13.11.2012
Удапение смазочных материалов при формовании - промышленные очистители.

   Все вещества и частицы, которые могут отрицательно влиять на промышленные процессы и, соответственно, на качество продукции, должны удаляться с поверхности металла. В процессе производства поверхность обрабатываемой детали контактирует с различными веществами, которые, с одной стороны, облегчают производство, а с другой — могут образовывать осадки, вызывающие нарушение производственного процесса. Так же образуются абразивы. Следует также учитывать загрязнения, которые медленно накапливаются на поверхности детали при хранении и должны быть удалены до начала ее использования. Далее рассматриваются способность к удалению с поверхности смазочных материалов, используемых при формовании, а также способы очистки поверхности. В соответствии с применением можно выделить три вида:
   • промежуточная очистка во время производства;
   • очистка перед тепловой обработкой и покрытием поверхности;
   • очистка во время технического обслуживания.
   Общепринятых стандартных методов по оценке эффективности очистителей не существует. Очиститель (чистящее средство) считается эффективным, если работа с ним не вызывает никаких осложнений. В автомобильной промышленности за критерий оценки принята смачиваемость металлической поверхности водой после ее очистки. В связи с этим необходимо отметить методы ASTМ F22 и ASTM F21 для определения гидрофобности поверхности пленок, а также метод, принятый в компании Фольксваген ( испытание в медленно движущейся ванне в целях контроля за удалением защитного слоя антикоррозионного масла и оценки свойств промышленных очистителей). Для более детального научного исследования загрязненных поверхностей используют специальные детекторы, основанные на УФ-облучении с последующим эффектом эмиссии. Метод основан на оптическом возбуждении легко регистрируемой эмиссии электронов такими материалами, как металлы, большинство красок и полимеров, а также некоторые керамические материалы. Инертные материалы значительно ослабляют эмиссию электронов, что позволяет легко определять загрязнения с использованием данного метода.

1. Промежуточная очистка в процессе производства

Загрязнения, образующиеся в процессе производства, должны удаляться с обрабатываемых деталей перед контролем линейных размеров. Очищенная металлическая поверхность очень подвержена коррозии. Поэтому рекомендуется применять временную защиту от коррозии обрабатываемых деталей во время очистки. Это осуществляется введением пассивирующих реагентов в очиститель. Многие очистители уже содержат пассивирующие реагенты, чтобы обеспечить достаточную защиту во время промежуточного хранения. В настоящее время чистые жидкости и жидкости на водной основе, используемые в качестве жидкостей для резки металла, могут при возможности применяться также и для промежуточной очистки.

2. Очистка перед тепловой обработкой и покрытием поверхности

Очистка металла — это обязательная операция в процессе обработки его поверхности. Только чистая, не содержащая каких-либо отложений поверхность металла пригодна для последующих термохимических процессов и обеспечивает возможность получения на ней прочного слоя покрытия. Особенно тщательная очистка требуется перед нанесением эмалевого покрытия, так как этот процесс проводят при высоких температурах, и даже следы органических загрязнений создают дефекты в покрытии. Разложение загрязнений приводит к нарушению эмалевого покрытия — образованию чешуек, пузырьков, пор. Даже очень незначительное содержание загрязнений при гальванообработке поверхности металла не позволяет получить достаточно прочное покрытие. С другой стороны, незначительное количество загрязнений допускается для процессов создания металлических покрытий при повышенной температуре (горячая гальваполастика, покрытие оловом, покрытие свинцом). Очистка металлических деталей перед покраской часто сочетается с формированием тонкой пассивирующей пленки (например, созданием фосфатного слоя), чтобы обеспечить создание базового покрытия для надежной защиты от коррозии и прочного соединения с используемыми красителями.

3. Очистка в процессе технического обслуживания

Станки и установки, на которых осуществляется металлообработка, должны часто подвергаться очистке. Это относится не только к технологическому транспорту и всем типам станков, участвующих в производстве, но и к таре: бочкам, цистернам и т. п., а также дополнительному оборудованию.

4. Методы очистки и реагенты

Удалить все загрязнения с поверхности металла с использованием одного метода удается довольно редко. Чаще несколько операций по очистке объединяют в один процесс, сочетая физические, химические и физико-химические методы. Кроме чисто механических методов очистки (пескоструйная очистка, шлифовка), используют и моющие средства. Ими могут быть органические растворители, действие которых основано на чисто физических эффектах, или химически активные водные растворы, эффективность которых может быть усилена за счет использования физических методов (например, ультразвука).
   С давних пор в качестве моющего средства применяется вода. Она способна проникать в любые щели, полости, пустоты, увлажнять поверхность и стягивать загрязнения в отдельные капли. На сегодняшний день использование водных растворов, чаще всего щелочных, является самым распространенным методом очистки. С данной точки зрения процесс омыления менее важен по сравнению с такими физическими и физико-химическими процессами, как адсорбция и десорбция, притягивание и отталкивание частиц, образование и разрушение эмульсий.
   Следует принимать во внимание также использование активных моющих средств, так называемых ПАВ. Одна из основных групп таких веществ — это ионогенные соединения (основания, кислоты, мыла, соли), которые в водном растворе становятся активными. Отрицательные частицы в этих растворах — анионы имеют тенденцию к концентрированию на загрязненной поверхности, отрицательно заряжая частицы загрязнений; поскольку поверхность металла также заряжается отрицательно, она отталкивает загрязненные частицы. Сродство загрязнений к анионам не является единственным активным фактором. Силикаты и фосфаты могут образовывать в водных растворах большие «полимерные» ионы (так называемый моющий компонент). По сравнению с «небольшими» ионами они имеют преимущество, обусловленное обволакиванием нерастворимых частиц загрязнений, удержанием их во взвешенном состоянии в чистящем растворе с образованием коллоидного раствора, в результате чего тонкодисперсные частицы загрязнений не могут снова осесть на очищаемую поверхность.
   Помимо неорганических связующих материалов, современные промышленные моющие средства содержат органические соединения, которые добавляют к анионо-активным компонентам. Это неионогенные ПАВ, открытые в 20-х гг. XX в. Они выделяются своими моющими свойствами, но имеют и недостатки: например, осаждаются в твердой воде. На сегодняшний день они применяются почти во всех промышленных моющих средствах и детергентах. Молекулы активных моющих соединений (так называемые «сбалансированные комплексы») сочетают свойства, присущие различным отдельным соединениям. Следуя принципу «подобное растворяется в подобном», вещество будет растворяться в подобном ему растворителе; большинство веществ растворимо либо в воде, либо в масле. С другой стороны, сбалансированные комплексы как бы допускают объединение различных компонентов в одну молекулу. Сбалансированные комплексы состоят из гидрофильной (имеющей сродство к воде) и гидрофобной (водоотталкивающей) части. С одной стороны, они растворимы в воде, а с другой — растворимы в масле, т. е. имеют смешанный характер. Смешиваясь с водными растворами, сбалансированные комплексы проявляют высокую эффективность даже в малых количествах. Это объясняется тем, что сбалансированные комплексы собираются в граничном слое, где их концентрация повышается.
   Введение таких соединений значительно повышает эффективность действия современных моющих средств. Они снижают поверхностное натяжение как воды, так и других жидкостей. Моющее средство в растворе может захватывать, обволакивать и проникать через трещины и поры во все загрязнения лучше, чем чистая вода. Сбалансированные комплексы способны в значительной степени облегчать удаление частиц грязи, усиливая очищающий эффект. В растворах определенной концентрации эти соединения создают молекулярные группы (так называемые мицеллы). Они способны диспергировать или эмульгировать (размельчать и сохранять в растворе во взвешенном состоянии) нерастворимые в воде вещества, такие как масла и смазки. В современных промышленных моющих средствах неорганические, ионогенные и неионогенные вещества находятся в оптимальном и эффективном сочетании. Эффективность моющего средства основана на различных физических и химических взаимодействиях, скоординированных друг с другом.

5. Систематизация моющих средств

Пользователи выбирают моющее средство из следующих типов: моющие средства в виде водных растворов, растворов в других растворителях или в виде эмульсий: внутри каждой такой группы находится большое количество различных моющих средств. Выбор конкретного моющего средства зависит от требований пользователя.

Моющие средства на водной основе
Водные растворы можно применять как в жидкой форме, так и в виде спрея, однако в настоящее время их чаще используют в жидкой форме по соображениям удобства и безопасности. Большинство моющих средств относятся к группе щелочных детергентов. Кислотные моющие средства играют незначительную роль. Эти моющие средства могут применяться для различных целей и в различных условиях (концентрация, температура и т. д.).
   Чистящий эффект зависит от степени загрязнения. Если перед чисткой материал хранился долго, некоторые смазочные материалы, используемые в процессе производства этого материала, могут затвердевать в результате окисления или испарения отдельных компонентов, что снижает возможность удаления загрязнений. Сильно пигментированные смазочные материалы для формования и смазочные материалы для формования, содержащие твердые частицы, часто создают затруднения для процесса очистки. Возможность удаления твердых частиц с поверхности рабочей детали зависит от ее геометрии, структуры поверхности, размеров твердых частиц, взаимодействия между твердыми частицами и поверхностью рабочей детали, нагрузок в процессе формования и природы используемого металла. Поскольку остатки моющего средства даже после тщательной промывки могут влиять на процессы, происходящие во время химической и термохимической обработки поверхности металла, только специально разработанные моющие средства применяют во избежание повреждений и нарушений. Кроме того, необходимо принимать во внимание также природу самого металла, которая может быть подвергнута специальной обработке (железо, алюминий, медь, бронза, цинк и т. д.). В соответствии со значением рН щелочных растворов моющих средств они подразделяются на:
   • низкощелочные (рН от 7,0 до 10,5);
   • среднещелочные (рН от 10,5 до 11,5);
   • высокощелочные (рН выше 11,5).
   Низкощелочные моющие средства часто называют нейтральными, так как они характеризуются низкой способностью к омылению природных и синтетических сложных эфиров. Стандартного определения «нейтральное моющее средство» не существует. Кислотные моющие средства (рН ниже 7,0) используют только для специальных целей. Кроме обезжиривающего эффекта, они способствуют удалению ржавчины, хлопьев ржавчины и других твердых граничных слоев, которые не могут быть удалены щелочными моющими средствами. Такие моющие средства представляют собой з основном растворы соляной, серной или фосфорной кислот и используются совместно со сбалансированными кислотоустойчивыми комплексами.
   Для очистки от пленок смазочных средств используют кислотные обезжириватели на основе фосфорной кислоты, которые образуют на поверхности стали тонкий слой фосфата железа (примерно 0,1—0,3 мкм), подготавливая тем самым поверхность металла к покраске, например окрашиванию катофоретическим погружением и/или нанесению порошкового покрытия.

Область применения моющих средств на водной основе
Решающим фактором в выборе моющих средств является применяемый метод очистки:
   • моющие средства для метода очистки погружением в ванну, основанном в основном на образовании эмульсий;
   • моющие средства для применения разбрызгиванием, основанном на разрушении эмульсий.
Для специальных целей используют:
   • моющие средства для использования под высоким давлением;
   • моющие средства для использования со струей пара;
   • моющие средства для использования в машинах.

Очистка погружением
Очистка погружением является старейшим способом. Моющие средства, использумые в данном методе, растворяют масла и смазки и диспергируют частицы загрязнений. Этот метод рекомендован для небольших или плоских деталей с большой площадью поверхности, которые могут быть погружены в ванну в относительно толстый слой моющего средства. Они применяются и в тех случаях, когда дальнейшие операции также осуществляются погружением в ванну, например при обработке электроосаждением. После обработки методом погружения детали очищают в ванне с раствором при повышенной температуре в течение длительного времени. Часто одной промывки недостаточно и приходится повторять процесс многократно в соответствии с требованиями.

Преимущества метода очистки погружением
Стандартное преимущество — это простота используемого оборудования. Раствор помещают в подогреваемый контейнер-ванну, сделанный из листового железа, однако ванна для вываривания, работающая при температуре кипения воды, используется только в отдельных случаях. Пульсация кипящего раствора служит дополнительным механическим способом очистки. Но преимущества этого способа аннулируются его недостатками: большие тепловые потери, образование парового тумана, разбрызгивание.
   Чистящий эффект усиливается при использовании циркуляции чистящего раствора или орошения, когда раствор насосом под давлением подается в ванну через многочисленные клапаны, расположенные зигзагообразно напротив друг друга. Как альтернатива последнему способу применяют многократное наполнение и слив раствора из ванны с помощью насоса. Дополнительно устанавливают опрыскивающее устройство, смазка в виде пены поднимается на поверхность, и под давлением пена уходит в водосброс, а очищенные детали после извлечения из ванны снова покрываются слоем масла, выделившемся в результате разрушения эмульсии.
По сравнению с ванной для выпаривания ванны с циркуляцией моющего средства имеют ряд преимуществ: так, они обеспечивают высокую эффективность отмывки при более низких температурах (60—90 °С) и за более короткий период обработки. Циркуляция раствора осуществляется с помощью воздуха, находящегося под давлением вместо насоса, и, следовательно, в этом случае требуются моющие средства с пониженным пенообразованием.

Очистка ультразвуком
Другой метод очистки погружением — это очистка ультразвуком. В некоторых отраслях, например при изготовлении ювелирных изделий и изделий из серебра, при производстве режущих инструментов, оптических стекол и приборов, а также при производстве высокоточных высококачественных стальных труб, арматуры и многих конструкционных материалов предъявляются очень жесткие требования к чистоте большинства полированных поверхностей. Остатки используемых материалов и абразивные частицы металла очень трудно поддаются удалению, так как они прочно прилипают к поверхности металла или стекла. Часто одной обработки чистящим водным раствором недостаточно, если нет дополнительного механического воздействия. В таких случаях использование ультразвука эффективнее, чем очистка орошением или разбрызгиванием. Очистка ультразвуком основана на высокочастотной звуковой вибрации, создаваемой с помощью специальных систем.

Воздействие ультразвука
В чистящем растворе ультразвук передается как продольная волна. Из-за сильных изменений давления в растворе образуются многочисленные мелкие пузырьки воздуха с пониженным давлением внутри, которые моментально лопаются с высвобождением энергии. В этом случае участки поверхности, где имеются микрошероховатости и накопившиеся частицы, действуют как кавитационные центры. При наличии просверленных отверстий, угловых соединений, декоративного тиснения и т. п. использование обычных методов очистки не дает оптимальных результатов. В чистых растворах уже через 10 с воздействия ультразвуком можно наблюдать, как частицы загрязнений удаляются с поверхности. Этот метод основан на проявлении ударного давления, возникающего при разрушении пузырьков, которое может достигать 1000 бар. Оптимальные условия процесса очистки: частота 20—40 кГц, рабочая температура 50 и 70 °С. Обычно процесс продолжается не более 2 мин. Ультразвуковой генератор для системы очистки должен выдавать мощность звука в пределах 5—20 Вт/л раствора в ванне погружения.

Очистка разбрызгиванием
Этот современный метод очистки основан на одной или более согласованных операциях. Интенсивное механическое воздействие спрея имеет ряд преимуществ по сравнению с ванной погружения: период обработки значительно сокращается, а рабочую температуру часто понижают до 40-70 °С. Для очистки требуется меньшее количество моющего раствора, чем для ванны погружения, что позволяет снизить концентрацию до 10-30 г/л. Соответственно, чем меньше количество используемых химических реагентов, тем меньше расходов на энергию разогрева и ниже стоимость процессов промывки и отведения сточных вод.

Оборудование для очистки спреем
Оборудование для очистки спреем имеет комплексную конструкцию. Его преимущество состоит в том, что оно относится к конструкциям закрытого типа. Даже при высокой температуре системы всасывания и конденсации предохраняют от попадания водяного пара в рабочее помещение. Для достижения оптимального эффекта очистки, который зависит от формы и типа разбрызгивающего устройства, последнее устанавливается таким образом, чтобы можно было очищать детали во всех направлениях, не оставляя необработанных зон. Обычно давление струи спрея находится в пределах 0,5—10 атм, хотя применяется и более высокое (до 500 бар), особенно при специальных очистных работах, например удалении заусенцев или очистке под высоким давлением. Существуют однокамерные очистные устройства, в которых детали чистятся во всех направлениях с помощью гибкой сетки, и непрерывные многокамерные. Используя эти устройства, процессы очистки, ополаскивания, травления и пассивации могут быть объединены с процессами сушки, антикоррозионной обработки в полный предварительный технологический цикл. Основные преимущества — высокая про¬изводительность и гарантированная безопасность.
   Количество и длина индивидуальных камер, используемых в оборудовании непрерывного процесса очистки разбрызгиванием, зависят от предварительного технологического цикла. Тип разбрызгивающего устройства зависит от функций различных камер. Плоские форсунки используются в камерах, где осуществляют очистку, обезжиривание и травление; полые конусообразные форсунки — для ополаскивания, пассивации и нейтрализации. Количество форсунок и их тип в основном определяются размерами и формами обрабатываемой детали. Необходимым условием для оптимальной работы такого очистительного оборудования является использование моющего средства, быстро превращающегося в эмульсию. Удаляя пену и фильтруя моющий раствор, его можно многократно использовать в течение длительного времени.

Продукты для очистки спреем
Очистка спреем, в отличие от очистки погружением, требует специального оборудования. Наиболее важной отличительной чертой при очистке спреем является пенообразование: моющие средства для очистки спреем содержат специальные деэмульгирующие комплексы, которые подавляют и пенообразование. Интенсивность пенообразования зависит от температуры, и минимальная рабочая температура приводит к эффекту самогашения пены. Это значит, что перед введением концентрата моющего средства воду для приготовления моющего раствора предварительно подогревают. Температура должна поддерживаться на том же уровне даже во время простоя, чтобы избежать проблем, связанных с пенообразованием, при запуске/перезапуске.

Ручная очистка. Очистка с помощью пароструйного оборудования и водяных моек высокого давления

Очистные стенды
Во многих цехах и на небольших производствах очистка металла ведется вручную с использованием щеток. В настоящее время используется ряд приспособлений для облегчения этой ручной работы и улучшения качества очистки. Вместо использования бочек с нефтепродуктами (керосином), щеток и ветоши для очистки применяются очистные стенды со шлангами для подачи чистящего раствора. Во многих случаях керосин заменяют высокоэффективными моющими средствами на водной основе, которые более пригодны для очистки восстановленных деталей.

Ручные распылители
Зачастую процессы очистки спреем используются при очистке автомобильных двигателей или стационарного оборудования и станков. Чистящий раствор распыляется на очищаемую поверхность. При высокой степени загрязнения поверхности обрабатываются неразбавленным моющим концентратом. Частицы загрязнения смывают сильной струей воды, очищенную поверхность сушат на воздухе. Процесс сушки ускоряется продувкой воздуха под давлением.

Пароструйные мойки или мойки высокого давления
Ручная очистка может производиться также с использованием пароструйных моек или моек высокого давления, в которых моющие средства применяются в виде водных концентратов. Моющее средство смешивается с водяным паром или водой и распыляется на очищаемую поверхность под высоким давлением. Температура и давление распыления выбираются в соответствии с условиями применения.

Очистка с использованием органических растворителей
К растворителям, используемым при очистке, относятся углеводороды, хлор- и хлорфторуглеводороды и некоторые другие вещества.

Хлор- и хлорфторуглеводороды
Недавно использование органических растворителей, особенно галоген-углеводородов, было затруднено из-за применения специальных мер безопасности на рабочих местах. Применяя специальные меры защиты для обслуживающего персонала, можно снизить вредное влияние таких растворителей. Наиболее важные соединения из этой группы — трихлорэтилен (трихлорэтен), перхлорэтилен (тетрахлорэтен), 1,1,1-трихлорэтан и хлорфторуглеводороды R 11 и R 113, которые также используются как хладагенты. Основными критериями их использования являются способность к растворению полярных соединений, быстрое высыхание на обезжиренных деталях, высокая взрыво- пожаробезопасность (по сравнению с чистыми углеводородами) и возможность регенерации простой дистилляцией. Дистилляция позволяет отделять чужеродные компоненты, однако необходимо учитывать, что температура кипения смеси увеличивается с растворением компонентов смазочных материалов, что в свою очередь ведет к ускорению процессов разложения, сопровождающихся образованием хлористого водорода при 120 °С для трихлорэтилена или при 150 °С для перхлорэтилена. Разложение растворителей, сопровождаемое образованием HCL, является одной из главных проблем при использовании хлоруглеводородов для очистки. Это разложение начинается зачастую при температурах, указанных ниже, так как растворенные чужеродные вещества (например, вода) действуют как катализаторы. Обычные растворители для очистки металла содержат эффективные стабилизаторы для предотвращения этого разложения, приводящего к коррозии. Поэтому важно, чтобы при дистилляции эти стабилизаторы смешивались с дистиллятом, а не оставались в отстойнике. Обычно ингибиторы добавляют для восстановления стабилизации, чтобы нейтрализовать процесс образования хлороводорода. Во избежание проблем, связанных с коррозией, при лабораторной оценке галогенсодержащих растворителей определяют кислотное число, рН водного экстракта или содержание хлоридов. Для мониторинга используются испытательные наборы.

Очистка углеводородными растворителями
Уайт-спирит, керосин, изопарафины — углеводороды, наиболее часто используемые при очистке металлов. Они дешевы, доступны, но пожароопасны, о чем необходимо помнить.

Применение моющих средств на основе растворителей
Очистка от окрашенных смазочных материалов с помощью растворителей создает определенные проблемы. После удаления пленки смазывающего материала растворителем твердые частицы, входящие в его состав, остаются на поверхности (см. Очистка водными растворами).
   Обычно растворители используют при комнатной температуре или, в закрытых системах, при температуре кипения растворителя (так называемая «очистка паровой фазой»). Паровая фаза, в которой очищается деталь, образуется в ванне при температуре выше точки кипения растворителя. Затем она копируется в чистый растворитель на холодной поверхности очищаемой детали до тех пор, пока температуры поверхности и растворителя не сравняются. Сконденсированный растворитель смывает масляную пленку с детали. Чистая деталь или быстро высушивается, или на короткое время погружается в ванну с растворителем, содержащим 1—5% антикоррозионного концентрата. Моющие средства на основе растворителей используют в основном для очистки сильно загрязненных или замасленных деталей после восстановления, например: двигателей, систем передач, больших механизмов. Эти средства состоят из углеводородов со специальными добавками. Они не горючи. Моющие средства на основе растворителей классифицируются как растворители и состоят из природных или синтетических углеводородов со специальными добавками, отвечающими требованиям применения, в частности повышению коррозионной стойкости или смачиваемости. В настоящее время моющие средства на основе растворителей не содержат ароматических соединений, что обусловлено требованиями эксплуатации. Моющие средства на основе растворителей используются при очистке погружением или разбрызгиванием. В зависимости от состава они могут быть использованы как концентрат для разбавления (керосином, водой и пр.) или как готовое моющее вещество. После очистки остатки этих средств смываются сильной струей воды. После использования водная эмульсия такого моющего средства легко разрушается, после чего масляная фаза остается в сепараторе, а водная уходит на дальнейшую обработку.

Моющие эмульсии
Моющие водоэмульсионные средства можно в некотором приближении считать аналогами охлаждающих водных эмульсий для металлообработки. Их концентрат состоит из минерального масла, синтетических углеводородов или органических жидкостей и содержит эмульгирующие и антикоррозионные присадки. Обычно содержание концентрата в моющей эмульсии составляет около 2% к воде. Их моющая способность зависит от смачиваемости очищаемой поверхности, что делает их применение удобным для использования в операционных промежутках. Подходящие СОЖ на водной основе с пониженным пенообразованием также могут применяться для этих целей. Остающаяся на поверхности пленка предохраняет черные металлы от коррозии.

Характеристики очистных ванн
С точки зрения снижения стоимости большое значение имеет срок службы очистных ванн. В моющих средствах на основе растворителей последние, как описано выше, восстанавливаются дистилляцией. Основные сложности вызывают характеристики процессов очистки с использованием воды. Кроме разработки новых составов моющих средств, в частности специальных моющих средств для очистки спреем с высокими деэмульгирующими характеристиками, применяют также физические методы повышения срока службы чистящих растворов. Они включают в себя очистку на масляных сепараторах, пеносъемниках, фильтрах или центрифугах для отделения механических примесей и тонкую фильтрацию. Использование этих методов обеспечивает не только отделение загрязнений, но и разделение компонентов моющих средств, которые могут быть использованы вторично. Ультрафильтрация облегчает отделение органических компонентов от воды. Неорганические соли остаются растворенными в воде. Этот метод пригоден и для обработки сточных вод. При вакуумной дистилляции растворов моющих средств (например, на пленочных испарителях) извлекается только водная фаза. Остаток после дистилляции содержит компоненты моющего средства и загрязнения, включая соли.

Роман Маслов.
По материалам зарубежных изданий.