钢铁材料的火花鉴别 钢的火花鉴别是一种最简便鉴别钢种类(或称钢种)的方法。此法多用于钢材混号、废钢分类以及无其它分析手段时,对钢材的成分进行大致定性或半定量分析。火花鉴别适用于碳钢、合金钢及铸铁,能鉴别出钢中常见的合金元素,但对S、P、Cu、Al、Ti等元素则无法看出火花特征。火花鉴别由于方法简便易行,火花特征不受热处理工艺影响,所以应用广泛。 (一) 试验设备与操作注意事项 1.试验设备 火花鉴别的主要设备是砂轮机。可选用手提式砂轮机,也可用台式砂轮机。砂轮机的转速为3000r/min,砂轮片为普通氧化铝质,不宜用碳化硅或白色氧化铝。粒度46~60,中等硬度。 2.标准样块 为了减少客观环境的影响和鉴别时可能发生的错觉或误差,应备有多种钢的标准样块。试验时可将标准样块与被试钢材进行比较。 3.操作注意事项 (1) 工作场地应有一定亮度,不能太亮,也不能太暗。白天可在室内光线不太明亮处,夜晚应在稍暗的灯光下工作,才能清晰辨别火花形状与色泽。 (2) 试样与砂轮接触应有适当的压力,压力过大砂轮易磨损且火花过密;压力过小,火花的形态又不能完全表现出来。 (3)磨削试样时应使火花束大致向水平方向发射,这有利于观察火花束的各部分。 (4) 工作时最好带上护目眼镜,工作量大时还应带上口罩以防飞扬铁末的损害。 (二) 火花的组成、形状及形成原因 1.火花的组成和形状 钢样在砂轮上磨削时所发射出的火花束可分为三个部分,即根部火花、中部火花和尾部火花,如图3-20所示。火花束是由流线、节点、苞花、芒线、爆花、花粉和尾花等组成。
图3-20 各种火花流线形状 ① 流线:磨削颗粒在高温下运行的轨迹就是人们看到的流线。流线分为直线型、断续型、波浪型流线。铬钢、钨钢、高合金钢和灰铸铁的火花流线均呈断续型。波浪型流线不常见。 ② 节点:流线上明亮而又较粗的点称为节点和苞花。节点是钢中含Si的特征,苞花是钢中含Ni的特征。 ③ 爆花:它是由铁末颗粒爆裂而产生的。爆花的形式随碳含量、其它元素成分、温度、氧化性以及钢的组织等因素而变化,所以爆花在 鉴别钢的火花中占有重要地位。爆花的流 线叫做芒线。爆花可以分为一次、二次、 三次及多次爆花。一次爆花:只有一次爆 裂的芒线;二次爆花:在一次爆花的芒线 上又一次发生爆裂;三次和多次爆花:在 图3-21 爆花的各种形式 (一次、二次和三次爆花) 二次爆花的芒线上再一次出现爆裂叫三次爆花。若在三次爆花的芒线上继续出现爆裂时,就叫做多次爆花。各种爆花的形状如图3-21所示。 在一次爆花的基础上,若爆花只一根芒线叫二分叉;两根芒线叫做三分叉;三根芒线叫做四分叉;三根芒线以上叫做多分叉。 ④ 尾花:尾花是流线末端特征,有狐尾尾花和枪尖尾花两种。狐尾尾花常认为是钢中含钨的特征,其长度随钨量增加而递减。枪尖尾花,形状如枪尖,而与流线脱离。一般认为枪尖是钼元素的火花特征,但许多不含钼的钢有时也有枪尖尾花,而有些含钼钢火花中却看不到枪尖尾花,含碳量少尾花显得比较清楚,若含碳量逐渐增加,虽随含量适当,枪尖也会逐渐模糊,直至完全消失。钼含量增加到一定量后枪尖也会消失。高钼钢是没有枪尖尾花的。图3-22为上述两种尾花的示意图。 (a)狐尾尾花节 (b)枪尖尾花 图3-22 尾花示意图 2.火花形成原因 钢样与高速转动的砂轮接触,试样表面由于强烈摩擦而温度升高,同时被砂轮切削下来的钢末以高速度抛射出来。这些高温钢末在空气中运行发生激烈氧化,呈现出一条一条的光亮线条,这就是火花的流线。 钢末在运行时由于温度升高而与空气发生剧烈的氧化作用,于是在钢末表面形成一层FeO薄膜。高温下钢中的碳很容易与氧结合而生成CO, FeO被还原成Fe。当CO气体的压力足够大时,CO将冲破钢末表面氧化膜而迸射出来,于是发生爆裂。爆裂时高温钢末的碎片纷飞,这就形成了爆花现象。 钢末经过一次爆裂后,若碎片中仍有未参加反应的铁和碳元素,碎片在运行中将继续上述反应而再次发生爆裂。这就是形成二次以上爆花的原因。 流线和爆花的色泽与钢的化学成分、导热性等因素有关。火花的色泽(亮度)是标志钢末运行时所具有的温度。温度愈高则火花愈明亮(如亮黄、亮白色),反之火花的色泽深暗(如暗红色)。 (三) 碳钢火花特征 钢的火花鉴别是以碳钢为基础,再考虑加人合金元素的影响。碳钢火花特征主要考虑流线长短,粗细及色泽;爆花数量多少等。普通碳素钢爆花的多少和强弱与其碳含量有关。碳含量愈高,流线由粗长变为细短,数量由少变多,颜色由暗到明亮(<0.6C),爆花由少变多,分叉由二根分叉到三次花多分叉,花粉从无到有直至大量出现。但含碳量大约超过0.6%后,爆裂强度就逐渐减弱。 图3-23为碳含量ω(C)=0.20%左右碳素钢火花示意图,流线粗而量较少,略带弧形,有时有不明显的枪尖。爆花量不多,呈多分叉的一次爆花,有时也出现二次爆花。芒线粗长,爆花角度较大。火花束呈草黄带红。
图3-23 ω(C)=0.20%碳素钢火花示意图 图3-24 ω(C)=0.40碳素钢火花示意图 图3-24为碳含量ω(C)=0.40左右碳素钢火花示意图,流线较细长,量多而挺直,射力较大,尖部有时有分叉。多分叉二次爆花,芒线粗长,量较多。芒线间有极少量花粉,大型爆花较多。火花束黄而明亮。
图3-25为碳含量ω(C)=0.60左右碳素钢火花示意图,流线细长而量多,挺直而强劲,尖端分叉。 多为二、三次爆花,量增多而拥挤。大型爆花多,位于流线尾端,爆裂强劲。大型爆花后有强的枝状爆花。芒线细长,有较多的花粉。火花束呈明黄色。
图3-25 ω(C)=0.60碳素钢火花示意图 图3-26 ω(C)=0.80%碳素钢火花示意图 图3-26为碳含量 ω(C)=0.80左右碳素钢火花示意图,流线细,量多,挺直而较短,尾部有分叉 。多分叉多次爆花,量多且拥挤,枝花爆花更多。芒线细密,花粉较多花爆裂强度减弱。火花束色泽趋暗,呈橙红色。 碳含最ω(C)超过0.80以后,随着含碳量的增加,流线数量增多的趋势减缓,流线逐渐细化.长度逐渐缩短,爆花和花粉缓慢增多,花形逐渐变小,整个火花束的色泽由橙红变成暗色。 (四) 合金元素对火花特征的影响 钢中加人合金元素后,火花特征将发生变化。Ni、SI、Mo、W等合金元素抑制爆花爆裂,Mn、V等合金元素则助长爆花爆裂。 ①钨:抑制爆花爆裂作用最为强烈。钨含量ω(W)达到1.0左右时,爆花显著减少,钨含量ω(W)>2.5时,爆花呈秃尾状。钨使色泽变暗,当ω(W)超过596时,火花束呈暗红色。钨抑制爆花爆裂作用的大小,与钢中含碳量有关,低碳钢中ω(W)为4~5 时,钨可完全抑制爆花爆裂。从火花色泽上看,钨钢中含碳量越高,越是呈暗红色火花。 ② 钼:钼具有较强烈的抑制爆花爆裂、细化芒线和加深火花色泽的作用。钼钢的火花色泽是不明亮的,当钼含量较高时,火花呈深橙色。钼钢有没有枪尖尾花,与含钼量和含碳量有关,含碳量越低,枪尖越明显。钼钢中ω(C) =0.50左右时,就不易出现枪尖。 ③ 硅:硅也有抑制爆花爆裂作用。当硅含量达ω(Si)=2%-~3%时,这种抑制作用就较明显,它能使爆裂芒线缩短。观察硅钢片(ω(Si)=3.5%~4.5%,ω(C)<0.1%=的火花时,只能在火花束间发现1~2根单芒线爆花,并出现白色明亮的闪点。硅锰弹簧钢的火花呈橙红色,流线粗而短,芒线短粗且少,火花试验时手感抗力较小。 ④ 镍:镍对爆花有较弱的抑制作用,使花形不整齐和缩小,流线较碳钢细。随镍含量增高。流线的数量减少及长度变短,色泽变暗。
⑤ 铬:铬的影响比较复杂。对于低铬低碳钢,铬有助长火花爆裂、增加流线长度和数量的作用,火花呈亮白色,爆花为一、二次花,花型较大。对于含碳量较高的低铬钢,铬助长爆裂的作用不明显,并阻止枝状爆花的发生,流线粗短而量较少,火花束仍然明亮。由于碳高,爆花有花粉。随铬含量增加,火花的爆裂强度、流线长度、流线数量等均有所减少,色泽也将变暗。铬钢中若含有抑制爆裂和助长爆裂的合金元素存在,则钢的火花现象表现复杂,为判断钢的铬含量,需配合其它试验方法。 ⑥ 锰:锰元素有助长爆花爆裂作用。锰钢的火花爆裂强度比碳钢强,爆花位置比碳钢离砂轮远。钢中含锰稍高时,钢的火花比较整齐,色泽也比碳钢黄亮,含碳量较低的锰钢呈白亮色,爆花核心有大而白亮的节点,花型较大,芒线稀少且细长。含碳量较高的锰钢,爆花有较多的花粉。低锰钢的流线粗而长,量较多。高锰钢流线短粗且量少,由于锰是助长爆裂的元素,因此有时可能误认为钢的碳含量高。 ⑦ 钒:也是助长爆花爆裂的元素。 观察火花是鉴别钢种的简便方法。对于碳素钢的鉴别比较容易,但对合金钢,尤其是多种合金元素的合金钢,各合金元素对火花的影响不同,它们互相制约,情况比较复杂。因此要掌握这种方法,唯一的办法就是不断地实践,从实践中找出各元素影响火花的规律。
|