專利名稱：：鋼管用螺紋接頭的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種鋼管用螺紋接頭，特別涉及一種用于使油井管材彼此連接的螺紋接頭。更特別地，本發(fā)明涉及一種該螺紋接頭的表面處理。根據(jù)本發(fā)明的鋼管用螺紋接頭無需涂布在使用螺紋接頭連接油井管材時已經(jīng)被涂布到螺紋接頭并且含有大量有害重金屬粉末的復合脂就能夠可靠地發(fā)揮優(yōu)異的耐擦傷性(gallingresistance)。因此，根據(jù)本發(fā)明的鋼管用螺紋接頭能避免使用復合脂對全球環(huán)境和人體的不利影響。
背景技術：
：油井管材(筒稱為OCTG)是用于挖掘油井以采掘原油或柴油(gasoil)的油管(tubing)和套管(casing)。通常4吏用螺紋接頭來彼此連接油井管材。過去，油井的深度是2，0003，000米，但是在近年來的深海油田中，油井的深度可以達到8,000~IO，OOO米。在使用環(huán)境下，用于OCTG的螺紋接頭受到由OCTG和連接到OCTG的接頭的重量所引起的軸向張力形式的載荷、內(nèi)外壓力的復合壓力以及地下熱。因此，螺紋接頭即使在這種嚴格的環(huán)境中也必須保持氣密性連接，而不能破損。用于連接OCTG的典型螺紋接頭具有銷-箱(box)結(jié)構，該結(jié)構包括形成在油井管材的各端部(銷)的外表面上的外螺紋以及形成在聯(lián)接件(螺紋連接構件)的內(nèi)表面(箱)上的內(nèi)螺紋。在銷的外螺紋的前端側(cè)和箱的內(nèi)螺紋的內(nèi)側(cè)形成無螺紋金屬與金屬接觸部。通過將油井管材的一端插入到聯(lián)接件中并且擰緊外螺紋和內(nèi)螺紋，使銷和箱的無螺紋金屬與金屬接觸部彼此緊密接觸，以形成金屬與金屬密封，由此實現(xiàn)接頭的氣密性。從而，銷和箱中的每一方在其螺紋部和無螺紋金屬與金屬接觸部中具有接觸面。在將油管或者套管下放到油井中的操作過程中，由于各種問題，存在如下情況在將油管或者套管暫時從油井中升起之后，先前已經(jīng)被擰緊的螺紋接頭松開，然后，在將油管或者套管下放之前再次擰緊接頭。API(美國石油協(xié)會，theAmericanPetroleumInstitute)要求用于OCTG的螺紋接頭具有足夠的耐擦傷性，從而可以在不產(chǎn)生擦傷(不可修復的嚴重卡死)同時保持氣密性的情況下，對油管用接頭進行10次擰緊(組裝)和松開(分開)，對套管用接頭進行三次擰緊(組裝)和松開(分開)。當擰緊螺紋接頭時，為了增加螺紋接頭的耐擦傷性和氣密性，將被稱為"復合脂"的含有大量重金屬粉末的粘性液體潤滑劑涂布到接頭的接觸面(即，螺紋部和無螺紋金屬與金屬接觸部)。這種復合脂由APIBUL5A2規(guī)定。復合脂還具有防止表面生銹的效果。為了增加由螺紋接頭保持復合脂的保持性以及提高接頭的滑動性的目的，已經(jīng)提出了對螺紋接頭的接觸面進行從氮化處理、如鋅基鍍覆和分散鍍覆等各種類型的鍍覆、磷酸鹽化學轉(zhuǎn)化處理等中選擇的表面處理，以形成具有增大的表面粗糙度的一個層或者多個層。然而，如下所述，擔心復合脂的使用對環(huán)境和人體產(chǎn)生不利影響。為了使復合脂具有足夠的潤滑性和耐腐蝕性，復合脂含有大量的如鉛、鋅和銅等重金屬粉末。當擰緊已經(jīng)涂布了復合脂的螺紋接頭時，被涂布的復合脂被沖掉或者被擠出到接頭的外部，由于復合脂的如鉛等有害的重金屬成分，復合脂可能對環(huán)境特別是對海洋生物產(chǎn)生不利影響。另外，涂布復合脂的過程惡化了工作環(huán)境，并且還存在由于有害成分對人體產(chǎn)生有害影響的4旦憂。由于關于防止東北大西洋的海洋污染的OSPAR公約(奧斯陸-巴黎公約)在1998年生效，因此，嚴格的環(huán)境限制正以全球規(guī)模增加，并且在一些區(qū)域中，已經(jīng)開始限制復合脂的使用。因此，為了避免在天然氣井以及油井的挖掘中對環(huán)境和人體產(chǎn)生不利影響，對螺紋接頭提出了無需涂布復合脂就能夠發(fā)揮優(yōu)異的耐擦傷性的要求。作為無需涂布復合脂就能用于連接OCTG的螺紋接頭，例如，下面列舉的專利文獻l公開了一種鋼管用接頭，該接頭具有由表面處理形成的包括最下面的氮化層、由磷酸錳鹽處理形成的中間化學轉(zhuǎn)化層、以及最上面的固體潤滑覆層的至少三層。盡管目的與本發(fā)明完全不同，但是，下面列舉的專利文獻2公開了OCTG用螺紋接頭，該螺紋接頭具有鍍有如Cu、Zn、Sn或者Pb等軟質(zhì)金屬的下部鍍覆層以及鍍有如Cr、Mo或者W等硬質(zhì)金屬的上部鍍覆層，而下面列舉的專利文獻3公開了OCTG用螺紋接頭，該螺紋接頭具有下部覆層和上部覆層，該下部覆層由如Ni等具有比接頭的使用溫度高的熔點的材料制成，該上部覆層由如Sn等具有比接頭的使用溫度低的熔點的材料制成。文獻列表專利文獻l:日本特開平08-105582號公報專利文獻2:日本特開昭60-022695號7>才艮專利文獻3:日本特開平05-149486號7>才艮
發(fā)明內(nèi)容專利文獻1中說明的螺紋接頭具有如下缺陷由于固體潤滑覆層與下面的層的附著性差，固體潤滑覆層在較早階段就;肖耗掉，當為了有利于潤滑而在磨損面上磨損時難以保持從覆層釋放的潤滑性粉末。因此，特別是在由容易發(fā)生擦傷的高合金鋼制成的OCTG的情況下，當重復接頭的擰緊和松開時，接頭的耐擦傷性不足以防止擦傷。專利文獻2和專利文獻3都涉及螺紋接頭上的具有軟質(zhì)金屬和硬質(zhì)金屬的多層覆層。然而，專利文獻2中說明的螺紋接頭以復合脂的涂布為前提，以確保接頭發(fā)揮充分的耐擦傷性和氣密性。因此，不能避免由于使用復合脂而對全球環(huán)境和人體產(chǎn)生不利影響。專利文獻3中說明的螺紋接頭可以通過在使用溫度熔化上面的覆層來發(fā)揮氣密性，但是由于上層的損耗，隨著重復接頭的擰緊和松開，接頭的耐擦傷效果和防銹效果降低。本發(fā)明的目的是提供一種不具有現(xiàn)有技術的上述問題的螺紋接頭。本發(fā)明的更具體的目的是提供一種鋼管用螺紋接頭，該鋼管用螺紋接頭具有優(yōu)異的耐擦傷性、防銹性和氣密性，由此，即使當由接頭連接的OCTG由高合金鋼制成并且重復接頭的擰緊和松開時，也可以在不使用復合脂的情況下抑制銹的形成并且保持優(yōu)異的耐擦傷性和氣密性。為了將API所要求的上述水平的耐擦傷性賦予特別是在不使用復合脂的情況下容易發(fā)生擦傷的由高合金鋼制成的OCTG用的螺紋接頭，如上述專利文獻l中建議的使用固體潤滑覆層作為最上面的表面處理層是極其有利的。然而，如上面關于該文獻所陳述的那樣，如果固體潤滑覆層與下層材料的附著性不足，則大大限制了由固體潤滑覆層提高耐擦傷性的效果。在不以固體潤滑覆層的形成為前提的專利文獻2和3中，沒有公開能夠?qū)崿F(xiàn)以固體潤滑覆層的使用為前提的高耐擦傷性的任何結(jié)構。作為關于當最上面的表面處理層是固體潤滑覆層時何種類型的表面處理適于以持續(xù)方式發(fā)揮高耐擦傷性的連續(xù)調(diào)查的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩個底覆層、即形成在鋼母材表面上的由相對硬的金屬或合金制成的第一層和形成在第一層上且在固體潤滑覆層的下方的由相對軟的金屬或合金制成的第二層的組合在增加表面處理層與母材表面的附著性方面是有效的。另外，由于固體潤滑覆層中的潤滑劑成分通過擰緊期間施加的壓力而從覆層釋放、被迫進入下面的軟的第二層并且被埋設在第二層中，因此，即使在固體潤滑覆層被磨損掉后仍能維持潤滑效果，由此可以獲得持續(xù)的耐擦傷性。還發(fā)現(xiàn)存在第一層的硬度和第二層的硬度、第二層的表面粗糙度以及各層的厚度的優(yōu)選范圍。本發(fā)明是鋼管用螺紋接頭，該螺紋接頭由銷和箱構成，銷和箱中的每一方均具有當擰緊時用作接頭的接觸面的螺紋部和無螺紋金屬與金屬接觸部，該螺紋接頭的特征在于，用多層結(jié)構涂覆銷和箱中的至少一方的接觸面，該多層結(jié)構從底層開始依次包括由第一金屬或合金形成的第一層、由比第一金屬或合金軟的第二金屬或合金形成的第二層、以及作為最上層的固體潤滑覆層。優(yōu)選地，鋼管用螺紋接頭具有下述特征中的至少一個一第一層的硬度在Hv100500的范圍中，第二層的硬度在Hv10150的范圍中；一第二層的表面粗糙度為1~6|imRa;一第一層的覆層厚度是2~15pm，第二層的覆層厚度是5~30iim,固體潤滑覆層的覆層厚度是5~40iim;一固體潤滑覆層基本上不含有有害重金屬；一鋼管是油井管材(OCTG);以及一鋼管含有至少3wt%的Cr。根據(jù)本發(fā)明，用具有不同硬度的兩個金屬層、即由較硬金屬或合金制成的第一層和由較軟金屬或合金制成的第二層涂覆螺紋接頭的銷和箱中的至少一方的包括螺紋部和無螺紋金屬與金屬接觸部的接觸面，然后，在這些金屬底覆層上形成固體潤滑覆層。固體潤滑覆層在螺紋接頭的擰緊和松開時磨損。然而，固體潤滑覆層的磨損使覆層中含有的粉末形式的潤滑劑成分從覆層釋放，并且釋放的粉末被埋設在相對軟的第二層中，由此可以發(fā)揮持續(xù)較長的耐擦傷性。另外，當?shù)谝缓偷诙赘矊釉诮宇^的擰緊和松開期間經(jīng)受摩擦時，由于摩擦力被施加到這些層并且由覆蓋的固體潤滑覆層減小因此產(chǎn)生的摩擦熱，因此，第一和第二底覆層不會熔化，并且它們共同對螺紋接頭的接觸面發(fā)揮防銹效果。因此，根據(jù)本發(fā)明的鋼管用螺紋接頭能抑制銹的形成，即使當重復擰緊和松開時，也能在不使用復合脂的情況下持續(xù)發(fā)揮潤滑性，并且在擰緊后能持續(xù)維持氣密性。因此，根據(jù)本發(fā)明的鋼管用螺紋接頭能夠維持優(yōu)異的耐擦傷性，使得能夠在不發(fā)生擦傷的情況下進行接頭的重復擰緊和松開，即使當該螺紋接頭是由高合金鋼制成的OCTG用螺紋接頭時，也能夠防止擦傷，該OCTG用螺紋接頭經(jīng)常暴露在深油井等的高溫下或者用在具有高濃度硫化氫的極其腐蝕性環(huán)境中。圖l示出了裝船時組裝的鋼管和聯(lián)接件。圖2示出了螺紋接頭的連接部。圖3是示出形成在根據(jù)本發(fā)明的螺紋接頭的接觸面上的覆層的說明圖。具體實施例方式下面，將參照根據(jù)本發(fā)明的鋼管用螺紋接頭的實施方式。圖l示意性示出了典型的螺紋接頭的組裝結(jié)構，其示出了在裝船時油井管材用鋼管A和聯(lián)接件(螺紋連接構件)B的狀態(tài)。在鋼管A的兩端上形成外表面具有外螺紋部3a的銷l，在聯(lián)接件B的兩側(cè)形成內(nèi)表面具有內(nèi)螺紋部3b的箱2。銷代表螺紋接頭的具有外螺紋的元件，箱代表螺紋接頭的具有內(nèi)螺紋的元件。在該圖中，聯(lián)接件B已經(jīng)被連接到鋼管A的一端。雖然圖中未示出，但是，為了保護未連接的銷和箱的螺紋部，在裝船之前，通常將保護件安裝到鋼管A的未連接的銷和聯(lián)接件B的未連接的箱中的每一方。在使用螺紋接頭之前移除該保護件。典型地，如圖所示，銷形成在鋼管的兩端的外表面上，箱形成在作為分開的構件的聯(lián)接件的內(nèi)表面上。然而，原則上，還可以將鋼管的兩端的內(nèi)表面制成箱并且將聯(lián)接件的外表面制成銷。還存在不使用聯(lián)接件并且鋼管的一端被制成銷且另一端被制成箱的一體螺紋接頭。圖2示意性示出了典型的鋼管用螺紋接頭(下面也被簡稱為"螺紋接頭")的結(jié)構。螺紋接頭由銷1和箱2構成，該銷l形成在鋼管A的端部的外表面上，該箱2形成在聯(lián)接件B的內(nèi)表面上。銷l具有外螺紋部3a、位于外螺紋部3a和鋼管的頂端之間的無螺紋金屬與金屬接觸部4a以及作為鋼管的端面的肩部5。對應地，箱2具有內(nèi)螺紋部3b、位于內(nèi)螺紋部3b的內(nèi)側(cè)的無螺紋金屬與金屬4矣觸部4b以及最內(nèi)側(cè)的肩部。銷l和箱2的螺紋部3a和3b以及無螺紋金屬與金屬接觸部4a和4b的表面形成螺紋接頭的接觸面。，這些接觸面必須發(fā)揮耐腐蝕性以及當接頭被擰緊時發(fā)揮優(yōu)異的耐擦傷性和氣密性。因此，傳統(tǒng)地，含有重金屬粉末的復合脂被涂布到接觸面。然而，如前所述，復合脂的涂布對人體和環(huán)境產(chǎn)生不利影響。根據(jù)本發(fā)明，如示意性示出了形成在接頭的無螺紋金屬與金屬接觸部上的覆層的截面結(jié)構的圖3所示，用形成在鋼30的表面上且由第一金屬或合金制成的第一層31a、形成在第一層上且由比第一金屬或合金軟的第二金屬或合金制成的第二層31b、以及作為最上層的固體潤滑覆層32涂覆銷和箱中的至少一方的接觸面。下面，第一金屬或合金將被簡稱為較硬金屬，第二金屬或合金將被簡稱為較軟金屬。當根據(jù)本發(fā)明的螺紋接頭被擰緊時，由于下面的兩個金屬層具有不同的硬度，形成最上層的固體潤滑覆層能夠在長時間內(nèi)發(fā)揮其固有的潤滑性，由此，即使當螺紋接頭重復承受擰緊和松開時也能夠防止螺紋接頭擦傷，在不使用復合脂的情況下擰緊螺紋接頭時，螺紋接頭能夠維持氣密性。用于第一層31a的基底(銷和/或箱的將被層涂覆的接觸面)(母材)可^皮制成粗4造面?？梢酝ㄟ^對鋼30的表面進行如噴射(包括噴丸和噴砂)處理或者酸洗等表面粗糙化處理來實現(xiàn)該表面粗糙化。在由如電鍍等適當?shù)姆椒ㄐ纬捎奢^硬金屬制成的第一層31a和由較軟金屬制成的第二層31b后，在第二層31b上形成固體潤滑覆層32之前，有時可以通過噴丸或者噴砂在得到的第二層31b的表面上形成適當?shù)谋砻娲植诙取＝Y(jié)果，提高了固體潤滑覆層32的附著性。形成根據(jù)本發(fā)明的上述三層的表面處理可應用到銷和箱二者的接觸面，但是，對于如圖l所示在裝船時彼此連接的銷和箱，可以^又將該表面處理應用到銷和箱中的一方的4妄觸面。當僅處理銷和箱中的一方時，容易對短的接合構件進行形成三層的表面處理，因此，方便的是對聯(lián)接件的接觸面(通常是箱的^接觸面)應用該表面處理。第一和第二底覆層以及最上面的固體潤滑覆層優(yōu)選覆蓋銷和/或箱的整個接觸面，但是本發(fā)明包括僅用三層涂覆接觸面的一部分(如僅無螺紋金屬與金屬接觸部的表面等)的情況。(母材)如上所述，根據(jù)本發(fā)明的鋼管用螺紋接頭具有極優(yōu)良的耐擦傷性，因此，在將即使由易于擦傷的高合金鋼制成的螺紋接頭重復擰緊和松開時，其也能夠防止擦傷。因此，OCTG優(yōu)選作為由根據(jù)本發(fā)明的螺紋接頭連接的鋼管。另外，考慮到耐腐蝕性，構成螺紋接頭(即，如油井管材等的鋼管和除一體化接頭以外的情況下的連接器)的鋼的類型優(yōu)選含有至少3。/。Cr的高合金鋼。這種鋼的實例是具有Cr含量為5%、13%或25%的鋼。在本說明書中，除非另外說明，所有的百分比都是質(zhì)量比。(底覆層)根據(jù)本發(fā)明的螺紋接頭具有在銷和/或箱的接觸面上形成的底覆層，該底覆層具有由較硬金屬制成的第一層或下層以及由較軟金屬制成的第二層或上層組成的兩層結(jié)構。用于形成第一層的金屬或者合金優(yōu)選具有100至500的Hv硬度。如果其具有小于100的Hv硬度，則其與母材的附著性有時可能不足。另一方面，如果其具有超過500的Hv硬度，則所得第一層覆層變脆，并且其與母材的附著性降低。另外，在覆層中裂紋趨于容易產(chǎn)生，導致耐腐蝕性降低。例如，可以通過改變用于電鍍的電流密度來控制電鍍金屬覆層的硬度。適于第一層的金屬或合金的實例包括Cu、Ni、Cr、Cu-Au、Cu-Ag和Cu-Ni?？梢酝ㄟ^如電鍍等適當?shù)姆椒ㄐ纬傻谝粚?。第的范圍?nèi)。如果其小于2iim,則覆層強度降低至第一層容易剝離的程度。如果其超過15pm,則第一層不能承受擰緊時的剪切力并易于從母材剝離。用于形成第二層的金屬或合金優(yōu)選具有10至150的Hv硬度，條件是其硬度低于第一層的硬度。如果其具有小于10的Hv硬度，則第二層將不具有足以支持固體潤滑覆層的強度，并且即使將從固體潤滑覆層中釋放出的潤滑性粉末埋設于第二層中，第二層自身也可快速消耗掉，由此使得接頭不能維持期望的潤滑性。如果第二層具有超過150的Hv硬度，則其太硬以致于不能使從固體潤滑覆層釋放出的潤滑性粉末足量地埋設于其中，且螺紋接頭變得難以具有長期持續(xù)的潤滑性。適于第二層的金屬或合金的實例包括Sn、Zn、Ag、Sn-Bi、Sn-Zn、Sn-Ag和Cu-Sn-Bi。用于第二層的金屬或合金在擰緊期間不應熔融，或者其熔點應比獰緊期間的接頭溫度高。與第一層類似，可由如電鍍等適當方法形成第二層。第二層的覆層厚度優(yōu)選在5至30iim的范圍內(nèi)。如果其小于5pm，則可埋設于第二層中的潤滑性粉末量可能太少以致于接頭的耐擦傷性變得不足。如果其超過30iim，則當施加高壓時，第二層有時不能支持覆蓋的固體潤滑覆層。為了確保形成于第二層上的固體潤滑覆層具有足夠的與第二層的附著性，如果需要，優(yōu)選將第二層的表面粗糙度通過如噴丸處理或噴石少處理等已知的表面粗糙化處理增加到1至6imiRa。如果第二層具有小于liim的表面粗糙度Ra,則固體潤滑覆層與第二層的密著性可能變得不足。如果其具有超過6jim的Ra,則較軟的第二層可能變得難以在其整個表面上具有足夠的覆層厚度，由此降低了其使從固體潤滑覆層釋放出的潤滑性粉末埋設于第二層中的效果。可以由例如電鍍、非電解浸鍍、氣相鍍覆等的已知鍍覆方法形成均為金屬性質(zhì)的第一層和第二層?？紤]到經(jīng)濟性，特別優(yōu)選電鍍。在形成根據(jù)本發(fā)明的第一金屬層或者合金層之前，如現(xiàn)有技術中所已知，可以通過沖擊鍍而在母材表面上初始形成薄Ni層，以提高第一層的密著性，此種變化當然包含在本發(fā)明中。Ni沖擊鍍例如可以4吏用通過以下步驟形成的浴進行在去離子水中溶解氯化鎳，以得到Ni離子濃度為55至80g/L,隨后添加30至50g/L錄L酸銅?？上蛟撛≈刑砑由虡I(yè)上可得到的增亮劑?？梢酝ㄟ^在20至40。C的溫度和2至6A/dm2的電流密度下使用該浴進行鍍覆來獲得適于沖擊鍍的Ni覆層厚度。當通過電鍍形成第一層和第二層時，鍍覆條件可與常規(guī)采用的相同，對其沒有特別限制。下面將簡要闡述對于可用于形成第二層的一些金屬或合金的鍍覆條件。在20至25。C的溫度以及l(fā)至5A/dm2的電流密度下，通過使用鍍覆浴的電鍍能夠形成Sn鍍覆層，所述鍍覆浴包含例如200g/L的氟硼酸錫、125g/L的氟硼酸、25g/L的硼酸、2g/L的白明膠以及l(fā)g/L的p-萘酚。對于Sn鍍覆，使用這種氟硼酸鹽鍍覆浴是最常見的，但是考慮到便于污水處理，也可使用可商購獲得的有機磺酸鹽類Sn鍍覆浴。例如，根據(jù)堿性錫鍍覆方法或者酸性錫鍍覆方法能夠形成Sn-Bi合金鍍覆層。通過將Bi離子加入至這種電鍍方法中使用的電鍍浴中的Sn離子，所得Sn-Bi合金鍍覆層具有與純Sn層相比大幅增加的硬度。例如，包含與Sn共沉淀的Bi為0.5至10Q/。的Sn-Bi合金鍍覆層的硬度是純Sn層硬度(8至10Hv)的兩倍或者三倍。用于堿性鍍覆方法的鍍覆條件包括例如，錫酸鉀100至110g/L,氫氧化鉀35至60g/L,Bi:作為金屬為0.5至1.5g/L，浴溫75至85。C，以及電流密度0.5至3A/dm2。用于酸性鍍覆方法的4度覆條件包括例如，有機酸130g/L,Sn:作為金屬為10g/L,Bi:作為金屬為3g/L，浴溫30至40。C,以及電流密度0.3至3.5A/dm2。用于Cu-Sn-Bi合金鍍覆的鍍覆條件包括例如，有機酸130至180g/L，Cu:作為金屬為lg/L，Sn:作為金屬為15g/L,Bi:作為金屬為1.5g/L,浴溫15至30。C,以及電流密度0.5至3.5A/dm2。(固體潤滑覆層)在本發(fā)明中，顯示潤滑效果的固體潤滑覆層作為在上述兩種金屬底覆層頂上的最上層形成。在本發(fā)明中能使用任何具有足夠潤滑性的固體潤滑覆層，只要其對環(huán)境或者人體沒有不利影響即可。典型的這種覆層具有基于具有潤滑活性的粉末(以下稱為"潤滑性粉末")和粘合劑的組成，其可進一步包含一種或者多種添加劑如潤滑添加劑、腐蝕抑制劑和顏泮牛。有用的潤滑性粉末包含0SPAR條約認可的對海洋環(huán)境施加很小或者無負擔的物質(zhì)如石墨、云母、滑石、碳酸鈣和粘土礦物(例如高嶺土和膨潤土)，以及包含已知無毒的物質(zhì)如二石克化鉬、二硫化鴒、二硫化錫、PTFE、MCA(三聚氰胺氰脲酸酯)、硬瀝青(天然瀝青)、氟化石墨、氮化硼(BN)和B"S3?？缮藤彨@得的產(chǎn)品能用于任意這些材料?？紤]到耐擦傷性，對于石墨，特別優(yōu)選使用具有至少88%、更優(yōu)選至少90%至最多99%結(jié)晶度的石墨。粘合劑可以是有機的或者無機的。即，其可以是有機樹脂或者無機聚合物化合物。適合作為粘合劑的有機樹脂是具有良好耐熱性、適度硬度和良好耐磨性的那些。這種樹脂的實例包括熱固性樹脂如環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、聚酰胺-酰亞胺、聚碳二酰亞胺樹脂、聚醚砜、聚醚醚酮、酚趁樹脂和呋喃樹脂，以及聚乙烯樹脂和硅酮樹脂。典型地，通過將樹脂溶解于溶劑中以形成樹脂溶液而將這些有機樹脂配制成涂布組合物。能夠單獨使用或者組合使用包括烴(例如甲苯)和醇(例如異丙醇)的各種低沸點有機溶劑。將潤滑性粉末和任選的添加劑添加至有機樹脂粘合劑溶液中以形成涂布組合物，并且將涂布組合物施涂至已底涂有第一和第二層的銷和箱的至少之一的接觸面，由此形成固體潤滑覆層作為最頂層。為了增加固體潤滑覆層的密著性和耐磨性，優(yōu)選使覆層進行用于固化的后熱處理。此類后熱處理優(yōu)選在至少120°C,更優(yōu)選在150至38(TC的溫度下進行至少30分鐘，更優(yōu)選30至60分鐘。還可使用具有軟化溫度在100至200。C范圍內(nèi)的熱熔融型粘合劑，其在高溫下形成低粘度流體并且能在不使用溶劑下施涂。這種粘合劑的實例包括各種熱塑性樹脂、乙烯乙酸乙烯酯共聚物、聚酰胺、聚烯烴共聚物和聚氨酯。當使用這種粘合劑以形成固體潤滑覆層時，將具有至少兩種底覆層的母材和所施涂的包含潤滑性粉末的涂布組合物均預熱到至少粘合劑軟化點，并且例如使用噴射槍來施涂其中粘合劑已熔融的涂布組合物。也可將光固化性樹脂用作固體潤滑覆層用的粘合劑。通常將其在不使用溶劑的情況下配制成涂布組合物。用作固體潤滑覆層的粘合劑的無機聚合物化合物是具有通過三維交聯(lián)的金屬-氧鍵如Ti-O、Si-O、Zr-O、Mn-O、Ce-O或Ba-O形成的結(jié)構的化合物。這種化合物可通過水解性有機金屬化合物(其典型為金屬醇鹽)或者水解性無機化合物例如四氯化鈦的水解和隨后縮合而形成。有用的金屬醇鹽是具有低級烷氧基如曱氧基、乙氧基、異丙氧基、丙氧基、異丁氧基、丁氧基或叔丁氧基的那些。優(yōu)選的金屬醇鹽是鈦或者硅的醇鹽，并且鈦醇鹽是尤其優(yōu)選的。在這些中，由于其優(yōu)良的成膜性能，異丙醇鈦是最優(yōu)選的。用作無機聚合物化合物原料的水解性有機金屬化合物可包含非水解性烷基，該非水解性烷基可包含官能團如胺基或環(huán)氧基。例如，如已知為其中連接至硅原子的四個烷氧基中的一個或者兩個被烷基或可包含官能團的基團所取代的硅烷偶聯(lián)劑的化合物等有機金屬化合物，能夠用作無機聚合物化合物原料的全部或部分。當粘合劑是無機聚合物化合物例如衍生自金屬醇鹽的無機聚合物化合物時，涂布組合物可通過將潤滑性粉末加入至金屬醇鹽在溶劑中的溶液并將其分散在溶液中來形成，并將其施涂到已底涂有第一和第二層的銷和箱的至少之一的接觸面上。在隨后加濕處理和任選的隨后加熱期間，隨著金屬醇鹽的水解和水解產(chǎn)物的縮合的進行，形成具有分散于具有由金屬-氧鍵形成結(jié)構的無機聚合物化合物粘合劑中的潤滑性粉末的固體潤滑覆層。作為金屬醇鹽的溶劑，可使用各種有機溶劑，包括極性溶劑劑如醇(例如，乙醇、異丙醇、丁醇)和酮，以及烴、鹵代烴等。為了促進膜形成，溶液中的金屬醇鹽可以在施涂之前部分水解。為了促進施涂后的醇鹽水解，可以將用作水解催化劑的少量水和/或酸加入至金屬醇鹽溶液。用于促進施涂的涂布組合物中的金屬醇鹽水解的加濕處理可通過僅將施涂的表面放在空氣中一段時間來進行，但其優(yōu)選在具有相對濕度為至少70%的濕空氣中進行。優(yōu)選地，在加濕處理后進行用于固化的加熱。作為加熱的結(jié)果，金屬醇鹽的水解和所得水解產(chǎn)物的縮合以及作為水解反應副產(chǎn)物產(chǎn)生的醇的排放都得到促進，致使在短時間內(nèi)成膜完成，所得固體潤滑覆層具有提高的附著性，其導致耐擦傷性提高。該加熱優(yōu)選在涂布組合物中的溶劑蒸發(fā)后進行。優(yōu)選地，加熱溫度在100至200。C的范圍內(nèi)，并且接近于作為副產(chǎn)物形成的醇的沸點。在加熱期間吹熱空氣還更有效。在固體潤滑覆層中的潤滑性粉末的含量(B)與粘合劑的含量(A)的質(zhì)量比(B/A)優(yōu)選為0.3至9.0。如果該質(zhì)量比小于0.3，潤滑性粉末在提高固體潤滑覆層潤滑性能方面的效果不明顯，并且接頭的耐擦傷性未得到充分改進。如果該質(zhì)量比大于9.0,固體潤滑覆層的附著性顯著降低，導致例如潤滑性粉末從固體潤滑覆層分離等問題發(fā)生。當希望進一步提高耐擦傷性時，例如當螺紋過盈(interference)量大時，上述質(zhì)量比更優(yōu)選在0.5至7.0范圍內(nèi)。當還希望進一步提高耐擦傷性時，例如在接頭是由高合金鋼制成的情況下，上述質(zhì)量比還更優(yōu)選在0.5至5.0范圍內(nèi)。固體潤滑覆層的厚度優(yōu)選為至少5pm。在擰緊螺紋接頭時，通過經(jīng)由檸緊施加的高壓作用釋放出固體潤滑覆層中由粘合劑粘合的潤滑性粉末，并且在整個接觸面上擴展，一些釋放出的粉埋設于較軟金屬制成的第二底層中，由此能顯示出持久的耐擦傷性。如果固體潤滑覆層的厚度小于5iim,包含于覆層中的潤滑性粉末的絕對量變小，以致覆層不能提供充分改進的潤滑性能。如果固體潤滑覆層的厚度大于40!im,產(chǎn)生一些問題。例如，由于螺紋之間的過盈，檸緊量可能變得不足，由此引起氣密性的下降，或者如果加壓以保證氣密性，可能易于發(fā)生擦傷。此外，固體潤滑覆層剝離的趨勢增加。然而，由于一些螺紋的幾何形狀，可使用此類厚的固體潤滑覆層?？紤]到盡可能降低對環(huán)境的排放量以及經(jīng)濟性、耐擦傷性和防銹性，固體潤滑覆層的厚度優(yōu)選為至少lOiim且至多40pm。通過適當?shù)囊阎椒ɡ缢⑼?、浸漬和空氣噴涂，可進行涂布組合物的施涂以形成固體潤滑覆層?？蓪ǚ冷P劑的各種添加劑添加至固體潤滑覆層中，只要它們對耐擦傷性不具有明顯副作用即可。例如，鋅粉、鉻顏料和鋁顏料的一種或多種的添加能提高固體潤滑覆層自身的防銹性能。能添加至固體潤滑覆層中的其他添加劑包括潤滑添加劑、抗氧化劑和著色劑(顏料)。潤滑添加劑的實例是蠟以及金屬皂例如脂肪酸的堿土金屬鹽。蠟可以是任何動物蠟、植物蠟、礦物蠟和合成蠟。能使用的蠟包括如蜂蠟和鯨脂等的動物蠟；如日本蠟、巴西蠟、小燭樹蠟和米糠蠟等的植物蠟；如石蠟、微晶蠟、礦脂、褐煤蠟，地蠟和純地蠟等的礦物蠟；以及如氧化石蠟、聚乙烯蠟、費-托蠟、酰胺蠟和硬化蓖麻油(蓖麻蠟)等的合成蠟。當然，分子量為150至500的石蠟是特別優(yōu)選的。考慮到潤滑和防銹性能，脂肪酸的堿土金屬鹽優(yōu)選為具有12至30個碳的脂肪酸的堿土金屬鹽。脂肪酸可為飽和的或者不飽和的，并且其包含衍生自天然脂肪油脂的混合脂肪酸如牛脂、豬油、羊毛脂、棕櫚油、菜籽油和椰子油，以及單一的化合物如月桂酸、十三酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、羊毛棕櫚酸、硬脂酸、異硬脂酸、油酸、反油酸、花生酸、山崳酸、芥酸，二十四烷酸和羊毛蠟酸。脂肪酸鹽優(yōu)選為釣鹽形式，并且其可以是中性鹽或者堿性鹽。其優(yōu)選為硬脂酸鈣形式。當鋼管用螺紋接頭的銷和箱中只有一者(例如，箱)的接觸面涂布有根據(jù)本發(fā)明的多層覆層時，另一構件(例如，銷)的接觸面可保持未處理，但考慮到防腐性，其優(yōu)選施涂有上述兩種底覆層或者固體潤滑覆層，所述多層覆層包括較硬金屬的第一底覆層，較軟金屬的第二底覆層以及頂部固體潤滑覆層。可選擇地，另一構件的接觸面可涂布有防銹(腐蝕)層或者覆層，由此保護該表面不接觸空氣，即使該表面在螺紋接頭貯存期間接觸從環(huán)境空氣冷凝的水時，其也可防止生銹。在接頭的初始擰緊沖擊下，這種防銹覆層遭到破壞，并與施涂至接頭的另一構件的固體潤滑覆層聯(lián)合以顯示潤滑性能，因此，其并不損壞潤滑性能。提出下列實施例以進一步說是明本發(fā)明。這些實施例從各方面考慮都是說明性的，而不是限制性的。實施例在實施例中，銷的包括螺紋部和無螺紋金屬與金屬接觸部的表面的接觸面將被稱為"銷表面"，箱的包括螺紋部和無螺紋金屬與金屬接觸部的表面的接觸面將被稱為"箱表面"。除非另外說明，表面粗糙度是Ra測量值。對螺紋接頭(外徑為17.78cm(=7英寸)，壁厚為1.036cm(0.408英寸))的由具有表l所示的成分的13。/。Cr鋼A或者高合金鋼B制成的銷表面和箱表面進行如表2所示的表面處理，并且下面對每個實施例進行說明。通過電鍍形成底覆層，通過空氣噴涂形成固體潤滑覆層。在一些實施例中，通過對第二(上)底覆層的表面稍微地進行噴丸處理而使第二(上)底覆層的表面粗糙化。在每個實施例的說明中，用質(zhì)量比表示每一層中的成分的比例。由在以10rpm的檸緊速度和14KN.m的檸緊力矩進行擰緊的重復擰緊和松開試驗中發(fā)生擦傷之前的擰緊循環(huán)的次數(shù)評價螺紋接頭的耐擦傷性。在接頭松開后，從視覺上研究銷和箱的接觸面的擦傷狀態(tài)。當觀察到通過擰緊僅引起略微的擦傷并且可以在修復后再次擰緊接頭時，修復接頭，并且繼續(xù)擰緊和松開。在表3中示出重復擰緊和松開試驗的結(jié)果。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>21<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>1)0:無擦傷發(fā)生△:發(fā)生稍微擦傷(在擦傷刮傷的修復后可以再次擰緊)x:發(fā)生嚴重擦傷(不能修復)-:試,驗終止實施例1對螺紋接頭的由具有表1所示的成分A的13Cr鋼制成的箱表面和銷表面進行如下的表面處理。通過機械加工(達到表面粗糙度為Rmax二3iim)完成箱表面，然后，通過電鍍用硬度為Hv200的第一Cu鍍覆層將箱表面涂覆4iim的厚度，然后，也通過電鍍用硬度為HvlO的第二Sn鍍覆層涂覆5iim的厚度。在通過噴丸處理使第二鍍覆層的表面稍微粗糙化以達到lpmRa的表面粗糙度后，在第二鍍覆層上形成厚度為201im的含有作為分散在環(huán)氧樹脂粘合劑中的潤滑性粉末的二硫化鴒的固體潤滑覆層(潤滑性粉末/粘合劑的質(zhì)量比=4.0)。通過才幾械加工(表面粗并造度為Rmax二3pim)完成銷表面并且保持這種狀態(tài)。在重復擰緊和松開試驗中，如表3所示，在擰緊和松開的IO個循環(huán)內(nèi)，沒有發(fā)生擦傷，表明極好的結(jié)果。實施例2對螺紋接頭的由具有表l所示的成分A的13Cr鋼制成的箱表面和銷表面進行如下的表面處理。通過才幾才成力o工完成箱表面(達到表面粗4造度為Rmax=3pim),最初，通過電鍍用Ni沖擊鍍將箱表面涂覆到lpm的厚度，接著，通過電鍍用硬度為Hvl50的第一Cu鍍覆層將箱表面涂覆5pm的厚度，然后，也通過電鍍用硬度為Hv30的第二Sn-Bi合金鍍覆層涂覆12pm的厚度。在通過噴丸使第二鍍覆層的表面稍微粗糙化以達到2iimRa的表面粗糙度后，在待被涂覆的箱表面和覆層成分被加熱到15(TC后，通過使用空氣噴涂槍涂布覆層成分而在第二鍍覆層上形成厚度為25pim的含有結(jié)晶度為96.4%、作為分散在熱熔型粘合劑(含有巴西蠟的聚酰胺樹脂)中的潤滑性粉末的無定形石墨的固體潤滑覆層(潤滑性粉末與粘合劑的質(zhì)量比=2.0)。通過機械加工完成銷表面(達到表面粗糙度為Rmax二3iim),然后用丙烯酸樹脂將銷表面涂覆10tim的厚度作為防銹覆層。在重復擰緊和松開試驗中，如表3所示，在擰緊和松開的IO個循環(huán)內(nèi)沒有發(fā)生擦傷，表明極好的結(jié)果。實施例3對螺紋接頭的由具有表1所示的成分B的高合金鋼制成的箱表面和銷表面進行如下的表面處理。通過才幾械力口工完成箱表面(達到表面粗糙度為Rmax=3iim),然后，通過電鍍用硬度為Hv250的第一Ni鍍覆層將箱表面涂覆5iim的厚度，也通過電鍍用硬度為Hv50的第二Sn-Zn合金鍍覆層涂覆10iim的厚度。在通過噴丸使第二層的表面稍微粗糙化以達到1.5pmRa的表面粗糙度后，在第二層上形成厚度為15pm的含有作為分散在聚酰胺-酰亞胺樹脂粘合劑中的潤滑性粉末的云母、滑石以及膨潤土的固體潤滑覆層(潤滑性粉末與粘合劑的質(zhì)量比=8.0)。銷表面保持機械加工狀態(tài)(表面粗糙度為Rmax二3iim)。由于鋼是極易發(fā)生擦傷的高合金鋼，因此，在重復擰緊和松開試驗中，如表3所示，在擰緊和松開的10個循環(huán)中，在第七循環(huán)完成時發(fā)生稍微的擦傷，但是通過進行修復，能夠繼續(xù)接頭的擰緊。該結(jié)果表明這種類型的螺紋接頭的耐擦傷性絕對沒有問題。實施例4對螺紋接頭的由具有表1所示的成分B的高合金鋼制成的箱表面和銷表面進行如下的表面處理。通過才幾械力。工完成箱表面(達到表面粗糙度為Rmax=3iim)，最初，通過電鍍用Ni沖擊鍍覆層將箱表面涂覆llim的厚度。接著，通過電鍍用硬度為Hv250的第一Cu鍍覆層涂覆8iim的厚度，然后，也通過電鍍用硬度為HvlOO的第二Cu-Sn-Bi合金鍍覆層涂覆20pm的厚度。第二鍍覆層的表面粗糙度是5iimRa。其后，在第二層上形成厚度為10pim的含有作為分散在Ti-O型無機聚合物化合物粘合劑中的潤滑性粉末的石墨和二硫化鉬的固體潤滑覆層(潤滑性粉末與粘合劑的質(zhì)量比=2.3)。通過沖幾械力o工完成銷表面(達到表面4且壽造度為Rmax=3iim),然后，用丙烯酸樹脂將銷表面涂布15pm的厚度作為防銹覆層。在重復擰緊和松開試驗中，如表3所示，在擰緊和松開的IO個循環(huán)中，在第八循環(huán)完成時發(fā)生稍微擦傷，但是通過進行修復，能夠繼續(xù)接頭的擰緊。該結(jié)果表明這種類型的螺紋接頭的耐擦傷性絕對沒有問題。比專交例1對螺紋接頭的由具有表1所示的成分A的13Cr鋼制成的箱表面和銷表面進4于如下的表面處理。通過機械加工完成箱表面(達到表面粗糙度Rmax二3iim)，然后，通過電鍍用硬度為Hvl50且表面粗糙度為0.5pmRa的Cu鍍覆層涂覆6iim的厚度。然后，在鍍覆層的表面上形成厚度為20pm的含有作為分散在環(huán)氧樹脂粘合劑中的潤滑性粉末的二硫化鵠的固體潤滑覆層(潤滑性粉末/粘合劑的質(zhì)量比=4.0)。銷表面保持機械加工狀態(tài)(表面粗糙度為Rmax二3iim)。在重復擰緊和松開試驗中，如表3所示，在擰緊和松開的IO個循環(huán)中，在整個第二循環(huán)中沒有發(fā)生擦傷。然而，在第三循環(huán)發(fā)生嚴重擦傷，并且必須終止試驗。比壽交例2對螺紋接頭的由具有表1所示的成分A的13Cr鋼制成的箱表面和銷表面進行如下的表面處理。通過才幾械力。工完成箱表面(達到表面粗糙度為Rmax二3jim),然后，通過電鍍用硬度為HvlO的第一Sn鍍覆層將箱表面涂覆5pm的厚度，也通過電鍍用硬度為Hvl50的第二Cu鍍覆層涂覆lOjim的厚度。第二鍍覆層的表面粗糙度是1.2pmRa。其后，在第二鍍覆層的表面上形成厚度為20nm的含有作為分散在環(huán)氧樹脂粘合劑中的潤滑性粉末的二硫化鎢的固體潤滑覆層(潤滑性粉末與粘合劑的質(zhì)量比=4.0)。銷表面保持機械加工狀態(tài)(達到表面粗糙度為Rmax二3iim)。在重復擰緊和松開試驗中，如表3所示，在擰緊和松開的IO個循環(huán)中，在第一循環(huán)沒有發(fā)生擦傷。然而，在第二循環(huán)發(fā)生嚴重擦傷，并且必須終止試驗。關于防銹性，對于每個實施例，在分開制備的切片形狀的試驗片(70mmx150mmx2mm厚)上形成與表2所示的箱表面覆層相同的覆層，該試驗片由與實施例中使用的鋼相同的鋼制成，并且對被涂覆的試驗片進行濕熱試驗(溫度是5(TC,相對濕度是98%,持續(xù)時間是200小時)。從該試驗確認任何實施例均不發(fā)生生銹。已經(jīng)參照被認為是目前優(yōu)選的實施方式說明了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于這些實施方式?？梢栽诓慌c從權利要求書和整個說明書獲得的發(fā)明的技術構思沖突的范圍內(nèi)對本發(fā)明進行變型和修改，采用這種變型或者修改的螺紋接頭應該被理解為落在本發(fā)明的技術范圍內(nèi)。權利要求1.一種鋼管用螺紋接頭，其包括銷和箱，所述銷和所述箱均具有當擰緊時用作所述接頭的接觸面的螺紋部和無螺紋金屬與金屬接觸部，該鋼管用螺紋接頭的特征在于，用多層結(jié)構涂覆所述銷和所述箱中的至少一方的所述接觸面，該多層結(jié)構從底層開始依次包括由第一金屬或合金形成的第一層、由比所述第一金屬或合金軟的第二金屬或合金形成的第二層、以及作為最上層的固體潤滑覆層。2.—種鋼管用螺紋接頭，其包括銷和箱，所述銷和所述箱均具有當擰緊時用作所述接頭的接觸面的螺紋部和無螺紋金屬與金屬接觸部，該鋼管用螺紋接頭的特征在于，用多層結(jié)構涂覆所述銷和所述箱中的一方的所述接觸面，用防銹層涂覆所述銷和所述箱中的另一方的所述接觸面，該多層結(jié)構從底層開始依次包括由第一金屬或合金形成的第一層、由比所述第一金屬或合金軟的第二金屬或合金形成的第二層、以及作為最上層的固體潤滑覆層。3.根據(jù)權利要求1或2所述的鋼管用螺紋接頭，其特征在于，所述第一層的硬度在Hv100500的范圍中，所述第二層的硬度在Hv10150的范圍中。4.根據(jù)權利要求1或2所述的鋼管用螺紋接頭，其特征在于，所述第二層的表面粗糙度在l6timRa的范圍中。5.根據(jù)權利要求1或2所述的鋼管用螺紋接頭，其特征在于，所述第一層具有2151im的覆層厚度，所述第二層具有530pm的覆層厚度，所述固體潤滑覆層具有5~40imi的覆層厚度。6.根據(jù)權利要求1或2所述的鋼管用螺紋接頭，其特征在于，所述固體潤滑覆層不含有有害重金屬。7.根據(jù)權利要求1或2所述的鋼管用螺紋接頭，其特征在于，所述鋼管是油井管材。8.根據(jù)權利要求7所述的鋼管用螺紋接頭，其特征在于，所述鋼管含有至少3%的Cr。全文摘要一種鋼管用螺紋接頭，其在不使用復合脂的情況下具有優(yōu)異的耐擦傷性、防銹性和氣密性，該螺紋接頭包括銷和箱，銷和箱中的每一方均具有用作接觸面的螺紋部和無螺紋金屬與金屬接觸部。用多層結(jié)構涂覆銷和箱中的至少一方的接觸面，該多層結(jié)構從底層開始依次包括由第一金屬或合金形成的第一層、由比第一金屬或合金軟的第二金屬或合金形成的第二層以及由固體潤滑覆層形成的固體潤滑覆層，該固體潤滑覆層包括有機粘合劑或無機粘合劑中的潤滑性粉末。文檔編號C23C28/00GK101517300SQ20078003434公開日2009年8月26日申請日期2007年9月13日優(yōu)先權日2006年9月14日發(fā)明者后藤邦夫,大西滋夫,永作重夫,池上弘明申請人:住友金屬工業(yè)株式會社;法國瓦盧萊克曼內(nèi)斯曼石油天然氣公司