SE507439C2 - Friktionssvetsad borrstång samt förfarande för tillverkning av borrstången - Google Patents

Description

507 439 2 allt maskineri uppbäres pà borriggar och ofta körs tvâ maskiner i samma rigg. Med den mekaniserade metoden har det blivit möjligt att öka maskineffekterna. Därför utsätts stängerna för större krafter bàde vid schaktöppning och borrning. I verktyg för mekaniserad borrning är stängerna gängade och en separat krona monteras pà stången. Detta innebär att en stäng kan användas mycket längre än en helstàngsborr eftersom stången kan borras ytterligare med en ny krona monterad därvid istället för att kastas. Vattenspolning innebär en risk för korrosionsutmattning, speciellt eftersom vattnet i t ex gruvor ofta är surt och därför extra korrosivt.

Den mest utsatta delen vid denna typ av stänger är den gängade änden och speciellt släppningsdelen mellan stàngens fulla tvärsnitt och gängan. i E l f. .

Ett syfte med föreliggande uppfinning är att anvisa en friktionssvetsad borrstàng varvid änddelen/arna har ett unikt motstånd mot korrosionsutmattning i kombination med att den värmepàverkade zonen hos svetsen är lika hàllfast som själva stången.

Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att anordna en friktionssvetsad borrstàng som har en höghàllfast svets.

Ytterligare ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att anvisa en värmebehandlingsmetod vid làg temperatur för att framställa en borrstàng motstàndskraftig mot utmattningskorrosion utan att avhärda de mest lastpákända delarna hos stången, d v s vid gängan, änddelens/arnas spolhál och vid släppningen mellan gängan och stàngkroppen.

Ytterligare ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att anvisa en effektiv metod för att tillverka borrstänger, sammansatta av tvà eller flera stycken, vilka friktionssvetsats samman utan efterföljande uppkolning eller annan högtemperaturbehandling. 507 439 E I . . E.

Fig. 1 visar en ände hos en gängad borrstàng enligt föreliggande uppfinning i ett längssnitt. Fig. 2 visar ett schematiskt Fe-C fasdiagram för ett material som används i borrstången enligt föreliggande uppfinning. Fig. 3 visar hårdhetsfördelningen, med en prickad kurva, fràn ytan in till kärnan efter nitrokarburering av ett konventionellt bergborrstàl (såsom 552534) medan den heldragna linjen i samma diagram visar en hárdhetsfördelning i längsled för den nitrokarburerade, gängade änddelen (till höger) och genom friktionssvetsen in i stången (till vänster), den senare är vanligen ej värmebehandlad efter varmvalsning. Fig. 4B visar en stàlsvets enligt föreliggande uppfinning i längssnitt. Fig. 5 visar en kontinuerlig anlöpningskurva för ett stål lämpat för föreliggande uppfinning, medan den prickade linjen beskriver ett exempel på anlöpningskurva för ett konventionellt borrstål.

E I. I' I.. FI. I E..

Borrstàngen 10 för slående borrning innefattar en första komponent 25, innefattande en gängad del 11 ansluten till en släppningsdel 12, vilken ansluter till en kort stångdel 16. Den gängade delen 11 ansluter framåt till en slagyta 17. Den första komponenten 25 är ansluten till en andra komponent 22, vilken företrädesvis är en lång stångdel 13. En spolkanal 26 är anordnad centralt i borrstàngen 10. Den korta stångdelen 16 har ungefär samma diameter som stångdelen 13.

Borrstángen, som skall tillverkas, innefattar vanligen den stationära eller icke roterbara komponenten 25 och den roterbara komponenten 22. Komponenterna 22, görs av stål och innan friktionssvetsningen startar är materialet vid varje ände, som skall svetsas, homogent i kärnan och kallas som sådant utgàngsmaterial.

Före friktionssvetsning, nitrokarburiseras änden på komponenten 25 för att öka korrosionsmotståndet jämfört med uppkolad eller normaliserad yta. Ett nitrokarburiserat skikt betecknas 14 i Fig. 4B och dess djup är cirka 0,3 mm.

Alternativt kan andra typer av värmebehandlingar vid låg temperatur användas, 507 439 4 såsom Blackniteæ, Colournitel), Teniferl), etc. Värmebehandling vid låg temperatur innebär här att stålet har värmts till under A1 temperatur, se x i Fig. 2, d v s det är ej möjligt med fasomvandling till austenit (gamma-fas).

Med konventionella bergborrstål av typen 552534 för drifterstänger ger Blacknitel), etc., alltför låg hårdhet beroende pà en anlöpningseffekt under värmebehandlingen, se den prickade kurvan i Fig. 3. Stálet som skall värmebehandlas genom nitrokarburisering (eller Blacknitell, Colournitell, etc.) skall ha högt anlöpningsmotstånd (varmhårdhet) och ett sekundärt varmhårdnande kring temperaturen (550-610 °C, vanligen kring 580 °C) för nitrokarburisering, så att kärnhårdheten ej faller under 440 HV1 (kg Vickers hårdhet) och företrädesvis ej under 450 HV och kommer därmed att ge det nitrokarburiserade skiktet 14 ett gott stöd för att motstå slagenergin från chockvågorna under slående borrning, se den kontinuerliga kurvan i Fig. 3 och den kontinuerliga anlöpningskurvan i Fig. 4.

Funktionen hos utrustningen för friktionssvetsning, ej visad, förklaras härefter. Ett chuckorgan öppnas och den gängade delen 25 insättes däri. Chuckorganet stängs för att gripa skaftet i ett linjerat läge. Sedan öppnas spännorgan och borrstångens 25 ände införs däri. Spännorganet stängs för att gripa stången i ett linjerat läge. Sedan börjar borrkronan att rotera och spännorganet för stàngens fria ände mot och i kontakt med kronans fria ände. Värmen som uppstår under friktionssvetsning gör anslående ändar smidbara. Komponenternas relativa rotation stoppas och komponenterna trycks samman ytterligare samt kyls, som i Fig. 4B. Metoden för friktionssvetsning är mer detaljerat beskriven i SE-A-9502l 53-1 och inkorporeras härmed i föreliggande beskrivning.

Normalt erhåller borrstål alltför mjuk kärnhårdhet efter nitrokarburisering, kring 300 HV1, och är ej lämpliga för slående borrning, se den prickade linjen i Fig. 3. Vid slående borrning blir såväl stångytan som stångens kärna utsatta för stora utmattningsspänningar från chockvàgor och fràn vridmoment och böjkrafter. Detta innebär att det är viktigt att ytan och kärnan har en hållfasthet tillräcklig för att 507 439 motstå dessa utmattningsspänningar. Dessutom kräver det stora trycket på gängorna under slående borrning tillräcklig kärnhårdhet för att stödja det nitrokarburiserade skiktet. Vi har funnit det möjligt att erhålla tillräcklig hårdhet och utmattningshållfasthet i kärnan genom att använda ett stål som har en kemisk sammansättning så att stålet efter varmvalsning och kylning till en normal hårdhet kring 400 HV1, kan nitrokarburiseras vid cirka 580°C och samtidigt öka hàrdheten genom sekundär härdning till åtminstone 440 HV1, såsom visas med den kontinuerliga linjen i Fig. 3. Ståltypen ger också en hårdhet i de mjuka zonerna kring smältlinjen som är åtminstone 390 HV1, d v s ungefär samma som i konventionella stångstàl. Kärnhårdhetsprofiler visas i Fig. 4A. Det är också möjligt att nitrokarburisera full stånglängd för att erhålla åtminstone 440 HV1 i kärnhårdhet.

I jämförelse med ett konventionellt borrstàl skall ett lämpligt stål ha högre varmhållfasthet och ett sekundärt varmhårdnande mellan 550-610 °C. Med ”högre varmhållfasthet” menas här att stålet som används i samband med föreliggande uppfinning har en varmhållfasthet kring 200 HV1 vid 600°C, att jämföras med ett konventionellt stål varvid varmhållfastheten är kring 100 HV1 vid 600 °C.

Den kontinuerliga anlöpningskurvan i Fig. 5 beskriver ett exempel på ett intervall S för sekundärt hårdnande för ett stål lämpat för föreliggande uppfinning, medan den prickade linjen beskriver ett exempel på en anlöpningskurva för ett konventionellt stål för borrstänger vars anlöpningstid är cirka 1 timme.

Kärnhårdheten hos den mjukaste delen av HAZ i borrstången enligt föreliggande uppfinning är ungefär (d v s i 5%) lika som utgångsmaterialets hårdhet.

Komponenterna 22, 25 skall ha en hårdhet i den värmepåverkade zonen (HAZ) vilken är jämförbar med kärnhårdheten i stången och vanligen högre än 400.

Följande gäller för åtminstone den komponent som har det svagaste tvärsnittet.

Hållfastheten i den värmepåverkade zonen är jämförbar med den i det ej värmepåverkade utgångsmaterialet. Hàrdheten, visad med en linje l i Fig. 4A, i den 507 459 6 konventionellt mjuka zonen är åtminstone pá samma nivå som den normala kärnhårdheten, i en konventionell, normaliserad borrstång, d v s högre än 390 HV1.

Huvudbeståndsdelarna, vanligen Cr, Mo och V, hålls på en nivå som ger en kärnhårdhet efter nitrokarburisering om åtminstone 440 HV1 och en HAZ hårdhet om minst 390 HV1.

Området för den kemiska sammansättningen hos en ståltyp i den gängade komponenten 25 eller i båda komponenterna 22, 25 är, i vikt-°/°: 0.15-0.50 C; max 0.15 Si; min 0.2 Mn; 0.5-1.5 Cr; 0.5-4 Ni; 0.5-2 Mo; max 0.5 V; max 0.5 W; max 0.5 Ti; max 0.1 Nb och 0.05 Al, varvid balansen utgörs av Fe. Ett exempel på ett sådant stål är 0.32 C; 0.9 Si; 1,0 Cr; 0.5 Ni; 1.0 Mo och 0.1 V, varvid balansen utgörs av Fe. Även små halter av andra ämnen som bildar karbider, nitrider eller nitreringskarbider, såsom Ta och Zr är möjliga att använda i stålet eftersom dessa ämnen såväl ger en sekundärhårdnande effekt som saktar ned korntillväxten. Al och B är ett annat ämne som kan användas som kornförfinande tillsats tillsammans med kväve.

Mer specifikt består metoden att tillverka en friktionssvetsad produkt för bergborrning av stegen: anordna ett utgångsmaterial, vilket har hög varmhållfasthet, värmebehandla den gängade delen 11, den inre kanalen 26 och släppningsdelen 12 hos den första komponenten 25 mot utmattningskorrosion företrädesvis genom att nitrokarburisera den första komponenten 25, anordna spännorgan för att hålla den första komponenten 25, anordna rotationsorgan för att rotera den andra komponenten 22, sätt samman den första och den andra komponentens fria ändar och rotera den första och den andra komponenten relativt varandra för att bilda en svets 27 och kyl svetsen till rumstemperatur och håll den lägsta kärnhårdheten i den värmepåverkade zonen över 390 HV1. Det är emellertid underförstått att vilken som helst av de två komponenterna 22 eller 25 kan vara stationär medan den 507 439 7 intilliggande komponenten 25 eller 22 är roterbar under friktionssvetsning. De fria ändarna hos den roterbara 22 och den icke roterbara 25 komponenten är företrädesvis fria frán fogberedning och har ändytor vilka är i huvudsak vinkelräta mot en komponenternas rotationsaxel.

Således är de huvudsakliga särdragen hos föreliggande uppfinning att anvisa en borrstàng varvid risken för utmattningskorrosion minskas i den gängade delen 1 1 och i släppningsdelen 12 genom värmebehandling, företrädesvis genom att först separat nitrokarburisera den första komponenten 25 och sedan friktionssvetsa den första komponenten till en stång 13 som kan vara uppkolad, normaliserad, nitrokarburiserad, etc.

Claims (7)

507 439 10 15 Eatentkray

1. En friktionssvetsad borrstáng för slående bergborrning, innefattande en första komponent (25) och en andra komponent (22) av utgàngsmaterial sammanfogade i en friktionssvets (27), varvid komponenterna innefattar en central inre kanal (26), varvid den första komponenten (25) innefattar en gängad del (1 1), en släppningsdel (12) och en slagyta (17), k ä n n e t e c k n a d av att varje komponent är värmebehandlad vid låg temperatur före friktionssvetsning och att varje komponent är tillverkad av ett stål som har en kemisk sammansättning så att kärnhårdheten efter nitrokarburisering av komponenten (22,25) är åtminstone 440 HV1 för att ernà tillräckligt stöd för det lokalt höga trycket på gängans trycksida samt på slagytan och att stålet har en varmhàllfasthet kring 200 HV1 vid 600°C och ett sekundärt varmhàrdnande mellan 550-610 °C och att kärnan har en anlöpt martensitisk struktur och att kärnhàrdheten hos de mest anlöpta delarna i den värmepåverkade zonen nära svetsen (27) är ungefär den samma, åtminstone 390 HV1, som för stángens kärnhàrdhet när den kylts till rumstemperatur och att den gängade delen (11), släppningsdelen (12) och den inre kanalen (26) hos den första komponenten (25) är förbehandlade mot utmattningskorrosion företrädesvis genom nitrokarburisering av den första komponenten (25), varefter den första komponenten friktionssvetsats till den andra komponenten (22), såsom en stång (13).

2. En friktionssvetsad produkt enligt krav 1, varvid den kemiska sammansättningen hos stàltypen som används i en komponent (25) eller i båda komponenterna (22,25) ligger i intervallet i vikt-Wo: 0.15-0.50 C; max 1.5 Si; min 0.2 Mn; 0.5-1.5 Cr; 0.5-4 Ni; 0.5-2 Mo; max 0.5 V; max 0.5 W; max 0.5 Ti; max 0.1 Nb och max 0.05 Al, varvid balansen utgörs av Fe, företrädesvis 0.32 C; 0.9 Si; 1,0 Cr; 0.5 Ni; 1.0 Mo och 0.1 V, varvid balansen utgörs av Fe. 10 15 20 IJ ut 30 507 439 9

3. En friktionssvetsad produkt enligt krav 1 eller 2, varvid kärnhårdheten hos stålet efter en värmebehandling vid låg temperatur, såsom nitrokarburisering, beroende pà ett sekundärt hàrdnande är åtminstone 440 HVl, mätt vid rumstemperatur.

4. En friktionssvetsad produkt enligt krav 3, varvid stålets härddjup är cirka 0,3 mm för ett skikt (14) som uppstått vid en värmebehandling vid låg temperatur.

5. Metod för att tillverka en friktionssvetsad produkt för bergborrning, innefattande en första komponent (25) och en andra komponent (22) av utgångsmaterial sammanfogade i en friktionssvets (27), varvid komponenterna innefattar en central inre kanal (26), varvid varje komponent innefattar en fri ände anordnad att svetsas mot en annan fri ände och därmed bilda en friktionssvets (27), varvid metoden består av följande steg: - anordna ett utgångsmaterial, vilket har hög varmhållfasthet kring 200 HV1 vid 600°C och ett sekundärt varmhårdnande mellan 550-610 °C, - värmebehandla en gängad del (11), en inre kanal (26) och en släppningsdel (12) hos den första komponenten (25) mot utmattningskorrosion företrädesvis genom att nitrokarburisera den första komponenten 25 separat, - anordna spännorgan för att hålla den första komponenten (25), - anordna rotationsorgan för att rotera den andra komponenten (22), - sätt samman den första och den andra komponentens fria ändar och rotera den första och den andra komponenten relativt varandra för att bilda en svets och - kyl svetsen till rumstemperatur och håll den lägsta kärnhårdheten i den värmepåverkade zonen över 390 HV1.

6. Metod enligt krav 5, varvid de fria ändarna hos roterbar (22) och icke roterbar (25) komponent är sammanfogade, varvid nämnda ändar är fogberedda eller fria från fogberedning och har ändytor vilka är i huvudsak vinkelräta mot en komponenternas rotationsaxel. 507 439 10

7. Metod enligt krav 5 eller 6, varvid en komponent (22) kan vara uppkolad, normaliserad eller nitrokarburiserad före friktionssvetsning.