伸線加工は、伸線ダイスに線を通して細くしていくシンプルな加工方法ですが、この加工を繰り返すことで線材は加工硬化によって、どんどん硬く・脆くなっていきます。
そのままの状態でさらに伸線を続けようとすると、断線が多発したり、後工程での曲げ加工ができなくなったりと、様々な不具合が発生してしまいます。
そこで登場するのが「焼鈍（しょうどん）」や「パテンティング」といった、伸線加工の前後・途中で行われる熱処理です。
この記事では、伸線加工に関わる熱処理として代表的な焼鈍とパテンティングについて、その目的や仕組みを紹介します。
なぜ伸線加工に熱処理が必要なのか
加工硬化について紹介した記事でも触れていますが、伸線加工は金属を強制的に塑性変形させる加工のため、パスを重ねるごとに線材は加工硬化により硬くなり強度が上がっていきます。
強度が上がっていくこと自体は吊り橋のワイヤーなど、高強度な線材を作るうえでは大きなメリットになるのですが、硬くなるということは同時に延性（粘り強さ）を失っていくということでもあります。
延性を失った状態のまま無理に減面率の高い伸線を続けると、金属の延性を利用している伸線加工では断線が頻発してしまい、生産性が大きく落ちてしまいます。
そこで、熱処理によって内部組織を作り変え、延性を取り戻すことが必要になってくるのです。
焼鈍（しょうどん）とは
焼鈍とは、いわゆる「焼きなまし」のことで、線材を一定の温度まで加熱し、その後ゆっくりと冷却することで、加工硬化によって蓄積された転位を減少させ、内部応力を取り除く熱処理です。
焼鈍を行うことで、以下のような効果が期待できます。
- 硬さが下がり、延性・靭性が回復する
- 内部応力が除去され、線クセや反りがリセットされる
- 次の伸線工程での断線リスクが低減する
焼鈍の種類
焼鈍にはいくつか種類がありますが、代表的なものとしてバッチ式（箱型）焼鈍と連続焼鈍があります。
バッチ式焼鈍は、いくつかの線材を炉に入れてまとめて加熱する方式で、比較的設備コストを抑えられますが、コイル内部と外側で温度ムラが出やすく、加熱・冷却に時間がかかるというデメリットもあります。
オーブンでいくつものパンを同時に焼くイメージです。
連続焼鈍は、線を連続的に炉の中を通しながら加熱・冷却する方式で、温度ムラが少なく生産性も高いですが、設備が大掛かりになりやすい傾向があります。
いずれの方式でも、加熱温度・保持時間・冷却速度の管理が品質を左右するため、鋼種や求める特性に応じた熱処理の条件設定が重要です。
パテンティングとは
パテンティングとは、主に高炭素鋼線（硬鋼線）に対して行われる特殊な熱処理で、線材をオーステナイト化温度まで加熱した後、鉛浴やソルトバス（塩浴）などを使って、指定の温度まで急冷し、その温度を保持することで組織を変化させる処理です。
この処理によって得られる組織が「微細パーライト組織」と呼ばれるもので、単なる焼鈍と比べて、強度と延性を高いレベルで両立できるのが最大の特徴です。
パテンティングが行われる理由
伸線加工では、線を細くするほど強度が必要とされる一方で、断線を防ぐための延性も求められます。この相反する2つの性質を両立させるために、パテンティングという熱処理が古くから用いられてきました。
特にピアノ線やスチールコード、ワイヤーロープ用の高強度・高炭素鋼線など、伸線後に非常に高い強度が求められる製品では、パテンティングを行うことで、より細く・より強い線を作ることが可能になります。
焼鈍とパテンティングの違い
どちらも熱処理という点では共通していますが、目的と処理方法には大きな違いがあります。
| 項目 | 焼鈍 | パテンティング |
|---|---|---|
| 主な目的 | 硬さを下げ延性を回復 | 強度と延性の両立を目指す |
| 対象材料 | 幅広い鋼種 | 主に高炭素鋼線 |
| 冷却方法 | 炉冷などゆっくり冷却 | 鉛浴・ソルトバスで急冷保持 |
| 得られる組織 | 軟質なフェライト・パーライト | 微細パーライト組織 |
焼鈍は比較的汎用的な処理であるのに対し、パテンティングは高炭素鋼特有の、より専門的な処理になります。
熱処理を行う際の注意点
熱処理は伸線性を向上させる有効な手段ですが、いくつか注意すべき点もあります。
まず、加熱温度が高すぎたり保持時間が長すぎたりすると、結晶粒が粗大化してしまい、かえって強度や靭性が低下してしまう恐れがあります。
私は実際この現象を知らずに悩まされました…
逆に温度や時間が不足すると、十分に軟化せず期待した効果が得られません。
また、線材の表面には熱処理によって酸化膜（スケール）が新たに発生することが多いため、次の伸線工程に進む前には前処理（スケール落とし）を行う必要があります。
さらに、熱処理を挟むということは、その分だけ工程が増えるということでもあるため、コストや生産性とのバランスも考慮しながら、どのタイミングでどのような熱処理を行うのかを設計することが大切です。
伸線加工後の熱処理 まとめ
今回は伸線加工に関わる熱処理として、焼鈍とパテンティングについて紹介しました。
伸線加工は、ダイスに線を通して細くするというシンプルな加工方法ですが、加工硬化によって変化していく線材の性質をコントロールするために、熱処理という工程も大きな役割を果たしています。
焼鈍は硬さを下げて延性を回復させるための汎用的な処理、パテンティングは強度と延性を高いレベルで両立させるための、高炭素鋼線特有の処理と言えます。
どちらも一見地味な工程に見えるかもしれませんが、最終的な線材の品質を大きく左右する重要な工程です。伸線加工の条件を見直す際には、パススケジュールや潤滑剤だけでなく、熱処理の条件にも目を向けてみると、新たな改善のヒントが見つかるかもしれません。
