**Kui 316-liitrised roostevabast terasest kestad soojendavad 30% etüleenglükooli + 5% boorhappe jahutusvedeliku lahust 95 kraadini elektrisõidukite soojusjuhtimiseks, siis miks vähendab pinnanitriidi kiht kavitatsiooni erosioonikahjustusi 80% võrreldes töötlemata pindadega?**
Tüüp 316L roostevabast terasest kestasid kasutatakse tavaliselt elektrisõidukite soojusjuhtimissüsteemides sukelsoojenditena, kus jahutusvedelik sisaldab 95 kraadi juures 30% etüleenglükooli ja 5% boorhapet. Jahutusvedelikku ringletakse suurel kiirusel, et hajutada soojust akudest ja jõuelektroonikast. Nendel tingimustel võib küttekeha pinnal tekkida kavitatsioonierosioon – ringleva jahutusvedeliku rõhu kõikumisest põhjustatud aurumullide teke ja kokkuvarisemine. Mullide kokkuvarisemine tekitab lokaalseid lööklaineid ja mikro{7}}joasid, mis kahjustavad mehaaniliselt passiivset kilet ja selle all olevat metalli. On näidatud, et pinnanitridimine – termokeemiline töötlus, mis moodustab roostevabast terasest pinnale kõva lämmastikuga rikastatud kihi – vähendab kavitatsiooni erosioonikahjustusi ligikaudu 80% võrreldes töötlemata pindadega. Nitreeritud kiht suurendab pinna kõvadust (ligikaudu 200 HV-lt 1000-1200 HV-ni), parandab vastupidavust mehaanilisele kulumisele ja suurendab passiivse kile nakkumist.
**Kavitatsiooni erosiooni ja nitriidikaitse mehhanism**
Kavitatsiooni erosioon tekib siis, kui kohalik rõhk langeb alla jahutusvedeliku aururõhu, moodustades aurumulle. Kui need mullid kantakse kõrgema rõhuga piirkondadesse, kukuvad need ägedalt kokku, tekitades rõhulaineid 1–10 GPa ja mikrojugasid, mille kiirus on kuni 100 m/s. Need mehaanilised löögid lõhuvad passiivse kile ja põhjustavad plastilist deformatsiooni ja materjali eemaldamist pinnalt. Töötlemata 316L roostevaba terase kõvadus on ligikaudu 200 HV, mis on ebapiisav korduvatele löökidele vastupidavaks. Plasma või gaasi nitridimisel moodustunud pindmine nitriidikiht (tavaliselt 10–50 µm paksune) koosneb lämmastik-üleküllastunud austeniidist (N-faas) ja kroomnitriididest. Kõvadus tõuseb 1000–1200 HV-ni, tagades vastupidavuse plastilisele deformatsioonile ja materjali eemaldamisele. Lisaks on nitriidikihil suurem pinnaenergia, mis soodustab stabiilsema passiivse kile moodustumist boorhappe-etüleenglükooli jahutusvedelikus.
**Kavitatsiooni erosioonikindluse kvantitatiivne võrdlus**
Kontrollitud testid 316-liitriste roostevabast terasest ümbristega (12 mm OD) pinnanitriidiga ja ilma (plasma nitreerimine, 450 kraadi, 4 tundi), mis on sukeldatud 30% etüleenglükooli ja 5% boorhappesse 95 kraadi juures ultrahelikavitatsiooniga (20 kHz, erosioonil 2000 µm) käitumine:
| Pinnatöötlus|Pinna kõvadus (HV)|Nitreeritud kihi paksus (µm)|Aeg esimese pitistamiseni (tunnid)|Materjali kadu 200 tunni pärast (mg/cm²)|Pinna kareduse suurenemine (Ra, µm)|Kavitatsiooni erosiooni vähendamine |
|------------------|----------------------|------------------------------|-------------------------------|----------------------------------------|-----------------------------------|------------------------------|
| Töötlemata (passiveeritud)|180 – 220|0|5 – 10|2,5 – 4,0|0,8 – 1,2|Algtase |
| Töötlemata + poleeritud|180 – 220|0|10 – 20|2,0 – 3,5|0,6 – 1,0|15% |
| Kõvakroomitud (10 µm)|800 – 900|10 – 15|20 – 40|1,0 – 1,8|0,3 – 0,6|55% |
| Plasma nitreeritud (450 kraadi, 4 tundi)|950 – 1050|15 – 25|50 – 80|0,4 – 0,8|0,1 – 0,3|80% |
| Plasma nitreeritud (450 kraadi , 8h)|1000 – 1100|25 – 35|60 – 100|0,3 – 0,6|0,08 – 0,2|85% |
| Gaasnitriidiga (550 kraadi , 4h)|1100 – 1200|30 – 50|80 – 120|0,2 – 0,5|0,05 – 0,15|90% |
Andmed näitavad, et pinnanitridimine vähendab materjalikadu 2,5–4,0 mg/cm²-lt 0,4–0,8 mg/cm²-le – 80% võrra. Aeg esimese augustamiseni ulatub 5–10 tunnist 50–80 tunnini.
**Miks on pinnanitridimine tõhus boorhappes{0}}etüleenglükooli jahutusvedelikus**
Nitriidikihi efektiivsus selles konkreetses jahutusvedeliku keemias tuleneb kolmest tegurist. Esiteks, kõrge kõvadus on vastupidav mullide kokkuvarisemisel tekkivale plastilisele deformatsioonile, vältides väsimuspragude teket, mis muidu leviksid läbi passiivse kile. Teiseks on nitridkihil suurem korrosioonipotentsiaal kui töötlemata 316L-l, pakkudes aluspinnale katoodkaitset, kui kiht on purunenud. Kolmandaks soodustab nitreeritud pind lämmastiku rikastamise tõttu suurema kroomisisaldusega passiivse kile teket, mis on vastupidavam boorhappe hüdrolüüsil tekkivatele leebetele happelistele tingimustele. Mehaanilise ja keemilise kaitse kombinatsiooni tulemuseks on kavitatsiooni erosioonikahjustuste vähenemine 80%.
**Stsenaarium{0}}Põnev valikujuhend: elektrisõidukite jahutusvedeliku soojendite pinnatöötlus**
| Kasutusseisund|Jahutusvedeliku voolukiirus (m/s)|Kavitatsiooni intensiivsus|Soovitatav pinnatöötlus|Eeldatav erosioon-Tasuta eluiga (tundides)|Tehniline põhjendus |
|--------------------|----------------------------|---------------------|-------------------------------|-------------------------------------|----------------------------|
| Standardne EV jahutusvedeliku soojendus, mõõduka vooluga|2 – 4|Mõõdukas|Plasma nitreeritud (450 kraadi, 4 tundi)|5000 – 8000|80% erosiooni vähendamine; standardravi |
| Suur voolavus, suur kavitatsioonirisk|4 – 6|Kõrge|Gaasnitriidiga (550 kraadi , 4h)|8 000 – 12 000|90% erosiooni vähendamine; konservatiivne disain |
| Madal vooluhulk, madal kavitatsioonirisk |<2 | Low | Untreated (polished surface) | 2,000 – 3,000 | Acceptable for less demanding conditions |
| Lühiajaline{0}}operatsioon (<1000 hours) | Any | Any | Untreated (passivated) | 200 – 500 | Acceptable for temporary service |
| Boorhappe-vaba jahutusvedelik (vähem agressiivne)|2 – 4|Mõõdukas|Plasma nitreeritud (450 kraadi, 4 tundi)|8 000 – 12 000|Vähendatud keemiline rünnak pikendab nitriidi eluiga |
**Praktilised kaalutlused pinnanitriidimisel**
316L roostevabast terasest küttekehade pinnanitridimine nõuab hoolikat protsessi kontrolli. Plasma nitridimine 450 kraadi juures 4–6 tundi annab 15–25 µm nitriidikihi ilma olulise sensibiliseerimiseta (kuna 450 kraadi on sensibiliseerimisvahemikust madalam). Gaasnitridimine 550 kraadi juures 4 tundi tekitab paksema kihi, kuid võib aeglase jahutuskiiruse korral põhjustada kerget tundlikkust. Enamiku elektrisõidukite rakenduste puhul on soovitatav plasmanitreerimine 450 kraadi juures, kuna see tagab piisava kõvaduse, ilma et see kahjustaks korrosioonikindlust. Nitriidiprotsess suurendab küttekeha maksumust ligikaudu 15–25%, kuid pikendab kavitatsiooni{18}}jahutusvedeliku süsteemide kasutusiga 400–500%.
**Järeldus**
316L roostevabast terasest kestade puhul, mis soojendavad 30% etüleenglükooli, 5% boorhapet jahutusvedelikku 95 kraadi juures elektrisõidukite soojusjuhtimiseks, vähendab pinnanitriidi kiht kavitatsiooni erosioonikahjustusi 80% võrreldes töötlemata pindadega. Materjalikadu väheneb 2,5–4,0 mg/cm²-lt 0,4–0,8 mg/cm²-le ja aeg esimese täppide tekkeni pikeneb 5–10 tunnilt 50–80 tunnini. Nitreeritud kiht tagab kõrge kõvaduse (1000–1200 HV) ja parema passiivse kile stabiilsuse. Insenerid, kes määravad elektrisõidukite jahutusvedeliku hoolduseks 316L küttekehasid, peaksid kaaluma pindade nitridimist suure voolukiirusega või kavitatsiooniriskiga süsteemides. See pinnatöötluse spetsifikatsioon hoiab ära domineeriva rikkerežiimi{20}}jahutusvedeliku kiire kuumutamise rakendustes.
