KR20100092021A - 가혹한 오일 및 가스 환경을 위한 초고강도 합금 및 제조방법 - Google Patents

가혹한 오일 및 가스 환경을 위한 초고강도 합금 및 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20100092021A
KR20100092021A KR20107013255A KR20107013255A KR20100092021A KR 20100092021 A KR20100092021 A KR 20100092021A KR 20107013255 A KR20107013255 A KR 20107013255A KR 20107013255 A KR20107013255 A KR 20107013255A KR 20100092021 A KR20100092021 A KR 20100092021A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
alloy
content
strength
high strength
temperature
Prior art date
Application number
KR20107013255A
Other languages
English (en)
Inventor
사르완 쿠마 매낸
Original Assignee
헌팅턴 앨로이즈 코오포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 헌팅턴 앨로이즈 코오포레이션 filed Critical 헌팅턴 앨로이즈 코오포레이션
Publication of KR20100092021A publication Critical patent/KR20100092021A/ko

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/10—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34—Methods of heating
    • C21D1/42—Induction heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/08—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
    • C21D9/085—Cooling or quenching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/52—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length
    • C21D9/525—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length for wire, for rods
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/055—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 20% but less than 30%
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/056—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 10% but less than 20%
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C22C30/02—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent containing copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/002—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working by rapid cooling or quenching; cooling agents used therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L19/00—Joints in which sealing surfaces are pressed together by means of a member, e.g. a swivel nut, screwed on or into one of the joint parts
    • F16L19/02—Pipe ends provided with collars or flanges, integral with the pipe or not, pressed together by a screwed member
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)
  • Heat Treatment Of Steel (AREA)
  • Heat Treatment Of Nonferrous Metals Or Alloys (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

145 ksi 최소 산출 강도를 생산하는 특정 마이크로 구조를 개발하기 위해 소량의 Cu 및 관련된 %의 Nb, Ti 및 Al를 포함하는 Ni-Fe-Cr-Mo 합금. 특정 마이크로 구조는 특수 어닐링 및 숙성 경화(age hardening) 조건에 의해 얻어지며, 그 장점으로서 합금은 산출 강도, 충격 강도, 연성(ductility), 부식 저항, 열적 안정성 및 성형성의 흥미로운 결합을 가지고, 특히 이산화탄소 및 수소황(hydrogen sulfide)의 가스 혼합물을 포함하는 부식 오일 웰(well) 적용에 적합하다. 합금은 중량%로 하기를 포함한다: 0-15% Fe, 18-24% Cr, 3-9% Mo, 0.05-3.0% Cu, 3.6-6.5% Nb, 0.5-2.2% Ti, 0.05-1.0% Al, 0.005-0.040% C, 잔량의 Ni 및 미량의 불순물 및 2.5-7.5 범위의 Nb/(Al+Ti) 비율. 성형성을 촉진하기 위하여 합금의 조성 범위는 Laves 상 프리(Laves phase free)로 측정된다. 제조의 개시된 방법에 의하면, 상기 합금은 부식 오일 및 가스 딥웰(deep well)용 바(bar) 또는 튜브와 같은 바람직한 형태로 열 가공 및 제공된다. 성형된 합금은 용액 어닐링, 식힘 또는 에어 쿨링에 의해 처리되고, y' 및 y" 상을 응결시키기 위하여 하나 또는 두 단계의 숙성 단계를 거친다.

Description

가혹한 오일 및 가스 환경을 위한 초고강도 합금 및 제조방법{Ultra high strength alloy for severe oil and gas environments and method of preparation}
본 발명은 가혹한 오일 및 가스 환경에 적합한 합금, 더욱 구체적으로, 그 특정한 마이크로 구조가 특수한 어닐링 및 숙성 경화 조건에 의해 얻어지고, 산출 강도, 충격 강도, 연성, 부식 저항, 열적 안정성 및 성형성이 조합된 결과를 가져오며, 이산화탄소 및 수소황 가스 혼합물을 포함하는 부식성 오일 웰 적용에 적합한 합금을 만드는 초고강도 합금에 관련된다.
얕고 덜 부식되는 오일 웰이 고갈되어감에 따라, 더 높은 강도 및 더 부식에 저항성 있는 재료가 더 깊은 드릴링 및 더 심한 부식성 웰의 성공적인 동작을 위해 요구된다. 온화한 부식성 웰은 다양한 13Cr 스틸에 의해 다루어진다. 13% Cr 합금은 그러나 이산화탄소 및 수소황의 가스 혼합물을 포함하는 더 깊은 부식성 웰 적용에 요구되는 적당한 부식 저항성 및 강도가 결여되어 있다. Cayard 등은 "Serviceability of 13Cr Tubulars in Oil and Gas Production Environments"에서 13Cr 합금이 산성 및 비산성 가스 환경 사이의 변환 구역에서 작용하는 웰에 대해 부족한 부식 저항성을 갖음을 나타내는 황 스트레스 부식 데이터를 발표했다. NACE 페이퍼 No.112, 1998, pp.1-8의 내용은 참고로서 여기에 포함된다.
추가적인 배경기술을 위해 다음 공개문서가 역시 참고로서 여기에 포함된다.
1998.11.29의 미국특허 No.4,788,036, Eiselstein 등;
2002.10.1의 미국특허 No.6,458,318, Nishiyama 등; 및
Hibner 등 발표 "Comparison Resistance of Nickel-base Alloys for OCTG's and Mechanical Tubing in Severe Sour Service Conditions", NACE paper No. 04110, 2004, pp.1-15.
Ni-베이스 합금이 더 심한 부식성 환경에 대해 필요하다. 통상적으로 사용되는 오일 패치 응용을 위한 높은 특성의 합금, 예를 들면, 925, 718, G-3, MP35N, TI-6246, C-276 및 725는 너무 비싸거나 고강도 및 부식 저항의 조합을 가지지 못한다.
본 발명의 목적은 합리적 가격의 고강도 및 부식 저항성 합금을 제공하는 것이다.
본 발명은 향상된 부식 저항성을 제공하기에 최적화된 Ni-Fe-Cr-Mo-Cu 합금 조성물에 관한 것이다. 추가적으로, Nb, Ti 및 Al은 고강도를 제공하는 감마 프라임 및 감마 더블 프라임의 미세 분산을 생산하기에 최적이다. 따라서, 본 발명의 최우선적인 목적은 특히 가스 및/또는 오일 웰 적용을 위한 둥근 바 및 튜빙의 생산을 위한 연성, 고강도, 고충격 강도, 및 부식 저항성 합금을 제공하는 것이다. 간단히 말해서, 본 발명의 합금은 바람직하게 중량%로: 최대 15% Fe, 18-24% Cr, 3-9% Mo, 0.05-3.0% Cu, 3.6-6.5% Nb, 0.5-2.2% Ti, 0.05-1.0% Al, 0.005-0.040% C, 잔량의 Ni 및 미량의 불순물 및 산소제거제를 포함한다. 본 발명의 방법은 식힘(quenching) 또는 에어 쿨링 및 숙성(aging)이 뒤따르는 용액 어닐링을 비롯한 최종 열처리를 포함한다.
본 발명의 합금은 가혹한 오일 및 가스 환경에 적합한 합금, 더욱 구체적으로, 그 특정한 마이크로 구조가 특수한 어닐링 및 숙성 경화 조건에 의해 얻어지고, 산출 강도, 충격 강도, 연성, 부식 저항, 열적 안정성 및 성형성이 조합된 결과를 가져오며, 이산화탄소 및 수소황 가스 혼합물을 포함하는 부식성 오일 웰 적용에 적합하다.
본 발명을 통틀어 화학적 조성은 특별히 언급되지 않는 한 중량%이다. 본 발명에 따르면 합금은 대략적으로 0-15중량% Fe, 18-24중량% Cr, 3-9중량% Mo, 0.05-3.0중량% Cu, 3.6-6.5중량% Nb, 0.5-2.2중량% Ti, 0.05-1.0중량% Al, 0.005-0.40 C, 나머지의 Ni 및 미량의 불순물 및 산소제거제를 포함한다. 추가적으로, 고강도를 위한 바람직한 γ' 및 γ" 상의 부피 분율(volume fraction)을 제공하기 위해 합금 조성물에서 Nb/(Al+Ti) 비율은 2.5-7.5 범위 내이다. 더욱 바람직하게, 본 발명의 합금은 5-15% Fe, 18-23% Cr, 3-7.5% Mo, 0.1-3.0% Cu, 3.6-6.4% Nb, 0.6-2.1% Ti, 0.1-1.0% Al; 0.005-0.030% C, 잔량의 Ni 및 미량의 불순물 및 산소제거제를 포함한다. 보다 더 바람직하게, 본 발명의 합금은 6-12% Fe, 19-22% Cr, 3.5-7.0% Mo, 1.0-3.0% Cu, 4.0-6.2% Nb, 0.8-2.0% Ti, 0.1-0.7% Al, 0.005-0.020% C, 잔량의 Ni 및 미량의 불순물 및 산소제거제를 포함한다. 보통, 본 발명의 합금은 필수적으로 약 8% Fe, 20.5% Cr, 4% Mo, 2% Cu, 5.5% Nb, 1.5% Ti, 0.2% Al, 0.01% C, 잔량의 Ni 및 미량의 불순물 및 산소제거제를 포함한다. 고강도를 위해 바람직한 γ' 및 γ" 상 부피 분율(volume fraction) 조합을 제공하기 위한 Nb/(Al+Ti) 비율은 2.5-7.5 범위 내이다.
여기 사용된 바와 같이, 모든 합금 성분 추가는 다른 언급이 없는 한, 중량에 의한 %로 표현된다.
니켈(Ni)은 Fe-베이스의 매트릭스를 변형하여 좋은 열적 안정성 및 성형성에 필수적인 안정된 오스테니틱(austenitic) 구조를 제공한다. Ni는 고강도에 필수적인 Ni3Al-타입 γ'을 형성하는 주요 성분 중 하나이다. 나아가, 약 40중량% Ni가 좋은 수중 스트레스 부식 저항성을 갖도록 하는데 요구된다. 오히려 높은 Ni 함량은 금속 가격을 증가시킨다. Ni는 나머지 성분이며, 그 범위는 대략 35-70%로 정해진다. 바람직한 Ni 함량은 40-65% 및, 더욱 바람직하게, Ni 함량은 50-60%이다.
철(Fe)을 포함하는 합금은 Fe가 니켈 매트릭스 용 대체 고체 용액 강화제로서 알려져 있으므로, 강도를 증가시키는 것으로 확인되었다. 0-15%의 Fe함량이 고온 강도 및 안정성을 위해 바람직하였고, 더욱 바람직하게는 5-15%의 Fe 함량 및, 더욱 바람직하게는 6-12%의 Fe 함량이다.
크로미움(Cr)은 부식 저항성에 필수적이다. 최소 약 12% Cr이 공격적인 부식 환경을 위해 요구되지만, 25% 보다 높은 Cr은 기계적 특성에 좋지않은 α-Cr 및 시그마 상의 형성을 유도하는 경향이 있다. Cr 범위는 바람직하게 18-24%, 더욱 바람직하게 18-23% 및 보다 더 바람직하게, 19-22% Cr로 정의된다.
1% 몰리브데늄(Mo)의 추가가 핵(pitting) 부식 저항성을 향상시키는 것으로 알려져 있다. Mo의 추가는 또한 Mo의 원자 반경이 Ni 및 Fe 보다 훨씬 크므로 대체 고체 용액 강화에 의해 Ni-Fe 합금의 강도를 향상시킨다. 그러나, 약 10% 보다 높은 Mo는 Ni, Fe 및 Cr과 함께 Mo7(Ni,Fe,Cr)6-타입 μ-상 또는 삼원 α-상를 형성하는 경향이 있다. 이러한 상은 가공성을 열화시킨다. 또한, 비싸고, 더 높은 Mo 함량은 불필요하게 합금의 가격을 증가시킨다. Mo 범위는 바람직하게 3-9% 및, 더욱 바람직하게, 3.0-7.5% 및, 보다 더 바람직하게, 3.5-7.0% Mo이다.
구리(Cu)는 비산화 부식 환경에서 부식 저항성을 향상시킨다. 높은 수준의 염소를 포함하는 환원성 산성 환경에서의 전형적인 오일 패치 적용시 부식 대응을 위한 Cu와 Mo의 시너지 효과가 알려져 있다. Cu 범위는 0.05-3.0%, 및 더욱 바람직하게, 1.0-3.0%로 정의된다. 본 발명의 바람직한 조성물 범위 내에서 최적화된 Cu의 첨가를 가지고 고강도 및 부식 저항성을 얻는 것이 가능함은 놀라운 일이다.
알루미늄(Al) 첨가는 고강도에 기여하는 Ni3(Al)-타입 γ'의 형성을 유도한다. Al의 어떤 최소 함량이 γ' 형성을 유발하는데 요구된다. 나아가, 합금의 강도는 γ'의 부피 분율에 비례한다. 그러나, 오히려 높은 부피 분율의 γ'은 열 가공성(hot workability)의 열화를 가져온다. 알루미늄 범위는 0.05-1.0%, 더욱 바람직하게 0.1-0.7% 및, 보다 더 바람직하게, 0.1-0.5%로 정해진다.
티타늄(Ti)은 Ni3(Al)에 혼합되어 γ'의 부피 분율, 따라서 강도를 증가시키는 Ni3(AlTi)-타입 γ'를 형성한다. γ'의 영향을 강화시키는 것은 우선적으로 γ'과 매트릭스 간의 격자 부조화(lattice mismatch)에 의존한다. Ti의 증가 및 Al의 감소의 시너지는 격자 부조화를 증가시킴으로써 강도를 향상시키는 것으로 밝혀졌다. Ti 및 Al 함량은 격자 부조화를 최대화하도록 최적화된다. Ti의 또다른 중요한 이점은 그것이 TiN 같은 합금 내에 존재하는 N를 잡아맨다는 것이다. 매트릭스 내의 N 함량을 낮추는 것은 열 가공성을 향상시킨다. 극도로 다량의 Ti는 열 가공성 및 연성을 저하시키는 Ni3Ti-타입 η상의 응결화를 유도한다. 티타늄 범위는 0.5-2.2%, 더욱 바람직하게 0.8-2.0% 및, 보다 더 바람직하게, 0.8-1.5% Ti로 정해진다.
니오븀(Nb)는 Ni3(AlTi)와 결합하여 γ'의 부피 분율, 따라서 강도를 증가시키는 Ni3(AlTiNb)-타입 γ'를 형성한다. 나아가, Nb의 증가는 γ"라 불리는 별도의 상에 대한 결정 구조의 변화를 가져오는 γ'에서의 Nb의 원자%를 증가시킨다. 2.5-7.5 범위의 Nb/(Ti+Al) 비율은 고강도를 위한 부피 분율 γ' 및 γ"의 바람직한 조합을 산출하는데 필수적인 것으로 밝혀졌다.
강화 효과와 더불어, Nb는 C를 NbC로 잡아매어, 매트릭스 내 C 함량을 감소시킨다. Nb의 카바이드 형성 능력은 Mo 및 Cr의 그것보다 높다. 따라서, Mo 및 Cr은 부식 저항을 위해 필수적인 원소 형태로 매트릭스 내에 유지된다. 나아가, Mo 및 Cr 카바이드는 구조를 통하여 NbC가 형성되는 입자 경계에서 형성되는 경향이 있다. Mo 및 Cr 카바이드의 제거/최소화는 연성을 향상시킨다. 극도로 높은 함량의 Nb는 가공성 및 연성에 나쁜 영향을 미치는 α-상 및 초과량의 NbC 및 γ"을 형성하려고 한다. Nb 범위는 바람직하게 3.6-6.5%, 더욱 바람직하게 3.6-6.4%, 보다 더 바람직하게, 4.0-6.2%이다.
부가적으로, 합금은 Mn, Si, Ca, Mg 및 W와 같은 불순물을 미량(각각 0.05% 미만) 포함한다. 평가되는 합금의 예는 하기에 기재된다.
표1은 다른 샘플 히트(heats)의 화학적 조성을 나타내며, 표2는 이러한 샘플 히트에 사용된 어닐링 및 숙성 경화(age hardening) 조건을 나타낸다. 어닐링 및 숙성 경화 후 정해지는 기계적 물성은 표3에 정리되었다. 시간 대 감퇴(failure) 비율, 신장률 및 환경 대 공기에 대한 환원 영역 비율이 표4 및 5로 정리되었다.
표1. 히트의 화학적 조성(중량%)
Figure pct00001
* 본 발명의 합금
주: 135 lbs VIM+VAR 히트인 히트 D5-8323 및 D5-8324를 제외하고 모든 히트는 50 lbs VIM 히트이다. VIM 는 진공 유도 융해(vacuum induction melting) 및 VAR은 진공 방전 재융해(vacuum arc remelting)를 나타낸다.
표2. 열처리
Figure pct00002
표3. 실온에서의 기계적 물성
Figure pct00003
충격(impact) 및 경도(hardness)는 세 번의 테스트 데이터의 평균이다. 이들은 50 lbs VIM 히트이다. VIM 는 진공 유도 융해(vacuum induction melting)를 나타낸다. YS=산출 강도(yield strength); UTS= 최종 인장 강도(ultimate tensile strength); %El= 신장(Elongation); 및 %ROA= 환원 영역(reduction of area)
표3에 기재된 히트는 이들 히트들의 경우 Nb/(Al+Ti) 비율이 2.5-7.5의 임계적 범위를 벗어나므로 최소 145 ksi 산출 강도에 이르지 못한다.
표4. 실온에서의 기계적 물성
Figure pct00004
충격(impact) 및 경도(hardness)는 세번의 테스트 데이터의 평균이다. 135 lbs VIM+VAR 히트인 히트 D5-8323 및 D5-8324를 제외하고 모든 히트는 50 lbs VIM 히트이다. VIM 는 진공 유도 융해(vacuum induction melting) 및 VAR은 진공 방전 재융해(vacuum arc remelting)를 나타낸다. YS=산출 강도(yield strength); UTS= 최종 인장 강도(ultimate tensile strength); %El= 신장(Elongation); 및 %ROA= 환원 영역(reduction of area)
표5. 느린 응력 변형비 부식(Slow Strain Rate Corrosion) 평가 결과
테스트는 500 psig CO2 및 500 psig H2S하 347℉에서 20 중량%의 NaCl 용액에서 이루어졌다. 시간 대 감퇴(Time-to-failure, TTF), % 신장, 및 % 환원 영역 및 공기/환경에서의 그들의 비율이 하기에 정리되었다. 이는 열처리 B를 가진 히트 D5-8323였다.
Figure pct00005
표6. 느린 응력 변형비 부식(Slow Strain Rate Corrosion) 평가 결과
테스트는 500 psig CO2 및 500 psig H2S하 347℉에서 20 중량%의 NaCl 용액에서 이루어졌다. 시간 대 감퇴(Time-to-failure, TTF), % 신장, 및 % 환원 영역 및 공기/환경에서의 그들의 비율이 하기에 정리되었다. 이는 열처리 B를 가진 히트 D5-8324였다.
Figure pct00006
Cu 함유 합금 D5-8323(표5)의 Cu 프리 합금 D5-8324(표6)보다 높은 환경/공기 비율은 부식 저항에 대한 Cu 존재의 중요성을 나타낸다.
가혹한 오일 및 가스 환경에서 사용되는 합금은 표5 및 6에 기재된 부식 환경을 견딜 수 있어야 한다. 나아가, 보다 깊은 웰로 인하여 이러한 합금은 높은 산출 강도 및 높은 충격 강도를 가져야 한다. 본 연구의 목표는 최소 145 ksi의 산출 강도였다. 표1 내지 5를 검토할 때, 부식 저항 및 산출 강도 요구 조건을 만족하는 합금은 중량%로 하기의 조성비 범위를 이룬다: 0-15% Fe, 18-24% Cr, 3.0-9.0% Mo, 0.05-3% Cu, 3.6-5.5% Nb, 0.5-2.2% Ti, 0.05-1.0% Al, 0.005-0.040% C, 잔량의 Ni 및 미량 불순물. 나아가, 고강도를 위한 γ' 및 γ"상의 바람직한 부피 분율을 제공하기 위해 합금에서의 Nb/(Al+Ti) 비율은 2.5-7.5의 범위이어야 한다.
하기 표7은 본 발명의 합금을 이루는 원소들의 현재 바람직한 명목상의 조성비와 함께 현재 바람직하게 범위를 제시한다.
Figure pct00007
* 플러스 미량의 불순물 및 산소제거제
본 발명의 합금은 잉곳에 대한 청결을 유지하기 위해 바람직하게 진공 유도 융해+진공 방전 재융해 방법을 사용한다. 본 발명의 최종 열처리 방법(표2에 정리됨)은 1750℉(954℃)에서 2050℉(1121℃) 사이에서 약 0.5-4.5 시간, 바람직하게 1시간 동안 가열함에 의한 제1용액 어닐, 뒤이은 물 식힘(water quenching) 또는 에어 쿨링을 포함한다. 제조된 것은 다음으로 바람직하게 적어도 약 1275℉(691℃)의 온도로 가열함으로써 숙성되고(age) γ' 및 γ" 상의 응결을 위해 약 6-10시간 동안 그 온도로 유지되며, 선택적으로 약 1050℉(565℃) 내지 1250℉(677℃)의 온도에서 두번째 열처리에 의하고 두번째 숙성 단계를 수행하기 위하여 그 온도에서 약 4-12시간 동안, 바람직하게 약 8시간 동안 유지된다. 금속은 숙성 후 실온으로 에어 쿨링되어 바람직한 마이크로 구조에 도달하며 γ' 및 γ" 강화를 최대화한다.
본 발명의 실시예가 구체적으로 기재되었으나, 개시된 모든 가르침의 관점에서 그러한 구체화의 다양한 변형 및 대체가 개발될 수 있음이 본 기술 분야의 숙련된 자들에 의해 인식될 것이다. 여기 기재된 현재 바람직한 실시예들은 단지 예시적인 의미이며, 첨부된 청구항의 전 범위 및 그것의 모든 균등범위에 주어지는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

Claims (17)

  1. 중량%로 0-15% Fe, 18-24% Cr, 3-9% Mo, 0.05-3.0% Cu, 3.6-6.5% Nb, 0.5-2.2% Ti, 0.05-1.0% Al, 0.005-0.040% C, 잔량의 Ni과 미량의 불순물 및 산소제거제를 포함하는, 오일 및 가스 환경에서의 사용에 적합한 고강도, 부식 저항성 합금.
  2. 제1항에서,
    Ni 함량이 35-70%인 합금.
  3. 제1항에서,
    Ni 함량이 40-65%인 합금.
  4. 제1항에서,
    Ni 함량이 50-60%인 합금.
  5. 제1항의 합금으로부터 제조되는 부식성 오일/가스 웰에서의 사용에 적합한 바(bar) 또는 튜브(tube).
  6. 제1항에서,
    5-15% Fe, 18-23% Cr, 3.0-7.5% Mo, 0.1-3.0% Cu, 3.6-6.0% Nb, 0.6-2.1% Ti, 0.1-1.0% Al, 0.005-0.030% C를 포함하는 합금.
  7. 제1항에서,
    6-12% Fe, 19-22% Cr, 3.5-7.5% Mo, 1.0-3.0% Cu, 4.0-6.0% Nb, 0.8-2.0% Ti, 0.1-0.7% Al, 0.005-0.020% C, 잔량의 Ni과 미량의 불순물 및 산소제거제를 포함하는 합금.
  8. 제1항에서,
    고강도를 위한 γ' 및 γ" 상의 바람직한 부피 분율을 제공하기 위해 비율 Nb/(Ti+Al)=2.5-7.5인 합금.
  9. 제1항에서,
    145 ksi의 최소 산출 강도를 가지는 합금.
  10. (a) 중량%로 0-15% Fe, 18-24% Cr, 3-9% Mo, 0.05-3.0% Cu, 3.6-6.5% Nb, 0.5-2.2% Ti, 0.05-1.0% Al, 0.005-0.040% C, 잔량의 Ni과 미량의 불순물 및 산소제거제를 포함하는 잉곳 형태의 합금을 제공하고;
    (b) 바람직한 형태로 잉곳을 열가공하고; 및
    (c) (i) 0.5-4.5시간 동안 1750℉(954℃) 내지 2050℉(1121℃) 사이에서 가열함으로써 제1용액을 어닐링하고, 이어서 물 식힘(water quenching) 또는 에어 쿨링하며; (ii) 적어도 약 1275℉(691℃)의 온도로 가열함으로써 숙성하고(aging) γ' 및 γ" 상의 응결을 위해 약 6-10시간 동안 그 온도를 유지하며; 선택적으로 (iii) 약 1050℉(565℃) 내지 1250℉(677℃)의 온도에서 두번째 숙성 열처리를 제공하고 두번째 숙성 단계를 수행하기 위하여 그 온도에서 약 4-12시간 동안 유지하며, 그런 다음 실온으로 숙성 후 에어 쿨링하여 바람직한 마이크로 구조에 도달하고 γ' 및 γ" 강화를 최대화하는 단계를 포함하는 고강도, 부식 저항성 합금의 제조방법.
  11. 제10항에서,
    (a) 단계는 (b) 단계 이전에 합금의 진공 유도 융해 및 진공 방전 재융해를 포함하는 합금의 제조방법.
  12. 제10항에서,
    제1용액의 어닐링 단계 (c)(i)의 가열 시간은 약 1 시간이며, 두번째 숙성단계 (c)(iii)에서 유지 시간은 약 8 시간인 합금의 제조방법.
  13. 제7항에서,
    합금은 Nb/(Ti+Al)=2.5-7.5의 비율을 가지는 합금의 제조방법.
  14. 제10항의 제조방법에 따라 제조되는 부식성 오일/가스 웰에서의 사용에 적합한 바 또는 튜브.
  15. 제10항에서,
    합금의 Ni 함량이 35-70%인 합금의 제조방법.
  16. 제10항에서,
    합금의 Ni 함량이 40-65%인 합금의 제조방법.
  17. 제10항에서,
    합금의 Ni 함량이 50-60%인 합금의 제조방법.
KR20107013255A 2007-11-19 2008-11-18 가혹한 오일 및 가스 환경을 위한 초고강도 합금 및 제조방법 KR20100092021A (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US98895707P 2007-11-19 2007-11-19
US60/988,957 2007-11-19
US1364707P 2007-12-14 2007-12-14
US61/013,647 2007-12-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20100092021A true KR20100092021A (ko) 2010-08-19

Family

ID=40667833

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20107013255A KR20100092021A (ko) 2007-11-19 2008-11-18 가혹한 오일 및 가스 환경을 위한 초고강도 합금 및 제조방법

Country Status (10)

Country Link
US (3) US9017490B2 (ko)
EP (2) EP2845916B1 (ko)
JP (2) JP5868595B2 (ko)
KR (1) KR20100092021A (ko)
CN (1) CN101868559A (ko)
AU (1) AU2008326504A1 (ko)
ES (2) ES2624416T3 (ko)
MX (1) MX2010005531A (ko)
RU (1) RU2010125217A (ko)
WO (1) WO2009067436A1 (ko)

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9017490B2 (en) * 2007-11-19 2015-04-28 Huntington Alloys Corporation Ultra high strength alloy for severe oil and gas environments and method of preparation
US10253382B2 (en) 2012-06-11 2019-04-09 Huntington Alloys Corporation High-strength corrosion-resistant tubing for oil and gas completion and drilling applications, and process for manufacturing thereof
ITVA20130061A1 (it) * 2013-12-05 2015-06-06 Foroni Spa Lega invecchiante base nichel contenente cromo, molibdeno, niobio, titanio; avente alte caratteristiche meccaniche ed elevata resistenza alla corrosione in ambienti aggressivi che si possono incontrare nei pozzi per l'estrazione di petrolio e gas nat
CN103898371B (zh) * 2014-02-18 2016-04-06 上海发电设备成套设计研究院 700℃等级超超临界燃煤电站用镍基高温合金及其制备
CA2944880C (en) * 2014-04-04 2018-11-06 Special Metals Corporation High strength ni-cr-mo-w-nb-ti welding product and method of welding and weld deposit using the same
US20150368770A1 (en) * 2014-06-20 2015-12-24 Huntington Alloys Corporation Nickel-Chromium-Iron-Molybdenum Corrosion Resistant Alloy and Article of Manufacture and Method of Manufacturing Thereof
CN104451339B (zh) * 2014-12-23 2017-12-12 重庆材料研究院有限公司 低镍时效强化型铁镍基耐蚀合金及制备方法
CN104862535A (zh) * 2015-05-15 2015-08-26 新奥科技发展有限公司 一种镍基合金及其制备方法和应用
CN104862534A (zh) * 2015-05-15 2015-08-26 新奥科技发展有限公司 一种镍基合金及其制备方法和应用
KR102016384B1 (ko) * 2016-10-24 2019-08-30 다이도 토쿠슈코 카부시키가이샤 석출 경화형 고 Ni 내열합금
GB2561147B (en) * 2017-02-28 2021-09-08 Gkn Aerospace Sweden Ab A method for heat treatment of a nickel base alloy such as alloy 282, said alloy and components thereof
EP3415651A1 (en) * 2017-06-14 2018-12-19 Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG A method for manufacturing a passivated product
EP3415649B1 (en) * 2017-06-14 2022-08-03 Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG A composite wire
CN107557616B (zh) * 2017-09-27 2020-08-18 宝武特种冶金有限公司 一种镍基耐蚀合金管材及其制造方法
RU2712323C9 (ru) 2017-11-17 2020-11-18 Мицубиси Хитачи Пауэр Системс, Лтд. Заготовка из ковочного сплава на основе ni и высокотемпературный элемент конструкции турбины с использованием этой заготовки
JP7125663B2 (ja) * 2018-04-02 2022-08-25 大同特殊鋼株式会社 高耐食性Ｆｅ又はＮｉ基合金及びその製造方法
CN109128154B (zh) * 2018-08-09 2020-12-18 陕西斯瑞新材料股份有限公司 一种采用真空自耗电弧熔炼TiCu50母合金材料的制备方法
CN110699572A (zh) * 2019-09-26 2020-01-17 江苏兴洋管业股份有限公司 一种大口径镍基复合管件及制备方法
CN111020257B (zh) * 2019-12-18 2020-10-23 陕西斯瑞新材料股份有限公司 一种提高镍白铜材料纯净度的方法
US11697869B2 (en) 2020-01-22 2023-07-11 Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG Method for manufacturing a biocompatible wire
GB202011863D0 (en) 2020-07-30 2020-09-16 Univ Brunel Method for carbide dispersion strengthened high performance metallic materials
CN112391556B (zh) * 2020-11-17 2022-02-11 中南大学 一种双峰晶粒尺寸、双尺度纳米相强化的高强高导Cu-Cr-Nb合金
CN112705700B (zh) * 2020-12-18 2022-02-08 山东大学 提高Inconel 718激光沉积层高温强度的方法
CN113088761B (zh) * 2021-02-21 2022-08-05 江苏汉青特种合金有限公司 一种超高强度耐蚀合金及制造方法
US20230212716A1 (en) * 2021-12-30 2023-07-06 Huntington Alloys Corporation Nickel-base precipitation hardenable alloys with improved hydrogen embrittlement resistance
CN115747576B (zh) * 2022-10-26 2024-03-22 中国科学院金属研究所 一种高压氢气压缩机临氢膜片用耐氢脆耐疲劳板材的制备方法
CN115961178A (zh) * 2022-11-15 2023-04-14 重庆材料研究院有限公司 一种超高强韧镍基耐蚀合金

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3015558A (en) * 1959-09-16 1962-01-02 Grant Nickel-chromium-aluminum heat resisting alloy
US3519419A (en) * 1966-06-21 1970-07-07 Int Nickel Co Superplastic nickel alloys
US4358511A (en) 1980-10-31 1982-11-09 Huntington Alloys, Inc. Tube material for sour wells of intermediate depths
JPS57123948A (en) 1980-12-24 1982-08-02 Hitachi Ltd Austenite alloy with stress corrosion cracking resistance
US4788036A (en) * 1983-12-29 1988-11-29 Inco Alloys International, Inc. Corrosion resistant high-strength nickel-base alloy
IL82587A0 (en) * 1986-05-27 1987-11-30 Carpenter Technology Corp Nickel-base alloy and method for preparation thereof
US5556594A (en) * 1986-05-30 1996-09-17 Crs Holdings, Inc. Corrosion resistant age hardenable nickel-base alloy
US4750950A (en) 1986-11-19 1988-06-14 Inco Alloys International, Inc. Heat treated alloy
JPS63140055A (ja) * 1986-12-03 1988-06-11 Sumitomo Metal Ind Ltd 高耐食性析出硬化型Ｎｉ基合金
US5000914A (en) * 1986-11-28 1991-03-19 Sumitomo Metal Industries, Ltd. Precipitation-hardening-type ni-base alloy exhibiting improved corrosion resistance
US4908069A (en) * 1987-10-19 1990-03-13 Sps Technologies, Inc. Alloys containing gamma prime phase and process for forming same
FR2653451B1 (fr) * 1989-10-20 1993-08-13 Tecphy Procede d'amelioration de la resistance a la corrosion d'un alliage a base de nickel et alliage ainsi realise.
JPH04157125A (ja) * 1990-10-20 1992-05-29 Tecphy ニッケル合金の耐食性の向上方法とこれによって作った合金
FR2698883B1 (fr) * 1992-12-09 1995-01-13 Sima Sa Alliage base nickel du système quaternaire Ni-Fe-Cr-Mo à durcissement par précipitation de phase gamma prime et résistant aux modes de corrosion rencontrés notamment dans l'industrie pétrolière.
JP3198807B2 (ja) * 1994-06-09 2001-08-13 住友金属工業株式会社 強度と耐食性に優れた時効硬化型ニッケル基合金材およびその製造方法
US6004408A (en) * 1997-11-21 1999-12-21 Aubert & Duval (societe anonyme) Nickel-chrome-iron based alloy composition
WO2000003053A1 (en) * 1998-07-09 2000-01-20 Inco Alloys International, Inc. Heat treatment for nickel-base alloys
US5945067A (en) * 1998-10-23 1999-08-31 Inco Alloys International, Inc. High strength corrosion resistant alloy
KR100372482B1 (ko) 1999-06-30 2003-02-17 스미토모 긴조쿠 고교 가부시키가이샤 니켈 베이스 내열합금
CN1100890C (zh) 1999-12-17 2003-02-05 黄进峰 高温高强度奥氏体抗氧化腐蚀高温合金
JP3952861B2 (ja) * 2001-06-19 2007-08-01 住友金属工業株式会社 耐メタルダスティング性を有する金属材料
US6730264B2 (en) * 2002-05-13 2004-05-04 Ati Properties, Inc. Nickel-base alloy
US7416618B2 (en) * 2005-11-07 2008-08-26 Huntington Alloys Corporation High strength corrosion resistant alloy for oil patch applications
US9017490B2 (en) * 2007-11-19 2015-04-28 Huntington Alloys Corporation Ultra high strength alloy for severe oil and gas environments and method of preparation

Also Published As

Publication number Publication date
EP2845916B1 (en) 2017-03-29
EP2845916A2 (en) 2015-03-11
ES2624416T3 (es) 2017-07-14
RU2010125217A (ru) 2011-12-27
EP2222884A4 (en) 2012-02-22
CN101868559A (zh) 2010-10-20
JP5868595B2 (ja) 2016-02-24
US10100392B2 (en) 2018-10-16
AU2008326504A1 (en) 2009-05-28
ES2534346T3 (es) 2015-04-21
US9017490B2 (en) 2015-04-28
US20150218686A1 (en) 2015-08-06
US20110011500A1 (en) 2011-01-20
EP2222884A1 (en) 2010-09-01
EP2845916A3 (en) 2015-05-06
MX2010005531A (es) 2010-10-25
EP2222884B1 (en) 2015-02-18
JP2015052166A (ja) 2015-03-19
JP6336367B2 (ja) 2018-06-06
JP2011503366A (ja) 2011-01-27
US20150232974A1 (en) 2015-08-20
WO2009067436A1 (en) 2009-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20100092021A (ko) 가혹한 오일 및 가스 환경을 위한 초고강도 합금 및 제조방법
US7416618B2 (en) High strength corrosion resistant alloy for oil patch applications
US4788036A (en) Corrosion resistant high-strength nickel-base alloy
AU2005301376B2 (en) Duplex stainless steel
WO2018020886A1 (ja) 油井用高強度ステンレス継目無鋼管およびその製造方法
KR20050044557A (ko) 슈퍼 오스테나이트계 스테인레스강
JP2017524830A (ja) ニッケル−クロム−鉄−モリブデン耐食合金、製品およびそれらの製造方法
WO2016079920A1 (ja) 油井用高強度ステンレス継目無鋼管
JPH07331368A (ja) 強度と耐食性に優れた時効硬化型ニッケル基合金材およびその製造方法
JPH08134593A (ja) 耐海水腐食性と耐硫化水素腐食性に優れた高強度オーステナイト合金
MX2008005785A (en) High strength corrosion resistant alloy for oil patch applications

Legal Events

Date Code Title Description
WITB Written withdrawal of application