WO2002084162A1 - Joint filete pour tuyau en acier - Google Patents

Description

明 細 書 鋼管用ねじ継手 技術分野

本発明は、 油井管等の鋼管の締結に使用される鋼管用ねじ継手に関する。 より 詳しくは、 本発明は、 従来締結ごとに焼付き防止のため実施されてきた、 重金属 粉を含むコンパゥンドグリスの塗布が不要となる、 耐焼付き性と気密性に優れた 鋼管用ねじ継手に関する。 背景技術

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 1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。

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、 A P I (米国石油協会） では、 チュービング継手では 10回の、 ケ一シング継手では 3回の、 締付け （メイクアップ） および緩め （ブレークァゥ 卜） 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。

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 1 無し金属接触部を有しており、 このねじ部とねじ無し金属接触部の両方が接触表 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、 金属一金属接 触によるメタルシ一ル部が形成され、 気密性が向上する。

このようなねじ継手では、 接触表面、 特に金属接触部の焼付きを防止するため 、 コンパウンドグリスと呼ばれる高潤滑のグリスが使用されてきた。 液体潤滑剤 であるこのグリスを、 締付け前にピンとボッタ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、 この作業でコンパゥンド 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。

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 一 103724号、 特開平 8— 233163号、 特開平 8— 233164号、 特開平 9一 72467 号各 公報には、 ピンとボックスの少なく とも一方のねじ部とねじ無し金属接触部 （即 ち、 接触表面） に、 結合剤の樹脂と固体潤滑剤の二硫化モリブデンまたは二硫化 夕ングステンとからなる固体潤滑被膜を形成したねじ継手が開示されている。 これらの公報には、 固体潤滑被膜と基材との密着性を高めるため、 固体潤滑被 膜の下地処理層として、 燐酸マンガン系化成処理被膜層や、 窒化層と燐酸マンガ ン系化成処理被膜層を形成するか、 あるいは接触表面に Rmax 5〜40 " mの凹凸 を設けることも開示されている。 '

特開平 8—103724号公報には、 潤滑性粉末の二硫化モリブデンとして、 フイツ シャ一法により測定した粒子径が 0. 45〜10 m、 好ましくは 2〜 5 mの粉末を 使用することが開示されている。 0. 45 m未満では耐ゴ一リング性に対する潤滑 機能向上効果が得られず、 10 m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指摘されている。

固体潤滑被膜によりピンまたはボッタ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。

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、 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 がぁつた。

最近、 従来より高温の 250〜300 °Cの使用環境下で用いる高温油井や、 原油回 収効率を高める目的で臨界温度にも達する高温蒸気（350°C ) を注入する蒸気注入 油井に使用するため、 耐熱性の鋼管用ねじ継手が要求されるようになってきた。 そのため、 鋼管用ねじ継手には、 継手締結後に 250 °C以上の温度で耐熱試験を実 施した後、 緩め一再締付けの作業を行っても、 耐焼付き性や気密性が保証される 性能が求められる場合がある。

接触表面に固体潤滑被膜を形成した従来の鋼管用ねじ継手は、 特に高温環境に 曝された場合には、 コンパウンドグリスを用いる場合に比べて、 耐焼付き性が極 端に劣るというのが実情であつた。

このように、 固体潤滑被膜を形成した従来の鋼管用ねじ継手は、 コンパウンド グリスの塗布がなお不要であり、 コンパゥンドグリスの使用に伴う環境問題や作 業効率の問題を解消できなつた。

本発明の目的は、 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 ることである。

本発明の別の目的は、 高深度、 高温油井、 あるいは蒸気注入油井といった、 高 温環境下の原油採掘において、 コンパウンドグリスを塗布せずに、 繰り返しの締 付け ·緩めの際の焼付き発生や気密性び低下を防止することのできる、 耐焼付き 性に優れた鋼管用ねじ継手を提供することを目的とする。 発明の開示

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 一 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を見出した。

つまり、 固体潤滑被膜中の潤滑性粉末の多くが凝集して、 後で定義する等面積 相当径で 15〜60 m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。

また、 高温環境下で緩め一再締付けを繰り返した時の焼付き発生が特に顕著と なるのは、 高温での固体潤滑被膜の耐摩耗性が低いため、 被膜が早期に消耗する ためであり、 固体潤滑被膜に繊維状フイラ一を含有させると、 被膜の高温耐摩耗 性が飛躍的に高まることも見出した。

1態様において、 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が、 潤滑性粉末と結合剤とからな 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、 潤滑性粉末の等 面積相当径 15〜 60 m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。

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中における 粉末集合体 （二次粒子） の粒子径を意味する。 潤滑性粉末の等面積相当径につい ては後で説明する。

別の態様において、 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タ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め少なく とも一方の接触表面が、 潤滑性粉末、 繊維状フイラ ―、 および結合剤を含み、 繊維状フイラ一/結合剤の質量比が 0. 01〜0. 5 の範囲 内である、 固体潤滑被膜を有することを特徴とする、 鋼管用ねじ継手である。 本発明の好適態様において、 前記潤滑性粉末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ォ 口エチレンから選ばれた 1種または 2種以上である。 図面の簡単な説明

図 1 は、 既に述べたように、 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は、 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は、 固体潤滑被膜中の潤滑性粉末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は、 固体潤滑被膜中の相当径 15〜60 i mの潤滑性粉末の面積率と耐焼付き 性との関係を示す概要図である。 発明の詳細な説明

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。 以下の説明では、 ねじ無し金属接触部を単に金属接触部ともいう。 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。

ピン 1 とボックス 2のそれぞれに設けたねじ部 3と 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。

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、 コンパゥ 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。

本発明者らは、 潤滑性粉末として平均粒径 3. 5 m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、 樹脂を溶解させ潤滑性粉末を分散さ 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。

つまり、 平均粒径が 3. 5 mの二硫化モリブデン粉末という同じ潤滑性粉末を 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、 固体潤滑被膜中の潤滑性粉末の凝集の程度であることを見出した。 潤滑性粉末の粉末の平均粒径 （一次粒子径） が、 例えば 10 mまたはそれ以下 と小さいと、 潤滑性粉末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、 潤滑性粉末のほとんどは、 一次粒子 （上の例 では平均粒径 3. 5 m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。

本発明者らは、 潤滑性粉末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潤滑性粉末 の二次粒子の等面積相当径が 15〜60 w mの範囲であると、 耐焼付き性が良好であ ることがわかる。 '

しかし、 実際には、 固体潤滑被膜中の潤滑性粉末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 i5〜60 m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。

本発明において、 固体潤滑被膜の断面における潤滑性粉末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。

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 x 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 に 入る全ての粒子の断面積を計測する。 そのうち相当径 〜 60 rmの二次粒子が締 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 15〜60 u m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 ； u rn未 満または 100 m超の潤滑性粉末は、 無視できるものとして扱った。

本発明の第 1の態様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、 潤滑性粉末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 15〜60 mの二次粒子が占める面積率 （以下、 15〜60 m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、 耐焼付き性に劣るねじ継手の出現確率が高 いという問題を軽減することができる。

固体潤滑被膜の断面において 15〜60 m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。

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、 潤滑性粉末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。 潤滑性粉末の粒子が例えば 0. 4〜10 i m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、 潤滑性粉末が凝集に 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。

耐焼付き性の改善に有効な潤滑性粉末の二次粒子の相当径は 15〜 60 mである 。 相当径が 15 m未満では、 上記理曲により、 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 60 m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つて、 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 20〜50 m である。

相当径が 15〜60 m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 〜60 ί πιの潤滑性粉末の量が少なく、 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。

すぐ上に説明した第 1の態様の固体潤滑被膜は、 潤滑性粉末と結合剤とから本 質的になるものでよい。 但し、 固体潤滑被膜は、 その性能に著しい悪影響を及ぼ さない限り、 他の成分も含有しうる。 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潤滑性粉末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。 塗布は、 刷毛塗り、 浸漬、 エアースプレー法等の公 知の適当な方法により実施すればよい。

潤滑性粉末は、 二硫化モリブデンに限られず、 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ヱ一ト、 モリブデン ジアルキルチオ力ルバメート） 、 P T F E (ポリテトラフルォロエチレン） 、 ま たは Β Ν (窒化硼素） を使用しても、 上記と同様の結果が得られる。 潤滑性粉末 は、 これらから選んだ 1種または 2種以上を使用することができる。

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、 ポリカルポジイミ 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、 フエノール 樹脂、 フラン樹脂、 尿素樹脂、 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、 シリコ一 ·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。

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。

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 °C以上、 より好ましくは 150〜380 °C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。

本発明において結合剤として用いる無機高分子とは、 Ti _ 0 、 S i— 0 、 Zr - 0 、 Mn - 0 、 Ce - 0 、 Ba— 0 といった、 金属一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 卜キシ、 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 またはゲ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、 チタンイソプロボ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。

この無機高分子を形成する金属アルコキシドは、 シラン力ッフ。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。

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、 ェチルァ ルコール、 イソプロピルアルコール、 ブチルアルコール） やケ卜ン等の極性溶剤

、 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。

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、 潤滑性 粉末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 °C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。

本発明の第 1の態様では、 固体潤滑被膜中に潤滑性粉末の相当径 15〜60 2 m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、 潤滑性粉末として、 一次粒子径が 15〜60 m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 25〜50 ;u mといつた粗大な粉末からなる潤滑性粉末を使用し、 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、 本発明で規定する潤滑性粉末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、 潤滑性粉 末の粉末が粗大であり特に、 面積率が小さい場合には潤滑性粉末の分布が不均一 になりやすいといつた問題がある。

より好ましいのは、 一次粒子の平均粒径が 15 i mより小さい潤滑性粉末の粉末 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 15〜60 m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、 潤滑性粉末の一次粒 子の平均粒径は 0. 5〜15 mの範囲が好ましく、 より好ましくは 1〜10 u mであ る。 一次粒子径が 0. 5 ； u mより小さいと、 凝集が不均一に起こりやすく、 凝集の 制御が困難となる。 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。

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、 潤滑性粉末の粉末を凝集させてか ら塗布に使用する。 '

前記二次粒子の面積率は、 結合剤と潤滑性粉末との体積比にも依存する。 即ち 、 被膜中の潤滑性粉末の粉末が全て相当径 15〜60 mの二次粒子になっていれば 、 前記面積率は、 結合剤と潤滑性粉末との合計体積率に対する潤滑性粉末の体積 率で近似できる。 その場合、 結合剤と潤滑性粉末の合計体積率に対する潤滑性粉 末の体積率が 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、 全ての潤滑性粉末が 相当径 15〜60 / m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。

次に、 本発明の第 2の態様に係る鋼管用ねじ継手では、 潤滑性粉末と結合剤と を含む固体潤滑被膜に、 繊維状フイラ一を特定範囲の量で含有させることにより 、 固体潤滑被膜の耐摩耗性、 特に高温での耐摩耗性が飛躍的に改善される。 その 結果、 高温油井や蒸気注入油井等の高温環境下で使用する鋼管用ねじ継手におい ても、 コンパゥンドグリス等を塗布せずに、 締付け ·緩めを繰り返した場合の焼 付きの発生を著しく抑制することが可能となる。

本発明で使用する繊維状フイラ一は、 例えば、 人造鉱物繊維、 天然鉱物繊維、 耐熱性高強度有機繊維、 金属繊維のいずれであってもよい。 繊維状フイラ一の形 態は、 針状単結晶のゥイスカーと、 連続長繊維を切断した短繊維のいずれでもよ い。

針状単結晶のゥイスカーとしては、 アルミナ、 シリカ、 ムライ ト、 ジルコユア 、 炭化珪素、 窒化珪素などのセラッミク繊維、 銅、 鋼などの金属繊維、 チタン酸 カリウム、 酸化亜鉛、 ホウ酸アルミニウムなどの無機化合物繊維がある。 連続長 繊維としては、 ガラス繊維、 多結晶の炭素繊維、 タングステン、 モリブデン、 銅 、 ニッケル、 鋼などの金属繊維、 ならびに各種有機繊維などが挙げられる。 耐熱 性高強度有機繊維の例は、 ケブラ一 ^TMである。 連続長繊維は、 長さ 10〜500 u rn 程度の短繊維にして使用することが好ましい。

固体潤滑被膜の高温耐摩耗性の向上という観点から好ましい繊維状フイラ一は 、 無機系の繊維状フイラ一であり、 特に前述したセラミックおよび無機化合物の ゥイスカー、 炭素繊維、 ガラス繊維等が好ましい。 より好ましい繊維状フイラ一 は、 チタン酸カリウム、 酸化亜鉛、 ホウ酸アルミニウム、 炭化珪素、 窒化珪素か ら選ばれた 1種もしくは 2種以上の材料のウイスカ一である。 結合剤が樹脂であ る場合、 樹脂中での繊維の分散性の観点から特に好ましいのは、 チタン酸力リゥ ム、 酸化亜鉛、 および炭化珪素である。

繊維状フイラ一がゥイス力一である場合、 その断面直径は 0. l〜25 ;u mである ことが望ましい。 断面直径が 0. 1 m未満であると、 鋼管用ねじ継手の接触表面 に形成される固体潤滑被膜の高温耐摩耗性や被膜強度が不足することがある。 一 方、 ゥイスカーの断面直径が 25 mを超えると、 固体潤滑被膜の強度や密着性が 低下することがある。 繊維状フイラ一が連続長繊維である場合も、 その直径は、 これと同様の範囲内のものが好ましい。 ゥイスカーは通常は切断せずにそのまま 使用すればよいが、 被膜中の均一分散が困難である場合には、 適当に短く して使 用すればよい。

固体潤滑被膜中の繊維状フイラ一の含有量は、 繊維状フイラ一/結合剤の質量 比が 0· 01〜0· 5 となる範囲内とする。 この質量比が 0. 01より小さいと、 鋼管用ね じ継手の高温耐焼付き性を十分に改善することができない。 この質量比が 0. 5 よ り大きいと、 固体潤滑被膜の強度と下地との密着性が不足する。 この質量比は、 好ましくは 0. 05〜0. 4 、 より好ましくは 0. 1〜0. 3 の範囲内である。

本発明の第 2の態様にかかる鋼管用ねじ継手の固体潤滑被膜に使用する潤滑性 粉末と結合剤の種類は、 第 1の態様に関して説明したものと同様でよい。

即ち、 潤滑性粉末は、 潤滑効果を有するものであれば特に限定されないが、 耐 焼付き性の観点から、 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、 窒化硼素、 ポリテトラフルォロエチレンから選ばれた 1種または 2種以上の材料の粉末が好ましい。 高温での耐摩耗性の観点からは、 二硫化モリ ブデン、 二硫化タングステン、 黒鉛、 窒化硼素がより好ましい。

潤滑性粉末の平均粒径 （平均一次粒子径） は 0. 5〜60 1!1の範囲内が好ましぃ 。 平均粒径が 0. 5 mより小さい潤滑性粉末は、 前述したように、 不均一に凝集 し易く、 固体潤滑被膜中での均一分散が困難となり、 局所的に性能が不足するこ とがある。 一方、 粉末の平均粒径が 60 t m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、 焼付きの発生を抑制で きないことがある。

結合剤は、 潤滑性粉末と繊維状フィラーを結合させる機能を有するものであれ ばよく、 上述した有機樹脂と無機高分子のいずれも使用できる。 第 2の態様にお いて好ましい結合剤は有機樹脂である。

本発明の第 2の態様に係る鋼管用ねじ継手において、 固体潤滑被膜中の滑性粉 末と樹脂結合剤の配合比は、 特に限定されないが、 耐焼付き性の観点から潤滑性 粉末/結合剤の質量比が 0. 3〜9. 0 の範囲内となるような配合比とすることが好 ましい。 潤滑性粉末/結合剤の質量比が 0. 3 未満では、 上記摩耗粉中における潤 滑性粉末の量が不足し、 耐焼付き性が不足することがある。 一方、 この質量比が 9. 0 を超えると、 固体潤滑被膜層の強度が不足し、 高い面圧に耐えられなくなる 上、 被膜の密着性も低下するため、 耐焼付き性、 気密性が劣化することがある。 潤滑性粉末/結合剤の質量比は、 耐焼付き性の観点から好ましくは 0. 5 〜9. 0 の 範囲内であり、 さらに密着性も考慮すると、 より好ましくは 1. 0〜8. 5 の範囲内 である。

結合剤の溶液 （または分散液） に潤滑性粉末と繊維状フイラ一を分散させて塗 布液を調製し、 この塗布液を、 ねじ継手のピンとボックスの少なくとも一方の接 触表面に塗布し、 塗膜を乾燥させて、 固体潤滑被膜を形成すると、 本発明の第 2 の態様に係る鋼管用ねじ継手が得られる。 調製した塗布液は、 すぐに塗布に使用 することができるが、 第 1の態様について説明したように、 静置して潤滑性粉末 を凝集させてから塗布に使用してもよい。 本発明の第 1の態様および第 2の態様のいずれにおいても、 固体潤滑被膜の厚 みは、 5 m以上、 50 u m以下とすることが望ましい。 固体潤滑被膜に含まれる 潤滑性粉末は、 高い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。 固体潤滑被膜の厚さが 5 m未満では、 潤滑性粉末の含有量が少なくなり 、 潤滑性向上の効果が少なくなることがある。 固体潤滑被膜の厚さが 50 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つたり、 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、 15 i m以上、 40 m以下である。

固体潤滑被膜には、 防鐫剤を始めとする各種添加剤を、 耐焼付き性を損なわな い範囲で添加することもできる。 例えば、 亜鉛粉、 クロム顔料、 シリカ、 アルミ ナの 1種もしくは 2種以上の粉末を添加することができる。 また、 着色剤を含有 させて、 形成された固体潤滑被膜を着色してもよい。 なお、 塗布液には、 分散剤 、 消泡剤、 増粘剤等の 1種または 2種以上の添加剤を適宜含有させることもでき る。

本発明に従って固体潤滑被膜を形成する、 ピンとボックスの少なく とも一方の 接触表面は、 固体潤滑被膜の密着性を確保するため、 被膜形成前に、 その表面粗 さ Rmax が、 機械切削後の表面粗さ （3〜 5 / m ) より大きくなるよう予め粗面 化しておく ことが望ましい。

粗面化の方法としては、 サンドまたはグリッ ドを投射する方法、 硫酸、 塩酸、 硝酸、 フッ酸などの強酸液に浸漬して肌を荒らす方法といった、 鋼表面それ自体 を粗面化する方法に加え、 鋼表面より粗面となる下地処理層を形成して、 塗布面 を粗面化する方法も可能である。 下地処理層は、 接触表面と固体潤滑被膜との間 に介在する。

このような下地処理の例としては、 リン酸塩、 蓚酸塩、 硼酸塩等の化成処理被 膜 （生成する結晶の成長に伴い、 結晶表面の粗さが増す） を形成する方法、 銅め つきまたは鉄めつきのような金属の電気めつき （凸部が優先してめつきされるた め、 僅かであるが表面が粗くなる） を施す方法、 鉄芯に亜鉛または亜鉛一鉄合金 等を被覆した粒子を遠心力またはエアー圧を利用して投射し、 亜鉛もしくは亜鉛 一鉄合金の被膜を形成させる衝撃めつき法、 窒化層を形成する軟窒化法 （例えば 、 タフ トライ ド） 、 金属中に固体微粒子を分散させた多孔質被膜を形成する複合 金属被覆法などが挙げられる。

固体潤滑被膜の密着性の観点からは、 多孔質被膜、 特にリン酸塩化成処理 （リ ン酸マンガン、 リン酸亜鉛、 リン酸鉄マンガン、 リン酸亜鉛カルシウム） や、 衝 撃めつきによる亜鉛または亜鉛一鉄合金の被膜が好ましい。 密着性の観点からリ ン酸マンガン被膜が、 防鏡性の観点から亜鉛または亜鉛一鉄合金の被膜が、 より 好ましい。

リン酸塩系化成処理被膜や、 衝撃めつきによって形成された亜鉛もしくは亜鉛 一鉄合金の被膜は、 いずれも多孔質な被膜であるため、 その上に固体潤滑被膜を 形成すると、 固体潤滑被膜の密着性が高まる。 その結果、 締付け ·緩めを繰り返 しても固体潤滑被膜の剥離が起こらず、 金属間接触が効果的に防止され、 耐焼付 き性、 気密性、 防鐺性が一層向上する。

下地処理層が多孔質であつても、 その上に本発明に従って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るので、 防鐫性ゃ気密性の 低下は生じない。 また、 多孔質被膜層が衝撃めつきによって形成された亜鉛もし くは亜鉛一鉄合金被膜である場合、 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し、 一層優れた防鐫性を 実現することができる。

多孔質の亜鉛または亜鉛一鉄合金層は、 乾式の衝撃めつき法、 中でもブラスト 装置を用いて粒子を被めつき物に衝突させる投射めつき法により形成できる。 投 射めつきに使用する投射装置には、 圧縮空気等の高圧流体を利用して粒子を吹き 付ける高圧流体投射装置や、 ィンペラ等の回転翼を利用する機械式投射装置があ り、 いずれを利用してもよい。

投射めつきに使用する粒子は、 少なくとも表面に亜鉛または亜鉛一鉄合金を有 する金属粒子である。 全体が亜鉛または亜鉛一鉄合金からなる粒子でもよいが、 好ましいのは、 特公昭 59— 9312号公報に開示されている投射材料である。 この投 射材料は、 鉄または鉄合金を核 （コア） とし、 その表面に亜鉛または亜鉛一鉄合 金層を被覆した粒子からなる。 粒子中の亜鉛または亜鉛合金の含有量は 20〜60質 量％の範囲であることが好ましく、 粒子の粒径は 0. 2〜1. 5 u mの範囲が好まし い。

この鉄系の核の周囲を亜鉛または亜鉛合金で被覆した粒子を基体に投射すると 、 粒子の被膜層である亜鉛または亜鉛合金のみが基体に付着し、 亜鉛または亜鉛 合金の被膜が基体上に形成される。 この投射めつきは、 鋼の材質に関係なく、 鋼 表面に密着性の良いめっき被膜を形成することができる。 したがって、 炭素鋼か ら高合金鋼まで、 多様な材質のねじ継手の接触表面上に、 密着性に優れた多孔質 の鉛または亜鉛合金層を形成することができる。

前述した各種の下地処理層を形成する場合、 その厚みに特に制約はないが、 防 鏡性と密着性の観点から 5〜40 mであることが好ましい。 5 m未満では、 十 分な防鑌性が確保できないことがある。 一方、 40 m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。

固体潤滑被膜は、 ピンとボックスの両部材の接触表面に形成してもよいが、 一 方の部材の接触表面だけに形成しても本発明の目的は十分に達成できるので、 コ スト面からはそのようにすることが好ましい。 その場合、 短いボックスの接触表 面に固体潤滑被膜を形成する方が、 被膜の形成作業が容易である。 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、 ピンの接触表面の鐫も 防止できる。 固体潤滑被膜は接触表面の一部だけ、 好ましくは金属接触部だけに 形成してもよい。

しかし、 組立て時に、 図 1 に示すように、 鋼管の一方の端部のピンだけにボッ タスが取り付けられると、 鋼管の他端のピンゃボックスの半分は露出したままと なる。 このような露出するピンやボックスの接触表面に適当な表面処理を施して 、 防鯖性、 あるいは防鏡性と潤滑性を付与してもよく、 および/または適当なプ ロテク夕を装着して保護してもよい。 このような表面処理は、 前述した他方の部 材の接触表面にも適用することができる。

ックスの一方の部材の接触表面だけに固体潤滑被膜を形成した場合、 他方の部材の接触表面は、 表面粗さ Rmax が 10w m以下となるようにすることが 望ましい。 他方の部材の表面粗さが lo mを超えると、 固体潤滑被膜との摩擦係 数が高くなり、 粗さの増大に伴って加速度的に固体潤滑被膜の摩耗が増加し、 繰 り返しの締付け ·緩めにおいて固体潤滑被膜を早期に消耗し、 耐焼付き性、 防鐫 性、 気密性を維持できないことがある。 ピンとボックスの両方の接触表面に、 本 発明にかかる固体潤滑被膜を形成した場合、 両方の部材の固体潤滑被膜の表面粗 さ （被膜形成後の粗さ） が 10 m以下であることが好ましい。

本発明に係る鋼管用ねじ継手は、 コンパウンドグリスを塗布せずに締付けるこ とができるが、 所望により、 固体潤滑被膜または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、 防鐫添加剤、 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。

防鏡添加剤としては、 塩基性金属スルホネート、 塩基性金属フエネート、 塩基 性金属カルボキシレ一卜などが用いられる。 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。 実施例

(実施例 1〜 8および比較例 1〜 3 )

本例は本発明の第 1の態様を例示する。

表 1 に示した炭素鋼 A、 Cr一 Mo鋼 B、 13%Cr鋼 Cまたは高合金鋼 D (Dが最も 焼付きを起こし易く、 （ 、 B、 Aの順に焼付きが起こりにく くなる） からなる鋼 管 （外径： 7ィンチく 178 mm>、 肉厚： 0. 408 ィンチく 10. 4 瞧〉）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。 表面処理の詳細は各例ごとに後述する。

表 2には、 ピンおよびボックスの下地処理の内容、 即ち、 基材の表面粗さ Rma 8 x 01)と下地処理被膜の膜厚（t) 、 ならびにピンおよび/またはボックスの下地処 理の上に形成した固体潤滑被膜の構成、 即ち、 結合剤と潤滑性粉末の種類、 前述 した方法により求めた被膜の厚み方向断面における相当径 15〜60 mの潤滑性粉 末二次粒子の面積率 (A) 、 および被膜の膜厚（t) を示す。

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。 焼付きが発生した場合 、 手入れをしながらその後の締付けを実施したが、 焼付きがひどくて手入れして も締付けできないか、 または緩めが不可能になった場合には、 その時点で試験を 中止した。 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には 6回 目以降の焼付き発生状況ならびに鯖発生状況を示す。

ピンまたはボックスの接触表面に固体潤滑被膜を形成しない場合には、 鐫防止 のため重金属粉を含まない市販の一般的な防鐫油を塗布した。 締付け ·緩め試験 は、 この防鐫油を除去せずに実施した。 表 1

数値は質量％

鋼記号 C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo

A 0. 24 0. 30 1. 30 0. 02 0. 01 0. 04 0. 07 0. 17 0. 04

B 0. 25 0. 25 0. 80 0. 02 0. 01 0. 04 0. 05 0. 95 0. 18

C 0. 19 0. 25 0. 80 0. 02 0. 01 0. 04 0. 10 13. 0 0. 04

D 0. 02 0. 30 0. 50 0. 02 0. 01 0. 50 7. 00 25. 0 3. 20

表 2

(注） Ti-0は、 Ti-0を骨格とする無機高分子を意味する。

R は表面粗さ Rmax( m) 、 t は被膜の膜厚 （w m) を表す。

A は被膜断面中の相当径 15〜60 mの潤滑性粉末二次粒子の面積率 (%)

〇：焼付き発生なし、 △ :軽度の焼付き （手入れ可能）

X ：重度の焼付き （手入れ不可) -：未実施 実施例 1

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 10 mとした。 その上に、 次に述べるようにして、 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 25 u m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 65質量％) にポリアミ ドィ 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 12 mの 硫化モリブデン粉末を投入し、 攪拌した後、 静置して、 硫化モリブデン粉末を凝集させて調製した。 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 °C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。

ピンの接触表面は、 機械研削仕上げ （表面粗さ 2 w m ) のみとした。

以下の例では、 表 2に示した数値は記載しないので、 表 2を参照されたい。 実施例 2

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、 機械研削仕上げ後、 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。 その上に、 実施例 1 と同様にして、 二硫化モリブデンを 含有するポリアミ ドイミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜を形成した。

使用した塗布液は、 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 m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て調製した。

ピンの接触表面は機械研削仕上げのみとした。'

実施例 3

組成 Bの Cr一 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、 機械研削仕上げ後、 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。 その上に、 加熱温度を 230 °Cに変更した以外は実施例 1 と同様にして、 二硫化タングステンを含有するエポキシ樹脂からなる固体潤滑被 膜を形成した。

使用した塗布液は、 溶媒 （テトラヒドロフラン ： シクロへキサノン = 50： 50、 68質量⁰ /₀ ) にエポキシ樹脂と平均粒径 2. 0 m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て 調製した。

ピンの接触表面は機械研削仕上げのみとした。

実施例 4

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、 機械研削仕上げ後、 投射めつきにより亜鉛一鉄合金被 膜を形成する下地処理を行った。 その上に、 加熱温度を 170 °Cに変更した以外は 実施例 1 と同様にして、 黒鉛を含有するフニノール樹脂からなる固体潤滑被膜を 形成した。

使用した塗布液は、 溶媒 （N—メチル一 2 —ピロリ ドン ： キシレン =65： 35、 70質量％) にフニノール樹脂と平均粒径 1. 0 m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て調製した。 ピンの接触表面は機械研削仕上げのみとした。

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、 機械研削仕上げ後、 投射めつきにより亜鉛一鉄合金被 膜を形成する下地処理を行った。 その上に、 実施例 1 と同様にして、 二硫化モリ ブデンを含有するポリアミ ドイミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜を形成した。

使用した塗布液は、 溶媒 （エタノール： トルエン = 50 : 50、 85質量％) にボリ アミ ドイミ ド樹脂と平均粒径 1. 5 m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て調製した。 . ピンの接触表面は、 機械研削仕上げ後、 投射めつきにより亜鉛被膜を形成する 下地処理を行った。 その上に、 二硫化モリブデン粉末 （平均粒径 14 m ) を含有 する Ti— 0 を骨格とする無機高分子からなる固体潤滑被膜を形成した。

使用した塗布液は、 溶媒 （キシレン ： ブチルアルコール： シクロへキサン = 20 ： 10 : 30、 70質量⁰ /₀) に、 結合剤のチタンテ卜ライソプロボキシドの Ti 0₂換算量 と上記潤滑性粉末を合計 30質量％の割合 （結合剤と潤滑性粉末の合計量に対する 潤滑性粉末の体積率 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 °Cの熱風を 10分間吹き 付けて塗膜を硬化させた。

実施例 6

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、 機械研削仕上げ後、 燐酸亜鉛化成処理被膜を形成する下地 処理を行った。 その上に、 二硫化モリブデン粉末 （平均粒径 12 m ) を含有する Ti一 0 を骨格とする無機高分子からなる固体潤滑被膜を形成した。 塗布液は、 実 施例 5と同様の溶媒に、 結合剤のチタンテトライソプロポキシドの Ti 0₂換算量と 上記潤滑性粉末を合計 40質量％の割合 （結合剤と潤滑性粉末の合計量に対する潤 滑性粉末の体積率 40%) で混合し、 静置し、 潤滑性粉末を凝集させたものを使用 した。 この固体潤滑被膜は、 実施例 5においてピンの接触表面に形成したものと 同様に形成した。

ボックスの接触表面は、 機械研削仕上げのみとした。 実施例 7

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、 機械研削仕上げ後、 その表面に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。 その上に、 実施例 6と同様にして、 窒化硼素 (平均粒径 6 i m ) を含有する Ti一 0 を骨格とする無機高分子からなる固体潤滑 被膜を形成した。 塗布液は、 実施例 5と同様の溶媒に、 結合剤のチタンテトライ ソプロポキシドの Ti 0₂換算量と上記潤滑性粉末を合計 30質量％の割合 （結合剤と 潤滑性粉末の合計量に対する潤滑性粉末の体積率 20%) で混合し、 静置し、 潤滑 性粉末を凝集させたものを使用した。

ピンの接触表面は、 機械研削仕上げのみとした。

実施例 8

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、 機械研削仕上げ後、 その表面に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。 その上に、 実施例 1 と同様にして、 P T F E を含有するポリアミ ドイミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜を形成した。

使用した塗布液は、 溶媒 （エタノール： トルエン = 50 : 50、 85質量⁰ /₀ ) にポリ アミ ドイミ ド樹脂と P T E F粉末 （平均粒径 1. 0 m) (体積率 90%) を投入し、 攪拌した後、 静置して P T F E粉末を凝集させて調製した。

ピンの接触表面は、 機械研削仕上げのみとした。

以上の実施例 1〜8に例示したねじ継手は、 表 3に示すように、 20回の締付け -緩め試験で、 場合により 18回移行に軽度の焼付きが発生したが、 その場合でも 手入れにより 20回まで締付け ·緩めが可能であった。

比較例 1

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、 機械研削仕上げ後、 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。 その上に、 実施例 1 と同様にして、 二硫化モリブデンを 含有するポリアミ ドイミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜 （A=0%) 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⁰ /₀ ) にポリアミ ドィ ミ ド樹脂と平均粒径 3. 2 u mの二硫化モリブデン粉末 （体積率 80%) を投入し、 1 4 十分に攪拌して調製した後、 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。

ピンの接触表面は、 機械研削仕上げのみとした。

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。

比較例 2

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、 機械研削仕上げ後、 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。 その上に、 実施例 1と同様にして、 二硫化モリブデンを 含有するポリアミ ドイミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜 （A=3%) を形成した。 使用した塗布液は、 溶媒 （エタノール： トルエン = 50 : 50、 28質量⁰ /₀ ) にポリ アミ ドイミ ド樹脂と平均粒径 4. 0 m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て調製した。

ピンの接触表面は、 機械研削仕上げのみとした。

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。 相当径 15〜60 i mのニ硫 化モリブデンの面積率が 3 %と少ないめ、 耐焼付き性が不十分となった。

比較例 3

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、 機械研削仕上げ後、 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。 その上に、 実施例 1 と同様にして、 二硫化モリブデンを 含有するポリアミ ドイミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜 (A=95%) を形成した。 使用した塗布液は、 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 z m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て調製した。

ピンの接触表面は、 機械研削仕上げのみとした。

表 3に示したように、 締付け ·緩め試験では、 表 6の 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。 相当径 〜 60 /z m の二硫化モリブデンの面積率が 95%と過剰であったため、 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。

(実施例 9〜 17および比較例 4〜 5 )

本例は、 本発明の第 2の態様を例示する。

前掲の表 1に示す炭素鋼 A、 Cr一 Mo鋼 B、 13%Cr鋼 Cまたは高合金鋼 Dからな るねじ継手 （外径： 7イ ンチ、 肉厚： 0. 408 イ ンチ） のピン表面とボックス表面 に、 それぞれ表 4に示す表面処理 （下地処理および固体潤滑被膜の形成） を施し た。 固体潤滑被膜の形成に用いた塗布液は、 いずれも攪拌 ·分散により調製した 後に静置せず、 直ちに塗布に使用した。

表 4には、 ピンおよびボッ クスの下地処理の内容、 即ち、 基材の表面粗さ Rma x (R)と下地処理被膜の膜厚の厚み（t) 、 ならびにピンおよび/またはボックスの 下地処理の上に形成した固体潤滑被膜の構成、 即ち、 結合剤、 潤滑性粉末、 繊維 状フイラ一の種類、 被膜中の潤滑性粉末/結合剤の質量比 (M) と繊維状フイラ一 /結合剤の質量比 (F) 、 繊維状フイラ一の断面直径 (D) 、 被膜の膜厚（t) を示す 使用した潤滑性粉末の平均粒径は次の通りであつた：

二硫化モリブデン粉末（MoS ₂) ： 15 /i m

二硫化タングステン粉末 （WS ₂) ： 4 u m

黒鉛粉末： 1 m

窒化硼素粉末 (BN) ： 2 u m

P T F E粉末： 0. 8 i m。

こうして処理したピンおよびボックスからなるねじ継手を用い、 締付け ·緩め 試験を、 締付け速度は 10 rpm、 締付けトルクは 10340 f t - l bs で行った。 まず、 ねじ継手を常温で締付けた後、 250 °Cに 24時間加熱し、 常温まで放冷した後で、 緩めを行った。 この締付け—加熱→放冷→緩めの作業を 10回行い、 焼付き発生状 況を調査した。 表 5に焼付き発生状況を示す。 固体潤滑被膜を形成しなかったピンまたはボックス表面は、 鏞防止のため、 重 金属粉を含まない市販の一般的な防鐫油を塗布した。 締 f寸け ·緩め試験は、 この 防鐫油を除去せずに実施した。

表 4

(注） Rは表面粗さ R max (wm) 、 tは被膜の膜厚 （ tm) を表す。

は結合剤に対する潤滑性粉末の質量比を表わす。

Fは結合剤に対する繊維状フイラ一の質量比を表す。

Dは繊維状フイラ一の断面直径 （ zm) を表わす。 表 5

〇 X

焼付き発生なし、 △：軽度の焼付き （手入れ可能）

重度の焼付き （手入れ不可） 、 一 ：未実施

実施例 9

組成 Aの炭素鋼製ねじ継手に下記の表面処理を施した。

ボックス表面は、 No. 80のサンドを吹き付け、 表面粗さを mとした後、 そ の上に、 二硫化モリブデン粉末とチタン酸力リゥム（K₂0 . 6Ti0₂)の針状単結晶ゥ イスカーとを含有するポリアミ ドイミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜を形成した。 表 4に示す通り、 このウイスカーの断面直径は 0. 2 u m、 固体潤滑被膜の厚さは 25/ mであり、 固体潤滑被膜はポリアミ ドイミ ド樹脂 1に対し、 潤滑性粉末の二 硫化モリブデン粉末を 4、 繊維状フイラ一のチタン酸力リウムゥイス力一を 0. 1 の質量比で含有していた。 固体潤滑被膜形成後、 260 °Cに 30分加熱して、 加熱硬 化処理を実施した。

ピン表面は、 機械研削仕上げのみとした。

以下の例では、 表 4に示した数値は記載しないので、 表 4を参照されたい。 実施例 10

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。

ボックス表面は、 機械研削仕上げ後、 その表面にリン酸マンガン化成処理被膜 を形成した。 その上に二硫化モリブデン粉末と酸化亜鉛 （ZnO)の針状単結晶ウイ スカーとを含有するポリアミ ドイミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜を、 実施例 9と 同様にして形成した。

ピン表面は、 機械研削仕上げのみとした。

実施例 11

組成 Bの Cr一 Mo鋼製のねじ継手に下記の表面処理を施した。

ボックス表面は、 機械研削仕上げ後、 その表面にリン酸マンガン化成処理被膜 を形成した。 その上に二硫化タングステン粉末とホウ酸アルミニウム （9Α1 ₂0₃ · 2Β₂0₃)の針状単結晶ゥイスカーとを含有するェポキシ樹脂からなる固体潤滑被膜 を、 加熱温度を 230 ΐに変更した以外,は実施例 9と同様にして形成した。

ピン表面は、 機械研削仕上げの後、 リン酸亜鉛化成処理被膜を形成した。

実施例 12

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。

ボックス表面は、 機械研削仕上げ後、 電気めつきにより銅めつき被膜を形成し た。 その上に二硫化モリブデン粉末、 黒鉛粉末、 および炭化珪素 （SiC)の針状単 結晶ウイスカ一を含有するフ ノール樹脂からなる固体潤滑被膜を、 加熱温度を

170 °Cに変更した以外は実施例 9と同様にして形成した。

ピン表面は、 機械研削仕上げのみとした。

実施例 13

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。

ボックス表面は、 機械研削仕上げ後、 投射めつきによりの亜鉛一鉄合金被膜を 形成した。 その上に二硫化モリブデン粉末と窒化珪素 （Si ₃N₄)ゥイスカーとを含 有するポリアミ ドィミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜を、 実施例 9と同様にして形 成した。

ピン表面は、 機械研削仕上げ後、 投射めつきにより亜鉛一鉄合金被膜を形成し た。 その上に二硫化モリブデン粉末とチタン酸力リゥムの針状単結晶ウイスカー とを含有するポリアミ ドイミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜を実施例 9と同様にし て形成した。

実施例 14

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。

ピン表面は、 機械研削仕上げ後、 表面にリン酸亜鉛化成処理被膜を形成した。 その上に二硫化モリブデン粉末と長さ約 30 mの炭素繊維とを含有するポリァミ ドイミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜を、 実施例 9と同様にして形成した。

ボックス表面は、 機械研削仕上げの後、 その表面にリン酸マンガン化成処理被 膜を形成した。

実施例 15

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。

ボックス表面は、 機械研削仕上げ後、 その表面にリン酸マンガン化成処理被膜 を形成した。 その上に二硫化モリブデン粉末と長さ約 80 mの銅繊維とを含有す るポリアミ ドイミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜を、 実施例 9と同様にして形成し た。

ピン表面は、 機械研削仕上げのみとした。

実施例 16

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。

ボックス表面は、 機械研削仕上げ後、 その表面にリン酸マンガン化成処理被膜 を形成した。 その上に二硫化モリブデン粉末と珪酸カルシウム （CaS i 0₃ ) ゥイス カーとを含有するポリアミ ドイミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜を、 実施例 9と同 様にして形成した。

ピン表面は、 機械研削仕上げのみとした。

実施例 17

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。

ボックス表面は、 機械研削仕上げ後、 その表面にリン酸マンガン化成処理被膜 を形成した。 その上に二硫化モリブデン粉末と石英（S i 0₂)製の長さ 100 ； u mのガ ラス繊維とを含有するポリアミ ドイミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜を、 実施例 9 と同様にして形成した。 ピン表面は、 機械研削仕上げのみとした。

実施例 9〜1'7に例示したねじ継手は、 表 5に示すように、 高温油井を摸した条 件下での 10回の締付け .緩めにおいて、 場合により 7回目移行に軽度の焼付きが 発生したが、 その場合でもいずれも手入れにより 10回まで締付け ·緩めができた 。 繊維状フイラ一の断面直径が 0. 05 0 と小さかった実施例 16、 および繊維状フ ィラーの断面直径が 35 w mと大きかった実施例 17では、 高温での耐摩耗性がやや 低くなつたが、 後述する従来例 （比較例 4 ) に比べると、 なお格段に優れた焼付 き防止効果が認められる。

比較例 4

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。

ボックス表面は、 機械研削仕上げ後、 リン酸マンガン化成処理被膜を形成した 。 その上に二硫化モリブデン粉末を含有し、 繊維状フイラ一を含有しないポリア ミ ドイミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜 （線維状フイラ一を含有せず） を実施例 9 と同様に形成した。

ピン表面は、 機械研削仕上げのみとした。

表 5に示すように、 10回の締付け ·緩めにおいて、 1回目に軽度の焼付きが発 生した。 手入れにより 2回目まで締付け ·緩めを実施したが、 激しい焼付きを生 じたため、 試験を終了した。

比較例 5 ·

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。

ボックス表面は、 機械研削仕上げ後、 リン酸マンガン化成処理被膜を形成した 。 その上に二硫化モリブデン粉末とチタン酸力リゥム針状単結晶ウイスカーとを 含有するポリアミ ドイミ ド樹脂からなる固体潤滑被膜 （繊維状フイラ一であるチ タン酸カルシウムの含有量が過大） を、 実施例 9と同様にして形成した。

ピン表面は、 機械研削仕上げのみとした。

表 5に示すように、 10回の締付け ·緩めにおいて、 2回目に軽度の焼付きが発 生した。 手入れにより 3回まで締付け ·緩めができたが、 4回目で激しい焼付き を生じたため、 試験を終了した。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . ねじ部とねじ無し金属接触部とを含む接触表面をそれぞれ有するピンおよ びボックスから構成される鋼管用ねじ継手であつて、

ピンおよびボックスの少なくとも一方の接触表面が、 潤滑性粉末と結合剤とを 含む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、 潤滑性粉末の 等面積相当径 15〜 60 m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。

2 . 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が、 潤滑性粉末、 繊維状フィ ラー、 および結合剤を含み、 繊維状フイラ一/結合剤の質量比が 0. 01〜0. 5 の範 囲内である、 固体潤滑被膜を有することを特徴とする、 鋼管用ねじ継手。

3 . 潤滑性粉末が二硫化モリブデン、 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ォロエチレンから選ばれた 1種 または 2種以上である請求項 1 または 2に記載のねじ継手。

4 . 結合剤が有機樹脂または無機高分子である請求項 1 または 2に記載のねじ 継手。

5 . 繊維状フイラ一が、 チタン酸カリウム、 酸化亜鉛、 ホウ酸アルミニウム、 炭化珪素、 および窒化珪素から選ばれた 1種または 2種以上の材料の繊維である 、 請求項 2に記載のねじ継手。

6 . 固体潤滑被膜を有する接触表面が、 Rmax 5〜40 w mの表面粗さを有する 請求項 1 または 2に記載のねじ継手。

7 . 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 層を有する請求項 1 または 2に記載のねじ継手。

8 . 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 ある請求項 7記載のねじ継手。

9 . 前記二次粒子が、 平均粒径 0. 5〜15 πιの一次粒子の凝集粒子である、 請 求項 1 に記載のねじ継手。