キャビテーション侵食試験

キャビテーション侵食は、強力な超音波キャビテーションにさらされる材料表面で発生します。キャビテーション侵食試験は、強い応力やその他の侵食要因に対する材料やコーティングの耐侵食性を迅速に測定する方法です。品質管理のための定量測定を容易に行うことができ、材料研究やコーティングの配合設計にも役立ちます。

キャビテーション侵食試験を使用する理由は？

侵食や腐食が継続すると、部品の定期的な交換や表面コーティングの更新が必要になる場合があります。機械的または化学的な影響による材料表面の侵食は、材料表面を徐々に破壊する緩慢なプロセスです。そのため、材料の耐侵食性や、液体およびスラリーの侵食作用の評価には、非常に長い時間がかかる場合があります。
超音波キャビテーション侵食試験では、材料表面を、制御された強い応力の繰り返しサイクルにさらします。これにより、短時間で材料表面に顕著な侵食が生じます。生産における定期的な品質管理、受入材料の評価、または研究開発のために、耐侵食性を迅速に測定できます。
標準的な用途には、冶金試験、コーティングの配合試験、コーティングの施工試験、液体中の侵食抑制剤の評価などがあります。

キャビテーションが表面侵食を引き起こす理由は？

UP400St (400ワット, 24kHz) やUIP1000hdT (1000ワット, 20kHz) などの超音波装置は、水などの液体に超音波振動を結合させます。液体中の振動による高速の往復運動が、キャビテーション気泡を生成し、崩壊させます。気泡が崩壊すると、液体中と、液体にさらされている材料表面に、局所的に高い機械的応力が発生します。最大1000km/hの液体ジェットと最大1000atmの局所圧力によって、材料表面に急速な疲労が生じます。これにより、酸化物層、不動態皮膜、コーティング、付着汚れが除去されることがあります。また、鋼、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ピッティングが生じることがあります。したがって、キャビテーション侵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は？

材料表面のキャビテーション侵食により、材料は徐々に失われます。所定のキャビテーション侵食への曝露の前後に精密天びんで材料を計量することで、材料の損失を容易に測定できます。キャビテーション侵食試験における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できます。平均侵食深さ (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、ピッティングの深さや排除体積を測定できます。顕微鏡分析により、侵食パターンに関する追加の定性的情報を得ることができます。
キャビテーション侵食試験にHielscher超音波装置を使用する場合、試験を行いたい温度範囲と圧力範囲をあらかじめ設定できます。超音波処理の振幅を調整できます。すべてのパラメータが監視、表示され、SDカードに記録されます。専用ソフトウェアをインストールする必要はありません。ご希望の場合は、付属のイーサネットケーブルで超音波装置をコンピューターに接続すると、普段お使いのウェブブラウザーから超音波プロセスを制御、監視できます。

振動装置を用いたキャビテーション侵食のASTM G32標準試験方法とは？

ASTM G32-16規格は、キャビテーション侵食の標準化された方法を記述しています。異なる材料の耐キャビテーション侵食性を定量化し、比較するための、簡単で制御可能かつ再現性のある試験を規定しています。ATSM G32-16の仕様は、試験結果を他の出版物の結果と比較する際に役立ちます。品質管理にキャビテーション侵食試験を導入したい場合は、試験プロトコルを個別の要件に合わせて調整することをお勧めします。お客様専用のキャビテーション侵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侵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！

時間制限の代わりにエネルギー制限を使用すべき理由は？

多くの出版物や侵食試験プロトコルでは、キャビテーションへの曝露時間を指定しています。Hielscher超音波装置では、超音波処理時間をあらかじめ設定でき、その時間が経過するとシステムが停止します。その後、得られたキャビテーション侵食速度をmm/hrまたはmm3/hrで計算できます。時間制限を使用できるのは、液面高さ、振幅、圧力、温度、液体組成、ソノトロードと材料表面の隙間などのパラメータを一切変更しない場合に限られます。これらのパラメータのいずれかが変わると、超音波処理の出力とキャビテーションの強度も変わります。試験中に液体に供給される実際の正味出力が変動しないことが重要です。
Hielscher超音波装置では、エネルギー制限を設定できます。この場合、指定された超音波エネルギーを供給すると、超音波装置が停止します。Hielscher装置は、実際の正味出力、振幅、圧力、液温などのパラメータを表示、記録します。エネルギー制限を使用すると、出力の変動やパラメータの意図的な変更が補償されます。その後、得られたキャビテーション侵食速度をmm/kWhr、mm3/kWhrまたはmg/kWhrで示すことができます。
キャビテーション侵食の各区間の間に試験片を計量すると、累積エネルギーに対する各区間の重量損失（各エネルギー区間での重量損失率）を示す曲線を作成できます。
より精密な結果を得るために、装置は自動校正（30秒）を実行できます。この校正では、周囲圧力の空気中で、すべての振幅設定における出力を測定します。Hielscher装置はこの校正データを使用して、非常に精密な正味出力値をリアルタイムで提供します。

超音波処理中の液体圧力

キャビテーション侵食試験の標準プロトコルの多くは、周囲圧力で超音波キャビテーションを使用します。液体圧力は、超音波処理の強度にとって二番目に重要な要因です。周囲圧力を10%高くすると、超音波処理の強度は約10%増加します。より強いキャビテーションは、一定のキャビテーション侵食度に達するまでに必要な時間を短縮します。一つの試験片の試験には、しばしば15–120分ほどかかる場合があります。試験する試験片が多い場合、高い圧力で試験を行うと、各試験の所要時間を大幅に短縮できます。5 barg (73psig) での試験では、各試験に必要な時間が約80%短くなります。
Hielscherは、キャビテーション侵食試験用に、デジタル圧力センサーを備えた耐圧試験セルを提供しています。耐圧セルを使用すると、各試験中の圧力を制御し、維持できます。超音波発生器は圧力センサーを常時監視し、実際の圧力を、付属のSDカード上のExcel互換CSVファイルに記録します。Hielscherは、動作圧力を設定し、維持するための圧力調整器を提供しています。
キャビテーション侵食試験用のHielscher耐圧試験セルは、標準で最大5barg (73psig) に対応する定格です。ご要望に応じて、最大300barg (4350psig) のより高い圧力にも対応できます。

超音波周波数

一般に、キャビテーション侵食試験では18–30kHzの範囲の低周波・高強度超音波を使用します。この範囲では、周波数の変化がキャビテーション強度に及ぼす影響は非常に限られています。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

試験する材料は、ソノトロードに取り付けることも、ソノトロードの下に設置することもできます。材料の試験片にねじを加工し、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方法に適しているわけではありません。
あるいは、チタン製ソノトロードのすぐ下に、部品や試験片を固定できます。この場合、チタン製ソノトロードがキャビテーションを発生させ、材料表面がそのキャビテーションにさらされます。さまざまなサイズや形状の試験片を試験セルに設置できるため、こちらの方法の方が便利です。直径50mmまたは80mmのソノトロードなど、より大きな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、品質管理などのために、一日に多数の部品を試験する必要がある場合に非常に役立ちます。
どちらの場合も、超音波ソノトロードと、それに隣接する材料表面との距離が非常に重要です。一般に、距離が短いほどキャビテーション侵食は速く進みます。典型的な距離は0.2–15mmです。確かな結果を得るために、すべての試験で同じ距離を使用してください。

液温

液温が高いほど、超音波キャビテーションの強度は低下します。機械的振動エネルギーを液体に投入すると、液体の温度が上昇します。各キャビテーション侵食試験中に一定の温度を維持するには、液体を冷却する必要があります。Hielscherは、ジャケット付き容器とジャケット付き耐圧セルを提供しています。あるいは、ビーカー内に冷却コイルを設置するか、ビーカーを氷浴に入れることもできます。ジャケットや冷却コイル内を流れる冷却液が、液体から熱を除去します。
UP400StやUIP1000hdTなどのHielscher超音波装置には、PT100温度プローブが付属しています。超音波発生器は実際の液温を継続的に監視し、付属のSDカード上のExcel互換CSVファイルに温度を記録します。冷却能力の不足などによって液温が設定値から大きく外れた場合に、キャビテーション侵食試験を一時停止するよう発生器を設定できます。液体が再び指定温度に達すると、発生器は超音波処理を自動的に再開できます。

キャビテーションを発生させる液体

一般に、キャビテーション侵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特性は異なります。水がお使いの材料に対して腐食性を持つ場合は、腐食要因を排除または低減するために、低粘度のシリコーンオイルや有機溶剤などの代替液体を試すことを検討できます。あるいは、例えばpHを変えて液体の腐食性を高めたり、研磨粒子を加えて研磨性を高めたりすることもできます。キャビテーション侵食試験を使用して、掘削泥水などの液体の侵食性と腐食性を評価したり、腐食抑制剤や侵食抑制剤の有効性を評価したりできます。

機械加工

部品や試験片を製造する際、CNC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。これにより、耐侵食性が低下します。

不動態皮膜／酸化物層

侵食と腐食は、非常に多くの場合、同時に発生します。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を持つ場合があります。超音波キャビテーションは腐食を促進します。例えば、陽極酸化処理されたアルミニウムの不動態皮膜は、材料表面の侵食と腐食に対する抵抗性を高めます。

キャビテーション侵食試験にはどのような限界がありますか？

一部のエラストマーでは、キャビテーション侵食が少しでも現れるために、非常に強いキャビテーションへの曝露が必要な場合があります。この場合、加圧セルを使用しない超音波処理では、測定可能な効果がまったく現れない場合があります。