碳氫清洗技術(shù)在軸承行業(yè)中的應(yīng)用

劉宏偉，王連吉，李興林，王續(xù)躍

（1.大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.杭州軸承試驗研究中心有限公司，杭州 310022）

長期以來，汽油、煤油和水基清洗劑作為傳統(tǒng)的清洗劑，廣泛應(yīng)用于軸承行業(yè)。但是隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，對軸承壽命、振動、噪聲的要求越來越高，傳統(tǒng)的清洗劑和清洗技術(shù)已難以滿足精密軸承清洗的質(zhì)量要求。

碳氫清洗劑的出現(xiàn)和碳氫清洗技術(shù)的發(fā)展很好地彌補了傳統(tǒng)清洗劑的不足。在日本，碳氫清洗劑廣泛應(yīng)用于工業(yè)清洗中，以碳氫溶劑作為清洗劑已成為日本清洗行業(yè)的主流［1-2］。歐美各國也早已積極采用碳氫清洗技術(shù)，用于精密和超精密機械產(chǎn)品的清洗。我國引入碳氫清洗技術(shù)較晚，尤其是在軸承行業(yè)，碳氫清洗技術(shù)的應(yīng)用較少，對碳氫清洗的工藝、清洗能力和優(yōu)勢缺乏足夠的了解。下文對碳氫清洗劑同傳統(tǒng)軸承清洗劑進行了比較，闡述了碳氫清洗劑的特點、清洗力、工藝以及設(shè)備的典型應(yīng)用，為軸承行業(yè)了解和使用碳氫清洗劑提供參考。

1 傳統(tǒng)軸承清洗劑與碳氫清洗劑的對比

傳統(tǒng)軸承清洗劑有汽油、煤油、水基清洗劑等。汽油的清洗效果較好，清洗后的軸承容易干燥，但其易揮發(fā)、極易燃燒，危險性較大，對人體和環(huán)境的危害也較為嚴(yán)重；煤油安全性較高，清洗性能不如汽油，不是專用清洗劑，成分復(fù)雜、閃點在42℃左右，干燥時間較長；水基清洗劑對有機污物的清洗效果較差，清洗后容易有活性劑殘留在軸承表面，不易干燥，防銹性能不好，所以在清洗軸承成品時一般不采用水基清洗劑。

碳氫清洗劑同汽油、煤油同屬烴類清洗劑，廣義角度講，三者均屬有機化合物中的碳氫化合物。碳氫清洗劑主要成分為高純度烷烴［3］，是石油經(jīng)精餾塔蒸餾出來的更適合于清洗的成分，然后再經(jīng)過加氫，脫硫、脫芳烴等工藝處理得到飽和烷烴，再復(fù)配以穩(wěn)定劑等制備而成。碳氫清洗劑去除油脂能力強，清洗效果、干燥效率大大優(yōu)于煤油和水基清洗劑；其閃點在42～80℃，不易揮發(fā)，安全性高，是較為理想的清洗劑。傳統(tǒng)軸承清洗劑與碳氫清洗劑的性能對比如表1所示［4-5］。

表1 多種清洗劑的部分性能對比

2 碳氫清洗劑特點及清洗能力

2.1 主要特點［1，6］

（1）清洗性能好。碳氫清洗劑與大多數(shù)防銹油、機加工油等油脂同為非極性的石油餾分，碳氫清洗劑清洗這類礦物油效果較好。

（2）沸點高（150～190℃），自然狀態(tài)下蒸發(fā)損失量小，對包裝和設(shè)備的密封要求不高。

（3）干燥后無殘留。碳氫清洗劑是非常純凈的精制溶劑，干燥時可完全揮發(fā)，沒有任何殘留。

（4）無毒。碳氫清洗劑的吸入毒性、經(jīng)口毒性和皮膚接觸毒性均為低毒，且不屬于致癌物質(zhì)，安全性高。

（5）材料相容性好。碳氫清洗劑中不含水分和氯、硫等腐蝕物，對各種金屬材料不會產(chǎn)生腐蝕和氧化。

（6）黏度低，表面張力小。碳氫清洗劑的浸漬效果特別好，很容易浸漬到被洗工件的狹小縫隙中。清洗軸承時，不存在浸漬死角。

（7）環(huán)保。碳氫清洗劑可以自然降解，也可以回收利用或焚燒，焚燒的主要生成物為CO2和水，無污染。

盡管碳氫清洗劑有諸多優(yōu)點，但其沸點高而閃點低（40～80℃），屬于易燃物品。沸點高，其在自然狀態(tài)下干燥性不如傳統(tǒng)的鹵代烴溶劑，需要干燥裝置；閃點低，需在清洗、干燥和蒸餾再生中采取消防措施；若采用超聲波清洗，必須加裝冷卻水裝置，以防碳氫液溫度過高。為克服這些缺點，更好地利用碳氫清洗劑，需要改進工藝裝備，這也增大了清洗設(shè)備的一次性投入成本。

2.2 清洗能力

軸承零件在機械加工、熱處理及裝配過程中，其表面附有許多無機和有機污物［7］，主要污染物包括機加工冷卻液、熱處理油、切屑及灰塵等。污物比較復(fù)雜，要求碳氫清洗劑與污物的各種組分具有良好的相容性。石油類碳氫化合物為脂肪族烴（石蠟）、脂肪族烴（環(huán)烷）及芳香族烴（芳烴）的混合物。礦物油等組分容易溶解在脂肪族烴中；當(dāng)污物中含有不易溶于碳氫化合物的水溶性化合物時，可用酒精類進行溶解；芳香族烴雖然溶解能力強，但氣味大、缺乏安全性，所以現(xiàn)用的碳氫清洗劑中一般不含芳香族烴。

碳氫清洗劑清洗性能的衡量指標(biāo)有［2］：

（1）苯胺點。衡量石油類碳氫清洗劑對極性有機物的溶解能力，苯胺點越低表示溶劑對極性有機物溶解能力越強。

（2）KB值。是對樹脂類物質(zhì)溶解力的性能指標(biāo)，KB值越大說明溶劑溶解樹脂的能力越強。但KB值對油性污垢的清洗能力并無直接關(guān)系。

（3）溶解度參數(shù)SP值。SP值可表示為：

式中：ΔE為蒸發(fā)能；V為摩爾體積。SP值相近的物質(zhì)具有相近的凝集能，因而易于互相溶解，一般碳氫清洗劑的SP值為7～8，此值因與機械加工油、潤滑油等的SP值相近，因此易于將加工后殘留的油污溶解，并且具有很高的清洗能力，因此，碳氫清洗劑對清洗軸承極為有利。

碳氫清洗劑具體清洗能力如圖1所示。由圖1可知，用碳氫清洗劑清洗軸承，其表面的機加工冷卻液、熱處理油等均會被碳氫清洗劑很好地溶解，而塵埃、切屑等不溶組分也失去了黏附能力，很容易被清洗掉。

圖1 碳氫清洗劑清洗能力

3 碳氫清洗的工藝

3.1 常規(guī)清洗

常規(guī)清洗方式包括超聲波清洗、噴淋清洗、漂洗等。

3.1.1 超聲清洗及真空脫氣工藝

目前超聲波清洗技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軸承行業(yè)，超聲波在清洗液中傳播時會產(chǎn)生正負交變聲壓，沖擊清洗件；非線性效應(yīng)產(chǎn)生聲流和微聲流；超聲空化在固體和液體界面上會產(chǎn)生高速微射流。所有這些作用能夠破壞污物，除去或削弱邊界層，增加攪拌、擴散作用，加速可溶性污物的溶解［1］。但是當(dāng)碳氫清洗劑中殘存氣體較多時，由于超聲波在空氣中傳播衰減很快，氣泡的存在會增加超聲傳播損失。另一方面，液體中殘存氣體越多，空化閾值就越小，越容易發(fā)生空穴，但隨著空化泡生長過程中擴散到泡中的氣體增加，在空化泡崩潰時會降低沖擊波的強度，從而削弱超聲波清洗作用。因此，通過對封閉的超聲波清洗工位儲液槽抽真空，使儲液槽內(nèi)的氣壓降低，殘存在清洗液內(nèi)部的氣體大量析出，以強化超聲波的清洗作用。所以碳氫清洗設(shè)備一般配備有真空脫氣裝置，真空脫氣的真空度約為-0.06～-0.04 MPa。

3.1.2 噴淋清洗、漂洗等工藝

常規(guī)的清洗工藝，一般是在經(jīng)過超聲波清洗后進行噴淋清洗或者漂洗。因為超聲波清洗后，有些污物雖然在超聲空化的作用下已經(jīng)松軟和浮化，但仍然附著在軸承表面，所以需要經(jīng)過噴淋沖洗將附著在零件表面的污物清除。如果對軸承的潔凈度要求較低，也可不用超聲波清洗而直接選用噴淋清洗。所以噴淋清洗可以作為單獨工序也可作為超聲清洗后續(xù)工序進行選擇使用。

漂洗實質(zhì)上是對殘留在軸承表面的污染清洗介質(zhì)進行稀釋。軸承從清洗槽里取出來之前，實質(zhì)上是處在已經(jīng)污染的清洗劑當(dāng)中，取出之后，表面必然會帶出或殘留有污染的清洗介質(zhì)，需通過漂洗去除。因此，漂洗一般不會單獨使用，而是作為清洗后的工序進行選擇使用。

3.2 真空狀態(tài)下的碳氫清洗

真空狀態(tài)下的超聲波清洗、漂洗等工藝對軸承的清洗經(jīng)濟性不好，應(yīng)用較多的還是氣相清洗。

3.2.1 氣相清洗與真空干燥工藝

碳氫液的氣相清洗是對清洗槽不斷通碳氫蒸氣，碳氫蒸氣溫度較高，遇到溫度低的軸承時產(chǎn)生相變，碳氫蒸氣因相變產(chǎn)生的熱量使軸承溫度升高。由于不斷地提供碳氫蒸氣，軸承和碳氫液的溫度不斷升高，碳氫液對污垢的溶解力也隨溫度的升高而不斷增強，而且總是潔凈的碳氫液在進行氣相清洗，所以一般經(jīng)過氣相清洗后的軸承潔凈度會達到很高的水平；并且氣相清洗在真空槽內(nèi)進行，隔絕了氧氣，安全系數(shù)高。

氣相清洗同真空干燥在同一槽內(nèi)進行，對軸承進行氣相清洗的過程，同時也是對軸承加熱的過程，氣相清洗在低真空狀態(tài)下進行，根據(jù)清洗軸承類型的不同，清洗到達一定時間后，停止對干燥槽通碳氫蒸氣，排出槽內(nèi)液體，然后對干燥槽抽高真空，干燥槽內(nèi)的真空度急劇下降，而溫度卻依然較高，殘留的碳氫清洗劑便會在瞬間進入崩沸狀態(tài)，成為碳氫蒸氣被真空泵吸走，從而實現(xiàn)軸承的完全干燥。

3.2.2 碳氫液蒸餾工藝

碳氫蒸氣一般由蒸餾機蒸餾產(chǎn)生，在常壓狀態(tài)下，碳氫清洗劑的沸點比較高（150～190℃），但是如果對密閉的儲液槽抽真空，碳氫清洗劑的沸點會顯著降低。真空泵將蒸餾罐內(nèi)的壓力降到10 mmHg時，將碳氫清洗劑加熱到80℃左右其便會崩沸而產(chǎn)生大量蒸氣。一部分碳氫蒸氣可用于氣相清洗，其余的碳氫蒸氣可以通過冷卻系統(tǒng)，使之冷凝后重復(fù)使用，而沸點高的油污和雜質(zhì)則存留在蒸餾裝置內(nèi)，定期清理即可。用于氣相清洗的碳氫蒸氣，也可通過真空泵抽入到氣液分離裝置進行冷凝后重復(fù)使用，從而實現(xiàn)綠色清洗。

4 碳氫清洗設(shè)備分類及典型應(yīng)用

4.1 設(shè)備的分類

軸承碳氫清洗設(shè)備依據(jù)分類方法不同有多種類型：按被清洗物不同，可分為軸承零件清洗機和軸承成品清洗機；按被清洗軸承成品及零部件的外徑不同，可分為小型軸承清洗機、中型軸承清洗機和大型軸承清洗機；按清洗方式不同，可分為通過式清洗機、一體式清洗機、多槽式清洗機和組合式清洗機。

4.2 典型應(yīng)用

4.2.1 通過式碳氫清洗設(shè)備

通過式清洗目前在軸承清洗行業(yè)中應(yīng)用較為普遍，常用輸送鏈、輥子、氣動或液壓輸送以及機械手輸送等，進行流水線式清洗作業(yè)。此類清洗設(shè)備的應(yīng)用非常靈活，可以根據(jù)軸承被清洗污物的多少及種類確定不同的清洗工藝，清洗效率較高，適合用于大批量生產(chǎn)，但設(shè)備占地面積較大。

氣動裝置輸送軸承的通過式清洗機的清洗工藝為：退磁→粗噴淋→超聲波清洗→精噴淋→空氣吹干→熱風(fēng)烘干［8］。而新研制的通過式清洗機，其采用輸送鏈帶動軸承通過清洗機，清洗工藝為：退磁→超聲波清洗→粗噴淋→精噴淋→空氣吹干→下料。

4.2.2 多槽式碳氫清洗設(shè)備

為應(yīng)對風(fēng)電軸承對潔凈度的更高要求，發(fā)揮碳氫清洗劑氣相清洗和真空干燥的優(yōu)勢，研制了三槽式真空干燥清洗機，專門用于風(fēng)電軸承的清洗。該設(shè)備采用超聲清洗→搖動漂洗→真空干燥的清洗工藝。超聲清洗采用真空脫氣技術(shù)，對超聲清洗儲液槽進行脫氣處理，減少清洗液中氣體含量，增強超聲清洗的效果；本機接蒸餾機，對碳氫清洗液進行蒸餾，完成氣相清洗和真空干燥，實時蒸餾清洗液又可循環(huán)使用。

5 結(jié)束語

隨著碳氫清洗技術(shù)與設(shè)備發(fā)展的不斷深入，現(xiàn)有的成熟技術(shù)與設(shè)備將在相關(guān)行業(yè)得到推廣應(yīng)用。碳氫清洗技術(shù)在軸承行業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢主要為：

（1）碳氫清洗劑相比傳統(tǒng)清洗劑在清洗能力、環(huán)保性等各個方面都具有優(yōu)勢，干燥效果和干燥效率也優(yōu)于煤油和水基清洗劑。

（2）碳氫清洗劑對軸承的各種污物均有很好的清洗能力，適合用于軸承的精密和超精密清洗。

（3）碳氫清洗工藝的選擇較為靈活，可以根據(jù)不同的軸承清潔度要求和清洗效率的要求選擇合適的清洗工藝，從而降低設(shè)備的投入成本。

（4）碳氫清洗劑的可重復(fù)回收性是其他清洗劑所不具有的。從長遠看，碳氫清洗劑所帶來的潛在經(jīng)濟效益也是其他清洗劑所無法比擬的。

（5）碳氫清洗劑存在可燃性等缺點，但通過對清洗設(shè)備的改進可以得到解決。