火花鑒別技術在鋼鐵材料甄別中的應用

黃文呈

（龍巖學院機電工程學院，福建龍巖364012）

火花鑒別技術在鋼鐵材料甄別中的應用

黃文呈

（龍巖學院機電工程學院，福建龍巖364012）

生產(chǎn)人員在進行機械制造時，常面臨著如何正確選用金屬材料的問題。提出了運用火花鑒別技術對鋼鐵材料的品質特性進行甄別的方法；該方法是在不了解鋼號的情況下，通過對鋼材與砂輪的磨削過程中所產(chǎn)生的火花，進行技術鑒別和科學分析判斷其化學成分，繼而甄別出所使用的鋼材型號。該技術具有簡易、快速、經(jīng)濟、準確、無損傷、方便實用等特點，特別適用于對鋼材鋼號的現(xiàn)場初步甄別分析，從而保證鋼材加工和使用的要求。

鋼材；種類；火花；鑒別

1　概述

機械制造生產(chǎn)過程中，常常面臨如何正確選用金屬材料的問題。如果出現(xiàn)材料選擇不當，則零件的機械性能不僅不能滿足加工和使用的要求，而且還會產(chǎn)生零件質量問題或造成嚴重的生產(chǎn)事故，直接給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。要確保正確地使用鋼材，就必須對所使用的鋼材的品種和性能做出正確判斷，而進行鋼號的鑒別，就是在不了解鋼號的情況下，通過嚴密的技術鑒別和科學分析，正確地判斷出所使用的鋼材型號。因此，鋼號鑒別是機械制造生產(chǎn)過程中不可缺少和非常重要的一個環(huán)節(jié)。

在工作中可運用火花鑒別技術對鋼鐵材料的特性進行甄別，該技術具有簡易、快速、經(jīng)濟、準確、無損傷等優(yōu)點，而且方便實用。

2　火花鑒別原理

鋼鐵材料的火花鑒別是利用鋼鐵材料在與砂輪的磨削過程中所產(chǎn)生的物理及化學現(xiàn)象來判斷其化學成分的一種方法。在使用火花鑒別時，將被檢查的鋼材，以適當?shù)膲毫ψ饔迷诟咚傩D的砂輪上，在砂輪的磨削作用下，把被檢測的鋼材粉粒從鋼表面磨削下來，并沿著砂輪的切線方向拋射。由于磨削作用使得飛出的金屬粉粒處于高溫狀態(tài)，從而發(fā)熱、發(fā)光，形成了一道光的流線。一些熔融狀的粉粒與空氣中的氧氣結合，被氧化，從而形成了一層FeO薄膜，包裹在了粉粒的表層，而鋼材粉粒中的碳在高溫下極易與氧發(fā)生反應，形成FeO+C→Fe+CO，使FeO還原；被還原的Fe將再次被氧化，然后再次還原；這種氧化——還原反應循環(huán)進行，會不斷產(chǎn)生出CO氣體，當CO氣體的壓力超過金屬粉粒的表面張力時候，就會有爆裂現(xiàn)象發(fā)生并形成火花。爆裂的碎粒若仍殘留未參加反應的FeO和C時，將繼續(xù)發(fā)生反應，則出現(xiàn)二次、三次或多次爆裂火花。鋼中的碳是形成火花的基本元素，當鋼中含有錳、硅、鎢、鉻、鉬等元素時，它們的氧化物將影響火花的線條、顏色和狀態(tài)?？梢愿鶕?jù)火花的這種特征，判斷出鋼材的碳含量多少以及含有的其他元素［1］。

3　火花各部的構成

3.1火束的構成

將鋼鐵材料與旋轉的砂輪相互接觸，進行磨削，將會產(chǎn)生各種線狀及花狀的火花，這種火花的形狀就構成了花束（見圖1）。

圖1　火花束的形式

將靠近砂輪一側的火花稱之為根部火花，而遠離砂輪，火束即將消失的末端部分，為尾部火花。在對鋼鐵材料的火花判別的實踐中，可以根據(jù)此尾部火花的形態(tài)來判斷鋼中所含有的合金元素的種類。在根部火花和尾部火花之間，是火花最多最密集的一部分，主要是根據(jù)這段火花的形態(tài)特征來判斷鋼中的含碳量的多少。

3.2流線、節(jié)點、芒線和節(jié)花

鋼鐵材料在砂輪上磨削，其被磨下的細微灼熱的金屬顆粒，在慣性作用下，以高速拋射到空氣中，伴有明亮的線條，稱之為流線。當鋼材中的化學成分不同時，流線也產(chǎn)生了不用的形狀，主要有直線狀、斷續(xù)狀和波浪狀。流線上，那些粗且明亮的點，即為節(jié)點，是流線在拋射過程中途爆炸的地方。而由此節(jié)點處產(chǎn)生的一些細線條，為芒線。在流線或芒線上，由節(jié)點芒線所構成的火花就為節(jié)花。鋼中含碳量的不同，發(fā)射出來的芒線的次數(shù)也是不同的。隨著含碳量的增加，產(chǎn)生了二次芒線、三次芒線，節(jié)花也就有了二次節(jié)花和三次節(jié)花。火花束的構成見圖2。

圖2　火花束的構成

4　火花鑒別技術

4.1火花鑒別使用的設備

火花鑒別是在手提砂輪機或者固定砂輪機上進行的。對于砂輪機的要求，其轉速一般控制在46-60 r/s，砂輪片采用36-60號普通氧化鋁砂輪?？梢赃x用?150 mm×25 mm的規(guī)格［2］。為了更好地進行觀察，看清火花色澤及清晰度，在操作時，應選擇光線不是太亮的場地，操作者做好安全保護，帶上平光眼鏡，以防止飛濺的火花傷到眼鏡。為了更準確地進行鑒別，在鑒別場地，應備好各種鋼號的鋼料，以便進行對比，增加判斷的準確性。

4.2合金元素對火花的影響

由于鋼鐵材料在冶煉過程中根據(jù)不同使用需要，加入了不同成分和不同劑量的微量合金元素，這些合金元素在火花鑒別鋼鐵材料的特性品種時具有十分重要的作用。常見的鋼材中含有不同合金元素的尾花形狀如圖3。

圖3　各種尾花形狀

錳元素：鋼材中含有的錳元素，其會助長火花爆炸。節(jié)花心部有較大的白亮節(jié)點，芒線細而長，花型也較大，其節(jié)花為多根分叉的三次花，呈現(xiàn)出星形狀。

鉻元素：在鋼材中含有的鉻元素，其是助長火花爆裂的元素?；ɑ鸨逊浅；钴S，花型較大，分叉多并且很細，火束較短，并附有許多的碎花。

釩元素：釩為助長火花爆裂的元素。其火束呈現(xiàn)出黃色，所產(chǎn)生的流線和芒線均較為細小。

鉬元素：鉬元素與鉻元素的功能正好相反，其可以抑制火花的爆裂，尾部先行膨脹呈現(xiàn)出槍尖的形態(tài)。在鋼材之中，含鉬元素越多，則槍尖尾部爆裂就越加的明顯。

硅元素：硅是抑制火花爆裂的元素。其火束較短，產(chǎn)生的流線較粗，呈現(xiàn)出紅色的光芒有明顯的白亮圓珠閃光點，并呈喇叭的形狀。

鎳元素：鎳元素對火花爆裂有較弱的抑制作用，發(fā)光點強烈的閃目，呈苞花特征。

4.3碳素鋼的火花特征

4.3.1低碳鋼的火花特征

其火束比較長，芒線顯得稍微粗些，流線也較多，發(fā)出的顏色為草黃之中帶著暗暗的紅色，發(fā)光的亮度適中，有多根的分叉，一次花爆裂，尾端有大量的槍尖狀。

4.3.2中碳鋼的火花特征

如45號鋼，其火束比較短，流線多，比較精細，發(fā)出的顏色為黃色，并且發(fā)光相對明亮，爆花相對于低碳鋼增多，根分叉二次節(jié)花，也有的有三次節(jié)花和花粉，花量數(shù)目較多，在整個火束中可以占到五分之三以上。尖端有分叉，射力較為有力，火花盛開，花型較大。

4.3.3高碳鋼的火花特征

其火束與低碳鋼相反，比較短而粗，發(fā)出的顏色為橙紅色，根部的光澤暗淡，發(fā)出的光較為微弱，流線較密，呈現(xiàn)出短、細、直的特點。節(jié)花在根部分叉為三次節(jié)花、小碎花，其花粉較多且較為密集?；繑?shù)目多，在整個火束中，可以占到六分之五以上。在使用砂輪機對鋼材料進行磨削的過程中，可以很明顯地感覺到較硬。

4.3.4高速工具鋼的火花特征

其火束較為細小，流線也較少，發(fā)出的顏色為暗紅色。其中部和根部顯示為不連續(xù)的流線，有時會呈現(xiàn)出波浪形狀。尾部膨脹并且會下垂，呈現(xiàn)點狀的狐尾狀的尾花，爆花較少，并且只會出現(xiàn)在尾部。其花量也較少。

不同碳素鋼的火花特征示意圖見圖4。

圖4　碳素鋼火花示意圖

5　結語

金屬材料的選用是機械制造中常常遇到的問題。要確保正確的使用鋼材，就必須對所使用的鋼材的品種和性能做出準確判斷。在運用火花鑒別技術進行鋼號甄別時，必須十分留意觀察金屬材料的火花特征和其尾花的形狀，對容易混淆的尾花要認真分析正確判斷［3］。

鋼材鑒別的方法有化學分析法和物理方法兩大類。通過化學分析，雖然可以非常正確可靠的識別出鋼號，但其必須進行鋼材的抽樣檢驗，在操作程序上比較繁瑣，并且所需要的時間長，費用也較高。因此，在現(xiàn)場工作環(huán)境里就顯得不那么適用。而采用火花鑒別技術進行物理分析，既快速又方便，特別適用于對鋼材鋼號的現(xiàn)場初步分析，特點非常的明顯，與化學抽樣分析法相比較，在其正確性和可靠度上有所欠缺，但通過長期實踐，不斷總結經(jīng)驗，積累知識，也能達到較高的正確程度了，而它還有一個化學分析法不具備的優(yōu)勢，那就是不損鋼材。因此這方法在現(xiàn)實中常被廣泛地應用。作為機械制造的重要原材料之一的鋼材，一般都是大批量的進廠，這樣在運輸和倉儲等多次周轉的環(huán)節(jié)里，就有可能造成鋼號的混雜。在生產(chǎn)過程中，鋼材投料前要必須把好質量關。在鋼材零件進行熱處理以前，也必須對鋼號進行復查、核對。因為不同的鋼號其熱處理的方法和條件均不同，要求也不一樣。在零件報廢后需要重新補廢的過程中，也要求了解該零件所用材料的鋼號，這些都必須進行鋼號鑒別。

［1］馬壯，趙越超，徐萃萍.工程訓練［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］劉會霞.金屬工藝學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

［3］邵念勤.機械制造基礎［M］.西安：西安地圖出版社，2007.

Application of Spark Identification Technology in Iron and Steel Materials in Screening

HUANG Wen-cheng
（College of Electromechanical Engineering Longyan University，Longyan364012，China）

Production personnel in mechanical manufacturing often faced with the problem of how to choose the right metal materials.In this paper，the method of identifying the quality characteristics of iron and steel materials by spark identification technology is proposed. The method is in do not understand the type of steel，through sparks generated in the grinding process of grinding wheel and steel，identification technology and scientific analysis to determine the chemical composition，and then identify the type of steel used.The technology is simple，fast，economical，accurate，no damage，and convenient and practical，etc.，especially suitable for the scene of the preliminary screening analysis of steel，to ensure the steel processing and use requirements.

steel products；species；spark；identify

TG14

A文獻標識碼：1009-9492（2015）12-0075-03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.021

黃文呈，男，1973年生，福建南安人，大學本科，實驗師。研究領域：機械工程技術。

（編輯：向飛）

2015-06-29