在生產(chǎn)有特殊表面要求的金屬零件過程中，預處理方法的可靠性是高品質(zhì)產(chǎn)品的基礎。清潔過程在成品的成型、表面處理以及表面涂層中都是必不可少的步驟。零部件清洗不充分造成產(chǎn)品的表面質(zhì)量不良，從而導致成本高企。
工業(yè)和金屬部件的清潔由清洗和漂洗程序組成(如圖1)。首先，清洗池除去金屬表面的污染物，接著，漂洗池去除剩余的污染物及清潔劑殘留。清洗池的溫度是40-80℃。蒸發(fā)掉的水一般由下一個水池的循環(huán)系統(tǒng)補充。
圖1 清洗工藝流程演示
為確保清洗過程的高可靠性，水清洗過程要求影響清洗結(jié)果的參數(shù)達到較佳并保持定的狀態(tài)。(如圖2)。這些參數(shù)包括:
1 清潔劑成分(促凈劑和表面活性劑)的濃度
2.水池的污染物
3.水池的溫度
4. 浴槽的攪動
流程化管理的主要目標是連續(xù)地監(jiān)測清潔池的條件以及在某種程度上控制這些條件，可以通過最少量的水，清潔劑及能源以確保充足的清潔質(zhì)量。
這里的重點是保持清潔劑成分的適當濃度(表面活性劑及促凈劑)。清潔劑成分，表面活性劑和促凈劑的消耗程度是不一樣的，每種成分都需要有適當?shù)膭┝?。由于各種原因，清潔劑成分的濃度不斷改變。例如源自零件的殘留物影響，清潔劑成分的減少(由于清洗池循過濾而損失的)或者每次工件的數(shù)量及污染程度的不同。
圖2清潔池的狀態(tài)變化
只有在清潔過程中根據(jù)工件的污染程度、數(shù)量及清潔池的情況調(diào)整清潔池的清潔劑劑量或更換清潔池內(nèi)的液體，才能保證工件的清洗質(zhì)量。負責清洗工作的人員及管理者應該與清 潔劑制造商及設備制造商相互合作。所需的清潔程序參數(shù)以及清潔劑的濃度和其可接受的界限值，需根據(jù)個人經(jīng)驗，測試運行數(shù)據(jù)及實驗室或生產(chǎn)設備最優(yōu)化運行的基礎上設定，以到所需的清潔質(zhì)量?，F(xiàn)實的情況時，有時候為了確保清潔能力，在清潔池會投入過量的清潔劑，但過量的清潔劑反過來成為污染物使清潔效果下降。
圖3用氣泡壓力張力計測量表面活性劑濃度
德累斯頓工業(yè)大學機電研究所和電子設計研究院分析了清潔金屬零件的過程，來幫助大家了解目前在行業(yè)中工序的應用及技術(shù)狀況。因此，咨詢了大量的清潔過程管理者關(guān)于零件的具體清潔任務及相應的過程管理。以下是73個不同公司的專業(yè)人士提供的信息中總結(jié)出來，主要是歐洲汽車行業(yè)的清潔過程：車身、動力總成及其原件、液壓零件及其軸承等：
雖然清潔質(zhì)量大部分都有定期的檢測(74%)，但主要是以主觀評判的方法，如目視檢查，或后面工程的質(zhì)量檢查。
只有23%的受訪者通過客戶方法檢查清潔表面的干凈程度。
只有51%的受訪者在與清潔劑生產(chǎn)商合作設定所需的清潔劑濃度的參數(shù)。而14%的受訪者說清潔劑的濃度值是由清潔劑生產(chǎn)商來決定。因此，可以說化學制劑生產(chǎn)商憑經(jīng)驗來決定清潔池的理想狀態(tài)。
在84%的情況下，設備操作員控制著清潔劑的濃度。因此他也負責最優(yōu)化當前的清潔工序。
78%的受訪者要求檢測促凈劑的濃度，而其中79%是滴定法進行檢測的。
只有49%的受訪者進行表面活性劑濃度的檢測，而其中的51%采用表面張力儀來測量表面活性劑的濃度。
33%的受訪者有一個清潔劑自動配料的系統(tǒng)，但其中只有56%的人認為他們的配量是最優(yōu)的。
38%的受訪者在考慮應用更好的方法，比如通過清潔池的監(jiān)測及清潔池液體的過濾或更換來實現(xiàn)清潔工序的優(yōu)化。
圖4 在清洗過程中連續(xù)測量表面活性劑濃度
分析表明，金屬零件的清潔過程與其他生產(chǎn)過程〔如機械加工)相比，并沒有完全被掌握。尤其是清洗過程中有連續(xù)控制輸入(清潔劑、工件)和輸出參數(shù)(更換液體，過濾)，以及中間過程參數(shù)，沒法確保零件濟潔質(zhì)量穩(wěn)定。零件清潔的過程管理發(fā)展水平與過程可靠性要求有沖突，因為83%的人提到這個這個情況，詳細地說是因為過程的不穩(wěn)定性而帶來的損害賠償。這個事實表明，83%的專業(yè)人士調(diào)查知道清潔過程不足的后果。
有一個關(guān)于經(jīng)濟與環(huán)保的優(yōu)化潛力的觀點。本質(zhì)的清洗質(zhì)量工藝參數(shù)(例如，清潔劑濃度及以消耗為導向的定量)規(guī)定只發(fā)生在單一的情況下。為了實現(xiàn)清洗過程的高可靠性，找到了顯而易見的問題原因。在清潔過程中，大量不同但是又相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，以及缺少成體系的配制劑及一些個人經(jīng)驗概括。這些問題可以通過簡單的過程參數(shù)的幫助下用檢測過程條件來得到解決。因此它需要一種可行的測量技術(shù)，可以用于分析以及連續(xù)或分離的過程檢測。
圖5測量表面張力的不同方法
影響清潔能力的表面活性劑濃度可以通過測量動態(tài)表面張力得到。另外可以通過測量導電率及使用酸堿滴定的方法來控制促凈劑的濃度。清潔劑濃度的連續(xù)檢測可以根據(jù)消耗來確定需要添加多少清潔劑。經(jīng)濟環(huán)保的優(yōu)化清潔過程包括:
1 減少使用清潔劑的成本
2 避免漂洗池中清潔劑成分的積聚
3 延長清潔池的壽命
4 減少水及水污染處理成本
由于可以測得表面張力的參數(shù)，使表面活性劑濃度的檢測以及根據(jù)消耗來定量變?yōu)榭赡堋Ｒ虼?，氣泡壓力?a title="表面張力儀" target="_blank">表面張力儀可用來測量有效的表面活性劑的濃度，如圖3.有效的表面活性劑是沒有被油和污染物束縛的，也沒有附在金屬表面。在清潔過程中，只有這些自由的表面活性劑才是有效的，可以形成膠束來去除金屬表面的污染和油。
用測量清潔過程中液體的表面張力來檢測有效表面活性劑的濃度，使適當?shù)厥褂帽砻婊钚詣┏蔀榭赡?。需要添加額外的劑量時可使用測量結(jié)果來驗證。為了將檢測程序可視化，圖4顯示出了在一個清潔池內(nèi)連續(xù)測量的結(jié)果。在開始準備時，首先可以看到水的表面力值(72.8mN/m,溫度是20℃)。當添加表面活性劑時，表面張力減低。
SITA表面張力儀測量表面張力是以差壓法為基礎的。在測試過程中，氣泡通過插入液面下的毛細管中形成(如圖5)，有一個特殊的傳感器測量氣泡毛細管頂端的壓力。動態(tài)表面張力是用最大和最小氣泡壓力差來計算，并使用校準系數(shù)K來表示。
σ=k·Δp,withΔp=pmax{pmin
氣泡壓力用純凈水校準張力。標準系數(shù)K取決于自動測量器具，不依賴氣泡的壽命。SITA差壓法的設計原理大大簡化了表面張力儀操作，因為測量不再依賴于毛細管浸入液體中的深度。
相對于靜態(tài)方法測量表面張力，動態(tài)測量方法可以測量表面的表面活性劑的濃度高于臨界膠束濃度(CMC)，即工業(yè)清洗過程中經(jīng)常使用的濃度范圍，靜態(tài)表面張力儀是無法測出超出CMC值的表面活性劑濃度。測量的基礎原理是表面活性濃度與表面張力過程值之間的量化關(guān)系。
動態(tài)表面張力取決于一個新形成的界面壽命。動態(tài)表面張力的差異在于不同界面壽命(氣泡壽命，如圖5)時有不同數(shù)量的表面活性劑遷移到新的界面上。用哪個氣泡壽命作為較佳測量點只需以下程序測量一次就可以得知。在SITA表面張力儀的Auto模式下測量某種特定的已知表面活性劑濃度的液體。較佳的氣泡壽命值就是在表面張力測量值差額最大的那點(如圖6)。之后，測出一系列已知的表面活性劑濃度不同的參照樣本作為參考曲線。這樣，根據(jù)測出的表面張力值就可以在參考曲線中查過表面活性劑的濃度了。
圖6A測量氣泡的壽命
圖6B表面活性劑濃度分析參考曲線
對于需要確保高可靠性的清潔過程，表面活性劑的濃度要保持在特定的界限值內(nèi)。
設定了清潔池的的特定表面張力范圍后，用表面張力儀定期的測量或者連續(xù)監(jiān)測，以用來分析以及監(jiān)測表面活性劑在整個清潔過程的濃度。為了實現(xiàn)在過程或?qū)嶒炇抑械母咝y量，測量儀器必須是可靠的，快速的且易于操作的。手持式張力儀SITA DynoTester可以實現(xiàn)這些要求。清洗液的表面張力跟溫度的測量只要按一個按鈕，幾十秒內(nèi)即可得出結(jié)果。而氣泡壽命參數(shù)或平均測量數(shù)，都是預設的，并只能在管理模式下改變。這些特性最大限度地減少操作錯誤的風險。
測量結(jié)果可以被保存在25個存儲空間供后續(xù)評價。內(nèi)置電源可以使用高達10小時，確保高靈活性。在不均勻的液體中，可選擇多次讀數(shù)自動取平均值的方法增加測量的可靠性。因此，SITA DynoTester是測量表面張力過程參數(shù)的一個新的經(jīng)濟的選擇。
圖7顯示定期測量一個工廠清潔池的結(jié)果。表面張力值的簡圖顯示了在穩(wěn)定條件范圍內(nèi)的清潔過程的壽命。在最后一個漂洗池，表面張力達到跟水一樣的值。這說明表面活性劑濃度減少到0。
圖7在清潔過程中使用手持式表面張力儀進行檢測
圖8 連續(xù)的在線測量模式
連續(xù)的清潔池表面張力監(jiān)測可以通過清潔池的支線管道來確保被測量的液體能代表清潔池實際情況。在支線管道內(nèi)被連續(xù)測量的樣本必須是均質(zhì)的，而且要保持一個同樣的溫度水平。儀器內(nèi)在毛細管附近有一個特殊的，可允許緩慢流動的容器能夠?qū)馀莸南麡O影響減少到最低而且可以避免顆粒堆積。流動的速度是2升/分鐘，這確保了樣本達到足夠的均質(zhì)而且不會反乳化，并且接近清潔池的溫度水平。
一個關(guān)鍵的問題是毛細管的壽命。在使用的時候，清潔池里成分的聚集可以改變毛細管的特點。SITAg表面張力儀使用更堅固且不易被水沾濕的PEEK樹脂材料的毛細管來代替普通玻璃毛細管來測量氣泡壓力。PEEK材料以及毛細管末端逐漸增大的直徑使毛細管效應減小到最低。這意味著液體難以進入毛細管內(nèi)部(減少液體潤濕毛細管內(nèi)部有殘留而影響到下一次測量)。在相同的條件下，一個傳統(tǒng)的實驗室毛細管有大約300小時的壽命，而優(yōu)化的PEEK的毛細管壽命是其10倍以上。這種設計避免了顆粒累積，保證氣泡長期的再現(xiàn)性。
SITA DynoLine在線測量技術(shù)是用來對連續(xù)的清潔池進行監(jiān)測。這種全自動的設備可組合成工廠生產(chǎn)線的一部分，適應于加工及化工工廠的具體需要。它與其他傳感器以及傳統(tǒng)表面張力測試技術(shù)的不同點在于SITA DynoLine可以自動控制提供的樣本，校準水以及自動清洗的程序。其他本質(zhì)特征包括自我監(jiān)控功能，錯誤檢測以及發(fā)送無故障運行報警信號。由于自身定期的檢測功能，毛細管特征發(fā)生的任何變化(如通過一個顆粒堆積的污染物)，都可以被測量儀器本身所識別。
為了控制液體，設備在樣本跟水之間有一個活栓，而且，它有一個壓力傳感器監(jiān)測輸入的壓力。所有的測量值可以保存在設備里一年，以記錄測量結(jié)果。設備的表面張力測量結(jié)果可通過接口輸出到其它設備或控制系統(tǒng)，從而使補充表面活性劑的設備自動工作，并使清潔池能夠保持一個較佳的表面活性劑濃度范圍(如圖8)。
在許多表面處理過程的應用中，從車身到泵、軸承這樣的精密零件，清潔過程通過檢測和對清潔劑成分(表面活性劑和自動促凈劑)的定量而成功地實現(xiàn)最優(yōu)化。而且，可以用最少的水，清潔劑和能源來達到穩(wěn)定而高質(zhì)的清潔質(zhì)量。
SITA便攜式表面張力儀
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