JPH0314882B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は金属物体の空所、特にマツドポンプラ
イナーの空所の被覆又は被着に関する。 従来の技術 金属物体の内部空所は金属物体自体よりも腐
蝕、酸化、摩耗に耐性のある被覆の被着を必要と
する。この必要性を生ずる場合は、空所内の高温
及び腐蝕性液への露出、ピストン等内部機械部材
の摩耗作用がある。金属物体の例として油井のさ
く井に使用されるマツドポンプのライナーがあ
る。マツドポンプは油井又はガス井のさく井流体
循環装置の一部であり、回転さく井作業用の主構
成部分５種の中の１種である。他の部分は、ドリ
ルストリングとビツト、昇降装置、動力設備、ブ
ローアウト防止装置である。 さく井流体は通常マツドと称し、通常は水と腐
蝕防止剤を含む各種化合物と、密度を増すための
重晶石等の固体粒子から成る。この流体はドリル
管の中を下方に流れビツトの底部からドリル管と
孔との間の環状スペースを上方に連続的に循環す
る。この駆動力はマツドポンプが生ずる。 マツドポンプライナーは厚い壁の管部分であ
り、外径に１個又は２個のリテーナーリングを有
する。ライナーの使用寿命は内面の耐摩耗性によ
つて定まる。それ故、ライナーの内面に耐摩耗性
被覆をするのが望ましい。内面被覆層はゴムピス
トンによる滑動摩耗を受け、ゴムは摩耗しゴムを
支持する金属構造物がライナー被覆と接触して摩
耗を加速する。被覆材料はドリル流体からの腐蝕
を受け、周期負荷による金属疲労を特にピストン
運動の方向が急激に変化する部分に生ずる。更
に、被覆の微小部分が急激な加圧減圧を受ける。
この作動条件は被覆材料の厳格な冶金上の要求を
課する。理想的被覆材料は高硬度、高耐蝕性、高
衝撃及び疲労強度を有する。この特性は均等な微
細粒子構造によつて得られ、多年ポンプライナー
の製造者が求めた材料である。 市販のマツドポンプライナーの外側の厚い壁の
部分は通常は炭素鋼又は低合金鋼製であり、ライ
ナー被覆は大部分は鉄と28％クロム合金の鋳造ス
リーブである。スリーブ鋼管部分に遠心鋳造する
か、別の管として鋳造して外側管に締りばめと
し、次に機械加工して平滑に仕上げる。この製造
過程は時間と費用がかゝり、鋳造金属の顕微鏡構
造は化学的に不均一であり、鋳造に際して合金内
に含まれる元素が自然の放出を凝固過程間に行な
う。更に、鋳造過程を可能にするために、被覆の
厚さは著しく厚い。ポンプライナー以外の金属物
体内の被覆も同様な特性であり、同じ欠点を生ず
る傾向がある。 粉末金属をほゞ100％密度に団結して外側鋼外
殻に接着した被覆層は、化学的に均等であり、微
細粒子による高靭性のため最も優れた金属顕微鏡
構造を有する。しかし、現在の粉末金属層施工の
方法は不満足であり、多孔性の酸化物で汚損され
た層を形成して外殻に機械的に接着したスプレー
被覆の例、又は外殻に表面的に機械的に接着した
融着被覆の例がある。現在の粉末冶金技法は本発
明の要求する製品を得るためには不満足である。 発明の解決すべき問題点 本発明の主目的は金属ライナー及び金属物体の
空所内面を被覆する粉末金属被覆方法と装置とを
提供し、上述の問題点、欠点を克服するにある。 更に、本発明はポンプライナー及び油井マツド
ポンプ用に使用する内面被覆管セグメントの製造
のための各種材料の組合せを提供する本発明の処
理技法を適用し得る他の多くの製品がある。 問題点を解決するための手段 本発明による金属物体の空所内面を被覆する方
法は、(a)金属粉末、あるいは、金属粉末に金属の
酸化物の粉末、金属の硼化物の粉末及び金属の炭
化物の粉末からなる群から選択された少なくとも
１種の粉質の粉末を配合した混合粉末の層を上記
内面に施し、(b)圧力伝達及び流動可能の粒子を空
所に充填して層に接触させ、(c)粒子を加圧して粉
末物質層に層の固結のための十分な圧力伝達を行
なう。 粒子の加圧は通常は粒子に主軸線に沿つて力を
伝達することによつて行ない、層は軸線を中心と
して延長し軸線から離れている。この場合、力は
粒子によつて伝達されて軸線から離れて層に向
う。このために、本発明によつてダイスを準備
し、ダイスは物体を収容する第１の室と、空所内
の粒子に連通する粒子を収容する第２の室とを有
し、第２の室内の粒子の加圧によつて空所内の粒
子を加圧し、第２の室内の粒子から圧力は層から
離れた第１の室内中央部の粒子のみに伝達され
る。他の実施例によつて、金属物体は円筒形と
し、層は物体の円筒内面に施し、物体は例えばマ
ツドポンプのライナーとする。 本発明による金属物体の空所内面を被覆する装
置に、被覆を内面上の粉末物質から成り、該粉末
金属層は、金属粉末、あるいは、金属粉末に金属
の酸化物の粉末、金属の硼化物の粉末及び金属の
炭化物の粉末からなる群から選択された少なくと
も１種の物質の粉末を配合した混合粉末の層であ
る場合に、(a)層に接触して空所内に充填した圧力
伝達及び流動可能の粒子と、(b)粒子を加圧して粉
末物質層を団結させるに十分な圧力を伝達する装
置とを備え、装置は粒子に主軸線に沿つて力を伝
達し、層は軸線を中心として離れ、力は粒子によ
つて伝達されて軸線から離れて層に作用する。 実施例 本発明を例示とした実施例並びに図面について
説明する。 第１図において、合金鋼のマツドポンプのライ
ナー１０は細長の管１１とし、端部に外向きフラ
ンジ１２を有する。管軸線１３、円筒内面１４を
示す。管１１は内部空所１５に面する内面を有す
る金属物体を代表する。 管即ち金属物体の被覆すべき内面を第１に洗浄
して酸化物層、グリース、ごみ等を除去する。次
に被覆物質の粉末と所要の不安定結合剤のスラリ
を使用して面をスラリで覆い、被覆１６を形成す
る。未焼成被覆はほゞ円筒形であり外面１６ａは
管面１４に接触する。被覆方法は、スプレー、ス
ラリ内浸漬、ブラシ塗り、へら塗布等とし、管の
ように内部空所が円筒形の時は部品を高速回転さ
せて内面に遠心力でスラリを拡げる。未焼成の弱
く保持された粉末物質と結合剤の混合物の厚さ
は、使用スラリの全量を制御することである程度
の制御ができる。被覆を望まない局部面は接着剤
テープ１７を使用してマスクし、スラリ被覆完了
後に除去する。未焼成被覆面を室温附近で乾燥
し、次に1600〜2300〓（約900〜1300℃）に加熱
し、加圧下で被覆物質の粉末が容易に変形する温
度とする。大部分の材料については炉雰囲気は不
活性又は還元性とし、粉の酸化を防ぐ。炉１８を
示し、例えばアルゴン又は窒素等の不活性ガスを
収容する。 第２図は次の過程を示し、軽く焼結層１１ａを
有するライナーを段付ダイス１１９内に収容し、
ライナーはダイス内壁１９ａ，１９ｂ内の第１の
室１９に嵌合する。ダイスの第２の室２０の絞り
直径D₁はマツドポンプライナー１１ａの未焼成
内径D₂に等しく又は小さくする。これによつて、
加圧過程内の大きな横圧力の下で粉末物質未焼成
装置１１ａの比較的剪断のない圧力が作用する。 第３図に示す通り、ダイスとポンプライナーの
空所に被覆粉の団結温度以上の温度とした耐火物
粉２２を充填した後に、プレス２１によつて加圧
を行なう。ラム２３からの圧力は耐火物粉の粒子
内に生ずる水平圧力によつてライナーに伝達され
る。この時、第２の室２０は第１の室１９に同一
軸線であり、第２の室の断面積は第１の室の断面
積より小さいため、圧力は第２の室内の粒子２２
ａから第１の室内粒子２２ｂの中央部、即ち層１
１ａから離れた部分のみに伝達される。それ故、
空所１９内の粒子の横圧力は第２の室内で長手方
向に加圧される粒子によつて定まり、層１１ａを
破壊する剪断力は作用しない。 耐火物粒子を使用して粉末物質を団結させて
ほゞ剛性とすることは米国特許第3356496号、
3689259号に記載がある。本発明はそれ故、両特
許の改良であるが、本発明によつて新らしいダイ
スの設計と、垂直方向荷重による水平加圧への変
換を示す。垂直作用力が耐火物粒子によつて直接
伝達された時に生ずる剪断力による粉末被覆層の
剥離を避けるための臨界関数は剪断部を被覆から
離すダイス形状によつて定まる。 実施例 多数の実験を行なつた鋼管セグメントは長さ
1.5in（約38mm）外径2in、3.25in（約50mm、80mm）
厚さ0.25in（約６mm）とし、上述の過程を行なつ
た。この目的は管を変形させることなく、数種の
選択した耐摩耗粉末金属合金で被覆することであ
る。実験用のダイスは第２，３図に示す形状とし
た。 第１の例では、被覆材料はステライト合金
（98.5重量％）＃１粉末（第１表２行）に1.5重量
％の酢酸セルローズとアセトンを混合し、混合物
に十分な流動性を興える。この混合物を500r.p.m
で回転して薄い、約1/10in（約2.5mm）の未焼成被
覆を長さ外径長さ1.5×3.25×0.25in（約38×80×
６mm）の管内面に形成した。管を室温で１夜乾燥
し、2250〓（約1250℃）に14分加熱した。炉雰囲
気は水素とした。管をダイス空所に置いた直後
に、別の炉内で2300〓（約1300℃）に加熱した耐
火物粒子を注入し、プレスラムによつて粒子を加
圧した。最大圧力45ton／in²（約7ton／cm²）を約
10秒作用し、加圧サイクルを完了して圧力を解放
した。ダイスを内容物を排出する位置に移した。
この例では、ステライト合金＃１の被覆は完全で
あり、ステライト粉末は団結して理論密度の約
100％となつた。結合介面の顕微鏡写真を第４図
に示す。 第２の例はステライト合金＃６（第１表３行）
を被覆粉末として使用した。上記の例のすべての
パラメータを使用し、炉雰囲気は水素でなく窒素
とした。横方向の冷却亀裂を被覆に生じた他は被
覆と鋼管との間に良い結合が得られ粉末は十分に
団結した。管寸法は最初の寸法の0.5％以内の差
であつた。代表的被覆顕微鏡写真を第５図に示
す。 第３の例は40％のデロロ60と60％のタングステ
ンカーバイドの混合物（第１表４行）を処理し、
1900〓（約1050℃）45Tsi（7ton／cm²）で鋼管に
結合した。上述と同様に1.5％のアセテートとア
セトンを使用した。鋼管面被覆の代表的顕微鏡写
真を第６図に示す。 各種被覆材料を使用して他の金属物体例えば
弁、管、さく岩ビツト等の内面空所の被覆は同様
に行ない得る。 この過程は基本的には同様であつても、各種の
変更が可能である。例えば、第２図のポンプライ
ナー等の物品とダイスとの間に絶縁材料を介挿し
て加圧前の熱損失を減少させる。 絶縁材料は例えばセラミツク、高密度グラハイ
ト、又は部品と共に加熱する金属とする。絶縁材
料が金属の時は、非結合耐火物粉分離材料を絶縁
材料上に施す。更にダイス自体を垂直方向に分割
したダイスとし、部品が単純円筒でなく複雑な形
状の時に部品を取付けるのを容易にする。他の変
更も行ない得る。 圧力伝達用粉末の組成は上述の特許に記載した
材料及び他の材料を使用可能である。

【表】 好適な例で、内張面は円筒形マツドポンプライ
ナーを形成し、円筒内面であり、層を形成する粉
末物質は次の組成から成る群から選択する。 (a) Co−Cr−Ｗ−Ｃ (b) Co−Mo−Cr−Si (c) Ni−Cr−Fe−Si−Ｂ (d) Ni−Mn−Si−Cu−Ｂ (e) Ni−Co−Cr−Si−Fe−Ｂ (f) Fe−Cr−Co−Ni−Si−Ｃ (g)Cu−Mn−Ni 好適な例で、層は30〜90重量％のタングステン
カーバイドと残部金属合金粉として次の組成から
成る群から選択した混合物とする。 (a) Co−Cr−Ｗ−Ｃ (b) Ni−Cr−Fe−Si−Ｂ (c) Cu−Mn−Ni (d) Ni−Co−Cr−Fe−Si−Ｂ (e) Fe−Cr−Co−Ni−Si−Ｃ

【図面の簡単な説明】

第１図はマツドポンプライナーの縦断面図、第
２図は未焼成被覆マツドポンプライナーを２重室
ダイス内に置いた縦断面図、第３図は第２図と同
様であるが高温粒子をダイスとライナー内に充填
しプレスする図、第４〜６図は本発明による鋼管
被覆の拡大断面図である。 １０……マツドポンプライナー、１１……管、
１２……フランジ、１４……管内面、１６……ス
ラリ、１８……炉、１９，２０……室、２２……
耐火物粉、２３……ラム、１１９……ダイス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a)金属粉末、あるいは、金属粉末に金属の酸
   化物の粉末、金属の硼化物の粉末及び金属の炭化
   物の粉末からなる群から選択された少なくとも１
   種の物質の粉末を配合した混合粉末の層を金属物
   体の空所内面に施し、(b)物体を収容する第１の
   室、及び、物体空所内と連通し、第１の室の断面
   よりも小さな断面を有する第２の室を設け、物体
   空所内及びそれに連通する第２の室に圧力伝達と
   流動可能の粒子を収容することによつて粒子を層
   に接触させ、(c)前記粉末層を団結させるのに十分
   な加熱下において、第２の室の粒子を加圧するこ
   とによつて圧力を第２の室内の粒子から第１の室
   内の層から離れた中央部の粒子のみに伝達して前
   記粉末層を団結させる十分な圧力伝達を行わせる
   ことを特徴とする金属物体の空所内面の被覆方
   法。 ２ 前記物体は円筒形とし、前記過程(a)は物体の
   ほぼ円筒形内面に層を形成する特許請求の範囲第
   １項記載の方法。 ３ 前記物体をマツドポンプライナーとする特許
   請求の範囲第２項記載の方法。 ４ 前記面に施す前記層は次の表に記載したもの
   の少なくとも１種に少量の不安定有機結合剤を混
   合する特許請求の範囲第１項記載の方法。 表 組 成 Co−28.5Mo−17.5Cr−3.4Si Co−30Cr−12.5W−2.5C Co−28Cr−4W−1.1C Ni−16Cr−4Fe−3.3B−4.2Si−0.7C＋92％以
   下のタングステンカーバイド Fe−35Cr−12Co−10Ni−5Si−2C＋92％以下
   のタングステンカーバイド Cu−37Mn−10Ni−0.5La＋92％以下のタング
   ステンカーバイド Ni−19Mn−6Si−0.5B−4Cu−0.03希土類＋92
   ％以下のタングステンカーバイド Ni−13Cr−20Co−2.3B−4Si−4Fe＋92％以下
   のタングステンカーバイド ５ 前記混合物は少なくとも97重量％の前記組成
   を有するものと、少なくとも1.0重量％の酢酸セ
   ルローズと炭化水素溶剤から成る群から選択した
   結合剤を含む特許請求の範囲第４項記載の方法。 ６ 前記層の厚さを、加圧の時に1/16インチ〜1/
   ８インチ（1.5〜３mm）の範囲とする特許請求の範
   囲第１項記載の方法。 ７ 前記層の粉末物質を次から成る群から選択
   し、 (a) Co−Cr−Ｗ−Ｃ (b) Co−Mo−Cr−Si (c) Ni−Cr−Fe−Si−Ｂ (d) Ni−Mn−Si−Cu−Ｂ (e) Ni−Co−Cr−Si−Fe−Ｂ (f) Fe−Cr−Co−Ni−Si−Ｃ (g) Cu−Mn−Ni 金属の酸化物、炭化物、硼化物から成る群から
   選択した硬質材料の混合粉を含む特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ８ 前記層が30〜92重量％のタングステンカーバ
   イドと次から成る群から選択した物質の粉末残部
   から成る (a) Co−Cr−Ｗ−Ｃ (b) Ni−Cr−Fe−Si−Ｂ (c) Cu−Mn−Ni (d) Ni−Co−Cr−Fe−Si−Ｂ (e) Fe−Cr−Co−Ni−Si−Ｃ 特許請求の範囲第１項記載の方法。 ９ 金属物体の空所内面に、金属粉末、あるい
   は、金属粉末に金属の酸化物の粉末、金属の硼化
   物の粉末及び金属の炭化物の粉末からなる群から
   選択された少なくとも１種の物質の粉末を配合し
   た混合粉末の層を被覆する装置であつて、 (a) 層に接触する圧力伝達及び流動性の粒子と、 (b) 物体及び前記流動性の粒子を収容する第１の
   室、及び、前記流動性の粒子を収容し、前記第
   １の室と連通しており第１の室の断面よりも小
   さな断面を有する第２の室を有し、かつ、前記
   第２の室内の粒子を加圧するための手段を具備
   する装置 とを備えることを特徴とする金属物体の空所内面
   の被覆装置。 １０ 前記装置は主軸線に沿つて粒子に力を伝達
   するプランジヤを含み、前記層は軸線を中心とし
   て延長して軸線から離れ、力は粒子によつて伝達
   されて軸線から離れて層に作用する特許請求の範
   囲第９項記載の装置。 １１ 前記物体をほぼ円筒形とし、前記層は物体
   の円筒内面に固着する特許請求の範囲第１０項記
   載の装置。 １２ 前記物体がマツドポンプライナーである特
   許請求の範囲第１１項記載の装置。 １３ 前記層の粉末物質は次から成る群から選択
   し、 (a) Co−Cr−Ｗ−Ｃ (b) Co−Mo−Cr−Si (c) Ni−Cr−Fe−Si−Ｂ (d) Ni−Mn−Si−Cu−Ｂ (e) Ni−Co−Cr−Si−Fe−Ｂ (f) Fe−Cr−Co−Ni−Si−Ｃ (g) Cu−Mn−Ni 酸化物、硼化物、炭化物から成る群から選択し
   た硬質材料の混合粉を含む特許請求の範囲第９項
   記載の装置。 １４ 前記層が前記粉末97重量％と、酢酸セルロ
   ースと炭化水素溶剤少なくとも１重量％の混合物
   から成る特許請求の範囲第９項記載の装置。