綠色再制造清洗技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)研究

任工昌，于峰海，陳紅柳

(1.陜西科技大學(xué)，陜西西安710021;2.三一重工股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙410100)

再制造清洗是產(chǎn)品再制造過程中的重要工序(見圖1)，是對(duì)廢舊機(jī)電產(chǎn)品及其零部件進(jìn)行檢測(cè)和再制造加工的前提和基礎(chǔ)［1］。零件表面清洗的質(zhì)量直接影響零件性能分析、表面檢測(cè)、再制造加工及裝配，對(duì)再制造產(chǎn)品的質(zhì)量具有全面影響。

圖1 再制造工藝流程圖

再制造清洗是指借助于清洗設(shè)備或清洗液，采用機(jī)械、物理、化學(xué)或電化學(xué)方法，去除廢舊零部件表面附著的油脂、銹蝕、泥垢、積炭和其他污染物，使零部件表面達(dá)到分析檢測(cè)、再制造加工及裝配要求的工藝過程，對(duì)再制造產(chǎn)品的質(zhì)量、成本和性能具有重要影響［2］。

1 再制造毛坯表面污染物的組成及去除

產(chǎn)品設(shè)備經(jīng)長(zhǎng)期服役后，零部件表面會(huì)附著各樣的污染物。再制造毛坯表面的主要污染物包括油污、銹層、水垢、積炭以及有機(jī)涂層等，見圖2。

1.1 油污

工件在制造、運(yùn)輸、保存、使用過程中，往往都會(huì)沾上各種各樣的油脂。油可分為兩大類:可皂化的油和不可皂化的油。這兩類油都不溶于水，但都溶于有機(jī)溶劑，所以可以使用化學(xué)方法和電化學(xué)方法去除這些油類。

1.2 銹層

工件與空氣中的氧、水分子以及酸類介質(zhì)接觸，被腐蝕和氧化后表面會(huì)產(chǎn)生浮銹、黃銹、黑銹等各種銹層，銹層與工件表面結(jié)合牢固。常用的除銹方法有機(jī)械法、化學(xué)法和電解法三類。

1.3 水垢

許多工件在使用過程中會(huì)與水接觸，當(dāng)水中所富含的礦物鹽達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)便會(huì)結(jié)晶析出，在受熱條件下，礦物鹽會(huì)受熱分解，形成難溶性的沉淀物——水垢，其主要成分是碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽等。目前去除水垢常采用的方法有:手工去除、機(jī)械去除和化學(xué)去除。其中手工去除效率低下，機(jī)械去除則易損傷工件表面，而化學(xué)去除法效果則比較理想。

1.4 積炭

燃料和潤(rùn)滑油不充分燃燒時(shí)，在高溫環(huán)境的作用下會(huì)形成一種由膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、潤(rùn)滑油和炭質(zhì)組成的復(fù)雜混合物——積炭。積炭會(huì)影響零件的散熱效果，惡化傳熱條件，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致零件過熱，形成裂紋。因此，在再制造過程中必須予以清除。常用的清除積炭的方法有:機(jī)械法、化學(xué)法和電解法。

1.5 有機(jī)涂層

拆解后工件表面原來的清漆、油漆、膠漆以及密封膠等需要全部清除，并經(jīng)沖洗干凈后重新噴漆。對(duì)以上有機(jī)涂層的去除，可以先將已配制好的有機(jī)溶劑、堿性溶液等刷在零件涂層上，溶解后再使用手工工具去除。

2 面向再制造的綠色清洗技術(shù)

2.1 熱能清洗技術(shù)

熱能對(duì)清洗有較好的促進(jìn)作用。溫度的變化會(huì)使污垢的物理狀態(tài)、物理性質(zhì)都發(fā)生變化，使它們更容易去除。同時(shí)，由于水和有機(jī)溶劑對(duì)污垢的溶解速度和溶解量隨溫度升高而提高，所以提高溫度有利于溶劑發(fā)揮其溶解作用，而且還可以節(jié)約水和有機(jī)溶劑的用量。例如，油脂和石蠟等固體油污很難被表面活化劑水溶液乳化，但當(dāng)它們被加熱(60 ～70 ℃)液化后就比較容易被分散了。

2.2 浸泡清洗技術(shù)

浸泡清洗是指將清洗對(duì)象放在洗液中浸泡、濕潤(rùn)并洗凈的濕式清洗方式，工件經(jīng)多次清洗和沖洗后可以得到潔凈度很高的表面，故具有清洗效果好的特點(diǎn)，尤其適用于大批量的小型工件。

浸泡清洗由清洗、沖洗、干燥3 個(gè)階段組成，清洗階段把污垢從清洗對(duì)象表面解離下來并分散到媒液中，沖洗階段用干凈的媒液將清洗對(duì)象表面的含垢媒液清洗下來，最后通過干燥階段使對(duì)象表面附著的媒液汽化，最終完成濕式清洗。

2.3 振動(dòng)清洗技術(shù)

振動(dòng)清洗是指通過振動(dòng)磨料對(duì)零件表面的沖擊和刮磨以及潤(rùn)滑介質(zhì)的沖刷，去除零件表面的污染物，振動(dòng)清洗能夠很好地清除零件表面的銹層、氧化物以及較厚的結(jié)塊物［3］。如圖3所示，振動(dòng)清洗系統(tǒng)主要由磨料、馬達(dá)、彈簧和偏心砝碼組成［4］。通過混合不同粒徑的固體磨料，能夠提高清洗效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件表面的拋光，提高零件表面的硬度和耐磨性。振動(dòng)清洗的缺點(diǎn)是工作噪聲大，清洗周期長(zhǎng)，零件表面易被介質(zhì)劃傷，且不適于清洗小尺寸零件。

圖3 振動(dòng)清洗設(shè)備示意圖

2.4 超聲波清洗技術(shù)

超聲波對(duì)附著的污垢具有很強(qiáng)的解離分散能力，常用于工件的最后清洗。超聲清洗的機(jī)制(圖4)是通過在清洗液中引入超聲振動(dòng)，向清洗液輻射聲波，產(chǎn)生超聲空化效應(yīng)，利用這種空化效應(yīng)清洗零件表面上的各種污物。

超聲清洗工藝操作簡(jiǎn)單，清洗效果好，對(duì)復(fù)雜的容器和器件也能進(jìn)行清洗。但是該工藝也有缺點(diǎn)，如噪聲大、換能器易壞等。此外，超聲波清洗工藝對(duì)清洗劑的要求也比較高:(1)必須對(duì)各種類型的污染物都具有良好的去除能力;(2)最好是在水溶液中清洗，水的表面張力比有機(jī)溶劑大，空穴崩潰時(shí)釋放的能量大，有利于超聲清洗;(3)清洗液的黏度不能太大，因?yàn)轲ざ却蟮囊后w空化閾值大，不易產(chǎn)生空穴，導(dǎo)致清洗效果差［5］。

圖4 超聲清洗裝置示意圖［6］

2.5 化學(xué)清洗技術(shù)

利用化學(xué)藥劑與污垢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使污垢從清洗物體表面解離并溶解分散到水中的清洗方法稱為化學(xué)清洗?；瘜W(xué)清洗過程一般包括水沖洗、堿煮、酸洗、水沖洗、鈍化幾個(gè)步驟，根據(jù)污垢的不同可以適當(dāng)調(diào)整，其中酸洗是化學(xué)清洗的核心過程?；瘜W(xué)清洗的關(guān)鍵是化學(xué)清洗液，包括溶劑、表面活性劑、化學(xué)清潔劑。水是清洗過程中使用最廣泛、用量最大的溶劑或介質(zhì);表面活性劑是具有在兩種物質(zhì)的界面上聚集且能顯著改變(通常是降低)液體表面張力和兩相間的界面性質(zhì)的一類物質(zhì);化學(xué)清洗劑是指化學(xué)清洗中所使用的化學(xué)藥劑，常用的有酸、堿、氧化劑、金屬離子螯合劑、殺生劑等［7］。

2.5.1 酸清洗方法

酸是處理金屬表面污垢最常用的化學(xué)試劑。清洗中常用的酸包括無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸兩類。前者包括硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸等，后者常用的有氨基磺酸、羥基乙酸、檸檬酸、乙二胺四乙酸等。與無(wú)機(jī)酸酸洗相比，有機(jī)酸酸洗對(duì)金屬腐蝕性小、無(wú)毒、污染小、無(wú)三廢排放，清洗時(shí)較安全，清洗效果好，但成本較高，需要在較高溫度下操作，清洗耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)［8］。

2.5.2 堿清洗方法

堿性清洗法是一種以堿性物質(zhì)為主劑的化學(xué)清洗方法，主要用于清洗油脂垢，也可清除無(wú)機(jī)鹽、金屬氧化物、有機(jī)涂層和蛋白質(zhì)垢等。

用堿性清洗劑除銹、除垢等，成本高于酸洗，且除銹除垢速度慢。但是，不會(huì)造成金屬設(shè)備的嚴(yán)重腐蝕(兩性金屬除外)，不會(huì)引起工件尺寸的明顯改變，不存在因清洗過程中析氫而造成對(duì)金屬的損傷，金屬表面在清洗后與鈍化前，也不會(huì)快速返銹。

2.5.3 其他化學(xué)清洗方法

氧化劑清洗方法。對(duì)于某些難溶于水的污垢，可以在一定條件下，用氧化劑(如硝酸、鉻酸、濃硫酸等)或還原性物質(zhì)與之作用發(fā)生氧化，使其分子組成、溶解特性、生物活性等發(fā)生轉(zhuǎn)化，變成易于溶解和清除的物質(zhì)。

金屬離子螯合劑清洗方法。螯合劑是清洗過程中用到的一種穩(wěn)定的、重要的化合物，對(duì)于金屬表面的水垢和銹垢的去除及預(yù)防有重要的作用。

3 先進(jìn)再制造清洗技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 先進(jìn)的再制造清洗技術(shù)

3.1.1 干冰清洗技術(shù)

干冰清洗技術(shù)是將液態(tài)CO2制成一定規(guī)格的干冰球狀顆粒，以壓縮空氣為動(dòng)力源，將干冰顆粒高速噴射到待清洗物體表面。其主要用途有:(1)清洗一些易碎的污垢，諸如油漆，這個(gè)過程是在設(shè)備表面及涂層之間產(chǎn)生收縮的張力，這種張力能夠充分地破壞污垢的結(jié)垢力，將污垢從設(shè)備涂層上剝離。(2)表面粘有易變形、黏性的污垢，諸如油、油污、蠟，清洗的過程就如同高壓水清洗一樣。當(dāng)干冰顆粒高速度撞擊設(shè)備表面時(shí)，迅速利用張力將污垢頂開。

3.1.2 紫外線清洗技術(shù)

紫外光清洗技術(shù)是利用有機(jī)化合物的光敏氧化作用達(dá)到去除黏附在材料表面上的有機(jī)物質(zhì)，經(jīng)過光清洗后的材料表面可以達(dá)到“原子清潔度”。紫外線清洗技術(shù)也稱紫外線－臭氧并用清洗法(UV－O3法)。UV 光源發(fā)射波長(zhǎng)為185 和254 nm 的光波，具有很高的能量，當(dāng)這些光子作用到被清洗物體表面時(shí)，由于大多數(shù)碳?xì)浠衔飳?duì)185 nm 波長(zhǎng)的紫外光具有較強(qiáng)的吸收能力，并在吸收185 nm 波長(zhǎng)的紫外光的能量后分解成離子、游離態(tài)原子、受激分子和中子，這就是所謂光敏作用?？諝庵械难鯕夥肿釉谖樟?85 nm 波長(zhǎng)的紫外光后也會(huì)產(chǎn)生臭氧和原子氧。臭氧對(duì)254 nm 波長(zhǎng)的紫外光同樣具有強(qiáng)烈的吸收作用，臭氧又分解為原子氧和氧氣。其中原子氧是極活潑的，在它的作用下，物體表面上的碳和碳?xì)浠衔锏姆纸馕锟苫铣煽蓳]發(fā)的氣體:二氧化碳和水蒸氣等逸出表面，從而徹底清除了黏附在物體表面上的碳和有機(jī)污染物。

3.1.3 等離子體清洗技術(shù)

等離子清洗的機(jī)制是依靠處于“等離子態(tài)”的物質(zhì)的“活化作用”達(dá)到去除物體表面污漬的目的。等離子清洗與濕法清洗的主要區(qū)別如表1所示。

表1 等離子清洗與濕法清洗的主要區(qū)別［9］

3.1.4 激光清洗

激光清洗機(jī)制是基于物體表面污染物吸收激光能量后，或汽化揮發(fā)，或瞬間受熱膨脹而克服表面對(duì)粒子的吸附力，使其脫離物體表面，進(jìn)而達(dá)到清洗的目的。激光清洗具有無(wú)研磨、非接觸、無(wú)熱效應(yīng)和適用于各種材質(zhì)的物體等清洗特點(diǎn)，被認(rèn)為是最可靠、最有效的解決辦法。同時(shí)，激光清洗可以解決采用傳統(tǒng)清洗方式無(wú)法解決的問題，目前已在考古、軍事、電子工業(yè)等多個(gè)行業(yè)里得到應(yīng)用。

3.2 再制造清洗技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.2.1 生物工程清洗

再制造清洗所帶來的污染嚴(yán)重制約了它的發(fā)展，而以生物降解技術(shù)、生物酶清洗技術(shù)為代表的生物工程作為一項(xiàng)環(huán)保的清洗技術(shù)，它的應(yīng)用正成為一種趨勢(shì)。

3.2.2 自動(dòng)化清洗

再制造清洗過程需要大量的人力資源，加上部分清洗劑具有較強(qiáng)的腐蝕性，容易對(duì)人的健康和安全造成威脅。同時(shí)隨著制造規(guī)模的擴(kuò)大和對(duì)生產(chǎn)效率要求的提高，促進(jìn)了半自動(dòng)和自動(dòng)化技術(shù)在清洗行業(yè)的發(fā)展，這種技術(shù)集中表現(xiàn)在自動(dòng)化清洗生產(chǎn)線、機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用。因此，清洗的自動(dòng)化已經(jīng)成為清洗技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

3.2.3 環(huán)保型清洗

氟氯羥類物質(zhì)在清洗行業(yè)用量巨大，由于其對(duì)臭氧層的消耗，已被列為淘汰項(xiàng)目，而研究無(wú)毒無(wú)公害、不影響人安全和健康、溶解與清洗能力優(yōu)良且性價(jià)比高的替代品已成為當(dāng)今發(fā)展的一種趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究快速高效、綠色環(huán)保的清洗技術(shù)，對(duì)保證再制造產(chǎn)品質(zhì)量、提高再制造產(chǎn)品壽命、降低再制造成本具有重要意義。大多數(shù)再制造企業(yè)現(xiàn)有的清洗技術(shù)還比較粗放，清洗效率低，且能源浪費(fèi)大、環(huán)境污染嚴(yán)重，對(duì)操作人員身體有傷害。研究綠色清洗技術(shù)和設(shè)備的目的在于開發(fā)環(huán)保清洗材料、高效的清洗設(shè)備以及合理的清洗工藝，以提高清洗效率，降低清洗成本，減少對(duì)人員、環(huán)境和待清洗零件表面的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)再制造清洗過程的綠色、高效和自動(dòng)化［10］。

【1】徐濱士，張偉，馬世寧，等.面向21世紀(jì)的綠色再制造［J］.中國(guó)表面工程，1999，12(4):1－4.

【2】姚巨坤，崔培枝.再制造清洗技術(shù)研究［J］.工程機(jī)械與維修，2007(2):180.

【3】吉小超，張偉，于鶴龍，等.面向機(jī)電產(chǎn)品再制造的綠色清洗技術(shù)研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2012，26(Z1):114－117.

【4】WANG S，TIMSIT R S，SPELT J K.Experimental Investigation of Vibratory Finishing of Aluminum［J］.Wear，2000，243(1/2):147－156.

【5】DONG C，WEAVERS L K，WALKER W.Ultrasonic Control of Ceramic Membrane Fouling by Particles:Effect of Ultrasonic Factors［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2006，13(5):379－387.

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【7】崔培枝，姚巨坤.再制造清洗工藝與技術(shù)［J］.新技術(shù)新工藝，2009(3):25－28.

【8】朱勝，姚巨坤.再制造技術(shù)與工藝［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

【9】張國(guó)柱，杜海文，劉麗琴.等離子清洗技術(shù)［J］.機(jī)電元件，2001，21(4):31－34.

【10】中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì).中國(guó)機(jī)械工程技術(shù)路線圖［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2011:138.