非磁性金屬合金組合物和應(yīng)用
【專利說明】非磁性金屬合金組合物和應(yīng)用
[0001] 通過引用引入任何優(yōu)先權(quán)申請
[0002] 根據(jù)37CFR1. 57,隨本申請?zhí)峤坏纳暾堎Y料頁中確定的國外或國內(nèi)優(yōu)先權(quán)權(quán)利要 求的任何和所有申請被引入本文作為參考。
[0003] 發(fā)明背景 發(fā)明領(lǐng)域
[0004] 本公開涉及用于動力三體摩擦磨損環(huán)境的具有杰出磨損性能的非磁性金屬合金。
[0005] 相關(guān)領(lǐng)域描沐
[0006] 磨損條件可具有破壞性，因為其通常涉及消磨表面的砂、石顆粒或其他極硬介質(zhì)。 看到嚴重磨損的應(yīng)用一般利用高硬度材料，40R。+，包括硬質(zhì)金屬或碳化物。
[0007] 在某些磨損應(yīng)用中，例如，原油或天然氣領(lǐng)域的勘探井如定向孔及類似物中，為了 能夠遵循孔眼的準確位置和確定和校正距其規(guī)劃方向（projectedcourse)的偏差，包括鉆 桿的鉆柱構(gòu)件由磁導(dǎo)率值在1. 02以下或甚至可能小于I. 01 (API規(guī)定7,關(guān)于鉆柱構(gòu)件）的 材料制成是有利的。
[0008] 眾多公開內(nèi)容涉及非磁性合金用于形成鉆探構(gòu)件，包括美國專利號4, 919, 728,其 詳細描述了制造非磁性鉆柱構(gòu)件的方法；和美國專利公開號2005/0047952,其描述了非磁 性耐腐蝕性高強度鋼，盡管這兩個專利和申請均描述磁導(dǎo)率小于1. 01。這兩個專利和申請 其全部內(nèi)容被引入本文作為參考。所述的組合物最多具有〇. 15wt. %碳、Iwt. %硅，并且不 具有硼。上述硬質(zhì)顆粒形成元素的低水平和不存在表明該合金不會析出充足的（如有）硬 質(zhì)顆粒。可進一步預(yù)期，將會提供不足以用于高磨損環(huán)境的耐磨性和硬度。
[0009] 進一步，美國專利號4, 919, 728描述了包含0.25wt. %以下的碳水平的合金，而美 國專利公開號2005/0047952詳細描述了 0.Iwt. %以下的碳水平。在這些碳水平結(jié)合硼不 存在的情況下，極少硬質(zhì)顆粒可形成，其賦予環(huán)形加硬層（hardband)以耐磨性。
[0010] 還是在美國專利號4, 919, 728中，利用不同溫度下的冷加工方法實現(xiàn)所需性能。 冷加工不能存在于在涂層施用如表面硬化中。部件的尺寸和幾何將需要過度變形負荷以及 當(dāng)前未知的方法來均勻地冷加工專門部件如工具接頭。
[0011] 另外，美國專利公開號2010/0009089,其全部內(nèi)容被引入本文作為參考，詳細描述 了適于需要非磁性的高磨損應(yīng)用的涂層的非磁性。該公開中列舉的合金基于鎳，其中預(yù)成 型的碳化鎢硬質(zhì)球形顆粒在焊接期間以30-60wt. %的量注入熔融焊接材料。
[0012] 提供油&氣鉆探表面硬化應(yīng)用中競爭性磨損機制的合金方案的公開包括但不限 于美國專利號 4,277, 108 ;4, 666, 797 ;6, 117,493 ;6, 326, 582 ;6, 582, 126 ;7, 219, 727 ;和 美國專利公開號2002/0054972。美國公開號2011/0220415和2011/004069公開了用于 鉆桿組件的超低摩擦涂層。美國專利號6, 375, 895、7, 361，411、7, 569, 286、20040206726、 20080241584和2011/0100720公開了硬質(zhì)合金對于競爭性磨損機制的應(yīng)用。本段列舉的專 利和專利申請其全部內(nèi)容被引入本文作為參考。
[0013] 仍然需要非磁性合金組合物，用于具有耐磨性的用于定向鉆探應(yīng)用的環(huán)形加硬層 構(gòu)件。還需要在鉆探操作期間保護鉆鋌免遭重磨損的改進方法。
[0014]發(fā)明概述
[0015] 本文公開了金屬合金、其至少部分表面被金屬合金層覆蓋的工件、制造該合金的 方法、施加該合金至工件或其他構(gòu)件的方法、和這種合金在不同應(yīng)用中的應(yīng)用。在一個實 施方式中，工件可有其至少部分表面被層覆蓋，該層可包括包含精細尺度的硬質(zhì)顆粒的奧 氏體基質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，該硬質(zhì)顆粒包括下列中的一種或多種：硼化物、碳化物、硼碳化物、氮化 物、碳氮化物、鋁化物、氧化物、金屬間化合物、或萊夫斯相，其中該層包括40HRC或以上的 宏觀硬度和1. 02或更小的相對磁導(dǎo)率。
[0016] 在一些實施方式中，該層的宏觀硬度可以為45HRC或更大。在一些實施方式中，該 層的宏觀硬度可在45和60HRC之間、或50和60HRC之間。在一些實施方式中，該層的相對 磁導(dǎo)率可以為1. 01或更小。
[0017] 在一些實施方式中，該層的表面可呈現(xiàn)高耐磨性，其特征在于1.5克或更小的 ASTMG65干砂磨損測試質(zhì)量損失。在一些實施方式中，該層的表面可呈現(xiàn)高耐磨性，其特征 在于0.35克或更小的ASTMG65干砂磨損測試質(zhì)量損失。在一些實施方式中，該層的表面 可具有ASTMG105測試測量的0. 5克以下的質(zhì)量損失。
[0018] 在一些實施方式中，奧氏體基質(zhì)可包含上至50vol. %的精細尺度的硬質(zhì)顆粒，其 平均尺寸在l〇〇nm-20ym之間。在一些實施方式中，奧氏體基質(zhì)可包含上至30vol. % (或 上至約30vol. % )的精細尺度的硬質(zhì)顆粒，其平均尺寸在1-5ym之間。
[0019] 在一些實施方式中，該層可包括下列：按wt.%計，F(xiàn)e:余量，Mn:8_20，Cr:0_6，Nb: 2-8，V:0-3，C:l-6，B:0-1.5，W:0-10，Ti 5。在一些實施方式中，該層可包括下列：按 wt. %計，F(xiàn)e:余量，B:〇-l，C:0? 85-3，Cr:0-20，Mn:0-12，Nb:0-4，Ni:0-10，Ti:0-6，V:0-6， 和W:0-15。在一些實施方式中，合金組成可選自包括下列的合金：按wt. %計，
[0020] Fe :余量，Mn :10, Cr :5,Nb:4,V:0? 5, C :4,W :5,Ti:0? 25 ;
[0021] Fe :余量，Mn :10, Cr :5,Nb:4,V:0? 5, C :3. 5, W:5,Ti:0? 20 ;
[0022] Fe :余量，Mn:16,Cr:5,Nb:4,V:0? 5,C:3. 25,W:5,Ti :0? 20 ;
[0023]Fe :余量，Mn:10,Cr:5,Nb:4,V:0? 5,C:3,W:5,Ti:0? 20 ;
[0024]Fe :余量，Mn:10,Cr:5,Nb:4,V:0? 5,C:2. 75,W:5,Ti :0? 20 ;
[0025]Fe:余量，Mn:10,Cr:5,Nb:4,V:0? 5,C:2. 5,W:5,Ti:0? 20 ;
[0026]Fe :余量，Mn :10, Cr :5, Nb:4,Ni :1，V :0? 5, C:2. 5,W :5, Ti :0? 20 ;
[0027]Fe :余量，Mn :10, Cr :5, Nb:4,Ni :3,V :0? 5, C:2. 5,W :5, Ti :0? 20 ;
[0028]Fe :余量，Mn :10, Cr :5, Nb:4,Ni :5,V :0? 5, C:2. 5,W :5, Ti :0? 20 ;
[0029]Fe :余量，Mn :10, Cr :9, Nb:4,Ni :5,V :0? 5, C:2. 5,W :5, Ti :0? 20 ;
[0030]Fe :余量，Mn :10, Cr :12,Nb:4,Ni:5, V :0? 5, C:2. 5,W:5,Ti :0? 20 ;
[0031]Fe :余量，Mn :10, Cr :18,Nb:4,Ni:5, V :0? 5, C:2,W:5,Ti:0? 20 ;
[0032]Fe:余量，B:1，Mn:10,Cr:12,Nb:4,Ni:5,V:0? 5,C:1，W:5,Ti:0? 20 ;
[0033]Fe:余量，B:1，Mn:10,Cr:18,Nb:4,Ni:10,V:0? 5,C:3,W:5,Ti:0? 20 ;
[0034]Fe :余量，B:1，Mn:10,Cr:10,Nb:4,V:0? 5,C:3,W:5, Ti:0? 20 ;
[0035]Fe :余量，B:1，Mn:10,Cr:18,Nb:4,V:0? 5,C:3,W:5, Ti:0? 20 ;
[0036]Fe:余量，Mn:4. 7,Mo:1. 4,Ni:7. 2,Si:1. 1，Cr:26. 4,C:1. 9 ;
[0037]Fe :余量，Mn:10, Cr:16. 5,Mo:0,Nb:3, Ni :2. 5, V:0? 5, C ;1. 5, W :4 ;
[0038]Fe :余量，Mn:10, Cr:16. 5,Mo:0,Nb:3, Ni :1，V :0? 5, C :1. 5, W :4 ;
[0039]Fe :余量，C:2. 25, Cr:20, Mn:5,Nb:4,Ni:10,Ti :0? 2,V:0? 5,W:4 ;
[0040]Fe :余量，C:2,Cr :18,Mn :10, Nb :4,V:4 ;
[0041]Fe :余量，B:0? 5, C:1. 5,Cr:18,Mn:10, Nb :4,W :4 ;
[0042]Fe :余量，B:0? 5, C:1. 5,Cr:18,Mn:10, Nb :4,W :4 ;
[0043]Fe :余量，C:2,Cr :18,Mn :10, Nb :4,V:6,W:2 ;
[0044]Fe :余量，C:3,Cr :18,Mn :10, Nb :4,V:2 ;
[0045]Fe :余量，C:3,Cr :18,Mn :10, Nb :4,Ti:2,V:2, W:4 ;
[0046] 及其組合。
[0047] 在一些實施方式中，該層不包含預(yù)成型的碳化物。在一些實施方式中，該層可用作 表面硬化層，其被配置以保護用于定向鉆探應(yīng)用的油田構(gòu)件免遭磨損。
[0048] 公開了形成涂覆工件（coatedworkpiece)的方法，其可包括在工件的至少部分 表面上沉積層，其中該層包括包含精細尺度的硬質(zhì)顆粒的奧氏體基質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，該硬質(zhì)顆 粒包括下列中的一種或多種：硼化物、碳化物、硼碳化物、氮化物、碳氮化物、鋁化物、氧化 物、金屬間化合物和萊夫斯相，并且其中該層包括40HRC或以上的宏觀硬度和1. 02或更小 的相對磁導(dǎo)率。
[0049] 在一些實施方式中，該層的相對磁導(dǎo)率可以為1.01或更小。在一些實施方式中， 該部分表面可在沉積層前被預(yù)熱至200°C或更高的溫度。在一些實施方式中，該層可以1_ 至IOmm的厚度沉積。在一些實施方式中，方法可進一步包括以50至5000K/S范圍內(nèi)的速 率冷卻層。在一些實施方式中，該層可包括下列：按wt. %計，F(xiàn)e:余量，Mn:8-20,Cr:0-6， Nb:2-8，V:0-3，C:1-6，B:0-1. 5，W:0-10，Ti:0-0? 5。在一些實施方式中，該層可包括下列： 按wt. %計，F(xiàn)e:余量，B:0-1，C:0? 85-3,Cr:0-20,Mn:0-12,Nb:0-4,Ni:0-10,Ti:0-6,V: 0-6,和W:0-15。在一些實施方式中，合金組成可選自包括下列的合金：按wt. %計，
[0050]Fe :余量，Mn :10, Cr:5,Nb :4, V:0? 5, C:4,W:5,Ti:0? 25 ;
[0051]Fe :余量，Mn :10, Cr:5,Nb :4, V:0? 5, C:3. 5,W:5,Ti:0? 20 ;
[0052]Fe :余量，Mn :16, Cr:5,Nb :4, V:0? 5, C:3. 25,W:5,Ti:0? 20 ;
[0053]Fe :余量，Mn :10, Cr:5,Nb :4, V:0? 5, C:3,W:5,Ti:0? 20 ;
[0054]Fe :余量，Mn :10, Cr:5,Nb :4, V:0? 5, C:2. 75,W:5,Ti:0? 20 ;
[0055]Fe :余量，Mn :10, Cr:5,Nb :4, V:0? 5, C:2. 5,W:5,Ti:0? 20 ;
[0056]Fe :余量，Mn :10, Cr:5,Nb :4, Ni :1，V :0? 5,C :2. 5, W :5, Ti :0? 20 ;
[0057]Fe :余量，Mn :10, Cr:5,Nb :4, Ni :3,V :0? 5,C :2. 5, W :5, Ti :0? 20 ;
[0058]Fe :余量，Mn :10, Cr:5,Nb :4, Ni :5,V :0? 5,C :2. 5, W :5, Ti :0? 20 ;
[0059]Fe :余量，Mn :10, Cr:9,Nb :4, Ni :5,V :0? 5,C :2. 5, W :5, Ti :0? 20 ;
[0060]Fe :余量，Mn:10,Cr:12,Nb:4,Ni:5,V:0? 5,C:2. 5