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铁谱分析技术之铁谱片加热分析法

作者:   发布日期:2016-8-15   点击数:472

      铁谱片加热分析法是铁谱分析技术中识别磨粒合金成分的十分有效的手段,所谓识别合金成分系指识别磨粒的合金属类,而并不需要更细腻地追求它具体的元素组成及元素含量。例如在同属铁系合金的材料中,区分出是铸铁还是低碳钢;在同属有色金属中区分出是铝合金还是如钼、锌等其他白色有色金属,这种方法在对大型机器(例如柴油机)进行工况监测和故障诊断的应用中己能满足要求。因为,我们事先己经了解了机器各零部件的材质情况,而更为关注的是在铁谱片上所看到的磨损颗粒其材质是与哪一个零部件相吻合。铁谱片加热分析法只需简单的设备和操作就能在铁谱显微镜观察下判断出磨粒的合金属类,实践证明,它是投资少、操作简单、十分实用的判断磨粒成分的有效辅助手段。

铁谱片加热分析法的原理

      铁谱片加热分析法主要利用了金属材料在不同的环境温度下会产生不同颜色的回火以这样一个自然现象,而这一自然现象则源于金属材料氧化膜的生长这一化学过程和在氧化膜厚度上形成光的干涉这一物理效应,如图所示

铁谱片加热分析法的原理

      假设图中的磨粒由铁系金属组成,在常温下铁系材料与空气接触就会发生氧化反应,通常,这个氧化膜极薄而使肉眼不可分辨,当铁系材料处于加热状态并高于200度时,表面膜会进一步生长,其厚度和光学特性都趋于均匀,假设其厚度为当光照射在磨粒上时,首先有一部分光能穿过氧化膜上表面反射形成图中的光束一,而另一部分光能穿过氧化膜经材料基体表面反射后返回空气,形成图中的光束二,根据物理光学原理,这两束光因有光程差而相互有了相位差,再度合成后,必然会产生干涉现象,如果照射在磨粒上的光是含有各种波长的白光,则其中某颜色的光若其波长符合光程差等于半波长奇数倍的条件时,此颜色光经磨粒表面反射后将消失,这个条件可写成



      该式表明,当磨粒表面氧化膜的厚度恰恰等于某一单色光1/4波长的奇数倍时,其表面就呈现出该单色光的互补色,例如,当氧化膜的厚度是蓝/紫色1/4波长即约0.038um时,磨粒表面呈草黄色,当氧化膜增厚是波长较长的红/橙色光1/4波长即约0.055um时,磨粒表面呈黄色,不同材质金属表面氧化膜生长速度是不一样的,因此可以根据加热后同一温度下金属材料的颜色(回火色)来判断材料的合金属类,这就是铁谱片加热分析法的原理。

      铁谱片加热分析法的操作

      1、观察设备:铁谱显微镜

      2、照明方式:白色反射光、绿色透射光

      3、加热设备:可预置温度和自动控温的平板式电炉或马弗炉,最高加热温度不低于540度

      4、加热温度:第一级(330+-10)摄氏度;第二级(400+-10)摄氏度;第三级(480+-10)摄氏度;第四级(540+-10)摄氏度

      5、保温时间:90s

      6、冷却方式:自然冷却

      具体方法如下:将被分析铁谱片上之磨粒置于铁谱显微镜视场之一,仔细观察并进行显微拍照以备比较,取下铁谱片放在预置温度在330摄氏度以上的平板式电炉上,由室温起开始加热,当温度达到330度时电炉自动恒温,计时90s之后断开电炉电源自然冷却。待炉体和铁谱片温度都降至室温后再将铁谱片放在铁谱显微镜载物台上进行观察,与加热前的同一视场进行比较,若需加热到第二、第三、四级温度则仍从室温开始,重复操作。

      下面列出了几种典型的铁系合金材料磨粒在不同加热级上的回火色,对于同属铁系合金类的铸铁、低碳钢、不锈钢磨粒在铁谱显微镜的常规观察下很难加以区分,因为它们都呈现出明亮的白色,在对柴油机这类含有多种铁系摩擦副的机器进行磨粒分析时,往往要判断磨粒是来自铸铁件(如缸套)还是来自铸钢件,此时,铁谱片加热分析法发挥了十分重要的作用,因为在同一适当温度下,这个会各自呈现对比十分鲜明的蓝色或草黄色,实践表明,在多数情况下只需加热到第一级加热温度330度即可。在这一温度下铸铁己能与制造柴油机所需的全部钢种和铝合金加以区分,柴油机一般只用这些普通材料制造。

铁系磨粒在不同温度下的回火色

      而对于常见的有色金属材质的磨粒,则很难用单一的加热法加以区分,润滑油中通常含有的几种有色金属微粒是铜、铅锡合金以及铝、钼、锌、铬、镁、银等白色金属,沉积在铁谱片上的铜磨粒由于其本身具有桔黄色则无需铁谱片加热法就很容易与其他金属微粒区分开,它自身的桔黄色比有的材料加热后的近似黄色的回火色来得均匀并呈微红,再加上它在铁谱片上沉积状态的特点,因此不致与其他磨粒混淆。铅锡合金熔点较低,易氧化和腐蚀,因此在白光照射下呈黑色,铁谱片加热后,会呈现边缘浑圆的熔融态,表面会出现彩斑。

      各种白色有色金属磨粒之间很难区分,它们如果不以某种化合物形式存在,则全部呈白色且有一定的光泽,铁谱片加热法表明,即便加热到第二加热温度它们表面的颜色仍基本同时呈现毫无变化的白色,有国外学者推荐配合使用化学方法,即在磨粒表面滴上酸、碱液体以观察变化情况,这种方法在试验上是可以行的,但不适合工程应用,所以很少采用。当前大型机械中多采用铝合金材料对同属白色有色金属类的各金属磨粒间加以区分的应用场合尚不多见。实验证明,在某些白色金属间,其自然的形态和颜色也是可以区分的。如柴油机油样中的铝粒和钼粒就是一例。

      本文摘自杨其明著《磨粒分析--磨粒图谱与铁谱技术》一书部分章节,版权归原作者所有,出于传递更多信息和学习之目的,并不意味亚泰光电赞同其观点或证实其内容真实性,本文内容仅供参考。本文首发亚泰光电官网,由深圳市亚泰光电技术有限公司编辑整理,亚泰光电,国内知名工业内窥镜油品分析仪研发、生产厂家,致力于为客户提供针对性、专业化、系统性的设备诊断和状态监测产品解决方案,欢迎您的咨询与洽谈。0755-86656390)