火花鉴别技术在钢铁材料甄别中的应用

黄文呈

（龙岩学院机电工程学院，福建龙岩364012）

火花鉴别技术在钢铁材料甄别中的应用

黄文呈

（龙岩学院机电工程学院，福建龙岩364012）

生产人员在进行机械制造时，常面临着如何正确选用金属材料的问题。提出了运用火花鉴别技术对钢铁材料的品质特性进行甄别的方法；该方法是在不了解钢号的情况下，通过对钢材与砂轮的磨削过程中所产生的火花，进行技术鉴别和科学分析判断其化学成分，继而甄别出所使用的钢材型号。该技术具有简易、快速、经济、准确、无损伤、方便实用等特点，特别适用于对钢材钢号的现场初步甄别分析，从而保证钢材加工和使用的要求。

钢材；种类；火花；鉴别

1　概述

机械制造生产过程中，常常面临如何正确选用金属材料的问题。如果出现材料选择不当，则零件的机械性能不仅不能满足加工和使用的要求，而且还会产生零件质量问题或造成严重的生产事故，直接给企业带来巨大的经济损失。要确保正确地使用钢材，就必须对所使用的钢材的品种和性能做出正确判断，而进行钢号的鉴别，就是在不了解钢号的情况下，通过严密的技术鉴别和科学分析，正确地判断出所使用的钢材型号。因此，钢号鉴别是机械制造生产过程中不可缺少和非常重要的一个环节。

在工作中可运用火花鉴别技术对钢铁材料的特性进行甄别，该技术具有简易、快速、经济、准确、无损伤等优点，而且方便实用。

2　火花鉴别原理

钢铁材料的火花鉴别是利用钢铁材料在与砂轮的磨削过程中所产生的物理及化学现象来判断其化学成分的一种方法。在使用火花鉴别时，将被检查的钢材，以适当的压力作用在高速旋转的砂轮上，在砂轮的磨削作用下，把被检测的钢材粉粒从钢表面磨削下来，并沿着砂轮的切线方向抛射。由于磨削作用使得飞出的金属粉粒处于高温状态，从而发热、发光，形成了一道光的流线。一些熔融状的粉粒与空气中的氧气结合，被氧化，从而形成了一层FeO薄膜，包裹在了粉粒的表层，而钢材粉粒中的碳在高温下极易与氧发生反应，形成FeO+C→Fe+CO，使FeO还原；被还原的Fe将再次被氧化，然后再次还原；这种氧化——还原反应循环进行，会不断产生出CO气体，当CO气体的压力超过金属粉粒的表面张力时候，就会有爆裂现象发生并形成火花。爆裂的碎粒若仍残留未参加反应的FeO和C时，将继续发生反应，则出现二次、三次或多次爆裂火花。钢中的碳是形成火花的基本元素，当钢中含有锰、硅、钨、铬、钼等元素时，它们的氧化物将影响火花的线条、颜色和状态。可以根据火花的这种特征，判断出钢材的碳含量多少以及含有的其他元素［1］。

3　火花各部的构成

3.1火束的构成

将钢铁材料与旋转的砂轮相互接触，进行磨削，将会产生各种线状及花状的火花，这种火花的形状就构成了花束（见图1）。

图1　火花束的形式

将靠近砂轮一侧的火花称之为根部火花，而远离砂轮，火束即将消失的末端部分，为尾部火花。在对钢铁材料的火花判别的实践中，可以根据此尾部火花的形态来判断钢中所含有的合金元素的种类。在根部火花和尾部火花之间，是火花最多最密集的一部分，主要是根据这段火花的形态特征来判断钢中的含碳量的多少。

3.2流线、节点、芒线和节花

钢铁材料在砂轮上磨削，其被磨下的细微灼热的金属颗粒，在惯性作用下，以高速抛射到空气中，伴有明亮的线条，称之为流线。当钢材中的化学成分不同时，流线也产生了不用的形状，主要有直线状、断续状和波浪状。流线上，那些粗且明亮的点，即为节点，是流线在抛射过程中途爆炸的地方。而由此节点处产生的一些细线条，为芒线。在流线或芒线上，由节点芒线所构成的火花就为节花。钢中含碳量的不同，发射出来的芒线的次数也是不同的。随着含碳量的增加，产生了二次芒线、三次芒线，节花也就有了二次节花和三次节花。火花束的构成见图2。

图2　火花束的构成

4　火花鉴别技术

4.1火花鉴别使用的设备

火花鉴别是在手提砂轮机或者固定砂轮机上进行的。对于砂轮机的要求，其转速一般控制在46-60 r/s，砂轮片采用36-60号普通氧化铝砂轮。可以选用ϕ150 mm×25 mm的规格［2］。为了更好地进行观察，看清火花色泽及清晰度，在操作时，应选择光线不是太亮的场地，操作者做好安全保护，带上平光眼镜，以防止飞溅的火花伤到眼镜。为了更准确地进行鉴别，在鉴别场地，应备好各种钢号的钢料，以便进行对比，增加判断的准确性。

4.2合金元素对火花的影响

由于钢铁材料在冶炼过程中根据不同使用需要，加入了不同成分和不同剂量的微量合金元素，这些合金元素在火花鉴别钢铁材料的特性品种时具有十分重要的作用。常见的钢材中含有不同合金元素的尾花形状如图3。

图3　各种尾花形状

锰元素：钢材中含有的锰元素，其会助长火花爆炸。节花心部有较大的白亮节点，芒线细而长，花型也较大，其节花为多根分叉的三次花，呈现出星形状。

铬元素：在钢材中含有的铬元素，其是助长火花爆裂的元素。花火爆裂非常活跃，花型较大，分叉多并且很细，火束较短，并附有许多的碎花。

钒元素：钒为助长火花爆裂的元素。其火束呈现出黄色，所产生的流线和芒线均较为细小。

钼元素：钼元素与铬元素的功能正好相反，其可以抑制火花的爆裂，尾部先行膨胀呈现出枪尖的形态。在钢材之中，含钼元素越多，则枪尖尾部爆裂就越加的明显。

硅元素：硅是抑制火花爆裂的元素。其火束较短，产生的流线较粗，呈现出红色的光芒有明显的白亮圆珠闪光点，并呈喇叭的形状。

镍元素：镍元素对火花爆裂有较弱的抑制作用，发光点强烈的闪目，呈苞花特征。

4.3碳素钢的火花特征

4.3.1低碳钢的火花特征

其火束比较长，芒线显得稍微粗些，流线也较多，发出的颜色为草黄之中带着暗暗的红色，发光的亮度适中，有多根的分叉，一次花爆裂，尾端有大量的枪尖状。

4.3.2中碳钢的火花特征

如45号钢，其火束比较短，流线多，比较精细，发出的颜色为黄色，并且发光相对明亮，爆花相对于低碳钢增多，根分叉二次节花，也有的有三次节花和花粉，花量数目较多，在整个火束中可以占到五分之三以上。尖端有分叉，射力较为有力，火花盛开，花型较大。

4.3.3高碳钢的火花特征

其火束与低碳钢相反，比较短而粗，发出的颜色为橙红色，根部的光泽暗淡，发出的光较为微弱，流线较密，呈现出短、细、直的特点。节花在根部分叉为三次节花、小碎花，其花粉较多且较为密集。花量数目多，在整个火束中，可以占到六分之五以上。在使用砂轮机对钢材料进行磨削的过程中，可以很明显地感觉到较硬。

4.3.4高速工具钢的火花特征

其火束较为细小，流线也较少，发出的颜色为暗红色。其中部和根部显示为不连续的流线，有时会呈现出波浪形状。尾部膨胀并且会下垂，呈现点状的狐尾状的尾花，爆花较少，并且只会出现在尾部。其花量也较少。

不同碳素钢的火花特征示意图见图4。

图4　碳素钢火花示意图

5　结语

金属材料的选用是机械制造中常常遇到的问题。要确保正确的使用钢材，就必须对所使用的钢材的品种和性能做出准确判断。在运用火花鉴别技术进行钢号甄别时，必须十分留意观察金属材料的火花特征和其尾花的形状，对容易混淆的尾花要认真分析正确判断［3］。

钢材鉴别的方法有化学分析法和物理方法两大类。通过化学分析，虽然可以非常正确可靠的识别出钢号，但其必须进行钢材的抽样检验，在操作程序上比较繁琐，并且所需要的时间长，费用也较高。因此，在现场工作环境里就显得不那么适用。而采用火花鉴别技术进行物理分析，既快速又方便，特别适用于对钢材钢号的现场初步分析，特点非常的明显，与化学抽样分析法相比较，在其正确性和可靠度上有所欠缺，但通过长期实践，不断总结经验，积累知识，也能达到较高的正确程度了，而它还有一个化学分析法不具备的优势，那就是不损钢材。因此这方法在现实中常被广泛地应用。作为机械制造的重要原材料之一的钢材，一般都是大批量的进厂，这样在运输和仓储等多次周转的环节里，就有可能造成钢号的混杂。在生产过程中，钢材投料前要必须把好质量关。在钢材零件进行热处理以前，也必须对钢号进行复查、核对。因为不同的钢号其热处理的方法和条件均不同，要求也不一样。在零件报废后需要重新补废的过程中，也要求了解该零件所用材料的钢号，这些都必须进行钢号鉴别。

［1］马壮，赵越超，徐萃萍.工程训练［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］刘会霞.金属工艺学［M］.北京：机械工业出版社，2001.

［3］邵念勤.机械制造基础［M］.西安：西安地图出版社，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文献标识码：1009-9492（2015）12-0075-03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.021

黄文呈，男，1973年生，福建南安人，大学本科，实验师。研究领域：机械工程技术。

（编辑：向飞）

2015-06-29