JP2017190525A

JP2017190525A - 析出硬化マルテンサイトステンレス鋼およびそれで製造された往復ポンプ

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Publication number: JP2017190525A
Application number: JP2017075741A
Authority: JP
Inventors: アルギルダス・アンデリース; Underys Algirdas; ジェシー・アダムソン; Jesse Adamson; マーク・シャーリー; Shirley Mark
Original assignee: Finkl A and Sons Co
Current assignee: Finkl A and Sons Co
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2037-04-06
Also published as: AU2017202284B2; KR102383368B1; US10344758B2; US20170292515A1; EP3228716B1; RU2017111619A; EP3228716A1; BR102017007279B1; MX2017004682A; TWI696711B; CN107267881A; RU2017111619A3; CA2963394A1; RU2733603C2; CA2963394C; JP7133288B2; AU2017202284A1; BR102017007279A2; KR20170115457A; TW201739932A

Abstract

【課題】上述の１つ以上の問題および／または公知の往復ポンプ流体端部に関連する他の問題を克服する。
【解決手段】エンドブロックを開示する。エンドブロックは、前側、後側、左側、右側、上側、底側間を延在する本体を含み得る。さらに、本体は、入口と出口との間の本体を延在する第１の穴、およびシリンダポートと第１の穴との間を延在するシリンダ穴を含み得る。さらに、本体は、炭素０．０８重量％から０．１８重量％、クロム１０．５０重量％から１４．００重量％、ニッケル０．６５重量％から１．１５重量％、銅０．８５％から１．３０重量％、鉄、および銅を含む第１の析出物を含む析出硬化マルテンサイトステンレス鋼を含み得る。
【選択図】図１

Description

これは、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて２０１６年４月７日に出願された米国仮出願第６２／３１９，４０６号の利益を主張する米国特許出願である。

この開示は、一般に、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼、より詳しくは、それからなるエンドブロックおよび往復ポンプに関する。

往復ポンプは、限定されないが、コンクリート、酸処理材料、水圧破砕材料、またはプロパント材料などの処理材料をガスまたは石油裸孔中に進めるように構成され得る。往復ポンプは、パワー端部および流体端部を含み、パワー端部は、モータと、モータと回転係合されたクランクシャフトとを含む。さらに、パワー端部は、クランクシャフトと回転係合されたクランクアームを含む。

流体端部は、１つの端部でクランクアームに、および他の端部でプランジャーに動作可能に接続された接続ロッドと、プランジャーと動作可能に係合するように構成されたシリンダと、シリンダと係合するように構成されたエンドブロックとを含み得る。入口および出口がエンドブロックに設けられ、第１の穴が入口と出口との間に延在する。さらに、エンドブロックは、シリンダポート、およびシリンダポートと第１の穴との間に延在するシリンダ穴を含む。モータが作動するとともに、それはクランクシャフトを回転させ、それは、次にはクランクアームおよび接続ロッドを介してシリンダ内部でプランジャーを往復運動させる。プランジャーが往復運動するとともに、処理材料は入口を介してエンドブロック中に移動され、ガスまたは石油裸孔に、圧力をかけられて出口を介してエンドブロックから進ませる。

炭化水素の需要が増大するとともに、水圧破砕会社は、ヘインズヴィル頁岩などのより複雑な領域で掘削することに移っている。旧来の層を１平方インチ（ＰＳＩ）当たり９０００ポンドで破砕されることができた場合、ヘインズヴィル頁岩は、一般に、１３０００ＰＳＩより上のポンプ圧を必要とする。さらに、旧来の層が低研磨プロパント材料を利用することができる場合に、ヘインズヴィル頁岩は、通例、ボーキサイトなどの高研磨プロパントを必要とする。より高い研磨プロパント材料のより高いポンプ圧および利用は、流体端部寿命を短くし、したがって、置換エンドブロックおよびポンプに関連するより高いコストを招く。

したがって、本開示は、上述の１つ以上の問題および／または公知の往復ポンプ流体端部に関連する他の問題を克服することを対象とする。

本開示の１つの態様によれば、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼を開示する。析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、炭素０．０８重量％から０．１８重量％、クロム１０．５０重量％から１４．００重量％、ニッケル０．６５重量％から１．１５重量％、銅０．８５％から１．３０重量％、および鉄を含み得る。加えて、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、銅を含む第１の析出物を含み得る。

本開示の他の態様によれば、エンドブロックを開示する。エンドブロックは、前側、後側、左側、右側、上側、底側の間に延在する本体を含み得る。さらに、本体は、入口と出口との間の本体を延在する第１の穴を含み、シリンダポートと第１の穴との間を延在するシリンダ穴をさらに含み得る。加えて、本体は、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼を含み得る。析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、炭素０．０８重量％から０．１８重量％、クロム１０．５０重量％から１４．００重量％、ニッケル０．６５重量％から１．１５重量％、銅０．８５％から１．３０重量％、および鉄を含み得る。加えて、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、銅を含む第１の析出物を含み得る。

本開示の他の態様によれば、往復ポンプを開示する。往復ポンプは、クランクシャフト、およびクランクシャフトと回転係合された接続ロッドを含み得る。加えて、往復ポンプは、接続ロッドに動作可能に接続されたプランジャー、およびプランジャーと動作可能に係合するように構成されたシリンダを含み得る。さらに、往復ポンプはエンドブロックを含み得、エンドブロックは、前側、後側、左側、右側、上側、底側間を延在する本体を含み得る。さらに、本体は、入口と出口との間の本体を延在する第１の穴、およびシリンダポートと第１の穴との間を延在するシリンダ穴を含み得る。加えて、本体は析出硬化マルテンサイトステンレス鋼を含み得る。析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、炭素０．０８重量％から０．１８重量％、クロム１０．５０重量％から１４．００重量％、ニッケル０．６５重量％から１．１５重量％、銅０．８５％から１．３０重量％、および鉄を含み得る。加えて、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、銅を含む第１の析出物を含み得る。

本開示のこれらの態様、他の態様、および特徴が添付の図面と共に読み取るとより容易に理解される。

本開示によって製造された例示的な往復ポンプの側面図である。本開示によって製造された図１による例示的な往復ポンプの断面図である。本開示によって製造された図１の例示的な往復ポンプで利用され得るエンドブロックの斜視図である。本開示によって製造された図１の例示的な往復ポンプで利用され得る、線４−４に沿った図３のエンドブロックの１つの実施形態の断面図である。本開示によって製造された図１の例示的な往復ポンプで利用され得る、線４−４に沿った図３のエンドブロックの変化した実施形態の断面図である。ステンレス鋼線での応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対するニッケル含有量の影響を示すデータプロットである。

開示の様々な態様は、本明細書に開示する図面および表を参照して説明され、特に明示しない限り、同じ構成要素については同じ参照符号を付けている。図１を参照して、本開示によって製造された例示的な往復ポンプ１０の側面図を表す。そこで示されるように、往復ポンプ１０はパワー端部１２および流体端部１４を含み得る。パワー端部１２は、流体端部１４に動作をもたらすように構成されて、それによって、流体端部１４が限定されないが、コンクリート、酸処理材料、水圧破砕材料、またはプロパント材料などの処理材料をガスまたは石油裸孔中に進めることを可能にし得る。

以下に図２を参照して、本開示によって製造された図１による例示的な往復ポンプ１０の断面図が示される。そこで見られるように、パワー端部１２は流体端部１４に動作をもたらすように構成されたモータ１６を含み得る。さらに、パワー端部１２は、クランクシャフト２０およびクランクアーム２２を囲むクランク室筐体１８を含み得る。クランクシャフト２０は、モータ１６と回転係合され得、クランクアーム２２はクランクシャフト２０と回転係合され得る。

流体端部１４は、接続ロッド２６、シリンダ２８、およびプランジャー３０を少なくとも部分的に囲む流体筐体２４を含み得る。接続ロッド２６は、第１の端部３１および第１の端部３１の反対の第２の端部３３を含み得る。接続ロッド２６は、第１の端部３１でクランクアーム２２、および第２の端部３３でプランジャー３０に動作可能に接続され得る。シリンダ２８はプランジャー３０と動作可能に係合するように構成され得る。本開示および図面は、シリンダ２８およびプランジャー３０の配置について検討している一方、本開示の教示はシリンダ２８およびピストンの配置も包含し得ることが想定される。したがって、本開示の範囲から逸脱することなく、プランジャー３０がピストンで置換され得ることが理解される。

流体端部１４はエンドブロック３２も含み得る。以下、図３に移って、本開示によって製造された図１の例示的な往復ポンプ１０で利用され得るエンドブロック３２の斜視図が示されている。そこに示されるように、エンドブロック３２は、前側３６、後側３８、左側４０、右側４２、上側４４、および底側４６間に延在する本体３４を含み得る。図３に示されるエンドブロック３２は一体鋳造の３組設計であるが、本開示の教示が５組、Ｙブロックなどの他の一体鋳造設計、および標準寸法設計を有するエンドブロック３２にさえ同様に等しく当てはまることが想定される。

図４に移って、線４−４に沿った図３のエンドブロック３２の１つの実施形態の断面図が説明される。そこに示されるように、本体３４は、入口４８、出口５０、および入口４８と出口５０との間に延在する第１の穴５２をさらに含み得る。さらに、図４に示されるように、本体３４は、加えて、シリンダポート５４、検査ポート５６、およびシリンダ穴５８を含み得る。１つの実施形態では、シリンダ穴５８はシリンダポート５４と第１の穴５２との間に延在し得る。他の実施形態では、シリンダ穴５８はシリンダポート５４と検査ポート５６との間に延在し得る。

図５を参照して、線４−４に沿った図３のエンドブロック３２の他の実施形態の断面図が説明される。そこに示されるように、本体３４は、入口４８、出口５０、および入口４８と出口５０との間に延在する第１の穴５２をさらに含み得る。さらに、図５に示されるように、本体３４は、加えて、シリンダポート５４およびシリンダ穴５８を含み得る。シリンダ穴５８は、シリンダポート５４と第１の穴５２との間に延在し得る。さらに、そこに説明されるように、シリンダ穴５８と第１の穴５２との角度は９０度以外であり、それによってＹブロック形状の構成を有するエンドブロック３２を生じ得る。

運転中、モータ１６はクランクシャフト２０を回転させ得、次にクランクアーム２２および接続ロッド２６を介してシリンダ２８内部でプランジャー３０を往復運動させ得る。プランジャー３０がシリンダ穴５８からシリンダ２８に向けて往復運動するとともに、処理材料は、入口４８を介して第１の穴５２中に移動され得る。プランジャー３０がシリンダ２８からシリンダ穴５８に向けて往復運動するとともに、処理材料は、ガスまたは石油裸孔に圧力をかけられて出口５０を介して第１の穴５２から移動され得る。

上述のように、炭化水素エネルギーの需要が増大している。したがって、水圧破砕会社は、捕らえた炭化水素を放出するために圧力の増大およびより高い研磨プロパント材料の使用を必要とする頁岩領域を調査し始めた。ボーキサイトなどのより高い研磨プロパント材料のより高いポンプ圧および利用によって流体端部１４の耐用年数が縮まった。より具体的には、より高い研磨プロパント材料のより高いポンプ圧および利用によって、シリンダ２８、プランジャー３０、およびエンドブロック３２の耐用年数が縮まった。したがって、本開示はこれらの部品の耐用年数を延ばすことを対象とする。

より詳しくは、本開示は、用途のための適切な降伏強度および最大抗張力を維持しながら、上述の往復ポンプ１０のシリンダ２８、プランジャー３０、および流体端部１４のエンドブロック３２を製造するために従来利用される材料に比較して耐食性が向上した、新規で非自明な析出硬化マルテンサイトステンレス鋼を対象とする。より具体的には、第１の実施形態では、本開示は、炭素０．０８重量％から０．１８重量％、クロム１０．５０重量％から１４．００重量％、ニッケル０．６５重量％から１．１５重量％、銅０．８５％から１．３０重量％、鉄、および銅を含む第１の析出物を含む析出硬化マルテンサイトステンレス鋼を対象とする。さらに、この実施形態では、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、モリブデン０．４０重量％から０．６０重量％、およびモリブデンを含む第２の析出物をさらに含み得る。加えて、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼のこの実施形態は、加えて、マンガン０．３０重量％から１．００重量％を含み得る。さらに、この実施形態では、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、リン０重量％から０．０４０重量％を含み得る。さらに、この実施形態における析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、硫黄０重量％から０．１００重量％を含み得る。加えて、この実施形態における析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、シリコン０．１５重量％から０．６５重量％を含み得る。さらに、この実施形態における析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、バナジウム０重量％から０．１５重量％を含み得る。加えて、この実施形態における析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、ニオブ０重量％から０．１５重量％を含み得る。最後に、この実施形態では、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、アルミニウム０．０１重量％から０．０９重量％を含み得る。

第１の実施形態において、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼の降伏強度は、強度と延性の最良のバランスのために９５．０キロ重量ポンド毎平方インチ（ＫＳＩ）から１３０．０ＫＳＩに及び、平均降伏強度は１０５．０ＫＳＩであり得る。さらに、この第１の実施形態では、析出硬化ステンレス鋼は、強度と延性の最良のバランスのために最大抗張力１１０ＫＳＩから１４１ＫＳＩを有し、平均最大抗張力は１２３．０ＫＳＩであり得る。

さらなる実施形態において、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、炭素０．１０重量％から０．１８重量％、クロム１１．５０重量％から１４．００重量％、ニッケル０．６５重量％から１．１５重量％、銅０．８５％から１．３０重量％、鉄、および銅を含む第１の析出物を含み得る。さらに、このさらなる実施形態では、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、モリブデン０．４０重量％から０．６０重量％、およびモリブデンを含む第２の析出物をさらに含み得る。加えて、このさらなる実施形態では、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、加えて、マンガン０．３０重量％から０．８０重量％を含み得る。さらに、このさらなる実施形態では、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、リン０重量％から０．０４０重量％を含み得る。さらに、このさらなる実施形態における析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、硫黄０重量％から０．１００重量％を含み得る。加えて、このさらなる実施形態における析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、シリコン０．２５％から０．６０重量％を含み得る。さらに、このさらなる実施形態では、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、バナジウム０重量％から０．１５重量％を含み得る。加えて、このさらなる実施形態における析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、ニオブ０重量％から０．１５重量％を含み得る。最後に、このさらなる実施形態では、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、アルミニウム０．０１重量％から０．０９重量％を含み得る。

このさらなる実施形態において、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼の降伏強度は、強度と延性の最良のバランスのために９５．０キロ重量ポンド毎平方インチ（ＫＳＩ）から１３０．０ＫＳＩに及び、平均降伏強度は１０５．０ＫＳＩであり得る。さらに、このさらなる実施形態では、析出硬化ステンレス鋼は、強度と延性の最良のバランスのために最大抗張力１１０ＫＳＩから１４１ＫＳＩを有し、平均最大抗張力は１２３．０ＫＳＩであり得る。

さらなる実施形態において、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、炭素０．１３重量％から０．１８重量％、クロム１２．００％から１３．５０重量％、ニッケル０．６５重量％から０．９５重量％、銅１．００重量％から１．３０重量％、鉄、および銅を含む第１の析出物を含み得る。さらに、このさらなる実施形態では、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、モリブデン０．４３重量％から０．５７重量％、およびモリブデンを含む第２の析出物をさらに含み得る。加えて、このさらなる実施形態では、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、加えて、マンガン０．３０重量％から０．５０重量％を含み得る。さらに、このさらなる実施形態では、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、リン０重量％から０．０４０重量％を含み得る。さらに、このさらなる実施形態における析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、硫黄０重量％から０．０１０重量％を含み得る。加えて、このさらなる実施形態における析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、シリコン０．３０重量％から０．５０重量％を含み得る。さらに、このさらなる実施形態では、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、バナジウム０重量％から０．１５重量を含み得る。さらに、このさらなる実施形態における析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、ニオブ０重量％から０．０７重量％をさらに含み得る。加えて、このさらなる実施形態における析出硬化マルテンサイトステンレス鋼中のバナジウムおよびニオブの併せた含有量は、最大０．１５重量％に限定され得る。最後に、このさらなる実施形態では、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、アルミニウム０．０１５重量％から０．０４５重量％を含み得る。

上述の処方における炭素は焼き入れされたままの硬度を決定し得、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼の焼入性を向上し、強力なオーステナイト安定剤である。加えて、炭素はクロムおよびモリブデンと結合して多くの金属炭化物相を形成し得る。金属炭化物粒子は耐摩耗性を向上し、ＭＣ型金属炭化物は、粒子ピン止めによって細粒化をもたらす。耐摩耗性および細粒化に、適切な金属炭化物の形成を確保するために、および必要な焼き入れされたままの硬度を与えるために、０．０８重量％の最小の炭素含有量が必要とされる。しかしながら、炭素レベルを０．１８重量％を超えて増加させることは望ましくない。まず、クロム炭化物の析出は、有益なクロムのマトリックスを消耗し、それは合金の耐酸化性および耐食性を低下させる。次に、より高い炭素レベルはオーステナイト相を過剰に安定させる可能性がある。不完全な変態は過剰安定したオーステナイトに起因する可能性があり、それは、マルテンサイト開始および終了温度を、装置強度への有害な影響を伴って室温より下に低下させる可能性がある。

上述の処方におけるクロムは、焼入性を適度に向上し、固溶強化を軽度に与え、炭素と結合して金属炭化物を形成する場合に耐摩耗性を非常に向上し得る。クロムは、１０．５重量％を超える濃度で存在する場合には、高耐酸化および高耐食性を示す。実際上、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼の熱間加工性を低減することなく１４．０重量％以下を添加することができる。

上述の処方のニッケルは、小さな固溶強化を与え、焼入性を向上し、靱性および延性を向上し得る。さらに、ニッケルは酸性環境での耐食性を向上し得、強いオーステナイト安定剤であり得る。ニッケルは、また液体状の鉄中の銅の溶解性を向上し、鍛造中に表面クラッキングを制御し得る。加えて、ニッケルは、また、鍛造中に粒界に移動する銅の傾向を緩和し得る。銅に対するニッケルの１つの好ましい最小比率は５０％である。

エンドブロックおよび往復ポンプの故障モードは完全には理解されなくてもよい。しかしながら、与えられた材料は、引張応力の組み合わせおよび腐食性水溶液にさらされて、クラックの開始、次いで伝搬の傾向があり得ることが知られる。応力腐食割れ（ＳＣＣ）に対して材料の感受性は、合金構成、微構造、および熱履歴が原因であり得る。ステンレス鋼のニッケル含有量は、ＳＣＣによる故障に対する時間への影響を有することが示された（図６およびＪｏｎｅｓ，ＲｕｓｓｅｌＨ．，Ｓｔｒｅｓｓ−ＣｏｒｒｏｓｉｏｎＣｒａｃｋｉｎｇ：Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄＥｖａｌｕａｔｉｏｎ，ＳｅｃｏｎｄＥｄｉｔｉｏｎ，ＡＳＭＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２０１７，ｐｐ．１００−１０１参照）。図６のプロットから、ニッケル濃度が０％からおよそ１２．５％まで増加すると、ＳＣＣに対する感受性が増加することが留意され得る。したがって、ニッケル濃度を１．１５％未満に維持することは、より高いニッケル濃度と比較して、ＳＣＣに対するステンレス鋼の抵抗を増加し得る。

上述の銅は、焼入性をわずかに向上し、耐酸化性を向上し、ある酸に対する耐食性を向上し、銅リッチ粒子の析出を通じて強度を与え得る。０．８５重量％から１．３０重量％の銅のレベルは、マルテンサイト変態温度を著しく低下させることなく、析出硬化と同様に耐酸化性および耐食性の向上を可能にする。銅は、溶鋼の流動性を向上し、１．０重量％の銅は、流動性に対する溶鋼温度の１２５°Ｆの上昇と等価の影響を有する。鉄中の銅の最大の溶解度は、急冷された場合に１．５０重量％であり、上述の析出硬化マルテンサイトステンレス鋼について１．３０重量％未満に維持されるべきである。

上述の処方におけるモリブデンは、焼入性を向上し、耐食性を向上し、焼き戻し脆化の傾向を低減し、微細な金属炭化物（Ｍ_２Ｃ）の析出によって１０００°Ｆから１２００°Ｆの範囲で加熱される場合に強化された析出硬化マルテンサイトステンレス鋼を生じる。モリブデンリッチ金属炭化物は、耐摩耗性を向上し、高温硬度を向上し、Ａ_１温度より下で粗大化を抑制する。さらに、０．６０重量％までのモリブデン量は、熱間加工性を危うくすることなくこれらの利点が実現されることを可能にする。モリブデンは、銅軸受鋼の耐衝撃性を向上し、１つの好ましい比率では、銅の重量％のほぼ半分の量で存在するべきである。

上述の処方のマンガンは、軽度の固溶強化をもたらし、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼の焼入性を向上し得る。マンガンは、十分な量で存在する場合、硫黄を非金属化合物に化学結合して、材料の延性に対する遊離硫黄の有害な影響を低減する。マンガンは、また、オーステナイト安定剤であり、１．００重量％より高いレベルは、高い炭素レベルについて上述のものと同種の過剰安定の問題を引き起こす可能性がある。

上述の処方におけるリンは不純物であると考えられ得る。そういうものとして、リンは、７００°Ｆから９００°Ｆの間で焼き戻しする場合に粒界に偏析することによって延性を低減する傾向により、０．０４０重量％のレベルまで許容され得る。

上述の処方における硫黄は不純物であると考えられ得、それは延性および靱性の低下を犠牲にして切削可能性を向上し得る。延性および靱性への悪影響により、硫黄レベルは、延性および靱性が重大な用途について最大０．０１０重量％まで許容される。他方、切削可能性の向上が望まれる場合に、０．１００重量％の硫黄レベルが許容され得る。

上で定められた処方におけるシリコンは、製鋼中に脱酸に使用され得る。加えて、シリコンは耐酸化性を向上し、固溶強化による強度の軽度の向上を与え、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼の焼入性を向上し得る。シリコンはフェライトを軽度に安定させ、０．１５重量％から０．６５重量％のシリコンレベルは、材料における脱酸および相安定に望ましい。さらに、シリコンは、鉄中の銅の溶解性を向上し、析出硬化のための時間を長くする。１つの実施形態では、シリコンは、銅が１．００重量％であり得る場合に０．１５％より多くあるべきである。

上述の処方のバナジウムは、焼入性を強く向上し得、炭素と結合して金属炭化物を形成する場合に耐摩耗性を向上し得、微細な炭化物、窒化物、または炭窒化物粒子の析出による粒界のピン止めによって、細粒を促進することに役立ち得る。ニオブは、また、バナジウムと組み合わせて使用されて細粒化を向上し得る。０．１５％までのバナジウム含有量は、細粒化および焼入性に役立ち得るが、０．１５重量％を超えるバナジウムのレベルは、大きな炭化物の形成によって靱性を有害に低下し得る。析出硬化マルテンサイト鋼は、バナジウム０％から０．１５％を含み得る。

上述の処方のニオブは、固溶体から炭素を取り除くことによって焼入性への悪影響を有し得るが、微細な炭化物、窒化物、または炭窒化物粒子の析出による強化を生じ得、微細な炭化物、窒化物、または炭窒化物粒子の析出による粒界のピン止めによって細粒を促進することに役立ち得る。これらの微細に分散した粒子は、このように細粒化を向上する新しい粒子の形成のための核として役立ち得るので、熱間加工または熱処理の温度で鋼に容易に可溶ではない可能性がある。ニオブによる炭素の非常に強い親和性は、また、他の粒界炭化物の形成を防ぐことによって、粒間腐食に対する抵抗を向上することに役立ち得る。ニオブの焼入性への悪影響を緩和するために、バナジウムが添加され得る。析出硬化マルテンサイト鋼は、ニオブ０％から０．１５％を含み得る。

上述の処方におけるアルミニウムは、製鋼中に使用された場合に有効な脱酸体であり得、窒素と結合して微細な窒化アルミニウムを形成する場合に細粒化をもたらす。アルミニウムは、ニッケルと結合してニッケルアルミナイド粒子を形成することによって強化に寄与し得る。インゴット注入中に優先的な流出量を確保するために、０．０９重量％未満にアルミニウムレベルを維持しなければならない。さらに、アルミニウムは、銅軸受鋼の切り欠き衝撃強度を向上するように思われる。

実施例１
シリンダ２８、プランジャー３０、およびエンドブロック３２を、本明細書に開示された析出硬化マルテンサイトステンレス鋼で作製する方法は、融解、成形、熱処理、および制御された材料の除去のステップを含んで最終の所望の形状を得る。これらの各ステップは、より詳細に以下に検討される。

本明細書に開示した析出硬化マルテンサイトステンレス鋼のための融解プロセスは、現在の製鋼の実施と異ならない。実行可能な融解プロセスの例は、限定されないが、アーク炉の利用、誘導融解、および真空誘導融解が挙げられる。これらの各プロセスでは、溶鋼が作成され、所望の組成を作製するために合金を添加する。後の細粒プロセスを使用することができる。使用されるプロセスによって、融解プロセスのために作成される保護スラグ層は、高い含有量の酸化合金を有することができる。還元剤は、融解プロセス中に添加して、合金化元素をスラグから鋼浴中に戻すことができる。反対に、アルゴン−酸素脱炭（ＡＯＤ）容器または真空−酸素脱炭（ＶＯＤ）容器を使用してスラグ中の合金を浴に優先的に戻すと同様に、炭素含有量を低下させるために容器内で金属およびスラグを処理することもできる。所望の化学的性質を備えた溶鋼は、連続的にストランドに注入またはインゴットに鋳造することができる。

次に、固化されたストランドまたはインゴットは、限定されないが、圧延または鍛造による所望の形状への熱間加工などの例示的な金属形成プロセスを使用して形成することができる。形成に役立つために、ストランドまたはインゴットは２１００°Ｆから２２００°Ｆの範囲の温度に加熱して材料を変形するために十分な塑性にする。好ましくは、１６５０°Ｆの温度より下での変形が、表面クラッキングおよび引裂をもたらす可能性があるので、温度が１６５０°Ｆより下に下がらない限り、変形は継続できる。

成形後に、熱処理が所望の機械的性質を達成するために行われ得る。形成された材料は、限定されないが、直接焼成、間接焼成、雰囲気、および真空炉などの炉内で熱処理され得る。形成された材料が所望の機械的性質を達成するために必要とするステップは、高温にさらして、銅を溶解するのと同様に材料がオーステナイトに変態することを可能にし、その後、空気または急冷媒体中で材料を冷却して、主にマルテンサイトマトリックスを形成し、続いて、マルテンサイトを焼き戻し、溶解された銅に材料を析出、強化させる低温熱サイクルを行うことである。選択温度によって、合金へのモリブデンの添加によって生じる二次硬化効果があり得る。高温プロセスは、１８００°Ｆから１９００°Ｆの範囲で行われる。低温サイクルは、４５０°から７５０°Ｆまたは１０５０°Ｆから１３００°Ｆの範囲にある。７５０°Ｆから１０５０°Ｆの範囲は、この範囲で処理された場合に靱性および耐食性の低下により回避される。代表的な処理は、１０５０°Ｆから１３００°Ｆの温度領域を使用する。この範囲の下端で処理された形成材料は、より高い強度を有し、その一方、範囲の上端で処理された材料は、より良好な延性、靱性、および耐食性を有する。低温プロセス後、材料は、銅の析出物を有する焼き戻しマルテンサイト構造を含み、副次的にモリブデン析出物を含み得る。

続いて、硬化形成材料は、制御された材料除去プロセスを受けて必要に応じて最終の所望の形状外形を得ることができる。硬化材料からシリンダ２８、プランジャー３０、およびエンドブロック３２を作製するために利用される共通のプロセスの例は、限定されないが、フライス加工、旋削、研削、および切断が挙げられる。

本明細書に開示した析出硬化マルテンサイトステンレス鋼の例の組成が、表１から３に以下に記載される。

例の析出硬化マルテンサイトステンレス鋼組成

産業上の利用可能性
運転において、本開示の教示は、限定されないが、高圧下で材料および／または高研磨材料を送達するように設計されたポンプを含む多くの用途での利用可能性を見い出すことができる。例えば、そのようなポンプとしては、限定されないが、泥水ポンプ、コンクリートポンプ、ウェルサービスポンプなどが挙げられる。本開示は、高圧下で材料および／または高研磨材料を送達するように設計された任意のポンプに利用可能であるが、ガスまたは石油裸孔に水圧破砕材料またはプロパント材料を送達するために使用される往復ポンプ１０に特に利用可能であり得る。より具体的には、本開示は、ガスまたは石油裸孔に水圧破砕材料またはプロパント材料を送達するために使用される往復ポンプ１０のシリンダ２８、プランジャー３０、または流体端部１４のエンドブロック３２の耐用年数を延ばすことによって有用性を見い出す。

例えば、本明細書に開示した往復ポンプ１０のシリンダ２８は、往復ポンプ１０の耐用年数を延ばすために本明細書に開示した析出硬化マルテンサイトステンレス鋼を使用し得る。析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、炭素０．０８重量％から０．１８重量％、クロム１０．５０重量％から１４．００重量％、ニッケル０．６５重量％から１．１５重量％、銅０．８５％から１．３０重量％、および鉄を含み得る。加えて、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、銅を含む第１の析出物を含み得る。析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、モリブデン０．４０重量％から０．６０重量％、およびモリブデンを含む第２の析出物をさらに含み得る。加えて、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、加えて、マンガン０．３０重量％から１．００重量％を含み得る。さらに、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、リン０重量％から０．０４０重量％をさらに含み得る。さらに、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、硫黄０重量％から０．１００重量％を含み得る。加えて、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、シリコン０．１５重量％から０．６５重量％を含み得る。さらに、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、バナジウム０重量％から０．１５重量％を含み得る。加えて、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、ニオブ０％から０．１５％を含み得る。最後に、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、アルミニウム０．０１重量％から０．０９重量％を含み得る。

加えて、本明細書に開示した往復ポンプ１０のプランジャー３０は、往復ポンプ１０の耐用年数を延ばすために本明細書に開示した析出硬化マルテンサイトステンレス鋼を使用し得る。析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、炭素０．０８重量％から０．１８重量％、クロム１０．５０重量％から１４．００重量％、ニッケル０．６５重量％から１．１５重量％、銅０．８５％から１．３０重量％、および鉄を含み得る。加えて、プランジャー３０の析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、銅を含む第１の析出物を含み得る。析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、モリブデン０．４０重量％から０．６０重量％、およびモリブデンを含む第２の析出物をさらに含み得る。加えて、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、加えて、マンガン０．３０重量％から１．００重量％を含み得る。さらに、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、リン０重量％から０．０４０重量％をさらに含み得る。さらに、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、硫黄０重量％から０．１００重量％を含み得る。加えて、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、シリコン０．１５重量％から０．６５重量％を含み得る。さらに、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、バナジウム０重量％から０．１５重量％を含み得る。加えて、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、ニオブ０％から０．１５％を含み得る。最後に、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、アルミニウム０．０１重量％から０．０９重量％を含み得る。

さらに、本明細書に開示した往復ポンプ１０のエンドブロック３２は、往復ポンプ１０の耐用年数を延ばすために本明細書に開示した析出硬化マルテンサイトステンレス鋼を使用し得る。析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、炭素０．０８重量％から０．１８重量％、クロム１０．５０重量％から１４．００重量％、ニッケル０．６５重量％から１．１５重量％、銅０．８５％から１．３０重量％、および鉄を含み得る。加えて、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、銅を含む第１の析出物を含み得る。エンドブロック３２の析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、モリブデン０．４０重量％から０．６０重量％、およびモリブデンを含む第２の析出物をさらに含み得る。加えて、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、加えて、マンガン０．３０重量％から１．００重量％を含み得る。さらに、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、リン０重量％から０．０４０重量％をさらに含み得る。さらに、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、硫黄０重量％から０．１００重量％を含み得る。加えて、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、シリコン０．１５重量％から０．６５重量％を含み得る。さらに、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、バナジウム０重量％から０．１５重量％を含み得る。加えて、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、ニオブ０％から０．１５％を含み得る。最後に、析出硬化マルテンサイトステンレス鋼は、アルミニウム０．０１重量％から０．０９重量％を含み得る。

上の説明は代表的のみであることを意味し、したがって、開示の範囲から逸脱することなく、本明細書で説明した実施形態に変更がなされ得る。したがって、これらの変更は本開示の範囲内にあり、添付の請求の範囲内にあることが意図される。

１０往復ポンプ
１２パワー端部
１４流体端部
１６モータ
１８クランク室筐体
２０クランクシャフト
２２クランクアーム
２４流体筐体
２６接続ロッド
２８シリンダ
３０プランジャー
３１第１の端部
３２エンドブロック
３３第２の端部
３４本体
３６前側
３８後側
４０左側
４２右側
４４上側
４６底側
４８入口
５０出口
５２第１の穴
５４シリンダポート
５６検査ポート
５８シリンダ穴

Claims

炭素０．０８重量％から０．１８重量％；
クロム１０．５０重量％から１４．００重量％；
ニッケル０．６５重量％から１．１５重量％；
銅０．８５％から１．３０重量％；
鉄；および
銅を含む第１の析出物を含む、
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼。
モリブデン０．４０重量％から０．６０重量％、およびモリブデンを含む第２の析出物をさらに含む、請求項１に記載の析出硬化マルテンサイトステンレス鋼。
マンガン０．３０重量％から１．００重量％をさらに含む、請求項１に記載の析出硬化マルテンサイトステンレス鋼。
リン０重量％から０．０４０重量％をさらに含む、請求項１に記載の析出硬化マルテンサイトステンレス鋼。
硫黄０重量％から０．１００重量％をさらに含む、請求項１に記載の析出硬化マルテンサイトステンレス鋼。
シリコン０．１５重量％から０．６５重量％をさらに含む、請求項１に記載の析出硬化マルテンサイトステンレス鋼。
バナジウム０重量％から０．１５重量％をさらに含む、請求項１に記載の析出硬化マルテンサイトステンレス鋼。
ニオブ０重量％から０．１５重量％をさらに含む、請求項１に記載の析出硬化マルテンサイトステンレス鋼。
アルミニウム０．０１重量％から０．０９重量％をさらに含む、請求項１に記載の析出硬化マルテンサイトステンレス鋼。
本体を含むエンドブロックであって、
本体が、前側、後側、左側、右側、上側、底側間を延在し、本体は入口と出口との間の本体を延在する第１の穴、シリンダポートと第１の穴との間を延在するシリンダ穴を含み、
本体が、炭素０．０８重量％から０．１８重量％、クロム１０．５０重量％から１４．００重量％、ニッケル０．６５重量％から１．１５重量％、銅０．８５％から１．３０重量％、鉄、および銅を含む第１の析出物を含む析出硬化マルテンサイトステンレス鋼を含む、エンドブロック。
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼が、モリブデン０．４０重量％から０．６０重量％、およびモリブデンを含む第２の析出物をさらに含む、請求項１０に記載のエンドブロック。
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼が、マンガン０．３０重量％から１．００重量％をさらに含む、請求項１０に記載のエンドブロック。
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼が、リン０重量％から０．０４０重量％をさらに含む、請求項１０に記載のエンドブロック。
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼が、硫黄０重量％から０．１００重量％をさらに含む、請求項１０に記載のエンドブロック。
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼が、シリコン０．１５重量％から０．６５重量％をさらに含む、請求項１０に記載のエンドブロック。
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼が、バナジウム０重量％から０．１５重量％をさらに含む、請求項１０に記載のエンドブロック。
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼が、ニオブ０重量％から０．１５重量％をさらに含む、請求項１０に記載のエンドブロック。
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼が、アルミニウム０．０１重量％から０．０９重量％をさらに含む、請求項１０に記載のエンドブロック。
クランクシャフトと、
クランクシャフトと回転係合されたクランクアームと、
クランクアームに動作可能に接続された接続ロッドと、
接続ロッドに動作可能に接続されたプランジャーと、
プランジャーと動作可能に係合するように構成されたシリンダと、
エンドブロックとを含み、
エンドブロックが、前側、後側、左側、右側、上側、底側間を延在する本体を含み、本体は、入口と出口との間の本体を延在する第１の穴、およびシリンダポートと第１の穴との間を延在するシリンダ穴を含み、本体は、炭素０．０８重量％から０．１８重量％、クロム１０．５０重量％から１４．００重量％、ニッケル０．６５重量％から１．１５重量％、銅０．８５％から１．３０重量％、鉄、および銅を含む第１の析出物を含む析出硬化マルテンサイトステンレス鋼を含む、往復ポンプ。
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼が、モリブデン０．４０重量％から０．６０重量％、およびモリブデンを含む第２の析出物をさらに含む、請求項１９に記載の往復ポンプ。
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼が、マンガン０．３０重量％から１．００重量％をさらに含む、請求項１９に記載の往復ポンプ。
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼が、リン０重量％から０．０４０重量％をさらに含む、請求項１９に記載の往復ポンプ。
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼が、硫黄０重量％から０．１００重量％をさらに含む、請求項１９に記載の往復ポンプ。
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼が、バナジウム０重量％から０．１５重量％をさらに含む、請求項１９に記載の往復ポンプ。
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼が、ニオブ０％から０．１５％をさらに含む、請求項１９に記載の往復ポンプ。
析出硬化マルテンサイトステンレス鋼が、シリコン０．１５重量％から０．６５重量％、およびアルミニウム０．０１重量％から０．０９重量％をさらに含む、請求項１９に記載の往復ポンプ。