キャビテーション侵食試験

キャビテーション壊食は、激しい超音波キャビテーションにさらされた材料表面で発生します。キャビテーション壊食試験は、強い応力やその他の壊食要因に対する材料やコーティングの壊食耐性を迅速に測定する方法です。品質管理のための定量的な測定が容易であり、材料の研究やコーティングの配合に役立ちます。

なぜキャビテーション侵食試験を行うのか？

侵食や腐食が進行すると、定期的な部品交換や表面コーティングの更新が必要になることがある。機械的または化学的な影響による材料表面の浸食は、材料表面が徐々に破壊されるゆっくりとしたプロセスです。そのため、材料の耐侵食性や液体・スラリーの侵食効果を評価することは、非常に時間のかかるプロセスです。
超音波キャビテーション壊食試験は、材料表面を制御された激しい繰り返し応力サイクルに曝します。その結果、材料表面は短時間で大きく侵食されます。生産工程における定期的な品質管理、受入材料の評価、研究開発において、耐エロージョン性を迅速に測定することができます。
標準的な用途としては、冶金試験、コーティング処方試験、コーティング塗布試験、液中侵食防止剤の評価などがある。

キャビテーションはなぜ表面侵食を引き起こすのか？

UP400St（400ワット、24kHz）やUIP1000hdT（1000ワット、20kHz）などの超音波装置は、超音波振動を水などの液体に結合します。液体中での振動の高速往復運動により、キャビテーション気泡が発生し、崩壊します。気泡が崩壊すると、液体中や露出した材料表面に局所的に高い機械的応力が発生する。最高時速1000kmの液体噴流と最高1000気圧の局所的な圧力は、材料表面の急速な疲労を引き起こします。これにより、酸化層や不動態化層、コーティングやファウリングが除去される可能性がある。また、鋼鉄、チタン、アルミニウム、プラスチック、ガラスなどの固体材料に孔食を発生させることもあります。したがって、キャビテーション壊食試験は破壊試験法です。

キャビテーション侵食試験の仕組み

材料表面のキャビテーション侵食は、徐々に材料を損失させます。規定のキャビテーション壊食に曝す前と後で、精密な秤で材料の重量を測定することにより、材料の損失を簡単に測定することができます。キャビテーション壊食試験の典型的な重量変化は1～30mgです。さらに標準化するために、重量損失を材料密度で割って体積損失を計算することができます。平均浸透深さ（MDP）は、体積損失を試験片の表面積で割って算出します。あるいは、孔食の深さや変位体積を測定することもできます。浸食パターンに関する追加的な定性的情報を得るには、顕微鏡分析を使用することができます。
キャビテーション壊食試験にHielscher超音波装置を使用する場合、作業したい温度範囲と圧力範囲をプリセットすることができます。超音波の振幅を調整することができます。すべてのパラメータはモニター、表示され、SDカードにプロトコルされます。専用のソフトウェアをインストールする必要はありません。イーサネット・ケーブル（付属）を使って超音波装置をコンピューターに接続すれば、通常のウェブ・ブラウザーから超音波プロセスを制御・モニターできます。

ASTM G32「振動装置を用いたキャビテーション侵食の標準方法」とは？

ASTM G32-16規格は、キャビテーション壊食の標準化された方法を記述しています。この規格は、異なる材料の耐キャビテーション壊食性を定量化し比較するための、シンプルで制御可能かつ再現可能な試験を定義しています。ATSM G32-16規格は、お客様の試験結果を他の規格と比較する際に役立ちます。品質管理におけるキャビテーション壊食試験の実施をご希望の場合は、キャビテーション壊食試験プロトコルをお客様の特定の要件に適合させることをお勧めします。カスタマイズしたキャビテーション壊食試験プロトコルの設計を喜んでお手伝いいたします。 ASTM-G32に準拠したキャビテーション壊食試験の詳細については、こちらをクリックしてください！

なぜ時間制限ではなくエネルギー制限を使うべきなのか？

多くの出版物やエロージョン・テスト・プロトコルでは、キャビテーションの照射時間が指定されています。Hielscherの超音波装置では、超音波照射時間をプリセットすることができ、この時間が経過するとシステムは停止します。その結果、キャビテーション壊食速度をmm/hrまたはmm3/hr単位で計算することができます。制限時間は、液面、振幅、圧力、温度、液組成、ソノトロードと材料表面のギャップなどのパラメータを変更しない場合にのみ設定できます。これらのパラメータのいずれかが変化すると、超音波の出力とキャビテーションの強度が変化します。重要なことは、実際に液体に供給される正味出力が、試験期間中に変動してはならないということです。
Hielscherの超音波装置では、エネルギー制限を設定することができます。この場合、超音波デバイスは、指定された超音波エネルギーを供給した後、停止します。Hielscherの装置は、実際の正味出力、振幅、圧力、液温などのパラメーターを表示し、記録します。エネルギー制限を使用する場合、出力の変動やパラメータの意図的な変更は補正されます。その結果、キャビテーション侵食速度をmm/kWhr、mm3/kWhr、またはmg/kWhrで指定できます。
キャビテーション侵食のインターバルの間に試験片の重量を測定すれば、累積エネルギーに対する限界重量損失（各エネルギーインターバルにおける重量損失率）を示す曲線を作成することができます。
より正確な結果を得るために、装置は自動校正（30秒）を行うことができます。この校正では、周囲圧の空気中で、すべての振幅設定のパワーを測定します。Hielscher装置は、この校正データを使用して、リアルタイムで非常に正確な正味パワー値を提供します。

ソニケーション時の液圧

キャビテーション壊食試験の標準プロトコルの多くは、常圧での超音波キャビテーションを使用している。液圧は超音波振動強度にとって2番目に重要な因子である。周囲圧力が10%上昇すると、超音波強度は約10%上昇します。キャビテーションが強ければ強いほど、ある程度のキャビテーション侵食を達成するのに必要な時間が短縮されます。多くの場合、1つの試験片の試験時間は15分から120分程度です。試験する試験片の数が多い場合は、より高い圧力で作業することで、各試験の時間を大幅に短縮することができます。5barg（73psig）での試験では、各試験に要する時間が約80%短縮されます。
Hielscherは、キャビテーション壊食試験用のデジタル圧力センサー付き気密試験セルを提供しています。圧力密閉型セルを使用することで、各試験中の圧力を制御・維持することができます。超音波発生装置は圧力センサーを常時監視し、実際の圧力をSDカード（付属）のExcel互換CSVファイルにプロトコルします。Hielscherは、動作圧力の設定と維持のための圧力レギュレーターを提供しています。
標準として、Hielscherのキャビテーション壊食試験用耐圧テストセルは、最大5barg（73psig）です。ご要望に応じて、300barg（4350psig）までの高圧にも対応可能です。

超音波周波数

一般に、キャビテーション壊食試験では、18～30kHzの低周波高強度超音波を使用する。この範囲では、周波数の変動がキャビテーション強度に及ぼす影響は非常に限定的です。すべてのHielscher装置は一定の周波数で動作します。

ソノトロードからの距離

被検査材は、ソノトロードに取り付けることも、ソノトロードの下に置くこともできます。ネジ付きの材料試験片を作成し、超音波ソノトロードの先端に取り付けることができます。この場合、試験片は指定された超音波振幅で振動し、その表面にキャビテーションを発生させます。これには精密加工が必要であり、すべての材料がこのオプションに適しているわけではありません。
あるいは、部品や試料をチタンソノトロードの下に近接して固定することもできます。この場合、チタンソノトロードがキャビテーションを発生させ、材料表面はキャビテーションにさらされます。様々なサイズや形状の試験片を試験セル内に設置できるため、この方法がより便利です。直径50mmや80mmのような大型のソノトロードを使用すれば、複数の部品を同時にキャビテーション侵食にさらすことができます。これは、品質管理など、1日に多くの部品を試験しなければならない場合に非常に便利です。
いずれの場合も、超音波ソノトロードとその隣の材料表面との間の距離が非常に重要である。一般的に、距離が小さいほどキャビテーション侵食が速くなります。一般的な距離は0.2～15mmです。決定的な結果を得るには、すべての試験で同じ距離を使用する必要があります。

液温

液体が暖かいと超音波キャビテーションの強度が低下します。液体に機械的振動エネルギーを入力すると、液体が加熱されます。各キャビテーション壊食試験中の温度を一定に保つためには、液体を冷却する必要があります。Hielscher社は、ジャケット付き容器とジャケット付き気密セルを提供しています。また、ビーカーに冷却コイルを使用したり、ビーカーをアイスバスに入れたりすることもできます。ジャケットや冷却コイルを通る冷却水は、液体から熱を取り除きます。
UP400StやUIP1000hdTなどのHielscher社製超音波装置には、PT100温度プローブ（付属）が付属しています。超音波ジェネレーターは実際の液温を継続的に監視し、SDカード（付属）上のExcel互換のCSVファイルに温度をプロトコルします。冷却能力不足などで液温が設定値から大きく逸脱した場合、ジェネレーターを設定してキャビテーション壊食試験を一時停止することができます。ジェネレーターは、液温が再び指定温度に達したときに、自動的に超音波処理を再開します。

キャビテーション液

一般的にキャビテーション壊食試験では、蒸留水などの水を使用します。液体によってキャビテーションの特性は異なります。水が材料に対して腐食性がある場合は、低粘度のシリコーンオイルや有機溶剤など、腐食性の要因を排除または低減するための代替液体を試験するとよいでしょう。あるいは、pHを変えるなどして液体をより腐食性の高いものにしたり、研磨粒子を加えてより研磨性の高いものにしたりすることもできます。キャビテーション壊食試験は、掘削泥水などの液体の侵食性や腐食性を評価したり、腐食防止剤や侵食防止剤の効果を評価したりするために使用できます。

加工

部品や試料を製造する際、CNC機械加工、研削、研磨は、材料表面付近の結晶粒構造に損傷を与えます。これは耐侵食性を低下させます。

パッシベーション/酸化膜

侵食と腐食が同時に起こることはよくある。蒸留水、脱塩水、脱イオン水などの水は、多くの材料に対して腐食性があります。超音波キャビテーションは腐食を促進する。アルマイトなどの不動態化層は、浸食や腐食に対する材料表面の耐性を高めます。

キャビテーション侵食試験にはどのような限界があるのか？

エラストマーによっては、キャビテーションによる侵食をまったく示さないために、非常に激しいキャビテーション暴露を必要とする場合があります。この場合、加圧セルを使用しない超音波処理では、測定可能な効果が得られない可能性があります。