Hielscher Ultraschalltechnik

Kavitationserosiontests

Kavitationserosion tritt auf Materialoberflächen auf, die einer intensiven Ultraschallkavitation ausgesetzt sind. Kavitationserosionstests sind eine schnelle Methode zur Messung der Erosionsbeständigkeit von Materialien oder Beschichtungen gegen starke Beanspruchung und andere Erosionsfaktoren. Es bietet eine einfache quantitative Messung zur Qualitätskontrolle und ist nützlich bei der Materialforschung oder bei der Formulierung von Beschichtungen.

Warum Kavitationserosionsprüfungen einsetzen?

Anhaltende Erosion oder Korrosion kann einen regelmäßigen Austausch von Teilen oder die Erneuerung von Oberflächenbeschichtungen erfordern. Die Erosion der Materialoberfläche durch mechanische oder chemische Einflüsse ist ein langsamer Prozess, der zur allmählichen Zerstörung der Materialoberflächen führt. Daher kann die Bewertung der Materialerosionsbeständigkeit oder der Erosionswirkung von Flüssigkeiten und Schlämmen ein sehr zeitaufwendiger Prozess sein.
Die Ultraschall-Kavitationserosionstests setzen die Materialoberfläche kontrollierten, intensiven und sich wiederholenden Spannungszyklen aus. Dies führt in kurzer Zeit zu einer signifikanten Erosion der Materialoberfläche. Für die regelmäßige Qualitätskontrolle in der Produktion, zur Bewertung von Eingangsmaterialien oder in der Forschung und Entwicklung können Sie die Erosionsbeständigkeit schnell messen.
Standardanwendungen sind metallurgische Prüfungen, Formulierungsprüfungen, Beschichtungsprüfungen oder die Bewertung von Erosionsinhibitoren in Flüssigkeiten.

Kavitationserosionstestaufbau mit UIP1000hdT (1000 Watt Ultraschallleistung)

UIP1000hdT (1000W, 20kHz) Kavitationserosionstestaufbau

Warum verursacht Kavitation Oberflächenerosion?

Ultraschallgeräte wie der UP400St (400 Watt, 24kHz) oder der UIP1000hdT (1000 Watt, 20kHz) koppeln Ultraschallschwingungen in Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser. Die schnelle Wechselbewegung der Vibration in der Flüssigkeit erzeugt und kollabiert Kavitationsblasen. Beim Zusammenbruch der Blasen kommt es zu einer hohen lokalen mechanischen Belastung in der Flüssigkeit und auf exponierten Materialoberflächen. Flüssigkeitsstrahlen von bis zu 1000km/h und lokale Drücke von bis zu 1000atm führen zu einer schnellen Ermüdung der Materialoberfläche. Dadurch können Oxid- oder Passivierungsschichten, Beschichtungen oder Verunreinigungen entfernt werden. Es kann zu Lochfraß bei festen Materialien wie Stahl, Titan, Aluminium, Kunststoff oder Glas führen. Daher ist die Kavitationserosionsprüfung eine zerstörerische Prüfmethode.

Kavitationserosion auf 40mm Titanoberfläche

Kavitationserosion auf 40mm Titanoberfläche

Wie funktioniert die Kavitationserosionsprüfung?

Die Kavitationserosion von Materialoberflächen führt zu einem allmählichen Materialverlust. Sie können den Materialverlust einfach messen, indem Sie das Material auf einer Präzisionswaage vor und nach einer definierten Kavitationserosionsexposition wiegen. Eine typische Gewichtsänderung für einen Kavitationserosionstest liegt zwischen 1 und 30 mg. Zur weiteren Standardisierung können Sie den Volumenverlust berechnen, indem Sie den Gewichtsverlust durch die Materialdichte dividieren. Die mittlere Eindringtiefe (MDP) wird berechnet, indem der Volumenverlust durch die Probenoberfläche dividiert wird. Alternativ können Sie auch die Lochfraßtiefe oder das verdrängte Volumen messen. Mit Hilfe der mikroskopischen Analyse können Sie zusätzliche qualitative Informationen über das Erosionsmuster gewinnen.
Wenn Sie ein Hielscher Ultraschallgerät für die Kavitationserosionsprüfung verwenden, können Sie den Temperaturbereich und den Druckbereich, in dem Sie arbeiten möchten, voreinstellen. Sie können die Ultraschallamplitude einstellen. Alle Parameter werden überwacht, angezeigt und auf einer SD-Karte protokolliert. Sie benötigen keine proprietäre Softwareinstallation. Wenn Sie möchten, können Sie den Ultraschallprozess von Ihrem normalen Webbrowser aus steuern und überwachen, wenn Sie das Ultraschallgerät über das mitgelieferte Ethernet-Kabel mit Ihrem Computer verbinden.

Kavitationserosion auf einer Titanoberfläche (Grad 5)

Kavitationserosion auf Titanoberfläche

Was ist die ASTM G32 Standardmethode für die Kavitationserosion mit einem Vibrationsgerät?

Die Norm ASTM G32-16 beschreibt ein standardisiertes Verfahren zur Kavitationserosion. Es definiert einen einfachen, kontrollierbaren und reproduzierbaren Test zur Quantifizierung und zum Vergleich der Kavitationserosionsbeständigkeit verschiedener Materialien. Die ATSM G32-16 Spezifikationen sind nützlich für den Vergleich Ihrer Ergebnisse mit denen anderer Publikationen. Wenn Sie Kavitationserosionstests in der Qualitätskontrolle durchführen möchten, empfehlen wir Ihnen, das Kavitationserosionstestprotokoll an Ihre spezifischen Anforderungen anzupassen. Gerne unterstützen wir Sie bei der Erstellung eines kundenspezifischen Kavitationserosionstestprotokolls. Für weitere Informationen zu Kavitationserosionstests nach ASTM-G32 klicken Sie bitte hier!

Warum sollte ich anstelle einer Zeitbegrenzung eine Energiebegrenzung verwenden?

Viele Veröffentlichungen und Erosionstestprotokolle legen eine Kavitationsexpositionszeit fest. Bei Hielscher Ultraschallgeräten können Sie eine Beschallungszeit vorgeben und das System stoppt nach Ablauf dieser Zeit. Sie können dann die resultierende Kavitationserosionsrate in mm/h oder mm3/h berechnen. Eine zeitliche Begrenzung ist nur akzeptabel, wenn Sie keine Parameter wie Füllstand, Amplitude, Druck, Temperatur, Flüssigkeitszusammensetzung oder Abstand zwischen Sonotrode und Materialoberfläche ändern. Ändert sich einer dieser Parameter, ändern sich auch die Schallleistung und die Intensität der Kavitation. Es ist wichtig, dass die tatsächliche Nettoleistung, die der Flüssigkeit zugeführt wird, während der Dauer der Prüfung nicht schwankt.
Mit Hielscher Ultraschallgeräten können Sie eine Energiebegrenzung einstellen. In diesem Fall stoppt das Ultraschallgerät, nachdem es die angegebene Ultraschallenergie abgegeben hat. Das Hielscher-Gerät zeigt und zeichnet Parameter wie tatsächliche Nettoleistung, Amplitude, Druck und Flüssigkeitstemperatur auf. Leistungsschwankungen oder absichtliche Parameteränderungen werden bei Verwendung eines Energielimits kompensiert. Sie können dann die resultierende Kavitationserosionsrate in mm/kWhr, mm3/kWhr oder mg/kWhr angeben.
Wenn Sie die Probe zwischen den Kavitationserosionsintervallen wiegen, können Sie eine Kurve erstellen, die den marginalen Gewichtsverlust (Gewichtsverlustsatz in jedem Energieintervall) über die kumulative Energie zeigt.
Für genauere Ergebnisse kann das Gerät eine automatische Kalibrierung durchführen (30 Sekunden). Dieser misst die Leistung für alle Amplitudeneinstellungen in Luft bei Umgebungsdruck. Das Hielscher-Gerät nutzt diese Kalibrierdaten, um sehr genaue Nettoleistungswerte in Echtzeit zu liefern.

Kavitationserosionsprüfkörper nach ASTM G32 - 16

Kavitationserosionsprüfkörper (ASTM G32) – 16)

Austauschbare Spitze (15,9 mm) für ASTM G32 Kavitationserosionstestmethode

Austauschbarer Teller für ASTM G32 – Kavitationserosionstest

Verfügbare Versuchsaufbauten für Kavitationserosionsprüfungen

Gerne besprechen wir mit Ihnen Ihre Anforderungen an die Erosionsprüfung. Bitte benutzen Sie das untenstehende Formular, um uns zu kontaktieren! Bitte geben Sie zusätzliche Informationen zu Ihrem Projekt an, wie z.B. zu prüfende Proben pro Tag, Probengröße und Material.








Bitte klicken Sie unten die Themen an, zu denen Sie weitere Informationen erhalten möchten:



  • Für einen einfach zu bedienenden Prüfstand empfehlen wir den UP400St (400W, 24kHz) mit einer Sonotrode S24d14D (14mm Spitzendurchmesser). Sonotroden mit anderem Durchmesser sind natürlich auch erhältlich. Dieser leistungsstarke Ultraschall-Homogenisator wird mit einem Temperatursensor und automatischer SD-Kartenprotokollierung geliefert. Sie können die UP400St mit S24d14D bei Amplituden von 20 bis 99 Mikron betreiben. Wir empfehlen die Verwendung eines Flüssigkeitsbehälters mit Kühlung, in dem Sie die Probe oder das Teil in einem definierten Abstand zur Sonotrodenspitze positionieren. Das UP400St Gerät kann 24 Stunden, 7 Tage die Woche kontinuierlich mit voller Leistung betrieben werden.



  • Der Hielscher UIP1000hdT (1000W, 20kHz) mit einer Sonotrode BS4d22 (22mm Spitzendurchmesser) hat mehr Leistung, kann mit höheren Amplituden arbeiten und größere Proben verarbeiten. Das Gerät wird mit einem Temperatursensor und automatischer SD-Kartenprotokollierung geliefert. Sonotroden mit größerem Durchmesser oder Sonotroden mit austauschbaren Spitzen sind erhältlich. Wir liefern Ihnen das notwendige Zubehör, wie z.B. einen Ständer, die Höhenverstellung, eine leistungsstarke Kühlmittelkühleranlage oder ein ummanteltes Prüfgefäß mit Montagehalterungen für Ihre Probe.



  • Für einen Kavitationserosionstest in einer unter Druck stehenden Flüssigkeit empfehlen wir den UIP2000hdT (2000 Watt, 20kHz). Wie die anderen Einheiten beinhaltet es einen Temperatursensor und eine automatische SD-Kartenprotokollierung. Der optionale digitale Drucksensor PS7D ist sehr nützlich, um den Druck zu überwachen und aufzuzeichnen.



  • Hielscher Ultrasonics verfügt über ein Technikum, das Kavitationserosionsprüfungen als Dienstleistung durchführen kann. Von der Bearbeitung von Standardproben, Präzisionswägung und Kavitationsexposition unter kontrollierten und wiederholbaren Bedingungen bis hin zu einem vollständigen Bericht und einer Rücksendung von Proben an Sie kann Hielscher das Prüfprotokoll an Ihre Anforderungen anpassen.


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Was beeinflusst die Kavitationserosion?

Die Ultraschallkavitation führt zu einer Kavitationserosion. Je intensiver die Ultraschallkavitation ist, desto schneller ist die Erosion. Eine intensivere Kavitation kann Materialoberflächen erodieren, die eine sehr weiche Kavitation überhaupt nicht erodieren kann. Daher kann es sein, dass eine Mindestintensität erforderlich ist, damit Ihr Material erosionsgetestet werden kann.

Ultraschallamplitude

Die Schwingungsamplitude ist der wichtigste Parameter für die Ultraschallintensität und die daraus resultierende Kavitationsintensität. Größere Amplituden erzeugen eine intensivere Kavitation. In der Ultraschalltechnik wird die Amplitude in Mikron als Peak-Peak angegeben. Mit den Ultraschallgeräten von Hielscher können Sie die Amplitude in einem weiten Bereich einstellen. Nach der Einstellung hält das Gerät die Amplitude unter allen Lastbedingungen auf dem eingestellten Niveau. Dies ist ein wichtiges Merkmal, um kontrollierbare und wiederholbare Kavitationsprüfbedingungen zu gewährleisten.
Hielscher Ultraschallgeräte ermöglichen es Ihnen, Kavitationserosionstests bei Amplituden von nur 2 Mikron bis 200 Mikron oder mehr durchzuführen.

Flüssigkeitsdruck während der Ultraschallbehandlung

Viele Standardprotokolle für die Kavitationserosionsprüfung verwenden die Ultraschallkavitation bei Umgebungsdruck. Der Flüssigkeitsdruck ist der zweitwichtigste Faktor für die Intensität der Ultraschallbehandlung. Eine Erhöhung des Umgebungsdrucks um 10% erhöht die Ultraschallintensität um ca. 10%. Eine intensivere Kavitation reduziert die Zeit, die benötigt wird, um einen bestimmten Grad an Kavitationserosion zu erreichen. Häufig kann die Einzelprobenprüfung zwischen 15 und 120 Minuten dauern. Wenn Sie viele Proben zu prüfen haben, kann das Arbeiten mit höheren Drücken die Zeit für jede Prüfung erheblich verkürzen. Tests bei 5 barg (73psig) benötigen ca. 80% weniger Zeit für jeden Test.
Hielscher liefert druckdichte Prüfzellen mit einem digitalen Drucksensor für die Kavitationserosionsprüfung. Mit einer druckdichten Zelle können Sie den Druck bei jeder Prüfung kontrollieren und aufrechterhalten. Der Ultraschallgenerator überwacht den Drucksensor ständig und protokolliert den aktuellen Druck in einer Excel-kompatiblen CSV-Datei auf einer SD-Karte (mitgeliefert). Hielscher liefert Druckregler zur Einstellung und Aufrechterhaltung des Betriebsdrucks.
Druckdichte Prüfzellen von Hielscher für Kavitationserosionsprüfungen sind standardmäßig für bis zu 5barg (73psig) ausgelegt. Höhere Drücke bis zu 300barg (4350psig) sind auf Anfrage erhältlich.

Ultraschallfrequenz

Im Allgemeinen verwendet die Kavitationserosionstests Niederfrequenz-Hochleistungsultraschall im Bereich von 18-30kHz. In diesem Bereich hat die Variation der Frequenz nur einen sehr begrenzten Einfluss auf die Kavitationsintensität. Alle Hielscher-Geräte arbeiten mit einer konstanten Frequenz.

höhenverstellbarer Aufbau zur Einstellung des Abstandes zwischen Ultraschallsonotrode und Probe bei Kavitationserosionsprüfungen (ASTM G32-16)

Höhenverstellbarer Prüfstand für Kavitationserosionsprüfungen (ASTM G32-16)

Entfernung von der Sonotrode

Das zu prüfende Material kann an der Sonotrode oder unter der Sonotrode montiert werden. Sie können eine Materialprobe mit Gewinde herstellen und an das Ende der Ultraschallsonotrode montieren. In diesem Fall schwingt die Probe mit der angegebenen Ultraschallamplitude und erzeugt auf ihrer Oberfläche Kavitation. Dies erfordert eine präzise Bearbeitung und nicht alle Materialien sind für diese Option geeignet.
Alternativ können Sie ein Teil oder eine Probe in unmittelbarer Nähe unter einer Titansonotrode fixieren. In diesem Fall erzeugt die Titansonotrode die Kavitation und die Materialoberfläche wird der Kavitation ausgesetzt. Dies ist die bequemere Option, da Sie Proben verschiedener Größen und Formen in die Prüfzelle einbringen können. Wenn Sie eine größere Sonotrode verwenden, wie z.B. eine Sonotrode mit 50mm oder 80mm Durchmesser, können Sie mehrere Teile gleichzeitig einer Kavitationserosion aussetzen. Dies ist sehr nützlich, wenn Sie viele Teile pro Tag prüfen müssen, z.B. für die Qualitätskontrolle.
In beiden Fällen ist der Abstand zwischen der Ultraschallsonotrode und der angrenzenden Materialoberfläche sehr wichtig. Im Allgemeinen ist die Kavitationserosion bei kleinerem Abstand schneller. Typische Abstände reichen von 0,2 bis 15 mm. Für aussagekräftige Ergebnisse sollten Sie bei allen Tests den gleichen Abstand verwenden.

Flüssigkeitstemperatur

Eine wärmere Flüssigkeit führt zu einer geringeren Intensität der Ultraschallkavitation. Der Eintrag von mechanischer Schwingungsenergie in die Flüssigkeit führt zur Erwärmung der Flüssigkeit. Um bei jedem Kavitationserosionstest eine konstante Temperatur zu halten, muss die Flüssigkeit gekühlt werden. Hielscher liefert ummantelte Behälter und ummantelte druckdichte Zellen. Alternativ können Sie eine Kühlschlange in einem Becherglas verwenden oder das Becherglas in ein Eisbad stellen. Ein Kühlmittel, das durch den Mantel oder durch die Kühlschlange läuft, entzieht der Flüssigkeit Wärme.
Hielscher Ultraschallgeräte wie der UP400St oder der UIP1000hdT sind mit einem PT100-Temperatursensor ausgestattet (im Lieferumfang enthalten). Der Ultraschallgenerator überwacht kontinuierlich die aktuelle Flüssigkeitstemperatur und protokolliert die Temperatur in einer Excel-kompatiblen CSV-Datei auf einer SD-Karte (im Lieferumfang enthalten). Sie können den Generator so einstellen, dass die Kavitationserosionstests unterbrochen werden, wenn die Flüssigkeitstemperatur zu stark von Ihrem Sollwert abweicht, z.B. aufgrund unzureichender Kühlleistung. Der Generator kann die Ultraschallbehandlung automatisch wieder aufnehmen, wenn die Flüssigkeit wieder die vorgegebene Temperatur erreicht hat.

Kavitierende Flüssigkeit

Im Allgemeinen werden bei Kavitationserosionstests Wasser, wie beispielsweise destilliertes Wasser, verwendet. Unterschiedliche Flüssigkeiten weisen unterschiedliche Kavitationseigenschaften auf. Wenn Wasser für Ihr Material korrosiv ist, können Sie alternative Flüssigkeiten wie niedrigviskose Silikonöle oder organische Lösungsmittel testen, um den korrosiven Faktor zu eliminieren oder zu reduzieren. Alternativ können Sie die Flüssigkeit korrosiver machen, z.B. durch Änderung des pH-Wertes oder durch Zugabe von Schleifpartikeln. Mit Kavitationserosionstests können Sie die Erosion und Korrosivität von Flüssigkeiten, wie z.B. Bohrschlämmen, beurteilen oder die Wirksamkeit von Korrosions- oder Erosionsinhibitoren bewerten.

Bearbeitung

Wenn Sie ein Teil oder eine Probe herstellen, verursachen CNC-Bearbeitungen, Schleifen oder Polieren Schäden an der Kornstruktur in der Nähe der Materialoberfläche. Dies reduziert die Erosionsbeständigkeit.

Passivierungs-/Oxidschichten

Sehr oft kommt es gleichzeitig zu Erosion und Korrosion. Wasser, wie destilliertes, demineralisiertes oder deionisiertes Wasser, kann für viele Materialien korrosiv sein. Die Ultraschallkavitation fördert die Korrosion. Passivierungsschichten, z.B. bei eloxiertem Aluminium, erhöhen die Beständigkeit einer Materialoberfläche gegen Erosion und Korrosion.

Welche Einschränkungen gibt es bei der Kavitationserosionsprüfung?

Einige Elastomere können eine sehr intensive Kavitationsbeanspruchung erfordern, um überhaupt eine Kavitationserosion zu zeigen. In diesem Fall kann die Ultraschallbehandlung ohne Druckmesszelle keinen messbaren Effekt zeigen.

15,9 mm Sonotrode mit austauschbarer Spitze für das Kavitationserosionsprüfverfahren ASTM G32 - 16

ASTM G32 -16 15.9mm Sonotrode mit austauschbarer Spitze



Prüfprotokoll-Vorlage für Kavitationserosionsprüfungen

Sie können unser Vorlagen-Arbeitsblatt in den folgenden Formaten herunterladen: PDF, Microsoft Excel XLS oder Apple Numbers.

Muster-Arbeitsblatt für Kavitationserosionsprüfungen

Muster-Arbeitsblatt für Kavitationserosionsprüfungen