(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ部とねじ無し金属接触部とを含む接触表面をそれぞれ有するピンおよびボックスから構成される鋼管用ねじ継手の表面処理方法であって、溶媒中に樹脂と潤滑性粉末とを含む塗布液を、ピンとボックスの少なくとも一方の接触表面に塗布する工程、および塗膜を、７０℃〜１５０℃の温度範囲での一次加熱と１５０℃超〜３８０℃の範囲での二次加熱とから少なくとも構成される多段加熱により乾燥させて、該表面にＪＩＳ−Ｋ７２０２（但し、被着材厚みは２ｍｍ）に準拠して測定されたロックウェルＭスケールで７０〜１４０である固体潤滑被膜を形成する工程を含むことを特徴とする、鋼管用ねじ継手の表面処理方法。
【請求項２】
塗布工程の前に、塗布される接触表面を５０〜２００℃の温度に加熱する工程をさらに含む、請求項１記載の鋼管用ねじ継手の表面処理方法。
【請求項３】
形成された固体潤滑被膜のＳＡＩＣＡＳ法（表面−界面切削法）により求めた付着強度が５００Ｎ／ｍ以上である、請求項１または２記載の鋼管用ねじ継手の表面処理方法。
【請求項４】
ねじ部とねじ無し金属接触部とを含む接触表面をそれぞれ有するピンおよびボックスから構成される鋼管用ねじ継手において、ピンとボックスの少なくとも一方の接触表面に、二硫化モリブデンおよび／または二硫化タングステンからなる固体潤滑性粉末を樹脂中に含む固体潤滑被膜を備え、当該固体潤滑被膜は、その硬度がＪＩＳ−Ｋ７２０２（但し、被着材厚みは２ｍｍ）に準拠して測定されたロックウェルＭスケールで７０〜１４０であり、かつ、少なくとも２つの異なる温度での多段加熱により乾燥されたものであることを特徴とする、鋼管用ねじ継手。
【請求項５】
固体潤滑被膜のＳＡＩＣＡＳ法により求めた付着強度が５００Ｎ／ｍ以上である、請求項４記載の鋼管用ねじ継手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重金属粉を含むコンパウンドグリスを塗布せずに使用できるようにするために、油井管といった鋼管用ねじ継手の表面に、耐焼付き性、耐摩耗性、密着性に優れた固体潤滑被膜を形成するための表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油井掘削に用いられる鋼管である油井管は、鋼管用ねじ継手で締結される。このねじ継手は、雄ねじを備えたピンと、雌ねじを備えたボックスとから構成される。図１に模式的に示すように、通常は鋼管Ａの両端の外面に雄ねじ3Aを形成してピン１とし、別部材のスリーブ型の継手部材Ｂの内面に両側から雌ねじ3Bを形成してボックス２とする。図１に示す通り、鋼管Ａは、その一方の端部に予め継手部材Ｂを締付けた状態で出荷されるのが普通である。
【０００３】
鋼管用ねじ継手には、鋼管と継手の重量に起因する軸方向引張力や地中での内外面圧力などの複合した圧力に加え、地中での熱が作用するので、このような環境下でも破損せずに気密性 (シール性) を保持することが要求される。また、油井管の降下作業時には、一度締込んだ継手を緩め、再度締直して締結することがある。そのため、ＡＰＩ (米国石油協会) では、チュービング継手においては10回の、ケーシング継手においては３回の締付け (メイクアップ) 、緩め (ブレークアウト) を行っても、ゴーリングと呼ばれる焼付きの発生が無く、気密性が保持されることを求めている。
【０００４】
近年では、気密性向上の観点から、金属対金属接触によるメタルシールが可能な特殊ねじ継手が一般に使用されるようになっている。この種のねじ継手では、ピンとボックスのいずれも、雄ねじまたは雌ねじからなるねじ部に加えて、ねじ無し金属接触部を有しており、この両部分が接触表面となる。ピンとボックスのねじ無し金属接触部同士が当接して、金属−金属接触によるメタルシール部が形成され、気密性が向上する。
【０００５】
このようなねじ継手では、特に金属接触部の焼付きを防止するため、コンパウンドグリスと呼ばれる高潤滑のグリスが使用されてきた。液体潤滑剤であるこのグリスを、締付け前にピンとボックスの少なくとも一方の接触表面に塗布する。しかし、このグリスには有害な重金属が多量に含まれており、締付けに伴って周囲にはみ出たグリスを洗浄液で洗浄するが、この作業でコンパウンドグリスやその洗浄液が海洋や土壌に流出して環境汚染を引き起こすことが問題視されるようになった。また、締付けを繰り返すたびに必要となるグリス塗布と洗浄が、現場での作業効率を低下させるという問題もあった。
【０００６】
そこで、コンパウンドグリスの塗布が不要な鋼管用ねじ継手として、特開平８−103724号、特開平８−233163号、特開平８−233164号、特開平９−72467 号各公報には、ねじ部やねじ無し金属接触部 (即ち、接触表面) に、表面処理によって、樹脂と固体潤滑剤である二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンとからなる固体潤滑被膜を形成したねじ継手が開示されている。
【０００７】
これらの公報には、固体潤滑被膜と基材との密着性を高めるために、燐酸マンガン系化成処理被膜層、窒化層と燐酸マンガン系化成処理被膜層、５〜40μｍの凹凸を設けることも開示されている。特開平８−103724号公報には、固体潤滑被膜を形成する際の加熱ベーキング処理を 150〜300 ℃の温度範囲で20〜30分の加熱により実施することが開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
表面処理により固体潤滑被膜を形成して接触表面に潤滑性を付与したねじ継手を使用すると、コンパウンドグリスの塗布が不要となり、前述した環境問題や作業効率の問題は解消できるはずである。
【０００９】
しかし、上述した従来の表面処理により形成された固体潤滑被膜では、コンパウンドグリスを塗布した場合に得られるような高い焼付き防止効果が得られず、依然として締付け・緩めを数回繰り返すだけでゴーリングと呼ばれる焼付き疵を生じることがあり、焼付き防止効果が不十分であった。
【００１０】
さらに、近年、従来より高温の 250〜300 ℃の使用環境下で用いる高温油井や、原油回収効率を高める目的で臨界温度にも達する高温蒸気(350℃）を注入する蒸気注入油井に使用するため、耐熱性の鋼管用ねじ継手が要求されている。従って、鋼管用ねじ継手には、継手締結後に350 ℃前後の温度で耐熱試験を実施した後、緩め−再締結の作業を行っても、耐焼付き性や気密性が保証される性能が要求されるようになってきた。上述した従来の固体潤滑被膜は、特にこのような耐熱性継手に要求される性能を確保することが難しかった。
【００１１】
本発明は、耐熱性の鋼管用ねじ継手においても繰り返しの締付け・緩めの際の焼付きの発生を効果的に抑制することができる、耐焼付き性に優れた固体潤滑被膜を形成することができる、鋼管用ねじ継手の表面処理方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鋼管用ねじ継手の接触表面に形成した従来の固体潤滑被膜の耐焼付き性が不十分である原因が、被膜の硬度不足にあり、その硬度不足は、塗膜の乾燥が不十分であることに起因することを突き止めた。
【００１３】
ねじ継手の固体潤滑被膜は、一般に、揮発性の溶媒中に樹脂と潤滑性粉末 (例、二硫化モリブデン) とを含有させた塗布液をねじ継手の接触表面に塗布し、加熱して塗膜を乾燥 (ベーキング、焼付け) するという表面処理により形成される。従来技術のように 150〜300 ℃に加熱して塗膜を乾燥するだけでは、たとえ加熱時間を延長しても、溶媒を完全に蒸散させることができず、微量の溶媒や水分が被膜内に封じ込められ、これが内部欠陥となるため、十分な被膜の硬質化と耐摩耗性が得られないことがわかった。このような状態の固体潤滑被膜では、ねじ継手の締付けと緩めを繰り返すうちに、固体潤滑被膜が摩耗により消耗し、遂には被膜切れを起こして、金属−金属間接触を生じるに至り、焼付きを発生するのである。
【００１４】
そこで、固体潤滑被膜を完全に乾燥させ、より硬質で耐摩耗性が改善された被膜を形成する手段について探求した結果、乾燥を少なくとも２段階で実施し、まず低温で一次加熱を行った後、それより高温で二次加熱を行うことにより、従来技術のように一定温度で加熱する場合より硬度が高く、耐摩耗性と耐焼付き性に優れた固体潤滑被膜が形成されことを究明し、本発明に到達した。
【００１５】
本発明は、１側面において、
ねじ部とねじ無し金属接触部とを含む接触表面をそれぞれ有するピンおよびボックスから構成される鋼管用ねじ継手の表面処理方法であって、
溶媒中に樹脂と潤滑性粉末とを含む塗布液を、ピンとボックスの少なくとも一方の接触表面に塗布する工程、および
塗膜を、７０℃〜１５０℃の温度範囲での一次加熱と１５０℃超〜３８０℃の範囲での二次加熱とから少なくとも構成される多段加熱により乾燥させて、該表面にＪＩＳ−Ｋ７２０２（但し、被着材厚みは２ｍｍ）に準拠して測定されたロックウェルＭスケールで７０〜１４０である固体潤滑被膜を形成する工程
を含むことを特徴とする、鋼管用ねじ継手の表面処理方法である。
【００１６】
本発明の方法の１態様では、塗布工程の前に、塗布される接触表面を50〜200 ℃の温度に加熱する工程をさらに含む。
本発明の方法によれば、形成された固体潤滑被膜は、硬度がロックウェルＭスケールで70〜140 となり、SAICAS法 (表面−界面切削法) により求めた付着強度が500 N/m 以上となることができる。
【００１７】
本発明によれば、ねじ部とねじ無し金属接触部とを含む接触表面をそれぞれ有するピンおよびボックスから構成される鋼管用ねじ継手において、ピンとボックスの少なくとも一方の接触表面に、二硫化モリブデンおよび／または二硫化タングステンからなる固体潤滑性粉末を樹脂中に含む固体潤滑被膜を備え、この固体潤滑被膜は、その硬度がＪＩＳ−Ｋ７２０２（但し、被着材厚みは２ｍｍ）に準拠して測定されたロックウェルＭスケールで70〜140 であり、かつ、少なくとも２つの異なる温度での多段加熱により乾燥されたものであることを特徴とする、鋼管用ねじ継手もまた提供される。この固体潤滑被膜は、SAICAS法により求めた付着強度が500 N/m 以上であることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図２は、代表的な鋼管用ねじ継手の構成を模式的に示す概要図である。符号１はピン、２はボックス、３はねじ部、４はねじ無し金属接触部、５はショルダー部を示す。以下、ねじ無し金属接触部を単に金属接触部ともいう。
【００１９】
図２に示したように、典型的なねじ継手は、鋼管端部の外面に形成された、ねじ部３（即ち、雄ねじ部）及びねじ無し金属接触部４を有するピン１と、ねじ継手部材の内面に形成された、ねじ部３（即ち、雌ねじ部）およびねじ無し金属接触部４を有するボックス２とで構成される。ただし、ピンとボックスは図示のものに制限されない。例えば、継手部材を使用せず、鋼管の一端をピン、他端をボックスとしたり、あるいは継手部材をピン (雄ねじ) として、鋼管の両端をボックスとすることも可能である。
【００２０】
ピン１とボックス２のそれぞれに設けたねじ部３と (ねじ無し) 金属接触部４がねじ継手の接触表面である。この接触表面、中でも、より焼付きの起こりやすい金属接触部には、耐焼付き性が要求される。従来は、そのために、重金属粉を含有するコンパウンドグリスを接触表面に塗布していたが、前述したように、コンパウンドグリスの使用には環境面と作業効率の面で問題が多い。
【００２１】
この問題を解決するため、特開平８−103724号公報に開示されるように、溶媒中に樹脂と潤滑性粉末とを含む塗布液をピンとボックスの少なくとも一方の接触表面に塗布し、塗膜を 150〜300 ℃の温度に加熱して接触表面に固体潤滑被膜を形成した、コンパウンドグリスの塗布が不要なねじ継手が開発された。しかし、従来のこの種のねじ継手では、前述したように、固体潤滑被膜の耐摩耗性、特に高温での耐摩耗性が十分ではなく、締付け・緩めを繰り返す間に被膜が消耗してしまい、焼付き防止効果 (耐焼付き性) が不十分であった。
【００２２】
本発明によれば、塗膜の乾燥を少なくとも二段階で行う。即ち、まず低い温度範囲で一次加熱を行って、塗膜に流動性がある間に、溶媒や水分を確実に蒸散させる。その後、一次加熱より高い温度範囲で二次加熱を行って、溶媒や水分を蒸散させると、高硬度で耐摩耗性の高い固体潤滑被膜を形成することができる。
【００２３】
具体的には、塗膜の乾燥を、70〜150 ℃の温度範囲での一次加熱と、150 ℃超〜380 ℃の温度範囲での二次加熱、とから少なくとも構成される多段加熱により行う。加熱時間（温度保持時間）は、ねじ継手のサイズや形状に応じて適宜設定すればよいが、好ましくは、各段階とも20分以上、より好ましくは30〜60分である。
【００２４】
一次加熱の温度が70℃未満では、溶媒と水分を被膜内部から十分に蒸発させる効果が少なく、一方、150 ℃を超えると、溶媒と水分を被膜内部に残したまま固化するため、被膜の十分な硬質化と耐摩耗性を得ることができない。二次加熱の温度が150 ℃以下では、溶媒と水分を完全に被膜からに追い出すことができず、一方、380 ℃を超えると、固体潤滑被膜自体の耐熱性の関係から、逆に十分な硬度が得られなくなる。
【００２５】
溶媒や水分の蒸散性の観点から、一次加熱の温度範囲は80〜140 ℃であることが好ましい。被膜硬度の観点から、二次加熱の温度範囲は 180〜350 ℃であることが好ましい。
【００２６】
塗膜乾燥のための加熱は、少なくとも一次加熱と二次加熱から構成する。図３に、一次加熱と二次加熱とから構成される２段加熱の温度プロファイル (ヒートパターン) の例を示すが、図示のように、一次加熱の後、一旦冷却してから、二次加熱しても良いし、一次加熱の後、引き続き二次加熱を行っても良い。
【００２７】
さらに、一次加熱および／または二次加熱をそれ自体多段加熱とすることにより、３段階以上の温度で加熱を行うことも可能である。しかし、経済性の観点からは一次加熱と二次加熱から構成される２段加熱が望ましい。
【００２８】
また、一次加熱と二次加熱の両方、特に一次加熱については、図示のように、一定温度に温度保持するのではなく、温度をゆっくり上昇させながら加熱を実施してもよい。この場合、一次加熱については、70℃から150 ℃までの昇温に要した時間が20分以上であれば、本発明による一次加熱であると判定される。例えば、従来技術のように 150〜300 ℃の温度で加熱する場合、70℃から150 ℃への昇温に要する時間は一般に５分以内であり、本発明との相違は明らかである。
【００２９】
本発明に係る方法で固体潤滑被膜を形成するのに用いる塗布液は、溶媒中に結合剤となる樹脂と潤滑性粉末とを含有させた分散液である。樹脂は、使用する溶媒中に溶解するものが好ましいが、分散するものでもよい。
【００３０】
樹脂は、結合剤としての役割を果たすものであれば特に限定されない。耐熱性と適度な硬さと耐摩耗性を有するものが好適である。そのような樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、尿素（ウレア）樹脂、アクリル樹脂などの熱硬化性樹脂、ならびにポリアミドイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、シリコーン樹脂、ポリスチレン樹脂などの熱可塑性樹脂を例示できる。
【００３１】
本発明で用いる潤滑性粉末は、潤滑性を有する粉末であれば特に限定されないが、高負荷が加わることを考慮すると、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、黒鉛、窒化硼素、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）から選ばれた１種または２種以上の粉末を使用することが望ましい。これらのうち、特に好ましいのは、減摩効果の高い二硫化モリブデンおよび／または二硫化タングステンの粉末、あるいはこれに他の潤滑性粉末を混合した混合粉末である。
【００３２】
潤滑性粉末の平均粒径は、特に限定するものではないが、 0.5〜60μｍの範囲が好ましい。0.5 μｍ未満では、粉末同士が凝集し易くなり、塗布液中での均一分散が難くなり、潤滑性粉末が均一に分散した固体潤滑被膜が形成されず、耐焼付き性が不足することがある。一方、60μｍを超えると、固体潤滑被膜の強度が低下するため、焼付きの発生を抑制できないことがある。
【００３３】
樹脂と潤滑性粉末との配合比も特に制限されないが、通常は、樹脂と潤滑粉末の合計量に基づく質量％で、樹脂が10〜80％、潤滑性粉末が20〜90％の範囲内である。
【００３４】
塗布液の形成に用いる溶媒としては、炭化水素系（例、トルエン）、アルコール系（例、イソプロピルアルコール）をはじめとする、各種の低沸点溶媒を単独あるいは混合して用いることができる。本発明で用いる溶媒の沸点は150 ℃以下であることが好ましい。
【００３５】
固体潤滑被膜を形成するための塗布液は、溶媒、樹脂、および潤滑性粉末以外の成分を含有することができる。例えば、防錆剤その他として、亜鉛粉、クロム顔料、シリカ、アルミナ顔料の１種もしくは２種以上を添加することができる。また、着色剤を含有させて、形成された固体潤滑被膜を着色してもよい。また、分散剤、消泡剤、増粘剤等の１種または２種以上の添加剤を適宜含有させることができる。
【００３６】
上記の塗布液をピンとボックスの少なくとも一方の接触表面 (ねじ部とねじ無し金属接触部) に塗布する。塗布方法は、刷毛塗り、浸漬処理、エアースプレー法等の公知の適当な方法でよい。
【００３７】
塗布は、乾燥後の厚み (即ち、形成された固体潤滑被膜の膜厚) が５μｍ以上、50μｍ以下となるように行うことが望ましい。固体潤滑被膜に含まれる潤滑性粉末は、高い摺動面圧を受けて摩耗粉として接触面全体に広がり、優れた耐焼付き性を発揮するものであるが、その膜厚が５μｍ未満では、潤滑性粉末の含有量が少なくなり、潤滑性向上の効果が少ないことがある。一方、膜厚が50μｍより大きくなると、締付け量が不十分となり、気密性が不足したり、気密性を確保するために面圧を高めると焼付きが発生し易くなったり、潤滑被膜が剥離し易くなることがある。
【００３８】
塗布液が塗布されるピンおよび／またはボックスの接触表面は、本発明の効果を一層高めるため、表面粗さＲmax が、機械切削後の粗さ(3〜５μｍ）より大きな５〜40μｍとなるように粗面化しておくことが望ましい。塗布表面のＲmax が５μｍ未満では、固体潤滑被膜の密着性が低下し、一方、40μｍを超えると、摩擦が高くなり、固体潤滑被膜の摩耗を早め、繰り返しの締付け・緩めに耐えられないことがある。しかし、上記範囲でなくとも本発明の効果は得られることは言うまでもない。
【００３９】
粗面化の方法としては、サンドまたはグリッドを投射する方法、硫酸、塩酸、硝酸、フッ酸などの強酸液に浸漬して肌を荒らす方法といった、鋼表面それ自体を粗面化する方法に加え、鋼表面より粗面の下地処理層を形成して、塗布面を粗面化する方法も可能である。
【００４０】
このような下地処理の例としては、リン酸塩、蓚酸塩、硼酸塩等の化成処理被膜（生成する結晶の成長に伴い、結晶表面の粗さが増す）を形成する方法、銅めっきまたは鉄めっきのような金属の電気めっき (凸部が優先してめっきされるため、僅かであるが表面が粗くなる）を施す方法、鉄芯に亜鉛または亜鉛−鉄合金等を被覆した粒子を遠心力またはエアー圧を利用して投射し、亜鉛または亜鉛−鉄合金を被膜を形成させる投射めっき法、窒化層を形成する軟窒化法（例えば、タフトライド）、金属中に固体微粒子を分散させた多孔質被膜を形成する複合金属被覆法などが挙げられる。
【００４１】
固体潤滑被膜の密着性の観点からは、多孔質被膜、特にリン酸塩化成処理（リン酸マンガン、リン酸亜鉛、リン酸鉄マンガン、リン酸亜鉛カルシウム）や、投射めっきによる亜鉛または亜鉛−鉄合金の被膜が好ましい。密着性の観点からリン酸マンガン被膜、防錆性の観点から亜鉛または亜鉛−鉄合金の被膜がより好ましい。リン酸塩系化成処理被膜や投射めっきによって形成された亜鉛または亜鉛−鉄合金の被膜は、いずれも多孔質な被膜であるため、その上に固体潤滑被膜を形成すると、固体潤滑被膜の密着性が高まる。
【００４２】
下地処理層を形成する場合、その厚みに特に制約はないが、防錆性と密着性の観点から５〜40μｍであることが好ましい。５μｍ未満では、十分な防錆性が確保できないことがある。一方、40μｍを超えると、固体潤滑被膜との密着性が低下することがある。
【００４３】
塗布液の塗布を行う前に、形成される固体潤滑被膜の密着性を高める目的で、塗布する接触表面 (塗布基材) を、50〜200 ℃の温度に加熱 (予熱) しておくことが望ましい。この加熱温度が50℃未満では、密着性改善効果がほとんど得られない。一方、200 ℃を超えると、塗布された塗布液 (塗膜) の粘度が低下し、必要な厚みの固体潤滑被膜を形成しにくくなるほか、密着性もかえって低下するようになる。加熱保持時間は、鋼管ねじ継手のサイズに応じて適宜設定すればよいが、塗布作業の間、基材温度が上記範囲に保持されるようにすることが好ましい。塗布直前の基材温度が上記温度範囲であり、その後は温度保持せずに塗布を行うのでも、密着性の改善効果はある。
【００４４】
基材の加熱は、雰囲気炉や熱風等の公知の一般的な方法により実施できる。ボックスの加熱は、雰囲気炉内にボックスをいれて、表面を所定温度にするのが効率的かつ経済的である。ピンの加熱は、管端のねじ部のみを雰囲気炉内に入れるか、熱風で表面を所定温度に加熱すればよい。
【００４５】
前記塗布液を塗布した後の塗膜の乾燥は、前述したように、少なくとも一次加熱と二次加熱とから構成される多段加熱により行う。この加熱も、上記の予熱と同様の手段により実施できるが、一定温度範囲内での温度管理が必要であるので、熱風より、雰囲気炉での加熱が好ましい。炉の雰囲気は特に制限されないが、大気雰囲気で十分である。
【００４６】
本発明によれば、上記のように多段加熱により塗膜を乾燥することにより、硬質化した固体潤滑被膜を形成することができる。本発明における固体潤滑被膜は、JIS-K7202 に規定されるロックウェルＭスケールの硬度（以下、単にロックウェルＭ硬度という）で70〜140 の範囲の硬度を持つことが好ましい。被膜のロックウェルＭ硬度が70未満では、繰り返しの締付け・緩めの際の摺動摩擦によって被膜の摩耗が速く、耐焼付き性が不足することがある。一方、この硬度が140 を超えると、摩耗が少なすぎ、接触界面に焼付きを防止するに十分な潤滑性粉末を供給することができないことがある。耐摩耗性の観点から、被膜硬度のロックウェルＭ硬度は、より好ましくは90〜140 の範囲である。
【００４７】
潤滑性粉末として二硫化モリブデンおよび／または二硫化タングステンを使用した固体潤滑被膜は、従来の一段加熱による乾燥法では、ロックウェルＭ硬度が50程度であった。本発明によれば、潤滑性粉末が二硫化モリブデンおよび／または二硫化タングステンを含有する固体潤滑被膜を有する鋼管用ねじ継手において、被膜硬度がロックウェルＭ70〜140 のものを提供することが可能となる。
【００４８】
鋼管用ねじ継手における固体潤滑被膜は、締付け・緩め時に高荷重下でせん断応力を受けるため、密着性が低いと剥離してしまい、焼付き防止効果を十分に発揮することができないので、密着性に優れていることが求められる。
【００４９】
被膜の密着性の評価方法には多様な方法がある。簡便でよく知られた方法は、いわゆる碁盤目試験である。しかし、ねじ継手の固体潤滑被膜には、碁盤目試験で測定できるよりずっと高い密着性が求められるので、この試験法は採用できない。
【００５０】
本発明者らは、ねじ継手に施す固体潤滑被膜の密着性（耐剥離性）が、「塗装技術」1995年４月号 123〜135 頁に詳述されているSAlCAS法 [表面−界面切削法(Surface and Interfacial Cutting Analysis System] により測定される付着強度によって定量的に把握でき、この値が一定以上であれば、被膜硬度が高くても、締付け・緩め中の固体潤滑被膜の剥離が防げることを見い出した。
【００５１】
SAICAS法では、被膜が付着している基体を水平方向に移動させながら、鋭利な切刃を荷重下で被膜表面に押し付けて、被膜を表面から基体との界面まで斜めに切断し、界面に達した後は荷重を調整して切刃を水平に界面移動させる。この界面移動時の剥離幅 (切刃の幅) 当たりの剥離力(N/m) として被膜の付着強度を求めることができる。SAICAS法のための測定装置は、ダイプラ・ウィンテス社よりSAICASなる商品名で市販されている。
【００５２】
本発明の好適態様においては、基材であるねじ継手の接触表面に形成された固体潤滑被膜は、SAICAS法により測定して500 N/m 以上の付着強度を有する。基材への付着強度が500 N/m 未満では、十分な焼付き防止効果を発揮することができないことがある。
【００５３】
本発明に従って多段加熱により乾燥させた固体潤滑被膜は、従来の乾燥法によるものに比べて、付着強度も改善される傾向があるが、必要であれば、前述した基材の粗面化および／または予熱を行うと、形成された付着強度をさらに改善することができる。
【００５４】
固体潤滑被膜は、ピンとボックスの一方の接触表面に形成するだけでも本発明の目的は十分に達成できるので、コスト面からは、これらのいずれか一方だけに形成することが有利である。その場合、ボックスの方が被膜の形成作業、特に加熱が容易である。固体潤滑被膜を形成しない他方の部材（好ましくはピン）の接触表面は、未被覆のままでもよい。特に、図１のように、組立て時にピンとボックスが仮に締付けられる場合には、他方の部材、例えば、ピンの接触表面が裸（切削加工まま）でも、組立て時にボックスの接触表面に形成された被膜と密着するので、ピンの接触表面の錆びも防止できる。固体潤滑被膜は接触表面の一部だけ、好ましくは金属接触部だけに形成してもよい。
【００５５】
しかし、組立て時に鋼管の一方の端部のピンだけにボックスが取り付けられると、他端のピンは露出したままとなる。そのため、特にこのような露出するピンに対して防錆性、あるいは防錆性と潤滑性を付与するために、適当な表面処理を施して被膜を形成することができ、および／またはプロテクタで保護することもできる。もちろん、他方の接触表面が露出しない場合でも、この表面に被膜を形成してもよい。
【００５６】
本発明に従って表面処理した鋼管用ねじ継手は、コンパウンドグリスを塗布せずに締付けられるが、所望により、固体潤滑被膜または相手部材のねじ部およびねじ無し金属接触部に油を塗布してもよい。その場合、塗布する油に特に制限はなく、鉱物油、合成エステル油、動植物油などのいずれも使用できる。この油には、防錆添加剤、極圧添加剤といった、潤滑油に慣用の各種添加剤を添加することができる。また、それらの添加剤が液体である場合、それらの添加剤を単独で油として使用し、塗布することもできる。
【００５７】
防錆添加剤としては、塩基性金属スルホネート、塩基性金属フェネート、塩基性金属カルボキシレートなどが用いられる。極圧添加剤としては、硫黄系、リン系、塩素系、有機金属塩など公知のものが使用できる。その他、酸化防止剤、流動点降下剤、粘度指数向上剤なども油に添加することができる。
【００５８】
【実施例】
表１に示す炭素鋼Ａ、Cr−Mo鋼Ｂ、13％Cr鋼Ｃまたは高合金鋼Ｄからなる鋼管（外径：７インチ<178 mm>、肉厚：0.408 インチ<10.4 mm>)のねじ継手のピンおよびボックスの接触表面に、表２に示す番号１〜５のいずれかの表面処理 (下地処理と場合により固体潤滑被膜の形成) を施した。本例では、下地処理はピンとボックスの両方の接触表面に行い、固体潤滑被膜はピンまたはボックスの一方の接触表面だけに形成した。
【００５９】
固体潤滑被膜の形成に用いた塗布液は、溶媒に樹脂を溶解した樹脂溶液に潤滑性粉末を分散させた分散液であり、溶媒は、ポリアミドイミド樹脂ではエタノール／トルエン(50/50) 、フェノール樹脂ではＮ−メチル−２−ピロリドン／キシレン(65/35) 、エポキシ樹脂ではテトラヒドロフラン／シクロヘキサン(50/50) であった。塗布前の基材の予熱および塗布後の乾燥はいずれも雰囲気炉を用いて大気雰囲気で実施した。採用した表面処理の番号、基材の予熱温度 (塗布前の基材温度) および塗布後の塗膜乾燥のための加熱条件 (一次加熱と二次加熱の温度×時間) を表３に示す。
【００６０】
別に、鋼管と同じ材質の鋼板(10 mm×50 mm 、厚み2 mm) を用いて、表２に示したのと同じ組合わせで下地処理と固体潤滑被膜の形成を行った。即ち、下地処理は、固体潤滑被膜を形成した方の部材 (即ち、No.1〜4 ではボックス、No.5ではピン) の接触表面に対して実施したのと同じものであった。形成された固体潤滑被膜の付着強度と硬度を測定した。付着強度は、ダイプラ・ウィンテス社製SAICAS BN-1 を用いて測定した。被膜硬度は、JIS-K7202 に準拠して、ロックウェルＭスケールによる硬度を測定した。これらの測定結果も表３に併せて示す。
【００６１】
上記の通りに表面処理を施したねじ継手を用いて、表４に示す要領で最大20回の締付け・緩めの作業を行って、その間の焼付き発生状況を調査した。即ち、表４に示すように、１〜４回目、６〜14回目、16〜20回目は常温にて締付け・緩めを行い、５回目と15回目は、常温にて締付けた後、350 ℃で24時間の加熱処理を行い、その後冷却して、常温で緩めを実施した。この締付け・緩め状況は耐熱性継手における使用状況に対応したものである。締付け速度は10 rpm、締付けトルクは10340 ft・lbs であった。表５に焼付き発生状況を示す。
【００６２】
(実施例１）
表１に示す記号Ａの炭素鋼製ねじ継手に下記の表面処理を施した。
ボックスの接触表面は、60番のサンドを吹き付け、表面粗さを31μｍとする下地処理の後、ボックスを60℃に予熟し、その上に潤滑性粉末として二硫化モリブデンを含有するポリアミドイミド樹脂からなる、厚さ30μｍの固体潤滑被膜を形成した。固体潤滑被膜は、ポリアミドイミド樹脂１に対し潤滑性粉末の二硫化モリブデン４の質量割合で含有する被膜である。塗布後の乾燥は、100 ℃で30分の一次加熱と、常温まで冷却した後、260 ℃で30分の二次加熱とにより行った。
【００６３】
ピンの接触表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）のみとした。
表５に示すように、締付け・緩め試験では、20回の締付け・緩めにおいて、焼付きの発生は無く、気密性も保たれ、極めて良好であった。
【００６４】
(実施例２）
実施例１を繰り返したが、塗布前のボックスの予熱温度を60℃から100 ℃に変更し、さらに塗布後の加熱条件を、100 ℃で30分の一次加熱の後、冷却せずに続けて260 ℃で30分の二次加熱を実施するように変更した。
【００６５】
表５に示すように、締付け・緩め試験では、20回の締付け・緩めにおいて、焼付きの発生は無く、気密性も保たれ、極めて良好であった。表３に示すように、実施例１と比べると、予熱温度が高い本例では、被膜硬度が若干低下し、被膜の付着強度は向上した。
【００６６】
(実施例３）
表１に示す記号ＢのCr−Mo鋼製のねじ継手に下記の表面処理を施した。
ボックスの接触表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ４μｍ）の後、その表面に厚さ15μｍのリン酸マンガン化成処理被膜（表面粗さ20μｍ）を形成することにより下地処理した。その後、ボックスを130 ℃に予熱してから、その上に潤滑性粉末として二硫化モリブデンと黒鉛を含有するエポキシ樹脂からなる、厚さ28μｍの固体潤滑被膜を形成した。固体潤滑被膜は、エポキシ樹脂１に対し潤滑性粉末の二硫化モリブデンと黒鉛 (質量比＝９：１) を合計量で4.0 の質量割合で含有する被膜である。塗布後の乾燥は、100 ℃で30分の一次加熱と、常温まで冷却した後の、230 ℃で30分の二次加熱とにより行った。
【００６７】
ピンの接触表面は機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）のみとした。
表５に示すように、締付け・緩め試験では、20回の締付け・緩めにおいて、焼付きの発生は無く、気密性も保たれ、極めて良好であった。
【００６８】
(実施例４)
実施例３を繰り返したが、塗布後の一次加熱温度を、実施例３の100 ℃から70℃に変更した。
【００６９】
表５に示すように、締付け・緩め試験では、16回目までは焼付きの発生は無い。17回以降は軽度の焼付きが発生したが手入れにより20回まで締付け・緩めができた。気密性に問題はなかった。一次加熱温度が100 ℃と高い実施例３の方が、被膜の乾燥がより完全となり、実施例４より高硬度で、付着強度も高い固体潤滑被膜となることがわかる。
【００７０】
(実施例５）
表１に示す記号Ｃの13％Cr鋼製のねじ継手に下記の表面処理を施した。
ボックスの接触表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ４μｍ）後、電気めっきにより厚さ10μｍの銅めっき（表面粗さ11μｍ）を形成することにより下地処理した。その後、ボックスを180 ℃に予熱してから、その上に潤滑性粉末として二硫化タングステンを含有するフエノール樹脂からなる、厚さ32μｍの固体潤滑被膜層を形成した。固体潤滑被膜は、フェノール樹脂１に対し潤滑性粉末の二硫化タングステンを4.0 の質量割合で含有する被膜である。塗布後の乾燥は、80℃で20分の一次加熱と、常温まで冷却した後の、170 ℃で60分の二次加熱とにより行った。
【００７１】
ピンの接触表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）のみとした。
表５に示すように、締付け・緩め試験では、14回目までは焼付きの発生は無い。15回目以降は軽度の焼付きが発生したが手入れにより20回まで締付け・緩めができた。気密性に問題はなかった。本例で軽度の焼付きが15回目以降に発生したのは、ねじ継手の材質が焼付き易いものであるためである。ねじ継手の材質がＡまたはＢであれば、焼付きは発生しないものと推定される。
【００７２】
(実施例６）
表１に示す成分記号Ｄの高合金製のねじ継手に下記の表面処理を施した。
ボックスの接触表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ４μｍ）後、乾式衝撃めっきにより厚さ７μｍの亜鉛−鉄合金層（表面粗さ18μｍ）を形成することにより下地処理した。その後、ボックスを100 ℃に加熱してから、その上に潤滑性粉末として二硫化モリブデンを含有するポリアミドイミド樹脂からなる、厚さ20μｍの固体潤滑被膜層を形成した。固体潤滑被膜は、ポリアミドイミド樹脂１に対し潤滑性粉末の二硫化モリブデン４の質量割合で含有する被膜である。塗膜の乾燥は、80℃で30分の一次加熱と、常温まで冷却した後、170 ℃で40分の二次加熱とにより行った。
【００７３】
ピンの接触表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ４μｍ）のみとした。
表５に示すように、締付け・緩め試験では、14回目までは焼付きの発生は無い。15回以降は軽度の焼付きが発生したが手入れにより20回まで締付け・緩めができた。気密性に問題はなかった。本例でもねじ継手の材質が焼付きの起こり易い高合金鋼であるために15回目以降に軽度の焼付きが発生したが、材質がＡまたはＢであれば20回まで焼付きは発生しないであろう。
【００７４】
(実施例７）
表１に示す記号Ａの炭素鋼製ねじ継手に下記の表面処理を施した。
ボックスの接触表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ４μｍ）後、その表面に厚さ10μｍのリン酸マンガン化成処理被膜（表面粗さ10μｍ）を形成する下地処理のみを行った。
【００７５】
ピンの接触表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ４μｍ）後、その表面に厚さ15μｍのリン酸亜鉛化成処理被膜（表面粗さ20μｍ）を形成する下地処理を行った。その後、ピン部のみを雰囲気炉内に入れて100 ℃に予熱してから、その上に潤滑性粉末として二硫化モリブデンを含有するポリアミドイミド樹脂からなる、厚さ28μｍの固体潤滑被膜を形成した。固体潤滑被膜は、ポリアミドイミド樹脂１に対し潤滑性粉末の二硫化モリブデン４の質量割合で含有する被膜である。塗膜の乾燥は、ピン部のみを雰囲気炉内に入れて140 ℃で20分の一次加熱と、一旦常温まで冷却した後、280 ℃で30分の二次加熱とにより行った。
【００７６】
表５に示すように、締付け・緩め試験では、20回の締付け・緩めにおいて、焼付きの発生は無く、気密性も保たれ、極めて良好であった。
(比較例１）
表１に示す記号Ａの炭素鋼製のねじ継手に下記の表面処理を施した。
【００７７】
ボックスの接触表面は機械研削仕上げ（表面粗さ４μｍ）後、厚さ15μｍのリン酸マンガン化成処理被膜（表面粗さ20μｍ）を形成する下地処理を行った。その後、ボックスを175 ℃に予熱してから、その上に潤滑性粉末として二硫化モリブデンと黒鉛を含有するエポキシ樹脂からなる、厚さ28μｍの固体潤滑被膜を形成した。該固体潤滑被膜は、エポキシ樹脂１に対し潤滑性粉末の二硫化モリブデンと黒鉛の合計量を４の質量割合で含有する被膜である。塗膜の乾燥は、150 ℃で50分の１段加熱により行った。
【００７８】
ピンの接触表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）のみとした。
表５に示すように、締付け・緩め試験では、１回目に軽度の焼付きが発生し、手入れした後、２回目の締付け・緩めを行ったが、緩めができないほどの激しい焼付きを発生したため、試験を終了した。
【００７９】
本例は、本発明における一次加熱のみを行った場合に相当するが、固体潤滑被膜内からの溶媒や水分の蒸散はある程度起こるものの、二次加熱がないため、完全には蒸散せず、硬さの低い被膜となった。また、予熱を行っても、付着強度も不十分であった。このように固体潤滑被膜の硬度と付着強度が不十分であるため、焼付きが早期に発生したものと考えられる。
【００８０】
(比較例２）
実施例１を繰り返したが、予熱温度を180 ℃と高くし、塗布後の加熱は240 ℃で50分の一段加熱により行った。
【００８１】
表５に示すように、締付け・緩め試験では、４回目まで焼付きの発生は無かった。しかし、５回目に軽度の焼付きが発生し、手入れにより６回まで締付け・緩めが可能であったが、６回目で激しい焼付きを発生したため、試験を終了した。
【００８２】
本例は、従来の加熱方法であり、本発明における二次加熱のみを行った場合に相当する。低温での一次加熱がないため、未乾燥の塗膜が急激に固化し始め、被膜内部に溶媒や水分が閉じ込められるため、形成された固体潤滑被膜の硬度や基材への付着強度に大きなバラツキを生じた。その結果、容易に焼付きを発生したものと考えられる。
【００８３】
(比較例３）
比較例１を繰り返したが、予熱温度を130 ℃と低くし、塗布後の加熱を、50℃で30分の一次加熱と、常温まで冷却した後、230 ℃で30分の二次加熱とにより行った。
【００８４】
表５に示すように、締付け・緩め試験では、６回目までは焼付きの発生は無かった。７回目に軽度の焼付きが発生し、手入れにより締付け・緩めを続けたが、９回目で激しい焼付きを発生したため、試験を終了した。一次加熱の温度が低すぎたため、固化しつつある固体潤滑被膜内からの溶媒、水分の蒸散が不十分となり、比較例２の従来法に相当する場合と同様に、被膜の硬度および付着強度に部分的なバラツキを生じ、焼付きを発生したものと推定される。
【００８５】
(比較例４）
実施例１を繰り返したが、下地処理したボックスの予熱を実施せず、塗布後の加熱を、100 ℃で20分の一次加熱と、常温まで冷却した後、410 ℃で30分の二次加熱とにより実施した。
【００８６】
表５に示すように、締付け・緩め試験では、１回目に軽度の焼付きが発生し、手入れ２回目まで締付け・緩めを行ったが、緩めができないほどの激しい焼付きを発生したため、試験を終了した。これは、二次加熱の温度が高すぎたため、固体潤滑被膜内からの溶媒、水分の蒸散が不十分なことに加えて、固体潤滑被膜自体が軟化してしまったため、固体潤滑被膜が１回目の締付けの際に一気に剥離してしまったためと考えられる。
【００８７】
【表１】
0004123810.tif 000002
【００８８】
【表２】
0004123810.tif 000003
【００８９】
【表３】
0004123810.tif 000004
【００９０】
【表４】
0004123810.tif 000005
【００９１】
【表５】
0004123810.tif 000006
【００９２】
【発明の効果】
本究明によれば、コンパウンドグリスなどの重金属粉を含む液体潤滑剤を用いることなく、鋼管用ねじ継手の表面に耐焼付き性、耐摩耗性、密着性に優れた固体潤滑被膜を形成することができ、繰返し行われる締付け・緩め時の焼付き発生を顕著に抑制することができる。特に、高深度、高温油井、あるいは蒸気注入油井等の高温環境下の原油採掘で使用されるねじ継手において、従来の固体潤滑被膜を形成したねじ継手に比べ格段に優れた高温耐摩耗性を有した固体潤滑被膜を形成できるため、顕著な耐焼付き性を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１  】鋼管出荷時の鋼管とねじ継手部材の組立構成を模式的に示す概要図である。
【図２  】本発明の鋼管用ねじ継手の締付け部を模式的に示す概要図である。
【図３  】本発明の鋼管用ねじ継手の表面処理方法における一次加熱と二次加熱のヒートパターン (温度プロファイル) の例を示す概要図である。
【符号の説明】
Ａ：鋼管、Ｂ：ねじ継手部材、
１：ピン、２：ボックス、
３：ねじ部、４：ねじ無し金属接触部、
５：ショルダー部、
【図１】
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【図２】
0004123810.tif 000008
【図３】
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