極細ピアノ線の高強度化に有効なメゾスケール構造とミクロ組織
権

藤詩

織

線径が数 mm から数十 mm のピアノ線(以下，極細ピアノ線

.

は じめにと称す)においては，伸線加工中の微小な張力・速度変化が破断の原因となるため，伸線時の高度な張力・速度制御が必

軽量かつ高強度な材料の創製は，環境に対する負荷を少し要である． 2 つ目は，その細さゆえ，取り扱いが難しいたでも低減し，持続可能な社会の構築において重要な技術であめ，極細ピアノ線の延性の評価も難しく，延性評価法の確立る．特に鉄鋼材料の高強度化は目まぐるしい進化を遂げていが必要である．3 つ目は，現行実用材料の主流として流通しる．自動車用鋼板を例に挙げると， 1970年代の 440 MPa 級ている約 q 0.2 mm 以上のピアノ線と比較して，極細ピアノ鋼板の適用から始まり(1) ，最近では 1500 MPa 級の鋼板が線の伸線時に形成されるひずみ勾配が減少すると考えら実用されている(2)．一方で，鉄の理論強度は 11000 MPa とれ(8)，極細ピアノ線のミクロ組織や機械的性質はこれまでに言われており(3) ，これに最も近い鉄鋼材料が 5000 MPa 近報告されている知見と異なる傾向を有する可能性がある．さくの強度があるピアノ線である(4) ． JIS G 3502 によると，らに，原子レベルの局所的な情報であるミクロ組織と，線全炭素量0.6から1.0の高炭素鋼に対応する線材がピアノ線体で評価した平均的な情報である機械的性質を結びつけた理材とされており，ピアノ線やオイルテンパー線，PC 鋼線・解が求められる．本稿ではこれら課題への取り組みについ撚線，ワイヤロープなどの素材となる(5)．これをさらにパテて，成果の一部を紹介する．

ンティングと称される熱処理と，伸線加工と称される，テーパー状の孔に通して縮径させ，長手方向に引き延ばす加工を.

極細ピアノ線の伸線加工施した材料がピアノ線である(6)．名の通りピアノ弦から，自動車タイヤの補強材であるスチールコード，シリコンインゴ

ノンスリップ型伸線機(9) の導入により 1 つ目の課題を解ットのスライスに用いられるソーワイヤなど，その用途は多決した．伸線加工時，図( a )に示すように，ワイヤには伸岐にわたる．ピアノ線に繰り返し伸線加工を施し，細径化さ線方向に引抜力 Ff，反対方向に後方張力 Fb とダイスからのせると，著しい加工硬化現象が見られ，高強度化を実現でき反力であるダイス抗力 Fd がはたらく．簡易的に Ffn＝ Fbn ＋る．ラボスケールでは 7000 MPa にも及ぶ(7) ．一方で，強Fdn ( n はパス数)で表される関係が成り立つ．引抜力は，次度増加に伴い著しい延性の低下が生じる．延性の低下はさら段の後方張力としてワイヤに作用するため，連続的に伸線加なる変形，つまり伸線加工を難しくするため，高強度化と高工を施そうとすると，後段側にて高い張力( Ffn ＝ Fb1 ＋∑ni＝1

延性を同時に実現する伸線加工法の確立が求められ，高延性Fdi)がワイヤにかかり，場合によっては破断に至る．実操業に寄与するミクロ組織の解明が重要である．

にて一般に使用されているスリップ型伸線機では，キャプス

著者はこの解明に取り組むにあたり，次の 3 つの課題にタンと呼ばれる回転体を，その周速がワイヤの速度より速く直面した．1 つ目は，高強度化には細径化が前提であるが，なるように，ワイヤに接触させて回転させる(図 1(b ))．キ

国立研究開発法人産業技術総合研究所研究員(〒3058564 つくば市並木 121)
Mesoscale Structure and Microstructure of Fine Piano Wire for High Strengthening; Shiori Gondo(National Institute of Advanced
Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba)
Keywords: wire drawing, high carbon steel wire, crystal orientation, fiber texture, EBSD (electron backscatter diffraction), microstructure,mechanical properties, ductility
2021年 3 月10日受理[doi:10.2320/materia.60.567]

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Materia Japan図1

各伸線加工形態の特徴(a) 連続伸線の基本形，(b) スリップ型伸線機，(c) ノンスリップ型伸線機．

ャプスタンとワイヤとの間に摩擦力 Fk が発生し，ワイヤにの程度縮径したかを表す値であり，この値を横軸としたグラかかる張力を低減できる( Ffn ＝ Fb1 ＋∑ni＝1 Fdi －∑ni＝1 Fki )．しフがよく作成される．上記伸線材最終径での伸線加工ひずみかしながら，制御することはできない．また，キャプスタンは，それぞれ5.12, 5.42, 4.61となる．いずれの熱処理径のピは複数パスで一体構造であるため，各パス独立の回転速度でアノ線においても，伸線加工時の各パスの減面率 Re (＝ 1 －キャプスタンを駆動することができない．張力や速度の制御d 2n/d 2n－1)は約14，後方張力(応力)は引張強さの 5未満と性が低く，何かの拍子に瞬間的に高い張力がワイヤにかかるした．線径によらず，後方張力の負荷は伸線加工時のダイスと破断に至るため，細径化を狙った伸線加工には難しさがあ

面圧を減少させ，応力状態を変化させる効果があり，後述すった．一方，図 1( c )に示す極細ワイヤ用のノンスリップ型る集合組織の形成を制御しうる重大なパラメータであると考線機では，各キャプスタンを独立のモータで駆動する仕組みえた．したがって，熱処理径 0.444 mm のピアノ線においてが採用されている．アクチュエータでダンサロールにかかるは，後方張力として引張強さの30, 50の応力を負荷したトルクを制御しながら，角度センサで伸線中のダンサロール条件においても伸線加工をおこなった．の角度を検出し，設定した張力，速度となるように，アクチ.

ュエータとモータにフィードバックしている．このような構延性評価方法の確立

造により，ワイヤに作用する張力は前段の張力の影響を受けず， Ffn＝ Fbn ＋ Fdn との関係が成り立つ．スリップ型伸線機

2 つ目の課題には，一般的な引張試験方法，絞り測定方と比較して，一度にどの程度縮径させるかの指標である減面法，捻回試験方法に対し，極細ワイヤの特徴を考慮した工夫率や，後方張力，伸線速度などの伸線加工条件の制御性が格を凝らすことで，極細ワイヤの延性評価法を確立し(10)(11)，段に向上し，極細ワイヤをより高速で安定的に伸線できるよ対応した．引張試験では繊維用のつかみ具を採用した．クロうになった．

スヘッドの移動量を変位とみなしても，非接触伸び計にも劣本研究では，ノンスリップ型伸線機の出力範囲で伸線加工らない精度で伸びを算出できることを明らかにした(10)．破が可能，かつ，ピアノ線の実用材料の中でも特に細いソーワ面を突合せた状態での極細ワイヤの絞り測定は困難であるたイヤの素材として一般的な太さ( q 0.5 mm 程度)のピアノ線

め，破面一方のみの SEM ( Scanning electron microscope ，と，これより細い，太いピアノ線として，伸線前の熱処理径走査型電子顕微鏡)観察から絞りを算出する方法を考案しが0.276, 0.444, 0.936 mm のピアノ線を扱うことにした．こた(10)．

れらをそれぞれ0.021, 0.029, 0.093 mm まで，ノンスリップ

上記方法にて極細ピアノ線の機械的性質を評価すると，伸型伸線機を用いて伸線した．ここで，伸線前の熱処理径を線加工に伴い引張強さは増加し，絞りは伸線加工ひずみ 1.5d0, n パス後の線径を dn とすると，伸線加工により導入されまで増加，その後減少するとの結果を得た．これらは q 0.2

たひずみ e は 2 ln d0/dn と算出される．伸線加工によってどmm 以上で報告されている従来知見と同様な傾向となった．

新 進 気 鋭一方，一様伸びは伸線初期に急激に減少するが，その後徐々野像からラメラ間隔を測定した．電気抵抗率の測定ではラメに減少したのち，高ひずみ域で増加するとの新しい傾向が得ラの傾きと格子欠陥量を， DSC では格子欠陥量とセメンタられた．これは，3 つめの課題として挙げた極細ピアノ線特イト分解量を間接的に評価した．伸線加工に伴いラメラ間隔有の機械的性質に該当する．いずれの熱処理径においても伸が減少，格子欠陥量が増加すると示唆する結果を得た．ま線前のラメラ間隔に大きな差は見られなかったため，引張強た，ひずみ 1.5までにラメラが伸線方向と平行になる傾向，さの差は非常に小さかった．しかしながら，ひずみ全域にひずみ 1.5以上にてセメンタイト分解量が増加する傾向が得て，熱処理径が大きいほど，一様伸びは高い値を示し，絞りられた．図 2 に示した伸線加工に伴うミクロ組織の変化は，は小さい値を示した．また，後方張力を負荷するほど，ひずq 0.2 mm 以上のピアノ線を分析対象とした研究において報み1.5以上での絞りの減少が著しいと明らかにした．

告された知見であるが，最終径が 0.06 mm 程度であれば，従来知見と同様な組織変化をたどると明らかにした．また，

.

高延性に寄与するミクロ組織

伸線時の後方張力の増加に伴い，単位質量当たりの格子欠陥量，セメンタイト分解量がある値に達するまでに必要なひず機械的性質と同様に極細ピアノ線のミクロ組織を評価し，み量が減少する傾向が得られた．これは，前述した伸線加工3 つ目の課題に対応した．また，集合組織で特徴づけられる中の応力状態の違いに起因するものと考えられ，他線径にお層構造“メゾスケール構造”の考え方を導入し，局所的な情いても上記の後方張力による効果は発現すると推測される．

報(ミクロ組織)と平均的な情報(機械的性質)の結び付けを試みることで，高延性に寄与するミクロ組織の解明に取り組んだ(12)(13)．


集合組織で特徴づけるメゾスケール構造

図 2 および本研究で得られたミクロ組織の情報はいずれも，数 nm から原子レベルの微視的な変化である．一方，結晶方位を単位結晶格子の向きと捉えると原子レベルのミクロ極細ピアノ線のミクロ組織

ピアノ線は軟質のフェライト相と硬質のセメンタイト相の組織要素であるが，同じ方向に向いた結晶格子の集合体であ層状組織であるパーライトラメラ組織を有する．前述したパる集合組織の向きと捉えれば，そのスケールは mm に及ぶ．

テンティング処理により，ラメラの間隔は 70 nm 程度となゆえに，集合組織を局所的な情報と平均的な情報を結びつける(7)．コロニーと呼ばれるある程度の固まりごとに，ラメラる中間スケールの組織要素として扱うことができると考えた．

は様々な方向を向く．この状態から伸線加工を施すと，図

ピアノ 線に伸 線加 工を 施すと ，フ ェライ ト結晶 格子 のに示した概略図のように，ラメラ間隔は線径に比例して減少〈 110〉が伸線方向と平行となる〈 110 〉繊維集合組織が形成さし(14) ，ラメラは伸線方向に揃う(15)(16) ．さらにフェライト

れると古くより知られている(25) ．また，最終径が 4 mm 程

相内では，格子欠陥(転位，空孔)量の増加(17)，炭素量の増度の鋼線では，外側に{ 100}から{ 111}が半径方向に垂直な

加(18)(21) ，が生じ，セメンタイト相内では，セメンタイト〈110〉集合組織，内側に{110}が半径方向に垂直な〈110〉集合の分断(22) ，剛体回転(23) ，分解や，アモルファス化(24) が生組織が形成されると報告されている(26) ．伸線材内部においじると報告されている．て，半径方向の距離に応じて形成される集合組織が異なり，

本 研 究 で は ， 熱 処 理 径 0.444 mm の 伸 線 材 を 対 象 に ，層構造が形成されている可能性があった．しかしながら，既TEM(Transmission electron microscope，透過型電子顕微往の報告された結果では伸線加工ひずみや分析領域が限定的鏡)観察と電気抵抗率の測定， DSC ( Differentialであり，半径方向における集合組織分布と，伸線加工に伴うscanningcalorimetry ，示差走査熱量測定)をおこなった． TEM 明視推移は体系的に理解されていなかった．
本研究では EBSD( Electron backscatter diffraction ，後方散乱回折)による伸線材の結晶方位解析をおこない，伸線加工に伴う半径方向における集合組織分布の推移を明らかにし，層構造の特定を試みた(27)．極細ピアノ線の中心を通る長手断面に非常に近い面が EBSD の分析面となるように，手動で研磨を施した(28) ．その後，研磨面半径方向全域にて菊池パターンを取得したのち，中心側から表層にかけて，いくつかの領域に分割してフェライト相の極点図を取得した．
なお，先に述べたセメンタイト相の存在形態を考慮し，セメンタイト相の結晶方位は考えず，フェライト相のみ着目した．分割領域での極点図の一例を図に示す．{110}極点図には，〈110〉が伸線方向に平行であると示すピーク(図中の aに該当)が出現した．{ 111 }極点図では，表層側と中心側ではそれぞれ図中の記号 b と c で示すように，異なる位置に

図2

ピアノ線の伸線加工にともなうミクロ組織の変化に関する報告事例(7)(14)(24)．

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Materia Japan

ピークが表れた．外側では{100}が観察面に垂直であると示



図3

図4

極細ピアノ線(q 0.216 mm，伸線加工ひずみ1.42)の長手断面で取得したフェライト相の{100}, {110}, {111}極点図の一例(12)．

伸線加工ひずみの増加に伴う伸線材半径方向における集合組織の分布の推移(12)．

図5

伸線加工ひずみの増加に伴う半径に対する Secondary層({110}〈110〉－{111}〈110〉)厚さの割合の推移(13)．

図6半径に対する Secondary 層({110}〈110〉－{111}〈110〉)の厚さ割合と，引張試験で得られる一様伸びと絞りの関係(13)．

す極点図，内側では{ 110 }から{ 111 }にかけてが観察面に垂直であると示す極点図が取得され，半径方向に垂直な面が異なる〈110〉繊維集合組織が形成されたと解釈できる．各極点
図のピークから，観察面に垂直な面を読み取り，図に示す集合組織分布を得た．この分布図より，{100}〈110〉－{111}〈 110 〉と{ 110 }〈 110 〉－{ 111 }〈 110 〉の 2 種の方位群が存在し，層構造が形成されると明らかにした．推移は以下のように説明できる．伸線初期，半径方向全域に{ 100 }〈 110 〉－{ 111 }〈 110 〉が形成される．伸線加工ひずみの増加に伴い，先に形成された方位群を外側に持ちながら，新たに内側に{110}〈 110〉－{111}〈110〉が形成される．伸線加工に伴い，半径に対して内側の方位群が占める割合が増加するが，あるひずみ量まで達すると，減少傾向に転じる．高ひずみ域では，再び外側の方位群が線全体を占める．
図に示すように，伸線材の半径に対する{ 110 }〈 110 〉－{ 111 }〈 110 〉の厚さ割合が最大値をとるひずみ量を境に，それより小さいひずみ域での外側({100}〈110〉－{111}〈110〉)を Primary 層，大きいひずみ域での外側を Subprimary 層，内側({ 110 }〈 110 〉－{ 111 }〈 110 〉)を Secondary 層と定義し

新 進 気 鋭た．なお，終始外側の層である部位と，一度 Secondary 層

村玲奈氏，三井隆輝氏に深く御礼申し上げます．となり再度外側の層となった部位では，特性が異なる可能性

文が あ る た め ， 外 側 の 層 を ひ ず み 量 に 応 じ て Primary 層 と献Subprimary 層で区別した．したがって，集合組織で特徴づけられる層構造は， Primary 層単層， Primary 層と Secondary 層の二層構造，Subprimary 層と Secondary 層の二層構造， Subprimary 層単層の順序で遷移すると説明でき，本研
究ではこれをメゾスケール構造と称した．熱処理径によらず同様な推移をたどるが，熱処理径とメゾスケール構造の関係について，明瞭な相関は見られなかった．一方，伸線時の後方張力を大きくすると，上記遷移が早まる傾向が得られた．


メゾスケール構造とミクロ組織，機械的性質の関係

 で示したミクロ組織， 43 章で示した機械的性質， 4 章
 で示したメゾスケール構造の評価より，メゾスケール構章

造を介したミクロ組織と機械的性質の結びつけを試みた．
メゾスケール構造と機械的性質の関係として，半径に対する Secondary 層の厚さ割合と一様伸び，絞りの関係を図に示す．半径に対する Secondary 層の厚さ割合が大きいほど絞りが増加し，これに反して，一様伸びが減少する傾向が得られた．前述した伸線時の後方張力の増加がメゾスケール構造とミクロ組織に及ぼす影響を考慮すると，同じひずみ量において，線径に対する Subprimary 層が厚くなると，単位質量当たりの格子欠陥量とセメンタイト分解量が増加すると言える．つまり，「同じひずみ量において，単位質量当たりの格子欠陥量，セメンタイト分解量が小さいほど絞りは大きく，一様伸びは小さい」とのミクロ組織と延性の関係が導かれた．
伸線加工時の変形は，半径方向への圧縮応力が長手方向の伸長を引き起こすとの機構に基づくため，いかに半径方向に縮径できるかが細径化，つまり，高強度化において重要と言える．したがって，絞りの向上に効果のある組織形態(単位質量当たりの格子欠陥量，セメンタイト分解量が少ない状態)が，高強度化に効果のある組織と言える．上記の組織形態は線径に対する Subprimary 層を薄くするような伸線加工法で形成でき，後方張力の低減がこれを実現する方法の一つである．

.

お わりに

ピアノ線の伸線加工の研究を通して，高精度な分析機器を( 1 ) http://www.nssmc.com/(accessed on 10th Sep. 2018).
( 2 ) http://www.jfe-steel.co.jp/release/2018/02/180215.html (accessed on 10th Sep. 2018).
( 3 ) http: // www.nssmc.com / company / publications / monthly-nsc /pdf/2009_8-9_191_01_05.pdf (accessed on 13th Aug. 2018).
( 4 ) http: // www.asada-metal.co.jp / PDF / High _ Strength _ S _ F _W.Pdf (accessed on 13th Aug. 2018).
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Takemoto, K. Tashima and S. Suzuki: Ex. Tech., 45(2021),2535.
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(28) 権藤詩織まてりあ，58(2019), 466.

活用し微視的な情報を得つつも，巨視的な視点，中間スケー★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

ルでの視点も含めた，マルチスケールでの議論の重要性を学

2016年
2019年

んだ．従来の常識に捕らわれず，多方面でのモノの捉え方が，新しい発見に重要であることを認識した．今後の研究人生にて取り組むどのような研究課題であれ，上記視点を常に意識しながら取り組みたい．最後に，研究活動における大変重要な基本姿勢をご教授賜りました鈴木進補教授，退職されてからも修士論文，博士論文にご助言を賜りました浅川基男

権藤詩織

日本学術振興会特別研究員 DC1
早稲田大学理工学術院 基幹理工学研究科 機械科学専攻 博士課程修了，博士(工学)取得
2019年 4 月 現職
専門分野塑性加工・塑性力学，集合組織◎材料組織学的な観点から塑性加工のプロセスメカニズム解明に取り組む．機械学習を活用した最適加工
プロセス選定の容易化に関する研究にも着手している．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

名誉教授，本研究成果に尽力いただきました赤嶺宏哲氏，種ま て り あ 第60巻 第 9 号(2021)
Materia Japan