ステンレス鋼棒の縦方向溶接部は、適切な不動態化を確保するために電気化学的にバリ取りされています。画像提供：Walter Surface Technologies
あるメーカーが、主要なステンレス鋼製品の製造契約を締結したと想像してみてください。板金とパイプは、切断、曲げ、溶接を経て仕上げ工程に送られます。部品は、パイプに垂直に溶接された板で構成されています。溶接部は見た目は良好ですが、購入者が求める理想的な価格ではありません。その結果、グラインダーは通常よりも多くの溶接金属を除去するのに時間を費やします。すると、表面にはっきりとした青色が現れます。これは明らかに入熱量が多すぎることを示しています。この場合、部品は顧客の要件を満たさないことを意味します。
研磨と仕上げは多くの場合手作業で行われ、器用さと職人技が求められます。ワークピースに込められた価値を考えると、仕上げのミスは大きな損失につながる可能性があります。ステンレス鋼などの高価な熱に弱い材料を追加すると、手直しやスクラップ設置のコストがさらに高くなる可能性があります。汚染や不動態化の失敗といった問題も相まって、かつては利益を上げていたステンレス鋼事業が、利益を生まない、あるいは評判を落とすことさえあります。
メーカーはどのようにしてこれらすべてを防ぐのでしょうか？まずは、研削と仕上げに関する知識を広げ、それらが果たす役割とステンレス鋼のワークピースに及ぼす影響を理解することから始めることができます。
これらは同義語ではありません。実際、それぞれの作業の目的は根本的に異なります。研削はバリや余分な溶接金属などの材料を除去するのに対し、仕上げは金属表面に細かい仕上げを施すことです。大きな砥石で研削すると大量の金属が短時間で削り取られ、その過程で非常に深い傷が残ることがあるため、この混乱は理解できます。しかし、研削においては傷は結果に過ぎず、目的は材料を素早く除去することであり、特にステンレス鋼などの熱に弱い金属を扱う場合はなおさらです。
仕上げは段階的に行われ、作業者は粗い粒度から始めて、より細かい砥石、不織布研磨材、そして場合によってはフェルトクロスと研磨ペーストを使用し、鏡面仕上げを実現します。目的は、特定の最終仕上げ（傷のパターン）を達成することです。各段階（より細かい粒度）で、前の段階の深い傷を除去し、より小さな傷に置き換えます。
研削と仕上げは目的が異なるため、互いに補完し合うことは少なく、消耗品戦略を誤ると逆効果になることもあります。余分な溶接金属を除去するために、オペレーターは研削ホイールで非常に深い傷をつけ、その後、部品をドレッサーに渡します。ドレッサーは、これらの深い傷の除去に多くの時間を費やすことになります。この研削から仕上げまでの一連の工程は、顧客の仕上げ要件を満たす最も効率的な方法であり得ます。しかし、繰り返しますが、これらは追加工程ではありません。
作業性を重視して設計されたワークピースの表面は、通常、研磨や仕上げを必要としません。研磨のみで仕上げる部品は、研磨が溶接部やその他の材料を除去する最も迅速な方法であり、砥石によって残る深い傷こそがお客様の要望通りであるためです。仕上げのみが必要な部品は、過剰な材料除去を必要としない方法で製造されます。典型的な例としては、タングステン電極で保護された美しい溶接部を持つステンレス鋼部品が挙げられます。この電極は、基材の仕上げパターンに合わせてブレンドするだけで済みます。
切削ディスクの除去率が低い研削盤は、ステンレス鋼の加工時に深刻な問題を引き起こす可能性があります。同様に、過熱は青変や材料特性の変化を引き起こす可能性があります。目標は、加工工程全体を通してステンレス鋼を可能な限り低温に保つことです。
そのためには、用途と予算に応じて、最も研磨速度の速い研削砥石を選択することが重要です。ジルコニウム砥石はアルミナ砥石よりも研磨速度が速いですが、ほとんどの場合、セラミック砥石が最適です。
極めて強靭で鋭利なセラミック粒子は、独特の摩耗特性を持っています。徐々に粉砕されても、平坦化することなく鋭い切れ味を保ちます。そのため、セラミック砥石は材料を非常に速く除去することができ、他の研削砥石よりも数倍も速い場合が多くあります。一般的に、セラミック砥石は費用対効果が高いと言えるでしょう。大きな切削片を素早く除去し、発熱と変形が少ないため、ステンレス鋼の加工に最適です。
メーカーがどの研削砥石を選択するかに関わらず、潜在的な汚染を念頭に置く必要があります。ほとんどのメーカーは、同じ研削砥石を炭素鋼とステンレス鋼の両方に使用できないことを認識しています。そのため、炭素鋼とステンレス鋼の研削作業を物理的に分離しているケースが多くあります。炭素鋼の小さな火花がステンレス鋼部品に落ちるだけでも、汚染問題を引き起こす可能性があります。製薬業界や原子力業界など、多くの業界では、消耗品が無公害であることが求められています。つまり、ステンレス鋼の研削砥石には、鉄、硫黄、塩素が実質的に含まれていない（0.1%未満）ことが求められます。
研削砥石はそれ自体で研削するのではなく、電動工具が必要です。誰でも研削砥石や電動工具の利点を宣伝できますが、実際には電動工具と研削砥石はシステムとして機能します。セラミック研削砥石は、一定の出力とトルクを持つアングルグラインダー用に設計されています。一部のエアグラインダーは必要な仕様を満たしていますが、ほとんどの場合、セラミック砥石の研削は電動工具で行われます。
出力とトルクが不十分なグラインダーは、最新の研磨材を使用しても深刻な問題を引き起こす可能性があります。出力とトルクが不足すると、圧力下で工具の速度が大幅に低下し、研削砥石上のセラミック粒子が本来の機能を果たせなくなる可能性があります。つまり、大きな金属片を素早く除去し、研削砥石に侵入する熱物質の量を減らすことができるのです。
これが悪循環を悪化させます。サンダーは材料が削れていないと認識し、本能的に強く押し付けようとします。その結果、過剰な熱とブルーイングが発生します。そして、押し付けすぎてホイールが艶出ししてしまい、ホイール交換の必要性に気づく前に、さらに力を入れて熱を発生させることになります。細いチューブやシートをこのように加工すると、材料を貫通してしまいます。
もちろん、オペレーターが適切な訓練を受けていない場合、たとえ最高の工具を使用していても、この悪循環に陥る可能性があります。特にワークピースにかける圧力に関しては顕著です。ベストプラクティスは、グラインダーの定格電流にできるだけ近づけることです。オペレーターが10アンペアのグラインダーを使用している場合、グラインダーが約10アンペアの電流を消費するほど強く押す必要があります。
高価なステンレス鋼を大量に加工するメーカーの場合、電流計の使用は研削作業の標準化に役立ちます。もちろん、実際に電流計を日常的に使用している作業は少ないため、注意深く音を聞くことが最善です。オペレーターが回転速度の急激な低下を耳で感じた場合は、力を入れすぎている可能性があります。
軽すぎるタッチ（つまり、圧力が低すぎる）を聞き分けるのは難しい場合があります。そのため、火花の流れに注意を払うことが役立ちます。ステンレス鋼の研磨では、炭素鋼よりも暗い火花が発生しますが、それでも目に見える火花が作業領域から均等に飛び出している必要があります。作業者が突然火花の数が減ったと感じた場合は、十分な力をかけていないか、砥石のグレージング（目止め）が不十分である可能性があります。
作業者は作業角度を一定に保つ必要があります。ワークに対して直角（ワークとほぼ平行）に近い角度で近づくと、過熱の原因となる可能性があります。一方、角度が大きすぎる（垂直に近い）と、ホイールのエッジが金属にぶつかる危険性があります。タイプ27のホイールを使用する場合は、20～30度の角度で作業に近づく必要があります。タイプ29のホイールを使用する場合は、作業角度は約10度です。
タイプ28（テーパード）研削ホイールは、通常、平坦面の研削に使用され、広い研削パスで材料を除去します。これらのテーパードホイールは、低い研削角度（約5度）で最も効果的に機能するため、作業者の疲労を軽減します。
もう一つの重要な要素、つまり適切なタイプの研削ホイールを選択することが重要です。タイプ27のホイールは金属表面の接触点を持ち、タイプ28のホイールは円錐形状のため接触線を持ち、タイプ29のホイールは接触面を持ちます。
現在最も一般的なタイプ27ホイールは多くの用途に対応できますが、その形状のため、溶接ステンレス鋼管アセンブリのような深いプロファイル部品や曲面の加工は困難です。タイプ29ホイールのプロファイル形状は、曲面と平面が混在する面の研削作業を容易にします。タイプ29ホイールは接触面積を増やすことでこれを実現し、オペレーターは各箇所で研削に多くの時間を費やす必要がなくなります。これは、熱の蓄積を抑えるための優れた戦略です。
実は、これはどんな研削砥石にも当てはまります。研削作業中、作業者は長時間同じ場所に留まるべきではありません。例えば、作業者が数フィートの長さのフィレットから金属を削り取っているとします。砥石を短い上下運動で動かすことは可能ですが、砥石が狭い領域に長時間留まるため、ワークピースが過熱する可能性があります。入熱を抑えるには、作業者は片方のノーズで溶接部全体を一方向に動かし、その後工具を上昇させてワークピースを冷却させ、もう一方のノーズで同じ方向にワークピースを通過させます。他の方法も有効ですが、それらにはすべて共通点があります。それは、砥石を動かし続けることで過熱を防ぐということです。
広く普及している「コーミング」という手法も、この作業に役立っています。例えば、作業者が平らな姿勢で突合せ溶接部を研磨しているとします。熱応力と過度の掘削を軽減するため、作業者はグラインダーを接合部に沿って押し込むことを避け、代わりに端面からグラインダーを接合部に沿って動かします。これにより、砥石が材料に深く入り込みすぎることも防ぎます。
もちろん、どんな技術を使っても、オペレーターの作業が遅すぎると金属が過熱する可能性があります。作業が遅すぎるとワークピースが過熱し、速すぎると研磨に長時間かかることがあります。最適な送り速度を見つけるには、通常、経験が必要です。しかし、オペレーターが作業に慣れていない場合は、スクラップを研磨することで、ワークピースに適した送り速度を「感覚的に」把握することができます。
仕上げ戦略は、仕上げ工程に出入りする材料の表面状態によって決まります。開始点（得られる表面状態）と終了点（必要な仕上げ）を決定し、その2点間の最適な経路を見つける計画を立てます。
多くの場合、最初から強力な研磨剤を使うのが最善策ではありません。これは直感に反するように思えるかもしれません。結局のところ、粗い砂で表面をざらざらさせてから、より細かい砂に移行すればいいのではないでしょうか。最初から細かい粒子を使うのは、非常に非効率的ではないでしょうか？
必ずしもそうではありません。これも比較の性質に関係しています。各ステップでより細かい粒度が達成されるにつれて、コンディショナーはより深い傷をより細かい傷に置き換えます。40 番のサンドペーパーまたはフリップパンで開始すると、金属に深い傷が残ります。これらの傷によって表面が希望の仕上げに近づくとよいのですが、そのために 40 番仕上げ材が用意されています。ただし、顧客が #4 仕上げ (方向性サンディング) を要求した場合、#40 グリットで残った深い傷は除去するのに長い時間がかかります。職人は、これらの大きな傷を除去してより小さな傷に置き換えるために、複数のグリット サイズを使用するか、細かいグリットの研磨剤を使用して多くの時間を費やします。これらはすべて非効率的であるだけでなく、ワークピースを過度に加熱します。
もちろん、粗い表面に細かい研磨材を使用すると、研磨に時間がかかり、技術不足と相まって過度の熱が発生します。ツーインワンディスクやスタッガードディスクは、この問題の解決に役立ちます。これらのディスクには、研磨布と表面処理材が組み合わされています。これにより、職人は研磨材を効果的に使用して材料を除去しながら、より滑らかな仕上がりを実現できます。
仕上げの次のステップでは、不織布の使用が挙げられます。これは、この仕上げ工程のもう一つのユニークな特徴です。この工程は、可変速電動工具で最も効果的に機能します。10,000rpmで回転するアングルグラインダーは、一部の研磨材には対応できますが、不織布によっては完全に溶けてしまいます。そのため、仕上げ機は不織布を仕上げる前に回転数を3,000～6,000rpmに落とします。もちろん、正確な回転数は用途や消耗品によって異なります。例えば、不織布ドラムは通常3,000～4,000rpmで回転しますが、表面処理ディスクは通常4,000～6,000rpmで回転します。
適切な工具（可変速グラインダー、様々な仕上げ材）を使い、最適な工程数を決定することで、基本的に、原料から仕上げ材までの最適な経路を示すマップが作成されます。正確な経路は用途によって異なりますが、経験豊富なトリマーは、同様のトリミング方法を用いてこの経路に沿って作業を行います。
ステンレス鋼の表面は不織布ロールで仕上げられます。効率的な仕上げと消耗品寿命の最適化のため、異なる仕上げ材を異なる回転速度で回転させます。
まず、時間がかかります。薄いステンレス鋼が熱くなっているのがわかれば、ある箇所の仕上げを中断して別の箇所に取り掛かります。あるいは、2つの異なる作品を同時に制作することもあります。片方の作品を少し仕上げ、もう片方の作品を冷ます時間を取ります。
鏡面仕上げに研磨する場合、ポリッシャーは研磨ドラムまたは研磨ディスクを前の工程に対して垂直方向にクロス研磨することができます。クロスサンディングは、前の傷のパターンと一致するはずの部分を際立たせますが、表面を#8の鏡面仕上げにすることはできません。すべての傷を除去した後、フェルトクロスとバフパッドを使用して、希望する光沢のある仕上がりを実現します。
適切な仕上げを実現するために、メーカーは仕上げ担当者に、実際の工具や材料を含む適切なツールを提供するだけでなく、特定の仕上げがどのように見えるかを判断するための標準サンプルの作成といったコミュニケーションツールも提供する必要があります。これらのサンプル（仕上げ部門の横に掲示、研修資料、販売資料など）は、全員の意思統一に役立ちます。
実際の工具（電動工具や研磨材を含む）に関しては、一部の部品の形状は、最も経験豊富な仕上げチームにとっても困難な場合があります。これは、プロ仕様の工具が役立つでしょう。
薄肉ステンレス鋼管を組み立てる必要があるとします。フラップディスクやドラムを使用すると、問題や過熱、場合によっては管自体に平坦な部分が生じる可能性があります。そこで、パイプ用に設計されたベルトグラインダーが役立ちます。コンベアベルトがパイプ径の大部分をカバーするため、接触点が分散され、効率が向上し、入熱も抑えられます。しかし、他の作業と同様に、職人はベルトグラインダーを別の場所に移動させ、過剰な熱の蓄積を抑えてブルーイングを防ぐ必要があります。
他のプロ仕様の仕上げ工具にも同じことが当てはまります。手の届きにくい場所用に設計されたベルトサンダーを考えてみましょう。仕上げ作業者は、このベルトサンダーを使って、2枚の板の間に鋭角の隅肉溶接を施すことができます。フィンガーベルトサンダーを垂直に動かすのではなく（歯磨きのように）、隅肉溶接の上端に沿って水平に動かし、次に下端に沿って動かします。この際、フィンガーサンダーが長時間同じ場所に留まらないように注意します。
ステンレス鋼の溶接、研磨、仕上げには、もう一つの課題が伴います。それは、適切な不動態化を確実にすることです。こうしたあらゆる作業の後、材料の表面に、ステンレス鋼のクロム層が表面全体に自然に形成されるのを妨げるような汚染物質が残っていないか確認する必要があります。メーカーにとって最も避けたいのは、錆びや汚れのついた部品について不満を訴える顧客の怒りです。そこで、適切な洗浄とトレーサビリティが重要になります。
電気化学的洗浄は、汚染物質を除去して適切な不動態化を確実にするのに役立ちますが、この洗浄はいつ行うべきでしょうか？用途によって異なります。ステンレス鋼の不動態化を完全にするために洗浄する場合、通常は溶接直後に行います。そうしないと、仕上げ材がワークピースの表面汚染物質を吸収し、他の場所に拡散してしまう可能性があります。しかし、一部の重要な用途では、メーカーが追加の洗浄手順を追加する場合があり、ステンレス鋼が工場から出荷される前に適切な不動態化が行われているかどうかをテストする場合もあります。
あるメーカーが原子力産業向けの重要なステンレス鋼部品を溶接しているとします。専門のタングステンアーク溶接工が、完璧に見える滑らかな溶接継ぎ目を作り出します。しかし、これは非常に重要な用途です。仕上げ部門の担当者は、電気化学洗浄システムに接続されたブラシを使用して溶接部の表面を洗浄します。次に、不織布研磨材と拭き取り布で溶接部を研磨し、滑らかな表面になるまで仕上げます。最後に、電気化学洗浄システムに接続されたブラシを使用します。1～2日のダウンタイムの後、ポータブルテスターを使用して、部品が適切に不動態化されているかどうかを確認します。結果は記録され、作業と共に保存されました。その結果、部品は工場出荷前に完全に不動態化されていることが示されました。
ほとんどの製造工場では、ステンレス鋼の研磨、仕上げ、洗浄、不動態化は通常、後続工程で行われます。実際、これらの作業はジョブが提出される直前に行われることが多いです。
不適切に加工された部品は、最も高額なスクラップや手直し費用を生み出す要因となるため、メーカーは研磨と仕上げ部門を見直すことが賢明です。研磨と仕上げの改善は、主要なボトルネックの解消、品質の向上、課題の解消、そして何よりも顧客満足度の向上につながります。
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