汽车精密零件的清洗和碳氢化合物的清洗技术

作者：北村 裕夫

欢迎访问e展厅 展厅 7 喷涂/清洗/表面工程展厅 PVD涂层设备, 电镀设备, 热镀锌设备, 超声波清洗机, 静电喷粉机, ... 1.前言 由于近几年来汽车的性能不断提高，采用减少污染环境的新技术，汽车制造工艺的质量管理显得极为重要，与质量管理有关的清洗工艺的重要性越来越突出。 特别是破坏臭氧层物质（ODS）的清洗剂氟里昂（CFC-113）以及1，1，1-三氯乙烷（TCA）面临被淘汰。根据蒙特利尔议定书， 必须全面禁止使用的领域不仅仅局限于汽车精密零部件，电子精密零件制造工艺的清洗工艺也需要重新制定。 作为CFC-113和TCA的替代品，开始使用是以含氯溶剂为首的水基清洗剂、半水基溶剂、氟里昂的替代品以及碳氢化合物溶剂等。可是，无论哪种清洗剂都有其长处和短处，因此，彻底替代CFC-113和TCA的溶剂还比较遥远。表1是这些清洗剂的汇总表。 表1 替代清洗剂 含氯溶剂 三氯乙烷（TCE）、二氯甲烷（MC） 含溴溶剂 2-溴丙烷（2PB）、1-溴丙烷（nPB） 含氟溶剂 HCFC、HFC、PFC、HFE 碳氢化合物溶剂 标准链烷、异链烷、环烷 含醇溶剂 IPA、乙醇、高分子醇 半水基溶剂 高分子醇（碳氢化合物）+界面活性剂+水 水基清洗剂 碱皂化、界面活性剂、纯水、功能水 从表1中选择替代清洗剂时，关键要考虑“清洗性”、“环保性”和“经济性”。 “清洗性”系指除污力、防止再次粘附污物和干燥性。“环保性”系指作业环保和地球环保。“经济性”系指购买清洗设备的成本和清洗剂以及设备的运行费用。 因此、，在对替代清洗剂进行比较时，一定要充分分析这些因素。下面，就以替代清洗剂中的碳氢化合物溶剂为例，针对上述因素和技术加以介绍。 2.替代清洗剂的比较分析 (1) 替代清洗剂的清洗性 清洗汽车精密零件时，要对各种形状的零件进行清洗和干燥。因此，替代清洗剂的表面张力、沸点和蒸发潜热的特性是重要因素。表2表示主要替代清洗剂的典型特性。 表2 主要替代清洗剂的典型特性 表面张力 沸点℃ 蒸发潜热cal/g HCFC225 16.2 54 34.6 HFE 13.6 61 30 水 72.7 100 539.8 碳氢化合物溶剂 21.1 ~170~ 66 IPA 20.8 82.3 161.8 二氯甲烷 28.5 39.8 78.7 NPB 25.9 71 58.8 汽车的精密零件形状各异，有细孔、窄缝、甚至零件和零件重叠在一起的情况，表面张力小的清洗剂的清洗效果好。另外，沸点和蒸发潜热小，干燥零件的耗能也少。如果干燥的能源一定，沸点和蒸发潜热小的，干燥的时间短。 用清洗剂去污，结果污物混入清洗剂中，该污物又粘附在已清洗的零件上。为防止零件再次被污物污染，混有污物的清洗剂需要经常保持一定程度的清洁度。保持清洁度的方法有：利用清洗剂与加工油等的污物沸点不同、比重不同以及分子大小不同等特性，进行分离。 由于水的蒸发潜热大，采用油水分离装置净化。该油水分离装置是利用油和水的比重不同的特点。采用膜净化，防止污物再次粘附到零件上。膜净化是利用分子大小不同的原理。 水以外的其它替代清洗剂，由于蒸发潜热小，采用蒸馏再生装置净化，防止再次被污物污染。蒸馏再生装置是利用沸点不同的原理。如果碳氢化合物溶剂或高分子醇溶剂的沸点高，要采用减压蒸馏再生装置进行净化。 （2）替代清洗剂的环保性 破坏臭氧层的物质（ODS）清洗剂--- 氟里昂（CFC-113）和1，1，1-三氯乙烷（TCA），为保护环境正在被禁止使用，所以，地球环保和操作环境环保成为最重要的课题。表3表示主要替代清洗剂对环保的影响。 表3 主要替代清洗剂对环保的影响 对地球环保的影响 对作业环境的影响 HCFC225 破坏臭氧层 - HFE - - 水 - - 碳氢化合物溶剂 - 可燃性 IPA - 可燃性 二氯甲烷 - 毒性 NPB 破坏臭氧层？ 毒性？ ？：正在调查中 表3明确指出其中的含氯溶剂和含溴溶剂对人体有毒，部分含氟溶剂破坏臭氧层，使地球变暖。部分半水基溶剂和水基清洗剂，存在废水处理以及影响环境的荷尔蒙问题，碳氢化合物溶剂和含醇溶剂有可燃性的问题。 (3) 替代清洗剂的经济性 和CFC-113、TCA一样的3槽式低沸点溶剂蒸气槽价格最便宜，水性或高沸点溶剂的热风多槽式的价格中等，水性或高沸点溶剂的真空干燥装置最贵。设备的运行成本，主要取决于清洗剂的价格和清洗剂的使用量。表4是主要替代清洗剂的经济性汇总表。 表4 主要替代清洗剂的经济性 购买清洗设备的成本 清洗剂的成本 清洗剂的使用量 HCFC225 便宜 贵 中等 HFE 便宜 贵 中等 水 便宜 便宜 中等 碳氢化合物溶剂 中等、贵 便宜 少量 IPA 中等、贵 便宜 中等 二氯甲烷 便宜 便宜 中等 NPB 便宜 便宜 中等 （4） 替代清洗剂的选择 各种替代清洗剂都有其长处和短处。在“清洗性”方面，水基清洗剂多少有些难度。在“环保性”方面，含氯溶剂和含溴溶剂对环保的影响比较大，碳氢化合物溶剂也存在可燃的问题。在“经济性”方面，含氟溶剂的价格最贵。 3. 碳氢化合物溶剂的清洗技术 如何有效利用具有优缺点的替代清洗剂，关键在于采用清洗效果与CFC-113和TCA同等以上的清洗系统。除可燃性外，应采用不影响环保的使用碳氢化合物溶剂的清洗系统。 （1） 清洗性 碳氢化合物溶剂的净化技术，和CFC-113、TCA一样，利用加工油等高沸点的污物与碳氢化合物溶剂的沸点不同的特点，通过蒸馏再生可以进行分离。和CFC-113和TCA相比，由于碳氢化合物溶剂的沸点高、可燃，需要在减压状态下进行蒸馏再生。蒸馏锅在减压状态下，经常处于沸腾状态，被蒸发的碳氢化合物溶剂在冷凝器中冷凝液化、回收。没有蒸发的高沸点污物留在蒸馏锅里，与清洗剂分离。采用这种蒸馏再生系统，清洗剂能够保持清洁状态。 碳氢化合物溶剂的干燥系统有热风干燥系统和真空干燥系统。高沸点、可燃的碳氢化合物溶剂，采用真空干燥方法干燥的时间短。为更有效地进行真空干燥，有必要使被清洗物具有充分的热量。 在大气压下（760mmHg）的沸点为170℃左右，减压状态下（100mm Hg）的沸点为110℃左右。如同CFC-113和TCA的蒸气清洗，在100mm Hg的减压状态下进行蒸气清洗时，在清洗物表面上冷凝的碳氢化合物溶剂的液体温度为90℃左右。蒸汽清洗还有最终漂洗的作用，因此，对精密零件的清洗来讲，是不可缺少的。 真空干燥时，隔绝溶剂蒸气，将真空度提高到10 mm Hg左右。根据图1的蒸气压力曲线，真空度为10 mm Hg时，碳氢化合物溶剂沸点大约在60℃左右。此时，在大约90℃时粘附的溶剂，由于超过沸点，变成崩沸状态，就连小的盲孔也能迅速干燥。因此，使用高沸点的可燃性溶剂，进行减压蒸气清洗和真空干燥，就可以达到与CFC-113或TCA等低沸点难燃性溶剂同样的清洗效果。 和低沸点难燃性的溶剂一样，真空系统是高沸点可燃性溶剂技术的具体体现。 (2) 环保性 碳氢化合物溶剂对作业环境的影响，主要是可燃性的问题。为使碳氢化合物溶剂和CFC-113同样使用，必须消除可燃的危险性。燃烧的3要素为空气、可燃物和着火源。 在可燃性的液体表面，存在靠液体本身的温度蒸发生成的气体。该气体就是所谓的可燃性气体。随着液体的温度不断上升，产生的可燃性气体量也逐渐增多。如果将着火源移到某处，该处就会引燃。测量此时的空气和可燃性气体的比例，此时的浓度称为燃烧下限值，液体的温度称为引火点。 空气中通常含有21%的氧气。空气中的氧气浓度高，燃烧速度快，相反，氧气浓度低，燃烧速度慢，15%的氧气浓度为燃烧的最低浓度。这意味着氧气浓度超过15%，在某范围内存在可燃性气体（可燃性气体超过引火点）时，一旦产生燃烧用的足够能量，就会引起燃烧（爆炸）。 “着火源”的状况有各种各样，主要有机械火花、电气火花和静电火花。机械火花在接触硬金属时产生。电气火花指马达的整流子、开关的开闭、保险丝、配线和设备短路时产生的火花。静电火花是不良导体或没有接地的良导体中积存的电荷，移动时放电产生的。异种物体接触和分离时积存电荷，当电场超过临界值时电荷移动。具体来讲，在配管中流动，液体中喷射、喷洗和送风时，产生静电。 燃烧的3个条件指空气、可燃物和着火源。在这3个条件中，如果能完全控制一个条件，就决不会燃烧。 可燃物的防爆处理其一是控制在引火点以下。一般的控制温度是引火点－15℃。防爆处理是防止泄露和流出来。容器和配管等，因振动和腐蚀等原因出现破损、龟裂、松弛，存在可燃物流到外部的危险，一旦流出来，会导致危险场所迅速扩大的问题，因此，要采取充分的措施。作为对策，整个液体采用双重罐，或者设置在排液托盘上。 空气的防爆处理是指控制氧气浓度和可燃性气体浓度。通常，可燃性气体的浓度控制在燃烧下限浓度的1/4以下。使用可燃性液体的清洗槽要罩起来，并且设置空气的送风口和排风口。混有可燃性气体的气体，要强制排风将其排到室外，以防可燃性气体的浓度增高。强制排风的确认，利用微压差传感器，排风量利用排风风机和风调节阀控制。燃烧的最低氧气浓度为15%以上。因此，有效的方法是充氮气，减少氧气的浓度。在减压状态下，使用碳氢化合物时，如果压力低于100mmHg，燃烧的上限和下限迅速靠近，火焰不蔓延，也不燃烧。为确保使用碳氢化合物100%的安全，需要采用表5中的任意一个系统。 表5 完全防爆 减压密闭型 燃烧临界压力以下（真空泵）1.33×10000Pa（100torr）以下 置换密闭型 临界氧气浓度以下（充氮气）10vol%以下 在“着火源”一项中，首先，要避免电气设备产生火花，无法避免时，应尽量不要接触可燃性气体。在危险场所使用的电动机，要采用加强安全防爆结构型或加强耐压防爆结构型。控制盘和超声波振动器等，一般采用氮气吹扫、空气吹扫式的增强内压防爆结构型。其次，电气加热器的热量是着火源。电气加热器放置在液体中，加热器表面胀污导致温度升高，可燃性气体倒灌到热风发生机的热交换加热器里，有可能引起燃烧。因此，一般不用电气加热器加热，而是采用蒸汽或热液压油的间接加热方式。 表6 安全规格 加热机构 间接加热（蒸汽、热液压油） 电动机构 加强安全防爆规格 连锁机构 温度、流量、液面、气体浓度、真空度等 超声波振动器 内压防爆规格 控制盘 内压防爆规格 自动灭火系统 二氧化碳、泡沫灭火剂 防火挡板 灭火气体压力连动 还有一个重要的着火源是静电。不同种类的物体在接触和分离时肯定会产生静电，不可能完全没有静电。喷淋清洗时，如果液态状的流体从喷嘴喷出时的液体粒子直径大，带电荷量就少，因此，要尽量降低喷洗的压力。 “防爆清洗装置”应具有表6所示的一般安全规格。避免加热机构、电动机构、超声波、控制盘等成为着火源。真空解除、连锁机构、排风机构等，不要设置在燃烧范围内。采用这种防爆系统，可以安全使用可燃性的碳氢化合物溶剂，而且能够达到与CFC-113同等清洗和干燥效果。 （3）经济性 在经济成本方面，使用碳氢化合物溶剂的清洗装置与使用CFC-113或含氯溶剂的低沸点难燃性溶剂的清洗装置的根本差别在于干燥装置部分。通常，溶剂清洗装置是3槽式，由清洗槽、漂洗槽和干燥槽构成。成本差别主要指干燥槽、溶剂沸腾机构和热风发生机构或真空机构。防爆机构的成本差别占整个装置的10%。 对于碳氢化合物溶剂的运行成本来讲，清洗剂的使用量占绝大部分。由于碳氢化合物溶剂的沸点高，蒸气的消耗量少，为CFC-113的50%~20%。 4.汽车精密零件的清洗 汽车零件的种类很多，材料也各式各样。表7是精细清洗的典型汽车零件。 表7 汽车零件 汽缸盖 汽缸体 伯姆？泵用的烧结转子 曲柄轴 皮带轮 凸轮轴 精密阀门零件 微机壳体 制动块 后背箱 阀体 气囊用筒 制动器零件 水泵箱 曲柄箱 烧结行星齿轮 回动离合器滚桶 传动零件 阀门板零件 凸轮转子 烧结连轮 离合器配件 这些汽车零件是经过切削加工，冲压加工和研磨加工等而制造出来的。在加工过程中，粘附各种污物，装配前必须将这些污物清洗干净。 污物包括从微粒子、尘埃、切削粉末、毛刺等固体到油性加工油、水溶性加工油、防锈油等液体，各种各样。 类似油一样的液态污物，一般利用普通的清洗剂的溶解力清除。固态状的污物，利用高压喷洗、超声波、振动等物理力清除。通常，加工好的汽车零件上都有这些污物，一般利用清洗剂的溶解力和物理力进行清洗。 参考文献 [1]日矿石油化学，技术资料，1996年. [2]日本产业洗净协议会，关于应对可燃物的清洗装置的安全，1997年. 作者简介 北村 裕夫 Hiroo Kitamura 神奈川大学 电气工学科毕业 日本IBM（株式会社）（股份公司）系统工程师 日本菲尔德（音译）（株式会社）（股份公司） 清洗净化工程师 （株式会社）神户工作所 清洗净化工程师 佳斯特（株式会社）（音译） 清洗净化工程师 日本产业洗净协议会 规划委员长 雅加达（印度尼西亚）国际会议 出席华盛顿D、C（USA）蒙特利尔议定书缔结国会议（1997年） 出席北京（中国）蒙特利尔议定书缔结国会议（2000年） 韩国中小企业清洗技术指导（1996年~至今） 深圳液晶清洗技术调查及论坛（1998年、2000年）(end)

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