Zn含量对黄铜线火烧熔痕金相组织的影响
刘兴华
（河北秦皇岛市公安消防支队，河北 秦皇岛）
摘要：黄铜线在电气系统中有着广泛应用，是一种典型的金属构件。本课题模拟了黄铜线火烧熔痕的形成条件，对不同Zn含量的黄铜线分别进行炉温条件下的试验。通过观察发现：黄铜线金相组织以柱状晶、针状晶和胞状晶为主，还有少量树枝晶，晶界清晰无气孔，晶粒的大小和形态与Zn含量、加热时间、加热温度等有关。总结出Zn含量对黄铜线火烧熔痕金相组织中晶粒大小及形态的影响，在火调工作中具有一定的实用性。
关键词：黄铜线；火烧熔痕；Zn含量；晶粒大小及形态
1 引言
在电气系统中，普遍存在各种各样的黄铜线，生活中常见的黄铜线主要是由Zn和Cu组成的合金构件。不同牌号的黄铜线由于含Zn量不同，其熔痕的金相组织结构也会有所区别。目前，我国关于黄铜线熔痕金相组织的研究相对较少。查阅相关文献进行整理发现，沈阳消防研究所在黄铜插片熔化性质的实验研究中，将黄铜插片短接得到了一次短路熔痕，用酒精灯对黄铜线进行火烧得到了火烧熔痕，对比得出了黄铜插片两种熔痕金相组织特征的区别。随后，其他研究人员就加热温度、时间和冷却方式对黄铜金相组织的影响进行了试验，将黄铜线加热到不同温度，并对它们分别进行空冷或水冷，对比分析了不同条件下黄铜的金相组织特征。而国外对各种金属熔痕的研究也主要集中在导线上，对不同Zn含量黄铜线的火烧熔痕并无相关的分析研究。
因此，本课题拟通过制备、观察不同Zn含量的黄铜线，在不同加热温度、时间下所形成的火烧熔痕金相组织，分析总结出Zn含量对黄铜线火烧熔痕金相组织晶粒大小和形态的影响，为火灾中黄铜线火烧熔痕的鉴定提供一定的理论依据。
2 试验内容
2.1 试验材料与仪器
试验材料：选用H90、H80、H70、H59四种Zn含量的普通黄铜线作为实验材料，对应Zn含量分别为：10%、20%、30%、41%。自凝牙托粉；自凝牙托水；抛光粉；无水乙醇；400#、600#、800#、1200#金相砂纸；氯化铁盐酸水溶液（氯化铁5g、盐酸50mL、水100mL）。
试验仪器：① P-2金相试样抛光机；② 4XCZ型金相显微镜；③ Canon PowerShot A630数码照相机；④ 一体式程序控温炉；⑤ 酒精喷灯。
2.2 炉温加热条件下火烧熔痕样品的制备
对四种Zn含量的黄铜线均进行炉温加热实验。将H59黄铜线分别加热到700℃、800℃、900℃，每升到一个对应的温度时，将黄铜线放入一体式程序控温炉中加热，分别加热5min、20min。加热结束后，让黄铜线在空气中冷却20min。H70、H80、H90黄铜线熔痕样品制备步骤同H59，每种Zn含量的黄铜线分别得到五组试样作为待测样品，编号见表1。
表1 不同加热温度和时间下黄铜线试样编号
注：n表示第n个平行实验样品；T为加热温度，分别为700℃、800℃、900℃；t为加热时间，分别为5min、20min。
3 实验结果
3.1 700℃，加热5min时的火烧熔痕金相组织
在炉温700℃、加热5min时，四种黄铜线未发生熔化，观察其金相组织发现：H90、H80、H59三种黄铜线呈较为清晰的胞状晶，而H70黄铜线晶粒不明显，如图1～图4所示。
图1 H90-炉（700℃，5min）-金相组织（400×）
图2 H80-炉（700℃，5min）-金相组织（400×）
图3 H70-炉（700℃，5min）-金相组织（400×）
图4 H59-炉（700℃，5min）-金相组织（400×）
3.2 炉温700℃，加热20min时的火烧熔痕金相组织
在炉温700℃、加热20min时，四种黄铜线未发生熔化，观察其金相组织发现：H90、H59黄铜线与700℃、5min条件下相比晶粒略有长大，H70黄铜线晶粒清晰，H80黄铜线晶粒明显变大，如图5～图8所示。
图5 H90-炉（700℃，20min）-金相组织（400×）
图6 H80-炉（700℃，20min）-金相组织（400×）
图7 H70-炉（700℃，20min）-金相组织（400×）
图8 H59-炉（700℃，20min）-金相组织（400×）
3.3 炉温800℃，加热5min时的火烧熔痕金相组织
在炉温800℃、加热5min时，四种黄铜线未发生熔化，观察其金相组织发现：与700℃、5min条件下相比四种型号的晶粒形态均有显著变化，H90、H70、H59以柱状晶为主，也有少量胞状晶，晶界明显，无气孔，H80黄铜线晶粒明显变大，如图9～图12所示。
图9 H90-炉（800℃，5min）-金相组织（400×）
图10 H80-炉（800℃，5min）-金相组织（400×）
图11 H70-炉（800℃，5min）-金相组织（400×）
图12 H59-炉（800℃，5min）-金相组织（400×）
3.4 炉温800℃，加热20min时的火烧熔痕金相组织
在炉温800℃、加热20min时，四种黄铜线未发生熔化，观察其金相组织发现：四种黄铜线与800℃、5min条件下相似，晶粒均略有增大；同时，H80晶粒较大，仍呈现不同于H90、H70、H59三种型号黄铜线的晶粒形态，如图13～图16所示。
图13 H90-炉（800℃，20min）-金相组织（400×）
图14 H80-炉（800℃，20min）-金相组织（400×）
图15 H70-炉（800℃，20min）-金相组织（400×）
图16 H59-炉（800℃，20min）-金相组织（400×）
3.5 炉温900℃，加热5min时的火烧熔痕金相组织
在炉温900℃、加热5min时，四种黄铜线未发生熔化，观察其金相组织发现：H90、H59与800℃、5min条件下较为相似，晶粒略有增大；H80、H70黄铜线晶粒不同程度的增大，其中H70黄铜线晶粒增大明显，如图17～图20所示。
图17 H90-炉（900℃，5min）-金相组织（400×）
图18 H80-炉（900℃，5min）-金相组织（400×）
图19 H70-炉（900℃，5min）-金相组织（400×）
图20 H59-炉（900℃，5min）-金相组织（400×）
3.6 炉温900℃，加热20min时的火烧熔痕金相组织
在炉温900℃、加热20min时，四种黄铜线未发生熔化，观察其金相组织发现：与900℃、5min条件相比晶粒形态产生较大变化，H90、H59黄铜线呈方向性清晰的柱状晶，H70黄铜线晶粒略有长大，H80黄铜线晶粒形态发生较大改变，呈粗大的胞状晶，如图21～图24所示。
图21 H90-炉（900℃，20min）-金相组织（400×）
图22 H80-炉（900℃，20min）-金相组织（400×）
图23 H70-炉（900℃，20min）-金相组织（400×）
图24 H59-炉（900℃，20min）-金相组织（400×）
3.7 分析与讨论
3.7.1 不同加热温度对黄铜线火烧熔痕金相组织的影响
在炉温800℃、加热5min时，观察四种黄铜线的金相组织发现：都以柱状晶为主，也有少量胞状晶（如H90、H59），晶界明显，无气孔，与700℃、5min条件下相比四种型号的晶粒形态有显著变化，H80黄铜线晶粒明显变大。由上述现象可分析出：黄铜线再结晶温度在800℃左右，在高于再结晶温度时金相组织发生变化。800℃是一个重要的温度分界点，对晶粒的大小和形态均有影响，而其他加热温度影响不大。
3.7.2 不同加热时间对黄铜线火烧熔痕金相组织的影响
在炉温700℃、加热5min时，四种黄铜线的金相组织差异不明显；在炉温700℃、加热20min时，观察四种黄铜线的金相组织发现：H90、H80、H70、H59黄铜线与700℃、5min条件下类似，H80黄铜线晶粒明显变大；在炉温800℃、加热20min时，观察四种黄铜线的金相组织发现：与800℃、5min条件下相似，晶粒均略有增大；同时，H80晶粒较大，仍呈现不同于H90、H70、H59三种型号黄铜线的晶粒形态；在炉温900℃、加热20min时，观察四种黄铜线的金相组织发现：与900℃、5min条件相比晶粒形态产生较大变化，H90、H59黄铜线呈方向性清晰的柱状晶，H70黄铜线晶粒略有长大，H80黄铜线晶粒形态发生较大改变，呈粗大的胞状晶。
由上述现象可分析出：在温度较低时加热时间影响较小，当达到一定温度时，加热时间较短则金相组织基本不变，但若保持较长时间金相组织会发生明显变化。从炉温700℃、加热20min开始加热时间对晶粒的大小产生影响，晶粒呈逐渐增大的趋势，到炉温900℃、加热20min时，晶粒形态发生明显变化。
3.7.3 炉温条件下Zn含量对黄铜线火烧熔痕金相组织的影响
在炉温700℃、加热20min时，观察四种黄铜线的金相组织发现：H90、H80、H70、H59黄铜线晶粒形态较为相近，H80黄铜线晶粒明显较大；在炉温800℃、加热5min、20min时，观察四种黄铜线的金相组织发现：H90、H70、H59三种型号黄铜线都以柱状晶为主，也有少量胞状晶，晶界明显，无气孔，而H80黄铜线晶粒相对较大；在炉温900℃、加热20min时，不同Zn含量的黄铜线的金相组织呈现较大差异：H90、H59黄铜线呈方向性清晰的柱状晶，H70黄铜线晶粒较大，H80黄铜线呈粗大的胞状晶。
黄铜线可大量用于制造电线、电缆等。工业用黄铜，按退火组织可分为α黄铜和α+β两相黄铜。其中H90、H80、H70黄铜均为α相，而H59黄铜为α+β相。由上述现象可分析出：700℃加热20min时开始Zn含量对晶粒大小和形态产生影响，H80黄铜线在900℃加热20min时晶粒形态发生变化，其余条件下晶粒明显增大。
4 结论
通过对不同Zn含量的黄铜线在不同加热温度以及不同加热时间下所制得的熔痕的金相组织进行观察和分析，发现：
（1）加热温度对未熔化的黄铜线金相组织存在一定的影响：800℃对晶粒的大小和形态有较大影响；
（2）加热时间对未熔化的黄铜线金相组织的影响：从炉温700℃、加热20min开始加热时间对晶粒的大小产生影响，到炉温900℃、加热20min时晶粒形态发生较大变化；
（3）Zn含量对未熔化的黄铜火烧熔痕金相组织的影响：不同的加热温度和加热时间条件下，H80黄铜线的晶粒大小和形态与H90、H70、H59黄铜线存在较大差异；炉温900℃加热20min时，四种型号的黄铜线在晶粒形态差异明显，H90、H59黄铜线呈方向性清晰的柱状晶，H70黄铜线晶粒较大，H80黄铜线呈粗大的胞状晶。
参考文献
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