Vad är kavitationserosion?
Kavitationserosion är en process som leder till ytförsämring och materialförlust, främst i hydrauliska maskiner och tillhörande komponenter. Tryckskillnader i vätskor med hög hastighet kan ge upphov till ång- eller gasfickor, som kollapsar plötsligt på materialytan på grund av tryckförändringen nära ytan. Dessa exploderande gasbubblor, även kallade mikrostrålar, med en energikraft på flera tusen bar kan förr eller senare leda till materialskador.
Medan den utmärkta korrosionsbeständigheten hos rostfritt stål har lett till en bred kommersiell användning av dessa material, har dåligt tribologiskt beteende, särskilt låg slitstyrka mot slipning/limning och en tendens till frätning, förhindrat användningen av dessa material i applikationer där både korrosions- och slitstyrka krävs. Lågtemperaturförgasning eller Nitrokarburering är en lösning som förbättrar de mekaniska egenskaperna utan att korrosionsbeständigheten försämras. Dessa termokemiska diffusionsprocesser bildar metastabila kol- eller kväve-S-faser samtidigt som man undviker utfällning av karbider och nitrider som orsakar sensibilisering. På grund av tillsatsen av stora koncentrationer av kväve- och/eller kolatomer bildas höga tryckspänningar vid ytan. Dessa tryckspänningar tillsammans med ockupation av de interstitiella platserna av kväve- och/eller kolatomer orsakar en ökning av materialets ythårdhet och förbättrade mekaniska egenskaper, t.ex. med S³PKolsterising®.
Vad orsakar kavitationserosion?
Kavitation orsakas av vätskors fysikaliska och strukturella egenskaper och utlöses till exempel av följande orsaker:
- ökning av den lokala hastigheten vid minskat tryck till bildning av bubblor
- tryckökning över vätskans kokpunkt med plötsligt kollaps av ångbubblorna
- kemiska reaktioner till följd av syreets inverkan vid högt tryck och höga temperaturer
- bildning av element genom elektrolytisk erosion i surt eller basiskt vatten
Vad påverkar kavitationserosion?
- geometriska (konstruktiva) parametrar (t.ex. geometrin hos flödesmotstånd eller avståndet mellan flödesmotståndet och den utsatta fasta ytan)
- driftsparametrar (t.ex. driftstryck och viskositet eller typ av tryckvätska)
- materialspecifika parametrar (t.ex. hårdhet och mikrostruktur hos det påstådda materialet)
Vilka konsekvenser får kavitationserosion för pumphjul eller pumphus?
- väggens ojämnhet ökar, vilket leder till att den hydrauliska prestandan försämras.
- En minskning av väggtjockleken kan gå hand i hand med en ökad ytråhet och kan minska väggmaterialets bärförmåga.
- En högre ytjämnhet kan leda till betydande buller.
- Det kan uppstå kraftiga tryck- och effektförluster.
- intäktsbortfall till följd av driftstopp och extra kostnader för felanalys, reparation och utbyte.
- vilket kan orsaka fel som medför en potentiell risk för liv och personskada för arbetstagare och andra.
Exempel: Olika typer av kavitationserosion
- Kavitationen i vattenytan börjar vid propellerns kant och orsakar en stationär angreppsyta med stor yta.
- Bubbelkavitation består av en samling enskilda instabila bubblor och uppstår vanligtvis i mitten av propellerbladet på grund av att bladet är alltför krökt.
Kan kavitation förebyggas? Påverkar legeringens sammansättning motståndskraften mot kavitationserosion?
Driftsmässiga anpassningar:
- höja vätskans tryck
- Undvik temperaturer nära vätskans kokpunkt
- osv.
Geometriska anpassningar:
- en minskning av flödesmängden, eftersom detta leder till en minskning av flödeshastigheten och därmed till en lokal tryckökning
- använd tunna bladprofiler
- välj små anfallsvinklar för bladen
- undvik plötsliga avböjningar av flödet
- avrunda framkanten
- osv.
Anpassningar av materialet:
- Användning av legerade material som i allmänhet är mer motståndskraftiga mot nötning och erosion för att uppnå en högre grundhårdhet. Legering med hårdare grundämnen (t.ex. kisel) medför dock ofta en minskad formbarhet.
Ett annat alternativ: Ythärdning med Kolsterising®
Hur kan Kolsterising® till att förebygga kavitationserosion?
I alla former av kavitation beror graden av materialavskrapning alltid på materialytans motståndskraft. Ju hårdare materialet är, utan att vara sprött, desto större motståndskraft har det, vilket är anledningen till att materialvalet spelar en avgörande roll. Austenitiska eller duplexrostfria stål är relativt motståndskraftiga, men ofta appliceras beläggningar, till exempel stellitpansar, för att uppnå ännu högre motståndskraft. På grund av den nödvändiga ombearbetningen och de relativt dyra processerna är denna metod snarare en lösning för nischprodukter.
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.
En ytterligare fördel med de skapade diffusionszonerna är att det inte uppstår avflagning och delaminering, vilket är vanligt vid beläggningar. Detta är en avgörande fördel jämfört med stellitsprutbeläggningar eller keramiska beläggningar. De låga processtemperaturerna innebär också att det inte uppstår några måttförändringar i de färdiga komponenterna, vilket innebär att ingen efterbearbetning krävs. Alla typer av beläggningar har också nackdelen att ingen behandling är möjlig i komplexa konturer, eftersom dessa ytor inte kan beläggas på ett adekvat sätt. FörS³P är inre konturer, underskärningar och till och med de minsta hålen möjliga.