JPH116034A

JPH116034A - 金属線

Info

Publication number: JPH116034A
Application number: JP15839097A
Authority: JP
Inventors: Osamu Furukimi; 古君　　修; Akira Yamamoto; 山本　　公; Hideji Takeuchi; 秀次竹内; Kazuo Arai; 和夫新井
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1997-06-16
Filing date: 1997-06-16
Publication date: 1999-01-12

Abstract

(57)【要約】【課題】均質な組織によって高強度化および高延靱
化、そして耐磨耗性並びに耐食性の向上を達成し、とく
に従来の高強度鋼線のような細径としなくとも、極めて
高強度あるいは極めて高い耐磨耗性や耐食性を有する、
新規な金属線を提供する。【解決手段】母相金属に異種元素が機械的に合金化さ
れた組織とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、金属線、とくに
高強度かつ高延靱性で、さらに耐磨耗性や耐食性も良好
な金属線に関する。なお延靱性とは、延性と靱性の総合
特性を指し、靱性値を独立して評価しにくい線材分野で
一般的に用いられ、この延靱性を表す指標として捻回値
などがある。

【０００２】

【従来の技術】例えば、光ファイバーのテンションメン
バーや落石防止ネット、そして各種ばね、アルミ送電線
の補強ワイヤ、ワイヤロープまたはＰＣワイヤ等に使用
される金属線は、強度および延靱性、さらには耐磨耗性
および耐食性に優れることが肝要であり、とくに軽量化
の観点から高強度化に対する要求が強い。また、これら
金属線の用途では、金属線に剛性も必要になるところか
ら、ある程度以上の径、例えば光ファイバーのテンショ
ンメンバーの用途では0.5 mm以上の径が望ましい。

【０００３】ところが、高強度、例えば3000Ｎ／mm²前
後の引張り強さを有する金属線は、その径が極めて細い
ものが一般的である。例えば、0.20mm径の金属線につい
て、特公平２−33772 号公報では、針状マルテンサイ
ト、ベイナイトまたはこれらの混合組織からなる低温変
態生成相がフェライト相に対して所定体積分率でフェラ
イト相中に分散されてなる複合組織の線材を用いて、高
い減面率での冷間伸線を加熱処理の下に行うことが、提
案されている。この技術は、所定組織の線材を用いるこ
とによって、その加工限界を高めて、つまり加工度を高
めて、高い強度の鋼線を得るものである。すなわち、金
属線において高強度を得るには高い加工率が必要になる
ため、得られる金属線の径は当然小さくなる。なお、得
られる金属線の径を太くするには、伸線加工に供する線
材を太くすることも考えられるが、線材が太くなると、
加工用の熱処理による組織制御が難しくなるため、所期
した加工率を確保できない。

【０００４】なお、一般的な高強度鋼線の強度レベルは
５mmφのもので2000Ｎ／mm²、１mmφのものでも最大25
00Ｎ／mm²程度であり、しかも延靱性に劣ることが問題
となる。その他、強度と延靱性を両立する手法として組
織の細粒化が知られ、この細粒化には伸線加工の加工量
を増加する方法が有効であるが、上記公報での技術と同
様、加工量の増加に従って線径が小さくなるため、所望
の線径を確保することは難しい。

【０００５】一方、伸線加工の難しい線材、例えばステ
ンレス鋼を伸線するための手法として、いわゆる集束伸
線技術が知られている。すなわち、特公昭50−39069 号
公報には、ステンレス鋼線材の複数本を中炭素鋼の外装
材で被覆してから伸線加工を行った後、外装材を溶解し
てステンレス鋼細線を得ることが、開示されている。こ
の手法によって、断線することなく難加工材を伸線する
ことが可能であるが、上記公報での技術と同様、加工量
の増加に従って線径が小さくなるため、所望の線径を確
保することが難しい。さらに、この集束伸線法で得られ
る金属線は、加工硬化のみに依って高強度化が図られる
ため、転位だけでなくマイクロクラックも発生し、延靱
性が低下する。従って、強度と延靱性を両立しようとす
ると、高強度は達成されない。また、3000Ｎ／mm²級ほ
どの高強度ではなくとも、従来の合金組成から期待され
る以上の強度および延靱性が得られる技術に対する基本
的な要望が依然として存在する。

【０００６】一方、耐磨耗性を向上させるには合金組成
および熱処理による強度確保が一般的手法であるが、こ
の手法にて厳しい耐磨耗条件に対処することは難しく、
またコストが割高になる不利があるからである。ちなみ
に、金属線の外周のみに耐磨耗性被覆を施すことも考え
られるが、線素材そのものの耐磨耗性を向上させる方法
に比べて信頼性に劣り、大きな曲げや捻りの変形が加え
られないため取扱い性にも劣る。しかも、この方法は被
覆工程の生産性がネックとなり、コスト高をまねく。さ
らに、耐食性についても、防食被覆は生産性が低く、合
金組成のみに依存した耐食性向上もコスト的に不利であ
り、また極めて高い耐食性レベルを得ることが、現状で
は困難である。従って、耐磨耗性に加えて、耐食性につ
いても、極めて高くはないまでも合金組成から従来期待
できる以上の特性が得られる技術に対する要請が当然存
在する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明は、
均質な組織によって高強度化および高靱性化そして耐磨
耗性並びに耐食性の向上を達成し、とくに従来の高強度
鋼線のような細線としなくても極めて高強度あるいは極
めて高い耐磨耗性や耐食性を有する、新規な金属線を提
供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、母相金属に
異種元素が機械的に合金化された組織を有することを特
徴とする金属線である。また、この発明は、母相金属に
異種元素が機械的に合金化され、さらにセラミックスが
均一かつ微細に分散した組織を有することを特徴とする
金属線である。

【０００９】上記組織は、異種元素の含有量が、母相金
属に対する該元素の溶製法による固溶限をこえることが
可能であり、その結果諸特性はより向上される。さら
に、組織の結晶粒径が20nm以下であることまたは組織が
非晶質を含むことが、実施に当たり有利である。

【００１０】

【発明の実施の形態】さて、この発明に従う金属線で
は、その組織を母相金属に異種元素が機械的に合金化さ
れたものとすることによって均質化を達成し、強度、延
靱性および耐食性の向上をはかったところに特徴があ
る。この母相金属に異種元素が機械的に合金化された組
織（以下、機械的合金化組織と示す）とは、母相金属の
マクロな組織に対して、機械的処理により多大な機械的
エネルギーを付与し、ナノメートルの寸法にまで母相金
属の結晶粒を微細化するとともに、母相金属に同様に微
細な異種元素を合金化した組織を意味し、具体的にはミ
クロ的に極めて均質な平衡相、非平衡相または非晶質相
となっている。

【００１１】すなわち、機械的合金化組織は高度に均質
化が達成された、換言すると、母相金属へ異種元素が溶
製法における固溶の状態と同様に合金化されてはいるも
のの、溶製法におけるよりはるかに均一な組織およびマ
トリックスの母相に均一に固溶しているため、延靱性、
耐磨耗性および耐食性が、同成分の溶製材よりも改善さ
れるのである。なお、このような均質合金組織化は、単
に合金に加工を付与しただけでは得られず、たとえ合金
を母材にするとしても何らかの異種元素（母材合金の部
分成分でもよい）を機械的に合金化する過程を要する。

【００１２】図１に、この発明に従う機械的合金化組織
を有する、Fe−８wt％Cu系の金属線と、2000Ｎ／mm²以
上の強度が比較的容易に得られる、いわゆるパテンティ
ング処理後に伸線加工して得られた高炭素鋼線とについ
て、その径方向の硬さ分布に関して調査した結果を示
す。図１(a) に示すように、この発明の金属線は高炭素
材を上回る硬さが得られていることがわかる。しかも、
この発明の金属線では、その径方向に一定の硬さが得ら
れることが極めて特徴的である。通常は、図１(b) に示
す、高炭素鋼線の如く、径方向の硬さは表層域で高くな
るのが一般的である。これは、線材表層部と内部とにお
いて、パテンティング処理での冷却速度に差異が生じる
ためである。この点、機械的合金化組織は均質であるか
ら、線材表層部と内部とにおいて何らの差異も生じない
のである。

【００１３】とくに、機械的合金化組織は、その性格か
らして、異種元素の含有量が母相金属に対する該元素の
溶製法による固溶限（比較的安定な過飽和固溶体の固溶
限を含む）をこえられるため、上記した固溶強化作用は
より強化される。すなわち、機械的合金化組織は、機械
的処理によって得られる組織であるから、冶金学的な規
制をこえる量の合金化が可能であり、溶製法において過
飽和となる異種元素を固溶状態で含有し得る。このよう
な合金においては、従来細径でしか得られなかった強度
レベル以上の金属線を得ることができる。

【００１４】ここに、機械的合金化組織は、結晶質の場
合はその結晶粒径が20nm以下、より好ましくは10nmにま
で微細化されているか、または非晶質を含むことが、強
度および延靱性の向上において有利であり、やはり従来
細径でしか得られなかった強度レベル以上を得ることが
できる。また、非晶質を含む組織とした場合や異種元素
に防食機能を有するもの、例えばCu, Zn, CrおよびNi等
を含有されることにより、とりわけ耐食性が顕著に改善
される。

【００１５】また、上記の機械的合金化組織において、
さらにセラミックス、例えばSiO₂,TiO₂, WC, SiN, SiC
およびBNなどを均一かつ微細に分散させることによっ
て、さらに微細な酸化物、炭化物または窒化物による著
しい高強度化並びに耐磨耗性の顕著な向上が達成でき
る。ここで、均一かつ微細とは、例えば溶製時のセラミ
ックス混入でみられるような、マクロな分布の偏りや、
セラミック粒子同士の凝集による見かけ上の粗粒化がな
いことを意味し、機械的エネルギーの付与によらなけれ
ば得ることが困難である。このセラミックスを含有する
場合も、過飽和の異種元素を含有すること、そして結晶
粒径を20nm以下にするか、または非晶質とすることが、
同様に有利であるのは勿論である。

【００１６】なお、この発明の金属線では、その成分組
成を限定する必要はないが、母相金属としては単金属ま
たは合金が適合し、異種元素としては母相金属と合金化
するものが対象となり、従って母相金属が合金の場合は
その合金成分であってもよい。例えばCu：５〜10wt％
（異種元素）および残部Fe（母相金属）の組成、同様に
Si：５〜７wt％および残部Feの組成またはＣ：0.1 〜1.
0 wt％および残部Feの組成などが、有利に適合する。ま
た、母相金属が合金の場合は、Mo：１〜５wt％（異種元
素）および残部Fe−２wt％Cu（母相金属）の組成が挙げ
られる。

【００１７】次に、機械的合金化組織を得るための機械
的処理について、図２を参照して具体的に説明する。ま
ず、母相金属による線材１の複数本、例えば３〜20本
を、大小の鏡板2aおよび2bを介して、図３に詳細を示
す、集束ロール３に導いて線材１群を引き揃えたのち、
この線材１群を、図４に断面を示す、スウェージングロ
ール４において、同様に集束ロール３からスウェージン
グロール４へ案内される異種元素による被覆材５で包
む。次いで、ローラーダイスまたはダイス６の複数列、
好ましくは３スタンド以上に通して伸線加工を施す。こ
こでの減面率、すなわちダイス６列の入側での被覆材５
を含む線材束の断面積Ａ₁と同出側での伸線材の断面積
Ａ₂とから、（Ａ₁−Ａ₂）／Ａ₁×100 で求められる
比率を、90％以上、好ましくは95％、さらに好ましくは
99％以上とする伸線加工を行う。その後、得られた伸線
材７をテイクアップロール８に巻き取る。以上を基本工
程とする。なお、被覆は線材を束ねる前に各線材１に施
しても良い。

【００１８】さらに、上記基本工程で得られた伸線材７
を、複数本用意し、これを上記した線材１として使用
し、上記基本工程を同様に繰り返す。この基本工程の繰
り返しを、少なくとも３回行うことによって、最終的に
得られた金属線は、上記機械的合金化組織を有するもの
となるのである。

【００１９】ここで、異種元素を過飽和で含有させる
か、または結晶粒径を20nm以下にするには、上記減面率
を高くするか、または基本工程の繰り返し回数を増加す
ることで達成でき、一方非晶質とするには、上記に加え
てさらに成分系を調整すればよい。例えば43at％Cu−57
at％Tiなどが非晶質化に好適である。また、機械的合金
化組織にセラミックスを微細かつ均一に含有するには、
図１に示した、スウェージングロール４の入側におい
て、フィーダー９からセラミックス粉末を被覆材５の内
側に供給すればよい。なお、フィーダー９からはセラミ
ックに限らず、必要に応じて炭素やSi，Tiなどの粉末を
供給することもできる。なお、金属線の成分組成を調整
するには、被覆材の厚さ、基本工程の回数を制御すれば
良い。

【００２０】ちなみに、上記の機械的処理は、被覆材で
包んで伸線加工して得た伸線材をそのまま、新たな伸線
加工の出発材として用いて、それを被覆材で包んで伸線
加工する、工程を繰り返すことによる合金化の促進に特
徴があり、伸線加工後に被覆材を溶解して内部の細線を
得る、いわゆる集束伸線法とは、全く異なる加工履歴を
辿るものである。そして既に述べたように、集束伸線法
で単に単金属もしくは合金に加工を繰り返し行っても、
ここでの目的とする組織は得られない。なお、伸線過程
において、必要に応じて、例えばストレスリリーフなど
の熱処理を施すことも可能である。

【００２１】

【実施例】

〔実施例１〕図２に示した手順に従って、Ｃ：0.2 wt％
を含み残部実質的にFeの組成になる線材（2.0 mmφ）の
４本を、Cu箔（0.05mm厚）で包んだのち、減面率：75％
の伸線加工を５スタンドで施した。この基本工程で得ら
れた伸線材を用いて、さらに同様の基本工程を５回繰り
返した後、１mmφのダイスに通して１mm径の金属線を製
造した。その結果、Ｃ：0.2 wt％、Cu：6.1 wt％および
残部実質的にFeの組成になる、合金化金属線が得られ
た。

【００２２】かくして得られた金属線の断面組織を走査
型電子顕微鏡で観察して粒径を測定するとともに、その
径方向における硬さ、強度、延靱性および耐食性につい
て評価した。その測定および評価結果を表１に示す。ま
た、比較として、パテンティング処理して得た、2000Ｎ
／mm²級の金属線についても、同様の測定および評価を
行った。その測定および評価結果を表１に併記する。

【００２３】なお、強度は、通常の引張試験による引張
強さで評価した。延靱性は、捻回試験により破断までの
捻じり回数で評価（JISG 3521 に準拠)した。捻回条件
は長さ100 ×Ｄ（直径）とした。

【００２４】耐食性は、大気暴露（於、沖縄）試験によ
る腐食量で評価した。暴露期間は１年間とした。耐磨耗
性は、20mmφの超硬棒材を、張力50kgf 負荷の下で、金
属線に繰り返し10⁶回接触させ、その磨耗量で評価し
た。なお、超硬棒材の表面粗さはＲ_max＝１μm とし
た。

【００２５】

【表１】

【００２６】〔実施例２〕図２に示した手順に従って、
Fe−10wt％Moの組成になる線材（１mmφ）の５本を、鉄
箔（0.1 mm厚）で包む際、SiO₂粉末をフィーダーから添
加し、その後鉄箔で線材を包んだのち、減面率：80％の
伸線加工を５スタンドで施した。この基本工程で得られ
た伸線材を用いて、同様の基本工程を５回繰り返した
後、１mmφおダイスに通して１mmφの金属線を製造し
た。その結果、Ｃ：0.2 wt％、Mo：８wt％、SiO₂：５wt
％および残部実質的にFeの組成になる、合金化金属線が
得られた。かくして得られた金属線の断面組織を走査型
電子顕微鏡で観察して粒径を測定して、SiO₂が均一かつ
微細に分布していることを確認するとともに、径方向に
おける硬さ、強度、延靱性、耐食性および耐磨耗性につ
いて評価した。その測定および評価結果を表２に示す。
なお、同表における比較例は表１の比較例と同じ金属線
である。

【００２７】

【表２】

【００２８】〔実施例３〕図２に示した手順に従って、
Cu線材（１mmφ）の５本を、Cu箔（0.05mm厚）で包む
際、Ti粉末をフィーダーから添加し、その後Cu箔で線材
を包んだのち、減面率：80％の伸線加工を５スタンドで
施した。この基本工程で得られた伸線材を用いて、さら
に同様の基本工程を７回繰り返した後、１mmφのダイス
に通して１mm径の金属線を製造した。その結果、43at％
Cu−57at％Ti組成の金属線が得られた。かくして得られ
た金属線についてＸ線回折法で非晶質化を調べた。すな
わち、Cu, Ti, CuTiの主回折ピークの強度について、各
々純物質（純化合物）で測定されたピークの強度を１と
した強度比を求め、その和が0.5 以上となった場合に十
分非晶質化したと判定した。さらに、径方向における硬
さ、強度、延靱性、耐食性および耐磨耗性について評価
した。その測定および評価結果を表３に示す。なお、同
表における比較例は表１の比較例と同じ金属線である。

【００２９】

【表３】

【００３０】

【発明の効果】この発明によれば、ミクロ的に均質な組
織が得られるため、高強度化そして延靱性の向上、さら
には耐食性の改善が有利に実現され、諸特性に優れた、
比較的に太い径の金属線を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】金属線の径方向の硬さ分布を示す図である。

【図２】この発明の金属線を製造する手順を示す説明図
である。

【図３】集束ロールの詳細を示す図である。

【図４】スウェージングロールの断面図である。

【符号の説明】

１線材 2a，2b 鏡板３集束ロール４スウェージングロール５被覆材６ダイス７伸線材８テイクアップロール９フィーダー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩ // Ｃ２２Ｃ 33/00 Ｃ２２Ｃ 33/00 (72)発明者竹内秀次千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者新井和夫千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】母相金属に異種元素が機械的に合金化さ
れた組織を有することを特徴とする金属線。
【請求項２】母相金属に異種元素が機械的に合金化さ
れ、さらにセラミックスが均一かつ微細に分散した組織
を有することを特徴とする金属線。
【請求項３】請求項１または２において、異種元素の
含有量が、母相金属に対する該元素の溶製法による固溶
限をこえることを特徴とする金属線。
【請求項４】請求項１、２または３において、組織の
結晶粒径が20nm以下であることを特徴とする金属線。
【請求項５】請求項１、２または３において、組織が
非晶質を含むことを特徴とする金属線。