KR100792806B1 - 충격 착암용 세장형 요소 및 강철 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 부식 피로에 대한 내성이 필수적으로 조절된 성질을 갖는, 착암용 내부식성 마르텐사이트강에 대한 것이다. 이는, 하나 이상의 스레드 및 분출 채널을 포함하는 충격 착암용 세장형 요소를 주로 마르텐사이트 구조를 갖는 내부식강으로 만듬으로써 얻어진다.

Description

충격 착암용 세장형 요소 및 강철{ELONGATED ELEMENT AND STEEL FOR PERCUSSIVE ROCK DRILLING}

본 발명은, 특히 부식 피로에 대한 내성 면에서 신규하고 개선된 성질을 갖는 착암용 내부식성 마르텐사이트강에 관한 것이다.

충격 착암동안, 충격파 및 회전은 드릴 기계로부터 하나 이상의 로드 또는 튜브를 통하여 드릴 비트가 장착된 소결탄화물(cemented carbide)로 전달된다. 드릴 강철, 즉 비트, 로드, 튜브, 슬리브(sleeves) 및 섕크 어댑터(shank adapters)의 재료는 드릴링시에 부식된다. 분출 매질로서 물이 사용되고 일반적인 환경이 축축한 지하의 드릴링시에 특히 그러하다. 가장 영향을 받는 부분, 즉 스레드(thread) 바닥 및 스레드 클리어런스(clearance)에서 특히 부식이 심하다. 굽힘 및 상기 충격파로 인한 편진 응력(pulsating stress)과 함께, 소위 부식 피로가 발생한다(도 1). 이것이 드릴 강철 피로의 일반적인 원인이다.

일반적으로 저-합금의 표면 경화강(low-alloyed, case hardened steel)이 드릴링 어플리케이터(applicatior)로 사용된다. 그 이유는, 일반적으로 스레드 부분의 연마 및 마모로 인해 수명이 제한되기 때문이다. 그러나, 드릴 기계 및 도구가 더 효과적이 되었으므로 이 문제점은 축소되었고, 부식 피로가 제한 인자가 되었다. 표면 경화는 표면에 압착 응력을 주며, 피로에 어떤 방해 효과를 나타낸다.

US-A-5,496,421은 고강도 마르텐사이트 스레인리스강에 관한 것이다. 이 강철은: 0.06 중량% 이하의 C, 12 내지 16 중량%의 Cr, 1 중량% 이하의 Si, 2 중량%이하의 Mn, 0.5 내지 8 중량%의 Ni, 0.1 내지 2.5 중량%의 Mo, 0.3 내지 4 중량%의 Cu, 0.05 중량% 이하의 N, 잔량의 Fe 및 피할 수 없는 불순물을 함유한다; 상기 강철은 델타-페라이트 상 면적비가 10%에 지나지 않는다. 알려진 강철은 산성 환경으로 인한 응력 부식의 문제를 해결해야만 한다.

본 발명의 목적 중 하나는, 현대적 채광 효율을 더 개선하는 충격 착암용 세장형 요소를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 수명이 증가된 충격 착암용 세장형 요소를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 부식율이 감소된 드릴 강철을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 부식 피로 감도가 감소된 드릴 강철을 제공하는 것이다.

본 발명은, Mo, W, Cu 및/또는 N 뿐 아니라 Cr을 첨가함으로써 내성이 얻어진, 마르텐사이트 매트릭스를 갖는 내부식성 합금으로 만든 착암용 강철에 관한 것이다. 마르텐사이트 구조를 통하여(도 2), 사용에 필요한 강도 및 코어 경도가 얻어진다. 마르텐사이트 함량은 >50 중량%이되, <100 중량%이 바람직하고, >75 중량%가 바람직하다. 최대 인장 강도는 >800MPa, 바람직하게는 1300-3000MPa가 되어야 한다.

크롬을 첨가하여 드릴 강철을 내부식성 합금으로 만듬으로써 표면에 비활성(passive) 층이 얻어져, 부식이 억제되거나 부식율이 감소되며, 따라서 도 1에 도시된 바와 같이 특히 스레드 바닥에서의 부식 피로가 감소된다. 본 발명에 따른 드릴 강철이 충분한 내부식성을 갖기 위해서는, 11% 이상의 크롬 함량을 가져야 한다. 탄소 및/또는 질소(C+N)의 총함량은 >0.05%, 바람직하게는 0.1 - 0.8%이 되어야 한다.

선택적으로, 크롬 함량은 11% 미만, 5% 이하가 될 수 있으며, 이러한 경우에이는 바람직하게는 몰리브덴(5% 이하, 바람직하게는 0.5-2 중량%), 텅스텐(5% 이하, 바람직하게는 0.5-2 중량%) 및/또는 구리(2% 이하, 바람직하게는 0.1-1 중량%), 총함량 Mo+W+Cu>0.5%, 바람직하게는 >1 중량%를 첨가하여 보충할 수 있다.

이와 달리, 합금은 PRE-수>10, 바람직하게는 12-17의 조성을 가질 수 있다. PRE는 피팅 내성 등량(Pitting Resistance Equivalent)을 의미하며, 피팅 부식에 대한 합금의 내성을 나타낸다. PRE는 하기 화학식:

PRE=Cr+3.3(Mo+W)+16N

(단, 상기 식에서, Cr, Mo, W 및 N은 원소 함량의 중량%에 대응한다)

에 따라 정의된다.

본 발명에 따른 강철은 또한, 예를 들어 스레드된 조인트의 움직임, 드릴 커팅 또는 주변 바위(보어 벽)와의 접촉으로 인한 연마에 대한 내성이 더 증가되도록, 400 비커스 이상, 바람직하게는 500-800 비커스의 표면 경도를 가져야 한다. 이 강철은 경도 증가와 함께 0.5-2.0mm 두께의 표면층을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 드릴 강철은 통상적인 강철 로드 제조 및 기계가공으로 만든다. 원하는 마르텐사이트 구조를 얻기 위하여, 강철은 강화 또는 냉간가공된다. 표면의 강화를 유도하거나 가탄(carburizing) 및 질화와 같은 표면 처리법을 적용하여 내마모성을 더 개선할 수 있다.

본 발명은 또한 드릴 강철로서의 본 발명에 따른 강철의 용도에 관한 것이다.

전체 요소를 본 발명에 따른 강철로 만드는 대신, 한쪽 또는 양쪽 스레드 말단을 본 발명에 따라 만들고, 다른 재료로 된 로드 또는 튜브에 용접하거나 접합할 수 있다.

이들 및 다른 목적은, 도면을 참고하여 특허청구범위에 기재된 바와 같은 세장형 요소 및 드릴 강철을 통해 달성된다.

도 1은 25x에서의, 저합금 강철의 스레드 바닥의 균열을 도시한 것이고,

도 2는 500x에서의, 본 발명에 따른 드릴 강철의 구조를 도시한 것이다.

소위 드리프터(drifter) 드릴링에서, 약 4m 길이의 로드를 사용한다. 로드의 중요한 부분은, 분출수 및 편진 응력으로 인해 빈번히 파괴까지 이르게 되는 부식 피로가 발생하는, 도 1에 도시된 바와 같은 수 스레드(male threads)의 바닥이다.

드리프터 로드는 하기 조성을 갖는 세가지 합금으로 만들었다.

시험	%C	%Cr	%Ni	%Mo	%W	%Cu	%N	%Fe	마르텐사이트 함량
1-4	0.18	13.4	0.3	0.02	0.01	0.12	0.012	나머지	98%
5-8	0.50	14.3	0.15	0.02	0.01	0.06	0.011	나머지	89%
9-12	0.35	11.9	0.22	1.05	0.01	0.06	0.013	나머지	95%

지하 드리프터 드릴링 장치로 드릴링을 실시하였고, 파괴/마모까지 드릴링을 계속하였다. 드릴된 미터를 측정하여 하기 수명을 얻었다.

시험번호	1	2	3	4	5	6
드릴링된 미터	3299	2904	3030	2876	2893	3121
시험번호	7	8	9	10	11	12
드릴링된 미터	2976	2656	2628	2189	3222	2929

통상적인 형태, 즉 저합금 표면 경화 강철의 드리프터 로드의 정상 수명은, 바위가 주로 화강암으로 구성된 해당 시험 부위에서 약 2000m이며, 이는 본 발명에 따른 드릴 강철을 사용하면 현저히 개선된다는 것을 나타낸다.

다시 말해, 본 발명에 따른 모든 강철은, 하기 조성물 중 하나로부터 바람직한 강철이 선택되는, C+N≥0.1 중량%의 공통적인 특징을 갖는다.

·C+N≥0.1 중량% 및 Cr≥11 중량%, 또는

·C+N≥0.1 중량% 및 Cr≥5 중량%, Mo≤5 중량%, W≤5 중량%, Cu≤2 중량%, Mo+W+Cu>0.5 중량%, 또는

·C+N≥0.1 중량% 및 Cr+3.3(Mo+W)+16N>10 중량%.

Claims (20)

1. 삭제
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8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 하나 이상의 스레드 및 분출 채널을 포함하며,

    상기 하나 이상의 스레드는 마르텐사이트 함량이 >50 중량%이되 <100 중량%인 내부식성 강으로 제조되며,

    상기 내부식성 강은 0.1 중량%≤C+N≤0.8 중량% 및 Cr≥11 중량%를 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 세장형 충격 착암 요소.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 마르텐사이트 함량은 >75 중량%인 것을 특징으로 하는 세장형 충격 착암 요소.
13. 제 11항에 있어서, 상기 조성의 Cr 함량은 11.9 중량% 이상임을 특징으로 하는 세장형 충격 착암 요소.
14. 하나 이상의 스레드 및 분출 채널을 포함하며,

    상기 하나 이상의 스레드 부분이 마르텐사이트 함량이 >75 중량%이되 ≤98 중량%인 내부식성 강으로 제조되며,

    상기 내부식성 강은 0.1 중량%≤C+N≤0.8 중량% 및 Cr≥11 중량%를 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 세장형 충격 착암 요소.
15. 삭제
16. 삭제
17. 제 11항에 있어서,

    상기 내부식성 강의 조성이 Mo ≤5 중량% , W ≤5 중량% 및 Cu ≤2 중량% 를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 세장형 충격 착암 요소.
18. 제 11항에 있어서,

    상기 내부식성 강의 조성이 Cr+3.3(Mo+W)+16N>10 을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 세장형 충격 착암 요소.
19. 하나 이상의 스레드 및 분출 채널을 포함하며,

    상기 하나 이상의 스레드는 마르텐사이트 함량이 >50 중량%이되 <100 중량%인 내부식성 강으로 제조되며,

    상기 내부식성 강은 0.1 중량%≤C+N≤0.8 중량% 및 Cr≥10 중량%를 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 세장형 충격 착암 요소.
20. 제 13항에 있어서,

    상기 조성의 Cr의 함량은 13.4중량% 이하임을 특징으로 하는 세장형 충격 착암 요소.

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