金属的火花鉴别

金属的火花鉴别

火花鉴别是金属材料化学成分现场控制手段中最为简易的方法之一，其特点是设备简单，操作方便，对金属牌号及其化学成分的鉴定分析速度快，准确性强，在临场分析中不必破坏试件，基本能满足金属材料生产和热处理工艺要求．尤其对人批量金属材料的鉴别和分析更发挥了它的优点，这是化学分析法和其它物理分析法所不能比拟的。

一、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杏。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。

4．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。

二、火花形成原理

金属材料在一定的压力下与旋转砂轮接触时，砂轮对工件产生切削作用，从工件产生的钢铁微粒被磨削热加热成熔融状态脱离工件，沿砂轮切线方向作高速运动，产生光亮的流线形成火花束，这些高温熔融状态的金属颗粒与空气中的氧气接触会形成氧化膜，钢中的碳元素，在高温下极易与氧结合形成一氧化碳，发生还原反应，这时被还原的铁再度被空气氧化，然后再还原．这种反应多次重复，当一氧化碳气体压力超过熔融金属的表面张力时便爆裂成火花，同时高温钢粒在空间运行形成切向的轨迹，就是我们所见的一条光亮线和光亮火花。当颗粒表面的氧化膜不能约束反应生成的CO 时，就有爆裂现象发生。粉碎的颗粒外逸时的火花称为“爆花”。磨削颗粒经一次爆裂后，在碎粒中若仍残留有未参加反应的Fe 、C ，将继续发生反应，则可能出现二次、三次或多次爆花。这时，随粉爆花次数的增加（反应物减少），火花亮度也随之降低。钢铁材料中的碳元素是产生火花的基本元素，而当钢中含有猛、硅、钨、钼、铬等元素时，它们的氧化物将影响火花的统一线条、颜色和形态，由此可以判别钢的化学成分。根据产生火花束的形状特征及颜色来初步判别工件的化学成分的方法称为火花鉴别法。

钢铁中的碳元素含量主要是根据火花的爆裂程度来判别的，钢铁中的碳含量越高，火花越多、爆裂越烈、火束越多。在合金钢中，由于合金元素对火花的形状、颜色产生不同的影响，可形成特有的颜色和花形特征。因此，据此可大致鉴别出合金元素的种类和含量，但不如碳素钢鉴别那样容易和精确。

此外，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

三、合金元素与氧的亲和力

合金元素与氧的亲和力强弱次序（依次减弱）

Ca→Mg→Al→Ti→Si→V→Mn→Cr→Fe→Ni→Cu

Ti 、V 、W 、Mo、Co、Ni 、Cu 等金属可改善钢的力学性能,但对抗氧化能力影响不大。钢中的碳对抗氧化能力的影响也不显著：Cr 、AL 、Si 能显著提高钢的抗氧化能力，与氧亲和力最大的元素将优先被氧化，而这个元素所生成的氧化膜的性质就控制着氧化过程。金属对氧的亲和力一般可由它的氧化物的生成热和分解压力来

判断。氧化物的生成热愈大，分解压力愈小，则这一金属对氧的亲和力也就愈强。

表1 各种金属最低价稳定氧化物的性质

金属氧化物色彩

密度

(g/cm3

熔点

氧化物生成热

[*42J/(g.Mpa)-1]

高价氧化物

Cu Cu2O 红 6.00 1230 +43.0 CuO Ag Ag2O 黑褐7.14 300(分解）+7.0

Be BeO 白 3.02 2530 +145.3

Mg MgO 白 3.65 2800 +145.8

Mn MnO 绿 5.4 1785 +96.7 Mn2O4,Mn2O3 Fe FeO 黑 5.7 1377 +64.6 Fe3O4,Fe2O3 Ni NiO 绿黑7.45 1960 +58.4 Ni3O4,Ni2O3 Zn ZnO 白 5.47 2000 +83.3

Al Al2O3 白 3.99 2050 +126.9

Cr Cr2O3 绿 5.21 2275 +96.3 (CrO) Si SiO2 白 2.32 1710 +102.8 (SiO) Ti TiO2 白 4.16 1825 +109 (Ti2O3) Zr ZrO2 白 5.73 2680 +129

Mo MoO2 红紫 4.52 800(气化) +71.4 MoO3 W WO2 褐12.11 1277 +65.7 WO3

四、碳化物

表2 碳化物性质

碳化物TiC ZrC NbC VC TaC W2C Mo2C WC HV 3200 2890 2400 2094 1800 3130 2000 2500 T熔/℃3410 3805 3720 2830 4150 3000 2690 2867

碳化物MoC Cr23C6 Fe23W2C6 Fe21Mo2C6 Cr7C3 Fe3C Mn3C Fe4W2C HV 2250 1000-1520 1820 1150-1340

T熔/℃2960 1520分解1780分解1330 1890 五、火花的主要名称