KR20180025971A

KR20180025971A - 드릴 구성품

Info

Publication number: KR20180025971A
Application number: KR1020187004022A
Authority: KR
Inventors: 안나 벤베리; 토마스 안톤손; 라르스 뉘뢰프
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2018-03-09
Also published as: CN107849669A; EP3322831B1; JP2018527458A; AU2016293463A1; PL3322830T3; US11047028B2; CN107923022A; MX2018000576A; US20180209024A1; EP3322831A1; JP2018524473A; CN107923022B; ES2790637T3; WO2017009436A1; WO2017009435A1; PL3322831T3; KR20180030618A; EP3322830B1; EP3322830A1; JP6854275B2

Abstract

본 발명은 마르텐사이트계 스테인리스 강을 포함하는 드릴 구성품에 관한 것으로서, 높은 경도, 내마모성과 내마멸성, 높은 인장 강도 및 높은 충격 인상과 같은 최적화되고 잘 균형잡힌 기계적 특성들과 조합하여 우수한 내식성을 가진다.

Description

드릴 구성품

본 발명은 드릴 구성품, 특히 마르텐사이트계 스테인리스 강을 포함하는 드릴 로드 및 이의 제조에 관한 것이다.

착암 중에, 충격파 및 회전이 드릴 리그로부터 하나 이상의 로드들 또는 튜브들을 통하여 초경합금이 장착된 드릴 비트로 전달된다. 드릴 로드는 심각한 기계적 부하 뿐만 아니라 부식 환경을 받게 된다. 이는, 특히 물을 플러싱 매체로 사용하고 일반적으로 환경이 습한 지하 드릴링에 적용된다. 부식은 대부분의 응력이 가해지는 부분, 즉 나사산 바닥 및 나사산 간극 (thread clearances) 에서 특히 심각하다.

일반적으로, 저 합금화된 경우에, 경화 강들은 드릴링 적용에 사용된다. 이러한 강들은, 부식 피로로 인한 수명이 비교적 짧아, 동적 부하 및 로드 재료의 내식성 부족으로 인해 유발되는 드릴 로드의 파손을 가속화시키는 한계를 가진다. 드릴 로드들과 관련된 다른 문제점은, 드릴 로드들이 마모되고 그리고 드릴링 작동을 위한 총 비용에 직접적인 영향을 주는 마멸, 즉 로드 재료의 불충분한 경도로 인해 교체되어야하는 비율이다. 드릴 로드들과 관련된 다른 문제점은, 로드 재료의 강도 및 인성, 특히 충격 인성, 즉 착암에 의해 유발되는 충격 부하 뿐만 아니라 정적 및 동적 부하를 견디는 드릴 로드의 능력이다. 로드가 파손되면, 드릴 구멍에서 이 로드를 꺼내는데 상당한 시간이 걸릴 수 있다. 로드의 파손은 또한 최적화된 폭파를 위해 계산된 드릴 패턴을 방해할 수 있다. 드릴 로드들 및 드릴 비트들의 파손과 관련된 추가 문제점은, 광산 및 터널링 장비, 예를 들어 분쇄기들 및 시브들 (sieves) 의 손상이다.

WO 0161064 및 WO 2009008798 둘 다에는 착암을 위한 마르텐사이트계 강들이 개시되어 있다. 비록 이러한 강들이 부식 피로에 대한 상기 문제를 해결하거나 감소시킬지라도, 이러한 마르텐사이트계 강들은 착암 동안에 충분히 작동할 만큼 큰 충격 인성을 갖지 않을 것이다. 이는, 상기 강으로 제조된 드릴 구성품들이 착암 동안에 충격 부하를 받을 때 명백하게 쉽게 파손되는 위험을 가지고, 이는 전술한 바와 동일한 결과를 초래할 수 있음을 의미한다.

CN 102586695 및 US 5714114 둘 다는 마르텐사이트계 강에 관한 것이다. 하지만, 본원에 개시된 마르텐사이트계 스테인리스 강들은 드릴 로드들 이외의 다른 적용에 사용된다. 따라서, 본원에 개시된 마르텐사이트계 스테인리스 강의 요건 및 중요한 기계적 특성들은 드릴 로드들에 사용되는 마르텐사이트계 스테인리스 강과 비교하여 상이하다.

결과적으로, 본 발명의 목적은 상기 문제점들 중 적어도 하나를 해결 및/또는 감소시키는 것이다. 특히, 본 발명의 일 양태는 드릴 로드와 같은 드릴 구성품을 얻는 것으로서, 이 드릴 구성품은 경화시 마르텐사이트 미세조직을 형성하는 강 조성을 가지고, 이는 드릴 구성품에 양호한 내식성 및 최적화되고 잘 균형잡힌 기계적 특성들을 제공하여, 수명을 연장시키고, 그리하여 장시간 동안 사용될 수 있는 비용 효율적인 드릴 구성품을 얻는 것이다.

따라서, 본 발명은 중량% (wt%) 로 다음의 조성을 포함하는 마르텐사이트계 스테인리스 강을 포함하는 드릴 구성품에 관한 것으로서:

C 0.21 ~ 0.27;

Si 0.7 이하;

Mn 0.2 ~ 2.5;

P 0.03 이하;

S 0.05 이하;

Cr 11.9 ~ 14.0;

Ni 0.5 초과 ~ 3.0;

Mo 0.4 ~ 1.5;

N 0.060 이하;

Cu 1.2 이하;

V 0.06 이하;

Nb 0.03 이하;

Al 0.050 이하;

Ti 0.05 이하;

잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물들을 포함하고;

마르텐사이트계 스테인리스 강은 75 % 이상의 마르텐사이트상 및 25 % 이하의 잔류 오스테나이트상을 포함하고, PRE-값 (내공식성 상응값) 은 14 이상이다. PRE-값은 다음의 식 PRE = Cr + 3.3 * Mo 에 의해 산출되며, Cr 및 Mo 는 중량 백분율 (wt%) 로 원소들의 함량에 대응한다. 전술 또는 후술되는 바와 같이 마르텐사이트계 스테인리스 강은 잔류 오스테나이트를 함유하는 경화 및 템퍼링된 마르텐사이트 미세조직을 가지며, 이는 마르텐사이트 미세조직이 마르텐사이트상 및 잔류 오스테나이트상 둘 다를 포함한다는 것을 의미한다. 마르텐사이트상은 원하는 경도 및 인장 강도 또한 원하는 내마모성을 제공할 것이다. 마르텐사이트상과 비교하여 보다 더 부드럽고 보다 연성인 잔류 오스테나이트상은, 마르텐사이트 미세조직의 취성을 감소시켜, 충격 인성과 같은 강의 기계적 특성들에 필요한 개선을 제공할 것이다. 전술 또는 후술되는 바와 같이 마르텐사이트계 스테인리스 강은, 그의 화학적 조성 및 미세조직 둘 다로 인해 경도, 충격 인성, 강도 및 내식성의 독특한 조합을 가질 것이다.

더욱이, 본 발명은 또한 상부 해머 드릴 로드 및 물 플러싱된 상부 해머 드릴 로드와 같은 드릴 로드인 드릴 구성품 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

도 1 은 영역과 해당 좌표들이 도시된 셰플러 다이어그램을 도시한다.
도 2 는 도 1 과 동일한 셰플러 다이어그램을 도시하지만 실시예들의 제조된 합금이 다이어그램에 표시되어 있다.
도 3 은 실시예들의 일부 합금에 대한 경도 및 충격 인성 곡선을 도시한다.

따라서, 본 발명은 중량% (wt%) 로 다음의 조성을 가지는 마르텐사이트계 스테인리스 강을 포함하는 드릴 구성품에 관한 것으로서:

C 0.21 ~ 0.27;

Si 0.7 이하;

Mn 0.2 ~ 2.5;

P 0.03 이하;

S 0.05 이하;

Cr 11.9 ~ 14.0;

Ni 0.5 초과 ~ 3.0;

Mo 0.4 ~ 1.5;

N 0.060 이하;

Cu 1.2 이하;

V 0.06 이하;

Nb 0.03 이하;

Al 0.050 이하;

Ti 0.05 이하;

잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물들을 포함하고,

마르텐사이트계 스테인리스 강은 75 % 이상의 마르텐사이트상 및 25 % 이하의 잔류 오스테나이트상을 포함하고, PRE-값은 14 이상이다.

더욱이, 본원의 마르텐사이트계 스테인리스 강은 마르텐사이트상의 경도가 높기 때문에 높은 인장 강도 및 높은 내마모성을 가질 것이다. 하지만, 마르텐사이트상은 취성이다. 본 발명에서, (미세조직이 75 % 이상의 마르텐사이트상 및 25 % 이하의 잔류 오스테나이트상을 포함하도록) 어떠한 양의 잔류 오스테나이트상과 마르텐사이트상을 조합함으로써, 추가로 이를 합금 원소들, 특히 Ni, Mn 및 Mo 의 균형 잡힌 첨가와 조합함으로써, 마르텐사이트계 스테인리스 강의 충격 인성이 크게 개선되고, 이는 또한 마르텐사이트계 스테인리스 강을 포함하는 드릴 구성품에 대해서는 적용됨을 의미하는 것을 발견하였다. 이는, 마르텐사이트상이, 전술한 바와 같이, 원하는 경도 및 인장 강도 또한 원하는 내마모성을 제공하는 반면, 마르텐사이트상과 비교하여 보다 더 부드럽고 보다 연성인 잔류 오스테나이트상은 마르텐사이트 미세조직의 취성을 감소시켜, 기계적 특성들의 필요한 개선을 제공하기 때문이다. 하지만, 너무 많은 양의 잔류 오스테나이트상은 마르텐사이트 미세조직의 경도를 너무 많이 감소시킴으로, 너무 많은 양의 잔류 오스테나이트상은 필요하지 않다. 따라서, 마르텐사이트상의 양 및 잔류 오스테나이트상의 양은 전술 또는 후술되는 바와 같다. 일 실시형태에 따라서, 전술 또는 후술되는 바와 같이 마르텐사이트계 스테인리스 강은 경화 후에 어떠한 페라이트상을 함유하지 않고, 이와 관련하여 부드러운 취성 상으로 여겨지며, 즉 전술 또는 후술되는 바와 같이 마르텐사이트계 스테인리스 강을 포함하는 드릴 구성품은 경화 후에 어떠한 페라이트상을 포함하지 않는다.

본 발명의 일 실시형태에 따라서, 드릴 구성품을 구성하는 전술 또는 후술되는 바와 같이 마르텐사이트계 스테인리스 강은 80 ~ 95 % 의 마르텐사이트상 및 5 ~ 20 % 의 잔류 오스테나이트상을 포함한다.

따라서, 본 발명은 높은 경도와 높은 충격 인성 뿐만 아니라 우수한 내식성의 독특한 조합을 가진 마르텐사이트계 스테인리스 강을 제공한다. 추가로, 본 발명은, 화학적 조성 및 미세조직을 가진 마르텐사이트계 스테인리스 강을 포함하는 드릴 구성품으로서, 드릴 구성품에 전체 구성품에 걸쳐 내식성 및 경도 및 충격 인성의 최적의 조합을 부여한다. 그리하여, 드릴 구성품은 비용 효율 및 작동 수명을 향상시킬 것이다.

본 발명에 따른 마르텐사이트계 스테인리스 강의 합금 원소들에 대하여 설명한다. "중량" 및 "wt%" 라는 용어는 상호교환가능하게 사용된다:

탄소 (C): 0.21 ~ 0.27 wt%

C 는 강한 오스테나이트상 안정화 합금 원소이다. C 는 마르텐사이트계 스테인리스 강에 필요하여, 상기 강은 열처리에 의해 경화 및 강화되는 능력을 가진다. 따라서, C-함량은 전술한 효과를 충분히 달성하도록 적어도 0.21 wt% 이 되도록 설정된다. 하지만, 과잉의 C 는 크롬 탄화물을 형성할 위험을 증가시키고, 이는 그에 따라서 다양한 기계적 특성들 및 연성, 충격 인성 및 내식성과 같은 다른 특성들을 감소시킨다. 기계적 특성들은 또한 경화 후에 잔류 오스테나이트상의 양에 영향을 받으며, 이 양은 C-함량에 따른다. 이에 따라서, C-함량은 최대 0.27 wt% 로 설정되고, 그에 따라서 본원의 마르텐사이트계 스테인리스 강의 탄소 함량은 약 0.21 ~ 0.27 wt%, 예를 들어 0.21 ~ 0.26 wt% 이다.

규소 (Si) : 최대 0.7 wt%

Si 는 강한 페라이트상 안정화 합금 원소이고, 그리하여 그 함량은 또한 Cr 및 Mo 와 같은 다른 페라이트 형성 원소들의 양에 따른다. Si 는 주로 용융 정제 동안 탈산제 (deoxidizer agent) 로서 사용된다. Si-함량이 과도하면, 페라이트상 뿐만 아니라 금속간 석출물이 미세조직에 형성될 수 있고, 이는 다양한 기계적 특성들을 감소시킨다. 이에 따라서, Si-함량은 최대 0.7 wt%, 예를 들어 최대 0.4 wt% 가 되도록 설정된다.

망간 (Mn) : 0.2 ~ 2.5 wt%

Mn 은 오스테나이트상 안정화 합금 원소이다. Mn 은 오스테나이트상에서 C 및 N 의 용해도를 향상시키고 변형 경화를 증가시킨다. 더욱이, Mn 은 또한 마르텐사이트계 스테인리스 강을 열처리할 때 경화성을 증가시킨다. Mn 은 MnS 석출물을 형성함으로써 황의 해로운 영향을 더욱 감소시킬 것이며, 이는 또한 고온 연성 및 충격 인성을 향상시킬 것이지만, MnS 석출물은 또한 내공식성을 다소 손상시킬 수 있다. 따라서, 최저 Mn-함량은 0.2 wt% 로 설정된다. 하지만, Mn-함량이 과도하면, 잔류 오스테나이트상의 양이 너무 많아지고, 다양한 기계적 특성들 뿐만 아니라 경도 및 내식성이 감소될 수 있다. 또한, 너무 많은 Mn 함량은 열간 가공 특성들을 저하시키고 또한 표면 품질을 열하시킨다. 그에 따라서, Mn-함량은 최대 2.5 wt% 로 설정된다. 따라서, Mn 의 함량은 0.2 ~ 2.5 wt%, 예를 들어 0.3 ~ 2.4 wt% 이다. 추가적으로, 본 발명에서, 마르텐사이트계 스테인리스 강에 포함되는 Mn, Ni 및 Mo 의 함량은 상기 마르텐사이트계 스테인리스 강의 원하는 특성들을 얻기 위해 함께 균형을 이룬다.

크롬 (Cr) : 11.9 ~ 14.0 wt %

Cr 은 스테인리스 강의 기본 합금 원소들 중 하나이며 강에 내식성을 제공하는 원소이다. 전술 또는 후술되는 바와 같이 마르텐사이트계 스테인리스 강은 공기 또는 물 중에서 Cr-산화물 층 및/또는 강의 표면의 패시베이션 (passivation) 을 얻기 위해 적어도 11.9 wt% 를 포함하여, 기본적인 내식성을 얻는다. Cr 은 또한 페라이트상 안정화 합금 원소이다. 하지만, Cr 이 과도한 양으로 존재하면, 충격 인성이 감소될 수 있고 그리고 추가적으로 페라이트상 및 크롬 탄화물이 경화시 형성될 수 있다. 크롬 탄화물의 형성은 마르텐사이트계 스테인리스 강의 기계적 특성들을 감소시킬 것이다. 강 표면을 패시베이션하기 위한 레벨 이상의 Cr-함량의 증가는 마르텐사이트계 스테인리스 강의 내식성에 약한 영향만을 줄 것이다. 따라서, Cr-함량은 최대 14.0 wt% 가 되도록 설정된다. 따라서, Cr 의 함량은 11.9 ~ 14.0 wt%, 예를 들어 12.0 ~ 13.8 wt% 이다.

몰리브덴 (Mo) : 0.4 ~ 1.5 wt%

Mo 는 강한 페라이트상 안정화 합금 원소이고 그리하여 소둔 또는 열간 가공 중에 페라이트상의 형성을 향상시킨다. Mo 의 주요 장점 중 하나는 내공식성에 강하게 기여한다는 것이다. Mo 는 마르텐사이트계 강의 템퍼링 취성을 감소시키는 것으로 알려져 있어서 기계적 특성들을 향상시킨다. 하지만, Mo 는 값비싼 원소이고, 낮은 양에서도 내식성에 대한 효과가 얻어진다. 따라서, Mo 의 최저 함량은 0.4 wt% 이다. 더욱이, 과도한 양의 Mo 는 경화 동안 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변태에 영향을 주고 결국에는 잔류 오스테나이트상 함량에 영향을 준다. 따라서, Mo 의 상한은 1.5 wt% 로 설정된다. 따라서, Mo 의 함량은 0.4 ~ 1.5 wt%, 예를 들어 0.5 ~ 1.4 wt% 이다.

니켈 (Ni) : 0.5 초과 ~ 3.0 wt%

Ni 는 오스테나이트상 안정화 합금 원소이며, 그리하여 경화 열처리 후에 잔류 오스테나이트상을 안정화시킨다. Ni 는 잔류 오스테나이트상에 의해 제공되는 일반적인 인성 이외에 훨씬 개선된 충격 인성을 제공하는 것으로 또한 발견되었다. 본 발명에서, 마르텐사이트계 스테인리스 강에서 Ni, Mn 및 Mo 의 양을 균형잡음으로써, 경도, 충격 인성 및 내식성의 최상의 조합이 제공되는 것으로 밝혀졌다. 실질적인 효과를 제공하기 위해서는 0.5 wt % 초과의 Ni 가 필요하다. 하지만, Ni-함량이 과도하면, 잔류 오스테나이트상의 양이 너무 높고 그 후에 경도가 충분하지 않게 될 것이다. 따라서, Ni 의 최대 함량은 3.0 wt% 로 제한된다. 따라서, Ni 의 함량은 0.5 ~ 3.0 wt%, 예를 들어 0.5 ~ 2.4 wt% 이다.

텅스텐 (W) : 0.5 wt% 이하

W 는 페라이트상 안정화 합금 원소이고, 존재한다면, 유사한 화학적 특성들로 인해 합금 원소로서 Mo 를 어느 정도 대체할 수 있다. W 는 내공식성에 긍정적 영향을 주지만, 그 영향은, 용해된 매트릭스 함량을 비교하면 Mo 의 영향보다 훨씬 약하고, 이는 통상적으로 W 가 PRE-제형에서 제외된 이유이다. 따라서, Mo 를 대체하기 위해서는 훨씬 더 높은 W 함량이 필요하게 된다. W 는 또한 탄화물 형성 원소이고 높은 W 함량에서 내마모성 뿐만 아니라 경도 및 강도가 향상된다. 하지만, 상기 특성들이 개선된 W-함량에서, W-탄화물들의 양은 강의 충격 인성을 상당히 감소시킬 것이다. 필요한 W-함량은 또한 탄화물의 온도 안정성을 증가시키며, 매트릭스에 용해된 W 의 함량을 증가시키기 위해서는 훨씬 더 높은 경화 온도가 필요하다. 따라서, W 의 함량은 0.5 wt% 이하, 예를 들어 0.05 wt% 이하로 설정된다.

코발트 (Co) : 1.0 wt% 이하,

코발트는 강한 고용체 효과를 가지며 더 높은 온도에서 또한 유지되는 강화 효과를 발생시킨다. 따라서, Co 는 고온 강도 뿐만 아니라 경도 및 승온에서 내마멸성을 향상시키는 합금 원소로서 종종 사용된다. 하지만, 이러한 특성들에 대한 영향이 현저하게 개선되는 Co-함량에서, Co-함량은 또한 열간 가공 특성들에 역효과를 가져서, 더 높은 변형력을 유발한다. Co 는 오스테나이트상을 불안정하게 하는 유일한 합금 원소이므로 냉각시 오스테나이트 뿐만 아니라 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트상 또는 페라이트 함유 상으로 변태시키는 것을 촉진시킨다. Co 의 복잡한 효과로 인하여, 하지만 또한 Co 가 독성인 사실로 인하여, 원자 에너지 적용을 위해 의도된 스테인리스 강의 제조에 사용되는 폐재료 (scrap material) 에서의 불순물로 여겨지므로, Co 의 함량은, 존재한다면, 1.0 wt% 이하, 예를 들어 0.10 wt% 이하로 설정된다.

알루미늄 (Al) : 0.050 wt% 이하

Al 은 선택적인 원소이고 강 제조 중에 산소 함량을 감소시키는데 효과적이므로 탈산제로서 일반적으로 사용된다. 하지만, Al 의 함량이 너무 높으면 기계적 특성들을 감소시킬 수 있다. 따라서, Al 의 함량은 0.050 wt% 이하이다.

질소 (N) : 0.060 wt % 이하

N 은 선택적인 원소이고 오스테나이트상 안정화 합금 원소이며 그리고 매우 강한 침입형 (interstitial) 고용체 강화 효과를 가진다. 하지만, N 의 함량이 너무 높으면 고온에서 열간 가공 특성들을 감소시킬 수 있고 또한 본원의 마르텐사이트계 스테인리스 강을 위한 실온에서 충격 인성을 감소시킬 수 있다. 따라서, N-함량은 0.060 wt% 이하, 예를 들어 0.035 wt% 이하로 설정된다.

바나듐 (V) : 0.06 wt% 이하

V 는 선택적인 원소이고 C 및 N 에 대해 높은 친화성을 가진 페라이트상 안정화 합금 원소이다. V 는 석출 경화 원소이고 마르텐사이트계 스테인리스 강에서 마이크로-합금 원소로 여겨지며 결정립 미세화 (grain refinement) 에 사용될 수 있다. 결정립 미세화는 미세조직에 작은 석출물을 도입함으로써 고온에서 결정립 크기를 제어하는 방법에 관한 것이며, 이는 결정립계의 이동성을 제한하여 열간 가공 또는 열처리 중에 오스테나이트 결정립 성장을 감소시킬 것이다. 작은 오스테나이트 결정립 크기는 경화시 형성된 마르텐사이트 미세조직의 기계적 특성들을 개선시키는 것으로 알려져 있다. 하지만, V 의 과도한 양은 미세조직에서 너무 많은 분율의 석출물을 생성할 것이며, 특히 마르텐사이트 미세조직의 이전 오스테나이트 결정립계에서 더 조대한 V 석출물의 형성 위험을 증가시켜, 연성, 특히 충격 인성을 감소시킬 것이다. 따라서, V 의 함량은 0.06 wt% 이하이다.

니오븀 (Nb) : 0.03 wt% 이하

Nb 는, 페라이트상 안정화 합금 원소이며 그리고 C 및 N 에 대해 높은 친화성을 가지는 선택적인 원소이다. 따라서, Nb 는 석출 경화 원소이고 결정립 미세화에 사용될 수 있지만, Nb 는 또한 조대한 석출물을 형성한다. 따라서, Nb 의 과도한 양은 마르텐사이트계 스테인리스 강의 연성 및 충격 인성을 감소시킬 수 있고, 그에 따라서 Nb 의 함량은 0.03 wt% 이하이다.

지르코늄 (Zr) : 0.03 wt% 이하

Zr 은 C 및 N 에 대해 매우 높은 친화성을 가진 선택적인 원소이다. 지르코늄 질화물 및 탄화물은 고온에서 안정적이고 결정립 미세화에 사용될 수 있다. Zr 함량이 너무 높으면, 조대한 석출물이 형성되어, 충격 인성을 감소시킬 것이다. 따라서, Zr 의 함량은 0.03 wt% 이하이다.

탄탈륨 (Ta) : 0.03 wt% 이하

Ta 은 C 및 N 에 대해 매우 높은 친화성을 가진 선택적인 원소이다. 탄탈륨 질화물 및 탄화물은 고온에서 안정적이고 결정립 미세화에 사용될 수 있다. Ta 함량이 너무 높으면, 조대한 석출물이 형성될 수 있어서, 충격 인성을 감소시킬 것이다. 따라서, Ta 의 함량은 0.03 wt% 이하이다.

하프늄 (Hf) : 0.03 wt% 이하

Hf 은 C 및 N 에 대해 매우 높은 친화성을 가진 선택적인 원소이다. 하프늄 질화물 및 탄화물은 고온에서 안정적이고 결정립 미세화에 사용될 수 있다. Hf-함량이 너무 높으면, 조대한 석출물이 형성될 수 있어서, 충격 인성을 감소시킬 것이다. 따라서, Hf 의 함량은 0.03 wt% 이하이다.

인 (P) : 0.03 wt% 이하

P 는 선택적인 원소이고 불순물로서 포함될 수 있으며 유해한 원소로 여겨진다. 따라서, 0.03 wt% 미만의 P 를 가지는 것이 바람직하다.

황 (S) : 0.05 wt% 이하

S 는 선택적인 원소이고 기계가공성을 향상시키도록 포함될 수 있다. 하지만, S 는 결정립계 편석 및 개재물을 형성할 수 있고, 따라서 열간 가공 특성들을 제한할 것이고, 또한 기계적 특성들 및 내식성을 감소시킬 것이다. 따라서, S 의 함량은 0.05 wt% 를 초과해서는 안된다.

티타늄 (Ti) : 0.05 wt% 이하

Ti 은, 페라이트상 안정화 합금 원소이고 그리고 C 및 N 에 대해 매우 높은 친화성을 가진 선택적인 원소이다. 티타늄 질화물 및 탄화물은 고온에서 안정적이고 결정립 미세화에 사용될 수 있다. Ti-함량이 너무 높으면, 조대한 석출물이 형성될 수 있어서, 충격 인성을 감소시킬 것이다. 따라서, Ti 의 함량은 0.05 wt% 이하이다.

구리 (Cu) : 1.2 wt% 이하

Cu 는 오스테나이트상 안정화 합금 원소이고 소량으로 마르텐사이트계 스테인리스 강에 대해 다소 제한된 효과를 가진다. Cu 는 마르텐사이트계 스테인리스 강에서 오스테나이트상 안정제로서 Ni 또는 Mn 을 어느 정도 대체할 수 있지만, 그 후 연성은 예를 들어 Ni 의 첨가에 비교하여 감소될 것이다. Cu 는 강의 일반적인 내식성에 긍정적인 영향을 줄 수 있지만 Cu 의 양이 많아지면 열간 가공 특성들에 악영향을 줄 것이다. 따라서, Cu 의 함량은 1.2 wt% 이하, 예를 들어 0.8 wt% 이하이다.

선택적으로 소량의 다른 합금 원소들이 예를 들어 고온 연성과 같은 열간 가공 특성들의 기계가공성을 향상시키기 위해서 전술 또는 후술되는 바와 같이 마르텐사이트계 스테인리스 강에 첨가될 수 있다. 이러한 원소들의 예로서는 Ca, Mg, B, Pb 및 Ce 이지만, 이에 한정되지 않는다. 이러한 원소들의 양은 최대 0.05 wt% 이다.

용어 "최대" 또는 "이하" 가 사용되면, 당업자는 다른 숫자가 구체적으로 기술되지 않는 한 범위의 하한이 0 wt% 임을 알 수 있다. 전술 또는 후술되는 바와 같이 마르텐사이트계 스테인리스 강의 나머지 원소들은 철 (Fe) 및 일반적으로 발생하는 불순물이다.

불순물의 예로서는, 의도적으로 첨가되지 않았지만 예를 들어 원료 또는 마르텐사이트계 스테인리스 강의 제조에 사용되는 추가적인 합금 원소들에서 불순물로서 일반적으로 발생함에 따라 완전히 피할 수 없는 원소 및 화합물이다.

일 실시형태에 따라서, 드릴 구성품을 구성하는 전술 또는 후술되는 바와 같이 마르텐사이트계 스테인리스 강은 또한 그 화학적 조성 및 그 Cr- 및 Ni-등가물 (도 1 참조) 에 따른 섀플러 다이어그램에서 특정 좌표들에 의해 규정된 영역으로 나타낼 수 있다. 섀플러 다이어그램은 고온에서 급랭 후에 강의 미세조직에서 오스테나이트상 (A), 페라이트상 (F) 및 마르텐사이트상 (M) 의 존재 및 양을 예측하는데 사용되고 그리고 강의 화학적 조성에 기초로 한다. 섀플러 다이어그램에서 본 발명의 영역의 특정 좌표들은 다음의 식에 따른 Cr- 및 Ni-등가물 (Cr_eq 및 Ni_eq) 을 산출함으로써 결정된다 (도 1 참조) :

Cr_eq = Cr + Mo + 1.5 * Si + 0.5 * Nb (x-축)

Ni_eq = Ni + 0.5 * Mn + 30 * N + 30 * C (y-축)

Cr, Mo, Si, Nb, Ni, Mn, N 및 C 의 값들은 중량% 이고; 마르텐사이트계 스테인리스 강의 영역은 다음의 좌표에 의해 규정된다 (도 1 및 도 2 참조) :

본 발명의 다른 실시형태에 따라서, 마르텐사이트계 스테인리스 강은 다음의 좌표들에 의해 규정된 셰플러 다이어그램에서 영역으로 나타낼 수 있다 (도 1 및 도 2 참조) :

드릴 구성품은 종래의 드릴 구성품 제조 공정들 및 드릴 구성품 가공 공정들을 사용하여 제조된다. 드릴 구성품의 원하는 마르텐사이트 조직을 얻기 위해, 드릴 구성품을 구성하는 마르텐사이트계 스테인리스 강은 경화 및 템퍼링되어야 한다. 표면의 유도 가열에 의해 또는 쇼트 피닝 (이에 제한되지 않음) 과 같은 표면 처리 방법을 적용함으로써 표면의 기계적 특성들이 추가로 개선될 수 있다. 수득된 드릴 구성품은 높은 경도, 내마모성 및 내마멸성, 높은 인장 강도 및 높은 충격 인성과 같은 균형 잡히고 최적화된 기계적 특성들과 조합하여 우수한 내식성을 가질 것이다. 일 실시형태에 따라서, 드릴 구성품은 이하의 단계를 포함하는 공정에 따라서 제조된다:

a. 전술 또는 후술되는 바와 같이 마르텐사이트계 스테인리스 강을 제공하는 단계;

b. 상기 강의 대상물을 형성하는 단계로서, 상기 대상물은 드릴 구성품 또는 드릴 구성품의 예비성형체일 수 있다. 따라서, 대상물은 드릴 로드와 같은 드릴 구성품에 이미 형성될 수 있다. 대상물은, 예비성형체일 때, 또한 둥근 또는 육각형 빌렛과 같은 예비성형체일 수 있다. 본 발명에 따라서, 대상물은 또한 예비성형체일 수 있고, 나사산들은 부분적으로 형성되거나 대상물은 나사산들의 최종 형상을 가진 드릴 구성품일 수 있다.

c.약 1030 ~ 약 1150℃ 의 온도에서 대상물을 경화시키는 단계;

d. 대상물을 켄칭하는 단계;

마르텐사이트 미세조직을 얻기 위해 경화 및 켄칭을 실시한다.

e. 약 175 ~ 약 350℃ 의 온도에서 대상물을 템퍼링하는 단계;

템퍼링은 인성을 증가시키는데 사용되는 열처리 공정이다.

f. 대상물로부터 드릴 구성품을 형성하는 단계.

드릴 구성품들의 예들로서는 상부 해머 드릴 로드와 같은 드릴 로드이다. 수득된 드릴 로드는, 높은 경도, 내마모성과 내마멸성, 높은 인장 강도, 높은 충격 인성 및 우수한 내식성을 가지고, 스테인리스 강으로 제조된 현재 상업적으로 이용가능한 드릴 로드들이 없음을 알아야 한다.

청구범위에 규정된 본원의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한, 특별히 개시되어 있지 않은 추가, 수정, 대체 및 삭제를 할 수 있음을 당업자라면 이해할 것이다.

본 발명은 다음의 비제한적인 실시예들에 의해 추가로 설명된다.

실시예들

본원의 범위 밖의 합금들은 모든 표들에서 "x" 로 표시된다.

실시예 1

실시예 1 의 합금은 고주파로 (high frequency furnace) 에서 용해시킨 후 9" 강 몰드를 사용하여 잉곳 주조되었다. 잉곳의 중량은 약 270 kg 이었다. 잉곳은 650 ℃ 에서 4 시간 동안 소프트 소둔 (soft annealing) 에 의해 열처리된 후 실온으로 공랭된 다음 잉곳 표면을 연삭하였다.

열처리 후, 잉곳은 해머에서 약 145 mm 의 둥근 치수를 가진 바아들로 단조되었다. 수득된 둥근 바아들은 그 후에 압연기에서 1200 ℃ 로 열간 압연되어 육각형 35 mm 치수의 중실체 (solid) 로 되었다.

이러한 바아들로부터의 샘플들은 부식 및 기계적 시험에 사용되었다.

상이한 합금의 화학적 조성 및 이의 해당 합금 번호는 표 1 에 나타낸다.

실시예들의 모든 합금에 대한 Cr- 및 Ni-등가물들, 즉 Cr_eq 및 Ni_eq 값은 표 2 및 도 2 에 도시된다. Cr_eq 및 Ni_eq 값들은 본 발명에서 전술된 공식에 따라서 산출되었다. 각 합금의 PRE-값들은 다음 식에 따라서 산출되었다 : PRE = Cr (wt %) + 3.3 * Mo (wt %).

10 mV/min 의 전압 스캔 속도를 사용하여 실온에서 NaCl-용액 (600 mg/ℓ) 에 샘플을 침지시킴으로써 (Corr 1) 또는 75 mV/min 의 전압 스캔 속도를 사용하여 실온에서 NaCl-용액 (600 mg/ℓ) 에 샘플을 침지시킴으로써 (Corr 2) 동적 편광 측정 (dynamic polarization measurements) 에 의해 부식 시험이 실시되었다. 그 후, 강 표면 상의 수동 산화물 막의 브레이크스루 전위 (breakthrough potential) Ep (V) 를 측정하였다. 그 결과는 각 합금에 대해 2 개의 샘플들의 평균을 기준으로 한다. 부식 시험 이전에, 모든 샘플들은 1030 ~ 1050 ℃/0.5h 에서 경화되었고 오일로 켄칭되었으며, 200 ~ 225 ℃/1h 에서 템퍼링되었다. 부식 시험 결과는 표 2 에 나타낸다.

경도 시험 (HRC) 형태의 기계적 시험과 10x10x55 mm 치수의 노치된 샤르피-V 샘플들에 대한 충격 인성 시험이 모든 합금에 대해 실온에서 실시되었다. 샘플들은 1030 ℃/0.5h¹⁾ 또는 1050 ℃/1h²⁾ 에서 경화되었고, 오일로 켄칭된 후, 175 ~ 275 ℃ 에서 1 시간 동안 상이한 온도에서 템퍼링되었다. 강화된 그대로의 조건의 결과는 2 개의 샤르피-V 샘플들의 평균을 기초로 하는 반면, 템퍼링된 조건의 결과는 3 개의 샤르피-V 샘플의 평균을 기초로 한다.

기계적 시험 결과는 표 3a 및 표 3b 에 나타낸다.

표 4 는 실시예의 합금의 제조 및 시험 동안의 경험에 기초로 하여 열간 가공 특성, 기계적 특성들 및 내식성의 상대 순위를 요약한다.

[표 1]

[표 1 계속]

[표 2]

[표 3a]

[표 3b]

[표 4]

실시예 2 - 드릴 로드의 제조 :

드릴 로드는 실시예 1 의 합금 45 를 함유하는 로드로 제조되었다.

블룸들 (blooms) 은 강 플랜트에서 종래의 야금 공정들을 실시함으로써 제조되었다. 블룸들은 둥근 로드들로 열간 압연되었다. 그 후, 로드들은 소프트 소둔 및 적합한 길이의 피스들로 절단되었다.

압연, 소프트 소둔 및 절단 이후에, 로드들에는 길고 직선의 중심 구멍들이 드릴링되었고, 그리하여 드릴 강 블랭크들이 되었다. 블랭크들을 가열하기 전에 구멍들에는 코어들이 삽입되었다. 그 후, 블랭크들은 둥근 드릴 강 로드들의 마무리 치수로 열간 압연되었다. 그 후, 드릴 강 로드들은 냉각되었고, 코어들은 드릴 강 로드들의 중심 구멍들 외부로 꺼내졌다. 드릴 강 로드들은 그 후에 기계가공성을 향상시키기 위해서 적어도 6시간 동안 640℃ 의 온도에서 소프트 소둔되었다.

나사산들을 기계가공하고 다른 절삭 작업 이후에, 드릴 강 로드들은 1030 ~ 1130℃ 의 온도에서 경화되었고 그 후에 오일에서 켄칭되었다. 켄칭 및 실온으로 냉각시킨 직후에, 드릴 강 로드들은 그 후에 적어도 1 시간 동안 175 ~ 275℃ 의 온도에서 템퍼링되었다. 템퍼링 이후에, 드릴 강 로드들은 실온으로 냉각되었다. 쇼트 피닝은 그 후에 드릴 강 로드들의 피로 강도를 향상시키도록 실시되었다. 최종적으로, 드릴 강 로드들의 스트레이트닝 (straightening) 이 실시되었다.

Claims

마르텐사이트계 스테인리스 강을 포함하는 드릴 구성품으로서, 중량% 로 다음의 조성,
C 0.21 ~ 0.27;
Si 0.7 이하;
Mn 0.2 ~ 2.5;
P 0.03 이하;
S 0.05 이하;
Cr 11.9 ~ 14.0;
Ni 0.5 초과 ~ 3.0;
Mo 0.4 ~ 1.5;
N 0.060 이하;
Cu 1.2 이하;
V 0.06 이하;
Nb 0.03 이하;
Al 0.050 이하;
Ti 0.05 이하;
잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물들을 포함하고,
상기 마르텐사이트계 스테인리스 강은 75 % 이상의 마르텐사이트상 및 25 % 이하의 잔류 오스테나이트상을 포함하고,
상기 마르텐사이트계 스테인리스 강은 14 이상의 PRE-값을 가지는, 드릴 구성품.
제 1 항에 있어서,
상기 마르텐사이트계 스테인리스 강은 80 ~ 95 % 의 마르텐사이트상 및 5 ~ 20 % 의 잔류 오스테나이트상을 포함하는, 드릴 구성품.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 마르텐사이트계 스테인리스 강은 0.4 wt% 이하의 Si 함량을 포함하는, 드릴 구성품.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마르텐사이트계 스테인리스 강은 0.035 wt% 이하의 N 함량을 포함하는, 드릴 구성품.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마르텐사이트계 스테인리스 강은 0.8 wt% 이하의 Cu 함량을 포함하는, 드릴 구성품.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마르텐사이트계 스테인리스 강은 0.21 ~ 0.26 wt% 의 C 함량을 포함하는, 드릴 구성품.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마르텐사이트계 스테인리스 강은 12 ~ 13.8 wt% 의 Cr 함량을 포함하는, 드릴 구성품.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마르텐사이트계 스테인리스 강은 0.3 ~ 2.4 wt% 의 Mn 함량을 포함하는, 드릴 구성품.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마르텐사이트계 스테인리스 강은 0.5 ~ 2.4 wt% 의 Ni 함량을 포함하는, 드릴 구성품.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마르텐사이트계 스테인리스 강은 0.5 ~ 1.4 wt% 의 Mo 함량을 포함하는, 드릴 구성품.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마르텐사이트계 스테인리스 강은 셰플러 다이어그램에 형성된 영역 내에 있으며, 상기 다이어그램은 다음의 식에 의해 결정되고 :
Cr_eq = Cr + Mo + 1.5 * Si + 0.5 * Nb (x-축)
Ni_eq = Ni + 0.5 * Mn + 30 * N + 30 * C (y-축);
Cr, Mo, Si, Nb, Ni, Mn, N 및 C 의 값들은 중량% 이고;
상기 영역은 다음의 좌표에 의해 규정되는, 드릴 구성품.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 영역은 다음의 좌표에 의해 규정되는, 드릴 구성품.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 영역은 다음의 좌표에 의해 규정되는, 드릴 구성품.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 영역은 다음의 좌표에 의해 규정되는, 드릴 구성품.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 드릴 구성품은 드릴 로드인, 드릴 구성품.
드릴 구성품을 제조하는 방법으로서,
a. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 마르텐사이트계 스테인리스 강을 제공하는 단계,
b. 상기 드릴 구성품 또는 예비성형체일 수 있는 대상물을 형성하는 단계,
c. 약 1030 ~ 약 1150℃ 의 온도에서 상기 대상물을 경화시키는 단계,
d. 상기 대상물을 켄칭하는 단계,
e. 약 175 ~ 약 350℃ 의 온도에서 상기 대상물을 템퍼링하는 단계,
f. 상기 대상물로부터 상기 드릴 구성품을 형성하는 단계를 포함하는 드릴 구성품을 제조하는 방법.