DE60131729T2 - Langes element und stahl für schlagenden steinbohrer - Google Patents

Description

• Hintergrund der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen martensitischen, korrosionsbeständigen Stahl für das Gesteinsbohren mit neuen und verbesserten Eigenschaften, insbesondere in Bezug auf Beständigkeit gegen Korrosionsermüdung.
• Stand der Technik
• Beim Gesteinsschlagbohren werden Schockwellen und Rotation von einer Bohrmaschine über eine oder mehrere Stangen oder Rohre auf eine mit Hartmetall versehene Bohrerspitze übertragen. Der Bohrerstahl, d. h. das Material in Spitzen, Stangen, Rohren, Buchsen und Schaftadaptern, ist während des Bohrens dem Angriff durch Korrosion ausgesetzt. Dies trifft insbesondere auf das Bohren unter der Erde zu, wo Wasser als Spülmedium verwendet wird und wo die Umgebung im Allgemeinen feucht ist. Die Korrosionsangriffe sind insbesondere in den am meisten beanspruchten Teilen schwerwiegend, d. h. im Gewindegrund und in der Gewindefreifläche. In Kombination mit pulsierender Belastung, verursacht durch Biegen und oben genannte Schockwellen, tritt sogenannte Korrosionsermüdung auf (1). Dies ist eine allgemeine Ursache für das Versagen des Bohrerstahls.
• Für die Bohranwendung wird normalerweise ein niedrig legierter Einsatzstahl verwendet. Der Grund ist, dass Abrieb und Verschleiß der Gewindeteile im Allgemeinen für die Lebensdauer begrenzend waren. Als die Bohrmaschinen und die Werkzeuge effizienter wurden, wurden diese Probleme geringer und Korrosionsermüdung wurde ein begrenzender Faktor. Die Einsatzhärtung liefert Druckspannungen in der Oberfläche, die zu bestimmten Verzögerungseffekten bei der Ermüdung führen.
• Die US-A-5,496,421 betrifft einen hochfesten martensitischen rostfreien Stahl. Der Stahl enthält folgendes: 0,06 Gew.-% oder weniger C, 12 bis 16 Gew.-% Cr, 1 Gew.-% oder weniger Si, 2 Gew.-% oder weniger Mn, 0,5 bis 8 Gew.-% Ni, 0,1 bis 2,5 Gew.-% Mo, 0,3 bis 4 Gew.-% Cu, 0,05 Gew.-% oder weniger N, und der Rest ist Fe und unvermeidbare Verunreinigungen; der Stahl besitzt einen auf die Fläche bezogenen Anteil an Delta-Ferrit-Phase von höchstens 10%. Der bekannte Stahl soll das Problem der durch eine saure Umgebung verursachten Belastungskorrosion lösen.
• Die JP-A-8013084 offenbart einen martensitischen rostfreien Stahl mit hohem Cr-Anteil für die Verwendung in Ölsenkungsleitungen.
• Aufgaben der Erfindung
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein längliches Element für das Gesteinsschlagbohren bereitzustellen, welches die Effizienz von modernem Bergbau weiter verbessert.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein längliches Element für das Gesteinsschlagbohren mit verlängerter Lebenszeit bereitzustellen.
• Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Bohrerstahl mit verminderter Korrosionsgeschwindigkeit bereitzustellen.
• Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Bohrerstahl mit verminderter Empfindlichkeit für Korrosionsermüdung bereitzustellen.
• Kurze Beschreibung der Figuren
• Diese und weitere Zielsetzungen werden erreicht durch ein längliches Element und einen Bohrerstahl, wie sie in den anhängenden Patentansprüchen und unter Bezugnahme auf die Figuren definiert sind.
• 1 zeigt in 25-facher Vergrößerung Risse in einem Gewindegrund in einem niedriglegierten Stahl.
• 2 zeigt in 500-facher Vergrößerung das Gefüge eines Bohrerstahls gemäß der Erfindung.
• Ausführliche Beschreibung der Erfindung
• Die Erfindung betrifft einen Stahl für das Gesteinsbohren, der in einer korrosionsbeständigen Legierung mit einer martensitischen Matrix hergestellt ist, wobei die Beständigkeit durch Zugabe von Cr sowie von Mo, W, Cu und/oder N erreicht wird. Durch das martensitische Gefüge (2) wird die erforderliche Festigkeit und Kernhärte für die Anwendung erreicht. Der Martensitgehalt beträgt > 50 Gew.-%, aber < 100 Gew.-%, vorzugsweise > 75 Gew.-%. Die Bruchfestigkeit soll > 800 MPa, vorzugsweise 1300–3000 MPa betragen.
• Indem man den Bohrstahl in einer korrosionsbeständigen Legierung herstellt, erhält man aufgrund der Zugabe von Chrom eine passive Schicht auf der Oberfläche, welche Korrosion verhindert oder die Korrosionsgeschwindigkeit reduziert und damit die Korrosionsermüdung, insbeson dere im Gewindegrund, wie es in 1 gezeigt ist. Damit der Bohrstahl gemäß der Erfindung ausreichend korrosionsbeständig ist, ist es erforderlich, dass er einen Chromgehalt von wenigstens 11% aufweist. Der Gesamtgehalt an Kohlenstoff und/oder Stickstoff (C + N) muss 0,1%, vorzugsweise bis zu 0,8% betragen.
• Alternativ kann der Chromgehalt geringer als 11%, herab bis 5%, betragen, was dann durch die Zugabe von vorzugsweise Molybdän (bis zu 5%, vorzugsweise 0,5–2 Gew.-%), Wolfram (bis zu 5%, vorzugsweise 0,5–2 Gew.-%) und/oder Kupfer (bis zu 2%, vorzugsweise 0,1–1 Gew.-%), wobei der Gesamtgehalt an Mo + W + Cu > 0,5% beträgt, vorzugsweise > 1 Gew.-%, kompensiert werden kann.
• Eine weitere Alternative ist, dass die Legierung eine Zusammensetzung aufweist, die eine PRE-Zahl > 10, vorzugsweise 12–17, aufweist. PRE bedeutet Lockfraßbeständigkeitsäquivalent (Pitting Resistance Equivalent) und beschreibt die Beständigkeit einer Legierung gegen Lochfraßkorrosion. PRE ist gemäß der folgenden Formel definiert: PRE = Cr + 3,3(Mo + W) + 16N,worin Cr, Mo, W und N den Gehalten der Elemente in Gew.-% entsprechen.
• Ein erfindungsgemäßer Stahl soll zusätzlich eine Oberflächenhärte von mehr als 400 Vickers, vorzugsweise 500–800 Vickers, aufweisen, um seine Beständigkeit gegen Abrieb, beispielsweise verursacht durch Bewegungen in Gewindeverbindungen, Bohrschnitten oder Kontakt mit umgebenden Gestein (der Bohrungswand), weiter zu verbessern. Vorzugsweise hat der Stahl eine 0,5 bis 2,0 mm dicke Oberflächenlage mit erhöhter Härte.
• Bohrerstähle gemäß der Erfindung werden nach herkömmlicher Stahlstangenherstellung und -bearbeitung hergestellt. Um das gewünschte martensitische Gefüge zu erhalten, wird der Stahl gehärtet oder Kaltumformung unterzogen. Die Verschleißbeständigkeit kann durch Induktionshärtung der Oberfläche oder durch Anwendung von Oberflächenbehandlungsverfahren, wie beispielsweise Carburisierung und Nitridierung, weiter verbessert werden.
• Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Stahls als ein Bohrerstahl.
• Anstelle der Ausführung des gesamten Elements in erfindungsgemäßem Stahl, kann ein oder können beide Gewindeenden erfindungsgemäß ausgeführt und auf eine Stange oder ein Rohr aus einem anderen Material geschweißt oder damit verbunden sein.
• BEISPIEL
• Beim sogenannten Drifter-Bohren werden etwa 4 m lange Stangen verwendet. Der kritische Teil der Stangen sind die Enden an den männlichen Gewinden, wie es in 1 gezeigt ist, wo das Spülwasser und die pulsierenden Belastungen zur Korrosionsermüdung führen, was häufig in einem Bruch resultiert.
• Drifter-Stangen wurden aus drei Legierungen mit den folgenden Zusammensetzungen hergestellt:

  Test	%C	%Cr	%Ni	%Mo	%W	%Cu	%N	%Fe	Martensit-Gehalt
  1–4	0,18	13,4	0,3	0,02	0,01	0,12	0,012	Rest	98%
  5–8	0,50	14,3	0,15	0,02	0,01	0,06	0,011	Rest	89%
  9–12	0,35	11,9	0,22	1,05	0,01	0,06	0,013	Rest	95%

• Das Bohren wurde in einer Vorrichtung für das Drifter-Bohren unter der Erde durchgeführt, und das Bohren wurde bis zum Bruch/Verschleiß fortgesetzt. Es wurden die folgenden Lebensdauern, gemessen in gebohrten Metern, erzielt:

  Test Nr.	1	2	3	4	5	6
  Gebohrte Meter	3299	2904	3030	2876	2893	3121
  Test Nr.	7	8	9	10	11	12
  Gebohrte Meter	2976	2656	2628	2189	3222	2929

• Die normale Lebensdauer für Drifter-Stangen der herkömmlichen Art, d. h. aus niedriglegiertem Einsatzstahl, beträgt an der in Rede stehenden Teststelle, bei der der Stein in erster Linie aus Granit besteht, etwa 2000 Meter, was zeigt, dass die Verwendung eines Bohrstahls gemäß der Erfindung eine bedeutende Verbesserung liefert.
• Mit anderen Worten, alle Stähle gemäß der vorliegenden Erfindung weisen das gemeinsame Merkmal auf, dass C + N ≥ 0,1 Gew.-%, so dass ein bevorzugter Stahl aus einer der Zusammensetzungen, wie sie in den Patentansprüchen angegeben sind, ausgewählt ist.

Claims (8)

1. Für den Bergbau geeignetes, längliches Element für das Gesteinsschlagbohren, welches wenigstens ein Gewinde und einen Spülkanal umfaßt, wobei der Stahl wenigstens in dem Gewinde aus einem korrosionsbeständigen Stahl mit einem Martensitgehalt von > 50 Gew.-%, aber < 100 Gew.-% hergestellt ist, wobei der Stahl folgendes enthält: 0,1 Gew.-% ≤ C + N ≤ 0,8 Gew.-% und Cr ≥ 11 Gew.-% oder C + N ≥ 0,1 Gew.-% und Cr ≥ 5 Gew.-%, Mo ≤ 5 Gew.-%, W ≤ 5 Gew.-%, Cu ≤ 2 Gew.-%. Mo + W + Cu ≥ 0.5 Gew.-% oder C + N ≥ 0,1 Gew.-% und Cr + 3,3(Mo + W) + 16N ≥ 10 Gew.-%.
2. Element nach Anspruch 1, wobei der Martensitgehalt > 75 Gew.-% ist.
3. Element nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Cr-Gehalt > 5 Gew.-% ist.
4. Element nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Zusammensetzung eine PRE-Zahl von > 10 ergibt, wobei PRE gemäß der Formel PRE = Cr + 3,3(Mo + W) + 16N definiert wird und wobei Cr, Mo, W und N den Gehalten der Elemente in Gew.-% entsprechen.
5. Verfahren zum Verbessern der Ermüdungskorrosionsbeständigkeit in einem für den Bergbau geeigneten Element zum Gesteinsschlagbohren, wobei Schockwellen und Rotation von einer Bohrmaschine über ein oder mehrere Elemente auf eine Bohrerspitze übertragen werden, indem das Element mit wenigstens einem Gewinde und einem Spülkanal versehen wird, wobei das Verfahren die Stufen umfaßt, bei denen man den Stahl wenigstens in dem Gewinde aus einem korrosionsbeständigen Stahl herstellt, der einen Martensitgehalt hat, welcher > 50 Gew.-%, aber < 100 Gew.-% ist und mit den folgenden legiert ist: 0,1 Gew.-% ≤ C + N ≤ 0,8 Gew.-% und Cr ≥ 11 Gew.-% oder C + N ≥ 0,1 Gew.-% und Cr ≥ 5 Gew.-%, Mo ≤ 5 Gew.-%, W ≤ 5 Gew.-%, Cu ≤ 2 Gew.-%, Mo + W + Cu ≥ 0,5 Gew.-% oder C + N ≥ 0,1 Gew.-% und Cr + 3,3(Mo + W) + 16N ≥ 10 Gew.-%.
6. Verfahren nach Anspruch 5, welches die Stufe umfaßt, bei der man das Element mit einer Oberflächenlage mit gesteigerter Härte versieht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Oberflächenlage eine Dicke von 0,5–2,0 mm hat.
8. Verwendung eines Stahls für den Bergbau, welcher folgendes enthält: 0,1 Gew.-% ≤ C + N ≤ 0,8 Gew.-% und Cr ≥ 11 Gew.-% oder C + N ≥ 0,1 Gew.-% und Cr ≥ 5 Gew.-%, Mo ≤ 5 Gew.-%, W ≤ 5 Gew.-%, Cu ≤ 2 Gew.-%, Mo + W + Cu ≥ 0,5 Gew.-% oder C + N ≥ 0,1 Gew.-% und Cr + 3,3(Mo + W) + 16N ≥ 10 Gew.-%, für ein längliches Element für das Gesteinsschlagbohren, welches wenigstens ein Gewinde und einen Spülkanal beinhaltet, wobei der Stahl wenigstens in dem Gewinde korrosionsbeständig ist und einen Martensitgehalt hat, welcher > 50 Gew.-%, aber < 100 Gew.-% ist.