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1.前言
由于近幾年來汽車的性能不斷提高，采用減少污染環(huán)境的新技術(shù)，汽車制造工藝的質(zhì)量管理顯得極為重要，與質(zhì)量管理有關(guān)的清洗工藝的重要性越來越突出。
特別是破壞臭氧層物質(zhì)（ODS）的清洗劑氟里昂（CFC-113）以及1，1，1-三氯乙烷（TCA）面臨被淘汰。根據(jù)蒙特利爾議定書， 必須全面禁止使用的領(lǐng)域不僅僅局限于汽車精密零部件，電子精密零件制造工藝的清洗工藝也需要重新制定。
作為CFC-113和TCA的替代品，開始使用是以含氯溶劑為首的水基清洗劑、半水基溶劑、氟里昂的替代品以及碳氫化合物溶劑等。可是，無論哪種清洗劑都有其長處和短處，因此，徹底替代CFC-113和TCA的溶劑還比較遙遠。表1是這些清洗劑的匯總表。
表1 替代清洗劑
含氯溶劑 三氯乙烷（TCE）、二氯甲烷（MC）
含溴溶劑 2-溴丙烷（2PB）、1-溴丙烷（nPB）
含氟溶劑 HCFC、HFC、PFC、HFE
碳氫化合物溶劑 標準鏈烷、異鏈烷、環(huán)烷
含醇溶劑 IPA、乙醇、高分子醇
半水基溶劑 高分子醇（碳氫化合物）+界面活性劑+水
水基清洗劑 堿皂化、界面活性劑、純水、功能水
從表1中選擇替代清洗劑時，關(guān)鍵要考慮“清洗性”、“環(huán)保性”和“經(jīng)濟性”。
“清洗性”系指除污力、防止再次粘附污物和干燥性。“環(huán)保性”系指作業(yè)環(huán)保和地球環(huán)保。“經(jīng)濟性”系指購買清洗設(shè)備的成本和清洗劑以及設(shè)備的運行費用。
因此、，在對替代清洗劑進行比較時，一定要充分分析這些因素。下面，就以替代清洗劑中的碳氫化合物溶劑為例，針對上述因素和技術(shù)加以介紹。
2.替代清洗劑的比較分析
(1) 替代清洗劑的清洗性
清洗汽車精密零件時，要對各種形狀的零件進行清洗和干燥。因此，替代清洗劑的表面張力、沸點和蒸發(fā)潛熱的特性是重要因素。表2表示主要替代清洗劑的典型特性。
表2 主要替代清洗劑的典型特性
表面張力 沸點℃ 蒸發(fā)潛熱cal/g
HCFC225 16.2 54 34.6
HFE 13.6 61 30
水 72.7 100 539.8
碳氫化合物溶劑 21.1 ~170~ 66
IPA 20.8 82.3 161.8
二氯甲烷 28.5 39.8 78.7
NPB 25.9 71 58.8
汽車的精密零件形狀各異，有細孔、窄縫、甚至零件和零件重疊在一起的情況，表面張力小的清洗劑的清洗效果好。另外，沸點和蒸發(fā)潛熱小，干燥零件的耗能也少。如果干燥的能源一定，沸點和蒸發(fā)潛熱小的，干燥的時間短。
用清洗劑去污，結(jié)果污物混入清洗劑中，該污物又粘附在已清洗的零件上。為防止零件再次被污物污染，混有污物的清洗劑需要經(jīng)常保持一定程度的清潔度。保持清潔度的方法有：利用清洗劑與加工油等的污物沸點不同、比重不同以及分子大小不同等特性，進行分離。
由于水的蒸發(fā)潛熱大，采用油水分離裝置凈化。該油水分離裝置是利用油和水的比重不同的特點。采用膜凈化，防止污物再次粘附到零件上。膜凈化是利用分子大小不同的原理。
水以外的其它替代清洗劑，由于蒸發(fā)潛熱小，采用蒸餾再生裝置凈化，防止再次被污物污染。蒸餾再生裝置是利用沸點不同的原理。如果碳氫化合物溶劑或高分子醇溶劑的沸點高，要采用減壓蒸餾再生裝置進行凈化。
（2）替代清洗劑的環(huán)保性
破壞臭氧層的物質(zhì)（ODS）清洗劑--- 氟里昂（CFC-113）和1，1，1-三氯乙烷（TCA），為保護環(huán)境正在被禁止使用，所以，地球環(huán)保和操作環(huán)境環(huán)保成為最重要的課題。表3表示主要替代清洗劑對環(huán)保的影響。
表3 主要替代清洗劑對環(huán)保的影響
對地球環(huán)保的影響 對作業(yè)環(huán)境的影響
HCFC225 破壞臭氧層 -
HFE - -
水 - -
碳氫化合物溶劑 - 可燃性
IPA - 可燃性
二氯甲烷 - 毒性
NPB 破壞臭氧層？ 毒性？
？：正在調(diào)查中
表3明確指出其中的含氯溶劑和含溴溶劑對人體有毒，部分含氟溶劑破壞臭氧層，使地球變暖。部分半水基溶劑和水基清洗劑，存在廢水處理以及影響環(huán)境的荷爾蒙問題，碳氫化合物溶劑和含醇溶劑有可燃性的問題。
(3) 替代清洗劑的經(jīng)濟性
和CFC-113、TCA一樣的3槽式低沸點溶劑蒸氣槽價格最便宜，水性或高沸點溶劑的熱風多槽式的價格中等，水性或高沸點溶劑的真空干燥裝置最貴。設(shè)備的運行成本，主要取決于清洗劑的價格和清洗劑的使用量。表4是主要替代清洗劑的經(jīng)濟性匯總表。
表4 主要替代清洗劑的經(jīng)濟性
購買清洗設(shè)備的成本 清洗劑的成本 清洗劑的使用量
HCFC225 便宜 貴 中等
HFE 便宜 貴 中等
水 便宜 便宜 中等
碳氫化合物溶劑 中等、貴 便宜 少量
IPA 中等、貴 便宜 中等
二氯甲烷 便宜 便宜 中等
NPB 便宜 便宜 中等
（4） 替代清洗劑的選擇
各種替代清洗劑都有其長處和短處。在“清洗性”方面，水基清洗劑多少有些難度。在“環(huán)保性”方面，含氯溶劑和含溴溶劑對環(huán)保的影響比較大，碳氫化合物溶劑也存在可燃的問題。在“經(jīng)濟性”方面，含氟溶劑的價格最貴。
3. 碳氫化合物溶劑的清洗技術(shù)
如何有效利用具有優(yōu)缺點的替代清洗劑，關(guān)鍵在于采用清洗效果與CFC-113和TCA同等以上的清洗系統(tǒng)。除可燃性外，應(yīng)采用不影響環(huán)保的使用碳氫化合物溶劑的清洗系統(tǒng)。
（1） 清洗性
碳氫化合物溶劑的凈化技術(shù)，和CFC-113、TCA一樣，利用加工油等高沸點的污物與碳氫化合物溶劑的沸點不同的特點，通過蒸餾再生可以進行分離。和CFC-113和TCA相比，由于碳氫化合物溶劑的沸點高、可燃，需要在減壓狀態(tài)下進行蒸餾再生。蒸餾鍋在減壓狀態(tài)下，經(jīng)常處于沸騰狀態(tài)，被蒸發(fā)的碳氫化合物溶劑在冷凝器中冷凝液化、回收。沒有蒸發(fā)的高沸點污物留在蒸餾鍋里，與清洗劑分離。采用這種蒸餾再生系統(tǒng)，清洗劑能夠保持清潔狀態(tài)。
碳氫化合物溶劑的干燥系統(tǒng)有熱風干燥系統(tǒng)和真空干燥系統(tǒng)。高沸點、可燃的碳氫化合物溶劑，采用真空干燥方法干燥的時間短。為更有效地進行真空干燥，有必要使被清洗物具有充分的熱量。
在大氣壓下（760mmHg）的沸點為170℃左右，減壓狀態(tài)下（100mm Hg）的沸點為110℃左右。如同CFC-113和TCA的蒸氣清洗，在100mm Hg的減壓狀態(tài)下進行蒸氣清洗時，在清洗物表面上冷凝的碳氫化合物溶劑的液體溫度為90℃左右。蒸汽清洗還有最終漂洗的作用，因此，對精密零件的清洗來講，是不可缺少的。
真空干燥時，隔絕溶劑蒸氣，將真空度提高到10 mm Hg左右。根據(jù)圖1的蒸氣壓力曲線，真空度為10 mm Hg時，碳氫化合物溶劑沸點大約在60℃左右。此時，在大約90℃時粘附的溶劑，由于超過沸點，變成崩沸狀態(tài)，就連小的盲孔也能迅速干燥。因此，使用高沸點的可燃性溶劑，進行減壓蒸氣清洗和真空干燥，就可以達到與CFC-113或TCA等低沸點難燃性溶劑同樣的清洗效果。
和低沸點難燃性的溶劑一樣，真空系統(tǒng)是高沸點可燃性溶劑技術(shù)的具體體現(xiàn)。
(2) 環(huán)保性
碳氫化合物溶劑對作業(yè)環(huán)境的影響，主要是可燃性的問題。為使碳氫化合物溶劑和CFC-113同樣使用，必須消除可燃的危險性。燃燒的3要素為空氣、可燃物和著火源。
在可燃性的液體表面，存在靠液體本身的溫度蒸發(fā)生成的氣體。該氣體就是所謂的可燃性氣體。隨著液體的溫度不斷上升，產(chǎn)生的可燃性氣體量也逐漸增多。如果將著火源移到某處，該處就會引燃。測量此時的空氣和可燃性氣體的比例，此時的濃度稱為燃燒下限值，液體的溫度稱為引火點。
空氣中通常含有21%的氧氣。空氣中的氧氣濃度高，燃燒速度快，相反，氧氣濃度低，燃燒速度慢，15%的氧氣濃度為燃燒的最低濃度。這意味著氧氣濃度超過15%，在某范圍內(nèi)存在可燃性氣體（可燃性氣體超過引火點）時，一旦產(chǎn)生燃燒用的足夠能量，就會引起燃燒（爆炸）。
“著火源”的狀況有各種各樣，主要有機械火花、電氣火花和靜電火花。機械火花在接觸硬金屬時產(chǎn)生。電氣火花指馬達的整流子、開關(guān)的開閉、保險絲、配線和設(shè)備短路時產(chǎn)生的火花。靜電火花是不良導(dǎo)體或沒有接地的良導(dǎo)體中積存的電荷，移動時放電產(chǎn)生的。異種物體接觸和分離時積存電荷，當電場超過臨界值時電荷移動。具體來講，在配管中流動，液體中噴射、噴洗和送風時，產(chǎn)生靜電。
燃燒的3個條件指空氣、可燃物和著火源。在這3個條件中，如果能完全控制一個條件，就決不會燃燒。
可燃物的防爆處理其一是控制在引火點以下。一般的控制溫度是引火點－15℃。防爆處理是防止泄露和流出來。容器和配管等，因振動和腐蝕等原因出現(xiàn)破損、龜裂、松弛，存在可燃物流到外部的危險，一旦流出來，會導(dǎo)致危險場所迅速擴大的問題，因此，要采取充分的措施。作為對策，整個液體采用雙重罐，或者設(shè)置在排液托盤上。
空氣的防爆處理是指控制氧氣濃度和可燃性氣體濃度。通常，可燃性氣體的濃度控制在燃燒下限濃度的1/4以下。使用可燃性液體的清洗槽要罩起來，并且設(shè)置空氣的送風口和排風口。混有可燃性氣體的氣體，要強制排風將其排到室外，以防可燃性氣體的濃度增高。強制排風的確認，利用微壓差傳感器，排風量利用排風風機和風調(diào)節(jié)閥控制。燃燒的最低氧氣濃度為15%以上。因此，有效的方法是充氮氣，減少氧氣的濃度。在減壓狀態(tài)下，使用碳氫化合物時，如果壓力低于100mmHg，燃燒的上限和下限迅速靠近，火焰不蔓延，也不燃燒。為確保使用碳氫化合物100%的安全，需要采用表5中的任意一個系統(tǒng)。
表5 完全防爆
減壓密閉型 燃燒臨界壓力以下（真空泵）1.33×10000Pa（100torr）以下
置換密閉型 臨界氧氣濃度以下（充氮氣）10vol%以下
在“著火源”一項中，首先，要避免電氣設(shè)備產(chǎn)生火花，無法避免時，應(yīng)盡量不要接觸可燃性氣體。在危險場所使用的電動機，要采用加強安全防爆結(jié)構(gòu)型或加強耐壓防爆結(jié)構(gòu)型。控制盤和超聲波振動器等，一般采用氮氣吹掃、空氣吹掃式的增強內(nèi)壓防爆結(jié)構(gòu)型。其次，電氣加熱器的熱量是著火源。電氣加熱器放置在液體中，加熱器表面脹污導(dǎo)致溫度升高，可燃性氣體倒灌到熱風發(fā)生機的熱交換加熱器里，有可能引起燃燒。因此，一般不用電氣加熱器加熱，而是采用蒸汽或熱液壓油的間接加熱方式。
表6 安全規(guī)格
加熱機構(gòu) 間接加熱（蒸汽、熱液壓油）
電動機構(gòu) 加強安全防爆規(guī)格
連鎖機構(gòu) 溫度、流量、液面、氣體濃度、真空度等
超聲波振動器 內(nèi)壓防爆規(guī)格
控制盤 內(nèi)壓防爆規(guī)格
自動滅火系統(tǒng) 二氧化碳、泡沫滅火劑
防火擋板 滅火氣體壓力連動
還有一個重要的著火源是靜電。不同種類的物體在接觸和分離時肯定會產(chǎn)生靜電，不可能完全沒有靜電。噴淋清洗時，如果液態(tài)狀的流體從噴嘴噴出時的液體粒子直徑大，帶電荷量就少，因此，要盡量降低噴洗的壓力。
“防爆清洗裝置”應(yīng)具有表6所示的一般安全規(guī)格。避免加熱機構(gòu)、電動機構(gòu)、超聲波、控制盤等成為著火源。真空解除、連鎖機構(gòu)、排風機構(gòu)等，不要設(shè)置在燃燒范圍內(nèi)。采用這種防爆系統(tǒng)，可以安全使用可燃性的碳氫化合物溶劑，而且能夠達到與CFC-113同等清洗和干燥效果。
（3）經(jīng)濟性
在經(jīng)濟成本方面，使用碳氫化合物溶劑的清洗裝置與使用CFC-113或含氯溶劑的低沸點難燃性溶劑的清洗裝置的根本差別在于干燥裝置部分。通常，溶劑清洗裝置是3槽式，由清洗槽、漂洗槽和干燥槽構(gòu)成。成本差別主要指干燥槽、溶劑沸騰機構(gòu)和熱風發(fā)生機構(gòu)或真空機構(gòu)。防爆機構(gòu)的成本差別占整個裝置的10%。
對于碳氫化合物溶劑的運行成本來講，清洗劑的使用量占絕大部分。由于碳氫化合物溶劑的沸點高，蒸氣的消耗量少，為CFC-113的50%~20%。
4.汽車精密零件的清洗
汽車零件的種類很多，材料也各式各樣。表7是精細清洗的典型汽車零件。
表7 汽車零件
汽缸蓋 汽缸體
伯姆？泵用的燒結(jié)轉(zhuǎn)子 曲柄軸
皮帶輪 凸輪軸
精密閥門零件 微機殼體
制動塊 后背箱
閥體 氣囊用筒
制動器零件 水泵箱
曲柄箱 燒結(jié)行星齒輪
回動離合器滾桶 傳動零件
閥門板零件 凸輪轉(zhuǎn)子
燒結(jié)連輪 離合器配件
這些汽車零件是經(jīng)過切削加工，沖壓加工和研磨加工等而制造出來的。在加工過程中，粘附各種污物，裝配前必須將這些污物清洗干凈。
污物包括從微粒子、塵埃、切削粉末、毛刺等固體到油性加工油、水溶性加工油、防銹油等液體，各種各樣。
類似油一樣的液態(tài)污物，一般利用普通的清洗劑的溶解力清除。固態(tài)狀的污物，利用高壓噴洗、超聲波、振動等物理力清除。通常，加工好的汽車零件上都有這些污物，一般利用清洗劑的溶解力和物理力進行清洗。
