李和平 

(上海寶鋼工業技術服務有限公司,上海 200941) 

摘 要:以碳素結構鋼、合金結構鋼、軸承鋼、彈簧鋼和冷作模具鋼為例,將國標與美國 ASTM 標準和日本JIS標準對金相檢驗項目的要求進行了對比和分析。結果表明:國標對于金相檢驗項 目的要求是最多的;ASTM 標準對金相檢驗項目的要求較少但是具有針對性;JIS標準對金相檢驗 項目的要求彈性較大,主要由買方與制造方協議規定。對比國外標準對應鋼種的金相檢驗項目,采 用體視學方法分析金相檢驗項目的合理性和有效性,可以發現國內鋼鐵標準中的規定已落后于鋼 鐵生產設備和工藝的技術進步,需要參照國外標準進行修改。

 關鍵詞:鋼;金相檢驗;顯微組織;標準 中圖分類號:TG115.21 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)01-0001-04

鋼鐵作為工業生產中的重要原材料,我國的產 量和用量都是世界上最高的。為了保證鋼鐵產品的 質量,會對產品規定一些檢驗分析的指標和要求。 對比國內和國外鋼鐵產品標準會發現,國內標準對 金相檢驗項目的要求比國外標準的多,很多鋼鐵產 業成熟的國家其標準不將金相檢驗作為要求項目, 而是作為協議項目,而國內標準都將其作為要求項 目。針對此現象,筆者以碳素結構鋼、合金結構鋼、 軸承鋼、彈簧鋼和冷作模具鋼為例,對比了國標與美 國 ASTM 標準和日本JIS標準對其金相檢驗項目 的要求,并分析了出現這種差別的原因。

 1 國內外鋼鐵標準對金相檢驗項目要求對比

 國內外鋼鐵標準對于碳素結構鋼、合金結構鋼、軸承鋼、彈簧鋼和冷作模具鋼的金相檢驗項目的要 求不 同,將 國 內 GB/T699-2015《優 質 碳 素 結 構 鋼》、GB/T3077-2015《合金結構鋼》、GB/T18254 -2016《高碳鉻軸承鋼》、GB/T1222-2016《彈簧鋼》、 GB/T1299-2014《工模具鋼》對金相檢驗項目的要 求與美國 ASTM A575:2013StandardSpecification for Steel Bars,Carbon, Merchant Quality, MGrades,ASTM A752:2004Standard Specification forGeneralRequirementsfor WireRodsandCoarse RoundWire,AlloySteel,ASTMA295/A295M:2014 Standard Specification for High-Carbon AntiFrictionBearingSteel,ASTM A1000/A1000M:2017 StandardSpecificationforSteel Wire,Carbonand AlloySpecialtySpringQuality,ASTM A681:2015 StandardSpecificationforToolSteelsAlloy 和日本 JISG4051:2016CarbonSteelsforMachineStructural Use,JIS G 4053:2016 Low-Alloyed Steels for MachineStructural Use,JIS G 4805:2019 High CarbonChromium BearingSteels,JISG4801:2005 SpringSteel,JISG4404:2015AlloyToolSteels對 金相檢驗項目的要求進行對比分析,不同標準的具體 要求如表1所示。 

對于碳素結構鋼,國標要求檢驗低倍組織、夾雜 物、脫碳;ASTM 標準僅要求檢驗晶粒度,而且晶粒 度是指后續熱處理過程中的奧氏體晶粒度,對于無 需做后續熱處理的鋼材則無需檢驗晶粒度,對于要 求細晶 粒 的 鋼 種,如 果 鋼 中 鋁 元 素 含 量 不 低 于 0.020%(質量分數,下同)或酸中溶解鋁元素含量不 低于0.015%則不需要檢驗晶粒度而認為晶粒度合 格;JIS標準對于金相檢驗項目和合格限都由買方 與制造方協議規定(包括脫碳、夾雜物、晶粒度、顯微 組織、低倍、塔形或藍脆斷口檢驗)。對于合金結構 鋼,國標要求檢驗低倍組織并根據買方要求檢驗脫 碳、夾雜物,還可協議規定晶粒度、塔形、顯微組織等 檢驗項目;ASTM 標準僅要求檢驗晶粒度,而且是 在協議有規定時才檢驗;JIS標準對于金相檢驗項 目和合格限都由買方與制造方協議規定(包括脫碳、 夾雜物、晶粒度、顯微組織、低倍、塔形或藍脆斷口檢 驗)。對于軸承鋼,國標要求檢驗低倍組織、斷口、夾 雜物、顯微孔隙、顯微組織、脫碳;ASTM 標準要求 檢驗夾雜物、脫碳、顯微組織、晶粒度(840 ℃淬火晶 粒度),買方可附加低倍等其他檢驗要求;JIS標準 則寫明檢驗脫碳、顯微組織、夾雜物,買方與制造方 還可以協議約定低倍組織檢驗。對于彈簧鋼,國標 要求檢驗低倍組織、脫碳、夾雜物(常規法);ASTM 標準要求檢驗脫碳、夾雜物(只注重不變形夾雜物的 寬度及是否靠近表面,不推薦采用常規夾雜物評定 方法);JIS標準要求檢驗脫碳,并寫明買方事前與 制造方協議檢查項目、試驗方法及合格限,可選的金 相檢驗項目有晶粒度、低倍組織、非金屬夾雜物、塔形或藍脆斷口、脫碳。對于冷作模具鋼,國標要求檢 驗低倍組織、顯微組織、共晶碳化物、脫碳;ASTM 標準要求檢驗低倍組織、脫碳,特殊情況下可以協議 增加夾雜物檢驗并約定合格限;JIS標準要求檢驗 脫碳,且買方與制造方可以協議增加非金屬夾雜物、 顯微組織和低倍檢驗及合格限。 通過對比國內外標準對5種鋼鐵材料金相檢驗 項目的要求,可見國標的要求是最多的,ASTM 標 準的要求少但是有針對性,較合理,JIS標準對金相 檢驗項目的要求彈性最大,主要由買方與制造方協 議規定。 

2 國標對金相檢驗項目要求分析

 為查明不同國家的鋼鐵標準為什么會有這樣顯 著的差別,首先查閱了相關的國標對金相檢驗要求 的演變歷史。GB699-1965《優質碳素結構鋼 鋼號 和一般技術條件》中規定的金相檢驗項目有斷口、低 倍組織、脫碳、夾雜物、顯微組織、淬透性及晶粒度, 比現行的 GB/T699-2015要求的項目還要多。可 見國標要求金相檢驗項目多是制定標準的習慣造成 的,幾十年來,雖然國標經過多次修訂,要求的金相 檢驗項目有所減少,有的標準對于某些項目注明了 制造方能夠保證質量的情況下可以不檢,如 GB/T 18254-2016中規定“供方若能保證退火斷口合格, 可不進行檢驗”,GB/T1222-2016中規定“如供方 能保證低倍組織合格,可采用超聲波檢驗法或其他 無損探傷法代替酸浸低倍檢驗”。說明有一些專家 認識到國標中規定的一些金相檢驗項目是不合理 的,其對保證產品的質量效果不明顯,反而降低了生 產效率,提高了成本。可是因為還有很多專家認為 多一些金相檢驗項目雖然會對生產效率和成本造成 一些損失,但可以更好地保證產品質量,而反對減少 金相檢驗項目,使得國標目前仍然保留著一些不合 理的金相檢驗項目。 要分析國標中的一些金相檢驗項目是否合理、 有效,一方面需要分析從20世紀50~60年代開始 制定鋼鐵產品標準(冶標和國標)到現階段鋼鐵生產 設備、工藝、技術和產品質量水平發生的變化,另一 方面需要通過近幾十年發展起來的體視學理論和方 法分析這些檢驗項目是否能有效保證產品質量。20 世紀50~60年代,國內的鋼鐵生產主要采用模鑄工 藝,采用爐外精煉的產品也不多,而目前連鑄工藝是 主流,爐外精煉技術也已被廣泛采用。 首先模鑄工藝的低倍檢驗作用與連鑄工藝的不 同。對于模鑄鋼錠軋制的鋼坯,低倍檢驗方法可以 有效檢驗縮孔是否切除干凈,因為模鑄鋼錠的縮孔 總是在鋼錠的頭部,模鑄的縮孔中會有鋼渣,如果未 能切除干凈會導致產品報廢。而連鑄的縮孔在連鑄 坯中的位置是隨機的,且縮孔中沒有鋼渣,在后續的 軋制過程中會焊合,不會像模鑄縮孔那樣導致產品 報廢。ASTM 標準對5類鋼鐵產品都沒有要求低 倍檢驗。產品標準中不規定低倍檢驗并不意味著鋼 廠不需要做低倍檢驗,而是表明低倍檢驗的直接目 的不是控制產品質量,而是監測設備和工藝狀況。 具體來說大致可分為兩種情況:一是通過連鑄坯低 倍檢驗監測連鑄設備和工藝狀況是否正常。為此, 應檢驗裂 紋、柱 狀 晶、枝 狀 晶、等 軸 晶 區、縮 孔 (中 孔)、氬氣泡、針孔、急冷層,定期對連鑄坯進行抽檢, 可規定不同班次對不同部位取樣進行檢驗,如早班 取頭部樣,中班取中部樣,夜班取尾部樣。二是對經 過軋制的半成品坯進行低倍檢驗,以對連鑄設備和 工藝 進 行 監 測。 如 果 采 用 類 似 于 ASTM E381: 2017StandardMethodofMacroetchTestingSteel Bars,Billets,Blooms,andForgings中對連鑄產 品的線性和圓形缺陷采用的定量評定方法,可以通 過在半成品甚至成品上的檢驗來部分代替連鑄坯檢 驗,從而降低損耗和成本,同時可評估軋制設備和工 藝是否有問題。應檢驗裂紋、縮孔、中心疏松、一般 疏松、中心偏析、白亮帶、樹枝晶、等軸晶、柱狀晶、夾 渣。上述低倍檢驗不是產品的檢驗項目,不需要每 爐鋼都進行檢驗。 其次沒有爐外精煉工序的鋼與有爐外精煉工序 的鋼中夾雜物含量也有差別。有爐外精煉工序生產 的鋼中硫和氧元素含量會遠遠低于沒有爐外精煉工 序鋼的,夾雜物含量自然會大幅度降低,對于采用爐 外精煉工序生產的鋼按照沒有爐外精煉工序鋼的夾 雜物指標進行檢驗和評判,從保證產品質量的角度 來看顯得比較不合邏輯,且因為鋼鐵產品的國標中 夾雜物檢驗項目和判據參考的是半個世紀前的標 準,實際上是用幾十年前不經精煉的鋼的標準評判 現在經過精煉鋼的純凈度,同樣比較不合理。值得 注意的是雖然有很多實例證明宏觀夾雜物能夠給產 品性能造成嚴重影響,會造成產品報廢甚至引發事 故[1-4],但是這種夾雜物是隨機分布在鋼材中的,采 用常規的金相檢驗方法在試樣檢驗表面發現的概率 極低,所以常規金相檢驗方法檢驗宏觀夾雜物不僅無效,而且通常會得到將不合格產品判為合格的誤 導性檢測報告;常規金相檢驗方法雖然能夠檢出內 生的顯微夾雜物,但是現在經過爐外精煉工序生產 的鋼材中內生夾雜物含量已經很低,通常不會對鋼 材的常規力學性能產生顯著影響,除了軸承鋼等少 數特殊鋼種外,檢驗夾雜物對于產品質量沒有明顯 的貢獻,卻降低了生產效率、增加了成本。 自20世紀50年代SALTYKOVCA [5]發表了 《體視金相學》后,國內學者[6-7]也發表了一系列體視 學專著,介紹了體視學的理論和方法,使得體視學發 展成為一門能夠通過觀測面的測量推算金屬立體空 間中情況的理論和方法。采用體視學方法分析計算 可以證明,對于經爐外精煉、純凈度好的鋼材,采用 常規金相制樣、低倍酸蝕、斷口或者塔形檢驗方法能 夠在試樣表面發現宏觀夾雜物的概率極小[8],即使 檢驗人員非常認真地檢驗試樣觀測面,也會在檢出 1爐鋼的宏觀夾雜物的同時至少會伴隨著999爐有 宏觀夾雜物的鋼未能檢出,所以這些檢驗方法不僅 是無效的,還可能會給相信檢測報告的人造成誤導 (不 合 格 產 品 被 報 告 為 合 格 產 品 的 概 率 超 過99.9%)。 

3 分析與討論

 由表1中標準的金相檢驗項目要求可以看出, ASTM 標準規定的檢驗項目具有針對性,國標的檢 驗項目則沒有根據生產技術和產品質量的提高而進 行改進,JIS標準體現了日本作為鋼鐵技術強國和 出口大國的彈性,其規定的必檢項目甚至比 ASTM 標準的還少,但是可以通過協議添加買方要求的各 種項目。這樣既可以適應向美國等國家出口,又可 滿足中國用戶和標準的要求。 基礎鋼鐵產品的冶標和國標是在20世紀50~ 60年代陸續制定出來的,當時國內的鋼鐵生產技術 還比較落后,對產品質量的控制能力較弱,因此把保 證質量的希望寄托在產品檢驗上,在當時的情況下 規定較多的金相高、低倍檢驗項目是可以理解的,至 少采用低倍方法來檢驗模鑄鋼縮孔殘余是否被切除 干凈是有效的。但是半個多世紀之后的今天,鋼鐵 生產設備、工藝和技術已經有了巨大的進步,全面質 量管理的理論已經明確了產品質量不能靠事后檢驗 來保證。 體視學理論提供了分析金相高、低倍檢驗方法 有效性的理論和方法。國內鋼鐵標準的相關技術人 員需要審視相關標準規定的金相檢驗項目的合理性 和有效性,并在修訂的時候參照國外相應標準刪除 無效的、甚至會誤導的檢驗項目,因為這些檢驗項目 會降低生產效率,提高生產成本,而這種無效的成本 最終是要由生產企業包括買方來承擔的。另一方 面,國標中的這些不合理規定長期得不到糾正,會暴 露出國內在標準制、修訂管理體制方面的缺陷,在國 際上顯示出標準制定水平的差距。

 4 結論 

國標對于鋼鐵產品金相檢驗項目的要求是最多 的;ASTM 標準對金相檢驗項目的要求較少但是具 有針對性;JIS標準對金相檢驗項目的要求彈性較 大,主要由買方與制造方協議規定。對照國外標準 對應鋼種的金相檢驗項目,采用體視學方法對金相 檢驗項目的合理性和有效性進行分析,發現國內鋼 鐵標準的規定已落后于鋼鐵生產設備和工藝的技術 進步,需要參照國外相應標準進行修改。

來源：材料與測試網