초음파 공기포화

서론

공극 침식은 물질이 공극 현상을 일으키는 유체에 노출되었을 때 발생합니다. 붕괴하는 공극 기포는 강한 충격파와 마이크로 제트를 생성하여 매우 국소화된 표면 응력을 유발합니다. 이 반복적인 부하는 반복되는 기포의 붕괴로 인해 국소 표면 피로 파손으로 이어질 수 있으며, 그 결과 물질이 벗겨지거나 박리될 수 있습니다. 아래 그림은 공극 침식의 전형적인 진행 과정을 보여줍니다 (25 kHz, 44.5µm, 24°C 물).

초음파에서 공극 현상은 종종 초음파 호른에 의해 actively 생성되어 프로세스에 미치는 영향을 관찰하기 위해 사용됩니다 (예: 초음파 혼합). 그러나 이러한 공극 현상은 시간이 지남에 따라 호른 표면의 물질을 점차적으로 제거하여 다음과 같은 문제를 초래할 수 있습니다.

1. 팁이 짧아질수록 시스템의 주파수가 증가하여 전원 공급 장치가 더 이상 툴 헤드를 활성화할 수 없게 됩니다.

2. 코너 표면이 부식으로 인해 울퉁불퉁해지면 더 적은 기포 현상을 발생시켜 프로세스에 영향을 미칩니다.

3. 부식된 재료는 프로세스를 오염시킬 수 있습니다.

이러한 문제들은 다음 네 가지 방법의 조합으로 완화될 수 있습니다:

1. 기포 현상에 대한 저항력이 더 높은 재료의 툴 헤드를 사용하십시오.

2. 기포 현상에 대한 저항력이 더 높은 코팅을 사용하십시오.

3. 툴 헤드의 표면 마감을 개선하십시오.

4. 교체 가능한 팁이 있는 툴 헤드를 사용하십시오.

재료

금속 제품

기포 현상이 관련된 응용 분야에서는 티타늄(일반적으로 Ti-6Al-4V)이 종종 기본 공진기 재료입니다. 이는 기포 현상에 대해 양호한(하지만 특출난 것은 아님) 저항력을 가지고 있으며 많은 액체에 대해 비교적 비활성입니다. 다양한 강재도 사용됩니다. (본문 말미에서 다양한 재료의 기포 현상 데이터를 참조하십시오.)

엘라스토머

엘라스토머는 공진기 재료로 적합하지 않습니다. 그러나 초음파 에너지의 전달을 방지하거나 카비테이션 부식(주로 표면)을 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다. 비교적 낮은 강도의 카비테이션에서는 이러한 재료가 "완전히 카비테이션 손상이 없을 수 있습니다". 경화된 에틸렌 프로필렌 모노머(EPDM) 시트는 20kHz에서 50µm 피크 진동 시 316L 스테인레스보다 세 배의 내부식성을 가지고 있습니다. (참고: 비경화 EPDM 코팅은 성능이 좋지 않습니다).

교체 가능한 캡

카비테이션 부식 후 실리드 호른을 교체하는 것은 비용이 많이 듭니다. 대신, 지름이 Ø25mm 미만인 툴 헤드에는 교체 가능한 캡이 사용됩니다.

툴 헤드 코팅

티타늄을 기준으로 비교했을 때 다양한 코팅이 공극 현상을 개선하기 위해 사용되었습니다. 이러한 코팅은 공구 헤드의 면적이 너무 크거나 작아 교체 가능한 캡을 사용할 수 없고, 면의 모양이 불규칙한 경우 공구 헤드 표면에 적용됩니다. 또한 이들은 공구 헤드의 기본 재료를 보호할 수 있습니다. 코팅은 두께에 따라 얇은 코팅과 두꺼운 코팅으로 구분될 수 있으며, 인성과 연성에 따라도 분류될 수 있습니다.

얇은 코팅

초음파 진동에 의한 관성력이 상대적으로 낮은 경우, 코팅을 얇은 것으로 간주할 수 있으며 접착력이 높을 필요는 없습니다. 이러한 코팅에는 크롬 및 티타늄 질화물이 포함됩니다.

경 크로뮴 - 2 밀리(0.05 mm) 두께의 크로뮴 경도는 316L 스테인레스 베이스 금속보다 공극 현상을 10배 줄여줍니다. 이는 크로뮴의 더 높은 경도(60 Rc 대비 25 Rc) 때문입니다. 스테인레스 강의 공극 현상은 주로 재료의 결정 입자 크기에 의존합니다.

티타늄 질화물 - 티타늄 질화물은 경도와 우수한 접착성으로 인해 공동현상을 줄이는 데 오랫동안 사용되어 왔습니다. 그러나 이 공정은 무분별하게 적용될 수 없습니다. 질소 분위기를 약 13%로 증가시키면(미세경도 ≈ 550) 공동현상이 안정적으로 감소한다는 점이 주목됩니다. 이 수준에서는 침식 속도가 원래의 티타늄보다 3배 낮습니다. 하지만 질소와 경도를 더욱 증가시켜도 공동현상은 더 이상 감소하지 않습니다.

두꺼운 코팅

질량 때문에 두꺼운 코팅은 엄청난 관성력을 견뎌내야 합니다. 코팅과 기판 사이의 부착력이 충분하지 않으면 문제가 됩니다. 이러한 코팅이 또한 브리틀하다면 초음파 벤딩으로 인해 코팅이 균열될 수 있기 때문에 큰 면적(예: 세척 탱크)에 적용할 수 없습니다.

공극 현상과 관련된 매개변수
물질의 비교적 유사한 그룹에서는 표면 경도, 인장 강도, 항복 강도, 연성, 변형 에너지 등과 같은 기계적 특성이 증가할수록 공동 저항이 일반적으로 증가합니다. 그러나 연성 금속과 강한 브리티시 금속, 금속과 세라믹스, 금속과 엘라스토머 등 서로 다른 종류의 재료 사이에는 큰 차이가 발생할 수 있습니다.

경도

경도는 공동 저항과 관련된 주요 물질 속성입니다. 기본 물질의 경도는 전반적으로(예: 경화를 통해) 또는 국소적으로(예: 표면 경화나 샷 피닝을 통해) 형성될 수 있습니다.

ショット 피닝

Shot peened 321 스테인레스 스틸(퇴화 처리) 및 순수 철이 증류수와 1% 염수에서 20 kHz로 캐비테이션 테스트를 받았습니다. Shot peening은 재료를 표면 아래 0.3 mm 깊이까지 경화시켰으며(321 등급의 스테인레스 스틸은 작업 경화에 잘 반응하기 때문에 선택되었습니다), 지정된 진폭은 15 μm(약 피크 값)이며, 물 온도는 50°C였습니다. (그림 3에서, "y"는 시편 표면 아래 거리[mm]를 나타내며, 수직 축은 "HV 0.02"로 라벨링되어 있습니다).

표면 처리

물질이 처음 캐비테이션에 노출될 때, 부식 속도가 후속 단계에 비해 무시할 수 있는 초기 단계가 있을 수 있습니다. 이 초기 단계는 표면이 매우 광동으로 처리되었을 경우 연장될 수 있습니다.

곡물 크기

피로와 마찬가지로 공극 현상은 미세한 규모에서 발생합니다. 따라서 거의 동일한 거시적 특성을 가진 두 재료(예: 인장 강도)라도 공극에 대한 저항이 크게 다를 수 있습니다. 같은 재료의 공극 저항이 결정 입자 크기가 작아질수록 증가한다는 사실은 다른 재료에는 적용되지 않을 수 있습니다.

다양한 재료들의 공극 데이터

아래 정보는 참고용으로 제공됩니다. 나열된 많은 재료들은 손실, 피로, 비용 및 재료 가용성 때문에 초음파 도구 팁으로 사용하기에 적합하지 않을 수 있습니다. 예를 들어, 많은 강철들이 티타늄보다 부식률이 낮을 수 있지만, 내부 손실(가열)로 인해 출력 진폭이 제한됩니다. 그러나 이 가열 문제는 지역 초음파 스트레스를 줄이는 프로필을 최적화함으로써 개선할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 일부 재료는 교체 가능한 캡 또는 코팅으로 사용하기에 적합할 수 있습니다.

테스트 환경

1. 공극이 발생한 유체는 실온 물이었습니다.

2. 진폭은 피크-to-피크 50 마이크론이었습니다.

3. 팁 직경은 13.9 mm였습니다.

4. MDP = 평균 침투 깊이 [밀] = (부피 손실)/(시편 표면적).

5. 1 밀 = 25.4 마이크론.

각종 재료의 공극 형성 비율

티타늄

최대 진폭으로 작동할 경우, 1 mm 초음파 도구 끝이 1000시간 내에 부식됩니다.

스테인리스강

물에서 열두 가지 스테인레스 강종의 공극 테스트 결과, 크롬과 니켈 함유량 비율이 약 1.8:1일 때 가장 우수한 공극 저항성이 나타납니다.