(57)【要約】【課題】往復動ポンプを開示する。【解決手段】往復動ポンプは、動力エンドと、動力エンドに作動的に接続された流体エンドとを備えることができる。流体エンドは、プランジャと、プランジャに作動的に係合するように構成されたシリンダと、エンドブロックとを含むことができる。流体エンドのプランジャ、シリンダ及びエンドブロックはそれぞれ、１１．５０重量％〜１７．００重量％のクロムと、３．５０重量％〜６．００重量％のニッケルと、０．３０重量％〜１．５０重量％のモリブデンと、０．０１重量％〜０．２０重量％のバナジウムと、鉄とを含む高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物から製造することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ、該モータと回転係合したクランク軸、及び該クランク軸と回転係合したクランクアームを有する動力エンドと、
前記動力エンドに作動的に接続され、プランジャ、該プランジャに作動的に係合するように構成されたシリンダ、及びエンドブロックを含む流体エンドとを備えた往復動ポンプであって、
前記プランジャ、前記シリンダ及び前記エンドブロックはそれぞれ、１１．５０重量％〜１７．００重量％のクロムと、３．５０重量％〜６．００重量％のニッケルと、０．３０重量％〜１．５０重量％のモリブデンと、０．０１重量％〜０．２０重量％のバナジウムと、鉄とを含む高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物から製造された往復動ポンプ。
【請求項２】
前記高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、さらに、０．００重量％〜０．２０重量％のニオブを含む請求項１記載の往復動ポンプ。
【請求項３】
前記高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、さらに、０．００重量％〜０．０６重量％の炭素を含む請求項２記載の往復動ポンプ。
【請求項４】
前記高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物におけるニオブの炭素に対する比率は６以下である請求項３記載の往復動ポンプ。
【請求項５】
前記高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、さらに、
０．００重量％〜１．５０重量％のマンガンと、
０．００重量％〜０．０４０重量％のリンと、
０．００重量％〜０．０３０重量％の硫黄と、
０．００重量％〜０．７０重量％のケイ素と、
０．０００重量％〜０．０６０重量％のアルミニウムとを含む請求項４記載の往復動ポンプ。
【請求項６】
前記高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、１２．００重量％〜１４．００重量％のクロムと、３．５０重量％〜５．５０重量％のニッケルと、０．５０重量％〜１．００重量％のモリブデンと、０．０１重量％〜０．１５重量％のバナジウムとを含む請求項５記載の往復動ポンプ。
【請求項７】
前記高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、０．００重量％〜０．１５重量％のニオブを含む請求項６記載の往復動ポンプ。
【請求項８】
前記高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物における前記ニオブの炭素に対する比率は４以下である請求項７記載の往復動ポンプ。
【請求項９】
前記高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、
０．５０重量％〜１．００重量％のマンガンと、
０．００重量％〜０．０３０重量％のリンと、
０．００重量％〜０．６０重量％のケイ素と、
０．０００重量％〜０．０６０重量％のアルミニウムとを含む請求項８記載の往復動ポンプ。
【請求項１０】
本体と、
前記本体内で吸込ポートと吐出ポートとの間に延びる第１孔と、
前記本体内でシリンダポートと前記第１孔との間に延びるシリンダ孔を備えた、往復動ポンプのエンドブロックであって、
前記本体は、０．００重量％〜０．０６重量％の炭素と、１１．５０重量％〜１７．００重量％のクロムと、３．５０重量％〜６．００重量％のニッケルと、０．３０重量％〜１．５０重量％のモリブデンと、０．０１重量％〜０．２０重量％のバナジウムと、鉄とを含む高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物から製造されたエンドブロック。
【請求項１１】
前記高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、さらに、
０．００重量％〜１．５０重量％のマンガンと、
０．００重量％〜０．０４０重量％のリンと、
０．００重量％〜０．０３０重量％の硫黄と、
０．００重量％〜０．７０重量％のケイ素と、
０．０００重量％〜０．０６０重量％のアルミニウムとを含む請求項１０記載のエンドブロック。
【請求項１２】
前記高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、さらに、最大０．２０重量％のニオブを含む請求項１１記載のエンドブロック。
【請求項１３】
前記高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、１２．００重量％〜１４．００重量％のクロムと、３．５０重量％〜５．５０重量％のニッケルと、０．５０重量％〜１．００重量％のモリブデンと、０．０１重量％〜０．１５重量％のバナジウムとを含む請求項１２記載のエンドブロック。
【請求項１４】
前記高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、
０．５０重量％〜１．００重量％のマンガンと、
０．００重量％〜０．０３０重量％のリンと、
０．００重量％〜０．６０重量％のケイ素と、
０．０００重量％〜０．０６０重量％のアルミニウムとを含む請求項１３記載のエンドブロック。
【請求項１５】
前記高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼は、最大０．１５重量％のニオブを含む請求項１４記載のエンドブロック。
【請求項１６】
０．００重量％〜０．０６重量％の炭素と、
０．００重量％〜１．５０重量％のマンガンと、
０．００重量％〜０．０４０重量％のリンと、
０．００重量％〜０．０３０重量％の硫黄と、
０．００重量％〜０．７０重量％のケイ素と、
１１．５０重量％〜１７．００重量％のクロムと、
３．５０重量％〜６．００重量％のニッケルと、
０．３０重量％〜１．５０重量％のモリブデンと、
０．０１重量％〜０．２０重量％のバナジウムと、
０．０００重量％〜０．０６０重量％のアルミニウムと、
０．００重量％〜０．２０重量％のニオブと、
鉄とを含み、
ニオブの炭素に対する比率は６以下である高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物。
【請求項１７】
０．５０重量％〜１．００重量％のマンガンと、
０．００重量％〜０．０３０重量％のリンと、
０．００重量％〜０．６０重量％のケイ素と、
１２．００重量％〜１４．００重量％のクロムと、
３．５０重量％〜５．５０重量％のニッケルと、
０．５０重量％〜１．００重量％のモリブデンと、
０．０１重量％〜０．１５重量％のバナジウムと、
０．００重量％〜０．１５重量％のニオブとを含み、
前記ニオブの炭素に対する比率は４以下である請求項１６記載の高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物に関し、より具体的には、これから作られる往復動ポンプの流体エンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
往復動ポンプは、コンクリート、酸処理材料、水圧破砕材料またはプロパント材料など（これらに限定されない）の処理材料をガスまたは石油坑井内に押し出すように構成することができる。往復動ポンプは、動力エンドと、流体エンドとを含むことができ、動力エンドは、モータと、該モータと回転係合したクランク軸とを含む。さらに、動力エンドは、クランク軸と回転係合したクランクアームを含むことができる。
【０００３】
流体エンドは、一端がクランクアームに作動的に接続され、他端がプランジャに作動的に接続された接続ロッドと、プランジャに作動的に係合するように構成されたシリンダと、シリンダに係合するように構成されたエンドブロックとを含むことができる。エンドブロックは、吸込ポートと、吐出ポートと、該吸込ポートと吐出ポートとの間に延びる第１孔とを有することができる。さらに、エンドブロックは、シリンダポートと、該シリンダポートと第１孔との間に延びるシリンダ孔とを含むことができる。
【０００４】
動作時、モータはクランク軸を回転させることができ、これにより、相互接続したクランクアーム及び接続ロッドを介して、プランジャがシリンダ内部で往復動する。プランジャが往復動するとき、処理材料を、吸込ポートを通過させてエンドブロック内に移動させ、圧力がかかった状態でエンドブロックから吐出ポートを通過させてガスまたは石油坑井内に押し出すことができる。
【０００５】
炭化水素の需要が高まっているため、水圧破砕会社は、ヘーンズビル・シェールなどのより複雑な土地の掘削に進出している。旧来の地層は９０００ポンド／平方インチ（ＰＳＩ）で破砕可能であったが、ヘーンズビル・シェールでは、通常、１３０００ＰＳＩを超えるポンプ圧を必要とする。さらに、旧来の地層は研磨性の低いプロパント材料を使用可能であったが、ヘーンズビル・シェールでは、慣例的に、ボーキサイトなどの高研磨性プロパントを必要とする。ポンプ圧の上昇と研磨性の高いプロパント材料の使用は、流体エンドの寿命の短縮につながっており、ひいては、交換用のエンドブロック及びポンプに関連するコストの増加につながっている。
【０００６】
したがって、本開示は、上述した１つまたは複数の問題、及び／または既知の往復動ポンプの流体エンドに関連する他の問題の克服を対象とする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様に従い、往復動ポンプが開示される。この往復動ポンプは、モータ、該モータと回転係合したクランク軸、及び該クランク軸と回転係合したクランクアームを有する動力エンドを備えることができる。この往復動ポンプは、さらに、前記動力エンドに作動的に接続された流体エンドを備えることができる。この流体エンドは、プランジャと、該プランジャに作動的に係合するように構成されたシリンダと、エンドブロックとを含むことができる。この流体エンドのプランジャ、シリンダ及びエンドブロックはそれぞれ、１１．５０重量％〜１７．００重量％のクロムと、３．５０重量％〜６．００重量％のニッケルと、０．３０重量％〜１．５０重量％のモリブデンと、０．０１重量％〜０．２０重量％のバナジウムと、鉄とを含む高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物から製造することができる。
【０００８】
本開示の別の態様に従い、往復動ポンプのエンドブロックが開示される。このエンドブロックは、本体と、該本体内で吸込ポートと吐出ポートとの間に延びる第１孔と、前記本体内でシリンダポートと前記第１孔との間に延びるシリンダ孔とを備えることができる。このエンドブロックの本体は、０．００重量％〜０．０６重量％の炭素と、１１．５０重量％〜１７．００重量％のクロムと、３．５０重量％〜６．００重量％のニッケルと、０．３０重量％〜１．５０重量％のモリブデンと、０．０１重量％〜０．２０重量％のバナジウムと、鉄とを含む高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物から製造することができる。
【０００９】
本開示の別の態様では、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物が開示される。この高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、０．００重量％〜０．０６重量％の炭素と、０．００重量％〜１．５０重量％のマンガンと、０．０００重量％〜０．０４０重量％のリンと、０．０００重量％〜０．０３０重量％の硫黄と、０．００重量％〜０．７０重量％のケイ素と、１１．５０重量％〜１７．００重量％のクロムと、３．５０重量％〜６．００重量％のニッケルと、０．３０重量％〜１．５０重量％のモリブデンと、０．０１重量％〜０．２０重量％のバナジウムと、０．００重量％〜０．２０重量％のニオブと、０．００重量％〜０．０６０重量％のアルミニウムと、鉄とを含むことができる。この高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物におけるニオブの炭素に対する比率は、６以下とすることができる。
【００１０】
本開示のこれらの及び他の態様及び特徴は、添付の図面と併せて読むとより理解しやすいであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示に従って構成された例示的な往復動ポンプの側面立面図である。
【００１２】
【図２】本開示に従って構成された図１の例示的な往復動ポンプの側断面図である。
【００１３】
【図３】本開示に従って構成された、図１の例示的な往復動ポンプとともに使用できるエンドブロックの斜視図である。
【００１４】
【図４】本開示に従って構成された、図１の例示的な往復動ポンプとともに使用できる図３のエンドブロックの一実施形態の、線分４−４の断面図である。
【００１５】
【図５】本開示に従って構成された、図１の例示的な往復動ポンプとともに使用できる図３のエンドブロックの代替実施形態の、線分４−４の断面図である。
【００１６】
【図６】本開示に従って準備された高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物における、様々な焼戻し温度の降伏点及び極限引張強さへの影響を示したデータプロット図である。
【００１７】
【図７】様々な焼戻し温度の、図６の高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物の靱性への影響を示したデータプロット図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
これより、ここに開示する図面及び表を参照しながら本開示の種々の態様を説明する。前記図面及び表において、類似の参照番号は、特に明記されていない限り、類似の要素を指す。図１を参照すると、本開示に従って製造された例示的な往復動ポンプ１０の側面立面図が図示されている。図１に表すように、往復動ポンプ１０は、動力エンド１２と、流体エンド１４とを含むことができる。動力エンド１２は、流体エンド１４に対して仕事をして、該流体エンド１４が、コンクリート、酸処理材料、水圧破砕材料またはプロパント材料など（これらに限定されない）の処理材料をガスまたは石油坑井内に押し出すことができるように構成することができる。
【００１９】
次に図２を参照すると、本開示に従って製造された例示的な往復動ポンプ１０の側断面図が図示されている。図２に見られるように、動力エンド１２は、流体エンド１４に対して仕事をするように構成されたモータ１６を含むことができる。さらに、動力エンド１２は、クランク軸２０及びクランクアーム２２を囲むクランクケースハウジング１８を含むことができる。クランク軸２０はモータ１６と回転係合させることができ、クランクアーム２２はクランク軸２０と回転係合させることができる。
【００２０】
流体エンド１４は、接続ロッド２６、シリンダ２８及びプランジャ３０を少なくとも部分的に囲む流体ハウジング２４を含むことができる。接続ロッド２６は、第１端３１と、該第１端３１と反対側の第２端３３とを含むことができる。接続ロッド２６は、第１端３１をクランクアーム２２に、第２端３３をプランジャ３０に作動的に接続させることができる。シリンダ２８は、プランジャ３０に作動的に係合するように構成することができる。本願の開示及び図面は、シリンダ２８とプランジャ３０の配置を説明しているが、本願の開示の教示は、シリンダ２８とピストンの配置も包含し得ると想定される。したがって、プランジャ３０は、本願の開示の範囲から逸脱することなく、ピストンで置き換え得ると理解されるものとする。
【００２１】
流体エンド１４は、エンドブロック３２も含むことができる。次に図３に目を向けると、図１の例示的な往復動ポンプ１０とともに使用できるエンドブロック３２の斜視図が図示されている。図３に図示するように、エンドブロック３２は、前面３６、背面３８、左面４０、右面４２、上面４４及び底面４６の間に広がる本体３４を備えることができる。図３に図示したエンドブロック３２は、モノブロック式の三連型設計であるが、本開示の教示は、五連型やＹブロック型などの他のモノブロック式の設計にも、また、モジュール式の設計を有するエンドブロック３２であっても同等に適用されると想定される。
【００２２】
図４に目を向けると、エンドブロック３２の一実施形態の断面図が図示されている。図４に図示するように、本体３４は、さらに、吸込ポート４８と、吐出ポート５０と、吸込ポート４８と吐出ポート５０との間に延びる第１孔５２とを含むことができる。さらに、図４に図示するように、本体３４は、付加的に、シリンダポート５４と、検査ポート５６と、シリンダ孔５８とを含むことができる。一実施形態では、シリンダ孔５８は、シリンダポート５４と第１孔５２との間に延びることができる。別の実施形態では、シリンダ孔５８は、シリンダポート５４と検査ポート５６との間に延びることができる。
【００２３】
図５を参照すると、エンドブロック３２の代替実施形態の断面図が図示されている。図５に図示するように、本体３４は、吸込ポート４８と、吐出ポート５０と、吸込ポート４８と吐出ポート５０との間に延びる第１孔５２とを含むことができる。さらに、図５に図示しているように、本体３４は、付加的に、シリンダポート５４と、シリンダ孔５８とを含むことができる。シリンダ孔５８は、シリンダポート５４と第１孔５２との間に延びることができる。さらに、図５に図示するように、シリンダ孔５８と第１孔５２との角度を９０度以外の角度として、Ｙブロック型の構造を有するエンドブロック３２とすることができる。
【００２４】
動作時、モータ１６は、クランク軸２０を回転させることができ、これにより、クランクアーム２２及び接続ロッド２６を介して、シリンダ２８内でプランジャ３０を往復動させることができる。プランジャ３０がシリンダ孔５８からシリンダ２８の方へ往復動するときに、処理材料を、吸込ポート４８を通過させて第１孔５２内に移動させることができる。プランジャ３０がシリンダ２８からシリンダ孔５８の方へ往復動するときに、処理材料を、圧力がかかった状態で第１孔５２から吐出ポート５０を通過させてガスまたは石油坑井に移動させることができる。
【００２５】
上述したように、炭化水素エネルギーの需要が高まっている。したがって、水圧破砕会社は、採取した炭化水素を放出するためには圧力の上昇と研磨性の高いプロパント材料の使用を必要とするシェールフィールドの探索を始めている。ポンプ圧を高くし、ボーキサイトなどの研磨性の高いプロパント材料を使用することにより、流体エンド１４の寿命が短縮される。より具体的には、ポンプ圧を高くし、研磨性の高いプロパント材料を使用することにより、シリンダ２８、プランジャ３０及びエンドブロック３２の寿命が短縮される。したがって、本開示は、これらの部品の寿命の延長を対象とする。
【００２６】
エンドブロック及び往復動ポンプの故障モードは、完全には理解されていない可能性がある。しかしながら、所与の材料は、引張応力と腐食性水溶液の組み合わせにさらされることにより、割れが発生し、その後伝播する傾向があり得るということは知られている。より具体的には、本開示は、割れの伝播に対する耐性を有する往復動ポンプ１０の流体エンド１４を製造するための新規且つ非自明の高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物を対象とする。すなわち、往復動ポンプ１０の流体エンド１４の、シリンダ２８、プランジャ３０及びエンドブロック３２を含む１つまたは複数の構成要素を、部分的または全体的に、ここに開示する高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物から製造することができる。本開示の高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、耐腐食性を有するとともに非常に強靭であり、高圧力下且つ研磨性プロパント材料の存在下で動作するポンプの流体エンドによく適している点が有利である。ここに開示する高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、往復動ポンプの使用可能寿命を拡大することができ、また、往復動ポンプの流体エンドの製造に従来用いられていた材料と比較して、流体エンド１４の割れの起きやすさを低下または消滅させることができる。
【００２７】
第１の実施形態では、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、１１．５０重量％〜１７．００重量％のクロムと、３．５０重量％〜６．００重量％のニッケルと、０．３０重量％〜１．５０重量％のモリブデンと、０．００重量％〜０．２０重量％のバナジウムと、鉄とを含むことができる。例えば、この実施形態では、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、０．０１重量％〜０．２０重量のバナジウムを含むことができる。加えて、この実施形態では、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、さらに、０．００重量％〜０．０６重量％の炭素と、０．００重量％〜１．５０重量％のマンガンと、０．０００重量％〜０．０４０重量％のリンと、０．０００重量％〜０．０３０重量％の硫黄と、０．００重量％〜０．７０重量％のケイ素と、０．０００重量％〜０．０６０重量％のアルミニウムとを含むことができる。さらに、この実施形態では、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、さらに、０．００重量％〜０．２０重量％のニオブを含むことができる。靱性を高めるために、この高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物におけるニオブの炭素に対する比率は、６以下とすることができる。
【００２８】
第１の実施形態では、バナジウムの含有量を０．０１重量％〜０．２０重量％の範囲の下限にしたとき、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼の最大降伏点は１２４．０千ポンド／平方インチ（ＫＳＩ）未満で、マイナス２０°Ｆで試験した際の最小平均シャルピーＶノッチ衝撃靱性は９０フィート・ポンドとすることができ、強度と延性の最良のバランスが得られる。さらに、この第１の実施形態では、ステンレス鋼は、１３０ＫＳＩ未満の最大極限引張強さを有することがき、強度と延性の最良のバランスが得られる。
【００２９】
付加的な実施形態では、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、１２．００重量％〜１４．００重量％のクロムと、３．５０重量％〜５．５０重量％のニッケルと、０．５０重量％〜１．００重量％のモリブデンと、０．００重量％〜０．１５重量％のバナジウムと、鉄とを含むことができる。例えば、この実施形態では、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、０．０１重量％〜０．１５重量％のバナジウムを含むことができる。さらに、この付加的な実施形態では、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、さらに、０．００重量％〜０．０６重量％の炭素と、０．５０重量％〜１．００重量％のマンガンと、０．０００重量％〜０．０３０重量％のリンと、０．０００重量％〜０．０３０重量％の硫黄と、０．００重量％〜０．６０重量％のケイ素と、０．００重量％〜０．０６０重量％のアルミニウムとを含むことができる。さらに、この付加的な実施形態では、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、さらに、０．００重量％〜０．１５重量％のニオブを含むことができる。この付加的な実施形態では、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物におけるニオブの炭素に対する比率は、靱性を高めるために、４以下とすることができる。
【００３０】
この付加的な実施形態では、バナジウムの含有量を０．０１重量％〜０．１５重量％の範囲の下限にしたとき、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼の最大降伏点は１２４．０千ポンド／平方インチ（ＫＳＩ）未満で、マイナス２０°Ｆで試験した際の最小平均シャルピーＶノッチ衝撃靱性は９０フィート・ポンドとすることができ、強度と延性の最良のバランスが得られる。さらに、この第１の実施形態では、ステンレス鋼は、１３０ＫＳＩ未満の最大極限引張強さを有することがき、強度と延性の最良のバランスが得られる。
【００３１】
上述の製法における炭素は、焼入硬さを決定し、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼の焼入性を高め、強力なオーステナイト安定化元素として作用することができる。加えて、上記炭素は、クロム及びモリブデンと組み合わさって多数の金属炭化物相を形成することができる。金属炭化物粒子により耐摩耗性が高められ、ＭＣ型金属炭化物により粒子ピンニングによる細粒化が得られる。しかしながら、炭素レベルを０．０６重量％超に引き上げることは望ましくない。第一に、クロム炭化物の析出により有益なクロムの状態のマトリックスが欠乏し、これにより、合金の耐酸化性及び耐腐食性が低下する。第二に、炭素レベルを高くすると、オーステナイト相が過剰に安定化されることがある。オーステナイトが過剰に安定化されると、不完全な変態が生じることがあり、これにより、マルテンサイト開始温度及び終了温度が室温未満に低下することがあり、実施物の強度に対して有害な作用を及ぼす。
【００３２】
上記の製法におけるクロムは、炭素と組み合わされて金属炭化物を形成したとき、焼入性を程よく高め、軽い固溶強化をもたらし、耐摩耗性を大幅に向上させることができる。クロムは、１１．５重量％超の濃度で存在するとき、高い耐酸化性及び耐腐食性を提供する。実際には、１７．０重量％まで、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼の熱間加工性を低下させることなく添加することが可能である。
【００３３】
上記の製法のニッケルは、若干の固溶強化をもたらし、焼入性を拡大し、靱性及び延性を高めることができる。さらに、上記ニッケルは、酸性環境における耐腐食性を向上させることができ、強力なオーステナイト安定化元素になり得る。上記ニッケルは、靱性を高めることができ、割れの伝播を阻止するのに有益であろう。
【００３４】
前述の製法におけるモリブデンは、焼入性を向上させ、耐腐食性を高め、焼戻し脆化の傾向を減少させ、微細な金属炭化物（Ｍ２Ｃ）の析出により、１０００°Ｆから１２００°Ｆの範囲で加熱したときに析出強化された高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼を生み出すことができる。モリブデンを多く含む金属炭化物は、耐摩耗性の向上をもたらし、高温硬さを向上させ、Ａ１温度未満での結晶粒粗大化への耐性を有する。さらに、１．５０重量％までのモリブデン量であれば、熱間加工性を損なうことなくこれらの利点を実現させることができる。
【００３５】
上述の製法のマンガンは、軽い固溶強化をもたらし、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼の焼入性を高めることができる。マンガンは、十分な量で存在していれば、硫黄を非金属化合物内に結合し、遊離硫黄の材料の延性に対する有害な作用を減少させることができる。マンガンもオーステナイト安定化元素であり、１．５０重量％超のレベルでは、高炭素レベルについて上述したものと同種の過剰な安定化の問題を引き起こすことがある。
【００３６】
上述の製法におけるリンは、不純物と見なされ得る。よって、リンは、粒界へと分離することにより延性及び靱性を低下させる傾向があることから、０．０４０重量％のレベルまで許容することができる。粒界におけるリンは、粒界凝集に対して悪影響を及ぼし得る。
【００３７】
上述の製法における硫黄は、被削性を向上させることができるが、延性及び靱性の低下という犠牲を伴うので、不純物と見なされ得る。この延性及び靱性に対するマイナスの影響により、硫黄レベルは、最大０．０３０重量％まで許容される。
【００３８】
上記の製法におけるケイ素は、製鋼時の脱酸に用いることができる。加えて、上記ケイ素は、耐酸化性を高め、固溶強化により強度の軽い上昇をもたらし、高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼の焼入性を高めることができる。ケイ素はフェライトを軽く安定化させるものであり、脱酸及び材料における相の安定化には０．００重量％〜０．７０重量％のケイ素レベルが望ましい。
【００３９】
上述の製法のバナジウムは、焼入性を強力に高めることができ、炭素と組み合わされて金属炭化物を形成したとき、耐摩耗性を向上させることができ、微細な炭化物、窒化物又は炭窒化物粒子の析出による粒界のピンニングにより細粒度の促進を助けることができる。ニオブも、バナジウムと組み合わせて用いて細粒化を強化することがでる。０．２０重量％までのバナジウム含有量は、細粒化及び焼入性に役立つが、０．２０重量％を超のバナジウムレベルは、巨大炭化物の形成により靱性に悪影響を与え、低下させる場合がある。マルテンサイト系鋼は、０．００重量％〜０．２０重量％のバナジウムを含むことができる。例えば、マテンサイト系鋼は、０．０１重量％〜０．２０重量％のバナジウムを含むことができる。
【００４０】
上述の製法のニオブは、固溶体から炭素を除去することにより焼入性にマイナスの影響をもたらし得るが、微細な炭化物、窒化物又は炭窒化物の粒子の析出による強化を生み出すことができ、微細な炭化物、窒化物又は炭窒化物の粒子の析出による粒界のピンニングにより細粒度を増進させるのを助けることができる。これらの微細分散した粒子は、熱間加工または熱処理の温度では鋼に溶解しにくい場合があり、新たな結晶粒の形成の核となり、細粒化を強化することができる。ニオブの炭素への非常に強い親和性は、他の粒界炭化物の形成を防ぐことにより粒界腐食への耐性を上昇させるのにも役立つことができる。ニオブの焼入性へのマイナスの影響を和らげるために、バナジウムを添加することができる。マルテンサイト系鋼は、０重量％〜０．２０重量％のニオブを含むことができる。
【００４１】
様々な析出硬化ステンレス鋼の研究により、ニオブ対炭素比率により区別される低靱性及び高靱性基準が特定された。Ｍｉｓｒａ  ｅｔ  ａｌ．，“Ａｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｇｒａｉｎ  Ｂｏｕｎｄａｒｙ  Ｃｏｈｅｓｉｏｎ  ｉｎ  Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ  Ｈａｒｄｅｎｅｄ  Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ  Ｓｔｅｅｌ”，Ｓｃｒｉｐｔａ  Ｍｅｔａｌｌｕｇｉｃａ  ｅｔ  Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，ｖｏｌ．２８，ｐｐ．１５３１−１５３６，１９９３参照。低靱性基準の特徴は、高粒界リン濃度及び結晶粒内でのニオブ炭化物の形成であった。低靱性基準のニオブの炭素に対する比率は、６より大きいが約２０より小さい範囲であった。高靱性基準の特徴は、粒界におけるサイト競争によりリンが炭素に置き換わったことによる低粒界リンであった。粒界における炭素の分離により、粒界凝集が強まり、リンの靱性に対する有害な影響が無効となった。高靱性基準におけるニオブ対炭素比率は、６未満であった。炭素含有量の６倍より小さい量で、好ましくは、炭素含有量の４倍未満の量で添加した際のニオブの添加は、粒界凝集を向上させることにより靱性を高めることができる。
【００４２】
上記の製法におけるアルミニウムは、製鋼時に用いたとき、効果的な脱酸元素となることができ、窒素と組み合わされて微細なアルミニウム窒化物を形成したとき、細粒化をもたらすことができる。アルミニウムは、ニッケルと組み合わさってニッケルアルミ化物粒子を形成することにより強化に寄与することができる。アルミニウムレベルは、インゴット注入の優先流量を確実にするために、０．０６０重量％未満に維持しなければならない。
【実施例１】
【００４３】
ここに開示した高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼でシリンダ２８、プランジャ３０及びエンドブロック３２を作製する方法は、溶解工程と、成形工程と、熱処理工程と、最終的な所望の形状を得るための被制御材料除去工程とを含む。各工程について、以下により詳細に説明する。
【００４４】
ここに開示した高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼のための溶解処理は、現在の製鋼実務と違いはない。実行可能な溶解処理の例として、アーク炉の使用、誘導溶解及び真空誘導溶解が挙げられるが、これらに限定されない。これらの各処理では、溶鋼が作られ、合金が添加されて所望の組成が作られる。補助的な精錬処理を用いることが可能である。溶解処理のために作られた保護スラグ層は、用いる処理によって、酸化合金を高含有量で有することがある。溶解処理中に還元剤を添加して、合金要素をスラグから鋼浴に戻させることが可能である。一方、アルゴン酸素脱炭（ＡＯＤ）容器または真空酸素脱炭（ＶＯＤ）容器を用いて、金属とスラグを、炭素含有量を低下させるとともにスラグ内の合金を鋼浴に優先的に戻すように容器内で処理することも可能である。所望の科学的性質を備えた溶鋼は、連続的に、ストランドに流し込むまたはインゴットに鋳造することが可能である。
【００４５】
次に、凝固させたストランドまたはインゴットを、熱間処理など（これに限定されない）の通常の金属成形処理を用いて、転造または鍛造により所望の形状に成形することが可能である。成形の助けとなるように、ストランドまたはインゴットを２１００°Ｆ〜２２００°Ｆの範囲の温度に加熱して、材料に変形に十分な可塑性を持たせることができる。このような変形は、温度が１６５０°Ｆを下回るまでの間行われることが好ましい。１６５０°Ｆを下回る温度で変形させると、表面の割れや裂けが生じ得る。
【００４６】
成形に続いて、所望の機械的性質を実現するために熱処理を行うことができる。直接燃焼炉、間接燃焼炉、雰囲気炉、真空炉など（これらに限定されない）の炉で、被成形材料を熱処理することができる。被成形材料が所望の機械的性質を実現するために必要とする工程は、まず、該材料をオーステナイトに変態させるために高温にさらし、その後、該材料を空気中または急冷媒体で冷却して大部分がマルテンサイトであるマトリックスを形成し、その後、該マルテンサイトを焼戻しする低温熱サイクルを行う。選択する温度によって、合金へのモリブデン添加により生じる二次硬化作用も生じ得る。高温処理は、１８００°Ｆ〜１９００°Ｆの範囲で行われる。低温サイクルは、４５０°Ｆ〜７５０°Ｆ又は９８０°Ｆ〜１３００°Ｆの範囲である。７５０°Ｆ〜９８０°Ｆの範囲は、この範囲で処理した場合靱性及び耐腐食性が低下するために避けられる。通常の処理では、９８０°Ｆ〜１３００°Ｆの温度範囲が用いられる。この範囲の下限で処理した被成形材料は強度が強くなるが、上限で処理した材料は延性、靱性及び耐腐食性が良くなる。低温サイクル後、材料は、焼戻しマルテンサイト構造を含んでおり、モリブデン析出物を副次的に含み得る。
【００４７】
続いて、硬化された被成形材料に対して、必要に応じて、最終的な所望の形状プロファイルを得るために被制御材料除去処理を施すことが可能である。硬化された材料からシリンダ２８、プランジャ３０及びエンドブロック３２を作製するために用いられる一般的な処理の例として、ミーリング加工、旋削加工、研削加工及び切削加工が挙げられるが、これらに限定されない。
【００４８】
ここに開示した高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼の組成例を以下の表１及び表２に挙げる。
表１：範囲が広い場合
2018204098.tif 000002
表２：範囲が狭い場合
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【００４９】
高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼の試作ヒートを上記範囲が広い場合に従って処理した。このヒートは、アーク炉で作製した。アーク炉内で溶鋼を作り、合金を添加して所望の組成とした。アルゴン酸素脱炭（ＡＯＤ）容器を用いて、金属及びスラグを、炭素含有量を低下させるとともにスラグ内の合金を優先的に鋼浴に戻すように容器内で処理した。所望の化学的性質を備えた溶鋼をインゴットに鋳造した。インゴットを、熱間加工により、鍛造によって所望の形状に成形した。鍛造後、材料を高温にさらすことにより熱処理して該材料をオーステナイトに変態させ、その後、該材料を冷却して大部分がオーステであるマトリックスを形成し、その後、該オーステナイトを焼戻しする低温熱サイクルを行った。焼戻し温度の下限を調べるために、サンプルを、９５０°Ｆ、９８０°Ｆ及び１０２５°Ｆで焼戻しした。
【００５０】
この試作ヒートの化学組成を以下の表３に示す。
表３：試作ヒートの組成
2018204098.tif 000004
【００５１】
様々な焼戻し温度の結果により、焼戻し温度の合金のピーク降伏点に対する重大な影響が示された。この結果を図６に示す。約９８０°Ｆの焼戻し温度において約１２８ｋｓｉのピーク降伏点が生じている。最も高い強度レベルを実現する焼戻しは、シャルピーＶノッチ衝撃試験を用いてマイナス２０°Ｆで測定した際の靱性に対してマイナスの影響を及ぼしてしまう（図７参照）。９８０°Ｆ超の焼戻し温度は、この組成の所望の靱性を著しく高める。割れの伝播に対抗するための靱性が所望されていることを考えると、降伏点の１２４ｋｓｉ以下への低下が伴うが、１０００°Ｆ超の焼戻し温度が推奨される。
【００５２】
上述の試作ヒートへのバナジウムの添加により、焼入性を強力に高めることができ、これにより、実施物の表面から中心への強度の低下を最小限にするという効果をもたらすことができ、ニオブの添加により、微細な炭化物、窒化物または炭窒化物粒子の析出による強化を生み出すことができる。このようにすることで、靱性に対して重大な悪影響なく実施物の強度を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本開示の教示は、高圧力下の材料及び／又は高研磨性材料を搬送するよう設計されたポンプを含む（これに限定されない）多くの適用における利用可能性を見出すことができる。例えば、このようなポンプには、泥水ポンプ、コンクリートポンプ、高性能ポンプなどが含まれるが、これらに限定されない。本開示は、高圧力下の材料及び／又は高研磨性材料を搬送するように設計されたどのようなポンプにも利用可能であるが、特に、ガスまたは石油坑井内への水圧破砕材料またはプロパント材料の搬送に使われる往復動ポンプ１０に利用可能であり得る。より具体的には、本開示は、ガスまたは石油坑井内への水圧破砕材料またはプロパント材料の搬送に使われる往復動ポンプ１０の流体エンド１４のシリンダ２８、プランジャ３０またはエンドブロック３２の寿命を高めることにより、有用性が見出される。
【００５４】
例えば、往復動ポンプ１０のシリンダ２８は、該往復動ポンプ１０の寿命を延長するために、部分的または全体的に、ここに開示した高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物から製造することができる。当該高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、１１．５０重量％〜１７．００重量％のクロムと、３．５０重量％〜６．００重量％のニッケルと、０．３０重量％〜１．５０重量％のモリブデンと、０．００重量％〜０．２０重量％のバナジウム（例えば、０．０１重量％〜０．２０重量％のバナジウム）と、鉄とを含むことができる。加えて、当該高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、さらに、０．００重量％〜０．０６重量％の炭素と、０．００重量％〜１．５０重量％のマンガンと、０．０００重量％〜０．０４０重量％のリンと、０．０００重量％〜０．０３０重量％の硫黄と、０．００重量％〜０．７０重量％のケイ素と、０．０００重量％〜０．０６０重量％のアルミニウムとを含むことができる。さらに、当該高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、さらに、０．００重量％〜０．２０重量％のニオブを含むことができる。
【００５５】
加えて、往復動ポンプ１０のプランジャ３０は、該往復動ポンプ１０の寿命を延長するために、部分的または全体的に、ここに開示した高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物から製造することができる。当該高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、１１．５０重量％〜１７．００重量％のクロムと、３．５０重量％〜６．００重量％のニッケルと、０．３０重量％〜１．５０重量％のモリブデンと、０．００重量％〜０．２０重量％のバナジウム（０．０１重量％〜０．２０重量％のバナジウム）と、鉄とを含むことができる。加えて、当該高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、さらに、０．００重量％〜０．０６重量％の炭素と、０．００重量％〜１．５０重量％のマンガンと、０．０００重量％〜０．０４０重量％のリンと、０．０００重量％〜０．０３０重量％の硫黄と、０．００重量％〜０．７０重量％のケイ素と、０．０００重量％〜０．０６０重量％のアルミニウムとを含むことができる。さらに、当該高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、さらに、０．００重量％〜０．２０重量％のニオブを含むことができる。
【００５６】
さらに、往復動ポンプ１０のエンドブロック３２は、該往復動ポンプ１０の寿命を延長するために、部分的または全体的に、ここに開示した高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物から製造することができる。当該高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、１１．５０重量％〜１７．００重量％のクロムと、３．５０重量％〜６．００重量％のニッケルと、０．３０重量％〜１．５０重量％のモリブデンと、０．００重量％〜０．２０重量％のバナジウム（例えば、０．０１重量％〜０．２０重量％のバナジウム）と、鉄とを含むことができる。加えて、当該高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、さらに、０．００重量％〜０．０６重量％の炭素と、０．００重量％〜１．５０重量％のマンガンと、０．０００重量％〜０．０４０重量％のリンと、０．０００重量％〜０．０３０重量％の硫黄と、０．００重量％〜０．７０重量％のケイ素と、０．０００重量％〜０．０６０重量％のアルミニウムとを含むことができる。さらに、当該高靱性マルテンサイト系ステンレス鋼組成物は、さらに、０．００重量％〜０．２０重量％のニオブを含むことができる。
【００５７】
上記の記載は代表例を示すものでしかなく、よって、本開示の範囲から逸脱することなく、ここで説明した実施形態に対して変更を加えることができる。よって、そのような変更は、本開示の範囲に含まれるものであり、添付の請求項に含まれることが意図している。
【符号の説明】
【００５８】
１０    往復動ポンプ
１２    動力エンド
１４    流体エンド
１６    モータ
２０    クランク軸
２２    クランクアーム
２６    接続ロッド
２８    シリンダ
３０    プランジャ
３２    エンドブロック
３４    本体
４８    吸込ポート
５０    吐出ポート
５２    第１孔
５４    シリンダポート
５６    検査ポート
５８    シリンダ孔
【図１】
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【図２】
2018204098.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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