钢铁材料的火花鉴别.docx

1、钢铁材料的火花鉴别钢铁材料的火花鉴别火花鉴别是钢铁材料化学成分现场控制手段中最为简易的方法之一，其特点是设备简单，操作方便，对金属牌号及其化学成分的鉴定分析速度快，准确性强，在临场分析中不必破坏试件，基本能满足金属材料生产和热处理工艺要求尤其对人批量金属材料的鉴别和分析更发挥了它的优点，这是化学分析法和其它物理分析法所不能比拟的。一、火花鉴别的应用范围1在浇铸和冶炼的企业，火花鉴别可用于钢铁废金属原料的外购、炉前搭配废钢铁原料的检查以及金属成品的化学成分检杏。对于炼钢炉前现场快速分析鉴定火花鉴别也是极为有效的方法，能在几秒钟的时间里分析出炉内钢水是否已符合熔炼制造所要求牌号的化学成分2在金属材

2、料热处理或锻压加工前，应用火花分析法核对其材料牌号，就能正确掌握其加热温度和加热时间，防止产生废品。3火花分析法能检验钢材是否经过渗碳、渗氮处理。能判断渗碳层及氮化层的深度、均匀性，对于渗碳钢还能分析渗碳层的含碳量。4火花分析法能有效地检验钢材表面的脱碳情况，观察其脱碳层深度、尤其是利用钢材表面脱碳层来观察火花图，能有效地分析合金成分的含量，这是每一个火花分析工作者准确分析合金成分的诀窍。5对于金属材料仓库，在装卸搬运过程中容易发生混料事故，而火花分析法是杜绝混钢事故的最简单最有效的方法。6化学分析人员在化验工作前对被分析的金属材料作一次火花分析，可以省略试样中未含元素的化学分析工作，同时可以

3、验证化学分析的结果正确与否。物理分析的人员进行火花分析可对金属材料的牌号做到心中有数，有利于对金属材料的抗拉强度、延伸率、断面收缩率及金相组织等作进一步分析。二、火花形成原理钢铁材料在一定的压力下与旋转砂轮接触时，砂轮对工件产生切削作用，从工件产生的钢铁微粒被磨削热加热成熔融状态脱离工件，沿砂轮切线方向作高速运动，产生光亮的流线形成火花束，这些高温熔融状态的金属颗粒与空气中的氧气接触会形成氧化膜，钢中的碳元素，在高温下极易与氧结合形成一氧化碳，发生还原反应，这时被还原的铁再度被空气氧化，然后再还原这种反应多次重复，当一氧化碳气体压力超过熔融金属的表面张力时便爆裂成火花，同时高温钢粒在空间运行形

4、成切向的轨迹，就是我们所见的一条光亮线和光亮火花。当颗粒表面的氧化膜不能约束反应生成的CO 时，就有爆裂现象发生。粉碎的颗粒外逸时的火花称为“爆花”。磨削颗粒经一次爆裂后，在碎粒中若仍残留有未参加反应的Fe 、C ，将继续发生反应，则可能出现二次、三次或多次爆花。这时，随粉爆花次数的增加（反应物减少），火花亮度也随之降低。钢铁材料中的碳元素是产生火花的基本元素，而当钢中含有猛、硅、钨、钼、铬等元素时，它们的氧化物将影响火花的统一线条、颜色和形态，由此可以判别钢的化学成分。根据产生火花束的形状特征及颜色来初步判别工件的化学成分的方法称为火花鉴别法。钢铁中的碳元素含量主要是根据火花的爆裂程度来判别

5、的，钢铁中的碳含量越高，火花越多、爆裂越烈、火束越多。在合金钢中，由于合金元素对火花的形状、颜色产生不同的影响，可形成特有的颜色和花形特征。因此，据此可大致鉴别出合金元素的种类和含量，但不如碳素钢鉴别那样容易和精确。此外，钢中的碳化物（ Fe3C ）在高温下分解（大于900），析出碳原子，反应式为： Fe3C 3Fe+C 碳原子和表面层氧化亚铁产生还原作用，形成一氧化碳，反应式为： FeO+C Fe+CO 三、合金元素与氧的亲和力合金元素与氧的亲和力强弱次序（依次减弱）CaMgAlTiSiVMnCrFeNiCuTi 、V 、W 、Mo、Co、Ni 、Cu 等金属可改善钢的力学性能,但对抗氧化能

6、力影响不大。钢中的碳对抗氧化能力的影响也不显著：Cr 、AL 、Si 能显著提高钢的抗氧化能力，与氧亲和力最大的元素将优先被氧化，而这个元素所生成的氧化膜的性质就控制着氧化过程。金属对氧的亲和力一般可由它的氧化物的生成热和分解压力来判断。氧化物的生成热愈大，分解压力愈小，则这一金属对氧的亲和力也就愈强。表1 各种金属最低价稳定氧化物的性质金属氧化物色彩密度(g/cm3熔点氧化物生成热*42J/(g.Mpa)-1高价氧化物CuCu2O红6.001230+43.0CuOAgAg2O黑褐7.14300(分解）+7.0BeBeO白3.022530+145.3MgMgO白3.652800+145.8Mn

7、MnO绿5.41785+96.7Mn2O4,Mn2O3FeFeO黑5.71377+64.6Fe3O4,Fe2O3NiNiO绿黑7.451960+58.4Ni3O4,Ni2O3ZnZnO白5.472000+83.3AlAl2O3白3.992050+126.9CrCr2O3绿5.212275+96.3(CrO)SiSiO2白2.321710+102.8(SiO)TiTiO2白4.161825+109(Ti2O3)ZrZrO2白5.732680+129MoMoO2红紫4.52800(气化)+71.4MoO3WWO2褐12.111277+65.7WO3四、碳化物表2 碳化物性质碳化物TiCZrCNbC

8、VCTaCW2CMo2CWCHV32002890240020941800313020002500T熔/34103805372028304150300026902867碳化物MoCCr23C6Fe23W2C6Fe21Mo2C6Cr7C3Fe3CMn3CFe4W2CHV22501000-152018201150-1340T熔/29601520分解 1780分解13301890五、火花的主要名称1火束 钢铁在砂轮机上磨削时产生的全部火花叫做火束。为了便于识别，又把整个火束分为根部、中部和尾部三部分。火束由流线、节点、芒线、节花(苞花)、爆花、尾花等部分组成。图 2 火束各部分的名称2流线 试件在高速

9、砂轮上磨削的预粒，在高温下运行的轨迹就是流线。流线分为直线形、断续形、波纹形和断续波纹形，其中波纹形不常见，有时在高速钢火花中会夹有波纹形流线。碳钢的流线都是直线形的；铬钢、钨钢、高合金钢和灰铸铁的流线呈断续形。图 3 火花流线图直线流线：流线尾端到首端成一直线或抛物线。一般在结构钢及工具钢（合金元素最少）中常见。断续流线；流线呈断续虚线状。钨钢、高合金钢及铸铁中常见波状流线：整个流线中的某一端成波浪形线条一般不易见到，有时在火束中夹杂一、二条。3节点 流线在途中爆裂的明亮而稍粗大的亮点称为节点和苞花节点的温度较流线任何部分温度都高。节点是含Si的特征。4芒线 爆裂当时发出的若干聚集短线叫做芒

10、线，是连在流线上的分叉直线。随着含碳量的不同有二根、三根、多根分叉之分。图 4 火花芒线图4苞花(节花) 芒线中途又生节点并射出芒线，这样形成的花叫节花(流线在途中爆裂的明亮而稍粗大的亮点称为节点和苞花)。一次爆裂的芒线叫一次节花在一次芒线上又发生爆裂时形成的爆花叫二次节花，所以爆花可分为一次节花、二次节花、三次节花。苞花是含Ni的特征5爆花 是碳元素专有的火花特征，是熔融颗粒在爆裂时在流线上由节点和芒线所组成的火花形状。爆花随着流线上芒线的爆裂情况有一次、二次、三次、多次之分。爆花分布在流线上。爆花形象随钢中碳含量而变化，粉碎状的花粉随碳含量的增高而增加。爆花在火花鉴别中占有重要地位。一次爆

11、花：在流线上首次爆裂的较细长的芒线，即只有一次爆裂的芒线，花型较简单，有两叉、三叉和多叉几种，简称一次花。一次爆花是含炭量0.25%以下的碳钢的火花特征。爆花分叉的增加说明钢中含碳的增多。二次爆花：在一次花的芒线上又发生一次爆裂，称为二次花。它也随含碳量的不同分为三叉、四叉和多叉几种。二次花是含碳量0.3-0.6%的碳钢的火花特征。三次爆花(多次花)：在二次爆花的芒线上再一次(或数次)呈现爆裂所呈现的极为细小而复杂的火花形式 ，称为三次花（或），这种爆花是含炭量0.65%以上的碳钢的火花特征。图 5 火花爆花图图 6 爆花的各种形式6花粉 分散在爆花芒线间和周围的点状火花。这种花粉只有在含炭量

12、超过0.5%的钢中才出现。7尾花 尾花是流线末端特征，可分为狐尾尾花、枪尖尾花、菊花状尾花、羽状尾花等。狐尾尾花一般是钢中含钨的特征，其亮度和粗细程度比流线其他部位更明亮、更粗一些，狐尾尾花的数量及长度与钢中含钨量成反比。枪尖尾花一般认为是钢中含钼(约1%)的火花特征，其特点是在流线末端呈明显的下垂脱离状，但也不是在所有的含钼钢中都能看到，有时在一些不含钼的钢中也能见到枪尖尾花。应注意区别于一些不含钼的钢所产生的在分叉上呈直线脱离的枪尖状尾花。钩状尾花为高含量硅3%5%的特征。图 7 尾花特征图以下是尾花特征比较详细的说明：图 8 尾花特征详图(1) 羽尾花：表示铸铁流线细而短呈橙红色或暗红色

13、。(2) 直羽尾花：表示是含硅很少的碳钢芒线呈直线形状，色亮白、稍带橙色。(3) 枪尖尾花：表示是含钼的钢含钼越多，竹叶和流线脱离得越远，流线呈橙红色，尖端成竹叶形状。(4) 苞尾花：表示是铬钼钢和高锰钢，形状像喇叭花，色黄，有时是橙红色。(5) 狐尾花：表示是钨钢和高速钢。(6) 菊尾花：表示是铬钢；流线末端裂成菊花形状，芒线和节花分岔极多，花粉密，分岔上有小花，颜色橙黄。六、色泽及火花鉴别火花颜色的明暗表明了颗粒运行的温度，火花为亮的黄白色、亮白色表明温度高，暗红色则是温度低。颗粒的氧化性能及氧化程度有关。表 3 钢铁的温度色温度/颜色525白天可见红色581日光下可见红色700暗红色80

14、0过渡樱桃红色900正樱桃红色1000高亮樱桃红1100橘红1200橘黄1300白色1400亮白色1500高亮度白色1600淡蓝的白色表 4 火花的鉴别火花组成单位参 数特 征 判 别流 线颜 色白亮；碳钢橙色和红色：合金钢或铸铁形 状直线状流线；碳钢断续状或波纹状：镍铬钢或高速钢长 短碳钢含碳量越多，流线就越短铸铁和高速钢的流线比碳素钢短节 花有 无有节花：碳钢无节花：高速钢形 状节花呈星形而夹绒球：含锰碳钢节花呈苞状：镍钢七、碳及合金元素对火花特征的影响（一）碳钢火花特征碳钢火花特征如下表所示。主要考虑流线长短、粗细、色泽及爆花数量、花形、大小、花粉等。纯铁火花流线少、短而粗，无爆花。随铁

15、的纯度不同，花束中也杂有二、三根分叉，但强度较弱，角度较小，爆花芒线较细。碳钢的火花是直线流线，火束呈草黄色。火花特征的变化规律是随着含碳量的增高，由挺直转向抛物线形，流线量逐渐增多，其长度缩短，线条变细，芒线逐渐细短，并由一次爆花转向多次爆花，花数、花粉逐渐增多，色泽随含碳量的增高砂轮附近的晦黯面积越大。表 5 碳钢的火花特征W(C)(%)流 线爆 花磨砂轮时手的感觉颜 色亮 度长 度粗 细数 量形 状大 小花 粉数 量0亮黄黄橙暗亮暗长长短粗粗细少多无爆 花软硬0.05二根分叉小大小无少多0.1三根分叉无0.2多根分叉无0.3二次花多分叉微量0.4三次花多分叉稍多多量0.5复杂0.60.7

16、0.80.81碳钢火花特征的总体概括(1) 纯 铁：火束较长，尽头出现枪尖形尾花，流线细且少，火束根部有极不明显的波状流线与断续流线，呈草黄色。(2) 低碳钢：流线少、线条粗且较长，具有一次多分叉爆花；芒线稍粗，色泽较暗呈草黄色，花量稍多，多根分叉爆裂，多为一次花，发光一般，无花粉，如图9 所示。图 9 20钢火花示意图(3) 中碳钢；流线多而稍细且长，尾部挺直具有二次爆花及三次爆花，芒线较粗，能清楚地看到爆花间有少量花粉，火束较明亮，颜色橙，如图10 所示。图 10 45钢火花示意图(4) 高碳钢：流线多且细密，火束短而粗，有三次和多次爆花，芒线细而长，其中花粉较多，整个火花束根部较暗，中部

17、、尾部明亮，如图 11 所示。图 11 T10钢火花示意图2碳钢火花特征的细节说明(1) 纯铁的火花流线量少且短而粗根部与尾部颜色粗细有较大的差别虽无爆花，但因纯度不同，花束有时也稀落地夹有二、三分叉的爆花，爆裂微弱，角度较小，芒线较细。(2) Wc 0.05-0.10%的碳钢，火花束流线粗，呈弧形，长度中等，数量中等较少，呈草黄带红的色泽，爆花量少，呈三、四分叉的一次花形式，爆裂强度较弱，芒线较长，爆花位于流线的中尾部之间流线与爆花明晰，无杂乱现象。(3) Wc 0.15-0.20的碳钢，火花束呈草黄带微红色，根部与尾部的色泽较中部稍暗火束流线仍较粗，略带弧形，数量较多而稍长，在爆花的芒线上

18、有明显的呈直线脱离的枪尖尾花爆花量与碳量并增，呈一次多分叉单花形式，爆裂角度较大，芒线粗长，并有明亮节点，有时出现一、二枝二次爆花的芒线。(4) Wc 0.40-0.50的碳锅，火花束色黄而较明亮，流线较细长，量多且直；爆花呈多分叉二次花，爆裂强劲，在流线尾部及中尾部有节点；大型爆花后有二、三层枝状爆花，爆花量较多而密集，并带有少量花粉，芒线较细密而长，根部有小型爆花与稍暗的流线交织着。(5) Wc 0.60的碳钢火花束流线挺直而强劲且量多而细长，尖端分叉；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；芒线细长且有较多花粉。火花束明黄色。(6) Wc0.70-0.80的碳钢火花

19、束流线直而短细，量多；火花黄亮色，爆花为多根分叉，多量三次花，花形由基本的星形发展为三层迭开，花数增多，芒线细不甚密，芒线间花粉较多。(7) Wc超过0.80的碳钢，随着碳的质量分数增加，火花束流线增多的趋势逐渐缓慢，流线逐渐变多变细，火花束较前更短而粗，颜色由橙黄色变成暗橙色，爆花和花粉级慢增多，花形逐渐缩短。3铸铁的火花特征铸铁的火花束很粗，流线较多，一般为二次花，花粉多，爆花多，尾部渐粗下垂成弧形，颜色多为橙红。火花试验时，手感较软。4. 灰铸铁的火花特征火花束细而短，尾花呈羽状，色泽为暗红色。 5. 合金钢的火花特征 合金钢的火花特征与其含有的合金元素有关。一般情况下，镍、硅、钼、钨等

20、元素抑制火花爆裂，而锰、钒铬等元素却可助长火花爆裂。所以对合金钢的鉴别难掌握。 一般铬钢的火花束白亮，流线稍粗而长，爆裂多为一次花、花型较大，呈大星形，分叉多而细，附有碎花粉，爆裂的火花心较明亮。 镍铬不锈钢的火花束细，发光较暗，爆裂为一次花，五、六根分叉，呈星形，尖端微有爆裂。 高速钢火花束细长，流线数量少，无火花爆裂，色泽呈暗红色，根部和中部为断续流线，尾花呈弧状。(二) 合金元素对火花特征的影响1合金元素对火花特征影响分类金属材料在高速砂轮的磨削作用下，产生微粒并在空间飞溅过程中氧化燃烧。由于各种元素氧化燃烧所产生的能量不同，在火花图中能显现其各自不同的火花特征。尤其是一些元素与碳元素共

21、同存在时，所产生的作用差异更能反映出来。一些元素能帮助碳元素产生爆裂火花，另一些元素却抑制或者熄灭碳元素的爆裂火花。(1)助长爆裂火花元素：助长爆裂火花的元素有：C 、Cr、Mn 、V 、B 等。这些元素的微粒由于砂轮磨削产生高热，生成一次爆裂火花，随即形成金属氧化物，并放出大量热能，导致发生二次爆裂火花，三次爆裂火花，甚至多次爆裂火花的特征。尤其是碳元素，随着其含量的增加，每次爆发爆花爆裂的间距愈密，则其时的间隙就愈短少，同时产生的碎花、花粉、芒线的机会也随之增加。(2)抑制爆裂火花元素：抑制爆裂火花的主要元素有：W 、Co 、Ni 、si 、Al 、Cu等。当金属材料经过砂轮磨削以后，在氧

22、化物生成前，首先使碳化物分解。在分解过程中，必须供以一定量的热能，以达到碳化物分解时所需的能量，否则其分解困难，材料微粒的氧化就会被缓和下来。所以对于含有抑制爆裂火花元素的金属材料，只有加重磨削压力，才能显现其独特的火花特征。抑制爆裂火花的元素与碳同时存在于金属材料中时，不仅不能帮助碳元素产生爆裂火花，相反如果这些元素含量愈高则更为抑制，甚至熄灭碳元素的爆裂火花特征，并且明显地发生着各种不同形式的特殊的火花特征。 金属元素助长爆裂火花或抑制爆裂火花的影响，在火花图上形成的爆裂强度、爆花花势、色泽、卷轮花等均能产生变化迁移。爆裂强度金属元素含量的变化，对火花图节点特征的影响。主要反映在节点形态的

23、大小，数量变化的多少，以及其光度的亮弱程度。爆花花势一一主要反映在流线上面爆裂的芒线、节花、爆花碎花、花粉等形态大小与数量的多少。色 泽金属元素成分的不同，含量的多少，影响火花图明与暗、深与浅等各种不同的光色。卷 轮 花一一环绕在高速旋转砂轮周围的零星流线、节点、芒线、节花、爆花、碎花、花粉等2部分合金元素对火花特征的影响在碳钢的基础上加入合金元素，合金元素将对钢的火花特征产生影响，部分合金元素在火花中的特征及其对碳素钢火花特征的影响见表6。表 6 部分合金元素对火花特征的影响合金元素对暴裂的影响流 线爆 花特 征触感 抗力根部 色泽色 泽长 短粗细多 少多少芒线花 粉Mn助长黄低C白亮黄亮低

24、Mn长高Mn短粗低Mn多高Mn少多而整齐白色细长高C多低Cr低C白亮高C明亮低C长高C短低C多高C少较大高C有V黄亮多细W抑制暗红橙红中细少少红色秃尾没有断续流线狐尾硬Mo深橙红长细少橙红细没有枪尖W(Mo)1.0%,低C硬Si高Si橙黄短粗少白色短没有流线尖端白亮点(低C) 钩状尾花(高Si低C)不太硬Ni黄短细少黄色细没有流线上出现鼓肚(低Ni,低C)硬高Cr黄短较少少没有-硬部分合金元素在火花中的特征：(1) 钨 由于钨的碳化物稳定性好、熔点很高，导热性较差，在钢粒飞离砂轮的运行过程中，与钢中的碳发生还原生成CO 的反应受到抑制，所以在抑制火花爆裂元素中，钨的抑制作用最强烈。Ww达到1.

25、0左右时，钢的爆花明显减少。当Ww2.5时，爆花呈秃尾状。钨对火花爆裂抑制作用，还和钢中的其他元素及含量有关。如含碳量低时，Ww 45的钢就几乎完全抑制火花的爆裂。钨钢火花流线尾端呈狐尾花。当Ww在1-2时，狐尾花最为明显，随Ww的逐渐增加，流线的数量及长度将逐渐减少。Ww在5%8%的钢，孤尾花时有时无；Ww更高时，孤尾花就很少出现，甚至完全消失。另外，由于钨的存在会使钢的火花色泽变暗。当Ww5时，火花几乎全部呈暗红色。钨钢火花的色泽不仅与Ww有关，还与Wc有密切关系。Wc越高，钨钢火花的红暗色就越早出现。(2) 钼 钼具有较强的抑制火花的爆裂、细化芒线和加深火花色泽的作用。钼钢的火花色泽是不

26、明亮的。当Wmo较高时，火花呈深橙色，高钼钢没有枪尖花。钼钢枪尖花出现不仅与Wmo有关，还与Wc有关。Wc越低，枪尖花越明显，钼钢中Wc在0.5左右时，枪尖花就不易出现。(3) 硅 硅抑制火花的爆裂作用较钼弱当Wsi 2%3时，这种抑制就较明显。由于硅存在能使火花爆裂芒线变短，如钢中Wsi 3.54.5，Wc在0.10左右（如硅钢片）时，就只能在火花束中发现一、二根单芒线的爆花并出现白色明亮的闪点。硅锰弹簧钢流线粗而短，芒线少且短粗，火花色泽呈橙红色。火花试验时手感抗力较小。(4) 镍 镍对火花爆裂的抑制作用较弱，使火花束缩小且不整齐，芒线较碳钢细。镍能细化流线，随Wni提高，流线数量和长度将

27、减少，色泽变暗。低镍钢的特征是流线上出现鼓肚，但Wc较高时(0.5以上)时,此现象消失。(5）铬 铬对火花的影响比较复杂，对于低铬低碳钢，铬对火花有较强的促进作用，火花呈亮白色，并增加流线数量和长度；爆花为一、二次花，花型较大。由于低铬能助长爆裂，如不细心，会将该钢的Wc估计过高。对于Wc较低的低铬钢，铬能助长爆裂的作用不显著，甚至能阻止枝状爆花的发生，流线短而量少，火花束仍然明亮。加入多量铬以后，无沦爆裂强度、流线长度和数量都将减少，色泽也变暗，若钢再含有抑止和助长爆裂其他元素，则判别就变得更加复杂。因此，判断铬的含量必须要有丰富的经验，或用其他方法配合进行鉴定。(6）锰钒 锰钢火花的爆裂强

28、度强于碳钢，爆花位置比碳钢离砂轮远。当钢中Wmn稍高时，火花较整齐，颜色也比碳钢黄亮；在Wc较低时呈白亮色，爆花核心有较大而亮白的节点，花型较大，芒线稀、长而细；当Wc较高时，爆花有较多的花粉。低锰钢的流线粗长，量较多。高锰钢的流线粗短而量较少。由于锰是促进火花爆裂的元素，所以有时会把钢的Wc估计偏高，因而对Wc较低的钢进行判别时应加以注意。(7) 钒 钒是助长火花暴裂的元素，火束呈草黄色使流线变细。八、火花鉴别的设备及操作方法1. 以往比较正规的火花鉴别火花鉴别使用的设备通常用手提式和台式两种砂轮机，通常选用中等硬度36号60号普通氧化铝砂轮。不宜使用碳化硅或白色氧化铝砂轮。火花鉴别时要备有相对应的标准钢样，以便在试验过程中对有疑问的样品进行比较，以防操作错觉和误判。火花鉴别是以火花的形状及颜色为依据的，所以试验者应戴无色平光防护镜，宜在暗处进行，光线不能太强，以免光线直射影响火花的色泽和清晰度台式砂轮直径应在200-250mm范围，手提式砂轮直径应在100-150mm范围，砂轮转速宜控制在2800-4000r/min ，压力要适中，注意手感力，要使火花略高于水平方向发射，以便于仔细观测火花束的长度和各部位的花形特征。由于火花束的形成受砂轮线速度的影响，所以当砂轮磨损直径变小时，必须进行更换。检验碳含量较多的钢火花时注意观察