四真三化模式下工程化學在機械行業中的應用

寧 裕，王洪春

（齊齊哈爾工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

得益于社會的不斷發展以及科技的持續進步，不同學科之間的交叉以及滲透逐漸增強。化學作為一門基礎學科逐漸滲透到生活和生產的方方面面，比如衣、食、住、行、能源、機械、材料、環境保護以及醫藥衛生等領域，都與化學具有密切關系[1]。為非化學化工專業的學生及工程技術人員提供化學基礎知識和應用教育以及培養，可以為其綜合運用化學知識有效認識、分析以及解決工程技術問題發揮促進作用。工程化學被視為基礎化學的重大改革，如今很多高等院校專門開設了“工程化學”課程，主要的教學目標是使學生掌握現代化學的基本理論以及實驗技術，保證其可以在機械工程中從化學角度出發對技術問題進行分析，為解決機械工程實際問題提供思路[2]。機械行業的發展不僅需要物理知識，更需要化學知識的支持，尤其是在機械制造工藝不斷精進的過程中，工程化學的滲透程度逐漸加深，為機械行業發展進行技術創新提供了有力的技術支撐[3]。在機械行業發展過程中，熱處理、氣焊、金屬表面處理、金屬防腐都屬于重要的機械制造工藝，或多或少應用了工程化學相關知識。為實現機械行業的高質量發展，工程化學的應用應得到高度重視，其應用要點值得探索。

1 工程化學概述

化學學科本身具有悠久的歷史，并一直充滿發展活力，化學不斷進步可以為科技進步以及社會發展發揮巨大的推動作用。在機械行業不斷發展的背景下，工程化學應運而生，并且保持較快的發展速度，主要是從化學學科基礎以及理論知識出發，將其與日常生活、生產以及科技前沿緊密聯系，以化學基本概念為中心，突出化學學科的研究方法，同時凸顯化學在生活以及生產中的蹤跡，展現社會不同層面對化學原理的應用及其重要價值。化學世界具有無窮的奧妙，每一個人都處在美妙的化學世界中，各種化學成就也是人類文明的重要標志，化學不斷發展不僅對科技進步具有推動作用，還為歷史前進提供了助力。如今，能源、材料、機械、電力以及環境等工程專業都需要學習工程化學，可以將工程化學進一步劃分為物質結構基礎（原子結構及近代模型、現代原子軌道理論、電子排布理論、共價鍵理論、分子間力、離子鍵與金屬鍵、晶體與非晶體）、化學熱力學（熱力學第一定律、化學反應熱與焓、熱力學第二定律、自發過程與吉布斯函數、化學反應進行的程度-化學平衡）、化學動力學（化學反應速率、濃度對化學反應速率的影響、溫度對化學反應速率的影響、化學反應速率基本理論、催化作用與催化劑）、應用電化學（電化學基本概念、原電池、電極電勢與能斯特方程、電極電勢的應用、極化與超電勢、電解過程、化學電源）以及溶液化學（蒸汽壓、沸點上升和凝固點下降、滲透壓、緩沖溶液、酸堿理論、沉淀溶解平衡、配離子的解離平衡、配位反應的應用、表面化學的基本概念、表面活性劑、膠體的基本概念、膠體的特性和應用）等，通過學習工程化學，非化學專業的學生以及科研工作者可以在學習和工作中對自身思維進行有效開拓，還有助于提升創造力。對工程化學進行系統化學習，工科背景的學生以及工作人員可以牢固掌握重要化學知識點、化學學科特點以及學習方法，并對化學和工程學科之間的關系、化學的重要價值及前沿發展形成更加深刻的認識和了解，在工程實踐中巧妙融入化學理論。工程化學主要研究石油煉制工業、冶金工業、食品工業、印染工業以及機械工業生產過程中有關化學反應過程的一般原理以及規律，同時在面對機械等工業裝置開發、設計、操作及優化等實際問題時，可以應用上述規律有效解決。

2 工程化學在機械行業中的應用

2.1 熱處理

機械行業中的熱處理屬于一種重要的金屬熱加工工藝，主要是對固態材料進行加熱、保溫以及冷卻處理，改變金屬的晶體結構，以此獲得預期組織和性能的金屬材料[4]。機械行業的傳統熱處理工藝不僅會造成比較嚴重的污染，還會產生較大的能耗，因此，如今熱處理正朝著綠色方向發展。在進行機械金屬加工時，熱處理工藝屬于不可或缺的處理工序，主要是為了提升金屬強度[5]。傳統的熱處理生產不僅會造成大量的資源消耗，還會產生廢水、廢氣以及廢渣等污染物，嚴重時甚至會產生電磁輻射等危害物，嚴重污染水環境和大氣環境。根據相關統計結果可知，我國熱處理工藝單位產生的電能消耗是歐美國家的3倍左右。現階段，我國熱處理技術的淬火介質以水、油、水基聚合物為主，淬火過程基本上會在淬火介質中整體浸入產品[6]。根據以往實踐經驗可知，在眾多淬火介質中，水單位經濟實用性最突出，還具有較快的整體冷卻速度，但是存在低溫區冷卻速度較快的問題，會提高零件變形、零件開裂以及硬度不均等問題的發生概率，也更容易造成零件生銹。無機水溶劑淬火介質主要指堿或者無機鹽等物質的水溶液，可以對水冷卻性能進行優化，達到材料冷卻要求，但是實際應用時不好控制溶液堿類物質，導致工作人員被灼傷。為了保障熱處理的綠色發展，可以利用具有無臭、無毒特征的水基聚合物淬火機取代傳統淬火介質。另外，還需要改善熱處理工藝，這樣既可以將節能減排技術應用于傳統的熱處理生產加工過程中，又可以研究全新的節能環保技術。如今的研究主要集中在可控氣氛熱處理技術上，以此實現無氧狀態下的脫碳，與傳統熱處理工藝相比，可以減少5%左右的材料消耗。氮基氣氛熱處理技術是可控氣氛熱處理技術的重要組成部分，以氮氣作為主要的內部成分，以實際加工需求為依據添加合適的有機制劑[7]。此外，還應對熱處理的設備進行改良優化。

2.2 氣焊

焊接工藝是現代機械設計應用頻率較高的工藝之一，主要包括氣體保護焊接技術、電焊技術以及埋弧焊接技術。其中，氣焊主要是應用電弧技術的能量，以氣體作為焊接載體。相關人員在實際應用氣焊技術時，會利用電弧周圍產生的氣體形成保護層發揮保護作用，應用頻率較高的保護氣體為二氧化碳，主要是因為二氧化碳的成本較低[8]。氣焊工藝利用氣體保護層作為不同焊接對象之間的保護介質，可以有效分離電弧、空氣以及熔池。應用氣焊工藝可以有效消除焊接過程中有害氣體造成的負面影響，促進電弧臻燒效率的提升。現階段，氣焊工藝在汽車制造以及化學機械制造等行業得到了廣泛應用，對低碳鋼或者低合金鋼與其他黑金屬的焊接具有較高的適應性[9]。氣焊工藝應用二氧化碳作為隔絕氣體，主要是因為二氧化碳屬于惰性氣體，性質較穩定，而且成本較低，可以獲得良好的焊接效果。例如，在焊接過程中使用的焊接板厚度較小，尤其是小于12 mm時，需要使用工形坡口雙面單道的焊接方式。在實際的焊接過程中，使焊槍橫向擺動可為焊道的平整順滑性提供保障，有效防范薄板焊接可能發生的中間凸起問題，以此避免無法焊透等焊接缺陷。在進行角焊時，不同焊腳的角焊縫焊接操作同樣存在明顯差異[10]。例如對6 mm焊腳的焊縫主要應用直線移動式焊接，對8 mm焊腳的焊縫適用橫向移動的焊接方式。氣焊操作簡便并且不需要投入較多的焊接成本，在應用氣焊時應防風，否則會導致焊接效果大打折扣，因此，一般在室內應用氣焊。

2.3 金屬表面處理

在科學技術持續發展的促進作用下，金屬材料在現代多種行業中得到了廣泛應用，并且其重要價值與日俱增。在機械制造、交通運輸以及日常生活中，金屬都可以得到有效應用。金屬表面處理主要是為了提升金屬光澤度、抗氧化性能、抗腐蝕性能以及耐熱性等，主要分為電鍍和化學鍍兩種工藝。在環保要求越來越嚴格的發展背景下，金屬表面處理技術也逐漸朝著保護環境以及低運營成本的方向穩步發展[11]。在進行金屬涂裝之前，一般會應用磷化技術進行金屬表面處理，但是會產生含有錳、鎳等有害金屬的廢水，難以妥善處理生產廢渣及廢水，嚴重違背了環保理念。因此，可以應用無磷、鎳的新型表面處理劑進行金屬綠色表面處理，主要分為純鋯鹽表面處理技術、硅烷表面處理技術以及硅烷-鋯鹽復合表面處理技術。首先，純鋯鹽表面處理技術主要以氟鋯酸H2ZrF6（HZF）和鋯鹽作為處理劑，在處理過程中，處理劑直接與金屬基材發生反應，在金屬基材表面生成ZrO2膜，而表面處理液中含氟鋯鹽配合促進劑和調整劑溶解金屬表面，析氫反應使金屬表面和處理液界面附近的pH升高，結合促進劑含氟鋯鹽發生溶解，逐漸形成膠體。在反應不斷推進的過程中，具有“ZrO2-Me-ZrO2”結構的溶膠粒交聯密度持續增大，最終持續凝聚沉積形成連續致密的ZrO2納米陶瓷膜。硅烷表面處理技術以硅烷劑作為主要處理劑，處理廢液中的硅烷聚合物與水發生反應形成SiOH，之后與金屬表面的MeOH聯合形成氫鍵，短時間內吸附在金屬表面，經過晾干和烘干，MeOH和SiOH發生聚縮反應形成Si—O—Me。另外，SiOH與硅烷聚合物分子發生聚縮反應，形成Si—O—Si附著在金屬表面。如今，涂裝行業主要應用的表面處理技術為硅烷-鋯鹽復合表面處理技術，綜合了純鋯鹽表面處理技術和硅烷表面處理技術的優點，可以有效替代磷化工藝[12]。上述3種金屬表面處理技術對冷軋板、熱鍍鋅板、電鍍鋅板、鋼板等金屬板材具有較高的適用性，在應用這些綠色表面處理技術之前，應對金屬表面進行徹底的清洗，在提高金屬表面濕潤性的同時，有效清除表面殘留物質，避免對成膜層的吸附質量產生負面影響，可以先進行脫脂處理，再用純水清洗，在完成膜轉化表面處理后再次使用純水清洗。

2.4 金屬防腐

鋼鐵等金屬材料具有資源豐富、成本低以及回收簡單等優勢，再加上其具有良好的力學性能，應用范圍持續擴大。機械行業的發展更離不開金屬材料的支持，但在應用金屬材料時也需要面對一系列問題。其中，金屬腐蝕問題會嚴重限制其應用效果。腐蝕問題的發生主要與使用過程中接觸環境中的氧氣以及水汽發生化學作用有關，會造成金屬材料的破壞和變質問題。根據相關統計結果可知，金屬腐蝕會造成嚴重的經濟損失。為了減少金屬腐蝕造成的經濟損失以及機械設備的損壞，應對其進行防腐處理，可以采取結構整頓以及環境治理兩種方式。其中，結構整頓主要是改變金屬材料成分以及合成過程，也可以將金屬材料和涂層微觀結合，改變材料內部結構及表面成分。環境治理主要是通過處理腐蝕介質減小金屬腐蝕強度，例如進行干燥、脫鹽、添加緩蝕劑以及涂覆防腐劑等處理。現階段，金屬材料處理、涂料涂覆以及電化學保護屬于應用頻率較高的金屬防腐蝕方法。首先，金屬材料處理主要是處理其表面，減少金屬的腐蝕活躍點或者改變金屬材料組成，提高合金以及非金屬摻雜金屬的防腐效果。例如，可以調整金屬表面粗糙程度，對坑洼不平的表面進行平滑處理；也可以將能減小金屬腐蝕強度的材料添加到金屬中。涂料涂覆主要是將防腐蝕涂層涂覆在金屬表面，以此有效隔離金屬與外界腐蝕介質，降低腐蝕發生的概率。直接暴露在空氣中的金屬會與氧氣和水發生共同作用，根據金屬表面吸附水層的酸堿性，可以分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕。其中，鋼鐵等金屬腐蝕以吸氧腐蝕為主，利用涂料涂覆可以達到良好的防腐效果。電化學保護主要是將足夠的陽極電流通過金屬表面，促進金屬電位正移至金屬電位鈍化區進行防腐。淡水、酸性溶液、鹽堿性溶液以及土壤中都可以發生陽極保護，對大部分金屬有較高的適用性，這一金屬防腐技術不僅具有較高的效率，還具有經濟性特點。

3 結語

工程化學將化學知識與諸多工程有效融合，可以為工程實際問題的解決提供更多角度和思路。機械行業中的熱處理、氣焊、金屬表面處理以及金屬防腐處理都涉及一定的化學技術，為促進機械行業的進一步發展，應繼續深入探究工程化學與機械行業之間的聯系，利用工程化學技術實現機械行業的高質量發展。