钢的鉴别、火花鉴别 (1)

钢材的火花鉴别
钢材的品种繁多，应用广泛，性能差异也很大，因此对钢材的鉴别就显得异常重要。

钢材的鉴别方法很多，现场主要用火花鉴别及根据钢材色标识别两种方法。

火花鉴别法是依靠观察材料被砂轮磨削时所产生的流线、爆花及其色泽判断出钢材化学成分的一种简便方法。

火花鉴别常用设备及操作方法
火花鉴别常用的设备为手提式砂轮机或台式砂轮机，砂轮宜采用46～60号普通氧化铝砂轮。

手提式砂轮直径为100～150mm，台式砂轮直径为200～250mm，砂轮转速一般为2800～4000r/min。

在火花鉴别时，最好应备有各种牌号的标准钢样以帮助对比、判断。

操作时应选在光线不太亮的场合进行，最好放在暗处，以免强光使火花色泽及清晰度的判别受到影响。

操作时使火花向略高于水平方向射出，以便观察火花流线的长度和各部位的火花形状特征。

施加的压力要适中，施加较大压力时应着重观察钢材的含碳量；施加较小压力时应着重观察材料的合金元素。

火花的组成和名称
1. 火束
钢件与高速旋转的砂轮接触时产生的全部火花叫做火花束，也叫火束。

火束由根部火花、中部火花和尾部火花三部分组成，如图1-13所示。

图1-13 火束的组成
2. 流线
钢件在磨削时产生的灼热粉末在空间高速飞行时所产生的光亮轨迹，称为流线。

流线分直线流线、断续流线和波纹状流线等几种，如图1-14所示。

碳钢火束的流线均为直线流线；铬钢、钨钢、高合金钢和灰铸件的火束流线均呈断续流线；而呈波纹状的流线不常见。

图1-14 流线的形状
3. 节点和芒线
流线上中途爆裂而发出的明亮而稍粗的点，叫节点。

火花爆裂时所产生的短流线称为芒线。

因钢中含碳量的不同，芒线有二根分叉、三根分叉、四根分
叉和多根分叉等几种，如图1-15所示。

图1-15 芒线的形式
4. 爆花与花粉
在流线或芒线中途发生爆裂所形成的火花形状称为爆花，由节点和芒线组成。

只有一次爆裂芒线的爆花称为一次花，在一次花的芒线上再次发生爆裂而产生的爆花称为二次花，以此类推，有三次花、多次花等，如图1-16所示。

分散在爆花之间和流线附近的小亮点称为花粉。

出现花粉为高碳钢的火花特征。

图1-16 爆花的形式
5. 尾花
流线末端的火花，称为尾花。

常见的尾花有两种形状：狐尾尾花和枪尖尾花，如图1-17所示。

根据尾花可判断出所含合金元素的种类，狐尾尾花说明钢中含有钨元素，枪尖尾花说明钢中含有钼元素。

图1-17 尾花的形状
6. 色泽
整个火束或某部分的火束的颜色，称为色泽。

碳钢火花的特征
碳钢中火花爆裂情况随含碳量的增加而分叉增多，且形成二次花、三次花甚至更复杂。

火花爆裂的大小随含碳量的增加而增大，含碳量在0.5%左右时最大，火花爆裂数量由少到多，花粉增多，如图1-18所示。

碳钢的火花特征变化规律如表1-1所示。

图1-18 含碳量与火花特征
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 5 二根分叉
小
大
小
无
少
多
.
1
三根分叉无
.
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
0 . 5
.
6
复杂多
量
.
7
.
8
>
.
8
钢的火花特征
15钢的火花特征是火束呈草黄微红色，流线长，节点清晰，爆花数量不多，如图1-19所示。

钢的火花特征
45钢的火花特征是火花束色黄而稍明，流线较多且细，挺直，节点清晰，爆花多为多根分叉三次花，花数占全体的3/5以上，有很多小花及花粉产生，如图1-20所示。

图1-19 15钢的火花特征图1-20 45钢的火花特征
3. T8钢的火花特征
T8钢的火花特征是火花束为橙红微暗，流线短且直，节花多且较密集，如图1-21所示。

4. 高速钢W18Cr4V的火花特征
高速钢W18Cr4V的火花特征是火花色泽赤橙，近暗红，流线长而稀，并有断续状流线，火花呈狐尾状，几乎无节花爆裂，如图1-22所示。

图1-21 T8钢的火花特征图1-22 W18Cr4V钢的火花特征1.3 实践中常见问题解析
过热与过烧
1. 过热
过热是指因工件加热温度过高或在高温下保温时间过长，而使晶粒粗大化的一种缺陷。

过热使奥氏体晶粒变得粗大，容易造成淬火变形和开裂，并显著降低工件的塑性和韧度。

2. 过烧
过烧是指因加热温度过高而使奥氏体晶界出现严重氧化甚至熔化的现象。

过烧后的工件晶粒极为粗大，晶粒间的联系被破坏，强度降低，脆性很大。

过热后的工件可以重新进行一次正火或退火以细化晶粒，再按常规工艺重新进行淬火；而过烧的工件则无法挽救，只得报废。

为避免过烧或过热，生产中常采用下列措施进行预防。

(1) 合理选择和确定加热温度和保温时间。

(2) 装炉时，工件与炉丝或电极的距离不能太近。

(3) 对截面厚薄相差较大的工件，应采取一定的工艺措施使之加热均匀。

氧化与脱碳
1. 氧化
氧化是指钢件加热时与炉内的氧化性的炉气发生化学反应生成一层氧化皮的现象。

氧化皮不仅使工件表面粗糙、尺寸不准确、钢材烧损，还影响工件的力学性能、切削加工性及耐腐蚀性等。

2. 脱碳
脱碳是指高温下工件表层中的碳与炉内的氧化性气氛发生化学反应形成气体逸出，使工件表面含碳量下降的现象。

脱碳后，工件表面贫碳化，导致工件淬火后的硬度、耐磨性严重下降，并增加了工件的开裂倾向。

防止氧化和脱碳的措施有以下几种。

(1) 用保护气氛炉加热工件。

(2) 淬火加热前，在工件表面涂以防氧化脱碳的涂料。

(3) 将工件装入盛有硅砂、生铁屑或木炭粉的密封箱内加热。

(4) 用盐浴炉加热，并定期加入脱氧剂进行脱氧和除渣。

(5) 严格控制加热温度和保温时间。

3. 硬度不足或不均
1) 淬火工件硬度不足
硬度不足是指工件淬火后整个工件或工件的较大区域内硬度达不到工艺规定要求的现象。

(1) 硬度不足的原因。

①加热温度过低或保温时间不足，使钢件的内部组织没有完全奥氏体化，有铁素体或残余的珠光体，从而使淬火硬度不足。

②对过共析钢，加热温度过高，奥氏体含碳量过高，淬火后残余奥氏体数
量增多，也会造成硬度值偏低。

③冷却速度太慢，如冷却介质的冷却能力差等原因，使淬火工件发生高温转变，从而导致硬度不足。

④操作不当，如在冷却介质中停留时间过短；预冷时间过长，使奥氏体转变为非马氏体组织，从而使硬度不足。

⑤工件表面脱碳，使工件含碳量过低导致淬火硬度值偏低。

⑥原材料本身存在大块铁素体等缺陷。

⑦材料的牌号、成分未达到技术要求值。

(2) 预防及弥补措施。

①加强保护，防止工件氧化和脱碳。

②严格按工艺规程进行操作。

③硬度不足的工件经退火或高温回火后重新进行淬火。

2) 硬度不均
硬度不均俗称“软点”，是指工件淬火后出现小区域硬度不足的现象。

(1) 硬度不均的原因。

①材料化学成分(特别是含碳量)不均匀。

②工件表面存在氧化皮、脱碳部位或附有污物。

③冷却介质老化、污染。

④加热温度不足或保温时间过短。

⑤操作不当，如工件间相互接触，在冷却介质中运动不充分。

(2) 预防及弥补措施。

①截面相差悬殊的工模具等工件选用淬透好的钢材。

②通过锻造或球化退火等预备热处理改善工件原始组织。

③加热时加强保护，盐浴炉要定期脱氧捞渣。

④选用合适的冷却介质并保持清洁。

⑤工件在冷却介质中冷却时要进行适当的搅拌运动或分散冷却。

⑥淬火温度和保温时间要足够，保证相变均匀，防止因加热温度和保温时间不足而造成“软点”。

变形与开裂
变形与开裂是由于工件淬火时产生的内应力而引起的。

淬火时产生的内应力有两种：一种是工件在加热或冷却时因工件表面与心部的温差引起胀缩不同步而产生的，称为热应力；另一种是工件在淬火冷却时，因工件表面与心部的温差使马氏体转变不同步而产生的，称为组织应力。

当淬火工件的内应力超过工件材料的屈服极限时，则导致变形；若超过强度极限时，则导致开裂。

防止变形和开裂的根本措施就是减少内应力的产生。

在生产中可采取下列措施。

(1) 合理设计工件结构。

厚薄交界处平滑过渡，避免出现尖角；对于形状复杂、厚薄相差较大的工件应尽量采用镶拼结构；防止太薄、太细件的结构。

(2) 合理选用材料。

形状复杂、易变形和开裂或要求淬火变形极小的精密工件选用淬透性好的材料。

(3) 合理确定热处理技术条件。

用局部淬火或表面淬火能满足要求的，尽量避免采用整体淬火。

(4) 合理安排冷、热加工工序。

工件毛坯经粗加工后去除表面缺陷，可减少淬火处理产生的裂纹。

(5) 应用预先热处理。

对机加工应力较大的工件应先去应力退火后再进行淬火；对高碳钢工件预先进行球化退火等。

(6) 采用合理的热处理工艺。

对形状复杂易变形工件用较慢速度加热；高合金钢采用多次预热；在满足硬度的前提下，尽可能选用冷速较慢的介质进行淬火冷却。

钢铁材料的现场鉴别
钢铁材料品种繁多，性能各异，因此对钢铁材料的鉴别是非常必要的。

常用的鉴别方法有火花鉴别法、色标鉴别法、断口鉴别法和音色鉴别法等。

1.3.1 火花鉴别法
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。

火花鉴别专用电动砂轮机的功率为0.20～0.75kW，转速高于3000r/min。

所用砂轮粒度为40～60目，中等硬度，直径为φ150～200mm。

磨削时施加压力以20～60N为宜，轻压看合金元素，重压看含碳量。

火花鉴别的要点是：详细观察火花的火束粗细、长短、花次层叠程度和它的色泽变化情况。

注意观察组成火束的流线形态，火花束根部、中部及尾部的特殊情况和它的运动规律，同时还要观察火花爆裂形态、花粉大小和多少。

（一）火花组成
（1）火花束火花束是指被测材料在砂轮上磨削时产生的全部火花，常由根部、中部、尾部组成，
（2）流线从砂轮上直接射出的好像直线的火流称为流线。

每条流线都由节点、爆花和尾花组成，
（3）节点节点就是流线上火花爆裂的原点，呈明亮点。

（4）爆花爆花就是节点处爆裂的火花。

钢的化学成分不同，尾花的形状也不同。

通常，尾花可分为狐尾尾花、枪尖尾花、菊花状尾花、羽状尾花等。

（二）常用钢铁材料的火花特征
碳是钢铁材料火花的基本元素，也是火花鉴别法测定的主要成分。

由于含碳量的不同，其火花形状不同。

1．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。

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。

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。

2．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。

3．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。

1.3.2 色标鉴别法
生产中为了表明金属材料的牌号、规格等，常做一定的标记，如涂色、打印、挂牌等。

金属材料的涂色标志是表示钢号、钢种的，涂在材料一端的端面或端部。

具体的涂色方法在有关标准中做了详细规定，现举例如下：
碳素结构钢Q235钢为红色；
优质碳素结构钢20钢为棕色加绿色，45钢为白色加棕色；
合金结构钢20CrMnTi钢为黄色加黑色，40CrMo钢为绿色加紫色；
铬轴承钢GCr15钢为蓝色；
高速钢W18Cr4V钢为棕色加蓝色；
不锈钢1Cr18Ni9Ti钢为绿色国蓝色；
热作模具钢5CrMnMo钢为紫色加白色。

1.3.3 断口宏观鉴别法
材料或零部件因受某些物理、化学或机械作用的影响而导致破断，此时所形成的自然表面称为断口。

生产现场根据断口的自然形态判定材料的韧脆性，从而推断材料含碳量的高低。

若断口呈纤维状，无金属光泽，，颜色发暗，无结晶颗粒，且断口边缘有明显的塑性变形特征，则表明钢材具有良好的塑性和韧性，含碳量较低。

若断口齐平，呈银灰色，且具有明显的金属光泽和
结晶颗粒，则表明属脆性材料。

而过共析钢或合金经淬火后，断口呈亮灰色，具有绸缎光泽，类似于细瓷器断口特征。

常用钢铁材料的断口特点大致如下：低碳钢不易敲断，断口边缘有明显的塑性变形特征，有微量颗粒；
中碳钢的断口边缘的塑性变形特征没有低碳钢明显，断口颗粒较细、较多；高碳钢的断口边缘无明显塑性变形特征，断口颗粒很细密；
铸铁极易敲断，断口无塑性变形，晶粒粗大，呈暗灰色。

1.3.4 音色鉴别法
根据钢铁敲击时发出的声音不同，以区别钢和铸铁的方法称为音色鉴别法。

敲击时，发出比较清脆声音的材料为钢，发出较低沉声音的材料为铸铁。

为了准确地鉴别材料，在以上几种现场鉴别的基础上，一般还可采用化学分析、金相检验以及硬度试验等手段进行鉴别。