化学在机械制造业中的应用

化学在机械制造业中的应用第l3卷第4期1999年l1月新乡师范高等专科学校JOURNALOFXINXIANGTEACHERSCOLLEGE化学在机械制造业中的应用f'安原初,r【_t,'新乡师专化学系新乡s3.∞V0l_13,No.4N0V,1999提要本文通过讨-7e-Z学与机械稍造业的关系和机械稍造业生产过程中有关化学的应用状况,展示了化学与机械制造业的学科交叉,相互渗透,相互促进厦共同发展的美好前菁.,;;～,一关键词化学机械制造交叉渗透…一.一一一一々;÷,?,...j,机械制造业更多涉及的是物理领域,'因为它是利用各种金属材料通过熔化,净却成型,机械加工.热压,冷拔,冲裁,组装等手段将其制戚各种不同的机械制品.然而,随着科学技术的不断发展.化学在机械制造业中的作用日益显现.本文拟就机械制造业中所涉及的化学及其相关同题作以简单的概括和讨论.l机械科遣业的范畴及主要生产工序机械制造业是一个范围广阔,涉及国计民生的产业,通常包括车辆,船舶,航空航天器工程,建筑,农用,轻工,化工,矿山机械.石油采炼设备等数十个领域.机械镪造业的主要生产工艺由于产品不同各有差异,但大都包括以下工艺程序:(1)俦造通过金属及其合金在熔融状态的流动性使其戚型为各种毛胚或直接通过精密铸造得到零件和半成品(2)锻造利用高温下金属及其台金的蘸好塑性施加外力使其改变形状得到零部件和半成品.(3)机械加工利用各种刀具使鼯材料和毛胚改变外部形状,包括锯,切,车,铣.刨,磨,镗,钻,冲压和拉伸等.(4)焊接利用局部界面的融台,使材料成型的工序.(5)热处理利用金属和台金在不同温度的金相组织会导致性能改变的原理进行的淬火,正火,退火,时效等工艺处理(6)表面处理对金属表面进行化学处理,电化学处理,进行金属或合金的沉积,离子注入,掺杂等工艺加工,赋予工件以特殊的性能,如抗蚀,装饰,耐磨,高表面活性,绝壤等.(7)防腐包装对零部件或产品进行的商品化处理2化学在机械制造业中的应用2,l化学在铸造过程中的应用俦遣,叉称金属流体成型工程.俗称翻砂.虽然目前某些铸造过程仍离不开砂箱,但就其工艺而言.已是事过境迁.铸造领域的新技术也紧紧地与化学联系在一起如精密铸造中的蜡型制作,压俦成型的模具及相关的脱膜剂等;更为重要的是:铸造是研削新型台金材料的重要手段铸造过程中的金属及其台金的配方,舍碳量调整,都是化学工作者探索的领域.在熔铸过程中杂质的去脒(磷,氮,硫等)都涉及到高温状态下的各种化学反应,要么使其成为有用的产物参与金属晶体成型,要么通过造渣使之脒去.另外,铸造中的温度参数,如浇俦温度,净却速度,温度梯度等参数的确定都可以直接影响金属晶体的金相组织和晶粒细化程度=2.2在锻造和热处理过程中曲应用(1)各种热处理过程1碇其化学原理热处理是一种与锻造,铸造,焊接等工艺密切相关的加工工艺=它的主要责任不是使金属材料获得一定的形状和R寸,而是以改变金属材料的组织和性能为目的,在铸.煅,焊的过程中,由于种种原因,不可避免的会出现这样或那样的缺陷;如铸造过程中,由于形状复杂,厚薄不均.会造成净却不均匀,组织变化不均匀,产生很大的铸造应力,加之从高温缓慢冷却,晶粒易于粗大;焊接过程中的局部加热与熔化,随后的冷却叉比较快.必然存在在很大的内应力.锻造时由于终煅温度过高或过低也会出现程大的魏氏组织和带状组织.遮些蛙路的存在将重影响工件的使用陛能.必须进行热处理,消除这些缺陷,改善盎相组錾{和材料性能.热处理更重要的意卫在干它是赋于工件最终性能的关键工序,不少零件加工成型后不能直接使用,而必7fJ第-I期寰原韧:化学在机械制造业中的应用须进行热处理,以获得最优的使用性能;如汽车,拖拉机后桥主动齿轮(材料为20CrMnT{),加工成型后要进行渗碳淬火和回火,这样其使用寿命可达到6000小时以上,而未经这种处理的寿命仅为1500小时以下热处理工艺般分为退火,正火,回火,淬火和化学热处理等几种.根据材料性能要求的不同,可以采取不同的工艺或几种工艺组合进行(2)热处理过程中的气氛可控技术由于空气中氡的存在,根据热力学原理,金属与氧的反应速度髓温度的升高而大大加快t对于最后成型的工件,这种氧化造成的尺寸变化是不能接受的,这就需要控制加热环境防止氧化发生;这种环境一般都是采用氮气,氲气,二氧化碳等惰性气体或氢气等还原性气体.这种热处理称为可控气氛热处理有时把粉束冶金制造技术也归于可控气氛热处理,粉末冶金包括体铁系台金,铜系台盘,镍系台盘等许多品种它是将粉末原料用粘结剂通过挤压等手段成型后进行烧结,烧结般在氧气,氧化碳气体中进抒,将一些氧化物如氧化铁,氧化铜等还原戚单质金属并形成舍金,可得到多孔的粉束冶金零件,经渗油和其他辅助处理铷得各种零部件,这种方法具有工序步.成本低,性能独特等优点,特别适台于制造轴承,金属电极等零件.2.3化学在机械加工中的应用机械加工是机械制造业中最重要的生产手段它包括车,铣,刨,磨,钻,镗,冲压,切割,拉伸等多种工艺方法(i)在车,铣,刨,磨加工中的应用在丰,铣,御,磨加工中,化学主要是通过词制台适的润滑冷却液,改善工件与刀具问的接触状况,选到保护刀具,提高其寿命和改善加工表面的目的.这些润滑冷却藏要具有冷却,宿惰,滴洗和防锈多种功能,对某些加工(如攻丝)还要有抗扳压的功能目前使用的普通乳化油系列,水剂透明系列和微乳化系列均有不阿产品的供应,也可以自行谓制它们的主要成分为矿物油,乳化剂,水,防锈添加剂,脱水剂等等的.(2)线切割和电火花加工的化学原理线切割和电业花加工都是模具制造的重要加工手段.线切割和电火花加工的加工环境都需要通过化学方{去调制出耐高温,高绝缘的液体介质,并优化其各项工艺参数.(3)拉伸加工与化学拉伸加工包括管棒材的拉拔和筒状器件的冲压成型及旋压成型=昔通的金属材料次拉深加工变形量都不能超过ioo,对要求大变形量的加工,如豫筒加工就需要进行退火处理以消除产生的应力,这种应力也叫做冷作硬化,它是由于金属的变形f起的晶格错位从而产生的强大应力,如不进行处理,就会出现破裂,造成机件和模具的损坏2.4在焊接过程中化学的应用焊接是两种或两种以上金属材料通过熔融结台在一起的工艺方法.(i)电焊和火焰焊电焊可以看作是局部金属的熔结过程.焊丝与被焊材料由于电场作用产生电弧并在焊缝附近形成高温熔糟,这时熔糟中的金属是液态的,焊料或附着焊条表面的焊药浮于其上茹形成熔渣:玲却后由于收缩系数不同而自动脱落.焊料及附着焊条表面的焊药的配制均是根据无机化学原理完成的火焰焊包括火焰熔焊和火焰钎焊.比如钢铁制品利用氢氧焰和己炔焰将铁丝与焊接机体融舍在一起的过程郢为熔焊熔焊时基体金属也是处于熔融状态.而钎焊时基体金属也是处于熔融状态.而钎焊时基俸金属不发生熔化而是通过钎焊剂的第三种材料的熔化完成焊接,例如钢铁材料的铜钎焊,锯钎焊等等钎焊过程中悍弃町的作用相当大,起着清理保护表面在焊接过程中不被氧化,促进焊接材料与基体进行牢固的结合.这些钎焊剂卫称焊料,也叫做焊药,都属于精细化工产品.研制良好焊剂是焊接工作者的重要工作.(2)特种焊接中的化学应用特种焊接是指非常规方法焊接.它一般包括摩擦焊,爆炸焊,电阻焊,高额焊和塑腔焊接等,摩擦焊是将两种材料进行摩擦使接触面产生高温而熔台在一起;爆炸焊接也是种特殊的焊接方法它是利lq爆炸声生的高温和强大的冲击澈将两种或者两种的材辑焊接在一起=电阻焊是和用金属接台部位存在有一定的电阻,当有强大电流通过时会产生高温使金属融化发生焊台例如点焊和对接焊等.7l新乡师范高等专科学校第13卷25化学在金属表面处理中的应用(1)表面赴理在机械制造业中的地位金属材料的表面处理是化学在机械制造业中最重要的应用通过表面赴理可以赋予工件良好的装饰性的和特殊的工艺性能,可以使本来设有使用价值的材料得以使用t可以使不能进行的工艺加工得以实现蜘如钢铁材料经过电镀获得cuN0复合镀层后,就具有了优异的防腐和装饰性能;铝及铝合金经阳极氧化可以获得具有高硬度和高耐磨性的表面层,使得它可以作为轴承等摩擦零件;经过电刷镀可以使尺寸超差或报废的大型工件蜘如轧辊,汽轮机主轴等等得以重新使用;通过化学腐蚀可以制造出带有精美图案的印刷滚筒这些是其它加工工艺所无法完成的.(2)化学处理与电化学处理化学处理一般包括以下几个方面:金属的化学氧化,磷化,钝化,化学镀层,化学抛光,化学腐蚀等.化学处理得到的膜层一般比较薄,这种方法设备比较简单,欢性的投资比较小.电化学赴理是指在电场作用下,电能和化学能同时作用于工件的处理的方法这种方法般包括如下几个方面:金属和合金的电镀,电化学抛光,电化学氧化等等.(3)化学与电化学腐蚀加工在各种加工手段中,化学与电化学腐蚀加工是种特殊的,不使用刀具和模具的加工手段通过掩胰保护还可以进行局部加工,这种掩膜可以是可剥型橡胶或者塑料,也可以是光敏树脂通过光化学反应得到保护层;通过这种工艺方法可以进行均匀减薄那工和局部减薄加工,也可以进行多层次保护得到深浅不同的浮雕图案.脒r这些掩膜的获得需要化学知识以外,多种化学腐蚀渡和电化学腐蚀液的配方及其工艺参数的选择也是化学工作者的工作范畴.(4)涂料盈涂装在机械制造业中,普通的涂装主要起到一般的防护和装饰作用,而特种I埭装不仅要起到一般的防护装饰作用,还要赋予产品特殊的性能.不论是普通涂装还是特种涂装,都要求涂膜与基体材料很好的结合,所以前处理是不可映少的,对黑色金属般采用踪油,酸洗,磷化工艺,而有色金属的多采用陡油,出光,钝化,化学氧化和电化学阳极氧化等工艺对于涂料的施工,普通溶剂型椽料往往是由底漆,面漆,罩光壤组成,对于电泳漆则为电泳底漆,面漆组成.对于粉末涂料可以次溶装完成特种涂料的施工的比较复杂,要根据基体材料,馀层组戚,使用要求等多种因索进行优化就目前来看,机械制造业涉及的特种涂料通常包括:耐热与烧蚀涂料(用于返回式航天器),防污涂料(用于各种舰船),阻尼涂料(减震),热控涂料(航天器),伪装涂料(军事装备及设施,包括防可见光,防红外,防雷达渡,防紫外等),红外吸收一红外辐射涂料(太阳能设备及军事装备)以及示温涂料(自动灭业设备及感温器材)等等这些颁域是化学与其他高新技术交相辉映,各展风栗的个大舞台.3化学与机械制造业的相互渗透及发展前景机械制造业对化学的要求是多方面.包括无机,有机,物化,分析以及材料化学,电化学和表面化学等.同样,化学对机械制造业的要求也是多方面,如各种化学反应所需要反应器(超高温,超高压,电离辐射,微波辐射等),创造反应条件所需的赴围设备(各种泵类,各种热源,传导器材和控制装置等),对反应过程及反应结果进行检测的装备(各种仪器,仪表)等等化学为机械制造业的发展提供了强有力的支持;机械制造业,特别是化工机械及仪器仪表业的发展也为化学向更高钡域的发展提供了机遇;正如北京大学苏勉曾教授所述:今天和明天的科学技术的本身以及它面临的要解决的国民经济任务,要求各学科的联合,缘合和