SE507440C2 - Friktionssvetsad borrstång samt förfarande för tillverkning av borrstången - Google Patents

Description

507 440 2 allt maskinen uppbäres på borriggar och ofta körs två maskiner i samma rigg. Med den mekaniserade metoden har det blivit möjligt att öka maskineffekterna. Därför utsätts stängerna för större krafter både vid schaktöppning och borrning. l verktyg för mekaniserad borrning är stängerna gängade och en separat krona monteras pà stången. Detta innebär att en stång kan användas mycket längre än en helstångsborr 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 stångens fulla tvärsnitt och gängan.

Syften med uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är att anvisa en friktionssvetsad borrstång 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 borrstång som har en höghållfast svets.

Ytterligare ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att anvisa en värmebehandlingsmetod vid låg temperatur för att framställa en borrstàng motståndskraftig mot utmattningskorrosion utan att avhärda gängans kärna och släppningsdelen, mellan gängan och stàngens kropp, till ett värde under kärnhårdheten för ett konventionellt bergborrstål som värmebehandlats vid hög temperatur samt normaliserats.

Ytterligare ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att anvisa en effektiv metod för att tillverka borrstänger, sammansatta av två eller flera stycken, vilka 507 44Û friktionssvetsats samman utan efterföljande uppkolning eller annan högtemperaturbehandling.

Beskrivning av figurerna Fig. 1 visar en ände hos en gängad stång enligt föreliggande uppfinning i ett längssnitt. Fig. 2 visar ett schematiskt Fe-C fasdiagram för ett material som används i komponenten enligt föreliggande uppfinning. Fig. 3 visar hàrdhetsfördelningen, med en prickad kurva, från ytan in till kärnan efter nitrokarburering av ett konventionellt bergborrstål (såsom SS2534) medan den heldragna linjen i samma diagram visar hårdhetsfördelningen enligt föreliggande uppfinning. Fig. 4A visar variationen i kärnhårdhet i längsriktningen för ett gängat ändstycke (till höger) som nitrokarburiserats och ythärdats medelst högfrekvensbehandling och genom friktionssvetsen in i stången (vänster). Fig. 4B visar en stålsvets enligt föreliggande uppfinning. Fig. 5 visar ett härddjupsdiagram efter nitrokarburisering och efterföljande ythärdning av gängan i en komponent enligt föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av föreliggande uppfinning Borrstången 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 svetsad till en andra komponent 22, vilken företrädesvis är en lång stångdel 13. En spolkanal 26 är anordnad centralt i borrstången 10. Den korta stàngdelen 16 har ungefär samma diameter som stàngdelen 13.

Borrstången, 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 utgångsmaterial.

Före friktionssvetsning, nitrokarburiseras änden på komponenten 25 för att öka korrosionsmotståndet jämfört med uppkolad eller normaliserad yta. Ett 507 440 4 nitrokarbTiriserat skikt betecknas 14 i Fig. 4B och dess djup är cirka 0,3 mm.

Alternativt kan andra typer av värmebehandlingar vid låg temperatur användas, såsom Blacknitel), Colourniteø, Teniferel, 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 582534 för drifterstänger ger Blacknitelíl, etc., alltför låg hårdhet beroende på en anlöpningseffekt vid värmebehandlingen, se den prickade kurvan i Fig. 3. Stålet som skall värmebehandlas genom nitrokarburisering (eller Blacknitew, Colournitel), 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 390 HVl (kg) (Vickers hårdhet) och kommer därmed att ge den nitrokarburiserade (Blacknitegl, etc.) delen av stången tillräcklig hållfasthet för att motstå slagenergin från chockvàgorna under slående borrning.

Dessutom är den första komponentens 25 gängade del l 1 ythärdad till ett djup av cirka 2 mm genom högfrekvensbehandling (HF-härdning) efter nitrokarburisering men före friktionssvetsning för att erhålla tillräckligt stöd för det nitrokarburiserade (Blacknitefil, etc.) skiktet så att detta ej spricker under det höga yttryck som uppstår i gängan under borrning.

Härddjupet HF kring 2 mm från det HF-härdade skiktet 15 och 0,3 mm (NC) från det nitrokarburiserade skiktet 14 visas i Fig. 5.

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 stångens fria ände mot och i kontakt med kronans fria ände. Värmen som uppstår under friktionssvetsning gör 507 440 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-9502153-1 och inkorporeras härmed i föreliggande beskrivning.

Normalt erhåller borrstål alltför mjuk kärnhårdhet efter nitrokarburisering, kring 300 HVi , 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 chockvågor och från vridmoment och böjkrafter. Detta innebär att det är viktigt att ytan och kärnan har en hållfasthet tillräcklig för att motstå dessa utmattningsspänningar. Dessutom kräver det höga trycket på gängorna under slående borrning tillräcklig kärnhårdhet för att stödja det nitrokarburiserade skiktet. Den gängade delen 11 och slagytan 17 är ythärdade medelst högfrekvensbehandling åtminstone till 600 HV1 för att erhålla tillräckligt stöd för det höga lokala trycket på gängdelens trycksida och på slagytan 17. Hårdheten för det högfrekvensbehandlade skiktet intill det nitrokarburiserade skiktet är över 500 HV1. 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 bibehålla kärnan efter nitrokarburisering (B|acknite® behandling etc.) vid inte under 390 HVl, såsom visas med den kontinuerliga linjen i Fig. 3. Därigenom blir det nitrokarburiserade skiktets 14 djup NC cirka 0,3 mm. 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. Kärnhårdhetsprofilen visas i Fig. 4A.

I jämförelse med ett konventionellt borrstål 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 HVl vid 600 °C. l5 507 440 Kärnhårdheten hos den mjukaste delen av HAZ i borrstången enligt föreliggande uppfinning är ungefär (d v s i 5%) lika som utgàngsmaterialets hårdhet.

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

Hårdheten, visad med en linje I i Fig. 4A, i den normalt mjuka zonen är åtminstone vid samma nivå som den normala kärnhàrdheten, 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 390 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-°/<>: 0.15-0.40 C; max 0.15 Si; min 0.2 Mn; 0.5-l .5 Cr; 05-4 Ni; 0.5-Z M0; 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 0.18 C; 0.9 Si; 1.2 Cr; 1.8 Ni; 0.75 Mo och 0.1 V, varvid balansen utgörs av Fe. Även små halter av andra ämnen som bildar karbider, nitrider eller nitreringskarbider, såsom W, Ti, Nb, Ta, 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 507 440 7 nitrokarbïtrisera den första komponenten 25, högfrekvenshärda ytorna pà den gängade delen 1 1 och pà slagytan 17, 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 häll den lägsta kärnhárdheten i den värmepàverkade zonen över 390 HV1. Det är emellertid underförstått att vilken som helst av de tvâ komponenterna 22 eller 25 kan vara stationär medan den 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 fràn 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 11 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)

10 15 ie) 3 507 440 Patentkrâv

1. En friktionssvetsad borrstàng för slående 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 den första komponenten (25) innefattar en gängad dei (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 390 HV1 och att stålet har en varmhållfasthet kring 200 HV1 vid 600°C och/eller ett sekundärt varmhàrdnande mellan 550-610 °C och att den gängade delen (1 1) och slagytan (17) är högfrekvenshärdade på ytan till åtminstone 600 HV1 för att ernà tillräckligt stöd för det lokalt höga trycket pà gängans trycksida samt på slagytan och att kärnan har en anlöpt martensitisk struktur och att kärnhårdheten hos de mest anlöpta delarna i den värmepåverkade zonen nära svetsen (27) är ungefär den samma, åtminstone 390 HV1, som för stångens kärnhårdhet 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) och sedan friktionssvetsad 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-°/0: 0.15-0.40 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 0.18 C; 0.9 Si; 1,2 Cr; 1.8 Ni; 0.75 Mo och 0.1 V, varvid balansen utgörs av Fe. lO 15 20 30 507 440 9

3. En frikTonssvetsad produkt enligt krav 1 eller 2, varvid kärnhårdheten hos stålet efter en värmebehandling vid låg temperatur, såsom nitrokarburisering, är åtminstone 390 HV1, mätt vid rumstemperatur och att det högfrekvensbehandlade skiktets (15) hårdhet intill det nitrokarburiserade skiktet är över 500 HVl.

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 och cirka 2 mm för ett skikt (15) härdat medelst en högfrekvensbehandling.

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/eller ett sekundärt varmhårdnande mellan 550-610 °C, - värmebehandla en gängad del (l l), 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), - högfrekvenshärda gängans yta och slagytan, - 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 507 440 10 fràn fogb-éredning och har ändytor vilka är i huvudsak vinkelräta mot en komponenternas rotationsaxel.

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