(1 .海军驻沈阳导弹专业军事代表室，辽宁沈阳110043 ;2 .海装驻沈阳军事代表局管理处，辽宁沈阳110000)
摘要：根据超声波清洗的基本原理，确定合适的清除发动机喷嘴、销轴及导管等外表面积碳溶液的组成及配比和工艺路线，有效降低了现场使用的除积碳溶液的浓度和处理温度，缩短了操作时间，实现了高效、节能、环保的技术要求，使工作效率提高2～3 倍。
关键词：超声波；除积碳；高效；节能；环保
中图分类号: V 1文献标志码:B
T he Study of Process T echnology of U ltra s on i c Carbon R emover
WA N G Wei1 ,J IA N G J i ay u2 , W A N G Bin1 , X U E Qingzeng1
(1 . Mi s sile Aff a ir s Militar y Rep r ent atives Off ice of Navy i n Shenya n g , Shenya n g 110043 , China ;
2 . Milit a r y Rep r e s ent ative s Bureau of N ED in Shenya n g , Shenya n g 110000 , Chi n a)
Abstract :O n t h e ba si s of t he ba sic p ri n cip le s of ult ra so n ic clea ning , get ap p r op riat e ca r b o n sol utio n co mpo s itio n , p r o2 po r tio n a nd t echnical ro ut e of ext er nal surf aces of clea ning o ut engine’s nozzle , d o wel a nd cat heter , et c. It ca n d ep r e s s t h e co ncent ratio n , wo r king temp erat ure of f iel d scale car b o n so l utio n eff ectively a nd reduce manip ulatio n time . Thi s text ha s a2 chieved t echnical reque st s of highly2eff icient , ener gy saving , enviro nment al p ro t ectio n , a nd increa sing wo r king eff iciency a2 b o v e t w o to t h ree time s.
K ey w ords :Ult r a s o n ic , Ca r b o n remo v er , Highly2eff icient , Ener g y saving , Enviro n ment al p r o t ectio n
超声波清洗技术是20 世纪50 年代兴起的，它清洗的速度快、质量好、易于实现自动化，降低了普通化学清洗对环境造成的污染。在很多场合下，超声波清洗可以用水剂清洗代替有机溶剂，或降低清洗液的酸碱度仍可获得较佳的清洗效果。
某大修发动机Ⅱ级主喷口壳体、管件及销轴等零件的除积碳是表面处理的一道重要工序。表面形成的积碳如不清理将会严重影响发动机的使用寿命。自从某型发动机大修生产线建成以来，表面处理工部的除积碳技术一直采用氢氧化钠NaO H (500 ～700g/ L ) 、亚硝酸钠Na N O2 ( 200 ～300g/ L )等高浓度碱溶液中长时间浸泡, 操作温度达135 ～145 ℃，在槽加工周期长达3～4 h ，有时甚至延长到8 h 。
但是随着技术要求的不断进步和提高，目前现场除积碳方法对于一些顽固积碳无法彻底清除，只能靠局部机械打磨，但采用此操作，容易损伤螺纹等部位，造成零件报废。因此，为提高一般零件的除积碳工作效率及去除的质量，现考虑将超声波技术引入到实际生产中。一种方案是选择合适的洗涤剂去除较轻的积碳；另一种方案是利用现有的超声波设备，使现场的槽液组成不变，降低溶液浓度和温度, 然后再利用超声波空化效应，缩短除积碳的时间，提
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作者简介：梁小蕊(19792) ，女，硕士，主要从事有机光电功能材料的研究。收稿
日期:2009 年12 月23 日
责任编辑王亚昆
·78 ·《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究2010 年第5 期
的蒸气(水蒸气和溶剂除积碳时产生的溶剂蒸气) 或
溶解于溶液中的气体进入空穴中，形成大量非稳态
的微气泡和空泡(直径约50～500 μm) 。接着，在正
压力的半周期，这些气泡与瞬间产生压强高达几百
乃至几千M Pa 的微激波，对溶液产生强烈的搅拌作
用，并形成冲刷工件表面污染物的冲击力，零件表面
的污垢层在巨大的冲击波作用下将深凹处和孔隙处
的污染物被剥离下来，分散、乳化、脱落，将零件污垢
彻底清除干净，从而加速清洗过程。同时由于空化
作用对表面的反复冲击，破坏了污垢层在零件表面
的结合力，使他们之间不断松化, 并逐步形成了间
隙，这使液体中的气泡可以逐渐渗透到零件内表面,
从而使污垢层被一层层剥开，直到完全脱落，这是空
化的二次效应。另外超声波振动在液体中产生的冲
击作用以及超声空化在固体和液体界面上所产生的
高速微射流能够除去或削弱边界污层，增加搅拌作
用，加速可溶性污物的溶解，强化化学清洗液对污垢
层的溶解等化学作用，对超声波清洗也起到了一定
的辅助作用。
综上所述，超声波清洗除积碳的主要作用机理
分为以下几个方面:
高生产效率，降低碱性化学药品的使用量，减少能源
的消耗，最终提高零件表面的积碳去除质量，工作效
率提高2 倍以上，填补了外表面超声波除积碳技术
的空白。
研究目标
1
某厂表面工程部准备建一条超声波生产线，其
中就包括超声波除积碳技术。但对于某些通用件外
表面超声波除积碳技术，该公司尚属空白，因此亟需
进行项目攻关，以提高喷嘴、导管及销轴等零件除积
碳的工作效率，为公司打造一条高效、节能、环保的
超声波除积碳生产线。
技术要求：零件表面黑色积碳必须清除干净，但
渗碳、渗氮零件表面允许有挂灰存在。
清洗零件类型: 1) 喷嘴类零件，燃料燃烧时产
生积碳，附着喷油嘴部位, 积碳最重; 2 )导管类零
件，在零件的焊道及螺纹等位置一般均有不同程度
的积碳;3) 销轴类零件，表面带有积碳，同时销轴类
零件均有渗碳、渗氮层。
2
2 . 1
试验
材料(见表1)
表1 1)
2)
利用超声波空化作用;
超声空化二阶效应产生的微声流的冲刷作主要工艺用材料
序号工艺材料分子式或牌号技术标准
用;
1
2
3
4
5
6
7
氢氧化钠
亚硝酸钠
磷酸钠
三聚磷酸钠
高锰酸钾
盐酸
若丁
NaO H
Na 2 NO2
Na 3 PO4 ·12 H 2O
Na 5 P3 O10减脂晚餐
Na 2 CO3 ·10 H2 O
HCl
G B 209 工业级
工业级
H G/ T 2517 工业
爱岗敬业的文章G B/ T 4209 工业
G B 210 工业
G B 320 工业;B/ T 622 化学
3B84 - 29 - 74 工业
工业级
3)产生超声空化在固体和液体界面所产生的
高速微射流的冲击作用;
4) 清洗液对积碳本身的溶解作用。超声波设醋酸化学式
备主要由超声发生器、超声换能器和
清洗槽等构成。除积碳清洗装置示意图如图1 所
示。
8 741 清洗剂
2 . 2 设备
P TA - 1018 型超声波清洗机: 功率600 W , 尺
寸为350 mm ×300 mm ×200 mm 。
扫描电镜：装有O X FO R D 型能谱分析仪的XL
- 30 F E G 型扫描电镜。分析
天平：精度0 . 1 mg 。
2 .
3 工艺试验
公主礼
2 .
3 . 1 超声波清洗工作原理所谓超声波是指超出
人类听觉极限的声波，通
常频率是在20～30 k Hz 。声波是一种机械波，在媒
介(气体、液体、固体) 中的传播特点是弹性波，如果
将声波传播到液体中，它将会使液体内的质点在其
平衡位置附近发生振动，产生空化作用，将工件表面
油污及氧化皮迅速剥离，达到清洗的目的。当超声
波辐射到液体上时，反复交替地产生瞬间负压力，在
振动产生负压的半周期内，液体中产生空化，即液体
图1 清洗装置示意图
2 .
3 . 2 积碳的形成机理
积碳产生的原因比较复杂，与发动机的结构以
及使用燃料和润滑油的种类、所处工作条件及工况
等密切相关。目前国内由于试验设备条件的限制,
对其生成机理并未形成很完善的系统理论。目前为
人们所普遍接受的一种观点是: 积碳是燃料及润滑
油在高温氧化作用下的产物。在燃烧室中，氧气供
应不足，燃料和窜入燃烧室的润滑油料不能完全燃
烧，而产生油烟和焦油微粒，它们和润滑油混合在一《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究2010 年第5 期·79 ·
起后，进一步氧化成为稠性胶状液体———羟基酸。羟基酸又进一步氧化变成一种半流体树脂状胶质，牢固地粘附在零件上，在高温的不断作用下，胶质又聚合成更复杂的聚合物———硬质胶结碳，即成了积碳。积碳的组成成分有润滑油、羟基酸、沥青质、油胶质、碳青质、硫酸盐、硅化合物等，并且发动机温度越高，形成的积碳也越硬越紧密，与金属粘结越牢固。
2 .
3 . 3 试验方案初选
在超声波清洗中，主要是靠空化产生的物理效应，但清洗液的化学溶解作用对零件表面污垢层的清洗具有加速、促进作用，也非常重要。结合现场除积碳的生产工艺、调研结果并查阅国内相关资料，本项目采用以下3 个方法进行研究。
1) 氢氧化钠( NaO H) 为主、另加少量亚硝酸钠( N a2 N O2 ) 构成的混合溶液。
2) 采用高锰酸钾( KM n O4 ) 和氢氧化钠( N aO H) 组成的混合溶液，再加上盐酸腐蚀。
3) 741 或781 洗涤剂。首选供沿海环境使用
的清洗方法, 从飞行500
h 的发动机上分解下来的喷嘴零件进行初选试验。零件表面状态分析：该零件相对积碳较为严重, 主要原因是零件在较为恶劣的高湿、高热及盐雾含量较高的环境下使用，致使零件表面腐蚀及生成积碳较重。
按现场工艺，将各槽液的成分含量分别降低 1 倍，结果发现，采用方法1) ，无法彻底除净, 且除积碳时间较长。采用方法2) 及方法3 ), 能够彻底清除。因此，采用方法2) 和3) 做进一步的试验研究。
2 .
3 .
4 槽液配方的优选试验
1) 高锰酸钾( KM nO4 ) 和氢氧化钠( NaO H) 混合溶液
继续选择某大修发动机Ⅱ级主喷口壳体8 件,Ⅱ级涡流器8 件，分4 组进行正交试验分析，因素水平表见表2 。采用L 4(23 ) 正交表做出表3 所示的试验安排。
表2 因素水平表1 000 mL ，每溶解0 . 001 g 积碳得1 分，打分结果见表4 。试验结果分析见表5 。
表4 正交试验结果表
方案号试件质量/ g 除积碳后质量/ g 溶解积碳量/ g 得分
1 # 30 . 9965
30 . 8111
30 . 9145
30 . 8236
30 . 9345
30 . 7361
30 . 7865
29 . 9316
0 . 062
0 . 075
0 . 128
0 . 892
62
75
128
89 . 2
#
2
3 #
4 #
表5 正交试验分析表
方案号NaO H K MnO4 温度/ ℃得分
1 #
2 #
3 #
4 # Ⅰ水平总
分Ⅱ水平总
分
100 ( Ⅰ水平)
100
50 ( Ⅱ水平)
50
137
217 . 2
70 ( Ⅰ水平)
35 ( Ⅱ水平)
70
35
151 . 2
203
50～60 ( Ⅰ水平)
60～70 ( Ⅱ水平)
60～70
50～60
190
164 . 2
62
75
89 . 2
128
-
- 由表5 中可以看出, 4 # 配方去除积碳效果最好，从极差值可以看出，影响试验结果的主要因素是氢氧化钠( N aO H ) , 相对来说温度对除积碳的效果影响较小。
2) 741 或781 洗涤剂的选择
经查阅相关资料及430 厂调研，槽液配方及工艺参数如下:741 或781 洗水剂清洗液4 %～5 % ；温度60～70 ℃。
零件清洗主要操作流程为: 将零件分2 组分别放入741 或781 清洗液中洗涤→60～70 ℃热水洗→压缩
空气吹干。
用上述 2 种工艺对钎焊导管及销轴类零件进行了批量对比试验, 781 洗涤剂的清洗效率高于741 , 管接头、螺帽、管外壁及焊接处的积碳清除干净，且未见腐蚀现象。
2 . 4 试验结果
2 . 4 . 1
3 种零件的清洗效果
1) 喷嘴类零件
针对喷嘴类零件，采用高锰酸钾( KM nO4 ) 和氢氧化钠( N aO H) 混合溶液来去除，工艺参数及配方
#
采用4 槽液配方组成，然后按50～60 ℃又进行1 组验证试验，即选择零件Ⅱ级主喷口壳体去除时间缩短至60 mi n ，去除效果如图2 所示。
因素Ⅰ水平Ⅱ水平
高锰酸钾( K MnO4 ) / g ·L- 1氢氧化钠(NaO H) / g ·L- 1
温度/ ℃
70
100
50～60
35
50
60～70黑色的英语
表3 试验方案表
方案号NaO H/ g ·L- 1KMnO4 / g ·L- 1温度/ ℃
1 #
2 #
3 #
4 # 100
100
50
50
70
35
70
35
50～60
60～70
60～70
50～60
a) 除积碳前b) 除积碳后
图2 除积碳前后对比图片
使用打分法考察溶液去除效果, 4种溶液配制
·80 ·《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究2010 年第5 期
2) 导管及销轴类零件
针对导管及销轴等小零件，主要采用781 清洗
剂去除，某些采用此工艺去除困难的零件，允许采用
喷嘴类零件的去除方法进行。采用上述工艺清洗后
的零件符合工艺验收标准要求。
2 . 4 . 2 超声波除积碳的影响因素
1) 浓度超声波除积碳溶液的浓度是保证清洗
质量的前
提，试验发现浓度太低，难以达到清洗质量; 浓度太
高，会阻碍超声波的传播，影响清洗效果，还增加漂
洗难度。所用液体的浓度不宜过高，但并不是简单
地把原溶液直接稀释使用，应该合理选择组分和配
比。
2) 温度
一般来说，温度升高有利于超声波的空化效应,
清洗效果好，但温度升高，会致使蒸气压升高，则槽
液中会产生大量气泡阻碍超声波的传播，以致降低
除积碳效果。因此，必须根据溶液组分，控制温度在
期明显缩短，槽液的成本、浓度和温度均较低，除积
碳时间短，节约了能源;
3) 零件表面光洁度满足要求，无腐蚀现象。
3 环保
1) 针对喷嘴类零件是在现场使用的常规除积
碳配方的基础上，进一步进行了槽液成分含量及工
艺参数的优选试验，槽液的浓度比原槽液配方降低,
槽液成分没有变化，所产生的污染物在表面处理工
部的污水站处理，可以达到达标排放。
2) 针对导管及销轴类零件采用781 清洗剂去
除,781 清洗剂可利用现有的大修清洗线生产，产生
的污染物利用现有的荧光污水处理设备处理，可以
达到达标排放。
4 结语
1) 销轴及导管类小零件的液配方及工艺参数
为4 %～5 %的781 水剂清洗液；温度50～60 ℃; 时
间为除净为止。对采用781 清洗液积碳无法除净的
零件，允许采用喷嘴类零件去除方法。
2) 喷嘴类零件的液配方及工艺参数为高锰酸
钾( KM n O4 ) 35 g/ L ; 氢氧化钠( N aO H ) 50 g/ L ; 温
度为50～60 ℃; 时间至除净为止, 但需控制在8 h
之内。
3) 采用超声波法除积碳后，槽液浓度降低至原
浓度的1/ 4 ，温度下降为原来的1/ 2 ，工作效率提高
了2～3 倍。
最佳范围，试验发现清洗液的温度控制在50～60
时，除积碳效果最好。
3) 金属杂质
℃
由于在除积碳生产过程中，溶解下来的氧化物
或金属溶解物的积累越来越多，会使超声波辐射效
果下降，影响清洗质量。因此，超声波清洗液应经常
更新。
4) 网筐
对于小零件，采用网筐孔径应适度，如果网的孔
径或多孔板筐的孔径过小，则减弱超声波强度，降低
清洗效果。如果孔径过大，零件易漏失。所以对于
网筐的选择应在零件不漏的前提下，孔径尽量大一
些。
5) 零件清洗位置
由于超声波是直线传播的，如果零件是静置的,
超声波对零件深凹、盲孔处及背面部位往往波及不
到，即无法清洗干净或清洗不均匀。所以每隔10～
15 mi n应将零件串动一下，以便各部位都能得到超
声波的辐射，从而达到理想的效果。
6) 频率应合理选择超声波振荡频率和强度
等技术参
数，一般对形状复杂的小零件应使用高频率、低振辐
的超声波；较大零件则使用低频率的超声波。如果杭州到婺源
标语大全
超声波频率和强度不足，对溶液就不能形成气泡，零
件表面积碳得不到冲击而清洗无效。
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作者简介：王威(19832) ，男，助理工程师，主要从事武器装备
发展论证方面的研究。
收稿日期:2010 年2 月5 日
责任编辑王亚昆
2 . 4 . 3
1)
2)
超声波除积碳的优点
零件表面积碳清除干净，产品合格率高;
超声波除积碳效率高、速度快，工艺流程周
《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究2010 年第5 期·81 ·
