KR20210102895A - 높은 수요 적용을 위한 초경합금 - Google Patents
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Abstract
특히 오일 및 가스 유동 적용을 포함하는 높은 수요를 위한 내식성 및 내침식성 초경합금이 제공된다. 텅스텐 초경합금 등급은 하기 성분들 Co, Ni, Cr, Mo 및 잔부 WC 를 포함하는 바인더상 및 경질상에 기초하여 개시된다. 특히, 초경합금 중 바인더상 함량은 5.1 내지 7.5 중량% 이고, 초경합금은 중량% 로 1.7 ~ 3.3 Co; 2.0 ~ 3.7 Ni; 0.5 ~ 1.1 Cr, 0.05 ~ 0.4 Mo 및 잔부로서 포함된 WC 를 포함하고; 중량% 의 Co 는 항상 중량% 의 Ni 미만이다.
Description
본 발명은 내마모성 초경합금 및 높은 수요 적용을 위한 제조 방법에 관한 것이지만, 특히 배타적이지는 않게, 주어진 경도에 대해 비교적 높은 인성을 갖는 내식성 및 내침식성 초경합금에 관한 것이다.
초경합금은 암석의 절단, 기계가공, 드릴링 또는 열화를 위한 공구와 같은 높은 수요 적용에 광범위하게 사용되어 왔다. 이들 높은 내마모성 초경합금은 오일 및 가스 산업 내의 구성요소로서 특정 적용을 발견하였는데, 여기서 이들은 예를 들어 초크 밸브 및 제어 밸브, 케이지, 밸브 시트 및 시일 링을 포함하는 다양한 유체 유동 제어 구성요소에 전형적으로 사용된다. 이들의 적합성은 주로 특히 경도, 인성, 강도 및 내마모성을 포함하는 물리적 및 기계적 특성에 기인한다. 물리적 높은 수요의 오일 및 가스 적용 내에서, 종래의 초경합금 구성요소는 비교적 짧은 수명을 가진다. 추가로, 제한된 접근가능성 (예를 들어, 해저 환경) 및 서비스를 위한 광범위한 생산 다운타임으로 인해 서비스 중 성능 및 책임 (liability) 의 예측이 중요하다.
오일 및 가스 생산 시스템 내의 유동 제어 구성요소는, 전형적으로 유체가 통상적으로 가변 습도, 유량 및 pH 에서 혼합된 모래/오일/가스/물인 높은 유체 속도 유동 (> 200 m/s) 을 받는다. 작동 조건은 또한 특히 관련된 증가된 부식, 공식 (pitting) 및 단계적 균열의 가능성을 가진 H2S 에 대한 노출을 포함하는 '신 (sour)' 조건을 포함할 수 있다.
심층수 환경과 함께 증가하는 도전적인 작동 조건 (특히, 유동 매체의 높은 가변성 및 매우 높은 압력 및 온도를 포함) 은, 종래의 구성요소가 짧은 서비스 수명을 가지며 높은 고장률을 허용한다는 것을 의미한다.
WO 2012/045815 는 서비스 수명을 최대화하기 위해 개선된 물리적 및 기계적 특성을 제공하기 위한 시도로서 Ni, Co, Cr, Mo 및 Nb 를 포함하는 바인더상과 경질상이 조합된 오일 및 가스 적용을 위한 초경합금 재료를 기재하고 있다.
WO 00/000655 는 Co, Ni, Cr, Mo 및 잔부 WC 를 포함하는 재료를 가진 매체 유동을 제어하도록 초크 밸브로서 구현될 때 내식성-내침식성을 위한 텅스텐 초경합금 재료를 기재하고 있다.
EP 1413637 는 Co, Ni, Cr, Mo 및 잔부 WC 에 기초로 하는 오일 및 가스 적용을 위한 텅스텐 초경합금 재료를 기재하고 있다.
그러나, 오일 및 가스 유체 유동 제어 내의 특정 환경 하에서, 기존의 초경합금은 내식성 및 기계적 저항에 최적화되어 있지 않다. 특히, 기존의 초경합금은, 유동 조건이 산성 매체를 포함하고 그리고 각각의 구성요소 부분에서 큰 고형 입자에 의해 중간 충격이 있으면 불만족스러운 고장률을 나타낸다.
본 발명은 높은 수요 적용, 특히 이러한 높은 수요 적용의 구성요소 부분을 위한 구성 또는 일차 재료로서 사용하기에 적합한 초경합금 재료에 관한 것이다. 또한, 도전적인 환경 및 작동 조건에 견디기 위해 원하는 인성, 경도, 강도 및 내마모성을 가진 초경합금을 제공한다. 또한, 금속 성형을 위한 공구 또는 유체 처리 적용시 마모 부분으로서 사용하기에 적합한 초경합금을 제공한다. 또한, 특히 유체 유동 구성요소로서의 용도를 포함하는 오일 및 가스 생산 내에서 구성요소 부분으로서 사용하기에 적합한 초경합금을 제공한다.
이러한 목적은 비교적 높은 경도, 인성 및 횡방향 파열 강도 (TRS) 를 갖는 초경합금 재료에 의해 달성된다. 특히, 본 발명에 따른 초경합금은 1600 내지 2000 HV30 (ISO 3878:1983) 범위의 경도를 포함할 수 있다. 추가로, 본 발명의 초경합금은 9 내지 12 MN/m3/2 (Palmqvist, ISO 28079:2009) 의 인성을 포함할 수 있다. 추가로, 본 발명의 초경합금은 3000 N/㎟ (ISO 3327:2009) 보다 높은 TRS 를 포함할 수 있다.
바인더상 및 WC 를 포함하는 경질상을 포함하는 초경합금이 제공되고, 초경합금 중 바인더상 함량은 5.1 ~ 7.5 중량%이고; 초경합금은 중량%로 1.7 ~ 3.3 Co; 2.0 ~ 3.7 Ni; 0.5 ~ 1.1 Cr; 0.05 ~ 0.4 Mo 및 90.0 ~ 96.0 WC 를 포함하고; 중량% Co 는 항상 중량% Ni 미만인 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 초경합금은 잔부로서 중량% 로 WC 를 포함한다.
특히, 본 발명자들은 경질상 WC 및 바인더상을 포함하는 초경합금의 인용된 원소 조성물이, 유리한 경도, 인성 내마모성 및 내식성 특성을 제공하고, 중량% Co 가 항상 중량% Ni 미만인 것을 확인하였다. 따라서, 높은 내침식성 재료는 높은 수요 오일 및 가스 유체 유동 적용시 구성요소로서 사용하기에 적합하다.
또한, 초경합금의 원소 조성물은 바람직하게는 중량%로 1.7 ~ 3.3 Co; 2.0 ~ 3.7 Ni; 0.5 ~ 1.1 Cr, 0.05 ~ 0.4 Mo 를 포함한다. 특히, 일부 양태에서, Co, Ni, Cr 및 Mo 의 중량% 의 실질적으로 모든, 대부분 또는 우세한 성분이 바인더상 내에 존재한다. 즉, 특정 실시형태에서, Co, Ni, Cr 및/또는 Mo 각각의 총 중량% 양의 소량의 또는 비교적 적은 양 (즉, 10, 5, 2 또는 1 % 미만의 중량%) 이 바인더상의 외부/외에 존재할 수 있다. 이러한 소수의 양은 경질상과 바인더상 사이의 입계들에 또는 경질상 내에 존재할 수 있다.
초경합금은 Cr, Mo 및 W 를 임의의 하나 또는 자유/원소 형태의 조합으로, 또는 초경합금의 임의의 또는 다른 성분들의 조합과 조합된 화합물로서 포함한다.
선택적으로, 바인더상 및 WC 를 포함하는 경질상을 포함하는 초경합금을 제공하고: 초경합금 중 바인더상 함량은 5.1 내지 7.5 중량%이고, 초경합금은 중량% 로 1.7 ~ 3.3 Co; 2.0 ~ 3.7 Ni; 0.5 ~ 1.1 Cr, 0.05 ~ 0.4 Mo 및 90.0 ~ 96.0 WC 를 포함하며; 중량% Co 는 중량% Ni 미만인 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 초경합금 중 경질상은 적어도 87, 89, 90, 92, 93, 94, 95, 96 중량% 이다. 선택적으로, 초경합금 중의 WC 의 양은 적어도 90 중량% 또는 90 내지 96 또는 91 내지 95 중량% 의 범위이다.
선택적으로, 초경합금에는 질화물 및/또는 탄질화물이 없다. 선택적으로, 초경합금은 불순물 수준으로 존재하는 질화물 및/또는 탄질화물을 포함할 수 있다. 선택적으로, 이러한 질화물 및/또는 탄질화물의 불순물 수준은 0.05, 0.01 또는 0.001 중량% 미만이다. 선택적으로, 초경합금에는 Ti 및 Ti 의 탄화물, 질화물 및/또는 탄질화물이 없다. 바람직하게는, 초경합금은 Ti 가 조성적으로 없도록 0 중량% Ti 를 포함한다.
선택적으로, 소결된 초경합금 내의 탄소 함량은 높은 내식성, 내마모성 및 인성에 추가로 기여하기 위해 미리 정해진 범위 내에서 유지된다. 선택적으로, 소결된 재료의 탄소 함량은 미세조직 내의 자유 탄소 (상한) 내지 에타-상 개시 지점 (하한) 사이의 범위 내에 유지될 수 있다. 이러한 한계는 당업자에 의해 이해될 것이다.
선택적으로, 소결된 탄화물의 자성 바인더상의 자성 포화 (magnetic saturation) 는 탄화물 내에 함유된 '순수 (pure)' 코발트 함량의 최대 '예상' 자성 포화의 백분율로서 표현될 수 있다. 본 발명의 양태에 따르면, 소결된 탄화물은 화학적으로 결정된 함량의 50 내지 100 % 의 자성 포화를 포함할 수 있다.
선택적으로, 초경합금 내의 중량% Co/Ni 지수는 0.50 내지 0.95 이다. Co:Ni 의 상대적인 양은 일차 가스 추출 적용시에 향상된 내식성 및 특히 건식 내침식성을 제공한다. 바람직하게는, Co/Ni 의 중량% 지수는 0.50 내지 0.90; 0.55 내지 0.85; 0.55 내지 0.80; 0.55 내지 0.75; 0.60 내지 0.75 또는 0.60 내지 0.70 일 수 있다. 특히, 상대적으로 높은 Ni 의 중량% 는 특히 산성 조건 (pH < 7) 에서 내식성을 향상시키는 것으로 밝혀졌다.
선택적으로, 초경합금 내의 중량% Cr/(Co+Ni+Cr+Mo) 지수는 0.08 내지 0.14 범위이다. 이 범위는 오일 및 가스와 같은 높은 수요 적용에 요구되는 경도 및 인성을 포함하는 원하는 기계적 특성을 유지하면서 내식성을 향상시킨다.
선택적으로, 초경합금 내의 중량% Mo/(Co+Ni+Cr+Mo) 지수는 0.01 내지 0.06 범위이다. 이 범위는 오일 및 가스와 같은 높은 수요 적용에 요구되는 경도 및 인성을 포함하는 원하는 기계적 특성을 유지하면서 내식성을 향상시킨다.
선택적으로, 초경합금 중 바인더상은 적어도 4 중량% 또는 4 내지 8 또는 4 내지 7 범위이다. WC 경질상에 대한 바인더상의 양 (중량%) 은 높은 수요 적용에 대해 적절한 수준으로 경도를 유지하면서 인성을 향상시키는 것으로 밝혀졌다. 상대적인 바인더 함량은 또한 향상된 내식성 (특히 건식 내침식성) 에 기여한다.
선택적으로, 초경합금 중 Co + Ni 함량은 적어도 4 중량% 또는 4 내지 8 또는 4 내지 7 또는 5 내지 6.5 범위이다. 이러한 구성은 본 재료의 증가된 인성에 기여한다.
선택적으로, WC 의 입자 크기는 선형 절편 (linear intercept) 에 의해 결정된 소결 재료의 0.2 내지 2 ㎛, 0.2 내지 1 ㎛ 또는 0.4 내지 0.8 ㎛ 의 범위일 수 있다. 선택적으로, 출발 WC 재료의 FSSS 입자 크기는 0.4 내지 2 ㎛ 의 범위일 수 있다. 이러한 입자 크기는 경도를 유지하면서 향상된 인성을 제공한다. 바람직하게는, 선형 절편에 의해 측정되는 소결 재료 내의 WC 의 입자 크기는 0.3 내지 0.9 ㎛ 의 범위이다.
선택적으로, Co 는 중량% 1.7 내지 3.3, 2.0 내지 2.6, 2.1 내지 2.5 또는 2.2 내지 2.4 의 범위에 포함된다. 선택적으로, 초경합금은 중량% 3.3 내지 3.7 또는 3.4 내지 3.6 범위의 Ni 를 포함한다. 선택적으로, 초경합금은 중량% 0.7 내지 1.0, 0.75 내지 0.95 또는 0.8 내지 0.9 범위의 Cr 를 포함한다. 선택적으로, 초경합금은 중량% 0.1 내지 0.4 범위의 Mo 를 포함한다.
선택적으로, 바인더상 및 WC 를 포함하는 경질상을 포함하는 초경합금이 제공되고: 초경합금의 바인더상 함량은 5.1 내지 7.5 중량%이고, 초경합금은 중량% 로 1.7 ~ 3.3 Co; 2.0 ~ 3.7 Ni; 0.5 ~ 1.1 Cr, 0.05 ~ 0.4 Mo 및 잔부로 포함되는 WC 를 포함하며, 중량% Co 는 중량% Ni 미만인 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 청구된 초경합금을 포함하는 오일 및 가스 적용을 위한 구성요소가 또한 제공된다. 선택적으로, 구성요소는 초크 밸브, 제어 밸브, 밸브 시트, 플러그 시트, 프랙 시트, 케이지, 케이지 조립체, 시일 링, 유체 및/또는 슬러리의 관통 유동을 허용하는 밸브의 구성요소 부분 중 임의의 하나를 포함할 수 있다.
또한, 금속 성형을 위한 공구로서의 또는 유체 유동 적용에 의한 마모 부분으로서의 사용과 같은 높은 마모 적용을 요구하기에 적합한 조성물이 제공된다. 일 양태에 따르면, 본 발명의 초경합금은 금속 성형을 위한 공구로서 사용될 수 있고, 특히 다이, 아이러닝 다이, 와이어 인발용 다이 또는 금속 성형 내의 다른 구성요소로서 사용된다. 일 양태에 따르면, 본 발명의 초경합금은 유체 유동 제어 구성요소로서 사용될 수 있다.
또한, 바인더상 및 WC 를 포함하는 경질상을 포함하는 초경합금을 제조하는 방법이 제공되고, 상기 방법은, 중량% 로 1.7 ~ 3.3 Co; 2.0 ~ 3.7 Ni; 0.5 ~ 1.1 Cr, 0.05 ~ 0.4 Mo 및 잔부로서 포함되는 WC 의 원료를 포함하는 분말 배치 (powdered batch) 를 준비하는 단계로서, 중량% Co 는 항상 중량% Ni 미만인, 상기 분말 배치를 준비하는 단계; 상기 분말 배치를 가압하여 예비-성형체를 형성하는 단계; 및 상기 예비-성형체를 소결하여 물품을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 초경합금 중 바인더상 함량은 5.1 내지 7.5 중량% 인 것을 특징으로 한다.
바인더상 및 WC 를 포함하는 경질상을 포함하는 초경합금을 제조하는 방법이 제공되고, 상기 방법은, 중량% 로 1.7 ~ 3.3 Co; 2.0 ~ 3.7 Ni; 0.5 ~ 1.1 Cr, 0.05 ~ 0.4 Mo 및 90.0 ~ 96.0 중량% WC 의 원료를 포함하는 분말 배치를 준비하는 단계로서, 중량% Co 는 중량% Ni 미만인, 상기 분말 배치를 준비하는 단계; 상기 분말 배치를 가압하여 예비-성형체를 형성하는 단계; 및 상기 예비-성형체를 소결하여 물품을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 초경합금 중 바인더상 함량은 5.1 내지 7.5 중량% 인 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 상기 예비-성형체를 소결하여 물품을 형성하는 단계는 진공 또는 HIP 처리를 포함한다. 선택적으로, 소결 처리는 온도 1360 ~ 1500 ℃ 및 압력 0 ~ 20 MPa 에서의 처리를 포함한다.
본 명세서에 기재된 방법에 의해 제조된 높은 수요 적용을 위한 물품이 또한 제공된다.
본 명세서에 기재된 방법에 의해 얻을 수 있는 초경합금 물품이 또한 제공된다.
선택적으로, Cr 은 Cr3C2 형태로 분말 배치의 일부에 첨가될 수 있다.
선택적으로, 상기 방법은 원소 Cr 을 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 구현예에 따르면, 상기 방법은, 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 미세조직 내의 자유 탄소 (상한) 와 에타-상 개시 (하한) 사이의 범위에서 소결된 초경합금 내에서 원하는 중량% 탄소를 달성하기 위해 추가의 탄소를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 선택적으로, 분말 배치 내의 FSSS WC 입자 크기는 0.4 내지 2 ㎛ 의 범위일 수 있다.
선택적으로, 본 발명의 초경합금은 텅스텐 초경합금이다.
본 발명의 초경합금은 텅스텐, 티타늄, 크롬, 바나듐, 탄탈륨, 네오디뮴 및 몰리브덴의 그룹으로부터 선택된 탄화물, 질화물 및/또는 탄질화물을 더 포함할 수 있다. 이러한 성분들은 재료의 다른 성분들에 비해 대부분 또는 우세한 중량% 성분으로서 초경합금 내에 포함되는 것이 바람직한 WC 에 비해 소수의 중량% 첨가제로서 분말 배치에 첨가될 수 있다.
선택적으로, 초경합금에는 질소 또는 질소 화합물이 없다. 그러나, 초경합금은 0.1 중량%, 0.05 중량% 또는 0.01 중량% 미만과 같은 불순물 수준의 질화물 등의 질소 또는 질소 화합물을 포함할 수 있다.
선택적으로, 바인더상 및 WC 를 포함하는 경질상을 포함하는 초경합금이 제공되고: 초경합금 중 바인더상 함량은 5.1 내지 7.5 중량%이고, 초경합금은 중량% 로 1.7 ~ 3.3 Co; 2.0 ~ 3.7 Ni; 0.5 ~ 1.1 Cr, 0.05 ~ 0.4 Mo 및 90.0 ~ 96.0 중량% WC, 선택적으로 불순물 수준으로 Fe, Co, Ti, Nb, Ta, V, Re, Ru, Zr, Al 및/또는 Y 중 임의의 하나 또는 조합을 포함하고, 중량% Co 는 중량% Ni 미만인 것을 특징으로 한다.
선택적으로, 본 발명의 초경합금은 불순물 수준에서 Fe, Ti, Nb, Ta, V, Re, Ru, Zr, Al 및/또는 Y 중 임의의 것을 더 포함할 수 있다. 이들 원소는 원소, 탄화물, 질화물 또는 탄질화물 형태로 존재할 수 있다. 불순물 수준은 초경합금 내에 존재하는 불순물의 총량에 대하여 0.1 중량% 미만 또는 0.5 중량% 미만일 수 있다.
바람직하게는, 초경합금은 탄화물만을 포함한다. 바람직하게는, 초경합금은 우세한 중량% 탄화물 성분으로서 WC 를 포함한다. 선택적으로, 초경합금은 Mo 및 Cr 중 임의의 하나 또는 이들의 조합의 소수의 중량% 탄화물을 포함할 수 있다.
초경합금은 전형적으로 철, 니켈, 코발트, 몰리브덴 또는 이들의 조합을 포함하는 금속상 성분을 더 포함한다. 이러한 성분은 바인더상 내에 존재할 수 있다.
본 발명의 특정 구현예는 지금부터 첨부된 도면을 참조하여 그리고 단지 예로써 설명될 것이다.
도 1 은 비교예들에 추가하여 본 발명의 양태에 따른 상이한 실시예 재료에 대한 정규화된 질량 손실 및 인성의 그래프이다.
내마모성 초경합금 등급은 비교적 높은 인성을 구비하며, 향상된 내식성 및 내침식성을 나타낸다. 본 발명자들은, 이러한 물리적 및 기계적 특성이 5.1 내지 7.5 중량% 범위의 WC 경질상에 대한 바인더상 함량을 통해 달성될 수 있고, 초경합금은 중량% 조성 1.7 ~ 3.3 Co; 2.0 ~ 3.7 Ni; 0.5 ~ 1.1 Cr, 0.05 ~ 0.4 Mo 및 90.0 ~ 96.0 WC 를 가지는 것을 확인하였다. 원하는 물리적 및 기계적 특성에 대한 기여는 또한 Ni 에 대한 Co 의 양을 제어함으로써, 특히 중량% Co 가 중량% Ni 미만으로 유지함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 초경합금은 부식 및 기계적 침식에 민감한 성분들을 갖는 오일 및 가스 생산시 성분으로서 사용을 포함하는 잠재적인 높은 마모 및 높은 수요 적용에 특히 적합하다. 추가로, 본 발명의 탄화물은 금속 성형을 위한 공구로서 사용하기에 적합하다.
실시예들
밀링, 가압, 형상화 및 소결 히핑 (sinter hipping) 을 포함하는 종래의 분말 야금 방법들이 본 발명에 따른 초경합금을 제조하는데 사용되었다. 비교 시험 쿠폰에 추가하여 본 발명에 따른 초경합금 재료를 제조하였다.
등급 A 내지 I 의 샘플 혼합물 각각은 경질 성분을 형성하는 분말 및 바인더를 형성하는 분말로 제조되었다. 하기 제조 방법은 출발 분말 재료: WC 95.24 g, Cr3C2 0.82 g, Co 2.05 g, Ni 3.58 g, C 0.05 g, Mo 0.31 g, PEG 2 g, 에탄올 50 ㎖ 를 가진 이하 표 1 의 등급 B 에 상응한다. 분말 배치를 제조하고 그리고 표 1 의 초경합금의 최종 완전 소결 조성물을 달성하기 위해 적절한 조절이 필요하고 당업자에게 허용하는 분말 재료의 상대량임을 당업자라면 이해할 것이다.
균질한 혼합물이 수득되고 그리고 건조 및 시빙에 의해 과립화될 때까지, 분말은 윤활제 및 응집방지제와 함께 습식 밀링되었다. 건조된 분말은 상기 표준 형상에 따라 미가공 부분 (green part) 을 형성하도록 가압되었고 1350 ~ 1500 ℃ 및 5 MPa 에서 SinterHIP 를 사용하여 소결되었다.
표 1 은 본 발명에 따른 등급 A 내지 I 의 추가적인 특징과 함께 조성 (중량%) 을 상술한다.
경도 시험은 ISO 3878 에 따라 등급 A 내지 I 에 대해 수행되었고, 인성 시험은 Palmqvist, ISO 28079 에 따라 수행되었다. 경도를 평가하기 위해 30 kgf (HV30) 를 사용하여 비커스 압입 시험을 수행하였다. Palmqvist 파괴 인성은 다음과 같이 계산되었다:
여기서, A 는 0.0028 의 상수이고, HV 는 N/㎟ 의 비커스 경도이며, P 는 인가된 부하 (N) 이고, ∑L 는 임프린트의 균열 길이 (mm) 의 합이다. 결과들은 표 2 에 도시된다.
표 3 은 다양한 상이한 조성 및 WC 출발 재료 입자 크기에 따라 비교예 1 내지 4 과 함께 실시예 등급 B 및 G 를 상세히 설명한다. 최종 완전 소결된 재료의 입자 크기 (선형 절편에 의해 결정됨) 가 Fisher Model 95 Sub-Sieve Sizer™ (FSSS) 에 의해 결정되는 출발 재료의 입자 크기 미만 (이하 또는 대략 절반) 일 수 있도록, 출발 재료의 입자 크기가 표준 밀링 및 소결 과정에 따라 감소된다는 것이 이해될 것이다.
선형 절편 방법 (ISO 4499-2:2008) 은 WC 입자 크기의 측정 방법이다. 입자 크기 측정은 미세조직의 SEM 이미지로부터 얻어진다. 초경합금과 같은 공칭 2 상 재료 (경질상 및 바인더상) 에 대해, 선형 절편 기술은 입자-크기 분포의 정보를 제공한다. 초경합금의 미세조직의 교정 이미지를 가로질러 라인이 그려진다. 이 라인이 WC 의 입자를 인터셉트하는 경우, 라인 (li) 의 길이는 교정 규칙 (여기서, 제 1, 제 2, 제 3, ... 제 n 의 입자에 대해 i = 1,2,3,...n) 을 사용하여 측정된다. 적어도 100 개의 입자들이 측정을 위해 계산된다. 평균 WC 입자 크기는 다음과 같이 규정될 것이다:
경도 (ISO 3878), 인성 (Palmqvist, ISO 28079) 및 TRS (ISO 3327:2009) 시험을 등급 B 및 G (부분적으로) 뿐만 아니라 비교예들 1 내지 4 에 대해 수행하였다. 횡방향 파열 강도의 결정을 위한 시험편들은 유형 C 의 실린더 (40x3 ㎟ 치수를 갖는 원통형 단면) 였다. 샘플들은 2 개의 지지체들 사이에 배치되었고 파괴가 발생할 때까지 (3 지점 굽힘) 중앙에 탑재되었다. 시험당 최소 5 개의 샘플들에 걸쳐 최대 부하를 기록하고 평균을 구했다. 그 결과를 각각의 자성 코발트 함량과 함께 표 4 에 나타내었다.
등급 B 및 G, 비교예들 1 내지 4 의 부식 속도를 평가하여 그 결과를 표 5 에 나타내었다. 샘플들의 표면 거칠기 (Ra) 는 0.036 ㎛ 이었다. 부식 속도 (mm/연) 는 다음의 시뮬레이션된 시험 조건 하에서 침지 시간에 대한 질량 손실에 의해 추정되었다:
1) 폭기 조건 (aerated condition) 에서, 25 ℃ 에서 pH 6 의 합성 해수 (3.56 중량% NaCl) 에 212 h 동안 침지한다.
2) 폭기 조건에서, 60 ℃ 에서 pH 1 의 합성 해수 (3.56 중량% NaCl + 0.1M H2SO4) 에 212 h 동안 침지한다.
질량 손실 부식 속도 (mm/연) 는 식 (ASTM G31-72 'Standard Practice for Laboratory Immersion Corrosion Testing of Metals') 을 사용하여 상기 시뮬레이션된 조건에 따라 추정되었다:
부식 속도 = 8.76 104 x ((중량 손실 (g) / (노출된 표면적 (㎠) x 밀도 (g/㎤) x 침지 시간 (h))
표 5 의 등급의 건식 내침식성은 가이드로서 ASTM G76-07 ('Standard Test Method for Conducting Erosion Tests by Solid Particle Impingement Using Gas Jets' - 제트 노즐 유형 침식 설비에 의한 가스-혼입된 고형 입자 충돌 침식에 의한 재료 손실의 결정) 에 따라 공기-모래 침식 리그 (rig) 를 사용하여 시험하였다. 입자 크기 범위는 181 ㎛ ~ 251 ㎛, 충격각 90°, 침식 공급 속도 ~ 10 g/min, 유속 200 ± 20 m/s 및 샘플과 노즐 사이의 스탠드-오프 (stand-off) 거리 30 mm 였다. 결과들은 표 6 에 도시된다.
등급 G 에 따른 본 발명의 초경합금 재료는 향상된 인성 및 내식성과 조합하여 높은 마모 (내침식성) 를 나타내었다. 특히, 도 1 은 본 발명의 등급 B 및 G 및 비교예들 1 내지 4 에 대한 정규화된 질량 손실 및 인성의 그래프이다. 라인 10 은 최소 인성 허용 한계이고, 라인 11 은 높은 수요 오일 및 가스 탐사 조건에 대한 최소 건식 내침식성 허용 한계이다. 주목되는 바와 같이, 샘플 G 는 본 명세서에 기재된 시험 방법에 따른 인성 및 건식 침식성 요건 모두를 만족시킨다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 현재 개시된 과제가 속하는 기술분야에서 당업자에 의해 공통적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
달리 지시되지 않는 한, "중량%" 에 대한 임의의 언급은 초경합금의 총 질량에 대한 성분의 질량 분율을 지칭한다.
값의 범위가 제공되는 경우, 예를 들어 농도 범위, 백분율 범위 또는 비 범위가 제공되는 경우, 문맥이 달리 명확하게 나타내지 않는 한, 이 범위의 상한과 하한 사이의, 하한의 단위의 1/10 까지의 각각의 중간 값, 및 언급된 범위에서의 임의의 다른 언급된 또는 중간 값은 개시된 과제에 포함되는 것으로 이해해야 한다. 이러한 더 작은 범위의 상한 및 하한은 독립적으로 더 작은 범위에 포함될 수 있고, 또한 이러한 실시형태들은 또한 언급된 범위 내에서 임의의 구체적으로 배제된 한계에 따라 개시 과제에 포함된다. 언급된 범위가 하나 또는 둘 모두의 한계를 포함하는 경우, 이들 포함된 한계 중 하나 또는 둘 모두를 제외한 범위는 또한 개시된 과제에 포함된다.
상기 및 본원의 다른 곳에서 사용되는 용어 "한 (a)" 및 "하나 (an)" 는 열거된 구성요소들 중 "하나 이상" 을 지칭하는 것으로 이해되어야 한다. 단수의 사용은 특별히 달리 언급되지 않는 한 복수개를 포함하는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 용어 "한 (a)", "하나 (an)" 및 "적어도 하나" 는 본 명세서에서 상호교환적으로 사용된다.
다르게 나타내지 않는 한, 명세서 및 청구항들에 사용된 성분들의 양, 크기, 중량 반응 조건과 같은 특성 등을 나타내는 모든 수치는 용어 "약" 에 의해 모든 경우에 변경되는 바와 같이 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 나타내지 않는 한, 명세서 및 첨부된 청구항들에 개시된 수치적 파라미터들은 본원의 과제에 의해 얻고자 추구하는 원하는 특성들에 따라 변할 수 있는 근사치들이다. 매우 적어도, 그리고 청구항에 대한 균등론의 적용을 제한하는 시도로서가 아니라, 각각의 수치 파라미터는 적어도 일반적인 반올림 기술들을 적용함으로써 그리고 보고된 유효 자리수들의 수의 관점에서 구성되어야 한다.
본 출원 전반에 걸쳐, 다양한 실시형태들의 설명들은 "포함하는" 언어를 사용하지만, 일부 경우들에서, 실시형태는 대안적으로 "본질적으로 구성되는" 또는 "구성되는" 언어를 사용하여 설명될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
따라서, 본원의 과제는 설명되고, 동일한 과제가 많은 방식으로 변경되거나 또는 변형될 수 있음이 명백하다. 그러한 변경들 및 변형들은 본원의 과제의 범위 및 사상으로부터 벗어나는 것으로 간주되지 않고, 모든 그러한 변경들 및 변형들은 다음의 청구항들의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
Claims (21)
- 바인더상 및 WC 를 포함하는 경질상을 포함하는 초경합금으로서,
상기 초경합금 중 바인더상 함량은 5.1 내지 7.5 중량% 이고,
상기 초경합금은 중량% 로 1.7 ~ 3.3 Co; 2.0 ~ 3.7 Ni; 0.5 ~ 1.1 Cr, 0.05 ~ 0.4 Mo 및 90.0 ~ 96.0 wt% WC 를 포함하며,
중량% Co 는 중량% Ni 미만인 것을 특징으로 하는, 초경합금. - 제 1 항에 있어서,
상기 초경합금 내의 중량% Co/Ni 지수가 0.5 내지 0.95 인, 초경합금. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 초경합금 내의 중량% Cr/(Co+Ni+Cr+Mo) 지수가 0.08 내지 0.14 인, 초경합금. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 초경합금 내의 중량% Mo/(Co+Ni+Cr+Mo) 지수가 0.01 내지 0.06 인, 초경합금. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
중량% 로 6.2 내지 7.2 의 상기 바인더상을 포함하는, 초경합금. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초경합금의 Co + Ni 함량은 적어도 중량% 로 4 인, 초경합금. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 WC 의 입자 크기는 선형 절편 (linear intercept) 에 의해 결정되는 0.2 내지 2 ㎛ 인, 초경합금. - 제 7 항에 있어서,
WC 의 입자 크기는 선형 절편에 의해 결정되는 0.3 내지 0.9 ㎛ 인, 초경합금. - 제 1 항에 있어서,
중량% 로 1.7 내지 2.6 의 상기 Co 를 포함하는, 초경합금. - 제 1 항에 있어서,
중량% 로 3.3 내지 3.7 의 상기 Ni 을 포함하는, 초경합금. - 제 1 항에 있어서,
중량% 로 0.7 내지 1.0 의 상기 Cr 을 포함하는, 초경합금. - 제 1 항에 있어서,
중량% 로 0.1 내지 0.3 의 상기 Mo 를 포함하는, 초경합금. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 초경합금을 포함하는 오일 및 가스 적용을 위한 구성요소.
- 제 13 항에 있어서,
초크 밸브, 제어 밸브, 밸브 시트, 플러그 시트, 프랙 시트, 케이지, 케이지 조립체, 시일 링, 유체 및/또는 슬러리의 관통 유동을 허용하는 밸브의 구성요소 부분 중 임의의 하나를 포함하는, 구성요소. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 초경합금을 포함하는 금속 성형용 공구.
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 초경합금을 포함하는 유체 처리용 구성요소.
- 바인더상 및 WC 를 포함하는 경질상을 포함하는 초경합금을 제조하는 방법으로서,
중량% 로 1.7 ~ 3.3 Co; 2.0 ~ 3.7 Ni; 0.5 ~ 1.1 Cr, 0.05 ~ 0.4 Mo 및 90.0 ~ 96.0 중량% WC 의 원료를 포함하는 분말 배치를 준비하는 단계로서, 중량% Co 는 중량% Ni 미만인, 상기 준비하는 단계,
상기 분말 배치를 가압하여 예비-성형체를 형성하는 단계, 및
상기 예비-성형체를 소결하여 물품을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 초경합금 중 바인더상 함량은 5.1 내지 7.5 중량% 인 것을 특징으로 하는, 초경합금을 제조하는 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 예비-성형체를 소결하여 물품을 형성하는 단계는 진공 또는 HIP 처리를 포함하는, 초경합금을 제조하는 방법. - 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
소결 처리는 온도 1360 ~ 1500 ℃ 및 압력 0 ~ 20 MPa 에서의 처리를 포함하는, 초경합금을 제조하는 방법. - 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 초경합금을 제조하는 방법에 의해 제조된 오일 및 가스 적용을 위한 물품.
- 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 초경합금을 제조하는 방법에 의해 수득가능한 초경합금 물품.
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