JP6854275B2 - ドリル構成要素 - Google Patents

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Description

本開示は、ドリル構成要素、特にマルテンサイト系ステンレス鋼を含むドリルロッド、及びその製造に関する。
削岩中、衝撃波及び回転は、１つ以上のロッド又は管を介して、掘削装置から超硬合金を有するドリルビットへ移動する。ドリルロッドは、重い機械的負荷及び腐食環境にさらされる。これは、特に水がフラッシング媒体として使用され、環境が一般に湿気の多い地下掘削に当てはまる。腐食は、最も圧力を受ける部分、スレッドボトム及びスレッドクリアランスにおいて特に深刻である。
通常、表面硬化低合金鋼が掘削用途に使用される。このような鋼は、腐食疲労により寿命が比較的短く、動的荷重及びロッド材料の耐食性不足に起因するドリルロッドの破損が加速される。ドリルロッドに関連する別の問題としては、ドリルロッドが摩耗し、摩損により、すなわちロッド材料の硬度が不十分であるためにドリルを取り替えなければならない割合であり、これは掘削作業の総コストに直接的な影響を及ぼす。ドリルロッドに関連するさらなる問題は、ロッド材料の強度及び靭性、特に衝撃靱性、すなわちドリルロッドが削岩によって引き起こされる静的及び動的荷重、並びに衝撃荷重に耐える能力である。仮にロッドが破損すると、ドリル穴からロッドを回収するのに相当な時間がかかる可能性がある。ロッドの破損は、最適発破のために計算されたドリルパターンを乱すこともある。ドリルロッド及びドリルビットの破損に関するさらなる問題は、採鉱及びトンネリング装置、例えば砕石機及びふるいへの損傷である。
国際公開第０１６１０６４号及び国際公開第２００９００８７９８号の双方とも、削岩用のマルテンサイト鋼を開示している。これらの鋼は、腐食疲労に関する上記の問題を解決又は軽減するが、削岩中に十分に作動するほどに十分高い衝撃靱性を有しないであろう。これは、マルテンサイト鋼製のドリル構成要素が削岩中に衝撃荷重を受けた場合、容易に破損する明らかな危険性を有し、上述したのと同じ結果につながる可能性があることを意味する。
ＣＮ第１０２５８６６９５号及び米国特許第５７１４１１４号の双方は、マルテンサイト鋼に関する。しかし、そこに開示されているマルテンサイト系ステンレス鋼は、ドリルロッド以外の用途に使用される。ゆえに、そこに開示されているマルテンサイト系ステンレス鋼の要件及び重要な機械的特性は、ドリルロッド用に使用されるマルテンサイト系ステンレス鋼と比べて異なっている。
したがって、本開示の目的は、上記の問題の少なくとも１つを解決及び／又は軽減することである。特に、本開示の一態様は、良好な耐食性及び最適化され、バランスのとれた機械的特性をドリル構成要素に与えるマルテンサイト微細構造を硬化時に形成する鋼組成物を有する、ドリルロッドなどのドリル構成要素を実現することであり、それにより耐用年数が長くなり、また、長期間使用することができる費用対効果の高いドリル構成要素を実現することができる。
したがって、本開示は、重量％（ｗｔ％）で以下の組成：
Ｃ ０．２１〜０．２７；
Ｓｉ ０．７以下；
Ｍｎ ０．２〜２．５；
Ｐ ０．０３以下；
Ｓ ０．０５以下；
Ｃｒ １１．９〜１４．０；
Ｎｉ ０．５超〜３．０；
Ｍｏ ０．４〜１．５；
Ｎ ０．０６０以下；
Ｃｕ １．２以下；
Ｖ ０．０６以下；
Ｎｂ ０．０３以下；
Ａｌ ０．０５０以下；
Ｔｉ ０．０５以下；
残部のＦｅ及び不可避的不純物
を有するマルテンサイト系ステンレス鋼であって、７５％以上のマルテンサイト相と２５％以下の残留オーステナイト相とを含み、ＰＲＥ値（孔食抵抗相当値）が１４以上であるマルテンサイト系ステンレス鋼
を含むドリル構成要素に関する。ＰＲＥ値は、次式、ＰＲＥ＝Ｃｒ＋３．３＊Ｍｏ（式中、Ｃｒ及びＭｏは、元素の重量パーセント（ｗｔ％）での含有量に相当する）で算出される。上記又は下記のマルテンサイト系ステンレス鋼は、マルテンサイト微細構造がマルテンサイト相と残留オーステナイト相の双方を含むことを意味する、残留オーステナイトを含有する硬化及び焼戻しマルテンサイト微細構造を有する。マルテンサイト相は、所望の硬度及び引張強さ、並びに所望の耐摩耗性を提供する。残留オーステナイト相は、マルテンサイト相と比較して、より軟質で延性であり、マルテンサイト微細構造の脆性を減少させ、それにより衝撃靱性など、鋼の機械的特性の必要な改善をもたらす。上記又は下記のマルテンサイト系ステンレス鋼は、その化学組成と微細構造の双方に起因して、硬度、衝撃靱性、強度、及び耐食性の独特の組み合わせを有する。
さらに、本開示はまた、トップハンマードリルロッド及びウォーターフラッシュ（water flushed）トップハンマードリルロッドなどのドリルロッドである、ドリル構成要素及びその製造に関する。
領域及び対応する座標が描かれたシェフラー組織図を示す。 図１と同じシェフラー組織図であるが、製造した実施例の合金が図に表示されている。 実施例のいくつかの合金の硬度及び衝撃靱性曲線を示す。
したがって、本開示は、重量％（ｗｔ％）で以下の組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を含むドリル構成要素に関する。
Ｃ ０．２１〜０．２７；
Ｓｉ ０．７以下；
Ｍｎ ０．２〜２．５；
Ｐ ０．０３以下；
Ｓ ０．０５以下；
Ｃｒ １１．９〜１４．０；
Ｎｉ ０．５超〜３．０；
Ｍｏ ０．４〜１．５；
Ｎ ０．０６０以下；
Ｃｕ １．２以下；
Ｖ ０．０６以下；
Ｎｂ ０．０３以下；
Ａｌ ０．０５０以下；
Ｔｉ ０．０５以下；
残部のＦｅ及び不可避的不純物
を有するマルテンサイト系ステンレス鋼であって、７５％以上のマルテンサイト相と２５％以下の残留オーステナイト相とを含み、ＰＲＥ値が１４以上であるマルテンサイト系ステンレス鋼
を含むドリル構成要素に関する。
さらに、本マルテンサイト系ステンレス鋼は、マルテンサイト相の硬度が高いため、高い引張強さと高い耐摩耗性を有する。しかし、マルテンサイト相は脆い。本開示では、マルテンサイト相と一定量の残留オーステナイト相を（微細構造が７５％以上のマルテンサイト相と２５％以下の残留オーステナイト相とを含むように）組み合わせることにより、さらに、これを合金元素、特にＮｉ、Ｍｎ及びＭｏのバランスの取れた添加と組み合わせることにより、マルテンサイト系ステンレス鋼の衝撃靭性が大幅に改善され、これはマルテンサイト系ステンレス鋼を含むドリル構成要素にも当てはまる。これは、上述のように、マルテンサイト相が所望の硬度及び引張強さ、並びに所望の耐摩耗性を提供する一方で、マルテンサイト相に比べて軟質でより延性の高い残留オーステナイト相がマルテンサイト微細構造の脆性を減少させるためであり、それにより機械的特性の必要な改善がもたらされる。ただし、残留オーステナイト相はマルテンサイト微細構造の硬度を過度に低下させるので、残留オーステナイト相の量を多くしすぎないことが必要である。したがって、マルテンサイト相の量及び残留オーステナイト相の量は、上記又は下記の通りである。一実施態様によれば、上記又は下記のマルテンサイト系ステンレス鋼は、本文脈では軟らかく脆い相であると考えられるフェライト相を硬化後に全く含有しない、すなわち上記又は下記のマルテンサイト系ステンレス鋼を含むドリル構成要素は、硬化後にフェライト相を全く含まない。
本開示の一実施態様によれば、ドリル構成要素である上記又は下記のマルテンサイト系ステンレス鋼は、８０〜９５％のマルテンサイト相と、５〜２０％の残留オーステナイト相とを含む。
したがって、本開示は、高硬度及び高衝撃靭性、並びに良好な耐食性の独特な組み合わせを有するマルテンサイト系ステンレス鋼を提供する。さらに、本開示は、構成要素全体にわたって耐食性、硬度と衝撃靱性との最適な組み合わせをドリル構成要素に与える化学組成及び微細構造を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を含むドリル構成要素を提供する。したがって、本ドリル構成要素は、改善されたコスト効率と使用中のより長い稼働時間を有するであろう。
ここで、本開示によるマルテンサイト系ステンレス鋼の合金元素について説明する。用語「重量％」と「ｗｔ％」は、互換的に使用される：
炭素（Ｃ）：０．２１〜０．２７ｗｔ％
Ｃは、強力なオーステナイト相安定化合金元素である。マルテンサイト系ステンレス鋼が硬化し、強化される能力を有するように、Ｃは、マルテンサイト系ステンレス鋼に必要である。それゆえ、上記の効果を十分に発揮させるために、Ｃ含有量を少なくとも０．２１ｗｔ％とする。しかし、Ｃが過剰であると、炭化クロムが生成する危険性が増し、これにより様々な機械的特性及び他の特性（例えば延性、衝撃靱性及び耐食性）が低下するであろう。機械的特性は、硬化後の残留オーステナイト相の量によっても影響され、この量はＣ含有量に依存する。よってＣ含有量は、最大で０．２７重量％に設定され、それにより本マルテンサイト系ステンレス鋼の炭素含有量は、０．２１〜０．２７ｗｔ％、例えば０．２１〜０．２６ｗｔ％である。
ケイ素（Ｓｉ）：最大０．７ｗｔ％
Ｓｉは、強力なフェライト相安定化合金元素であるため、その含有量もＣｒ及びＭｏなどの他のフェライト生成元素の量に依存する。Ｓｉは、主に溶融精製の際の脱酸素剤として使用される。Ｓｉ含有量が過剰であると、微細構造中にフェライト相及び金属間化合物析出物が生成し、これにより様々な機械的特性が低下する。よってＳｉ含有量は、最大０．７ｗｔ％、例えば最大０．４ｗｔ％に設定される。
マンガン（Ｍｎ）： ０．２〜２．５ｗｔ％
Ｍｎは、オーステナイト相安定化合金元素である。Ｍｎは、オーステナイト相におけるＣ及びＮの溶解を促進し、変形硬化を増加させる。さらに、Ｍｎは、マルテンサイト系ステンレス鋼が熱処理される場合、焼入性も向上させる。Ｍｎは、ＭｎＳ析出物が生成することにより硫黄の悪影響をさらに減少させ、ひいては熱間延性及び衝撃靭性を高めるが、ＭｎＳ析出物もやはり、耐孔食を幾分損なう可能性がある。ゆえに、最も低いＭｎ含有量は、０．２ｗｔ％に設定される。しかし、Ｍｎ含有量が過剰であると、残留オーステナイト相の量が多くなりすぎて、様々な機械的特性、並びに硬度及び耐食性が低下する可能性がある。また、Ｍｎの含有量が多すぎると熱間加工特性が低下し、表面品質も低下する。ゆえに、Ｍｎ含有量は、最大２．５ｗｔ％に設定される。したがって、Ｍｎの含有量は、０．２〜２．５ｗｔ％、例えば０．３〜２．４ｗｔ％である。さらに、本開示おいて、マルテンサイト系ステンレス鋼に含まれるＭｎ、Ｎｉ及びＭｏの含有量は、前記マルテンサイト系ステンレス鋼の所望の特性を得るために全体としてバランスされる。
クロム（Ｃｒ）： １１．９〜１４．０ｗｔ％
Ｃｒは、ステンレス鋼の基本合金元素の一つであり、鋼に耐食性を付与する元素である。上記又は下記のマルテンサイト系ステンレス鋼は、空気又は水中における該鋼の表面のＣｒ酸化物層及び／又は不動態化を得るために、少なくとも１１．９ｗｔ％を含み、それにより基本耐食性を得る。Ｃｒは、フェライト相安定化合金元素でもある。しかし、Ｃｒが過剰な量で存在すると、衝撃靱性が低下するとともに、硬化時にフェライト相及びクロム炭化物が生成することもある。クロム炭化物の生成は、マルテンサイト系ステンレス鋼の機械的特質を低下させる。該鋼表面の不動態化のレベルを上回るＣｒ含有量の増加は、マルテンサイト系ステンレス鋼の耐食性に僅かな影響しか及ぼさない。ゆえに、Ｃｒ含有量は、最大１４．０ｗｔ％に設定される。したがって、Ｃｒの含有量は、１１．９〜１４．０ｗｔ％、例えば１２．０〜１３．８ｗｔ％である。
モリブデン（Ｍｏ）： ０．４〜１．５ｗｔ％
Ｍｏは、強力なフェライト相安定化合金元素であり、ゆえにアニーリング又は熱間加工中のフェライト相の生成を促進する。Ｍｏの１つの大きな利点は、耐孔食性に強く寄与することである。Ｍｏはまた、マルテンサイト鋼の焼戻し脆化を減少させることが知られており、それによって機械的特性を改善する。しかし、Ｍｏは、高価な元素であり、耐食性への影響は、少量でも得られる。したがって、Ｍｏの最低含有量は、０．４ｗｔ％である。さらに、過剰量のＭｏは、硬化中のオーステナイトからマルテンサイトへの変態に、最終的には残留オーステナイト相含有量に影響を与える。したがって、Ｍｏの上限は、１．５ｗｔ％に設定される。したがって、Ｍｏの含有量は、０．４〜１．５ｗｔ％、例えば０．５〜１．４ｗｔ％である。
ニッケル（Ｎｉ）： ０．５超〜３．０ｗｔ％
Ｎｉは、オーステナイト相安定化合金元素であり、したがって硬化後に残留オーステナイト相を安定化させる。Ｎｉは、残留オーステナイト相によってもたらされる一般的な靭性の寄与に加えて、はるかに改良された衝撃靱性をもたらすことも発見されている。本開示では、マルテンサイト系ステンレス鋼中のＮｉ、Ｍｎ及びＭｏの量をバランスさせることによって、硬度、衝撃靱性及び耐食性の最良の組み合わせが提供されることが分かった。十分な効果を得るには、０．５ｗｔ％を超えるＮｉが必要である。しかし、Ｎｉ含有量が過剰であると、残留オーステナイト相の量が多すぎて硬度が不十分となる。ゆえに、Ｎｉの最代含有量は、３．０ｗｔ％である。したがって、Ｎｉの含有量は、０．５超〜３．０ｗｔ％、例えば０．５超〜２．４ｗｔ％である。
タングステン（Ｗ）： ０．５ｗｔ％以下
Ｗは、フェライト相安定化合金元素であり、存在する場合は、化学的性質が類似していることから、合金元素のＭｏにある程度取って代わってもよい。Ｗは、孔食に対する耐性に正の効果を有するが、溶解したマトリックスの含有量を比較すると、Ｍｏの効果よりもはるかに効果が弱く、これが、ＷがＰＲＥ式から除外される理由である。したがって、Ｍｏに取って代わるためには、はるかに多いＷ含有量が必要となる。Ｗは、炭化物生成元素でもあり、Ｗの含有量が高いと、耐摩耗性、並びに硬度及び強度が向上する。しかし、上記特性が改良されるＷ含有量では、Ｗ炭化物の量が該鋼の衝撃靱性を著しく低下させる。また、必要とされるＷ含有量は、炭化物の温度安定性の向上をもたらすが、マトリックス中の溶解したＷの含有量を増加させるためには、はるかに高い硬化温度が必要とされる。したがって、Ｗの含有量は、０．５ｗｔ％以下、例えば０．０５ｗｔ％以下に設定される。
コバルト（Ｃｏ）： １．０ｗｔ％以下
コバルトは、強い固溶体効果を有し、強化効果を生じ、これは高温でも残る。したがって、Ｃｏは、高温強度、並びに高温でのアブレシブ摩耗に対する硬度及び耐性を改善するための合金元素としてしばしば使用される。しかし、これらの特性への効果が有意に改善されるＣｏ含有量では、熱間加工特性に逆の影響を与えてしまい、より大きな変形力を引き起こす。Ｃｏは、オーステナイト相を不安定化させる唯一の合金元素であり、したがって冷却時にオーステナイト及び残留オーステナイトのマルテンサイト相又はフェライト含有相への変態を容易にする。Ｃｏの複雑な効果に起因するだけでなく、それが有毒であり、原子エネルギー用途向けのステンレス鋼の製造のために使用されるスクラップ材料中の不純物と見なされるため、存在する場合のＣｏの含有量は、１．０ｗｔ％以下、例えば０．１０ｗｔ％以下に設定される。
アルミニウム（Ａｌ） ０．０５０ｗｔ％以下
Ａｌは、任意元素であり、鋼製造中の酸素含有量を減少させるのに有効であるため、脱酸素剤として一般に使用される。しかし、Ａｌの含有量が多すぎると、機械的特性が低下することがある。ゆえに、Ａｌの含有量は、０．０５０ｗｔ％以下である。
窒素（Ｎ）： ０．０６０ｗｔ％以下
Ｎは、任意元素であり、かつ、オーステナイト相安定化合金元素であって、非常に強い侵入型固溶強化効果を有する。ただしＮの含有量が多すぎると、本マルテンサイト系ステンレス鋼の場合、高い温度での熱間加工特性が低下することがあり、また、室温での衝撃靱性も低下しかねない。したがって、Ｎ含有量は、０．０６０ｗｔ％以下、例えば約０．０３５ｗｔ％以下に設定される。
バナジウム（Ｖ）： ０．０６ｗｔ％以下
Ｖは、任意元素であり、Ｃ及びＮとの親和性が高いフェライト相安定化合金元素である。Ｖは、析出硬化元素であり、マルテンサイト系ステンレス鋼中のマイクロ合金元素とみなされ、結晶粒微細化に使用することができる。結晶粒微細化とは、結晶粒界の移動度を制限し、それにより熱間加工又は熱処理中のオーステナイト粒成長を減少させる、小さな析出物を微細構造中に導入することによって、高温で粒径を制御する方法を指す。小さなオーステナイト結晶粒径は、硬化時に形成されるマルテンサイト微細構造の機械的特性を改善することが知られている。しかし、Ｖの量が過剰であると、微細構造中の析出物の割合が高くなりすぎて、特に旧オーステナイト粒界に粗いＶ析出物が形成される危険性が増し、それにより延性、特に衝撃靱性が低下する。したがって、Ｖの含有量は、０．０６ｗｔ％以下である。
ニオブ（Ｎｂ）： ０．０３ｗｔ％以下
Ｎｂは、フェライト相安定化合金元素の任意元素であり、Ｃ及びＮとの高い親和性を有する。したがって、Ｎｂは、析出硬化元素であり、結晶粒微細化のために使用することができるが、Ｎｂもまた粗い析出物を形成する。それゆえ、過剰量のＮｂは、マルテンサイト系ステンレス鋼の延性及び靱性を低下させる可能性があり、したがってＮｂの含有量は、０．０３ｗｔ％以下である。
ジルコニウム（Ｚｒ）：０．０３ｗｔ％以下
Ｚｒは、Ｃ及びＮに対して非常に高い親和性を有する任意元素である。ジルコニウム窒化物及び炭化物は、高温で安定であり、結晶粒微細化のために使用することができるＺｒ含有量が高すぎると、粗い析出物が形成され、衝撃靱性が低下する。したがって、Ｚｒの含有量は、０．０３ｗｔ％以下である。
タンタル（Ｔａ）： ０．０３ｗｔ％以下
Ｔａは、Ｃ及びＮに対して非常に高い親和性を有する任意元素である。タンタル窒化物及び炭化物は、高温で安定であり、結晶粒微細化のために使用することができるＴａ含有量が高すぎると、粗い析出物が形成され、衝撃靱性が低下する。したがって、Ｔａの含有量は、０．０３ｗｔ％以下である。
ハフニウム（Ｈｆ）： ０．０３ｗｔ％以下
Ｈｆは、Ｃ及びＮに対して非常に高い親和性を有する任意元素である。ハフニウム窒化物及び炭化物は、高温で安定であり、結晶粒微細化のために使用することができるＨｆ含有量が高すぎると、粗い析出物が形成され、衝撃靱性が低下する。したがって、Ｈｆの含有量は、０．０３ｗｔ％以下である。
亜リン酸（Ｐ）： ０．０３ｗｔ％以下
Ｐは、任意元素であり、不純物として含まれていることがあり、有害元素とみなされる。したがって、０．０３ｗｔ％未満のＰを有することが望ましい。
硫黄（Ｓ）： ０．０５ｗｔ％以下
Ｓは、任意元素であり、被削性を向上させるために含まれていてもよい。しかし、Ｓは、粒界偏析及び介在物を形成し、それゆえ熱間加工特性を制限し、機械的特性及び耐食性も低下させる。したがって、Ｓの含有量は、０．０５ｗｔ％を超えてはならない。
チタン（Ｔｉ）：０．０５ｗｔ％以下
Ｔｉは、フェライト相安定化合金元素であり、Ｃ及びＮに対して非常に高い親和性を有する任意元素である。チタン窒化物及び炭化物は、高温で安定であり、結晶粒微細化のために使用することができるＴｉ含有量が高すぎると、粗い析出物が形成され、衝撃靱性が低下する。したがって、Ｔｉの含有量は、０．０５ｗｔ％以下である。
銅（Ｃｕ） １．２ｗｔ％以下
Ｃｕは、オーステナイト相安定化合金元素であり、マルテンサイト系ステンレス鋼に対しては、少量での効果がかなり限られる。Ｃｕは、マルテンサイト系ステンレス鋼中のオーステナイト相安定剤として、Ｎｉ又はＭｎにある程度取って代わり得るが、すると延性が、例えばＮｉの添加と比べて低下するであろう。Ｃｕは、該鋼の一般的な耐食性にはプラス効果を及ぼし得るが、多量のＣｕとなると、熱間加工特性に悪影響を与えるであろう。したがって、Ｃｕの含有量は、１．２ｗｔ％以下、例えば０．８ｗｔ％以下に設定される。
例えば被削性又は、熱間延性などの熱間加工性を向上させるために、任意選択的に、少量の他の合金元素を上記又は下記のマルテンサイト系ステンレス鋼に添加してもよい。そのような元素の例は、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、Ｐｂ、及びＣｅであるが、これらに限定されない。これらの１種以上の元素の量は、最大０．０５ｗｔ％．である。
用語「最大」又は「〜以下」が使用される場合、当業者であれば、別の数字が特に示されない限り、範囲の下限が０ｗｔ％であることを知っている。
上記又は下記のマルテンサイト系ステンレス鋼の残りの元素は、鉄（Ｆｅ）及び通常発生する不純物である。
不純物の例は、故意に添加されたのではないが、例えば原料又はマルテンサイト系ステンレス鋼の製造のために用いられる追加の合金元素の中に不純物として通常存在するため、完全に避けることができない元素及び化合物である。
一実施態様によれば、ドリル構成要素を構成する上記又は下記のマルテンサイト系ステンレス鋼は、その化学組成、並びにそのＣｒ及びＮｉ当量によるシェフラー組織図における特定の座標によって定義される領域で表すこともできる（図１参照）。シェフラー組織図は、高温から急冷後の鋼の微細構造におけるオーステナイト（Ａ）、フェライト（Ｆ）及びマルテンサイト（Ｍ）相の存在と量を予測するのに用いられ、鋼の化学組成に基づいている。シェフラー組織図における本開示の領域の特定の座標は、Ｃｒ及びＮｉ当量（Ｃｒｅｑ及びＮｉｅｑ）を以下の式：
Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ＋０．５×Ｎｂ （ｘ軸）
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋０．５×Ｍｎ＋３０×Ｎ＋３０×Ｃ （ｙ軸）
（上式中、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｎ、及びＣの値は重量％である）
に従って算出することにより決定しており（図１参照）、り、マルテンサイト系ステンレス鋼の領域は、以下の座標により定義される（図１及び図２参照）。
Figure 0006854275
本開示の別の実施態様によれば、マルテンサイト系ステンレス鋼は、以下の座標によって定義されるシェフラー組織図の領域で表すことができる（図１及び図２参照）。
Figure 0006854275
本開示の別の実施態様によれば、マルテンサイト系ステンレス鋼は、以下の座標によって定義されるシェフラー組織図の領域で表すことができる（図１及び図２参照）。
Figure 0006854275
本開示のさらなる実施態様によれば、マルテンサイト系ステンレス鋼は、以下の座標によって定義されるシェフラー組織図の領域で表すことができる（図１及び図２参照）。
Figure 0006854275
ドリル構成要素は、従来のドリル構成要素製造プロセス及びドリル構成要素機械加工ブロセスを用いることにより製造される。ドリル構成要素の所望のマルテンサイト構造を得るためには、ドリル構成要素を構成するマルテンサイト系ステンレス鋼を硬化させ、焼戻ししなければならない。表面の誘導加熱によって、又はショットピーニングなど（これに限らない）の表面処理方法を適用することによって、表面の機械的特性をさらに改善することができる。得られるドリル構成要素は、例えば高硬度、耐摩磨耗性、高い引張強さ、及び高い衝撃靱性などの、バランス良く最適化された機械的特性と組み合わさった良好な耐食性を有する。一実施態様によればドリル構成要素は、次のような、以下の工程を含むプロセスに従って製造される。
ａ． 上記又は下記のマルテンサイト系ステンレス鋼を提供する工程；
ｂ． 前記鋼の対象物を成形する工程であって、対象物はドリル構成要素又はドリル構成要素のプリフォームであってもよい、工程；したがって、対象物は、既にドリルロッドなどのドリル構成要素に成形されている可能性がある。プリフォームである場合の対象物は、円形又は六角形の鋼片などのプリフォームであってもよい。本開示によれば、対象物は、スレッドが部分的に作られているプリフォームであってもよく、又は対象物は、最終形状のスレッドを有するドリル構成要素であってもよい。
ｃ． 対象物を約１０３０〜約１１５０℃の温度で硬化させる工程；
ｄ． 対象物を急冷する工程；
マルテンサイト微細構造を得るための硬化及び急冷が実施される。
ｅ． 約１７５〜約３５０℃の温度で対象物を焼き戻す工程；焼戻しは、靱性を高めるために用いられる熱処理のプロセスである。
ｆ． 対象物からドリル構成要素を成形する工程
ドリル構成要素の例は、トップハンマードリルロッドなどのドリルロッドである。得られるドリルロッドは、高い硬度、耐摩磨耗性、高い引張強さ、高い衝撃靭性、及び良好な耐食性を有するであろうが、今日市販されているステンレス鋼製のドリルロッドは存在しないことに留意すべきである。
特許請求の範囲に記載された開示の意図及び範囲から逸脱することなく、明記されていない追加、修正、置換及び削除を行うことができることが当業者には理解されよう。
以下の非限定的な実施例によって、本開示をさらに説明する。
本開示の範囲外の合金には、すべての表において「ｘ」が付されている。
実施例１
実施例１の合金は、高周波炉で溶融し、その後９”の鋼鋳型を用いるインゴット鋳造によって製造されている。インゴットの重量は、約２７０ｋｇであった。インゴットを６５０℃で４時間のソフトアニーリングにより熱処理した後、室温まで空気冷却し、その後インゴット表面を研削した。
熱処理後、インゴットをハンマーで約１４５ｍｍの円周寸法（round dimension）を有する棒に鍛造した。その後、得られた丸棒を圧延機で１２００℃で熱間圧延し、３５ｍｍ寸法の六角状固体を得た。
腐食及び機械的特性試験のために、これらの棒からの試料を用いた。
種々の合金の化学組成及び対応する合金番号を表１に示す。
実施例の全ての合金についてのＣｒ及びＮｉ当量、すなわちＣｒｅｑ及びＮｉｅｑ値を表２及び図２に示す。本開示では、Ｃｒｅｑ及びＮｉｅｑ値は、上で与えられた式に従って算出している。各合金のＰＲＥ値は、以下の式に従って算出した。ＰＲＥ＝Ｃｒ（ｗｔ％）＋３．３×Ｍｏ（ｗｔ％）
腐食試験は、１０ｍＶ／分の電圧走査速度を用いて室温でＮａＣｌ溶液（６００ｍｇ／ｌ）に試料を浸漬する（Ｃｏｒｒ １）か、又は７５ｍＶ／分の電圧走査速度を用いて室温でＮａＣｌ溶液（６００ｍｇ／ｌ）に試料を浸漬する（Ｃｏｒｒ ２）かのいずれかによる、動的分極測定で実施した。その後、鋼表面上の不動態酸化皮膜の貫通電位Ｅｐ（Ｖ）を測定した。この結果は、各合金の２つの試料の平均に基づいている。腐食試験の前に、全試料を１０３０〜１０５０℃／０．５時間で硬化させ、油中で急冷し、２００〜２２５℃／１時間で焼戻しした。腐食試験の結果を表２に示す。
１０×１０×５５ｍｍの寸法を有するシャルピーＶノッチ（notched Charpy-V）試料での硬さ試験（ＨＲＣ）及び衝撃靱性試験の形態の機械的特性試験を、全合金について室温で実施した。試料を１０３０℃／０．５時間１）又は１０５０℃／１時間２）で硬化させ、油中で急冷し、その後１７５〜２７５℃の様々な温度で１時間焼き戻しした。硬化時条件（as-hardened conditions）の結果は、２つのシャルピーＶ試料の平均に基づいており、焼戻し条件の結果は、３つのシャルピーＶ試料の平均に基づいている。
機械的特性試験の結果を表３Ａ及び３Ｂに示す。
表４は、実施例の合金の製造及び試験中の経験に基づく、熱間加工特性、機械的特性、及び耐食性の相対的ランキングをまとめたものである。
Figure 0006854275
Figure 0006854275
Figure 0006854275
Figure 0006854275
Figure 0006854275
Figure 0006854275
実施例２ − ドリルロッドの製造：
ドリルロッドは、実施例１の合金４５を含有するロッドから製造した。
ブルームは、鉄鋼プラントで従来の冶金プロセスを実施することによって製造した。ブルームは、熱間圧延して丸棒にした。その後、ロッドをソフトアニーリングし、適切な長さに切断した。
圧延、ソフトアニーリング及び切断の後、ロッドに長い直線状の中心穴を穿孔し、これによりドリル用鋼ブランク材となった。ブランク材を加熱する前に、コアを穴に挿入した。その後、ブランク材を熱間圧延して丸いドリル鋼ロッドの仕上がり寸法にした。その後、ドリル鋼ロッドを冷却し、コアをドリル鋼ロッドの中心穴から取り出した。その後、機械加工を容易にするために、ドリル鋼ロッドを６４０℃の温度で少なくとも６時間ソフトアニーリングした。
スレッドの機械加工及び他の切断作業の後、ドリル鋼ロッドを１０３０〜１１３０℃の温度で硬化させ、その後油中で急冷した。急冷及び室温への冷却直後に、ドリルロッドを１７５〜２７５℃の温度で少なくとも１時間焼戻した。焼戻しの後、ドリル鋼ロッドを室温まで冷ました。ドリル鋼ロッドの疲労強度を高めるため、ショットピーニングを実施した。最後に、ドリル鋼ロッドを矯正した。

Claims (11)

  1. 重量％で以下の組成：
    Ｃ ０．２１〜０．２７；
    Ｓｉ ０．７以下；
    Ｍｎ ０．２〜２．５；
    Ｐ ０．０３以下；
    Ｓ ０．０５以下；
    Ｃｒ １１．９〜１４．０；
    Ｎｉ ０．５超〜３．０；
    Ｍｏ ０．４〜１．５；
    Ｎ ０．０６０以下；
    Ｃｕ １．２以下；
    Ｖ ０．０６以下；
    Ｎｂ ０．０３以下；
    Ａｌ ０．０５０以下；
    Ｔｉ ０．０５以下；
    及び、任意選択的に、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、Ｐｂ及びＣｅから選択される少なくとも１つの他の合金元素を、０．０５以下；
    残部のＦｅ及び不可避的不純物
    を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を含むドリル構成要素であって、
    マルテンサイト系ステンレス鋼が８０〜９５％のマルテンサイト相と５〜２０％の残留オーステナイト相とを有する硬化及び焼戻しマルテンサイト微細構造を含み、
    前記マルテンサイト系ステンレス鋼が１４以上のＰＲＥ値を有し、
    前記マルテンサイト系ステンレス鋼がシェフラー組織図中に形成される領域内にあり、
    前記図が以下の式：
    Ｃｒ ｅｑ ＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ＋０．５×Ｎｂ （ｘ軸）
    Ｎｉ ｅｑ ＝Ｎｉ＋０．５×Ｍｎ＋３０×Ｎ＋３０×Ｃ （ｙ軸）
    （上式中、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｎ及びＣの値は重量％単位である）
    によって決定され、かつ、
    前記領域が以下の座標によって定義される、ドリル構成要素。
    Figure 0006854275
  2. マルテンサイト系ステンレス鋼が０．４ｗｔ％以下の含有量でＳｉを含む、請求項１に記載のドリル構成要素。
  3. マルテンサイト系ステンレス鋼が０．０３５ｗｔ％以下の含有量でＮを含む、請求項１または２に記載のドリル構成要素。
  4. マルテンサイト系ステンレス鋼が０．８ｗｔ％以下の含有量でＣｕを含む、請求項１から３のいずれか１項に記載のドリル構成要素。
  5. マルテンサイト系ステンレス鋼が０．２１〜０．２６ｗｔ％の含有量でＣを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載のドリル構成要素。
  6. マルテンサイト系ステンレス鋼が１２〜１３．８ｗｔ％の含有量でＣｒを含む、請求項１から５のいずれか１項に記載のドリル構成要素。
  7. マルテンサイト系ステンレス鋼が０．３〜２．４ｗｔ％の含有量でＭｎを含む、請求項１から６のいずれか１項に記載のドリル構成要素。
  8. マルテンサイト系ステンレス鋼が０．５超〜２．４ｗｔ％の含有量でＮｉを含む、請求項１から７のいずれか１項に記載のドリル構成要素。
  9. マルテンサイト系ステンレス鋼が０．５〜１．４ｗｔ％の含有量でＭｏを含む、請求項１から８のいずれか１項に記載のドリル構成要素。
  10. ドリル構成要素がドリルロッドである、請求項１から９のいずれか１項に記載のドリル構成要素。
  11. 以下の工程：
    ａ． 請求項１から９のいずれか１項に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼を提供する工程
    ｂ． ドリル構成要素又はプリフォームである、対象物を成形する工程
    ｃ． 対象物を１０３０〜１１５０℃の温度で硬化させる工程
    ｄ． 対象物を急冷する工程
    ｅ． 対象物を１７５〜３５０℃の温度で焼戻しする工程
    ｆ． 対象物がプリフォームである場合、プリフォームからドリル構成要素を成形する工程
    を含む、請求項１から９のいずれか１項に記載のドリル構成要素を製造するための方法。
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