ВИДЫ И ХАРАКТЕР ЗАГРЯЗНЕНИЙ ДЕТАЛЕЙ

Автомобили и их составные части при поступлении в капитальный ре­монт могут иметь на поверхностях де­талей разнообразные загрязнения, различающиеся по условиям форми­рования и физико-механическим свойствам (табл. 1.1).

Все загрязнения подразделяют на эксплуатационные и технологиче­ские. Эксплуатационные загрязне­ния возникают в процессе эксплуата­ции автомобиля. К ним относятся: дорожно-почвенные отложения, про­дукты коррозии, накипь, масляно-грязевые отложения, асфальто-смолистые отложения, лаковые отложе­ния и нагар.

Дорожно-почвенные отложения накапливаются в основном в ходовой части. Загрязненность ими зависит от условий эксплуатации (сезона работ, дорожных условий и т. п.). Прочность удержания частиц грязи на поверхно­сти (адгезия) зависит от шероховато­сти поверхности, размера частиц, влажности воздуха и ряда других факторов. Адгезия мелких пылевид­ных частиц к поверхности весьма зна­чительна. Удалить эти отложения можно щеткой или ветошью.

Продукты коррозии образуются в результате химического или электро­химического разрушения металлов и сплавов. На поверхности стальных и чугунных деталей появляется пленка красновато-бурого цвета — гидрат окиси железа (ржавчина), который растворяется в кислотах и лишь не­значительно в щелочах и воде. Алю­миниевые детали также подвержены коррозии, продукты которой имеют вид серовато-белого налета и пред­ставляют собой окиси или гидраты окислов алюминия.

Накипь образуется в системе водя­ного охлаждения двигателя при эксплуатации. Откладываясь на стенках рубашек охлаждения двигателя и ра­диатора, накипь затрудняет теплообменные процессы и нарушает нор­мальную работу двигателя. Образо­вание накипи обусловлено содержа­нием в воде в растворенном состоя­нии солей кальция и магния, т.е. же­сткостью воды. Кроме накипи, в сис­темах охлаждения двигателей обра­зуются илистые отложения в резуль­тате попадания в систему охлажде­ния механических примесей (песка, глины), органических веществ (мик­роорганизмов, растений)и образова­ния продуктов коррозии.

Масляно-грязевые отложения воз­никают при попадании дорожной грязи и пыли на поверхности деталей, загрязненные маслом. Возможно об­ратное явление — попадание масла на поверхности, загрязненные до­рожной грязью: при этом грязь про­питывается маслом.

Асфальтосмолистые отложения — мазеподобные сгустки, откладываю­щиеся на стенках картеров, щеках ко­ленчатых валов, распределительных шестернях, масляных насосах, филь­трах и маслопроводах.

Лаковые отложения — пленки, об­разующиеся в зоне поршневых колец, на юбке и внутренних стенках порш­ней.

Нагары — твердые углеродистые вещества, откладывающиеся на де­талях двигателей (стенки камеры сгорания, клапаны, свечи, днище пор­шня, выпускной трубопровод, распы­лители форсунок). Основу нагара составляют карбены и карбоиды (30 —80%), масла и смолы (8 — 30%), остальное — оксикислоты, асфальтены и зола. Нагары содержат боль­шинство нерастворимых или плохо растворимых составляющих.

Таблица 1.1. Свойства некоторых загрязнений составных частей автомобиля

*Площадь поверхности автомобилей и их агрегатов составляет 75—150 м ; площадь двигателей н их деталей 10—25 м .

**Без двигателя.

Технологические загрязнения свя­заны с процессом ремонта. К ним от­носятся: производственная пыль, стружка и абразив, окалина и шлаки, притирочные пасты и остатки эмуль­сий, продукты износа при обкатке.

При неудовлетворительной очист­ке деталей от этих загрязнений в про­цессе приработки поверхностей тре­ния происходит интенсивный их из­нос. Задиры, царапины и риски, воз­никающие в период приработки, су­щественно влияют на первоначаль­ный износ деталей.

Технологические загрязнения име­ют свои особенности, которые необхо­димо учитывать при выборе техноло­гии очистки. Твердые загрязнения (производственная пыль, микропорошки, шлак, окалина, стружка), хи­мически не связаны с поверхностью, а обычно связаны масляной пленкой и удаляются вместе с ней. Исключение составляют стружка в каналах, окисные пленки, частички абразива, внед­ренные (шаржированные) в поверх­ность металла. Для их удаления не­обходимо сильное и направленное гидродинамическое воздействие или продолжительное кавитационное (ультразвуковое) воздействие. При удалении притирочных паст необхо­димо иметь в виду, что удалять необ­ходимо одновременно жидкие и твер­дые компоненты паст, иначе удале­ние только жидких компонентов, на­пример, растворением, затруднит удаление твердых компонентов из-за засушивания и уплотнения, что ус­ложнит их эмульгирование.

Продукты износа при обкатке не­обходимо извлекать из системы при фильтрации циркулирующего масла.

В зависимости от количества оста­точных загрязнений различают три уровня очистки: макроочистку; микроочистку; активационную очистку.

Макроочистка — процесс удале­ния с поверхности наиболее крупных загрязнений. Микроочистка — уда­ление загрязнений из микронеровно­стей поверхности. Активационная очистка — это травление деталей в растворах щелочей и кислот.

Применяют различные способы контроля остаточной загрязненности поверхности. При макроочистке при­емлемы протирание, массовый и люминесцентный методы, а при микроочистке и активационной очистке — люминесцентный и метод смачива­ния водой.

Протирание поверхности выполня­ется бумажной салфеткой, тканью или ватным тампоном. Наличие грязи на протирочном материале количествен­но оценивается взвешиванием.

Массовый метод также состоит в том, что остаток загрязнения опреде­ляют взвешиванием. Сравнивая очи­щенные образцы с эталонами, можно быстро и с достаточной точностью оценивать моющую способность раз­личных средств.

Люминесцентный метод основан на свойстве масел люминесцировать под влиянием ультрафиолетового света. Величина и интенсивность све­тящейся поверхности указывают на загрязненность поверхности.

Метод смачивания поверхности во­дой основан на способности металли­ческой поверхности удерживать не­прерывную пленку воды, если эта по­верхность свободна от масляных (гидрофобных) загрязнений.

Очистка поверхности — удаление загрязнений с поверхности до опреде­ленного уровня ее чистоты. Сущест­вуют различные методы очистки (рис. 1 . 1 ). В основе каждого метода исполь­зуется определенный способ разру­шения загрязнений и удаления их с поверхности. Для ускорения процес­сов очистки применяют следующие способы интенсификации: повыше­ние температуры и давления очища­ющей среды, вибрационную актива­цию очищающей среды и др.

В общем виде работа очистки

А₀=А_фх+А_м

где А_фх — работа, совершаемая очищаемой средой в результате физико-химической актив­ности; Ам — работа, связанная с механиче­ским воздействием среды на разрушение за­грязнения и его связи с поверхностью.

Чем физико-химически активнее среда (т. е. больше А_фх),тем потребу­ется меньше механической энергии; чем меньше А_фх, тем больше необхо­димо затратить А_м для достижения одинакового эффекта очистки.

Выбор процесса очистки за счет оп­тимальных величин А_фх и А_м основан на технологических и экономических соображениях. Работа А_фх зависит от моюще-очищающей активности сре­ды, ее концентрации и температуры. Работа А_м зависит от механической интенсивности процесса очистки (струи, вибрации, ультразвуковых колебаний и т. д.). Способы очистки, рекомендуемые для удаления раз­личных загрязнений, приведены в табл. 1.2.

МОЮЩИЕ СРЕДСТВА

Рассмотрим механизм удаления масляной пленки с деталей моющим раствором. Схема воздействия горя­чего моющего раствора на масляную пленку изображена на рис. 1.2. На рис. 1.2, а показано исходное состоя­ние масляной пленки на поверхности детали. Под действием горячего мою­щего раствора масляная пленка быстро нагревается и в результате рас­ширения и действия сил поверхност­ного натяжения принимает волни­стый вид с углом а = 90° (рис. 1.2,б), и с углом а 90° (рис. 1.2, в). В даль­нейшем масляная пленка деформи­руется настолько, что, разрушаясь, образует масляные капли, которые обволакиваются моющим раствором. В результате этого сила сцепления этих частиц с металлом уменьшается и они легко удаляются с поверхности деталей струей раствора.

Таким образом, из рассмотренной схемы следует, что главным условием высокого качества обезжиривания деталей является обеспечение опти­мальной температуры моющего рас­твора. При недостаточной темпера­туре масляная пленка на детали не деформируется несмотря на дейст­вие моющего раствора. С повышени­ем температуры значительно снижа­ется вязкость загрязнения, повыша­ется его текучесть, и эффективность обезжиривания улучшается.

Моющее действие состоит в удале­нии жидких и твердых загрязнений с поверхности и переводе их в моющий раствор в виде растворов или диспер­сий. Моющее действие проявляется в сложных процессах взаимодействия загрязнений, моющих средств и по­верхностей. Основными явлениями, определяющими моющее действие, являются смачивание, эмульгирование, диспергирование и пенообразование. Указанные явления связаны с поверхностным натяжением и повер­хностной активностью моющих средств.

Известно, что вдоль поверхности жидкости действуют силы натяже­ния, стремящиеся сократить эту по­верхность. Они получили название сил поверхностного натяжения. По­верхностное натяжение измеряют ра­ботой, которую необходимо затра­тить для увеличения поверхности жидкости на 1 см². Произведение по­верхностного натяжения на поверх­ность называется свободной поверх­ностной энергией. Способность ве­ществ понижать свободную поверх­ностную энергию характеризует по­верхностную активность этих ве­ществ. Вещества, понижающие по­верхностное натяжение раствора, на­зываются поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Смачивание заключается в расте­кании капли жидкости, помещенной на поверхность твердого тела. Повер­хности, смачиваемые водой, называ­ются гидрофильными, а не смачивае­мые водой — гидрофобными. Смачиваемость твердого тела жидкостью зависит от поверхностного натяже­ния жидкости, от природы и состава жидкости и твердого тела. Например, поверхности, загрязненные маслами, хорошо смачиваются углеводородны­ми растворителями и не смачиваются чистой водой. Добавление в воду ПАВ понижает поверхностное натяжение воды и обеспечивает смачивание за­грязненных маслами поверхностей.

В большинстве случае загрязнения сострят из двух фаз — жидкой (мас­ла, смолы) и твердой (асфальтены, карбены, почвенные и пылевые час­тицы и т. п.). Удаление таких загряз­нений с поверхности происходит двумя путями: эмульгированием жидкой фазы (образование эмульсий) и диспергированием твердой фазы (обра­зование дисперсий).

Рис. 1.2. Схема воздействия горячего моющего раствора на масляную пленку: / — деталь; 2 — масляная пленка

Эмульсией называется система не­смешивающихся жидкостей, одна из которых распределена в виде мелких капель в другой. Эмульсии подразде­ляются на два типа: эмульсии пря­мые — "масло в воде" и эмульсии об­ратные — "вода в масле". Под мас­лом здесь понимается любая органи­ческая жидкость, не растворимая в воде и водных растворах.

Эмульгирование жидкой фазы за­грязнений возможно в водных раство­рах ПАВ. Молекулы ПАВ создают на поверхности капель масла прочные адсорбционные слои. Гидрофобная часть молекулы связывается с мас­лом, а гидрофильная — ориентиру­ется в сторону водного раствора (см. рис. 1.3). При этом происходит гидро-филизация капель масла, что препят­ствует их слиянию (коалосценции). Вещества, в данном случае ПАВ, ад­сорбирующиеся на поверхности гид­рофобных частиц, называются эмульгаторами.

Диспергирование твердой фазы за­грязнений происходит благодаря ад­сорбции ПАВ на частицах загрязне­ний. Малое поверхностное натяжение раствора позволяет ему проникать в мельчайшие трещины частиц загряз­нения и адсорбироваться ПАВ на по­верхностях этих частиц. Адсорбиро­ванные молекулы ПАВ создают рас­клинивающее давление на частицы, разрушая и измельчая их. На процес­сы эмульгирования и диспергирования большое влияние оказывает ме­ханическое воздействие раствора, способствующее разрушению за­грязнений.

Важным этапом в моющем процес­се является стабилизация в растворе отмытых загрязнений и предупреж­дение их повторного осаждения на очищенную поверхность. Стабилиза­ция загрязнений зависит в основном от состава моющего раствора и техно­логических условий его применения (концентрации, температуры, за­грязненности).

В итоге моющий процесс можно представить состоящим из ряда по­следовательных этапов. Поскольку почти все загрязнения гидрофобны, то вода, обладая большим поверхно­стным натяжением, не смачивает за­грязненные поверхности и стягивает­ся в отдельные капли (рис. 1.3,а).

Рис. 1.3. Схема моющего процесса:1 — капли воды; 2 — загрязнение;3 — очищаемая по­верхность; 4 — моющий состав; 5 — гидрофильная часть молекулы ПАВ; 6 — гидрофобная часть молеку­лы ПАВ (радикал); 7— переход частиц загрязнения в раствор; 8 — частицы загрязнения, стабили­зированные в растворе; 9 — адсорбция молекул ПАВ на очищенной поверхности

При растворении в воде моющего средст­ва поверхностное натяжение раство­ра резко уменьшается, и раствор смачивает загрязнение, проникая в его трещины и поры (рис. 1.3,6). При этом снижается сцепляемость частиц за­грязнения между собой и с поверхно­стью. При механическом воздействии увлекаемые молекулами моющего средства частицы грязи переходят в раствор (рис. 1.3,в). Молекулы мою­щего средства обволакивают загряз­нения и отмытую поверхность, что препятствует укрупнению частиц и оседанию их на поверхность (рис. 1.3,г). В результате частицы загряз­нения во взвешенном состоянии ста­билизируются в растворе и удаляют­ся вместе с ним.

В быту принято судить о качестве моющего раствора по количеству об­разующейся пены. Это не совсем вер­но. Пена способствует удержанию диспергированного загрязнения и предотвращению его осаждения на очищенную поверхность. Однако отождествлять пенообразование с моющим действием нельзя, так как пенообразование не является специ­фической характеристикой моющего действия.

При очистке поверхности металлов пенообразование имеет большое зна­чение. В одних случаях пенообразова­ние — это положительное влияние, например, при пароводоструйной или электролитической очистке, ког­да слой пены предотвращает раз­брызгивание моющего раствора или создает защитный слой, уменьшаю­щий проникновение едких испарений в атмосферу. В большинстве же слу­чаев пенообразование является отри­цательным фактором, т. е. ограничи­вает использование интенсивного пе­ремешивания моющего раствора. На­пример, в струйных моечных маши­нах нельзя применять моющие сред­ства с высоким уровнем пенообразования.

Щелочность моющих растворов яв­ляется важнейшим фактором, опре­деляющим эффективность очистки. Щелочность определяет способность растворов нейтрализовать кислые компоненты загрязнений, омылять масла, снижать контактное натяжение растворов, жесткость воды и т. д. Различают общую и активную щелоч­ность. Общая щелочность определя­ется титрованием кислотой с индика­тором метилоранжем, а активная — титрованием с фенолфталеином. Мо­ющее действие растворов зависит только от уровня активной щелочно­сти.

Показателем щелочности, равно как и кислотности, служит водород­ный показатель рН, который опреде­ляется как логарифм обратной кон­центрации ионов водорода. Посколь­ку моющим действием обладает толь­ко часть щелочных соединений, дис­социировавших на свободные ионы, то водородный показатель может служить критерием активности или моющей способности растворов.

Большое распространение во всех процессах очистки получили синтети­ческие моющие средства (СМС). Ос­нову СМС (табл. 1.3) составляют ПАЬ, активность которых повышена введением щелочных электролитов. Растворы СМС по моющей способно­сти значительно превосходят раство­ры едкого натра и различных щелоч­ных смесей. Составы СМС для струй­ных и погружных способов очистки приведены в табл. 1.3.

Указанные СМС выпускают в виде сыпучего, гигроскопичного белого или светло-желтого порошка. Они не-

токсичны, негорючи, пожаробезопасны и хорошо растворимы в воде. Рас­творы СМС допускают одновремен­ную очистку деталей из черных, цвет­ных и легких металлов и сплавов. В отличие от растворов едкого натра они безопасны в применении. Узлы и детали, подлежащие непродолжи­тельному хранению(10— 15дней), не нуждаются после очистки раствора­ми СМС в дополнительной антикор­розионной обработке. Антикоррози­онная защита поверхности обеспечи­вается силикатами, входящими в со­став СМС.

Таблица 1.3. Состав синтетических моющих средств для струйных и погружных способов очистки, %

Эффективность рассмотренных СМС представлена в табл. 1.4, из ко­торой видно, что СМС в 3 — 5 раз эф­фективнее растворов едкого натра. Средства Лабомид-101, Лабомид-102 и МС-6 предназначены для моечных машин струйного типа, а Лабомид-203 и МС-8 — для машин погружного типа. Разработаны новые составы технических моющих препаратов Темп-100 и Темп-100А. Препараты Темп эффективнее, чем Лабомид и МС, и, кроме того, Темп- 100А облада­ет повышенным пассивирующим дей­ствием по отношению к очищаемой поверхности. Из зарубежных СМС наиболее эффективным являются Силирон У-64 и Гр-форте-супер.

Разработано пожаро- и взрывобезопасное средство МС-9, состоящее из неионогенных ПАВ (0,3%), актив­ных добавок— Nа₂ СO₃ Nа₃ РО₄, NаОН (6%) и воды(93,7%). МС-9 име­ет низкую пенообразующую способность, что позволяет применять его при механизированной очистке дета­лей струйным методом и использовать при более низкой температуре, чем средство МЛ-52 (МЛ-52 при 80 — 100° С; МС-9 при 70 — 75° С) с одина­ковым моющим действием.

Таблица 1.4. Эффективность применения моющих средств

Определено на установке КИ-3127. По пенообразующим свойствам СМС существенно различаются.

Рабочие концентрации растворов СМС зависят от загрязненности поверхности и составляют 5 — 20 г/л. Наилучшее моющее действие растворов СМС проявляется при температуре 80 — 85° С. При 70 ° С и ниже резко снижается моющая способность раствора и усиливается ценообразование. Для непогашения ис­пользуют дизельное топливо, которое добавляют в раствор в количестве 10—15 г/л.

В ремонтном производстве исполь­зуется водный раствор едкого натра, который не может применяться для очистки и мойки деталей из алюми­ния и его сплавов. Алюминий реаги­рует со щелочами с образованием растворимой соли (алюмината на­трия), поэтому для обезжиривания деталей из алюминия и алюминиевых сплавов используют растворы на ос­нове кальцинированной соды (10 — 15 г/л) с добавлением тринатрийфосфата (10 — 25 г/л) и жидкого стекла (10—15 г/л).

Нейтральные жидкости не вступа­ют в химическое взаимодействие с за­грязнениями, их очищающее дейст­вие основано на образовании с за­грязнениями коллоидных растворов, суспензий и эмульсий. Нейтральные жидкости подразделяются на орга­нические (перхлорэтилен, трихлор-этилен, ксилол, ацетон, дихлорэтан, дизельное топливо, керосин трактор­ный, бензин и уайт-спирит) и неорга­нические (воду).

К преимуществам органических растворителей следует отнести высо­кую производительность, возмож­ность удаления загрязнений с дета­лей сложной формы, так как обезжи­ривающей способностью обладает не только жидкость, но и пары, возмож­ность многократного использования. Однако у органических растворите­лей действие избирательное, боль­шинство из них пожароопасно, вред­но действуют на организм человека, и они относительно дороги. Повышение скорости и качества очистки находит­ся в зависимости от сочетания высо­кой химической активности моющей среды и максимального эффекта кавитационного разрушения загрязне­ний. Как показали исследования мо­ющей способности органических рас­творителей, хорошие результаты при ультразвуковой очистке от масляных загрязнений дает композиция ди­зельного топлива и дихлорэтана.

На ремонтных предприятиях часто используют такие моющие средства, как дизельное топливо, бензин, уайт-спирит, керосин. Они применяются для внутренней промывки картера двигателя, коробки передач и веду­щих мостов. Наибольший интерес представляет применение этих средств и их композиций для очистки деталей двигателей от асфальтосмолистых отложений и нагаров.

Анализ показывает, что в зарубеж­ном ремонтном производстве имеют­ся тенденции к применению в техно­логии очистки двигателей очищаю­щих средств на основе органических растворителей. Использование этих средств увеличивает производитель­ность очистных операций в 6 — 8 раз, повышает качество очистки, дает воз­можность проводить очистку при умеренных температурах (20 — 60 °С). Приблизительно такие же ре­зультаты обеспечиваются новыми моющими средствами, созданными в ГОСНИТИ. Лабораторные испыта­ния показывают, что время очистки деталей при использовании этих средств по сравнению с щелочными в несколько раз сокращается (рис. 1.4) при умеренном возбуждении моющих жидкостей колебанием деталей с ам­плитудой 150 — 200 мм и частотой 1,0 —2,51/с.

Разработан препарат на основе хлорированных углеводородов — Лабомид-315. Этот препарат облада­ет высокой очищающей способностью по отношению к масляным, асфальтосмолистым и углеродистым отло­жениям деталей машин и двигателей. По этому показателю Лабомид-315 превосходит все известные препара­ты, в том числе наиболее активные из них: Ардрокс-667 и Лабомид-311. Ла­бомид-315 обеспечивает качествен­ную очистку деталей при небольших затратах энергии итемпературе20 — 25°С.

В производстве применяют растворяюще-эмульгирующие средства (РЭС), состоящие из базового раство­рителя, сорастворителей, ПАВ и во­ды. Сначала детали погружают в РЭС, где загрязнения растворяются, затем они помещаются в воду или водный раствор щелочных синтетиче­ских моющих средств для эмульгирования растворителя и оставшихся за­грязнений — при этом эмульгированный растворитель и загрязнения переходят в щелочной раствор, чем обеспечивается необходимое качест­во очистки. РЭС применяются при очистке деталей от прочных, напри­мер, асфальтосмолистых отложений, но их могут использовать и при очист­ке других загрязнений, когда нет воз­можности повысить температуру раствора выше 60°С.

1 — Лабомид-311 и Аплайд — хлорированные угле­водороды с фенолами и поверхностно-активными ве­ществами; 2 — ДВП-1, МК-3, АМ-15, МЛ-51 — органические растворители с поверхностно-активны­ми веществами; 3 — МЛ-52, МЛ-51, Лабомид-203, Лабомид-101, МС-8 — синтетические моющие средства

Рис. 1.4. Динамика очистки загрязненных дета­лей двигателей различными моющими средствами

По составу и свойствам растворяюще-эмульгирующие средства, пред­назначенные для очистки деталей ма­шин, можно разделить на две группы: РЭС-1 — горючие смеси нефтяных углеводородов с ПАВ (смачиватели, эмульгаторы и сорастворители): пре­параты МК-3, Термос, АМ-15, ДВП-1 и пр.; РЭС-11 — негорючие смеси га­лоидных производных (чаще всего хлорированных) углеводородов со смачивателями, эмульгаторами, иногда с фенольными соединениями: Лабомид-315, Ардрокс-667, Аплайд 8-77, Л абомид-311, Ардрокс-610с, Ап­лайд 8-66 и пр.

Рис. 1.5. Очищающая способность моющих и очищающих средств

Сравнительная характеристика очищающей способности моющих и очищающих средств РЭС погружени­ем по отношению к асфальтосмолистым и углеродистым загрязнениям представлена на рис. 1.5. Анализ по­казывает, что РЭС-1 обладает горю­честью и низкой активностью по отно­шению к тяжелым асфальтосмолистым и углеродистым отложениям. РЭС-11 негорюч, достаточно быстро очищает поверхность от масляных и асфальтосмолистых отложений, од­нако многие его композиции недоста­точно активны по отношению к тяже­лым асфальтосмолистым и углеродистым отложениям, а эффективные в этом отношении РЭС — высокоток­сичны.