EP1264906A1 - Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung - Google Patents

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EP1264906A1 EP01109660A EP01109660A EP1264906A1 EP 1264906 A1 EP1264906 A1 EP 1264906A1 EP 01109660 A EP01109660 A EP 01109660A EP 01109660 A EP01109660 A EP 01109660A EP 1264906 A1 EP1264906 A1 EP 1264906A1
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nickel
manganese
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compacted copper
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Klaus Dr. Ohla
Hilmar R. Dr. Müller
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C9/00Alloys based on copper
    • C22C9/05Alloys based on copper with manganese as the next major constituent
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    • C22CALLOYS
    • C22C9/00Alloys based on copper
    • C22C9/06Alloys based on copper with nickel or cobalt as the next major constituent

Definitions

  • components and Tools made of copper materials especially made of Cu-Be alloys, which combine these properties in a special way.
  • the copper-beryllium intermediate pieces, which are used for austenitic, non-magnetizable Drill collars can be used.
  • the object of the invention is therefore to find a copper material, which also fulfills the required property profile as far as possible but is free.
  • the object is achieved by using a spray-compacted Copper-nickel-manganese alloy dissolved, which consists of 10 to 25% nickel, 10 to There is 25% manganese, the rest copper and usual impurities (the percentage refers to the weight).
  • Copper-nickel-manganese alloys are already known as such (cf. for example US-PS 2.234.552 / DEAN) and it is for example also in the area of the electrical and electronic components known, the relatively expensive Cu-Be alloys to be replaced by cheaper copper-nickel-manganese alloys, the claimed use for a spray-compacted alloy Art is not known, however.
  • the primary molding process for the copper material is carried out by spray compacting (cf. the so-called "OSPREY” process, for example according to GB-PS 1,379,261 / 1,599,392 or EPS 0.225.732).
  • OSPREY spray compacting
  • a preform there are bolts that pass through typical thermoforming processes (pressing, rolling, forging) into semi-finished products (Rods, tubes, profiles, bushings) can be processed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer sprühkompaktierten Cu-Ni-Mn-Legierung, bestehend aus 10 bis 25 % Ni, 10 bis 25 % Mn, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, als Werkstoff zur Herstellung von Werkzeugen und Komponenten für den Offshore-Bereich und den Bergbau, insbes. für Bohranlagen. Dank der günstigen Eigenschaftskombination bietet sich vorzugsweise die Verwendung als Ersatzwerkstoff für Be-haltige Kupferwerkstoffe an.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung als Werkstoff zur Herstellung von Werkzeugen und Komponenten für den Offshore-Bereich und den Bergbau, insbes. für Bohranlagen.
In der Offshore-Technik werden für hohe Beanspruchungen mechanische Komponenten (wie etwa Bohrgestänge, Verschraubungen, Bolzen, etc.) verlangt, die u. a. 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 die in diesem Einsatzgebiet verwendeten Werkstoffe werden folgende, spezifische Eigenschaften gefordert. Hierzu zählen:
  • 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 χ sollte dementsprechend 20.10-6 nicht überschreiten. (Dabei gibt χ nach der GI. M = µo . χ . H das Verhältnis der Magnetisierung M [ Vs / m 2] zur magnetischen Feldstärke H [ A / m] an, mit µo = 4 π . 10-7 = 1,256 . 10-6 [ Vs / Am] als magnetischer Feldkonstante.)
  • 2. Streckgrenze/Härte: Der Bohrstrang unterliegt hohen mechanischen und physikaiisch/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 sogenannten Bohrspülung an die Oberfläche gepumpt. Erhöhte Temperatur und der chemische bzw. physikalisch-chemische 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.
  • Für diese Anforderungen werden nach dem Stand der Technik Komponenten und Werkzeuge aus Kupferwerkstoffen, insbes. aus Cu-Be-Legierungen eingesetzt, die diese Eigenschaften in besonderer Weise auf sich vereinen. Als Beispiel gelten hierfür die Kupfer-Beryllium-Zwischenstücke, die bei austenitischen, nichtmagnetisierbaren Schwerstangen (sog. "drill collars") verwendet werden.
    Nachdem nun das Umweltbewußtsein in der Bevölkerung immer stärker wird, rücken Gesichtspunkte der Umweltverträglichkeit und Gesundheitsgefährdung zunehmend auch in das Zentrum des Interesses von Anlagenausrüstern für die Offshore-Technik. Jegliche Kritikpunkte gilt es zu vermeiden.
    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.
    Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kupferwerkstoff zu finden, der das geforderte Eigenschaftsprofil ebenfalls möglichst weitgehend erfüllt, dabei aber Be-frei ist.
    Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung gelöst, die aus 10 bis 25 % Nickel, 10 bis 25 % Mangan, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, besteht (die Prozentangabe bezieht sich auf das Gewicht).
    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 durch die Herstellung mittels Sprühkompaktierens auch eine selektiv bessere technologische Eignung gefunden wird, insbes. werden die Anforderungen an Bohrstrangkomponenten gemäß API (American Petroleum Institute)-Specification 7 ("Specification for Rotary Drill Stem Elements") 38. Ed., April 1, 1994, erfüllt.
    Es sind zwar Kupfer-Nickel-Mangan-Legierungen als solche bereits bekannt (vgl. beispielsweise US-PS 2.234.552/DEAN) und es ist beispielsweise auch im Bereich der elektrischen und elektronischen Bauteile bekannt, die relativ teuren Cu-Be-Legierungen durch preiswertere Kupfer-Nickel-Mangan-Legierungen zu ersetzen, der beanspruchte Verwendungszweck für eine sprühkompaktierte Legierung dieser Art ist allerdings nicht vorbekannt.
    Der Urformprozeß für den Kupferwerkstoff erfolgt durch Sprühkompaktieren (vgl. den sog. "OSPREY"-Prozeß beispielsweise nach den GB-PSen 1.379.261/1.599.392 oder EPS 0.225.732). Als Vorform bieten sich Bolzen an, die durch typische Warmformverfahren (Pressen, Walzen, Schmieden) zu Halbzeugfabrikaten (Stangen, Rohren, Profilen, Buchsen) verarbeitet werden.
    Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich nach den Ansprüchen 2 bis 6.

    Claims (6)

    1. Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung, bestehend aus 10 bis 25 % Nickel, 10 bis 25 % Mangan, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, als Werkstoff zur Herstellung von Werkzeugen und Komponenten für den Offshore-Bereich und den Bergbau, insbes. für Bohranlagen.
    2. Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Legierung nach Anspruch 1, die 17 bis 23 % Nickel und 17 bis 23 % Mangan enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
    3. Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die 19,5 bis 20,5 % Nickel und 19,5 bis 20,5 % Mangan enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
    4. Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der eine homogene und seigerungsarme Verteilung aller Legierungselemente vorliegt, für den Zweck nach Anspruch 1.
    5. Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Legierung nach Anspruch 4, die eine mittlere Korngröße DK = 50 bis 70 µm aufweist, für den Zweck nach Anspruch 1.
    6. Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Werkstoff, der die Anforderungen gemäß API (American Petroleum Institute)-Specification 7 ("Specification for Rotary Drill Stem Elements") 38. Ed., April 1, 1994, erfüllt, für den Zweck nach Anspruch 1.
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