基于換能器金屬表面清潔效果的檢測(cè)方法研究

謝程鋒，徐 匡，張 權(quán)，黃麗蓉

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，浙江 杭州 310018)

換能器金屬零部件在裝配之前應(yīng)進(jìn)行徹底的清洗，其目的在于：1)保證換能器的絕緣強(qiáng)度，使換能器通電電路中有良好的導(dǎo)電性；2)安全的機(jī)械強(qiáng)度，特別是粘接、密封強(qiáng)度。換能器金屬零部件表面不同程度地粘有的油性污垢是一種有機(jī)類污垢，主要由金屬零部件加工過程中的乳化液(烷基、烯基、炔基、羧基、酯基、磺酸鈉等)、機(jī)油(烷基、苯基等)等油污組成；目前，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所主要采用有機(jī)溶劑完成油性污垢的清潔處理，清潔處理后未進(jìn)行及時(shí)有效的檢測(cè)，而是基于后續(xù)粘接效果進(jìn)行判別，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、避免清潔不充分的金屬零部件流入裝配環(huán)節(jié)，造成裝配產(chǎn)品不必要的浪費(fèi)，且存在一定的質(zhì)量隱患。在此，基于金屬表面清潔效果所涉及的各種檢測(cè)方法進(jìn)行適應(yīng)性研究，判斷其在換能器金屬零部件表面清潔效果檢測(cè)的應(yīng)用效果，供金屬零部件清洗行業(yè)相關(guān)人員參考。

為使所研究的清潔效果檢測(cè)方法嚴(yán)謹(jǐn)有效，充分參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 35759—2017《金屬清洗劑》、GB/T 15254—2014《硫化橡膠與金屬粘接180°剝離試驗(yàn)》)及清洗行業(yè)的新興檢測(cè)方法(熒光值的測(cè)量、達(dá)因值測(cè)量)，應(yīng)用現(xiàn)有成熟方法及新方法完成本次換能器金屬零部件表面清潔效果檢測(cè)方法的探究。

1 應(yīng)用研究

1.1 凈洗力測(cè)量

凈洗力測(cè)量[1]主要根據(jù)GB/T 35759—2017《金屬清洗劑》[2]進(jìn)行本次測(cè)量試驗(yàn)(試驗(yàn)流程如圖1所示)，其原理是使用清洗劑清潔試片上的人工油污時(shí)會(huì)有一定的油污殘留，通過測(cè)量試驗(yàn)前后的質(zhì)量可以判斷油污清潔的程度。

人工油污配制：根據(jù)GB/T 35759—2017《金屬清洗劑》制備用于凈洗力試驗(yàn)的人工油污，由石油磺酸鋇、羊毛脂鎂皂、羊毛脂、工業(yè)凡士林、20號(hào)機(jī)械油、30號(hào)機(jī)械油、鈣劑潤(rùn)滑油及氧化鋁組成。

凈洗力測(cè)量試驗(yàn)采用單因素對(duì)比法，除金屬材料種類不同外，其他試驗(yàn)操作均相同，選用45鋼、TC4和321這3種材料各4片試片進(jìn)行該試驗(yàn)。

按照凈洗力測(cè)量試驗(yàn)流程圖開展試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)稱量得到各階段的試片質(zhì)量。凈洗力(ω2)用洗去油污的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，按式1計(jì)算獲得某清洗劑針對(duì)不同金屬的凈洗力情況，詳見表1。

圖1 凈洗力測(cè)量試驗(yàn)流程圖

(1)

表1 凈洗力試驗(yàn)情況表

根據(jù)GB/T 35759—2017《金屬清洗劑》凈洗力試驗(yàn)的結(jié)果評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，即在試片的平行試驗(yàn)所得凈洗力計(jì)算值中，應(yīng)至少有2片的數(shù)值相差不超過3%，由此可知表1各類金屬材料所測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果有效，可判斷該清洗劑針對(duì)不同金屬表面的清潔效果，即利用凈洗力測(cè)量可直觀地判斷表面清潔程度，凈洗力越大，表面越潔凈；受限于凈洗力測(cè)量檢驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，且因試樣標(biāo)準(zhǔn)化要求導(dǎo)致無法在產(chǎn)品生產(chǎn)階段予以應(yīng)用，只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)作為校驗(yàn)其他方法用。

1.2 粘接強(qiáng)度測(cè)量

粘接強(qiáng)度測(cè)量主要根據(jù)GB/T 15254—2014《硫化橡膠與金屬粘接180°剝離試驗(yàn)》[3]進(jìn)行本次測(cè)量試驗(yàn)(試驗(yàn)流程如圖2所示)，其原理是通過測(cè)量橡膠與金屬之間的粘接強(qiáng)度來判斷金屬表面油污清潔程度、表面粗化程度等是否滿足要求。

圖2 粘接強(qiáng)度測(cè)量試驗(yàn)流程圖

粘接強(qiáng)度測(cè)量試驗(yàn)采用單因素對(duì)比法，除金屬材料種類不同外，其他試驗(yàn)操作均相同，選用45鋼、TC4和321這3種材料各5片試片進(jìn)行該試驗(yàn)，按粘接強(qiáng)度測(cè)量試驗(yàn)流程將試片制成待測(cè)量狀(見圖3)。

圖3 粘接強(qiáng)度測(cè)量試驗(yàn)試片硫化后示意圖

根據(jù)GB/T 15254—2014《硫化橡膠與金屬粘接180°剝離試驗(yàn)》規(guī)定，使用拉力試驗(yàn)機(jī)在相同條件下分別對(duì)2種清洗劑處理后所制試片進(jìn)行粘接剝離測(cè)量，并利用畫等高線方法取其剝離曲線上力的平均值作為試片的平均剝離力，同時(shí)讀取每個(gè)試片剝離曲線上的最大剝離力、最小剝離力。橡膠與試片粘接的剝離強(qiáng)度可通過式2計(jì)算得出，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表2。

(2)

式中，σb是橡膠與金屬粘接剝離強(qiáng)度，單位為kN/m；C是剝離曲線的負(fù)荷坐標(biāo)單位長(zhǎng)度所代表的力，單位為N/cm；H是剝離長(zhǎng)度內(nèi)剝離曲線的平均高度，單位為cm；B是試片粘接面的平均寬度，單位為mm。

表2 粘接強(qiáng)度剝離力情況表

根據(jù)GB/T 15254—2014《硫化橡膠與金屬粘接180°剝離試驗(yàn)》完成粘接強(qiáng)度測(cè)量，在其他因素不變的基礎(chǔ)上，金屬表面清潔程度越高，其與橡膠粘接越牢靠，即粘接強(qiáng)度越大；故粘接強(qiáng)度測(cè)量可作為評(píng)價(jià)換能器金屬表面清潔效果的佐證手段。

1.3 達(dá)因值測(cè)量

達(dá)因值是一種通俗叫法，準(zhǔn)確地說應(yīng)該是表面張力系數(shù)，主要是表述表面張力的大小[4]；達(dá)因值測(cè)量利用達(dá)因筆完成，達(dá)因筆是試片表面張力的專用測(cè)試工具，通過判斷痕跡是潤(rùn)濕了基材表面還是收縮成水珠獲得達(dá)因值，達(dá)因值越高表明表面張力越大，即材料表面越潔凈，達(dá)因值測(cè)量流程如圖4所示。當(dāng)一滴液體與固體表面接觸后，接觸面會(huì)自動(dòng)增大的過程，即所謂的浸潤(rùn)，它是液體與固體表面接觸時(shí)發(fā)生的分子間相互作用的現(xiàn)象；液體的浸潤(rùn)主要是由表面張力所引起的，液體與固體都有表面張力，對(duì)液體稱為表面張力，而固體稱為表面能，常用符號(hào)γ表示。達(dá)因值測(cè)量原理示意圖如圖5所示，圖5中，γL為液體的表面張力，γS為固體的表面能，γSL為固體和液體之間的界面張力，θ為接觸角。接觸角θ是通過固、液、氣三相交點(diǎn)所作液滴曲面切線與液滴接觸固體平面的夾角。由圖5可見，固體的表面能使液滴鋪展開，而液體的表面張力則使液滴收縮，液體對(duì)固體表面浸潤(rùn)性和固體的表面能與液體的表面張力有著直接的關(guān)系。

圖4達(dá)因值測(cè)量試驗(yàn)流程圖

圖5 達(dá)因值測(cè)量原理示意圖

按照達(dá)因值測(cè)量試驗(yàn)流程圖開展試驗(yàn)(見圖6)，測(cè)量不同清洗方式下的試片達(dá)因值，所得數(shù)據(jù)詳見表3。

圖6 達(dá)因值測(cè)量過程示意圖

表3 不同清洗劑浸泡清洗后的試片達(dá)因值

根據(jù)圖6及表3數(shù)據(jù)可知，利用達(dá)因值可測(cè)量試片表面達(dá)因值(表面張力)，通過達(dá)因值測(cè)量反映換能器金屬表面清潔效果，達(dá)因值越大，表面越潔凈；受限于達(dá)因值測(cè)量檢驗(yàn)產(chǎn)品過程中導(dǎo)致產(chǎn)品的二次污染，故不宜在產(chǎn)品生產(chǎn)階段予以應(yīng)用，只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)作為校驗(yàn)其他方法用。

1.4 熒光值測(cè)量

熒光值測(cè)量[5]利用表面清潔度儀(見圖7)完成。表面清潔度儀是通過熒光法對(duì)金屬表面上的污染物進(jìn)行測(cè)試，其可查出金屬表面諸如油漬、油脂、冷卻潤(rùn)滑液以及蠟等污染物，即因油漬、油脂、冷卻潤(rùn)滑液以及蠟等污染物的熒光特性，通過一個(gè)含紫外光波(365 nm)的LED燈照射，污染物將輻射出熒光，通過對(duì)特定波長(zhǎng)(460 nm)的熒光探測(cè)，表面清潔度儀即可實(shí)現(xiàn)污染物的探測(cè)(見圖8)，且儀器探頭里的光電二極管負(fù)責(zé)測(cè)量熒光的強(qiáng)度，熒光值越大表示污染越大，反之越潔凈。熒光值測(cè)量流程如圖9所示。

按照熒光值測(cè)量試驗(yàn)流程圖開展試驗(yàn)，測(cè)量不同清洗時(shí)長(zhǎng)條件下的試片熒光值，所得數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖7 表面清潔度儀示意圖

圖8 SITA表面清潔度儀原理圖

圖10 熒光值測(cè)量試驗(yàn)流程圖

圖10中，隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，熒光值呈現(xiàn)先快速下降再趨于平緩；經(jīng)分析，當(dāng)試片放置于清洗劑中清洗時(shí)，表面機(jī)油油污溶解于清洗劑中，隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，溶解程度越高(易溶區(qū)域快速溶解，極難溶解的孔洞區(qū)域緩慢溶解)，且溶解的油污隨時(shí)間的增長(zhǎng)更加均勻地分布在清洗劑之中，因此，圖10整體呈現(xiàn)隨浸泡清洗時(shí)間的增長(zhǎng)金屬表面熒光值先快速下降再趨于平緩。由此表明，通過熒光值測(cè)量可反映換能器金屬表面清潔效果，熒光值越小，表面越潔凈。受益于表面清潔度儀的使用便攜性及測(cè)量準(zhǔn)確性，可在產(chǎn)品生產(chǎn)階段、實(shí)驗(yàn)階段予以廣泛應(yīng)用。

2 結(jié)語

目前，應(yīng)用于金屬表面清潔程度的檢測(cè)技術(shù)日趨多樣，而國(guó)內(nèi)外對(duì)換能器金屬表面清潔程度的檢測(cè)技術(shù)研究較少。本文概述了凈洗力、粘接強(qiáng)度在換能器金屬表面清潔效果的檢測(cè)應(yīng)用，并對(duì)新型檢測(cè)方法的達(dá)因值、熒光值的檢測(cè)應(yīng)用效果進(jìn)行了詳細(xì)介紹，肯定了熒光值檢測(cè)的突出優(yōu)異性。該研究為本所換能器金屬表面清潔效果檢測(cè)提供了一種新的方向，為提升換能器的質(zhì)量貢獻(xiàn)了一份力量，也希望能為工程人員提供換能器金屬表面清潔效果檢測(cè)方法方面的參考。