超聲波清洗對(duì)鋁件的空化腐蝕影響*

吳 忠

(南京長(zhǎng)江電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司， 江蘇 南京 210038)

超聲波清洗對(duì)鋁件的空化腐蝕影響*

吳 忠

(南京長(zhǎng)江電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司， 江蘇 南京 210038)

由于具有適用范圍廣、高效、一致性好等優(yōu)點(diǎn)，超聲波清洗被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子等行業(yè)。但實(shí)際的超聲波清洗對(duì)零件并不是完全無(wú)損，由于空化作用，它會(huì)對(duì)一些材料的零件表面產(chǎn)生損傷，尤其是鋁合金材料零件、表面處理零件等，更易遭受表面空化腐蝕。文中通過(guò)幾種常用鋁基材料的超聲波清洗工藝試驗(yàn)，分析了超聲波清洗對(duì)它們產(chǎn)生不同程度空化腐蝕的原因，提出在對(duì)鋁合金材料零件進(jìn)行超聲波清洗時(shí)應(yīng)合理選擇超聲波清洗的工藝參數(shù)或方法，以使所清洗零件免遭空化腐蝕。

超聲波；空化腐蝕；電偶；鋁件

引 言

在機(jī)電行業(yè)中，零件的加工、部件的裝配、電子元件、電子線路板、焊接及表面處理前對(duì)零件的清潔等都有清洗要求，大多數(shù)企業(yè)采用的是傳統(tǒng)的清洗方法,如利用汽油、丙酮、酒精等溶劑以及酸堿等進(jìn)行浸潤(rùn)清洗、刷洗，或用大量流水噴淋清洗等，這些清洗方法不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，成本較高，還會(huì)污染環(huán)境, 浪費(fèi)資源。

而超聲波清洗具有如下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1)適用范圍廣。由于超聲波能量能穿透細(xì)微的縫隙和小孔，因此它可用于任何零件或裝配件的清洗；

2)高效。與常規(guī)清洗相比， 超聲波清洗在零件的除塵、除油、除垢等方面要快得多；

3)一致性好。由于超聲波能量、清洗時(shí)間等可控，零件無(wú)論大小，簡(jiǎn)單還是復(fù)雜，其清洗后的潔凈度都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于手工操作。

因此不少企業(yè)已開始進(jìn)行技術(shù)改造，采用超聲波清洗以消除傳統(tǒng)清洗的弊端，降低成本，提高清洗效率。

超聲波清洗是利用超聲波在介質(zhì)中的空化現(xiàn)象對(duì)零件產(chǎn)生清潔作用，該空化現(xiàn)象具有極高的瞬時(shí)壓力，因而會(huì)對(duì)一些零件表面產(chǎn)生損傷，尤其是鋁合金材料零件、表面處理零件等，更易遭受表面空化腐蝕。本文針對(duì)鋁合金零件在超聲波清洗時(shí)產(chǎn)生的空化腐蝕現(xiàn)象，通過(guò)幾種常用的鋁合金材料在不同條件下進(jìn)行超聲波清洗的工藝試驗(yàn)，分析了鋁合金材料在超聲波清洗時(shí)容易產(chǎn)生空化腐蝕的原因，找出了避免鋁合金零件在超聲波清洗過(guò)程中產(chǎn)生空化腐蝕或降低其概率的工藝參數(shù)和工藝方法，可較好地解決鋁合金零件在超聲波清洗時(shí)產(chǎn)生空化腐蝕的問(wèn)題。

1 超聲波清洗的工作原理

超聲波清洗系統(tǒng)主要包括盛放清洗液的槽、產(chǎn)生高頻電信號(hào)的超聲波發(fā)生器及將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的換能器。

超聲波清洗是利用超聲波換能器的壓電效應(yīng)，將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高于20 kHz的高頻電流轉(zhuǎn)換成相同頻率的機(jī)械波，以超聲波的形式密集地沿?fù)Q能器的軸心縱向傳播入清洗液，并在清洗液中產(chǎn)生數(shù)百萬(wàn)計(jì)的微小氣泡，這些氣泡核在超聲波縱向傳播的負(fù)壓區(qū)形成及生長(zhǎng)，而在正壓區(qū)迅速破裂，這種微小氣泡的形成、生長(zhǎng)及迅速爆裂的過(guò)程被稱為空化現(xiàn)象。在空化現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，微小氣泡從產(chǎn)生、生長(zhǎng)及迅速破裂的瞬間形成超過(guò)1 000個(gè)大氣壓的瞬時(shí)高壓，連續(xù)不斷的瞬時(shí)高壓就像一連串的小炸彈，不斷轟擊清洗物表面，使物體表面、縫隙及盲孔中的附著物污垢迅速剝離[1]。

2 超聲波清洗對(duì)鋁件的腐蝕

某真空鋁釬焊件盒體原材料為鍛鋁6063，表面清潔要求較高，但該零件在數(shù)控加工時(shí)用的是皂液冷卻，而皂液因長(zhǎng)期使用混雜了機(jī)油等，在完成粗加工經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的擺放后，在零件表面形成了一層由皂液、機(jī)油等組成的干性污物，常規(guī)清洗不易去除。現(xiàn)采用超聲波清洗法對(duì)其進(jìn)行清洗，超聲波清洗的常規(guī)工藝流程見(jiàn)表1[2]。

表1 超聲波清洗的常規(guī)工藝流程

盒體按表1中工序1進(jìn)行粗洗，因盒體較大，為使盒體清洗徹底，清洗時(shí)間設(shè)定為20 min。清洗結(jié)束后，零件表面出現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象，如圖1(a)所示，局部已出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，如圖1(b)、圖1 (c)所示，零件所受腐蝕已侵入母材基體。

圖1 盒體零件表面腐蝕圖

3 超聲波清洗對(duì)鋁件腐蝕的原因分析

為找出超聲波清洗對(duì)鋁合金材料的腐蝕影響，選取牌號(hào)為3A21、2A12、5A05、6063的常用鋁合金材料進(jìn)行超聲波清洗試驗(yàn)，見(jiàn)表2。

表2 樣件超聲波清洗試驗(yàn)

在樣件清洗試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：鋁材6063腐蝕程度最重，其次為2A12，最輕的是3A21和5A05，如圖2所示。

圖2 幾種鋁合金材料腐蝕圖

鋁件之所以在超聲波清洗時(shí)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，是因?yàn)樵诔暡ㄇ逑磿r(shí)的空化過(guò)程中，液體受到聲波壓縮和膨脹的交替作用，空泡急速產(chǎn)生、擴(kuò)張、潰滅，在液體中形成沖擊波或高速射流，鋁合金材料受到?jīng)_擊后，表面晶體結(jié)構(gòu)被扭曲、畸變，出現(xiàn)化學(xué)不穩(wěn)定性，形成電偶腐蝕，造成鋁件表面因空化作用而產(chǎn)生的腐蝕即空化腐蝕。

6063鍛鋁屬于Al-Cu-Mg-Si系合金，2A12硬鋁屬于Al-Cu-Mg系合金，這2個(gè)系列的合金中都含有大量的元素Cu。含銅固溶體和化合物具有比晶界高得多的電極電位，其中Cu與Mg的電化偶的電位差為1.65 V左右[3]，當(dāng)表面晶體結(jié)構(gòu)被扭曲、畸變破壞后，更易產(chǎn)生電偶腐蝕，因此用超聲波清洗時(shí)，Al-Mn系和Al-Mg系防銹鋁合金要比Al-Cu-Mg-Si系和Al-Cu-Mg系等含銅鋁合金[4]更耐空化腐蝕。

在超聲波清洗試驗(yàn)過(guò)程中，被洗鋁件上常會(huì)出現(xiàn)有規(guī)律的間隔點(diǎn)腐蝕痕，如圖3所示。該間隔點(diǎn)腐蝕明顯大于其它表面腐蝕，后經(jīng)檢查分析發(fā)現(xiàn)，間隔點(diǎn)腐蝕痕的間距與清洗時(shí)所使用的籃子上的不銹鋼網(wǎng)格間距基本一致，如圖4所示。作為2個(gè)有著極大電位差的材料，不銹鋼和鋁合金材料在含堿性清洗液中進(jìn)行超聲波清洗時(shí)，空化作用的產(chǎn)生加劇了它們之間的電化偶腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致了如圖1所示的局部區(qū)域的嚴(yán)重腐蝕。

圖3 間隔點(diǎn)腐蝕痕

圖4 鋁件擺放圖

超聲波清洗會(huì)對(duì)鋁件造成空化腐蝕，要消除腐蝕或減小腐蝕的程度，就有必要找出影響空化腐蝕的一些因素。因此，后期又將鋁件放在清水中，放入不銹鋼籃中用絕緣材料隔離，在超聲波功率為3 kW、頻率為40 kHz等不同條件下分別進(jìn)行超聲波清洗試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)影響鋁件空化腐蝕的主要因素有：

1)清洗時(shí)間。清洗時(shí)間越長(zhǎng)，超聲波清洗對(duì)鋁件的空化腐蝕越大，反之則越小。

2)介質(zhì)。堿性清洗液會(huì)加劇空化腐蝕，但如果不能有效控制清洗時(shí)間，鋁件在清水中清洗時(shí)也會(huì)遭受空化腐蝕。

3)鋁件與超聲波換能器之間的距離。鋁件與超聲波換能器之間的距離和鋁件所受空化腐蝕的影響成反比，即距離越遠(yuǎn)所受空化腐蝕影響越小。這是由于超聲波能量在液體中隨著擴(kuò)散距離加長(zhǎng)而發(fā)生衰減，使清洗面空化腐蝕現(xiàn)象減輕或消失。因此，圖1中的殼體最底面所受腐蝕最小，與換能器最近的上平面腐蝕最嚴(yán)重。

4)頻率。選用低頻率28 kHz進(jìn)行超聲波清洗時(shí)對(duì)鋁件的空化腐蝕程度要大于選用較高頻率40 kHz時(shí)，這是由于低頻率所產(chǎn)生的空化作用強(qiáng)度要大于高頻率的空化作用強(qiáng)度，空化腐蝕強(qiáng)度與頻率成反比關(guān)系。但如不控制好清洗時(shí)間等，高頻率超聲波清洗也會(huì)對(duì)鋁件產(chǎn)生一定程度的空化腐蝕。

4 結(jié)束語(yǔ)

從上述試驗(yàn)、分析可知，鋁件在超聲波清洗時(shí)所受空化腐蝕的影響除與本身材料成分有關(guān)外，還與清洗時(shí)間、超聲波頻率、放置方法與位置、清洗液種類等有關(guān)。因此在進(jìn)行鋁基材料的超聲波清洗時(shí)應(yīng)采取如下措施：

1)嚴(yán)格控制清洗時(shí)間；

2)盡量避免與不銹鋼清洗籃網(wǎng)接觸，或鋁件在清洗液中采用懸掛的放置方法，以減少或避免產(chǎn)生電化偶腐蝕；

3)鋁件的放置位置可考慮離超聲波換能器稍遠(yuǎn)一點(diǎn)，以適當(dāng)減小超聲波能量；

4)對(duì)于污染不嚴(yán)重的鋁件可選擇頻率較高的超聲波清洗方式；

5)選擇一種堿性相對(duì)較小或中性的清洗液。

此外，還可采取對(duì)鋁樣件進(jìn)行超聲波清洗試驗(yàn)的方法，找出清洗效率高又能避免產(chǎn)生空化腐蝕或減小空化腐蝕產(chǎn)生概率的清洗工藝參數(shù)或方法。

[1] 魏竹波, 周繼維. 超聲波清洗技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

[2] 陳輝, 強(qiáng)穎懷, 葛長(zhǎng)路. 超聲波空化及其應(yīng)用[J]. 新技術(shù)新工藝, 2005(7): 63-65.

[3] 方志剛. 鋁合金防腐蝕技術(shù)問(wèn)答[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2012.

[4] 陸漱逸, 王于林. 工程材料學(xué)[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 1987.

吳 忠(1963-)，男，工程師，主要從事雷達(dá)產(chǎn)品工藝總體設(shè)計(jì)工作。

Effect of Ultrasonic Cleaning on Cavitation Corrosion of Aluminum

WU Zhong

(NanjingChangjiangElectronicsGroupCo.,Ltd.，Nanjing210038,China)

Because of the wide application range, high efficiency and good consistency， ultrasonic cleaning is widely used in machinery, electronics and other industries. But the actual ultrasonic cleaning will inevitably damage the surface of the part made of some materials, especially the aluminum alloy material parts and surface treatment parts etc. are more likely to suffer from cavitation corrosion due to cavitation. In this paper by the ultrasonic cleaning process tests of several commonly used aluminum materials, reasons of cavitation corrosion to different degrees resulted from ultrasonic cleaning for them are analyzed and how to choose reasonable parameters of the ultrasonic cleaning or method is put forward in order to avoid cavitation corrosion.

ultrasonic; cavitation corrosion; galvanic; aluminum

2014-02-19

TB559

A

1008-5300(2014)03-0046-03