The research presented in this thesis investigated the mechanisms by which cavitation erosion damage develops in lamellar graphite iron (LGI) and austempered ductile irons (ADIs). This has been achieved by image sequences of surface erosion on test samples in tandem with weight change measurements. Cavitation erosion is caused by the appearance and collapse of bubbles in a liquid which undergoes rapid pressure oscillations. Imploding bubbles release heat, shockwaves and high-speed microjets which may strike nearby solid walls and damage them.

The heavy-duty automotive industry encounters this problem in the engine cooling system. The combustion chamber requires precise temperature control for optimal operation and excess heat must be removed by a liquid coolant. In trucks, the coolant liquid achieves this by circulating around the cylinder liner, a hollow cylindrical part that encloses the combustion chamber and prevents its gases from escaping. However, the engine’s intense vibrations create repeated pressure variations in the coolant, and bubbling ensues. With prolonged operation, the cylinder liner’s wet outer wall may be severely worn, resulting in surface roughening, eroded patches and pits. Cavitation is responsible for great losses due to vehicle downtime and maintenance costs. The present work aims, therefore, at analyzing the behavior under cavitation exposure of cast irons that are currently used, or being considered for use, in the cooling system.

Cylinder liners are currently made of lamellar graphite iron with a matrix structure consisting of pearlite and a network of steadite, and the analysis for this material has been presented in Paper 1. Austempered ductile irons are candidate materials for pumps and other components of the cooling system due to their very good mechanical properties; three ADIs of increasing hardness, obtained from different heat treatments of a spheroidal graphite iron, have been analyzed in Paper 2. Experiments consisted of an ultrasonic vibratory probe to which material samples were attached and subsequently immersed in a beaker containing engine coolant. The samples were weighed and photographed in an SEM after several predetermined time intervals. This produced a detailed sequence of images which, in combination with mass loss data, can explain the mechanisms by which cavitation damage initiates and develops in these materials. The text of this thesis summarizes the findings presented in the appended articles and compares the behavior of LGI and ADI.

Forskningen som presenteras i denna avhandling undersöker kavitationsmekanismerna och uppkomsten av kavitationsskador i gjutjärn med fjällgrafit (LGI) och i ausferritiskt segjärn (ADI). Detta har gjorts med sekventiell

fotografering av yterosionen på prover samtidigt som viktsförlusten har registre- rats.

Kavitationserosion uppstår genom bildning och kollaps av bubblor i en vätska som utsätts för snabba tryckoscillationer. Imploderande bubblor frigör värme, chockvågor och höghastighets- mikrojetstrålar som kan träffa närliggande fasta ytor och skada dessa.

Den tunga fordonsindustrin stöter på detta problem bland annat i motorernas kylsystem. Förbränningsrummet fordrar noggrann temperaturkontroll för optimal förbränning och måste kylas av en kylvätska. I lastbilar cirkuleras kylmedlet runt cylinderfodret, en ihålig, cylindrisk komponent som omsluter förbränningskammaren och som hindrar gaser från att lämna systemet. På grund av motorns intensiva vibrationer bildas återkommande tryckvariationer i kylvätskan med uppkomst av bubblor. Efter lång tid i drift kan cylinderfodrets våta utsida bli allvarligt eroderad med ökad ytråhet och med bildande av erosionmönster och erosionsgropar. Kavitation är förknippad med stora förluster pga stillestånd och underhållskostnader. Målet med detta arbete är därför att analysera hur nuvarande, och kandiderande gjutjärn för kylsystem, beter sig under kavitationsexponering.

Cylinderfoder görs för närvarande av lamellärt gjutjärn med en matrisstruktur av perlit och ett nätverk av steadit, och en analys av detta material presenteras i artikel 1. Ausferritiska segjärn är kandidatmaterial för pumpar och andra komponenter i kylsystemet pga sina goda mekaniska egenskaper. Tre ausferritiska segjärn med sfärisk grafit och successivt ökande hårdhet, från tre olika värmebehandlingar av samma segjärnsbatch analyseras i artikel 2. Experimenten bestod av ett ultraljudshorn till vilket prover fästes och därefter sänktes ner i en bägare med kylvätska. Proven vägdes och fotograferades i SEM enligt förutbestämda tidsintervall. Detta resulterade i en detaljerad sekvens med bilder som, i kombination med viktsförlusten, kan förklara mekanismerna för initiering och utveckling av kavitationsskador i nämnda material. Avhandlingen summerar fynden som presenteras i de bifogade artiklarna och jämför beteendena mellan LGI och ADI.

In the heavy-duty automotive industry, cavitation erosion is a recurring issue for the components of the engine cooling system. It is caused by the repeated implosion of bubbles in a liquid, such as the coolant, and can seriously damage exposed components through surface roughening, pitting and debris generation. Severe wear is common in cylinder liners and retarder pumps, for example, and leads to high maintenance costs, safety risks and vehicle downtime. The research presented here was therefore elaborated to supply missing knowledge on the damage mechanisms of engine component materials, mostly cast irons, and what metallurgical factors affect their performance. Some of their interactions with different coolant formulations and with operational parameters that emulate the cooling system environment were also investigated.

Using an ultrasonic test rig based in ASTM G32, samples of several cast iron grades were exposed to various coolant mixtures. Different test setups with the direct and indirect methods, amplitudes and temperatures were also investigated. The analyses comprised sample weight change and surface damage documentation by scanning electron microscopy.

The indirect test method and lower amplitudes led to much lower mass loss. Higher glycol concentrations and the presence of inhibitors lead to less damage. Surprisingly, however, used coolants collected from serviced trucks were less aggressive than their fresh counterparts. A boron nitride suspension in fresh coolant led to an outstanding reduction in mass loss, potentially granting long-lasting protection by dissipating the impact load. This finding is promising for the development of unconventional solutions and for a deeper understanding of bubble dynamics in complex environments.

Analyses of damage initiation at very early test times suggest that most of the impact load originates in the cavitation cloud as pressure waves, imparting stresses on the whole surface, whereas damage from individual bubble implosions may be rare and less important.

For the cast irons, hardness and microstructure are, together, a strong predictor of cavitation resistance. Compacted and lamellar graphite are detrimental graphite forms; ferrite also lowers cavitation resistance; pearlite, steadite and ausferrite are beneficial. Damage evolution consists of graphite removal, matrix chipping around voids and pit expansion, with contributions from surface and subsurface cracks. With no graphite in their structure, steels usually perform significantly better than irons. Fatigue cracking was found to be the predominant fracture mechanism in milder cavitation loads. These findings open further possibilities for optimizing materials for cavitation-intensive applications in prolonged exposures for which other solutions, such as coatings, are not possible.  

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.