Testovanie kavitačnej erózie

K kavitačnej erózii dochádza na povrchoch materiálov, ktoré sú vystavené intenzívnej ultrazvukovej kavitácii. Testovanie kavitačnou eróziou je rýchla metóda na meranie odolnosti materiálov alebo náterov proti erózii voči intenzívnemu namáhaniu a iným eróznym faktorom. Poskytuje jednoduché kvantitatívne meranie na kontrolu kvality a je užitočný pri výskume materiálov alebo formulácii náterov.

Prečo používať testovanie kavitačnej erózie?

Prebiehajúca erózia alebo korózia si môže vyžadovať pravidelnú výmenu dielov alebo obnovu povrchových náterov. Erózia povrchu materiálu v dôsledku mechanických alebo chemických vplyvov je pomalý proces, ktorý vedie k postupnému ničeniu povrchov materiálu. Preto môže byť hodnotenie odolnosti materiálu proti erózii alebo erózneho účinku kvapalín a kalov veľmi časovo náročný proces.
Testovanie ultrazvukovou kavitačnou eróziou vystavuje povrch materiálu kontrolovaným, intenzívnym a opakujúcim sa namáhacím cyklom. To má za následok výraznú eróziu povrchu materiálu v krátkom čase. Odolnosť proti erózii môžete rýchlo zmerať pre pravidelnú kontrolu kvality vo výrobe, na vyhodnotenie vstupných materiálov alebo počas výskumu a vývoja.
Štandardné aplikácie zahŕňajú metalurgické testovanie, testovanie zloženia náterov, testovanie nanášania náterov alebo hodnotenie inhibítorov erózie v kvapalinách.

Prečo kavitácia spôsobuje povrchovú eróziu?

Ultrazvukové zariadenia, ako napríklad UP400St (400 wattov, 24 kHz) alebo UIP1000hdT (1000 wattov, 20 kHz), spájajú ultrazvukové vibrácie do kvapalín, ako je voda. Rýchly recipročný pohyb vibrácií v kvapaline vytvára a zrúti kavitačné bubliny. Keď sa bubliny zrútia, v kvapaline a na exponovaných povrchoch materiálov dochádza k vysokému lokalizovanému mechanickému namáhaniu. Prúdy kvapaliny až 1000 km/h a miestne tlaky až 1000 atm vedú k rýchlej únave na povrchu materiálu. Tým sa môžu odstrániť oxidové alebo pasivačné vrstvy, povlaky alebo znečistenie. Môže spôsobiť jamky pevných materiálov, ako je oceľ, titán, hliník, plast alebo sklo. Preto je testovanie kavitačnou eróziou deštruktívnou testovacou metódou.

Ako funguje testovanie kavitačnej erózie?

Kavitačná erózia materiálových povrchov spôsobuje postupné straty materiálu. Straty materiálu môžete ľahko zmerať vážením materiálu na presnej váhe pred a po definovanom vystavení kavitačnej erózii. Typická zmena hmotnosti pre test kavitačnej erózie je medzi 1 a 30 mg. Pre ďalšiu štandardizáciu môžete vypočítať úbytok objemu vydelením úbytku hmotnosti hustotou materiálu. Stredná hĺbka prieniku (MDP) sa vypočíta vydelením objemovej straty plochou povrchu vzorky. Prípadne môžete zmerať hĺbku jamky alebo posunutý objem. Mikroskopickú analýzu môžete použiť na získanie ďalších kvalitatívnych informácií o vzore erózie.
Keď na testovanie kavitačnej erózie použijete ultrazvukové zariadenie Hielscher, môžete prednastaviť teplotný rozsah a rozsah tlaku, v ktorom chcete pracovať. Môžete upraviť amplitúdu sonikácie. Všetky parametre sú monitorované, zobrazované a protokolované na SD kartu. Nepotrebujete žiadnu inštaláciu proprietárneho softvéru. Ak chcete, môžete ultrazvukový proces ovládať a monitorovať z bežného webového prehliadača, ak ultrazvukové zariadenie pripojíte k počítaču pomocou ethernetového kábla (je súčasťou balenia).

Aká je štandardná metóda ASTM G32 na kavitačnú eróziu pomocou vibračného prístroja?

Norma ASTM G32-16 popisuje štandardizovanú metódu kavitačnej erózie. Definuje jednoduchý, kontrolovateľný a reprodukovateľný test na kvantifikáciu a porovnanie odolnosti rôznych materiálov proti kavitačnej erózii. Špecifikácie ATSM G32-16 sú užitočné na porovnanie výsledkov s inými publikáciami. Ak by ste chceli implementovať testovanie kavitačnej erózie do kontroly kvality, odporúčame prispôsobiť protokol testu kavitačnej erózie vašim špecifickým požiadavkám. Radi vám pomôžeme s návrhom protokolu testu kavitačnej erózie na mieru. Viac informácií o testovaní kavitačnej erózie v súlade s ASTM-G32 nájdete tu!

Prečo by som mal namiesto časového limitu použiť energetický limit?

Mnoho publikácií a protokolov eróznych testov špecifikuje čas vystavenia kavitacii. V ultrazvukových zariadeniach Hielscher môžete prednastaviť čas sonikácie a po uplynutí tejto doby sa systém zastaví. Potom môžete vypočítať výslednú rýchlosť kavitačnej erózie v mm/h alebo mm3/h. Časový limit je prijateľný iba vtedy, ak nezmeníte žiadne parametre, ako je hladina kvapaliny, amplitúda, tlak, teplota, zloženie kvapaliny alebo medzera medzi sonotródou a povrchom materiálu. Ak sa zmení niektorý z týchto parametrov, zmení sa aj sila sonikácie a intenzita kavitácie. Je dôležité, aby skutočný čistý výkon dodávaný do kvapaliny počas trvania skúšky nekolísal.
V ultrazvukových prístrojoch Hielscher môžete nastaviť energetický limit. V takom prípade sa ultrazvukové zariadenie zastaví po dodaní špecifikovanej ultrazvukovej energie. Zariadenie Hielscher zobrazí a zaznamená parametre, ako je skutočný čistý výkon, amplitúda, tlak a teplota kvapaliny. Kolísanie výkonu alebo úmyselné zmeny parametrov budú kompenzované pri použití energetického limitu. Potom môžete zadať výslednú rýchlosť kavitačnej erózie v mm/kWh, mm3/kWh alebo mg/kWh.
Ak odvážite vzorku medzi intervalmi kavitačnej erózie, môžete vygenerovať krivku zobrazujúcu marginálny úbytok hmotnosti (rýchlosť úbytku hmotnosti v každom energetickom intervale) počas kumulatívnej energie.
Pre presnejšie výsledky môže zariadenie vykonať automatickú kalibráciu (30 sekúnd). Tým sa meria výkon pre všetky amplitúdy nastavenie vzduchu pri okolitom tlaku. Zariadenie Hielscher používa tieto kalibračné údaje na poskytovanie veľmi presných hodnôt čistého výkonu v reálnom čase.

Tlak kvapaliny počas sonikácie

Mnoho štandardných protokolov na testovanie kavitačnej erózie používa ultrazvukovú kavitáciu pri okolitom tlaku. Tlak kvapaliny je druhým najdôležitejším faktorom intenzity sonikácie. 10% zvýšenie okolitého tlaku zvýši intenzitu sonikácie asi o 10%. Intenzívnejšia kavitácia skracuje čas potrebný na dosiahnutie určitého stupňa kavitačnej erózie. Test jednej vzorky môže často trvať niekde od 15 do 120 minút. Ak máte veľa vzoriek na testovanie, práca pri vyšších tlakoch môže výrazne skrátiť čas každého testu. Testy pri 5 barg (73 psig) vyžadujú približne o 80 % menej času na každý test.
Spoločnosť Hielscher dodáva tlakotesné testovacie bunky s digitálnym snímačom tlaku na testovanie kavitačnej erózie. Pomocou tlakotesnej bunky môžete kontrolovať a udržiavať tlak počas každého testu. Ultrazvukový generátor neustále monitoruje snímač tlaku a protokoluje skutočný tlak do súboru CSV kompatibilného s Excelom na SD karte (súčasť balenia). Spoločnosť Hielscher dodáva regulátory tlaku na nastavenie a udržiavanie prevádzkového tlaku.
Ako štandard sú tlakovo tesné testovacie bunky Hielscher na testovanie kavitačnej erózie dimenzované na až 5 barg (73 psig). Vyššie tlaky až do 300 barg (4350 psig) sú k dispozícii na požiadanie.

Ultrazvuková frekvencia

Vo všeobecnosti testovanie kavitačnej erózie využíva nízkofrekvenčné ultrazvuky s vysokou intenzitou v rozsahu 18-30 kHz. V tomto rozsahu má zmena frekvencie veľmi obmedzený vplyv na intenzitu kavitácie. Všetky zariadenia Hielscher pracujú na konštantnej frekvencii.

Vzdialenosť od Sonotrode

Testovaný materiál je možné namontovať na sonotródu alebo pod sonotrodu. Môžete si vyrobiť vzorku materiálu so závitom a namontovať ju na koniec ultrazvukovej sonotrody. V tomto prípade vzorka vibruje pri špecifikovanej ultrazvukovej amplitúde a vytvára na svojom povrchu kavitaciu. To si vyžaduje presné obrábanie a nie všetky materiály sú pre túto možnosť vhodné.
Prípadne môžete časť alebo vzorku zafixovať v tesnej blízkosti pod titánovou sonotrodou. V tomto prípade titánová sonotróda vytvára kavitáciu a povrch materiálu je vystavený kavitácii. Toto je pohodlnejšia možnosť, pretože do testovacej bunky môžete umiestniť vzorku rôznych veľkostí alebo tvarov. Ak použijete väčšiu sonotrodu, napríklad sonotródu s priemerom 50 mm alebo 80 mm, môžete kavitačnej erózii vystaviť viacero častí súčasne. To je veľmi užitočné, keď musíte testovať veľa dielov za deň, napr. na kontrolu kvality.
V obidvoch prípadoch je veľmi dôležitá vzdialenosť medzi ultrazvukovou sonotródou a povrchom materiálu vedľa nej. Vo všeobecnosti je kavitačná erózia rýchlejšia pri použití menšej vzdialenosti. Typické vzdialenosti sa pohybujú od 0,2 do 15 mm. Pre presvedčivé výsledky by ste mali pri všetkých testoch použiť rovnakú vzdialenosť.

teplota kvapaliny

Teplejšia kvapalina má za následok nižšiu intenzitu ultrazvukovej kavitácie. Vstup energie mechanických vibrácií do kvapaliny spôsobí zahriatie kvapaliny. Aby sa udržala konštantná teplota počas každého testu kavitačnej erózie, je potrebné kvapalinu ochladiť. Spoločnosť Hielscher dodáva plášťové kontajnery a opláštené tlakotesné bunky. Prípadne môžete použiť chladiacu špirálu v kadičke alebo môžete kadičku vložiť do ľadového kúpeľa. Chladiaca kvapalina, ktorá prechádza plášťom alebo chladiacou špirálou, odvádza teplo z kvapaliny.
Ultrazvukové zariadenia Hielscher, ako napríklad UP400St alebo UIP1000hdT, sa dodávajú s teplotnou sondou PT100 (súčasť balenia). Ultrazvukový generátor nepretržite monitoruje skutočnú teplotu kvapaliny a protokoluje teplotu do CSV súboru kompatibilného s Excelom na SD karte (súčasť balenia). Generátor môžete nastaviť tak, aby pozastavil testovanie kavitačnej erózie, ak sa teplota kvapaliny príliš odchýli od nastavenej hodnoty, napr. z dôvodu nedostatočného chladiaceho výkonu. Generátor môže automaticky pokračovať v sonikácii, keď kvapalina opäť dosiahne stanovenú teplotu.

Kavitačná kvapalina

Vo všeobecnosti sa pri testovaní kavitačnej erózie používa voda, napríklad destilovaná voda. Rôzne kvapaliny vykazujú rôzne kavitačné vlastnosti. Ak je voda korozívna pre váš materiál, možno budete chcieť otestovať alternatívne kvapaliny, ako sú silikónové oleje s nízkou viskozitou alebo organické rozpúšťadlá, aby ste odstránili alebo znížili korozívny faktor. Prípadne môžete kvapalinu urobiť korozívnejšou, napr. zmenou pH alebo abrazívnejšou pridaním abrazívnych častíc. Testovanie kavitačnej erózie môžete použiť na vyhodnotenie erozívnosti a korozívnosti kvapalín, ako sú vrtné bahly, alebo na vyhodnotenie účinnosti inhibítorov korózie alebo erózie.

Obrábanie

Keď vyrábate diel alebo vzorku, CNC obrábanie, brúsenie alebo leštenie spôsobuje poškodenie štruktúry zrna v blízkosti povrchu materiálu. Tým sa znižuje odolnosť proti erózii.

Pasivácia/oxidové vrstvy

Veľmi často dochádza k erózii a korózii súčasne. Voda, ako je destilovaná, demineralizovaná alebo deionizovaná voda, môže byť korozívna pre mnohé materiály. Ultrazvuková kavitácia podporuje koróziu. Pasivačné vrstvy, napr. na eloxovanom hliníku, zvyšujú odolnosť povrchu materiálu proti erózii a korózii.

Aké obmedzenia má testovanie kavitačnej erózie?

Niektoré elastoméry môžu vyžadovať veľmi intenzívnu kavitačnú expozíciu, aby sa vôbec prejavila akákoľvek kavitačná erózia. V tomto prípade sonikácia bez tlakovej bunky nemusí vykazovať žiadny merateľný účinok.