Pruebas de erosión por cavitación

La erosión por cavitación se produce en superficies de materiales expuestas a una intensa cavitación ultrasónica. El ensayo de erosión por cavitación es un método rápido para medir la resistencia a la erosión de materiales o revestimientos frente a tensiones intensas y otros factores de erosión. Proporciona una medición cuantitativa sencilla para el control de calidad y es útil durante la investigación de materiales o la formulación de revestimientos.

¿Por qué utilizar las pruebas de erosión por cavitación?

La erosión o corrosión continuas pueden requerir la sustitución periódica de piezas o la renovación de revestimientos superficiales. La erosión de la superficie del material debida a influencias mecánicas o químicas es un proceso lento que provoca la destrucción gradual de las superficies del material. Por lo tanto, la evaluación de la resistencia a la erosión del material o del efecto de erosión de líquidos y lodos puede ser un proceso que requiera mucho tiempo.
Los ensayos de erosión por cavitación ultrasónica exponen la superficie del material a ciclos de tensión controlados, intensos y repetitivos. El resultado es una erosión significativa de la superficie del material en poco tiempo. Puede medir rápidamente la resistencia a la erosión para el control de calidad regular en la producción, para la evaluación de materiales entrantes o durante la investigación y el desarrollo.
Las aplicaciones estándar incluyen pruebas metalúrgicas, pruebas de formulación de revestimientos, pruebas de aplicación de revestimientos o la evaluación de inhibidores de la erosión en líquidos.

Configuración de prueba de erosión por cavitación con UIP1000hdT (1000 vatios de potencia ultrasónica)

UIP1000hdT (1000W, 20kHz) Configuración de prueba de erosión por cavitación

¿Por qué la cavitación provoca erosión superficial?

Los dispositivos ultrasónicos, como el UP400St (400 vatios, 24 kHz) o el UIP1000hdT (1000 vatios, 20 kHz), emparejan vibraciones ultrasónicas en líquidos, como el agua. El rápido movimiento recíproco de la vibración en el líquido produce y colapsa burbujas de cavitación. Cuando las burbujas se colapsan, se produce una gran tensión mecánica localizada en el líquido y en las superficies expuestas del material. Los chorros de líquido de hasta 1.000 km/h y las presiones locales de hasta 1.000 atm provocan una rápida fatiga en la superficie del material. Esto puede eliminar capas de óxido o pasivación, revestimientos o incrustaciones. Puede provocar picaduras en materiales sólidos como el acero, el titanio, el aluminio, el plástico o el vidrio. Por lo tanto, el ensayo de erosión por cavitación es un método de ensayo destructivo.

Erosión por cavitación en una superficie de titanio de 40 mm

Erosión por cavitación en una superficie de titanio de 40 mm

¿Cómo funcionan las pruebas de erosión por cavitación?

La erosión por cavitación de las superficies de los materiales provoca una pérdida gradual de material. La pérdida de material puede medirse fácilmente pesando el material en una balanza de precisión antes y después de una exposición definida a la erosión por cavitación. Un cambio de peso típico para una prueba de erosión por cavitación oscila entre 1 y 30 mg. Para una mayor estandarización, puede calcular la pérdida de volumen dividiendo la pérdida de peso por la densidad del material. La profundidad media de penetración (MDP) se calcula dividiendo la pérdida de volumen por la superficie de la probeta. Como alternativa, puede medir la profundidad de la picadura o el volumen desplazado. Puede utilizar el análisis microscópico para obtener información cualitativa adicional sobre el patrón de erosión.
Cuando se utiliza un dispositivo de ultrasonidos Hielscher para el ensayo de erosión por cavitación, se puede preestablecer el intervalo de temperatura y el intervalo de presión con los que se desea trabajar. Puede ajustar la amplitud de sonicación. Todos los parámetros son monitorizados, visualizados y protocolizados en una tarjeta SD. No necesita instalar ningún software propietario. Si lo desea, puede controlar y supervisar el proceso de ultrasonidos desde su navegador web habitual, si conecta el dispositivo de ultrasonidos a su ordenador mediante el cable Ethernet (incluido).

Erosión por cavitación en una superficie de titanio (grado 5)

Erosión por cavitación en la superficie de titanio

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¿Qué es el método estándar ASTM G32 para la erosión por cavitación utilizando un aparato vibratorio?

La norma ASTM G32-16 describe un método normalizado para la erosión por cavitación. Define un ensayo sencillo, controlable y reproducible para cuantificar y comparar la resistencia a la erosión por cavitación de diferentes materiales. Las especificaciones ATSM G32-16 son útiles para comparar sus resultados con los de otras publicaciones. Si desea aplicar el ensayo de erosión por cavitación en el control de calidad, le recomendamos que adapte el protocolo de ensayo de erosión por cavitación a sus requisitos específicos. Estaremos encantados de ayudarle a diseñar un protocolo de ensayo de erosión por cavitación personalizado. Para obtener más información sobre los ensayos de erosión por cavitación según la norma ASTM-G32, haga clic aquí.

¿Por qué debo utilizar un límite de energía en lugar de un límite de tiempo?

Muchas publicaciones y protocolos de ensayo de erosión especifican un tiempo de exposición a la cavitación. En los aparatos de ultrasonidos de Hielscher, puede preajustar un tiempo de sonicación y el sistema se detendrá una vez transcurrido dicho tiempo. A continuación, puede calcular la tasa de erosión por cavitación resultante en mm/h o mm3/h. Un límite de tiempo es aceptable, sólo si no cambia ningún parámetro, como el nivel del líquido, la amplitud, la presión, la temperatura, la composición del líquido o la separación entre el sonotrodo y la superficie del material. Si alguno de estos parámetros cambia, también lo hará la potencia de sonicación y la intensidad de la cavitación. Es importante que la potencia neta real suministrada al líquido no fluctúe durante la duración de la prueba.
En los dispositivos de ultrasonidos Hielscher se puede establecer un límite de energía. En este caso, el dispositivo ultrasónico se detendrá una vez que haya suministrado la energía ultrasónica especificada. El dispositivo Hielscher mostrará y registrará parámetros, como la potencia neta real, la amplitud, la presión y la temperatura del líquido. Las fluctuaciones en la potencia o los cambios deliberados en los parámetros se compensarán cuando se utilice un límite de energía. A continuación, puede especificar la tasa de erosión por cavitación resultante en mm/kWhr, mm3/kWhr o mg/kWhr.
Si se pesa la probeta entre intervalos de erosión por cavitación, se puede generar una curva que muestre la pérdida marginal de peso (tasa de pérdida de peso en cada intervalo de energía) sobre la energía acumulada.
Para obtener resultados más precisos, el aparato puede realizar una calibración automática (30 segundos). En ella se mide la potencia para todos los ajustes de amplitud en aire a presión ambiente. El dispositivo Hielscher utiliza estos datos de calibración para proporcionar valores de potencia neta muy precisos en tiempo real.

Muestra de ensayo de erosión por cavitación conforme a ASTM G32 - 16

Muestra de ensayo de erosión por cavitación (ASTM G32 – 16)

Punta reemplazable (15,9 mm) para el método de ensayo de erosión por cavitación ASTM G32

Punta reemplazable para ASTM G32 – Prueba de erosión por cavitación

Dispositivos disponibles para las pruebas de erosión por cavitación

Estaremos encantados de estudiar sus necesidades en materia de ensayos de erosión. Utilice el siguiente formulario para ponerse en contacto con nosotros. Por favor, facilítenos información adicional sobre su proyecto, como muestras a ensayar por día, tamaño de la muestra y material.








Indique a continuación la información que desea recibir:



  • Para un banco de pruebas fácil de usar, recomendamos el UP400St (400W, 24kHz) con un sonotrodo S24d14D (14mm de diámetro de punta). Por supuesto, hay disponibles sonotrodos de otros diámetros. Este potente homogeneizador ultrasónico, viene con una sonda de temperatura y protocolización automática de tarjeta SD. Puede utilizar el UP400St con el S24d14D a amplitudes de 20 a 99 micras. Recomendamos utilizar un recipiente para líquidos con refrigeración, en el que se coloca la muestra o pieza a una distancia definida de la punta del sonotrodo. El dispositivo UP400St puede funcionar 24 horas, 7 días a la semana de forma continua a plena potencia.



  • El UIP1000hdT de Hielscher (1000 W, 20 kHz) con un sonotrodo BS4d22 (22 mm de diámetro de punta) tiene más potencia, puede funcionar a amplitudes más altas y procesar muestras más grandes. La unidad incluye una sonda de temperatura y protocolización automática mediante tarjeta SD. Hay disponibles sonotrodos de mayor diámetro o sonotrodos con puntas reemplazables. Podemos suministrarle los accesorios necesarios, como un soporte, un ajuste de altura, un potente enfriador de refrigerante o un recipiente de ensayo encamisado con soportes de montaje para su muestra.



  • Para una prueba de erosión por cavitación en un líquido presurizado, recomendamos el UIP2000hdT (2000 vatios, 20 kHz). Al igual que las demás unidades, incluye una sonda de temperatura y protocolización automática de tarjetas SD. El sensor de presión digital opcional PS7D es muy útil para controlar y registrar la presión.



  • Hielscher Ultrasonics dispone de un centro técnico que puede realizar ensayos de erosión por cavitación como servicio. Desde el mecanizado de probetas estándar, el pesaje de precisión y la exposición a la cavitación en condiciones controladas y repetibles hasta un informe completo y la devolución de las muestras a usted, Hielscher puede personalizar el protocolo de ensayo para satisfacer sus requisitos.


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¿Qué influye en la erosión por cavitación?

La cavitación ultrasónica provoca una erosión por cavitación. Cuanto más intensa es la cavitación ultrasónica, más rápida es la erosión. Una cavitación más intensa puede erosionar superficies de material que una cavitación muy suave no puede erosionar en absoluto. Así que puede haber una intensidad mínima requerida para que su material sea sometido a pruebas de erosión.

Amplitud ultrasónica

La amplitud de vibración es el parámetro más importante para la intensidad de sonicación y la intensidad de cavitación resultante. Amplitudes mayores producen una cavitación más intensa. En ultrasonidos, la amplitud se especifica en micras como pico-pico. Los aparatos de ultrasonidos Hielscher permiten ajustar la amplitud en un amplio rango. Una vez ajustada, el dispositivo mantiene la amplitud en el nivel ajustado en todas las condiciones de carga. Esta es una característica importante para disponer de condiciones de ensayo de cavitación controlables y repetibles.
Los dispositivos ultrasónicos de Hielscher le permiten realizar ensayos de erosión cavitacional con amplitudes desde tan sólo 2 micras hasta 200 micras o más.

Presión del líquido durante la sonicación

Muchos protocolos estándar para las pruebas de erosión por cavitación utilizan la cavitación ultrasónica a presión ambiente. La presión del líquido es el segundo factor más importante para la intensidad de la sonicación. Un aumento del 10% de la presión ambiente aumentará la intensidad de la sonicación en un 10% aproximadamente. Una cavitación más intensa reduce el tiempo necesario para alcanzar un determinado grado de erosión por cavitación. A menudo, el ensayo de una sola muestra puede durar entre 15 y 120 minutos. Si tiene que ensayar muchas muestras, trabajar a presiones más altas puede reducir significativamente el tiempo de cada ensayo. Los ensayos a 5 barg (73 psig) requieren aproximadamente un 80% menos de tiempo para cada ensayo.
Hielscher suministra celdas de ensayo estancas a la presión con un sensor de presión digital para ensayos de erosión por cavitación. Utilizando una célula estanca a la presión, puede controlar y mantener la presión durante cada ensayo. El generador ultrasónico monitoriza constantemente el sensor de presión y registra la presión real en un archivo CSV compatible con Excel en una tarjeta SD (incluida). Hielscher suministra reguladores de presión para ajustar y mantener la presión de funcionamiento.
Las células de ensayo estancas a la presión de Hielscher para ensayos de erosión por cavitación tienen una presión nominal de hasta 5 barg (73 psig). Bajo pedido se pueden suministrar presiones superiores de hasta 300 barg (4350 psig).

Frecuencia ultrasónica

En general, los ensayos de erosión por cavitación utilizan ultrasonidos de baja frecuencia y alta intensidad en la gama de 18-30 kHz. En este rango, la variación de la frecuencia tiene un efecto muy limitado sobre la intensidad de la cavitación. Todos los dispositivos Hielscher funcionan a una frecuencia constante.

Dispositivo de altura regulable para ajustar la distancia entre el sonotrodo ultrasónico y la probeta durante los ensayos de erosión por cavitación (ASTM G32-16).

Célula de ensayo ajustable en altura para ensayos de erosión por cavitación (ASTM G32-16)

Distancia del sonotrodo

El material a ensayar puede montarse en el sonotrodo o debajo de él. Puede fabricar una muestra de material roscada y montarla en el extremo del sonotrodo ultrasónico. En este caso, la muestra vibra a la amplitud ultrasónica especificada y produce cavitación en su superficie. Esto requiere un mecanizado de precisión y no todos los materiales son adecuados para esta opción.
Otra posibilidad es fijar una pieza o una muestra muy cerca bajo un sonotrodo de titanio. En este caso, el sonotrodo de titanio produce la cavitación y la superficie del material queda expuesta a la cavitación. Esta es la opción más conveniente, ya que puede colocar muestras de varios tamaños o formas en la celda de prueba. Si utiliza un sonotrodo más grande, como uno de 50 mm u 80 mm de diámetro, puede exponer varias piezas a la erosión por cavitación al mismo tiempo. Esto es muy útil cuando tiene que probar muchas piezas al día, por ejemplo, para el control de calidad.
En ambos casos, la distancia entre el sonotrodo ultrasónico y la superficie del material junto a él es muy importante. En general, la erosión por cavitación es más rápida cuando se utiliza una distancia menor. Las distancias típicas oscilan entre 0,2 y 15 mm. Para obtener resultados concluyentes, debe utilizar la misma distancia para todas las pruebas.

Temperatura del líquido

Un líquido más caliente provoca una menor intensidad de cavitación ultrasónica. La entrada de energía de vibración mecánica en el líquido hará que éste se caliente. Para mantener una temperatura constante durante cada ensayo de erosión por cavitación, es necesario enfriar el líquido. Hielscher suministra recipientes encamisados y celdas estancas encamisadas. Como alternativa se puede utilizar un serpentín de refrigeración en un vaso de precipitados o se puede introducir el vaso en un baño de hielo. Un refrigerante que circula por la camisa o por el serpentín de refrigeración elimina el calor del líquido.
Los dispositivos ultrasónicos de Hielscher, como el UP400St o el UIP1000hdT vienen con una sonda de temperatura PT100 (incluida). El generador de ultrasonidos monitoriza continuamente la temperatura real del líquido y la registra en un archivo CSV compatible con Excel en una tarjeta SD (incluida). Puede configurar el generador para que interrumpa las pruebas de erosión por cavitación en caso de que la temperatura del líquido se desvíe demasiado de su punto de ajuste, por ejemplo, debido a una capacidad de refrigeración insuficiente. El generador puede reanudar la sonicación automáticamente cuando el líquido vuelva a alcanzar la temperatura especificada.

Líquido cavitante

En general, las pruebas de erosión por cavitación utilizan agua, como el agua destilada. Diferentes líquidos muestran diferentes características de cavitación. Si el agua es corrosiva para su material, es posible que desee probar líquidos alternativos, tales como aceites de silicona de baja viscosidad o disolventes orgánicos con el fin de eliminar o reducir el factor corrosivo. También puede hacer que el líquido sea más corrosivo, por ejemplo, cambiando el pH, o más abrasivo añadiendo partículas abrasivas. Puede utilizar los ensayos de erosión por cavitación para evaluar la erosividad y corrosividad de los líquidos, como los lodos de perforación, o para evaluar la eficacia de los inhibidores de la corrosión o la erosión.

Mecanizado

Cuando se fabrica una pieza o una muestra, el mecanizado CNC, el esmerilado o el pulido provocan daños en la estructura del grano cerca de la superficie del material. Esto reduce la resistencia a la erosión.

Capas de pasivación/óxido

Muy a menudo, la erosión y la corrosión se producen al mismo tiempo. El agua destilada, desmineralizada o desionizada puede ser corrosiva para muchos materiales. La cavitación ultrasónica favorece la corrosión. Las capas de pasivación, por ejemplo en el aluminio anodizado, aumentan la resistencia de la superficie de un material a la erosión y la corrosión.

¿Qué limitaciones tienen las pruebas de erosión por cavitación?

Algunos elastómeros pueden requerir una exposición muy intensa a la cavitación para mostrar algún tipo de erosión por cavitación. En este caso, la sonicación sin una célula presurizada puede no mostrar ningún efecto medible.

Sonotrodo de 15,9 mm con punta reemplazable para el método de ensayo de erosión por cavitación ASTM G32 - 16

ASTM G32 -16 Sonotrodo de 15,9 mm con punta reemplazable



Modelo de protocolo de ensayo de erosión por cavitación

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Ejemplo de hoja de trabajo para las pruebas de erosión por cavitación

Ejemplo de hoja de trabajo para las pruebas de erosión por cavitación

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