用于岩石钻进组件的贝氏体钢的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及根据权利要求1的前序部分的贝氏体钢（bainiticsteel)。本发明还 涉及根据权利要求7的前序部分的钻杆组件。本发明还涉及根据权利要求10的前序部分 的制造钻杆组件的方法。本发明还涉及根据权利要求15的前序部分的本发明贝氏体钢的 用途。
【背景技术】
[0002] 用于采矿和建造工作的钻杆通常包含中心杆部、带螺纹的外止口（maleend)和带 螺纹的内止口（femaleend)。在操作中，钻头（drillinghead)或钻削头（drillingbit) 拧在杆的外止口上且钻头通过钻机（drillrig)驱动进入岩石或地面中。一种类型的钻进 是所谓的"顶锤钻进"（tophammerdrilling)，其中以向钻杆提供高旋转运动和撞击的方 式布置钻机。随着钻孔长度的前进，通过将另外的钻杆拧在先前钻杆的末端上可以延长钻 杆。
[0003] 通过对钢杆的末端进行铸造和形成螺纹而成为配对的外孔连接器（male connector)和内孔连接器（femaleconnector)，可以制造钻杆。然而，现今最普通的实践 是分别制造外孔连接器和内孔连接器并然后利用摩擦焊接将所述连接器连接到钢杆的各 个末端。
[0004] 关于钻杆的一个问题是其使用寿命相对短，是因为钻杆的磨损和必须更换的速率 对钻进操作的总成本具有直接影响。另外的问题是杆的强度。如果杆断裂，则可能花费大 量时间将其从钻孔取出。
[0005] 在过去，为了改进钻杆，已经完成了一些工作。例如，W097/27022涉及在摩擦焊接 之后在连接器与中心杆之间的界面中发生的软材料区域的问题。当将连接器和中心杆摩擦 焊接在一起时，在连接器与中心杆之间的界面中产生热。将加热区域称作"热影响区域"， (HAZ)。在HAZ中，将钢材退火并在杆与连接器之间的界面中产生软材料的区域。所述软区 域变成钻杆最弱的部分且通常是其中钻杆断裂的位置。为了解决该问题，W097/27022提出 了一种钢，其中已经以HAZ中回火最多的部分的硬度具有与钻杆芯硬度相等的硬度的方式 对化学组成进行了平衡。
[0006] 在W097/27022中描述的钢已经导致了钻杆使用寿命的提高，尤其是考虑到在连 接器与中心杆之间界面中的故障时情况如此。然而，钻杆的总使用寿命仍不足。
[0007] 实地观察显示，现今在连接器与中心杆之间的界面中很少发生钻杆的故障。相反， 钻杆的寿命长度看起来受到连接器带螺纹部分故障的限制。
[0008] 因此，本发明的目的是解决上述问题中的至少一个问题。特别地，本发明的目的是 获得改进的钢组合物，其使得可制造具有长使用寿命的钻杆。本发明另外的目的是获得成 本有效的钻组件，其能够长时间使用。本发明另外的目的是获得制造耐磨的钻组件的方法。 本发明又一另外的目的涉及改进的钢组合物在岩石钻进组件中的用途。
【发明内容】
[0009] 根据本发明，通过一种贝氏体钢来满足这些目的中的至少一个，所述贝氏体钢包 含（按重量％计量）：
[0010]C:0.16 ~0.23
[0011]Si:0.8 ~1.0
[0012] M〇:0.67 ~0.9
[0013]Cr: 1.10 ~1.30
[0014]V:0.18 ~0.4
[0015]Ni: 1.60 ~2.0
[0016] Mn:0? 65 ~0? 9
[0017] P0. 020
[0018]S0. 02
[0019]Cu：<0. 20
[0020] N:0? 005 重量％~0? 012 重量％
[0021] 余量为Fe和不可避免的杂质。
[0022] 本发明的钢主要旨在用于制造在升高的温度即300°C~500°C下经受重复磨损的 表层（case)硬化的组件，例如钻杆中的表层硬化的带螺纹连接器。这些组件具有马氏体 (martensitic)表面区域和贝氏体-马氏体芯。
[0023] 根据在顶锤钻进期间实施的现场试验的结果已经显示，由本发明的钢制造的表层 硬化的钻杆比由常规钢制造的钻杆令人意外地持续更长的时间。
[0024] 在地面之上的顶锤岩石钻进-或土壤钻进期间，钻杆经受源自钻机的强烈撞击。 所述撞击造成振动波，所述振动波通过互相连接的钻杆而向下传递至孔底中的钻头。随着 振动波传递通过互相连接的杆，其能量的约5%以热的形式损失，所述热主要是在互相连接 的钻杆的外孔连接器和内孔连接器的螺纹中产生的。因此，在顶锤钻进期间在连接器中的 工作温度高，通常高达300°C，而且其可达到500°C。在地面之上的顶锤钻进中，通常使用空 气冷却钻杆以及除去钻肩（drillcuttings)。然而，空气不是高效的冷却流体且不会充分 地冷却杆以避免如下情况：产生的热使得钻杆连接器的螺纹中的马氏体表层转变为较软相 的渗碳体和铁素体。在常规钻杆中，马氏体的转变可能会造成螺纹的表面软化并最终造成 连接器磨坏。这是因为耐粘着磨损性与硬度直接相关。
[0025] 并未完全理解由本发明的钢制造的钻杆具有令人意外的长使用寿命的原因。然 而，在不受理论约束的情况下，认为钢中平衡量（balancedamount)的合金元素硅、钼、铬和 钒使得钻杆连接器的马氏体表面在顶锤钻进期间的高工作温度下保持硬度。
[0026] 硅使得e碳化物稳定并因此阻滞连接器的硬马氏体表面区域在高达约300°C的 温度下转变为较软的渗碳体和铁素体。然而，随着在钻进期间连接器中的温度升高，表层硬 化连接器的表面中的马氏体相将最终开始转变为渗碳体和铁素体。因此连接器的表面区域 中马氏体的量下降，结果表面区域的硬度也下降。在马氏体转变为渗碳体和铁素体期间，碳 释放入钢中。
[0027] 在本发明的钢中，合金元素钼、铬和钒与产生自转变的马氏体相产生的过量碳形 成硬且稳定的碳化物。硬的碳化物在连接器的剩余马氏体相中析出并由此补偿因马氏体转 变为渗碳体而损失的硬度。
[0028] 连接器的芯由马氏体和贝氏体（bainite)构成。贝氏体是渗碳体相和铁素体相的 精细混合物。贝氏体在高温下稳定并因此保持足够强以在高工作温度下支持连接器的硬化 表面区域。
[0029] 根据一种可选方案，在本发明的钢中Si的量为0.85重量％~0.95重量％。
[0030] 根据一种可选方案，在本发明的钢中Mo的量为0. 70重量％~0. 80重量％。
[0031] 根据一种可选方案，在本发明的钢中Cr的量为1. 20重量％~1. 25重量％。
[0032] 根据一种可选方案，在本发明的钢中V的量为0. 20重量％~0. 30重量％，优选为 0. 2重量％~0. 25重量％。
[0033] 根据一种可选方案，在本发明的钢中N的量为0. 005重量％~0. 008重量％，更优 选为0. 008重量％~0. 012重量％。
[0034] 本发明还涉及包含本发明钢的用于岩石钻进的组件。
[0035] 所述组件可以为用于钻杆的带螺纹的外孔连接器或内孔连接器。
[0036] 例如，所述组件为包含带螺纹的外孔连接器和带螺纹的内孔连接器的钻杆。
[0037] 本发明还涉及制造用于岩石钻进的组件的方法，所述方法包括如下步骤：
[0038]a.由本发明的钢形成如上所述的用于岩石钻进的组件；
[0039]b.将所述组件加热至奥氏体化温度；
[0040]c.将所述组件在含碳气氛中、在奥氏体化温度下保持预定时间；
[0041]d?将所述组件冷却。
[0042] 优选地，将所述组件加热至900°C~1000°C的温度。
[0043] 优选地，将所述组件