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零件和表面清洁工艺知识与指南
作者:翻译 By 翁开尔有限公司发表日期:2015-04-27

1清洗工艺

零件和表面清洗工艺

与实际需求相符合的现代清洁溶液对于经济的、重复的、生态的零部件清洗有重要的作用。 选择清洁溶液需要考虑的因素包括工件的几何形状、材料、污染物的类型、污染程度、工艺状态以及所需清洁度。

湿化学清洁的类型

湿化学清洁的效率完全取决于所用的清洁剂的溶解性能。常用清洁剂包括水溶清洁剂、溶剂。后者大致可以再细分为:非卤化烃、氯化烃和极性溶剂。各种各样的处理工艺决定着清洁剂的使用效率。

喷淋清洗

喷淋清洗最初适用于大型的平台工作板,污染物被清洁剂(通常是水溶液)部分通过溶解或者乳化的方式出去,也会因喷淋的动能被冲洗去除。喷淋清洗的一个好处是它可以取得均匀的清洗效果。

浸泡清洗

浸泡清洗过程倾向应用于复杂几何结构的零件,例如盲孔和底部切割。当工作板淹没在清洗池中,粘着在表面的污染物被清洁剂的化学功效去除。

超声波清洁

超声波的效果由气穴现象决定:清洗池液通过超声波发生器被声波辐射,以满足振动系统。以这种方式产生的震荡在流体中造成微小空腔,空腔会突然坍塌。强的水流和湍流帮助污染物更好的从被清洗物上冲走。

注洪清洗

注洪清洗是用泵将清洗池的液体压出,随后经过高压力填充喷嘴,紧接着注入回清洗池中。这让强的水流在工件的边缘造成湍流现象,以此来去除污渍。当流体流过盲孔时,吸引力作用会污染物带出来。

零件和表面清洗工艺注洪清洗

压力流体循环清洗

压力流体循环清洗是用泵将清洗池的液体先吸出来,然后再用泵将液体通过喷嘴系统压到一个高压力水平。这让强的水流在工件的边缘造成湍流现象,以此来去除污渍。当液体蒸汽通过盲孔和凹陷时,也会产生拉力,将污渍从盲孔和凹陷中吸出来。

生态清洁

有很多自然产生的微生物将复杂的有机物分子转换相对简单的有机物、二氧化碳和水。我们可以特别培养这种用于生态清洁的微生物。在水溶液清洁中,油和润滑脂在表面活性剂和乳化剂的帮助下,从组分的表面分解。乳化剂是生态的反应剂,是与清洗池隔离开来的,以乳化剂作为培养液,微生物源源不断注入清洗池。

喷射清洗

喷射清洗工艺也可以达到高的表面清洁度等级。 当工件表面特征和清洁度都有要求时,这种机械加工工艺会经常用到。例如无毛刺的表面,平滑表面,对粗糙度有要求或者消光表面。喷射工艺包括,压缩空气喷射,离心喷射清洁,水喷射清洁,CO2(干冰)喷射和小球喷射。

二氧化碳雪花喷射

运用液态二氧化碳作为喷射的介质,或者一些刨冰。通过力学和热学的作用,干冰喷射使污渍或者膜状的污染物从表面被去除,它会击打物体表面使其干燥,无残留而且无化学药品残留。在组件中特定的区域,例如密封和连接表面可以通过这种针对性的方式处理而不是对整个组件进行清洁。这个工艺可以轻松的自动化完成,应用范围伴随着新工具的开发也在不断的扩大。

乾冰喷射运用二氧化碳(乾冰)固态小球作为喷射介质而不是液态二氧化碳,大约有大米那么大。乾冰喷射运用于清洁工具、模具、机器和设备。

激光喷射

运用高能量,有针对性的激光射线作为清洁介质。它被引导经过需清洁的表面,激光束的光能直接转化为热能,使污染层迅速蒸发。等离子体冲击波也会由此产生,它可以去除不能被蒸发去除的颗粒。

等离子体清洁

等离子体技术运用各种活泼的气体,在不锈钢,有色金属,塑料、玻璃和陶瓷的零部件或者较大物体的应用范围很广。 当需要去除的有机污染物层非常薄的时候,这些工艺尤其有效。

等粒子清洗

清洗目标/需求:

1)满足工件的清洁和生产能力需求。

2)满足适用的法规(水的生态行为、排放控制、辐射最大限制、联邦法规、ATEX等等)

3)环境的相容性(尤其针对节约资源)

4)低维护成本和高性价比(投资和操作花费)

清洗工艺过程:

●喷淋清洁------连续的或者在箱体内(一些高压情况下);

●在敞开的清洗池或者箱内浸泡清洁(有时使用超声波);

●使用注洪清洗、刷洗------连续的或者在箱体内。

清洗工艺的影响因素:

●被清洗的工件(材料,污染物的量和类型,几何形状,数量,清洁时间)

● 清洁剂

● 清洗池维护(介质修复)

● 所需要工件表面清洁度和表面处理工艺的质量

质量保证

●监测清洗系统的过程工艺参数(压力、温度、清洁剂情况)

●通过检查工件清洁结果,间接的进行质量评价

表面清洁度仪

表面清洁度仪

备注:

已经有清洗线上的可以采用在线监系统,例如检测清洁剂的数量(例如通过监测水溶液清洗池中表面活性剂含量、工件的清洁度、在线颗粒计数器等)

在线检测系统

2清洁剂选择

湿化学清洁的效力完全取决于所用的清洁剂的溶解性能。下面的规律解释了在这方面的应用: 极性污染物(水性的冷却液、润滑油,抛光浆,添加剂和盐,加工碎片,磨损和其他污渍)会溶解在极性介质中(水)而不是非极性介质中。然而,非极性物质,像脂肪和油更容易溶解在非极性溶剂中而不是极性溶剂。清洁剂在传统的湿清洁工艺中运用的十分频繁:包括水性清洁剂,氯化烃(CHC),非卤化烃(HC),极性溶剂和基于植物油的清洗剂。

可用的水性介质,例如碱、中性和酸性的清洁剂,倾向于清洁大体积的物体,或者需要满足较高的清洗需求。

工业清洗清洗剂选择

非卤化烃对动物油、植物油、矿物油和油膏都有良好的溶解性能,也表现出了出色的材料相容性。这些清洁剂的使用是可靠的,可以去除用于现代生产工艺中的大多数油脂。尽管碎片这些颗粒不能溶解于溶剂中,但因为他们不能再粘着在工件表面上,所以它可以伴随着油而去除。

卤化烃对形状复杂的金属组件的去油和干燥也是十分有效的。他们更容易清洗工件中含氯的油类污染物。

极性溶剂

极性溶剂结合了水性清洁剂的优点和溶剂的运用。通过运用匀称的润滑脂的优点和水溶解特性,这些清洁剂可以同时去除非极性的污染物例如油脂,和极性污染物。

基于植物油的清洁剂,

例如大豆油,菜籽油和椰油都用于组成脂肪酸酯,是烃类清洁剂中的物质。他们对很多工艺来说都是适用的,例如浸泡、喷雾和擦拭清洁。固体、分散液、液体,粒化和超临界的而言,还有等离子体和激光能,运用的相对少一些,经常与特殊清洁工艺相结合使用。

为了尽可能达到清洁工艺中可以达到的清洁度等级,清洁剂与要被去除的污染物相匹配(极性或者非极性)。新的产品不断地加入,清洁剂种类的范围也因此扩大,这样的发展我们可以面对前所未有的更严格的要求。

任务:

●去除或者处理污染物

●溶解、稀释、乳化、替代或者清洗掉表面(金属)上的物理吸附物

目的/要求:

●满足表面清洁的要求,例如没有油脂、锈、氧化膜、可溶性盐、其他颗粒等等类型的污染物

●材料相容性

●与污染物不发生副反应

● 环境相容性,毒性最小化(工作安全)

●符合法律法规:VOC、有害物质租用、表面活性剂指向性等等

工艺过程

●水溶液中的清洁

● 利用溶剂清洁:HC、CHC、等等

● 特殊程序

影响因素:

●污染物的类型:油、脂膏、蜡、乳化剂、灰尘、喷射介质和其他因素

●  被清洁材料:不锈钢、铸铁、有色金属、玻璃、塑料等等

● 组件的几何形状:钻孔、螺纹、根切、车削表面等等

● 温度和处理时间、浓度、体系和过程技术

● 清洗池维护措施的范围和质量

质量保证:

●  清洁度分析(根据VDA19和VDA19.2)

●  可视的检查

●  分析仪器的使用,例如SEM-EDX

水性清洗剂

水性清洁剂的清洁效果由两种成分决定:促净剂和表面活性剂。表面活性剂是表面活性物质,他可以改变各个表面边界的特性。作为表面活性组分,表面活性剂可以把污染物包裹,然后与被清洁表面分离,随即分散到冲洗液中。促净剂是提高水的pH值的无机盐,用于除去固体颗粒和通过与表面活性剂的协同提高清洁效率。除此之外,水性清洁剂的成分还有螯合剂、防腐剂和锈蚀抑制剂。它们调节水的硬度,来阻止固体金属皂化,确保被清洗部件的不被锈蚀和维护清洗体系。

水性清洁剂用于零部件的清洁,例如中性、碱性、和酸性的清洁剂:

中性清洁剂的pH值在6-9之间,用于不锈钢、铸铁、轻型合金、有色金属、玻璃、陶瓷和大多数塑料的中间过程以及最后清洗。极性污染物,例如盐或者颜料可以被这些清洁剂去除。非极性污染物(例如油脂)先通过分散和乳化作用去除。因此脱脂效果明显弱于碱性清洁剂。pH值大于7的水性介质被定义为碱性。工业零部件清洁区分为弱碱性清洁剂(pH9-12)和强碱性介质(pH值>12).清洁剂根据添加不同的碱性液来满足不同的应用需求,例如碱性氢氧化物,碱性碳酸盐,磷酸盐和硅酸盐。

碱性清洁剂在金属处理领域是最常用的水性介质,它可以去除极性以及非极性的污染物。并且,强碱性的水溶液也可以溶解表面氧化物。但需要先测试被清洁材料与碱性清洗剂的相容性。

工业清洗流程

酸性清洁剂通常包含由无机或者有机盐、酸性盐、水溶性有机溶剂(乙醇、酯类)组成的酸性成分还有表面活性物质。对去除类似于金属擦痕、灰尘和颜料都十分有效。锈或水垢的去除也属于这类典型应用。而且油脂在特定情况下只能用酸性清洁剂去除。

任务:表面清洁

步骤一:将表面活性剂从水相分散到水油相边界层,利用扩散压力或多或少地使油层均匀的聚集,直到表面活性剂包裹液滴形成,并疏松地附着在工件表面,这时会被容易被溶液洗掉。在油中溶解和分散的污染物,也会随着油滴而被去除。

步骤二:在这一步中,依然存在的薄油层通过与表面活性剂和促净剂的置换反应去除。工艺过程通过吸附和解析机理控制。这过程进行得很缓慢直到达到吸附平衡,通过加入无机促净剂物质(促净剂-表面活性剂配合)可以很好的加速这一过程。此时产生了亲水的金属表面,可通过在清洁剂中添加额外的成分来使金属表面被活化或者钝化。

要求:

● 效率

长的清洗池寿命可以通过修复水性清洁剂达成。(过滤、油分离、微滤和超滤、吸附过滤),这可以缩减成本,节约资料----水(漂洗水柱,蒸发技术),清洁剂(回收)和能量。

●生态性

完全符合需氧的,生物可降解的洗涤剂规范648/2004/EC。代替材料与金属离子在清洗池中形成配合物,因此避免污渍和污泥中的重金属再活化。

●  材料相容性

清洁剂符合被清洁的材料-,理想的清洁结果对材料只有微创作用。工艺进行前必须对材料相容性进行检查。

影响因素:

● 材料:

水溶介质必须与被清洁材料相容(碱性,抑制添加剂、填充盐类)。尤其介质要适用于各类材料。水性介质被广泛应用于清洁符合的材料,和清洁不同材料的过程中(例如铝和黄铜)使用一种清洁体系(材料混合)

● 污染物:

颜料和碎片、乳化剂和润滑油,油和蜡

● 零件几何形状:

水性介质的应用范围被部件的几何形状复杂程度限制,(深的盲孔、根切等)。相应的力学影响(冲洗压力,喷雾)可以改善零件难以清洁到的地方的清洁结果。良好的零件加工可以提高水性介质的效果。

质量保证:

● 过程监控:

为了保证均匀的清洁质量,在过程中能可视的检查过程参数:温度、喷射压力或者能量、超声破能量和漂洗水的质量。清洁剂成分的浓度(促净剂和表面活性剂)必须被测量-需要设立警告和活性限制,和清洗池维护标准。

● 清洗池准备:

油可以更容易被清洗池中去除,通过使用破乳剂和表面活性剂混合物,可以减少表面活性剂的消耗。合理的,低成本的循环使用技术的使用,例如油分离。微滤和超滤只有当使用破乳化剂和表面活性剂混合物才使用。(体系特别需要—浸泡体系中清洗池表面需消泡剂)

● 评估:

对于微粒的污染物,清洁质量可以通过可视的方法检查(显微镜)。表面张力评估膜状残留的去除。

清洗评估

3清洗池监测/维护

工业清洗工艺的效率很大程度会受到清洗池的使用寿命影响。在各种措施和工艺的帮助下,清洗池可以长时间保持一个很好的稳定的状态。除了提高清洗效率,清洗池的寿命延长也对环保也作出了一份贡献。哪一种零件要在清洗后重新再清洗,取决于清洁度的要求、污染物和清洁剂的类型和多少。

固体(例如碎片、颗粒、磨削粉尘)通过过滤器从清洗池中去除。整个清洗池都要通过直接或全部倾倒流经过滤器来过滤,只有一部分清洗液的过滤工艺叫分流过滤。袋式过滤器、管式过滤器、带通滤波器和离心式过滤器都用于分流式过滤。

工业清洗池检测

在液体中不能被乳化的油和脂肪,还有较细的颗粒污染物可以在水性清洗液中用与清洁体系相连的重力分离器去除。许多基于重力原理的工艺工序是在实践中建立的,例如除沫器、聚结分离器、板相分离器。分离器和离心机可以去除粒径尺寸大于2微米的固体颗粒,例如研磨液、油和润滑脂。

蒸发和真空蒸馏

蒸发和真空蒸馏用于在水和溶液清洁中去除油和润滑脂。其工作原理主要是基于清洁液和油或者润滑脂是否有不同的沸点。

在真空蒸馏过程中,蒸发过程发生在低温局部真空的情况下。薄膜过滤器常用于去除较细污染物和处理纯净水。其工作原理是压力和运用不同的隔膜材料。微滤和超滤的区别就在此。连续的监测对延长清洗池寿命很重要的,也要保证清洗流程的可靠性。市面上已有测量系统可以离线的或者在线的监测清洗池的状况。

清洗池监测、任务:

● 控制清洗池的各项参数

● 清洗和漂洗池的分析检测

目的/要求:

● 过程稳定性

● 维持清洗质量和防腐保护的有效性

● 建立警告和干扰限制

工艺过程:

监测温度

用于确定浓度的分析方法,例如滴定法、分光测量法、气泡压力法表面张力测量、pH值和导电率测量。

SITA气泡法表面张力仪

  SITA 气泡压力法表面张力仪

质量保证:

● 浓度的确定

●  颗粒清洁度分析(VDA 19标准)

● 腐蚀防护:碎片测试DIN51360II

●  漂洗水的质量测试

●  温度监测

●  清洗和漂洗池中的含油量

● 漂洗水质量:COD值,导电率,表面活性剂残留(气泡压力法测表面张力)

在线表面张力仪

  在线表面张力仪

清洗池维护、任务:

● 从清洗、漂洗和保护池中去除污染物

● 减少颗粒和含油量

目的/要求:

● 延长的清洗池寿命

● 让工作池的清洗、漂洗和防腐蚀的性能一直保持像新的一样的水平

工艺过程:

抽油机、聚结分离器、吸附过滤、微滤器、超滤器、颗粒过滤器、磁力分离器、泥浆罐、清洗池除沫器、汽化器、分离器、活性炭吸附、离子交换、纳米过滤、反渗透、漂洗池流注。

影响因素:

● 清洗系统的维护和监测

● 清洗池维护技术的效率(有效性)

质量保证:

● 清洗系统处理技术的监测和维护

4质量保证/清洁度分析

工业清洗清洁度分析

清洁度质量保证追求的目标:保证部件和组件在下一步工序对清洁度特性的需求,设置相应的控制循环,安装和监测设备以及测量所需数据。 实际上,零件表面的残留不能被完全被去除,而且他们也不总是有害的。被认为是有害的残留或残留量的极限值要根据技术要求确定。过高的清洁度要求也许会造成过于频繁的清洗,会增加重复性作业和成本。

在许多应用中,相关零件表面的残留颗粒的数量是质量的一方面,也是评价清洁工艺的一个标准。VDA19和ISO16232是频繁被引用的用于清洁质量特性检测标准化的基础,尤其用于汽车的行业。对于残留的油膜,没有一个范围相对较宽的,被认可的标准(例如冷却润滑油或者清洁化学药剂),只在某些企业内部使用荧光法或表面张力方法测量。

直接的后续工艺过程是可以马上显示结果的,这样的清洁或清洁度数据达不到平均值(例如涂层的缺陷或者组件的泄漏)。有时缺陷直到在市场上使用后才能被发现,这也是促使清洁度合格值趋向更严格的原因,更需要做清洁分析。清洗处理的质量保证不仅仅是分析油脂、化学的和颗粒的残留,也包括在测量前,在测量过程中和过程后的实施和它的周边过程。现在的清洗说明书解释所有方面的零件清洁的质量问题,还提供了零件清洁分析的方法。

任务:

清洗工艺的各环节和关键点有清晰的指引后,清洗效果可以作出保证。

影响因素:

●  清洁设备/体系

●  上游工序和结果

● 被清洁零件的周围环境

● 产品的设计和制造工艺,零件的清洗过程

颗粒物清洁度仪

RJL颗粒物清洁度仪

清洗设备/体系

对于清洗体系,需要强调正确的操作和在合适时间进行维护,操作人员要监测和修复介质。尽管过滤限制的过滤器会使液体循环中的各种污渍聚集在一起,但同样伴随发生类似于雪崩一样的分散作用的风险,使其进入到含有被测物的测试容器中。使系统超载,造成污渍持续的遗留在系统内,对随后清洁的零件造成损害/污染。

上游工序和下游工序—可能出现的错误

零件被污染的风险是随处可见的,在上下游处理工序中同样可见:例如表面上已经干掉的油渍,由于未受保护或者不正确的储存方式造成的额外污染或者腐蚀。因此,必须确保将要进入清洗体系中的零件是润湿的而不是干燥的。加工过程使用的切削油、冷却液、脱膜蜡、防腐蚀油等化学成分的改变,(还有在加工机械上发生的油脂等液体的变质),这些偏离了清洗体系原来的设计清洗的污染物对象,都会使清洗质量不稳定。

所以,应该检查清洁化学药剂对不同污染物的清洗能力。另外不合适的转运箱或者过载的转运箱,不充分完成去除毛刺的工序会导致清洁过程产生不满意的结果。

已清洁零件的环境----保护零件不受二次污染/腐蚀

按照常理,组件在刚刚完成清洁工艺时,应该表现出最高的清洁度。在人工处理/清理零件时,必须穿戴上专用的手套。

最简单的排除环境影响的方式是迅速包裹或者覆盖零件。 在冷却区域或者零件缓冲区域和临时储存区域中零件暴露的时间相对较长,需装配上顶盖或者围护(例如防水板)甚至局部清洁空气技术也需要在这样的区域内安装。将这些区域和通道与来往的人员和运输车保持一定合适距离,还有门和窗的距离,对保持清洁度也有一定的影响。充氮容器的应用对有腐蚀敏感性的物体尤其需要,这样就不用防腐剂再处理。电离空气的设备可以最小化静电的影响(塑料零件,包装材料),类似于灰尘吸附的作用。

零件清洁环境的优化潜能

为了提高零件清洁度,增加清洗时间、减少每次清洗的工件或者多清洗几次都是可行的。

工业清洗优化

对于优化清洗工艺的颇富挑战的问题是:不能就这几点完全优化清洗过程,还需要考虑以下几项:

零件和装配设计

●抑制/耐颗粒残留

● 材料/涂层自身释放颗粒,因此对特定组件清洁度要求会有相反的效果。

● 几何形状和表面特性适合清洁

● 在工业设计水平上避免装配过程中颗粒和二次污染的形成趋势。

工艺/制造过程的布局

●在制造过程中,避免毛刺(铸砂),坚硬颗粒(碎片)的产生和蓄积

过于严格的清洁度测试会导致各个零件的腐蚀,可能造成让我们不能接受的清洁水平。然而一些情况中,想要通过测试区分残留颗粒和零件材料本身释放出的颗粒是不可能的。如果从过程中我们连续的得到不好的结果,我们就要怀疑零件的设计适不适合期望的应用(基于清洁度要求),避免提出对工艺流程来说不可能的要求。我们有必要确保所有零件质量和过程工序进行相互之间的协调,来实现和维持零件所需清洁度,因为污染可能是非常棘手的问题。

尽管如此,但仍有许多零件清洁行业做的相当不错,仅需在精确清洗投入少许的努力却可以达到更高的质量要求。

现有的说明手册呈现了包含所有方面的零件清洁可能出现的各种各样的质量问题,并且对零件清洁的分析提出了见解。

清洁度分析

从未如此严格的零件质量和可靠性的要求,使我们对加工过程高度关注材料表面的清洁度。各种各样的测试方法和分析程序被用于评估表面清洁度。

常见的测试方法包括:表面张力测试、水膜残迹测试、雾化喷射测试、苯胺黑测试、擦拭测试、接触角度测量和胶带测试。 各种方法都会对清洗结果有一个定性评估,而不同方法因操作的差别会有很大不同。 另外还有利用荧光的原理的量化测试油污的方法,如SITA表面清洁度仪。

为了达到统一标准,汽车行业提出了VDA19和ISO16232,这些是为了测试功能性汽车配件上的颗粒污染而制定的程序。由于在实际情况中,对于多数的组件,因为几何形状的原因,未清洗干净的颗粒不会直接分布在组件的表面上,这就需要一定清洗步骤。零件上的未被清洗的颗粒污染物通过喷雾、超声波清洁、漂洗和震动来收集。

颗粒可以通过各种各样的方法进行评价,评价结果的有效性也是参差不齐的:

通过评估重量差别,质量分析工序可以测出收集到的颗粒的总体重量,因此我们可以得到关于清洁度的结论。颗粒的尺寸和分布可以通过显微镜或高精度扫描仪检测,这让我们可以确定清洁度是不是贴合明确的规范,例如颗粒不大于15微米。另外对于尺寸和分布,扫描电子显微镜提供了关于颗粒包含的化学元素的信息。 这为我们呈现了它们是从哪里来,和他们可能会造成的破坏。

零件以这种随机抽样的方式进行检查---实际操作过程中100%的检查是很难实现的。流体计数器可以自动的通过从在超声波清洗池中清洁零件上清除的颗粒和流体的试样进行评估,可以测试相当多的随机样品。 为了获得有用的测量数据,零件上不能有任何类似膜状的污染。 与此同时,测量系统和传感器更趋向于相对简单化,让加工过程和生产线的清洁度检测成为可能。

工业清洗监控

任务:

监测被清洗零件的清洁度。

目标/要求:

确认被清洁零件所需的清洁度,零件要通过测试,可以进行下一道工序。

影响因素:

●被清洗组件的污染种类

●滤膜的种类

●滤膜的基材

●成像的类型和质量

● 测量系统的精确性

质量保证:

● 各种调整参数的测试

●标准滤膜的测量