水基清洗工艺的优化与应用

水基清洗工艺不仅关系到去污效果的优劣、后续工艺的进行以及二次污染等问题，而且会对生产率、生产效益、产品质量以及废液处理产生相当大的影响。水基清洗剂、清洗方法的选择，各工序间的相互配合等都关系到水基清洗的有效性和经济性。

1.水基清洗剂的清洗能力

水基清洗剂的清洗能力也称为去污能力，它关系到能否保证清洗质量，达到表面清洁度的要求。在实际中，人们通常用两种方法来表示清洗剂的清洗能力：一种是在一定条件下污垢的去除程度，另一种则是去除一定量污垢所需的时间。

（1）清洗能力的影响因素 水基清洗剂清洗能力的影响因素主要有表面活性、清洗剂的pH值以及各种物理因素等。

1）表面活性的影响。在水基清洗过程中，清洗剂的表面活性主要表现在清洗剂的表面张力减小，吸附和胶束化作用以及由此产生的润湿、乳化、分散、稳定、增溶等作用上。

当污垢和金属的界面与清洗剂接触时，要达到洗净金属的目的，则必须消除污垢与金属间所形成的作用力，使污垢与金属分离，即污垢-金属界面被污垢-清洗剂界面所代替。从能量的角度来看，切断和克服污垢与金属间的黏附力，需要消耗一定的能量，其主要由两部分来提供：一部分是清洗剂自身物理化学性质变化产生的能量；另一部分是清洗过程中的外部能量，包括热能、超声波能、摩擦力所做的功等。在机械能恒定的情况下，清洗剂的表面活性越强，其清洗能力也就越强。正因为如此，不同表面活性剂的清洗能力有很大的区别。达到临界胶束浓度时，清洗剂的表面活性最强，此时表面活性剂的溶液才能达到最大的清洗能力。另外，对于油脂或其他污垢而言，去污能力和表面活性剂的增溶作用密切相关，只有形成胶束才能表现出优异的清洗能力。

因此，从表面活性剂的结构因素来考虑，促进胶束化和吸附结构的形成都将提高清洗剂的清洗能力。此外，清洗剂的助洗剂成分、清洗时清洗剂的温度都会对清洗剂的胶束浓度和清洗能力产生很大影响。

2）清洗剂pH值的影响。清洗剂pH值的选择应该遵循几条一般性原则。

①在清洗的过程中，由于污垢的溶入不会使清洗剂的pH值产生较大的波动而影响清洗剂的清洗性能，因此要求溶液最好能够自动调节自身的pH值，以保持最佳的清洗状态。

②在清洗不同金属时，不会由于pH值的原因引起金属的腐蚀。

③要求金属表面的污物应能有效地去除，对清洗比较牢固的污垢（如沥青、焦油、聚碳等）pH值一般较大，需为11～13；对于不太牢固的污物（如机油、植物油等）pH值可以为8～11。

在实际生产中，人们会发现清洗液的pH值也是影响清洗效果的重要因素之一。特别是对于一些酸性油污的清洗尤为明显。所以对pH值的影响应该引起足够的重视。

3）各种物理因素的影响。清洗作业中的物理因素有机械力、超声波、摩擦力及热能等。机械力和清洗剂同时冲击金属表面的污垢时，能够有效地克服和破坏污垢与金属的黏附，促进污物的卷离，加速污垢与金属表面的脱离。提高清洗剂的温度，可加速污垢和清洗剂中离子和分子的运动，从而可以改变污垢的性质（如降低污垢的黏度）和提高清洗剂的活性。此外温度升高，加速了污垢、清洗剂、金属间达到最终的平衡。一般说来，当温度升高10～15℃时，清洗速度可提高一倍左右。

在水基清洗过程中，应综合上述的各种因素，合理选择清洗剂的表面活性、pH值及清洗方法和条件，以达到最佳的清洗效果。

（2）清洗能力的试验方法 试验方法的标准化是合理选择清洗剂和评价清洗剂的重要手段，世界各国都在建立自己的标准试验方法。1982年我国原航空工业部制定了相应的标准和试验方法HB 5226—1982《金属材料和零件用水基清洗剂技术条件》和HB 5227—1982《金属材料和零件用水基清洗剂试验方法》。我国于1999年制定了JB/T4323.2—1999《水基金属清洗剂 试验方法》。

JB/T 4323.2—1999是在具有一定表面活性剂的清洗液中伴以机械外力的作用，在给定的时间内，根据金属表面污垢的减少量来确定清洗能力的。在一定时间内清除表面污垢越多，则清洗能力越强。

另一种试验方法因简单直观而在实际使用和研究工作中常被使用，特别是在清洗剂配方的研制、不同清洗剂的筛选和评定试用时。将被污染的试件放在被测清洗液中清洗，以试件表面污垢全部被清除所需时间的长短来评定该清洗液的清洗能力。完全清除污垢的时间越短，则清洗液的清洗能力越强。

2.水基清洗工艺流程

一般水基清洗的整个过程主要包括去污、漂洗、干燥和脱水四个环节。四个环节的安排和控制应该视实际情况而定。在清洗精密零部件或有复杂内腔、管道、狭缝的零部件时，在清洗、脱水的过程中还可以增加过渡液处理的辅助工序。

（1）去污 工业污垢一般可以分为液体污垢（如动物油、植物油和矿物油等）和固体污垢（尘土、锈蚀、泥等），有时也会出现这两类污垢同时存在的混合物。液体污垢和固体污垢在物理化学性质上有很大的区别，去除机理也不尽相同；不同性质的污垢在不同金属或不同状态的金属表面有不同的黏附强度。对于去污这个环节来说，主要是根据各行业的生产特点（如工件的尺寸、数量、形状、污染的程度）、污垢的性质和黏附状态选择合适的清洗剂和有效的清洗方法。

1）清洗剂的选择。水基清洗的关键在于选择什么样的清洗剂，其目的是提高金属产品的加工性能和使用性能，一种优质的清洗剂应该具有优良的综合性能，要求清洗剂具有良好的去污能力，不会引起金属的腐蚀、变色、失光，低浓度，良好的漂洗性、稳定性等在选取清洗剂时需要考虑以下因素：污垢的来源、种类和性质；被清洗产品的材质、结构、表面状态以及要求的清洁度（清洁度是指清洗介质把金属表面的油污去除到一定程度后的表面状态）；清洗所用的设备、器具以及施工场所等；清洗效率和经济效益；清洗的公害性和废水的处理。

按金属加工业的特点，大致可以分为以下几个方面，供选择时参考。

①金属机械加工中的清洗污物，主要是指清洗各种加工介质，如切削液、润滑油及研磨膏等，可选择脂肪酸镁、三乙醇胺皂、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯醚及醇酰胺等表面活性剂。

②金属工件在涂装前，一般都要进行有效的清洗和脱脂处理，从而提高涂层质量和耐蚀性。一般选用脂肪酸、烷基酚等的聚氧乙烯醚表面活性剂为主要成分的金属清洗剂，也可选用烷基苯磺酸盐、烷基硫酸盐、烷基磷酸酯、二烷基磺化琥珀酸酯等表面活性剂配置的清洗剂。

③用薄层防锈油封存的零部件可用水基清洗启封，涂厚油层，如防锈脂及凡士林等的制件，在启封后也可通过水基清洗除去残留的油膜。根据防锈油脂的不同，可选用脂肪酸的钠皂、钾皂、烷基磺酸盐、烷基苯磺酸盐等，更多的情况是选用醇、酸、酸酯的聚氟乙烯醚，以及烷基磷酸酯、磺化烷基琥珀酸酯等表面活性剂为基的清洗剂。

④各种机械及部件经过一定周期的工作后，部件的表面，甚至内部都容易黏附上大量外来的或工作中产生的污垢，如机床“黄袍”，各种胶质、沥青质或炭质污垢（即常说的聚炭）等。这些污垢的清除要比液体污垢清除困难得多。为此，除了选择适当的表面活性剂和助洗剂配置的清洗剂外，还应添加一定量的以高级脂肪酰胺、醇胺或咪唑啉为基的促进剂。

⑤焊接、热处理后的清洗等可选用脂肪醇和烷基酚的聚氧乙烯醚、醇酰胺或烷基醇酰胺磷酸酯等复配的清洗剂。

2）清洗方法的选择。清洗是依靠清洗剂对污垢的溶解作用、皂化作用，依靠表面活性剂对污垢的润湿、渗透、分散、增溶、乳化等作用，使污垢能够溶解或分散。这一过程就是使污垢离开金属表面，而让清洗剂-金属界面代替污垢-金属界面，这样才能达到清洁金属表面的目的。因为固体表面有相对稳定的液膜，因此溶解后的污垢自动离开金属表面以及表面上清洗剂的更新等都不是很容易，这就要求加以搅拌、擦拭，以完成清洗过程或提高清洗效果。具体清洗方式如下。(www.xing528.com)

①浸渍清洗零件的方法是生产及修理中最普遍也是最重要的方法之一，可以分为全浸、冷浸、热浸等。一般用热液浸渍，浸渍时间一般为1～10min，可以辅以搅拌，清洗时间的长短可以根据污垢的轻重而定。槽式浸渍清洗法的特点是清洗剂可以浸没整个零件，故表面清洗效果好。高泡沫或中泡沫的高效清洗也可使用，其设备构造简单，使用方便、经济。一般浸洗槽设置有废油收集器，被清洗下来的油污漂浮在清洗剂的表面时，可通过排放方法收集。为了加强热运动提高清洗效果，浸洗槽中设有蒸汽蛇形管和电热器等用以加热。为了强化清洗过程，还可以采用螺旋桨、电脉冲或通入压缩空气等方法来激发溶液，加强液体与固体表面污垢间的作用。

②机械冲洗是用机械的力量将液流冲击到金属的表面上，使被冲击的污垢发生变形，在法向力和切向力的作用下污垢层破坏和脱落。当液体沿表面流动时，污垢粒子被清洗剂从清洗区带走。与此同时，清洗剂因液流的作用而加快了对金属表面污垢层卷离、乳化、分散和溶胶等的作用，因此能够有效地提高清洗效率。另外，提高清洗的温度会加速快热运动的速率，更有利于提高清洗效率。冲洗机原理简单，制造、操作、使用简便，清洗工作者为了提高水基清洗质量和生产率，常根据各自的实际情况自行设计和制造多种类型的冲洗机，如清洗联合装置。另外，还有蒸气冲洗法和高压喷洗法。蒸气冲洗法利用溶剂蒸气在金属表面上冷凝成液体，流体在金属表面上流淌时带走污物。高压喷洗法是将待清洗件放在适当的设备中或传送带上，以高压将清洗剂喷向金属表面。喷嘴设置应适当以确保每一需要清洗的面都受到喷洗。传送带的速度要适当以保证将污垢喷洗干净。

③超声波清洗是在清洗剂中施加超声波能进行辅助清洗的方法，是一种高效的清洗方法，它能快速清除表面上各种类型的污垢。主要应用于形状比较复杂零件的清洗，特别是对有齿、深孔、狭缝等的零件有极好的清洗作用，对于小型精密金属制品及精磨面也能起到较好的清洗作用。超声波清洗可采用各种清洗剂，通常是在室温或适当加热时就可以进行清洗。

在液体介质中依靠电能转化为声能获得超声波，即机械的弹性振荡。产生机械振动的发生器称为换能器。交流电通入发生器时会产生高频率电流，此电流通过换能器改变因次，从而使电能转化为声能。

超声波清洗主要是借助空泡作用而发生高频冲击及振动。液体在超声波一个周期中的某个期间受到负压，液体在液-固界面上被引开，那里成为真空，产生空化气泡。在另一期间又承受正压，空泡急剧破裂，此时对固体表面产生极大的冲击力。据研究，此冲击力甚至可以达到数百兆帕，这个气泡的形成及破裂过程以高频反复进行，对被清洗件上的污垢进行周期性的强力冲击而使之脱离工件。

（2）漂洗 使用清洗剂去除金属制品表面黏附的污垢后，为去除其上残留的清洗剂应用自来水、蒸馏水或去离子水进行漂洗。对于金属表面上残留的水基清洗剂，无论是液体状态或是已经形成干膜，一般来说，应用自来水、蒸馏水或去离子水来漂洗，都能够有效地全部或绝大部分除去。

水基清洗剂中的各种添加剂几乎全部都是水溶性的，在漂洗过程中都能很好地去除。但也受到很多因素的影响，如漂洗水温度、硬度，漂洗时间，摆动程度等。漂洗水温度是影响表面活性剂去除率的重要因素之一。经过清洗剂清洗的金属制件表面上残留的清洗剂如果没有经过漂洗或没有漂洗干净，那么就会在金属制件的表面形成一层清洗剂的干膜。表面活性剂是水基清洗剂的重要组成部分，这层干膜的主要成分就是表面活性剂，它对不同金属的腐蚀性各不相同，有的表面活性剂可对腐蚀起增强作用，有的可起抑制作用。有的表面活性剂可能是钢的缓蚀剂，但对碱金属起加速腐蚀作用。表面活性剂对金属的腐蚀不仅与表面活性剂的种类有关，而且也与被清洗金属的种类、清洗水质（水的硬度）等有密切的关系。这层清洗剂干膜会对制品的检验、防锈封存、表面处理、粘接及涂装等后续工艺产生影响。当金属表面有清洗剂残留物时，粘接强度都有很大程度的降低，且破坏形式多数属于界面破坏和混合破坏。一般说来，纯金属表面都具有高的表面自由能，粘结剂是具有较低表面自由能的高聚物，它能很好地润湿金属。但金属表面黏附低表面自由能的有机物时，则会在很大程度上影响粘结剂对金属的润湿，金属清洗后表面残留的清洗剂就属于这类物质，从而降低它和橡胶的粘接强度。实践证明，漂洗对热处理的影响十分明显，不进行漂洗或者漂洗水质不良（如自来水），产品的合格率仅为20%左右；当使用蒸馏水或去离子水漂洗时，则合格率可高达90%～99%。

综上所述，水基清洗中的漂洗工序是十分必要的。水基清洗后制件表面上的残留物对金属有可能产生腐蚀，而且会不同程度地影响后续工序的工艺质量。漂洗最好使用管道流动水，以便有不断更新的新鲜水流动；如果不希望漂洗后制件表面留有斑纹或花斑，则应该使用蒸馏水或去离子水进行漂洗；为提高漂洗效率，可适当地提高水温。

（3）干燥 水基清洗或漂洗后制件表面都会有一层水膜，这种潮湿状态对于封存入库、转工及其他后续工序都是不允许的，必须经过干燥处理。

1）用压缩空气吹干。在压缩空气的压力不大于608kPa（6 atm）的情况下，压缩空气本身应该是干燥清洁的，有时还要将压缩空气加热后再使用。

2）加热干燥。加热干燥的方法很多，下面简要地介绍两种常用的加热干燥法。

①将制件浸入温度很高的水中至制件达到与水同等温度后取出，制件因储蓄了大量的热量而使表面的水迅速蒸发从而得到干燥。这种方法对于形状简单且要求不高的制件比较适用。如果发现局部有水分聚集，则可以用压缩空气吹干。

②将制件放入烘箱内加热，温度一般控制在120～175℃。特别要注意的是，如果有低熔点的焊锡、有机物存在，或有低熔点的铝等金属，则不能调节到这样高的温度，铝合金在这样高的湿度下可能会变色。烘箱内应该设有鼓风系统或换气设备，以防止箱内空气被水分饱和。要获得完全干燥的表面，确定烘干时间时应该考虑到表面上的水量、制件的质量与烘箱温度。当制件上的聚集水成为水袋时，在烘干时可能会引起腐蚀，此时不可以在烘箱内进行干燥处理。

3）擦干。擦干是一种简单的、效率最低但也是应用最早的重要干燥处理方法。一般分两步进行，第一步是制件表面的大致干燥；第二步是换一块干燥清洁的抹布再次擦拭，以达到完全干燥。在擦干的过程中，应该特别注意的是不要引起制件表面的二次污染，这就要求抹布必须洁净干燥，布纤维不能遗留在制件的表面上。

此外，还有远红外线干燥、甩干以及使用吸收剂进行干燥等方法。

（4）脱水 上述的干燥方法都存在着各自的缺点，如吹干时容易形成水印，金属件的不通孔、缝隙等部位不能保证残留水分的充分脱除；烘干过程中，水分的蒸发易留下褐色斑点；使用水的吸收剂如无水乙醇脱水时，乙醇中含水量增大，仍有可能残留水迹，并且吸收剂具有寿命短、不经济等缺点。人们在不与水混溶的挥发性溶剂内加入特殊的物质（称为水置换剂或脱水添加剂）来处理水洗和湿法加工的金属制件，使其与附着在金属表面上的水发生置换作用。将制品放入置换剂中，水分将被置换，从而脱离金属表面而进入溶液中。这种方法不会引起上述缺点，是一种较理想的脱水处理方法。

使用水置换防锈油既可以脱水又可以防锈，从而简化了工艺。但制件表面上忌油的材料则不可以使用水置换防锈油来脱水。实际中在附有水膜的情况下使用防锈油，防锈油中油溶性缓蚀剂的水置换能力是相当重要的，它直接影响防锈油对金属表面残留水的置换能力。一般来说缓蚀剂的缓蚀性和水置换性之间没有明显的对应关系。大量的试验和研究表明，有机胺、有机酸、醇类、酯类等都有较好的水置换性，而藻类、磺酸盐类等效果不明显。表3-21列出了两种水置换防锈油的配方。

表3-21 两种水置换防锈油的配方

（5）过渡液处理 在实际中，有人把过渡液称为脱液水或中间介质。有些精密零件中存在狭缝、小孔、不通孔等复杂结构，水基清洗时残留的水膜不易脱除，而会产生缝隙锈蚀；在水基清洗后，某些易锈零件，由于清洗剂、材料本身以及操作工艺等原因，会出现零件的腐蚀。为此，一般在水基清洗工艺中加一道过渡液润湿的工序，以保证零件上残留水膜的完全脱除和防止零件产生锈蚀。

过渡液一般都是根据清洗剂、清洗对象以及清洗要求等具体条件的不同而自行配置的。配置时应注意：

1）过渡液与水置换剂的匹配问题。

2）如果要求过渡液有防锈功能，则要求它既能代替水漂洗去除原有的清洗剂残留液膜，同时还能防止金属锈蚀。

3）具有较长的使用寿命，不易被清洗剂的残留物所污染。

过渡液的主要作用有：

1）代替水漂洗工艺，防止零件锈蚀。

2）与水置换剂相互配合，彻底清除金属表面的水膜，同时还要具有二次清洗和防锈蚀的作用。