非磁性金属合金组合物和应用

文档序号:8515802阅读:596来源:国知局
非磁性金属合金组合物和应用
【专利说明】非磁性金属合金组合物和应用
[0001] 通过引用引入任何优先权申请
[0002] 根据37CFR1. 57,随本申请提交的申请资料页中确定的国外或国内优先权权利要 求的任何和所有申请被引入本文作为参考。
[0003] 发明背景 发明领域
[0004] 本公开涉及用于动力三体摩擦磨损环境的具有杰出磨损性能的非磁性金属合金。
[0005] 相关领域描沐
[0006] 磨损条件可具有破坏性,因为其通常涉及消磨表面的砂、石颗粒或其他极硬介质。 看到严重磨损的应用一般利用高硬度材料,40R。+,包括硬质金属或碳化物。
[0007] 在某些磨损应用中,例如,原油或天然气领域的勘探井如定向孔及类似物中,为了 能够遵循孔眼的准确位置和确定和校正距其规划方向(projectedcourse)的偏差,包括钻 杆的钻柱构件由磁导率值在1. 02以下或甚至可能小于I. 01 (API规定7,关于钻柱构件)的 材料制成是有利的。
[0008] 众多公开内容涉及非磁性合金用于形成钻探构件,包括美国专利号4, 919, 728,其 详细描述了制造非磁性钻柱构件的方法;和美国专利公开号2005/0047952,其描述了非磁 性耐腐蚀性高强度钢,尽管这两个专利和申请均描述磁导率小于1. 01。这两个专利和申请 其全部内容被引入本文作为参考。所述的组合物最多具有〇. 15wt. %碳、Iwt. %硅,并且不 具有硼。上述硬质颗粒形成元素的低水平和不存在表明该合金不会析出充足的(如有)硬 质颗粒。可进一步预期,将会提供不足以用于高磨损环境的耐磨性和硬度。
[0009] 进一步,美国专利号4, 919, 728描述了包含0.25wt. %以下的碳水平的合金,而美 国专利公开号2005/0047952详细描述了 0.Iwt. %以下的碳水平。在这些碳水平结合硼不 存在的情况下,极少硬质颗粒可形成,其赋予环形加硬层(hardband)以耐磨性。
[0010] 还是在美国专利号4, 919, 728中,利用不同温度下的冷加工方法实现所需性能。 冷加工不能存在于在涂层施用如表面硬化中。部件的尺寸和几何将需要过度变形负荷以及 当前未知的方法来均匀地冷加工专门部件如工具接头。
[0011] 另外,美国专利公开号2010/0009089,其全部内容被引入本文作为参考,详细描述 了适于需要非磁性的高磨损应用的涂层的非磁性。该公开中列举的合金基于镍,其中预成 型的碳化钨硬质球形颗粒在焊接期间以30-60wt. %的量注入熔融焊接材料。
[0012] 提供油&气钻探表面硬化应用中竞争性磨损机制的合金方案的公开包括但不限 于美国专利号 4,277, 108 ;4, 666, 797 ;6, 117,493 ;6, 326, 582 ;6, 582, 126 ;7, 219, 727 ;和 美国专利公开号2002/0054972。美国公开号2011/0220415和2011/004069公开了用于 钻杆组件的超低摩擦涂层。美国专利号6, 375, 895、7, 361,411、7, 569, 286、20040206726、 20080241584和2011/0100720公开了硬质合金对于竞争性磨损机制的应用。本段列举的专 利和专利申请其全部内容被引入本文作为参考。
[0013] 仍然需要非磁性合金组合物,用于具有耐磨性的用于定向钻探应用的环形加硬层 构件。还需要在钻探操作期间保护钻铤免遭重磨损的改进方法。
[0014]发明概述
[0015] 本文公开了金属合金、其至少部分表面被金属合金层覆盖的工件、制造该合金的 方法、施加该合金至工件或其他构件的方法、和这种合金在不同应用中的应用。在一个实 施方式中,工件可有其至少部分表面被层覆盖,该层可包括包含精细尺度的硬质颗粒的奥 氏体基质微观结构,该硬质颗粒包括下列中的一种或多种:硼化物、碳化物、硼碳化物、氮化 物、碳氮化物、铝化物、氧化物、金属间化合物、或莱夫斯相,其中该层包括40HRC或以上的 宏观硬度和1. 02或更小的相对磁导率。
[0016] 在一些实施方式中,该层的宏观硬度可以为45HRC或更大。在一些实施方式中,该 层的宏观硬度可在45和60HRC之间、或50和60HRC之间。在一些实施方式中,该层的相对 磁导率可以为1. 01或更小。
[0017] 在一些实施方式中,该层的表面可呈现高耐磨性,其特征在于1.5克或更小的 ASTMG65干砂磨损测试质量损失。在一些实施方式中,该层的表面可呈现高耐磨性,其特征 在于0.35克或更小的ASTMG65干砂磨损测试质量损失。在一些实施方式中,该层的表面 可具有ASTMG105测试测量的0. 5克以下的质量损失。
[0018] 在一些实施方式中,奥氏体基质可包含上至50vol. %的精细尺度的硬质颗粒,其 平均尺寸在l〇〇nm-20ym之间。在一些实施方式中,奥氏体基质可包含上至30vol. % (或 上至约30vol. % )的精细尺度的硬质颗粒,其平均尺寸在1-5ym之间。
[0019] 在一些实施方式中,该层可包括下列:按wt.%计,Fe:余量,Mn:8_20,Cr:0_6,Nb: 2-8,V:0-3,C:l-6,B:0-1.5,W:0-10,Ti 5。在一些实施方式中,该层可包括下列:按 wt. %计,Fe:余量,B:〇-l,C:0? 85-3,Cr:0-20,Mn:0-12,Nb:0-4,Ni:0-10,Ti:0-6,V:0-6, 和W:0-15。在一些实施方式中,合金组成可选自包括下列的合金:按wt. %计,
[0020] Fe :余量,Mn :10, Cr :5,Nb:4,V:0? 5, C :4,W :5,Ti:0? 25 ;
[0021] Fe :余量,Mn :10, Cr :5,Nb:4,V:0? 5, C :3. 5, W:5,Ti:0? 20 ;
[0022] Fe :余量,Mn:16,Cr:5,Nb:4,V:0? 5,C:3. 25,W:5,Ti :0? 20 ;
[0023]Fe :余量,Mn:10,Cr:5,Nb:4,V:0? 5,C:3,W:5,Ti:0? 20 ;
[0024]Fe :余量,Mn:10,Cr:5,Nb:4,V:0? 5,C:2. 75,W:5,Ti :0? 20 ;
[0025]Fe:余量,Mn:10,Cr:5,Nb:4,V:0? 5,C:2. 5,W:5,Ti:0? 20 ;
[0026]Fe :余量,Mn :10, Cr :5, Nb:4,Ni :1,V :0? 5, C:2. 5,W :5, Ti :0? 20 ;
[0027]Fe :余量,Mn :10, Cr :5, Nb:4,Ni :3,V :0? 5, C:2. 5,W :5, Ti :0? 20 ;
[0028]Fe :余量,Mn :10, Cr :5, Nb:4,Ni :5,V :0? 5, C:2. 5,W :5, Ti :0? 20 ;
[0029]Fe :余量,Mn :10, Cr :9, Nb:4,Ni :5,V :0? 5, C:2. 5,W :5, Ti :0? 20 ;
[0030]Fe :余量,Mn :10, Cr :12,Nb:4,Ni:5, V :0? 5, C:2. 5,W:5,Ti :0? 20 ;
[0031]Fe :余量,Mn :10, Cr :18,Nb:4,Ni:5, V :0? 5, C:2,W:5,Ti:0? 20 ;
[0032]Fe:余量,B:1,Mn:10,Cr:12,Nb:4,Ni:5,V:0? 5,C:1,W:5,Ti:0? 20 ;
[0033]Fe:余量,B:1,Mn:10,Cr:18,Nb:4,Ni:10,V:0? 5,C:3,W:5,Ti:0? 20 ;
[0034]Fe :余量,B:1,Mn:10,Cr:10,Nb:4,V:0? 5,C:3,W:5, Ti:0? 20 ;
[0035]Fe :余量,B:1,Mn:10,Cr:18,Nb:4,V:0? 5,C:3,W:5, Ti:0? 20 ;
[0036]Fe:余量,Mn:4. 7,Mo:1. 4,Ni:7. 2,Si:1. 1,Cr:26. 4,C:1. 9 ;
[0037]Fe :余量,Mn:10, Cr:16. 5,Mo:0,Nb:3, Ni :2. 5, V:0? 5, C ;1. 5, W :4 ;
[0038]Fe :余量,Mn:10, Cr:16. 5,Mo:0,Nb:3, Ni :1,V :0? 5, C :1. 5, W :4 ;
[0039]Fe :余量,C:2. 25, Cr:20, Mn:5,Nb:4,Ni:10,Ti :0? 2,V:0? 5,W:4 ;
[0040]Fe :余量,C:2,Cr :18,Mn :10, Nb :4,V:4 ;
[0041]Fe :余量,B:0? 5, C:1. 5,Cr:18,Mn:10, Nb :4,W :4 ;
[0042]Fe :余量,B:0? 5, C:1. 5,Cr:18,Mn:10, Nb :4,W :4 ;
[0043]Fe :余量,C:2,Cr :18,Mn :10, Nb :4,V:6,W:2 ;
[0044]Fe :余量,C:3,Cr :18,Mn :10, Nb :4,V:2 ;
[0045]Fe :余量,C:3,Cr :18,Mn :10, Nb :4,Ti:2,V:2, W:4 ;
[0046] 及其组合。
[0047] 在一些实施方式中,该层不包含预成型的碳化物。在一些实施方式中,该层可用作 表面硬化层,其被配置以保护用于定向钻探应用的油田构件免遭磨损。
[0048] 公开了形成涂覆工件(coatedworkpiece)的方法,其可包括在工件的至少部分 表面上沉积层,其中该层包括包含精细尺度的硬质颗粒的奥氏体基质微观结构,该硬质颗 粒包括下列中的一种或多种:硼化物、碳化物、硼碳化物、氮化物、碳氮化物、铝化物、氧化 物、金属间化合物和莱夫斯相,并且其中该层包括40HRC或以上的宏观硬度和1. 02或更小 的相对磁导率。
[0049] 在一些实施方式中,该层的相对磁导率可以为1.01或更小。在一些实施方式中, 该部分表面可在沉积层前被预热至200°C或更高的温度。在一些实施方式中,该层可以1_ 至IOmm的厚度沉积。在一些实施方式中,方法可进一步包括以50至5000K/S范围内的速 率冷却层。在一些实施方式中,该层可包括下列:按wt. %计,Fe:余量,Mn:8-20,Cr:0-6, Nb:2-8,V:0-3,C:1-6,B:0-1. 5,W:0-10,Ti:0-0? 5。在一些实施方式中,该层可包括下列: 按wt. %计,Fe:余量,B:0-1,C:0? 85-3,Cr:0-20,Mn:0-12,Nb:0-4,Ni:0-10,Ti:0-6,V: 0-6,和W:0-15。在一些实施方式中,合金组成可选自包括下列的合金:按wt. %计,
[0050]Fe :余量,Mn :10, Cr:5,Nb :4, V:0? 5, C:4,W:5,Ti:0? 25 ;
[0051]Fe :余量,Mn :10, Cr:5,Nb :4, V:0? 5, C:3. 5,W:5,Ti:0? 20 ;
[0052]Fe :余量,Mn :16, Cr:5,Nb :4, V:0? 5, C:3. 25,W:5,Ti:0? 20 ;
[0053]Fe :余量,Mn :10, Cr:5,Nb :4, V:0? 5, C:3,W:5,Ti:0? 20 ;
[0054]Fe :余量,Mn :10, Cr:5,Nb :4, V:0? 5, C:2. 75,W:5,Ti:0? 20 ;
[0055]Fe :余量,Mn :10, Cr:5,Nb :4, V:0? 5, C:2. 5,W:5,Ti:0? 20 ;
[0056]Fe :余量,Mn :10, Cr:5,Nb :4, Ni :1,V :0? 5,C :2. 5, W :5, Ti :0? 20 ;
[0057]Fe :余量,Mn :10, Cr:5,Nb :4, Ni :3,V :0? 5,C :2. 5, W :5, Ti :0? 20 ;
[0058]Fe :余量,Mn :10, Cr:5,Nb :4, Ni :5,V :0? 5,C :2. 5, W :5, Ti :0? 20 ;
[0059]Fe :余量,Mn :10, Cr:9,Nb :4, Ni :5,V :0? 5,C :2. 5, W :5, Ti :0? 20 ;
[0060]Fe :余量,Mn:10,Cr:12,Nb:4,Ni:5,V:0? 5,C:2. 5
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