金属清洗技术

金属制成的线材、管材、板材等原材料，以及金属制成的各种机械零件在进行涂漆、跌化、电镀等加工之前必须去除表面的污垢。金属制品表面的污垢主要是油污和氧化皮等腐蚀产物。去除金属表面油污的清洗称为脱脂清洗，而去除腐蚀物的清洗称为去锈清洗。

金属的脱脂清洗

金属材料的脱脂清洗通常用碱性溶液，有机溶剂表面活性剂溶液或混合溶液作清洗赳，并采用电解清洗，超声波清洗，研磨清洗等手段。



一、碱洗脱脂


1．常用碱洗剂成分



碱洗剂的主要成分是氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠、硅酸钠、硼酸钠等碱或显碱性的盐。通常碱洗剂是含有上述两种或多种组分的混合物。氢氧化钠和碳酸钠是价格便宜显强碱性的物质。焦磷酸钠和三聚磷酸钠等磷酸盐在碱洗剂中发挥多种作用既是碱性的来源，也起着螯合钙镁离子，软化硬水的作用，还能作油污的分散剂，也是溶液pH值的缓冲剂，使溶液的碱性在清洗过程中不会发生大幅度的突变。硅酸盐不仅使溶液显碱性，并能使污垢粒子悬浮分散，硅酸盐形成的胶体膜有保护铝、锌等两性金属不受腐蚀的作用。硼酸盐有与硅酸盐相似的作用，既是碱性来源又是缓冲试剂并能对金属提供保护使它们免遭强碱的腐蚀。通常在碱洗剂中还含有EDTA、柠檬酸钠、三乙醇胺等金属螯合剂以及乙二醇、乙二醇单乙醚等有机添加剂，它们有帮助碱洗剂提高清洗效果的作用。另外通常在碱洗剂中力口人少量表面活性剂起到帮助乳化、润湿、分散油垢的作用。



各种金属脱脂碱洗剂配方分别见表，22-1和表22-2。


由表22-2配方可以看出由于钢铁耐碱性强，可用较强的碱性溶液脱脂，在有色金属中铜，及其合金耐碱性较好，其他有色金属耐碱性较弱特别是铝，因此它不能用氢氧化钠这类强碱脱脂，由于偏硅酸钠对有色金属表面有缓蚀作用，所以有色金属使用的脱脂碱洗剂常以硅酸盐为主要成分，为增加脱脂能力十般加入表、面活性剂配合使用。



2．碱洗脱脂的机理



碱洗脱脂是通过皂化、乳化、分散，多种作用完成的。金属表面沾染的动物脂肪和，植物油在碱洗剂作用下发。生皂化反应形成水溶性肥皂而被去除。而不发生皂化反应的矿物油或其他有机污垢是被碱洗剂中的表面活性剂及磷酸盐、硅酸等有乳化分散作用的成分所润湿、乳化分散而去除的(详见第七章)。



在碱洗过程中这几种作用既可独立发挥作用也可能相互协同起作用。皂化作用只限于去除脂肪或其他能与碱发生化学反应的油污，而乳化作用和分散作用几乎对所有不溶于水的有机污染物都有效。



表22-1 各种金属脱脂碱洗剂配方/%


*1盎司：28.38g，1加仑＝3.78L。


表22—2 金属脱脂碱洗剂配方

钢铁用舷度/(g/L)

铜、黄铜用，浓度/(g/L)



锌铝用，浓度/(g/L)

3．碱洗工艺常用的方法


(1)浸渍清洗 采用此法时是将金属材料浸渍在清洗池中，使整个表面与碱洗液接触，为了提高脱脂效率，可加热和延长浸渍时间，也可采用加大碱洗液流动的方法，如用螺旋传送带或链条传送带传输待洗金属工件十用循环泵、机械搅拌机或超声波搅拌碱洗液加快它的流动速度i有时借助毛刷或刮板的机械作用帮助浸渍清洗提高去脂速度。



(2)喷射清洗 喷射清洗装置图示于图22—1。用水泵把碱性清洗液从贮液池中送到清洗槽中并通过排水管的喷嘴把碱性清洗液喷射到金属工件表面。喷射时可根据实际需要调节压力，一般最小压力方l~kPa，最大可达1380kPa。通常使用压力范围在70～210kPa。喷射压力越大，脱脂作用中机械去污力所占比例越大，高压喷射脱脂过程中喷射的冲击作用是决定性的，喷射对金属表面上的灰尘、炭粒、石英砂等粒状污垢有很好的去除作用。



图22—1 喷射清洗装置图



在碱洗脱脂后，进行认真的漂洗很重要。一般用清水漂洗，根据具体情况可选用热水、温水或冷水，漂洗应一直进行到漂洗液中的清洗液浓度很低为止(一般要求最终达到漂洗液中的清洗液浓度为原来的清洗液浓度的3%以下)，以免残留清洗剂对金属表面造成污染。尤其；用硅酸盐作碱洗剂时，它在金属表面形成的膜很难漂洗干净，必须注意，否则会对后续的电·镀等加工工序造成麻烦。



二、溶剂脱脂

溶剂清洗是去除金属表面油污的常用方法。其作用：原理已在第二篇中介绍过，是利用油-垢等有机物易溶于有机溶剂的特点使其从金属表面溶解去除的。处理金属材料通常在两柑隋况下使用溶剂清洗，一是在进行其他表面处理工艺之前，使用溶剂清洗能起到延长清洗效果’的作用时间和降低生产成本的作用；另一种情况是为后续工艺作准备时，如在装配、涂漆、检测、再机加或包装之前，例如在电镀之前进行一次溶剂清洗可获得无油表面。



溶剂清洗可分为室温溶剂清洗-(又称冷清洗)和蒸气脱脂清洗两种工艺。



1．冷清洗



这是种将金属工件浸渍在有机溶剂中把金属工件表面的油污溶解并使金属屑等其他污物…去除的方法。常用的有机溶剂有汽油等烃类有机溶剂、氯代烃、氟氯烃等不可燃溶剂。清洗通常在室温或稍高于室温的温度下进行。把金属工件浸没在溶剂中并加以搅拌，对大型金厨工件可采用喷洗或擦洗的方式。对于有深孔或难以触及之处存留的油污或研磨剂的金屠王俄；可在加有超声波的清洗槽中用溶剂清洗，使用超声波也可缩短清洗复杂形状零件的清洗间。



表22—3为常用于金属工业冷清洗溶剂性质。



表22-3 冷清洗溶剂的特性

①密闭闪点试验值。②OSHA暴露值用25℃、760mnttHg压力下，mg／kg或mg／L气爷表示。不应批这些数值作为声全浓度和危险浓度的精确分界线，这些数据只代表工作条件，相信在这些工作条件下，几乎所有每天与其接触的工人都不会有副作用，这个数值是正常工作时间里的定时称重平均浓度。⑧氯代烃溶剂还可以用于蒸汽脱脂。④2—乙氧基乙醇溶纤剂。


2．蒸气脱脂



蒸气脱脂原理见第十八章。



在蒸气清洗槽中有机溶剂，清洗液经加热变成蒸气形成气相区。工件被放置在气相区，粘附在其表面上的油脂被蒸气溶解、冲洗，当蒸气被冷凝时溶剂连同油脂等污垢回落到槽体下面的清洗液中。随后溶剂再经加热又气化为蒸气与工件接触，不断循环作用，所以在蒸气清洗时工件接触的溶剂蒸气总是干净的，因此能克服浸洗和喷洗工艺中清洗液不断被污染的缺点，并且由于与工件接触的清洗液总是干净的从而可使工件表面获得较高的清洁度。


蒸气脱脂使用的有机溶剂要求具有以下特点：(1)具有较高的溶解油污的能力；(2)较低的气化热和比热容，在相同质量的金属工件上冷凝的溶剂最多而所需的热量却最少；(3)有足够高的沸点，以保证用溶剂蒸气漂洗的最终效果好，工件易于干燥；(4)沸点又不特别高，以便通过简单蒸馏把溶剂从油污中分离出来；(5)蒸气相对密度比空气大向空气中扩散的损失小；(6)清洗过程中能保持化学性质稳定；(7)对工件和设备元腐蚀作用；(8)在工作条件下安全无害，有不易燃、不爆炸、无毒的特点。从目前使用情况看，适合以上要求的主 )要是卤代烃溶剂。



表22—4列举蒸气脱脂溶剂的性质。



表22-4 蒸气脱脂溶剂的性质

①1981年摹国国家工业卫生学大会正式通过。



关于蒸气脱脂的装置可分为以下类型：



(1)单一的蒸气脱脂装置 这种类型的脱脂蒸气装置又可分为连续式租间歇式两种，如图22-2和图22-3所示。



图22—2 连续式蒸气清洗装置示意图



1一槽体；2一加热器；3一贮液槽；4一冷凝管； 5一传送装置；6一工件；7—排风口



图22-3 间歇式蒸气清洗装置示意图



1一槽体；2一加热器；3一贮液槽：4一冷凝管；5一排风管；6一起重设备吊钩；7一工件；8一滤网



间歇式生产清洗装置中清洗工件的类型、尺寸和质量比较复杂，不像连续式生产中清洗的工件比较固定。在间歇式生产中常有工件的高度尺寸超过清洗装置中冷凝管位置的时候，在这种情况下一般仍能够进行正常的蒸气清洗，但要暂时关闭冷凝管的冷却水进口阀门，待清洗蒸气界面升高到工件的高度以上，再给冷却水。这样即可以把较大的工件置于气相区域进行蒸气清洗。这种单一蒸气清洗装置的缺点在于当工件温度上升到蒸气温度时，冷凝和靖洗作用便停止了，往往不适合清洗重油垢的工件。



凡属于形状复杂的工件，如带有深孔、凹面并且粘附有陈旧性油垢都应使用组合清洗；肘工件在进行蒸气清洗之前先经过浸泡或喷射清洗，以提高清洗效果，常用的装置有以下几种。


(2)蒸气—浸渍组合清洗 即工件先经过浸洗而后再经蒸气清洗。装置示意图如图22-4所示。



在图22—4清洗装置中，具有厚污垢或污垢粘接特别牢固的零件先被放人加热浸洗槽(2)中，在近于沸腾的有机溶剂中，钡膀上的金属屑和难溶杂质以及大部分油垢被清除掉。再把零件转移到温度较低的清洗槽。(3)目的是去掉残留的脏溶剂并使工件降温(有利提高蒸气清洗时，工件与蒸气的温度差)。最后把工件转移到蒸气清洗槽，实际是进行漂洗去除残留污垢，并使工件干燥。


对于大型工件或间歇式生产适用图22—5所示的装置。此时浸渍槽应加热以提高浸渍清洗效果。


(3)蒸气—喷射组合清洗 为了提高清洗效果也可以把喷射清洗与蒸气清洗组合。但这种清洗装置组成比较复杂，日常使用维护管理的要求比浸渍清洗高。图22—6和图22—7分别是间歇式和连续式蒸气—喷射组合清洗装置示意图。


图 22—6 间歇式蒸气—喷射组合清洗装置示意图


1一热源排烟道；2一导流管；3一积液槽；4一冷凝管；5一通风管；6一喷淋管；7一喷嘴；8一泵；9一泵箱；10一滤网；11一煤气加热热源管



图22—7 连续式蒸气—喷射组合清洗装置示意图



1一气相清洗液槽；2一喷沪清洗液槽，3--泵；4一积液槽；5一冷凝管；S一工件；7一传送链；8一喷淋；9一冷凝管；10一气相清洗区；11一电热元伺：


一般工件均适合用间歇式蒸气—喷射组合清洗。形状较复杂和粘附陈旧性油垢的工件通过喷射清洗之后，再经蒸气清洗可达到较好的清洗质量。喷洗时通常用手工操作，喷洗压力以 0.12～0.20MPa为宜，喷嘴位置低于蒸气清洗区域。[page]
连续成批生产宜用图22～7装置。先经蒸气清洗的工件，再经喷淋管喷射清洗进一步去除污垢可达到较好的去污效果。



(4)蒸气—浸渍—喷射组合清洗 这种组合以蒸气清洗·为主同时吸取浸洗、喷洗的特点，因此可保证工件达到高清洁度要求。这种清洗方法适应性强，适用于形状复杂，表面油垢严重而又属于成批生产的工件。

如图22—8所示，清洗的顺序为先浸洗再喷洗最后进行蒸气清洗。成批生产的小型工件用工具筐盛放，由悬挂式传送链传送，在规定的作业时间内完成全部清洗。


三、表面活性剂水溶液和混合溶剂脱脂清洗



由于溶剂清洗使用汽油等烃类溶剂有易燃、易爆、污染大气的缺点，而卤代烃溶剂因有毒性大和破坏臭氧层的缺点而受到环保法规的限制，目前金属脱脂工艺已逐渐改用安全、无毒、性能温和的表面活性剂溶液或混合溶剂。有关表面活性剂溶液及混合溶剂的性能特点见第六章和第七章。



图22—8 蒸气—浸渍—喷射组合清洗装置示意图


1一清洗液槽；2一通风装置；3一喷管和喷嘴；4一气相清洗槽；5冒拎疑曹；6一积液槽；7一工件下料位置；8一传送链；9一导流主清洗液槽；l0一加热器；11一过滤器；12一泵；13一过滤骷；14一导流至气相清洗槽；15一工件上料位置，使用的表面活性剂多是非离子型的，因为通常非离子表面活性剂是低泡型：的形成泡冻少不会降低喷则：压力。用浸渍清洗脱脂时，泡沫不会对清洗效果产生不良影响，所以可用阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂的复配物。清洗液中通常加入三聚磷酸钠等助洗剂，并使清洗液具有碱性以，提高脱脂能力。用表面活性剂清洗液脱脂的最大优点是不会对金属表面造成腐。蚀损伤。不足之处是其对陈旧的粘稠油性污垢去除力差。吸附在金属表面的表面活证剂清虹液要认真进行漂洗去除以免对后续工序造成不良影响。


2．混合溶剂脱脂清洗



常用于脱脂清洗的混合溶剂，有亲油性有机溶剂与表面活性剂混合液，有机溶剂与碱水溶液的混合液等多种形式。

当亲油性有机溶剂在表面活性剂水溶液中以乳化或增溶状态存在时，两者发挥协同作用使清洗力得到更好发挥。在这种状态下有机溶剂能在比较安全和卫生的条件下使用。在表面活性剂水溶液中加入少量亲油性有机溶剂形成的透明状增溶性清洗剂有很强的去油污能力、而由醇或醚类亲水有机溶剂中加入少量碱水形成的混合溶剂的脱脂力比原来的醇类溶剂脱脂能力大为提高，可燃性却大大降低。

乳化液清洗刑是利用乳化剂使有机溶剂分散到水中形成的混合溶液。



乳化系统中有两个不相容的相，其中一相从球形液滴分散到另、相中。不稳定的乳状液在放置过程中会分离成两相，上层是密度较小的富油相，下层是密度较大的高水相。这类清洗液要不断搅拌才能保持分散状态。这种双层的乳状液可以在分离状态下当浸渍清洗液使用，当待洗工件通过富溶剂的表面层进入富水的下层时，两相都与金属表面保持接触并完成清洗。而使用喷射设备时，双相清洗液会变成均匀分散的乳状液，因为在泵的作用下有机溶剂与水已充分混合。[page]


这种乳化清洗液中的有机溶剂通常是沸点为60℃～260℃石油分馏产物。乳化剂有阴离子表面活性剂(烷基苯磺酸铵)、非离子表面活性(烷醇聚氧乙烯醚、多元醇脂肪酸酯等L为使乳化剂在有机溶剂中有一定溶解度常加入一些水溶性偶合剂如高摩尔质量的醇、酯、醚等有机化合物。

用于喷射脱脂清洗的乳化，清洗液浓度为2%～5%；用于浸渍清洗时乳状液浓度为4%～10%。


乳化除油液配方见表：22-5


表22-5 乳化除油液配方

使用方法 喷、浸均可，但喷射除油效果好。中国生产的以表面活性剂为主要成分舶金属清洗剂有，801、NQJ-1、JL-1等商品型号，主要成分为油酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚、苯基酯聚氧乙烯醚、十二烷基二酰胺等非离于表面活性剂。


四、酸洗脱脂
酸诜剂是一种选用无机酸、有机酸或酸性盐结合表面活性剂组成的清洗剂。用酸洗剂在加热或不加热条件下可去除金属表面上氧化物、油污及其他污物。通常把用酸去除金属氧化皮的工艺叫酸蚀j但在金属工件进行电镀、涂漆等工艺之前也可以用酸作最后的表面处理，此时称为酸洗工艺。


1．酸洗脱脂清洗剂的组成

酸洗脱脂清洗剂可使用各种无机酸和酸性盐组成的溶液，可含有或不含表面活性剂(润湿剂)，其通常组成为：(1)无机酸溶液；(2)酸与有机溶剂混合液；(3)酸性盐溶液。


2．酸洗方法及设备

酸洗工艺广泛采用擦刷、喷洗、浸渍和滚筒等方法。虽然加热能大大提高清洗效率，但清洗通常在室温下进行，原因在于室温下容易控：制腐蚀而且操作成本低。酸洗时间一般比酸蚀时间短，尤其使用强酸洗时间更短。要根据清除污物的性质，工件的大小，形状和数量以及酸：洗溶液的类型选择合适的清洗方法与设备。擦刷设备是最简单的，通常使用；暾布、刷子、擦洗布蘸取酸液刷洗。浸渍设备包括普通浸渍槽或带有加热和超声波装置的设备等。


五、电解脱脂清洗


电解脱脂清洗是在特殊配方的碱性溶液中把金属工件与电解槽的阳极或阴极相连。在直流电的作用下去除油脂污垢的方法，通常电解脱脂是在碱洗脱脂或溶剂脱脂等脱脂工序之后进行，合在金属表面大部分油脂污垢被去除之后仍有微量油脂成分的情况下使用，如金属表面存在单分子膜厚度的吸附层油垢时会影响其加工性能，此时用电解脱脂效果好。


电解在特殊配方的碱性溶液中发生的电解反应实际是电解水：2H2O====2H2↑+O2↑，在阳极产生氧气，在阴极产生氢气，在溶液中加入各种电解质起到降低电阻的作用，使电解比在用纯水时更容易发生。



1．金属的阳极跑解脱脂清洗



通常钢铁脱脂清洗采用这种方法。清洗时把待洗工件挂在电解槽阳极，利用氢氧根离子在阳极放电时产生的氧气气泡的摩擦刷洗作用吹掉工件上的油脂及其他污垢。阳极发生的反应为：



40H-—4e=2H2O+O2↑



阳极电解脱脂清洗液配方如下表。

使用浓度为80～100g/L，反应温度为80～90℃，电压6V，电流密度7.5～10A/dm2。配方中的三聚磷酸钠，能在金属糊；形成磷酸盐薄膜起到磷化效果的作用。



2．阴极电解脱脂清洗


把待清洗金属工件与电解槽阴极相连时可发生阴极电钳脱脂清洗，此时在阴极(金属工件)周围产生氢气，而且。产生的氢气量是同时在阳极附近产生的氧气量的2倍，因此氢气产生的机械擦刷作用及对清洗液的搅拌作用都比阳极电解清洗时大。另外，工件挂于阴极使表面带有负电荷厂这样带负电的工件与带负电荷的污垢间的排斥作用也有利污垢的清除。但这种方法不适合用于易产生氢脆的钢铁等金属零件。甩解时也可采用定时更换阴阳极的方法。电解脱脂配方见表22-6和表 22—7。



表22-6 铜和铜合金的电解脱脂清洗配方

表22-7 锌和铝合金电解胆脂清选配方

使用浓度为20～30g/L，温度为60～70℃；电压6V，电流密度3～4A/dm2。阴极脱脂后15～30s，换成阳极脱脂，反复交换。



铝和锌为两性金属，不耐强碱，所以配方中不含氢氧化钠，使用浓度15～30g/L，反应温度60～70℃，电压6V，电流密度3～4A/dm2。脱脂时阴极脱脂与阳极脱脂每隔10s交换一次。


阴极电解脱脂示意图以及电解脱脂流水线示意图分别表示在图10～30及图10～31中。