(57)【要約】ケイ酸質土壌粒子による磨耗に耐えることができ、ひび割れのない状態で、石油井及びガス井の掘削で用いられるツール・ジョイントやスタビライザなどの工業用製品及びその他の製品に溶着可能な硬化肉盛合金が開示されている。この硬化肉盛合金は摩擦係数が低く、溶着された加工なしの状態で磨耗耐性が高く、ツール・ジョイント及びスタビライザにおいてツール・ジョイント及びスタビライザの磨耗耐性と誘発されるケーシングの磨耗との間の最適バランスを達成することができる。本発明のその他の実施の形態は、上記硬化固定合金（２４）がその外部円筒形表面（２２）、そのボックス及びピン部材と上記スタビライザのスタビライザ・リブに溶着されて、石油やガスの掘削などのボーリングで使われるツール・ジョイント、その他の工業用製品、上記硬化肉盛合金を製造する方法、そして、予備加熱と磨耗が激しい使用に耐えられるように溶接後に冷却するステップを含む上記硬化肉盛合金を表面に塗布する方法を含む。【選択図】図１
2004503386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐磨耗性にすべき表面に溶接するための硬化肉盛合金において、
重量で約０．６５−約１．１パーセントの炭素、約４．５−約１０．５パーセントのクロミウム、約０．０５−約１．０パーセントのモリブデン、及び残りを鉄として、微量元素を不純物として含んでおり、
上記合金が約４８Ｒｃ（４５５ＢＨＮ）−約５２Ｒｃ（５１２ＢＨＮ）の範囲の硬度を有することを特徴とする硬化肉盛合金。
【請求項２】
表面が磨耗に曝される工業用製品において、
そうした磨耗に曝される表面に請求項１の硬化固定合金の層が溶着されていることを特徴とする工業用製品。
【請求項３】
ドリル・パイプを接続するためのツール・ジョイントにおいて、上記ツール・ジョイントが円筒型の構造体と、上記ドリル・パイプより大きな直径を有する円筒型の外面を有する内側にネジ溝を切ったボックスと、外側にネジ溝を切ったピンを有しており、
上記ボックスとピンの一方あるいは両方の円筒型外面に少なくとも１つの層の請求項１の硬化肉盛合金が溶着されており、
それによって、ケイ酸質物質による磨耗に対する表面耐性を提供することを特徴とするツール・ジョイント。
【請求項４】
請求項３のツール・ジョイントにおいて、
上記ボックス又はピンの一方又は両方の円筒型外面がその長さ方向のかなりの部分に沿って延びた直径が小さくなっている部分を有しており、さらに、
上記硬化肉盛合金の層が上記ボックス又はピンの一方又は両方の上記直径が小さくなっている部分に溶着されていることを特徴とするツール・ジョイント。
【請求項５】
請求項２の工業用製品において、
円筒型構造体と内部にネジ溝を切ったボックス及びドリル・パイプのストリング内に接続するための外部にネジ溝を切ったピンを有するスタビライザと、
井戸孔内でドリル・パイプのストリングを安定化するのに有効な、上記円筒型構造体の外面から延びた、磨耗をうける外面を有するスタビライザ・リブと、
磨耗を受ける上記スタビライザ・リブの外面に溶着された請求項１の硬化肉盛合金の層
で構成される工業用製品。
【請求項６】
ケイ酸質物質による磨耗を受ける工業用製品の寿命を延長するための方法において、
請求項１の硬化肉盛合金の層をその磨耗を受ける工業用製品の１つ以上の表面に溶着するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項７】
ケイ酸質粒子による磨耗に曝される表面を有する１つ以上の構成部材を有する工業用製品の寿命を延長するための方法において、
上記１つ以上の構成部材を予備加熱するステップと、
請求項１の硬化肉盛合金の層を上記１つ以上の構成部材の表面に溶着するステップと、そして
硬化肉盛合金の層が溶着された上記１つ以上の構成部材を冷却するステップ
を含んでおり、上記予備加熱及び冷却がオーステナイトをマルテンサイトに構造的に転換して、それによって上記１つ以上の構成部材にひび割れを含まない硬化肉盛表面が提供されることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７の方法において、
上記工業用製品がツール・ジョイントのボックスとピン、及びスタビライザによって構成される群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項９】
ドリル・パイプを接続するためのツール・ジョイントの寿命を延長するための方法において、上記ツール・ジョイントが外部円筒型部分と内部接続ピンを有する接続可能なネジ溝を切ったボックスと、それに隣接した外部円筒型部分を有しており、
上記ボックスあるいはピン、又はその両方の少なくとも１つの外部円筒型部分を約１００℃−約４００℃に予備加熱するステップと、
請求項１記載の硬化肉盛合金の層を上記ボックスあるいはピン、又はその両方の外部円筒型部分に溶着すると同時に、約１００℃−約４００℃に予備加熱するステップと、
硬化肉盛合金の層内でオーステナイトをマルテンサイトに構造的に転換してそれによって硬化肉盛された表面をケイ酸質物質による磨耗に対して耐性するために、ボックス又はピンの一方あるいは両方に硬化肉盛合金の層が溶着された上記外部円筒型部分を冷却するステップ
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９の方法において、上記ネジ溝付きボックスが上記ドリル・パイプより大きな直径と上記外部円筒型ボックスに凹部部分を有しており、
上記硬化肉盛合金の層をほぼその長さに沿って延び、上記ネジ溝付きボックスの外面とほぼ同一平面上にある上記外部円筒型部分の凹部部分に溶着するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
上記ネジ溝付きピンが上記ドリル・パイプより大きな直径と上記ピンの外部円筒型部分の凹部部分を有していることを特徴とする請求項９記載の方法において、
上記硬化肉盛合金の層をほぼその長さに沿って延び、上記ネジ溝付きボックスの外面とほぼ同一平面上にある上記外部円筒型部分の凹部部分に溶着するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項６記載の方法に置いて、上記請求項１の硬化肉盛合金の層を溶接するステップがオープン・アーク、ガス密封あるいはサブマージ・アーク筒状ワイヤによって行われることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、オイル及びガスのためのボーリング用掘削ストリングで用いられるツール・ジョイント、ドリル・カラー、そしてスタビライザなど磨耗にさらされる工業製品及び高度の磨耗を受けるその他の工業製品の表面の寿命を向上させるための高摩耗耐性を有する硬化肉盛合金の分野に関するものである。
【０００２】
（発明の背景）
土壌の約９５％は、非常に磨耗性が高く、ツール・ジョイント及びスタビライザの表面や他の工業製品の磨耗を受け易い表面をかなり磨耗させるケイ酸質物質で構成されているので、土壌をボーリングしてオイルやガスを産出するためフォーメーションを構成する場合など、土壌ボーリングで用いられるツール・ジョイントやスタビライザの表面寿命には１つの重大な問題が存在している。
【０００３】
ツール・ジョイント上に保護用に硬化肉盛（『硬化固定』といわれる）を溶着するのに適した硬化肉盛合金を提供するための数多くの試みがなされている。先行技術におけるツール・ジョイント用の硬化固定について、米国特許第４，２５６，５１８、油田機器及びサービス複合カタログ、１９７６／７７版、ページ３２１６−１９及びページ４９９４−５、米国特許第３，０６７，５９３を参照して以下に説明する。さらに又、磨耗耐性を増大させるためにツール・ジョイントで硬化表面を形成するためにタングステン・カーバイドなどの硬化固定物質の使用について、１９７６年１１月２日発行の米国特許第３，９８９，５５４と、Ｇｕｌｆ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｈｏｕｓｔｏｎ， Ｔｅｘａｓの図書出版部が１９７１年に発行したＪ．Ｅ．ＢｒａｎｔｌｙによるＨｉｓｔｏｒｙ ｏｆ Ｏｉｌ Ｗｅｌｌ Ｄｒｉｌｌｉｎｇを参照して説明する。さらに、ツール・ジョイントを硬化固定するための先行技術における種々の方法について説明している特許第２，２５９，２３２、２，２６２，２１１、４，４３１，９０２、及び４，９４２，０５９についても参照する。
【０００４】
歴史的に、そして実際にも、油井やガス井の掘削で用いられているようなドリリング・ストリング（パイプ）上でのツール・ジョイントはドリル・ホール内での岩石を含んだ土壌のそのツール・ジョイント上での磨耗に抵抗するために、ボックス端の底部でタングステン・カーバイドと向き合わされている。これには３つの欠点がある。タングステン・カーバイドは高価であり、その内部で作動するためのウェル・ケーシングを切削するための切削ツールとして機能し、基材が腐蝕し易く、カーバイド粒子が剥がれ落ちてしまい易い軟鋼であることである。
【０００５】
ケイ酸質土壌物質より硬い従来の硬化肉盛材料のほとんどは脆く、壊れ易い。これら硬化肉盛材料はよく知られた『高クロム−鉄』グループに属する合金であり、その高い磨耗耐性は共晶及び／又は過共晶タイプのクロム−カーバイドの微細構造が存在していることによるものである。溶接されたままの状態では、どんなに注意を払っても、これらの硬化肉盛表層は多かれ少なかれかなりの密度のひび割れ網を示す。硬化肉盛されている基質材料の予備加熱は必要条件ではない。反対に、予備加熱及びパス間温度が低ければ低い程、ひび割れ網の密度が高くなり、これは可動条件下での基質材料へのひび割れの伝播という危険の観点から見るとより好ましい要因とみなすことができる。
【０００６】
ドリリング・パイプのツール・ジョイントあるいはスタビライザの硬化固定の５０年の歴史において、米国特許第５，２４４，５５９の発明の開発前に実際に適用中にひび割れを起こした硬化肉盛が用いられた例はない。
【０００７】
しかしながら、ほとんどの産業で、任意のプラントの構造及び機器を構成する金属構成部品は一体性を有していなければならず、このことは、伝播してその部品を破壊することが予想されることから、どんな種類のひび割れも含んでいてはならないことを意味している。
【０００８】
人命喪失が懸念されたり、重大な資産の損失が起きるかもしれない場合には、一体性の要求は特に厳しくなる。そうした工業製品の事例は加工業における圧力容器、建設及び橋梁における構造部材、そして石油及びガス産業におけるダウン・ホール・ドリリング機器である。
【０００９】
ケイ酸質土壌粒子は約８００ブリネル数（ＢＨＮ）の硬度を有している。米国特許第５，２４４，５５９で用いられている硬化肉盛材料は、硬度が少なくとも３００ＢＨＮから６００ＢＨＮの基材に硬度が約１７００ＢＨＮの一次カーバイドを含む高クロム−鉄のグループに属するものである。この硬度を有するこれらの一次カーバイドはひっぱり強度がほとんどなく、従って、溶融状態から冷却されると、金属とカーバイドで構成される混合物内での一次カーバイドの相対的な量に依存する頻度で解体してしまう。従って、ケイ酸質土壌物質より硬いこのタイプの硬化肉盛材料は、溶接あるいはバルク溶接されると、溶接ビード全体に収縮によるひび割れを発生する。この材料はツール・ジョイントの硬化固定とその他の工業製品の硬化肉盛のために、長年広範に使われて成功を収めている。この材料は産業でひろく受け入れられ、現在も広く使われているが、一部のユーザーはドリル・ケーシング内での磨耗ができるだけ少なく、機械的故障のリスクに関するあらゆる懸念を抑えるためにひび割れなしで溶接できる硬化固定ツール・ジョイント合金に対する願望を示していた。
【００１０】
ケイ酸質粒子による磨耗など使用条件に耐える硬度特性を達成するために加工硬化する必要がないひび割れなしで溶着できる高磨耗耐性の微細構造を有し、そしてさらに硬化固定されたツール・ジョイント及びスタビライザによるケーシングの磨耗をできるだけ少なくするために、摩擦係数が小さな硬化肉盛合金組成物を提供することは非常に望ましく、好適であろう。
【００１１】
（発明の要約）
本発明は、そうした硬化肉盛合金組成物と、その合金組成物で硬化固定されたツール・ジョイント及びスタビライザなどの工業製品、そしてその合金組成物で硬化肉盛されたその他の工業製品に関するものであり、その合金内ではケイ酸質岩石構造及び粒子による磨耗などの使用条件に耐える高い磨耗耐性を特徴とする微細構造ができており、その微細構造が金属に優れた磨耗耐性を与え、さらにその合金の摩擦係数が低いのでケーシングの磨耗が少なくなり、さらに上に述べたように、本明細書に述べられているような適切な予備過熱と処理後の冷却条件を用いられた場合、ひび割れなしで溶接することができる。
【００１２】
本発明による硬化肉盛合金は、ツール・ジョイント及びスタビライザの磨耗し易い表面上に溶接（硬化固定）するのに特に適しており、その場合、磨耗から守る効果が高く、しかもひび割れなしの状態が保たれる。本発明による硬化肉盛合金は摩擦係数が低く、これによって金属に優れた磨耗耐性及び損耗耐性が与えられ、そして硬化固定ジョイントの場合、ケーシングの磨耗をできるだけ抑えるという目的と、ツール・ジョイントの耐性をできるたけ高くするという目的の間のバランスを最適化することができ、例えばケーシングの磨耗を米国特許第５，２４４，５５９の硬化肉盛合金と比較して約４０パーセントも低くすることができる。
【００１３】
硬化肉盛合金は、以下の製品及びプロセスを用いて、ＣＯ２、アルゴンを主体とする混合物などのいろいろなタイプのガスと、自己遮蔽（オープン・アーク）筒状ワイヤ、及びサブマージ・アーク筒状ワイヤの存在下で表面に溶接することができる。
【００１４】
硬化肉盛合金は約０．６５−約１．１重量パーセントの炭素、約４．５−約１０．５重量パーセントのクロミウム、約０．０５−約１．０重量パーセントのモリブデン、約０．６５−約１．５重量パーセントのマンガン、そして残りが微量元素を含む鉄分を構成要素とする基質材料で希釈されていない全溶接金属組成物で構成されている。この硬化肉盛合金は希釈されない溶接されたままの状態で、約４８Ｒｃ（４５５ＢＨＮ）−５２Ｒｃ （５１２ＢＨＮ）の範囲の硬度を有している。その硬度は、通常の高炭素ツール・ジョイント鋼上に単層で溶接された場合、約５５Ｒｃ（５６０ＢＨＮ）に達する。さらに、ケイ酸質岩石構造及び粒子に対する高摩耗耐性、金属に優れた耐性をもたらすと同時にケーシングの磨耗をかなり低下させる低い摩擦係数、そして、約１０−約４０パーセントのオーステナイトとマルテンサイトで構成される微細構造を特徴としている。この合金は以下に述べるような予備加熱及び溶接後冷却条件を用いた場合、単層及び二層でひび割れなしで溶接することができる。そして、タングステン・カーバイドやその他の多くの硬化肉盛及び硬化固定溶着物など、事前に存在する溶着物上に溶着させることができる。
【００１５】
本発明の実施の形態は、硬化肉盛合金組成物、上記の硬化肉盛合金で硬化固定されたツール・ジョイント及びスタビライザを含んでいる。例えば、ドリル・パイプを接続するツール・ジョイントはネジ溝を切ったピン部材を受け入れるための内部にネジ溝を切ったボックス、円筒型の外面、そして上記円筒型外面上に溶着された硬化肉盛合金組成物の層を有しており、そのピン部材上に、必要であればひび割れなしの状態に留まりながらケイ酸質物質からの磨耗からツール・ジョイントを保護する硬化肉盛合金が配されている。また、ドリル・パイプに接続されたスタビライザは硬化肉盛組成物で硬化固定されたスタビライザ・リブを有しており、これが上記ドリル・パイプをウェル・ボア及びケーシング内にドリル・パイプを安定化させている。
【００１６】
本発明の方法は、溶接によって、前に述べたような円筒状ワイヤ・オープン・アーク、ガス遮蔽あるいはサブマージ・アークを用い、さらに以下に述べるような予備加熱及び溶接後冷却条件を用いて硬化固定ツール・ジョイント及びスタビライザなどの工業製品に硬化肉盛合金を適用するステップを含んでいる。
【００１７】
本発明のその他の実施の形態は、磨耗耐性プレートなどのその磨耗し易い表面に溶接された本発明による組成物で硬化肉盛された高磨耗耐性を必要とする表面を有する工業製品、そして、前に述べたような磨耗耐性を必要とするその他の産業用構造物である。
【００１８】
好適に、この硬化固定合金はひび割れなしの状態で単層及び二層で、そして、タングステン・カーバイドなど他の事前に存在している硬化肉盛合金の上に、本明細書に述べるような予備加熱及び溶接後温度条件を用いて溶着させることができる。
【００１９】
従って、本発明の目的は、工業的に使用するための、溶接されたままで加工硬化なしの状態で、約４８Ｒｃ（４５５ＢＨＮ）から約５２Ｒｃ（５１２ＢＨＮ）の範囲の硬度を有しているようなケイ酸質物質による磨耗に耐えることができるひび割れなしの硬化肉盛合金を提供することである。
【００２０】
本発明のさらに別の目的は、土壌ボーリングにおいてケーシング内で回転作動されるドリル・パイプを接続するツール・ジョイントを硬化固定するために用いられ、それによってその寿命を改善することができ、しかもひび割れなしの状態を維持できるひび割れなしの硬化肉盛合金を提供することである。
【００２１】
本発明のさらに別の目的は、溶接された状態で、土壌のケイ酸質構造及びその他のケイ酸質物質による磨耗に耐えるスタビライザを硬化固定するために用いることができるひび割れを起こさない硬化肉盛合金を提供することである。
【００２２】
本発明のさらに別の目的は、そうした磨耗にさらされる表面上に硬化肉盛合金が溶着されているその他の工業製品を提供することである。
【００２３】
本発明のさらに別の目的は、摩擦係数が低い、磨耗耐性が優れ、ツール・ジョイントやスタビライザの場合にはボア・ホール内でのケーシング磨耗の最少限化とツール・ジョイント磨耗耐性の最大限化との間のバランスを最適化することができ、そして米国特許第５，２４４，５５９の硬化肉盛合金と比較してケーシング磨耗が約４０パーセント低いこの磨耗耐性合金がその磨耗を受け易い表面上に溶着された工業製品用の硬化肉盛合金を提供することである。
【００２４】
本発明の実施の形態のその他の、そしてさらなる目的、特徴、そして利点も本明細書で明らかにされるであろう。
【００２５】
（好ましい実施の形態の説明）
本発明による硬化肉盛組成物は重量で約０．６５−約１．１パーセントの炭素、約４．５−約１０．５パーセントのクロミウム、約０．５−約１．０パーセントのモリブデン、約０．６５−約１．５パーセントのマンガンを含み、及び残りが微量元素を含む鉄である。
【００２６】
本発明による硬化肉盛合金組成物は約４８Ｒｃ（４５５ＢＨＮ）−５２Ｒｃ（５１２ＢＨＮ）の溶接硬度、ツール・ジョイント及びドリル・スタビライザなどの工業製品上での単層平均硬度が約５６０ＢＨＮ、約１０−約４０パーセントのオーステナイトを含むマルテンサイトの微小構造、高い磨耗耐性、低い金属間摩擦係数を有しており、そして、それ自体、あるいはタングステン・カーバイド溶着物など事前に存在している硬化固定合金上に単層又は二層でひび割れなしで溶着させることができる。
【００２７】
硬化肉盛合金組成物はいずれかの適切な溶接手段とオープン・アーク、ガス又はフラックス・シールディングなどの相性の良い予備加熱及び冷却手段を用いて溶着させることができる。好ましくは、特にツール・ジョイント及びスタビライザに対してＣＯ２などのガス・シールディングで用いられる金属有芯筒状ワイヤ、図６及び７に図示するようなスタビライザの表面を硬化固定するための、ガス・シールディングを伴わないフラックス有芯筒状ワイヤについて以下に説明する。他の工業用装置としてはブルドーザ及び浚渫機器とバケット・ティース、グラベル・ポンプ部品、クラッシャー・ハンマー、コンベヤ・チェーン、ギア・ティース、そして金属間スライド部品などがある。
本発明による好ましい合金組成物の化学分析結果を以下の表１に示す。
【００２８】
【表１】サンプル
炭素　　　　　　　０．８％
クロミウム　　　　８．５％
モリブデン　　　　０．１５％
マンガン　　　　　１．１％
ケイ素　　　　　　０．６％
残りは鉄（微量元素を含む）
【００２９】
硬化固定ツールジョイント、スタビライザ、あるいはその他の工業製品の硬化肉盛された表面に溶接された表１に示す硬化肉盛合金はひび割れがなく、加工硬化なしで表面に溶接された状態で、約４８Ｒｃ（４５５ＢＨＮ）−約５２Ｒｃ（５１２ＢＨＮ）の標準硬度を有している。
【００３０】
本発明の以下に示す実施の形態は本発明によるひび割れなしの硬化肉盛合金によって硬化固定されたツール・ジョイントである。
【００３１】
図１と２で、ドリリング・パイプ１４の端部にボックス１２を有するドリル・パイプ１０用のツール・ジョイントが示されており、このドリリング・パイプ１４の内側にはネジ溝１６が切られており、ピン１８をボックス１２内にネジ込むことができるようにネジ１６に対応するネジ溝２０を有するピン１８を受け入れるようになっている。このピン１８は符号１４で示されるようなドリル・パイプの端部を形成しており、従って、石油、ガス、その他井戸用のパイプのストリング又はジョイントをネジ込んで固定したり、あるいは外したりすることができる。
【００３２】
ボックス１２及びピン１８は拡大されており、硬化固定合金のビーズ２４を溶着させるために、ドリル・パイプ１４のほか径より大きな外径を有する外部円筒型表面２２を有している。
【００３３】
図１及び２と対応する参照番号に符号ａが付されている図３及び４で、図３及び４のツール・ジョイント１０ａは、ボックス１２ａ及びピン１８ａの外部円筒型表面２２ａから円周帯領域の材料を取り除くか、あるいは最初から小さな直径部分２２ａで形成されるかのいずれかで円筒型部分２６が小さくなっていること、そしてビーズ２４ａの硬化固定合金がそのスペースに溶着されていて、溶着された硬化肉盛がボックス１２ａ及びピン１８ａの外部円筒状面によってかなりフラッシュされることを除けば、図１及び２のツール・ジョイント１０と同じである。
【００３４】
図５で、ドリル・パイプ（図示していない）のストリングを接続するためにピン３４及びボックス３６を有する細長い円筒型あるいはパイプ状構造体３２を有する本発明によるスタビライザ３０が示されており、このスタビライザは井戸孔（図示せず）内でドリル・パイプを安定化させるために本体３２から外側に延びたスタビライザ・リブ３８を有しており、そのスタビライザ・リブ３８に硬化固定合金２４ｂが溶接されている。
【００３５】
ツール・ジョイント、スタビライザ、及びその他の工業製品の表面寿命を延長させるための本発明による方法は、それらを約１００℃（２１２ｏＦ）−約４００℃（７５２ｏＦ）の範囲の温度に予備加熱するステップと、そして、オープン・アーク、ガス密封又はサブマージ・アーク内で筒状ワイヤを用いて本発明による硬化固定合金の１つの層２４、２４ａ、及び２４ｂを、ツール・ジョイント１０及び１０ａ（図１，２）のボックス１２あるいは１２ａの外部円筒型表面２２又は２２ａ、ピン１８（図３及び４）とスタビライザ・リブ３８（図５）の外部円筒型表面２２に硬化肉盛又は硬化固定するステップと、そして、それらをゆっくりと冷却して、オーステナイトからマグネサイトに構造的に転換させるようにするステップで構成されている。通常、硬化固定合金の溶接ビーズ２４はその合金特性に対するロスを伴わず、厚みが３／３２−１／４インチの範囲であり、そして単層又は二層で溶着させることができる。望ましい場合、溶接ビーズ２４の表面２２ａはボックス１２ａの表面によってかなりフラッシュされ、約３／３２インチ厚みの物質が除去される。
【００３６】
予備加熱温度レベルは表面固定されるべき構成部品のサイズと、関連する基質金属の性質によって決められる。一般的には、サイズが大きければ大きいほど、そして基質金属の力が高ければ高い程、より高い予備加熱温度レベルが必要になる。予備加熱は均一な厚み及び温度分布を確実に実現できるようないかなる手段によってでも実行することができる。ガス・バーナーの利用は今日の段階で最も広く利用されている方法で、誘導加熱も用いることができる。予備加熱温度の制御は熱クレヨン（最もレベルの低い方法）、接触サーモカップル、あるいは均等赤外線非接触装置（最もレベルの高い方法）などの高温技術を用いて実行される。誘導加熱は適用可能であるが、より複雑で高価な方法である。冷却の制御は断熱ブランケット内に硬化表面部品を包むか、あるいはそれをキャニスタ内に入れることによって非常に簡単に実施することができる。種々のサイズ及び基材に対する予備温度範囲の例は以下の実施例１、２、及び３に示してある。
【００３７】
【実施例】
実施例１
予備加熱温度は通常１００−４００℃の範囲である。
ＡＩＳＩ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）４１３７スチール・ツール・ジョイントを硬化固定するために、好ましい予備加熱範囲は以下の表２に示すとおりである。
【００３８】
【表２】
2004503386.tif 000003
＊　このサイズのツール・ジョイントの壁厚は通常のツール・ジョイントよりずっと小さい。
【００３９】
実施例２
ＡＩＳＩ４１４５−ＨＴ鋼ツール・ジョイントを硬化固定するための好ましい予備加熱温度範囲を以下の表３に示す。
【００４０】
【表３】
2004503386.tif 000004
＊　このサイズのツール・ジョイントの壁厚は通常のツール・ジョイントよりずっと小さい。
【００４１】
実施例３
ＡＩＳＩ１３４０−ＨＴ鋼ツール・ジョイントを硬化固定するための好ましい予備加熱温度範囲を以下の表４に示す。
【００４２】
【表４】
2004503386.tif 000005
＊　このサイズのツール・ジョイントの壁厚は通常のツール・ジョイントよりずっと小さい。
【００４３】
上に述べた実施例は示された適用例の場合の予備加熱温度の代表的な事例を示すもので、硬化肉盛されるべき構成部品のサイズと単純な実験で決めることができる基質材料の性質に基づく他の予備加熱温度の例として役立つものである。
【００４４】
２テンプステックス（熱クレヨン）などの他の測定手段を用いることもできるが、予備加熱温度は接触電子高温計で測定され、これらはすべて市場で入手することができる。
【００４５】
図９で、予備加熱システムで有益な手段は電磁誘導コイル４０であり、その内部にドリル・パイプ１４あるいはスタビライザ３０のツール・ジョイント１０のボックス１２又は１２ａ及びピン１８又は１８ａを入れて、電源４４から回線４２を通じて電気的エネルギーあるいは電力を受け取るようになっている。これらの電磁誘導コイルは市場で簡単に入手することができ、これ以上の説明はここでは不必要であろう。
【００４６】
図１０に予備加熱システムのためのガス・トーチ４６が示されており、これはライン４８及び５０を通じて酸素ガス・ボトル５２及びプロパン・ボトル５４から酸素及びプロパンを供給するトーチ・ワンド４７を含んでいる。このトーチ４６は携帯用で、このトーチ・ワンド４７からの炎５６が溶接されるボックス、ピン、あるいはスタビライザを予備加熱し、この図ではツール・ジョイント１０がドリル・パイプ１４に接続された状態が示されている。
【００４７】
硬化肉盛の層を溶接面に溶接した後の冷却条件はオーステナイトからマルテンサイトへの最適転化速度を確実に実現できるのに十分な程度にゆっくりしたものでなければならない。こうしたゆっくりした冷却速度はその溶着された合金の表面を溶接直後に断熱性ブランケットで包み、そしてさらに空気中で大気温度まで冷却させることによって達成することができる。そうした断熱ブランケットは市販商品で、すべてＨｏｕｓｔｏｎ， Ｔｅｘａｓ， Ｕ．Ｓ．ＡにあるＷｅｌｄｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｏｆ Ｔｅｘａｓ， Ｕｎｉｔｅｄ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｓｕｐｐｌｉｅｓ，及びＷｉｌｌｉａｍ Ａｌｌｏｙ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｉｎｃ．から市販されている。
【００４８】
ゆっくりした冷却速度のためのもうひとつの好ましい手段は図１１に示されているキャニスタの使用である。円筒型キャニスタ５８はツール・ジョイント１２の溶接ボックス１２を挿入することができるようなサイズの閉鎖端部６０を有している。この閉鎖端部６０はドリル・パイプ１４を通じての空気の流れを防ぎ、空気中でもゆっくりした冷却が起きるようにしている。図示していないが、ツール・ジョイント１０の予備加熱され溶接されたピン部材２０は同様の方法で冷却することができる。キャニスタ５８は軟鋼でできている。キャニスタ５８は市場で簡単に入手することができ、ここではこれ以上の説明は不要であろう。
【００４９】
図６で、溶接可能合金組成物の芯６４を有する筒状係合シーム・ワイヤ６２が示されている。図７に、芯６４ａを有する筒状オーバーラップ・ジョイント・シーム・ワイヤ６２ａが示されている。両方の有芯筒状ワイヤ６２及び６２ａで、芯６４と６４ａは金属有芯と呼ばれる金属粉末でできているか、あるいはフラックス有芯と呼ばれる金属及び鉱物粉末の混合物でできている。それぞれの場合に、鉄ワイヤで芯化された粉末は本発明による硬化肉盛あるいは硬化固定合金の合金組成物を構成する。有芯ワイアは先行技術や産業界で周知であり、ここではさらに説明する必要はないであろう。
【００５０】
土壌物質あるいはケイ酸質その他の物質による磨耗が上記硬化肉盛の一定のエリアを磨耗させてしまうような状態で長期間にわたって使用された後、ツール・ジョイント１０のボックス１２やピン２０及びスタビライザ３０のスタビライザ・リブ３８に対して重大な損傷を及ぼすことなく、追加的な損傷を及ぼすことなく上に述べたように追加的な硬化固定を行うことができる。
【００５１】
本発明の方法に役立つ装置を図式的に示している図８で、この装置６４はリール６６、それに巻きつけられ、ガイド・チューブ７０を通じて硬化肉盛あるいは硬化固定されるべき工業用製品７２までワイヤ駆動モータ６８によって駆動される有芯ワイヤ６２（あるいは６２ａ）で構成されている。直流、低電圧電源装置７４が電源ケーブル７６を通じて上記工業用製品７２に電気的エネルギーを送り、さらに電源ケーブル８０を通じて電圧計８２と電圧制御装置８４に電力を送る。電源ケーブル８５は上記電圧計に電源を送ると同時に、電源ケーブル８６を通じてガイド・チューブ７０と有芯ワイヤ６２又は６２ａに電源を提供する。
【００５２】
ガス・シールディングについては図式的に示してあるが、使用したい場合、ガスはガス・シールディング源９０からガス・チューブ９２を介して制御スイッチ９８とガイド・チューブ９９に送られ、それを必要とする電極のシールディングが行われる。
【００５３】
そうした装置は当業者には周知であるから、上記合金組成物のワイヤ６２を硬化肉盛あるいは硬化固定されるべき表面に溶接するための装置についてこれ以上の説明は不必要であろう。
【００５４】
本発明は特にツール・ジョイント及びスタビライザの硬化固定に向いているが、構造部材、プロセス構成部材、磨耗耐性プレートなど、硬化固定あるいは硬化肉盛を必要とするどんな表面に対してでも用いることは可能である。
【００５５】
従って、本発明は上記の目的と課題を達成するのに向いていると同時によく適合しており、そして本明細書で述べたような利点と特徴を備えている。
【００５６】
開示の目的で本発明の現段階での好ましい実施の形態について上に述べたが、添付請求項の範囲で定義される本発明の精神の範囲内で変更は可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による肉盛硬化固定部を有するツール・ジョイントのボックスの一部縦方向断面図。
【図２】
図１と同様の図で、本発明により肉盛硬化固定部を有するツール・ジョイントのピンを示す図。
【図３】
図１と同様の図で、本発明によるツール・ジョイントのボックスのフラッシュ硬化固定を示す図。
【図４】
図１と同様の図で、本発明によるツール・ジョイントのピンのフラッシュ硬化固定を示す図。
【図５】
本発明によって硬化固定されたスタビライザを示す縦方向図。
【図６】
係合シーム・ジョイントを有する有芯ワイヤの断面図。
【図７】
オーバーラップ・シーム・ジョイントを有する有芯ワイヤの断面図。
【図８】
オープン、ガス密封あるいはサブマージ・アーク内で上記硬化肉盛合金の有芯ワイヤを溶接するのに適した装置を示す図。
【図９】
溶接を行うために上記ピン、ボックス、及びスタビライザを予備加熱のための電磁誘導コイルを示す予備加熱システムを示す図。
【図１０】
上記ピン、ボックス、及びスタビライザを予備加熱するためのガス・トーチを示す図。
【図１１】
キャニスタの断面図。予備加熱及び溶接後にボックスを冷却するのに有益な予備過熱されたボックス及び溶接されたボックスと共に示されている。
【図１】
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【図２】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成13年10月5日(2001.10.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐磨耗性にすべき表面に溶接するための硬化肉盛合金において、
重量で約０．６５−約１．１パーセントの炭素、約４．５−約１０．５パーセントのクロミウム、約０．０５−約１．０パーセントのモリブデン、及び残りを鉄で構成され、不純物としての微量元素を含み、
上記合金が約４８Ｒｃ（４５５ＢＨＮ）−約５２Ｒｃ（５１２ＢＨＮ）の範囲の硬度を有することを特徴とする硬化肉盛合金。
【請求項２】
表面が磨耗に曝される工業用製品において、
そうした磨耗に曝される表面に請求項１の硬化固定合金の層が溶着されていることを特徴とする工業用製品。
【請求項３】
ドリル・パイプを接続するためのツール・ジョイントにおいて、上記ツール・ジョイントが円筒型の構造体と、上記ドリル・パイプより大きな直径を有する円筒型の外面を有する内側にネジ溝を切ったボックスと、外側にネジ溝を切ったピンを有しており、
上記ボックスとピンの一方あるいは両方の円筒型外面に少なくとも１つの層の請求項１の硬化肉盛合金が溶着されており、
それによって、ケイ酸質物質による磨耗に対する表面耐性を提供することを特徴とするツール・ジョイント。
【請求項４】
請求項３のツール・ジョイントにおいて、
上記ボックス又はピンの一方又は両方の円筒型外面がその長さ方向のかなりの部分に沿って延びた直径が小さくなっている部分を有しており、さらに、
上記硬化肉盛合金の層が上記ボックス又はピンの一方又は両方の上記直径が小さくなっている部分に溶着されていることを特徴とするツール・ジョイント。
【請求項５】
請求項２の工業用製品において、
円筒型構造体と内部にネジ溝を切ったボックス及びドリル・パイプのストリング内に接続するための外部にネジ溝を切ったピンを有するスタビライザと、
井戸孔内でドリル・パイプのストリングを安定化するのに有効な、上記円筒型構造体の外面から延びた、磨耗をうける外面を有するスタビライザ・リブと、
磨耗を受ける上記スタビライザ・リブの外面に溶着された請求項１の硬化肉盛合金の層
で構成される工業用製品。
【請求項６】
ケイ酸質物質による磨耗を受ける工業用製品の寿命を延長するための方法において、
請求項１の硬化肉盛合金の層をその磨耗を受ける工業用製品の１つ以上の表面に溶着するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項７】
ケイ酸質粒子による磨耗に曝される表面を有する１つ以上の構成部材を有する工業用製品の寿命を延長するための方法において、
上記１つ以上の構成部材を予備加熱するステップと、
上記１つ以上の構成部材の表面に重量で約０．６５−約１．１パーセントの炭素、約４．５−約１０．５パーセントのクロミウム、約０．０５−約１．０パーセントのモリブデン、及び残りを鉄で構成され、不純物としての微量元素を含む硬化肉盛合金の層を溶着するステップを含み、
上記合金が約４８Ｒｃ（４５５ＢＨＮ）−約５２Ｒｃ（５１２ＢＨＮ）の範囲の硬度を有しており、さらに
上記硬化肉盛合金の層が溶着された上記１つ以上の構成部材を冷却するステップを含み、
上記予備加熱及び冷却ステップがオーステナイトをマルテンサイトに構造的に転換し、それによって上記１つ以上の構成部材にひび割れのない硬化肉盛表面を提供する上で有効であることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７の方法において、
磨耗性損傷を受ける上記工業用製品表面がドリル・パイプ・ツール・ジョイントのボックスとピン部材、及びスタビライザによって構成される群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項９】
ドリル・パイプを接続するためのツール・ジョイントの寿命を延長するための方法において、上記ツール・ジョイントが外部円筒型部分と内部接続ピンを有する接続可能なネジ溝を切ったボックスと、それに隣接した外部円筒型部分を有しており、
上記ボックスあるいはピン、又はその両方の少なくとも１つの外部円筒型部分を約１００℃−約４００℃に予備加熱するステップと、
上記耐摩耗性硬化肉盛合金の層を上記ボックスあるいはピン、又はその両方の外部円筒型部分に溶着すると同時に、約１００℃−約４００℃に予備加熱するステップとを含み、
上記硬化肉盛合金が重量で約０．６５−約１．１パーセントの炭素、約４．５−約１０．５パーセントのクロミウム、約０．０５−約１．０パーセントのモリブデン、及び残りを鉄で構成され、不純物としての微量元素を含み、
上記合金が約４８Ｒｃ（４５５ＢＨＮ）−約５２Ｒｃ（５１２ＢＨＮ）の範囲の硬度を有しており、さらに、
硬化肉盛合金の層内でオーステナイトをマルテンサイトに構造的に転換してそれによって硬化肉盛された表面をケイ酸質物質による磨耗に対して耐性するために、ボックス又はピンの一方あるいは両方に硬化肉盛合金の層が溶着された上記外部円筒型部分を冷却するステップ
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９の方法において、上記ネジ溝付きボックスが上記ドリル・パイプより大きな直径と上記外部円筒型ボックスに凹部部分を有しており、
上記硬化肉盛合金の層をほぼその長さに沿って延び、上記ネジ溝付きボックスの外面とほぼ同一平面上にある上記外部円筒型部分の凹部部分に溶着するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
上記ネジ溝付きピンが上記ドリル・パイプより大きな直径と上記ピンの外部円筒型部分の凹部部分を有していることを特徴とする請求項９記載の方法において、
上記硬化肉盛合金の層をほぼその長さに沿って延び、上記ネジ溝付きボックスの外面とほぼ同一平面上にある上記外部円筒型部分の凹部部分に溶着するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項６記載の方法に置いて、上記請求項１の硬化肉盛合金の層を溶接するステップがオープン・アーク、ガス密封あるいはサブマージ・アーク筒状ワイヤによって行われることを特徴とする方法。
【国際調査報告】
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