寧 裕，王洪春

（齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

得益于社會的不斷發(fā)展以及科技的持續(xù)進步，不同學(xué)科之間的交叉以及滲透逐漸增強。化學(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、機械、材料、環(huán)境保護以及醫(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)知識和應(yīng)用教育以及培養(yǎng)，可以為其綜合運用化學(xué)知識有效認識、分析以及解決工程技術(shù)問題發(fā)揮促進作用。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)目標是使學(xué)生掌握現(xiàn)代化學(xué)的基本理論以及實驗技術(shù)，保證其可以在機械工程中從化學(xué)角度出發(fā)對技術(shù)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(yè)的發(fā)展不僅需要物理知識，更需要化學(xué)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(xué)的滲透程度逐漸加深，為機械行業(yè)發(fā)展進行技術(shù)創(chuàng)新提供了有力的技術(shù)支撐[3]。在機械行業(yè)發(fā)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(yīng)用了工程化學(xué)相關(guān)知識。為實現(xiàn)機械行業(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)不斷進步可以為科技進步以及社會發(fā)展發(fā)揮巨大的推動作用。在機械行業(yè)不斷發(fā)展的背景下，工程化學(xué)應(yīng)運而生，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，同時凸顯化學(xué)在生活以及生產(chǎn)中的蹤跡，展現(xiàn)社會不同層面對化學(xué)原理的應(yīng)用及其重要價值?；瘜W(xué)世界具有無窮的奧妙，每一個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志，化學(xué)不斷發(fā)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(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)過程與吉布斯函數(shù)、化學(xué)反應(yīng)進行的程度-化學(xué)平衡）、化學(xué)動力學(xué)（化學(xué)反應(yīng)速率、濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響、溫度對化學(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、電極電勢與能斯特方程、電極電勢的應(yīng)用、極化與超電勢、電解過程、化學(xué)電源）以及溶液化學(xué)（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(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)和工作中對自身思維進行有效開拓，還有助于提升創(chuàng)造力。對工程化學(xué)進行系統(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)知識點、化學(xué)學(xué)科特點以及學(xué)習(xí)方法，并對化學(xué)和工程學(xué)科之間的關(guān)系、化學(xué)的重要價值及前沿發(fā)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(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)以及機械工業(yè)生產(chǎn)過程中有關(guān)化學(xué)反應(yīng)過程的一般原理以及規(guī)律，同時在面對機械等工業(yè)裝置開發(fā)、設(shè)計、操作及優(yōu)化等實際問題時，可以應(yīng)用上述規(guī)律有效解決。

2 工程化學(xué)在機械行業(yè)中的應(yīng)用

2.1 熱處理

機械行業(yè)中的熱處理屬于一種重要的金屬熱加工工藝，主要是對固態(tài)材料進行加熱、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]。機械行業(yè)的傳統(tǒng)熱處理工藝不僅會造成比較嚴重的污染，還會產(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(tǒng)的熱處理生產(chǎn)不僅會造成大量的資源消耗，還會產(chǎn)生廢水、廢氣以及廢渣等污染物，嚴重時甚至?xí)a(chǎn)生電磁輻射等危害物，嚴重污染水環(huán)境和大氣環(huán)境。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果可知，我國熱處理工藝單位產(chǎn)生的電能消耗是歐美國家的3倍左右?，F(xiàn)階段，我國熱處理技術(shù)的淬火介質(zhì)以水、油、水基聚合物為主，淬火過程基本上會在淬火介質(zhì)中整體浸入產(chǎn)品[6]。根據(jù)以往實踐經(jīng)驗可知，在眾多淬火介質(zhì)中，水單位經(jīng)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(qū)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(fā)生概率，也更容易造成零件生銹。無機水溶劑淬火介質(zhì)主要指堿或者無機鹽等物質(zhì)的水溶液，可以對水冷卻性能進行優(yōu)化，達到材料冷卻要求，但是實際應(yīng)用時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，可以利用具有無臭、無毒特征的水基聚合物淬火機取代傳統(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，以此實現(xiàn)無氧狀態(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，以氮氣作為主要的內(nèi)部成分，以實際加工需求為依據(jù)添加合適的有機制劑[7]。此外，還應(yīng)對熱處理的設(shè)備進行改良優(yōu)化。

2.2 氣焊

焊接工藝是現(xiàn)代機械設(shè)計應(yīng)用頻率較高的工藝之一，主要包括氣體保護焊接技術(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)人員在實際應(yīng)用氣焊技術(shù)時，會利用電弧周圍產(chǎn)生的氣體形成保護層發(fā)揮保護作用，應(yīng)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(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程中有害氣體造成的負面影響，促進電弧臻燒效率的提升?，F(xiàn)階段，氣焊工藝在汽車制造以及化學(xué)機械制造等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)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(yīng)性[9]。氣焊工藝應(yīng)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(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(fā)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(yīng)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(yīng)用氣焊時應(yīng)防風(fēng)，否則會導(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(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)保要求越來越嚴格的發(fā)展背景下，金屬表面處理技術(shù)也逐漸朝著保護環(huán)境以及低運營成本的方向穩(wěn)步發(fā)展[11]。在進行金屬涂裝之前，一般會應(yīng)用磷化技術(shù)進行金屬表面處理，但是會產(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，嚴重違背了環(huán)保理念。因此，可以應(yīng)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(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)合促進劑含氟鋯鹽發(fā)生溶解，逐漸形成膠體。在反應(yīng)不斷推進的過程中，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，短時間內(nèi)吸附在金屬表面，經(jīng)過晾干和烘干，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，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(zhì)，避免對成膜層的吸附質(zhì)量產(chǎn)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(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、成本低以及回收簡單等優(yōu)勢，再加上其具有良好的力學(xué)性能，應(yīng)用范圍持續(xù)擴大。機械行業(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(yīng)用效果。腐蝕問題的發(fā)生主要與使用過程中接觸環(huán)境中的氧氣以及水汽發(fā)生化學(xué)作用有關(guān)，會造成金屬材料的破壞和變質(zhì)問題。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果可知，金屬腐蝕會造成嚴重的經(jīng)濟損失。為了減少金屬腐蝕造成的經(jīng)濟損失以及機械設(shè)備的損壞，應(yīng)對其進行防腐處理，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)境治理主要是通過處理腐蝕介質(zhì)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?，F(xiàn)階段，金屬材料處理、涂料涂覆以及電化學(xué)保護屬于應(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(zhì)，降低腐蝕發(fā)生的概率。直接暴露在空氣中的金屬會與氧氣和水發(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到良好的防腐效果。電化學(xué)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(qū)進行防腐。淡水、酸性溶液、鹽堿性溶液以及土壤中都可以發(fā)生陽極保護，對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)濟性特點。

3 結(jié)語

工程化學(xué)將化學(xué)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(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)，為促進機械行業(yè)的進一步發(fā)展，應(yīng)繼續(xù)深入探究工程化學(xué)與機械行業(yè)之間的聯(lián)系，利用工程化學(xué)技術(shù)實現(xiàn)機械行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。