用于巖石鉆進組件的貝氏體鋼的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及根據權利要求1的前序部分的貝氏體鋼（bainiticsteel)。本發(fā)明還 涉及根據權利要求7的前序部分的鉆桿組件。本發(fā)明還涉及根據權利要求10的前序部分 的制造鉆桿組件的方法。本發(fā)明還涉及根據權利要求15的前序部分的本發(fā)明貝氏體鋼的 用途。
【背景技術】
[0002] 用于采礦和建造工作的鉆桿通常包含中心桿部、帶螺紋的外止口（maleend)和帶 螺紋的內止口（femaleend)。在操作中，鉆頭（drillinghead)或鉆削頭（drillingbit) 擰在桿的外止口上且鉆頭通過鉆機（drillrig)驅動進入巖石或地面中。一種類型的鉆進 是所謂的"頂錘鉆進"（tophammerdrilling)，其中以向鉆桿提供高旋轉運動和撞擊的方 式布置鉆機。隨著鉆孔長度的前進，通過將另外的鉆桿擰在先前鉆桿的末端上可以延長鉆 桿。
[0003] 通過對鋼桿的末端進行鑄造和形成螺紋而成為配對的外孔連接器（male connector)和內孔連接器（femaleconnector)，可以制造鉆桿。然而，現今最普通的實踐 是分別制造外孔連接器和內孔連接器并然后利用摩擦焊接將所述連接器連接到鋼桿的各 個末端。
[0004] 關于鉆桿的一個問題是其使用壽命相對短，是因為鉆桿的磨損和必須更換的速率 對鉆進操作的總成本具有直接影響。另外的問題是桿的強度。如果桿斷裂，則可能花費大 量時間將其從鉆孔取出。
[0005] 在過去，為了改進鉆桿，已經完成了一些工作。例如，W097/27022涉及在摩擦焊接 之后在連接器與中心桿之間的界面中發(fā)生的軟材料區(qū)域的問題。當將連接器和中心桿摩擦 焊接在一起時，在連接器與中心桿之間的界面中產生熱。將加熱區(qū)域稱作"熱影響區(qū)域"， (HAZ)。在HAZ中，將鋼材退火并在桿與連接器之間的界面中產生軟材料的區(qū)域。所述軟區(qū) 域變成鉆桿最弱的部分且通常是其中鉆桿斷裂的位置。為了解決該問題，W097/27022提出 了一種鋼，其中已經以HAZ中回火最多的部分的硬度具有與鉆桿芯硬度相等的硬度的方式 對化學組成進行了平衡。
[0006] 在W097/27022中描述的鋼已經導致了鉆桿使用壽命的提高，尤其是考慮到在連 接器與中心桿之間界面中的故障時情況如此。然而，鉆桿的總使用壽命仍不足。
[0007] 實地觀察顯示，現今在連接器與中心桿之間的界面中很少發(fā)生鉆桿的故障。相反， 鉆桿的壽命長度看起來受到連接器帶螺紋部分故障的限制。
[0008] 因此，本發(fā)明的目的是解決上述問題中的至少一個問題。特別地，本發(fā)明的目的是 獲得改進的鋼組合物，其使得可制造具有長使用壽命的鉆桿。本發(fā)明另外的目的是獲得成 本有效的鉆組件，其能夠長時間使用。本發(fā)明另外的目的是獲得制造耐磨的鉆組件的方法。 本發(fā)明又一另外的目的涉及改進的鋼組合物在巖石鉆進組件中的用途。

【發(fā)明內容】

[0009] 根據本發(fā)明，通過一種貝氏體鋼來滿足這些目的中的至少一個，所述貝氏體鋼包 含（按重量％計量）：
[0010]C:0.16 ~0.23
[0011]Si:0.8 ~1.0
[0012] M〇:0.67 ~0.9
[0013]Cr: 1.10 ~1.30
[0014]V:0.18 ~0.4
[0015]Ni: 1.60 ~2.0
[0016] Mn:0? 65 ~0? 9
[0017] P0. 020
[0018]S0. 02
[0019]Cu：<0. 20
[0020] N:0? 005 重量％~0? 012 重量％
[0021] 余量為Fe和不可避免的雜質。
[0022] 本發(fā)明的鋼主要旨在用于制造在升高的溫度即300°C~500°C下經受重復磨損的 表層（case)硬化的組件，例如鉆桿中的表層硬化的帶螺紋連接器。這些組件具有馬氏體 (martensitic)表面區(qū)域和貝氏體-馬氏體芯。
[0023] 根據在頂錘鉆進期間實施的現場試驗的結果已經顯示，由本發(fā)明的鋼制造的表層 硬化的鉆桿比由常規(guī)鋼制造的鉆桿令人意外地持續(xù)更長的時間。
[0024] 在地面之上的頂錘巖石鉆進-或土壤鉆進期間，鉆桿經受源自鉆機的強烈撞擊。 所述撞擊造成振動波，所述振動波通過互相連接的鉆桿而向下傳遞至孔底中的鉆頭。隨著 振動波傳遞通過互相連接的桿，其能量的約5%以熱的形式損失，所述熱主要是在互相連接 的鉆桿的外孔連接器和內孔連接器的螺紋中產生的。因此，在頂錘鉆進期間在連接器中的 工作溫度高，通常高達300°C，而且其可達到500°C。在地面之上的頂錘鉆進中，通常使用空 氣冷卻鉆桿以及除去鉆肩（drillcuttings)。然而，空氣不是高效的冷卻流體且不會充分 地冷卻桿以避免如下情況：產生的熱使得鉆桿連接器的螺紋中的馬氏體表層轉變?yōu)檩^軟相 的滲碳體和鐵素體。在常規(guī)鉆桿中，馬氏體的轉變可能會造成螺紋的表面軟化并最終造成 連接器磨壞。這是因為耐粘著磨損性與硬度直接相關。
[0025] 并未完全理解由本發(fā)明的鋼制造的鉆桿具有令人意外的長使用壽命的原因。然 而，在不受理論約束的情況下，認為鋼中平衡量（balancedamount)的合金元素硅、鉬、鉻和 釩使得鉆桿連接器的馬氏體表面在頂錘鉆進期間的高工作溫度下保持硬度。
[0026] 硅使得e碳化物穩(wěn)定并因此阻滯連接器的硬馬氏體表面區(qū)域在高達約300°C的 溫度下轉變?yōu)檩^軟的滲碳體和鐵素體。然而，隨著在鉆進期間連接器中的溫度升高，表層硬 化連接器的表面中的馬氏體相將最終開始轉變?yōu)闈B碳體和鐵素體。因此連接器的表面區(qū)域 中馬氏體的量下降，結果表面區(qū)域的硬度也下降。在馬氏體轉變?yōu)闈B碳體和鐵素體期間，碳 釋放入鋼中。
[0027] 在本發(fā)明的鋼中，合金元素鉬、鉻和釩與產生自轉變的馬氏體相產生的過量碳形 成硬且穩(wěn)定的碳化物。硬的碳化物在連接器的剩余馬氏體相中析出并由此補償因馬氏體轉 變?yōu)闈B碳體而損失的硬度。
[0028] 連接器的芯由馬氏體和貝氏體（bainite)構成。貝氏體是滲碳體相和鐵素體相的 精細混合物。貝氏體在高溫下穩(wěn)定并因此保持足夠強以在高工作溫度下支持連接器的硬化 表面區(qū)域。
[0029] 根據一種可選方案，在本發(fā)明的鋼中Si的量為0.85重量％~0.95重量％。
[0030] 根據一種可選方案，在本發(fā)明的鋼中Mo的量為0. 70重量％~0. 80重量％。
[0031] 根據一種可選方案，在本發(fā)明的鋼中Cr的量為1. 20重量％~1. 25重量％。
[0032] 根據一種可選方案，在本發(fā)明的鋼中V的量為0. 20重量％~0. 30重量％，優(yōu)選為 0. 2重量％~0. 25重量％。
[0033] 根據一種可選方案，在本發(fā)明的鋼中N的量為0. 005重量％~0. 008重量％，更優(yōu) 選為0. 008重量％~0. 012重量％。
[0034] 本發(fā)明還涉及包含本發(fā)明鋼的用于巖石鉆進的組件。
[0035] 所述組件可以為用于鉆桿的帶螺紋的外孔連接器或內孔連接器。
[0036] 例如，所述組件為包含帶螺紋的外孔連接器和帶螺紋的內孔連接器的鉆桿。
[0037] 本發(fā)明還涉及制造用于巖石鉆進的組件的方法，所述方法包括如下步驟：
[0038]a.由本發(fā)明的鋼形成如上所述的用于巖石鉆進的組件；
[0039]b.將所述組件加熱至奧氏體化溫度；
[0040]c.將所述組件在含碳氣氛中、在奧氏體化溫度下保持預定時間；
[0041]d?將所述組件冷卻。
[0042] 優(yōu)選地，將所述組件加熱至900°C~1000°C的溫度。
[0043] 優(yōu)選地，將所述組件