火災(zāi)前銅導(dǎo)線短路熔痕浸蝕方法研究

蔣 廓

●火災(zāi)調(diào)查

火災(zāi)前銅導(dǎo)線短路熔痕浸蝕方法研究

蔣 廓

(岳陽市消防支隊(duì)，湖南 岳陽 414000)

火災(zāi)事故調(diào)查中，火災(zāi)前短路熔痕是認(rèn)定短路故障引發(fā)火災(zāi)的關(guān)鍵證據(jù)。但熔痕中有些組織難以通過化學(xué)浸蝕的方法清晰地呈現(xiàn)出來。針對銅導(dǎo)線短路熔痕，在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，嘗試使用新的浸蝕劑，研究浸蝕劑配比方法和浸蝕時(shí)間，最終確定最優(yōu)的浸蝕方法。結(jié)果表明,三氯化鐵鹽酸溶液和三氯化鐵鹽酸酒精溶液有較好的浸蝕效果，硝酸鐵溶液不完全適用于浸蝕火災(zāi)前短路熔痕，硝酸溶液可以作為一種新的火災(zāi)前短路熔痕的浸蝕劑。

銅導(dǎo)線；一次短路；熔痕；浸蝕方法

0 引言

導(dǎo)線短路熔痕是由于短路電弧高溫作用，致使導(dǎo)線金屬線芯發(fā)生熔化、凝固而形成的一種特殊的金屬材料，內(nèi)部存在大量的金屬缺陷。根據(jù)短路熔痕形成時(shí)的環(huán)境條件，將其分為火災(zāi)前形成的短路熔痕(一次短路熔痕)和火災(zāi)中形成的短路熔痕(二次短路熔痕)。火災(zāi)事故調(diào)查中，在起火點(diǎn)位置處發(fā)現(xiàn)了短路故障點(diǎn)，并經(jīng)檢驗(yàn)鑒定為火災(zāi)前形成的短路熔痕，就可以認(rèn)定起火原因?yàn)槎搪饭收弦l(fā)火災(zāi)。檢驗(yàn)鑒定銅導(dǎo)線短路熔痕的最常用方法是根據(jù)其典型金相組織判定，即細(xì)小的胞狀晶、柱狀晶，氣孔小而少，與導(dǎo)線本體有清晰的分界線[1-6]。但鑒定實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，由于銅導(dǎo)線短路熔痕是復(fù)雜的熱環(huán)境條件下形成的，熔化和凝固過程均會造成其內(nèi)部出現(xiàn)大量的金屬缺陷，尤其是特別細(xì)小的晶粒和晶界處留存的銅的氧化物，導(dǎo)致僅僅使用一種浸蝕劑無法準(zhǔn)確、清晰呈現(xiàn)其金相組織特征[7-8]。因此，為了提高火災(zāi)前短路熔痕檢驗(yàn)鑒定準(zhǔn)確性，需要研究多種火災(zāi)前短路熔痕浸蝕劑。查閱有關(guān)銅及銅合金浸蝕方法，嘗試使用不同配比的三氯化鐵鹽酸溶液、三氯化鐵酒精溶液、硝酸鐵溶液和硝酸溶液，探究各種浸蝕劑的最佳浸蝕時(shí)長，以及可實(shí)現(xiàn)的最佳浸蝕效果。

1 試驗(yàn)部分

1.1 設(shè)備及材料

儀器設(shè)備：PG-2D型金相試樣拋光機(jī)、4XCZ型金相顯微鏡、佳能A630數(shù)碼照相機(jī)、電子天平、短路熔痕制備裝置(自制)。試驗(yàn)材料：聚氯乙烯2.5 mm2銅導(dǎo)線、自凝牙托粉、自凝牙托水、拋光粉、蒸餾水、金相砂紙?；瘜W(xué)試劑：鹽酸、硝酸、硝酸鐵、三氯化鐵、無水乙醇。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 浸蝕劑配制

查閱相關(guān)資料，對于銅及銅合金來說，共有五大種類的浸蝕劑，即：三氯化鐵鹽酸溶液、三氯化鐵鹽酸酒精溶液、三氯化鐵酒精溶液、硝酸鐵溶液以及硝酸溶液。根據(jù)各種溶液的配比要求，分別配制可能達(dá)到最優(yōu)浸蝕效果的浸蝕劑。

1.2.2 浸蝕效果標(biāo)準(zhǔn)

《電氣火災(zāi)原因技術(shù)鑒定方法 第4部分：金相法》(GB 16840.4—1997)中，鑒別火災(zāi)前短路熔痕的主要依據(jù)是細(xì)小的胞狀晶或柱狀晶，樹枝晶是典型的一次短路熔痕組織，氣孔小而少，熔化區(qū)與本體界限明顯[9]。如圖1所示，確定浸蝕效果為四個標(biāo)準(zhǔn)：(1)浸蝕效果好，即晶界清晰，樹枝晶浸蝕清楚，視場明亮，色彩反差大。(2)浸蝕效果較好，即晶界清楚，晶粒與晶界較為清楚呈現(xiàn)，但色彩反差小。(3)浸蝕效果差，即易浸蝕過度，不好把握浸蝕時(shí)間，晶界不明顯，界面模糊。(4)浸蝕無效，即拋光面不反應(yīng)。

圖1 浸蝕效果標(biāo)準(zhǔn)圖

1.2.3 一次短路熔痕的制備

選擇電壓220 V，頻率50 Hz，預(yù)設(shè)短路電流50 A，制備的一次短路熔痕以致密的樹枝晶為主。

截取的熔痕為典型的一次短路熔痕金相組織，是最難浸蝕的一種金相組織。經(jīng)鑲嵌、磨光、拋光后，作為被浸蝕樣品。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 三氯化鐵類浸蝕劑的浸蝕效果

2.1.1 三氯化鐵類浸蝕劑配比及編號

三氯化鐵類浸蝕劑以三氯化鐵為主要浸蝕成分，分別溶于不同比例的鹽酸水溶液、鹽酸酒精水溶液、酒精溶液中，形成不同浸蝕能力的浸蝕劑，對于不同的銅及其銅合金具有不同的浸蝕效果，浸蝕劑配比及編號如表1所示。國標(biāo)中，指定的浸蝕劑是FH-2，但有時(shí)浸蝕效果不佳，尤其是對于某些晶界較為細(xì)小的晶粒，浸蝕效果不好。

2.1.2 三氯化鐵類浸蝕劑浸蝕效果分析

如表2所示，三氯化鐵類浸蝕劑中，三氯化鐵酒精溶液不適合用于火災(zāi)前短路熔痕的浸蝕，浸蝕速度過快，浸蝕容易過度，不利于控制浸蝕時(shí)間；三氯化鐵鹽酸酒精溶液可以達(dá)到較好的浸蝕效果，但是三氯化鐵和鹽酸的含量不宜過高，否則浸蝕時(shí)間過短，不利于操作；三氯化鐵鹽酸溶液作為最常用的浸蝕劑，三氯化鐵的用量不宜過少，否則無法浸蝕出清晰的組織，但也不應(yīng)過大，否則浸蝕時(shí)間過短，不便于使用。

2.2 硝酸類浸蝕劑的浸蝕效果

2.2.1 硝酸類浸蝕劑配比及編號

查閱有色金屬相關(guān)文獻(xiàn)，相對于三氯化鐵類的浸蝕劑，硝酸類浸蝕劑更擅長于浸蝕銅合金，尤其是對于一些晶粒組織較為致密的組織，浸蝕效果較好。如表3所示，選擇硝酸鐵水溶液和硝酸溶液兩種最常見的浸蝕劑，改變硝酸鐵和硝酸與水的配比，得到2類6種浸蝕劑，分別浸蝕火災(zāi)前短路熔痕。

表1 三氯化鐵類浸蝕劑配比及編號

表2 三氯化鐵類浸蝕劑浸蝕效果

注：●為浸蝕過度，○為浸蝕未出，⊙為浸蝕效果較好，/為不能浸蝕出。

表3 硝酸類浸蝕劑配比及編號

2.2.2 硝酸類浸蝕劑浸蝕效果分析

如表4所示，硝酸鐵溶液是一種較為優(yōu)良的浸蝕劑，隨著硝酸鐵的用量增加，浸蝕時(shí)間會縮短，但浸蝕效果不會發(fā)生明顯改變，更擅長于浸蝕胞狀晶和柱狀晶，如圖2所示。硝酸溶液作為火災(zāi)前短路熔痕的浸蝕劑，濃度較高時(shí)，無法浸蝕出清晰的組織，但濃度較低時(shí)，15 s可以浸蝕出清晰的樹枝晶組織，相對于其他浸蝕劑，硝酸溶液更擅長浸蝕樹枝晶組織，如圖3所示。

2.3 火災(zāi)前短路熔痕浸蝕效果驗(yàn)證

對于模擬制備的火災(zāi)短路熔痕，除了國標(biāo)中指定的浸蝕劑外，不同配比的三氯化鐵鹽酸溶液、三氯化鐵鹽酸酒精溶液、硝酸鐵溶液、硝酸溶液都可浸蝕此火災(zāi)前短路熔痕，呈現(xiàn)典型的致密的樹枝晶組織，氣孔小且少。四種浸蝕劑中，三氯化鐵鹽酸類的浸蝕劑都可以將金相組織浸蝕出，但是組織色彩反差較小，晶界不夠清晰(見圖4a和圖4b)，將其歸為浸蝕效果較好；硝酸鐵溶液無法清晰的浸蝕出金相組織，將其歸為浸蝕失效(見圖4c)；硝酸溶液浸蝕劑，可以浸蝕出致密的樹枝晶組織，且晶界清晰，色彩反差適中，組織得到清晰再現(xiàn)(見圖4d)，非常適合浸蝕來自真實(shí)火場的火災(zāi)前短路熔痕。出較為清晰的金相組織，但是各自的浸蝕效果有一定的差異性。對于來自實(shí)際火災(zāi)現(xiàn)場的短路熔痕，四種浸蝕劑浸蝕出的金相組織見圖4。

表4 硝酸鐵溶液及硝酸溶液浸蝕效果表

注：●為浸蝕過度，○為浸蝕未出，⊙為浸蝕效果較好，/為不能浸蝕出。

圖2 硝酸鐵溶液(FN-3)15 s浸蝕組織

圖3 硝酸溶液(HN-1)15 s浸蝕組織

圖4 四種浸蝕劑浸蝕效果對比圖

3 結(jié)論

通過研究，可得出如下結(jié)論：(1)三氯化鐵鹽酸溶液和三氯化鐵鹽酸酒精溶液在配比適中的情況下，均對銅導(dǎo)線的火災(zāi)前短路熔痕有較好的浸蝕效果，可以浸蝕出較為清晰的金相組織；(2)硝酸鐵溶液配比范圍較為寬泛，更擅長浸蝕柱狀晶和胞狀晶，對于樹枝晶的浸蝕效果不好，因此不完全適用于浸蝕火災(zāi)前短路熔痕；(3)硝酸溶液可以作為一種新的火災(zāi)前短路熔痕的浸蝕劑，可以更加清晰地呈現(xiàn)火災(zāi)前短路熔痕所特有的樹枝晶。

[1] 葉詩茂,陽世群,王新鋼,等.金相分析中銅導(dǎo)線的腐蝕劑探討[J].消防科技與技術(shù),2005,24(3):370-372.

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(責(zé)任編輯 陳 華)

Study on Etching Methods of Primary Short Circuited Melted Beads of Copper Wire

JIANG Kuo

(YueyangMunicipalFireBrigade,Hu’nanProvince414000,China)

In any fire investigations, the primary short circuited melted beads are the key evidence to identify short circuit fault as the cause of fires. But microstructure of some melted beads is very difficult to present by chemical etching. On the basis of industry standards available, this paper applies new chemical reagents to etch the beads. The best method is selected according to the proportion of different etchants and the time of etching in experiments. Experimental results show that ferric chloride hydrochloric acid solution and alcohol solution have a better etching effect, that ferric nitrate solution cannot be used to etch short circuited melted beads; that saltpeter solution is a new chemical reagent to etch primary short circuited melted beads.

copper wire; primary short circuit; melted bead; etching method

2017-01-16

蔣廓(1971— )，男，湖南岳陽人，工程師。

X928.7

A

1008-2077(2017)04-0084-04