李和平

(上海宝钢工业技术服务有限公司,上海 200941)

摘 要:以碳素结构钢、合金结构钢、轴承钢、弹簧钢和冷作模具钢为例,将国标与美国 ASTM 标准和日本JIS标准对金相检验项目的要求进行了对比和分析。结果表明:国标对于金相检验项 目的要求是最多的;ASTM 标准对金相检验项目的要求较少但是具有针对性;JIS标准对金相检验 项目的要求弹性较大,主要由买方与制造方协议规定。对比国外标准对应钢种的金相检验项目,采 用体视学方法分析金相检验项目的合理性和有效性,可以发现国内钢铁标准中的规定已落后于钢 铁生产设备和工艺的技术进步,需要参照国外标准进行修改。

关键词:钢;金相检验;显微组织;标准 中图分类号:TG115.21 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)01-0001-04

钢铁作为工业生产中的重要原材料,我国的产 量和用量都是世界上最高的。为了保证钢铁产品的 质量,会对产品规定一些检验分析的指标和要求。 对比国内和国外钢铁产品标准会发现,国内标准对 金相检验项目的要求比国外标准的多,很多钢铁产 业成熟的国家其标准不将金相检验作为要求项目, 而是作为协议项目,而国内标准都将其作为要求项 目。针对此现象,笔者以碳素结构钢、合金结构钢、 轴承钢、弹簧钢和冷作模具钢为例,对比了国标与美 国 ASTM 标准和日本JIS标准对其金相检验项目 的要求,并分析了出现这种差别的原因。

1 国内外钢铁标准对金相检验项目要求对比

国内外钢铁标准对于碳素结构钢、合金结构钢、轴承钢、弹簧钢和冷作模具钢的金相检验项目的要 求不 同,将 国 内 GB/T699-2015《优 质 碳 素 结 构 钢》、GB/T3077-2015《合金结构钢》、GB/T18254 -2016《高碳铬轴承钢》、GB/T1222-2016《弹簧钢》、 GB/T1299-2014《工模具钢》对金相检验项目的要 求与美国 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对 金相检验项目的要求进行对比分析,不同标准的具体 要求如表1所示。

对于碳素结构钢,国标要求检验低倍组织、夹杂 物、脱碳;ASTM 标准仅要求检验晶粒度,而且晶粒 度是指后续热处理过程中的奥氏体晶粒度,对于无 需做后续热处理的钢材则无需检验晶粒度,对于要 求细晶 粒 的 钢 种,如 果 钢 中 铝 元 素 含 量 不 低 于 0.020%(质量分数,下同)或酸中溶解铝元素含量不 低于0.015%则不需要检验晶粒度而认为晶粒度合 格;JIS标准对于金相检验项目和合格限都由买方 与制造方协议规定(包括脱碳、夹杂物、晶粒度、显微 组织、低倍、塔形或蓝脆断口检验)。对于合金结构 钢,国标要求检验低倍组织并根据买方要求检验脱 碳、夹杂物,还可协议规定晶粒度、塔形、显微组织等 检验项目;ASTM 标准仅要求检验晶粒度,而且是 在协议有规定时才检验;JIS标准对于金相检验项 目和合格限都由买方与制造方协议规定(包括脱碳、 夹杂物、晶粒度、显微组织、低倍、塔形或蓝脆断口检 验)。对于轴承钢,国标要求检验低倍组织、断口、夹 杂物、显微孔隙、显微组织、脱碳;ASTM 标准要求 检验夹杂物、脱碳、显微组织、晶粒度(840 ℃淬火晶 粒度),买方可附加低倍等其他检验要求;JIS标准 则写明检验脱碳、显微组织、夹杂物,买方与制造方 还可以协议约定低倍组织检验。对于弹簧钢,国标 要求检验低倍组织、脱碳、夹杂物(常规法);ASTM 标准要求检验脱碳、夹杂物(只注重不变形夹杂物的 宽度及是否靠近表面,不推荐采用常规夹杂物评定 方法);JIS标准要求检验脱碳,并写明买方事前与 制造方协议检查项目、试验方法及合格限,可选的金 相检验项目有晶粒度、低倍组织、非金属夹杂物、塔形或蓝脆断口、脱碳。对于冷作模具钢,国标要求检 验低倍组织、显微组织、共晶碳化物、脱碳;ASTM 标准要求检验低倍组织、脱碳,特殊情况下可以协议 增加夹杂物检验并约定合格限;JIS标准要求检验 脱碳,且买方与制造方可以协议增加非金属夹杂物、 显微组织和低倍检验及合格限。 通过对比国内外标准对5种钢铁材料金相检验 项目的要求,可见国标的要求是最多的,ASTM 标 准的要求少但是有针对性,较合理,JIS标准对金相 检验项目的要求弹性最大,主要由买方与制造方协 议规定。

2 国标对金相检验项目要求分析

为查明不同国家的钢铁标准为什么会有这样显 著的差别,首先查阅了相关的国标对金相检验要求 的演变历史。GB699-1965《优质碳素结构钢 钢号 和一般技术条件》中规定的金相检验项目有断口、低 倍组织、脱碳、夹杂物、显微组织、淬透性及晶粒度, 比现行的 GB/T699-2015要求的项目还要多。可 见国标要求金相检验项目多是制定标准的习惯造成 的,几十年来,虽然国标经过多次修订,要求的金相 检验项目有所减少,有的标准对于某些项目注明了 制造方能够保证质量的情况下可以不检,如 GB/T 18254-2016中规定“供方若能保证退火断口合格, 可不进行检验”,GB/T1222-2016中规定“如供方 能保证低倍组织合格,可采用超声波检验法或其他 无损探伤法代替酸浸低倍检验”。说明有一些专家 认识到国标中规定的一些金相检验项目是不合理 的,其对保证产品的质量效果不明显,反而降低了生 产效率,提高了成本。可是因为还有很多专家认为 多一些金相检验项目虽然会对生产效率和成本造成 一些损失,但可以更好地保证产品质量,而反对减少 金相检验项目,使得国标目前仍然保留着一些不合 理的金相检验项目。 要分析国标中的一些金相检验项目是否合理、 有效,一方面需要分析从20世纪50~60年代开始 制定钢铁产品标准(冶标和国标)到现阶段钢铁生产 设备、工艺、技术和产品质量水平发生的变化,另一 方面需要通过近几十年发展起来的体视学理论和方 法分析这些检验项目是否能有效保证产品质量。20 世纪50~60年代,国内的钢铁生产主要采用模铸工 艺,采用炉外精炼的产品也不多,而目前连铸工艺是 主流,炉外精炼技术也已被广泛采用。 首先模铸工艺的低倍检验作用与连铸工艺的不 同。对于模铸钢锭轧制的钢坯,低倍检验方法可以 有效检验缩孔是否切除干净,因为模铸钢锭的缩孔 总是在钢锭的头部,模铸的缩孔中会有钢渣,如果未 能切除干净会导致产品报废。而连铸的缩孔在连铸 坯中的位置是随机的,且缩孔中没有钢渣,在后续的 轧制过程中会焊合,不会像模铸缩孔那样导致产品 报废。ASTM 标准对5类钢铁产品都没有要求低 倍检验。产品标准中不规定低倍检验并不意味着钢 厂不需要做低倍检验,而是表明低倍检验的直接目 的不是控制产品质量,而是监测设备和工艺状况。 具体来说大致可分为两种情况:一是通过连铸坯低 倍检验监测连铸设备和工艺状况是否正常。为此, 应检验裂 纹、柱 状 晶、枝 状 晶、等 轴 晶 区、缩 孔 (中 孔)、氩气泡、针孔、急冷层,定期对连铸坯进行抽检, 可规定不同班次对不同部位取样进行检验,如早班 取头部样,中班取中部样,夜班取尾部样。二是对经 过轧制的半成品坯进行低倍检验,以对连铸设备和 工艺 进 行 监 测。 如 果 采 用 类 似 于 ASTM E381: 2017StandardMethodofMacroetchTestingSteel Bars,Billets,Blooms,andForgings中对连铸产 品的线性和圆形缺陷采用的定量评定方法,可以通 过在半成品甚至成品上的检验来部分代替连铸坯检 验,从而降低损耗和成本,同时可评估轧制设备和工 艺是否有问题。应检验裂纹、缩孔、中心疏松、一般 疏松、中心偏析、白亮带、树枝晶、等轴晶、柱状晶、夹 渣。上述低倍检验不是产品的检验项目,不需要每 炉钢都进行检验。其次没有炉外精炼工序的钢与有炉外精炼工序 的钢中夹杂物含量也有差别。有炉外精炼工序生产 的钢中硫和氧元素含量会远远低于没有炉外精炼工 序钢的,夹杂物含量自然会大幅度降低,对于采用炉 外精炼工序生产的钢按照没有炉外精炼工序钢的夹 杂物指标进行检验和评判,从保证产品质量的角度 来看显得比较不合逻辑,且因为钢铁产品的国标中 夹杂物检验项目和判据参考的是半个世纪前的标 准,实际上是用几十年前不经精炼的钢的标准评判 现在经过精炼钢的纯净度,同样比较不合理。值得 注意的是虽然有很多实例证明宏观夹杂物能够给产 品性能造成严重影响,会造成产品报废甚至引发事 故[1-4],但是这种夹杂物是随机分布在钢材中的,采 用常规的金相检验方法在试样检验表面发现的概率 极低,所以常规金相检验方法检验宏观夹杂物不仅无效,而且通常会得到将不合格产品判为合格的误 导性检测报告;常规金相检验方法虽然能够检出内 生的显微夹杂物,但是现在经过炉外精炼工序生产 的钢材中内生夹杂物含量已经很低,通常不会对钢 材的常规力学性能产生显著影响,除了轴承钢等少 数特殊钢种外,检验夹杂物对于产品质量没有明显 的贡献,却降低了生产效率、增加了成本。 自20世纪50年代SALTYKOVCA [5]发表了 《体视金相学》后,国内学者[6-7]也发表了一系列体视 学专著,介绍了体视学的理论和方法,使得体视学发 展成为一门能够通过观测面的测量推算金属立体空 间中情况的理论和方法。采用体视学方法分析计算 可以证明,对于经炉外精炼、纯净度好的钢材,采用 常规金相制样、低倍酸蚀、断口或者塔形检验方法能 够在试样表面发现宏观夹杂物的概率极小[8],即使 检验人员非常认真地检验试样观测面,也会在检出 1炉钢的宏观夹杂物的同时至少会伴随着999炉有 宏观夹杂物的钢未能检出,所以这些检验方法不仅 是无效的,还可能会给相信检测报告的人造成误导 (不 合 格 产 品 被 报 告 为 合 格 产 品 的 概 率 超 过99.9%)。

3 分析与讨论

由表1中标准的金相检验项目要求可以看出, ASTM 标准规定的检验项目具有针对性,国标的检 验项目则没有根据生产技术和产品质量的提高而进 行改进,JIS标准体现了日本作为钢铁技术强国和 出口大国的弹性,其规定的必检项目甚至比 ASTM 标准的还少,但是可以通过协议添加买方要求的各 种项目。这样既可以适应向美国等国家出口,又可 满足中国用户和标准的要求。 基础钢铁产品的冶标和国标是在20世纪50~ 60年代陆续制定出来的,当时国内的钢铁生产技术 还比较落后,对产品质量的控制能力较弱,因此把保 证质量的希望寄托在产品检验上,在当时的情况下 规定较多的金相高、低倍检验项目是可以理解的,至 少采用低倍方法来检验模铸钢缩孔残余是否被切除 干净是有效的。但是半个多世纪之后的今天,钢铁 生产设备、工艺和技术已经有了巨大的进步,全面质 量管理的理论已经明确了产品质量不能靠事后检验 来保证。 体视学理论提供了分析金相高、低倍检验方法 有效性的理论和方法。国内钢铁标准的相关技术人 员需要审视相关标准规定的金相检验项目的合理性 和有效性,并在修订的时候参照国外相应标准删除 无效的、甚至会误导的检验项目,因为这些检验项目 会降低生产效率,提高生产成本,而这种无效的成本 最终是要由生产企业包括买方来承担的。另一方 面,国标中的这些不合理规定长期得不到纠正,会暴 露出国内在标准制、修订管理体制方面的缺陷,在国 际上显示出标准制定水平的差距。

4 结论

国标对于钢铁产品金相检验项目的要求是最多 的;ASTM 标准对金相检验项目的要求较少但是具 有针对性;JIS标准对金相检验项目的要求弹性较 大,主要由买方与制造方协议规定。对照国外标准 对应钢种的金相检验项目,采用体视学方法对金相 检验项目的合理性和有效性进行分析,发现国内钢 铁标准的规定已落后于钢铁生产设备和工艺的技术 进步,需要参照国外相应标准进行修改。

来源：材料与测试网