超声波清洗在渗陶前处理工艺中的应用

陈立刚 上海铁路局上铁机务公司

方 杰 上海铁路局安徽铁道发展集团

1 前言

“复合陶瓷薄膜强化金属表面技术”目前已广泛应用机车柴油机摩擦副工件的表面处理，该技术能显著提高金属表面硬度、增强储油性、降低摩擦系数。在利用低温等离子化学气相沉积工艺（PCVD）进行渗陶处理前必须对工件进行除油清洗干燥，一般都用油类溶剂人工清洗作业，存在清洗成本高、消防安全压力大、作业效率低等诸多缺点。在渗陶工艺优化中，我们将超声波清洗技术引进到对工件清洗干燥作业过程，实现自动化除油作业。

2 技术方案

2.1 超声波清洗技术

超声波清洗技术，具有省力、高效和污染少等显著优点，在发达工业国家已得到了广泛应用，国内近年来超声波清洗技术也得到迅速地推广。其原理是利用超声波发生器产生的高于20 kHz的超音频电能，通过换能器转换成同频率机械振动传入清洗介质，超声波疏密相间地向前传导，产生无数的微小气泡，这些气泡是在超声波纵向传播形成“空化效应”。在空化效应中气泡破裂后产生超过10000个大气压的瞬时高压，连续不断产生的瞬时高压就象一连串小爆炸不断地轰击物体表面，使物体表面污垢迅速脱落，从而达到显著的清洗效果，并且这种效果可随液体到达被清洗物体的所有表面，这是手工洗刷、机械擦拭等常规手段所无法达到的。与传统清洗方式相比，超声波清洗因其具有环保、节水、高效、低成本、低腐蚀等特征，具有广阔的开发和应用前景。

超声波清洗技术在初期由于设备造价昂贵，主要应用于镜片加工、电子元件、金属精密件的清洗，近年来随着技术升级设备性能完善，逐步替代传统的机械清洗和化学清洗，进入整机装配、机械大部件的清洗领域，在铁路机车检修行业应用也不断扩大。

2.2 清洗流程

影响超声波清洗效果的主要因素有超声波的频率、功率、清洗时间和温度，理论上超声波的频率越高功率越大，清洗除污能力越强，但同时超声波对工件的表面物理伤害和腐蚀强度也在增加，因此，在设计超声波清洗工艺时，需要根据清洗对象材料性能，结构特点设计不同的清洗流程。

合肥金陶公司渗陶加工前处理工艺主要是去除渗陶母体表面的防锈油涂层，油污程度不是很多；渗陶母体材料主要为金属合金铸件，除油后在水中很容易上锈。根据这些特点，我们在超声波清洗水介质中添加适量的金属防锈剂，清洗后增加及时烘干步骤。超声波清洗工艺主要过程如图1。

图1 清洗工艺流程图

整个清洗工艺以自来水为清洗介质，设计两遍超声波清洗，便于油污的及时去除和漂洗，根据需要在水槽中可适量添加化学清洗剂，浸泡槽主要起防锈处理减低工件表面电解质，最后经热风烘干后可直接进入渗陶加工炉。

2.3 设备结构参数

根据金陶公司渗陶加工线的工作量和工件外形尺寸，超声波清洗设备设计为四槽串联清洗工作线，以受可编程逻辑控制器（PLC）指挥的单臂小车操作清洗篮在清洗槽间移动，实现自动化清洗作业。本设备外观结构美观大方，自动化程度高，清洗效率高，适合大批量连续清洗生产。清洗设备外观如图2。设备主要技术参数如表1。

图2 清洗设备外观图

表1 设备主要技术参数图

3 应用效果

本套超声波自动清洗线自2012年6月投入金陶公司渗陶加工线使用，已完全取代以前的人工溶剂清洗作业，与以前的清洗方式相比具有明显优势。

（1）用自来水替换易燃溶剂油为清洗介质，大大减轻了消防压力，清洗间也一级防火防爆区域降为一般防火区域，以前每月500 kg的优质汽油自然取消，节约了清洗费用。

（2）实现了工件除油自动化作业，工人的作业强度大为降低，以机械化连续作业清洗效率极大改善，以前渗陶工件必须提前一个工作日清洗烘干，现在清洗渗陶可在一个班次中完成。同时清洗过程无人体接触，减少了化学药剂对人体的伤害。

（3）作为清洗介质的自来水可以循环利用，减轻污染排放的压力，避免了以前清洗废汽油二次处理的难题。

（4）与传统清洗方式相比，对盲孔和各种几何状物体，超声波清洗具有绝对优势，可以对人工或机械接触不到的地方进行深度除污。

（5）经过多次现场对比检验，改为超声波清洗后对金属工件的渗陶加工效果没有负面影响。

4 结束语

以二次超声波清洗为核心而设计的金属工件除油清洗线在合肥金陶公司应用取得了良好的效果，替代工件渗陶前的除油清污人工作业，在清洗效率和安全生产方面都带来了极大的改善。铁路机车车辆检修中涉及除油清污作业的要求很多，本次设计的超声波清洗工艺在机车车辆大部件清洁作业中具有推广意义。