Wat is cavitatie-erosie?
Cavitatie-erosie is een gevolg van oppervlakteverslechtering en materiaalverlies aan het oppervlak, voornamelijk in hydraulische machines en de bijbehorende componenten. Drukverschillen in vloeistoffen met hoge snelheid kunnen damp- of gasbellen veroorzaken, die abrupt imploderen op het materiaaloppervlak door de drukverandering nabij het oppervlak. Deze exploderende gasbellen, ook bekend als microjets, met een energie-impact van duizenden bar, kunnen vroeg of laat leiden tot materiaalschade.
Hoewel de uitstekende corrosiebestendigheid van roestvast staal heeft geleid tot een brede commerciële toepassing van deze materialen, hebben slechte tribologische eigenschappen, met name een lage abrasieve/adhesieve slijtvastheid en een neiging tot wrijvingscorrosie (fretting), het gebruik van deze materialen beperkt in toepassingen waar zowel corrosie- als slijtvastheid vereist zijn. Laagtemperatuurcarburiseren of nitrocarburiseren biedt een oplossing om de mechanische eigenschappen te verbeteren zonder de corrosiebestendigheid aan te tasten. Deze thermochemische diffusieprocessen vormen een metastabiele koolstof- of stikstof-S-fase, terwijl de precipitatie van carbiden en nitriden die sensibilisatie veroorzaken, wordt vermeden. Door de toevoeging van hoge concentraties stikstof- en/of koolstofatomen ontstaan hoge drukspanningen aan het oppervlak. Deze drukspanningen, samen met de bezetting van de interstitiële plaatsen door stikstof- en/of koolstofatomen, veroorzaken een toename van de oppervlaktehardheid van het materiaal en verbeterde mechanische eigenschappen, bijv. met de S³P-behandeling Kolsterising®.
Wat veroorzaakt cavitatie-erosie?
Cavitatie wordt veroorzaakt door de fysische en structurele omstandigheden van vloeistoffen en wordt bijvoorbeeld teweeggebracht door de volgende oorzaken:
- toename van de lokale snelheid bij drukverlaging tot blaasvorming
- drukverhoging boven het kookpunt van de vloeistof met een plotselinge implosie van de dampbellen
- chemische reacties als gevolg van de invloed van zuurstof bij hoge druk en hoge temperaturen
- elementvorming door elektrolytische erosie in zuur of basisch water
Wat zijn de factoren die cavitatie-erosie beïnvloeden?
- geometrische (constructieve) parameters (bijv. geometrieën van stromingsweerstanden of de afstand tussen stromingsweerstand en een bedreigd vast oppervlak)
- operationele parameters (bijv. werkdruk en -viscositeit of type drukvloeistof)
- materiaalspecifieke parameters (bijv. hardheid en microstructuur van het betreffende materiaal)
Wat is de impact van cavitatie-erosie op pompschoepen of pomphuizen?
- De wandruwheid neemt toe, waardoor de hydraulische prestaties afnemen.
- Een vermindering van de wanddikte kan gepaard gaan met opruwing en kan de draagkracht van het wandmateriaal verminderen.
- Een hogere oppervlakteruwheid kan leiden tot aanzienlijke geluidsemissie.
- kunnen drastische druk- en vermogensverliezen optreden.
- omzetverlies, als gevolg van stilstand van apparatuur en de extra kosten voor faalanalyse, reparatie en vervanging.
- wat leidt tot storingen met een potentieel risico op levensgevaar en letsel voor werknemers en anderen.
Voorbeeld: Verschillende soorten cavitatie-erosie
- Plaatcavitatie begint aan de rand van de propeller en veroorzaakt een stationaire grootschalige aantasting.
- Bellenkaviatie bestaat uit een reeks individuele onstabiele bellen en treedt meestal op in het midden van het bladgedeelte door overmatige kromming van het scheepsschroefblad.
Kan cavitatie worden voorkomen? Heeft de legeringssamenstelling invloed op de erosiebestendigheid tegen cavitatie?
Operationele aanpassingen:
- de druk van de vloeistof verhogen
- vermijd temperaturen nabij het kookpunt van de vloeistof
- enz.
Geometrische aanpassingen:
- vermindering van het debiet, aangezien dit leidt tot een verlaging van de stroomsnelheid en zodoende tot een lokale drukverhoging
- gebruik dunne schoepprofielen
- selecteer kleine invalshoeken van de bladen
- vermijd abrupte afbuigingen van de stroom
- de voorrand afronden
- enz.
Aanpassingen aan het materiaal:
- Gebruik van gelegeerde materialen die over het algemeen beter bestand zijn tegen slijtage/erosie om een hogere basishardheid te bereiken. Het legeren van hardere elementen (bijv. Si) gaat echter vaak gepaard met een verminderde ductiliteit.
Andere mogelijkheid: Oppervlakteharding met Kolsterising®
Hoe kan Kolsterising® helpen om cavitatie-erosie te voorkomen?
Bij alle cavitatievormen is de mate van materiaalverwijdering altijd afhankelijk van de weerstand van het materiaaloppervlak. Hoe harder het materiaal is, zonder bros te zijn, hoe resistenter het is; daarom speelt de materiaalkeuze een doorslaggevende rol. Austenitische of duplex roestvaste staalsoorten zijn relatief resistent, maar vaak worden coatings, bijvoorbeeld stellite bepantsering, aangebracht om nog hogere weerstanden te bereiken. Vanwege de noodzakelijke nabewerking en de relatief dure processen is deze methode eerder een oplossing voor nicheproducten.
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.
Een ander voordeel van de gecreëerde diffusiezones is dat afschilfering en delaminatie, zoals bekend van coatings, niet optreden. Dit is een doorslaggevend voordeel ten opzichte van stellite spuitcoatings of keramische coatings. De lage procestemperaturen betekenen ook dat er geen dimensionale veranderingen optreden in afgewerkte componenten en dat er daarom geen nabewerking nodig is. Alle soorten coatings hebben tevens het nadeel dat behandeling in complexe contouren niet mogelijk is, aangezien deze oppervlakken niet adequaat kunnen worden gecoat. Voor S³P-processen zijn binnencontouren, ondersnijdingen en zelfs de kleinste gaten mogelijk.