火灾前铜导线短路熔痕浸蚀方法研究

蒋 廓

●火灾调查

火灾前铜导线短路熔痕浸蚀方法研究

蒋 廓

(岳阳市消防支队，湖南 岳阳 414000)

火灾事故调查中，火灾前短路熔痕是认定短路故障引发火灾的关键证据。但熔痕中有些组织难以通过化学浸蚀的方法清晰地呈现出来。针对铜导线短路熔痕，在现行标准基础上，尝试使用新的浸蚀剂，研究浸蚀剂配比方法和浸蚀时间，最终确定最优的浸蚀方法。结果表明,三氯化铁盐酸溶液和三氯化铁盐酸酒精溶液有较好的浸蚀效果，硝酸铁溶液不完全适用于浸蚀火灾前短路熔痕，硝酸溶液可以作为一种新的火灾前短路熔痕的浸蚀剂。

铜导线；一次短路；熔痕；浸蚀方法

0 引言

导线短路熔痕是由于短路电弧高温作用，致使导线金属线芯发生熔化、凝固而形成的一种特殊的金属材料，内部存在大量的金属缺陷。根据短路熔痕形成时的环境条件，将其分为火灾前形成的短路熔痕(一次短路熔痕)和火灾中形成的短路熔痕(二次短路熔痕)。火灾事故调查中，在起火点位置处发现了短路故障点，并经检验鉴定为火灾前形成的短路熔痕，就可以认定起火原因为短路故障引发火灾。检验鉴定铜导线短路熔痕的最常用方法是根据其典型金相组织判定，即细小的胞状晶、柱状晶，气孔小而少，与导线本体有清晰的分界线[1-6]。但鉴定实践发现，由于铜导线短路熔痕是复杂的热环境条件下形成的，熔化和凝固过程均会造成其内部出现大量的金属缺陷，尤其是特别细小的晶粒和晶界处留存的铜的氧化物，导致仅仅使用一种浸蚀剂无法准确、清晰呈现其金相组织特征[7-8]。因此，为了提高火灾前短路熔痕检验鉴定准确性，需要研究多种火灾前短路熔痕浸蚀剂。查阅有关铜及铜合金浸蚀方法，尝试使用不同配比的三氯化铁盐酸溶液、三氯化铁酒精溶液、硝酸铁溶液和硝酸溶液，探究各种浸蚀剂的最佳浸蚀时长，以及可实现的最佳浸蚀效果。

1 试验部分

1.1 设备及材料

仪器设备：PG-2D型金相试样抛光机、4XCZ型金相显微镜、佳能A630数码照相机、电子天平、短路熔痕制备装置(自制)。试验材料：聚氯乙烯2.5 mm2铜导线、自凝牙托粉、自凝牙托水、抛光粉、蒸馏水、金相砂纸。化学试剂：盐酸、硝酸、硝酸铁、三氯化铁、无水乙醇。

1.2 试验方法

1.2.1 浸蚀剂配制

查阅相关资料，对于铜及铜合金来说，共有五大种类的浸蚀剂，即：三氯化铁盐酸溶液、三氯化铁盐酸酒精溶液、三氯化铁酒精溶液、硝酸铁溶液以及硝酸溶液。根据各种溶液的配比要求，分别配制可能达到最优浸蚀效果的浸蚀剂。

1.2.2 浸蚀效果标准

《电气火灾原因技术鉴定方法 第4部分：金相法》(GB 16840.4—1997)中，鉴别火灾前短路熔痕的主要依据是细小的胞状晶或柱状晶，树枝晶是典型的一次短路熔痕组织，气孔小而少，熔化区与本体界限明显[9]。如图1所示，确定浸蚀效果为四个标准：(1)浸蚀效果好，即晶界清晰，树枝晶浸蚀清楚，视场明亮，色彩反差大。(2)浸蚀效果较好，即晶界清楚，晶粒与晶界较为清楚呈现，但色彩反差小。(3)浸蚀效果差，即易浸蚀过度，不好把握浸蚀时间，晶界不明显，界面模糊。(4)浸蚀无效，即抛光面不反应。

图1 浸蚀效果标准图

1.2.3 一次短路熔痕的制备

选择电压220 V，频率50 Hz，预设短路电流50 A，制备的一次短路熔痕以致密的树枝晶为主。

截取的熔痕为典型的一次短路熔痕金相组织，是最难浸蚀的一种金相组织。经镶嵌、磨光、抛光后，作为被浸蚀样品。

2 试验结果与分析

2.1 三氯化铁类浸蚀剂的浸蚀效果

2.1.1 三氯化铁类浸蚀剂配比及编号

三氯化铁类浸蚀剂以三氯化铁为主要浸蚀成分，分别溶于不同比例的盐酸水溶液、盐酸酒精水溶液、酒精溶液中，形成不同浸蚀能力的浸蚀剂，对于不同的铜及其铜合金具有不同的浸蚀效果，浸蚀剂配比及编号如表1所示。国标中，指定的浸蚀剂是FH-2，但有时浸蚀效果不佳，尤其是对于某些晶界较为细小的晶粒，浸蚀效果不好。

2.1.2 三氯化铁类浸蚀剂浸蚀效果分析

如表2所示，三氯化铁类浸蚀剂中，三氯化铁酒精溶液不适合用于火灾前短路熔痕的浸蚀，浸蚀速度过快，浸蚀容易过度，不利于控制浸蚀时间；三氯化铁盐酸酒精溶液可以达到较好的浸蚀效果，但是三氯化铁和盐酸的含量不宜过高，否则浸蚀时间过短，不利于操作；三氯化铁盐酸溶液作为最常用的浸蚀剂，三氯化铁的用量不宜过少，否则无法浸蚀出清晰的组织，但也不应过大，否则浸蚀时间过短，不便于使用。

2.2 硝酸类浸蚀剂的浸蚀效果

2.2.1 硝酸类浸蚀剂配比及编号

查阅有色金属相关文献，相对于三氯化铁类的浸蚀剂，硝酸类浸蚀剂更擅长于浸蚀铜合金，尤其是对于一些晶粒组织较为致密的组织，浸蚀效果较好。如表3所示，选择硝酸铁水溶液和硝酸溶液两种最常见的浸蚀剂，改变硝酸铁和硝酸与水的配比，得到2类6种浸蚀剂，分别浸蚀火灾前短路熔痕。

表1 三氯化铁类浸蚀剂配比及编号

表2 三氯化铁类浸蚀剂浸蚀效果

注：●为浸蚀过度，○为浸蚀未出，⊙为浸蚀效果较好，/为不能浸蚀出。

表3 硝酸类浸蚀剂配比及编号

2.2.2 硝酸类浸蚀剂浸蚀效果分析

如表4所示，硝酸铁溶液是一种较为优良的浸蚀剂，随着硝酸铁的用量增加，浸蚀时间会缩短，但浸蚀效果不会发生明显改变，更擅长于浸蚀胞状晶和柱状晶，如图2所示。硝酸溶液作为火灾前短路熔痕的浸蚀剂，浓度较高时，无法浸蚀出清晰的组织，但浓度较低时，15 s可以浸蚀出清晰的树枝晶组织，相对于其他浸蚀剂，硝酸溶液更擅长浸蚀树枝晶组织，如图3所示。

2.3 火灾前短路熔痕浸蚀效果验证

对于模拟制备的火灾短路熔痕，除了国标中指定的浸蚀剂外，不同配比的三氯化铁盐酸溶液、三氯化铁盐酸酒精溶液、硝酸铁溶液、硝酸溶液都可浸蚀此火灾前短路熔痕，呈现典型的致密的树枝晶组织，气孔小且少。四种浸蚀剂中，三氯化铁盐酸类的浸蚀剂都可以将金相组织浸蚀出，但是组织色彩反差较小，晶界不够清晰(见图4a和图4b)，将其归为浸蚀效果较好；硝酸铁溶液无法清晰的浸蚀出金相组织，将其归为浸蚀失效(见图4c)；硝酸溶液浸蚀剂，可以浸蚀出致密的树枝晶组织，且晶界清晰，色彩反差适中，组织得到清晰再现(见图4d)，非常适合浸蚀来自真实火场的火灾前短路熔痕。出较为清晰的金相组织，但是各自的浸蚀效果有一定的差异性。对于来自实际火灾现场的短路熔痕，四种浸蚀剂浸蚀出的金相组织见图4。

表4 硝酸铁溶液及硝酸溶液浸蚀效果表

注：●为浸蚀过度，○为浸蚀未出，⊙为浸蚀效果较好，/为不能浸蚀出。

图2 硝酸铁溶液(FN-3)15 s浸蚀组织

图3 硝酸溶液(HN-1)15 s浸蚀组织

图4 四种浸蚀剂浸蚀效果对比图

3 结论

通过研究，可得出如下结论：(1)三氯化铁盐酸溶液和三氯化铁盐酸酒精溶液在配比适中的情况下，均对铜导线的火灾前短路熔痕有较好的浸蚀效果，可以浸蚀出较为清晰的金相组织；(2)硝酸铁溶液配比范围较为宽泛，更擅长浸蚀柱状晶和胞状晶，对于树枝晶的浸蚀效果不好，因此不完全适用于浸蚀火灾前短路熔痕；(3)硝酸溶液可以作为一种新的火灾前短路熔痕的浸蚀剂，可以更加清晰地呈现火灾前短路熔痕所特有的树枝晶。

[1] 叶诗茂,阳世群,王新钢,等.金相分析中铜导线的腐蚀剂探讨[J].消防科技与技术,2005,24(3):370-372.

[2] 胡义祥.金相检验实用技术[M].北京:机械工业出版社,2012.

[3] 刘金坤.材料形成基本原理[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4] 路俊攀,李湘海.加工铜及铜合金金相图谱[M].长沙:中南大学出版社,2010.

[5] 王希庆,韩宝玉,邸曼.电气火灾现场勘查与鉴定技术指南[M].沈阳:辽宁大学出版社,1996.

[6] 卫广昭,曹建旺,于进江.金相分析技术在电气火因鉴定中的应用[J].消防技术与产品信息,2006(8):33-35.

[7] 魏巍,谢明立,姚红宇,等.电气事故中铜导线短路熔珠金相组织分析[J].消防科学与技术,2007,26(2):211-214.

[8] Vytenis Babrauskas.Fires due to electric arcing: can cause beads be distinguished from victim beads by physical or chemical testing[M].Fire Science and Technology Inc,USA,1998:32-35.

[9] 公安部沈阳消防科学研究所.电气火灾原因技术鉴定方法 第四部分：金相法：GB 16840.4—1997[S].北京:中国标准出版社,1997.

(责任编辑 陈 华)

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

蒋廓(1971— )，男，湖南岳阳人，工程师。

X928.7

A

1008-2077(2017)04-0084-04