Kavitationserosion einen Riegel vorschieben

Egal, ob klassische Strömungsmaschinen wie Pumpen, Ultraschallanwendungen oder Hochdruckeinspritzsysteme für Kraftstoffe, durch Kavitationserosion wird die Lebensdauer von Bauteilen enorm verkürzt. Die Erosionserscheinungen verringern dabei nicht nur den Wirkungsgrad der Anwendung, sondern können auch zum kompletten Bauteilversagen führen. Methoden zur Verhinderung oder zumindest Verringerung der Kavitationsanfälligkeit können konstruktiver Natur sein, indem beispielsweise lokale Druckunterschiede über mehrstufige Systeme abgemildert werden. Wenn möglich, können auch die Systemcharakteristika wie Absolutdruck, Druckunterschiede, Temperatur oder Medium angepasst werden. Darüber hinaus spielt die Werkstoffauswahl eine entscheidende Rolle. So sind austenitische oder Duplex-Edelstähle aufgrund der Neigung zur Kaltverfestigung vergleichsweise widerstandsfähig gegenüber den Druckstößen. Reicht dies nicht aus, müssen z. B. Stellitpanzerungen aufgebracht werden. Durch notwendige Nacharbeit und einen vergleichsweise teuren Auftragsprozess ist diese Methode jedoch nur als Lösung für Nischenprodukte im Einsatz.

Als Grundsatz gilt: Der Widerstand gegen Kavitation steigt mit der Härte des Werkstoffs an, solange sich dieser nicht spröde verhält. Somit sind auch keramische Beschichtungen aufgrund Ihrer Sprödigkeit nicht zwingend ein wirksames Mittel gegen Kavitation, zumal Beschichtungen bei zyklischer Stoßbelastung Probleme bei der Schichthaftung zeigen können. Auch der sogenannte Eierschaleneffekt verhindert, dass sich Hartstoffbeschichtungen sowie auch PVD- oder CVD-Schichten in diesem technologischen Feld durchsetzen können.

Die S³P-Verfahren von Bodycote beinhalten eine Anreicherung der Werkstückoberfläche mit großen Mengen Kohlenstoff und/oder Stickstoff ohne Chromausscheidung. Es handelt sich um Niedertemperaturdiffusionsprozesse zur Verbesserung der Bauteileigenschaften bei Kavitation unter Beibehaltung der Korrosionseigenschaften. Mit den Verfahren lassen sich nahezu alle korrosionsbeständigen Fe-, Ni- und Co-Basis-Werkstoffe veredeln. Die interstitielle Einlagerung von Kohlenstoff oder eine Kombination von Kohlenstoff und Stickstoff führt zur Bildung von expandiertem Austenit oder Martensit, der sich durch eine hohe Härte 1000 HV 0.05 und Verschleißbeständigkeit auszeichnet. Besonders durch die hohe Duktilität in Verbindung mit sehr hohen Druckeigenspannungen kann die Belastung durch Blasenimplosion stark reduziert werden. So wird die Kavitationserosion für viele Anwendungen und Werkstoffe minimiert oder nahezu komplett vermieden. Untersuchungen gemäß ASTM G32-10 zeigen eine deutliche Verbesserung der Beständigkeit gegenüber Kavitation, was sich in einem um bis zu 97 % geringeren Masseverlust widerspiegelt. Die geprüfte Oberfläche des S³P-behandelten Bauteils liegt nach dem Test, im Gegensatz zum unbehandelten Zustand, nahezu ohne Beschädigung vor,

Ein weiterer Vorteil der erzeugten Diffusionszonen ist, dass Abplatzungen und Delamination, wie sie von Beschichtungen bekannt sind, nicht auftreten. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber Stellit-Spritzschichten oder keramischen Beschichtungen. Andere Vorteile für das Produkt sind eine stark verbesserte Verschleißbeständigkeit und eine Verbesserung der Dauerfestigkeit. So wurde für den Werkstoff 1.4404 (V4A) durch S³P eine Erhöhung der Biegewechselfestigkeit um bis zu 70 % erzielt, wodurch Komponenten schlanker und damit effizienter ausgelegt werden können. Das Phänomen des Kaltverschweißens von materialgleichen Paarungen wird für viele Werkstoffe nahezu eliminiert. Im Test gemäß ASTM G98 konnte bei dem austenitischen Edelstahl bis zum Überschreiten der Zugfestigkeit ein Fressen effektiv verhindert werden.

Wichtig auch in Bezug auf Kavitation ist, dass das Bauteil weiterhin eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit besitzt. Dies wird durch interstitielle Einlagerung und daraus resultierender Übersättigung des Gefüges mit Kohlenstoff oder Stickstoff erreicht. Niedrige Prozesstemperaturen (500 °C) verhindern, dass sich Karbide oder Nitride bilden können, die die Korrosionsbeständigkeit stark reduzieren und Ausgangspunkte für Korrosion, Erosion und Kavitation wären.

Die niedrigen Prozesstemperaturen führen auch dazu, dass bei endbearbeiteten Bauteilen keine Maßänderungen auftreten und dadurch keine Nacharbeit anfällt. Alle Arten von Beschichtungen haben außerdem den Nachteil, dass in komplexen Konturen keine Behandlung möglich ist, da diese Oberflächen nicht adäquat beschichtet werden können. Für S³P-Verfahren sind Innenkonturen, Hinterschneidungen und selbst kleinste Bohrungen möglich. Besonders interessant für die Veredelung von kleineren und komplexeren Bauteilen ist zudem die Möglichkeit der Schüttgutbehandlung. Bei Linien- oder Punktberührungen in der Schüttung ist trotz hoher Schüttdichte und komplexer Geometrien eine homogene Härtung aller Flächen gewährleistet. Der Einsatzbereich von S³P in Bezug auf Kavitation und deren Begleiteinflüsse reicht von widerstandsfähigen industriellen Flüssigkeitsförderanlagen (Pumpen, Ventile und Zubehör) bis zu Anlagen der Nahrungsmittelindustrie.

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Entwicklungsingenieur,Bodycote