Cavitation Erosion of Cast Irons in Engine Coolants
Interactions and Damage Mechanisms
Tid: Fr 2025-06-13 kl 10.00
Plats: D3 , Lindstetsvägen 5
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/69078439839
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap
Respondent: Marcio Freitas de Abreu , Materialvetenskap
Opponent: Professor Emeritus Braham Prakash, Luleå tekniska universitet
Handledare: Professor Peter Hedström, Hultgren Laboratoriet för Materialkarakterisering; Docent Jessica Elfsberg, Scania CV AB
Abstract
Ett återkommande problem inom den tunga fordonsindustrin är kavitations\-erosion, som drabbar komponenterna i motorns kylsystem. Den orsakas av upprepade implosioner av bubblor i vätska, så som kylarvätska, och kan allvarligt skada exponerade komponenter genom förgrovning av ytor, gropbildning och bildande av partiklar. På exempelvis cylinderfoder och retarder är kraftigt slitage vanligt, vilket medför höga underhållskostnader, säkerhetsrisker och stilleståndstid för fordonet. Denna studie tillför saknad kunskap om skademekanismerna hos material i motorkomponenter, främst gjutjärn, samt vilka metallurgiska faktorer som påverkar materialens prestanda. Interaktioner med olika kylvätskekompositioner och driftpara- metrar som efterliknar kylsystemets arbetsmiljö undersöktes också.
Med hjälp av en testrigg med ultraljudsteknik i enlighet med ASTM G32 exponerades prover av flera olika gjutjärnskvaliteter för olika kylvätskeblandningar. Provnings\-upplägg innefattande direkt och indirekt metod, samt olika amplituder och inverkan av temperaturen studerades. Analyserna omfattade massförlust av prover och dokumentation av ytskador med svep\-elektron\-mikroskopi.
Den indirekta metoden samt lägre amplituder gav mycket lägre massförlust. Högre glykolkoncentrationer samt närvaro av korrosionsinhibitorer ledde till mindre skador. Förvånande nog var använda kylvätskor insamlade från servade lastbilar mindre aggressiva än motsvarande färska blandningar. En suspension av bornitrid i färsk kylvätska gav enastående reduktion av massförlust, vilket potentiellt kan ge långvarigt skydd genom att dämpa slagbelastningen. Denna upptäckt är lovande för utveckling av okonventionella lösningar samt för en djupare förståelse av bubbeldyna- mik i komplexa miljöer.
Analys av skadeinitiering vid mycket korta testtider tyder på att större delen av stötbelastningen härstammar från kavitationsmolnet i form av tryckvågor, vilka påverkar hela ytan, medan skador från enskilda bubbelimplosioner är sällsynta och av mindre betydelse.
För gjutjärnen förutsäger hårdhet och mikrostruktur tillsammans kavitationstålig- heten. Kompakt och lamellär grafit är skadliga grafitformer; ferrit sänker också kavitations- motståndet; medan perlit, steadit och ausferrit är gynnsamma. Skadeut- vecklingen består av grafiturgröpning, avflagning av grundmassa runt gropor och tillväxt av gropar, med bidrag från sprickor vid och under ytan. Eftersom stålen saknar grafit i sin struktur presterar de vanligtvis avsevärt bättre än gjutjärn. Utmattningssprickbildning visade sig vara den dominerande brottmekanismen vid mildare kavitationsbelastningar. Dessa resultat öppnar för ytterligare möjligheter att optimera material för kavitationsintensiva tillämpningar under långvariga exponeringar där andra lösningar, såsom ytbeläggningar, inte är möjliga.