黃文呈

（龍巖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建龍巖364012）

火花鑒別技術(shù)在鋼鐵材料甄別中的應(yīng)用

黃文呈

（龍巖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建龍巖364012）

生產(chǎn)人員在進(jìn)行機(jī)械制造時(shí)，常面臨著如何正確選用金屬材料的問(wèn)題。提出了運(yùn)用火花鑒別技術(shù)對(duì)鋼鐵材料的品質(zhì)特性進(jìn)行甄別的方法；該方法是在不了解鋼號(hào)的情況下，通過(guò)對(duì)鋼材與砂輪的磨削過(guò)程中所產(chǎn)生的火花，進(jìn)行技術(shù)鑒別和科學(xué)分析判斷其化學(xué)成分，繼而甄別出所使用的鋼材型號(hào)。該技術(shù)具有簡(jiǎn)易、快速、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、無(wú)損傷、方便實(shí)用等特點(diǎn)，特別適用于對(duì)鋼材鋼號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)初步甄別分析，從而保證鋼材加工和使用的要求。

鋼材；種類(lèi)；火花；鑒別

1　概述

機(jī)械制造生產(chǎn)過(guò)程中，常常面臨如何正確選用金屬材料的問(wèn)題。如果出現(xiàn)材料選擇不當(dāng)，則零件的機(jī)械性能不僅不能滿足加工和使用的要求，而且還會(huì)產(chǎn)生零件質(zhì)量問(wèn)題或造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，直接給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。要確保正確地使用鋼材，就必須對(duì)所使用的鋼材的品種和性能做出正確判斷，而進(jìn)行鋼號(hào)的鑒別，就是在不了解鋼號(hào)的情況下，通過(guò)嚴(yán)密的技術(shù)鑒別和科學(xué)分析，正確地判斷出所使用的鋼材型號(hào)。因此，鋼號(hào)鑒別是機(jī)械制造生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少和非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

在工作中可運(yùn)用火花鑒別技術(shù)對(duì)鋼鐵材料的特性進(jìn)行甄別，該技術(shù)具有簡(jiǎn)易、快速、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)，而且方便實(shí)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(guò)程中所產(chǎn)生的物理及化學(xué)現(xiàn)象來(lái)判斷其化學(xué)成分的一種方法。在使用火花鑒別時(shí)，將被檢查的鋼材，以適當(dāng)?shù)膲毫ψ饔迷诟咚傩D(zhuǎn)的砂輪上，在砂輪的磨削作用下，把被檢測(cè)的鋼材粉粒從鋼表面磨削下來(lái)，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(jié)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(yīng)，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(yīng)循環(huán)進(jìn)行，會(huì)不斷產(chǎn)生出CO氣體，當(dāng)CO氣體的壓力超過(guò)金屬粉粒的表面張力時(shí)候，就會(huì)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(yīng)的FeO和C時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，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(dāng)鋼中含有錳、硅、鎢、鉻、鉬等元素時(shí)，它們的氧化物將影響火花的線條、顏色和狀態(tài)。可以根據(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(gòu)成

3.1火束的構(gòu)成

將鋼鐵材料與旋轉(zhuǎn)的砂輪相互接觸，進(jìn)行磨削，將會(huì)產(chǎn)生各種線狀及花狀的火花，這種火花的形狀就構(gòu)成了花束（見(jiàn)圖1）。

圖1　火花束的形式

將靠近砂輪一側(cè)的火花稱之為根部火花，而遠(yuǎn)離砂輪，火束即將消失的末端部分，為尾部火花。在對(duì)鋼鐵材料的火花判別的實(shí)踐中，可以根據(jù)此尾部火花的形態(tài)來(lái)判斷鋼中所含有的合金元素的種類(lèi)。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(lái)判斷鋼中的含碳量的多少。

3.2流線、節(jié)點(diǎn)、芒線和節(jié)花

鋼鐵材料在砂輪上磨削，其被磨下的細(xì)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(dāng)鋼材中的化學(xué)成分不同時(shí)，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(diǎn)，即為節(jié)點(diǎn)，是流線在拋射過(guò)程中途爆炸的地方。而由此節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生的一些細(xì)線條，為芒線。在流線或芒線上，由節(jié)點(diǎn)芒線所構(gòu)成的火花就為節(jié)花。鋼中含碳量的不同，發(fā)射出來(lái)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?；鸹ㄊ臉?gòu)成見(jiàn)圖2。

圖2　火花束的構(gòu)成

4　火花鑒別技術(shù)

4.1火花鑒別使用的設(shè)備

火花鑒別是在手提砂輪機(jī)或者固定砂輪機(jī)上進(jìn)行的。對(duì)于砂輪機(jī)的要求，其轉(zhuǎn)速一般控制在46-60 r/s，砂輪片采用36-60號(hào)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(jìn)行觀察，看清火花色澤及清晰度，在操作時(shí)，應(yīng)選擇光線不是太亮的場(chǎng)地，操作者做好安全保護(hù)，帶上平光眼鏡，以防止飛濺的火花傷到眼鏡。為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行鑒別，在鑒別場(chǎng)地，應(yīng)備好各種鋼號(hào)的鋼料，以便進(jìn)行對(duì)比，增加判斷的準(zhǔn)確性。

4.2合金元素對(duì)火花的影響

由于鋼鐵材料在冶煉過(guò)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(shí)具有十分重要的作用。常見(jiàn)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(huì)助長(zhǎng)火花爆炸。節(jié)花心部有較大的白亮節(jié)點(diǎn)，芒線細(xì)而長(zhǎng)，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(zhǎng)火花爆裂的元素?；ɑ鸨逊浅；钴S，花型較大，分叉多并且很細(xì)，火束較短，并附有許多的碎花。

釩元素：釩為助長(zhǎng)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(xì)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(diǎn)，并呈喇叭的形狀。

鎳元素：鎳元素對(duì)火花爆裂有較弱的抑制作用，發(fā)光點(diǎn)強(qiáng)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(zhǎng)，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(hào)鋼，其火束比較短，流線多，比較精細(xì)，發(fā)出的顏色為黃色，并且發(fā)光相對(duì)明亮，爆花相對(duì)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(gè)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(kāi)，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(xì)、直的特點(diǎn)。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。花量數(shù)目多，在整個(gè)火束中，可以占到六分之五以上。在使用砂輪機(jī)對(duì)鋼材料進(jìn)行磨削的過(guò)程中，可以很明顯地感覺(jué)到較硬。

4.3.4高速工具鋼的火花特征

其火束較為細(xì)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(shí)會(huì)呈現(xiàn)出波浪形狀。尾部膨脹并且會(huì)下垂，呈現(xiàn)點(diǎn)狀的狐尾狀的尾花，爆花較少，并且只會(huì)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(jiàn)圖4。

圖4　碳素鋼火花示意圖

5　結(jié)語(yǔ)

金屬材料的選用是機(jī)械制造中常常遇到的問(wèn)題。要確保正確的使用鋼材，就必須對(duì)所使用的鋼材的品種和性能做出準(zhǔn)確判斷。在運(yùn)用火花鑒別技術(shù)進(jìn)行鋼號(hào)甄別時(shí)，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(duì)容易混淆的尾花要認(rèn)真分析正確判斷［3］。

鋼材鑒別的方法有化學(xué)分析法和物理方法兩大類(lèi)。通過(guò)化學(xué)分析，雖然可以非常正確可靠的識(shí)別出鋼號(hào)，但其必須進(jìn)行鋼材的抽樣檢驗(yàn)，在操作程序上比較繁瑣，并且所需要的時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用也較高。因此，在現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境里就顯得不那么適用。而采用火花鑒別技術(shù)進(jìn)行物理分析，既快速又方便，特別適用于對(duì)鋼材鋼號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)初步分析，特點(diǎn)非常的明顯，與化學(xué)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(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，積累知識(shí)，也能達(dá)到較高的正確程度了，而它還有一個(gè)化學(xué)分析法不具備的優(yōu)勢(shì)，那就是不損鋼材。因此這方法在現(xiàn)實(shí)中常被廣泛地應(yīng)用。作為機(jī)械制造的重要原材料之一的鋼材，一般都是大批量的進(jìn)廠，這樣在運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)等多次周轉(zhuǎn)的環(huán)節(jié)里，就有可能造成鋼號(hào)的混雜。在生產(chǎn)過(guò)程中，鋼材投料前要必須把好質(zhì)量關(guān)。在鋼材零件進(jìn)行熱處理以前，也必須對(duì)鋼號(hào)進(jìn)行復(fù)查、核對(duì)。因?yàn)椴煌匿撎?hào)其熱處理的方法和條件均不同，要求也不一樣。在零件報(bào)廢后需要重新補(bǔ)廢的過(guò)程中，也要求了解該零件所用材料的鋼號(hào)，這些都必須進(jìn)行鋼號(hào)鑒別。

［1］馬壯，趙越超，徐萃萍.工程訓(xùn)練［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］劉會(huì)霞.金屬工藝學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［3］邵念勤.機(jī)械制造基礎(chǔ)［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(xiàn)標(biāo)識(shí)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(xué)本科，實(shí)驗(yàn)師。研究領(lǐng)域：機(jī)械工程技術(shù)。

（編輯：向飛）

2015-06-29