Kavitaatioeroosion testaus

Kavitaatioeroosiota esiintyy materiaalipinnoilla, jotka altistuvat voimakkaalle ultraäänikavitaatiolle. Kavitaatioeroosion testaus on nopea menetelmä, jolla mitataan materiaalien tai pinnoitteiden eroosionkestävyyttä voimakkaan rasituksen ja muiden eroosiotekijöiden vaikutuksesta. Se tarjoaa helpon kvantitatiivisen mittauksen laadunvalvontaan ja on hyödyllinen materiaalitutkimuksessa tai pinnoitteiden koostumusten kehittämisessä.

Miksi käyttää kavitaatioeroosion testausta?

Jatkuva eroosio tai korroosio voi edellyttää osien säännöllistä vaihtamista tai pintapinnoitteiden uusimista. Mekaanisten tai kemiallisten vaikutusten aiheuttama materiaalipinnan eroosio on hidas prosessi, joka johtaa materiaalipintojen vähittäiseen tuhoutumiseen. Siksi materiaalin eroosionkestävyyden tai nesteiden ja lietteiden eroosiovaikutuksen arviointi voi olla hyvin aikaa vievä prosessi.
Ultraäänellä tehtävä kavitaatioeroosion testaus altistaa materiaalipinnan hallituille, voimakkaille, toistuville rasitussykleille. Tämä aiheuttaa materiaalipinnan merkittävää eroosiota lyhyessä ajassa. Voit mitata eroosionkestävyyden nopeasti tuotannon säännöllistä laadunvalvontaa, saapuvien materiaalien arviointia tai tutkimus- ja kehitystyötä varten.
Tavanomaisia käyttökohteita ovat metallurginen testaus, pinnoitteiden koostumusten testaus, pinnoitteiden levityksen testaus tai nesteiden eroosionestoaineiden arviointi.

Miksi kavitaatio aiheuttaa pintaeroosiota?

Ultraäänilaitteet, kuten UP400St (400 wattia, 24 kHz) tai UIP1000hdT (1 000 wattia, 20 kHz), kytkevät ultraäänivärähtelyä nesteisiin, kuten veteen. Värähtelyn nopea edestakainen liike nesteessä synnyttää kavitaatiokuplia ja saa ne luhistumaan. Kuplien luhistuessa nesteessä ja altistuvilla materiaalipinnoilla syntyy voimakasta paikallista mekaanista rasitusta. Jopa 1 000 km/h:n nopeuksiset nestesuihkut ja jopa 1 000 atm:n paikalliset paineet johtavat materiaalipinnan nopeaan väsymiseen. Tämä voi poistaa oksidi- tai passivointikerroksia, pinnoitteita tai likaantumia. Se voi aiheuttaa kuoppautumista kiinteissä materiaaleissa, kuten teräksessä, titaanissa, alumiinissa, muovissa tai lasissa. Kavitaatioeroosion testaus on siten rikkova testausmenetelmä.

Miten kavitaatioeroosion testaus toimii?

Materiaalipintojen kavitaatioeroosio aiheuttaa vähittäistä materiaalihäviötä. Voit mitata materiaalihäviön helposti punnitsemalla materiaalin tarkkuusvaa’alla ennen määriteltyä kavitaatioeroosioaltistusta ja sen jälkeen. Kavitaatioeroosiotestin tyypillinen painonmuutos on 1–30 mg. Standardoinnin lisäämiseksi voit laskea tilavuushäviön jakamalla painohäviön materiaalin tiheydellä. Keskimääräinen tunkeutumissyvyys (MDP) lasketaan jakamalla tilavuushäviö koekappaleen pinta-alalla. Vaihtoehtoisesti voit mitata kuoppautumissyvyyden tai syrjäytetyn tilavuuden. Mikroskooppisella analyysillä voit saada lisää laadullista tietoa eroosiokuviosta.
Kun käytät kavitaatioeroosion testaukseen ultraäänilaitetta, jonka valmistaja on Hielscher, voit asettaa etukäteen lämpötila- ja painealueet, joilla haluat työskennellä. Voit säätää ultraäänikäsittelyn amplitudia. Kaikkia parametreja seurataan, ne näytetään ja tallennetaan SD-kortille. Sinun ei tarvitse asentaa mitään valmistajakohtaista ohjelmistoa. Halutessasi voit ohjata ja seurata ultraääniprosessia tavallisella verkkoselaimellasi, jos liität ultraäänilaitteen tietokoneeseesi Ethernet-kaapelilla (sisältyy toimitukseen).

Mikä on ASTM G32 -standardimenetelmä kavitaatioeroosion testaamiseen värähtelylaitteella?

ASTM G32-16 -standardi kuvaa standardoidun menetelmän kavitaatioeroosiolle. Se määrittelee yksinkertaisen, hallittavan ja toistettavan testin eri materiaalien kavitaatioeroosionkestävyyden mittaamiseen ja vertaamiseen. ATSM G32-16 -määritykset ovat hyödyllisiä, kun vertaat tuloksiasi muiden julkaisujen tuloksiin. Jos haluat ottaa kavitaatioeroosion testauksen käyttöön laadunvalvonnassa, suosittelemme mukauttamaan kavitaatioeroosion testausprotokollan omiin vaatimuksiisi. Autamme mielellämme räätälöidyn kavitaatioeroosion testausprotokollan suunnittelussa. Saat lisätietoja ASTM-G32-standardin mukaisesta kavitaatioeroosion testauksesta napsauttamalla tästä!

Miksi kannattaa käyttää energiarajaa aikarajan sijaan?

Monissa julkaisuissa ja eroosion testausprotokollissa määritellään kavitaatioaltistuksen kesto. Ultraäänilaitteissa, joiden valmistaja on Hielscher, voit asettaa ultraäänikäsittelyn keston etukäteen, ja järjestelmä pysähtyy tämän ajan kuluttua. Voit sitten laskea tuloksena olevan kavitaatioeroosion nopeuden yksiköissä mm/hr tai mm3/hr. Aikaraja on hyväksyttävä vain, jos et muuta mitään parametreja, kuten nestepinnan korkeutta, amplitudia, painetta, lämpötilaa, nesteen koostumusta tai sonotrodin ja materiaalipinnan välistä etäisyyttä. Jos jokin näistä parametreista muuttuu, myös ultraäänikäsittelyn teho ja kavitaation voimakkuus muuttuvat. On tärkeää, ettei nesteeseen siirretty todellinen nettoteho vaihtele testin aikana.
Ultraäänilaitteissa, joiden valmistaja on Hielscher, voit asettaa energiarajan. Tällöin ultraäänilaite pysähtyy, kun se on siirtänyt määritellyn ultraäänienergian. Laite, jonka valmistaja on Hielscher, näyttää ja tallentaa parametrit, kuten todellisen nettotehon, amplitudin, paineen ja nesteen lämpötilan. Tehon vaihtelut tai parametrien tarkoitukselliset muutokset kompensoidaan energiarajaa käytettäessä. Voit sitten ilmoittaa tuloksena olevan kavitaatioeroosion nopeuden yksiköissä mm/kWhr, mm3/kWhr tai mg/kWhr.
Jos punnitset koekappaleen kavitaatioeroosiojaksojen välillä, voit muodostaa käyrän, joka esittää marginaalisen painohäviön (painohäviön nopeuden kullakin energiavälillä) kumulatiivisen energian funktiona.
Tarkempien tulosten saamiseksi laite voi suorittaa automaattisen kalibroinnin (30 sekuntia). Se mittaa tehon kaikilla amplitudiasetuksilla ilmassa ympäristön paineessa. Laite, jonka valmistaja on Hielscher, käyttää näitä kalibrointitietoja antaakseen erittäin tarkkoja nettotehoarvoja reaaliajassa.

Nesteen paine ultraäänikäsittelyn aikana

Monissa kavitaatioeroosion testauksen vakioprotokollissa käytetään ultraäänikavitaatiota ympäristön paineessa. Nesteen paine on toiseksi tärkein tekijä ultraäänikäsittelyn voimakkuuden kannalta. Ympäristön paineen 10 %:n nousu lisää ultraäänikäsittelyn voimakkuutta noin 10 %. Voimakkaampi kavitaatio lyhentää aikaa, joka tarvitaan tietyn kavitaatioeroosion asteen saavuttamiseen. Yhden koekappaleen testi voi usein kestää 15–120 minuuttia. Jos testattavia koekappaleita on paljon, työskentely korkeammissa paineissa voi lyhentää kunkin testin kestoa merkittävästi. Testit 5 barg:n (73 psig) paineessa vaativat noin 80 % vähemmän aikaa kutakin testiä kohden.
Hielscher toimittaa kavitaatioeroosion testaukseen painetiiviitä testauskennoja, joissa on digitaalinen paineanturi. Painetiiviin kennon avulla voit ohjata ja ylläpitää painetta kunkin testin aikana. Ultraäänigeneraattori seuraa paineanturia jatkuvasti ja tallentaa todellisen paineen Excel-yhteensopivaan CSV-tiedostoon SD-kortille (sisältyy toimitukseen). Hielscher toimittaa paineensäätimiä käyttöpaineen asettamiseen ja ylläpitämiseen.
Hielscherin painetiiviit kavitaatioeroosion testauskennot on vakiona mitoitettu enintään 5 barg:n (73 psig) paineelle. Korkeampia paineita aina 300 barg:iin (4 350 psig) asti on saatavilla pyynnöstä.

Ultraäänen taajuus

Kavitaatioeroosion testauksessa käytetään yleensä matalataajuista, voimakasta ultraääntä taajuusalueella 18–30 kHz. Tällä alueella taajuuden vaihtelulla on hyvin vähäinen vaikutus kavitaation voimakkuuteen. Kaikki laitteet, joiden valmistaja on Hielscher, toimivat vakiotaajuudella.

Etäisyys sonotrodista

Testattava materiaali voidaan kiinnittää sonotrodiin tai sonotrodin alapuolelle. Voit valmistaa materiaalista kierteellisen koekappaleen ja kiinnittää sen ultraäänisonotrodin päähän. Tällöin koekappale värähtelee määritellyllä ultraäänen amplitudilla ja tuottaa kavitaatiota pinnalleen. Tämä edellyttää tarkkuuskoneistusta, eivätkä kaikki materiaalit sovellu tähän vaihtoehtoon.
Vaihtoehtoisesti voit kiinnittää osan tai koekappaleen titaanisonotrodin alapuolelle sen välittömään läheisyyteen. Tällöin titaanisonotrodi tuottaa kavitaation ja materiaalipinta altistuu kavitaatiolle. Tämä on kätevämpi vaihtoehto, sillä voit sijoittaa testauskennoon erikokoisia tai erimuotoisia koekappaleita. Jos käytät suurempaa sonotrodia, kuten halkaisijaltaan 50 mm:n tai 80 mm:n sonotrodia, voit altistaa useita osia kavitaatioeroosiolle samanaikaisesti. Tämä on erittäin hyödyllistä, kun sinun on testattava paljon osia päivässä esimerkiksi laadunvalvontaa varten.
Molemmissa tapauksissa ultraäänisonotrodin ja sen vieressä olevan materiaalipinnan välinen etäisyys on erittäin tärkeä. Yleensä kavitaatioeroosio on nopeampaa pienempää etäisyyttä käytettäessä. Tyypilliset etäisyydet ovat 0,2–15 mm. Luotettavien johtopäätösten saamiseksi sinun tulisi käyttää samaa etäisyyttä kaikissa testeissä.

Nesteen lämpötila

Lämpimämpi neste johtaa heikompaan ultraäänikavitaation voimakkuuteen. Mekaanisen värähtelyenergian siirtäminen nesteeseen aiheuttaa nesteen lämpenemistä. Neste on jäähdytettävä, jotta lämpötila pysyy vakiona kunkin kavitaatioeroosiotestin aikana. Hielscher toimittaa vaipallisia astioita ja vaipallisia painetiiviitä kennoja. Vaihtoehtoisesti voit käyttää jäähdytyskierukkaa dekantterilasissa tai asettaa dekantterilasin jäähauteeseen. Vaipan tai jäähdytyskierukan läpi virtaava jäähdytysaine poistaa lämpöä nesteestä.
Ultraäänilaitteisiin, joiden valmistaja on Hielscher, kuten UP400St tai UIP1000hdT, sisältyy PT100-lämpötila-anturi (sisältyy toimitukseen). Ultraäänigeneraattori seuraa nesteen todellista lämpötilaa jatkuvasti ja tallentaa lämpötilan Excel-yhteensopivaan CSV-tiedostoon SD-kortille (sisältyy toimitukseen). Voit asettaa generaattorin keskeyttämään kavitaatioeroosion testauksen, jos nesteen lämpötila poikkeaa liikaa asetusarvostasi esimerkiksi riittämättömän jäähdytyskapasiteetin vuoksi. Generaattori voi jatkaa ultraäänikäsittelyä automaattisesti, kun neste on jälleen saavuttanut määritellyn lämpötilan.

Kavitoiva neste

Kavitaatioeroosion testauksessa käytetään yleensä vettä, kuten tislattua vettä. Eri nesteillä on erilaiset kavitaatio-ominaisuudet. Jos vesi aiheuttaa korroosiota materiaalissasi, voit halutessasi testata vaihtoehtoisia nesteitä, kuten alhaisen viskositeetin silikoniöljyjä tai orgaanisia liuottimia, korroosiotekijän poistamiseksi tai vähentämiseksi. Vaihtoehtoisesti voit tehdä nesteestä korroosiota aiheuttavamman esimerkiksi muuttamalla pH:ta tai hankaavamman lisäämällä hankaavia hiukkasia. Voit käyttää kavitaatioeroosion testausta nesteiden, kuten porauslietteiden, eroosiota ja korroosiota aiheuttavien ominaisuuksien arviointiin tai korroosion- tai eroosionestoaineiden tehokkuuden arviointiin.

Koneistus

Kun valmistat osan tai koekappaleen, CNC-koneistus, hionta tai kiillotus vaurioittavat raerakennetta materiaalipinnan lähellä. Tämä heikentää eroosionkestävyyttä.

Passivointi- ja oksidikerrokset

Eroosio ja korroosio tapahtuvat hyvin usein samanaikaisesti. Vesi, kuten tislattu, demineralisoitu tai deionisoitu vesi, voi aiheuttaa korroosiota monissa materiaaleissa. Ultraäänikavitaatio edistää korroosiota. Passivointikerrokset, esimerkiksi anodisoidussa alumiinissa, lisäävät materiaalipinnan eroosion- ja korroosionkestävyyttä.

Mitä rajoituksia kavitaatioeroosion testauksella on?

Jotkin elastomeerit saattavat vaatia erittäin voimakasta kavitaatioaltistusta, jotta niissä ilmenee lainkaan kavitaatioeroosiota. Tällöin ultraäänikäsittely ilman paineistettua kennoa ei välttämättä aiheuta mitään mitattavaa vaikutusta.