CN101978087A

CN101978087A - 由钢合金制成的刀片

Info

Publication number: CN101978087A
Application number: CN2009801092826A
Authority: CN
Inventors: 卡里·维赫马; 约翰·努尔贝里
Original assignee: Metso Paper Oy
Current assignee: Valmet Technologies Oy
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2011-02-16
Also published as: EP2268842A4; FI123898B; FI20085236L; US8398009B2; EP2268842A1; WO2009115647A1; CN104745945A; US20110024540A1; FI20085236A0

Abstract

本发明涉及一种通过铸造由钢合金制成的磨浆机刀片或分散机刀片。所述合金包括以重量百分比表示的：0.6至4wt-％的碳(C)，0.5至1.5wt-％的硅(Si)，0.4至.1.5wt-％的锰(Mn)，12至28wt-％的铬(Cr)，4至12wt-％的铌(Nb)以及铁(Fe)。

Description

由钢合金制成的刀片

技术领域

本发明涉及一种如所附权利要求1的前序部分所述的由钢合金制成的刀片。更具体地，本发明涉及一种磨浆机(refiner)或分散机(disperser)的刀片。

背景技术

不锈钢是铬含量大于12wt-％的钢。由于在钢表面上形成了氧化铬层并保护下面的钢使不受侵蚀，不锈钢的耐腐蚀性良好。通过改变钢的组成，即合金元素和它们的量，可以调节不锈钢的晶体结构。不同的晶体结构导致钢的不同特性。

不锈钢的一种晶体结构是马氏体晶体结构。当钢合金被快速冷却且碳没有时间离开奥氏体钢的间隙位置(interstitial site)以及晶体结构通过相变变成马氏体时，可得到马氏体晶体结构。马氏体钢是硬度最高且强度最大的钢类型中的一种。此外，其延性最小，即具有马氏体晶体结构的钢是最脆的钢类型中的一种。然而，这种钢具有优良的抗磨性，主要归因于由铬和碳形成的硬质的碳化物以及强度很大的马氏体基体。

通过增加钢合金的碳含量，使提高结构中碳化铬的含量，可以提高马氏体不锈钢的抗磨性。然而，碳含量不能无限地增加，因为当合金的碳含量增加时，其冲击延性(impact ductility)会降低。这是因为当钢凝固时，碳化铬会从最终的熔融物分离出来，其中在结构中形成有碳化物晶格。在钢产品中产生的断裂易于沿又硬又脆的碳化物晶格一直延伸遍及整个结构。结构中碳化铬的含量越大，断裂越容易产生和延伸。

本发明的应用领域包括机械磨浆机(mechanical pulp refiner)、低浓磨浆机(low consistency refiner)、纤维板磨浆机(fibreboard refiner)和分散机的刀片。这些刀片可以由两个或更多个对置的转动的对称铸件构成，该铸件的形状为板状、圆柱形或锥形或者这些刀片形状的组合。另选地，所述刀片可以由更小的部件(例如圆环、圆锥或圆柱的一部分，它们组合成转动的对称刀片面)形成。

待相互配置的磨浆机和分散机的刀片的面由刀片杆(blade bar)和凹槽(grooves)构成。在磨浆期间，供料至磨浆机刀片之间的浆料悬浮液或木材片在刀片之间越过磨浆机刀片被引导至供料端的对面，并从那里继续进行工艺。

磨浆机刀片在研磨过程中始终处于磨损(constant abrasion)中。此外，存在于磨浆机刀片之间的外来颗粒(例如沙、玻璃和金属或纸填料)会缩短刀片的寿命。

当前，磨浆机刀片由碳含量为低、中、高的钢合金制造。例如在公开号为WO 01/68260的专利文献和申请号为EP 1507023的专利文献中已经公开了高碳含量钢合金。这些具有中碳含量且特别是高碳含量的马氏体不锈钢的缺陷在于，它们的碳化铬含量较高，导致形成均匀且厚的碳化物晶格并由此导致冲击延性较低且结构较脆。高碳钢的问题本质上大于碳化铬含量较小的低碳钢，其中未形成均匀的碳化物晶格或碳化物晶格保持很薄。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种由抗磨性和冲击延性高的钢合金制成的磨浆机刀片或分散机刀片。

为了实现此目的，本发明的磨浆机刀片或分散机刀片的主要特征在于如独立权利要求1的特征部分所述的。

其它的从属权利要求示出了本发明的一些优选实施方式。

本发明的基本构思是，为了提高高碳含量钢的抗磨性，添加可在早期和/或在凝固期间从熔融物中扩散出来的碳化物前体(carbide former)。因此，形成的碳化物不会形成类晶格结构，从而不会降低材料的冲击延性。选择碳化物前体，从而使生产的碳化物的硬度尽可能大。此外，其与氧的亲和性必须很小，其中其氧化不会使铸造变得复杂。适应此目的的碳化物前体是铌。

使用铌作为形成马氏体结构时用作磨浆机刀片材料的钢合金中的碳化物前体，可以提高磨浆机刀片的抗磨性而同时不会降低磨浆机刀片的冲击延性。

因此，重要的是用碳化铌代替碳化铬。在本发明的解决方案中，生成碳化铌以代替碳化铬晶格，且在该结构中碳化铌的分布基本不会削弱结构的延性。碳化铌比碳化铬更硬，因此同时提高了抗磨性。通过优化本发明的钢组成，可以用碳化铌代替碳化铬晶格。

在通过铸造制造刀片的工艺中，碳化铌在一个优选实施方式中均匀分布在结构中。

通过具有如下化学组成(以重量百分比表示)的钢合金实现上述目的和优点：

C为0.6-4wt-％，优选为0.8-3.5wt-％，最优选为1.0-3.2wt-％；

Si为0.5至1.5wt-％，优选为0.8至1.0wt-％；

Mn为0.4至1.5wt-％，优选为0.7至0.8wt-％；

Cr为12至28wt-％，优选为13至26wt-％，最优选为14至24wt-％；

Nb为4至12wt-％，优选为4.5至10wt-％，最优选为5.0至8.0wt-％；

剩余部分由Fe(以及可能的杂质)构成。

上述化学组成也可以如下所示：

碳(C)含量至少为0.6wt-％，优选至少为0.8wt-％，最优选至少为1.0wt-％。碳含量不多于4wt-％，优选不多于3.5wt-％，最优选不多于3.2wt-％。

硅含量至少为0.5wt-％，优选至少为0.8wt-％。硅含量不多于1.5wt-％，优选不多于1.0wt-％。

锰(Mn)含量至少为0.4wt-％，优选至少为0.7wt-％。锰含量不多于1.5wt-％，优选不多于0.8wt-％。

铬(Cr)含量至少为12wt-％，优选至少为13wt-％，最优选至少为14wt-％。铬含量不多于28wt-％，优选不多于26wt-％，最优选不多于24wt-％。

为了确保材料的耐腐蚀性，铬/碳比(Cr/C)至少为7。如果可以接受较低的耐腐蚀性，则铬/碳比可以更小。

铌(Nb)含量至少为4wt-％，优选至少为4.5wt-％，最优选至少为5.0wt-％。铌含量不多于12wt-％，优选不多于10wt-％，最优选不多于8wt-％。

以上已经列出了钢合金的必要元素。除了它们之外，合金在通常的情况下可能含有杂质。钢合金也可以含有镍和/或钼。

如果钢合金含有镍，则镍的含量不多于2.5wt-％，优选为0.5至2.2wt-％，最优选为1.0至2.0wt-％。因此，钢合金含有至少0.5wt-％的镍，最优选含有至少1.0wt-％的镍。钢合金含有的镍不多于2.5wt-％，优选不多于2.2wt-％，最优选不多于2.0wt-％。

如果钢合金含有钼，则钼的含量不多于2.0wt-％，优选为0.2至1.5wt-％，最优选为0.3至0.9wt-％。因此，钢合金含有至少0.2wt-％的钼，最优选含有至少0.3wt-％的钼。钢合金含有的钼不多于2.0wt-％，优选不多于1.5wt-％，最优选不多于0.9wt-％。

附图说明

在下文中，参照附图详细说明本发明的优选实施方式，其中

图1示出了现有技术的钢合金和本发明的钢合金的抗磨性与延性的函数关系；

图2是可以由合金制造的磨浆机刀片片段的平面图；以及

图3示出了可以由合金制造的锥形分散机刀片，定子位于左侧而转子位于右侧。

具体实施方式

在本说明书和权利要求书中，术语铸造表示将熔融钢合金浇注入注浆模中，冷却时在该注浆模中凝固。冷却下来后，熔融合金将具有由注浆模限定的形状，其包括刀片面构造例如刀片杆和凹槽或任意有齿的形状。马氏体不锈钢是指具有马氏体晶体结构且铬含量高于12wt-％的钢级。因此，磨浆机刀片或分散机刀片的材料是马氏体不锈钢。

以下将示出本发明的马氏体不锈钢的成分的量，它们的相互作用以及组分的量的范围。所有合金百分比以重量给出。

碳(C)

碳对钢的硬度、强度、冲击延性和抗磨性有影响。其对钢的耐腐蚀性也有影响。合金必须含有至少约0.6wt-％的碳。合金含有的碳必须不多于4wt-％。根据磨浆机的应用领域和/或刀片的型号，合金的碳含量有利地约为0.8至3.5wt-％，优选为1.0至3.2wt-％(包括该范围的上限和下限)。

还可以表示为，合金中的碳含量小于4wt-％，碳含量优选可以为大于0.8wt-％但小于3.5wt-％。最优选的碳含量可以为大于1.0wt-％但小于3.2wt-％。

硅(Si)

硅用于在熔融物制备期间进行脱氧(desoxidation)。合金必须含有至少约0.5wt-％的硅。然而，合金含有的硅不应大于约1.5wt-％。合金的最佳硅含量约为0.8至1.0wt-％，包括该范围的上限和下限。还可以表示为，合金的硅含量大于0.5wt-％且小于1.5wt-％，最佳的硅含量大于0.8wt-％且小于1.0wt-％。

锰(Mn)

锰用于在熔融物制备期间进行脱氧。合金必须含有至少约0.4wt-％的锰。锰含量限制为最大约1.5wt-％。合金的最佳锰含量约为0.7至0.8wt-％，包括该范围的上限和下限。还可以表示为，合金的锰含量大于0.5wt-％且小于1.5wt-％，最佳的锰含量大于0.7wt-％且小于0.8wt-％。

铬(Cr)

铬是对于耐腐蚀性有影响以及与碳一起对于抗磨性有影响的重要元素。合金必须含有至少约12wt-％的铬。然而，合金含有的铬不应大于约28wt-％。根据磨浆机的应用领域和/或刀片的型号，合金的铬含量有利地约为13至26wt-％，优选为14至24wt-％(包括该范围的上限和下限)。还可以表示为，合金的铬含量大于12wt-％且小于28wt-％。此外，铬含量优选大于13wt-％但小于26wt-％，最优选的铬含量为大于14wt-％但小于24wt-％。

镍(Ni)

镍会增强钢的延性。根据磨浆机的应用领域和/或刀片的型号来使用镍。当使用镍时，镍含量必须不多于2.5wt-％，优选为0.5至2.2wt-％，最优选为1.0至2.0wt-％，包括该范围的上限和下限。还可以表示为，镍含量小于2.5wt-％。此外，镍含量有利地大于0.5wt-％但小于2.2wt-％，镍含量最优选为大于1.0wt-％但小于2.0wt-％。

钼(Mo)

钼可提高钢在氧化条件下的耐腐蚀性。根据磨浆机的应用领域和/或刀片的型号来使用钼。当使用钼时，钼含量必须不多于2.0wt-％，优选为0.2至1.5wt-％，最优选为0.3至0.9wt-％，包括该范围的上限和下限。还可以表示为，合金的钼含量小于2.0wt-％，优选大于0.2wt-％但小于1.5wt-％，最优选大于0.3wt-％但小于0.9wt-％。

铌(Nb)

铌与碳一起易于形成碳化铌。碳化铌的形成可提高抗磨性而基本上不会削弱延性。铌也会减小碳化铬的成形，其中钢合金含有更多自由铬，其可提高钢的耐腐蚀性。合金必须含有至少约4wt-％的铌。然而，合金含有的铌不应大于约12wt-％。优选地，铌含量为4.5至10wt-％，最优选为5.0至8.0wt-％。还可以表示为，合金的铌含量不多于4wt-％，优选大于4.5wt-％但小于10wt-％，最优选大于5.0wt-％但小于8.0wt-％。

在刀片的制造期间，碳化铌首先从熔融物分离出并作为分离的颗粒均匀地保持在结构中且不会形成类晶格结构，这提高了合金的冲击延性。

铬/碳比对于刀片的耐腐蚀性十分重要。碳化铌减少了碳化铬的形成并提供更多能够溶解在合金中的自由铬。如果不存在钼，则铬/碳比优选至少为7。即使存在有钼，Cr/C比可以至少为7。钼还可以用于增强耐腐蚀性。

除了以上提到的组分，钢合金基本上不含有除了铁(Fe)之外其它有意添加的组分。此外，合金可以含有少量基本上不会影响钢特性的杂质。

表1示出了当成分的量从上述下限开始增加时对于材料特性的最重要的影响：

表1.成分对于材料特性的影响。

元素	wt-％的变化	延性	抗磨性	耐腐蚀性
					C	+	-	+	-
Cr	+	(+)	(+)	+
					Nb	+	+	+	(+)

符号说明：

+增加

-减小

(+)一定程度的增加

从表1可见，增加钢合金中的碳含量会降低钢的延性和耐腐蚀性。同时，提高抗磨性。增加铬的量则特别地提高了耐腐蚀性。增加铌可提高延性、抗磨性和耐腐蚀性。

图1示出了与现有技术的钢合金W0D0相比钢合金特性的变化。

由于新的合金，使可以实质地得到更好的延性而不会降低抗磨性(例如附图所示的新的钢合金W0D1)，或者可选地实质的得到更好的耐腐蚀性而不会降低延性(例如附图所示的新的钢合金W1D0)，或者实质地得到更好的延性和抗磨性。换句话说，为了得到最佳的特性，可以沿由点W0D1和W1D0限定的直线移动。本发明可以特别地用于需要提高抗磨性但不会降低延性的目标。

所进行的试验和得到的结果的说明

进行试验的钢是以生产规模以熔融物成批制得的。进行试验的钢铸造成磨浆机刀片，在测量它们的硬度之前以及在磨浆试验之前对该磨浆机刀片进行热处理。表2中示出了磨浆机刀片的化学组成。除了在表中示出的元素，钢只包含铁和杂质。

表2.磨浆机刀片的组成，wt-％

表2中示出的磨浆机刀片适用于多种磨浆机应用领域。不同的磨浆机应用领域需要延性与抗磨性的不同组合。根据表2选择钢合金的成分，可以使刀片的特性改变为适于在特殊的应用领域中使用。

钢1主要用于制造用于纤维板磨浆机的刀片。通过在表2示出的可选方案之中选择钢合金的成分，这种钢具有最好的抗磨性。这种刀片的硬度很高，为60-64HRC。

钢2主要用于制造用于分散机和机械磨浆机的刀片。这种钢的延性比钢1更好。

钢3主要用于制造用于低浓磨浆机的刀片。这种钢的延性在表2示出的所有可选方案中最好。

本发明不应限制为以上作为示例示出的实施方式，而是应在所附权利要求限定的发明构思的保护范围内广泛地使用本发明。

Claims

1.一种通过铸造由钢合金制成的磨浆机刀片或分散机刀片，其特征在于所述合金的组成包括以重量百分比表示的：

0.6至4wt-％的碳(C)、0.5至1.5wt-％的硅(Si)、0.4至1.5wt-％的锰(Mn)、12至28wt-％的铬(Cr)、4至12wt-％的铌(Nb)以及铁(Fe)。

2.如权利要求1所述的刀片，其特征在于铬/碳比至少为7。

3.如权利要求1或2所述的刀片，其特征在于其还含有不多于2.5wt-％的镍(Ni)。

4.如权利要求1、2或3所述的刀片，其特征在于其还含有不多于2.0wt-％的钼(Mo)。

5.如权利要求1或2所述的刀片，其特征在于其含有2.6至3.2wt-％的碳，0.7至1.3wt-％的硅，0.5至1.1wt-％的锰，21至25wt-％的铬，0.0至1.0wt-％的钼，4至6wt-％的铌，其余是铁和杂质。

6.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于其含有1.8至2.4wt-％的碳，0.5至1.1wt-％的硅，0.4至1.0wt-％的锰，15至19wt-％的铬，1.2至1.8wt-％的镍，0.0至1.0wt-％的钼，4至7wt-％的铌，其余是铁和杂质。

7.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于其含有1.0至1.6wt-％的碳，0.5至1.1wt-％的硅，0.4至1.0wt-％的锰，13至17wt-％的铬，1.2至1.8wt-％的镍，0.3至1.0wt-％的钼，5至8wt-％的铌，其余是铁和杂质。

8.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有至少0.8wt-％的碳。

9.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有至少1.0wt-％的碳。

10.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有不多于3.5wt-％的碳。

11.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有不多于3.2wt-％的碳。

12.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有至少0.8wt-％的硅。

13.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有不多于1.0wt-％的硅。

14.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有至少0.7wt-％的锰。

15.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有不多于0.8wt-％的锰。

16.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有至少13wt-％的铬。

17.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有至少14wt-％的铬。

18.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有不多于26wt-％的铬。

19.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有不多于24wt-％的铬。

20.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有至少4.5wt-％的铌。

21.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有至少5.0wt-％的铌。

22.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有不多于10wt-％的铌。

23.如前述权利要求1至4中任一项所述的刀片，其特征在于所述合金含有不多于8wt-％的铌。

24.如权利要求3所述的刀片，其特征在于所述合金含有至少0.5wt-％的镍。

25.如权利要求3所述的刀片，其特征在于所述合金含有至少1.0wt-％的镍。

26.如权利要求3所述的刀片，其特征在于所述合金含有不多于2.2wt-％的镍。

27.如权利要求3所述的刀片，其特征在于所述合金含有不多于2.0wt-％的镍。

28.如权利要求4所述的刀片，其特征在于所述合金含有至少0.2wt-％的钼。

29.如权利要求4所述的刀片，其特征在于所述合金含有至少0.3wt-％的钼。

30.如权利要求4所述的刀片，其特征在于所述合金含有不多于1.5wt-％的钼。

31.如权利要求4所述的刀片，其特征在于所述合金含有不多于0.9wt-％的钼。