基于换能器金属表面清洁效果的检测方法研究

谢程锋，徐 匡，张 权，黄丽蓉

(中国船舶重工集团公司第七一五研究所，浙江 杭州 310018)

换能器金属零部件在装配之前应进行彻底的清洗，其目的在于：1)保证换能器的绝缘强度，使换能器通电电路中有良好的导电性；2)安全的机械强度，特别是粘接、密封强度。换能器金属零部件表面不同程度地粘有的油性污垢是一种有机类污垢，主要由金属零部件加工过程中的乳化液(烷基、烯基、炔基、羧基、酯基、磺酸钠等)、机油(烷基、苯基等)等油污组成；目前，中国船舶重工集团公司第七一五研究所主要采用有机溶剂完成油性污垢的清洁处理，清洁处理后未进行及时有效的检测，而是基于后续粘接效果进行判别，不能及时发现、避免清洁不充分的金属零部件流入装配环节，造成装配产品不必要的浪费，且存在一定的质量隐患。在此，基于金属表面清洁效果所涉及的各种检测方法进行适应性研究，判断其在换能器金属零部件表面清洁效果检测的应用效果，供金属零部件清洗行业相关人员参考。

为使所研究的清洁效果检测方法严谨有效，充分参考国家标准(GB/T 35759—2017《金属清洗剂》、GB/T 15254—2014《硫化橡胶与金属粘接180°剥离试验》)及清洗行业的新兴检测方法(荧光值的测量、达因值测量)，应用现有成熟方法及新方法完成本次换能器金属零部件表面清洁效果检测方法的探究。

1 应用研究

1.1 净洗力测量

净洗力测量[1]主要根据GB/T 35759—2017《金属清洗剂》[2]进行本次测量试验(试验流程如图1所示)，其原理是使用清洗剂清洁试片上的人工油污时会有一定的油污残留，通过测量试验前后的质量可以判断油污清洁的程度。

人工油污配制：根据GB/T 35759—2017《金属清洗剂》制备用于净洗力试验的人工油污，由石油磺酸钡、羊毛脂镁皂、羊毛脂、工业凡士林、20号机械油、30号机械油、钙剂润滑油及氧化铝组成。

净洗力测量试验采用单因素对比法，除金属材料种类不同外，其他试验操作均相同，选用45钢、TC4和321这3种材料各4片试片进行该试验。

按照净洗力测量试验流程图开展试验，经试验称量得到各阶段的试片质量。净洗力(ω2)用洗去油污的质量分数表示，按式1计算获得某清洗剂针对不同金属的净洗力情况，详见表1。

图1 净洗力测量试验流程图

(1)

表1 净洗力试验情况表

根据GB/T 35759—2017《金属清洗剂》净洗力试验的结果评定标准，即在试片的平行试验所得净洗力计算值中，应至少有2片的数值相差不超过3%，由此可知表1各类金属材料所测数据结果有效，可判断该清洗剂针对不同金属表面的清洁效果，即利用净洗力测量可直观地判断表面清洁程度，净洗力越大，表面越洁净；受限于净洗力测量检验耗时较长，且因试样标准化要求导致无法在产品生产阶段予以应用，只能在实验室内作为校验其他方法用。

1.2 粘接强度测量

粘接强度测量主要根据GB/T 15254—2014《硫化橡胶与金属粘接180°剥离试验》[3]进行本次测量试验(试验流程如图2所示)，其原理是通过测量橡胶与金属之间的粘接强度来判断金属表面油污清洁程度、表面粗化程度等是否满足要求。

图2 粘接强度测量试验流程图

粘接强度测量试验采用单因素对比法，除金属材料种类不同外，其他试验操作均相同，选用45钢、TC4和321这3种材料各5片试片进行该试验，按粘接强度测量试验流程将试片制成待测量状(见图3)。

图3 粘接强度测量试验试片硫化后示意图

根据GB/T 15254—2014《硫化橡胶与金属粘接180°剥离试验》规定，使用拉力试验机在相同条件下分别对2种清洗剂处理后所制试片进行粘接剥离测量，并利用画等高线方法取其剥离曲线上力的平均值作为试片的平均剥离力，同时读取每个试片剥离曲线上的最大剥离力、最小剥离力。橡胶与试片粘接的剥离强度可通过式2计算得出，具体试验数据详见表2。

(2)

式中，σb是橡胶与金属粘接剥离强度，单位为kN/m；C是剥离曲线的负荷坐标单位长度所代表的力，单位为N/cm；H是剥离长度内剥离曲线的平均高度，单位为cm；B是试片粘接面的平均宽度，单位为mm。

表2 粘接强度剥离力情况表

根据GB/T 15254—2014《硫化橡胶与金属粘接180°剥离试验》完成粘接强度测量，在其他因素不变的基础上，金属表面清洁程度越高，其与橡胶粘接越牢靠，即粘接强度越大；故粘接强度测量可作为评价换能器金属表面清洁效果的佐证手段。

1.3 达因值测量

达因值是一种通俗叫法，准确地说应该是表面张力系数，主要是表述表面张力的大小[4]；达因值测量利用达因笔完成，达因笔是试片表面张力的专用测试工具，通过判断痕迹是润湿了基材表面还是收缩成水珠获得达因值，达因值越高表明表面张力越大，即材料表面越洁净，达因值测量流程如图4所示。当一滴液体与固体表面接触后，接触面会自动增大的过程，即所谓的浸润，它是液体与固体表面接触时发生的分子间相互作用的现象；液体的浸润主要是由表面张力所引起的，液体与固体都有表面张力，对液体称为表面张力，而固体称为表面能，常用符号γ表示。达因值测量原理示意图如图5所示，图5中，γL为液体的表面张力，γS为固体的表面能，γSL为固体和液体之间的界面张力，θ为接触角。接触角θ是通过固、液、气三相交点所作液滴曲面切线与液滴接触固体平面的夹角。由图5可见，固体的表面能使液滴铺展开，而液体的表面张力则使液滴收缩，液体对固体表面浸润性和固体的表面能与液体的表面张力有着直接的关系。

图4达因值测量试验流程图

图5 达因值测量原理示意图

按照达因值测量试验流程图开展试验(见图6)，测量不同清洗方式下的试片达因值，所得数据详见表3。

图6 达因值测量过程示意图

表3 不同清洗剂浸泡清洗后的试片达因值

根据图6及表3数据可知，利用达因值可测量试片表面达因值(表面张力)，通过达因值测量反映换能器金属表面清洁效果，达因值越大，表面越洁净；受限于达因值测量检验产品过程中导致产品的二次污染，故不宜在产品生产阶段予以应用，只能在实验室内作为校验其他方法用。

1.4 荧光值测量

荧光值测量[5]利用表面清洁度仪(见图7)完成。表面清洁度仪是通过荧光法对金属表面上的污染物进行测试，其可查出金属表面诸如油渍、油脂、冷却润滑液以及蜡等污染物，即因油渍、油脂、冷却润滑液以及蜡等污染物的荧光特性，通过一个含紫外光波(365 nm)的LED灯照射，污染物将辐射出荧光，通过对特定波长(460 nm)的荧光探测，表面清洁度仪即可实现污染物的探测(见图8)，且仪器探头里的光电二极管负责测量荧光的强度，荧光值越大表示污染越大，反之越洁净。荧光值测量流程如图9所示。

按照荧光值测量试验流程图开展试验，测量不同清洗时长条件下的试片荧光值，所得数据如图10所示。

图7 表面清洁度仪示意图

图8 SITA表面清洁度仪原理图

图10 荧光值测量试验流程图

图10中，随着浸泡时间的增长，荧光值呈现先快速下降再趋于平缓；经分析，当试片放置于清洗剂中清洗时，表面机油油污溶解于清洗剂中，随着浸泡时间的增长，溶解程度越高(易溶区域快速溶解，极难溶解的孔洞区域缓慢溶解)，且溶解的油污随时间的增长更加均匀地分布在清洗剂之中，因此，图10整体呈现随浸泡清洗时间的增长金属表面荧光值先快速下降再趋于平缓。由此表明，通过荧光值测量可反映换能器金属表面清洁效果，荧光值越小，表面越洁净。受益于表面清洁度仪的使用便携性及测量准确性，可在产品生产阶段、实验阶段予以广泛应用。

2 结语

目前，应用于金属表面清洁程度的检测技术日趋多样，而国内外对换能器金属表面清洁程度的检测技术研究较少。本文概述了净洗力、粘接强度在换能器金属表面清洁效果的检测应用，并对新型检测方法的达因值、荧光值的检测应用效果进行了详细介绍，肯定了荧光值检测的突出优异性。该研究为本所换能器金属表面清洁效果检测提供了一种新的方向，为提升换能器的质量贡献了一份力量，也希望能为工程人员提供换能器金属表面清洁效果检测方法方面的参考。