JP5429302B2 - 管ねじ継手 - Google Patents
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Description
(1)前記ピン及びボックスの少なくとも一方の接触表面が、極性基を含有する変性ポリオレフィンからなるポリオレフィン系ポリマーと潤滑油とが相溶してなる、均質組成を有する潤滑油含有ポリマーをマトリックスとする固体潤滑被膜によって少なくとも部分的に被覆されている、又は
(2)前記ピン及びボックスの少なくとも一方の接触表面が、ポリオレフィン及び変性ポリオレフィンから選ばれた少なくとも1種のポリオレフィン系ポリマーと潤滑油とが相溶してなる潤滑油含有ポリマーをマトリックスとする固体潤滑被膜により少なくとも部分的に被覆されており、この固体潤滑被膜が、被膜中の潤滑油の濃度が、被膜が形成されているねじ継手の接触表面に近いほど小さくなるように被膜厚み方向に組成が変化する傾斜組成を有する被膜である。
本発明に係る管ねじ継手の好適態様を列挙すると、次の通りである:
・ポリオレフィンがポリエチレンであり、変性ポリオレフィンが、カルボキシル基、エステル基、及びヒドロキシル基から選ばれた極性基を有するビニルモノマーとの共重合により変性されたポリエチレンである;
・固体潤滑被膜が防錆添加剤、酸化防止剤、極圧添加剤、耐摩耗剤、及び潤滑性粉末から選ばれた1種又は2種以上の添加剤を含有する;
・固体潤滑被膜で少なくとも部分的に被覆されている接触表面が、酸洗処理、ブラスト処理、亜鉛若しくは亜鉛合金による衝撃めっき処理、金属めっき処理、燐酸塩処理、並びに蓚酸塩処理から選ばれた方法により下地処理されている。
図1は、出荷時の油井管用鋼管とカップリングの状態を示す典型的なねじ継手の組み立て構成を模式的に示す。鋼管Aの両端にはピン1が形成されている。ピン1は外面に雄ねじ部3aを有する。カップリングBの両側にボックス2を有し、ボックス2は内面に雌ねじ部3bを有する。ピンとは雄ねじを有する方のねじ継手部分を、ボックスとは雌ねじを有する方のねじ継手部分をそれぞれ意味する。鋼管Aの一端には予めカップリングBが締付けられている。図示していないが、締付けられていない側の鋼管AのピンとカップリングBのボックスには、それぞれのねじ部を保護するためのプロテクターが出荷前に装着されている。プロテクターはねじ継手の使用前に取り外される。
本発明のねじ継手では、ピンとボックスの少なくとも一方の部材の接触表面の少なくとも一部は、潤滑油含有ポリマーをマトリックスとする固体潤滑被膜で被覆されている。この固体潤滑被膜は、前述したように、常温、大気圧下ではべたつきがなく、ドライである。しかし、ねじ継手の締付け時には、摩擦による高温と高面圧のために被膜から液体成分(ポリマー中に含浸されている潤滑油)が滲み出すことにより、液状グリスと同様に自己修復機能を発揮して、焼付きを防止することができる。
固体潤滑被膜のマトリックスは、極性基を含有する変性ポリエチレンと潤滑油(好ましくは鉱油)とが相溶した均質組成の潤滑油含有ポリマーから形成される。極性基を含有する変性ポリエチレン(広義には極性基を含有する変性ポリオレフィン)としては、各種のものが知られているが、本発明では、カルボキシル基、ヒドロキシル基、又はエステル基といった極性基を有するビニルモノマーとの共重合によってこれらの極性基を含有するように変性された変性ポリエチレン、即ち、エチレンとこのような極性基含有ビニルモノマーとの共重合体を変性ポリエチレンとして使用することが好ましい。例えば、スルホン酸基のようなより極性の高い極性基を含有する変性ポリエチレンも使用可能であるが、被膜の腐食性が高くなるという難点がある。
固体潤滑被膜のマトリックスが、被膜の厚み方向において、被覆基体であるねじ継手接触表面に近いほど潤滑油の割合が少なく(換言すると、ポリマーの割合が高く)なるような傾斜組成を有する潤滑油含有ポリマーから形成されている場合は、潤滑油による被膜密着性への悪影響を回避することができる。そのため、潤滑油含有ポリマーのポリマー成分は、未変性のポリエチレンと上記変性ポリマーのいずれを使用することもでき、その両者でもよい。即ち、ポリマーが未変性ポリエチレンのみ、変性ポリエチレンのみ、あるいは未変性ポリエチレンと変性ポリエチレンとの混合物(ブレンド)であってもよい。この場合も、スチレンポリマーなどの他の熱可塑性ポリマーを、ポリマー合計量の10%以下の量なら混合することができる。
次に、本発明に係る管ねじ継手の製造方法について、固体潤滑被膜の潤滑油含有ポリマーが均質組成である場合と傾斜組成である場合とに分けて説明する。
均質組成の潤滑油含有ポリマーからなる固体潤滑被膜は、潤滑油と極性基を含有する変性ポリエチレンからなるポリマーとを含有する液状被覆組成物を塗布することを含む方法によって形成することができる。形成された固体潤滑被膜は、潤滑油と極性基を含有する変性ポリエチレンとが相溶してなる均質組成の潤滑油含有ポリマーをマトリックスとする被膜となる。
(A)潤滑油中に粉末状の極性基含有変性ポリエチレンを含有させた組成物、即ち、潤滑油中に極性基を含有する変性ポリエチレン粉末を分散させた、溶剤を含有しない組成物、又は
(B) 極性基を含有する変性ポリエチレンを溶剤に分散させて液状化し、得られた分散液に潤滑油を混合した組成物。
(A)の場合は、ねじ継手の接触表面に上記被覆組成物を塗布した後、接触表面を、使用した変性ポリエチレン(及び、使用すれば他のポリマー、以下同じ)の融点以上の温度に加熱して、ポリマーを融解させ、潤滑油と均質に混合、即ち、相溶させる。従って、加熱条件(加熱温度と加熱時間)は、この相溶が完全に起こるように設定する。その後、室温まで冷却すると、ポリマーと潤滑油とが相溶した均質組成を有し、表面にべたつきのない潤滑油含有ポリマーをマトリックスとする固体潤滑被膜が鋼管用ねじ継手の接触表面に形成される。
塗布基体である管ねじ継手の接触表面に近いほど潤滑油の濃度が低い傾斜組成を有する潤滑油含有ポリマーをマトリックスとする固体潤滑被膜を形成するには、まず、ポリマー成分、即ち、ポリエチレン及び変性ポリエチレンから選ばれた少なくとも1種のポリマーからなる固体被膜を形成する。この固体被膜は、ポリマーと溶剤とを混合した塗布液を使用して行うことができるが、溶剤を使用せずに、粉末状又は溶融状態のポリマーを使用して、粉末塗装、溶射塗布、スプレイガンを用いたホットメルト塗装といった塗布方法で行うこともできる。
使用するポリマーは、未変性のポリエチレン、変性ポリエチレン、又は変性ポリエチレンと未変性ポリエチレンとの混合物のいずれでもよい。変性ポリエチレンは、極性基を持たないモノマーとの共重合により変性されたポリエチレン、あるいは共重合以外の方法で変性されたものであってもよい。この場合も、ポリエチレン(さらにはポリオレフィン)以外の他の熱可塑性ポリマーをポリマー合計量の10%以下の少量であれば併用することができる。
上述した固体潤滑被膜が形成される管ねじ継手の接触表面は、予め下地処理を施すことによって、固体潤滑被膜の密着性を高め、締付け時の耐焼付き性を向上させることができる。そのような下地処理としては、固体潤滑被膜を形成する接触表面を粗面化することができる処理が好ましい。
ねじ継手の接触表面上に形成された固体潤滑被膜の密着性を高めるために、ねじ継手の接触表面(これは上述した下地処理を施した表面と未処理表面のいずれでもよい)上にまず下塗り又はプライマー樹脂層を形成してもよい。好ましくはこのような下塗り樹脂層は、燐酸亜鉛処理のような燐酸塩処理により処理されたねじ継手の接触表面上に形成する。すなわち、下塗り層は燐酸塩処理された燐酸塩被膜の上に形成される。燐酸塩被膜は多孔質であり、その上に形成された樹脂被膜の密着性を高める。
本実施例では、本発明に係る固体潤滑被膜の各種特性を、炭素鋼板を母材として評価した。炭素鋼板は厚さが0.8mmで100mm×200mmの大きさであった。炭素鋼板は、そのまま(下地処理なし)、又は燐酸亜鉛処理(日本パーカライジング社製の製品を使用)により下地処理を施してから用いた。
1)均質組成被膜:表1中の被膜タイプ1
酢酸ビニルモノマーの含有量が10%である粉末状EVA(エチレン−酢酸ビニル共重合体、平均粒径50μm、溶融温度90℃)又は粉末状PE(ポリエチレン、平均粒径20μm、溶融温度110℃)(有機ポリマー)と、鉱油(潤滑油)と、場合により、潤滑性粉末として黒鉛粉末(平均粒径30μm)とを所定の割合で混合して、塗布用組成物を調製した。いずれも室温で塗布可能な流動性を有する粘稠液状の被覆組成物であった。
上記と同じ粉末状EVA又は粉末状PEを150℃程度にて溶融させて塗布に用いた。場合により、黒鉛粉末を潤滑性粉末としてポリマーに対して質量比で3%となる量で添加し、溶融ポリマーと混合した。この溶融物を、これと同じ温度に加熱された炭素鋼板にバーコータ(No.14)を用いて塗布した。炭素鋼板は、未処理の炭素鋼板、燐酸亜鉛処理された炭素鋼板、下塗りEVA層を有する炭素鋼板、又は燐酸亜鉛処理され、さらに燐酸亜鉛被膜の上に下塗りEVA層を有する炭素鋼板であった。下塗りEVA層は上記1)に述べたのと同様にして形成された。上記塗布後、炭素鋼板を室温まで放冷してポリマー被膜を形成した。形成されたポリマー被膜の厚みはいずれの例でも約50μmであった。
上記と同様の方法で、炭素鋼板の上に、トレーサーとしてTiO2の固体粉末を均一に分散させたPE単味の被膜を50μmの厚さで作成し、その上に20μm厚みで鉱油を塗布し、鉱油が塗布されたPE被膜を有する炭素鋼板を加熱してPE被膜を溶融させることにより、ドライな表面を有する潤滑油含有ポリマーからなる固体潤滑被膜を形成した。合計の被膜厚みは70μmであった。
潤滑処理鋼板の試験片を、被膜が下を向くように紙の上にのせ、さらに上から1kgの重りを載せて1分間放置した。その後、鋼板試験片を取り除き、紙に転着された潤滑成分の量を、試験前後の紙の重量の差から求めた。こうして求めた潤滑成分(主に被膜中の油分)の転着量(g/m2)からべとつき性を次の基準で評価した:
べとつき性評価基準:転着量(g/m2)0=優、1以下=良、1超〜10以下=可、10超=不可。
母材鋼板上に形成された固体潤滑被膜の一部について、SAICAS(精密斜め切削が可能な表面・界面切削分析システム)により被膜の密着強度(剥離強度)を測定した。この試験装置は、鋭利な切刃(単結晶ダイヤモンド焼結合金)を用いて垂直荷重を一定方向に保った状態で水平方向に定速で動かすために必要な水平荷重を測定するものであり、薄膜(1μmレベル)の剥離強度を測定することができる。測定された剥離強度に基づき被膜密着性を次の基準で評価した:
密着性評価基準:剥離強度(N/m)100〜1000=優、10〜100未満=良、1〜10未満=可、0〜1未満=不可。
ねじ継手の接触表面に形成された固体潤滑被膜は、相手摺動部材との間に生じる荷重と摩擦力を受け、これらが大きくなっていくと、被膜は剥離や摩滅(被膜屑の発生)といった損傷を受ける。それにより、潤滑性が低下して焼付きが起こりやすくなる。固体潤滑被膜が自己修復機能を有している場合には、被膜が損傷を受けても、損傷が小さい間は、残る被膜から滲み出た潤滑油により潤滑性が保持され、焼付きが起こらない。
耐焼付き性評価基準:摺動回数>20回=優、20回以下、10回超=良、10回以下、5回超=可、5回以下〜0回=不可。
自己修復機能評価基準:摩擦係数0.1未満=優、0.1〜0.13未満=良、
0.13〜0.15未満=可、0.15以上=不可。
Claims (17)
- 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及びボックスから構成される管ねじ継手であって、前記ピン及びボックスの少なくとも一方の接触表面が、変性ポリオレフィンから選ばれた少なくとも1種のポリオレフィン系ポリマーと潤滑油とが相溶してなる潤滑油含有ポリマーをマトリックスとする固体潤滑被膜により被覆されており、該潤滑油含有ポリマーは均質組成を有しており、前記変性ポリオレフィンは、カルボキシル基、エステル基、及びヒドロキシル基から選ばれた極性基を有するビニルモノマーとの共重合により変性されたポリエチレンであり、潤滑油含有ポリマーを構成するポリオレフィン系ポリマー(A)と潤滑油(B)の質量比(A:B)が30:70〜90:10の範囲内である、ことを特徴とする管ねじ継手。
- 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及びボックスから構成される管ねじ継手であって、前記ピン及びボックスの少なくとも一方の接触表面が、ポリオレフィン及び変性ポリオレフィンから選ばれた少なくとも1種のポリオレフィン系ポリマーと潤滑油とが相溶してなる潤滑油含有ポリマーをマトリックスとする固体潤滑被膜により被覆されており、該潤滑油含有ポリマーは、該被膜が形成されている接触表面に近いほど被膜中の潤滑油の濃度が小さくなる被膜厚み方向の傾斜組成を有していることを特徴とする管ねじ継手。
- 前記ポリオレフィンがポリエチレンであり、前記変性ポリオレフィンが、カルボキシル基、エステル基、及びヒドロキシル基から選ばれた極性基を有するビニルモノマーとの共重合により変性されたポリエチレンである、請求項2に記載の管ねじ継手。
- 前記潤滑油含有ポリマーを構成するポリオレフィン系ポリマー(A)と潤滑油(B)の質量比(A:B)が50:50〜90:10の範囲内である、請求項2または3に記載の管ねじ継手。
- 継手の接触表面から厚み方向で1μmの部分の固体潤滑被膜中のマトリックス中の潤滑油の濃度が1質量%未満である、請求項2〜4のいずれかに記載の管ねじ継手。
- 固体潤滑被膜が防錆添加剤、酸化防止剤、極圧添加剤、耐摩耗剤、及び潤滑性粉末から選ばれた少なくとも1種の添加剤を含有する、請求項1〜5のいずれかに記載の管ねじ継手。
- 前記固体潤滑被膜で被覆されている接触表面が、酸洗処理、ブラスト処理、亜鉛若しくは亜鉛合金による衝撃めっき処理、金属めっき処理、燐酸塩処理、並びに蓚酸塩処理から選ばれた方法により下地処理されている請求項1〜6のいずれかに記載のねじ継手。
- 前記接触表面が下塗り樹脂層を有し、この樹脂層の上に前記固体潤滑被膜が形成されている、請求項1〜7のいずれかに記載のねじ継手。
- 前記下地処理された接触表面が下塗り樹脂層を有し、この樹脂層の上に前記固体潤滑被膜が形成されている、請求項7に記載のねじ継手。
- 管ねじ継手の接触表面に、潤滑油と極性基を含有する変性ポリオレフィンからなるポリオレフィン系ポリマーとを含有する液状被覆組成物を塗布する工程を含む方法で均質組成の潤滑油含有ポリマーをマトリックスとする固体潤滑被膜を形成し、前記変性ポリオレフィンは、カルボキシル基、エステル基、及びヒドロキシル基から選ばれた極性基を有するビニルモノマーとの共重合により変性されたポリエチレンであり、潤滑油含有ポリマーを構成するポリオレフィン系ポリマー(A)と潤滑油(B)の質量比(A:B)が30:70〜90:10の範囲内であることを特徴とする、請求項1に記載の管ねじ継手の製造方法。
- 前記被覆組成物が潤滑油と粉末状の変性ポリオレフィンとを含有し、該被覆組成物が塗布された接触表面を該ポリマーの融点以上の温度に加熱して潤滑油とポリオレフィン系ポリマーとを相溶させて均質組成の固体潤滑被膜を形成する工程をさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 前記被覆組成物が防錆添加剤、酸化防止剤、極圧添加剤、耐摩耗剤、及び潤滑性粉末から選ばれた少なくとも1種の添加剤を含有する、請求項10または11に記載の方法。
- 管ねじ継手の接触表面に、ポリオレフィン及び変性ポリオレフィンから選ばれたポリオレフィン系ポリマーの被膜を形成する工程、形成されたポリオレフィン系ポリマーの被膜上に潤滑油を塗布する工程、及び該接触表面を該ポリマーの融点以上の温度に加熱して潤滑油とポリオレフィン系ポリマーとを相溶させ、固体潤滑被膜が形成されている接触表面に近いほど潤滑油の濃度が低下する傾斜組成を有する潤滑油含有ポリマーを形成する工程を含むことを特徴とする、請求項2〜5のいずれかに記載の管ねじ継手の製造方法。
- 前記ポリオレフィン系ポリマーの被膜が防錆添加剤、酸化防止剤、極圧添加剤、耐摩耗剤、及び潤滑性粉末から選ばれた少なくとも1種の添加剤を含有する、請求項13に記載の方法。
- 前記接触表面が、酸洗処理、ブラスト処理、亜鉛若しくは亜鉛合金による衝撃めっき処理、金属めっき処理、燐酸塩処理、並びに蓚酸塩処理から選ばれた方法により予め下地処理されている、請求項10〜14のいずれかに記載の方法。
- 前記接触表面が下塗り樹脂層を有し、この樹脂層の上に前記固体潤滑被膜が形成される請求項10〜14のいずれかに記載の方法。
- 前記下地処理された接触表面が下塗り樹脂層を有し、この樹脂層の上に前記固体潤滑被膜が形成される請求項15に記載の方法。
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