金属材料的清洗

金属制成的线材、管材、板材等原材料，以及金属制成的各种机械零件在进行涂漆、磷化、电镀等加工之前必须去除表面的污垢。金属制品表面的污垢主要是油污和氧化皮等腐蚀产物，去除金属表面油污的清洗称为脱脂清洗，而去除腐蚀物的清洗称为去锈清洗。本节主要介绍金属脱脂清洗，去锈清洗的方法和工艺。

金属的脱脂清洗

金属材料的脱脂清洗通常用碱性溶液、有机溶剂、表面活性剂溶液或混合溶液作清洗剂，并采用电解清洗、超声波清洗、研磨清洗等手段。

1.碱洗脱脂

（1）常用碱洗剂成分

碱洗剂的主要成分是氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠、硅酸钠、硼酸钠等碱或显碱性的盐，通常碱洗剂是含有上述两种或多种组分的混合物。氢氧化钠和碳酸钠是价格便宜显强碱性的物质，焦磷酸钠和三聚磷酸钠等磷酸盐在碱洗剂中发挥多种作用既是碱性的来源，也起着螯合钙镁离子，软化硬水的作用，还能作油污的分散剂，也是溶液的缓冲剂，使溶液的碱性在清洗过程中不会发生大幅度的突变；硅酸盐不仅使溶液显碱性，并能使污垢粒子悬浮分散，硅酸盐形成的胶体膜有保护铝、锌等两性金属不受腐蚀的作用；硼酸盐有与硅酸盐相似的作用，既是碱性来源又是缓冲试剂，并能对金属提供保护使它们免遭强碱的腐蚀。通常在碱洗剂中还含有EDTA、柠檬酸钠、三乙醇胺等金属螯合剂以及乙二醇、乙二醇单乙醯等有机添加剂，它们有帮助碱洗剂提高清洗效果的作用。另外通常在碱洗剂中加入少量表面活性剂起到帮助乳化、润湿、分散油垢的作用。各种金属脱脂碱洗剂配方分别见表6-3和表6-4。

表6-3各种金属脱脂碱洗剂配方/%

表6-4金属脱脂碱洗剂配方

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从表6-4可以看出，由于钢铁耐碱性强，可用较强的碱性溶液脱脂，在有色金属中铜及其合金耐碱性较好，其他有色金属耐碱性较弱，特别是铝，因此它不能用氢氧化钠这类强碱脱脂，由于偏硅酸钠对有色金属表面有缓蚀作用，所以有色金属使用的脱脂碱洗剂常以硅酸盐为主要成分，为增加脱脂能力一般加入表面活性剂配合使用。

（2）碱洗脱脂的机理

碱洗脱脂是通过皂化、乳化、分散多种作用完成的。金属表面污染的动物脂肪和植物油在碱洗剂作用下发生皂化反应形成水溶性肥皂而被除去，而不发生皂化反应的矿物油或其他有机污垢是被碱洗剂中的表面活性剂及磷酸盐、硅酸盐、硅酸等有机化合物分散作用的成分所润湿，乳化分散而去除的。

在碱洗过程中这几种作用既可独立发挥作用也可能相互协同起作用。皂化作用只限于去除脂肪或其他能与碱发生化学反应的油污，而乳化作用和分散作用几乎对所有不溶于水的有机污染物都有效。

（3）碱洗工艺常用的方法

①浸渍清洗

采用此法是将金属材料浸渍在清洗池中，使整个表面与碱洗液接触。为了提高脱脂效率，可加热和延长浸渍时间，也可采用加大碱洗液流动的方法，如用螺旋传送带或链条传送带传输待洗金属工件，用循环泵，机械搅拌机或超声波搅拌碱洗液加快它的流动速度。有时借助毛刷或刮板的机械作用帮助浸渍清洗帮助提高脱脂速度。

②喷射清洗

喷射清洗装置如图6-12。

用水泵把碱性清洗液从贮藏池中送到清洗槽中并通过排水管的喷嘴把碱性清洗液喷射到金属工作表面。喷射时可根据实际需要调节压力，一般最小压力为14kPa，最大可达1380kPa，通常使用压力范围在70〜210kPa。喷射压力越大，脱脂作用中机械去污力所占比例越大，高压喷射脱脂过程中喷射的冲击作用是决定性的，喷射对金属表面上的灰尘、炭粒、石英砂等粒状污垢有很好的去除作用。

图6-12喷射清洗装置图

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在碱洗脱脂后，进行认真的漂洗很重要。一般用清水漂洗，根据具体情况可选用热水、温水或冷水，漂洗应一直进行到漂洗液中的清洗液浓度很低为止（一般要求最终达到漂洗液中的清洗液浓度为原来的清洗液浓度的3%以下），以免残留清洗剂对金属表面造成污染，尤其用硅酸盐作碱洗剂时，它在金属表面形成的膜很难漂洗干净，必须注意，否则会对后续的电镀等加工工序造成麻烦。

2.溶剂脱脂

溶剂清洗是去除金属表面油污的常用方法。其作用原理是，利用油垢等有机物易溶于有机溶剂的特点，使其从金属表面溶解去除。处理金属材料通常在两种情况下使用溶剂清洗，一是在进行其他表面处理工艺之前，使用乳剂清洗能起到延长清洗效果的时间和降低生产成本的作用；另一种情况是为后续工艺作准备时，如在装配、涂漆、检测，在机加或包装之前，例如在电镀之前进行一次溶剂清洗，可获得无油表面。

溶剂清洗可分为室温溶剂清洗（又称冷清洗）和蒸气脱脂清洗两种工艺。

（1）冷清洗

这是一种将金属工件浸渍在有机溶剂中把金属工件表面的油污溶解并使金属屑等其他污染物去除的方法。常用的有机溶剂有汽油等坯类有机溶剂，氯代坯，氟氯桂等不可燃溶剂。清洗通常在室温或稍高于室温的温度下进行。把金属工件浸没在溶剂中并加以搅拌，对大型金属工件可采用喷洗或擦洗的方式。对于有深孔或难以触及之处存留的油污或研磨剂的金属工件可在加有超声波的清洗槽中用溶剂清洗，使用超声波也可缩短清洗复杂形状零件的清洗时间。

表6-5为常用于金属工业冷清洗溶剂的性质。

表6-5冷清洗溶剂的特性

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（2）蒸气脱脂

在蒸气清洗槽中有机溶剂清洗液经加热变成蒸气形成气相区。工件被放置在气相区，粘附在其表面上的油垢被蒸气溶解、冲洗，当蒸气被冷凝时溶剂连同油脂等污垢回落到槽体下面的清洗液中，随后溶剂再经过加热又汽化为蒸气与工件接触，不断循环作用，所以在蒸气清洗时工件接触的溶剂蒸气总是干净的，因此能克服浸洗和喷洗工艺中清洗液不断被污染的缺点，并且由于与工件接触的清洗液总是干净的，从而可使工件表面获得较高的清洁度。

蒸气脱脂使用的有机溶剂要求具有以下特点：①具有较高的溶解油垢的能力；②较低的汽化热和比热容，在相同质量的金属工件上冷凝的溶剂最多而所需的热量却最少；③有足够高的沸点，以保证用溶剂蒸气漂洗的最终效果好，工件易于干燥；④沸点又不特别高，以便通过简单蒸憎把溶剂从油垢中分离出来；⑤蒸气相对密度比空气大，向空气中扩散的损失小；⑥清洗过程中能保持化学性质稳定；⑦对工件和设备无腐蚀作用；⑧在工作条件下安全无毒，有不易燃、不易爆、无毒的特点。从目前使用情况看，适合以上要求的主要是卤代坯溶剂。

表6-6列举了一些蒸气脱脂溶剂的性质。

表6-6蒸气脱脂溶剂的性质

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3.表面活性剂水溶液和混合溶剂脱脂清洗

由于溶剂清洗使用的汽油等烧类溶剂有易燃、易爆、污染大气的缺点，而卤代坯溶剂因有毒性大和破坏臭氧层的缺点而受到环保法规的限制，目前金属脱脂工艺已逐渐改用安全、无毒、性能温和的表面活性剂溶液或混合溶剂。

（1）表面活性剂脱脂清洗

去除油垢使用的表面活性剂清洗剂是由表面活性剂，清洗助剂及添加剂组成的。表面活性剂一般用去污能力强的阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂复配而成。在喷射方式清洗时，使用的表面活性剂多是非离子型的，因为通常非离子表面活性剂是低泡型的，形成泡沬少，不会降低喷射压力。用浸渍清洗脱脂时，泡沫不会对清洗效果产生不良影响，所以可以用阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂的复配物。清洗液中通常加入三聚磷酸钠等助洗剂，并使清洗液具有碱性以提高脱脂能力。用表面活性剂清洗液脱脂的最大优点是不会对金属表面造成腐蚀损伤，不足之处是其对陈旧的粘稠油性污垢去除力差，吸附在金属表面的表面活性剂清洗液要认真进行漂洗去除，以免对后续工序造成不良影响。

（2）混合溶剂脱脂清洗

常用于脱脂清洗的混合试剂，有亲油性有机溶剂与表面活性剂的混合液，有机溶剂与碱水溶液的混合液等多种形式。

当亲油性有机溶剂在表面活性剂水溶液中以乳化或增溶状态存在时，两者发挥协同作用使清洗力得到更好的发挥，在这种状态下有机溶剂能在比较安全和卫生的条件下使用。在表面活性剂水溶液中加入少量亲油性有机溶剂形成的透明状增溶性清洗剂有很强的去油污能力。

而由醇或讎类亲水有机溶剂中加入少量碱水形成的混合溶剂的脱脂力比原来的醇类溶剂脱脂能力大为提高，可燃性却大为降低。

乳化液清洗剂是利用乳化剂使有机溶剂分散到水中形成的混合溶液。

乳化系统中有两个不相容的相，其中一相从球形液分散到另一相中，不稳定的乳状液在放置过程中会分离成两相，上层是密度较小的富油相，下层是密度较大的高水相。这类清洗液要不断搅拌才能保持分散状态，这种双层的乳状液可以在分离状态下，当浸渍清洗液使用。当待洗工件通过富油溶剂的表层进入富水的下层时，两相都与金属表面保持接触并完成清洗，而使用喷射设备时，双相清洗液会变成均匀分散的乳状液，因为在泵的作用下有机溶剂与水已充分混合。

这种乳化清洗液中的有机溶剂通常是沸点为60~260°C石油分馏产物，乳化剂有阴离子表面活性剂（烷基苯磺酸铵），非离子表面活性剂（烷醇聚氧乙烯醚，多元醇脂肪酸脂等）。为使乳化剂在有机溶剂中有一定溶解度，常加入一些水溶性耦合剂如高摩尔质量的醇、酯醚等有机化合物。

用于喷射脱脂清洗的乳化清洗液浓度为2%〜5%，用于浸渍清洗时乳状液浓度为4%〜10%，乳化除油液配方如表6-7。

表6-7乳化除油液配方

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使用方法：喷、浸均可，但喷射除油效果好。国产的以表面活性剂为主要成分的金属清洗剂有801、NQJ-1，JL-1等商品型号，主要成分为油酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醛、苯基酯聚氧乙烯醯、十二烷基二酰胺等非离子表面活性剂。

4.酸洗脱脂

酸洗剂是一种选用无机酸，有机酸或酸性盐结合表面活性剂组成的清洗剂。用酸洗剂在加热或不加热条件下可去除金属表面上的氧化物，油污及其他污物。通常把用酸去除金属氧化皮的工艺叫酸蚀，但在金属工件进行电镀、涂漆等工艺之前也可以用酸作最后的表面处理，此时称为酸洗工艺。

（1）酸洗脱脂清洗剂的组成

酸洗脱脂清洗剂可使用各种无机酸和酸性盐组成的溶液，可含有或不含有表面活性剂（润湿剂），其通常组成为：①无机酸溶液；②酸与有机溶剂混合液；③酸性盐溶液。

（2）酸洗方法及设备

酸洗工艺广泛采用擦刷、喷洗、浸渍和滚筒等方法。虽然加热能大大提高清洗效率，但清洗通常在室温下进行，原因在于室温下容易控制腐蚀而且操作成本低。酸洗时间一般比酸蚀时间短，尤其使用强酸洗时间更短，要根据清除污染物的性质，工件的大小，形状和数量以及酸洗溶液的类型选择合适的清洗方法与设备。擦刷设备是最简单的，通常使用墩布、刷子、擦洗布蘸取酸液刷洗。浸渍设备包括普通浸渍槽或带有加热和超声波装置的设备等。

5.电解脱脂清洗

电解脱脂清洗是在特殊配方的碱性溶液中把金属工件与电解槽的阳极或阴极相连，在直流电的作用下去除油脂污垢的方法。通常电解脱脂是在碱洗脱脂或溶剂脱脂等脱脂工序之后进行，适合在金属表面大部分油脂污垢被去除之后仍有微量油脂成分的情况下使用，如金属表面存在单分子膜厚度的吸附层油垢时会影响其加工性能，此时用电解脱脂效果好。

在特殊配方的碱性溶液中发生的电解反应实际是电解水，在阳极产生氧气，在阴极产生氢气，在溶液中加入各种电解质起到降低电阻的作用，使电解比在用纯水时更容易发生。

（1）金属的阳极电解脱脂清洗

通常钢铁脱脂清洗采用这种方法。清洗时把待洗工件挂在电解槽阳极，利用氢氧根离子在阳极放电时产生的氧气气泡的摩擦刷洗作用吹掉工件上的油脂及其他污垢。

（2）阴极电解脱脂清洗

把待洗金属工件与电解槽阴极相连时可发生阴极电解脱脂清洗，此时在阴极（金属工件）周围产生氢气，而且产生的氢气量是同时在阳极附近产生的氧气量的两倍。因此氢气产生的机械擦刷作用及对清洗液的搅拌作用都比阳极电解清洗时大。另外，工件挂于阴极使表面带有负电荷，这样带负电荷的工件与带负电荷的污垢之间的排斥作用也有利污垢的清除，但这种方法不适合用于易产生氢脆的钢铁等金属零件。电解时也可采用定时更换阴阳极的方法。

6.电镀前金属材料的清洗

电镀加工的金属材料，不仅要求表面高度洁净，而且要求表面平滑光亮，有利于电镀时所镀金属在镀件表面紧密附着。因此，电镀前，镀件必须进行清洗处理。

清洗处理工艺根据被镀材料的种类以及制品的用途而不同。下面以钢铁材料镀件在电镀前的清洗过程的主要环节为例加以介绍，如图6-13。

图6-13电镀前钢铁材料清洗系统

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各种工艺的作用如下：

研磨：通过机械研磨把钢铁材料表面氧化层和污染层的大部分去除使表面变得平滑。

溶剂脱脂：用有机溶剂去除金属表面油脂，矿物油等油性污垢，当金属表面油脂少时，这一工艺可略去。

碱脱脂：如前介绍，这是最普遍采用的脱脂方法。

电解脱脂和研磨：对于需要特别洁净的金属表面需要加这一工艺。电解脱脂的原理是利用电解时在电极金属表面产生的氢气和氧气泡的冲击作用去除金属表面的油垢和吸附的其他污垢。根据被脱脂的金属材料，所连的电极不同，分为阳极电解脱脂和阴极电解脱脂。钢铁材料只能用阳极电解脱脂，利用阳极附近产生的氧气作用去除油脂，而不会因吸收氢气而产生氢脆，而有色金属电解脱脂时可采用阴极电解脱脂，阴极产生的氢气量是阳极产生的氧气量的两倍，产生气体量多，脱脂效率高，而且一般有色金属不会因吸收氢气而产生氢脆。

浸酸：是电镀前普遍釆用的工艺，它不仅可以去除金属表面的氧化膜，也把碱洗过程中带入的碱除去。

金属去锈清洗

去除金属表面的腐蚀产物的清洗称为去锈清洗。通常釆用的方法有物理方法（包括人工和机械研磨的方法）和化学方法（包括酸洗、碱洗、盐浴和超声波法）以及电化学方法（电解去锈）。

1.磨料喷砂清洗

磨料喷砂是把干的或悬浮于液体中的磨料定向喷射到金属零件或产品的表面去除腐蚀产物的物理清洗方法。喷砂清洗可以去除金属砂、铁丸、细砂、玻璃等，在选择具体磨料时应考虑磨料的硬度、密度、颗粒大小及形状等因素。

喷砂工艺所使用的设备有：不使用空气的抛砂叶片或转叶轮、压力喷嘴设备、吸入式喷嘴设备等。喷砂清洗是去除钢铁及非铁金属表面氧化皮等腐蚀产物的常用方法。

2.酸蚀去锈

酸蚀是通过浸渍在酸水溶液中去除金属表面氧化皮和其他杂质的化学清洗方法。由于酸蚀较经济又适合连续作业，所以是去除大吨位产品金属表面氧化皮最有效的方法，特别是清洗钢铁产品，如钢坯、钢锭、钢板以及钢铁带材、线材、管材等，也可用于钢铁的锻件、铸件的清洗去锈。

（1）酸蚀液

酸蚀液中常用的酸是硫酸和盐酸。硫酸的优点是成本低、烟雾少、用量少，通常使用5%〜10%浓度的硫酸在60〜80°C温度下进行酸蚀处理。其缺点是生成的硫酸铁水溶性较小，容易产生氢脆现象。为防止氢脆产生，可向硫酸浴中加入5%左右的硝酸或重铬酸盐。盐酸也是酸蚀经常使用的酸，通常使用的浓度为5%〜15%的盐酸在室温条件下反应，当温度超过40°C会有氯化氢气体挥发而造成酸的损失并且对人体有害。盐酸的优点是酸蚀生成的盐水溶性好，去锈速度快，金属发生氢脆的危害小。酸蚀使用的酸还有磷酸，但价格较高，使用较少。

为了抑制酸对金属基体的腐蚀，要加入缓蚀剂或氢脆抑制剂以减少氢脆的产生，防止点蚀的发生，降低酸的消耗，但它们对腐蚀产物的去除速度并无明显影响。

（2）酸蚀槽的结构

构成酸蚀槽的材料有木材，混凝土、砖、塑料和钢板，耐酸的材料对槽外壳起保护作用，材料通常由天然橡胶，纯橡胶或合成橡胶组成，用耐酸砖做槽子四壁和底里的衬里。图6-14是一个生产能力为3.6〜4.5t用于成卷带钢去锈处理的酸蚀槽的结构示意图。

图6-14酸蚀槽结构

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3.盐浴法清理氧化皮

当金属表面的氧化皮中的氧化物发生化学反应时，由于氧化物层与金属基体的膨胀系数不同会使锈垢与金属基体分离而脱落。

盐浴法处理氧化皮可分为氧化法、电解法、还原法。

（1）氧化性熔盐处理法

这种方法有用途广，操作简单的特点，所以工业上大量生产的产品如不锈钢、钛金属的圆料、棒料、线材和带材都采用这种方法处理。这种盐浴的工作温度范围在205〜480°C，如不锈钢表面的锈垢含73%Fe，18%Cr，9%Ni的氧化物在氢氧化钠和硝酸钠盐浴中发生下列氧化反应：

2Fe₃O4+NaNO₃=3Fe₂O₃+NaNO₂

2FeO+NaNO₃=Fe₂O₃+NaNO₂

Cr₂O₃+3NaNO₃=2CrO₃+3NaNO₂

CrO₃+2NaOH=Na₂CrO4+H₂O

在二氧化猛催化剂作用下，亚硝酸钠与空气中的氧反应又转变成硝酸钠，生成的Fe₂O₃氧化皮等容易用酸蚀溶解去除，由于熔盐的预处理作用使酸蚀溶液所需浓度和温度都大为降低，而要彻底清除氧化皮，在盐浴处理之后要再进行酸洗或酸蚀处理。

（2）还原法

还原法是用氢化钠去除氧化皮的方法，也是在熔碱浴中进行的。在氢氧化钠碱浴中，金属钠和氢气反应生成氢化钠与浸泡在熔碱浴中的金属接触时把氧化皮中的铁，镰，辂的氧化物还原成金属，当金属从熔碱中取出冷却时，由于锈垢与金属基体间膨胀系数的差异而使残存的氧化皮从金属表面脱落。

还原法的工艺为：

氢化钠生成→还原氧化皮→水冷却→酸洗→水洗

熔融氢氧化钠浴温度保持在370〜400°C，其中含有1.5%〜2.0%的NaOH。反应式如下：

2Na+H₂=2NaH

4NaH+Fe₃O₄=3Fe+4NaOH

其装置如图6-15。

图6-15氢化钠法除锈装置

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（3）电解法

在既无化学氧化作用又无化学还原作用的熔盐中通入直流电后，熔盐被激活而具有氧化性或还原性。电解熔盐法设备非常简单，由一个直流电源、一个换向开关、一个正极、一个以炉壁或工件为负极及一个导电介质（熔盐）组成。熔盐电解法主要用于去除铸件上的型砂，电解时间根据实践确定，一般在15~30min之间。

4.碱液除锈

利用在碱性介质中，金属离子螯合剂把金属氧化物中的金属离子螯合而使锈垢去除的方法称为碱性除锈法。

碱性除锈清洗剂的配方如下：

EDTA30〜50g/L，NaOH100~150g/L，NaCN50〜75g/L，表面活性剂0.1〜2.0g/L或焦磷酸钠50g/L，NaOH150g/L，NaCN75g/L，表面活性剂0.2〜7.0g/L。

具体方法为在50~70°C，5~10A/dm²电流密度下电解，或在70~90°C热溶液中浸渍去除。

非铁金属也可用碱法除锈，如处理金属铝的配方为：

5%〜10%氢氧化钠，50~70°C，15〜60s浸渍处理。

用酸蚀除锈会使金属基体发生溶解而造成金属材料尺寸精度变差，不进行钝化处理仍有生锈的可能，而且有产生氢脆的可能等缺点，而用碱洗除锈就没有上述缺点，但它存在生产成本高，反应速度慢等缺点，应根据实际情况选择合适的去锈方法。

5.超声波除锈

是一种超声波清洗的改进方法。使用的除锈剂有盐酸、硫酸、硝酸及其混合酸，使用盐酸，硫酸比硝酸除锈时间短，在相同浓度下以混合酸除锈效果最好。通常用30〜70kHz超声波，在40~60°C温度下，用5%〜20%酸作除锈剂清洗。