CN101300443A - 钢管用螺纹接头 - Google Patents

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Abstract

一种钢管用螺纹接头，其由销1和壳体2构成，销1和壳体2均具有螺纹部(1a，2a)和无螺纹金属接触部(1b，2b)，当在涂施绿色涂料或甚至没有涂施任何涂料的情况下用于石油工业用管材的组装时，该螺纹接头显示充分的耐泄漏性和耐磨损性。该螺纹接头具有形成在销1和壳体2中的至少一个的接触面上的Sn－Bi合金电镀或Sn－Bi－Cu合金电镀的第一镀层。第一镀层在其下侧可以具有从Sn电镀、Cu电镀、和Ni电镀中选择的第二镀层，在其上侧可以具有至少一个润滑涂层，特别是固体润滑涂层。

Description

钢管用螺纹接头
技术领域
本发明涉及一种钢管用螺纹接头，其具有改进的耐磨损性并且适用于石油工业用管材的组装(makeup)。
背景技术
用于油田和天然气田的石油工业用管材(OCTG)可以具有有时达到数千米的总长度。典型地，通过借助于作为短的管状构件的联接部(coupling)连接大量的具有大约十至十二米的单位长度的钢管来组装该长的石油工业用管材。取决于使用的环境，形成钢管和联接部的材料通常是碳钢、不锈钢或高合金钢。
借助于在其外周面上具有外螺纹部的销与在其内周面上具有内螺纹部的壳体(box)的螺纹接合来连接这些钢管。典型地，销形成在钢管的每一端，壳体形成在联接部的内部。由销和壳体形成的连接部分是螺纹接头。
在要求高度的气密性的钢管用螺纹接头的情况下，销的外螺纹部的前端和壳体的内螺纹部的基部均具有形成在其上的无螺纹金属接触部。通过将钢管的一端插入到联接部中并且拧紧销的外螺纹部和壳体的内螺纹部，直到使销和壳体的无螺纹金属接触部彼此接触为止，形成确保气密性的金属与金属的密封。
图9示意性示出具有该类型的销-壳体结构的螺纹接头。销1在其外周面上具有外螺纹部1a，并且在其前端具有无螺纹金属接触部1b。相应地，壳体2在其内周面上具有内螺纹部2a，并且在其内侧具有无螺纹金属接触部2b。通过使销1和壳体2的螺纹部彼此接合并且拧紧该螺纹部直到销1和壳体2的无螺纹金属接触部彼此接触为止来进行OCTG的组装，即OCTG的连接。
为了进行定期检查等，从油井里升起OCTG，并且进行拆卸，即，松开螺纹接头的螺纹部，以使钢管与联接部分开。检查完成后，通过拧紧销和壳体的螺纹部再次进行OCTG的组装，并且将它们再次下降到油井中。在OCTG的组装和拆卸时，销1和壳体2的螺纹部1a和2a的滑动接触面以及无螺纹金属接触部1b和2b重复地经受很强的摩擦力。因此，如果螺纹接头不具有足够的耐摩擦力性，则当重复地进行拧紧和松开时，在螺纹部1a和2a中并且特别是在无螺纹金属接触部1b和2b中会产生不完全密封(差的耐泄漏性)和磨损(不可修复的严重卡死)。
因此，要求用于OCTG的组装的钢管用螺纹接头能够：(a)抵抗由于连接的钢管的重量导致的沿轴向的张力，(b)抵抗来自内部和外部流体的压力，以及(c)当在套管(casing)(大直径管)的情况下重复地使用(经受重复地组装和拆卸)至少四次，并且在管线管(tubing)(小直径管)的情况下重复使用(经受重复地组装和拆卸)至少十次时维持良好的耐泄漏性和耐磨损性。近年来，油井的深度已经趋向于变得越来越深，并且在如极地等恶劣条件下使用OCTG的频率增加，从而对于螺纹接头的质量的要求日益严格。
过去，如JP H01-12995B提出的那样，例如，为了给螺纹接头的销1或壳体2的接触面(包括螺纹部1a、2a和无螺纹金属接触部1b、2b的表面)提供改进的耐磨损性，使该表面经受如镀铜或磷酸盐处理等表面处理，并且将含有如Pb等重金属的复合脂(也被称为涂料)涂施到处理过的表面，用于润滑。
然而，现今，考虑到防止正变为紧急问题的全球环境污染，含有Pb的涂料的使用受到限制。已经开发了不含有如Pb、Zn和Cu等重金属的涂料(被称为绿色涂料)，并且正在使用，但其润滑性能不充分，特别当螺纹接头由如不锈钢或高合金钢等对磨损相对敏感的材料制成时，不能防止磨损的发生。
已经提出了改进耐泄漏性和耐磨损性的其它方法，包括：(1)氟树脂粉末被分散在镀层中的方法，(2)通过喷涂(sputtering)形成润滑保护涂层的方法，以及(3)使用固体润滑涂层代替复合脂的方法，但这些方法不能实现足够的耐泄漏性和耐磨损性。
发明内容
本发明的目的是提供一种钢管用螺纹接头，当使用绿色涂料或不使用任何涂料时，其显示充分的耐泄漏性和耐磨损性。
根据本发明的钢管用螺纹接头，其包括销和壳体，该销和壳体均都具有包括螺纹部和无螺纹金属接触部的接触面，其特征在于，该钢管用螺纹接头具有形成在销和壳体中的至少一方的接触面的至少一部分上的，从Sn-Bi合金电镀和Sn-Bi-Cu合金电镀中选择的第一镀层。
已知Bi(铋)是具有低摩擦性的材料。已经发现：当Bi与Sn(锡)熔合时，Bi具有改进Sn的低温脆性(锡瘟)的效果，并且具有在使用螺纹接头重复进行OCTG的组装和拆卸时大大改进耐磨损性的效果。由于Bi的改进Sn的低温脆性的效果，Sn-Bi合金显示防止锡瘟的效果，从而Sn不再由于在低温时的α转变而变成粉末。与Sn-Bi合金相比，Sn-Bi-Cu合金稍硬，但在Sn-Bi合金中添加Cu提供以下优点：不仅获得防止锡瘟的效果，而且增强了耐磨性。
Sn-Bi合金和Sn-Bi-Cu合金中的Bi的含量优选在0.5-10质量％的范围内，更优选在1-5质量％的范围内。Sn-Bi-Cu合金中的Cu的含量优选在2-15质量％的范围内，更优选在5-10质量％的范围内。这些合金的其它物质通常是Sn和杂质，但这些合金也可以分别还含有高达5质量％的量的Zn和/或Pb。
在螺纹接头的第一镀层和接触面之间，根据本发明的钢管用螺纹接头可以具有从Sn电镀、Cu电镀或Ni电镀中选择的第二镀层。当该第二镀层形成在第一镀层的下面时，即使形成在第二镀层上方的Sn-Bi或Sn-Bi-Cu合金的第一镀层较薄，也可以充分地防止磨损。
可以通过在第一镀层上形成至少一个润滑涂层进一步增强耐磨损性。润滑涂层可以是单层的粘性液体或半固体润滑涂层，或者可以是单层的固体润滑涂层。在另一个实施方式中，润滑涂层具有固体润滑涂层下层和粘性液体润滑涂层或半固体润滑涂层上层。
为了增加涂层的润滑性能，固体润滑涂层优选含有粘合剂中的固体润滑粉末。通过在OCTG的重复组装和拆卸期间施加的压力，固体润滑粉末埋设在Sn-Bi合金或Sn-Bi-Cu合金的第一镀层中。埋设的固体润滑粉末的量与进行组装和拆卸的压力和次数成比例地增加。因此，即使压力变大或重复使用螺纹接头，通过埋设的固体润滑粉末也维持了润滑效果，并且增加了通过根据本发明的螺纹接头防止磨损的效果。
当润滑涂层是含有固体润滑粉末的粘性液体或半固体涂层时，可以以类似的方式实现通过埋设在第一镀层中的固体润滑粉末改进耐磨损性的效果。
当含有固体润滑粉末的固体润滑涂层直接形成在基底金属的表面上时，由于基底金属太硬，在组装和拆卸时，固体润滑粉末没有埋设在基底金属中而很容易剥离，因此不能实现上述效果。
根据本发明的钢管用螺纹接头具有比传统的产品改进的耐泄漏性和耐磨损性，并且在没有使用从环境观点而言具有许多问题的复合脂的情况下显示足够的耐泄漏性和耐磨损性。因此，在涂施绿色涂料或没有涂施任何涂料的情况下，可以有效地抑制磨损的发生。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施方式的钢管用螺纹接头的接触面的示意性剖视图。
图2是根据本发明的第二实施方式的钢管用螺纹接头的接触面的示意性剖视图。
图3是根据本发明的第三实施方式的钢管用螺纹接头的接触面的示意性剖视图。
图4是根据本发明的第四实施方式的钢管用螺纹接头的接触面的示意性剖视图。
图5是根据本发明的第五实施方式的钢管用螺纹接头的接触面的示意性剖视图。
图6是根据本发明的第六实施方式的钢管用螺纹接头的接触面的示意性剖视图。
图7是示出镀Cu表面的润湿性程度的照片。
图8是示出镀Sn-Bi合金表面的润湿性程度的照片。
图9是典型的钢管用螺纹接头的销和壳体的示意性剖视图。
具体实施方式
下面将参照附图说明本发明的各实施方式。在下面的说明中，除非另作说明，“％”表示“质量％”。
与图9所示的传统的钢管用螺纹接头类似，根据本发明的钢管用螺纹接头由销和壳体构成，该销在其外周面上具有外螺纹部和无螺纹金属接触部，该壳体在其内周面上具有内螺纹部和无螺纹金属接触部。在通过拧紧螺纹部组装OCTG期间，销和壳体的螺纹部和无螺纹金属接触部的表面是彼此接触的接触面。在本发明中，销和壳体中的至少一个的接触面的至少一部分具有形成在其上的Sn-Bi合金电镀或Sn-Bi-Cu合金电镀的第一镀层。在本发明的一些实施方式中，从Sn电镀、Cu电镀和Ni电镀中选择的第二镀层形成在第一镀层和基底金属之间，并且/或者至少一个润滑涂层设置在第一镀层上方。
典型地，销形成在钢管的两端，壳体形成在作为与钢管分开的短构件的联接部的内部。已知并且使用被称为整体式螺纹接头的其它螺纹接头，在该螺纹接头中，销形成在钢管的一端，壳体形成在另一端，从而钢管在不使用联接部的情况下彼此连接。原则上，也可想到销形成在联接部的外周面上并且壳体形成在钢管的两端的内周面上的螺纹接头。本发明可以应用于这些类型的螺纹接头中的任一种。
当根据本发明的第一镀层和可选的第二镀层和/或润滑涂层设置在销和壳体中的仅一方的接触面上时，可以实现本发明的效果。例如，对于钢管的两端具有销的典型的螺纹接头，可以仅在更容易处理的壳体的接触面上进行根据本发明的处理。在该情况下，余下的构件的接触面，在该情况下是销，可以不进行处理(保持机械加工状态)，或可以经受适当的传统的润滑处理。
可以用于形成根据本发明的钢管用螺纹接头以及相应的钢管和联接部的材料的非限制性例子是碳钢、不锈钢和高合金钢。在经受根据本发明的电镀之前，螺纹接头的接触面可以通过喷砂处理、喷丸处理或其它方法经受表面粗糙化处理。
图1～图6均示意性示出根据本发明的不同实施方式的螺纹接头的销或壳体的接触面的截面，其中，在该接触面上形成由表面处理形成并且包括第一镀层的至少一层。
在图1所示的螺纹接头中，销或壳体的基底金属5的接触面仅具有形成在其上的Sn-Bi合金电镀或Sn-Bi-Cu合金电镀的第一镀层6。第一镀层可以由Sn-Bi合金电镀和Sn-Bi-Cu电镀二者形成。
通常优选第一镀层6的厚度在3-30μm的范围内，更优选在5-25μm的范围内。当稍后说明的第二镀层没有形成在第一镀层的下面时，第一镀层优选具有上述范围内的较大厚度，例如，在10和30μm之间。另一方面，当形成第二镀层、并且/或者形成稍后说明的固体润滑涂层时，第一镀层的厚度可以是15μm以下。在该情况下，第一镀层的厚度优选在3-20μm的范围中，更优选在5-15μm的范围中。
可以根据使用例如碱性电镀液或酸性电镀液的电镀锡(用Sn电镀)进行Sn-Bi合金电镀。当Bi化合物添加到电镀液中的Sn化合物中以形成Bi与Sn共析的Sn-Bi合金镀层时，与纯Sn电镀(Hv：8-10)相比，产生的镀层的硬度大大地增加。例如，含有0.5％-10％Bi的Sn-Bi合金的镀层硬度是纯Sn电镀硬度的2-3倍，因此具有增加的耐磨性。同时，通过与Bi的共析改进了Sn电镀的低温脆性(锡瘟)。
类似地，通过使用除Sn化合物之外还含有Bi化合物和Cu化合物的电镀液进行电镀可以形成Sn-Bi-Cu合金电镀。Sn-Bi-Cu合金电镀提供了Bi的上述效果，并且具有更高的电镀硬度，从而其耐磨性还要更高。
用于Sn-Bi合金电镀的碱性电镀液的例子包括100-110g/L的锡酸钾、35-60g/L的氢氧化钾以及0.5-1.5g/L的作为Bi金属的Bi化合物。利用该电镀液的典型的电镀条件是75-85℃的浴温和0.5-3A/dm2的电流密度。
用于Sn-Bi合金电镀的酸性电镀液的例子包括130g/L的有机酸、10g/L的作为Sn金属的Sn化合物、以及3g/L的作为Bi金属的Bi化合物。利用该电镀液的典型的电镀条件是30-40℃的浴温和0.3-3.5A/dm2的电流密度。
用于Sn-Bi-Cu合金电镀的酸性电镀液的例子包括130-180g/L的有机酸、15g/L的作为Sn金属的Sn化合物、1.5g/L的作为Bi金属的Bi化合物以及1g/L的作为Cu金属的Cu化合物。利用该电镀液的典型的电镀条件是15-30℃的浴温和0.5-3.5A/dm2的电流密度。
对于这些电镀液中的每一个，可以从可溶解在电镀液中的适当的金属化合物中选择每种金属的来源。
在图2所示的钢管用螺纹接头中，在基底金属5的表面上形成作为下镀层的Sn电镀、Cu电镀或Ni电镀的第二镀层7，Sn-Bi合金电镀或Sn-Bi-Cu合金电镀的第一镀层6形成在第二镀层7上方。第二镀层还可以由两层以上电镀(如Ni镀层和Cu镀层等)形成。
第二镀层7的厚度在Sn电镀的情况下优选为1-15μm，更优选为2-10μm，或者在Ni或Cu电镀的情况下优选为1-15μm或更优选为1-10μm。
可以例如使用包括200g/L的氟硼酸亚锡、125g/L的氟硼酸、25g/L的硼酸、2g/L的明胶、以及1g/L的β-萘酚的电镀液，通过以20-25℃的浴温和1-5A/dm2的电流密度进行电镀而形成Sn电镀。典型地，在氟硼酸盐浴中进行Sn电镀，但考虑到进行废水处理的容易性，还可以使用市场上可买到的基于有机磺酸盐的Sn电镀液。
可以由传统的Ni或Cu电镀法进行Cu电镀和Ni电镀。用于Cu电镀的电镀浴包括氰化铜浴、硫酸铜浴和焦磷酸铜浴。其中，优选氰化铜浴和硫酸铜浴。用于Ni电镀的电镀浴包括瓦特镀镍浴、氯化镍浴、氨基磺酸镍浴、以及氯化铵浴(低温镀镍浴)。其中，优选瓦特镀镍浴和氯化镍浴。
在图1所示的实施方式中，在螺纹接头的接触面上形成Sn-Bi合金或Sn-Bi-Cu合金的第一镀层6。在图2所示的实施方式中，先在接触面上形成Sn、Cu或Ni电镀的第二镀层7，然后形成第一镀层6。
当基底金属5是碳钢时，即使第一镀层6(图1)或第二镀层7(图2)直接形成在钢表面上时，也可以形成具有良好的粘附性的第一镀层6或第二镀层7。
另一方面，在基底金属5是不锈钢或高合金钢的情况下，如果Sn-Bi电镀或Sn-Bi-Cu电镀的第一镀层直接形成在钢表面上，则形成的镀层在该表面上具有差的粘附性而很容易剥离。因此，在利用Sn-Bi合金电镀或Sn-Bi-Cu合金电镀形成第一镀层之前，螺纹接头的接触面优选经受Cu或Ni触击电镀。在该情况下，可以经由触击电镀在接触面上形成具有良好的粘附性的第一镀层。
类似地，如图2所示，当先在接触面上形成第二镀层7时，如果基底金属5是不锈钢或高合金钢，则优选预先进行Ni或Cu触击电镀。然而，在第二镀层是薄的Ni或Cu镀层的情况下，例如，大约1-3μm，即使省去上述的触击电镀，也可以在不锈钢或高合金钢的表面上形成具有良好的粘附性的第二镀层。
可以以传统的方式进行Ni或Cu触击电镀。通常，使用氯化镍浴进行Ni触击电镀，使用氰化铜浴进行Cu触击电镀。在任一种情况下，电镀时间足够短以形成小于1μm并且优选最多0.5um的镀层。
在图3所示的钢管用螺纹接头中，Sn-Bi合金电镀或Sn-Bi-Cu合金的第一镀层6的表面由润滑涂层8覆盖。在图3和图4中，第一镀层6下面的结构未示出，但可以与图1或图2中的任一个相同。
润滑涂层的例子是如在JP2001-65751A、JP2002-221288A、JP2002-327875A或JP2002-348587A中说明的固体润滑涂层(包括分散在粘合剂中的固体润滑粉末的焙干涂层)，或者如在JP2002-173692A或JP2004-53013A中说明的粘性液体或半固体涂层(包括基础油中的各种润滑部件的涂层)。
存在于固体润滑涂层中的优选固体润滑粉末的例子包括但不局限于：石墨、MoS2(二硫化钼)、WS2(二硫化钨)、BN(氮化硼)、PTFE(聚四氟乙烯)、CF(氟化碳)以及CaCO3(碳酸钙)。其中，优选石墨和MoS2。这些材料有具有高面内粘结强度和低面间粘结强度的层状晶体结构，并且容易使晶面脱层，这提供了滑动效果，从而适于改进耐磨损性。
作为用于形成固体润滑涂层的粘合剂，可以使用能够形成有机膜或无机膜的各种材料。能够形成有机膜的材料的例子是如环氧树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等具有良好的耐热性的有机树脂。能够形成无机膜的材料的例子是如硅溶胶、烷氧基硅烷和钛醇盐等可以形成金属氧化物涂层的有机物或无机物。
可以通过将固体润滑粉末与粘合剂溶液混合以形成涂布组合物、将涂布组合物涂施到钢管用螺纹接头的接触面上、并且优选通过加热以焙干涂层来干燥涂层来形成固体润滑涂层。加热温度取决于粘合剂的类型，当粘合剂是环氧树脂时，加热温度优选为150-250℃左右。
优选的固体润滑涂层具有5-30μm的涂层厚度，并且含有10％-50％的固体润滑粉末。接触固体润滑涂层的Sn-Bi合金或Sn-Bi-Cu合金电镀具有良好的液体亲合性，从而形成在该电镀上的固体润滑涂层具有很好的粘附性。
粘性液体或半固体润滑涂层优选不包含大量的如Pb、Zn和Cu等对环境和人类有害的重金属粉末。该润滑涂层包括大量的基础油中的一种或多种润滑成分(如蜡、金属皂和各种类型的包括碱性Ca或Ba磺酸盐、酚盐、水杨酸盐和羧酸盐的有机酸的碱性金属盐)。润滑涂层的形成，即，润滑涂层是粘性液体还是半固体取决于基础油的粘性和润滑成分的量。粘性液体或半固体涂层的优选厚度为10-200μm。
图4示出了润滑涂层由固体润滑涂层8a形式的下层和粘性液体或半固体润滑涂层8b形式的上层构成的润滑涂层的实施方式。分别构成两层8a和8b的下部固体润滑涂层和上部粘性液体或半固体润滑涂层可以与如上所述的涂层相同。
图5示出了Sn-Bi合金电镀或Sn-Bi-Cu合金电镀的第一镀层6形成在基底金属5的表面上，含有MoS2的固体润滑涂层8a1形成在第一镀层6上方的实施方式。如上所述，可以通过涂施含有分散在如环氧树脂等粘合剂中的MoS2粉末的涂布组合物、随后烘烤而形成含有MoS2的固体润滑涂层8a1。对于第一镀层6，涂层厚度优选为3-30μm左右，对于固体润滑涂层，优选为5-30μm左右，两层的总厚度为10-45μm左右。
图6示出了除固体润滑涂层是含有石墨的固体润滑涂层8a2之外，与图5所示的相同的实施方式。
如图5和图6所示，当固体润滑涂层形成在Sn-Bi或Sn-Bi-Cu合金的第一镀层6上方时，可以优选形成具有1-3μm厚度的未示出的薄的Cu镀层作为下部第二镀层。当该薄的Cu镀层形成在第一镀层6下方时，由于烘烤固体润滑涂层8a1或8a2时(通常在150-250℃时进行)的热量，在第一镀层6和基底金属5之间形成了具有缓和的浓度梯度的Sn-Bi-Cu金属间化合物层，由此增加了第一镀层6的粘合强度。
可以通过化学镀或气相镀(vapor phase plating)代替电镀形成一个或多个第一和第二镀层和触击镀层。然而，由于效率和经济性优选电镀。
根据本发明的钢管用螺纹接头优选用于在没有涂施涂料或涂施绿色涂料之后的OCTG的组装。特别地，由于润滑涂层中的固体润滑粉末在压力下被埋设到较软的第一镀层中的能力，具有形成在如图4至图6所示的Sn-Bi或Sn-Bi-Cu合金的第一镀层6上的固体润滑涂层8a、8a1或8a2的螺纹接头显示非常好的润滑性，并且即使在没有涂施涂料的情况下用于OCTG的组装时，也提供良好的耐磨损性。当粘性液体或半固体润滑涂层形成在固体润滑涂层上方时，进一步增加了耐磨损性。类似地，当仅粘性液体或半固体润滑涂层形成在第一镀层上方时，如果含有润滑固体(例如，含在有机酸的碱性金属盐中的碱土金属碳酸盐)，则可以实现由于固体粒子埋设到第一镀层中的能力引起的上述润滑性和耐磨损性的改进。
在如图1或图2所示的根据本发明的螺纹接头的情况下，在该情况中，没有形成润滑涂层从而使Sn-Bi或Sn-Bi-Cu合金的第一镀层露出，通常优选使用在涂施绿色涂料后用于OCTG的组装的螺纹接头。
涂料通常是含有一种或多种增稠剂和可选地分散在润滑油中的其它固体粒子的半固体或固体组合物。有用的增稠剂包括金属皂、Ca合成物、尿素衍生物、金属盐以及皂土衍生物。基本上不具有重金属粉末并且具有良好的生物可降解性的一种涂料被称为绿色涂料。尽管对绿色涂料没有具体的定义，但作为大致标准，绿色涂料应当具有至少60％的BOD值。就生物可降解性而言，绿色涂料可以与形成在根据本发明的第一镀层上方的半固体润滑涂层区分开。以与油脂相同的方式通过JIS K2220 5.3中限定的渗透度来测量涂料的一致性。粘性液体润滑涂层具有非常低的一致性，该一致性可以通过如Brookfield粘度计等标准粘度计来测量。40℃时其粘度通常至多为10,000cSt。
实施例
以下的实施例旨在证明本发明的效果，而不是旨在以任何方式限制本发明。在实施例中，包括销的螺纹部和无螺纹金属接触部的接触面将被称作“销表面”，包括壳体的螺纹部和无螺纹金属接触部的接触面将被称作“壳体表面”。
在实施例中制备的钢管用螺纹接头由形成在试验用无缝钢管的每一端的销和形成在联接部的内部的壳体构成，该无缝钢管的外径为244.5mm，壁厚为13.84mm，长度为1200mm。每一个销均具有形成在其外周面上的外螺纹部和无螺纹金属接触部，每一个壳体均具有形成在其内周面上的内螺纹部和无螺纹金属接触部。钢管和联接部均由13Cr钢制成，该13Cr钢是含有13％的Cr、0.1％的Ni以及0.04％的Mo的高合金钢。
如表1和表2所示，至少一个镀层和位于镀层上方的可选的至少一个润滑涂层形成在每一个联接部的壳体表面上。表1示出了根据本发明的工作例，其中，在实施例1-8中没有形成润滑涂层，在实施例9-13中形成一个或两个润滑涂层。表2示出了比较例，其中，最上面的镀层不是Sn-Bi或Sn-Bi-Cu合金镀层。
通过使用上述酸性电镀液(使用有机酸盐形式的各金属源)电镀来形成表1所示的Sn-Bi合金电镀和Sn-Bi-Cu合金电镀。这些合金电镀的合金组成为用于Sn-Bi合金电镀的大约3％的Bi以及用于Sn-Bi-Cu合金电镀的大约3％的Bi和大约7.5％的Cu。通过使用碱性电镀液电镀来形成用于一些比较例中的Sn-Cu合金电镀。Sn-Cu合金电镀的Cu含量是大约50％。
当在第一镀层之前形成第二镀层时，通过电镀形成该第二镀层。使用的电镀浴是用于Sn电镀的磺酸盐浴、用于Ni电镀的氯化镍浴以及用于Cu电镀的氰化铜浴。
尽管表1和表2中未示出，但考虑到作为高合金钢的基底金属，在形成表中示出的最下面的镀层之前，使用用于触击电镀的氯化镍浴使脱脂的每一个壳体表面预先经受厚度为0.5μm的Ni触击电镀。然而，在最下面的镀层是厚度为1μm的Ni镀层的实施例4和13以及比较例1-3和5-7中不进行Ni触击电镀。
用于实施例的润滑涂层是固体润滑涂层和粘性液体润滑涂层。固体润滑涂层含有环氧树脂中的润滑粉末(石墨或二硫化钼)，并且通过涂布组合物的涂施、随后在大约200℃的温度下烘烤而形成。在石墨的情况下，固体润滑涂层中的润滑粉末的含量为30％，在二硫化钼(MoS2)的情况下，固体润滑涂层中的润滑粉末的含量为40％。
粘性液体润滑涂层包括作为基础油的矿物油中的作为润滑成分的蜡和碱性磺酸钙。
具有以表1和表2所示的方式处理的壳体表面的螺纹接头经受以下的磨损试验。
(磨损试验)
将钢管的端部上的销插入到联接部的壳体中。预先用玻璃珠破坏销表面。在一些实施例中，将市场上可买到的绿色涂料预先涂施到壳体表面。为了模拟OCTG的组装与拆卸，在室温下，将销和壳体的螺纹部接合在一起，并且用49351.8N·m(36400ft-1bs)的力矩拧紧，直到销和壳体的无螺纹金属接触部彼此接触，用于组装，然后，分离销和壳体的螺纹部以从联接部中拆下钢管，用于拆卸。然后，视觉观察壳体表面以判断是否发生磨损。
进行该组装拆卸过程至十次，通过该组装和拆卸的循环，评价耐磨损性，直到发生磨损(不可修复的严重卡死)。当观察到微小的可修复的卡死时，修复螺纹接头后继续该试验，在表1和表2中示出结果。
表1
Figure A20068004057900181
表2
Figure A20068004057900182
Figure A20068004057900191
(实施例1)
壳体表面具有厚度为15μm的Sn-Bi合金镀层。在绿色涂料涂施到壳体表面后进行的磨损试验中，可以在没有发生磨损的情况下进行八次组装和拆卸。当相同的壳体表面在没有涂施绿色涂料的情况下经受磨损试验时，可以在没有发生磨损的情况下进行六次组装和拆卸。
(实施例2)
壳体表面具有厚度为5μm的下部Sn镀层和厚度为12μm的上部Sn-Bi合金镀层。在绿色涂料涂施到壳体表面后进行的磨损试验中，可以在没有发生磨损的情况下进行十次组装和拆卸。当相同的壳体表面在没有涂施绿色涂料的情况下经受磨损试验时，可以在没有发生磨损的情况下进行八次组装和拆卸。
(实施例3)
壳体表面具有厚度为3μm的下部Cu镀层和厚度为14μm的上部Sn-Bi合金镀层。在绿色涂料涂施到壳体表面后进行的磨损试验中，可以在没有发生磨损的情况下进行十次组装和拆卸。
(实施例4)
壳体表面具有厚度为1μm的下部Ni镀层和厚度为25μm的上部Sn-Bi合金镀层。在绿色涂料涂施到壳体表面后进行的磨损试验中，可以在没有发生磨损的情况下进行十次组装和拆卸。
(实施例5)
壳体表面具有厚度为12μm的Sn-Bi-Cu合金镀层。在绿色涂料涂施到壳体表面后进行的磨损试验中，可以在没有发生磨损的情况下进行八次组装和拆卸。
(实施例6)
壳体表面具有厚度为10μm的下部Sn镀层和厚度为10μm的上部Sn-Bi-Cu合金镀层。在绿色涂料涂施到壳体表面后进行的磨损试验中，可以在没有发生磨损的情况下进行十次组装和拆卸。
(实施例7)
壳体表面具有厚度为5μm的下部Cu镀层和厚度为15μm的上部Sn-Bi-Cu合金镀层。在绿色涂料涂施到壳体表面后进行的磨损试验中，可以在没有发生磨损的情况下进行十次组装和拆卸。
(实施例8)
壳体表面具有厚度为5μm的下部Ni镀层和厚度为15μm的上部Sn-Bi-Cu合金镀层。在绿色涂料涂施到壳体表面后进行的磨损试验中，可以在没有发生磨损的情况下进行十次组装和拆卸。
(实施例9)
壳体表面具有厚度为5μm的Sn-Bi合金镀层和形成在镀层上的厚度为30μm的含有石墨的固体润滑涂层。在没有涂施绿色涂料的情况下进行的磨损试验中，可以在没有发生磨损的情况下进行八次组装和拆卸。
(实施例10)
壳体表面具有厚度为3μm的下部Sn镀层、厚度为11μm的上部Sn-Bi合金镀层以及形成在镀层上方的厚度为30μm的含有石墨的固体润滑涂层。在没有涂施绿色涂料的情况下进行的磨损试验中，可以在没有发生磨损的情况下进行八次组装和拆卸。
(实施例11)
壳体表面具有厚度为10μm的Sn-Bi合金镀层、厚度为10μm的含有石墨的下部固体润滑涂层以及形成在镀层上的厚度为200μm的上部粘性液体润滑涂层。在没有涂施绿色涂料的情况下进行的磨损试验中，可以在没有发生磨损的情况下进行十次组装和拆卸。
(实施例12)
壳体表面具有厚度为5μm的下部Sn镀层和厚度为10μm的上部Sn-Bi合金镀层以及厚度为10μm的含有石墨的下部固体润滑涂层和形成在镀层上的厚度为200μm的上部粘性液体润滑涂层。在没有涂施绿色涂料的情况下进行的磨损试验中，可以在没有发生磨损的情况下进行十次组装和拆卸。
(实施例13)
壳体表面具有厚度为1μm的最下面的Ni镀层、厚度为5μm的中间Cu镀层、厚度为10μm的上部Sn-Bi合金镀层、以及厚度为10μm的含有石墨的下部润滑涂层和形成在镀层上的厚度为200的上部粘性液体润滑涂层。在没有涂施绿色涂料的情况下进行的磨损试验中，可以在没有发生磨损的情况下进行十次组装和拆卸。
(比较例1)
壳体表面具有厚度为1μm的下部Ni镀层和厚度为10μm的上部Cu镀层。在绿色涂料涂施到壳体表面后进行的磨损试验中，在组装和拆卸的第四循环发生磨损。当相同的壳体表面在没有涂施绿色涂料的情况下经受磨损试验时，在第一循环发生磨损。
(比较例2)
壳体表面具有厚度为1μm的下部Ni镀层和厚度为10μm的上部Cu镀层，以及形成在镀层上方的厚度为25μm的含有石墨的固体润滑涂层。在绿色涂料涂施到壳体表面后进行的磨损试验中，在组装和拆卸的第四循环发生磨损。当相同的壳体表面在没有涂施绿色涂料的情况下经受磨损试验时，在第一循环发生磨损。
(比较例3)
壳体表面具有厚度为1μm的下部Ni镀层和厚度为10μm的上部Cu镀层，以及形成在镀层上方的厚度为25μm的含有MoS2的固体润滑涂层。在绿色涂料涂施到壳体表面后进行的磨损试验中，在组装和拆卸的第四循环发生磨损。
(比较例4)
壳体表面具有厚度为10μm的Sn-Cu合金镀层。在绿色涂料涂施到壳体表面后进行的磨损试验中，在组装和拆卸的第六循环发生磨损。
(比较例5)
壳体表面具有厚度为1μm的下部Ni镀层和厚度为8μm的上部Cu镀层。在没有涂施绿色涂料的情况下进行的磨损试验中，在组装和拆卸的第二循环发生磨损。
(比较例6)
壳体表面具有厚度为1μm的下部Ni镀层和厚度为8μm的上部Cu镀层，以及形成在镀层上方的厚度为25μm的含有石墨的固体润滑涂层。在没有涂施绿色涂料的情况下进行的磨损试验中，在组装和拆卸的第二循环发生磨损。
(比较例7)
壳体表面具有厚度为1μm的下部Ni镀层和厚度为9μm的上部Cu镀层，以及形成在镀层上方的厚度为25μm的含有MoS2的固体润滑涂层。在没有涂施绿色涂料的情况下进行的磨损试验中，在组装和拆卸的第二循环发生磨损。
(比较例8)
壳体表面具有厚度为12μm的Sn-Cu合金镀层和形成在镀层上方的厚度为25μm的含有石墨的固体润滑涂层。在没有涂施绿色涂料的情况下进行的磨损试验中，在组装和拆卸的第三循环发生磨损。
从上述实施例和比较例的结果可以看出：根据本发明的钢管用螺纹接头比比较例更有效地抑制磨损。
(亲合性的差别)
研究Cu镀层和Sn-Bi合金镀层之间的亲合性(润湿性)的差别。图7和图8是示出当将一个液滴置于形成在实施例中的Cu镀层(图7)和Sn-Bi合金镀层(图8)的表面上时液体(水)的扩散状态的照片。扩散量表明表面的润湿性，即，它们的液体亲合性。液体在Sn-Bi合金镀层上比在Cu镀层上扩散得更多表示Sn-Bi合金电镀具有较大的液体亲合性。
实际上，亲合性的差别反映在磨损试验结果中。具有形成在Sn-Bi合金镀层上方的含有石墨的固体润滑涂层的实施例9-12比具有形成在Cu镀层上方的相同的固体润滑涂层的比较例2和6具有远为更好的耐磨损性。认为耐磨损性的该差别的一个原因是亲合性，因此，Sn-Bi合金镀层的固体润滑涂层与镀层的粘附性比Cu镀层的固体润滑涂层与镀层的粘附性高。

Claims (8)

1.一种钢管用螺纹接头，其由销和壳体构成，所述销和所述壳体均具有包括螺纹部和无螺纹金属接触部的接触面，其特征在于，所述钢管用螺纹接头具有形成在所述销和所述壳体中的至少一方的所述接触面的至少一部分上的，从Sn-Bi合金电镀和Sn-Bi-Cu合金电镀中选择的第一镀层。
2.根据权利要求1所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述钢管用螺纹接头具有位于所述第一镀层下方的从Sn电镀、Cu电镀和Ni电镀中选择的第二镀层。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述钢管用螺纹接头具有位于所述第一镀层的表面上的至少一个润滑涂层。
4.根据权利要求3所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述润滑涂层包括从粘性液体润滑涂层、半固体润滑涂层和固体润滑涂层中选择的单个润滑涂层。
5.根据权利要求3所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述润滑涂层包括固体润滑涂层下层和粘性液体润滑涂层或半固体润滑涂层上层。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的钢管用螺纹接头，其特征在于，所述固体润滑涂层含有固体润滑粉末。
7.一种钢管用螺纹接头的销，该销具有包括螺纹部和无螺纹金属接触部的接触面，其特征在于，所述钢管用螺纹接头的销具有形成在所述接触面的至少一部分上的，从Sn-Bi合金电镀和Sn-Bi-Cu合金电镀中选择的第一镀层。
8.一种钢管用螺纹接头的壳体，该壳体具有包括螺纹部和无螺纹金属接触部的接触面，其特征在于，所述钢管用螺纹接头的壳体具有形成在所述接触面的至少一部分上的，从Sn-Bi合金电镀和Sn-Bi-Cu合金电镀中选择的第一镀层。
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