בדיקות שחיקה עקב קוויטציה

שחיקה עקב קוויטציה מתרחשת על פני שטח של חומרים החשופים לקוויטציה אולטרסונית עזה. בדיקת שחיקה עקב קוויטציה היא שיטה מהירה למדידת עמידותם של חומרים או ציפויים בפני שחיקה הנגרמת ממאמצים עזים ומגורמי שחיקה אחרים. היא מספקת מדידה כמותית פשוטה לבקרת איכות ומועילה במחקר חומרים או בפיתוח פורמולציות של ציפויים.

מדוע להשתמש בבדיקות שחיקה עקב קוויטציה?

שחיקה או קורוזיה מתמשכות עשויות לחייב החלפה סדירה של חלקים או חידוש של ציפויי פני השטח. שחיקת פני השטח של חומרים עקב השפעות מכניות או כימיות היא תהליך איטי הגורם להרס הדרגתי של פני השטח. לכן, הערכת עמידותו של חומר בפני שחיקה או הערכת השפעת השחיקה של נוזלים ותרחיפים עשויות להיות תהליך ממושך מאוד.
בדיקת שחיקה עקב קוויטציה אולטרסונית חושפת את פני השטח של החומר למחזורי מאמץ מבוקרים, עזים וחוזרים. הדבר גורם לשחיקה ניכרת של פני השטח של החומר בתוך זמן קצר. ניתן למדוד במהירות את העמידות בפני שחיקה לצורך בקרת איכות סדירה בייצור, להערכת חומרים נכנסים או במהלך מחקר ופיתוח.
יישומים מקובלים כוללים בדיקות מטלורגיות, בדיקת פורמולציות של ציפויים, בדיקת יישום ציפויים או הערכת מעכבי שחיקה בנוזלים.

מדוע קוויטציה גורמת לשחיקת פני השטח?

מכשירים אולטרסוניים, כגון UP400St (400 ואט, 24kHz) או UIP1000hdT (1000 ואט, 20kHz), מעבירים תנודות אולטרסוניות לנוזלים, כגון מים. התנועה המהירה הלוך ושוב של התנודות בנוזל יוצרת בועות קוויטציה וגורמת לקריסתן. כאשר הבועות קורסות, נוצר מאמץ מכני מקומי גבוה בנוזל ועל פני שטח חשופים של חומרים. סילוני נוזל במהירויות של עד 1000km/h ולחצים מקומיים של עד 1000atm גורמים להתעייפות מהירה של פני השטח של החומר. הדבר עלול להסיר שכבות תחמוצת או פסיבציה, ציפויים או משקעים. הוא עלול לגרום לגימום בחומרים מוצקים, כגון פלדה, טיטניום, אלומיניום, פלסטיק או זכוכית. לפיכך, בדיקת שחיקה עקב קוויטציה היא שיטת בדיקה הורסת.

כיצד פועלת בדיקת שחיקה עקב קוויטציה?

שחיקה עקב קוויטציה של פני שטח של חומרים גורמת לאובדן חומר הדרגתי. ניתן למדוד בקלות את אובדן החומר באמצעות שקילתו במאזניים מדויקים לפני חשיפה מוגדרת לשחיקה עקב קוויטציה ולאחריה. שינוי משקל אופייני בבדיקת שחיקה עקב קוויטציה הוא בין 1 ל־30mg. לצורך תקנון נוסף, ניתן לחשב את אובדן הנפח באמצעות חלוקת אובדן המשקל בצפיפות החומר. עומק החדירה הממוצע (MDP) מחושב באמצעות חלוקת אובדן הנפח בשטח הפנים של הדגימה. לחלופין, ניתן למדוד את עומק הגימום או את הנפח המוזח. ניתן להשתמש בניתוח מיקרוסקופי כדי לקבל מידע איכותני נוסף על דפוס השחיקה.
בעת שימוש במכשיר אולטרסוני של Hielscher לבדיקת שחיקה עקב קוויטציה, ניתן להגדיר מראש את טווח הטמפרטורה ואת טווח הלחץ הרצויים לעבודה. ניתן לכוונן את משרעת הסוניקציה. כל הפרמטרים מנוטרים, מוצגים ומתועדים בכרטיס SD. אין צורך בהתקנת תוכנה קניינית כלשהי. אם תרצו, תוכלו לשלוט בתהליך האולטרסוני ולנטר אותו מתוך דפדפן האינטרנט הרגיל שלכם, אם תחברו את המכשיר האולטרסוני למחשב באמצעות כבל Ethernet (כלול).

מהי שיטת התקן ASTM G32 לשחיקה עקב קוויטציה באמצעות מתקן רוטט?

התקן ASTM G32-16 מתאר שיטה תקנית לארוזיה עקב קוויטציה. הוא מגדיר בדיקה פשוטה, ניתנת לבקרה והדירה, לכימות ולהשוואה של עמידות חומרים שונים בפני ארוזיה עקב קוויטציה. המפרטים של ATSM G32-16 שימושיים להשוואת התוצאות שלכם לתוצאות בפרסומים אחרים. אם ברצונכם לשלב בדיקות ארוזיה עקב קוויטציה בבקרת האיכות, אנו בהחלט ממליצים להתאים את פרוטוקול הבדיקה לדרישות הספציפיות שלכם. נשמח לסייע לכם בתכנון פרוטוקול מותאם אישית לבדיקת ארוזיה עקב קוויטציה. למידע נוסף על בדיקות ארוזיה עקב קוויטציה בהתאם לתקן ASTM-G32, לחצו כאן!

מדוע כדאי להשתמש במגבלת אנרגיה במקום במגבלת זמן?

פרסומים ופרוטוקולים רבים לבדיקות ארוזיה מציינים זמן חשיפה לקוויטציה. במכשירים האולטרסוניים של Hielscher ניתן להגדיר מראש זמן סוניקציה, והמערכת תעצור לאחר שזמן זה יחלוף. לאחר מכן ניתן לחשב את קצב הארוזיה עקב קוויטציה המתקבל ביחידות mm/hr או mm3/hr. מגבלת זמן קבילה רק אם אינכם משנים שום פרמטר, כגון מפלס הנוזל, משרעת, לחץ, טמפרטורה, הרכב הנוזל או המרווח בין הסונוטרודה לפני השטח של החומר. אם אחד מהפרמטרים הללו משתנה, גם הספק הסוניקציה ועוצמת הקוויטציה ישתנו. חשוב שההספק נטו המועבר בפועל לנוזל לא ישתנה במהלך הבדיקה.
במכשירים האולטרסוניים של Hielscher ניתן להגדיר מגבלת אנרגיה. במקרה זה, המכשיר האולטרסוני יעצור לאחר שיעביר את האנרגיה האולטרסונית שהוגדרה. מכשיר Hielscher יציג ויתעד פרמטרים כגון ההספק נטו בפועל, המשרעת, הלחץ וטמפרטורת הנוזל. בעת שימוש במגבלת אנרגיה, יינתן פיצוי על תנודות בהספק או על שינויים מכוונים בפרמטרים. לאחר מכן ניתן לציין את קצב הארוזיה עקב קוויטציה המתקבל ביחידות mm/kWhr, mm3/kWhr או mg/kWhr.
אם תשקלו את דוגמת הבדיקה בין מקטעי החשיפה לארוזיה עקב קוויטציה, תוכלו ליצור עקומה המציגה את אובדן המשקל השולי (קצב אובדן המשקל בכל מקטע אנרגיה) כתלות באנרגיה המצטברת.
לקבלת תוצאות מדויקות יותר, המכשיר יכול לבצע כיול אוטומטי (30 שניות). כיול זה מודד את ההספק בכל הגדרות המשרעת באוויר בלחץ הסביבה. מכשיר Hielscher משתמש בנתוני כיול אלה כדי לספק ערכי הספק נטו מדויקים מאוד בזמן אמת.

לחץ הנוזל במהלך סוניקציה

פרוטוקולים תקניים רבים לבדיקת שחיקה עקב קוויטציה משתמשים בקוויטציה אולטרסונית בלחץ הסביבה. לחץ הנוזל הוא הגורם השני בחשיבותו בקביעת עוצמת הסוניקציה. עלייה של 10% בלחץ הסביבה תגדיל את עוצמת הסוניקציה בכ־10%. קוויטציה חזקה יותר מקצרת את הזמן הדרוש להשגת דרגה מסוימת של שחיקה עקב קוויטציה. לעיתים קרובות, בדיקה של דגימה יחידה עשויה להימשך בין 15 ל־120 דקות. אם יש לכם דגימות רבות לבדיקה, עבודה בלחצים גבוהים יותר יכולה לקצר משמעותית את משך הזמן של כל בדיקה. בדיקות בלחץ של 5 barg (73psig) דורשות כ־80% פחות זמן לכל בדיקה.
Hielscher מספקת תאי בדיקה אטומים ללחץ עם חיישן לחץ דיגיטלי לבדיקת שחיקה עקב קוויטציה. באמצעות תא אטום ללחץ ניתן לשלוט בלחץ ולשמור עליו במהלך כל בדיקה. המחולל האולטרסוני מנטר את חיישן הלחץ ללא הרף ומתעד את הלחץ בפועל בקובץ CSV תואם Excel בכרטיס SD (כלול). Hielscher מספקת וסתים לקביעת לחץ העבודה ולשמירה עליו.
כסטנדרט, תאי הבדיקה האטומים ללחץ של Hielscher לבדיקת שחיקה עקב קוויטציה מיועדים ללחצים של עד 5barg (73psig). לחצים גבוהים יותר, עד 300barg (4350psig), זמינים לפי בקשה.

תדר אולטרסוני

ככלל, בבדיקת שחיקה עקב קוויטציה משתמשים באולטרסאונד בתדר נמוך ובעוצמה גבוהה בטווח 18–30kHz. בטווח זה, לשינוי בתדר יש השפעה מוגבלת מאוד על עוצמת הקוויטציה. כל המכשירים של Hielscher פועלים בתדר קבוע.

המרחק מהסונוטרודה

ניתן להתקין את החומר המיועד לבדיקה על הסונוטרודה או מתחתיה. ניתן להכין דגימת חומר עם תבריג ולהתקין אותה בקצה הסונוטרודה האולטרסונית. במקרה זה, הדגימה רוטטת באמפליטודה האולטרסונית שנקבעה ויוצרת קוויטציה על פני השטח שלה. הדבר דורש עיבוד שבבי מדויק, ולא כל החומרים מתאימים לאפשרות זו.
לחלופין, ניתן לקבע חלק או דגימה במרחק קטן מתחת לסונוטרודת טיטניום. במקרה זה, סונוטרודת הטיטניום יוצרת את הקוויטציה, ופני השטח של החומר נחשפים לקוויטציה. זו האפשרות הנוחה יותר, שכן ניתן להניח בתא הבדיקה דגימות בגדלים או בצורות שונים. אם משתמשים בסונוטרודה גדולה יותר, כגון סונוטרודה בקוטר 50mm או 80mm, ניתן לחשוף כמה חלקים לשחיקה עקב קוויטציה בו־זמנית. הדבר שימושי מאוד כאשר יש לבדוק חלקים רבים ביום, למשל לצורך בקרת איכות.
בשני המקרים, למרחק בין הסונוטרודה האולטרסונית לבין פני השטח של החומר הסמוכים לה יש חשיבות רבה. ככלל, השחיקה עקב קוויטציה מהירה יותר כאשר משתמשים במרחק קטן יותר. מרחקים אופייניים נעים בין 0.2 ל־15mm. לקבלת תוצאות חד־משמעיות, יש להשתמש באותו מרחק בכל הבדיקות.

טמפרטורת הנוזל

נוזל חם יותר מביא לעוצמת קוויטציה אולטרסונית נמוכה יותר. הכנסת אנרגיית רטט מכני לנוזל תגרום להתחממותו. כדי לשמור על טמפרטורה קבועה במהלך כל בדיקת שחיקה עקב קוויטציה, יש לקרר את הנוזל. Hielscher מספקת מכלים עם מעטפת קירור ותאים אטומים ללחץ עם מעטפת קירור. לחלופין, ניתן להשתמש בסליל קירור בתוך כוס מעבדה, או להניח את כוס המעבדה באמבט קרח. נוזל קירור הזורם דרך המעטפת או דרך סליל הקירור מסלק חום מהנוזל.
המכשירים האולטרסוניים של Hielscher, כגון UP400St או UIP1000hdT, מגיעים עם גשוש טמפרטורה PT100 (כלול). המחולל האולטרסוני מנטר ברציפות את טמפרטורת הנוזל בפועל ומתעד את הטמפרטורה בקובץ CSV תואם Excel בכרטיס SD (כלול). ניתן להגדיר את המחולל כך שישהה את בדיקת השחיקה עקב קוויטציה אם טמפרטורת הנוזל תסטה יותר מדי מערך היעד שהגדרתם, למשל עקב כושר קירור בלתי מספיק. המחולל יכול לחדש את הסוניקציה באופן אוטומטי כאשר הנוזל מגיע שוב לטמפרטורה שנקבעה.

נוזל שבו מתרחשת קוויטציה

בדרך כלל משתמשים בבדיקות ארוזיה עקב קוויטציה במים, כגון מים מזוקקים. נוזלים שונים מציגים מאפייני קוויטציה שונים. אם מים גורמים לקורוזיה בחומר שלכם, ייתכן שתרצו לבדוק נוזלים חלופיים, כגון שמני סיליקון בעלי צמיגות נמוכה או ממסים אורגניים, כדי לבטל את הגורם הקורוזיבי או להפחיתו. לחלופין, ניתן להפוך את הנוזל לקורוזיבי יותר, למשל באמצעות שינוי ה-pH, או לשוחק יותר באמצעות הוספת חלקיקים שוחקים. ניתן להשתמש בבדיקות ארוזיה עקב קוויטציה כדי להעריך את יכולתם של נוזלים, כגון בוצות קידוח, לגרום לארוזיה ולקורוזיה, או כדי להעריך את יעילותם של מעכבי קורוזיה או ארוזיה.

עיבוד שבבי

בעת ייצור חלק או דגימת בדיקה, עיבוד שבבי ב-CNC, השחזה או ליטוש גורמים נזק למבנה הגרעינים בקרבת פני החומר. הדבר מפחית את העמידות בפני ארוזיה.

שכבות פסיבציה/תחמוצת

לעיתים קרובות מאוד ארוזיה וקורוזיה מתרחשות בו-זמנית. מים, כגון מים מזוקקים, מים נטולי מינרלים או מים נטולי יונים, עלולים לגרום לקורוזיה בחומרים רבים. קוויטציה אולטרסונית מעודדת קורוזיה. שכבות פסיבציה, למשל על אלומיניום שעבר אילגון, יגבירו את עמידות פני החומר בפני ארוזיה וקורוזיה.

אילו מגבלות יש לבדיקות ארוזיה עקב קוויטציה?

אלסטומרים מסוימים עשויים לדרוש חשיפה לקוויטציה עזה מאוד כדי שתופיע בהם ארוזיה כלשהי עקב קוויטציה. במקרה זה, סוניקציה ללא תא בלחץ עשויה שלא להראות כל השפעה מדידה.