清洁成形与改性技术综述
华南农业大学车辆工程2 陈树郁201131150501
摘要：本文阐述了清洁成形与改性技术的概念，介绍了清洁成形与改性技术的起源、发展与趋势。
关键词：清洁成形、改性技术、综述
1、清洁成形与改性技术概念
清洁成形与改性技术是实现机械制造业自身清洁生产的重要举措。
传统制造成形与改性技术是以物理、化学、冶金相平衡为基础理论，将热、电、光、声及化学现象散发出来的燃烧、压力、电阻、电弧、电感应、电子束、激光、超声波、等离子体等能量作用于成形及改性，使其产生熔化、凝固、结晶、塑性变形、扩散相变等物理化学性能的变化，以达到使工件成形与改性的目的，伴随这些过程，将产生大量污染物、高温和噪声，严重污染环境。
为了减少、杜绝生产污染，在成形与改性过程中，清洁成形与改性技术采用无毒、无害的原材料，利用率高的能源及高效、节能降耗的工艺与设备，使材料、能源消耗及排污最少，使先进的成形与改性技术与环境保护、生态系统协调发展，因而它是新的知识集约型技术，是21世纪科技发展的关键技术之一。
其研究范畴与内容可以概括为：（1）节能节材、无污染成形与改性技术；（2）成形与改性过程“三废”治理及利用技术；（3）成形与改性设备的改造及延寿技术。
2、技术的发展现状及发展趋势
清洁成形与改性技术是产品、零部件加工过程中具有与生态度环境相协调的先进实用技术，自然受到国内外的关注。
我国在“九五”期间已开始强调从清洁技术的重要性。
1．成形与改性技术清洁化
（1）铸造型砂
在铸造成形清洁化中，为控制其大量的有害气体和粉尘的产生，先后开发并应用了多种诸如压铸、金属型、金属型复砂等少无型砂铸造工艺，在砂型铸造中采用无毒CO2硬化的树脂砂制芯，减少树脂中游离和游离甲醛含量，解决了造型、制芯砂溃散性差的难点，开发各种类型的水玻璃旧砂干法及湿法再生装置[1]，使高性能旧砂获得再生和回收，控制了环境污染，并达到节能、节材的目的。
（2）摩擦焊
在接成形清洁化过程中，不用填充材料的摩擦焊[2],已趋向于大型化，其最大功率达700KW，最大焊接截面积为20000mm²，焊接机的焊接控制已实现了数字化，电子束焊可不开坡口、不加填料，其耗电量为手工焊接的23％，埋弧焊的58％，CO2气焊的76％，是节能节材、少无污染的焊接工艺。
（3）新型涂料和喷涂技术
清洁表面改性技术，重点在于开发无污染、低能耗、排污少、高效能的新型涂料，如：水性涂料，粉末涂料，高固分涂料等，特别是水性涂料[3]，水性涂料属于环保型涂料，是用水作溶剂或分散介质的涂料，其以安全、简便、环保、节能四大特征，受到不少涂料生产企业和消费者的青睐。
美、德、日等汽车工业发达国家已经基本实现了水性涂料取代传统溶剂型涂料的更新换代过程。
国际上解决表面处理污染问题采用的方法，一是采用低毒或无毒化工原料；其二是采用封闭式生产，使产生的废水、废气在工厂再生循环使用。
水热喷涂技术是90年代新兴的热喷涂工艺方法，水热氢还原是湿法冶金的一种常用方法，广
泛应用于制备金属粉末、金属复合粉末等领域，经过几十年的发展已经成为一种十分成熟可靠的工艺过程，具有工艺成熟、经济性好、包覆量准确可控以及生产规模灵活等优点[4]。
水下喷涂避免了噪声辐射和烟尘的污染，可较好地控制喷涂中的成分，以防止喷涂材料的氧化等，局部干法水下等离子喷涂就是其中一种，已基本上消除了弧光辐射、噪音、有害烟尘、粉尘的影响, 大大改善了工作环境[5]，这些无污染的新技术都有助于生态环境的保护。
2．新能源及新工艺
（1）激光
激光作为一种新的能源，近年来在国际上发展迅猛，国外激光焊接已进入应用阶段，全世界拥有1KW以上的激光加工设备超过10000台，其中1／3用于焊接，美国占48％，工业发达国家焊机功率为10－30KW，焊接厚度已超过100mm，应用十分广泛。
其原理是将高强度的激光辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接[6]。
（2）真空热处理
国际热处理联合会（IFHT）预测，真空热处理在欧洲工业国家有完全取代污染严重的盐浴炉的趋势，美国真空热处理已占15％。
这一发展趋势今后将进一步增长。
我国真空热处理技术的发展趋势和国际热处理工业的发展趋势同步。
我国真空热处理工艺的研究和应用已经遍及真空退火、真空油(气)淬火、真空高压气体淬火、真空负压高流率气体淬火、真空渗碳、渗氮、真空回火、真空烧结、真空钎焊、真空渗金属、真空离子渗碳( 渗氮、渗金属) 、真空清洗、真空喷涂等广阔领域, 取得了长足的进展。
据资料介绍和最新统计, 我国现有各类真空热处理设备约2000 台, 占我国热处理设备的1. 6%[7]。
我国今后10年内应优先发展真空热处理技术。
3．三废治理与综合利用技术
（1）真空脱脂清洗技术
近年来出现了几种改型的真空脱脂清洗技术，整个过程由可编程序控制器（PLC）自动控制，技术先进，自动化程度高。
其中的蒸气脱脂设备，工作原理是在开始清洗操作之前, 先将清洗箱抽成真空然后将有机溶剂加热到沸腾温度在1大气压的蒸气压力下完成清洗过程，操作完成后，再把空气放回箱内。
清洗过程的特征是用溶剂蒸气完成清洗操作。
清洗槽中排空清洗液后使空气在冷凝系统中循环将除油器中释放的溶剂蒸气通过过滤装置一碳床过滤去除杂质后回收使用。
蒸气脱脂具有清洗效率高、清洗过程节能等优点[8]。
（2）铸造水玻璃再生
铸造行业水玻璃砂再生的应用发展迅速，水玻璃具有无毒、成本低的特点。
它比树脂砂成本低，来源广，造型（芯）工艺易掌握，我国目前年产铸件1200万吨，其中应用水玻璃砂（CO2法、VRH法、酯硬化法）生产的约150~ 170万吨，旧砂如不回用，将严重污染环境。
若再生利用，直接经济效益可达12~14亿元，目前已有研究将造型废砂与其它材料混合制造建筑用材。
以上海沪东造船厂铸钢分厂、铜陵有色金属公司机械总厂等单位为代表的一些铸造厂,采用了干法逆流式旧砂再生设备, 为醋自硬砂的再生回用解决了一个难题[9]。
所以综合利用技术在改性与成形技术中占据重要位置。
3、“十五”目标及主要研究内容
1．目标
清洁成形与改性技术涉及能源、材料、制造、环境与管理等领域，改变大量消耗能源、粗放经营的传统模式，组建新的生产模式，采用清洁工艺，以节能、降耗、减污为目标，在热加工过程中实施全过程控制，杜绝污染源的产生，实现机械生产与环境协调发展。
2．主要研究内容
（1）节能节材及少无污染成形与改性技术
包括低毒或无毒CO2硬化的树脂砂高效制芯工艺；焊接锰尘防治技术；真空高压气淬热处理及智能控制系统；节能型超音速火焰喷涂技术；水下热喷涂技术；低污染节能自泳涂装技术。
（2）成形及改性过程“三废”治理及综合利用
采用生产过程控制技术，减少废物、废水的排放，实现水耗降低40％，循环利用率提高到80％，能耗降低30％，废物利用率达到60％。
如冲火炉废气利用的研究；铸造水玻璃砂的再生回用工艺技术研究；无污染处理电镀废水及其它污水处理新技术；无公害真空脱脂清洗技术等。
（3）成形与改性设备改造及延寿技术
包括关键部件在运行过程中材料的蜕化、破坏及失效机理研究；提出关键部件的失效判据、诊断方法、监控措施、关键部件的维护、改造及延寿的可行性和方法；设备失效分析和破损机理的交互作用及耦合研究，寿命估算判据和方法的集成，维修管理决策系统的研究，复合表面工程技术的研究和推广；设备寿命评估、失效机理的研究；寿命估算法和集成；维修管理决策系统的研究。
参考文献
[1] 用水玻璃基型砂代替树脂砂的应用[J].
[2] 刘红兵, 陈洁, 占小红, 等. 铝合金搅拌摩擦焊搭接焊的研究概述[J]. 热加工工艺, 2011(19).
[3] 唐奕扬, 陈虹, 陈绍峰, 等. 水性涂料在我国汽车工业中的应用及其发展前景[J]. 现代涂料
与涂装, 2013(02).
[4] 尹春雷, 冀国娟. 水热氢还原制粉技术及其在热喷涂领域的应用[J]. 热喷涂技术, 2009(02).
[5] Lugscheider E, Haeuser B, Bugsel B. UNDERWATER PLASMA SPRAYING OF
HARDSURFACING ALLOYS.[J]. Surface and Coatings Technology, 1986,30(1):73-81.
[6] Nishar D V, Schiano J L, Perkins W P, et al. Adaptive control of temperature in arc welding,
Vancouver, BC, Can, 1993[C]. Publ by IEEE, 1993.
[7] 阎承沛. 我国真空热处理技术的现状和未来[J]. 热处理, 2000(02).
[8] Coulton Tom, 张亚平. 真空脱脂清洗系统在美国清洗市场的应用趋势[J]. 洗净技术,
2003(05).
[9] 水玻璃砂再生现状及其前景[J]. 铸造设备研究, 1994(02).。