JP4032801B2

JP4032801B2 - Threaded joints for steel pipes

Info

Publication number: JP4032801B2
Application number: JP2002109041A
Authority: JP
Inventors: 邦夫後藤; 圭司松本; 敏朗安楽; 重夫永作
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2022-04-11
Also published as: JP2003021278A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油井管ねじ継手の締結時に焼付き防止のために塗布されている重金属粉を含むコンパウンドグリスの使用を不必要にすることができる、耐焼付き性と気密性に優れた鋼管用ねじ継手に関する。
【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、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、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、ピンおよび／またはボックスの接触表面に形成したねじ継手が開示されている。
【０００７】
特開平８−103724号公報には、固体潤滑剤の二硫化モリブデンとして、フイッシャー法により測定した粒子径が0.45〜10μｍ、好ましくは２〜５μｍの粉末を使用することが開示されている。0.45μｍ未満では耐ゴーリング性に対する潤滑機能向上効果が得られず、10μｍを超えると潤滑性向上効果が飽和するとともに、固体潤滑被膜の厚さの調整が困難になることが示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の固体潤滑被膜によりピンまたはボックスの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、従来の固体潤滑被膜では、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・緩めを繰り返すうちに、10回以内でゴーリングと呼ばれる焼付き疵を生じ、安定して焼付き発生を防止し、気密性を確保することができないという問題があった。
【００１０】
本発明は、コンパウンドグリスを塗布せずに、耐焼付き性および気密性を安定して確保することができる固体潤滑被膜を備えた鋼管用ねじ継手を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、固体潤滑被膜の性能差が現れる理由について、固体潤滑被膜の構造に着目して検討した結果、締付け・緩め試験による耐焼付き性は、特開平８−103724号公報に記載されるような潤滑性粉末それ自体の粒子径ではなく、被膜中の潤滑性粉末の存在形態 (凝集形態) により支配されることが判明した。
【００１２】
つまり、固体潤滑被膜中の固体潤滑剤の多くが凝集して、後で定義する等面積相当径で15〜60μｍの大きな塊、即ち、二次粒子の状態で存在していると、安定した耐焼付き性が確保できることを見出した。
【００１３】
ここに、本発明は、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であって、
ピンおよびボックスの少なくとも一方の接触表面に、固体潤滑剤と結合剤とからなる固体潤滑被膜を有し、固体潤滑被膜の厚み方向断面において、平均粒径が 15 μｍより小さい固体潤滑剤の一次粒子が凝集してなる等面積相当径15〜60μｍの固体潤滑剤の二次粒子が占める面積率が５〜90％であることを特徴とする鋼管用ねじ継手である。
【００１４】
本発明において、二次粒子の粒子径とは、形成された固体潤滑被膜における粉末集合体（二次粒子）の粒子径を意味する。固体潤滑剤の等面積相当径については後で説明する。
【００１５】
本発明の好適態様において、前記固体潤滑剤は二硫化モリブデン、二硫化タングステン、有機モリブデン化合物、黒鉛、窒化ホウ素、および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種以上である。結合剤は有機樹脂と無機高分子のいずれでもよい。また、前記固体潤滑被膜と前記接触表面との間に、下地処理層として多孔質被膜層を有することが好ましい。この多孔質被膜層が、燐酸塩化成処理被膜または亜鉛もしくは亜鉛合金被膜であることが好ましい。
【００１６】
【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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
この問題を解決するため、特開平８−103724号公報等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、耐焼付き性や気密性を安定して確保することができなかった。
【００２０】
本発明者らは、固体潤滑剤として平均粒径3.5 μｍの二硫化モリブデンの粉末を、結合剤としてポリアミドイミド樹脂を、樹脂を溶解させ固体潤滑剤を分散させる溶媒としてエタノール：トルエン＝50：50の混合溶媒を使用し、固体潤滑被膜を形成するための塗布液を試作した。その際に、塗布液の粘度と攪拌・混合した後の静置時間を調整することによって、二硫化モリブデンの凝集の程度を変化させることができ、凝集により生成した二次粒子の大きさにより、形成された固体潤滑被膜の耐焼付き性の性能が大きく変動することを突き止めた。
【００２１】
つまり、平均粒径が3.5 μｍの二硫化モリブデン粉末という同じ固体潤滑剤を使用し、かつ樹脂および溶媒も同じものを使用しても、形成された固体潤滑被膜の耐焼付き性にバラツキが見られる。この耐焼付き性のバラツキを支配する因子の１つが、固体潤滑被膜中の固体潤滑剤の凝集の程度であることを見出した。
【００２２】
固体潤滑剤の粉末の平均粒径 (一次粒子径) が、例えば10μｍまたはそれ以下と小さいと、固体潤滑剤の粉末を樹脂溶液中に分散させた塗布液において、粉末は凝集して二次粒子を形成する。そのため、この塗布液の塗布と乾燥により形成された固体潤滑被膜中においても、固体潤滑剤のほとんどは、一次粒子 (上の例では平均粒径3.5 μｍの二硫化モリブデン粉末) が凝集して生ずる二次粒子の状態で存在することになる。
【００２３】
本発明者らは、上記の固体潤滑剤、樹脂および溶媒を使用し、塗布液の粘度や攪拌による粉末分散後の静置時間を変化させて固体潤滑剤の凝集の程度を変化させた塗布液を用いて、粉末の凝集程度が異なる固体潤滑被膜を形成し、その耐焼付き性 (焼付き発生までの寿命) と被膜中の二次粒子の粒径 (等面積相当径の平均値) との関係を調べたところ、図３に示す結果を得た。この図から、固体潤滑被膜中に存在する固体潤滑剤の二次粒子の等面積相当径が15〜60μｍの範囲であると、耐焼付き性が良好であることがわかる。
【００２４】
しかし、実際には、固体潤滑被膜中の固体潤滑剤の凝集の程度はバラツキがあり、一次粒子のままで存在したり、凝集度の小さい粒子もかなりある。そこで、凝集の程度の影響についても調べた。その結果、図４に示すように、固体潤滑被膜の厚み方向断面において、等面積相当径15〜60μｍの二次粒子が占める面積率が（被膜全断面積の）５〜90％である時に、被膜の耐焼付き性が著しく向上することがわかった。
【００２５】
本発明において、固体潤滑被膜の断面における固体潤滑剤の二次粒子の等面積相当径は、固体潤滑被膜の厚み方向断面を走査電子顕微鏡により観察することにより求めた値である。即ち、この被膜断面の電子顕微鏡画像をコンピュータ画像解析することにより、個々の二次粒子の断面積を求め、この断面積と同面積の真円の直径を、その粒子の等面積相当径とする。以下、等面積相当径を、単に相当径という。
【００２６】
固体潤滑被膜の断面における粒子の面積率は、固体潤滑被膜の厚み方向の断面を走査電子顕微鏡により観察した際の、200 倍画像における無作為に選んだ100 mm×100 mmの大きさの５視野について、コンピュータ画像解析により各粒子の断面積を測定することにより求める。各視野について、相当径が 0.3〜100 μｍに入る全ての粒子の断面積を計測する。そのうち相当径15〜60μｍの二次粒子が占める断面積の合計面積を求め、視野面積に対する割合（面積率）を算出し、その面積率を５視野について平均した値が、本発明における「相当径15〜60μｍの二次粒子が占める面積率」である。なお、本発明では、被膜中の相当径0.3 μｍ未満または100 μｍ超の固体潤滑剤は、無視できるものとして扱った。
【００２７】
本発明に係る鋼管用ねじ継手では、ピンおよびボックスの少なくとも一方の接触表面に、固体潤滑剤と結合剤とからなる固体潤滑被膜が形成されており、この固体潤滑被膜の厚み方向断面において、固体潤滑の相当径15〜60μｍの二次粒子が占める面積率 (以下、15〜60μｍ二次粒子面積率ともいう) が５〜90％である。それにより、重金属粉を含有するコンパウンドグリスを使用せずに、従来固体潤滑被膜に生じていた問題、すなわち耐焼付き性に劣るねじ継手の出現確率が高いというという、工業製品にとって致命的ともいえる欠点を克服することができる。
【００２８】
固体潤滑被膜の断面において15〜60μｍ二次粒子の面積率が５〜90％であると安定して優れた耐焼付き性が発揮できる理由は、完全に解明されたわけではないが、現状では次のように考えられる。
【００２９】
ねじ継手に形成された固体潤滑被膜は、ねじ継手の締結・緩め時に繰り返しの摺動摩擦を受け、固体潤滑剤と結合剤を含む摩耗粉を発生し、それが接触界面で金属間接触の防止と摩擦軽減に寄与し、焼付き防止効果を発揮するものと推定される。固体潤滑剤の粒子が例えば 0.4〜10μｍ程度と小さいと、固体潤滑被膜の摺動摩擦により発生した摩耗粉が小さなものとなり、摩擦界面での金属間接触防止効果が不十分となり、焼付きを発生しやすくなる。一方、固体潤滑剤が凝集により大粒径になると、摩耗粉の大きさも大きくなり、接触界面において、金属間接触が効果的に抑制され、耐焼付き性が大幅に向上する。
【００３０】
耐焼付き性の改善に有効な固体潤滑剤の二次粒子の相当径は15〜60μｍである。相当径が15μｍ未満では、上記理由により、金属間接触、すなわち焼付きの防止効果が不十分となる。一方、相当径が60μｍを超えると、固体潤滑被膜の強度が低下するばかりではなく、下地との密着性も低下するため、締付け・緩め時に被膜が剥離し易くなって、焼付きの発生を抑制できない。耐焼付き性と固体潤滑被膜の強度と密着性の観点から、前記二次粒子の相当径は好ましくは20〜50μｍである。
【００３１】
相当径が15〜60μｍの二次粒子の被膜中の存在割合は、被膜断面の全面積に対する面積率で５〜90％である。この面積率が５％未満では接触界面に存在する15〜60μｍの固体潤滑剤の量が少なく、焼付き防止効果が不足し、90％を超えると被膜の強度低下や下地との密着性低下を来たし、やはり焼付き防止効果が不足する。耐焼付き性、密着性の観点から、この面積率は好ましくは10〜85％、さらに好ましくは30〜85％、最も好ましくは50〜85％である。
【００３２】
固体潤滑被膜は、本質的には固体潤滑作用を有する固体潤滑剤の二次粒子と結合剤とからなる。この被膜は、結合剤を溶媒に溶解 (または分散) させた結合剤溶液に固体潤滑剤の粉末を分散させた塗布液の塗布と乾燥により形成することができる。
【００３３】
固体潤滑剤としては、二硫化モリブデン以外に、二硫化タングステン、黒鉛、有機モリブデン化合物（例、モリブデンジアルキルチオホスフェート、モリブデンジアルキルチオカルバメート）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＢＮ（窒化硼素）でも同様の潤滑効果が得られることが認められており、これらの１種または２種以上を使用することができる。
【００３４】
結合剤としては、有機樹脂と無機高分子のいずれも使用できる。
有機樹脂としては、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。
【００３５】
有機樹脂に対する溶媒は、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。
【００３６】
結合剤が有機樹脂の場合、固体潤滑被膜の密着性と耐摩耗性の観点から、塗布液を塗布した後、加熱して被膜を硬質化することが好ましい。この加熱温度は、好ましくは120 ℃以上、より好ましくは 150〜380 ℃であり、加熱時間は、鋼管用ねじ継手のサイズにより設定されればよいが、好ましくは30分以上、より好ましくは30〜60分である。
【００３７】
本発明において結合剤として用いる無機高分子とは、Ti−O 、Si−O 、Zr−O 、Mn−O 、Ce−O 、Ba−O といった、金属−酸素結合が三次元架橋した構造からなる被膜形成材料であり、ゾルゲル法と呼ばれる造膜法により形成される。このような無機高分子は、金属アルコキシドの加水分解と縮合により形成することができる。金属アルコキシドとしては、アルコキシ基がメトキシ、エトキシ、イソプロポキシ、プロポキシ、イソブトキシ、ブトキシ、tert−ブトキシなどの低級アルコキシ基である化合物が使用できる。好ましい金属アルコキシドは、チタンまたはケイ素のアルコキシドであり、特にチタンアルコキシドが好ましい。中でも、チタンイソプロポキシドが造膜性に優れていて好ましい。金属アルコキシド以外に、四塩化チタンといった金属塩化物や金属カルボン酸塩も使用できる。
【００３８】
この無機高分子を形成する金属アルコキシドは、シランカップリング剤のように、アルコキシ基の一部が官能基を有していてもよいアルキル基で置換されている化合物であってもよい。
【００３９】
結合剤が、無機高分子である場合、溶媒としては、アルコール（例、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコール）やケトン等の極性溶剤、炭化水素、ハロゲン化炭化水素等、各種の有機溶媒が使用できる。造膜を促進するため、溶液中の金属アルコキシドを塗布前に予め部分加水分解しておいてもよい。また、塗布後の加水分解を促進するため、金属アルコキシドの溶液に、水および／または加水分解触媒の酸を少量添加してもよい。
【００４０】
このような金属アルコキシドまたは他の無機高分子形成材料の溶液に、固体潤滑剤の粉末を分散させて塗布液を形成し、ピンおよび／またはボックスの接触表面に塗布し、塗膜を乾燥させる。塗布後の加水分解による被膜形成を促進させるため、塗布後に加湿処理を実施してもよい。これは、大気中に所定時間放置することでも行うことができるが、湿度70％以上の大気中であるとより望ましい。好ましくは、加湿処理後に加熱を行う。加熱により加水分解および加水分解物の縮合と、加水分解の副産物であるアルコールの排出が促進され、短時間で造膜でき、形成される固体潤滑被膜の密着性が強固となり、耐焼付き性が向上する。この加熱は、溶媒が蒸発した後に行うことが好ましい。加熱温度は副生するアルコールの沸点に近い 100〜200 ℃の温度とするのがよく、熱風を当てるとより効果的である。
【００４１】
本発明では、固体潤滑被膜中に固体潤滑剤の相当径15〜60μｍの二次粒子を被膜断面の全面積に対して５〜90％の面積率で存在させる。
このような被膜を得る１つの可能な手段は、固体潤滑剤として、一次粒子径が15〜60μｍである粉末を面積率（体積率で近似できる）で５〜90％となるように含む粉末を使用し、かつ塗布液中での凝集を抑える方法である。例えば、平均粒径が25〜50μｍといった粗大な粉末からなる固体潤滑剤を使用し、塗布液を高粘度のものとすれば、塗布液中で粉末は凝集しにくく、多くの粉末が一次粒子としてとどまる。凝集しない場合、一次粒子の粒子径がそのまま二次粒子の粒子径となる。そのため、本発明で規定する固体潤滑剤二次粒子の面積率の範囲を満たした固体潤滑被膜を確実に形成することができる。しかし、この方法は、固体潤滑剤の粉末が粗大であり特に、面積率が小さい場合には固体潤滑剤の分布が不均一になりやすいといった問題がある。
【００４２】
より好ましいのは、一次粒子の平均粒径が15μｍより小さい固体潤滑剤の粉末を用い、これを樹脂や溶媒と混合した後の塗布液中で凝集させ、多数の粉末が合一した二次粒子に成長させることにより、相当径15〜60μｍの二次粒子が面積率で５〜90％になるようにする方法である。この方法の場合、固体潤滑剤の粉末の平均粒径は 0.5〜15μｍの範囲が好ましく、より好ましくは１〜10μｍである。粉末の凝集の程度 (即ち、二次粒子の粒子径) は、溶媒の量および／または塗布液の粘度と静置時間とで調整することができる。つまり、溶媒の量が多く、粘度が低いほど、静置中に凝集が進み易い。もちろん、静置時間が長くなると、凝集が進行する。
【００４３】
従来の一般的な考えでは、被膜を均質化するために、粉末が可及的に均一に分散した塗布液を使用する、つまり、攪拌直後の塗布液を塗布するのが好ましいとされてきたが、本発明では、逆に静置させて、固体潤滑剤の粉末を凝集させてから塗布に使用する。
【００４４】
前記二次粒子の面積率は、結合剤と固体潤滑剤との体積比にも依存する。即ち、被膜中の固体潤滑剤の粉末が全て相当径15〜60μｍの二次粒子になっていれば、前記面積率は、結合剤と固体潤滑剤との合計体積率に対する固体潤滑剤の体積率で近似できる。その場合、結合剤と固体潤滑剤の合計体積率に対する固体潤滑剤の体積率が５〜90％になるように塗布液を調製することにより、前記面積率が５〜90％の固体潤滑被膜を形成することができる。ただし、全ての固体潤滑剤が相当径15〜60μｍの二次粒子に成長しない場合もあるので、そのような場合には、凝集の程度を考慮して、前記体積率での添加量を目的とする面積率より多くすればよい。
【００４５】
固体潤滑被膜の厚みは、５μｍ以上、50μｍ以下とすることが望ましい。固体潤滑被膜に含まれる固体潤滑剤は、高い面圧を受け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、固体潤滑被膜の厚さが５μｍ未満では固体潤滑剤の含有量が少なくなり、潤滑性向上の効果が少なくなることがある。固体潤滑被膜の厚さが50μｍより大きくなると、締付け量が不十分となって気密性が低下したり、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、固体潤滑被膜が剥離し易くなることがある。耐焼付き性の観点からより好ましくは、固体潤滑被膜の厚さは、15μｍ以上、40μｍ以下である。
【００４６】
固体潤滑被膜を形成する鋼管用ねじ継手の接触表面は、普通に切削したままでは、表面粗さがＲmax で３〜５μｍ程度と小さいため、その上に形成された固体潤滑被膜の密着性が低下することがある。被膜の密着性を向上させるには、接触表面を粗面化した表面粗さをより大きくすることが望ましい。
【００４７】
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肌を荒らす方法といった、表面それ自体の粗さを大きくする方法に加え、接触表面の上に粗面の下地処理層を形成する方法がある。即ち、接触表面と固体潤滑被膜との間に下地処理層を介在させる。
【００４８】
表面が粗面となる下地処理層としては、燐酸マンガン、燐酸亜鉛、燐酸鉄マンガン、燐酸亜鉛カルシウムなどの燐酸塩系化成処理被膜（生成する結晶の成長に伴い、結晶表面の粗さが増す）、銅めっきまたは鉄めっきのような電気めっき被膜（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）、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する乾式衝撃めっきにより形成した亜鉛または亜鉛−鉄合金の被膜、などが挙げられる。
【００４９】
固体潤滑被膜の密着性の観点からは、上記の粗面化方法のうち、下地処理層として多孔質被膜層を形成する方法が好ましい。具体的には、燐酸塩系化成処理被膜や、乾式衝撃めっきにより形成した亜鉛もしくは亜鉛−鉄合金の被膜が多孔質被膜である。このような多孔質被膜を下地として、その上に固体潤滑被膜層を形成すると、固体潤滑被膜の密着性が高まるので、固体潤滑被膜の性能が最大限に生かされ、コンパウンドグリスを使用しなくても、優れた耐焼付き性、気密性が得られる。
【００５０】
また、下地が多孔質でも、上層に有機樹脂または無機高分子を結合剤とする固体潤滑被膜を形成することにより、下地の多孔質被膜の空隙が封鎖され、防錆性や気密性が一層高まる。さらに、この多孔質被膜層が乾式衝撃めっきによって形成された亜鉛−鉄合金被膜であると、亜鉛は鉄より卑な金属であるため、鉄より優先的にイオン化して、鉄の腐食を防ぐ犠牲防食能を発揮するため、格段に優れた防錆性、気密性を実現することができる。
【００５１】
このような粗面化処理により、固体潤滑被膜を形成する接触表面の表面粗さをＲmax で５〜40μｍとしておくことが好ましい。５μｍ未満では、固体潤滑被膜の密着性を確保できないことがある。一方、表面粗さがＲmax で40μｍを超えると、気密性の確保が難しくなることや固体潤滑被膜表面にまで粗面化の影響が及び、接触時の摩擦が高くなり、耐焼付き性の確保が困難になることがある。
【００５２】
下地処理層が上記多孔質被膜である場合、その膜厚には特に制約はないが、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。
【００５３】
本発明に係る固体潤滑被膜は、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。
【００５４】
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か、および／または適当なプロテクタを装着して保護することができる。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。
【００５５】
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、固体潤滑被膜や相手部材の接触表面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。
【００５６】
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。
【００５７】
【実施例】
表１に示した炭素鋼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) を施して、接触表面に固体潤滑被膜を有する実施例および比較例のねじ継手を作製した。
【００５８】
こうしてピンおよび／またはボックスの接触表面に固体潤滑被膜を形成したねじ継手を用いて、締付け速度10 rpm、締付けトルク10340 ft・lbs で最大20回の締付け・緩めの作業を行い、焼付き発生状況を調査した。いずれも、５回目までは焼付きを発生しなかったため、表３に６回目以降の焼付き発生状況ならびに錆発生状況を示す。
【００５９】
【表１】

【００６０】
【表２】

【００６１】
【表３】

【００６２】
【実施例１】
表１に示した組成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、＃80番のサンドを吹き付ける下地処理により、表面粗さを10μｍとした後、その上に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25μｍの固体潤滑被膜を形成した。
【００６３】
塗布液は、溶媒（エタノール：トルエン＝50：50、65質量％）にポリアミドイミド樹脂と体積率80％ (樹脂と粉末の合計量に対する粉末の体積率、以下同じ) の平均粒径12μｍの二硫化モリブデン粉末を投入し、攪拌した後、静置して、二硫化モリブデン粉末を凝集させた。この塗布液をボックスの接触表面に塗布した後、雰囲気炉内で大気中260 ℃に30分加熱して、塗膜を乾燥・硬質化させ、固体潤滑被膜を形成した。
【００６４】
被膜分析の結果、この固体潤滑被膜の厚み方向断面における相当径15〜60μｍの二硫化モリブデンの面積率は80％、即ち、上記体積率と同じであることを確認した。従って、投入した粉末の実質的に全てが凝集により15〜60μｍの二次粒子になっていた。
【００６５】
ピンの接触表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ２μｍ）のみとした。
表３に示したように、締付け・緩め試験では、18回目までは焼付きの発生は無く、19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。
【００６６】
【実施例２】
表１に示した組成Ａの炭素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２μｍ）後、膜厚25μｍの燐酸マンガン化成処理被膜を形成する下地処理を行った後、その上に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25μｍの固体潤滑被膜を形成した。
【００６７】
塗布液は、溶媒（エタノール：トルエン＝50：50、83質量％）にポリアミドイミド樹脂と平均粒径3.5 μｍの二硫化モリブデン粉末 (体積率80％) を投入し、攪拌した後、静置して二硫化モリブデン粉末を凝集させた。この塗布液をボックスの接触表面に塗布した後、雰囲気炉内で大気中260 ℃に30分加熱して、塗膜を乾燥・硬質化させ、固体潤滑被膜を形成した。被膜分析の結果、この固体潤滑被膜の厚み方向断面における相当径15〜60μｍの二硫化モリブデン粒子の面積率は80％であることを確認した。
【００６８】
ピンの接触表面は機械研削仕上げ（表面粗さ２μｍ）のみとした。
表３に示したように、締付け・緩め試験では、19回目までは焼付きの発生はく、20回目に軽度の焼付きが発生したたものの、20回まで締付け・緩めができた。
【００６９】
【実施例３】
表１に示した組成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３μｍ）後、膜厚20μｍの燐酸マンガン化成処理被膜を形成する下地処理を行った後、その上に二硫化タングステンを含有するエポキシ樹脂からなる、厚さ20μｍの固体潤滑被膜を形成した。
【００７０】
塗布液は、溶媒（テトラヒドロフラン：シクロヘキサノン＝50：50、68質量％）にエポキシ樹脂と平均粒径2.0 μｍの二硫化タングステン粉末 (体積率80％) を投入し、攪拌した後、静置して二硫化タングステン粉末を凝集させた。この塗布液をボックスの接触表面に塗布した後、雰囲気炉内で大気中230 ℃に30分加熱して、塗膜を乾燥・硬化させ、固体潤滑被膜を形成した。被膜分析の結果、この固体潤滑被膜の厚み方向断面における相当径15〜60μｍの二硫化タングステン粒子の面積率は80％であることを確認した。
【００７１】
ピンの接触表面は機械研削仕上げ（表面粗さ２μｍ）のみとした。
表３に示したように、締付け・緩め試験では、19回目までは焼付きの発生は無く、20回目に軽度の焼付きが発生したものの、20回まで締付け・緩めができた。
【００７２】
【実施例４】
表１に示した組成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３μｍ）後、乾式衝撃めっきにより６μｍの亜鉛−鉄合金層を形成する下地処理を行った後、その上に黒鉛を含有するフェノール樹脂からなる、厚さ30μｍの固体潤滑被膜を形成した。
【００７３】
塗布液は、溶媒（Ｎ−メチル−２−ピロリドン：キシレン＝65：35、70質量％）にフェノール樹脂と平均粒径1.0 μｍの黒鉛粉末 (体積率60％) を投入し、攪拌した後、静置して黒鉛粉末を凝集させた。この塗布液をボックスの接触表面に塗布した後、雰囲気炉内で大気中170 ℃に30分加熱して、塗膜を乾燥・硬化させ、固体潤滑被膜を形成した。被膜分析の結果、この固体潤滑被膜の厚み方向断面における相当径15〜60μｍの黒鉛粒子の面積率は60％であることを確認した。
【００７４】
ピンの接触表面は機械研削仕上げ（表面粗さ２μｍ）のみとした。
表３に示したように、締付け・緩め試験では、20回まで焼付きの発生は無く、極めて良好であった。
【００７５】
【実施例５】
表１に示した成分組成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３μｍ）後、乾式衝撃めっきにより５μｍの亜鉛−鉄合金層を形成する下地処理を行った後、その上に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。
【００７６】
塗布液は、溶媒（エタノール：トルエン＝50：50、85質量％）にポリアミドイミド樹脂と平均粒径1.5 μｍの二硫化モリブデン粉末 (体積率80％) を投入し、攪拌した後、静置して二硫化モリブデン粉末を凝集させた。この塗布液をボックスの接触表面に塗布した後、雰囲気炉内で大気中260 ℃に30分加熱して、塗膜を乾燥・硬質化させ、固体潤滑被膜を形成した。被膜分析の結果、この固体潤滑被膜の厚み方向断面における粒径15〜60μｍの二硫化モリブデン粒子の面積率で80％であることを確認した。
【００７７】
ピンの接触表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）後、乾式衝撃めっきにより５μｍの亜鉛層を形成する下地処理を行った後、その上に二硫化モリブデン粉末（平均粒径15μｍ）を含有するTi−O を骨格とする無機高分子からなる厚さ12μｍの固体潤滑被膜を形成した。溶媒は、キシレン、ブチルアルコール、シクロへキサンを20：10：30で混合した混合溶媒を使用し、溶媒70質量％に、固形分として結合剤のチタンテトライソプロポキシドのTiO₂換算量と上記固体潤滑剤とを合計30質量％の割合 (結合剤と固体潤滑剤の合計量に対する固体潤滑剤の体積率55％) で混合し、静置し、潤滑性粉末を凝集させた塗布液を用いた。塗布後に塗膜を大気中で３時間放置した後、150 ℃の熱風を10分間吹き付けて塗膜を硬化させた。被膜分析の結果、この固体潤滑被膜の断面において無機高分子中の相当径15〜60μｍの二硫化モリブデン粒子の面積率は50％であることを確認した。
【００７８】
表３に示したように、締付け・緩め試験では、20回まで焼付きの発生は無く、極めて良好であった。
【００７９】
【実施例６】
表１に示した組成Ａの炭素鋼製のねじ継手に下記の表面処理を施した。
ピンの接触表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）後、膜厚15μｍの燐酸亜鉛化成処理被膜を形成する下地処理を行った後、その上に二硫化モリブデン粉末（平均粒径12μｍ）を含有するTi−O を骨格とする無機高分子からなる、厚さ10μｍの固体潤滑被膜を形成した。溶媒は、キシレン、ブチルアルコール、シクロヘキサンを20：10：30で混合した混合溶媒を使用し、溶媒70質量％に、固形分として結合剤のチタンテトライソプロポキシドのTiO₂換算量と上記固体潤滑剤とを合計30質量％の割合 (結合剤と固体潤滑剤の合計量に対する固体潤滑剤の体積率40％) で混合し、静置し、潤滑性粉末を凝集させた塗布液を用いた。塗布後に塗膜を大気中で３時間放置した後、150 ℃の熱風を10分間吹き付けて塗膜を硬化させた。被膜分析の結果、この固体潤滑被膜の断面において無機高分子中の相当径15〜60μｍの二硫化モリブデン粒子の面積率は40％であることを確認した。
【００８０】
ボックスの接触表面は、機械研削仕上げ（表面粗さ３μｍ）のみとした。
表３に示したように、締付け・緩め試験では、19回目までは焼付きの発生は無い。20回目に軽度の焼付きが発生したが、20回まで締付け・緩めができた。
【００８１】
【実施例７】
表１に示した組成Ａの炭素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３μｍ）後、その表面に膜厚25μｍの燐酸マンガン化成処理被膜を形成する下地処理を行った後、その上に窒化硼素（平均粒径６μｍ）を含有するTi−O を骨格とする無機高分子からなる、厚さ15μｍの固体潤滑被膜を形成した。溶媒は、キシレン、ブチルアルコール、シクロへキサンを20：10：30で混合した混合溶媒を使用し、溶媒70質量％に、固形分として結合剤のチタンテトライソプロポキシドのTiO₂換算量と上記固体潤滑剤とを合計30質量％の割合 (結合剤と固体潤滑剤の合計量に対する固体潤滑剤の体積率20％) で混合し、静置し、潤滑性粉末を凝集させた塗布液を用いた。塗布後に塗膜を大気中で３時間放置した後、150 ℃の熱風を10分間吹き付けて塗膜を硬化させた。被膜分析の結果、この固体潤滑被膜の断面において無機高分子中の相当径15〜60μｍの窒化硼素粒子の面積率は10％であることを確認した。
【００８２】
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３に示したように、締付け・緩め試験では、表３の17回目までは焼付きの発生は無かった。18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。
【００８３】
【実施例８】
表１に示した組成Ａの炭素鋼製のねじ継手に以下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３μｍ）後、その表面に膜厚20μｍの燐酸マンガン化成処理被膜を形成する下地処理を行った後、その上にPTFE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。塗布液は、溶媒（エタノール：トルエン＝50：50、85質量％）にポリアミドイミド樹脂とPTEF粉末 (平均粒径1.0 μｍ)(体積率90％) を投入し、攪拌した後、静置してPTFE粉末を凝集させた。この塗布液をボックスの接触表面に塗布した後、雰囲気炉内で大気中260 ℃に30分加熱して、塗膜を乾燥・硬質化させ、固体潤滑被膜を形成した。被膜分析の結果、この固体潤滑被膜の厚み方向断面における相当径15〜60μｍのPTFE粒子の面積率は88％であることを確認した。
【００８４】
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３に示したように、締付け・緩め試験では、表６の18回目までは焼付きの発生は無い。19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。
【００８５】
【比較例１】
表１に示した組成Ａの炭素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３μｍ）後、化成処理により18μｍの燐酸マンガン被膜を形成する下地処理を行った後、その上に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。塗布液は、溶媒（エタノール：トルエン＝50：50、50質量％）にポリアミドイミド樹脂と平均粒径3.2 μｍの二硫化モリブデン粉末 (体積率80％) を投入し、十分に攪拌した後、静置せずに直ちに塗布に使用し、二硫化モリブデン粉末を凝集させないようにした。塗布後、260 ℃で30分の加熱硬化処理を実施した。被膜分析の結果、形成された固体潤滑被膜断面に相当径15〜60μｍの二硫化モリブデンは存在しないことを確認した。
【００８６】
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３に示したように、締付け・緩め試験では、８回目までは焼付きの発生は無かった。しかし、9 〜10回目に軽度の焼付きが発生したため、手入れをしながら試験を続けたが、11回目で激しい焼付きを発生したため試験を終了した。固体潤滑被膜中には平均粒径3.2 μｍの二硫化モリブデンが凝集せずに存在し、焼付き防止に効果のある平均粒径15〜60μｍの二硫化モリブデン粒子が存在しないと、耐焼付き性が不十分になった。
【００８７】
【比較例２】
表１に示した組成Ａの炭素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３μｍ）後、化成処理により20μｍの燐酸マンガン被膜を形成する下地処理を行った後、その上に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。塗布液は、溶媒（エタノール：トルエン＝50：50、28質量％）にポリアミドイミド樹脂と平均粒径4.0 μｍの二硫化モリブデン粉末 (体積率５％) を投入し、攪拌した後、静置して二硫化モリブデン粉末を凝集させた。この塗布液をボックスの接触表面に塗布した後、雰囲気炉内で大気中260 ℃に30分加熱して、塗膜を乾燥・硬質化させ、固体潤滑被膜を形成した。
【００８８】
被膜分析の結果、この固体潤滑被膜の厚み方向断面における相当径15〜60μｍの二硫化モリブデン粒子の面積率は３％であることを確認した。
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。
【００８９】
表３に示したように、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。しかし、７〜８回目に軽度の焼付きが発生したため、手入れを続けたが、９回目で激しい焼付きを生じたため試験を終了した。固体潤滑被膜中に平均粒径15〜60μｍの二硫化モリブデンが少ないと耐焼付き性が不十分となった。
【００９０】
【比較例３】
表１に示した組成Ａの炭素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３μｍ）後、化成処理により22μｍの燐酸マンガン被膜を形成する下地処理を行った後、その上に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25μｍの固体潤滑被膜を形成した。塗布液は、溶媒（エタノール：トルエン＝50：50、80質量％）にポリアミドイミド樹脂と平均粒径7.0 μｍの二硫化モリブデン粉末 (体積率95％) を投入し、攪拌した後、静置して二硫化モリブデン粉末を凝集させた。この塗布液をボックスの接触表面に塗布した後、雰囲気炉内で大気中260 ℃に30分加熱して、塗膜を乾燥・硬質化させ、固体潤滑被膜を形成した。
【００９１】
被膜分析の結果、この固体潤滑被膜の厚み方向断面における相当径15〜60μｍの二硫化モリブデン粒子の面積率は95％であることを確認した。
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。
【００９２】
表３に示したように、締付け・緩め試験では、表６の５回目までは焼付きの発生は無かった。しかし、６〜７回目に軽度の焼付きが発生したため、手入れを続けたが、８回目で激しい焼付きを生じたため試験を終了した。固体潤滑被膜中において平均粒径15〜60μｍの二硫化モリブデンが95％と過剰に存在するため、固体潤滑被膜の強度と密着性が極端に低下し、耐焼付き性が不足したものと考えられる。
【００９３】
【発明の効果】
本発明に係る固体潤滑被膜を有する鋼管用ねじ継手は、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、繰返しの締付け・緩めの際の焼付きの発生を安定して確実に抑制することができる。
【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】固体潤滑被膜中の固体潤滑剤の相当径と耐焼付き性との関係を示す概要図である。
【図４】固体潤滑被膜中の相当径15〜60μｍの固体潤滑剤の面積率と耐焼付き性との関係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。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a steel pipe screw excellent in seizure resistance and airtightness, which can obviate the use of compound grease containing heavy metal powder applied to prevent seizure when fastening oil well pipe threaded joints. Related to fittings.
[0002]
[Prior art]
An oil well pipe, which is a steel pipe used for oil well drilling, is fastened with a threaded joint for a steel pipe. This threaded joint is composed of a pin having a male thread and a box having a female thread. As shown schematically in FIG. 1, a male screw 3A is usually formed on the outer surface of both ends of a steel pipe A to form a pin 1, and a female screw 3B is formed from both sides on the inner surface of a separate sleeve-type joint member B. 2. As shown in FIG. 1, the steel pipe A is usually shipped with a joint member B fastened in advance at one end thereof.
[0003]
In steel pipe threaded joints, heat in the ground acts in addition to combined pressure such as axial tensile force due to the weight of the steel pipe and joints and pressure inside and outside the ground. However, it is required to maintain airtightness (sealability) without damage. Further, when the oil well pipe is lowered, the joint once tightened may be loosened, retightened, and tightened. Therefore, in API (American Petroleum Institute), there is no seizure called goling even if tightening (make-up) and loosening (breakout) are 10 times for tubing joints and 3 times for casing joints. , Seeks to maintain airtightness.
[0004]
In recent years, from the viewpoint of improving airtightness, special threaded joints capable of metal sealing by metal-to-metal contact are generally used. In this type of threaded joint, both the pin and the box have an unthreaded metal contact portion in addition to a thread portion made of a male screw or a female screw, and both portions serve as contact surfaces. The unthreaded metal contact portions of the pin and the box come into contact with each other to form a metal seal portion by metal-metal contact, and the airtightness is improved.
[0005]
In such threaded joints, highly lubricated grease called compound grease has been used to prevent seizure of the metal contact portion. This grease, which is a liquid lubricant, is applied to at least one contact surface of the pin and the box before tightening. However, this grease contains a large amount of harmful heavy metals, and the grease that protrudes to the surrounding area with the cleaning liquid is washed with the cleaning liquid. In this operation, the compound grease and the cleaning liquid flow into the ocean and soil and the environment. It has become a problem to cause contamination. In addition, there has been a problem that the grease application and cleaning required each time the tightening is repeated reduces the work efficiency at the site.
[0006]
Therefore, as threaded joints for steel pipes that do not require the application of compound grease, JP-A-8-103724, JP-A-8-233163, and JP-A-8-233164 disclose threaded portions and unthreaded metal contact portions (that is, , A contact surface of a pin and / or a box is provided with a solid lubricant film made of a resin and a solid lubricant molybdenum disulfide or tungsten disulfide.
[0007]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-103724 discloses that a powder having a particle diameter measured by the Fischer method of 0.45 to 10 μm, preferably 2 to 5 μm, is used as molybdenum disulfide as a solid lubricant. It is shown that if the thickness is less than 0.45 μm, the effect of improving the lubrication function with respect to galling resistance cannot be obtained, and if it exceeds 10 μm, the effect of improving the lubricity is saturated and it is difficult to adjust the thickness of the solid lubricant film.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
When a threaded joint is used in which the contact surface of the pin or box is lubricated by the above-described solid lubricant film, it is not necessary to apply compound grease, and the above-mentioned environmental problems and work efficiency problems should be solved.
[0009]
However, the conventional solid lubricant film does not provide the high seizure prevention effect that can be obtained when compound grease is applied. There arises a problem that the occurrence of seizure is prevented stably and the airtightness cannot be secured.
[0010]
An object of this invention is to provide the threaded joint for steel pipes provided with the solid lubricating film which can ensure seizure resistance and airtightness stably, without apply | coating compound grease.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
As a result of studying the reason why the performance difference of the solid lubricating film appears, the present inventors have examined the structure of the solid lubricating film, and the seizure resistance by the tightening / loosening test is described in JP-A-8-103724. It was found that it was governed not by the particle size of the lubricating powder itself but by the presence form (aggregated form) of the lubricating powder in the coating.
[0012]
In other words, if a large amount of solid lubricant in the solid lubricant film aggregates and exists in a large lump with an equivalent area equivalent diameter of 15 to 60 μm, which is defined later, that is, a secondary particle, It was found that adherence can be secured.
[0013]
Here, the present invention is a threaded joint for steel pipes composed of a pin and a box each having a contact surface including a threaded portion and an unthreaded metal contact portion,
On the contact surface of at least one of the pin and the box, it has a solid lubricant film composed of a solid lubricant and a binder, and in the thickness direction cross section of the solid lubricant film,Average particle size 15 Aggregates primary particles of solid lubricant smaller than μmEquivalent area equivalent diameter 15-60μmSolid lubricantThis is a threaded joint for steel pipes characterized in that the area ratio occupied by secondary particles is 5 to 90%.
[0014]
In the present invention, the particle diameter of the secondary particles means the particle diameter of the powder aggregate (secondary particles) in the formed solid lubricant film. The equivalent area equivalent diameter of the solid lubricant will be described later.
[0015]
In a preferred embodiment of the present invention, the solid lubricant is one or more selected from molybdenum disulfide, tungsten disulfide, organic molybdenum compounds, graphite, boron nitride, and polytetrafluoroethylene. The binder may be either an organic resin or an inorganic polymer. Moreover, it is preferable to have a porous coating layer as a base treatment layer between the solid lubricating coating and the contact surface. This porous coating layer is preferably a phosphate chemical conversion coating or a zinc or zinc alloy coating.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 2 is a schematic view schematically showing the configuration of a typical threaded joint for steel pipes. Reference numeral 1 is a pin, 2 is a box, 3 is a threaded portion, 4 is a non-threaded metal contact portion, and 5 is a shoulder portion. Hereinafter, the screwless metal contact portion is also simply referred to as a metal contact portion.
[0017]
As shown in FIG. 2, a typical threaded joint includes a pin 1 having a threaded part 3 (ie, a male threaded part) and an unthreaded metal contact part 4 formed on the outer surface of a steel pipe end, and a threaded joint member. And a box 2 having a threaded portion 3 (that is, a female threaded portion) and an unthreaded metal contact portion 4. However, the pins and boxes are not limited to those shown in the figure. For example, without using a joint member, one end of the steel pipe can be a pin and the other end can be a box, or the joint member can be a pin (male thread) and both ends of the steel pipe can be a box.
[0018]
The threaded portion 3 provided on each of the pin 1 and the box 2 and the (non-threaded) metal contact portion 4 are contact surfaces of the threaded joint. The contact surface, particularly the metal contact portion where seizure is more likely to occur, requires seizure resistance. Conventionally, for this purpose, compound grease containing heavy metal powder has been applied to the contact surface. However, as described above, the use of compound grease has many problems in terms of environment and work efficiency.
[0019]
In order to solve this problem, as disclosed in JP-A-8-103724 and the like, a coating liquid containing a resin and a lubricating powder in a solvent is applied to at least one contact surface of a pin and a box, and a coating film A threaded joint has been developed in which a solid lubricant film is formed on the contact surface by heating and without the need for compound grease. However, with this type of conventional threaded joint, as described above, seizure resistance and airtightness cannot be stably secured.
[0020]
The inventors of the present invention used molybdenum disulfide powder having an average particle size of 3.5 μm as a solid lubricant, polyamideimide resin as a binder, and ethanol: toluene = 50: 50 as a solvent for dissolving the resin and dispersing the solid lubricant. A coating solution for forming a solid lubricating film was prepared by using a mixed solvent. At that time, by adjusting the viscosity of the coating liquid and the standing time after stirring and mixing, the degree of aggregation of molybdenum disulfide can be changed, and by the size of the secondary particles generated by the aggregation, It has been found that the seizure resistance performance of the formed solid lubricating coating varies greatly.
[0021]
In other words, even when the same solid lubricant called molybdenum disulfide powder having an average particle diameter of 3.5 μm is used, and the same resin and solvent are used, the seizure resistance of the formed solid lubricant film varies. . It has been found that one of the factors governing the variation in seizure resistance is the degree of aggregation of the solid lubricant in the solid lubricant film.
[0022]
When the average particle size (primary particle size) of the solid lubricant powder is as small as 10 μm or less, for example, in the coating liquid in which the solid lubricant powder is dispersed in the resin solution, the powder aggregates to form secondary particles. Form. Therefore, even in the solid lubricant film formed by applying and drying the coating solution, most of the solid lubricant is formed by aggregation of primary particles (in the above example, molybdenum disulfide powder having an average particle size of 3.5 μm). It exists in the state of secondary particles.
[0023]
The present inventors have used the above-described solid lubricant, resin and solvent, and changed the viscosity of the coating liquid and the standing time after dispersion of the powder by stirring to change the degree of aggregation of the solid lubricant. Are used to form solid lubricating coatings with different degrees of powder agglomeration.These are the seizure resistance (life until seizure occurs) and the particle size of secondary particles in the coating (average of equivalent area diameters). When the relationship was examined, the result shown in FIG. 3 was obtained. From this figure, it can be seen that the seizure resistance is good when the equivalent area equivalent diameter of the secondary particles of the solid lubricant present in the solid lubricant film is in the range of 15 to 60 μm.
[0024]
However, in practice, the degree of aggregation of the solid lubricant in the solid lubricant film varies, and there are quite a few particles that exist as primary particles or have a low degree of aggregation. Therefore, the influence of the degree of aggregation was also examined. As a result, as shown in FIG. 4, in the cross section in the thickness direction of the solid lubricating coating, when the area ratio occupied by secondary particles having an equivalent area equivalent diameter of 15 to 60 μm is 5 to 90% (of the total cross-sectional area of the coating), It was found that the seizure resistance of the coating was significantly improved.
[0025]
In the present invention, the equivalent area equivalent diameter of the secondary particles of the solid lubricant in the cross section of the solid lubricant film is a value obtained by observing the cross section in the thickness direction of the solid lubricant film with a scanning electron microscope. That is, the cross-sectional area of each secondary particle is obtained by computer image analysis of the electron microscopic image of the coating cross section, and the diameter of a perfect circle having the same area as this cross-sectional area is set as the equivalent area equivalent diameter of the particle. . Hereinafter, the equivalent area equivalent diameter is simply referred to as equivalent diameter.
[0026]
The area ratio of the particles in the cross section of the solid lubricant film is 5 fields of 100 mm × 100 mm randomly selected in the 200 times image when the cross section in the thickness direction of the solid lubricant film is observed with a scanning electron microscope. Is obtained by measuring the cross-sectional area of each particle by computer image analysis. For each field of view, the cross-sectional area of all particles with an equivalent diameter of 0.3-100 μm is measured. Of these, the total area of the cross-sectional areas occupied by secondary particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm was obtained, the ratio (area ratio) to the visual field area was calculated, and the area ratio was averaged for five visual fields. The area ratio occupied by secondary particles of 15 to 60 μm ”. In the present invention, a solid lubricant having an equivalent diameter of less than 0.3 μm or more than 100 μm in the coating was treated as negligible.
[0027]
In the threaded joint for steel pipes according to the present invention, a solid lubricating film composed of a solid lubricant and a binder is formed on at least one contact surface of the pin and the box. The area ratio occupied by secondary particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm of lubrication (hereinafter also referred to as 15 to 60 μm secondary particle area ratio) is 5 to 90%. As a result, without using compound grease containing heavy metal powder, the problem that has occurred in conventional solid lubricant coatings, that is, the appearance probability of threaded joints with poor seizure resistance, is a fatal defect for industrial products. Can be overcome.
[0028]
The reason why the area ratio of 15 to 60 μm secondary particles in the cross section of the solid lubricant film is 5 to 90% can exhibit excellent and stable seizure resistance has not been completely clarified, but at present the following I think so.
[0029]
The solid lubricant film formed on the threaded joint is subject to repeated sliding friction when the threaded joint is tightened or loosened, generating wear powder containing solid lubricant and binder, which prevents metal-to-metal contact at the contact interface. It is estimated that it contributes to friction reduction and exhibits an anti-seizure effect. If the solid lubricant particles are as small as about 0.4 to 10 μm, for example, the wear powder generated by the sliding friction of the solid lubricant film will be small, and the effect of preventing metal-to-metal contact at the friction interface will be insufficient, and seizure will occur. It becomes easy. On the other hand, when the solid lubricant has a large particle size due to agglomeration, the size of the wear powder also increases, so that metal-to-metal contact is effectively suppressed at the contact interface, and seizure resistance is greatly improved.
[0030]
The equivalent diameter of the secondary particles of the solid lubricant effective for improving the seizure resistance is 15 to 60 μm. If the equivalent diameter is less than 15 μm, the effect of preventing metal-to-metal contact, that is, seizure, is insufficient for the above reasons. On the other hand, if the equivalent diameter exceeds 60 μm, not only the strength of the solid lubricating coating will be reduced, but also the adhesion to the substrate will be reduced, so the coating will be easy to peel off when tightening or loosening, and the occurrence of seizure will be suppressed. Can not. From the viewpoint of seizure resistance, the strength and adhesion of the solid lubricating film, the equivalent diameter of the secondary particles is preferably 20 to 50 μm.
[0031]
The proportion of secondary particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm in the coating is 5 to 90% in terms of the area ratio relative to the total area of the coating cross section. If the area ratio is less than 5%, the amount of 15-60 μm solid lubricant present at the contact interface is small and the seizure prevention effect is insufficient, and if it exceeds 90%, the strength of the film is lowered and the adhesion to the substrate is lowered. It still comes and the effect of preventing seizure is insufficient. From the viewpoint of seizure resistance and adhesion, the area ratio is preferably 10 to 85%, more preferably 30 to 85%, and most preferably 50 to 85%.
[0032]
The solid lubricating coating essentially consists of solid lubricant secondary particles having a solid lubricating action and a binder. This coating can be formed by applying and drying a coating solution in which a solid lubricant powder is dispersed in a binder solution in which a binder is dissolved (or dispersed) in a solvent.
[0033]
As the solid lubricant, in addition to molybdenum disulfide, tungsten disulfide, graphite, organic molybdenum compounds (eg, molybdenum dialkyl thiophosphate, molybdenum dialkyl thiocarbamate), PTFE (polytetrafluoroethylene), and BN (boron nitride) are similarly lubricated. It is recognized that an effect is acquired and these 1 type (s) or 2 or more types can be used.
[0034]
As the binder, either an organic resin or an inorganic polymer can be used.
As the organic resin, those having heat resistance, appropriate hardness and wear resistance are suitable. Such resins include epoxy resins, polyimide resins, polycarbodiimide resins, polyethersulfone, polyetheretherketone resins, phenolic resins, furan resins, urea (urea) resins, thermosetting resins such as acrylic resins, and Examples thereof include thermoplastic resins such as polyamideimide resin, polyethylene resin, silicone resin, and polystyrene resin.
[0035]
As the solvent for the organic resin, various low-boiling solvents including hydrocarbons (eg, toluene) and alcohols (eg, isopropyl alcohol) can be used alone or in combination.
[0036]
When the binder is an organic resin, it is preferable to harden the coating by heating after applying the coating solution from the viewpoint of the adhesion and wear resistance of the solid lubricating coating. The heating temperature is preferably 120 ° C. or more, more preferably 150 to 380 ° C., and the heating time may be set according to the size of the threaded joint for steel pipes, but preferably 30 minutes or more, more preferably 30 to 60 minutes.
[0037]
The inorganic polymer used as the binder in the present invention has a structure in which metal-oxygen bonds are three-dimensionally cross-linked, such as Ti-O, Si-O, Zr-O, Mn-O, Ce-O, Ba-O. It is a film forming material and is formed by a film forming method called a sol-gel method. Such an inorganic polymer can be formed by hydrolysis and condensation of a metal alkoxide. As the metal alkoxide, a compound in which the alkoxy group is a lower alkoxy group such as methoxy, ethoxy, isopropoxy, propoxy, isobutoxy, butoxy, tert-butoxy and the like can be used. Preferred metal alkoxides are titanium or silicon alkoxides, with titanium alkoxides being particularly preferred. Of these, titanium isopropoxide is preferable because of its excellent film forming property. In addition to metal alkoxides, metal chlorides such as titanium tetrachloride and metal carboxylates can also be used.
[0038]
The metal alkoxide forming the inorganic polymer may be a compound in which a part of the alkoxy group is substituted with an alkyl group which may have a functional group, such as a silane coupling agent.
[0039]
When the binder is an inorganic polymer, various organic solvents such as polar solvents such as alcohols (eg, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, butyl alcohol) and ketones, hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, etc. are used as the solvent. it can. In order to promote film formation, the metal alkoxide in the solution may be partially hydrolyzed before application. Further, in order to promote hydrolysis after coating, a small amount of water and / or acid of the hydrolysis catalyst may be added to the metal alkoxide solution.
[0040]
A solid lubricant powder is dispersed in a solution of such metal alkoxide or other inorganic polymer forming material to form a coating solution, which is applied to the contact surface of the pin and / or box, and the coating film is dried. In order to promote film formation by hydrolysis after application, a humidification treatment may be performed after application. This can be done by leaving it in the atmosphere for a predetermined time, but it is more desirable in the atmosphere with a humidity of 70% or more. Preferably, heating is performed after the humidification treatment. Heating promotes hydrolysis and condensation of hydrolysates, and discharge of alcohol, a by-product of hydrolysis, enables film formation in a short time, strengthens the adhesion of the formed solid lubricating film, and improves seizure resistance To do. This heating is preferably performed after the solvent has evaporated. The heating temperature is preferably 100 to 200 ° C., which is close to the boiling point of the by-produced alcohol, and is more effective when hot air is applied.
[0041]
In the present invention, secondary particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm of the solid lubricant are present in the solid lubricant film at an area ratio of 5 to 90% with respect to the total area of the film cross section.
One possible means of obtaining such a coating is a powder containing, as a solid lubricant, a powder having a primary particle size of 15 to 60 μm in an area ratio (approximated by volume ratio) of 5 to 90%. This method is used and suppresses aggregation in the coating solution. For example, if a solid lubricant consisting of a coarse powder with an average particle size of 25 to 50 μm is used and the coating liquid is made to have a high viscosity, the powder hardly aggregates in the coating liquid, and many powders are used as primary particles. Stay. When not aggregated, the particle diameter of the primary particles is directly used as the particle diameter of the secondary particles. Therefore, it is possible to reliably form a solid lubricant film that satisfies the range of the area ratio of the solid lubricant secondary particles defined in the present invention. However, this method has a problem that the solid lubricant powder is coarse and the distribution of the solid lubricant is likely to be non-uniform particularly when the area ratio is small.
[0042]
It is more preferable to use a solid lubricant powder having an average primary particle size of less than 15 μm and agglomerate it in a coating solution after being mixed with a resin or a solvent. The secondary particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm are grown so that the area ratio is 5 to 90%. In the case of this method, the average particle size of the solid lubricant powder is preferably in the range of 0.5 to 15 μm, more preferably 1 to 10 μm. The degree of aggregation of the powder (that is, the particle diameter of the secondary particles) can be adjusted by the amount of the solvent and / or the viscosity of the coating solution and the standing time. That is, the larger the amount of solvent and the lower the viscosity, the easier the aggregation proceeds during standing. Of course, the aggregation proceeds as the standing time increases.
[0043]
In the conventional general idea, in order to homogenize the coating, it has been preferable to use a coating liquid in which powder is dispersed as uniformly as possible, that is, to apply a coating liquid immediately after stirring. In the present invention, the solid lubricant powder is agglomerated by allowing it to stand in reverse, and then used for coating.
[0044]
The area ratio of the secondary particles also depends on the volume ratio between the binder and the solid lubricant. That is, if the solid lubricant powder in the coating is all secondary particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm, the area ratio is the volume ratio of the solid lubricant to the total volume ratio of the binder and the solid lubricant. Can be approximated by In that case, by preparing the coating liquid so that the volume ratio of the solid lubricant to the total volume ratio of the binder and the solid lubricant is 5 to 90%, the solid lubricant film having the area ratio of 5 to 90% is obtained. Can be formed. However, all solid lubricants may not grow into secondary particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm. In such a case, the amount added in the volume ratio is considered in consideration of the degree of aggregation. What is necessary is just to make more than the area ratio to do.
[0045]
The thickness of the solid lubricant film is preferably 5 μm or more and 50 μm or less. The solid lubricant contained in the solid lubricant film spreads over the entire contact surface under a high surface pressure and exhibits excellent seizure resistance. However, if the thickness of the solid lubricant film is less than 5 μm, the solid lubricant The content may be reduced, and the effect of improving lubricity may be reduced. If the thickness of the solid lubricant film exceeds 50 μm, the tightening amount will be insufficient and the airtightness will decrease, or if the surface pressure is increased to ensure airtightness, seizure will be likely to occur, or solid lubrication will occur. The film may be easily peeled off. More preferably, from the viewpoint of seizure resistance, the thickness of the solid lubricating coating is 15 μm or more and 40 μm or less.
[0046]
The contact surface of a threaded joint for steel pipes that forms a solid lubricating film has a surface roughness as small as 3 to 5 μm when Rmax is cut normally, so that the adhesion of the solid lubricating film formed thereon is reduced. There are things to do. In order to improve the adhesion of the coating, it is desirable to increase the surface roughness obtained by roughening the contact surface.
[0047]
As a roughening method, in addition to a method of projecting sand or a grid, a method of roughening the skin itself by dipping in a strong acid solution such as sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, etc., There is a method of forming a rough surface treatment layer on a contact surface. That is, the base treatment layer is interposed between the contact surface and the solid lubricant film.
[0048]
As the surface treatment layer having a rough surface, phosphate-based chemical conversion coatings such as manganese phosphate, zinc phosphate, iron-manganese phosphate, and zinc-calcium phosphate (the roughness of the crystal surface increases with the growth of crystals to be formed) Electroplating film such as copper plating or iron plating (Because the convex part is preferentially plated, the surface is slightly rough but the surface is rough), and the iron core coated with zinc or zinc-iron alloy is centrifuged Examples thereof include a zinc or zinc-iron alloy coating formed by dry impact plating that projects using force or air pressure.
[0049]
From the viewpoint of adhesion of the solid lubricating coating, among the above roughening methods, a method of forming a porous coating layer as a base treatment layer is preferable. Specifically, a phosphate-based chemical conversion coating or a zinc or zinc-iron alloy coating formed by dry impact plating is a porous coating. When such a porous coating is used as a base and a solid lubricating coating layer is formed thereon, the adhesion of the solid lubricating coating is enhanced, so that the performance of the solid lubricating coating is maximized and no compound grease is used. In addition, excellent seizure resistance and airtightness can be obtained.
[0050]
In addition, even if the base is porous, by forming a solid lubricating film with an organic resin or an inorganic polymer as a binder on the upper layer, the voids of the base porous film are sealed, and rust prevention and airtightness are further enhanced. . Furthermore, when this porous coating layer is a zinc-iron alloy coating formed by dry impact plating, since zinc is a base metal rather than iron, it is preferentially ionized over iron and sacrificed to prevent iron corrosion. Since it exhibits anti-corrosion ability, it can realize remarkably excellent rust prevention and air tightness.
[0051]
By such a roughening treatment, the surface roughness of the contact surface on which the solid lubricating coating is formed is preferably set to 5 to 40 μm in Rmax. If it is less than 5 μm, the adhesion of the solid lubricating film may not be ensured. On the other hand, if the surface roughness exceeds 40 μm in Rmax, it is difficult to ensure airtightness, the surface of the solid lubricant film is affected by roughening, the friction during contact increases, and seizure resistance is ensured. It can be difficult.
[0052]
When the base treatment layer is the porous coating, the film thickness is not particularly limited, but is preferably 5 to 40 μm from the viewpoint of rust prevention and adhesion. If it is less than 5 micrometers, sufficient rust prevention property may not be securable. On the other hand, when it exceeds 40 μm, the adhesion to the solid lubricating film may be lowered.
[0053]
Since the object of the present invention can be sufficiently achieved by forming the solid lubricating film according to the present invention only on one contact surface of the pin and the box, it is advantageous to form only one of these from the viewpoint of cost. is there. In this case, the box is easier to form a film, particularly heated. The contact surface of the other member (preferably pin) that does not form a solid lubricating coating may remain uncoated. In particular, as shown in FIG. 1, when the pin and the box are temporarily tightened at the time of assembly, the coating formed on the contact surface of the box at the time of assembly even if the contact surface of the other member, for example, the pin is bare (cut as it is) Since it adheres closely to the pin, rusting of the contact surface of the pin can also be prevented.
[0054]
However, if the box is attached only to the pin at one end of the steel pipe during assembly, the pin at the other end remains exposed. Therefore, in order to give rust prevention, or rust prevention and lubricity to such exposed pins in particular, an appropriate surface treatment is applied to form a film and / or an appropriate protector is attached. And can be protected. Of course, even if the other contact surface is not exposed, a film may be formed on this surface.
[0055]
The threaded joint for steel pipes surface-treated according to the present invention is tightened without applying compound grease, but if desired, oil may be applied to the contact surface of the solid lubricating coating or the mating member. In that case, there is no restriction | limiting in particular in the oil to apply | coat, Any of mineral oil, synthetic ester oil, animal and vegetable oil etc. can be used. Various additives commonly used in lubricating oils such as rust preventive additives and extreme pressure additives can be added to this oil. Moreover, when those additives are liquids, these additives can be used alone as an oil and applied.
[0056]
As the anticorrosive additive, basic metal sulfonate, basic metal phenate, basic metal carboxylate and the like are used. As the extreme pressure additive, known ones such as sulfur, phosphorus, chlorine, and organic metal salts can be used. In addition, antioxidants, pour point depressants, viscosity index improvers, and the like can be added to the oil.
[0057]
【Example】
The steel pipe (outer diameter: 7 inches <178 mm>, wall thickness: 0.408 inches <10.4 mm>) made of carbon steel A, Cr-Mo steel B, 13% Cr steel C or high alloy steel D shown in Table 1 The surface treatment shown in Table 2 is applied to the contact surfaces of the pin and box of the threaded joint (formation of the base and optionally a solid lubricating film), and the threaded joints of the examples and comparative examples having the solid lubricating film on the contact surface. Produced.
[0058]
Using a screw joint with a solid lubricant film formed on the contact surface of the pin and / or box in this way, tightening / loosening up to 20 times at a tightening speed of 10 rpm and a tightening torque of 10340 ft · lbs is performed. investigated. In any case, since seizure did not occur until the fifth time, Table 3 shows the seizure occurrence situation and the rust occurrence situation after the sixth time.
[0059]
[Table 1]

[0060]
[Table 2]

[0061]
[Table 3]

[0062]
[Example 1]
The following surface treatment was applied to the threaded joint made of carbon steel having the composition A shown in Table 1.
The contact surface of the box is ground treated by spraying # 80 sand to a surface roughness of 10 μm, and then a solid lubricant film with a thickness of 25 μm made of polyamideimide resin containing molybdenum disulfide is formed on it. did.
[0063]
The coating solution is a solvent (ethanol: toluene = 50: 50, 65% by mass) with a polyamideimide resin and a volume ratio of 80% (the volume ratio of the powder with respect to the total amount of the resin and the powder; Molybdenum sulfide powder was added, stirred, and allowed to stand to agglomerate the molybdenum disulfide powder. After this coating solution was applied to the contact surface of the box, it was heated to 260 ° C. in the atmosphere for 30 minutes in an atmosphere furnace to dry and harden the coating film to form a solid lubricating coating.
[0064]
As a result of the coating analysis, it was confirmed that the area ratio of molybdenum disulfide having an equivalent diameter of 15 to 60 μm in the cross section in the thickness direction of the solid lubricating coating was 80%, that is, the same as the above volume ratio. Accordingly, substantially all of the charged powder was agglomerated into secondary particles of 15 to 60 μm.
[0065]
The contact surface of the pin was only a mechanical grinding finish (surface roughness 2 μm).
As shown in Table 3, in the tightening / loosening test, no seizure occurred until the 18th time, and slight seizure occurred after the 19th time, but the tightening / loosening was achieved up to 20 times by maintenance.
[0066]
[Example 2]
The following surface treatment was applied to the threaded joint made of carbon steel having the composition A shown in Table 1.
The contact surface of the box is made of a polyamide-imide resin containing molybdenum disulfide on the surface after mechanical grinding finish (surface roughness 2 μm), after performing a base treatment to form a 25 μm-thick manganese phosphate chemical conversion coating. A solid lubricant film having a thickness of 25 μm was formed.
[0067]
The coating solution was charged with a polyamideimide resin and molybdenum disulfide powder (volume ratio 80%) with an average particle size of 3.5 μm in a solvent (ethanol: toluene = 50: 50, 83% by mass), stirred, and then allowed to stand. The molybdenum disulfide powder was agglomerated. After this coating solution was applied to the contact surface of the box, it was heated to 260 ° C. in the atmosphere for 30 minutes in an atmosphere furnace to dry and harden the coating film to form a solid lubricating coating. As a result of coating analysis, it was confirmed that the area ratio of molybdenum disulfide particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm in the cross section in the thickness direction of the solid lubricating coating was 80%.
[0068]
The contact surface of the pin was only a mechanical grinding finish (surface roughness 2 μm).
As shown in Table 3, in the tightening / loosening test, seizure did not occur until the 19th time, and slight seizure occurred at the 20th time, but tightening / loosening was possible up to 20 times.
[0069]
[Example 3]
The following surface treatment was applied to a threaded joint made of Cr-Mo steel having the composition B shown in Table 1.
The contact surface of the box is made of an epoxy resin containing tungsten disulfide on the surface after mechanical grinding finish (surface roughness 3 μm), after performing a base treatment to form a 20 μm-thick manganese phosphate chemical conversion coating film, A solid lubricant film having a thickness of 20 μm was formed.
[0070]
The coating solution was poured into a solvent (tetrahydrofuran: cyclohexanone = 50: 50, 68% by mass) epoxy resin and tungsten disulfide powder (volume ratio 80%) with an average particle size of 2.0 μm, stirred, and then allowed to stand. Agglomerated tungsten disulfide powder. After this coating solution was applied to the contact surface of the box, it was heated to 230 ° C. in the atmosphere for 30 minutes in an atmosphere furnace to dry and cure the coating film, thereby forming a solid lubricating coating. As a result of coating analysis, it was confirmed that the area ratio of tungsten disulfide particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm in the cross section in the thickness direction of the solid lubricating coating was 80%.
[0071]
The contact surface of the pin was only a mechanical grinding finish (surface roughness 2 μm).
As shown in Table 3, in the tightening / loosening test, no seizure occurred until the 19th time, and although slight seizure occurred at the 20th time, tightening / loosening was achieved up to 20 times.
[0072]
[Example 4]
The following surface treatment was applied to a threaded joint made of 13% Cr steel having the composition C shown in Table 1.
The contact surface of the box is made of a phenol resin containing graphite on the surface after mechanical finishing (surface roughness 3 μm), after performing a ground treatment to form a 6 μm zinc-iron alloy layer by dry impact plating, A solid lubricant film having a thickness of 30 μm was formed.
[0073]
The coating solution was charged with a phenol resin and graphite powder having an average particle size of 1.0 μm (volume ratio 60%) in a solvent (N-methyl-2-pyrrolidone: xylene = 65: 35, 70% by mass), and stirred. The graphite powder was agglomerated by standing. After this coating solution was applied to the contact surface of the box, it was heated to 170 ° C. in the atmosphere for 30 minutes in an atmosphere furnace to dry and cure the coating film to form a solid lubricating coating. As a result of the coating analysis, it was confirmed that the area ratio of graphite particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm in the cross section in the thickness direction of the solid lubricating coating was 60%.
[0074]
The contact surface of the pin was only a mechanical grinding finish (surface roughness 2 μm).
As shown in Table 3, in the tightening / loosening test, the seizure did not occur up to 20 times and was very good.
[0075]
[Example 5]
The following surface treatment was applied to a threaded joint made of a high alloy having the component composition D shown in Table 1.
The contact surface of the box is mechanically ground (surface roughness of 3 μm), and after a ground treatment for forming a 5 μm zinc-iron alloy layer by dry impact plating, a polyamideimide resin containing molybdenum disulfide thereon A solid lubricant film having a thickness of 28 μm was formed.
[0076]
The coating solution was charged with a polyamideimide resin and molybdenum disulfide powder (volume ratio 80%) with an average particle size of 1.5 μm in a solvent (ethanol: toluene = 50: 50, 85% by mass), stirred, and allowed to stand. The molybdenum disulfide powder was agglomerated. After this coating solution was applied to the contact surface of the box, it was heated to 260 ° C. in the atmosphere for 30 minutes in an atmosphere furnace to dry and harden the coating film to form a solid lubricating coating. As a result of coating analysis, it was confirmed that the area ratio of molybdenum disulfide particles having a particle diameter of 15 to 60 μm in the cross section in the thickness direction of the solid lubricating coating was 80%.
[0077]
The contact surface of the pin is mechanically ground (surface roughness 3 μm), and after a ground treatment is performed to form a 5 μm zinc layer by dry impact plating, it contains molybdenum disulfide powder (average particle size 15 μm) on it. A solid lubricant film having a thickness of 12 μm composed of an inorganic polymer having Ti—O 2 as a skeleton was formed. The solvent used is a mixed solvent of xylene, butyl alcohol, and cyclohexane mixed at 20:10:30. The solvent is 70 mass%, and titanium tetraisopropoxide TiO as a binder is used as a solid content.₂The converted amount and the above-mentioned solid lubricant were mixed at a ratio of 30% by mass in total (volume ratio of solid lubricant to 55% of the total amount of binder and solid lubricant) and allowed to stand to agglomerate the lubricating powder. A coating solution was used. After coating, the coating film was left in the air for 3 hours, and then heated at 150 ° C. for 10 minutes to cure the coating film. As a result of the coating analysis, it was confirmed that the area ratio of molybdenum disulfide particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm in the inorganic polymer in the cross section of the solid lubricating coating was 50%.
[0078]
As shown in Table 3, in the tightening / loosening test, the seizure did not occur up to 20 times and was very good.
[0079]
[Example 6]
The following surface treatment was applied to the threaded joint made of carbon steel having the composition A shown in Table 1.
The contact surface of the pin is mechanically ground (surface roughness is 3 μm), and after the surface treatment is performed to form a 15 μm-thick zinc phosphate conversion coating, molybdenum disulfide powder (average particle size of 12 μm) is coated on the surface. A solid lubricating film having a thickness of 10 μm made of an inorganic polymer having Ti—O 2 as a skeleton was formed. The solvent is a mixed solvent of xylene, butyl alcohol, and cyclohexane mixed at 20:10:30. The solvent is 70 mass%, and titanium tetraisopropoxide TiO as a binder is used as a solid content.₂The converted amount and the above solid lubricant were mixed at a ratio of 30% by mass in total (volume ratio of the solid lubricant to the total amount of the binder and the solid lubricant 40%) and allowed to stand to agglomerate the lubricating powder. A coating solution was used. After coating, the coating film was left in the air for 3 hours, and then heated at 150 ° C. for 10 minutes to cure the coating film. As a result of the coating analysis, it was confirmed that the area ratio of molybdenum disulfide particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm in the inorganic polymer in the cross section of the solid lubricating coating was 40%.
[0080]
The contact surface of the box was only a mechanical grinding finish (surface roughness 3 μm).
As shown in Table 3, in the tightening / loosening test, no seizure occurred until the 19th time. Mild seizure occurred on the 20th time, but tightening and loosening were possible up to 20 times.
[0081]
[Example 7]
The following surface treatment was applied to the threaded joint made of carbon steel having the composition A shown in Table 1.
The contact surface of the box is subjected to a mechanical grinding finish (surface roughness 3 μm), followed by a base treatment for forming a 25 μm-thick manganese phosphate conversion coating on the surface, and then boron nitride (average particle size 6 μm) on the surface A solid lubricant film having a thickness of 15 μm and made of an inorganic polymer having Ti—O 2 as a skeleton was contained. The solvent used is a mixed solvent of xylene, butyl alcohol, and cyclohexane mixed at 20:10:30. The solvent is 70 mass%, and titanium tetraisopropoxide TiO as a binder is used as a solid content.₂The converted amount and the above solid lubricant were mixed at a ratio of 30% by mass in total (volume ratio of solid lubricant to the total amount of binder and solid lubricant 20%), allowed to stand, and the lubricating powder was agglomerated. A coating solution was used. After coating, the coating film was left in the air for 3 hours, and then heated at 150 ° C. for 10 minutes to cure the coating film. As a result of coating analysis, it was confirmed that the area ratio of boron nitride particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm in the inorganic polymer in the cross section of the solid lubricating coating was 10%.
[0082]
The contact surface of the pin was only a mechanical grinding finish (surface roughness 3 μm).
As shown in Table 3, in the tightening / loosening test, no seizure occurred until the 17th time in Table 3. Mild seizure occurred after 18 times, but it could be tightened and loosened up to 20 times by maintenance.
[0083]
[Example 8]
The following surface treatment was performed on the threaded joint made of carbon steel having the composition A shown in Table 1.
The contact surface of the box is made from a polyamide-imide resin containing PTFE on the surface after mechanical finishing (surface roughness: 3 μm), after applying a ground treatment to form a 20 μm-thick manganese phosphate conversion coating on the surface. A solid lubricant film having a thickness of 30 μm was formed. The coating solution was charged with a polyamideimide resin and PTEF powder (average particle size 1.0 μm) (volume ratio 90%) in a solvent (ethanol: toluene = 50: 50, 85% by mass), stirred, and allowed to stand. PTFE powder was agglomerated. After this coating solution was applied to the contact surface of the box, it was heated to 260 ° C. in the atmosphere for 30 minutes in an atmosphere furnace to dry and harden the coating film to form a solid lubricating coating. As a result of coating analysis, it was confirmed that the area ratio of PTFE particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm in the cross section in the thickness direction of the solid lubricating coating was 88%.
[0084]
The contact surface of the pin was only a mechanical grinding finish (surface roughness 3 μm).
As shown in Table 3, in the tightening / loosening test, no seizure occurred until the 18th time in Table 6. After 19 times, slight seizure occurred, but it could be tightened and loosened up to 20 times by maintenance.
[0085]
[Comparative Example 1]
The following surface treatment was applied to the threaded joint made of carbon steel having the composition A shown in Table 1.
The contact surface of the box is composed of a polyamide-imide resin containing molybdenum disulfide on the surface after mechanical grinding finish (surface roughness 3 μm), after performing a base treatment to form a 18 μm manganese phosphate coating by chemical conversion treatment, A solid lubricant film having a thickness of 30 μm was formed. The coating solution was charged with a polyamideimide resin and molybdenum disulfide powder (volume ratio 80%) with an average particle size of 3.2 μm in a solvent (ethanol: toluene = 50: 50, 50% by mass), and after stirring sufficiently, Immediately used for application without placing, so that the molybdenum disulfide powder was not agglomerated. After application, a heat curing treatment was performed at 260 ° C. for 30 minutes. As a result of coating analysis, it was confirmed that molybdenum disulfide having an equivalent diameter of 15 to 60 μm did not exist in the cross section of the formed solid lubricating coating.
[0086]
The contact surface of the pin was only a mechanical grinding finish (surface roughness 3 μm).
As shown in Table 3, in the tightening / loosening test, no seizure occurred until the eighth time. However, since mild seizure occurred in the 9th to 10th times, the test was continued while taking care of it, but the test was terminated because severe seizure occurred in the 11th time. In the solid lubricant film, molybdenum disulfide with an average particle diameter of 3.2 μm is present without agglomeration, and when there is no molybdenum disulfide particle with an average particle diameter of 15 to 60 μm effective for preventing seizure, seizure resistance is improved. It became insufficient.
[0087]
[Comparative Example 2]
The following surface treatment was applied to the threaded joint made of carbon steel having the composition A shown in Table 1.
The contact surface of the box is made of a polyamide-imide resin containing molybdenum disulfide on the surface after mechanical finishing (surface roughness 3 μm), after performing a base treatment to form a 20 μm manganese phosphate coating by chemical conversion treatment, A solid lubricant film having a thickness of 28 μm was formed. The coating solution was charged with polyamideimide resin and molybdenum disulfide powder (volume ratio 5%) with an average particle size of 4.0 μm in a solvent (ethanol: toluene = 50: 50, 28% by mass), stirred, and allowed to stand. The molybdenum disulfide powder was agglomerated. After this coating solution was applied to the contact surface of the box, it was heated to 260 ° C. in the atmosphere for 30 minutes in an atmosphere furnace to dry and harden the coating film to form a solid lubricating coating.
[0088]
As a result of coating analysis, it was confirmed that the area ratio of molybdenum disulfide particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm in the cross section in the thickness direction of the solid lubricating coating was 3%.
The contact surface of the pin was only a mechanical grinding finish (surface roughness 3 μm).
[0089]
As shown in Table 3, in the tightening / loosening test, no seizure occurred until the sixth time. However, since mild seizure occurred at the seventh to eighth times, the maintenance was continued, but the test was terminated because intense seizure occurred at the ninth time. When there was little molybdenum disulfide with an average particle diameter of 15 to 60 μm in the solid lubricant film, the seizure resistance was insufficient.
[0090]
[Comparative Example 3]
The following surface treatment was applied to the threaded joint made of carbon steel having the composition A shown in Table 1.
The contact surface of the box is made of a polyamide-imide resin containing molybdenum disulfide on the surface after mechanical grinding finish (surface roughness 3 μm), after performing a base treatment to form a 22 μm manganese phosphate coating by chemical conversion treatment, A solid lubricating film having a thickness of 25 μm was formed. The coating solution was charged with a polyamideimide resin and molybdenum disulfide powder (volume ratio 95%) with an average particle size of 7.0 μm in a solvent (ethanol: toluene = 50: 50, 80% by mass), stirred, and allowed to stand. The molybdenum disulfide powder was agglomerated. After this coating solution was applied to the contact surface of the box, it was heated to 260 ° C. in the atmosphere for 30 minutes in an atmosphere furnace to dry and harden the coating film to form a solid lubricating coating.
[0091]
As a result of coating analysis, it was confirmed that the area ratio of molybdenum disulfide particles having an equivalent diameter of 15 to 60 μm in the cross section in the thickness direction of the solid lubricating coating was 95%.
The contact surface of the pin was only a mechanical grinding finish (surface roughness 3 μm).
[0092]
As shown in Table 3, in the tightening / loosening test, no seizure occurred until the fifth time in Table 6. However, since mild seizure occurred at the 6th to 7th times, the maintenance was continued, but since the intense seizure occurred at the 8th time, the test was terminated. In the solid lubricating film, molybdenum disulfide having an average particle size of 15 to 60 μm is excessively present at 95%, so that the strength and adhesion of the solid lubricating film are extremely lowered, and it is considered that the seizure resistance is insufficient.
[0093]
【The invention's effect】
The threaded joint for steel pipes having a solid lubricating coating according to the present invention stably suppresses the occurrence of seizure during repeated tightening and loosening without using a liquid lubricant containing heavy metal powder such as compound grease. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view schematically showing an assembly configuration of a steel pipe and a threaded joint member at the time of shipment of the steel pipe.
FIG. 2 is a schematic view schematically showing a tightening portion of a threaded joint for steel pipes of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the relationship between the equivalent diameter of the solid lubricant in the solid lubricant film and the seizure resistance.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the relationship between the area ratio and seizure resistance of a solid lubricant having an equivalent diameter of 15 to 60 μm in the solid lubricant film.
[Explanation of symbols]
A: Steel pipe, B: Threaded joint member,
1: pin, 2: box,
3: Screw part, 4: Unthreaded metal contact part,
5: Shoulder portion.

Claims

A threaded joint for steel pipes composed of a pin and a box each having a contact surface including a threaded portion and an unthreaded metal contact portion,
A solid lubricant primary particle having a solid lubricant film comprising a solid lubricant and a binder on at least one of the contact surfaces of the pin and the box, and having an average particle size of less than 15 μm in the cross section in the thickness direction of the solid lubricant film A threaded joint for steel pipes, characterized in that the area ratio occupied by secondary particles of solid lubricant having an equivalent area equivalent diameter of 15 to 60 μm formed by agglomeration is 5 to 90%.

The threaded joint for steel pipes according to claim 1, wherein the solid lubricant is one or more selected from molybdenum disulfide, tungsten disulfide, an organic molybdenum compound, graphite, boron nitride, and polytetrafluoroethylene.

The threaded joint for steel pipes according to claim 1 or 2, wherein the binder is an organic resin or an inorganic polymer.

The threaded joint for steel pipes according to any one of claims 1 to 3, further comprising a porous coating layer as a base treatment layer between the solid lubricating coating and the contact surface.

The threaded joint for steel pipes according to claim 4, wherein the porous coating layer is a phosphate chemical conversion coating or a zinc or zinc alloy coating.