汽车零部件行业应用的符合环保要求的水基液态清洗技术

一． 前言

长期以来，在机械制造加工行业中，人们一直在寻求一种符合环境保护要求的高效清洗方法来取代使用含氯化合物的清洗工艺。此时，一个重要的值得探讨的途径是应用表面碰撞作用。

含氯化物溶剂主要是依靠它们的化学特性和气相特性来达到清洗零件的目的。在绝大多数的以氯化物为溶剂的去脂清洗场合中，大约有80%的清洗效果是化学反应机理，仅仅约20%是应用了机械作用，包括工件的旋转、空化作用或溶液的搅动。

在应用水基液态清洗工艺过程中，零件的清洗和干燥效果主要是依靠清洗系统的机械特性，最重要的力学原理就是机械碰撞作用。碰撞就是指在一定压力下液态介质对待清洗零件的表面所作用的冲击力。碰撞使零件表面的脏颗粒污物松懈并与零件表面脱离。在绝大多数的应用水基清洗工艺中，大约80%的清洗效果是由机械作用实现，另外约20%的清洗效果才是化学作用。正由于水基清洗工艺减少了对化学作用的依赖性，化学清洗剂的使用浓度与从前的氯化物去脂工艺相比较发生了显著的变化，应用氯化物去脂的效果100%依赖于浓度，在水基清洗工艺中，典型的浓度是1～4%的体积百分比。

随着对表面碰撞作用的有效运用，结合其他最新的清洗技术，以水为基础的清洗工艺能满足大多数的清洗场合，并符合清洁生产的原理，达到保护环境的要求，而这在传统方法下，只能应用氯化物溶剂或氟氯碳化物在浸渍、喷淋和气相去脂工艺系统中才能达到。本文论述了与水基清洗有关的多种新技术。

二．影响碰撞清洗效果的因素

在水基清洗系统里，有多种不同的方式实现对待洗产品的表面碰撞，包括零件外露式喷淋、浸渍式高压喷淋、清洗液的急剧搅动或振动、超声波空化作用、零件的旋转或摇摆运动或者以上几种方式的适当组合。所有这些都是要产生足够的表面碰撞，因为碰撞是水基溶液中化学品有效清洁零件所必需的。零件外露式喷淋实际表面碰撞强度是用单位面积上受到的冲击力来评价的。一般来讲，典型的零件外露式喷淋对零件表面产生的冲击力与流量大小和压力的平方根成正比例关系。

对于任何给定的以碰撞作用为基础的水基液态清洗系统中，有多个变量须加以考虑并优化，以达到最佳清洗效果。这些变量包括喷淋型式及距离、碰撞持续时间和零件的处置方式。

1.   喷淋型式、压力及距离　　不论是外露式或浸渍式喷淋系统，每种过程都存在最优化的喷淋型式和作用距离。待清洗产品的结构形状和待清除的污物种类是决定喷淋嘴喷出液体的压力、作用距离和喷淋型式的重要因素。在零件外露式的喷淋系统里，一个基本的设计准则是“喷淋不能清洗它不能到达的表面”。喷淋型式必须设计成能全部覆盖零件待清洗的表面。带有暗孔、内部深孔或复杂油路通道的零件并不能使它自身完全暴露于喷淋所能覆盖的范围内。这种情形下就必须使用浸渍式清洗以及零件旋转以达到最佳的清洗效果。喷嘴与零件的距离也很重要，因为当喷嘴与零件之间的距离增加时，冲击力就会急剧下降，这种冲击力也取决于喷孔的形状和喷射角度。

2.   碰撞持续时间　　在设计水基清洗系统时，碰撞持续时间或者说每一步的工艺时间也是一个很重要的参数。需要的冲击持续时间取决于要清洗掉的污物的种类、数量和喷淋的压力。在大多数以碰撞为基础的水基清洗应用中，实际的清洗时间在30～120秒之内即可达到理想的清洁度结果。为达到要求的清洁度必需的碰撞持续时间直接决定整个清洗过程的循环时间，进而决定清洗系统的生产能力。水基清洗系统较短的清洗时间极大地提高了设备的生产能力，因而普遍受到使用者的欢迎。

3.   零件的处置方式　　在生产环境中的任何机器设备都应该考虑到整个生产工艺过程的最主要的需求。在设计水基清洗系统时，生产方式（例如批次、连续生产或单元操作）、生产能力和在生产过程中的物料运输方式都必须加以考虑。零件的装夹固定方法必须与该零件的复杂的形状构造相适应，必须保证正确定位以便充分利用碰撞产生的清洗效果。如果零件带有盲孔、内部深槽或复杂的油路通道则容易形成积液或有一些清洗液难以达到的表面区域，此时零件的处置方式就显得十分关键。对于难以完全排尽积液的零件应该有旋转或倾斜摇摆动作以防止工艺清洗液携带引起交叉污染并且使零件易于干燥。物料的输送装置必须设计成不导致精密机械加工零件的任何损伤。更重要的是零件的处置操作方式应与现有的其它前后道工序中零件装载和卸料方式相协调一致。

三．新颖独创的技术

     最近研究开发出来许多项新颖独特的技术，与碰撞理论相结合，极大地促进提高了当今水基液态清洗的工艺效果。这些新技术包括：连续的油分离技术、多步清洗工艺、步骤间的吹净工艺、强力空气干燥以及设备新设计。

１． 连续的油分离技术

从清洗池水基溶液中分离油的技术上的进步已经使对进入到清洗池中的大量的不溶解油的连续分离处理变为可能。一种高效的油分离装置已经能够与清洗液贮罐设计在一个整体系统之中。有效的油分离装置能够防止从零件上清洗下来的油分通过工作泵重新返回循环液中，这就避免了工作泵将清洗液和油重新混合和乳化，而这种混合和乳化作用会使油分离变得更加困难。

通过采用内置的堰坝式设计，可以实现主贮罐内部持续的溢流撇油，使表层密度略小的富含油分的溢流被引入一个液体静置的工作贮液罐，并在此完成更彻底的油分离。被富集到的油自然地被溢流出来并最终在重力作用下排出清洗系统。干净的清洗液仍回到贮液罐进行清洗循环并重复进行内置撇油过程，清洗池的寿命甚至可以达到三个月，而清洗的零件仍保持很高的清洁度。对于非溶性油的场合，水基化学清洗剂应选用非乳化液以实现方便彻底的快速除油。

２． 多步清洗工艺

为了使水基清洗系统达到与氯化溶剂去脂相当的效果，常常需要多个步骤才能实现，例如预洗、清洗、漂洗三步骤。首先要明确被清洗零件的最终的清洁度要求，因为清洁度是起决定性作用的，但还有其它的要求也应加以考虑，例如清洗液残留，防腐蚀和防锈处理、斑点变色、干燥程度以及零件清洗后出机器的温度等。在判断一个最佳的水基清洗工艺之前首先要回答上述的这些问题。对于零件含油量较高的应用情形，表1是一个基于高效碰撞的清洗碳钢零件的一个实例。 

表1 基于碰撞的水基清洗碳钢零件的工艺参数

在此实例中，大部分油和脏物是在第一步通过加热水的高效碰撞来清除的。这样就使进入清洗阶段的零件上的含油量大为降低，从而显著地延长清洗池的使用寿命并减少化学清洗剂的用量。这种工艺安排的另一个好处是在加热清水预洗水中的油更容易分离出来。多重的漂洗步骤（有时伴以去离子水逆流漂洗）常常也应用于不允许零件表面有污点和水斑变色的场合以达到理想的效果。

３． 工艺步骤间的吹净

在设计多步骤的水基清洗系统时另一个重要的考虑因素是工艺液之间由于携带而造成的交叉污染，由于这种交叉污染降低了后级清洗池的清洁度。在设计时应尽量减少各步骤之间携带的液体的总量。简而言之，最主要的目标是各种工艺清洗液保持回到各自的贮液罐内。介质被携带是由如下的一些因素引起：零件表面的介质残余、喷淋引起的飞溅、料盘或输送带上的残余、介质在水平轨道转角处或输送带支持架上的流出。应在清洗系统的方案和结构设计上使用多种方法来解决清洗液携带问题。然而解决介质携带的最佳方法是应用工艺步骤间的吹净。吹净通常设计成利用现成的机器内部通道并可利用辅助风机或者车间内的压缩空气。通常的设计是在两个不同的清洗液之间（例如清洗液和漂洗液）增加5～15秒的压缩空气喷吹公共管道和喷嘴，显著地减少产品或夹料机构的介质携带，减轻清洗液的交叉污染。

４．    强力空气干燥工艺以及与真空干燥结合

在水基液态清洗过程之后干燥零件的方法上也出现了重大的进步。一个独特的方法是加热强力空气干燥。应用高速的强力加热空气吹向零件表面能将干燥所需时间降低为传统的热空气对流干燥所需时间的十分之一。高速强力空气干燥也同时减少零件表面的水斑和变色，因为绝大多数的清洗液是被机械力作用从零件上去除而不完全依赖于清洗液的汽化作用。为了减少整个循环时间，另外设计一个独立的真空干燥室。在零件被热空气初步干燥后达到了较高的温度再进入真空干燥室，完成彻底干燥。真空干燥室的真空度可达5 mbar以下，往往经过4～5次抽真空过程，每次约2分钟。在独立的真空干燥室中进行干燥的同时，清洗室又开始了下一批零件的清洗。如图1。

图1 自动装卸料的具有清洗、漂洗、表面涂层、热风干燥、真空干燥的多工步清洗机 

5   设备的新设计

在工业生产急需零件清洗替代技术的激励作用下，许多水基液态清洗设备的新发明纷纷出现。一个实例就是：多工步清洗机（图1）。它充分利用了表面碰撞原理的各方面特性并专门设计成应用了可生物降解的清洗剂。这种机器为工业应用提供了一种清洗效率高，结构紧凑、价格合理的选择，能替代传统的使用危险清洗剂的系统。它的清洗和干燥效果特别理想，尤其对于那些具有复杂的油路通道、盲孔、内部深槽的零件清洗效果良好。这种多步清洗干燥系统也能很好地适合清洗那些不容许有表面损伤或水斑的机械加工零件。

独特的多步骤、三重清洗作用，旋转喷淋清洗、超声波清洗、水力净化清洗和高效的强力空气干燥工艺，全部在一台结构紧凑操作简便的机器内完成，真空干燥在卸料的输送带上的真空干燥器上完成。在一单独的高位置的工作腔内，零件一边旋转一边被喷淋清洗（这是第一类型的碰撞）。一旦腔室内的清洗液到达浸没零件的水位，零件即被浸渍在高速搅动的清洗液中清洗（这是第二类型的碰撞）。在浸洗后超声波作用有效地清洗零件内部的深孔和罅隙。其后以灵活地增加漂洗和防锈工艺步骤。在上述的这些液态湿过程完成后，零件即被强力加热空气的碰撞完成初步干燥。零件保持在一个腔室内实现了上述的所有过程。零件最后在真空干燥器中完成彻底干燥。处理一批零件的循环时间约为10分钟。

上述这种独特的三重清洗作用在清洁度结果上已经证明达到甚至超过了传统的氯化物超声波空化去脂方法。随着去离子水的应用和一体化设计的高速强力空气干燥、真空干燥工艺，这个系统也可作为某些不允许有水迹色斑零件的修饰性最终处理工序。

四．水基化学清洗剂的选用

清洗作业的三大要素是清洗方法、清洗设备和清洗液，三者互相依存、互相促进。组成清洗液的成分有四种：助剂、含表面活性剂的乳化剂、溶剂和水。由助剂、乳化剂和水配制成的清洗剂总称为水基清洗剂，乳化剂中的表面活性剂主要是非离子型，少数是阴离子型表面活性剂。选择清洗液时的主要考虑的性能指标有：清洗力、工艺性、稳定性、缓蚀性、环保要求和安全性。水基清洗剂在清洗池中的浓度通常在5%以下，其余95%为水。应用水基清洗液有三点优势：第一，清洗工艺性好和节约能源；第二，清洗作业安全和环境污染少；第三，适用于机械化自动清洗，技术经济效果好。下例是一种应用于精密机械零件的喷淋清洗的清洗液的特性。 

表2 水基清洗液特性

五．应用实例

某发动机零部件的生产厂有几套应用1，1，1-三氯乙烯的去脂设备。尽管现有系统理想地满足了相关的产量要求、清洁度、防锈保护和无斑点精密修饰等要求，但由于使用了三氯乙烯而出现的有关环境保护的考虑促使厂家寻求一种替代工艺。

零件上主要是被金属微粒、轻矿物油和水溶性油污染，水迹斑点也是一个考虑，因为后道工序是染色穿透性检查，这种检查有可能把水迹斑点误判为裂缝而剔除此产品。为了满足上述要求，就必须开发一种高质量的清洗工艺，实现既清洗又无色斑，而且只能应用对环境友好的化学清洗剂。

经过广泛而深入的工艺试验，最终被认为采用四步操作工艺最能满足这种应用场合。第一步是加热水清洗；第二步是弱碱性清洗液清洗；第三步是含有防锈剂的去离子水漂洗以防止清洗后的零件被快速氧化，紧接着这些湿工序之后是高速热空气烘干。预清洗很有效的从零件上去除大部分的油分。在这一步没有使用化学品，油更易于被撇油系统从清洗液中分离出来，连续油分离的速度可达每班（8小时）110升，从而使清洗池循环使用寿命可达3个月。特殊的高速涡轮风机吹净（工步间吹净）降低了清洗液的携带引起的交叉污染，残液被从零件表面和各个内部孔中去除效率竟高达98%。

清洗机的控制器能被编程设定为自动完成上述四个不同工艺循环。所有接触到零件的液体都首先经过5 微米的过滤器过滤。所有这些特性，结合有效的表面碰撞，足以使该清洗系统持久地保证清洗后每个零件的污物残留为0.03毫克，而且最大残留颗粒尺寸仅10微米。

通过采用上述水基清洗系统，零件的实际的清洁度结果优于以前的工艺。另外由于使清洗操作流水化合理化而明显减少操作维护费用，同时也排除了环境保护要求的重重顾虑。

应用以碰撞作用为基础的水基清洗工艺，除了显而易见的有关人员安全和环境许可方面的优点之外，还具有许多操作上的优势，它们包括：

l  更低的化学品费用；

l  工厂内部的废弃物处理而不是向外部转移排放废弃物；

l  降低了对环境的危害，减轻环境义务；

l  提高了零件的清洁度等级；

l  工厂内不再需要使用处置危险性溶剂；

l  清洗设备管道化、密闭化、自动化，具有故障自诊断；

l  降低了对设备的维护保养要求，增加了开机时间，提高了清洗设备利用率。 

在取代有机氯化物溶剂，使用对环境友好的工艺过程中，应用表面碰撞理论和其它各种独特的新技术，大力推广应用水基清洗工艺是关键。选择水基清洗工艺是一项合理的有前途的大趋势，不仅因为它的总体费用降低，而且因为它避免了潜在的对环境不利的相关宣传而使生产商保持良好的声誉和社会经济效益。