Kavitasyon erozyonu nedir?
Kavitasyon erozyonu, çoğunlukla hidrolik makinelerde ve ilgili bileşenlerde yüzey bozulması ve yüzey malzemesi kaybının bir etkisidir. Yüksek hızlı sıvılardaki basınç farklılıkları, yüzeye yakın basınç değişimi nedeniyle malzeme yüzeyinde aniden çöken buhar veya gaz ceplerine neden olabilir. Mikrojetler olarak da bilinen bu patlayan gaz kabarcıkları, birkaç 1000 bar enerji etkisiyle er ya da geç malzeme hasarına yol açabilir.
Paslanmaz çeliklerin mükemmel korozyon direnci bu malzemelerin geniş ticari uygulamalarına yol açmış olsa da, özellikle düşük aşındırıcı/yapışkan aşınma direnci ve sürtünme eğilimi gibi zayıf tribolojik davranışlar, bu malzemelerin hem korozyon hem de aşınma direncinin gerekli olduğu uygulamalarda kullanılmasını engellemiştir. Düşük sıcaklıkta kar bürleme veya nitrokarbürleme, korozyon direncini değiştirmeden mekanik özellikleri geliştirmek için bir çözüm sunar. Bu termo-kimyasal difüzyon işlemleri meta-stabil karbon veya nitrojen S-fazı oluştururken, hassasiyete neden olan karbür ve nitrürlerin çökelmesini önler. Yüksek konsantrasyonlarda azot ve/veya karbon atomlarının eklenmesi nedeniyle yüzeyde yüksek basınç gerilmeleri oluşur. Bu sıkıştırma gerilmeleri ve interstisyel bölgelerin nitrojen ve/veya karbon atomları tarafından işgal edilmesi, malzemenin yüzey sertliğinde bir artışa ve örneğin S³P ile iyileştirilmiş mekanik özelliklere neden olur Kolsterising®.
Kavitasyon erozyonuna ne sebep olur?
Kavitasyon, sıvıların fiziksel ve yapısal koşullarından kaynaklanır ve örneğin aşağıdaki nedenlerle tetiklenir:
- kabarcık oluşumu için basıncın azalmasıyla yerel hızda artış
- Buhar kabarcıklarının ani çöküşü ile sıvının kaynama noktasının üzerinde basınç artışı
- yüksek basınç ve yüksek sıcaklıklarda oksijen etkisinin bir sonucu olarak kimyasal reaksiyonlar
- asidik veya bazik suda elektrolitik erozyon ile element oluşumu
Kavitasyon erozyonunu ne etkiler?
- geometrik (yapıcı) parametreler (örneğin akış dirençlerinin geometrileri veya akış direnci ile tehlike altındaki katı yüzey arasındaki mesafe)
- operasyonel parametreler (örn. çalışma basıncı ve viskozite veya basınçlı akışkan tipi)
- malzemeye özgü parametreler (örneğin, talep edilen malzemenin sertliği ve mikro yapısı)
Kavitasyon erozyonu nedeniyle pompa çarkları veya pompa gövdeleri üzerindeki etki nedir?
- duvar pürüzlülüğü artar ve böylece hidrolik performans azalır.
- Duvar kalınlığının azaltılması pürüzlendirme ile el ele gidebilir ve duvar malzemesinin yük taşıma kapasitesini azaltabilir.
- daha yüksek yüzey pürüzlülüğü önemli bir gürültü emisyonuna yol açabilir.
- büyük ölçüde basınç ve güç kayıpları meydana gelebilir.
- Ekipmanın çalışmadığı süreler ve arıza analizi, onarım ve değiştirme için gereken ekstra maliyetler nedeniyle gelir kaybı.
- çalışanlar ve diğerleri için potansiyel yaşam ve yaralanma riskine yol açan arızalara neden olur.
Örnek: Farklı kavitasyon erozyonu türleri
- Tabaka kavitasyonu pervane kenarında başlar, sabit geniş alan saldırısına neden olur.
- Kabarcık kavitasyonu, bir dizi bireysel kararsız kabarcıklardan oluşur ve genellikle pervane kanadının aşırı eğriliği nedeniyle orta kanat bölümünde meydana gelir.
Kavitasyon önlenebilir mi? Alaşım bileşimi kavitasyona karşı erozyon direncini etkiler mi?
Operasyonel uyarlamalar:
- sıvı basıncını arttırmak
- akışkanın kaynama noktasına yakın sıcaklıklardan kaçının
- vs.
Geometrik uyarlamalar:
- akış hızının azalması, akış hızının azalmasına ve dolayısıyla yerel basınç artışına yol açacağından
- ince bıçak profilleri kullanın
- Kanatların küçük hücum açılarını seçin
- akışın ani sapmalarından kaçının
- ön kenarı yuvarlayın
- vs.
Malzeme uyarlamaları:
- Daha yüksek bir temel sertlik elde etmek için genellikle aşınmaya/erozyona karşı daha dirençli olan alaşımlı malzemelerin kullanılması. Bununla birlikte, daha sert elementlerin (örneğin Si) alaşımlanması genellikle sünekliğin azalmasıyla ilişkilendirilir.
Diğer olasılıklar: ile yüzey sertleştirme Kolsterising®
Kolsterising® kavitasyon erozyonunu önlemeye nasıl yardımcı olabilir?
Tüm kavitasyon formlarında, malzeme kaldırma derecesi her zaman malzeme yüzeyinin direncine bağlıdır. Malzeme ne kadar sert olursa, kırılgan olmadan, o kadar dirençlidir, bu nedenle malzeme seçimi belirleyici bir rol oynar. Östenitik veya dubleks paslanmaz çelikler nispeten dirençlidir, ancak daha da yüksek dirençler elde etmek için genellikle kaplamalar, örneğin stellit zırh uygulanır. Gerekli yeniden işleme ve nispeten pahalı işlemler nedeniyle, bu yöntem daha çok niş ürünler için bir çözümdür.
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.
Oluşturulan difüzyon bölgelerinin bir diğer avantajı da kaplamalardan bilindiği gibi pullanma ve delaminasyonun meydana gelmemesidir. Bu, stellit sprey kaplamalara veya seramik kaplamalara göre belirleyici bir avantajdır. Düşük işlem sıcaklıkları aynı zamanda bitmiş bileşenlerde boyutsal değişikliklerin meydana gelmediği ve bu nedenle yeniden işleme gerekmediği anlamına gelir. Tüm kaplama türleri, karmaşık konturlarda işlem yapılamaması gibi bir dezavantaja da sahiptir, çünkü bu yüzeyler yeterince kaplanamaz. S³P işlemlerinde iç konturlar, alt kesimler ve hatta en küçük delikler bile mümkündür.