JP2006035364A

JP2006035364A - 金属部品研磨用投射材および金属部品の研磨方法

Info

Publication number: JP2006035364A
Application number: JP2004217739A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Hirano; 嘉彦平野; Kenji Kamimura; 健司上村; Masato Murakami; 正人村上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】狭隘部や嵌合部を有する部品の表面研磨を可能にし、また、表面粗さを悪化させることなく、表面の酸化皮膜を除去することにより品質を向上させることが可能な金属部品研磨用投射材および金属部品の研磨方法を提供する。
【解決手段】研磨砥粒１と弾性を有する高分子粒子２と弾性を有する接着剤３とから構成され、弾性を有する接着剤３で研磨砥粒１同士を接着してなる中に、２個以上の弾性を有する高分子粒子２を内包するように構成して、粒子状に形成された金属部品研磨用投射材１０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属部品の表面研磨に用いる金属部品研磨用投射材に係り、特に、蒸気タービン部品の表面研磨に用いる金属部品研磨用投射材に関する。

蒸気タービン部品、特に動静翼、タービンロータ、または、バルブ、蒸気管、クロスオーバー管、タービン入口部、出口部、ノズルボックス内部等の蒸気通路部部品について、これらの部品の表面粗さの状態がタービンの性能に大きな影響を与えることが知られている。そのため、従来、金属部品の表面を研磨して表面粗さを小さくするような表面状態の改善を実施してきた。

部品表面の研磨を目的とした投射材の従来例としては、以下のようなものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３１１６２６号公報

しかしながら、上述したような各部品は、形状が複雑であるため、圧縮空気や電気を用いた回転工具による研磨作業が非常に困難であり、多くのエネルギーと時間を費やす必要があった。また、これらの部品は精密な構造を有し、研磨による寸法変化を最小とする必要があるが、従来の研磨方法において、研磨時の減肉量を最小としつつ表面粗さを小さくする十分な研磨作業が困難であった。

一方、既設の蒸気タービンにおいて、部品の表面に付着するスケールや酸化皮膜を除去するために、セラミックス系の投射材を用いたエアーブラストを用いた表面洗浄および酸化皮膜の除去作業を行っているが、このエアーブラスト作業によっては、部品の表面粗さを当初の状態に回復する（表面粗さを小さくする）向上効果がほとんど得られず、逆にセラミックス系の投射材が部品表面を荒らしてしまう場合があった。また、セラミックス系の投射材や砂等は、材料強度が低く脆いため、金属表面に投射すると、投射材自体に亀裂が入って割れてしまい、早期に投射材が小粒子化してしまう。そのため、研磨効果が持続せず、短期間で投射材を投射装置に補給したり入れ替えることが必要であった。

本発明は、上述したような事情を考慮してなされたものであり、従来、研磨が困難であった狭隘部や嵌合部を有する部品の表面研磨を可能にし、また、表面粗さを悪化させることなく、表面の酸化皮膜を除去することにより品質を向上させることが可能な金属部品研磨用投射材および金属部品の研磨方法を提供することを目的とする。

本発明に係る金属部品研磨用投射材は、上述した課題を解決するために、金属部品の表面を研磨する金属部品研磨用投射材であって、この金属部品研磨用投射材が研磨砥粒と弾性を有する高分子粒子と弾性を有する接着剤とから構成され、前記弾性を有する接着剤で前記研磨砥粒同士を接着してなる中に、２個以上の前記弾性を有する高分子粒子を内包するように構成して、粒子状に形成したことを特徴とするものである。

また、本発明に係る金属部品の研磨方法は、上述した課題を解決するために、研磨砥粒と弾性を有する高分子粒子と弾性を有する接着剤とから構成され、前記弾性を有する接着剤で前記研磨砥粒同士を接着してなる中に、２個以上の前記弾性を有する高分子粒子を内包するように構成して粒子状に形成した金属部品研磨用投射材を、研削液を用いずに被研磨部品に投射して衝突させて、前記被研磨部品表面の表面粗さを向上させることを特徴とする方法である。

本発明の金属部品研磨用投射材によれば、圧縮空気や電気式回転工具を用いる従来の研磨方法の場合に適用困難であった、研磨による減肉量を最小にする必要がある精密な部品の研磨や、圧縮空気式や電気式の工具が入らないような微小な大きさの狭隘部の研磨が可能である。

また、本発明の金属部品研磨用投射材は、投射材に柔軟性を付与する構成としたので、金属部品の表面状態を悪化させることなく、金属部品表面の酸化皮膜を確実に除去することができる。

さらに、本発明の金属部品研磨用投射材によれば、短期間で投射装置に投射材を補給したり入れ替える必要がない。また、被研磨部品（金属部品）の表面で投射材が不規則性に（ランダムに）運動するため、従来の回転工具や手作業による研磨において避けられない研磨の方向性の影響を回避して精密に研磨することが可能である。

また、本発明の金属部品の研磨方法によれば、研磨作業時に研削液を必要としないので、研削液の回収や部品の洗浄等の工程が省略されるため、金属部品の研削に係るコストが削減され、合理的な研磨工程とすることが可能である。

本発明の金属部品研磨用投射材の好ましい実施の形態について、添付図面を参照して以下に説明する。

図１に、本発明の金属部品研磨用投射材の一実施例を示す。

この金属部品研磨用投射材１０は、研磨砥粒１と弾性を有する高分子粒子２と弾性を有する接着剤３とから構成される。すなわち、弾性を有する接着剤３で研磨砥粒１同士を接着してなる中に、２個以上の弾性を有する高分子粒子２を内包するように構成し、任意の大きさの粒子状の金属部品研磨用投射材１０に作製することを特徴とする。

このような構成とした本実施例の金属部品研磨用投射材１０は、セラミック系投射材にはない柔軟性を付与することができ、研磨作業中に投射材が割れにくくなる。また、柔軟性をもつ投射材を高速で被研磨部品の表面に衝突させることにより、金属部品研磨用投射材１０が破壊せずに扁平に弾性変形するので、その後、金属部品研磨用投射材１０の形状が回復するまでの間、被研磨部品の表面を不規則に滑るため、被研磨部品の表面が効果的に研磨される。

一方、研磨砥粒１と弾性を有する接着剤３だけで投射材を構成することも考えられるが、この場合、柔軟性を増すために弾性を有する接着剤３の量を増すと研磨砥粒１の量を減らすことになるので、柔軟性と研磨性とを両立させることが難しい。

そのため、本実施例の金属部品研磨用投射材１０は、２個以上の弾性を有する高分子粒子２を投射材中に内包するように構成する。この構成により、金属部品研磨用投射材１０粒子表面の研磨砥粒１の量を減らさずに、十分な弾性を有する金属部品研磨用投射材１０を得ることが可能になる。

また、研磨砥粒１を一つの弾性を有する高分子粒子２の表面に付着させることによっても、弾性を有する投射材が得られるが、このような構成とした場合、投射材の大きさが弾性を有する高分子粒子２そのものの大きさで規定されてしまうため、投射材の大きさを自由に設定することが難しくなる。

そこで、本実施例の金属部品研磨用投射材１０は、前記弾性を有する接着剤で前記研磨砥粒同士を接着して、２個以上の弾性を有する高分子粒子２を内包するように構成する。この構成により、金属部品研磨用投射材１０粒子の大きさは、単一の構成要素によって規定されず、任意の大きさに成形することが容易に可能である。

なお、本発明の金属部品研磨用投射材において、弾性を有する高分子粒子２および弾性を有する接着剤３における弾性とは、以下のように定義される。すなわち、固体に力が加えられて変形するとき、ある大きさより小さい力が加えられた場合には、力を除くと元に戻るが、それよりも大きい力の場合には、力を除いても元に戻らなくなる限界を表す弾性限界が、例えばゴムのように大きな物質から成る物体という意味である。具体的には、弾性を有する高分子粒子２および弾性を有する接着剤３の弾性限界値が、２０ＭＰａ〜４０ＭＰａの範囲である材料とすることが好ましい。この範囲の弾性限界値の弾性を有する高分子粒子２および弾性を有する接着剤３を用いることにより、弾性に優れ、十分な研磨効果を備えた金属部品研磨用投射材１０を得ることが可能となる。

また、この研磨砥粒１と弾性を有する高分子粒子２と弾性を有する接着剤３とからなる金属部品研磨用投射材１０は、研磨砥粒１の配合量を調整することにより、任意の比重をもつ粒子として作製することが可能である。

一般に、投射材の比重は、投射速度の減衰と研磨効率に大きな影響を与える。また、投射時の初速が同じならば、投射距離を大きくするためには、密度の大きな投射材が必要になる。本実施例の金属部品研磨用投射材１０は、研磨砥粒１と弾性を有する高分子粒子２と弾性を有する接着剤３とから構成されるため、投射材を構成する材料中で最も比重の大きい研磨砥粒１の量を、投射材の研磨性を落とさずに自由に調整することが可能であるので、結果的に金属部品研磨用投射材１０そのものの比重を任意に制御することが可能となる。

この金属部品研磨用投射材１０に適用される研磨砥粒１の材質としては、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２等が好適である。

研磨効果のある砥粒材質として知られている材料として、例えば酸化物系セラミックス、炭化物系セラミックス、工業用ダイヤモンド等があり、研磨に十分な高硬度の材料であれば基本的に適用可能である。しかし、本発明の金属部品研磨用投射材の場合、工業的に広く使用されて多量に入手可能であり、かつ、接着剤３との接着性が良い材料を選択する必要がある。このような点を考慮、検討した結果、本発明者らは、本実施例の金属部品研磨用投射材１０には、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２が好適であり、これらの材料を使用することにより、前述の入手性と接着性とを満足することができることを見出した。

また、弾性を有する高分子粒子２の材質としては、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、１，２−ポリブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレン−プロピレンゴム、ウレタン、弾性エポキシ樹脂、熱可塑性エラストマーを使用することが好ましい。

弾性を有する高分子粒子としては、室温で弾性を有する粒子であれば、基本的にどのような材料でも使用できる。しかし、使用後の投射材の処理を考慮した場合、環境に対する負荷が低く、また、場合によって焼却が可能な材料であれば、研磨剤を回収して再利用することも可能になる。そのため、金属部品研磨用投射材１０は、弾性を有する高分子粒子２として、塩素やシアン化合物（炭素Ｃと窒素Ｎで構成されるＣＮを含む化合物）等が発生しない材料を選択する必要がある。このような点を考慮、検討した結果、本発明の投射材には、高分子鎖中に塩素や窒素を含まない、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、１，２−ポリブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレン−プロピレンゴム、弾性エポキシ樹脂、熱可塑性エラストマーを使用することにより、前述の環境に対する低負荷化と利用可能化とを満足することができることを見出した。

一方、本実施例の金属部品研磨用投射材１０を原子力機器向け金属部品研磨用投射材として適用するために、投射材を構成する材料の化学成分として、塩素、硫酸、シリカ、ホウ素、鉄、銅、ニッケル、クロム、コバルトを含まない構成とすることが可能である。

原子力機器においては、厳密な水質管理がなされており、塩素、硫酸、シリカ、ホウ素、鉄、銅、ニッケル、クロム、コバルトの混入を避ける必要がある。そこで実施例の金属部品研磨用投射材１０を、上記のような化学成分を含まないように構成することにより、原子力機器にも適用可能な投射材を得ることが可能になる。

さらに金属部品研磨用投射材１０は、粒径が０．１ｍｍ〜１０．０ｍｍとなるように造粒することが好ましい。

金属部品研磨用投射材１０の粒径は、対象物の形状や研磨部位によって最適なものを選択する必要がある。しかし、投射材の粒径が０．１ｍｍより小さい場合、微小領域の研磨が可能であるが高速度での投射が難しく、また１０．０ｍｍより大きい粒径とした場合、投射装置が大規模となり作業性が著しく低下するという問題がある。従って、金属部品研磨用投射材１０の粒径を０．１ｍｍ〜１０．０ｍｍの範囲の任意の粒径に造粒することにより、研磨効果に優れた投射材とすることが可能となる。

また、本実施例の金属部品研磨用投射材１０は、比重が０．５ｇ／ｃｍ^３〜１．８ｇ／ｃｍ^３の範囲となるように造粒することが好ましい。

上述したように、投射材の比重は、投射速度の減衰と研磨効率に大きな影響を与える。本発明者らの実験によると、投射材として比重０．５の発泡ポリウレタンを用いた場合、初速１４５０ｍ／ｍｉｎ、投射距離６００ｍｍにおいて研磨効果が認められ、比重１．７のポリ塩化ビニルを用いた場合、初速１４５０ｍ／ｍｉｎ、投射距離１２００ｍｍでの研磨効果が確認された。また、本発明者らの実施した実験の結果によると、研磨効果は、投射時の初速との関係にもよるが、投射材の比重を０．５ｇ／ｃｍ^３〜１．８ｇ／ｃｍ^３とすることにより、おおよそ良好な研磨効果が得られることを確認した。そこで、本実施例の金属部品研磨用投射材１０の比重を０．５ｇ／ｃｍ^３〜１．８ｇ／ｃｍ^３として、有用な研磨性を有する金属部品研磨用投射材を得ることが可能である。

さらに、本実施例の金属部品研磨用投射材１０は、研削作業の際に研削液等の液体を用いずに被研磨部品表面の表面粗さを向上させることが可能である。

従来の一般的な研磨方法によれば、研磨屑の排出と研磨時に発生する熱を取り除くため、研削液が使用されることが多い。しかし、その場合、使用した研削液の回収や、被研磨部品の洗浄に手間がかかるという問題がある。

一方、本実施例の金属部品研磨用投射材１０は、研磨砥粒１が接着剤３によって強固に接着されているため、投射時に屑が発生しにくく、研磨面への付着も起きない。また、投射材自体が流動しているため、研磨時に発生する熱もこれにより発散される。このため、本発明の金属部品研磨用投射材１０を使用した場合、研削液等の液体を用いることなく、被研磨部品を研磨することが可能である。

このような特徴を有する本実施例の金属部品研磨用投射材１０は、蒸気タービンの動静翼、タービンロータ、またはバルブ、蒸気管、クロスオーバー管、タービン入口部、出口部、ノズルボックス内部等の蒸気通路部部品の表面粗さを小さくし、品質を向上させることが可能である。

従来、タービン部品の研磨作業は、圧縮空気や電気を用いた回転工具によるもの、あるいは研磨効果のある液体、紙、布、化学繊維等による手作業研磨が行われていた。しかし、このような研磨作業は、研磨の作業効率が悪く、また、狭隘部や嵌合部を含めた被研磨部品表面の研磨が困難であった。また、回転工具や手作業による研磨においては、研磨の方向性が存在し、精密な研磨が困難であるという課題があった。

本発明の金属部品研磨用投射材１０によれば、投射材粒子の形状を任意の大きさに成形することでき、これを被研磨部品に対して吹き付ければよいので、従来の研磨方法によれば研磨の難しかった狭隘部や嵌合部を有する被研磨部品の表面の精密な研磨が可能となる。また、従来のセラミックを用いたブラストのように、逆に被研磨部品の表面粗さを悪化させることがなく、金属部品の表面を研磨することが可能になる。また、金属部品研磨用投射材１０の不規則な運動により研磨の方向性が解消され、効果的な研磨がなされる。

さらに金属部品研磨用投射材１０は、実運転に供されて表面粗さの悪化した既設蒸気タービンの動静翼、タービンロータ、またはバルブ、蒸気管、クロスオーバー管、タービン入口部、出口部、ノズルボックス内部等の蒸気通路部部品の表面に付着しているスケールや酸化物を除去すると同時に当初の表面粗さを回復させることが可能である。

実運転に供された既設蒸気タービンの動静翼、タービンロータ、またはバルブ、蒸気管、クロスオーバー管、タービン入口部、出口部、ノズルボックス内部等の蒸気通路部部品の表面には、スケールや酸化物が生成して付着している。また、こうした部品の多くは、運転中に高温高圧の蒸気に曝されるため、表面に酸化皮膜が生成する。さらに、ボイラー側から飛来した錆びや汚れも上述の部品の表面に付着する。従来、こうした付着物を、セラミックス系投射材を用いたエアーブラスト法により除去していたが、この際付着物を除去するだけでなく、部品表面を荒らしてしまい、逆に表面状態を悪化させてしまう場合があった。

このような場合に本実施例の金属部品研磨用投射材１０を用いれば、金属部品研磨用投射材１０の有する研磨作用により、タービン部品の表面に生成して付着した酸化物やスケールを除去しつつ、さらに、部品の当初の表面粗さを回復させ、精密に研磨することが可能である。

本発明に係る金属部品研磨用投射材の一実施例の構成を示す構造図。

符号の説明

１研磨砥粒
２弾性を有する高分子粒子
３弾性を有する接着剤
１０金属部品研磨用投射材

Claims

金属部品の表面を研磨する金属部品研磨用投射材であって、この金属部品研磨用投射材が研磨砥粒と弾性を有する高分子粒子と弾性を有する接着剤とから構成され、前記弾性を有する接着剤で前記研磨砥粒同士を接着してなる中に、２個以上の前記弾性を有する高分子粒子を内包するように構成して、粒子状に形成したことを特徴とする金属部品研磨用投射材。
前記弾性を有する接着剤の弾性限界値が、２０ＭＰａ〜４０ＭＰａの範囲であることを特徴とする請求項１記載の金属部品研磨用投射材。
前記研磨砥粒の配合量を調整することにより前記金属部品研磨用投射材の比重を調整することを特徴とする請求項１記載の金属部品研磨用投射材。
前記研磨砥粒の材料としてＳｉＣ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２から選択される少なくとも一つの材料を使用したことを特徴とする請求項１記載の金属部品研磨用投射材。
前記弾性を有する高分子粒子として、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、１，２−ポリブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレン−プロピレンゴム、弾性エポキシ樹脂、熱可塑性エラストマーから選択される少なくとも一つの材料を使用したことを特徴とする請求項１記載の金属部品研磨用投射材。
前記金属部品研磨用投射材が、化学成分として塩素、硫酸、シリカ、ホウ素、鉄、銅、ニッケル、クロム、コバルトを含まない材料から構成され、原子力機器の構成部品の研磨に使用されることを特徴とする請求項１記載の金属部品研磨用投射材。
前記金属部品研磨用投射材の粒径が０．１ｍｍ〜１０．０ｍｍとなるように造粒したことを特徴とする請求項１記載の金属部品研磨用投射材。
前記金属部品研磨用投射材の比重が０．５ｇ／ｃｍ^３〜１．８ｇ／ｃｍ^３となるように造粒したことを特徴とする請求項１記載の金属部品研磨用投射材。
研磨砥粒と弾性を有する高分子粒子と弾性を有する接着剤とから構成され、前記弾性を有する接着剤で前記研磨砥粒同士を接着してなる中に、２個以上の前記弾性を有する高分子粒子を内包するように構成して粒子状に形成した金属部品研磨用投射材を、研削液を用いずに被研磨部品に投射して衝突させて、前記被研磨部品表面の表面粗さを向上させることを特徴とする金属部品の研磨方法。
前記被研磨部品が、動静翼、タービンロータ、またはバルブ、蒸気管、クロスオーバー管、タービン入口部、出口部、ノズルボックスのうちから選択される少なくとも一つの蒸気通路部部品であることを特徴とする請求項９記載の金属部品の研磨方法。
前記被研磨部品として、実運転に供されて表面粗さが悪化した既設蒸気タービンの動静翼、タービンロータ、またはバルブ、蒸気管、クロスオーバー管、タービン入口部、出口部、ノズルボックスのうちから選択される少なくとも一つの蒸気通路部部品の表面に付着しているスケールまたは酸化物を除去すると同時に表面粗さを回復させることを特徴とする請求項９記載の金属部品の研磨方法。