SurTec ČR technický dopis 13A - 1 - Čištění jako část tepelného zpracování SurTec ČR s.r.o. Nádražní 148 252 46 Vrané nad Vltavou Telefon: 02-577 600 37 - Fax: 02-577 600 36 - e-mail: surtec@iol.cz
SurTec ČR technický dopis 13A - 2 - Úvod Všeobecně se přisuzuje čištění ve výrobě podřadná role. Oproti například následnému povlakování, zušlechťování, tepelné úpravě atd. je to proces, na který se prvotně nikdo nedívá jako na tvorbu hodnot (pokud se nejedná o finální čištění). Čištění stojí čas a peníze a je považováno často jen za nutné zlo. Měli bychom si ale uvědomit, že čištění je důležitá známka jakosti, která může zásadně ovlivnit následné procesy. Proto se vyplatí podívat se na problematiku čištění zblízka. V oblasti tepelných úprav se objevují chyby často až po termochemickém procesu difúze (např. plynové nitridaci), a to ačkoliv díly byly předtím opticky čisté, tj. bez špon a oleje, i suché. Vyskytující se chyby jsou potom: - různě silné spojovací vrstvy - různé profily koncentrací - špatně držící spojovací vrstvy - Nejpozději v tomto okamžiku bychom měli přemýšlet, které veličiny jsou za chybný proces zodpovědné. Pokud můžeme vyloučit jiné zdroje chyb, jako: - druh materiálu - geometrie dílů - pozice - mechanická předúprava - nastavení pece -, jsou tyto chyby zpravidla zpětně vystopovatelné až na neviditelné povrchové vrstvy, které zabraňují difúzi (bariéry); to znamená na opticky čistém povrchu dílu zůstaly zbytky, jakéhokoliv druhu, které finálně způsobily chybu. Dodatečné úpravy zmetků jsou obtížné a časově a nákladově náročné a ne vždy možné. Tyto bariéry se musí mechanicky odstraňovat, např. broušením nebo pískováním (problémy: dodržení rozměru, stupeň drsnosti). Poté se musí opět tepelně upravit, což znovu stojí čas a peníze. Zvláště při zakázkové výrobě nelze ovlivnit, jakým způsobem budou dodávané díly znečištěny. Charakteristiky požadavků na čistotu jako - méně než x mg/m 2 zbytkového uhlíku, síry, fosforu, solí - bez oxidů - nelze často exaktně měřit, protože metody analýzy nejsou v provozu proveditelné (čas, náklady na přístroje, odborný personál atd.)
SurTec ČR technický dopis 13A - 3 - Cílem tohoto článku je seznámit se s vlivem různých kontaminací na proces tepelné úpravy i s procesem čištění a k tomu nutnou chemií, speciálně na vodní bázi. Povrch dílu a kontaminace Před tepelnou úpravou prochází díl mnoha různými fázemi, při kterých dojde ke změně povrchu. Rozlišujeme dva druhy změn: - mechanické změny o formování (tažení, válcování atd.) o zahušťování o obrábění (třískové obrábění, broušení, pískování, honování, atd.) o Přitom použité kapaliny zajištující chlazení, mazání a ochranu proti korozi během mechanického zpracování (mimo jiné prodlužují životnost nástrojů, zvyšují rychlost zpracování nebo napomáhají odstraňování špon a pilin). Mohou způsobit - chemické změny povrchu dílu o vrstvy fosfátu (např. zinečnatý fosfát usnadňuje tažení) o adsorpční a reakční vrstvy způsobené prostředky na ochranu proti korozi pomůckami na úpravu jako jsou např. chladící lubrikanty, mýdla a oleje (mimo jiné obsahující chlor, fosfor, síru atd.) roztoky na těsnostní zkoušky Povrch dílu před čištěním je schematicky zobrazen na obr.1 Základní materiál je pokryt mezní vrstvou, která vznikla při mechanickém zpracování. Poté následuje reakční vrstva, která se skládá zpravidla z oxidů kovů. Může ale obsahovat také produkty chemické reakce mezi chladícím lubrikantem a kovem, např. sulfid kovu nebo sloučeniny fosforu. Reakční vrstvy vznikají také při fosfátování povrchu kovu; tyto jsou zpravidla tenké, s dobrou adhezí a mohou být kompaktní a homogenní. Poté následuje sorpční vrstva, ve které jsou vázány další obsahové látky chladících lubrikantů chemickou nebo fyzikální sorpcí. Sorpční vrstva poté přechází v tlustou vrstvu znečištění, která obsahuje zbytky předchozích kroků zpracování, např. oleje, tuky, špony, zbytky čistících prostředků, nečistoty z vody.
SurTec ČR technický dopis 13A - 4 - Čištění Čištěním se rozumí zcela všeobecně odstraňování nežádoucích znečištění z povrchu dílu (substrátu) pomocí čistícího postupu. V praxi jsou k dispozici následující postupy: - mechanické metody o pískování (pískovací materiál: písek, sklo, CO 2 atd.) o broušení o vysokotlaké čištění (odhrotování) o - tepelné metody o vypalování o zónové tavení o vypařování o spalování o - fyzikální metody o sputrování o plazmové čistění o - chemické metody o praní, odmašťování o moření o V rámci tohoto článku má být představena chemická metoda čištění na bázi vody. Vodní systémy - čistící lázeň (obr.2), jakost vody Vodní lázně se skládají z 95-99% vody a 1-5 % čistícího prostředku, a proto je nutné se podívat blíže na kvalitu vody. Pitná voda (voda z řádu) se skládá nejen z čisté vody, nýbrž obsahuje také dle místa původu různé rozpuštěné látky, jako např. vápník, hořčík, síru, sodík, draslík, chloridy, dusičnany a různé organické sloučeniny. Tyto látky mohou, když zůstanou na povrchu substrátu (přischnou), vytvořit bariéry (skvrny vodního kamene a solí) nebo způsobit korozi (chloridy, sírany). Zvyšováním koncentrace (dlouhou dobou použití, navracením oplachové vody) se tyto efekty extrémě zesilují. Proto by se měla používat výhradně demivoda. Pro bezporuchový provoz nesmí vodivost překročit 50 μs/cm.
SurTec ČR technický dopis 13A - 5 - Čištění na bázi vody Příměsi v čistících lázních lze rozdělit do dvou skupin: - základní (anorganické nebo organické látky) Typické základní prostředky Funkce alkálie (NaOH, KOH) alkalita, přechodná ochrana proti korozi na oceli, dobré mýdelnatění tuků a dobrá vodivost fosfáty (např. orto- a kondenzované) dobré dispergační a komplexující činidlo silikáty dobré disperzní činidlo, dobrá schopnost dispergovat znečištění, inhibitory pro neželezné kovy, přechodná ochrana proti korozi na oceli, vrstvy schopné chemické sorpce aminy přechodná ochrana proti korozi na oceli boráty/uhličitany pufr, převážně pro neželezné kovy komplexující činidla (např. glukonáty, citráty) komplexování cizích iontů, odrezovač - tenzidy (aktivně mycí látky) Druh tenzidu aniontický (např. alkylbenzosulfonát) neiontický (např. etoxyláty mastných alkoholů) Funkce velmi dobrá emulgační činidla, dobrý čistící účinek dobrá až průměrná emulgační činidla, dobrý čistící účinek Průběh čištění Zjednodušený průběh čištění je znázorněn na obr 3. Při znečištění olejem snižují tenzidy povrchové napětí mezi olejem a vodou a způsobují vytvoření kapek oleje a stékání kapek s povrchu. Nečistoty uzavřené v oleji se tím odlepí. Dle druhu použitého tenzidu a druhu odstraňovaných nečistot může dojít k úplné emulgaci a pozdější demulgaci v lázni (tzn. olej se opět uvolňuje a lze ho např. pomocí odlučovače oleje odstranit). Na vzniklém hydrofilním povrchu kovu mohou teprve nyní působit základní prostředky; odstraňují ulpělé částice (uhlík, prach, oxidy kovů atd.) a dispergují je v lázni.
SurTec ČR technický dopis 13A - 6 - Vliv komponent čistících prostředků na tepelnou úpravu Různé komponenty čistících prostředků mají, pokud zůstanou na povrchu kovu, různý vliv na následné fáze zpracování. to ukazuje na příkladu nitridace. Ukazuje část výsledků výzkumného projektu IWT Bremen (Institut techniky zpracování materiálu), který se zabýval problematikou komponent čistících prostředků při tepelné úpravě. Hodnoty menší než 0,8 signalizují poruchu procesu nitridace tvorbou bariér. Problém tvorby bariér lze řešit odpovídajícími oplachy po čištění. Graf -Obr.4. Metody čištění - všeobecné parametry čištění Při čištění na bázi vody hrají roli čtyři parametry: chemie Jak již bylo uvedeno výše, musí chemie čistících prostředků na bázi vody být přizpůsobena dílu (druhu materiálu), který má být upravován, danému znečištění a následnému zpracování. doba Doba čištění závisí na druhu a množství znečištění i případně předem daném taktu, aby nebyly časově omezeny následné procesy v provozu. teplota Teplota lázně slouží mimo jiné ke snížení viskozity oleje popř. překročení bodu měknutí tuku, takže čištění povrchu dílu jde podstatně lehčeji a rychleji. mechanická energie Závislost viskozity na teplotě je znázorněna na obr. 5.
SurTec ČR technický dopis 13A - 7 - Mechanická energie může být dodána v různých formách. Např.: - přečerpávání - zaplavování - omílání - probublávání - stříkání - vysoký tlak (až 75 MPa) - hydroson, injekční zaplavování, tlakové zaplavování - ultrazvuk - Hydrovac, Vaccuclean, Flexiclean, vaření ve vakuu, probublávání vzduchem nebo inertním plynem ve vakuu Volba správné metody závisí na druhu dílu a jeho geometrii, na znečištění samotném a na čase, který je k dispozici. Vliv těchto parametrů ukazuje názorně obr. 6. Všechny čtyři parametry musí být pečlivě vzájemně sladěny, to znamená výsledek čištění může být zlepšen zvýšením energie (mechanické, tepelné nebo chemické) nebo prodloužením doby zpracování. Zrovna tak mohou být dobrým pohybem lázně vyrovnány deficity v oblasti teploty. Tím pádem může být výše popsaná vrstva znečištění (viz obr. 1) odstraněna čištěním při sladění všech parametrů. Pevněji vázaná reakční a sorpční vrstva se oproti tomu dá často kompletně odstranit jen metodou narušující povrch, např. broušením, pískováním, mořením, předoxidováním nebo vypalováním. Čistící linky Čistící linky se v dnešní době sestavují z modulů a mohou proto být bez problému přizpůsobeny pro požadované čištění. Postupy (zařízení) rozlišujeme postřikové, ponorové, popřípadě kombinované. U postřikových linek se s díly manipuluje v koších nebo na závěsech. Hlavní oblastí použití je mezioperační čištění. Velké díly (karoserie automobilů, části nábytku atd.) se čistí také finálně (např. před lakováním). U ponorových linek se buď pohybují díly (řadové linky, vícekomorové ponorové linky), nebo se pohybují lázně (kompaktní nebo jednokomorové linky). Ve vícekomorových ponorových linkách je pro každý krok postupu k dispozici jedna nebo více lázní. Koše na zboží jsou dopravovány k jednotlivým lázním a pohybuje se s nimi ve vanách (zdvihací pohyb, točení a kývání) na odnímatelných točnách nebo vozíkách.
SurTec ČR technický dopis 13A - 8 - Obr.7 U jednokomorové nebo kompaktní linky je koš se zbožím v pracovní komoře a roztoky lázní se čerpají do komory ze zásobních nádrží. Obr. 8. Speciální druhy jednokomorové linky jsou Hydrovac, Varioclean nebo Vaccuclean.
SurTec ČR technický dopis 13A - 9 - U těchto linek se vytváří v pracovní komoře vakuum při teplotě lázně cca 70 C (snížení bodu varu vaření ) nebo se současně pouští do pracovní komory trubkami vzduch nebo inertní plyn. Vznikající bubliny plynu, popřípadě páry, vytvářejí při prasknutí efekty podobné kavitaci při použití ultrazvuku. Protože bubliny páry vznikají také v otvorech a mezerách, lze dosáhnout velmi dobrého čistícího účinku. Obr. 9. Pracovní teploty se obvykle pohybují mezi 60 až 80 C. Volně programovatelné řízení (SPS) řídí všechny procesy v lince. Dle požadavků na čištění lze řízení různě naprogramovat. Objemy lázní se obvykle pohybují mezi 300 až 1000 litry. Ke snížení množství odpadu a k vyloučení odpadní vody se linky vybavují různými systémy recyklace. Čistící lázně procházejí odlučovačem oleje. Toto zařízení společně s demulgujícími čistícími systémy prodlužuje podstatně životnost lázní (redukce odpadu, odpadní vody a čistícího prostředku). Dosažitelný zbytkový obsah oleje bývá menší než 1%. Oplachové lázně se upravují pomocí vestavěného odpařovače nebo reverzní osmózou. Navýšení spotřeby energie pro odpařovač bývá jen cca 25% (ve srovnání s linkou bez odpařovače), protože teplo z kondenzace se znovu využívá pro vytápění lázní. Tímto odpařovačem se dají také likvidovat vyčerpané čistící lázně. Tak získáme linku bez odpadních vod, ale ne bez odpadu. Pomocí různých filtrů (sáčkový filtr, magnetický filtr, papírový filtr atd.) se dají z lázní odstranit různé částice znečištění (špony, otěr atd.)
SurTec ČR technický dopis 13A - 10 - Příklady úpravy použité vody z linky Úprava pomocí odpařovače (obr 10). Úprava pomocí reverzní osmózy (obr. 11)
SurTec ČR technický dopis 13A - 11 - Udržování konstantní koncentrace čistícího prostředku v lázni zajišťují stále častěji automatická dávkovací zařízení. Bez ohledu na členitost (geometrii) čištěných dílů je jejich povrch díky různým použitým metodám (postřik, ultrazvuk, tlakové zaplavování) stále ve stejnoměrném kontaktu s lázní. Znečištěný vzduch se prohání kondenzátorem. Kondenzát se odvádí do vodního systému linky. Kombinací sušení teplým vzduchem a vakuem je možné sušit i velmi členité díly v poměrně krátkém čase (neovlivní negativně takt linky). Přidáním dalších zařízení, jako membránové filtrace, výměníku iontů atd., lze prodloužit životnost lázní a tím snížit množství odpadu, odpadních vod a čistícího prostředku. V oblasti čištění před tepelnou úpravou se v praxi setkáváme nejčastěji s linkami jedno- až dvoukomorovými nebo linkami Hydrovac, Vaccuclean a Flexiclean. U těchto typů linek také dle zkušeností vzniká většina problémů. S přihlédnutím k výše popsanému vlivu účinných látek čistícího prostředku na následný proces tepelné úpravy se používají hlavně neutrální čistící prostředky. Tyto čistící prostředky jsou nepěnící, bez solí, jednokomponentní, s přechodnou ochranou proti korozi. Čistící schopnost těchto produktů s organickými základními prostředky (většinou aminy) je omezena např. při - pohlcování oleje - odstraňování pigmentových znečištění - schopnosti dispergovat znečištění - vzlínání To znamená, že jsou v první řadě vhodné k odstraňování lehkých znečistění (s vodou mísitelné a nemísitelné chladící lubrikanty) na málo členitých dílech. Tyto čistící prostředky nevytvářejí díky snadné odpařovatelnosti (od cca 180 C) bariérové vrstvy a podporují částečně díky obsaženému aminu (obsahuje dusík) proces tepelné úpravy. Následkem chybějící nebo nedostatečné úpravy lázně (filtr, odlučovač oleje, membránová filtrace, ) zůstávají odstraněné kontaminace (lubrikanty, oleje, prach, špony, pigmenty, ) v lázni a přisychají opět na povrchu dílů, což může vést k prodloužení procesu tepelné úpravy nebo k znovuvytvoření bariérové vrstvy. Následně jsou popsány různé metody úprav lázní a jejich účinek. - Odlučovač oleje (obr. 12) Výhodou odlučovače oleje jsou jeho nízké pořizovací náklady a jeho vhodnost ke kontinuální úpravě čistící lázně při použití demulgujících čistících systémů. Pro kontinuální a účinné odstranění oleje z čistící lázně by měla být uklidňovací zóna cca 10-20% objemu čistící lázně a prodleva v odlučovači 10-15 minut. Ve vodní fázi nelze docílit méně než 1 g/l zbytkového množství oleje. - Odstředivka (obr. 13) Využitím odstředivé síly se v odstředivce oddělují fáze (olej, emulze, lázeň), přičemž změnou počtu otáček, doby odstřeďování a konstrukce lze zlepšit separaci. Přestože centrifuga má lepší separační účinnost než odlučovač, může právě u demulgujících
SurTec ČR technický dopis 13A - 12 - systémů vést k tvorbě stabilních mikroemulzí, které pak lze už jen chemicky štěpit. - Membránová filtrace (obr. 14) Membránová filtrace mi-kro nebo ultrafiltrace je jako jediná metoda schopna zmenšit zbytkové množství oleje ve vodní fázi (permeátu) na hodnoty menší než 10 mg/l. Pomocí této metody lze separovat i emulze od vodní fáze zpětné získání součástí čistícího prostředku (recyklace) je ovšem možné jen při použití demulgujících systémů. Schéma úpravy lázně (obr. 15). Lázeň se ovšem nasazuje nejčastěji s neupravenou vodou z řádu, což vede k již výše popsaným problémům. Produkty, které obsahují anorganické základní prostředky (tzn. produkty obsahující sůl ), jsou technicky lepší než neutrální čistící prostředky, ale nedají se použít při jednokrokovém čištění kvůli chybějícím oplachům (tvorba ba-riérové vrstvy). Pokud jsou díly silněji znečištěny (tažné tuky, velká množství oleje, počínající rez, silné pigmentové znečištění) nebo budou-li požado-vány vyšší stupně čistoty, je nutno používat základní prostředky anorganického složení ve vícekro-kových linkách s odpovídajícími oplachovými a konzervačními lázněmi. To mohou být postřikové nebo ponorové nebo kombinované linky, přičemž se kombinace systému kvůli tvorbě pěny nedoporučuje (např. při přenosu ponorového tenzidu do postřikového oplachu).
SurTec ČR technický dopis 13A - 13 - Příklad postupu V řadové lince (obr.16) je možné nasadit pomocí vhodné oplachové techniky a odpovídajících přídavných zařízení (zde odlučovač oleje, membránová filtrace a filtr) čistící systémy, které obsahují základní prostředek k čištění silně znečištěných dílů. Zároveň je životnost lázní dlouhodobá. Podle vybavení čistících lázní (UZ, tlakové zaplavování) lze optimálně čistit a konzervovat i geometricky složité díly. Při sladěné chemii umožňuje linka čištění různých materiálů (např. ocel, litina, mosaz a hliník). Schéma optimalizovaného zařízení je na obr.16.