JP2019014001A - 棒状試験片の表面研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】偏摩耗が生じることを抑制しつつ表面粗さを適切に低減できる、棒状試験片の表面研磨方法を提供する。【解決手段】表面研磨方法は、キャリアに砥粒を分散させた研磨メディア中に棒状試験片を配置し、研磨メディアを流動させることによって棒状試験片の表面を研磨する砥粒流動研磨工程を備えている。砥粒流動研磨工程では、研磨メディアの温度が４０℃以上にならないように、棒状試験片の表面が研磨される。【選択図】 図２

Description

本発明は、棒状試験片の表面研磨方法に関する。

近年、石油および天然ガスなどの資源の枯渇が懸念されている。このため、従来は資源開発が行われていなかったような高深度かつ硫化水素を含む環境下において、油井およびガス井の開発が進められている。このような過酷な環境下において掘削および輸送に用いられる油井管およびラインパイプに対しては、降伏強さで７５８ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）級以上でかつ優れた耐ＳＳＣ性を備えることが要求されている。

油井管等において使用される鋼材の耐ＳＳＣ性は、例えば、ＮＡＣＥ−ＴＭ０１７７−２００５ ｍｅｔｈｏｄ Ａに準拠した試験によって評価される。同試験では、具体的には、鋼材から採取された所定寸法の棒状試験片の平行部に所定の引張応力を付加した状態で、該試験片を試験液中に７２０時間浸漬する。そして、棒状試験片が破断するか否かによって、耐硫化物応力腐食割れ性（以下、耐ＳＳＣ性と記載する。）が評価される。

耐ＳＳＣ性に影響する因子としては、鋼材特有の機械的特性、組織、および介在物などに加えて、耐ＳＳＣ試験に供される棒状試験片の表面粗さなどの研磨状態が考えられる。このため、鋼材の耐ＳＳＣ性を適切に評価するためには、棒状試験片の表面粗さを極力低減するとともに、該表面粗さの試験片周方向におけるばらつきを低減することが望ましい。

従来、棒状の部材の表面を研磨するための種々の装置および方法が提案されている。例えば、特許文献１には、砥粒流動加工装置が開示されている。この装置を用いて被加工物の表面を研磨する際には、粘弾性材料からなる加工媒体が収容された加工室内に、被加工物が固定される。そして、被加工物の表面に沿って加工媒体を移動させることによって、被加工物の表面が研磨される。

特公昭５６−４５７４９号公報

本発明者らは、特許文献１に開示された上記のような研磨方法によって、棒状試験片の表面粗さを低減することを検討した。その結果、研磨時間を十分に確保することによって、棒状試験片の表面粗さを、耐ＳＳＣ試験に適した値まで低下させることができることが分かった。一方で、研磨時間が長くなり過ぎると偏摩耗が発生し、棒状試験片の周方向において表面粗さのばらつきが大きくなる場合があることが分かった。

そこで、本発明は、偏摩耗が生じることを抑制しつつ表面粗さを適切に低減できる、棒状試験片の表面研磨方法を提供することを目的としている。

本発明は、下記の棒状試験片の表面研磨方法を要旨とする。

（１）棒状試験片の表面を研磨する方法であって、
キャリアに砥粒を分散させた研磨メディア中に前記棒状試験片を配置し、前記研磨メディアを流動させることによって前記棒状試験片の表面を研磨する砥粒流動研磨工程を備え、
前記砥粒流動研磨工程では、前記研磨メディアの温度が４０℃以上にならないように、前記棒状試験片の表面を研磨する、棒状試験片の表面研磨方法。

（２）前記砥粒流動研磨工程前の前記棒状試験片の平行部の直径をＤ１とし、前記砥粒流動研磨工程前の前記平行部の表面の最大断面高さをＲｔ１とし、前記砥粒流動研磨工程後の前記平行部の直径をＤ２とした場合、前記砥粒流動研磨工程では、下記式（ｉ）を満足するように前記棒状試験片の表面を研磨する、上記（１）に記載の棒状試験片の表面研磨方法。
Ｄ１−Ｄ２≧２×Ｒｔ１ ・・・（ｉ）

（３）前記砥粒流動研磨工程前に、ＪＩＳ Ｒ６００１−２ ２０１７で規定される粒度が♯６００〜１５００の乾式研磨紙を用いて、前記棒状試験片の表面を研磨する粗研磨工程をさらに備える、上記（１）または（２）に記載の棒状試験片の表面研磨方法。

本発明によれば、偏摩耗が生じることを抑制しつつ棒状試験片の表面粗さを適切に低減できる。

図１は、棒状試験片を示す図である。 図２は、棒状試験片の加工方法の一例を示すフロー図である。 図３は、砥粒流動加工装置の一例を示す概略図である。 図４は、偏摩耗が生じた平行部の表面を示す写真である。

以下、本発明の一実施形態に係る棒状試験片の表面研磨方法について説明する。図１は、本実施形態に係る表面研磨方法によって、表面が研磨される棒状試験片を示す図である。図１に示すように、棒状試験片１０は、平行部１２、一対の肩部１４および一対のつかみ部１６を有している。本実施形態では、棒状試験片１０は、例えば、コルテスト試験に供される引張試験片であり、平行部１２の直径Ｄは、例えば、６．３５ｍｍであり、平行部１２の長さＬは、例えば、２５．４ｍｍである。

図２は、本実施形態に係る表面研磨方法を利用した、棒状試験片の加工方法の一例を示すフロー図である。図２に示すように、本実施形態では、まず、機械加工によって、鋼材（例えば、評価対象となる鋼管）から、所定寸法の角材が切り出される（ステップＳ１）。

次に、ステップＳ１で切り出された角材を切削することによって、図１に示した形状の棒状試験片１０を得る（ステップＳ２）。ステップＳ２では、例えば、ＮＣ旋盤によって角材が切削される。ＮＣ旋盤の送り速度は、例えば、０．０５〜０．０８ｍｍ／ｒｅｖに設定される。

なお、鋼材からの角材の切り出し、および角材から棒状試験片への切削は、棒状試験片の公知の製造方法と同様に行なうことができる。したがって、ステップＳ１,Ｓ２の処理内容は特に限定されない。

次に、ステップＳ２で得られた棒状試験片に対して、粗研磨を施す（ステップＳ３）。ステップＳ３では、例えば、ＪＩＳ Ｒ６００１−２ ２０１７で規定される粒度が♯６００〜１５００の乾式研磨紙を用いて、棒状試験片１０の表面を研磨する。なお、粗研磨は、手動で行なってもよく、研磨装置を用いて自動で行なってもよい。また、後述するステップＳ４の処理時間を十分に確保できる場合には、ステップＳ３の粗研磨は行わなくてもよい。

次に、粗研磨後の棒状試験片１０に対して、砥粒流動研磨を施す（ステップＳ４）。図３は、砥粒流動研磨を行なう際に利用される砥粒流動加工装置の一例を示す概略図である。なお、ステップＳ４においては、公知の砥粒流動加工装置を利用できる。具体的には、例えば、特許文献１に開示された砥粒流動加工装置を利用することができる。したがって、以下においては、本実施形態において利用できる砥粒流動加工装置の構成の一例を簡単に説明する。

図３に示すように、砥粒流動加工装置２０は、円筒状の治具２２，２４，２６，２８ａ，２８ｂと、円板状の治具２９ａ，２９ｂと、治具２８ａ内に設けられる固定部材３０ａと、治具２８ｂ内に設けられる固定部材３０ｂと、治具２２内において治具２２の軸方向に移動可能に設けられるピストン３２と、治具２６内において治具２６の軸方向に移動可能に設けられるピストン３４とを備えている。治具２９ａは、板厚方向に貫通する複数の貫通孔を有している。この貫通孔によって、治具２２内の空間と治具２８ａ内の空間とが連通している。同様に、治具２９ｂは、板厚方向に貫通する複数の貫通孔を有している。この貫通孔によって、治具２６内の空間と治具２８ｂ内の空間とが連通している。治具２４，２８ａ，２８ｂ，２９ａ,２９ｂは、治具２２,２６の間に固定されている。

砥粒流動加工装置２０内において、ピストン３２とピストン３４との間の空間に、研磨メディア４０が充填されている。研磨メディア４０は、キャリアと、該キャリアに分散された砥粒とを含む。キャリアとしては、粘弾性樹脂を用いることができる。砥粒としては、例えば、炭化ケイ素またはダイヤモンドを用いることができる。なお、キャリアとしては、砥粒流動加工を行う際に従来利用されている公知の粘弾性樹脂を用いることができる。また、砥粒としても、砥粒流動加工を行う際に従来利用されている公知の砥粒を用いることができる。

棒状試験片１０は、研磨メディア４０中に配置される。図３の例では、棒状試験片１０は治具２４，２８ａ，２８ｂ内に設けられ、かつ固定部材３０ａ，３０ｂを介して治具２９ａ,２９ｂに固定されている。ステップＳ４においては、図示しない駆動機構によってピストン３２,３４を治具２２,２６の軸方向に繰り返し往復運動させる。これにより、研磨メディア４０が、棒状試験片１０の周囲において、棒状試験片１０の軸方向に繰り返し往復運動（流動）する。その結果、棒状試験片１０の外周面が、研磨メディア４０によって研磨される。

本実施形態では、砥粒流動研磨中に研磨メディア４０の温度が４０℃以上にならないように、研磨メディア４０の温度が管理される。なお、砥粒流動研磨中の研磨メディア４０の温度は、３５℃以上にならないように管理されることが好ましく、３０℃を超えないように管理されることがより好ましい。また、ステップＳ４の処理時間（砥粒流動研磨時間）は、例えば、３０分未満であることが好ましく、砥粒流動研磨中の研磨メディア４０の圧力は、例えば、４ＭＰａ以上であることが好ましく、１０ＭＰａ未満であることが好ましい。

また、本実施形態では、砥粒流動研磨前の棒状試験片１０の平行部１２の直径をＤ１とし、砥粒流動研磨前の平行部１２の表面の最大断面高さ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１ ２０１３）をＲｔ１とし、砥粒流動研磨後の平行部１２の直径をＤ２とした場合、ステップＳ４では、下記式（ｉ）を満足するように棒状試験片１０の表面が研磨されることが好ましい。下記式（ｉ）を満たす場合、ステップＳ４において棒状試験片１０の表面が十分に研磨されているので、平行部１２の表面粗さを十分に低減できる。
Ｄ１−Ｄ２≧２×Ｒｔ１ ・・・（ｉ）

なお、本実施形態では、上述の最大断面高さＲｔ１は、例えば、平行部１２の軸方向における任意の位置の外周面を測定対象とし、平行部１２の全周長さを評価長さとして求められる。

下記の表１に化学組成を示す鋼Ａ（炭素鋼）および鋼Ｂ（ステンレス鋼）からなる鋼材から角材を切り出し、ＮＣ旋盤を用いて棒状試験片１０を作製した。なお、鋼材はいずれも、焼入れ焼戻し処理により製造されており、降伏強度で７５８ＭＰａ級の鋼材である。

各鋼材から、棒状試験片１０を６本ずつ作製し、粗研磨および砥粒流動研磨を行い、研磨後の平行部１２の表面の状態を調査した。本実施例では、砥粒流動研磨を行うに際して、砥粒として炭化ケイ素を用いた。研磨条件および調査結果を、下記の表２に示す。なお、表２には示していないが、粗研磨後に、顕微鏡で５０倍の倍率で平行部１２の表面観察を行った結果、試験Ｎｏ．４の棒状試験片１０では、微細（５μｍ以下）な介在物が確認され、試験Ｎｏ．１０の棒状試験片１０では、微細（５μｍ以下）な加工疵が確認された。下記の表２において、表面粗さＲｔ２は、平行部１２の周方向における５箇所（それぞれ、所定の長さを有する領域）で最大断面高さを求め、求められた５箇所の最大断面高さの平均値である。また、表２において、表面粗さΔＲｔ２は、上記５箇所の最大断面高さのうち、最大値と最小値との差である。表面粗さΔＲｔ２が小さいほど、平行部１２の周方向における表面粗さのばらつきが小さいと考えることができる。また、偏摩耗の有無は、顕微鏡により５０倍の倍率で平行部１２の表面を観察した。

表２に示したように、全ての棒状試験片１０において、砥粒流動研磨後の平行部１２の表面粗さ（最大断面高さＲｔ２）が０．６０μｍ以下となっており、砥粒流動研磨によって、平行部１２の表面粗さを十分に低減できたことが分かる。

また、本発明の要件を満たした試験Ｎｏ．１〜４および７〜１０の棒状試験片１０では、平行部１２の表面に偏摩耗が生じていない。このため、表面粗さΔＲｔ２の値も０．２０μｍ以下となっており、表面粗さのばらつきを小さくできたことが分かる。

一方、砥粒流動研磨中における研磨メディア４０の温度が本発明の要件を満たしていない試験Ｎｏ．５、６、１１および１２では、平行部１２の表面に、図４に示すような偏摩耗が生じていた。これにより、表面粗さΔＲｔ２の値も、０．２０μｍを超えており、表面粗さのばらつきが大きくなったことが分かる。

本発明によれば、偏摩耗が生じることを抑制しつつ棒状試験片の表面粗さを適切に低減できる。

１０ 棒状試験片
１２ 平行部
２０ 砥粒流動加工装置
４０ 研磨メディア

Claims (3)

1. 棒状試験片の表面を研磨する方法であって、
   キャリアに砥粒を分散させた研磨メディア中に前記棒状試験片を配置し、前記研磨メディアを流動させることによって前記棒状試験片の表面を研磨する砥粒流動研磨工程を備え、
   前記砥粒流動研磨工程では、前記研磨メディアの温度が４０℃以上にならないように、前記棒状試験片の表面を研磨する、棒状試験片の表面研磨方法。
2. 前記砥粒流動研磨工程前の前記棒状試験片の平行部の直径をＤ１とし、前記砥粒流動研磨工程前の前記平行部の表面の最大断面高さをＲｔ１とし、前記砥粒流動研磨工程後の前記平行部の直径をＤ２とした場合、前記砥粒流動研磨工程では、下記式（ｉ）を満足するように前記棒状試験片の表面を研磨する、請求項１に記載の棒状試験片の表面研磨方法。
   Ｄ１−Ｄ２≧２×Ｒｔ１ ・・・（ｉ）
3. 前記砥粒流動研磨工程前に、ＪＩＳ Ｒ６００１−２ ２０１７で規定される粒度が♯６００〜１５００の乾式研磨紙を用いて、前記棒状試験片の表面を研磨する粗研磨工程をさらに備える、請求項１または２に記載の棒状試験片の表面研磨方法。