Che cos'è l'erosione da cavitazione?
L'erosione per cavitazione è un effetto del deterioramento della superficie e della perdita di materiale superficiale, soprattutto nei macchinari idraulici e nei relativi componenti. Le differenze di pressione nei liquidi ad alta velocità possono causare sacche di vapore o di gas, che collassano bruscamente sulla superficie del materiale a causa della variazione di pressione in prossimità della superficie. Queste bolle di gas che esplodono, note anche come microgetti, con un impatto energetico di diversi 1000 bar, possono prima o poi causare danni al materiale.
Mentre l'eccellente resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili ha portato a un'ampia applicazione commerciale di questi materiali, lo scarso comportamento tribologico, in particolare la bassa resistenza all'usura abrasiva/adesiva e la tendenza al fretting, ha impedito l'uso di questi materiali in applicazioni in cui sono richieste sia la resistenza alla corrosione che all'usura. La carburazione a bassa temperatura o la nitrocarburazione offrono una soluzione per migliorare le proprietà meccaniche senza alterare la resistenza alla corrosione. Questi processi di diffusione termochimica formano una fase S metastabile di carbonio o azoto, evitando la precipitazione di carburi e nitruri che causano sensibilizzazione. A causa dell'aggiunta di grandi concentrazioni di atomi di azoto e/o carbonio, si formano elevate tensioni di compressione in superficie. Queste tensioni di compressione, insieme all'occupazione dei siti interstiziali da parte di atomi di azoto e/o carbonio, provocano un aumento della durezza superficiale del materiale e un miglioramento delle proprietà meccaniche, ad esempio con il S³P. Kolsterising®.
Cosa causa l'erosione da cavitazione?
La cavitazione è causata dalle condizioni fisiche e strutturali dei liquidi ed è innescata, ad esempio, dalle seguenti cause:
- aumento della velocità locale con riduzione della pressione fino alla formazione di bolle d'aria
- aumento della pressione al di sopra del punto di ebollizione del liquido con improvviso collasso delle bolle di vapore
- reazioni chimiche in seguito all'influenza dell'ossigeno ad alta pressione e ad alte temperature
- formazione di elementi con erosione elettrolitica in acqua acida o basica
Cosa influenza l'erosione da cavitazione?
- parametri geometrici (costruttivi) (ad esempio, geometrie delle resistenze al flusso o distanza tra la resistenza al flusso e la superficie solida in pericolo)
- parametri operativi (ad esempio pressione e viscosità di esercizio o tipo di fluido in pressione)
- parametri specifici del materiale (ad esempio, durezza e microstruttura del materiale dichiarato)
Qual è l'impatto sulle giranti o sugli alloggiamenti delle pompe a causa dell'erosione per cavitazione?
- La rugosità delle pareti aumenta e quindi le prestazioni idrauliche si riducono.
- La riduzione dello spessore della parete può andare di pari passo con l'irruvidimento e può ridurre la capacità di carico del materiale della parete.
- una maggiore rugosità superficiale può portare a una significativa emissione di rumore.
- possono verificarsi drastiche perdite di pressione e di potenza.
- perdita di fatturato, dovuta ai tempi di inattività delle apparecchiature e ai costi aggiuntivi di analisi dei guasti, riparazione e sostituzione.
- causando guasti con conseguente potenziale rischio di vita e di lesioni per i lavoratori e per gli altri.
Esempio: Diversi tipi di erosione per cavitazione
- La cavitazione delle lamiere inizia sul bordo dell'elica e provoca un attacco stazionario su larga scala.
- La cavitazione a bolle consiste in un insieme di singole bolle instabili e di solito si verifica nella sezione centrale della pala a causa dell'eccessiva curvatura della pala dell'elica.
È possibile prevenire la cavitazione? La composizione della lega ha un impatto sulla resistenza dell'erosione alla cavitazione?
Adattamenti operativi:
- aumentare la pressione del liquido
- evitare temperature prossime al punto di ebollizione del fluido
- ecc.
Adattamenti geometrici:
- riduzione della portata, in quanto ciò comporta una riduzione della velocità del flusso e quindi un aumento locale della pressione
- utilizzare profili di lame sottili
- selezionare piccoli angoli di attacco delle pale
- evitare brusche deviazioni del flusso
- arrotondare il bordo anteriore
- ecc.
Adattamenti del materiale:
- Uso di materiali in lega, generalmente più resistenti all'abrasione/erosione, per ottenere una durezza di base più elevata. Tuttavia, l'aggiunta di elementi più duri (ad esempio, il Si) è spesso associata a una riduzione della duttilità.
Altre possibilità: Indurimento superficiale con Kolsterising®
Come può Kolsterising® aiutare a prevenire l'erosione da cavitazione?
In tutte le forme di cavitazione, il grado di rimozione del materiale dipende sempre dalla resistenza della superficie del materiale. Più il materiale è duro, senza essere fragile, più è resistente, per questo la scelta dei materiali gioca un ruolo decisivo. Gli acciai inossidabili austenitici o duplex sono relativamente resistenti, ma spesso vengono applicati rivestimenti, ad esempio armature in stellite, per ottenere resistenze ancora più elevate. A causa della necessaria rilavorazione e dei processi relativamente costosi, questo metodo è più che altro una soluzione per prodotti di nicchia.
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.
Un altro vantaggio delle zone di diffusione create è l'assenza di scheggiature e delaminazioni, problematiche tipiche dei rivestimenti. Questo rappresenta un vantaggio decisivo rispetto ai rivestimenti spruzzati in stellite o ai rivestimenti ceramici. Le basse temperature di processo implicano inoltre che non si verifichino variazioni dimensionali nei componenti finiti e, pertanto, non è necessaria alcuna rilavorazione. Tutti i tipi di rivestimento presentano anche lo svantaggio di non poter essere applicati in geometrie complesse, poiché queste superfici non possono essere rivestite adeguatamente. Per i processi S³P, sono possibili contorni interni, sottosquadri e persino fori di dimensioni minime.