Kavitace vzniká, když se v kapalině vytvoří malé bubliny a následně prudce zkolabují. Tento kolaps může vytvořit velmi intenzivní lokální namáhání povrchu materiálu.
Výzkumníci proto zkoumali, jak kavitace postupně poškozuje nitrid křemíku používaný pro valivá tělesa hybridních ložisek a které vlastnosti materiálu rozhodují o jeho odolnosti.
Co přesně vědci testovali?
Studie porovnávala tři komerčně dostupné typy slinutého nitridu křemíku, označené jednoduše jako materiály A, B a C.
Testovacími vzorky byly keramické ložiskové kuličky o průměru 12,7 mm. Výzkumníci je umístili do destilované vody a v jejich blízkosti vytvářeli pomocí ultrazvukového zařízení kavitaci.
Použili dva systémy o výkonu 120 W a 600 W. Díky tomu mohli sledovat jak pomalejší, tak výrazně rychlejší průběh poškození. Povrch vzorků následně zkoumali mikroskopicky a měřili také množství odstraněného materiálu.
Jednoduše řečeno: vědci opakovaně nechali mikroskopické bubliny kolabovat u povrchu keramické kuličky a sledovali, kde materiál začne praskat a jak se poškození dál zvětšuje.
Jak kavitace materiál postupně poškozovala?
Poškození nevzniklo tak, že by jeden kolaps bubliny okamžitě vytrhl velký kus materiálu. Šlo o postupný proces.
Nejprve se objevovaly velmi malé trhliny. Některé vedly mezi jednotlivými zrny materiálu a jiné procházely přímo přes větší zrna.
Opakované kavitační rázy následně způsobily uvolňování jednotlivých zrn nebo jejich skupin. Na povrchu tak vznikaly malé důlky.
Jakmile se povrch zdrsnil, vznikaly další kavitační důlky. Ty se postupně zvětšovaly, spojovaly a vytvářely větší poškozené oblasti. Autoři tento mechanismus označují za hlavní cestu, kterou materiál během testu ubýval.
Proč byl jeden materiál odolnější než ostatní?
Nejdůležitějším zjištěním studie byl vliv mikrostruktury materiálu.
Mikrostruktura jednoduše znamená, jak velká jsou jednotlivá mikroskopická zrna materiálu a jak jsou uvnitř uspořádaná.
Materiál A měl z testovaných variant nejjemnější strukturu. Právě u něj vědci pozorovali méně praskání procházejícího přímo přes velká zrna a celkově lepší odolnost proti kavitační erozi.
Při intenzivnějším režimu byl stejný rozdíl mnohem rychlejší: inkubační doba byla přibližně 5 minut u A, 3 minuty u B a 4 minuty u C.
Zajímavé je, že materiál B měl relativně vysokou naměřenou lomovou houževnatost, přesto proti kavitaci nedopadl nejlépe.
Hlavní myšlenka: pro kavitační odolnost nebylo rozhodující pouze to, jak je materiál tvrdý nebo jakou má běžně měřenou lomovou houževnatost. Velkou roli hrála jeho jemná vnitřní struktura.
Proč se po určité době rychlost poškození zase snížila?
Studie popsala ještě jeden zajímavý jev. Po dlouhém kavitačním namáhání se rychlost dalšího úbytku materiálu začala snižovat.
Povrch už byl v této fázi velmi hrubý a obsahoval hlubší důlky. V nich se mohly zachytávat kavitační bubliny a zbytkový vzduch.
Zachycený plyn mohl absorbovat část energie dalších kolapsů. Autoři tento mechanismus popisují jako „bubble cushioning effect“ – tedy jakýsi tlumicí polštář tvořený bublinami.
Co z této studie plyne pro oleje, maziva a ložiska?
Studie dobře ukazuje, že poškození způsobené kavitací není pouze otázkou samotné kapaliny. Významnou roli může mít také materiál součásti a jeho mikrostruktura.
Pro konstrukci ložisek a dalších součástí vystavených kavitaci to znamená, že dva materiály s podobnou tvrdostí nemusí mít stejnou odolnost proti kavitačnímu poškození.
Z pohledu maziv je ale důležité držet se přesně toho, co studie skutečně testovala: žádné motorové, hydraulické ani jiné mazací oleje zde porovnávány nebyly.
Co tato studie naopak nedokazuje?
Výsledky je potřeba chápat v kontextu konkrétního laboratorního experimentu.
- Testovací kapalinou byla destilovaná voda, nikoli mazací olej.
- Studie porovnávala tři konkrétní materiály z nitridu křemíku.
- Kavitace byla vytvářena ultrazvukovým laboratorním zařízením.
- Nešlo o dlouhodobý provoz kompletního ložiska ve skutečném stroji.
- Studie neporovnávala viskozity, aditiva ani jednotlivé druhy maziv.
- Z výsledků proto nelze určit, který konkrétní olej nejlépe chrání proti kavitaci.
Jaký je hlavní závěr studie?
Studie ukázala, že kavitační poškození nitridu křemíku začíná mikroskopickými prasklinami. Ty postupně vedou k uvolňování jednotlivých zrn, tvorbě důlků a následnému spojování poškozených oblastí.
Z testovaných materiálů vykázal nejlepší odolnost materiál s nejjemnější mikrostrukturou. Samotná tvrdost nebo běžně měřená lomová houževnatost proto nevysvětlovaly kavitační odolnost tak dobře jako struktura materiálu.
Studie tak názorně ukazuje, že při odolnosti součásti proti kavitaci záleží nejen na provozní kapalině, ale také na tom, z čeho a jak je samotný materiál vytvořen.