キャビテーションの現象は圧力のかなりのローカル減少がある液体の連続性の破壊で構成されています。 液体内の気泡の形成（キャビテーション）は、所定の温度における液体の飽和蒸気の圧力に等しいか近い正の圧力の存在下でも始まる。

液体中のガスや異物の濃度にかなりの程度依存するので、さまざまな液体でキャビテーションへの抵抗の程度が異なる。 どんな液体にも気体または蒸気の泡があり、これがキャビテーションの核となる。 圧力があるレベルに減るとき、泡は蒸気または分解されたガスの貯蔵所になる。

この状態の即時の結果は泡が大きさで急速に増加することである。 その後、気泡が減圧地帯に入ると、気泡が含む蒸気の凝縮の結果としてサイズが小さくなる。

この凝縮のプロセスはかなり速く起こり、局所的な水圧ショック、音の放出、材料の結合の破壊、その他の好ましくない現象を伴う。 ほとんどの液体における体積安定性の低下は、固体非湿潤粒子やガス蒸気気泡、特にキャビテーション核となるサブミクロレベルのものなど、様々な混和物の含有量と関連していると考えられている。 このような運動の結果、流体の局所圧力が低下し、流体の温度が沸点に達し、小さな蒸気キャビティが形成される。

圧力が通常（流体の蒸気圧より高い）に戻ると、爆縮が生じてキャビティまたは蒸気バブルを崩壊させる。 この気泡の崩壊により衝撃波が発生し、隣接する金属表面に高い衝撃力を与え、加工硬化、疲労、キャビテーションピットを引き起こす。

このように、キャビテーションとは、流体中の蒸気気泡（またはキャビティ）が、局所圧力変動により成長し崩壊するメカニズムに与えられる名称である。 これらの変動は、流体の蒸気圧という形で、低い圧力を発生させることができる。 この蒸気キャビテーションプロセスは、ほぼ一定の温度条件で発生します。

キャビテーションタイプ

キャビテーションの2つの主要なタイプが存在します：蒸気と気体。

蒸気キャビテーションは、液体が急速に蒸気に変更すると泡が無制限に爆発的に成長すると行われるebullitionプロセスである。 この状況は、圧力レベルが液体の蒸気圧以下になるときに発生します。

ガス状キャビテーションは、圧力が液体中に溶解した非凝縮性ガスの飽和圧力より低くなるたびに発生する拡散プロセスである。 気体キャビテーションが非常に速く、マイクロ秒単位で発生するのに対し、気体キャビテーションははるかに遅く、かかる時間は対流（流体循環）が存在する程度に依存します。

キャビテーション摩耗は、衝撃波とマイクロジェットが表面を侵食できる気体キャビテーション条件下でのみ発生します。

ノイズを発生させ、高い（分子レベルのクラッキングでさえ）温度を生成し、酸化によって流体の化学組成を劣化させるだけで、ガス状キャビテーションは表面材料の浸食を引き起こさない。 キャビテーション摩耗は、キャビテーション浸食、蒸気性キャビテーション、キャビテーションピッティング、キャビテーション疲労、液体衝撃浸食、ワイヤードローイングとしても知られています。

キャビテーション摩耗は、流体の一部が最初に引張応力にさらされて流体が沸騰し、次に圧縮応力にさらされて蒸気泡が崩壊（内破）したときに起こる、流体から表面への摩耗の一種です。

キャビテーション摩耗は表面疲労摩耗に似ています。表面疲労に抵抗する材料（硬いが脆くない物質）はまた、キャビテーション損傷に抵抗します。 キャビテーション摩耗は第2の表面を必要とせず、表面と流体の間に高い相対運動が存在することだけを必要とする。 このような運動は流体中の局所的な圧力を低下させる。

各蒸気キャビティは、ほぼすべての圧力の増加により、バブル内の蒸気が瞬時に凝縮し、バブルが崩壊して衝撃波を発生させるため、短時間しか持続しない。 この衝撃波は隣接する金属表面に衝突し、材料の結合を破壊する。

衝撃波はまず固体表面に圧縮応力を発生させ、それが反射すると表面に垂直な引張応力を発生させる。

Figure 1. 蒸気気泡の崩壊とマイクロジェットの発生

図1は、蒸気気泡の崩壊とマイクロジェットの発生を表したものである。 キャビテーションは一般に、静水圧の急激かつ大幅な変化を特徴とする流体力学的条件が存在する場合に発生する。 圧力が低下した瞬間に噴出が発生するため、蒸気気泡は頻繁にかつ迅速に形成され、崩壊します。

流体中の巻き込まれた空気や塵埃は蒸気キャビティ形成のための核生成サイトとして機能します。 これらの核は容器の隙間にある小さな気体で満たされたポケットであったり、流れの中で自由に動いている汚染粒子上の単なる気体ポケットであったりする。

最小圧力が存在する表面または流れ場の近くの小さな空洞は、キャビテーションが始まったことを示す。 一度始まった気泡は、低圧領域に留まる限り成長し続ける。 気泡が高圧領域に移動すると、崩壊して強烈な圧力を発生し、周辺の固体表面を侵食する。

崩壊の間、気泡を囲む液体の粒子はすぐにその中心部に移動する。 これらの粒子からの運動エネルギーは、高い強度の局所的なウォーターハンマー（衝撃）を作り出し、それは前線がバブルの中心に向かって進行するにつれて大きくなる。

聴覚および視覚による検出

装置のユーザーは、音響計器によって、機械振動センサによって、ソノルミネセンス測定によって、または単相流条件下で生じる性能の低下または変化（たとえば、流量、剛性および反応の損失）によって、聴覚、視覚、キャビテーションを検知することができます。 キャビテーション摩耗は、工具鋼、ステライトなど、最も強い材料を破壊することができます。 そのような損傷は急速にそして広範囲に起こるかもしれない。

キャビテーションが引き起こす損傷の量は崩壊した泡が作るいかに多くの圧力および速度に依存する。 この圧力と速度の結果として、露出した表面は広く様々な強度を受ける。

各課題は短時間しか続かない。インパルスの大きさと崩壊時間は、与えられた崩壊圧力差でより大きな気泡のために大きくなっている。 したがって、流体の引張応力が大きいほど（静圧が低いほど）、気泡が大きいほど、キャビテーションが激しく、損傷が深刻になる。

蒸気気泡が形成されて崩壊するときに生じる衝撃は、崩壊が表面近くで発生すると、個々の対称クレーターと永久的な材料変形の原因となる。 その結果、キャビテーション損傷は、疲労破壊と同様に、いくつかの活動期間があります。

• インキュベーション期間-表面の弾性および塑性変形により、粒界および介在物の周囲でマイクロクラックが核形成されます。

• 蓄積期間 – 亀裂の成長は、材料の分割、せん断、引き裂き作用の程度に関連して進行します。

• 定常期間 – 残りの暴露時間中、亀裂核生成と伝播の割合は一定となります。

流体フロー システムでは、（超音波タンクとは異なり）流体の引張応力（低圧）が発生する場所で蒸気バブルが形成され、流体に圧縮応力がかかる高圧領域で蒸気バブルが崩壊します。

したがって、損傷が生じる領域とキャビティが生じる領域はかなり異なることが多く、問題の誤った診断を招くことがよくあります。 キャビテーション摩耗は機械的なものであり、引張および圧縮応力の適用なしには起こり得ません。

Cavitation Hot Spots

油圧システムの多くの部分は、次のようなキャビテーション摩耗が発生しやすい場所です。

• 高い圧力差がある制御バルブの下流、

• 吸込口が飢餓状態にあるポンプの吸込室、

• 負荷状態が発生する高速移動アクチュエータ（線形および回転式の両方）、

• 漏れ経路（シール全体、またはシールから）、

のような場所です。 また、

• 流体が急旋回、断面積の減少、その後の膨張（コック、フラップ、バルブ、ダイヤフラム）およびその他の変形を受けるすべての装置で使用されます。

キャビテーションは、流体型機械システムの正常な動作条件を乱し、部品の表面を破壊する。 そのプロセスは、圧力が低いときに形成される空洞、圧力が安定するにつれて後続の気泡の成長、そして最後に空洞（ガス状または蒸気状の気泡）が高圧にさらされたときに気泡が崩壊することからなる。

部品全体の圧力低下がキャビテーション摩耗の駆動力であることに注意。 図2はギアポンプとスプールバルブで発生するキャビテーションプロセスを示したもので、流体タイプの部品でどのようにキャビティが発生し、成長し、崩壊していくかを示している。 油圧部品におけるキャビテーションプロセス

キャビテーション摩耗の低減

キャビテーション摩耗では、マイクロクラックが伝播し、材料はもはや爆縮蒸気気泡が課す衝撃荷重に耐えることができなくなる。 そのため、粒子は最終的に破壊され、システムに侵入します。

あらゆる疲労破壊と同様に、マイクロクラックはまず応力発生部（ノッチ、破れ、アンダーカット、溶接欠陥など）または材料の不均質な部分（金属流れの方向性、介在物、脱炭部分など）で形成されます。

したがって、粗い表面はキャビテーション摩耗を起こしやすく、ピッティングおよび粗いプロファイルがキャビテーション損傷を特徴付けるので、表面がより粗くなると損傷が増大する。

キャビテーション摩耗に対抗する最も基本的手段は、流体の引張応力を最小化することである。 言い換えれば、装置のユーザーは、キャビテーションの可能性があるゾーンで屈折または真空状態のレベルを下げなければならない。 特に、以下のステップが適切であろう：

• 絞り弁の出口における圧力レベルを増加させる。

• ポンプ吸入口を過給することによってポンプ吸入口における入口圧力を増加させる。

• 負負荷アクチュエータアプリケーションでアンチキャビテーションチェックを使用する。

• バルブシートおよびダイナミックシールでのワイヤ引き抜き（水はオイルよりも高い蒸気圧を持つ）の可能性を排除するため、流体の水分含有量を低減させる。

• 低蒸気圧の流体を使用する。

• 空洞の入口構成ではなく、良い充填特性を持つポンプを選ぶ。

• 低粘性の流体を使用するか流体温度を高くする。 例えば、アルミニウムの代わりにステンレス鋼を選択し（図3）、露出した表面に耐キャビテーション合金でハードフェーシングを使用することができます。 また、ゴムなどのエラストマーコーティングもキャビテーションによる摩耗を最小限に抑えるのに役立っている。

  

  Figure 3.キャビテーションに対する耐性が低いにもかかわらず、これらの表面は強いダメージを与えることなく衝撃波を反射する。 材料の相対的なキャビテーション抵抗の順序

  キャビテーション粒子

  キャビテーション摩耗によって発生する粒子のサイズは、露出した材料のブリネル硬度の関数である。 最大の粒子は蓄積期間中に発生する。 累積粒度分布曲線の勾配は材料のひずみエネルギーが大きくなるにつれて大きくなる。

  Precursors of Cavitation

  流体システムのキャビテーション問題を調査する場合、低圧（真空）、高温（熱）、および空気が侵入する可能性がある場所のすべての可能な原因を特定する必要があります。

  • ポンプ吸引-不適切な吸引ライン油圧（流量制限条件）

  • バルブオリフィス効果-制御バルブフロー通路の高速ジェットによる渦

  • サブマージ・ジェット-低圧領域が生じる非束縛フロー領域に広がるジェット

  。

• モータおよびシリンダ上の負圧-外部駆動アクチュエータ負荷により、アクチュエータ内に低圧が生じる。

• 圧力サージおよび水撃-圧力波の希薄部分が、ライン内に負圧域を形成可能

• 高度効果-低大気圧によって吸引ラインが圧力状態になり、ポンプチャンバを満たすのに不十分な可能性がある。

キャビテーションにつながる熱源

システム流体の過度の高温とキャビテーションに寄与する熱源には、以下のようなものが挙げられます。

• 高い周囲温度
• ポンプおよびモータの悪い機械効率
• 導管内の乱流状態
• キャビテーションフローの気化熱
• エアレーションフローの圧縮熱
• 制御オリフィス間の高い圧力損失
• 厳しい運用状況
• 流体循環システムのすべての部分で大きな流量制限がある場合
• 冷却不良または熱伝達不足
• 粗面や研磨作用による高い摩擦

チェックすべき空気侵入箇所

システムの空気侵入箇所については、次のように考えています。 深刻なキャビテーションが発生している場合は、これらの箇所を注意深く精査する必要があります。

リザーバ – 機械的な(撹拌)タイプの空気の巻き込みが発生する場所、旋回する液体が存在する場所、液体または固体表面への液体の衝突、加圧状態のリザーバ、ポンプ吸い込み口のサイクロンフロー、ポンプ吸い込み口が大気にさらされる運転中に発生する臨界高度（角度のついたリザーバ）、荒地での移動による液体の動揺やポンプ吸込み口を大気にさらされる低いリザーバの液体レベル、。

ポンプ-小径の導管および/またはポート、制限的な流路、流れの転換、および/または長い吸引ライン条件、悪いポンプ充填特性（制限的な内部流路、高いポンプ速度、過度に大きい流量変位）、定格流量条件でポンプに供給するために十分なリザーバ圧力を提供するには高すぎる標高。 ポンプ吸込口レベルまで流体を持ち上げる吸込ヘッドが不十分（つまり、流体レベルとポンプ吸込口の間の高度が大きすぎる）、ポンプの定格流量条件までリザーバ流体を加速させる吸込ヘッドが不十分（ポンプ変位要求に非対応）。

バルブ-オリフィスから限られたフロースペースに吐出されるジェット、バルブの下流壁に低圧があるチャンバで終了するチャネルを通る流れの合理化、及び／又は低圧（戻りライン）導管に吐出されるスロットルバルブ。

アクチュエータ（拡張シール）-外部慣性負荷により負の負荷が発生したときに形成される空気通過ロッドシール、既存の空気脱着、および／または蒸気キャビティ

モータ（シャフトシール）-フライホイール効果により負の負荷があるときに起こる空気通過シールおよび気体／蒸気キャビテーション

蓄圧器-摩耗したピストンシール、破裂したダイアグラムまたは破れたブラダから空気／ガスが漏洩している。

フィルタ-吸引ラインフィルタの外部シールを通過する空気、または空気脱離を引き起こす内部流れの制限

導管コネクタ(ホースカップリング、チューブ継手、マニホールドシール)-振動や熱伸縮効果で緩んだコネクタシーリング面を通過する空気

吸引ラインフィルタの外部シールを通過する空気。

導管 – 荒れた壁、挟み込まれた流れ部分、または流れの中の突起物