电解抛光技术在铝导线火灾物证鉴定中的应用

王　伟1　杨守生2　梁笑非1　刘国泽1

（1.武警学院研究生部，河北　廊坊；2.武警学院消防工程系，河北　廊坊）

摘要：为了解决机械抛光致铝导线火灾熔珠金相组织残存划痕的不足，本文采用电解抛光技术对铝导线熔珠进行抛光及腐蚀处理，得到不同线径的铝导线一次短路熔珠、二次短路熔珠和火烧熔珠的金相组织图片。结果发现，经电解抛光后，铝导线火灾熔珠金相组织显示效果好，熔珠枝晶形态清晰可见。电解抛光省去了耗时较长的机械抛光过程，兼具侵蚀效果，极大地提高了金相试样制备效率，且操作简单，适合在铝导线火灾金相鉴定中推广使用。

关键词：电解抛光；铝导线；短路；火灾物证鉴定

1　引言

近年来，电气火灾的发生率在所有火灾事故中始终居高不下，给人民生命财产带来了重大损失[1]。目前，电气火灾物证鉴定中应用广泛的金相法，采用的是人工打磨、机械抛光与化学侵蚀的方式来观察熔珠的金相组织。这种方法对于铜导线短路熔珠金相组织显示效果较好，对于铝导线熔珠的显示效果则不佳。由于纯铝质地较软，机械抛光时，很容易发生变形和划伤，使金属扰乱层加厚，出现伪组织，影响了物证鉴定的准确性。其次，机械抛光对人员操作水平要求高，而且耗时长，较难获得满意的抛光效果。

为了改进铝导线熔珠金相组织显示方法，消除变形层对金相组织的影响，本文尝试利用电解抛光技术来得到熔珠的金相组织照片，现将电解抛光技术相关内容及其在铝导线熔珠金相组织显示中的应用介绍如下。

2　电解抛光的原理、特性及影响因素

电解抛光是利用金属表面微观凸点在特定电解液中和适当电流密度下首先发生阳极溶解的原理进行抛光的一种方法。电解抛光以被抛件作为阳极连接直流电源正极，以铅、不锈钢等耐腐蚀的导电材料为阴极连接直流电源负极[2]。两者相距一定距离浸入电解液中，在一定温度、电压和电流密度下，通电一定时间，被抛件表面上的微观凸起部分便首先溶解，逐渐变成平滑光亮的表面，从而达到抛光效果。

电解抛光技术没有机械力的作用，因此不会在试样表面产生变形层和金属扰乱层，故能显示出材料的真实组织，而且兼具侵蚀作用，适用于硬度较低的单相合金。其次，电解抛光时间短，对操作人员要求较低，可以显著提高抛光效率。

电解抛光效果与电解液的选择和工艺参数的控制有关。对于铝导线熔珠，我们参照有关国家标准，选择了高氯酸乙醇溶液作为电解液[3]。要想获得良好的抛光效果，还应控制好试样表面加工质量、电流密度、抛光时间和电解液温度等影响因素。抛光前，应使用不同粒度的砂纸对熔珠进行粗磨和细磨，获得平整光洁的磨面。电流密度和抛光时间是获得良好抛光效果的必要条件，实际操作中应进行多次尝试，对比不同条件下的抛光效果，选择最佳的电流密度和抛光时间。电解液温度对抛光效果也有一定的影响，电解过程中由于电流热作用会使溶液温度升高，影响抛光效果。为此，我们采用磁力搅拌器对电解液进行自动搅拌，加快热量散失，降低对抛光效果的影响，同时起到搅拌均匀的目的。

3　实验部分

3.1　实验设备与材料

仪器：火灾物证综合实验台，武警学院自行研制；HY1711-5S双路可跟踪直流稳压电源，淮安亚光电子有限公司生产，可调电压为0～30V，可调电流为0～5A；MS300 Magnetic Stirrer磁力搅拌器（附搅拌子），上海般特仪器有限公司生产；ZEISS Observer A1m金相显微镜。

材料：2.5mm2、4mm2单芯聚氯乙烯铝导线，牙托粉，自凝牙托水，金相砂纸（400#、800#、1000#，1200#、2000#、3000#），高氯酸，乙醇，鳄鱼夹导线，不锈钢极板。

3.2　铝导线熔珠的制备

3.2.1　一次短路熔珠的制备

截取不同线径截面积（2.5mm2和4mm2）的铝导线各两段，每段长约20cm，在火灾物证综合实验台上将两根导线分别与电源的两相连接，电压调至220V，频率50Hz，短路电流180A，将两根导线直接短接，制备一次短路熔珠。

3.2.2　二次短路熔珠的制备

截取同样材料的铝导线各两段，分别与电源的两相连接，将两截导线连同绝缘层绞合在一起。由于纯铝熔点较低，在660℃时即可融化，因此实验通过引燃木屑来模拟火灾环境。将互相铰接的导线置于火焰上方，待绝缘层烧焦脱落后，导线互相接触发生短路，短路后继续置于火焰中5min，取出得到二次短路熔珠。

3.2.3　火烧熔珠的制备

选取同样材料的铝导线，剥去绝缘层，直接置于液化气灶上加热，待导线端部熔融后，取出至室温下冷却，得到火烧熔珠。

3.3　实验方法

将制备好的线端熔珠剪下，但应注意，熔珠需留出足够长的导线本体，以便下一步操作。将制备好的熔珠使用牙托粉和自凝牙托水进行快速镶嵌，镶嵌时应注意使导线本体伸出镶嵌料约2～3cm。将镶嵌好的试样使用金相砂纸进行打磨，电解抛光对试样磨面要求较高，在用400#、800#、1000#和1200#砂纸粗磨之后，需要使用2000#和3000#砂纸细磨，直到试样表面划痕均匀一致时为止。

试样打磨好之后，使用鳄鱼夹导线分别连接稳压电源阳极和伸出镶嵌料的熔珠导线本体。将不锈钢极板与电源阴极用鳄鱼夹导线相连，并将极板置于500mL烧杯中。在烧杯中倒入高氯酸和无水乙醇以1∶9比例混合而成的溶液，放入磁力搅拌子，将烧杯放置在磁力搅拌器上，移动烧杯位置使搅拌子位于烧杯底面中心位置，调节磁力搅拌器，使搅拌子以适宜速度开始转动。

电流和抛光时间是影响抛光效果的关键因素，经过多次尝试，当电流控制在4A左右、时间控制在1min时，抛光效果最好。接通电源后，将与稳压电源阳极相连的试样置于电解液中，手持鳄鱼夹使试样磨面与不锈钢极板平行，二者相距大约为3cm，调节稳压电源的输出电流为4A左右，电解1min左右即可将试样取出。将取出的试样用酒精漂洗，冷风吹干，即可置于显微镜下观察。实验设备的操作与使用如图1所示。

4　实验结果与讨论

图2为线径2.5mm2和线径4mm2铝导线一次短路熔珠、二次短路熔珠和火烧熔珠的电解抛光效果，可以发现，实验过程中电解抛光对铝导线熔珠不仅有抛光效果，同时还具有侵蚀作用。通过电解抛光，不同线径的铝导线熔珠金相组织均清晰地显现了出来。

观察熔珠金相组织形态可以发现，一次短路熔珠金相组织呈现细密的柱状晶，而且晶界不明显，晶粒的生长具有一定的方向性。二次短路熔珠则呈现粗大的柱状晶，没有方向性，同种线径的铝导线，二次短路熔珠金相组织中晶粒明显比一次短路熔珠晶粒粗大。此外，二次短路熔珠金相组织中出现了部分树枝晶，可以观察到少数晶轴的存在。火烧熔珠由于受热时间和凝固过程长，晶粒形态比短路熔珠粗大，树枝晶更加明显，晶轴粗大，不具有方向性。

根据晶粒形核机理可知，冷却速度及过冷度对晶粒尺寸有很大的影响[4]。冷却速度越快，过冷度越大，枝晶臂间距越小，枝晶越细[5]。发生短路时，由于短路瞬间温度极高，短路点导线瞬间熔融，凝固时晶粒以枝晶的形式形核长大。一次短路发生时，环境温度处于常温下，二次短路发生时，环境温度为火场温度，因此一次短路熔珠凝固时过冷度更大，使得熔珠中枝晶呈现细长状，二次短路熔珠枝晶则较为粗大[6]。火烧熔珠受热时间长，而且凝固较慢，因此过冷度小，枝晶粗大。

图3为机械抛光后使用HF酸腐蚀得到的铝导线熔珠金相组织图片，对比可以发现，虽然机械抛光与化学腐蚀也可以得到优质的金相组织显示效果，但是抛光过程对人员的操作水平要求较高，需要一定的操作经验，初学者往往难以达到这一要求，而且侵蚀效果不稳定。电解抛光技术则省去了机械抛光和化学腐蚀过程，只需控制抛光过程中的电流、电压和时间参数即可，参数调节好之后，即可得到稳定、优质的抛光效果。因此，相对传统金相方法而言，电解抛光技术极大地提高了试样观察的效率，降低了操作难度，可以快速地得到优质的试样金相组织照片。

5　结论

通过以上实验结果和分析，可以得出以下结论。

（1）利用电解抛光技术可以出色地显示出铝导线火灾熔痕的金相组织，对比机械抛光与化学腐蚀方法，展现出了巨大的优势。电解抛光技术省去了对操作要求较高的机械抛光过程，极大地提升了金相试样制备的效率，而且操作简单，适合在铝导线火灾金相鉴定中推广使用。

（2）不同线径的铝导线一次短路熔珠呈现细小的柱状晶，晶界不明显，而且具有一定的方向性。二次短路熔珠呈现粗大的柱状晶，晶界明显，没有方向性，而且可以观察到部分树枝晶晶轴的存在。火烧熔珠晶粒比短路熔珠晶粒粗大，晶轴更加明显，晶界清晰。

参考文献

[1] 司戈. 我国电气火灾形势及特点分析[J]. 建筑电气，2013（10）：3-8.

[2] 翁慧燕，李振华. 抛光的几种工艺对比[J]. 机械工程师，2010（6）：28-29.

[3] GB/T 3246. 1—2012[S].

[4] 丁恒敏，白钢印，浦吕春. 过冷工业纯铝枝晶生长的热动力学相场模拟[J]. 热加工工艺，2015，44（2）：54-58.

[5] 孙振宇，聂波，王玉刚，等. 电解原铝液DC铸造6×××系铝合金铸锭的枝晶组织[J]. 轻合金加工技术，2012，40（2）：16-20.

[6] 叶诗茂，王立芬，阳世群，等. 电气火灾中铜导线火烧痕的研究[J]. 理化检验—物理分册，2007，43（5）：226-230.