DE602005004301T2

DE602005004301T2 - Werkstoff für Teile oder Beschichtungen, die Verschleiss oder Reibung ausgesetzt sind, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung des Werkstoffes in einer Vorrichtung zur Drehmomentreduzierung bei Bohrstrangkomponenten

Info

Publication number: DE602005004301T2
Application number: DE602005004301T
Authority: DE
Inventors: Gary Dr. Heath
Original assignee: MEC Holding GmbH
Current assignee: MEC Holding GmbH
Priority date: 2005-11-22
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2025-11-23
Also published as: NO342355B1; NO20082586L; DE602005004301D1; EP1788104A1; WO2007060088A1; EP1788104B1; ATE383450T1; US20090283331A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstoff für die Herstellung von Teilen oder Beschichtungen für Anwendungen bei hohem Verschleiß und intensiver Reibung, wobei der Werkstoff vorgefertigte Hartstoffpartikel aus Carbiden umfasst, die in einer Matrix aus einem relativ weichen Basismaterial unregelmäßig eingebettet sind.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellungen eines Werkstoffes, der für die Ausbildung von Teilen oder Beschichtungen für Anwendungen mit hohem Verschleiß und intensiver Reibung geeignet ist, indem eine Mischung aus einem Ausgangsmaterial in Pulverform oder in Drahtform, welches vorgefertigte sphärische Carbid-Partikel und ein Grundmaterial enthält, bereitgestellt wird, und anschließend das Ausgangsmaterial geschmolzen wird.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verminderung der Torsion eines Bohrstrangs, umfassend einen im wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper, der geeignet ist, einen Teil des Bohrstrangs zu bilden und der eine torsionsvermindernde Kontakt-Oberfläche aufweist.
Das Bohren von Hohlräumen und Bohrlöchern in Untergrundformationen und insbesondere das Bohren von Bohrlöchern zur Öl- oder Gasförderung erfolgt typischerweise unter Einsatz eines lang gestreckten „Bohrstrangs" der am Anfang den Bohrmeißel und andere Schneidwerkzeuge trägt, und der aus einer Anzahl von Abschnitten aus rohrförmigen Bohrerrohren zusammengesetzt ist, die an ihren Enden miteinander verbunden sind. Der Bohrstrang erstreckt sich von der Bohrlochoberfläche in ein Loch oder ein „Bohrloch" welches mittels des rotierenden Bohrmeißels erzeugt wird. Wenn der Bohrmeißel tiefer oder weiter in die Untergrundformation eindringt, werden zu dem Bohrstrang zusätzliche Abschnitte der Bohrerrohre hinzugefügt.
Es entspricht üblicher Praxis die Wandung eines Bohrloches mit einem Stahlrohr auszukleiden, wenn die Länge des betreffenden Bohrlochs allmählich zunimmt. Das Stahlrohr ist allgemein als „Casing" (Bohrlochauskleidung) bekannt. Das Bohrloch-Casing umgibt die Bohrung, um ein Einstürzen der Wandung und das Eindringen von Sicker-Flüssigkeiten aus den umgehenden Formationen in das Bohrloch zu verhindern. Im Fall, dass sich die Bohrung als produktiv erweisen sollte, stellt das Casing ein Mittel für die Entnahme des Gases oder des Öls dar. Die Wandung des Bohrlochs kann durch Zuführung von Zement zwischen den äußeren Oberflächen des Casings und der inneren Oberfläche der Bohrlochwandung verstärkt werden.
Der Bohrstrang kann schließlich eine beachtliche Länge aufweisen und er ist verhältnismäßig flexibel und er unterliegt daher seitlicher Ablenkung, insbesondere in Bereichen zwischen Verbindungen und Kupplungen. Insbesondere bei der Einwirkung von Gewicht auf den Bohrstrang oder durch Widerstand vom Bohrkopf können axiale Kräfte entstehen, die wiederum seitliche Ablenkungen bewirken. Diese Ablenkungen können dazu führen, dass Teile des Bohrstrangs das Casing berühren. Darüber hinaus kann der Bohrprozess entlang eines gebogenen oder geneigten Pfades erfolgen, was allgemein als „gerichtetes Bohren" bekannt ist. Besonders dieses gerichtete Bohren erzeugt häufigen Kontakt zwischen Bereichen des Bohrstrangs und des Casings.
Kontakt zwischen dem Bohrstrang und dem Casing erzeugt Reibungsmomente und Schubmomente. Tatsächlich kann ein beträchtliches Ausmaß an Torsion durch die Effekte der Reibungsmomente bewirkt werden, die zwischen dem rotierenden Bohrstrang und dem Casing entstehen. Während des Bohrprozesses ist das Aufbringen zusätzlicher Torsionskräfte zum Rotieren des Bohrstrangs erforderlich, um diesen Widerstand zu überwinden.
Es ist unmittelbar verständlich, dass ein Bohrstrang, der häufig das umgebende Casing des Bohrlochs berührt zwangsläufig Reibungsabrieb bewirkt und auch selbst verstärkter Beanspruchung durch Schlag und Reibung unterliegt, und dabei gleichermaßen eine Abnutzung oder andere Schäden des umgebenden Casings bewirkt. Wenn der Reibungsabrieb andauert, wird das Casing infolge des Reib kontakts mit dem rotierenden Bohrstrang immer dünner und kann schließlich reißen. Als Folge davon wird eine Außerbetriebnahme der Bohrungsmaßnahme notwendig, einhergehend mit einer lang andauernden und teueren Instandsetzung, bis die Betriebsbereitschaft des Casings wieder vollständig hergestellt ist. Häufig wird die produktive Lebensdauer eines Bohrloches wesentlich oder sogar ausschließlich von der Dauer der Integrität des Casings bestimmt.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass es Abrieb zwischen dem Bohrstrang und dem Casing gibt, aber auch Abnutzung durch das Durchleiten einer vom Bohrkopf kommenden abrassiven Aufschlämmung. Die Aufschlämmung gelangt zwischen den Bohrstrang und das Casing und erzeugt Abrieb bei jedem derselben, auch wenn diese nicht direkt miteinander in Kontakt sind.
Es wurden verschiedene Versuche unternommen, den oben erläuterten Reibungsabrieb zu verhindern oder zu verringern, indem das Bohrerrohr entlang der Länge des Bohrstrangs mit Protektoren (Schutzelementen) versehen wird. Die Protektoren sind in Form von Hülsen aus Gummi oder aus anderen elastischen Materialien ausgebildet, und sie werden über den Bohrstrang platziert, um den Bohrstrang und die Verbindungsstücke von der Wandung des Casings fernzuhalten. Gummi und andere Kunststoffmaterialien werden wegen ihrer Fähigkeit eingesetzt, Schläge zu absorbieren und eine geringe Abnutzung zu erzeugen. Derartige Protektoren sind im US-Patent Nr. 5,069,297 A beschrieben. Das Schutzelement umfasst einen im Wesentlichen ringförmigen Körper, der den Bohrstrang umgibt und um diesen frei rotierbar ist. Der Außendurchmesser des Protektors ist größer als der maximale Außendurchmesser der Verbindungsbereiche des Bohrstrangs, und er ist kleiner als der Innendurchmesser des Casings. Im Fall, dass der Protektor die Oberfläche des Casings berührt, kann der Bohrstrang weiterhin frei innerhalb des Protektors rotieren. Dies minimiert die Zunahme der Torsion oder der Schubmomente, die andernfalls durch den Kontakt zwischen dem Bohrstrang und dem Casing erzeugt würden und er reduziert die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung, die entweder dem Bohrstrang oder dem Casing zugefügt würde.
Einrichtungen dieser Art haben eine zusätzliche Wirkung in Bezug auf die Stabilisierung des Bohrstrangs, indem sie Vibrationen des Bohrstrangs beim bestimmungsgemäßen Einsatz reduzieren. Beim Einsatz derartiger Bohrstrang-Protektoren können diese jedoch einen signifikanten Zuwachs an Torsionskräften bewirken, die während des Bohrprozesses entstehen. In Fällen, in denen es hunderte dieser Protektoren gleichzeitig im Bohrloch gibt, kann sich deren Torsions- oder Schubmoment soweit akkumulieren, dass sie den Bohrprozess nachteilig beeinflussen.
Die WO 01/59249 A2 offenbart eine Modifikation einer Einrichtung für den Einsatz bei einem Bohrstrang zwecks Torsionsverringerung und/oder zum Schutz. Es wird vorgeschlagen, dass der Bohrstrang, oder Teile davon, aus starren Legierungen gebildet wird und mit Gleitlagerelementen zwischen dem Bohrstrang und dem Casing versehen wird. Die Gleitlagerelemente können Beschichtungen oder Einsätze aus einer Legierung mit geringem Reibwiderstand sein, eine gleitfähige Keramik oder magnetische Elemente. Ein Einsatz aus einer Gleitlagerlegierung kann beispielsweise aus einem Stahl geformt und mit keramischen Einsätzen versehen sein.
Geeignete Legierungen zum Schutz vor Abrieb und Korrosion sind seit langem bekannt. Beispielsweise werden Nickelbasislegierungen mit Zusätzen von Chrom und Molybdän in vielen Bereichen der Industrie zum Zweck des thermischen Spritzens oder Schweißens eingesetzt, wie beispielsweise im US-Patent Nr. 6,027,583 A und im US-Patent Nr. 6,187,115 A beschrieben.
Im Vortrag von J. Barrios, C. Alonso, E. Pedersen, A. Rachelot and A. Broucke „Hardbending for Drilling Unconsolidated Sand Reservoirs", gehalten anlässlich der Veranstaltung "IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology", abgehalten in Jakarta, 9–11 September 2002, wird zum Zweck einer Erhöhung der Härte von Werkstoffen eine „Hartmetallpanzerung" (hardbanding) auf den Kontaktflächen eines Bohrstrangs vorgeschlagen, wobei Wolframcarbid-Körnung eingesetzt wird, um Verbundkörper aus Wolframcarbid-Stahl herzustellen. Die Wolframcarbid-Körnung soll ein Aufschmelzen und Legieren während des Schweißens der Hartmetallpanzerung verhindern. Als Matrixwerkstoff wird Stahl eingesetzt, der ledig lich dazu dient, die Wolframcarbid-Körnung an der Kontakt-Oberfläche zu fixieren. Anstelle von Stahl wurden auch andere Matrixwerkstoffe in Form von Legierungen getestet, wobei gefunden wurde, dass die Abriebfestigkeit der Wolframcarbid enthaltenden Hartmetallpanzerung um so höher ist, je härter der Matrixwerkstoff ist.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die bekannten Beschichtungswerkstoffe nicht vollkommen wirksam sind, was eine Reduzierung von Torsion betrifft. Vorgefertigte Partikel aus Wolframcarbid sind sehr hart und sie neigen dazu, jeden Werkstoff, der mit ihnen in Kontakt kommt, zu beschädigen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Werkstoff bereit zu stellen, der für die Herstellung von Bauteilen oder Schichten mit hoher Abriebbeständigkeit geeignet ist, und der gleichzeitig einen geringen Reibwiderstand verursacht.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verminderung der Torsion eines Bohrstrangs bereit zu stellen, die sowohl die Verschalung des Bohrloches als auch den Bohrstrang vor Schäden im Fall eines Kontaktes bewahrt.
Ein zusätzlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, ein Verfahren bereit zu stellen, das für das Aufbringen eines Werkstoffes entsprechend der Erfindung auf einer Kontaktoberfläche zwecks Hartmetallpanzerung derselben geeignet ist.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des für die Herstellung von Teilen oder Beschichtungen für Anwendungen bei hohem Verschleiß und intensiver Reibung geeigneten Werkstoffs erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Werkstoff vorgefertigte Hartstoffpartikel aus Carbiden umfasst, die in einer Matrix aus einem relativ weichen Basismaterial eingebettet sind, wobei die Carbid-Partikel vorgefertigte sphärische Partikel mit einer Härte im Bereich zwischen 1000 und 2000 HV/10 sind und wobei dass Basismaterial eine Nickelbasislegierung ist, die zusätzlich C, Cr, Mo, Fe, Si, B und Cu in den folgenden Bereichen enthält (in Gew.-%):

C 0,005–1,0

Cr 10,0–26,0

Mo 8,0–22,0

Fe 0,1–10,0

Si 3,0–9,0

B 1,0–5,0

Cu 0,1–5,0
Hierbei repräsentiert die Einheit „HV 10" die sogenannte „Vickers-Härte" die unter Einsatz einer Vickers-Härte Messeinrichtung beim Aufbringe einer Kraft von 10 kg erhalten wird. Das Verfahren zur Messung der Härte nach Vickers ist in der DIN EN ISO 6507-1 definiert. Messverfahren für die Ermittlung der Mikrohärte von metallischen Beschichtungen sind in der DIN ISO 4516 spezifiziert. Um Angaben in Vickers-Härte in MPa (SI-Einheiten) umzurechnen, ist eine Multiplikation mit 9,807 geeignet.
Der Werkstoff gemäß vorliegender Erfindung ist durch ein wie oben beschriebenes Basismaterial gekennzeichnet, welches eine vergleichsweise weiche Matrix im Vergleich zu der Härte der darin eingebetteten vorgeformten Carbid-Partikel bildet.
Abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen oder optionalen Komponenten mit geringer Bedeutung macht Nickel den Rest der oben angegebenen Zusammensetzung aus. Der Einsatz von Nickelbasislegierungen mit Zusätzen von Chrom und Molybdän zum Schutz vor Abrieb und Korrosion ist seit langem bekannt. Derartige Legierungen sind beispielsweise in dem oben genannten US-Patent Nr. 6,027,583 A , Patent Nr. 6,187,115 A und US 6,322,857 A offenbart.
Diese Legierungen zeigen eine verbesserte Beständigkeit gegenüber Verschleiß und Korrosion, jedoch sind die Legierungen relativ weich, so dass der Werkstoff bisher nicht als geeignet zur Reduzierung von Torsion in Betracht gezogen worden ist. Daher ist es besonders wichtig, dass in diesem Basismaterial harte, sphä rische Carbid-Partikel eingebettet sind. Infolge des normalen Reibkontakts mit beliebigen Bauteilen wird das relativ weiche Basismaterial allmählich abgerieben, bis schließlich einige der Hartstoffpartikel aus der Oberfläche herausragen. Infolgedessen wird die Kontaktfläche zwischen dem Bauteil und dem Werkstoff entsprechend der vorliegenden Erfindung reduziert, was einen geringen Reibkoeffizienten ergibt.
Um eine Beschädigung der Bauteile, die mit der Oberfläche des Werkstoffes entsprechend der vorliegenden Erfindung in Kontakt kommen, zu vermeiden, hat es sich als wesentlich erwiesen, dass im Fall von Hartstoffpartikeln in Form von Carbiden, diese aus vorgeformten Carbid-Partikeln bestehen, welche in das Basismaterial eingebettet sind. Wegen der sphärischen Form dieser Hartstoffpartikel wird die Beschädigungswirkung für Bauteile minimiert. Andererseits widerstehen derartige Hartstoffpartikel selbst im Wesentlichen jeder Abrasion, so dass sie zu der hohen Abriebbeständigkeit des Materials insgesamt beitragen. Außerdem wirkt die relativ weiche Matrix im Fall eines Kontaktes mit einem Bauteil grundsätzlich wie ein Puffer, und bewahrt sowohl das Bauteil vor schwerem Schaden als auch den Werkstoff selbst und die ihn umgebenden Teile.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass Teile oder Beschichtungen, die vorgeformte Partikel aus Wolframcarbid enthalten, wie in den oben erwähnten bekannten Werkstoffen, wegen der Härte der darin eingebetteten Wolframcarbid-Partikel jedes Material im Kontakt beschädigen. Die Vickers-Härte von Wolframcarbid-Partikeln liegt bei etwa 2200 HV/10. Wesentlich bessere Ergebnisse hinsichtlich Torsionsverminderung und Schädigungsverhalten wurden mit einem Material gefunden, das vorgefertigte Carbid-Partikel enthält, deren Härte wesentlich geringer ist, nämlich im Bereich zwischen 1000 und 2000 HV/10, und zwar in Kombination mit einem Basismaterial, wie oben beschrieben.
Es kann vorkommen, dass Carbide aus einer Schmelze oder aus einem Mischkristall mit hoher Kohlenstoffgehalt ausfallen. Es hat sich zwar gezeigt, dass eine gewisse Menge derartiger Carbid-Ausscheidungen im Material hingenommen werden kann, dass aber beste Ergebnisse erhalten werden, wenn alle oder zu mindest der größte Anteil an den harten Carbidpartikeln in Form vorgeformter, sphärischer Partikel im Basiswerkstoff verteilt sind.
Die resultiert in einem Werkstoff mit hoher Abriebbeständigkeit und einem geringen Reibkoeffizienten einerseits und mit einer geringen Beschädigungsanfälligkeit andererseits. Derartige Werkstoffe sind geeignet zur Herstellung abriebbeständiger Oberflächen mit geringem Torsionswiderstand, insbesondere für Verschleißplatten mit Hartmetallpanzerung, Tiefbohrwerkzeuge, Kettenförderbänder oder Förderschnecken. Die vorgeformten, sphärischen Partikel bestehen aus Carbiden. Carbide aus Titan, Zirkon, Hafnium Vanadium, Niob, Tantal, Chrom und Molybdän sind thermodynamisch stabil, chemisch resistent und sie bilden sehr harte Partikel, andererseits sind einige dieser Carbide, wie oben erläutert, zu hart, um gute Ergebnisse für Beschichtungen in Bezug auf hohe Verschleißfestigkeit und geringen Abrieb zu erhalten.
Daher weisen bei einer bevorzugten Ausführungsform die vorgefertigten Carbid-Partikel eine Härte von weniger als 1800 HV/10 auf.
Je geringer die Härte der Hartstoffpartikel ist, um so besser ist das Schädigungsverhalten im Hinblick auf ein beliebiges Material im Kontakt.
In dieser Hinsicht sind Chromcarbide die am meisten bevorzugten.
Die Vickers-Härte von Chromcarbid (CrC) liegt im Bereich zwischen 1100 und 1600 HV/10, abhängig von der Art und Menge der in den Partikeln enthaltenden metallischen Phase. Ein Werkstoff, bei dem die meisten der Hartstoffpartikel aus CrC bestehen zeigt eine geringe Reibung und ein gutes Schädigungsverhalten wegen der relativ geringen Härte der Hartstoffpartikel. Darüber hinaus ist Chromcarbid eine Verbindung, die nicht dazu tendiert, Oxide unter Bedingungen hoher Temperatur und Reibung zu bilden. Dies ist eine weitere Eigenschaft, die zu einem geringen Reibverhalten beiträgt.
Wichtig ist die relative Härte der CrC-Partikel im Vergleich zur Matrix, da der Einsatz einer „weicheren" Matrix den CrC-Partikeln ermöglicht, erhaben aus der Oberfläche hervorzustehen, und als Kontaktpunkte zu wirken.
Besonders bevorzugt wird ein Basismaterial, das eine Härte im Bereich von 35 HRC bis 60 HRC aufweist.
Die Einheit „HR" repräsentiert hier die so genannte „Rockwelt-Härte". Es gibt unterschiedliche Rockwell-Skalen für die verschiedenen Härtebereiche. Die am häufigsten benutzte Skala ist B (HRB), die für weiche Metalle geeignet ist, und die Skala C (HRC) für Hartmetalle. Das Verfahren zur Messung der Härte nach Rockwell ist in DIN EN ISO 6508-ASTM E-18 spezifiziert. Härteangaben nach Rockwell sind nicht proportional zu Härtedaten nach Vickers, es gibt jedoch eine Umrechnungstabelle wonach der oben genannte Bereich von 35 bis 60 HRC einer Vickers-Härte im Bereich von 345 und 687 HV/10 entspricht.
Ein besonders harter Werkstoff zeigt den oben erwähnten Puffer-Effekt nicht und es besteht die Gefahr, dass die vorgefertigten Carbid-Partikel aus der Matrix herausbrechen. Ein zu weiches Basismaterial führt zu einer geringen Abriebfestigkeit und zu einer geringen Verschleißfestigkeit.
Die besten Ergebnisse wurden gefunden, wenn der Unterschied zwischen der Härte der vorgefertigten Carbid-Partikeln und der Härte des Basismaterials im Bereich zwischen 500 und 1200 HV/10 liegt.
Typischerweise liegt der Gewichtsanteil der vorgefertigten Carbid-Partikel im Bereich zwischen 5 Gew.-% und 50 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich zwischen 15 Gew.-% und 40 Gew.-%.
Der Gewichtsanteil der vorgefertigten Carbid-Partikeln im erfindungsgemäßen Werkstoff hängt von der Härte der Matrix ab. Hartes Matrix-Material erfordert weniger vorgefertigte Carbid-Partikel als ein weiches Matrix-Material.
Neben dem Gewichtsanteil sind die Größe und die Anzahl an vorgefertigten Carbid-Partikel wichtige Parameter. Die besten Ergebnisse wurden erhalten, wenn die vorgefertigten Carbid-Partikeln eine mittlere Partikelgröße im Bereich zwischen 25 μm und 250 μm, vorzugsweise im Bereich zwischen 100 μm und 200 μm, aufweisen.
Hinsichtlich der Vorrichtung zur Verminderung der Torsion zum Einsatz bei einem Bohrstrang wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der besagte, im Wesentlichen zylinderförmige Grundkörper, der geeignet ist, einen Teil des Bohrstrangs zu bilden, eine die Torsion vermindernde Kontaktoberfläche aufweist, die aus einem Werkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
Die die Torsion vermindernde Kontaktoberfläche ist auf einem Teil des Bohrstrangs vorgesehen – einschließlich eines Protektors (also Elementen, welche das innere Bohrrohr umgeben) – oder auf einem Bauteil, von dem erwartet wird, das es häufig mit dem Casing in Kontakt kommt. Die Torsions-vermindernde Kontaktoberfläche wird von einer Matrix aus einem relativ weichen Basismaterial, in dem vorgefertigte Carbid-Partikel statistisch verteilt eingebettet sind, gebildet.
Infolge eines normalen Reibkontakts mit dem Casing wird die relativ weiche Matrix allmählich abgerieben, bis schließlich einige der Hartstoffpartikel aus der Oberfläche herausragen. Daraufhin ist die Kontaktfläche zwischen dem Casing und dem erfindungsgemäßen Werkstoff verringert, was zu einem geringen Reibungskoeffizienten führt, wobei es wichtig ist, dass die meisten der Carbid-Partikel eines sphärische Form aufweisen, um Beschädigungen des Casings zu verringern. Andererseits widerstehen die harten Carbid-Partikeln selbst jedwedem Abrasionsprozess und tragen so zu einer hohen Abriebfestigkeit des Materials insgesamt bei. Darüber hinaus wirkt die relativ weiche Matrix-Zusammensetzung im Fall eines Kontaktes mit dem Casing wie ein Puffer und verhindert schwere Beschädigungen sowohl des Casings als auch des Bohrstrangs.
Die oben erläuterten bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Werkstoffes können auch auf den Werkstoff angewendet werden, der für die Herstellung der die Torsion vermindernden Kontaktoberfläche eines Bohrstrangs eingesetzt wird.
Die die Torsion vermindernde Kontaktoberfläche kann als separates Bauteil vorliegen, das an dem Bohrstrang oder an einem Körper fixiert ist, der dafür ausgelegt ist, einen Teil des Bohrstrangs zu bilden. Vorzugsweise jedoch ist die Kontakt- Oberfläche in Form einer Beschichtung oder in Form eines Einsatzteils ausgebildet, das in einer Aufnahme des Körpers fixiert ist.
Am preiswertesten ist es, die die Torsion vermindernde Kontaktoberfläche als streifenförmige Beschichtung vorzusehen. Aufgrund der Erfindung ist es möglich, Beschichtungen mit guter Abriebfestigkeit herzustellen, die auch einen geringen Reibungskoeffizienten aufweisen.
Vorzugsweise weist die Beschichtung eine Dicke im Bereich zwischen 1 mm und 10 mm, vorzugsweise 2 mm bis 5 mm auf.
Alternativ dazu wird die Kontakt-Oberfläche von einem Einsatzteil gebildet, das in einer Aufnahme des Körpers fixiert ist.
Da das Einsatzteil fest mit dem Körper verbunden ist, tendiert es nicht dazu abzusplittern oder herunterzufallen, so dass sich eine Ausführungsform ergibt, die sich durch eine hohe Zuverlässigkeit auszeichnet. Das Einsatzteil kann eine ringförmige Form aufweisen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Einsatzteil ein Ringelement, das in einer Aufnahme des Grundkörpers eingesetzt ist.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung des Werkstoffes gemäß vorliegender Erfindung wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schmelzwärme und die Schmelzdauer so gewählt werden, dass das Grundmaterial schmilzt, wohingegen sich der Haupt-Volumenanteil der vorgefertigten Carbid-Partikel nicht im geschmolzenen Grundmaterial auflöst.
Es ist im Stand der Technik bekannt, dass Carbide aus einer Schmelze oder aus einem Mischkristall mit großen Mengen an Kohlenstoff, ausfallen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass zwar ein gewisser Anteil solcher Ausscheidungen im Werkstoff akzeptiert werden kann, dass aber bessere Ergebnisse erzielt werden, wenn alle Hartstoffpartikeln oder wenigstens der größte Teil davon in Form vorgefertigter Partikel vorliegt, die im Basismaterial verteilt sind und die eine sphärische Form aufweisen.
Um eine Sättigung der Schmelze oder des Mischkristalls mit solchen Komponenten und einer nachfolgenden Ausscheidung beim Abkühlen zu vermeiden, werden vorgefertigte Hartstoffpartikel im Basismaterial verteilt, wodurch sowohl eine homogene Verteilung als auch die Einstellung einer vorgegebenen mittleren Größe und einer Größenverteilung der Hartstoffpartikel ermöglicht wird.
Weiterhin werden gemäß der Erfindung solche Schmelz- und Schweißtechniken eingesetzt, die nicht solche Schmelzbedingungen (Schmelzwärme und Schmelzdauer) erfordern, die ein völliges Aufschmelzen der vorgefertigten Carbid-Partikel bewirken. Im Gegenteil, werden die Schmelzbedingungen gemäß der Erfindung so ausgewählt, dass sich das Basismaterial im geschmolzenen Zustand befindet wohingegen sich der größte Volumenanteil der Hartstoffpartikel nicht im geschmolzenen Basismaterial löst. Auf diese Weise ist es möglich, Form, Menge, Größe und Verteilung der vorgeformten Hartstoffpartikel im Basismaterial aufrecht zu erhalten.
Im Hinblick hieraus wurden beste Ergebnisse erhalten, wenn das Schmelzen des Grundmaterials mittels Flammenspritzen oder durch Plasma-Pulverschweißen (plasma transferred arc welding) erfolgt.
Diese Methoden werden üblicherweise angewandt, um Beschichtungen auf Substraten aufzubringen. Entweder ist die Schmelztemperatur dabei niedrig genug oder die Schmelzdauer ist kurz genug (oder beides trifft zu), um ein vollständiges Aufschmelzen der Hartstoffpartikel zu vermeiden, wohingegen das Basismaterial, das eine vergleichsweise geringe Schmelztemperatur aufweist, vollständig in den geschmolzenen Zustand überführt wird. Derartige Beschichtungsmethoden sind beispielsweise im US-Patent Nr. 6,322,857 A beschrieben.
Selbstverständlich ist das oben beschriebene Verfahren bestens auf den Werkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung angepasst, wie er weiter oben detailliert beschrieben ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 dargestellt, die eine Vorrichtung zur Verminderung der Torsion eines Bohrstrangs entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
1 zeigt einen Ausschnitt eines Bohrstrangs 4, der an seinem unteren Ende einen Bohrmeißel (nicht dargestellt) aufweist, und der in einem von der Vertikalen abweichenden Bohrloch 1 angeordnet ist. Der Bohrstrang 4 umfasst ein Bohrungsrohr 6, dass sich aus einer Vielzahl von Rohrstücken zusammensetzt, die miteinander mittels Verbindungsstücken 8 verbunden sind. Bei jedem der Verbindungsstücke 8 ist die Zylindermantelfläche mit einer abriebbeständigen Beschichtung 10 in ringähnlicher Form versehen, welche senkrecht zur Längsachse 3, die durch die punktierte Linie 5 dargestellt ist, abstehen. Die Wandung des Bohrloches 1 ist mit einem metallischen Casing 7 ausgekleidet.
Die ringförmige, abriebfeste Beschichtung 10 hat eine Dicke von ungefähr 4 mm und eine Breite (in Richtung der Längsachse 3) von etwa 50 mm. Die Beschichtung besteht aus vorgefertigten Carbid-Partikeln in Form von sphärischen vorgeformten CrC-Partikeln, die statistisch verteilt in einer Matrix aus einer Nickelbasislegierung eingebettet sind. Im Folgenden werden bevorzugte Zusammensetzungen der Ringform-ähnlichen, abriebfesten Beschichtung 10 und einige bevorzugte Herstellungsverfahren anhand zweier Beispiele gemäß der Erfindung erläutert.
Beispiel 1
Der Volumenanteil der CrC-Partikel mit einer Härte von ungefähr 1500 HV/10 beträgt ungefähr 30 Vol.-%. Die mittlere Partikelgröße der CrC-Partikel liebt bei 120 μm.
Die Nickelbasislegierung macht etwa 70 Vol.-% des Gesamtvolumens aus. Es handelt sich um eine Legierung wie sie im US-Patent Nr. 6,029,583 A beschrieben ist. Außer Nickel enthält sie zusätzliche Bestandteile in den folgenden Legierungsbereichen (jeweils in Gew.-%): C: 0,01–0,5; Cr: 14,0–20,5; Mo: 12,0–18,5; Fe: 0,5–5,0; Si: 3,0–6,5; B: 1,5–3,5 und Cu: 1,5–4,0. Vorzugsweise liegt der Gehalt an den zusätzlichen Komponenten in folgenden Legierungsbereichen (jeweils in Gew.-%): C: 0,05–0,3; Cr: 15,0–18,0; Mo: 12,0–16,0; Fe: 2,0–4,0; Si: 4,5–5,5; B: 2,0–3,0 und Cu: 2,0–3,0. Die Ni-Basislegierung zeigt eine Härte von ungefähr 50 HRC.
Die Beschichtung 10 wird auf der Zylindermantelfläche von jedem der Verbindungsstücke 8 durch Flammsprühen unter Einsatz einer Mischung von zwei Pulvern aufgebracht, wobei das erste aus den vorgefertigten CrC-Partikeln besteht, und das zweite ein Legierungspulver mit der oben genannten Zusammensetzung ist.
Nach dem Reinigen der Oberfläche des Verbindungsstückes 8 wird dieses vorbereitet, indem es mit Korund mit einer Korngrößenverteilung zwischen 0,3 und 0,6 mm gestrahlt, und anschließend die Schicht mit einer Schichtdicke von 4 mm unter Einsatz eines Autogenbrenners aufgesprüht wird. Nach dem Aufsprühprozess wird die Schicht mittels eines Autogen-Einschmelzbrenners aufgeschmolzen und langsam abgekühlt, um Risse zu vermeiden.
Die Temperatur während des Beschichtungsprozesses durch Flammsprühen ist hoch genug um eine homogene Schmelze der Nickelbasislegierung zu erreichen, aber die Temperatur ist niedrig genug, um das Aufschmelzen der CrC-Partikel zu vermeiden.
Beispiel 2
Der Volumenanteil der CrC-Partikel mit einer Härte von etwa 1500 HV/10 beträgt 20 Vol.-%. Die mittlere Partikelgröße der CrC-Partikel liegt bei ungefähr 150 μm.
Die Nickelbasislegierung macht 80 Vol.-% des Gesamtvolumens aus. Sie enthält Ni: 47,75; Cr: 20,5; Mo: 18,5; Si: 4,0; Fe: 1,0; B: 1,5; Cu: 2,0 und C: 0;25. Die Ni-Basislegierung zeigt eine Härte von ungefähr 50 HRC.
Die Beschichtung 10 wird auf der Zylindermantelfläche von jedem der Verbindungsteile 8 durch Plasma-Pulverschweißen aufgebracht, unter Einsatz einer Mischung von zwei Pulvern, nämlich einem ersten, das aus vorgefertigten CrC-Partikeln besteht, und einem zweiten, das ein Legierungspulver mit der oben genannten Zusammensetzung ist. Die Heizdauer und der Beschichtungsprozess mittels Plasma-Pulverschweißen sind lang genug um eine homogene Schmelze der Nickelbasislegierung zu erhalten, jedoch ist die Heizdauer kurz genug um ein vollständiges Aufschmelzen der CrC-Partikel zu vermeiden.

Claims

Werkstoff, geeignet für die Herstellung von Teilen oder Beschichtungen für Anwendungen bei hohem Verschleiß und intensiver Reibung, wobei der Werkstoff vorgefertigte Hartstoffpartikel aus Carbiden umfasst, die in einer Matrix aus einem relativ weichen Basismaterial eingebettet sind, wobei die Carbid-Partikel vorgefertigte sphärische Partikel mit einer Härte im Bereich zwischen 1000 und 2000 HV/10 sind und wobei dass Basismaterial eine Nickelbasislegierung ist, die zusätzlich C, Cr, Mo, Fe, Si, B und Cu in den folgenden Bereichen enthält (in Gew.-%): C 0,005–1,0 Cr 10,0–26,0 Mo 8,0–22,0 Fe 0,1–10,0 Si 3,0–9,0 B 1,0–5,0 Cu 0,1–5,0
Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgefertigten Carbid-Partikel eine Härte von weniger als 1800 HV/10 aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial eine Härte im Bereich von 35 HRC bis 60 HRC aufweist.
Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen der Härte der vorgefertigten Carbid-Partikeln und der Härte des Basismaterials im Bereich zwischen 500 und 1200 HV/10 liegt.
Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgefertigten Carbid-Partikel Chromcarbid umfassen.
Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der vorgefertigten Carbid-Partikel im Bereich zwischen 5 Vol.-% und 50 Vol.-%. Liegt.
Werkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil der vorgefertigten Carbid-Partikel im Bereich zwischen 15 Gew.-% und 40 Gew.-%. liegt.
Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgefertigten Carbid-Partikeln eine mittlere Partikelgröße im Bereich zwischen 25 μm und 250 μm, vorzugsweise im Bereich zwischen 100 und 200 μm, aufweisen.
Vorrichtung zur Verminderung der Torsion eines Bohrstrangs, umfassend einen im wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper, der geeignet ist, einen Teil des Bohrstrangs zu bilden und der eine torsionsvermindernde Kontakt-Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktoberfläche aus einem Werkstoff gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktoberfläche in Form einer streifenförmigen Beschichtung auf dem Grundkörper ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Dicke im Bereich zwischen 1 und 10 mm, vorzugsweise 2 bis 6 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakt-Oberfläche in Form eines Einsatzteil ausgebildet ist, das in einer Aufnahme des Grundkörpers fixiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil ein Ringelement ist.
Verfahren zur Herstellungen eines Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der für die Ausbildung von Teilen oder Beschichtungen für Anwendungen mit hohem Verschleiß und intensiver Reibung geeignet ist, indem eine Mischung aus einem Ausgangsmaterial in Pulverform oder in Drahtform, welches vorgefertigte sphärische Carbid-Partikel und ein Grundmaterial enthält, bereitgestellt wird, und anschließend das Ausgangsmaterial geschmolzen wird, wobei die Schmelzwärme und die Schmelzdauer so gewählt werden, dass das Grundmaterial schmilzt, wohingegen sich der Haupt-Volumenanteil der vorgefertigten Carbid-Partikel nicht im geschmolzenen Grundmaterial auflöst.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzen des Grundmaterials mittels Flammenspritzen oder durch Plasma-Pulverschweißen (plasma transferred arc welding) erfolgt.