國標、ASTM標準及JIS標準對幾種典型鋼鐵產品金相檢驗項目要求的對比分析

李和平

(上海寶鋼工業(yè)技術服務有限公司, 上海 200941)

鋼鐵作為工業(yè)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(guī)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(fā)現(xiàn)，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(yè)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(xié)議項目，而國內標準都將其作為要求項目。針對此現(xiàn)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(xiàn)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/T 699-2015《優(yōu)質碳素結構鋼》、GB/T 3077-2015《合金結構鋼》、GB/T 18254-2016《高碳鉻軸承鋼》、GB/T 1222-2016《彈簧鋼》、GB/T 1299-2014《工模具鋼》對金相檢驗項目的要求與美國ASTM A575：2013StandardSpecificationforSteelBars,Carbon,MerchantQuality,M-Grades, ASTM A752:2004StandardSpecificationforGeneralRequirementsforWireRodsandCoarseRoundWire,AlloySteel, ASTM A295/A295M:2014StandardSpecificationforHigh-CarbonAnti-FrictionBearingSteel, ASTM A1000/A1000M:2017StandardSpecificationforSteelWire,CarbonandAlloySpecialtySpringQuality, ASTM A681:2015StandardSpecificationforToolSteelsAlloy和日本JIS G 4051:2016CarbonSteelsforMachineStructuralUse, JIS G 4053:2016Low-AlloyedSteelsforMachineStructuralUse, JIS G 4805:2019HighCarbonChromiumBearingSteels, JIS G 4801:2005SpringSteel, JIS G 4404:2015AlloyToolSteels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。

表1 國內外標準對金相檢驗項目的要求Tab.1 Requirements for metallographic examination item in domestic and foreign standards

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(xù)熱處理過程中的奧氏體晶粒度，對于無需做后續(xù)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(shù)，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(xié)議規(guī)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(jù)買方要求檢驗脫碳、夾雜物，還可協(xié)議規(guī)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(xié)議有規(guī)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(xié)議規(guī)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(xié)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(guī)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(guī)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(xié)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(xié)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(xié)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(xié)議規(guī)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。GB 699-1965《優(yōu)質碳素結構鋼 鋼號和一般技術條件》中規(guī)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(xiàn)行的GB/T 699-2015要求的項目還要多?？梢妵鴺艘蠼鹣鄼z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(guī)定“供方若能保證退火斷口合格，可不進行檢驗”，GB/T 1222-2016中規(guī)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(guī)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?？墒且驗檫€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(xiàn)階段鋼鐵生產設備、工藝、技術和產品質量水平發(fā)生的變化，另一方面需要通過近幾十年發(fā)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(xù)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(guī)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(jiān)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(jiān)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(qū)、縮孔(中孔)、氬氣泡、針孔、急冷層，定期對連鑄坯進行抽檢，可規(guī)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(jiān)測。如果采用類似于ASTM E381：2017StandardMethodofMacroetchTestingSteelBars,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(jù)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(xiàn)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(fā)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(guī)的金相檢驗方法在試樣檢驗表面發(fā)現(xiàn)的概率極低，所以常規(guī)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(guī)金相檢驗方法雖然能夠檢出內生的顯微夾雜物，但是現(xiàn)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(guī)力學性能產生顯著影響，除了軸承鋼等少數(shù)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SALTYKOV C A[5]發(fā)表了《體視金相學》后，國內學者[6-7]也發(fā)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(fā)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(guī)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(fā)現(xiàn)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(guī)定的檢驗項目具有針對性，國標的檢驗項目則沒有根據(jù)生產技術和產品質量的提高而進行改進，JIS標準體現(xiàn)了日本作為鋼鐵技術強國和出口大國的彈性，其規(guī)定的必檢項目甚至比ASTM標準的還少，但是可以通過協(xié)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(xù)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(guī)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(guī)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(yè)包括買方來承擔的。另一方面，國標中的這些不合理規(guī)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(xié)議規(guī)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(fā)現(xiàn)國內鋼鐵標準的規(guī)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。