JPWO2019044961A1 - 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
Description
ビッカース硬さ(Hv)>−300+55×Ni (1)
ここで、NiはZn−Ni合金めっき層中のNi含有量(質量%)を示す。
管用ねじ継手は、ピン及びボックスを備える。図5は、本実施形態による管用ねじ継手1の構成を示す図である。図5を参照して、管用ねじ継手1は、鋼管2とカップリング3とを備える。鋼管2の両端には、外面に雄ねじ部を有するピン4が形成される。カップリング3の両端には、内面に雌ねじ部を有するボックス5が形成される。ピン4とボックス5とをねじ締めすることによって、鋼管2の端に、カップリング3が取り付けられる。図示していないが、相手部材が装着されていない鋼管2のピン4及びカップリング3のボックス5には、それぞれのねじ部を保護するため、プロテクターが装着される場合がある。
Zn−Ni合金めっき層6は、ピン側接触表面40及びボックス側接触表面50の少なくとも一方の上に配置される。Zn−Ni合金めっき層6は、Zn−Ni合金及び不純物からなる。Zn−Ni合金は、亜鉛(Zn)、ニッケル(Ni)、微量のクロム(Cr)及び不純物からなる。ここで、Zn−Ni合金めっき層6の不純物、及び、Zn−Ni合金の不純物とは、Zn、Ni及びCr以外の物質で、管用ねじ継手の製造中等にZn−Ni合金めっき層6に含有され、本発明の効果に影響を与えない範囲の含有量で含まれる物質を含む。不純物とはたとえば、Fe及びCuである。
Zn−Ni合金めっき層6の化学組成全体を100質量%とした場合に、Ni含有量は6.0〜20.0質量%である。この場合、Zn−Ni合金はη相及びγ相の混相となる場合がある。Zn−Ni合金めっき層6のNi含有量の下限が10.0質量%であれば、Zn−Ni合金はγ相単相となる。この場合、Zn−Ni合金めっき層6の硬度がさらに高まる。したがって、好ましくは、Zn−Ni合金めっき層6のNi含有量の下限は10.0質量%であり、より好ましくは12.0質量%であり、さらに好ましくは14.0質量%である。好ましくは、Zn−Ni合金めっき層6のNi含有量の上限は18.0質量%であり、より好ましくは17.0質量%であり、さらに好ましくは16.0質量%である。
Zn−Ni合金めっき層6のNi含有量は次の方法で測定する。ハンドヘルド蛍光X線分析装置(日本電子株式会社製DP2000(商品名DELTA Premium))を用いて測定する。測定は、Zn−Ni合金めっき層6の表面の4箇所(管用ねじ継手の管周方向0°、90°、180°、270°の4箇所)を組成分析する。Alloy PlusモードによりZn及びNiの測定含有量を求める。求めたZn及びNiの測定含有量の総量でNiの測定含有量を除したものをNi含有量(質量%)とする。Ni含有量(質量%)は、組成分析した4箇所の測定結果の算術平均とする。Zn含有量についても同様に測定する。
Zn−Ni合金めっき層6には、微量のCrが含まれる。具体的には、Cr含有量は、照射イオンとしてO2 +を用いた二次イオン質量分析によるCr強度で5.0×10カウント/秒以上である。ここで、照射イオンとしてO2 +を用いた二次イオン質量分析により検出されたCrの二次イオン数をCr強度(カウント/秒)という。Cr強度が5.0×10カウント/秒以上であれば、Zn−Ni合金めっき層6の硬度が高まる。
Zn−Ni合金めっき層6のCr強度は次の方法で測定する。アルバックファイ株式会社製、四重極型二次イオン質量分析装置PHI ADEPT−1010TMを用いる。測定条件は以下のとおりである。Zn−Ni合金めっき層6の表面から深さ方向分析を行う。Cr強度は、Zn−Ni合金めっき層6の表面から1.5〜2.0μm深さの測定値の算術平均値とする。
真空度:5×10−7Pa以下
照射イオン:O2 +
加速電圧:6.0kV
測定範囲:64μm角(64μm×64μm)
測定頻度:深さ方向に20nmごと
本実施形態のZn−Ni合金めっき層6は、Cr強度が5.0×10カウント/秒以上である。そのため、ビッカース硬さが顕著に高まる。本実施形態のZn−Ni合金めっき層6のビッカース硬さは、式(1)によって示される。
ビッカース硬さ(Hv)>−300+55×Ni (1)
ここで、NiはZn−Ni合金めっき層6中のNi含有量(質量%)を示す。
Zn−Ni合金めっき層6のビッカース硬さは次の方法で測定する。Zn−Ni合金めっき層6を備えるピン4又はボックス5を準備する。Zn−Ni合金めっき層6を備えるピン4又はボックス5を軸方向に垂直に切断する。現れたZn−Ni合金めっき層6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する。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を用いる。試験温度は常温(25℃)、試験力(F)は0.01Nとする。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6のビッカース硬さHv(Hv0.001)とする。
好ましくは、Zn−Ni合金めっき層6表面の光沢度は100以上である。ここで、光沢度とは、JIS Z8741(1997)に定義される、屈折率が可視波長範囲全域にわたって一定値1.567であるガラス表面において、入射角60°での鏡面光沢度(鏡面反射率ρ0(θ)=0.1001)を100%とした場合の鏡面光沢度をいう。Zn−Ni合金めっき層6表面の光沢度が100以上であれば、管用ねじ継手は優れた外観を有する。好ましくは、Zn−Ni合金めっき層6表面の光沢度の下限は、105であり、さらに好ましくは、110である。Zn−Ni合金めっき層6表面の光沢度の上限は高い程好ましい。Zn−Ni合金めっき層6表面の光沢度はたとえば、200である。
Zn−Ni合金めっき層6表面の光沢度は次の方法で測定する。Zn−Ni合金めっき層6表面の任意の2点に対して、BYK−Gardner GmbH製micro−TRI−gloss(ポータブル光沢度計)を用いて、JIS Z8741(1997)に準拠した方法で鏡面光沢度を測定する。得られた測定値の算術平均を、Zn−Ni合金めっき層6表面の光沢度とする。
Zn−Ni合金めっき層6の厚さは特に限定されない。Zn−Ni合金めっき層6の厚さはたとえば、1〜20μmである。Zn−Ni合金めっき層6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6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6の厚さは、次の方法で測定する。Zn−Ni合金めっき層6を形成した接触表面34及び44の4箇所に対して、Helmut Fischer GmbH製、渦電流位相式膜厚計PHASCOPEPM910を用いて、Zn−Ni合金めっき層6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。測定結果の算術平均を、Zn−Ni合金めっき層6の厚さとする。
めっきにより形成されたZn−Ni合金には、η相、γ相及びα相が含まれる。η相は、化学式Zn、格子定数a=0.267nm及びc=0.495nmの六方晶の結晶構造を有する相である。γ相は、化学式Ni5Zn21、格子定数α=0.890nmの立方晶の結晶構造を有する相である。α相は、化学式Ni、格子定数a=0.352nmの面心立方晶の結晶構造を有する相である。Zn−Ni合金めっき層6の結晶構造は、これらの相の混相であってもよい。しかしながら、Zn−Ni合金めっき層6の結晶構造が、γ相単相であれば、硬度がさらに高まる。したがって、好ましくは、Zn−Ni合金めっき層6の結晶構造は、γ相単相である。
Zn−Ni合金めっき層6の結晶構造は、次の方法で同定する。Zn−Ni合金めっき層6表面に対して、以下の測定条件でX線回折測定を実施する。得られた実測プロファイルとASTMカードに記載された値とを比較して相を同定する。
・装置:株式会社リガク製 RINT−2500
・X線管球:Co‐Kα線
・スキャンレンジ:2θ=10〜110°
・スキャンステップ:0.02°
Zn−Ni合金めっき層6に含まれるγ相の(411)面の間隔は、次の方法で測定する。上述の、Zn−Ni合金めっき層6の結晶構造の同定方法と同じ条件で、X線回折測定を実施する。得られた実測プロファイル中、(411)面に対応する2θ=49.0〜52.0°の回折データをローレンツ関数でフィッティングする。ローレンツ関数は式(2)で与えられる。
回折強度(cps)=PH/(1+(2θ−PP)2/FH2)+BG (2)
ここで、PH;ピーク高さ(cps)、PP;ピーク位置(deg)、FH;半値幅(deg)、BG;バックグラウンド(cps)及び2θ;回折角度である。
実測プロファイルの回折強度とローレンツ関数で算出した強度との差の二乗を2θ=49.0〜52.0°にわたって積算し、その総和が最小となるようにPH、PP、FHおよびBGの各変数を最適化する。変数の最適化にはエクセルソフトのソルバーを用いる。(411)面の間隔を最適化したピーク位置PP(deg)からブラッグの法則に従い算出する。得られた値を、Zn−Ni合金めっき層6に含まれるγ相の(411)面の間隔(Å)とする。
上記管用ねじ継手はさらに、ピン側接触表面40、ボックス側接触表面50、及び、Zn−Ni合金めっき層6の少なくとも1つの上に潤滑被膜7を備えてもよい。この場合、管用ねじ継手の潤滑性が高まる。潤滑被膜7は、たとえば図12に示すように、ピン側接触表面40上のZn−Ni合金めっき層6及びボックス側接触表面50上のZn−Ni合金めっき層6の両方の上に配置されてもよい。潤滑被膜7は、ピン側接触表面40上のZn−Ni合金めっき層6上のみに配置されてもよい。潤滑被膜7は、ボックス側接触表面50上のZn−Ni合金めっき層6上のみに配置されてもよい。潤滑被膜7は、ピン側接触表面40上又はボックス側接触表面50上に直接配置されてもよい。たとえば、ピン側接触表面40上又はボックス側接触表面50上にZn−Ni合金めっき層6が配置されない場合、潤滑被膜7は、ピン側接触表面40上又はボックス側接触表面50上に直接配置されてもよい。
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。合金鋼はたとえば、Ni合金、及び、Cr、Ni及びMo等の合金元素を含んだ二相ステンレス鋼である。
本実施形態の管用ねじ継手の製造方法は、上記管用ねじ継手の製造方法である。管用ねじ継手の製造方法は、準備工程と、めっき層形成工程とを備える。
浸漬工程では、はじめに、ピン4、ボックス5及びめっき液を準備する。次に、ピン側接触表面及びボックス側接触表面の少なくとも一方をめっき液に浸漬する。ピン4は、ピン側ねじ部41を含むピン側接触表面40を有する。ボックス5は、ボックス側ねじ部51を含むボックス側接触表面50を有する。めっき液は、亜鉛イオン、ニッケルイオン及びクロムイオンを含有する。クロムイオンの濃度は30〜2000ppmである。めっき液がクロムイオンを含有することによって、Zn−Ni合金めっき層6に微量のクロムが取り込まれる。この場合、Zn−Ni合金めっき層6の硬度が高まり、管用ねじ継手の耐焼付き性が高まる。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:1〜100g/Lが含有される。
通電工程では、めっき液に浸漬したピン側接触表面40及びボックス側接触表面50の少なくとも一方に通電する。これにより、ピン側接触表面40及びボックス側接触表面50の少なくとも一方の上にZn−Ni合金めっき層6を形成する。つまり、Zn−Ni合金めっき層6は、電気めっきにより形成される。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。
上述のZn−Ni合金めっき層をピン側接触表面40上又はボックス側接触表面50上の少なくとも一方に形成した後に、成膜工程を実施してもよい。成膜工程では、ピン側接触表面40上、ボックス側接触表面50上、及び、Zn−Ni合金めっき層6上からなる群から選択される少なくとも1つに、潤滑被膜7を形成する。
上記製造方法は、必要に応じて、浸漬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、接触表面上に付着した油分等を除去する。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。
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、厚さ0.8mmであった。冷延鋼板表面の、縦100mm×横100mmの領域にめっきを施した。鋼種は、極低炭素鋼であった。
各試験番号の冷延鋼板に、準備しためっき液を用いてZn−Ni合金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。めっき液pH:3〜6、めっき液温度:30〜40℃、処理時間:5〜20分であった。その他の各試験番号の試験条件を表1に示す。表1中、「めっき液流速(m/s)」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合金めっき層の組成を次の方法で測定した。ハンドヘルド蛍光X線分析装置(日本電子株式会社製DP2000(商品名DELTA Premium))を用いて測定した。測定は、Zn−Ni合金めっき層を形成した冷延鋼板の表面の任意の4箇所を組成分析した。Alloy PlusモードによりZn及びNiの測定含有量を求めた。求めたZn及びNiの測定含有量の総量でNiの測定含有量を除したものをNi含有量(質量%)とした。結果を表1に示す。同様に、Cr含有量を測定した。しかしながら、蛍光X線による分析では、全ての実施例でCrは検出限界以下であった。
試験番号2、試験番号6、試験番号10、試験番号14、試験番号18及び試験番号22のZn−Ni合金めっき層のCr強度を次の方法で測定した。アルバックファイ株式会社製、四重極型二次イオン質量分析装置PHI ADEPT−1010TMを用いた。測定条件は以下のとおりであった。Zn−Ni合金めっき層の表面から深さ方向分析を行った。Zn−Ni合金めっき層の表面から1.5〜2.0μm深さのCr強度の測定値の算術平均値を表1に示す。
照射イオン:O2 +
加速電圧:6.0kV
測定範囲:64μm
測定頻度:深さ方向に20nmごと
測定元素:Zn、Ni、Cr
Zn−Ni合金めっき層を形成した冷延鋼板を表面に対して垂直に切断し、現れたZn−Ni合金めっき層の断面に対して、上述の方法でビッカース硬さ(Hv)を測定した。結果を表1の硬度(Hv)の欄に示す。また、式(1)の欄に、上述の式(1)とNi含有量とから算出されるビッカース硬さ(Hv)を示す。
Zn−Ni合金めっき層を形成した冷延鋼板の表面に対して、上述の方法で光沢度を測定した。結果を表1に示す。
Zn−Ni合金めっき層を形成した冷延鋼板の表面の任意の4箇所に対して、上述の方法により測定試験を実施し、Zn−Ni合金めっき層の厚さ(μm)を測定した。結果を表1に示す。
Zn−Ni合金めっき層を形成した冷延鋼板の表面に対して、上述の測定条件でX線回折測定を実施した。得られた実測プロファイルとASTMカードに記載された値とを比較して相を同定した。その結果、全ての実施例でγ相単相であった。また、得られた実測プロファイルから、(411)面に対応するピーク位置PP(deg)を上述の方法で算出した。そして、Zn−Ni合金めっき層に含まれるγ相の(411)面の間隔(Å)を求めた。結果を表1の面間隔(Å)の欄に示す。
Zn−Ni合金めっき層の硬度と耐焼付き性とは相関する。そのため、Zn−Ni合金めっき層のビッカース硬さHvが高ければ、耐焼付き性に優れる。表1を参照して、試験番号1〜試験番号16の冷延鋼板では、30ppm以上の濃度のクロムイオンを含有するめっき液でZn−Ni合金めっき層を形成した。そのため、Zn−Ni合金めっき層のCr強度が5.0×10カウント/秒以上であり、ビッカース硬さHvが高まった。具体的には、ビッカース硬さが、式(1)及びNi含有量から算出されるビッカース硬さよりも高くなった。つまり、試験番号1〜試験番号16は、優れた耐焼付き性を示した。
2 鋼管
3 カップリング
4 ピン
5 ボックス
6 Zn−Ni合金めっき層
7 潤滑被膜
40 ピン側接触表面
41 ピン側ねじ部
42 ピン側金属シール部
43 ピン側ショルダー部
50 ボックス側接触表面
51 ボックス側ねじ部
52 ボックス側金属シール部
53 ボックス側ショルダー部
Claims (10)
- 管用ねじ継手であって、
ピン側ねじ部を含むピン側接触表面を有するピンと、
ボックス側ねじ部を含むボックス側接触表面を有するボックスと、
前記ピン側接触表面及び前記ボックス側接触表面の少なくとも一方の上に、Zn、Ni、微量Cr及び不純物からなり、前記微量Crの含有量が照射イオンとしてO2 +を用いた二次イオン質量分析によるCr強度で5.0×10カウント/秒以上であるZn−Ni合金めっき層とを備える、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合金めっき層表面の光沢度が100以上である、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1〜3のいずれか1項に記載の管用ねじ継手であって、
前記Zn−Ni合金めっき層のビッカース硬さHvが600以上である、管用ねじ継手。 - 請求項1〜3のいずれか1項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、6.0〜16.0質量%のNiを含有し、γ相を含み、前記γ相の(411)面の間隔が2.111Å以上である、管用ねじ継手。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の管用ねじ継手であってさらに、
前記ピン側接触表面、前記ボックス側接触表面、及び、前記Zn−Ni合金めっき層の少なくとも1つの上に潤滑被膜を備える、管用ねじ継手。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の管用ねじ継手であって、
前記ピン側接触表面はさらに、ピン側金属シール部及びピン側ショルダー部を含み、前記ボックス側接触表面はさらに、ボックス側金属シール部及びボックス側ショルダー部を含む、管用ねじ継手。 - 管用ねじ継手の製造方法であって、
ピン側ねじ部を含むピン側接触表面を有するピン、及び、ボックス側ねじ部を含むボックス側接触表面を有するボックスを準備し、前記ピン側接触表面及び前記ボックス側接触表面の少なくとも一方を亜鉛イオン、ニッケルイオン及びクロムイオンを含有し、前記クロムイオンの濃度が30〜2000ppmであるめっき液に浸漬する工程と、
前記めっき液に浸漬した前記ピン側接触表面又は前記ボックス側接触表面の少なくとも一方に通電して、前記ピン側接触表面及び前記ボックス側接触表面の少なくとも一方の上に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。 - 請求項8に記載の管用ねじ継手の製造方法であって、
前記めっき液の前記クロムイオンの濃度が30〜800ppmである、管用ねじ継手の製造方法。 - 請求項8又は請求項9に記載の管用ねじ継手の製造方法であって、
前記ピン側接触表面はさらに、ピン側金属シール部及びピン側ショルダー部を含み、前記ボックス側接触表面はさらに、ボックス側金属シール部及びボックス側ショルダー部を含む、管用ねじ継手の製造方法。
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