第二章钢的化学成分检验

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火花鉴别法是将被试验的钢铁材料与高速旋转的砂轮接触，根据钢铁材料在磨削过程中所出现的火花爆裂形状、流线、色泽、发火点等特点区别钢铁材料化学成分差异的方法，称为火花鉴别法。

钢铁材料在一定的压力下，放在砂轮上摩擦，由于砂轮的磨削作用，钢铁成屑末状脱离试件，并且沿着砂轮与材料接触点的切线方向作高速运动。同时被磨削热加热成熔融状态，形成光亮的流线，当流线中熔融状态的金属颗粒与空气中的氧接触时形成氧化膜。氧化膜进而与钢铁中的碳作用产生一氧化碳气体，待气体压力超过熔融金属的表面张力时便爆裂成火花。

钢铁中的含碳量主要是根据火花的爆裂情况加以鉴定的。碳钢中的含碳量越高，火花越多，火束越多。对合金钢，由于各种合金元素对火花形状、颜色产生不同影响，因而也可基本上鉴别出合金元素的种类及大概含量。但不象碳素钢那样容易和准确。第三节火花鉴别2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查。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。34．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。4(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。5

(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。6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。7火花束的组成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。节点的温度较流线任何部分温度都高。节点是钢中含Si的特征。8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。9③芒线 爆裂当时发出的若干聚集短线叫做芒线，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。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。10⑤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。11爆花的各种形式12⑥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。图为上述两种尾花的示意图。13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。(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。14各种尾花形状a)苞状尾花b)狐尾花c)菊状尾花d)羽状尾花152．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）。16

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

17碳素钢火花的特征①通常低碳钢火花束较长，流线少，芒线稍粗，多为一次花，发光一般，带暗红色，无花粉。1820钢火花示意图45钢火花示意图19碳素钢火花的特征②中碳钢火花束稍短，流线较细长而多，爆花分叉较多，开始出现二次、三次花，花粉较多，发光较强，颜色橙。20碳素钢火花的特征③高碳钢火花束较短而粗，流线多而细，碎花、花粉多，又分叉多且多为三次花，发光较亮21T10钢火花示意图22T13钢的火花特征：火束短粗，中暗红色。流线多，细而密。爆花为多次爆裂，花量多并重叠，碎花、花粉量多。磨削时手感较硬，如图所示。2320钢火花图45钢火花图60钢火花图 T7钢火花图24T10钢火花图T12钢火花图40Cr钢火花图38CrMoAl钢火花图25CrWMn钢火花图GCr15火花图9SiCr火花图Cr12火花图265CrNiMo火花图50CrV火花图W6Mo5Cr4V2火花图W18Cr4V火花图2728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29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。30图是高速钢W18Cr4V的火花特征。W18Cr4V火花束细长，流线数量少，无火花爆裂，色泽是暗红色。根部和中部为断续流线，尾花呈狐状。W18Cr4V火花特征3132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