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Die
Erfindung betrifft Bohrstrangkomponenten, hergestellt aus einer
sprühkompaktierten
Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung insbesondere zur Verwendung im Offshore-Bereich
und Bergbau.
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Es
ist bekannt, die relativ teuren Kupfer-Beryllium-Legierungen durch
preiswertere Kupfer-Nickel-Mangan-Legierungen zu ersetzen, beispielsweise
im Bereich der elektrischen und elektronischen Bauteile.
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Nachdem
das Umweltbewusstsein in der Bevölkerung
immer stärker
wird, rücken
Gesichtspunkte der Umweltverträglichkeit
und Gesundheitsgefährdung
zunehmend in das Zentrum des Interesses. Jegliche Kritikpunkte gilt
es zu vermeiden.
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Wegen
möglicher
gesundheitsgefährdender
Wirkungen von Be-Stäuben
und -Dämpfen,
die bei unsachgemäßer Bearbeitung
Be-haltiger Werkstoffe auftreten können, werden daher zunehmend
Forderungen nach Be-freien Werkstoffen gestellt.
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Aus
der Druckschrift
JP
03 099 750 A ist eine Kupfer-Nickel-Mangan-Gusslegierung
bekannt, die bereits keine Beryllium mehr enthält. Als spanbrechenden Zusatz
wird u. a. Blei vorgeschlagen. Diese Legierung erfüllt bereits
gewisse Ansprüche
bezüglich
ihrer Härte
und der Bearbeitbarkeit.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Bohrstrangkomponenten
aus einer (Be-freien) Cu-Ni-Mn-Legierung mit teilweise besseren
Eigenschaften zur Verfügung
zu stellen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
eine Bohrstrangkomponente, hergestellt aus einer sprühkompaktierten
Cu-Ni-Mn-Legierung gelöst,
die aus 15 bis 25% Nickel; 15 bis 25% Mangan; 0,001 bis 1,0% eines
spanbrechenden Zusatzes, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, besteht
(die Prozentangabe bezieht sich dabei auf das Gewicht).
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Als
spanbrechende Zusätze
kommen dabei vorzugsweise Blei, Kohlenstoff, insbesondere in Form
von Grafit- oder Russpartikeln in Betracht.
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Aus
der JP-OS 62-202038 ist zwar eine Cu-Ni-Mn-Legierung mit 5 bis 35%
Nickel; 5 bis 35% Mangan bekannt, die zusätzlich 0,01 bis 20% eines oder
mehrerer Elemente enthält,
die aus zwei Gruppen zahlreicher Elemente, darunter auch Blei, ausgewählt werden
können.
Demgegenüber
liegt mit der beanspruchten Legierungszusammensetzung eine Auswahl
vor; denn die beanspruchten Bereiche sind eng gegenüber der
Fülle von
Variationsmöglichkeiten
nach dem Stand der Technik. Die beanspruchten Bereiche sind zudem
weit entfernt von den Beispielen nach der Tabelle der JP-OS. Außerdem liegt
eine gezielte Auswahl vor, da durch den spanbrechenden Zusatz zur
Cu-Ni-Mn-Legierung überraschenderweise
eine ausgezeichnete Kombination von Festigkeit und Zähigkeit
der Legierung erzielt wird, wie weiter unten insbesondere anhand
eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert wird.
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Die
Ansprüche
6 und 7 betreffen bevorzugte Legierungszusammensetzungen.
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Eine
besonders homogene und seigerungsarme Verteilung aller Legierungselemente
liegt dann vor, wenn die erfindungsgemäße Legierung nach dem Sprühkompaktierverfahren
hergestellt ist.
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Der
Urformprozess für
den Kupferwerkstoff erfolgt durch Sprühkompaktieren (vgl. den sog. "OSPREY"-Prozess beispielsweise
nach den Patentschriften GB 1379261, GB 1599392 oder
EP 0225732 B1 ). Als Vorform
bieten sich Bolzen an, die durch typische Warmformverfahren (Pressen,
Walzen, Schmieden) zu Halbzeugfabrikaten (Stangen, Rohren, Profilen,
Buchsen) verarbeitet werden.
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Die
Legierung lässt
sich als Werkstoff zur Herstellung von Bohrstrangkomponenten verwenden,
da sie das geforderte Eigenschaftsprofil weitgehend erfüllt.
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Die
im Sprühkompaktierverfahren
gefertigte Kupfer-Nickel-Mangan-Blei-Variante ist im Gusszustand sehr
feinkörnig.
Das Verfahren garantiert darüber
hinaus eine homogene Nickelverteilung. Bei konventioneller Herstellung
kommt es zur Ausbildung von Zonen, die mit Nickel angereichert sind.
Diese Kornseigerungen lösen
sich erfahrungsgemäß während der
Weiterfertigung nicht ganz auf, so dass die HF-Tauglichkeit nicht oder nur eingeschränkt gegeben
ist.
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Diese
bleihaltige Variante weist eine feine Bleiverteilung auf und lässt sich
gut spanend bearbeiten.
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Die
gute Eigenschaftskombination der Cu-Ni-Mn-Legierung bedingt eine
vorteilhafte Verwendung als Werkstoff zur Herstellung von Bohrstrangkomponenten
für den
Offshore-Bereich und den Bergbau, insbesondere für Bohranlagen. Im Weiteren
ist aus
DE 4006410
A1 ein Halbzeug aus Kupfer oder Kupferlegierung mit einem
Kohlenstoffzusatz bekannt, dessen Rohling mittels dem Sprühkompaktierverfahren
hergestellt ist.
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In
der Offshore-Technik werden für
hohe Beanspruchungen mechanische Komponenten (wie etwa Bohrgestänge, Verschraubungen,
Bolzen, etc.) verlangt, die hohe Belastbarkeit aufweisen und sehr
gute Korrosionseigenschaften haben müssen sowie weder ferromagnetisch
sein dürfen
noch beim Aufeinanderprallen durch pyrophore Reaktionen wegspritzender
Splitter Explosionen oder Feuer auslösen dürfen. Für solche Anforderungen werden
nach dem Stand der Technik Komponenten und Werkzeuge aus Cu-Be-Legierungen
eingesetzt, die diese Eigenschaften in besonderer Weise auf sich
vereinen. Es hat sich nun überraschend
herausgestellt, dass mit Cu-Ni-Mn-Legierungen der vorgeschlagenen
Be-freien Zusammensetzung nicht nur alle Anforderungen erfüllt werden
können,
sondern auch beträchtliche
Vorteile in der Verfügbarkeit
gegenüber
den gebräuchlichen
Cu-Be-Legierungen
erzielt werden und bei Kombination mit der Herstellung durch Sprühkompaktieren
auch eine selektiv bessere technologische Eignung gefunden wird,
insbesondere werden die Anforderungen an Bohrstrangkomponenten gemäß API (American
Petroleum Institute)-Specification 7 ("Specification for Rotary Drill Stem
Elements") 38. Ed.,
April 1, 1994, erfüllt.
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Für Kupferwerkstoffe
in diesem Einsatzgebiet werden folgende spezifische Eigenschaften
gefordert:
- 1. Magnetische Eigenschaften:
Um
messtechnische Anforderungen des Bohrstrangs im Bereich von Kompassmesssystemen
zu erfüllen (Messung
des Erdmagnetfelds und der daraus ableitbaren Richtungsinformation)
müssen
Bohrstrangkomponenten in diesem Bereich unmagnetisch sein, da in
Anwesenheit von magnetischen Werkstoffen Fehlmessungen durch Beeinflussung
des Magnetfeldes erfolgen. Die magnetische Suszeptibilität sollte
dementsprechend 20 · 10–6 nicht überschreiten.
(Dabei
gibt nach
der Gl. das
Verhältnis
der Magnetisierung zur
magnetischen Feldstärke an,
mit μ0 = 4π · 10–7 =
1,256 · 10–6 als
magnetischer Feldkonstante.)
- 2. Streckgrenze/Härte:
Der
Bohrstrang unterliegt hohen mechanischen und physikalisch/chemischen
Beanspruchungen. Die einzelnen Strangelemente werden durch Gewindeverbindungen
miteinander verbunden. Wegen der hohen Kräfte, die im Bohrloch auftreten,
werden die einzelnen Strangelemente unter Aufbringung hoher Drehmomente
miteinander verschraubt. Um plastische Verformungen der Gewinde
zu vermeiden, muss der Werkstoff eine hohe Streckgrenze haben.
Die
Bohrstrangoberflächen
werden durch Abrasion und Erosion beansprucht. Der Verschleiß wird durch eine
möglichst
hohe Materialhärte
auf ein Minimum reduziert.
- 3. Zähigkeit:
Die
genauen Belastungskollektive sind in der Regel unbekannt. Untersuchungen
an aufgetretenen Schäden
haben jedoch gezeigt, dass sehr hohe schwingende aber auch schlagartige
Belastungen auftreten können.
Die Zähigkeit
der eingesetzten Werkstoffe spielt daher für das sichere Funktionieren
eine entscheidende Rolle. Die Zähigkeit
der eingesetzten Kupferlegierung sollte deshalb für ein Festigkeitsniveau
maximiert und möglichst
gleichmäßig über den
Querschnitt sein.
- 4. Korrosionsbeständigkeit:
Auf
der Sohle des Bohrlochs werden die Felsformationen mechanisch zertrümmert und
mit einer so genannten Bohrspülung
an die Oberfläche
gepumpt. Erhöhte
Temperatur und der chemische bzw. physikalischchemische Angriff
durch die Spülflüssigkeit
erfordern eine hohe Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Werkstoffe.
Insbesondere muss der Werkstoff in schwefelhaltigen Medien resistent
gegen Spannungsrißkorrosion
sein.
- 5. Fressverhalten:
Die Verschraubung der einzelnen Bohrstrangelemente
unter hohem Drehmoment darf zu keiner Kaltverschweißung ("Fressen") führen. Daher
sollten möglichst
artfremde Materialien (z. B. Stahl mit NE-Metall) miteinander verbunden
werden.
Bei Gewindeverbindungen von Bohrstrangkomponenten aus
austenitischen, nichtmagnetisierbaren Stählen werden deshalb oftmals
Zwischenstücke
aus einer hochfesten Kupferlegierung dazwischengeschraubt. Als geeigneter
Kupferwerkstoff wurde bisher beispielsweise Kupfer-Beryllium (UNS
C 17200) eingesetzt.
Als Beispiel gelten hierfür die Kupfer-Beryllium-Zwischenstücke, die
bei austenitischen, nichtmagnetisierbaren Schwerstangen (sog. "drill collars") verwendet werden.
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Ausführungsbeispiel
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In
der folgenden Tabelle sind insbesondere die mechanischen Eigenschaften
einer Legierung CuNi20Mn20Pb0,05 (sprühkompaktiert) und einer CuBe2-Legierung
gegenübergestellt.
Als Proben wurden Stangen, hergestellt durch Sprühkompaktieren, Strangpressen
und Ziehen bis 50% Kaltverformung, angelassen verwendet. Die Vergleichsdaten
zur CuBe2-Legierung entstammen der Literatur.
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Es
zeigt sich, dass mit der mittels Sprühkompaktieren hergestellten
Legierung gegenüber
den CuBe-Legierungen ein ausgezeichneter Kupferersatzwerkstoff zur
Verfügung
steht.
nach der Gl.
zur magnetischen Feldstärke
an, mit μ0 = 4π · 10–7 = 1,256 · 10–6
als magnetischer Feldkonstante.)
