Текст ФХОТЭС часть 1-1 для 2015 (Лекции от преподавателя), страница 4

Таблица 1._ 

Большинство деталей обезжириваются на катоде. Исключение составляют тонкие детали, для которых опасно насыщение водородом. При помещении детали в щелочной, нагретый до температуры 70 - 80° электролит жиры, имеющиеся на детали, омыляются, а масла переходят в эмульсию. Отрыву масла от детали способствуют выделяющиеся пузырьки газа. Кроме того, выделяющиеся пузырьки газа создают вертикальный поток электролита, который энергично омывает поверхность.

Для облегчения перехода масел в эмульсии в электролит добавляют эмульгаторы (мыло, жидкое стекло). В этих случаях очень опасно подвешивать и снимать детали, через которые проходит ток, так как возможны сильные взрывы гремучего газа.

Ванны для электрохимического обезжиривания изготовляют из облицованного свинцом или необлицованного железа. Ванны оборудуют устройствами для подогрева и бортовой вытяжки. Аноды делают из свинца или гартблея (сплав из 94 % свинца и 6 % сурьмы). Режим электрохимического обезжиривания: плотность тока 3 - 10 а/дм²;

1.3. Ультразвуковая очистка

Позволяет быстро и качественно обработать самые различные детали, удалить самые прочные загрязнения, заменить дорогостоящие и небезопасные растворители и механизировать процесс очистки.

При сообщении жидкости ультразвуковых колебаний в ней возникают переменные давления, изменяющиеся с частотой возбуждающего поля. Наличие в жидкости растворенных газов приводит к тому, чтоб во время отрицательного полупериода колебаний, когда на жидкость действует растягивающее напряжение, в этой жидкости образуются и увеличиваются разрывы в виде газовых пузырьков. В эти пузырьки могут всасываться загрязнения из микротрещин и микропор материала. Под действием сжимающих напряжений во время положительного полупериода давлений, пузырьки захлопываются. К моменту захлопывания пузырьков на них действует давление жидкости, достигающее нескольких тысяч атмосфер, поэтому захлопывание пузырька сопровождается образованием мощной ударной волны. Такой процесс образования и захлопывания пузырьков в жидкости называется кавитацией. Обычно кавитация в
озникает на поверхности детали. Ударная волна измельчает загрязнения и перемещает их в моющий раствор (см. рис. 1.10).

Рис. 1.10. Схема всасывания загрязнений из микротрещин поверхности в растущий газовый пузырек

О
тделенные частицы загрязнений захватываются пузырьками и всплывают на поверхность (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Ультразвуковая очистка

Ультразвуковая волна в жидкости характеризуется звуковым давлением P_зв. и интенсивностью колебаний I. Звуковое давление определяют по формуле:

P_зв. = ^.C^.^. ^.Cos(t-k_x) = p_m^. Cos(t-k_x),

P_m²

I = ,

2 ^.C

где p_m = ^.C^.^. - амплитуда звукового давления,

^.C - волновое сопротивление,

 - амплитуда колебаний,

 - частота.

С повышением звукового давления до оптимальной величины возрастает число газовых пузырьков жидкости, соответственно увеличивается объем кавитационной области. В ультразвуковых установках для очистки звуковое давление на границе “излучатель-жидкость” лежит в пределах 0,2 ÷0,14 Мпа.

Под интенсивностью ультразвуковых колебаний на практике принимают мощность, приходящуюся на единицу площади излучателя:

1,5÷3 Вт/см² - водные растворы,

0,5÷1 Вт/см² - органические растворы.

Кавитационное разрушение достигает максимума тогда, когда время захлопывания пузырьков равно полупериоду колебаний. На образование и рост кавитационных пузырьков влияют вязкость жидкости, частота колебаний, статическое давление и температура. Кавитационный пузырек может образоваться, если его радиус меньше некоторого критического радиуса, соответствующего определенному гидростатическому давлению.

Частота ультразвуковых колебаний лежит в пределах от 16 Гц до 44 кГц.

Если частота колебаний низкая, то образуются более крупные пузырьки с малой амплитудой пульсации. Часть из них просто всплывает на поверхность жидкости. Ультразвук низкой частоты хуже распространяется из-за поглощения, поэтому качественный процесс очистки идет в области, близкой к источнику. При низкой частоте недостаточно хорошо очищаются микротрещины, размеры которых меньше длины волны ультразвука.

Повышение частоты колебаний приводит к уменьшению размеров газовых пузырьков и следовательно, к уменьшению интенсивности ударных волн при одной и той же мощности установки. Для запуска кавитационного процесса с увеличенной частотой требуется большая интенсивность колебаний. Рост частоты ультразвуковой установки очистки приводит обычно к понижению КПД установки. Тем не менее, повышение частоты ультразвука имеет ряд положительных сторон:

Очистка осуществляется гидропотоками при значительно меньшей вибрации детали;

Плотность ультразвуковой энергии увеличивается пропорционально квадрату частоты, что позволяет вводить в раствор большие интенсивности или при постоянной интенсивности уменьшать амплитуду колебаний;

С увеличением частоты увеличивается величина поглощаемой энергии ультразвука.

Вследствие поглощения энергии более высокой плотности частицы масел, жиров, флюсов и т.п. загрязнений поверхности детали нагреваясь, становятся более жидкотекучими и легко растворяются в очищающей жидкости. Вода (как основа моющего раствора) при этом не нагревается;

С увеличением частоты уменьшается длина волны, что способствует более тщательной очистке мелких отверстий;

При колебаниях ультразвука достаточно высокой частоты (40 кГц) ультразвуковая волна распространяется с меньшим поглощением и действует эффективно даже на большом расстоянии от источника;

Значительно уменьшаются габариты и масса ультразвуковых генераторов и преобразователей;

Уменьшается опасность эрозионного разрушения поверхности очищаемой детали.

Вязкость жидкости при ультразвуковой очистке влияет на потери энергии и ударное давление. Увеличение вязкости жидкости повышает потери на вязкое трение, однако время захлопывания пузырька при этом сокращается, следовательно, увеличивается сила ударной волны. Техническое противоречие.

Температура оказывает неоднозначное влияние на процесс ультразвуковой очистки. Повышение температуры активизирует моющую среду, повышает ее растворяющую способность. Но при этом уменьшается вязкость раствора и увеличивается давление парогазовой смеси, что значительно снижает устойчивость кавитационного процесса. Здесь мы опять сталкиваемся с ситуацией технического противоречия.

Инженерный подход к разрешению этого противоречия заключается в оптимизации температуры (вязкости) раствора в зависимости от характера и вида загрязнений. Для очистки деталей от химически активных загрязнений следует повышать температуру, а для удаления плохо растворимых загрязнений нужно выбирать такую температуру, которая создает условия оптимальной кавитационной эрозии.

Рекомендуемые температуры:

Щелочные растворы 40÷60ºС,

Трихлорэтан 38÷40ºС,

Водные эмульсии 21÷ 37 ºС.

Кроме кавитационного диспергирования загрязнений, положительное значение при очистке имеют акустические течения жидкости, т.е. вихревые потоки, образующиеся в озвученной жидкости в местах ее неоднородностей или на границе раздела “жидкость-твердое тело”. Высокий уровень возбуждения жидкости в граничащем с поверхностью детали слое уменьшает толщину диффузионного слоя, образованного продуктами реакции моющего раствора с загрязнениями.

Среды ультразвуковой очистки

Очистку проводят в водных моющих растворителях, эмульсиях, кислых растворах. При использовании щелочных растворов можно значительно уменьшить температуру и концентрацию щелочных компонентов, а качество очистки останется высоким. При этом уменьшается травящее воздействие на деталь. В состав щелочных растворов входят чаще всего каустическая сода (NaOH), кальцинированная сода (Na₃CO₃), тринатрийфосфат (Na₃PO₄^.12H₂O), жидкое стекло (Na₂O^.SiO₂), анионоактивные и неионогенные ПАВ (сульфанол, тинол).

ПАВ существенно повышают кавитационную эрозию, т.е. интенсифицируют процесс очистки. Однако, опасность кавитационного разрушения поверхности материала при добавлении ПАВ также увеличивается. Понижение поверхностного натяжения в присутствии ПАВ приводит к увеличению количества пузырьков в единице объема. При этом ПАВ понижает прочность поверхности детали (техническое противоречие).

Для предовращения эрозии металлов необходимо выбирать оптимальные концентрации ПАВ, минимальную длительность процесса и располагать детали подальше от излучателя (инженерное решение).

Очистку ультразвуком в органических растворителях применяют тогда, когда очистка в щелочных растворителях может привести к коррозии материала или к образованию пассивной пленки, а также, если необходимо сократить время сушки. Наиболее удобными являются хлорированные растворители с высокой химической активностью; они растворяют самые различные загрязнения и безопасны в эксплуатации.

Хлорированные растворители можно применять в чистом виде и в составе азеотропных смесей (перегоняемых без изменения состава). Например, смеси фреона-113, фреона-30. Азеотропные смеси растворителей реагируют со многими загрязнениями, при этом эффективность очистки увеличивается.

Для ультразвуковой очистки применяются также бензин, ацетон, спирты, спиртобензиновые смеси.

Для ультразвукового травления деталей при очистке от окислов применяют концентрированные кислые растворы (см. таблицу 1.6).

Таблица 1.6.

Состав растворов (массовые доли) и режимы ультразвукового травления

Способы управления процессом ультразвуковой очистки.

Изменение давления жидкости. Способ реализуется в виде создания вакуума или наоборот, избыточного давления. При вакууммировании жидкости облегчается образование кавитации. Избыточное давление повышает эрозионное разрушение, сдвигает максимум кавитационной эрозии в зону больших звуковых давлений, влияет на характер акустических течений.