että pinnoitteista tunnettua lohkeilua ja delaminaatiota ei esiinny. Tämä on ratkaiseva etu verrattuna stelliittiruiskupinnoitteisiin tai keraamisiin pinnoitteisiin. Alhaiset prosessilämpötilat merkitsevät myös sitä, että valmiissa komponenteissa ei tapahdu mittamuutoksia, joten jälkityöstöä ei tarvita. Kaikilla pinnoitetyypeillä on myös se haittapuoli, että monimutkaisia ääriviivoja ei voida käsitellä, koska näitä pintoja ei voida pinnoittaa riittävästi. S³P avulla sisäiset ääriviivat, alikulut ja pienimmätkin reiät ovat mahdollisia.