宁 裕，王洪春
（齐齐哈尔工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161005）
得益于社会的不断发展以及科技的持续进步，不同学科之间的交叉以及渗透逐渐增强。化学作为一门基础学科逐渐渗透到生活和生产的方方面面，比如衣、食、住、行、能源、机械、材料、环境保护以及医药卫生等领域，都与化学具有密切关系[1]。为非化学化工专业的学生及工程技术人员提供化学基础知识和应用教育以及培养，可以为其综合运用化学知识有效认识、分析以及解决工程技术问题发挥促进作用。工程化学被视为基础化学的重大改革，如今很多高等院校专门开设了“工程化学”课程，主要的教学目标是使学生掌握现代化学的基本理论以及实验技术，保证其可以在机械工程中从化学角度出发对技术问题进行分析，为解决机械工程实际问题提供思路[2]。机械行业的发展不仅需要物理知识，更需要化学知识的支持，尤其是在机械制造工艺不断精进的过程中，工程化学的渗透程度逐渐加深，为机械行业发展进行技术创新提供了有力的技术支撑[3]。在机械行业发展过程中，热处理、气焊、金属表面处理、金属防腐都属于重要的机械制造工艺，或多或少应用了工程化学相关知识。为实现机械行业的高质量发展，工程化学的应用应得到高度重视，其应用要点值得探索。
化学学科本身具有悠久的历史，并一直充满发展活力，化学不断进步可以为科技进步以及社会发展发挥巨大的推动作用。在机械行业不断发展的背景下，工程化学应运而生，并且保持较快的发展速度，主要是从化学学科基础以及理论知识出发，将其与日常生活、生产以及科技前沿紧密联系，以化学基本概念为中心，突出化学学科的研究方法，同时凸显化学在生活以及生产中的踪迹，展现社会不同层面对化学原理的应用及其重要价值。化学世界具有无穷的奥妙，每一个人都处在美妙的化学世界中，各种化学成就也是人类文明的重要标志，化学不断发展不仅对科技进步具有推动作用，还为历史前进提供了助力。如今，能源、材料、机械、电力以及环境等工程专业都需要学习工程化学，可以将工程化学进一步划分为物质结构基础（原子结构及近代模型、现代原子轨道理论、电子排布理论、共价键理论、分子间力、离子键与金属键、晶体与非晶体）、化学热力学（热力学第一定律、化学反应热与焓、热力学第二定律、自发过程与吉布斯函数、化学反应进行的程度-化学平衡）、化学动力学（化学反应速率、浓度对化学反应速率的影响、温度对化学反应速率的影响、化学反应速率基本理论、催化作用与催化剂）、应用电化学（电化学基本概念、原电池、电极电势与能斯特方程、电极电势的应用、极化与超电势、电解过程、化学电源）以及溶液化学（蒸汽压、沸点上升和凝固点下降、渗透压、缓冲溶液、酸碱理论、沉淀溶解平衡、配离子的解离平衡、配位反应的应用、表面化学的基本概念、表面活性剂、胶体的基本概念、胶体的特性和应用）等，通过学习工程化学，非化学专业的学生以及科研工作者可以在学习和工作中对自身思维进行有效开拓，还有助于提升创造力。对工程化学进行系统化学习，工科背景的学生以及工作人员可以牢固掌握重要化学知识点、化学学科特点以及学习方法，并对化学和工程学科之间的关系、化学的重要价值及前沿发展形成更加深刻的认识和了解，在工程实践中巧妙融入化学理论。工程化学主要研究石油炼制工业、冶金工业、食品工业、印染工业以及机械工业生产过程中有关化学反应过程的一般原理以及规律，同时在面对机械等工业装置开发、设计、操作及优化等实际问题时，可以应用上述规律有效解决。
2.1 热处理
机械行业中的热处理属于一种重要的金属热加工工艺，主要是对固态材料进行加热、保温以及冷却处理，改变金属的晶体结构，以此获得预期组织和性能的金属材料[4]。机械行业的传统热处理工艺不仅会造成比较严重的污染，还会产生较大的能耗，因此，如今热处理正朝着绿色方向发展。在进行机械金属加工时，热处理工艺属于不可或缺的处理工序，主要是为了提升金属强度[5]。传统的热处理生产不仅会造成大量的资源消耗，还会产生废水、废气以及废渣等污染物，严重时甚至会产生电磁辐射等危害物，严重污染水环境和大气环境。根据相关统计结果可知，我国热处理工艺单位产生的电能消耗是欧美国家的3倍左右。现阶段，我国热处理技术的淬火介质以水、油、水基聚合物为主，淬火过程基本上会在淬火介质中整体浸入产品[6]。根据以往实践经验可知，在众多淬火介质中，水单位经济实用性最突出，还具有较快的整体冷却速度，但是存在低温区冷却速度较快的问题，会提高零件变形、零件开裂以及硬度不均等问题的发生概率，也更容易造成零件生锈。无机水溶剂淬火介质主要指碱或者无机盐等物质的水溶液，可以对水冷却性能进行优化，达到材料冷却要求，但是实际应用时不好控制溶液碱类物质，导致工作人员被灼伤。为了保障热处理的绿色发展，可以利用具有无臭、无毒特征的水基聚合物淬火机取代传统淬火介质。另外，还需要改善热处理工艺，这样既可以将节能减排技术应用于传统的热处理生产加工过程中，又可以研究全新的节能环保技术。如今的研究主要集中在可控气氛热处理技术上，以此实现无氧状态下的脱碳，与传统热处理工艺相比，可以减少5%左右的材料消耗。氮基气氛热处理技术是可控气氛热处理技术的重要组成部分，以氮气作为主要的内部成分，以实际加工需求为依据添加合适的有机制剂[7]。此外，还应对热处理的设备进行改良优化。
2.2 气焊
焊接工艺是现代机械设计应用频率较高的工艺之一，主要包括气体保护焊接技术、电焊技术以及埋弧焊接技术。其中，气焊主要是应用电弧技术的能量，以气体作为焊接载体。相关人员在实际应用气焊技术时，会利用电弧周围产生的气体形成保护层发挥保护作用，应用频率较高的保护气体为二氧化碳，主要是因为二氧化碳的成本较低[8]。气焊工艺利用气体保护层作为不同焊接对象之间的保护介质，可以有效分离电弧、空气以及熔池。应用气焊工艺可以有效消除焊接过程中有害气体造成的负面影响，促进电弧臻烧效率的提升。现阶段，气焊工艺在汽车制造以及化学机械制造等行业得到了广泛应用，对低碳钢或者低合金钢与其他黑金属的焊接具有较高的适应性[9]。气焊工艺应用二氧化碳作为隔绝气体，主要是因为二氧化碳属于惰性气体，性质较稳定，而且成本较低，可以获得良好的焊接效果。例如，在焊接过程中使用的焊接板厚度较小，尤其是小于12 mm时，需要使用工形坡口双面单道的焊接方式。在实际的焊接过程中，使焊枪横向摆动可为焊道的平整顺滑性提供保障，有效防范薄板焊接可能发生的中间凸起问题，以此避免无法焊透等焊接缺陷。在进行角焊时，不同焊脚的角焊缝焊接操作同样存在明显差异[10]。例如对6 mm焊脚的焊缝主要应用直线移动式焊接，对8 mm焊脚的焊缝适用横向移动的焊接方式。气焊操作简便并且不需要投入较多的焊接成本，在应用气焊时应防风，否则会导致焊接效果大打折扣，因此，一般在室内应用气焊。
2.3 金属表面处理
在科学技术持续发展的促进作用下，金属材料在现代多种行业中得到了广泛应用，并且其重要价值与日俱增。在机械制造、交通运输以及日常生活中，金属都可以得到有效应用。金属表面处理主要是为了提升金属光泽度、抗氧化性能、抗腐蚀性能以及耐热性等，主要分为电镀和化学镀两种工艺。在环保要求越来越严格的发展背景下，金属表面处理技术也逐渐朝着保护环境以及低运营成本的方向稳步发展[11]。在进行金属涂装之前，一般会应用磷化技术进行金属表面处理，但是会产生含有锰、镍等有害金属的废水，难以妥善处理生产废渣及废水，严重违背了环保理念。因此，可以应用无磷、镍的新型表面处理剂进行金属绿色表面处理，主要分为纯锆盐表面处理技术、硅烷表面处理技术以及硅烷-锆盐复合表面处理技术。首先，纯锆盐表面处理技术主要以氟锆酸H2ZrF6（HZF）和锆盐作为处理剂，在处理过程中，处理剂直接与金属基材发生反应，在金属基材表面生成ZrO2膜，而表面处理液中含氟锆盐配合促进剂和调整剂溶解金属表面，析氢反应使金属表面和处理液界面附近的pH升高，结合促进剂含氟锆盐发生溶解，逐渐形成胶体。在反应不断推进的过程中，具有“ZrO2-Me-ZrO2”结构的溶胶粒交联密度持续增大，最终持续凝聚沉积形成连续致密的ZrO2纳米陶瓷膜。硅烷表面处理技术以硅烷剂作为主要处理剂，处理废液中的硅烷聚合物与水发生反应形成SiOH，之后与金属表面的MeOH联合形成氢键，短时间内吸附在金属表面，经过晾干和烘干，MeOH和SiOH发生聚缩反应形成Si—O—Me。另外，SiOH与硅烷聚合物分子发生聚缩反应，形成Si—O—Si附着在金属表面。如今，涂装行业主要应用的表面处理技术为硅烷-锆盐复合表面处理技术，综合了纯锆盐表面处理技术和硅烷表面处理技术的优点，可以有效替代磷化工艺[12]。上述3种金属表面处理技术对冷轧板、热镀锌板、电镀锌板、钢板等金属板材具有较高的适用性，在应用这些绿色表面处理技术之前，应对金属表面进行彻底的清洗，在提高金属表面湿润性的同时，有效清除表面残留物质，避免对成膜层的吸附质量产生负面影响，可以先进行脱脂处理，再用纯水清洗，在完成膜转化表面处理后再次使用纯水清洗。
2.4 金属防腐
钢铁等金属材料具有资源丰富、成本低以及回收简单等优势，再加上其具有良好的力学性能，应用范围持续扩大。机械行业的发展更离不开金属材料的支持，但在应用金属材料时也需要面对一系列问题。其中，金属腐蚀问题会严重限制其应用效果。腐蚀问题的发生主要与使用过程中接触环境中的氧气以及水汽发生化学作用有关，会造成金属材料的破坏和变质问题。根据相关统计结果可知，金属腐蚀会造成严重的经济损失。为了减少金属腐蚀造成的经济损失以及机械设备的损坏，应对其进行防腐处理，可以采取结构整顿以及环境治理两种方式。其中，结构整顿主要是改变金属材料成分以及合成过程，也可以将金属材料和涂层微观结合，改变材料内部结构及表面成分。环境治理主要是通过处理腐蚀介质减小金属腐蚀强度，例如进行干燥、脱盐、添加缓蚀剂以及涂覆防腐剂等处理。现阶段，金属材料处理、涂料涂覆以及电化学保护属于应用频率较高的金属防腐蚀方法。首先，金属材料处理主要是处理其表面，减少金属的腐蚀活跃点或者改变金属材料组成，提高合金以及非金属掺杂金属的防腐效果。例如，可以调整金属表面粗糙程度，对坑洼不平的表面进行平滑处理；
也可以将能减小金属腐蚀强度的材料添加到金属中。涂料涂覆主要是将防腐蚀涂层涂覆在金属表面，以此有效隔离金属与外界腐蚀介质，降低腐蚀发生的概率。直接暴露在空气中的金属会与氧气和水发生共同作用，根据金属表面吸附水层的酸碱性，可以分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。其中，钢铁等金属腐蚀以吸氧腐蚀为主，利用涂料涂覆可以达到良好的防腐效果。电化学保护主要是将足够的阳极电流通过金属表面，促进金属电位正移至金属电位钝化区进行防腐。淡水、酸性溶液、盐碱性溶液以及土壤中都可以发生阳极保护，对大部分金属有较高的适用性，这一金属防腐技术不仅具有较高的效率，还具有经济性特点。
工程化学将化学知识与诸多工程有效融合，可以为工程实际问题的解决提供更多角度和思路。机械行业中的热处理、气焊、金属表面处理以及金属防腐处理都涉及一定的化学技术，为促进机械行业的进一步发展，应继续深入探究工程化学与机械行业之间的联系，利用工程化学技术实现机械行业的高质量发展。
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