超聲波清洗在滲陶前處理工藝中的應用

陳立剛 上海鐵路局上鐵機務公司

方 杰 上海鐵路局安徽鐵道發展集團

1 前言

“復合陶瓷薄膜強化金屬表面技術”目前已廣泛應用機車柴油機摩擦副工件的表面處理，該技術能顯著提高金屬表面硬度、增強儲油性、降低摩擦系數。在利用低溫等離子化學氣相沉積工藝（PCVD）進行滲陶處理前必須對工件進行除油清洗干燥，一般都用油類溶劑人工清洗作業，存在清洗成本高、消防安全壓力大、作業效率低等諸多缺點。在滲陶工藝優化中，我們將超聲波清洗技術引進到對工件清洗干燥作業過程，實現自動化除油作業。

2 技術方案

2.1 超聲波清洗技術

超聲波清洗技術，具有省力、高效和污染少等顯著優點，在發達工業國家已得到了廣泛應用，國內近年來超聲波清洗技術也得到迅速地推廣。其原理是利用超聲波發生器產生的高于20 kHz的超音頻電能，通過換能器轉換成同頻率機械振動傳入清洗介質，超聲波疏密相間地向前傳導，產生無數的微小氣泡，這些氣泡是在超聲波縱向傳播形成“空化效應”。在空化效應中氣泡破裂后產生超過10000個大氣壓的瞬時高壓，連續不斷產生的瞬時高壓就象一連串小爆炸不斷地轟擊物體表面，使物體表面污垢迅速脫落，從而達到顯著的清洗效果，并且這種效果可隨液體到達被清洗物體的所有表面，這是手工洗刷、機械擦拭等常規手段所無法達到的。與傳統清洗方式相比，超聲波清洗因其具有環保、節水、高效、低成本、低腐蝕等特征，具有廣闊的開發和應用前景。

超聲波清洗技術在初期由于設備造價昂貴，主要應用于鏡片加工、電子元件、金屬精密件的清洗，近年來隨著技術升級設備性能完善，逐步替代傳統的機械清洗和化學清洗，進入整機裝配、機械大部件的清洗領域，在鐵路機車檢修行業應用也不斷擴大。

2.2 清洗流程

影響超聲波清洗效果的主要因素有超聲波的頻率、功率、清洗時間和溫度，理論上超聲波的頻率越高功率越大，清洗除污能力越強，但同時超聲波對工件的表面物理傷害和腐蝕強度也在增加，因此，在設計超聲波清洗工藝時，需要根據清洗對象材料性能，結構特點設計不同的清洗流程。

合肥金陶公司滲陶加工前處理工藝主要是去除滲陶母體表面的防銹油涂層，油污程度不是很多；滲陶母體材料主要為金屬合金鑄件，除油后在水中很容易上銹。根據這些特點，我們在超聲波清洗水介質中添加適量的金屬防銹劑，清洗后增加及時烘干步驟。超聲波清洗工藝主要過程如圖1。

圖1 清洗工藝流程圖

整個清洗工藝以自來水為清洗介質，設計兩遍超聲波清洗，便于油污的及時去除和漂洗，根據需要在水槽中可適量添加化學清洗劑，浸泡槽主要起防銹處理減低工件表面電解質，最后經熱風烘干后可直接進入滲陶加工爐。

2.3 設備結構參數

根據金陶公司滲陶加工線的工作量和工件外形尺寸，超聲波清洗設備設計為四槽串聯清洗工作線，以受可編程邏輯控制器（PLC）指揮的單臂小車操作清洗籃在清洗槽間移動，實現自動化清洗作業。本設備外觀結構美觀大方，自動化程度高，清洗效率高，適合大批量連續清洗生產。清洗設備外觀如圖2。設備主要技術參數如表1。

圖2 清洗設備外觀圖

表1 設備主要技術參數圖

3 應用效果

本套超聲波自動清洗線自2012年6月投入金陶公司滲陶加工線使用，已完全取代以前的人工溶劑清洗作業，與以前的清洗方式相比具有明顯優勢。

（1）用自來水替換易燃溶劑油為清洗介質，大大減輕了消防壓力，清洗間也一級防火防爆區域降為一般防火區域，以前每月500 kg的優質汽油自然取消，節約了清洗費用。

（2）實現了工件除油自動化作業，工人的作業強度大為降低，以機械化連續作業清洗效率極大改善，以前滲陶工件必須提前一個工作日清洗烘干，現在清洗滲陶可在一個班次中完成。同時清洗過程無人體接觸，減少了化學藥劑對人體的傷害。

（3）作為清洗介質的自來水可以循環利用，減輕污染排放的壓力，避免了以前清洗廢汽油二次處理的難題。

（4）與傳統清洗方式相比，對盲孔和各種幾何狀物體，超聲波清洗具有絕對優勢，可以對人工或機械接觸不到的地方進行深度除污。

（5）經過多次現場對比檢驗，改為超聲波清洗后對金屬工件的滲陶加工效果沒有負面影響。

4 結束語

以二次超聲波清洗為核心而設計的金屬工件除油清洗線在合肥金陶公司應用取得了良好的效果，替代工件滲陶前的除油清污人工作業，在清洗效率和安全生產方面都帶來了極大的改善。鐵路機車車輛檢修中涉及除油清污作業的要求很多，本次設計的超聲波清洗工藝在機車車輛大部件清潔作業中具有推廣意義。