曾小君 *，金萍，陳燁

（1.常熟理工學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500；2.常熟理工學(xué)院江蘇省新型功能材料重點建設(shè)實驗室，江蘇 常熟 215500）

鋁合金具有密度小、比強度高、耐蝕性和成型性好、成本低等一系列優(yōu)點，在航空航天、電子、汽車、建筑、橋梁、核工業(yè)和兵器工業(yè)等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。采用壓鑄技術(shù)可以高速生產(chǎn)精度高、形狀復(fù)雜且質(zhì)量輕的鋁合金零部件。因此，近年來鋁壓鑄品產(chǎn)量不斷增長。壓鑄鋁合金脫脂清洗工藝已經(jīng)成為鋁壓鑄品行業(yè)工藝流程中不可缺少的質(zhì)量控制工序，其處理效果直接影響后續(xù)工藝的處理效果和產(chǎn)品質(zhì)量，所以要求鋁表面一定要處理得非常干凈。如果在脫脂清洗工藝中金屬鋁表面處理不干凈，會直接造成電解砂目結(jié)構(gòu)不理想和氧化膜附著力差等質(zhì)量問題，最后直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量，給企業(yè)帶來一定的損失[3-4]。

關(guān)于鋁及鋁合金的脫脂清洗，早期是沿用鋼鐵的除油工藝。該工藝槽液成本高，不易洗凈[5]。從20 世紀(jì)80年代開始，人們采用酸性脫脂劑在室溫下脫脂。這種工藝槽液中含有硝酸、氫氟酸、氟化物和鉻酸鹽，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的氮氧化物、氟化氫、鉻酸鹽等有毒污染物，對工人健康和社會的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重的影響[6-8]。隨著現(xiàn)代壓鑄鋁合金脫脂技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外對脫脂劑的要求朝著高效、低能耗、工藝簡單、安全可靠、綠色環(huán)保的方向發(fā)展。因此，開發(fā)具有以水代油、節(jié)省能源、安全可靠、減少污染、操作簡單和降低成本等特點的水基脫脂劑及脫脂工藝已成為當(dāng)今的研究熱點[9-11]。本文研制了一種高效水基壓鑄鋁合金脫脂劑，并考察了脫脂溫度、脫脂劑活性物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及超聲浸漬脫脂時間對壓鑄鋁合金脫脂率的影響。

1 實驗

1.1 試驗材料及儀器

(1) 材料：鋁合金試片，廢油脂(含潤滑油、防銹油和礦物油等)為工業(yè)級，蘇州興邦化學(xué)建材有限公司；碳酸鈉、磷酸三鈉和硅酸鈉，工業(yè)級，江蘇省常熟市湖賓化工有限公司；表面活性劑OP-10、OP-25、TX-10 和6501，滲透劑及緩蝕劑，工業(yè)級，江蘇省海安石油化工廠。

(2) 儀器：DZF-6090 真空干燥箱，上海一恒科技有限公司；KQ-600KDB 臺式高功率數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；EL-204 型電子天平，梅特勒-托利多公司。

1.2 試驗條件

整個試驗過程采用超聲輔助浸漬脫脂工藝，超聲頻率40 kHz，超聲功率600 W，脫脂溫度20～80 °C，脫脂劑活性物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%～3.0%，脫脂時間0.5～8.0 min。

1.3 試驗方法

1.3.1 壓鑄鋁合金試片的準(zhǔn)備

用酒精將鋁合金試片表面清洗干凈，在105 °C 下真空干燥恒重后用電子天平稱重，精確到0.000 1 g，質(zhì)量記錄為m0。在試片表面均勻涂抹一層廢油脂后，掛在支架上，放入真空干燥箱中，在105 °C 下真空干燥恒重后，在電子天平上稱重，精確到0.000 1 g，質(zhì)量記錄為m1。

1.3.2 壓鑄鋁合金脫脂劑的基礎(chǔ)配方

Na2CO30%～10%

Na3PO40%～6.0%

Na2SiO30%～2.0%

OP-10 3%

TX-10 6%

6501 5 %

滲透劑 6.5%

緩蝕劑 2.5%

1.3.3 試驗步驟

(1) 按配方配制得到的脫脂劑按照活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%進行稀釋，將稀釋好的工作液放入超聲波清洗器中，設(shè)定好溫度。

(2) 將事先準(zhǔn)備好的潔凈鋁合金試片(1#)、涂抹油脂的鋁合金試片(2#)分別掛入到超聲波清洗器中，并浸沒于工作液中。

(3) 所有試片掛好以后，記錄各個試片編號以及掛入試片的時間，并注意隨時觀察除油效果。

(4) 試片浸漬脫脂5 min 后，同時取出。1#鋁合金試片取出后用酒精擦洗干凈，掛在支架上，放入真空干燥箱中，在105 °C 下真空干燥，恒重后在電子天平上稱重，精確到0.000 1 g，質(zhì)量記錄為m2。2#鋁合金試片取出后，用清水沖洗干凈，掛在支架上，放入真空干燥箱中，在105 °C 下真空干燥恒重后，在電子天平上稱重，精確到0.000 1 g，質(zhì)量記錄為m3。

(5) 計算除油率及腐蝕率。

除油率的計算：

腐蝕率的計算：

式中，η──除油率，%；v──腐蝕率，g/(m2·h)；m0──潔凈試片起始質(zhì)量，g；m1──涂油試片起始質(zhì)量，g；m2──潔凈試片脫脂后的質(zhì)量，g；m3──脫脂除油結(jié)束后涂油試片的質(zhì)量，g；A──潔凈試片的表面積，cm2；t──試驗時間，h。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫脂劑配方的確定

壓鑄鋁合金的清洗脫脂主要利用油脂的皂化反應(yīng)及表面活性劑的作用原理，通過潤濕、滲透、卷離、分散和增溶的方式，將壓鑄鋁合金表面的油脂去除。為了高效去除壓鑄鋁合金表面的油污，同時減少除油過程中產(chǎn)生的鋁腐蝕，實驗設(shè)計了由堿性物質(zhì)、表面活性劑和添加劑組成的基礎(chǔ)試驗配方。在脫脂劑活性物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、脫脂溫度(50 ± 2) °C、脫脂時間5 min 的條件下，固定配方中表面活性劑OP-10 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，TX-10 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，6501 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，滲透劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.5%，緩蝕劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，對碳酸鈉、磷酸鈉和硅酸鈉分別進行單因素實驗，研究其對壓鑄鋁合金除油率和腐蝕率的影響。

2.1.1 碳酸鈉用量的影響

與氫氧化鈉、氫氧化鉀等強堿相比，碳酸鈉是弱堿，對鋁合金的腐蝕速度較慢。試驗考察了碳酸鈉用量對壓鑄鋁合金除油率和腐蝕率的影響規(guī)律，結(jié)果如圖1所示。

圖1 碳酸鈉用量對除油率和腐蝕率的影響Figure 1 Effect of sodium carbonate content on degreasing efficiency and corrosion rate

由圖1可以看出，隨著碳酸鈉用量的增大，除油率和腐蝕率均逐漸升高，當(dāng)碳酸鈉用量達到4%～6%時，除油率趨于穩(wěn)定，且腐蝕率較低。如果繼續(xù)增大碳酸鈉的用量只會增大對鋁合金的腐蝕。綜合考慮，碳酸鈉用量控制在4%～6%比較合適。

2.1.2 磷酸鈉用量的影響

在碳酸鈉用量為4%時，試驗考察了磷酸鈉用量對壓鑄鋁合金除油率和腐蝕率的影響規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。

圖2 磷酸鈉用量對除油率和腐蝕率的影響Figure 2 Effect of sodium phosphate content on degreasing efficiency and corrosion rate

由圖2可以看出，隨著磷酸鈉用量的增大，壓鑄鋁合金除油率和腐蝕率呈先增大后減小的趨勢，但當(dāng)磷酸鈉用量超過1.5%以后，壓鑄鋁合金的腐蝕率變化幅度較小。因此，磷酸鈉用量控制在2%～4%比較合適。

2.1.3 硅酸鈉用量的影響

硅酸鈉的清洗效果很好，而且對于去除壓鑄鋁合金表面的固體物也極其有效，油脂和不溶解于水的臟物能被其乳化而分散，對壓鑄鋁合金油脂的濕潤效果在無機堿中是最好的[12]。在碳酸鈉用量為4%、磷酸鈉用量為2%時，試驗考察了硅酸鈉用量對壓鑄鋁合金除油率和腐蝕率的影響規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，隨著硅酸鈉用量的增大，除油率和腐蝕率都逐漸升高，當(dāng)硅酸鈉用量達到1.2%后，繼續(xù)增大硅酸鈉的用量，除油率反而降低。當(dāng)硅酸鈉用量超過1%后，腐蝕率急劇增大。綜合考慮，硅酸鈉用量應(yīng)控制在1%比較合適。

圖3 硅酸鈉用量對除油率和腐蝕率的影響Figure 3 Effect of sodium silicate content on degreasing efficiency and corrosion rate

2.1.4 壓鑄鋁合金脫脂試驗配方的選擇

上述單因素試驗結(jié)果表明，碳酸鈉用量為4%～6%，磷酸鈉用量為2%～4%，硅酸鈉用量為1%時，效果較好?？紤]到鹽含量過高時產(chǎn)品穩(wěn)定性差、減少壓鑄鋁的腐蝕以及降低磷的污染等問題，在確定碳酸鈉、磷酸鈉和硅酸鈉的最佳復(fù)配量時，固定下列活性物質(zhì)的用量：磷酸鈉2%，硅酸鈉1%，TX-10 6%，6501 5%，滲透劑6.5%，緩蝕劑2.5%，在脫脂劑活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、溫度(50 ± 2) °C、時間5 min 的條件下，對碳酸鈉用量在4%上下進行調(diào)整。配方設(shè)計與試驗結(jié)果如表1中的配方I、II、III 所示。在相同的脫脂劑用量、脫脂溫度和時間下，從配方I～III 可以看出，雖然配方I 的腐蝕率最低，但其除油效果太差；配方II和III 的除油率相當(dāng)，但配方III 的腐蝕率明顯偏大。因此碳酸鈉、磷酸鈉和硅酸鈉的最佳復(fù)配量分別為4%、2%和1%。

表1 不同配方壓鑄鋁合金脫脂劑的除油率和腐蝕率Table 1 Oil removal rates and corrosion rates of die-cast aluminum alloy degreasing agents with different formulations

壓鑄鋁合金脫脂劑的除油效果關(guān)鍵在于表面活性劑類型和用量的選擇。由于OP 類乳化劑具有良好的乳化、勻染、潤濕、擴散、凈洗等性能，可與各類表面活性劑混用，而乳化劑的乳化能力與乳化劑的親水親油平衡值(HLB 值)密切相關(guān)，在固定碳酸鈉、磷酸鈉和硅酸鈉的復(fù)配量分別為4%、2%、1%，TX-10、6501、滲透劑和緩蝕劑分別為6%、5%、6.5%和2.5%時，配方設(shè)計考察了OP-10(HLB值為13.3～14.0)和OP-25 (HLB 值為16～17)乳化劑對壓鑄鋁合金除油率和腐蝕率的影響。試驗結(jié)果如表1中的配方II 及IV～IX 所示[脫脂劑活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、溫度(50 ± 2) °C、時間5 min]。

由于壓鑄鋁合金制品后續(xù)的電解、氧化處理對除油要求非常高，必須將壓鑄鋁合金表面的油污去除干凈，工業(yè)生產(chǎn)上在脫脂除油過程中對鋁材的腐蝕率要求是≤0.2 g/(m2·h)。由表1可以看出，在相同的脫脂劑用量、溫度和時間下，從配方II、IV～VI 可以看出，隨著OP-10 用量的增大，除油率先增大后減小，而腐蝕率先減小后增大。當(dāng)OP-10 用量為3.5%時，除油率達100%，腐蝕率最低。從配方V 和VII～IX 可以看出，采用OP-10 時除油效果優(yōu)于OP-25。按照配方V 配制的壓鑄鋁合金脫脂劑的除油率可達到100%，對鋁材腐蝕率也較低，完全能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。因此在下面的脫脂工藝試驗中采用配方V 進行試驗。該產(chǎn)品本身呈堿性，pH 為10.0～11.0，使用過程中的工作液呈弱堿性，pH 為7.5～8.5。

2.2 脫脂劑活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

脫脂劑活性物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響除油效果的重要因素，也是脫脂劑的一項重要性能指標(biāo)，并且在一定的濃度范圍內(nèi)，除油效果會隨著脫脂劑活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而增強。在脫脂溫度(50 ± 2) °C、脫脂時間5 min 的條件下，脫脂劑活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對除油率和腐蝕率的影響如圖4所示。

圖4 脫脂劑活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對除油率和腐蝕率的影響Figure 4 Effect of mass fraction of active substance in the degreasant on degreasing efficiency and corrosion rate

可以看出，采用超聲輔助浸漬脫脂時，隨著脫脂劑活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，除油率和腐蝕率逐漸增大。脫脂劑活性物含量在1.5%以上時才能取得滿意的除油效果，除油率可以達到100%。當(dāng)脫脂劑活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3.0%以后，隨著脫脂劑活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，腐蝕率明顯增大。因此，脫脂劑活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時會增大對鋁合金的腐蝕速度，影響產(chǎn)品性能，增加清洗成本。綜合考慮，脫脂劑活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在1.5%～3.0%比較適宜，但在實際操作時，脫脂劑活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)根據(jù)油垢的性質(zhì)和污染程度進行調(diào)整。

2.3 脫脂溫度的影響

由于隨著溫度的升高，脫脂劑中各組分的活性增加，而且溫度的升高還可以改變污垢的物性和形態(tài)，如潤滑油、礦物油、動植物油脂的黏度隨著溫度升高而降低，從而更容易被表面活性劑所乳化。所以在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度的提高有利于提高除油效果。在脫脂劑活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、脫脂時間5 min 的條件下，脫脂溫度對除油率和腐蝕率的影響如圖5所示。

圖5 脫脂溫度對除油率和腐蝕率的影響Figure 5 Effect of degreasing temperature on degreasing efficiency and corrosion rate

由圖5可以看出，隨著溫度的升高，腐蝕率逐漸升高，而除油率先升高后降低，當(dāng)溫度為50 °C 時，除油率達到最大值；溫度超過60 °C 后，除油率隨著溫度的升高而下降。這是由于溫度升高到接近或超過濁點時，非離子表面活性劑會析出，形成乳濁液而影響其脫脂能力。因此，脫脂劑的最佳使用溫度應(yīng)低于濁點(約62 °C)。因此，脫脂溫度控制在50～60 °C 之間比較適宜。

2.4 脫脂時間的影響

超聲浸漬脫脂時間是與脫脂溫度及脫脂劑活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)有密切關(guān)系的一個物理量。同時它又是影響脫脂工藝和生產(chǎn)的一個重要參數(shù)。試驗采用脫脂溫度50 °C、脫脂劑活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%來確定所需的脫脂時間。超聲浸漬脫脂時間對除油率和腐蝕率的影響如圖6所示。

圖6 超聲脫脂時間對除油率和腐蝕率的影響Figure 6 Effect of ultrasound degreasing time on degreasing efficiency and corrosion rate

由圖6可以看出，采用超聲輔助浸漬脫脂時，隨著脫脂時間的延長，腐蝕率逐漸增大。脫脂時間超過5 min 后，腐蝕率迅速增大。而除油率呈現(xiàn)先升高、后趨于穩(wěn)定的趨勢，脫脂時間為4～5 min 時，除油率可達100%，同時能滿足工業(yè)生產(chǎn)中對鋁材腐蝕率的要求。因此，超聲輔助浸漬脫脂時間為4～5 min 比較合適。

3 結(jié)論

壓鑄鋁合金脫脂劑的典型配方為(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示)：碳酸鈉4%，磷酸三鈉2%，硅酸鈉1%，表面活性劑OP-10 3.5%，表面活性劑TX-10 6%，表面活性劑6501 5%，滲透劑6.5%，緩蝕劑2.5%。當(dāng)脫脂溫度為50～60 °C，脫脂劑活性物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～3.0%時，超聲浸漬脫脂4～5 min，除油率可達100%，并能滿足工業(yè)生產(chǎn)中對鋁材的腐蝕率≤0.2 g/(m2·h)的要求。

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