Cavitatie-erosietests

Cavitatie-erosie treedt op bij materiaaloppervlakken die worden blootgesteld aan intense ultrasone cavitatie. Cavitatie-erosietests zijn een snelle methode om de erosiebestendigheid van materialen of coatings tegen intense spanning en andere erosiefactoren te meten. Het biedt een eenvoudige kwantitatieve meting voor kwaliteitscontrole en is nuttig tijdens materiaalonderzoek of de formulering van coatings.

Waarom Cavitatie-Erosietesten gebruiken?

Voortdurende erosie of corrosie kan de regelmatige vervanging van onderdelen of de vernieuwing van oppervlaktecoatings noodzakelijk maken. Erosie van materiaaloppervlakken door mechanische of chemische invloeden is een langzaam proces dat resulteert in de geleidelijke vernietiging van materiaaloppervlakken. Daarom kan de evaluatie van de erosiebestendigheid van materialen of van het erosie-effect van vloeistoffen en slurries een zeer tijdrovend proces zijn.
Ultrasone cavitatie-erosietests stellen het materiaaloppervlak bloot aan gecontroleerde, intense, herhalende spanningscycli. Dit resulteert in een aanzienlijke erosie van het materiaaloppervlak in korte tijd. U kunt snel de erosiebestendigheid meten voor regelmatige kwaliteitscontrole in de productie, voor evaluatie van binnenkomende materialen of tijdens onderzoek en ontwikkeling.
Standaardtoepassingen zijn onder andere metallurgische testen, testen van coatingformules, testen van coatingtoepassingen of de evaluatie van erosieremmers in vloeistoffen.

Waarom veroorzaakt cavitatie oppervlakte-erosie?

Ultrasone apparaten zoals de UP400St (400 watt, 24kHz) of de UIP1000hdT (1000 watt, 20kHz) brengen ultrasone trillingen over in vloeistoffen zoals water. De snelle heen-en-weergaande beweging van de trillingen in de vloeistof produceert cavitatiebelletjes en laat deze samenklappen. Wanneer de bellen instorten, ontstaat er een hoge lokale mechanische spanning in de vloeistof en op blootgestelde materiaaloppervlakken. Vloeistofstralen tot 1000 km/u en lokale drukken tot 1000atm leiden tot snelle vermoeiing op het materiaaloppervlak. Hierdoor kunnen oxide- of passiveerlagen, coatings of vervuiling worden verwijderd. Het kan putjes veroorzaken in vaste materialen zoals staal, titanium, aluminium, plastic of glas. Vandaar dat cavitatie-erosie testen een destructieve testmethode is.

Hoe werkt een cavitatie-erosietest?

Cavitatie-erosie van materiaaloppervlakken veroorzaakt geleidelijk materiaalverlies. Je kunt het materiaalverlies gemakkelijk meten door het materiaal te wegen op een precisieweegschaal voor en na een bepaalde blootstelling aan cavitatie-erosie. Een typische gewichtsverandering voor een cavitatie-erosietest ligt tussen 1 en 30 mg. Voor verdere standaardisatie kun je het volumeverlies berekenen door het gewichtsverlies te delen door de materiaaldichtheid. De gemiddelde penetratiediepte (MDP) wordt berekend door het volumeverlies te delen door het oppervlak van het proefstuk. Als alternatief kun je de putdiepte of het verplaatste volume meten. U kunt microscopische analyse gebruiken om aanvullende kwalitatieve informatie te krijgen over het erosiepatroon.
Wanneer u een Hielscher ultrasoon apparaat gebruikt voor het testen van cavitatie-erosie, kunt u het temperatuurbereik en drukbereik waarmee u wilt werken vooraf instellen. U kunt de sonicatieamplitude aanpassen. Alle parameters worden bewaakt, weergegeven en geprotocolleerd op een SD-kaart. Er hoeft geen bedrijfseigen software geïnstalleerd te worden. Als je wilt, kun je het ultrasone proces besturen en bewaken vanaf je gewone webbrowser, als je het ultrasone apparaat op je computer aansluit via de ethernetkabel (meegeleverd).

Wat is de ASTM G32-standaardmethode voor cavitatie-erosie met behulp van een trilapparaat?

De ASTM G32-16 standaard beschrijft een gestandaardiseerde methode voor cavitatie-erosie. Het definieert een eenvoudige, controleerbare en reproduceerbare test om de weerstand tegen cavitatie-erosie van verschillende materialen te kwantificeren en te vergelijken. De ATSM G32-16 specificaties zijn handig om uw resultaten te vergelijken met die van andere publicaties. Als u cavitatie erosie testen wilt implementeren in uw kwaliteitscontrole, dan raden wij u aan om het cavitatie erosie test protocol aan te passen aan uw specifieke eisen. Wij helpen u graag met het ontwerpen van een op maat gemaakt cavitatie erosie test protocol. Klik hier voor meer informatie over het testen van cavitatie-erosie in overeenstemming met ASTM-G32!

Waarom zou ik een energielimiet gebruiken in plaats van een tijdslimiet?

Veel publicaties en erosietestprotocollen specificeren een cavitatieblootstellingstijd. In Hielscher ultrasone toestellen kunt u een sonificatietijd instellen en het systeem stopt na het verstrijken van deze tijd. U kunt dan de resulterende cavitatie-erosiesnelheid berekenen in mm/uur of mm3/uur. Een tijdslimiet is alleen acceptabel als u geen parameters verandert, zoals vloeistofniveau, amplitude, druk, temperatuur, vloeistofsamenstelling of afstand tussen sonotrode en materiaaloppervlak. Als een van deze parameters verandert, veranderen ook de sonicatiekracht en de intensiteit van de cavitatie. Het is belangrijk dat het werkelijke nettovermogen dat aan de vloeistof wordt geleverd niet fluctueert tijdens de duur van de test.
In Hielscher ultrasone apparaten kunt u een energielimiet instellen. In dat geval stopt het ultrasone apparaat nadat het de opgegeven ultrasone energie heeft afgegeven. Het Hielscher apparaat toont en registreert parameters zoals het werkelijke nettovermogen, de amplitude, de druk en de vloeistoftemperatuur. Schommelingen in het vermogen of opzettelijke veranderingen in de parameters worden gecompenseerd bij gebruik van een energielimiet. Vervolgens kun je de resulterende cavitatie-erosiesnelheid opgeven in mm/kWhr, mm3/kWhr of mg/kWhr.
Als je het preparaat weegt tussen cavitatie-erosie-intervallen, kun je een curve genereren die het marginale gewichtsverlies (gewichtsverlies in elk energie-interval) over de cumulatieve energie laat zien.
Voor nauwkeurigere resultaten kan het apparaat een automatische kalibratie uitvoeren (30 seconden). Hierbij wordt het vermogen gemeten voor alle amplitude-instellingen in lucht bij omgevingsdruk. Het Hielscher apparaat gebruikt deze kalibratiegegevens om zeer nauwkeurige nettovermogenswaarden in real-time te geven.

Vloeistofdruk tijdens Sonicatie

Veel standaardprotocollen voor het testen van cavitatie-erosie maken gebruik van ultrasone cavitatie bij omgevingsdruk. De vloeistofdruk is de tweede belangrijkste factor voor de sonicatie-intensiteit. Een verhoging van de omgevingsdruk met 10% zal de sonicatie-intensiteit met ongeveer 10% verhogen. Intensievere cavitatie vermindert de tijd die nodig is om een bepaalde mate van cavitatie-erosie te bereiken. Vaak kan een test met één preparaat tussen de 15 en 120 minuten duren. Als er veel preparaten getest moeten worden, kan het werken met een hogere druk de tijd voor elke test aanzienlijk verkorten. Testen bij 5 barg (73psig) vereisen ongeveer 80% minder tijd voor elke test.
Hielscher levert drukdichte testcellen met een digitale druksensor voor cavitatie-erosietests. Met een drukdichte cel kun je de druk tijdens elke test controleren en handhaven. De ultrasone generator bewaakt de druksensor constant en protocolleert de actuele druk naar een Excel-compatibel CSV-bestand op een SD-kaart (meegeleverd). Hielscher levert drukregelaars om de werkdruk in te stellen en te handhaven.
Standaard zijn de Hielscher drukdichte testcellen voor cavitatie-erosietests geschikt voor drukken tot 5 barg (73psig). Hogere drukken tot 300barg (4350psig) zijn beschikbaar op aanvraag.

Ultrasone frequentie

Over het algemeen wordt bij het testen van cavitatie-erosie gebruik gemaakt van ultrasone trillingen met een lage frequentie en hoge intensiteit in het bereik van 18-30 kHz. In dit bereik heeft de variatie van de frequentie een zeer beperkt effect op de cavitatie-intensiteit. Alle Hielscher apparaten werken op een constante frequentie.

Afstand tot de Sonotrode

Het te testen materiaal kan op de sonotrode of onder de sonotrode gemonteerd worden. U kunt een materiaalmonster met schroefdraad maken en dit aan het uiteinde van de ultrasone sonotrode bevestigen. In dit geval trilt het preparaat bij de gespecificeerde ultrasone amplitude en produceert cavitatie op het oppervlak. Dit vereist precisiebewerking en niet alle materialen zijn geschikt voor deze optie.
Als alternatief kun je een onderdeel of preparaat dicht bij elkaar fixeren onder een titanium sonotrode. In dit geval produceert de titanium sonotrode de cavitatie en wordt het materiaaloppervlak blootgesteld aan de cavitatie. Dit is de handigste optie omdat u preparaten van verschillende afmetingen of vormen in de testcel kunt plaatsen. Als je een grotere sonotrode gebruikt, zoals een sonotrode met een diameter van 50mm of 80mm, dan kun je meerdere onderdelen tegelijkertijd blootstellen aan cavitatie-erosie. Dit is erg handig wanneer je veel onderdelen per dag moet testen, bijvoorbeeld voor kwaliteitscontrole.
In beide gevallen is de afstand tussen de ultrasone sonotrode en het materiaaloppervlak ernaast erg belangrijk. Over het algemeen is de cavitatie-erosie sneller bij gebruik van een kleinere afstand. Typische afstanden variëren van 0,2 tot 15 mm. Voor overtuigende resultaten moet u dezelfde afstand gebruiken voor alle tests.

vloeistoftemperatuur

Een warmere vloeistof resulteert in een lagere ultrasone cavitatie-intensiteit. Door de inbreng van mechanische trillingsenergie in de vloeistof zal de vloeistof opwarmen. Om een constante temperatuur te handhaven tijdens elke cavitatie-erosietest, moet de vloeistof gekoeld worden. Hielscher levert tanks met een mantel en drukdichte cellen met een mantel. Je kunt ook een koelspiraal in een bekerglas gebruiken of het bekerglas in een ijsbad plaatsen. Een koelvloeistof die door de mantel of door de koelspiraal loopt, onttrekt warmte aan de vloeistof.
Hielscher ultrasone apparaten zoals de UP400St of de UIP1000hdT worden geleverd met een PT100 temperatuursonde (meegeleverd). De ultrasone generator controleert continu de actuele vloeistoftemperatuur en protocolleert de temperatuur naar een Excel-compatibel CSV-bestand op een SD-kaart (meegeleverd). U kunt de generator zo instellen dat het cavitatie-erosietesten wordt onderbroken als de vloeistoftemperatuur te veel afwijkt van uw instelpunt, bijvoorbeeld door onvoldoende koelcapaciteit. De generator kan de sonicatie automatisch hervatten wanneer de vloeistof weer de gespecificeerde temperatuur heeft bereikt.

Caviterende vloeistof

Over het algemeen wordt bij cavitatie-erosie testen water gebruikt, zoals gedestilleerd water. Verschillende vloeistoffen vertonen verschillende cavitatie karakteristieken. Als water corrosief is voor je materiaal, wil je misschien alternatieve vloeistoffen testen, zoals siliconenoliën met een lage viscositeit of organische oplosmiddelen om de corrosieve factor te elimineren of te verminderen. Als alternatief kun je de vloeistof meer corrosief maken, bijvoorbeeld door de pH te veranderen of meer abrasief door abrasieve deeltjes toe te voegen. Je kunt cavitatie-erosietesten gebruiken om de erosiviteit en corrosiviteit van vloeistoffen, zoals boorspoeling, te evalueren of om de doeltreffendheid van corrosie- of erosieremmers te evalueren.

Bewerking

Wanneer je een onderdeel of preparaat maakt, veroorzaken CNC-bewerkingen, slijpen of polijsten schade aan de korrelstructuur dicht bij het materiaaloppervlak. Dit vermindert de erosiebestendigheid.

Passivering/Oxidelagen

Erosie en corrosie treden vaak tegelijkertijd op. Water, zoals gedestilleerd, gedemineraliseerd of gedeïoniseerd water kan corrosief zijn voor veel materialen. Ultrasone cavitatie bevordert corrosie. Passiveerlagen, bijvoorbeeld op geanodiseerd aluminium, verhogen de weerstand van een materiaaloppervlak tegen erosie en corrosie.

Welke beperkingen hebben cavitatie-erosietests?

Voor sommige elastomeren is een zeer intensieve blootstelling aan cavitatie nodig om enige cavitatie-erosie te vertonen. In dit geval is het mogelijk dat sonicatie zonder een drukcel geen meetbaar effect heeft.