四真三化模式下工程化學(xué)在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用

寧 裕，王洪春

（齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

得益于社會(huì)的不斷發(fā)展以及科技的持續(xù)進(jìn)步，不同學(xué)科之間的交叉以及滲透逐漸增強(qiáng)?；瘜W(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科逐漸滲透到生活和生產(chǎn)的方方面面，比如衣、食、住、行、能源、機(jī)械、材料、環(huán)境保護(hù)以及醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域，都與化學(xué)具有密切關(guān)系[1]。為非化學(xué)化工專業(yè)的學(xué)生及工程技術(shù)人員提供化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用教育以及培養(yǎng)，可以為其綜合運(yùn)用化學(xué)知識(shí)有效認(rèn)識(shí)、分析以及解決工程技術(shù)問題發(fā)揮促進(jìn)作用。工程化學(xué)被視為基礎(chǔ)化學(xué)的重大改革，如今很多高等院校專門開設(shè)了“工程化學(xué)”課程，主要的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握現(xiàn)代化學(xué)的基本理論以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)，保證其可以在機(jī)械工程中從化學(xué)角度出發(fā)對(duì)技術(shù)問題進(jìn)行分析，為解決機(jī)械工程實(shí)際問題提供思路[2]。機(jī)械行業(yè)的發(fā)展不僅需要物理知識(shí)，更需要化學(xué)知識(shí)的支持，尤其是在機(jī)械制造工藝不斷精進(jìn)的過(guò)程中，工程化學(xué)的滲透程度逐漸加深，為機(jī)械行業(yè)發(fā)展進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新提供了有力的技術(shù)支撐[3]。在機(jī)械行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，熱處理、氣焊、金屬表面處理、金屬防腐都屬于重要的機(jī)械制造工藝，或多或少應(yīng)用了工程化學(xué)相關(guān)知識(shí)。為實(shí)現(xiàn)機(jī)械行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，工程化學(xué)的應(yīng)用應(yīng)得到高度重視，其應(yīng)用要點(diǎn)值得探索。

1 工程化學(xué)概述

化學(xué)學(xué)科本身具有悠久的歷史，并一直充滿發(fā)展活力，化學(xué)不斷進(jìn)步可以為科技進(jìn)步以及社會(huì)發(fā)展發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用。在機(jī)械行業(yè)不斷發(fā)展的背景下，工程化學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，并且保持較快的發(fā)展速度，主要是從化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)以及理論知識(shí)出發(fā)，將其與日常生活、生產(chǎn)以及科技前沿緊密聯(lián)系，以化學(xué)基本概念為中心，突出化學(xué)學(xué)科的研究方法，同時(shí)凸顯化學(xué)在生活以及生產(chǎn)中的蹤跡，展現(xiàn)社會(huì)不同層面對(duì)化學(xué)原理的應(yīng)用及其重要價(jià)值。化學(xué)世界具有無(wú)窮的奧妙，每一個(gè)人都處在美妙的化學(xué)世界中，各種化學(xué)成就也是人類文明的重要標(biāo)志，化學(xué)不斷發(fā)展不僅對(duì)科技進(jìn)步具有推動(dòng)作用，還為歷史前進(jìn)提供了助力。如今，能源、材料、機(jī)械、電力以及環(huán)境等工程專業(yè)都需要學(xué)習(xí)工程化學(xué)，可以將工程化學(xué)進(jìn)一步劃分為物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（原子結(jié)構(gòu)及近代模型、現(xiàn)代原子軌道理論、電子排布理論、共價(jià)鍵理論、分子間力、離子鍵與金屬鍵、晶體與非晶體）、化學(xué)熱力學(xué)（熱力學(xué)第一定律、化學(xué)反應(yīng)熱與焓、熱力學(xué)第二定律、自發(fā)過(guò)程與吉布斯函數(shù)、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度-化學(xué)平衡）、化學(xué)動(dòng)力學(xué)（化學(xué)反應(yīng)速率、濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響、溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響、化學(xué)反應(yīng)速率基本理論、催化作用與催化劑）、應(yīng)用電化學(xué)（電化學(xué)基本概念、原電池、電極電勢(shì)與能斯特方程、電極電勢(shì)的應(yīng)用、極化與超電勢(shì)、電解過(guò)程、化學(xué)電源）以及溶液化學(xué)（蒸汽壓、沸點(diǎn)上升和凝固點(diǎn)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(yīng)的應(yīng)用、表面化學(xué)的基本概念、表面活性劑、膠體的基本概念、膠體的特性和應(yīng)用）等，通過(guò)學(xué)習(xí)工程化學(xué)，非化學(xué)專業(yè)的學(xué)生以及科研工作者可以在學(xué)習(xí)和工作中對(duì)自身思維進(jìn)行有效開拓，還有助于提升創(chuàng)造力。對(duì)工程化學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)化學(xué)習(xí)，工科背景的學(xué)生以及工作人員可以牢固掌握重要化學(xué)知識(shí)點(diǎn)、化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)以及學(xué)習(xí)方法，并對(duì)化學(xué)和工程學(xué)科之間的關(guān)系、化學(xué)的重要價(jià)值及前沿發(fā)展形成更加深刻的認(rèn)識(shí)和了解，在工程實(shí)踐中巧妙融入化學(xué)理論。工程化學(xué)主要研究石油煉制工業(yè)、冶金工業(yè)、食品工業(yè)、印染工業(yè)以及機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中有關(guān)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的一般原理以及規(guī)律，同時(shí)在面對(duì)機(jī)械等工業(yè)裝置開發(fā)、設(shè)計(jì)、操作及優(yōu)化等實(shí)際問題時(shí)，可以應(yīng)用上述規(guī)律有效解決。

2 工程化學(xué)在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用

2.1 熱處理

機(jī)械行業(yè)中的熱處理屬于一種重要的金屬熱加工工藝，主要是對(duì)固態(tài)材料進(jìn)行加熱、保溫以及冷卻處理，改變金屬的晶體結(jié)構(gòu)，以此獲得預(yù)期組織和性能的金屬材料[4]。機(jī)械行業(yè)的傳統(tǒng)熱處理工藝不僅會(huì)造成比較嚴(yán)重的污染，還會(huì)產(chǎn)生較大的能耗，因此，如今熱處理正朝著綠色方向發(fā)展。在進(jìn)行機(jī)械金屬加工時(shí)，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?gòu)?qiáng)度[5]。傳統(tǒng)的熱處理生產(chǎn)不僅會(huì)造成大量的資源消耗，還會(huì)產(chǎn)生廢水、廢氣以及廢渣等污染物，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生電磁輻射等危害物，嚴(yán)重污染水環(huán)境和大氣環(huán)境。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，我國(guó)熱處理工藝單位產(chǎn)生的電能消耗是歐美國(guó)家的3倍左右?，F(xiàn)階段，我國(guó)熱處理技術(shù)的淬火介質(zhì)以水、油、水基聚合物為主，淬火過(guò)程基本上會(huì)在淬火介質(zhì)中整體浸入產(chǎn)品[6]。根據(jù)以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，在眾多淬火介質(zhì)中，水單位經(jīng)濟(jì)實(shí)用性最突出，還具有較快的整體冷卻速度，但是存在低溫區(qū)冷卻速度較快的問題，會(huì)提高零件變形、零件開裂以及硬度不均等問題的發(fā)生概率，也更容易造成零件生銹。無(wú)機(jī)水溶劑淬火介質(zhì)主要指堿或者無(wú)機(jī)鹽等物質(zhì)的水溶液，可以對(duì)水冷卻性能進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到材料冷卻要求，但是實(shí)際應(yīng)用時(shí)不好控制溶液堿類物質(zhì)，導(dǎo)致工作人員被灼傷。為了保障熱處理的綠色發(fā)展，可以利用具有無(wú)臭、無(wú)毒特征的水基聚合物淬火機(jī)取代傳統(tǒng)淬火介質(zhì)。另外，還需要改善熱處理工藝，這樣既可以將節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的熱處理生產(chǎn)加工過(guò)程中，又可以研究全新的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。如今的研究主要集中在可控氣氛熱處理技術(shù)上，以此實(shí)現(xiàn)無(wú)氧狀態(tài)下的脫碳，與傳統(tǒng)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(shù)是可控氣氛熱處理技術(shù)的重要組成部分，以氮?dú)庾鳛橹饕膬?nèi)部成分，以實(shí)際加工需求為依據(jù)添加合適的有機(jī)制劑[7]。此外，還應(yīng)對(duì)熱處理的設(shè)備進(jìn)行改良優(yōu)化。

2.2 氣焊

焊接工藝是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用頻率較高的工藝之一，主要包括氣體保護(hù)焊接技術(shù)、電焊技術(shù)以及埋弧焊接技術(shù)。其中，氣焊主要是應(yīng)用電弧技術(shù)的能量，以氣體作為焊接載體。相關(guān)人員在實(shí)際應(yīng)用氣焊技術(shù)時(shí)，會(huì)利用電弧周圍產(chǎn)生的氣體形成保護(hù)層發(fā)揮保護(hù)作用，應(yīng)用頻率較高的保護(hù)氣體為二氧化碳，主要是因?yàn)槎趸嫉某杀据^低[8]。氣焊工藝?yán)脷怏w保護(hù)層作為不同焊接對(duì)象之間的保護(hù)介質(zhì)，可以有效分離電弧、空氣以及熔池。應(yīng)用氣焊工藝可以有效消除焊接過(guò)程中有害氣體造成的負(fù)面影響，促進(jìn)電弧臻燒效率的提升。現(xiàn)階段，氣焊工藝在汽車制造以及化學(xué)機(jī)械制造等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)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(yīng)性[9]。氣焊工藝應(yīng)用二氧化碳作為隔絕氣體，主要是因?yàn)槎趸紝儆诙栊詺怏w，性質(zhì)較穩(wěn)定，而且成本較低，可以獲得良好的焊接效果。例如，在焊接過(guò)程中使用的焊接板厚度較小，尤其是小于12 mm時(shí)，需要使用工形坡口雙面單道的焊接方式。在實(shí)際的焊接過(guò)程中，使焊槍橫向擺動(dòng)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(fā)生的中間凸起問題，以此避免無(wú)法焊透等焊接缺陷。在進(jìn)行角焊時(shí)，不同焊腳的角焊縫焊接操作同樣存在明顯差異[10]。例如對(duì)6 mm焊腳的焊縫主要應(yīng)用直線移動(dòng)式焊接，對(duì)8 mm焊腳的焊縫適用橫向移動(dòng)的焊接方式。氣焊操作簡(jiǎn)便并且不需要投入較多的焊接成本，在應(yīng)用氣焊時(shí)應(yīng)防風(fēng)，否則會(huì)導(dǎo)致焊接效果大打折扣，因此，一般在室內(nèi)應(yīng)用氣焊。

2.3 金屬表面處理

在科學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的促進(jìn)作用下，金屬材料在現(xiàn)代多種行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，并且其重要價(jià)值與日俱增。在機(jī)械制造、交通運(yùn)輸以及日常生活中，金屬都可以得到有效應(yīng)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(xué)鍍兩種工藝。在環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格的發(fā)展背景下，金屬表面處理技術(shù)也逐漸朝著保護(hù)環(huán)境以及低運(yùn)營(yíng)成本的方向穩(wěn)步發(fā)展[11]。在進(jìn)行金屬涂裝之前，一般會(huì)應(yīng)用磷化技術(shù)進(jìn)行金屬表面處理，但是會(huì)產(chǎn)生含有錳、鎳等有害金屬的廢水，難以妥善處理生產(chǎn)廢渣及廢水，嚴(yán)重違背了環(huán)保理念。因此，可以應(yīng)用無(wú)磷、鎳的新型表面處理劑進(jìn)行金屬綠色表面處理，主要分為純鋯鹽表面處理技術(shù)、硅烷表面處理技術(shù)以及硅烷-鋯鹽復(fù)合表面處理技術(shù)。首先，純鋯鹽表面處理技術(shù)主要以氟鋯酸H2ZrF6（HZF）和鋯鹽作為處理劑，在處理過(guò)程中，處理劑直接與金屬基材發(fā)生反應(yīng)，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(jìn)劑和調(diào)整劑溶解金屬表面，析氫反應(yīng)使金屬表面和處理液界面附近的pH升高，結(jié)合促進(jìn)劑含氟鋯鹽發(fā)生溶解，逐漸形成膠體。在反應(yīng)不斷推進(jìn)的過(guò)程中，具有“ZrO2-Me-ZrO2”結(jié)構(gòu)的溶膠粒交聯(lián)密度持續(xù)增大，最終持續(xù)凝聚沉積形成連續(xù)致密的ZrO2納米陶瓷膜。硅烷表面處理技術(shù)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(fā)生反應(yīng)形成SiOH，之后與金屬表面的MeOH聯(lián)合形成氫鍵，短時(shí)間內(nèi)吸附在金屬表面，經(jīng)過(guò)晾干和烘干，MeOH和SiOH發(fā)生聚縮反應(yīng)形成Si—O—Me。另外，SiOH與硅烷聚合物分子發(fā)生聚縮反應(yīng)，形成Si—O—Si附著在金屬表面。如今，涂裝行業(yè)主要應(yīng)用的表面處理技術(shù)為硅烷-鋯鹽復(fù)合表面處理技術(shù)，綜合了純鋯鹽表面處理技術(shù)和硅烷表面處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以有效替代磷化工藝[12]。上述3種金屬表面處理技術(shù)對(duì)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(yīng)用這些綠色表面處理技術(shù)之前，應(yīng)對(duì)金屬表面進(jìn)行徹底的清洗，在提高金屬表面濕潤(rùn)性的同時(shí)，有效清除表面殘留物質(zhì)，避免對(duì)成膜層的吸附質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，可以先進(jìn)行脫脂處理，再用純水清洗，在完成膜轉(zhuǎn)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(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，再加上其具有良好的力學(xué)性能，應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大。機(jī)械行業(yè)的發(fā)展更離不開金屬材料的支持，但在應(yīng)用金屬材料時(shí)也需要面對(duì)一系列問題。其中，金屬腐蝕問題會(huì)嚴(yán)重限制其應(yīng)用效果。腐蝕問題的發(fā)生主要與使用過(guò)程中接觸環(huán)境中的氧氣以及水汽發(fā)生化學(xué)作用有關(guān)，會(huì)造成金屬材料的破壞和變質(zhì)問題。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，金屬腐蝕會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為了減少金屬腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失以及機(jī)械設(shè)備的損壞，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行防腐處理，可以采取結(jié)構(gòu)整頓以及環(huán)境治理兩種方式。其中，結(jié)構(gòu)整頓主要是改變金屬材料成分以及合成過(guò)程，也可以將金屬材料和涂層微觀結(jié)合，改變材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)及表面成分。環(huán)境治理主要是通過(guò)處理腐蝕介質(zhì)減小金屬腐蝕強(qiáng)度，例如進(jìn)行干燥、脫鹽、添加緩蝕劑以及涂覆防腐劑等處理。現(xiàn)階段，金屬材料處理、涂料涂覆以及電化學(xué)保護(hù)屬于應(yīng)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(diǎn)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(diào)整金屬表面粗糙程度，對(duì)坑洼不平的表面進(jìn)行平滑處理；也可以將能減小金屬腐蝕強(qiáng)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(zhì)，降低腐蝕發(fā)生的概率。直接暴露在空氣中的金屬會(huì)與氧氣和水發(fā)生共同作用，根據(jù)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(dá)到良好的防腐效果。電化學(xué)保護(hù)主要是將足夠的陽(yáng)極電流通過(guò)金屬表面，促進(jìn)金屬電位正移至金屬電位鈍化區(qū)進(jìn)行防腐。淡水、酸性溶液、鹽堿性溶液以及土壤中都可以發(fā)生陽(yáng)極保護(hù)，對(duì)大部分金屬有較高的適用性，這一金屬防腐技術(shù)不僅具有較高的效率，還具有經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

工程化學(xué)將化學(xué)知識(shí)與諸多工程有效融合，可以為工程實(shí)際問題的解決提供更多角度和思路。機(jī)械行業(yè)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(xué)技術(shù)，為促進(jìn)機(jī)械行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)繼續(xù)深入探究工程化學(xué)與機(jī)械行業(yè)之間的聯(lián)系，利用工程化學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。