环保型真空清洗技术在热处理中的应用

李亚萍 徐小芳 王亚齐

摘  要：清洗是零件热处理前和热处理后必不可少的一道辅助工序，航空领域对零件的热处理质量要求更为严格，热处理清洗的效果好坏会直接影响到零件的使用性能、质量、寿命以及一致性与可靠性等。针对传统清洗工艺清洗效果差，污染环境和危害人身安全等问题，环保型有机溶剂真空清洗技术采用洗净能力强且可循环再生的碳氢溶剂/改性醇作为清洗剂，结合真空清洗和超声清洗，可提高零件表面质量，提升清洗效率，减少污染物排放，实现绿色高效清洗。

关键词：再生溶剂   真空清洗  绿色清洗  热处理

中图分类号：TG155

Application of Environmentally-Friendly Vacuum Cleaning Technology in Heat Treatment

LI Yaping  XU Xiaofang  WANG Yaqi

（Aviation Manufacturing Technology Research Institute， Shanghai Aircraft Manufacturing Co.， Ltd.， Shanghai， 201324 China）

Abstract： Cleaning is an essential auxiliary process before and after the heat treatment of parts. The aviation industry has stricter requirements for the quality of the heat treatment of parts， and the effect of heat treatment cleaning directly affects the use performance， quality， life， consistency and reliability of parts. For the problems that traditional cleaning processes have poor cleaning effect， pollute the environment and do harm to personal safety， the vacuum cleaning technology of environmentally-friendly organic solvent uses hydrocarbon solvent/modified alcohol that has the strong cleaning ability and is renewable as the cleaning agent， and is combined with vacuum cleaning and ultrasonic cleaning， which can improve the surface quality of parts， improve cleaning efficiency， reduce pollutant emissions and achieve green and efficient cleaning.

Key Words： Renewable solvent; Vacuum cleaning; Green cleaning; Heat treatment

1  發展背景

清洗是零件热处理前和热处理后必不可少的一道辅助工序，航空领域对零件的热处理质量要求更为严格，热处理清洗的效果好坏会直接影响到零件的使用性能、质量、寿命以及一致性与可靠性等，尤其是对清洁度较为敏感的化学热处理和真空热处理。热处理中的清洗分为前清洗和后清洗两类，所清洗的污染物也不同，一是前道工序带来的乳化液、切削液、防锈油等；另一类是热处理淬火工序带来的淬火油等。如果零件表面上的油污不清洗干净而是直接进入热处理设备内，则会在热处理过程中加热挥发和燃烧，污染设备环境，进而造成车间空气污染。

目前热处理清洗大多采用水基清洗或有机溶剂清洗，水基清洗存在的主要问题是清洗力不足，且不易干燥，易在零件上留下锈迹和斑点。而有机溶剂清洗依然存在着大量手工清洗的落后工艺，不仅危害环境还对操作人员的生命健康造成威胁[1]。另外，传统的水基清洗或有机溶剂清洗都会消耗大量的清洗剂，环境污染严重，废液排放压力大，清洗工序已成为目前热处理行业主要的污染源。而环保型有机溶剂真空清洗技术可以解决目前热处理清洗工艺存在的能耗高、污染重以及安全方面的不足。

环保型有机溶剂真空清洗技术采用碳氢溶剂/改性醇作为清洗剂，对热处理后污染物淬火油和热处理前污染物切削液和防锈液等都具有很强的溶解能力，结合真空减压和超声空化[2]，可以对零件表面进行全方位的清洗，尤其是对盲孔、缝隙等不易清洗的死角结构。另外，碳氢溶剂/改性醇的馏程短，便于蒸馏回收，可以实现溶剂的循环再生利用，并且再生溶剂的纯度都可以达到99%以上，消除了以往的溶剂型清洗机在环保、安全、健康等方面的隐患，不会产生任何有害烟气，无污液排放；设备能源消耗少，溶剂消耗少，更加节约能源 [3] 。因此，环保型有机溶剂真空清洗技术是一种清洗效果好、安全性能高且清洗效率高的绿色环保清洗技术。

2  应用现状

碳氢[4]、改性醇化合物溶剂清洗剂因其良好的洗净能力及环保性能，克服了常规清洗的缺点，正逐步为热处理界所提倡和应用。日本有研究人员利用真空干燥技术，依据碳氢化合物清洗剂高沸点和低闪点的特点，取得了良好的清洗效果。他们提出的超声波真空清洗工艺，得到了众多企业的喜爱，环保型有机溶剂真空清洗技术已在日本广泛应用。目前，国内研究超声波清洗技术的科研单位和企业也越来越多，中国科学院声学研究所的林忠茂等人对超声波碳氢真空清洗的原理和特点进行了深入研究[5]。深圳波达公司的陈康宗、李忠德等人对引自日本的真空清洗技术的特性做了详细介绍，并分析了碳氢真空清洗技术在中国的现状和应用前景[6，7]。

当前我国飞机零件热处理前、后的清洗仍然采用传统的化学清洗剂，依然存在着手工清洗的落后生产工艺，生产效率低下且污染排放压力大。随着我国经济发展和科技进步，环境保护等相关要求的贯彻，落后的清洗工艺将注定被淘汰。环保型有机溶剂真空清洗技术可以克服溶剂清洗对环境的破坏，是一种极有发展前景的清洗技术[8-10]。

3  环保型有机溶剂真空清洗工艺

为实现绿色、高效、环保清洗工艺，环保型有机溶剂真空清洗工艺需要清洗设备除了主体结构之外，还具有清洗及储液系统、溶剂循环蒸馏再生系统、真空系统、冷却系统、电气控制系统、安全系统等，同时使用碳氢化合物或改性醇醚作为清洗剂，对污染物具有很强的溶解能力、挥发物量少、对环境污染小，通过在真空状态下清洗液及蒸汽能够对被处理件表面进行全方位的充分清洗，即使是对带有盲孔或凹槽等的工件也有很好的清洗效果。清洗后，溶剂和清洗下来的油污混合物，在真空蒸馏罐内通过水间接加热，使低沸点的溶剂大量快速挥发，再在热交换器冷却水冷凝下重新变成液态。这其中蒸汽通过特殊处理装置，可将带入油内的氯化物、硫化物等杂物分解去除。溶剂再生回收率99%以上，再生溶剂纯度99%以上，清洗效率高，每次残留物挥发<1%，可连续清洗，并且溶剂的清洗能力不下降。

环保型有机溶剂真空清洗工艺在清洗剂的清洗能力外还结合了真空清洗和超声清洗，通过真空循环喷洗、真空蒸汽浴洗和真空超声清洗，可极大地提高清洗效率，并对密集装料、结构复杂的零件有较好的清洗效果，最后通过真空干燥，不易在零件表面留下锈迹或斑点。在普通清洗的过程中，清洗槽的液体中会有大量的残留气体，气体含量一般是水的8～10倍，这增强了超声波传播的衰减。含有气体的空化气泡会降低空化强度，进而降低了超声的空化效果和清洗效果。而使用真空清洗工艺时，清洗室会自动关闭，真空系统开始工作，抽出清洗室内的所有空气，使整个清洗室处于真空状态，盲孔、缝隙和清洗剂中的气体也被全部抽出，然后启动超声，可起到更好的清洗效果。

影响清洗效果的工艺参数有超声功率、转动幅度、清洗温度等，为保证超声频率和能量密度不损伤零件，清洗机厂商通常将清洗机的超声功率设置为不可调节。选用长沙艾森设备维护技术有限公司ES-406通用环保型清洗剂，主要成分是碳氢化合物异构烷烃和改性醇醚进行环保型真空清洗试验。污染物选用热处理工艺生产中具有代表性的淬火油、防锈油和切削液，开展清洗温度对铝合金、钛合金和不锈钢等不同材料清洗效果的研究。试验材料如表1所示。

清洗工艺流程设置为粗洗（超声清洗120 s）、精洗（超声清洗120 s）、蒸汽浴洗（180 s）、真空干燥（120 s），清洗温度分别设置为60 ℃、65 ℃和70 ℃，铝合金、钛合金和不锈钢等不同材料上的淬火油、防锈油、切削液清洗效果如表2所示。在60～70 ℃范围内对试验件进行清洗后，目测无污染物，完全干燥，用抹布擦拭后，抹布洁净无污染物，用达因笔对材料进行检测，发现铝合金、钛合金和不锈钢试验件的达因值均可达到38，清洗效果良好。清洗工艺流程可根据需求进行调整，如：真空一次循环喷洗+真空二次循环喷洗+真空超声波清洗+真空三次循环喷洗+真空超声清洗+真空蒸汽浴洗+真空干燥。清洗时还可根据需要选择转速和摆动幅度，可有效清洗盲孔和导管类零件。

考虑到目前的生产条件，热处理前后，带有污染物的零件有可能是放置较长时间才进行清洗的，这就使得零件表面的污染物状态可能会发生改变，清洗剂的主要成分是碳氢化合物和改性醇醚等有机溶剂，淬火油和防锈油等有机污染物的状态对清洗效果一般没有影响，故只针对切削液的状态对清洗效果的影响进行进一步探究。取两块相同的钛合金试片，试片1表面滴上纯切削液过夜18 h，待切削液变为干燥状态。而在试片2表面滴上湿润的切削液，两块试片同时清洗，清洗效果如图1a和1b所示，试片1表面存在肉眼可见的白色痕迹没有清洗干净，而试片2表面目视无污染物，用揩布擦拭后，揩布洁净，达因值可达到38，这证实了污染物状态会影响零件的清洗效果。在后续的零件制造中，应注意零件表面污染物状态，以避免因污染物干燥而造成清洗效果下降。

4  结语

環保型真空清洗技术可采用真空/超声复合清洗，可根据热处理零件的油污程度、形状、清洗所要达到的洁净度等情况自由设定清洗方式和处理时间，获得了更好的清洗效果，提高了清洗的效率。采用碳氢或改性醇化合物作为清洗溶剂，在完全密闭条件下对零件进行真空/超声复合清洗，清洗剂可以实现封闭条件下的回收和重复利用，完全消除了由于空气的存在而导致爆炸的可能，更加节能环保，实现了高品质的清洗。将环保型有机溶剂真空清洗技术应用于航空领域，在提高清洗质量和效率，减少污染的同时，也极大地促进了热处理工艺装备水平的提高，有着良好的经济效益和社会效益。

参考文献

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[2]叶朋，赵春，丁勇，等.非定制超声波清洗机清洗效率提升方法[J].航空精密制造技术，2022，58（2）：35-39.

[3]朱文明.VCH真空溶剂清洗机及其在热处理生产线上的应用[J].金属热处理，2008，33（11）：119-123.

[4]朱剑，聂蕾，宋振坤，高春锋，桂林.航天产品绿色清洗工艺技术应用实践研究[J].机电工程技术，2021，50（8）：254-294.

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[6] 陈康宗，李忠德.碳氢真空清洗技术的研究应用与展望（上）[J].清洗世界，2005，21（2）：16-19.

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[10]涂林鹏.机车电气线路超声波清洗[D].南昌：华东交通大学，2021.