JPWO2018074212A1 - 管用ねじ継手及び管用ねじ継手の製造方法 - Google Patents
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Abstract
優れた耐焼付き性及び優れた外観を有する管用ねじ継手及びその製造方法を提供する。本実施形態の管用ねじ継手は、ピン(3)及びボックス(4)を備える。ピン(3)及びボックス(4)は、ねじ部(31)及び(41)、金属シール部(32)及び(42)及びショルダー部(33)及び(43)を含む接触表面(34)及び(44)を有する。管用ねじ継手は、ピン(3)及びボックス(4)の少なくとも一方の接触表面(34)又は(44)上にZn−Ni合金めっき層(100)を備える。Zn−Ni合金めっき層(100)は、Cuを含有する。Zn−Ni合金めっき層(100)のCu含有率は、4.5質量%以下(0を含まない)である。
Description
本発明は、管用ねじ継手及び管用ねじ継手の製造方法に関する。
油田や天然ガス田の採掘のために、油井管が使用される。油井管は、井戸の深さに応じて、複数の鋼管を連結して形成される。鋼管の連結は、鋼管の端部に形成された管用ねじ継手同士をねじ締めすることによって行われる。油井管は、検査等のために引き上げられ、ねじ戻しされ、検査された後、再びねじ締めされて、再度使用される。
管用ねじ継手は、ピン及びボックスを備える。ピンは、鋼管の先端部の外周面に形成された雄ねじ部及びねじ無し金属接触部を含む。ボックスは、鋼管の先端部の内周面に形成された雌ねじ部及びねじ無し金属接触部を含む。ねじ無し金属接触部はそれぞれ、金属シール部及びショルダー部を含む。鋼管同士がねじ締めされる際、雄ねじ部及び雌ねじ部、金属シール部同士並びにショルダー部同士が接触する。
ピン及びボックスのねじ部及びねじ無し金属接触部は、鋼管のねじ締め及びねじ戻し時に強い摩擦を繰り返し受ける。これらの部位に、摩擦に対する十分な耐久性がなければ、ねじ締め及びねじ戻しを繰り返した時にゴーリング(修復不可能な焼付き)が発生する。したがって、管用ねじ継手には、摩擦に対する十分な耐久性、すなわち、優れた耐焼付き性が要求される。
従来、耐焼付き性を向上するために、重金属入りのコンパウンドグリースが使用されてきた。管用ねじ継手の表面にコンパウンドグリースを塗布することで、管用ねじ継手の耐焼付き性を改善できる。しかしながら、コンパウンドグリースに含まれるPb等の重金属は環境に影響を与える可能性がある。このため、コンパウンドグリースを使用しない管用ねじ継手の開発が望まれている。
コンパウンドグリースの代わりに、重金属を含有しないグリース(グリーンドープと称される)を使用する管用ねじ継手が提案されている。たとえば、特開2008−215473号公報(特許文献1)及び特開2003−074763号公報(特許文献2)には、重金属を含有しないグリースを使用しても耐焼付き性に優れる管用ねじ継手について記載がある。
特開2008−215473号公報(特許文献1)に記載されている鋼管用ねじ継手は、ねじ部とねじ無し金属接触部とを有する接触表面をそれぞれ備えたピンとボックスとから構成される鋼管用ねじ継手である。この鋼管用ねじ継手は、ピンとボックスの少なくとも一方の接触表面が、Cu−Zn合金からなる第1のめっき層を有することを特徴とする。これにより、グリーンドープを塗布する場合、さらには無ドープの場合でも、十分な耐漏れ性と耐焼付き性を示し、さらに耐食性にも優れていて、めっき層の上にグリーンドープや潤滑被膜が存在していても隙間腐食の発生が防止される、と特許文献1には記載されている。
特許文献1に開示された技術では、接触表面に特定の合金めっき層を形成することで、グリーンドープを使用した場合でも、耐焼付き性が向上する。
特開2003−074763号公報(特許文献2)に記載されている油井鋼管用継手は、Crを9質量%以上含有する鋼管の一端に雄ネジ及びメタル−メタルシール部を有するピン部と、同じ材質で、雌ネジ及びメタル−メタルシール部を有するボックス部を両端に設けたカップリングとで形成する油井鋼管用継手である。この油井鋼管用継手は、カップリングの雌ネジ及びメタル−メタルシール部の表面に、Cu−Sn合金層を一層配置してなることを特徴とする。これにより、グリーンドープを使用しても従来よりもシール性が良好で、且つ継手に起きるゴーリングを格段に抑制することができる、と特許文献2には記載されている。
国際公開第2016/170031号(特許文献3)は、耐食性の高いめっき層を形成することにより、耐焼付き性に加え耐食性を高める技術を提案する。国際公開第2016/170031号(特許文献3)に記載されている管用ねじ継手は、ねじ切り部と第1シール表面とを備え、ねじ切り部及び第1シール表面は、重量で亜鉛(Zn)が主成分である、金属製の耐食及び耐焼付き層で被覆されていることを特徴とする。
ところで、管用ねじ継手は、採掘現場まで輸送された後、実際に使用されるまでねじ締めされることなく保管される。つまり、管用ねじ継手は、使用前に所定期間保管される。管用ねじ継手のめっき層の外観が従来のめっき層の外観よりも劣っていたり、あるいはムラ等があったりするとユーザーが異材混入や性能の劣化を懸念する場合がある。そのため、管用ねじ継手には、従前のめっきと同等かそれ以上の外観が求められる場合がある。
上述の特許文献1〜特許文献3に記載された技術を用いることで、管用ねじ継手の耐焼付き性を改善できる。しかしながら、管用ねじ継手の耐焼付き性のさらなる向上が求められていた。さらに、外観の良い管用ねじ継手が求められていた。
本発明の目的は、優れた耐焼付き性及び優れた外観を有する管用ねじ継手及びその製造方法を提供することである。
本実施形態の管用ねじ継手は、ピン及びボックスを備える。ピン及びボックスの各々は、ねじ部、金属シール部及びショルダー部を含む接触表面を有する。管用ねじ継手は、ピン及びボックスの少なくとも一方の接触表面上に、Zn−Ni合金めっき層を備える。Zn−Ni合金めっき層はCuを含有する。Zn−Ni合金めっき層のCu含有率は4.5質量%以下(0を含まない)である。
本実施形態の管用ねじ継手の製造方法は、ピン及びボックスを備える管用ねじ継手の製造方法である。ピン及びボックスの各々は、ねじ部、金属シール部及びショルダー部を含む接触表面を有する。製造方法は、準備工程及びZn−Ni合金めっき層形成工程を備える。準備工程では、ピン、ボックス及びめっき液を準備する。めっき液は、亜鉛イオン、ニッケルイオン及び銅イオンを含有する。めっき液の銅イオンの濃度は1g/L以下(0を含まない)である。Zn−Ni合金めっき層形成工程では、ピン及びボックスの少なくとも一方の接触表面上に、めっき液を接触させて電気めっきによりZn−Ni合金めっき層を形成する。
本実施形態の管用ねじ継手は、優れた耐焼付き性及び優れた外観を有する。
以下、図面を参照して、本実施形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
本発明者らは、管用ねじ継手の耐焼付き性及び外観について検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
特許文献3では、管用ねじ継手に亜鉛(Zn)めっき又は亜鉛合金めっき、特に、Zn−Ni合金めっきを使用することを検討している。Zn−Ni合金めっきは高硬度及び高融点を有する。めっき層の硬度が高ければ、管用ねじ継手のねじ締め及びねじ戻しの際にめっき層が損傷を受けにくい。さらに、めっき層の融点が高ければ、管用ねじ継手のねじ締め及びねじ戻しの際、局所的にめっき層が高温になった場合でも、めっき層の硬度の低下を抑制できる。その結果、管用ねじ継手の耐焼付き性が高まる。したがって、Zn−Ni合金によりめっき層を構成すれば、管用ねじ継手の耐焼付き性が高まる。
特許文献3によれば、Zn−Ni合金めっきはさらに、耐食性に優れる。そのため、Zn−Ni合金によりめっき層を形成すれば、管用ねじ継手の耐焼付き性に加え、耐食性を高めることができる。
本発明者らは、Zn−Ni合金めっき層の耐焼付き性をさらに高める方法を検討した。その結果、以下の知見を得た。
従前、Zn−Ni合金めっき層において、亜鉛(Zn)及びニッケル(Ni)以外の金属は不純物と考えられてきた。一般的に、めっき分野において、めっき中の不純物は、めっき不良を引き起こす場合があると考えられている。めっき不良とはたとえば、外観不良及び物性不良である。外観不良はたとえば、ピット、ざらつき、くもり、色ムラ及び無めっき等である。物性不良はたとえば、めっき層の硬度低下、展延性低下、密着性低下及び耐食性低下等である。これまで、めっき不良を抑制するため、めっき中の不純物の低減が試みられてきた。
しかしながら、本発明者らは従来とは全く異なる知見を得た。それは、特定条件の下で、Zn−Ni合金めっき層中にこれまで不純物と考えられてきたCuを含有させれば、Zn−Ni合金めっき層の硬度が高まるという知見である。
図1は、Zn−Ni合金めっき層中のCu含有率(以下、単にCu含有率ともいう)と、Zn−Ni合金めっき層の硬度との関係を示す図である。図1は後述の実施例により得られた。
図1の縦軸は、後述の実施例における、Zn−Ni合金めっき層の硬度(Hv)の変化を示す。Zn−Ni合金めっき層の硬度は後述の試験方法で得られる。Zn−Ni合金めっき層の硬度が高ければ、管用ねじ継手の耐焼付き性が高まる。図2は、図1のCu含有率0.00〜0.10質量%の部分の拡大図である。図2を参照して、Cu含有率が0質量%を超えると、Zn−Ni合金めっき層の硬度が顕著に高まる。図1及び図2では、Cu含有率が0.01質量%以上であれば、Zn−Ni合金めっき層の硬度が470Hv以上となり、より高い耐焼付き性が得られる。
上述のとおり、特許文献3では、耐食性向上を期待して、Zn−Ni合金めっきを管用ねじ継手へ使用している。これは、亜鉛(Zn)が、管用ねじ継手の基材に多く含まれる鉄(Fe)より卑な金属であることから、犠牲防食が起こるためと考えられる。つまり、耐食性の観点からは、鉄(Fe)より貴な金属である銅(Cu)は、Zn−Ni合金めっき層中から特に低減する必要のある元素の一つであると考えられる。しかしながら、耐焼付き性の観点からは、銅(Cu)はむしろ好ましい元素であることが分かった。
上述のとおり、管用ねじ継手には、使用前の保管期間に外観が良いことが求められる場合がある。Zn−Ni合金めっき層にCuが含有される場合、Zn−Ni合金めっき層の硬度が顕著に高まる。一方で、本発明者らは、Zn−Ni合金めっき層に含有されるCuが多い場合、管用ねじ継手の外観にも影響を与えることを見出した。
Zn−Ni合金めっき層中に含有されるCuが4.5質量%以下であれば、Zn−Ni合金めっき層の外観が良くなる。外観の良否はZn−Ni合金めっき層の色ムラで判断する。Zn−Ni合金めっき層の色ムラが大きい場合(すなわち、Zn−Ni合金めっき層の外観がよくない場合)、一般にZn−Ni合金めっき層のL値が低い傾向がある。そこで、Zn−Ni合金めっき層の外観はL値で判定する。L値が高ければ、外観が良いと判断する。
図3は、Zn−Ni合金めっき層中のCu含有率と、Zn−Ni合金めっき層の硬度及びZn−Ni合金めっき層のL値との関係を示す図である。図3は後述の実施例により得られた。図3の向かって左側の縦軸は、後述の実施例における、Zn−Ni合金めっき層の硬度の変化を示す。図3中、×印がZn−Ni合金めっき層の硬度を示す。図3の向かって右側の縦軸は、後述の実施例における、Zn−Ni合金めっき層のL値の変化を示す。図3中、白丸印(○)がL値を示す。本実施形態においては、L値が50.0を超えれば外観が良いと評価した。図3を参照して、Cu含有率が低いほど、L値が高い。つまり、Cu含有率を一定以下に制御すれば、外観が優れた状態を維持できる。
図3を参照して、Cu含有率が4.5質量%以下(0を含まない)であれば、L値が50.0を超え、十分に良い外観が得られる。この場合、管用ねじ継手は、優れた耐焼付き性に加えて、優れた外観を有する。
以上の知見に基づいて完成した、本実施形態の管用ねじ継手は、ピン及びボックスを備える。ピン及びボックスの各々は、ねじ部、金属シール部及びショルダー部を含む接触表面を有する。管用ねじ継手は、ピン及びボックスの少なくとも一方の接触表面上に、Zn−Ni合金めっき層を備える。Zn−Ni合金めっき層はCuを含有する。Zn−Ni合金めっき層のCu含有率は4.5質量%以下(0を含まない)である。
本実施形態の管用ねじ継手のZn−Ni合金めっき層は、Cuを含有する。Zn−Ni合金めっき層のCu含有率は4.5質量%以下(0を含まない)である。この場合、管用ねじ継手は、優れた耐焼付き性と、優れた外観とを両立させることができる。
好ましくは、Zn−Ni合金めっき層のCu含有率は0.05〜4.5質量%である。
この場合、管用ねじ継手の耐焼付き性がさらに高まる。
Zn−Ni合金めっき層の厚さは1〜20μmであってもよい。
本実施形態の管用ねじ継手は、ピン及びボックスの少なくとも一方の接触表面上、又はZn−Ni合金めっき層上に潤滑被膜を備えてもよい。
本実施形態の管用ねじ継手の製造方法は、ピン及びボックスを備える管用ねじ継手の製造方法である。ピン及びボックスの各々は、ねじ部、金属シール部及びショルダー部を含む接触表面を有する。製造方法は、準備工程及びZn−Ni合金めっき層形成工程を備える。準備工程では、ピン、ボックス及びめっき液を準備する。めっき液は、亜鉛イオン、ニッケルイオン及び銅イオンを含有する。めっき液の銅イオンの濃度は1g/L以下(0を含まない)である。Zn−Ni合金めっき層形成工程では、ピン及びボックスの少なくとも一方の接触表面上に、めっき液を接触させて電気めっきによりZn−Ni合金めっき層を形成する。
以下、本実施形態による管用ねじ継手及びその製造方法について詳述する。
[管用ねじ継手]
管用ねじ継手は、ピン及びボックスを備える。図4は、本実施形態による管用ねじ継手の構成を示す図である。図4を参照して、管用ねじ継手は、鋼管1とカップリング2とを備える。鋼管1の両端には、外面に雄ねじ部を有するピン3が形成される。カップリング2の両端には、内面に雌ねじ部を有するボックス4が形成される。ピン3とボックス4とをねじ締めすることによって、鋼管1の端に、カップリング2が取り付けられる。一方で、カップリング2を使用せず、鋼管1の一方の端をピン3とし、鋼管1の他方の端をボックス4とした、インテグラル形式の油井管用ねじ継手もある。本実施形態の管用ねじ継手は、カップリング方式及びインテグラル形式の両方の管用ねじ継手に使用できる。
管用ねじ継手は、ピン及びボックスを備える。図4は、本実施形態による管用ねじ継手の構成を示す図である。図4を参照して、管用ねじ継手は、鋼管1とカップリング2とを備える。鋼管1の両端には、外面に雄ねじ部を有するピン3が形成される。カップリング2の両端には、内面に雌ねじ部を有するボックス4が形成される。ピン3とボックス4とをねじ締めすることによって、鋼管1の端に、カップリング2が取り付けられる。一方で、カップリング2を使用せず、鋼管1の一方の端をピン3とし、鋼管1の他方の端をボックス4とした、インテグラル形式の油井管用ねじ継手もある。本実施形態の管用ねじ継手は、カップリング方式及びインテグラル形式の両方の管用ねじ継手に使用できる。
ピン3及びボックス4は、ねじ部、金属シール部及びショルダー部を有する接触表面を備える。図5は、本実施形態による管用ねじ継手の断面図である。図5を参照して、ピン3は、雄ねじ部31、金属シール部32及びショルダー部33を備える。ボックス4は、雌ねじ部41、金属シール部42及びショルダー部43を備える。ピン3とボックス4とをねじ締めした時に接触する部分を、接触表面34及び44という。具体的には、ピン3とボックス4とをねじ締めすると、ねじ部同士(雄ねじ部31及び雌ねじ部41)、金属シール部同士(金属シール部32及び42)、及び、ショルダー部同士(ショルダー部33及び43)が互いに接触する。つまり、接触表面34は、ねじ部31、金属シール部32、及び、ショルダー部33を含む。接触表面44は、ねじ部41、金属シール部42、及び、ショルダー部43を含む。
図6は、本実施形態による管用ねじ継手の接触表面34及び44の一例の断面図である。管用ねじ継手は、ピン3の接触表面34及びボックス4の接触表面44の少なくとも一方にZn−Ni合金めっき層100を備える。図6では、管用ねじ継手は、ピン3の接触表面34上にZn−Ni合金めっき層100を備える。管用ねじ継手はさらに、Zn−Ni合金めっき層100上に潤滑被膜200を備えてもよい。ピン3の代わりに、ボックス4の接触表面44上にZn−Ni合金めっき層100を備えてもよい。ピン3の接触表面34及びボックス4の接触表面44の両方にZn−Ni合金めっき層100を備えてもよい。ただし当然ながらコスト面では不利である。
[Zn−Ni合金めっき層]
Zn−Ni合金めっき層100は、ピン3及びボックス4の少なくとも一方の接触表面34又は44上に配置される。Zn−Ni合金めっき層100は、Zn−Ni合金と、銅(Cu)と、不純物とからなる。Zn−Ni合金めっき層100は、Zn−Ni合金めっき層100全体を100質量%とした場合に、Niの割合が6〜20質量%の組成を備える。好ましいNiの割合の下限は10質量%であり、さらに好ましくは12質量%である。好ましいNiの割合の上限は16質量%である。
Zn−Ni合金めっき層100は、ピン3及びボックス4の少なくとも一方の接触表面34又は44上に配置される。Zn−Ni合金めっき層100は、Zn−Ni合金と、銅(Cu)と、不純物とからなる。Zn−Ni合金めっき層100は、Zn−Ni合金めっき層100全体を100質量%とした場合に、Niの割合が6〜20質量%の組成を備える。好ましいNiの割合の下限は10質量%であり、さらに好ましくは12質量%である。好ましいNiの割合の上限は16質量%である。
Zn−Ni合金めっき層100はCuを含有する。Zn−Ni合金めっき層100中のCu含有率は、Zn−Ni合金めっき層100全体を100質量%とした場合に、4.5質量%以下(0を含まない)である。Cuは、Zn−Ni合金めっき層100中に微量でも含有されれば、Zn−Ni合金めっき層100全体の硬度及び融点を高める。つまり、Zn−Ni合金めっき層100中のCu含有率は、0%超である。一方で、Zn−Ni合金めっき層100中のCu含有率が4.5質量%以下であれば、Zn−Ni合金めっき層100の外観が良い状態を維持できる。したがって、Zn−Ni合金めっき層100中のCu含有率は、4.5質量%以下(0を含まない)である。この場合、管用ねじ継手は優れた耐焼付き性と優れた外観とを両立させることができる。Zn−Ni合金めっき層100中のCu含有率の好ましい下限は0.01質量%であり、さらに好ましくは0.05質量%であり、さらに好ましくは0.10質量%であり、さらに好ましくは1.00質量%であり、さらに好ましくは1.10質量%である。Zn−Ni合金めっき層100中のCu含有率の好ましい上限は4.0質量%である。
Zn−Ni合金めっき層100の残部は、亜鉛(Zn)及び不純物である。つまり、Zn−Ni合金めっき層100は、6〜20質量%のNiと、4.5質量%以下(0を含まない)のCuとを含有し、残部はZn及び不純物からなる。不純物とはたとえばFeである。Zn−Ni合金めっき層100において、Cu以外の不純物の全含有量は0.1質量%未満である。
[Zn−Ni合金めっき層の組成の測定方法]
Zn−Ni合金めっき層100の組成は、EDX(Energy−Dispersive X−ray;エネルギー分散X線)を用いて測定する。具体的には、Zn−Ni合金めっき層100の表面に対して垂直になるよう、試験片を切り出し、樹脂に埋め込んで研磨する。Zn−Ni合金めっき層100の断面に対して、株式会社エリオニクス製SEM(ERA−8900FE)/EDAX製EDS装置(Pegasus)を用いて、元素組成を分析する。検出された元素全体を100質量%として、各元素(Ni及びCu)の割合(質量%)を算出する。
Zn−Ni合金めっき層100の組成は、EDX(Energy−Dispersive X−ray;エネルギー分散X線)を用いて測定する。具体的には、Zn−Ni合金めっき層100の表面に対して垂直になるよう、試験片を切り出し、樹脂に埋め込んで研磨する。Zn−Ni合金めっき層100の断面に対して、株式会社エリオニクス製SEM(ERA−8900FE)/EDAX製EDS装置(Pegasus)を用いて、元素組成を分析する。検出された元素全体を100質量%として、各元素(Ni及びCu)の割合(質量%)を算出する。
Zn−Ni合金めっき層100の厚さは特に限定されない。Zn−Ni合金めっき層100の厚さはたとえば、1〜20μmである。Zn−Ni合金めっき層100の厚さが1μm以上であれば、十分な耐焼付き性を安定して得ることができる。Zn−Ni合金めっき層100の厚さが20μmを超えても、上記効果は飽和する。
Zn−Ni合金めっき層100の厚さは、次の方法で測定する。Zn−Ni合金めっき層100を形成した接触表面34及び44上の4箇所に対して、Helmut Fischer GmbH製、渦電流位相式膜厚計PHASCOPE PMP910を用いて、Zn−Ni合金めっき層100の厚さを測定する。測定は、ISO(International Organization for Standardization)21968(2005)に準拠する方法で行う。測定箇所は、管用ねじ継手の管周方向の4箇所(0°、90°、180°、270°の4箇所)である。4箇所の測定結果の算術平均を、Zn−Ni合金めっき層100の厚さとする。
Zn−Ni合金めっき層100は、接触表面34及び44上の少なくとも一方の一部に配置されてもよいし、全体に配置されてもよい。金属シール部32及び42は、ねじ締め最終段階で特に面圧が高くなる。したがって、Zn−Ni合金めっき層100を、接触表面34及び44の少なくとも一方の上に部分的に配置する場合、少なくとも金属シール部32又は42に配置することが好ましい。一方で、Zn−Ni合金めっき層100を接触表面34及び44の少なくとも一方の上の全体に配置すれば、管用ねじ継手の生産効率が高まる。
Zn−Ni合金めっき層100の硬度及び融点は、従来、管用ねじ継手のめっき層として使用されてきたCuめっき層の硬度より高く、融点もCuめっき層と同等に高い。そのため、ねじ締め及びねじ戻しを繰り返しても、Zn−Ni合金めっき層100の損傷は抑制される。その結果、ねじ締め及びねじ戻しを繰り返しても、耐焼付き性が維持される。
さらに、Zn−Ni合金めっき層100に含まれる亜鉛(Zn)は、鋼管の主成分である鉄(Fe)と比較して卑な金属である。そのため、犠牲防食の効果があり、管用ねじ継手の耐食性が高まる。
[潤滑被膜]
管用ねじ継手は、Zn−Ni合金めっき層100上に潤滑被膜200を備えてもよい。潤滑被膜200は、図6のように、Zn−Ni合金めっき層100上に配置されてもよい。Zn−Ni合金めっき層100をピン3の接触表面34又はボックス4の接触表面44のいずれか一方にしか配置しない場合、潤滑被膜200は、ピン3の接触表面34上又はボックス4の接触表面44上に直接配置されてもよい。
管用ねじ継手は、Zn−Ni合金めっき層100上に潤滑被膜200を備えてもよい。潤滑被膜200は、図6のように、Zn−Ni合金めっき層100上に配置されてもよい。Zn−Ni合金めっき層100をピン3の接触表面34又はボックス4の接触表面44のいずれか一方にしか配置しない場合、潤滑被膜200は、ピン3の接触表面34上又はボックス4の接触表面44上に直接配置されてもよい。
潤滑被膜200は液状、半固体状又は固体状のいずれでもよい。ここで、半固体状とは、外部負荷(圧力及び熱等)を受けて、液状と同様に接触表面34及び44上を自由に変形しながら流動できる状態をいう。液状又は半固体状には、グリースのような高粘性体が含まれる。
潤滑被膜200は、周知の潤滑剤を含有する。潤滑剤はたとえば、JET−LUBE株式会社製、SEAL−GUARD(商品名)ECF(商品名)である。潤滑被膜200はたとえば、潤滑性粒子及び結合剤を含有する周知の潤滑被膜であってもよい。潤滑被膜200は、必要に応じて、溶媒及び他の成分を含有してもよい。潤滑被膜200はたとえば、ロジン、金属石鹸、ワックス及び潤滑性粉末を含有する潤滑剤である。潤滑性粉末はたとえば、土状黒鉛である。ピン3上に配置される潤滑被膜200の化学組成と、ボックス4上に配置される潤滑被膜200の化学組成とは同じであってもよいし、異なっていてもよい。
潤滑被膜200の厚さは特に限定されない。潤滑被膜200の厚さはたとえば、30〜300μmである。潤滑被膜200の厚さが30μm以上であれば、ショルダリングトルクを低下させる効果がさらに高まる。潤滑被膜200の厚さが300μmを超えても、ねじ締め時に過剰分の潤滑被膜200が接触表面34及び44上から排除されるため、上記効果は飽和する。
潤滑被膜200が固体の場合は、潤滑被膜200の厚さは次の方法で測定する。潤滑被膜200を備えたピン3又はボックス4を準備する。ピン3又はボックス4を管の軸方向に垂直に切断する。潤滑被膜200を含む断面に対して顕微鏡観察を行う。顕微鏡観察の倍率は500倍とする。これにより、潤滑被膜200の膜厚を求める。
潤滑被膜200が液体又は半固体の場合は、潤滑被膜200の厚さは次の方法で測定する。管用ねじ継手の金属シール部32又は42の任意の測定箇所(面積:5mm×20mm)をエタノールを染み込ませた脱脂綿で拭き取る。拭き取る前の脱脂綿の重量と、拭き取った後の脱脂綿の重量との差から、潤滑剤の塗布量を算出する。潤滑剤の塗布量と、潤滑剤の密度及び測定箇所の面積とから、潤滑被膜200の平均膜厚を算出する。
潤滑被膜200は、液状〜固体状のいずれであってもよい。一方で、液状又は半固体状の潤滑被膜200を用いれば、ショルダー部33とショルダー部43とが接触する際のトルク(ショルダリングトルク)を低くできる。この場合、ねじ締めの際のトルクを調節しやすくなる。
[Zn−Ni合金めっき層及び潤滑被膜の配置]
ピン3及びボックス4の少なくとも一方の接触表面34又は44上にZn−Ni合金めっき層100が配置され、ピン3及びボックス4の少なくとも一方の接触表面34又は44上、又はZn−Ni合金めっき層100上に潤滑被膜200が配置されれば、その組み合わせは特に限定されない。Zn−Ni合金めっき層100のみを備える場合をパターン1とする。Zn−Ni合金めっき層100を備えさらにその上に潤滑被膜200を備える場合をパターン2とする。潤滑被膜200のみを備える場合をパターン3とする。Zn−Ni合金めっき層100も、潤滑被膜200も備えない場合をパターン4とする。上記条件を満たせば、ピン3の接触表面34及びボックス4の接触表面44はパターン1〜パターン4のいずれの場合も有り得る。具体的には、ピン3の接触表面34が、パターン1又はパターン2の場合、ボックス4の接触表面44はパターン1〜パターン4のいずれでもよい。また、ピン3の接触表面34が、パターン3又はパターン4の場合、ボックス4の接触表面44はパターン1又はパターン2のいずれかである。反対に、ボックス4の接触表面44が、パターン1又はパターン2の場合、ピン3の接触表面34はパターン1〜パターン4のいずれでもよい。また、ボックス4の接触表面44が、パターン3又はパターン4の場合、ピン3の接触表面34はパターン1又はパターン2のいずれかである。
ピン3及びボックス4の少なくとも一方の接触表面34又は44上にZn−Ni合金めっき層100が配置され、ピン3及びボックス4の少なくとも一方の接触表面34又は44上、又はZn−Ni合金めっき層100上に潤滑被膜200が配置されれば、その組み合わせは特に限定されない。Zn−Ni合金めっき層100のみを備える場合をパターン1とする。Zn−Ni合金めっき層100を備えさらにその上に潤滑被膜200を備える場合をパターン2とする。潤滑被膜200のみを備える場合をパターン3とする。Zn−Ni合金めっき層100も、潤滑被膜200も備えない場合をパターン4とする。上記条件を満たせば、ピン3の接触表面34及びボックス4の接触表面44はパターン1〜パターン4のいずれの場合も有り得る。具体的には、ピン3の接触表面34が、パターン1又はパターン2の場合、ボックス4の接触表面44はパターン1〜パターン4のいずれでもよい。また、ピン3の接触表面34が、パターン3又はパターン4の場合、ボックス4の接触表面44はパターン1又はパターン2のいずれかである。反対に、ボックス4の接触表面44が、パターン1又はパターン2の場合、ピン3の接触表面34はパターン1〜パターン4のいずれでもよい。また、ボックス4の接触表面44が、パターン3又はパターン4の場合、ピン3の接触表面34はパターン1又はパターン2のいずれかである。
[管用ねじ継手の母材]
管用ねじ継手の母材の化学組成は、特に限定されない。母材はたとえば、炭素鋼、ステンレス鋼及び合金鋼等である。合金鋼の中でも、Cr、Ni及びMo等の合金元素を含んだ二相ステンレス鋼及びNi合金等の高合金鋼は耐食性が高い。そのため、これらの高合金鋼を母材に使用すれば、管用ねじ継手の耐食性が高まる。
管用ねじ継手の母材の化学組成は、特に限定されない。母材はたとえば、炭素鋼、ステンレス鋼及び合金鋼等である。合金鋼の中でも、Cr、Ni及びMo等の合金元素を含んだ二相ステンレス鋼及びNi合金等の高合金鋼は耐食性が高い。そのため、これらの高合金鋼を母材に使用すれば、管用ねじ継手の耐食性が高まる。
[製造方法]
本実施形態の管用ねじ継手の製造方法は、上述の管用ねじ継手の製造方法である。製造方法は、準備工程及びZn−Ni合金めっき層100形成工程を備える。
本実施形態の管用ねじ継手の製造方法は、上述の管用ねじ継手の製造方法である。製造方法は、準備工程及びZn−Ni合金めっき層100形成工程を備える。
[準備工程]
準備工程では、ピン3、ボックス4及びめっき液を準備する。めっき液は、亜鉛イオン、ニッケルイオン及び銅イオンを含有する。めっき液には、好ましくは、亜鉛イオン:1〜100g/L、ニッケルイオン:1〜50g/Lが含有される。めっき液にはさらに、銅イオンが含有される。めっき液中の銅イオンの含有量は、1g/L以下(0を含まない)である。好ましくは、めっき液中の銅イオンの含有量の下限は10ppmであり、さらに好ましくは、50ppm、さらに好ましくは100ppmである。
準備工程では、ピン3、ボックス4及びめっき液を準備する。めっき液は、亜鉛イオン、ニッケルイオン及び銅イオンを含有する。めっき液には、好ましくは、亜鉛イオン:1〜100g/L、ニッケルイオン:1〜50g/Lが含有される。めっき液にはさらに、銅イオンが含有される。めっき液中の銅イオンの含有量は、1g/L以下(0を含まない)である。好ましくは、めっき液中の銅イオンの含有量の下限は10ppmであり、さらに好ましくは、50ppm、さらに好ましくは100ppmである。
[Zn−Ni合金めっき層形成工程]
Zn−Ni合金めっき層100形成工程では、ピン3及びボックス4の少なくとも一方の接触表面上に、Zn−Ni合金からなるZn−Ni合金めっき層100を形成する。Zn−Ni合金めっき層100は、めっきにより形成される。めっきは、亜鉛イオン、ニッケルイオン、及び銅イオンを含有する上記めっき液に、ピン3及びボックス4の少なくとも一方の接触表面を接触させ電気めっきにより行う。電気めっきの条件は適宜設定できる。電気めっきの条件はたとえば、めっき液pH:1〜10、めっき液温度:10〜60℃、電流密度:1〜100A/dm2、及び、処理時間:0.1〜30分である。
Zn−Ni合金めっき層100形成工程では、ピン3及びボックス4の少なくとも一方の接触表面上に、Zn−Ni合金からなるZn−Ni合金めっき層100を形成する。Zn−Ni合金めっき層100は、めっきにより形成される。めっきは、亜鉛イオン、ニッケルイオン、及び銅イオンを含有する上記めっき液に、ピン3及びボックス4の少なくとも一方の接触表面を接触させ電気めっきにより行う。電気めっきの条件は適宜設定できる。電気めっきの条件はたとえば、めっき液pH:1〜10、めっき液温度:10〜60℃、電流密度:1〜100A/dm2、及び、処理時間:0.1〜30分である。
[成膜工程]
上述のZn−Ni合金めっき層100をピン3及びボックス4の少なくとも一方の接触表面34又は44上に形成した後に、成膜工程を実施してもよい。成膜工程では、ピン3及びボックス4の少なくとも一方の接触表面34又は44上、又はZn−Ni合金めっき層100上に、潤滑被膜200を形成する。
上述のZn−Ni合金めっき層100をピン3及びボックス4の少なくとも一方の接触表面34又は44上に形成した後に、成膜工程を実施してもよい。成膜工程では、ピン3及びボックス4の少なくとも一方の接触表面34又は44上、又はZn−Ni合金めっき層100上に、潤滑被膜200を形成する。
上述の潤滑剤を塗布することで、潤滑被膜200が形成できる。塗布方法は特に限定されない。塗布方法はたとえば、スプレー塗布、刷毛塗り及び浸漬である。スプレー塗布を採用する場合、潤滑剤を加熱して、流動性を高めた状態で噴霧してもよい。潤滑被膜200は、ピン3の接触表面34、ボックス4の接触表面44、ピン3の接触表面34上のZn−Ni合金めっき層100、及び、ボックス4の接触表面44上のZn−Ni合金めっき層100からなる群から選択される少なくとも1つの上に部分的に配置されてもよい。しかしながら、潤滑被膜200は、ピン3の接触表面34上、ボックス4の接触表面44上、ピン3の接触表面34上のZn−Ni合金めっき層100上、及び、ボックス4の接触表面44上のZn−Ni合金めっき層100上からなる群から選択される少なくとも1つの全体に配置されることが好ましい。成膜工程は、ピン3及びボックス4の両方に実施してもよいし、片方のみに実施してもよい。
[下地処理工程]
製造方法は、必要に応じて、Zn−Ni合金めっき層100形成工程の前に下地処理工程を備えてもよい。下地処理工程はたとえば、酸洗及びアルカリ脱脂である。下地処理工程では、接触表面34又は44上に付着した油分等を洗浄する。下地処理工程はさらに、サンドブラスト及び機械研削仕上げ等の研削加工を備えてもよい。これらの下地処理は、1種のみ実施してもよく、複数の下地処理を組み合わせて実施してもよい。
製造方法は、必要に応じて、Zn−Ni合金めっき層100形成工程の前に下地処理工程を備えてもよい。下地処理工程はたとえば、酸洗及びアルカリ脱脂である。下地処理工程では、接触表面34又は44上に付着した油分等を洗浄する。下地処理工程はさらに、サンドブラスト及び機械研削仕上げ等の研削加工を備えてもよい。これらの下地処理は、1種のみ実施してもよく、複数の下地処理を組み合わせて実施してもよい。
以下、実施例を説明する。また、実施例中の%は、質量%を意味する。
本実施例においては、ねじ継手の母材を想定して、市販の冷延鋼板を使用した。冷延鋼板は縦150mm×横100mm(めっき面は縦100mm×横100mm)であった。鋼種は、極低炭素鋼であった。鋼板の化学組成は、C:0.19%、Si:0.25%、Mn:0.8%、P:0.02%、S:0.01%、Cu:0.04%、Ni:0.1%、Cr:13%、Mo:0.04%、残部:Fe及び不純物であった。
[Zn−Ni合金めっき層形成工程]
各試験番号の冷延鋼板にめっき層を形成した。Zn−Ni合金めっき層の形成は、電気めっきにより実施した。各試験番号のZn−Ni合金めっき層の製造条件の詳細は、表1に示すとおりであった。めっき液は、大和化成株式会社製、商品名ダインジンアロイ N−PLを使用した。めっき液中Cu濃度は、硫酸銅(五水塩)試薬のめっき液への添加量を変化させることにより、変化させた。なお、表1中の「めっき液中Cu濃度」の数値は狙い値であり、「めっき液中Cu濃度」の値が0ppmとは、めっき液中に前述の硫酸銅試薬を添加しなかった場合であることを意味する。表1中、「液流速」は、めっき液の攪拌速度であり、めっき液をポンプで循環させた場合の循環量を、めっき液の線速で示した値である。
各試験番号の冷延鋼板にめっき層を形成した。Zn−Ni合金めっき層の形成は、電気めっきにより実施した。各試験番号のZn−Ni合金めっき層の製造条件の詳細は、表1に示すとおりであった。めっき液は、大和化成株式会社製、商品名ダインジンアロイ N−PLを使用した。めっき液中Cu濃度は、硫酸銅(五水塩)試薬のめっき液への添加量を変化させることにより、変化させた。なお、表1中の「めっき液中Cu濃度」の数値は狙い値であり、「めっき液中Cu濃度」の値が0ppmとは、めっき液中に前述の硫酸銅試薬を添加しなかった場合であることを意味する。表1中、「液流速」は、めっき液の攪拌速度であり、めっき液をポンプで循環させた場合の循環量を、めっき液の線速で示した値である。
[Zn−Ni合金めっき層中のCu含有率測定試験]
Zn−Ni合金めっき層中のCu含有率は、EDX(Energy−Dispersive X−ray;エネルギー分散X線)を用いて測定した。具体的には、Zn−Ni合金めっき層の表面に対して垂直になるよう、試験片を切り出し、樹脂に埋め込んで研磨した。試験片の断面に対して、EDXを用いて、元素組成を分析した。得られた各元素の組成のうち、Cu量の割合(質量%)を算出し、Zn−Ni合金めっき層中のCu含有率とした。なお、その他の元素の含有率も同様に算出した。本実施例においては、Ni含有率も同様に算出した。本実施例においては、Zn−Ni合金めっき層中の不純物量は0.1質量%未満であり、残部はZnであった。結果を表1に示す。
Zn−Ni合金めっき層中のCu含有率は、EDX(Energy−Dispersive X−ray;エネルギー分散X線)を用いて測定した。具体的には、Zn−Ni合金めっき層の表面に対して垂直になるよう、試験片を切り出し、樹脂に埋め込んで研磨した。試験片の断面に対して、EDXを用いて、元素組成を分析した。得られた各元素の組成のうち、Cu量の割合(質量%)を算出し、Zn−Ni合金めっき層中のCu含有率とした。なお、その他の元素の含有率も同様に算出した。本実施例においては、Ni含有率も同様に算出した。本実施例においては、Zn−Ni合金めっき層中の不純物量は0.1質量%未満であり、残部はZnであった。結果を表1に示す。
[Zn−Ni合金めっき層の厚さ測定試験]
上述の測定方法により、Zn−Ni合金めっき層の厚さを測定した。結果を表1に示す。
上述の測定方法により、Zn−Ni合金めっき層の厚さを測定した。結果を表1に示す。
[外観評価試験]
JIS Z8730(2009)に準じて、外観評価試験を行った。具体的には、コニカミノルタ社製のCR−300を用いて、n数2回の平均値を算出した。測定面積はφ10mmとした。数値はL*a*b*表色系を用い、輝度を表すL値を指標として用いた。結果を表1に示す。表1において、L値が50.0以上の場合、外観に優れると判断し、「外観性」の「良否」欄でOKとした。表1において、L値が50.0未満の場合、外観が悪いと判断し、「外観性」の「良否」欄でNGとした。
JIS Z8730(2009)に準じて、外観評価試験を行った。具体的には、コニカミノルタ社製のCR−300を用いて、n数2回の平均値を算出した。測定面積はφ10mmとした。数値はL*a*b*表色系を用い、輝度を表すL値を指標として用いた。結果を表1に示す。表1において、L値が50.0以上の場合、外観に優れると判断し、「外観性」の「良否」欄でOKとした。表1において、L値が50.0未満の場合、外観が悪いと判断し、「外観性」の「良否」欄でNGとした。
[Zn−Ni合金めっき層の硬度測定試験]
ビッカース硬さ測定試験により、Zn−Ni合金めっき層の硬度を測定した。具体的には、Zn−Ni合金めっき層を形成した各試験番号の冷延鋼板を鋼板表面に対して垂直に切断した。現れたZn−Ni合金めっき層の断面の任意の5点に対して、JIS Z2244(2009)に準拠した方法でビッカース硬さを測定した。測定には、株式会社フィッシャー・インストルメンツ製微小硬度計Fischer scope HM2000を用いた。試験温度は常温(25℃)、試験力(F)は0.01Nであった。得られた測定結果5点の内、最大値及び最小値を除いた3点の算術平均を、Zn−Ni合金めっき層の硬度(ビッカース硬さHv(Hv0.001))とした。結果を表1に示す。
ビッカース硬さ測定試験により、Zn−Ni合金めっき層の硬度を測定した。具体的には、Zn−Ni合金めっき層を形成した各試験番号の冷延鋼板を鋼板表面に対して垂直に切断した。現れたZn−Ni合金めっき層の断面の任意の5点に対して、JIS Z2244(2009)に準拠した方法でビッカース硬さを測定した。測定には、株式会社フィッシャー・インストルメンツ製微小硬度計Fischer scope HM2000を用いた。試験温度は常温(25℃)、試験力(F)は0.01Nであった。得られた測定結果5点の内、最大値及び最小値を除いた3点の算術平均を、Zn−Ni合金めっき層の硬度(ビッカース硬さHv(Hv0.001))とした。結果を表1に示す。
[評価結果]
表1を参照して、試験番号4〜試験番号15及び試験番号17の冷延鋼板は、Zn−Ni合金めっき層を備えた。Zn−Ni合金めっき層はCuを含有した。Zn−Ni合金めっき層のCu含有率は4.5質量%以下(0を含まない)であった。そのため、硬度Hvが470以上、L値が50.0以上となり、優れた耐焼付き性及び外観を有した。
表1を参照して、試験番号4〜試験番号15及び試験番号17の冷延鋼板は、Zn−Ni合金めっき層を備えた。Zn−Ni合金めっき層はCuを含有した。Zn−Ni合金めっき層のCu含有率は4.5質量%以下(0を含まない)であった。そのため、硬度Hvが470以上、L値が50.0以上となり、優れた耐焼付き性及び外観を有した。
試験番号5〜試験番号15及び試験番号17ではさらに、Zn−Ni合金めっき層のCu含有率が0.05〜4.5質量%であった。そのため、Zn−Ni合金めっき層のCu含有率が0.05質量%未満であった試験番号4と比較して硬度が高まり、耐焼付き性がさらに優れた。
一方、試験番号1〜試験番号3では、Zn−Ni合金めっき層のCu含有率が0.00%であり、Cuを含有しなかった。そのため、硬度Hvが470未満となり、耐焼付き性が劣った。
試験番号16、試験番号18及び試験番号19では、Zn−Ni合金めっき層のCu含有率が4.5質量%を超えた。そのため、L値が50未満となり、外観が劣った。
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。
3 ピン
4 ボックス
31、41 ねじ部
32、42 金属シール部
33、43 ショルダー部
34、44 接触表面
100 Zn−Ni合金めっき層
200 潤滑被膜
4 ボックス
31、41 ねじ部
32、42 金属シール部
33、43 ショルダー部
34、44 接触表面
100 Zn−Ni合金めっき層
200 潤滑被膜
Claims (5)
- 各々が、ねじ部、金属シール部及びショルダー部を含む接触表面を有するピン及びボックスを備える管用ねじ継手であって、
前記ピン及び前記ボックスの少なくとも一方の前記接触表面上にZn−Ni合金めっき層を備え、
前記Zn−Ni合金めっき層は、4.5質量%以下(0を含まない)のCuを含有する、管用ねじ継手。 - 請求項1に記載の管用ねじ継手であって、
前記Zn−Ni合金めっき層は、0.05〜4.5質量%のCuを含有する、管用ねじ継手。 - 請求項1又は請求項2に記載の管用ねじ継手であって、
前記Zn−Ni合金めっき層の厚さは1〜20μmである、管用ねじ継手。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の管用ねじ継手であって、
前記ピン及び前記ボックスの少なくとも一方の前記接触表面上、又は前記Zn−Ni合金めっき層上に潤滑被膜を備える、管用ねじ継手。 - 各々が、ねじ部、金属シール部及びショルダー部を含む接触表面を有するピン及びボックスを備える管用ねじ継手の製造方法であって、
前記ピン、前記ボックス、及び、亜鉛イオン、ニッケルイオン及び銅イオンを含有し、前記銅イオンの濃度が1g/L以下(0を含まない)であるめっき液を準備する工程と、
前記ピン及び前記ボックスの少なくとも一方の前記接触表面上に、前記めっき液を接触させて電気めっきによりZn−Ni合金めっき層を形成する工程とを備える、管用ねじ継手の製造方法。
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