电磁辅助优化高速钢组织与性能研究进展
叶承欢，张世民，朱守豪，陈湘茹，翟启杰
(上海大学先进凝固技术中心， 上海 200444)
制造业的迅猛发展对高速钢品质提出了更高的要求，对高品质高速钢的需求也逐步提升。高速钢的力学性能主要取决于其微观组织，尤其是其中碳化物的形貌、尺寸、数量、分布。随着物理和材料科学与技术的进步，电磁场在材料制备中的应用受到了冶金与材料工作者的关注，并成为近年来研究的热点。总结了国内外通过外加电磁场改善高速钢微观组织和性能的研究成果，包括利用电磁场调控高速钢凝固组织、优化高速钢热处理微观组织和高速钢刀具服役性能，并展望了这一领域未来研究重点和应用前景。
随着物理、材料、电磁科学等领域的飞速发展，物理场在材料加工领域得到了广泛关注与应用。在金属凝固过程中，通过外加电磁场进行合理的调控，能够起到细化凝固组织、获得理想凝固组织结构的作用。除此之外，电磁场也能影响金属材料的固态相变过程，从而获得特定的微观组织结构。目前，通过电磁场调控金属材料微观组织、改善材料性能已成为国内外热点研究领域。高速钢是一种高碳高合金钢，由于其具有高硬度、良好的耐磨性和红硬性等特点，在工业上主要被用来制作高速切削刀具、航空用高温轴承、高载荷模具等。随着近年来中国制造业的高速发展，现代刀具切削加工技术需要向高效化、精密化发展，因此生产综合性能更优的高品质高速钢具有重要意义。高速钢的性能主要取决于钢中碳化物的种类、形貌、尺寸、数量以及分布情况，只有当碳化物细小弥散地分布于基体中时，才能发挥应有的强化作用。许达等研究发现碳化物分布均匀性与碳化物形貌是影响高速钢韧性的重要因素。碳化物在钢中分布越均匀，钢的韧性越好。在粗大的角状碳化物处容易产生微裂纹，对高速钢韧性的影响很大。CHENG X L等发现，当高速钢中共晶碳化物形态由连续的网状结构转变为破碎的网状与圆球状结构的情况下，高速钢的力学性能得到较大提升。因此，对高速钢微观组织尤其是钢中碳化物进行调控与改善是获得高品质高速钢的关键。本研究总结了电磁场在优化高速钢组织与性能领域的最新成果，重点介绍了凝固、热处理过程中引入电磁场以及磁化处理对高速钢组织与性能的影响，在此基础上展望了该领域后续发展趋势和应用前景。
1)制造业的发展对高速钢的组织和性能提出了更高的要求。电磁场作为材料制备中的一种绿色辅助手段，在改善材料组织和性能方面已经显示出独特的优势并得到广泛应用。对于高速钢而言，电磁场可以影响高速钢的凝固过程，改善成分与组织的均匀性，并从碳化物析出的角度对碳化物进行调控；电磁场还可以在热处理过程中促进一次碳化物分解成二次碳化物，并通过磁化处理改变高速钢微观组织，强化其性能。2)目前对电磁辅助优化高速钢微观组织方面的研究多聚焦于改善碳化物的尺寸和分布，对改变碳化物形貌方面的研究还比较少。碳化物作为一种典型的小平面相，其析出长大后的形貌很大程度上受碳化物相与基体/液相之间界面能的影响，施加电磁场等物理外场能对析出相与基体间的自由能产生影响，从而使改变碳化物形貌成为可能。值得注意的是，研究人员成功地通过镁和稀土变质处理使铸铁中的片状石墨变质为球状。借鉴这一成功案例，电磁场与微量元素复合变质高速钢中的碳化物，可能获得令人意想不到的效果。在各种电磁场中，脉冲电磁场由于瞬时能量密度高、线路负荷小，有望成为今后电磁场在金属材料中应用的热点。龚永勇等对于脉冲磁场在金属凝固过程调控(脉冲磁致振荡技术)中的成功实践，为这一领域的后续研究提供了参考。
