Ультразвуковой метод подготовки металлов к нанесению защитных покрытий

Коррозия: материалы, защита, № 6, 2005 г.

УДК 620.197

Н. М. Лебедев, Т. И. Жирнова, А. Г. Саутин, О. В. Воронин
ООО «Александра-Плюс», Вологда
Статья поступила в редакцию 14.01.2005 г.

Подготовка поверхности деталей перед нанесением покрытий в первую очередь предусматривает очистку поверхности от загрязнений, процесс очистки можно значительно интенсифицировать введением в моющий раствор ультразвуковых колебаний. Ультразвуковая очистка увеличивает степень чистоты поверхности, позволяет исключить пожароопасные и токсичные моющие вещества. В статье приведены технические характеристики ультразвукового оборудования, изготавливаемого ООО «Александра-Плюс» (Вологда), разрабатываемого с учетом оптимальных параметров ультразвуковых генераторов и излучателей в комплексе с подбором необходимых технических моющих средств. Оборудование применяется не только для очистки поверхности отдельных деталей, но и встраивается в непрерывно-действующие технологические процессы.

В связи с необходимостью защиты металлических изделий от коррозивного воздействия окружающей среды, а также повышением требований к внешнему виду металлопродукции на промышленных предприятиях увеличивается доля продукции, защищенной противокоррозионными и декоративными покрытиями. Качественное нанесение защитного покрытия (лакокрасочного, цинкового, медного и др.) на металлическую поверхность возможно лишь при тщательной ее подготовке, которая заключается в очистке поверхности от остатков консервационной, волочильной или других видов смазки, смазочно-охлаждающих жидкостей, солевых налетов, механических загрязнений, продуктов коррозии металла.

Очистка — это совокупность ряда сложных физических и химических процессов. Чаще всего для очистки поверхности используют моющие составы, которые должны обладать высокой химической активностью, эффективно разрыхлять, разрушать или растворять пленки загрязнений, т. е. нежелательные вещества на поверхности очищаемого объекта[1]. В то же время моющая жидкость должна обладать антикоррозионными свойствами, так как подготовленные к нанесению покрытий изделия хранятся в течение некоторого времени в условиях, часто способных вызвать коррозию металлов. Для повышения качества промывки жидкость для очистки необходимо «активировать». Одним из мощных активирующих средств являются ультразвуковые колебания жидкости[2] [3] [4] [5].

Ультразвуковая обработка для удаления загрязнений использует явления, возникающие в жидких средах при возбуждении в них интенсивных упругих колебаний высокой частоты. Особенно важно такое явление, как кавитация — захлопывание газовых пузырьков, образующихся при сжатии и расширении жидкости. Причиной исключительной эффективности кавитации является то, что захлопывание пузырьков начинается у очищаемой поверхности. Кавитация сопровождается возникновением очень высоких мгновенных гидростатических давлений, которые отрывают прилипшие к поверхности металла частицы загрязнений.

Источниками ультразвуковых колебаний в настоящее время в основном являются пьезоэлектрические преобразователи, изготавливаемые из пьезокерамики на основе цирконата-титаната свинца. При воздействии знакопеременного напряжения на пьезокерамическую пластину она начинает совершать колебания, особенно интенсивные на определенной резонансной частоте.

Передача ультразвуковых колебаний в раствор осуществляется излучателями, которые имеют специально подобранные размеры и форму для создания необходимых условий возникновения кавитации и, как следствие, улучшения качества очистки. Из практики известно, что наиболее эффективными для очистки поверхностей являются ультразвуковые колебания частотой 18…25 кГц. Этот диапазон частот обеспечивает нужную кавитацию при наибольшей удельной мощности, экономичен и находится за пределами слышимости человеческого уха.

ООО «Александра-Плюс» является разработчиком и изготовителем ультразвуковых излучателей на основе пьезокерамических преобразователей с собственной резонансной частотой 22 ± 1 кГц. Форма излучателя и его размеры выбраны на основе соответствующих теоретических расчетов. Потребляемая мощность одного излучателя не превышает 100 Вт, что вместе с высоким коэффициентом полезного действия (90…95 %) ультразвукового генератора, собранного на электронных микросхемах, позволяет достичь удельной акустической мощности 2,0…2,5 Вт/см2, что достаточно для возникновения в растворе интенсивных кавитационных явлений. Увеличение мощности при той же частоте в основном не приводит к изменению параметров очистки.

Для более полной передачи ультразвуковых колебаний в моющий раствор ультразвуковые излучатели изготовлены из нержавеющей стали и вынесены непосредственно в рабочий объем жидкости, а для того, чтобы в рабочей зоне не было так называемых «мертвых зон», расстояние между излучателями выбрано исходя из величины длины волны ультразвуковых колебаний в жидкости. Также установлено, что для качественной очистки поверхности в каждый литр моющей жидкости следует вводить не менее 10 Вт ультразвуковой энергии. Вышеперечисленные факторы делают оборудование, производимое ООО «Александра-Плюс», одним из самых эффективных в плане очистки поверхности среди подобного оборудования, изготавливаемого как в России, так и за рубежом.

Одной из основных задач в производстве изделий с покрытием (цинковым, медным и др.) является предварительная подготовка поверхности, т. е. удаление механических и жировых загрязнений. В противном случае возможно появление дефектов покрытий (отслаивание, шероховатость и др.).

На ОАО «НЛМК» (Липецк) и ОАО «Северсталь» (Череповец) специалистами ООО «Александра-Плюс» введены в эксплуатацию установки ультразвуковой очистки, встроенные в агрегаты непрерывного обезжиривания на линиях горячего цинкования (АНГЦ) (рис. 1, 2). Технологический процесс с использованием ультразвуковой очистки позволил снизить остаточное содержание механических и жировых загрязнений на 98 % от исходного уровня (с 500…1000 до 10…15 мг/м2).

Одновременно с уменьшением остаточной загрязненности уменьшилось количество остановок линии АНГЦ на чистку печных роликов в 1,5—1,7 раза. Дефектов по нанесению цинкового покрытия со времени введения установок ультразвуковой очистки не обнаруживается.

До внедрения ультразвуковых установок для очистки поверхности с повышенным (< 1000 мг/м2) содержанием на стальной полосе загрязнений в узле химической очистки имело место недостаточное снижение остаточных загрязнений, что приводило к отсортировке оцинкованного листа по дефектам. Применение ультразвуковой очистки позволило снизить количество остаточных загрязнений на поверхности металла до 10…15 мг/м2, а на отдельных партиях металла указанных загрязнений применяемыми методами контроля не обнаружено.

Данный процесс очистки возможно распространить и на нанесение покрытий различного вида на крепежные изделия, проволоку и т. д. на стадии подготовки поверхности в сочетании с химическим методом очистки.

Ультразвуковую очистку крепежных изделий можно проводить с использованием одной из серийных разработок 000 «Александра-Плюс» (рис. 3). Это — «Рабочее место ультразвуковой очистки деталей» (ТУ 3444-004-52036912-2004; защищено патентом на промышленный образец в 2004 г.). Данная ультразвуковая установка предназначена для очистки и обезжиривания мелких деталей, таких как крепежные изделия, распылители, форсунки, подшипники и т. п. Более 10 подобных установок эксплуатируются в локомотивных депо Северной железной дороги от Печоры до Иваново, а также на судоремонтных предприятиях (ООО «Дело», Мурманск).

Технические характеристики установки приведены далее.

Объем ванны, л 10-50 (по желанию заказчика)
Температура моющей жидкости, °C 0—100
Частота ультразвуковых колебаний, кГц 22±1
Мощность одного излучателя, кВт 0,1
Количество излучателей 3—7
Мощность нагревателя (ТЭН), кВт 1—3
Режим подогрева Автоматический
Режим работы Повторно-кратковременный

На рис. 4 представлена установка очистки сварочной проволоки и ленты проходного типа от консервационной смазки и продуктов коррозии. Подобные установки введены в эксплуатацию и на ЗАО «Завод сварочных материалов» (Березовский), ОАО «Уралхиммаш» (Екатеринбург), ОАО «Элком» (Комсомольск-на-Амуре), ЗАО «Сычевский электродный завод» и др. Об их технических характеристиках можно судить по приведенным ниже данным.

Ванна ультразвуковая
Напряжение питания, Вт (Гц) 380 (50)
Количество излучателей, шт 2
Рабочая частота ультразвуковых колебаний, кГц 22 ± 1
Мощность одного излучателя, кВт 0,1
Габаритные размеры (LxBxH), мм 796 × 600 × 1000
Объем ванны, л 10
Режим работы Постоянный
Установка очистки раствора
Объем моющего раствора, л 210
Количество ТЭНов, шт. 1
Мощность одного ТЭНа, кВт 5
Электронасос, тип 50МС УХЛ4, шт. 1
Потребляемая мощность насоса, кВт 0,18
Габаритные размеры, мм 1000 × 600 × 530
Шкаф электрооборудования
Габаритные размеры, мм 400 × 250 × 600

На ЗАО «Сычевский электродный завод» введена в эксплуатацию подобная установка ультразвуковой очистки проволоки для производства электродов. Оборудование встроено в волочильный стан перед последней операцией волочения для очистки проволоки от металлической пыли, мыльной обмазки, графита. Скорость перемещения проволоки — до 200 м/мин. Для промывки используются щелочные моющие средства с добавками поверхностно-активных веществ и ингибиторов коррозии.

Ультразвуковые установки, изготавливаемые ООО «Александра-Плюс», разрабатываются с учетом оптимальных параметров ультразвуковых генераторов и излучателей в комплексе с подбором необходимого моющего раствора. В качестве моющих растворов используют самые современные разработки предприятий химической промышленности (Белгород, Буй, Москва, Санкт-Петербург) и научных организаций (ИФХ РАН).

Габаритные размеры выбираются таким образом, чтобы была возможность встраивания установки в действующий технологический процесс, и зависят только от количества используемых ультразвуковых излучателей. Установки мобильные, т. е. имеется возможность перестановки их в другие необходимые технологические линии.

В апреле и сентябре 2004 г. сданы в эксплуатацию две многонитьевые (125 ниток) установки очистки проволоки (рис. 5) для российско-германского предприятия «Беа-РУС» (Московская область), производящего крепеж для мебельной промышленности. Внедрение ультразвуковой очистки позволило снизить расход клея и повысить качество изделий. Технические характеристики многонитьевой установки приведены далее.

Напряжение питания, Вт (Гц) 220 (50)
Потребляемая мощность установки, кВт, не более 1
Режим работы Постоянный
Габаритные размеры установки, мм 1200 × 1400 × 122
Габаритные размеры шкафа управления, мм, не более 620 × 370 × 870
Ванна ультразвуковая
Количество излучателей, шт. 15
Рабочая частота ультразвуковых колебаний, кГц 22
Объем рабочей жидкости, л, не более 50
Габаритные размеры ванны, мм 1200 × 600 × 412
Модуль очистки раствора (воды)
Объем моющего раствора, л, не менее 200
Температура моющего раствора, °C 60—70
Количество ТЭНов, шт. 2
Мощность ТЭНа, кВт 4

В ближайшей перспективе планируются работы по промышленному внедрению меднения стальной проволоки с использованием ультразвука. Лабораторные эксперименты показали, что с применением ультразвука улучшается качество покрытия, увеличивается его толщина, уменьшается размер зерен покрытия, возрастают его адгезия и плотность.

В некоторых технологических процессах нанесения защитных покрытий применяют операции травления. Воздействие ультразвуковых колебаний на травильный раствор позволяет ускорить процесс в 3-4 раза при снижении концентрации кислоты. Это становится возможным благодаря проявлению специфических эффектов ультразвука (акустические течения и др.).

Вместе с подготовкой поверхности к нанесению покрытий в производстве часто возникает задача приготовления различных растворов из трудносмешивающихся компонентов. В этом случае ультразвуковая обработка позволяет получить стабильные эмульсии, которые не расслаиваются в течение необходимого времени (от нескольких минут до нескольких месяцев). При помощи ультразвуковой обработки получена практически нерасслаивающаяся эмульсия олеиновой кислоты в воде, эмульсия керосина, применяемая во флотационных процессах, и т. п.

Таким образом, из приведенных примеров видно, что применение ультразвука имеет значительные перспективы для подготовки поверхности к нанесению защитных покрытий. Ультразвуковая очистка позволяет ускорить процессы очистки при одновременном улучшении качества подготавливаемой поверхности. Использование в качестве моющих растворов водорастворимых соединений позволяет исключить токсичные и легковоспламеняющиеся растворители (бензин, дизельное топливо, фреоны), что немаловажно для экологической чистоты производства.

Список литературы

  1. ^ Ультразвуковая технология / Под ред. Б. А. Аграната М.: Металлургия, 1974. 503 с.
  2. ^ Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: ИЛ, 1957. 576 с.
  3. ^ Агранат Б. А., Дубровин М. П., Хавский Н. Н. и др. Основы физики и техники ультразвука. М.: Высш. шк., 1987. 347 с.
  4. ^ Спринг С. Очистка поверхности металлов. М.: Мир, 1966. 349 с.
  5. ^ Попилив Л. Я. Ультразвуковая интенсификация очистки и гальванических процессов. М.: Судпромгиз, 1962. 263 с.

Рис. 1. Установка-ультразвуковой очистки, установленная на ОАО «НЛМК»

Рис. 2. Установка ультразвуковой очистки, установленная на ОАО «Северсталь»

Рис. 3. Рабочее место ультразвуковой очистки деталей

Рис. 4. Установка ультразвуковой очистки проволоки для ОАО «ЭЛКОМ» (Комсомольск-на-Амуре)

Рис. 5. Многонитьевая установка ультразвуковой очистки проволоки