穴だらけの道路を車で運転したり、2 本の木の柱の間にフェンスを張ったり、工業用スプリングが折れることなく何千回も圧縮および解放されるのを見たことがある人なら、亜鉛メッキされていない鋼線で作られた部品に遭遇したことがあるでしょう。この材料の調達、テスト、建設、農業、自動車の顧客への出荷に 12 年間を費やしてきたサプライヤーとして、私はエンジニア、プロジェクト マネージャー、中小企業経営者から月に何十通もの同じ質問をメールで受け取ります。「この材料は摩耗するまでどれくらい持ちますか?」答えは単一の数値に集約されるわけではありません。それは、ワイヤーの製造方法、使用方法、および時間の経過とともにどのようなストレスにさらされるかによって決まります。ここで詳しく説明したいのは、倉庫から出荷される前にすべてのバッチに対して実行されるラボテストから直接得られたものです。
まず、簡単な定義から始めましょう。非亜鉛メッキ鋼線は、錆を防ぐための一般的なステップである亜鉛でコーティングされていない炭素鋼です。湿気や腐食から守るために薄い亜鉛層を形成する亜鉛メッキワイヤーとは異なり、非亜鉛メッキワイヤーは強度を独自の冶金学に依存しているため、長期的な防錆性よりもそのままの強度と柔軟性が重要である用途に最適です。そのため、頑丈なフェンス、スプリング アセンブリ (最も広く使用されているバリエーションの 1 つとして、当社の黒色スプリング スチール ワイヤー ラインを確認できます)、張力下で保持する必要があるケーブル タイなどのアイテムで特に人気があります。しかし、亜鉛コーティングの欠如は両刃の剣です。つまり、ワイヤーの耐疲労性、つまり破損することなく繰り返しの応力に耐える能力が、表面の状態と製造方法に大きく関係していることを意味します。
疲労破壊とは、簡単に言えば、1 回の引っ張りで処理できる最大荷重よりもはるかに低い応力を何度も繰り返した後に材料が破損するときに起こる現象です。ペーパークリップを前後に曲げることを考えてください。最初に曲げたときに折れるほど強く引っ張らなかったとしても、十数回繰り返すと、曲げた場所で折れてしまいます。スチール ワイヤーの場合、これは 3 つの段階で起こります。まず、小さな亀裂が表面に形成されます。これは通常、引っかき傷、工具の痕跡、さらには金属固有の粒子構造によって引き起こされます。これらの亀裂は応力のサイクルごとにゆっくりと成長し、最終的に臨界サイズに達してワイヤーが切れます。未亜鉛メッキワイヤーには亜鉛コーティングがないため、これらの表面の欠陥は、亜鉛層が密閉して保護する亜鉛メッキワイヤーよりもはるかに大きな影響を及ぼします。だからこそ、私たちのチームは絞り加工の精度を優先します。表面の傷を最小限に抑えるために研磨されたダイスを使用し、出荷前にすべてのスプールの全数表面検査を実行して、小さな傷も検出します。
原材料と製造プロセスは、ワイヤーの耐疲労性に最大の役割を果たします。ほとんどの非亜鉛メッキ鋼線は、炭素含有量が 0.25% ～ 0.95% の高炭素鋼で作られています。炭素が多いほど、ワイヤは強くて硬くなりますが、繰り返しの応力下で亀裂が発生しやすくなります。そのため、当社は「冷間引抜」ワイヤーを製造する専門の工場と協力しており、このワイヤーは室温で一連のダイスを通して引かれ、加工硬化と呼ばれるプロセスを通じて強度が向上します。冷間引抜ワイヤーは熱間圧延ワイヤーよりも粒子構造が細かいため、金属の弱点が少なくなります。さらなる耐疲労性が必要な用途向けに、熱処理された未亜鉛メッキ鋼線も提供しています。このプロセスにより、冷間引抜きによる内部応力の一部が軽減され、繰り返しの曲げや張力の際にワイヤーに亀裂が入りにくくなります。
独立した研究所からのテストデータは、当社独自の倉庫テストで確認されたものと一致しています。 Journal of Materials Engineering and Performance に掲載された 2021 年の研究では、直径 1.2 mm の 3 種類の非亜鉛メッキ鋼線を 300 メガパスカル (MPa) の繰り返し曲げ応力下でテストしました。これは、自動車のサスペンション スプリングで一般的な応力レベルである 1 平方インチあたり約 30,000 ポンドです。当社が一般建設向けに販売している標準的な冷間引抜ワイヤは、平均 120 万サイクル後に破断しました。当社のスプリング製品に使用している熱処理バージョンは 470 万サイクルに耐え、これはほぼ 4 倍の長さです。私たちがテストした熱間圧延ワイヤは、疲労性能が低いためめったに取り扱いませんが、わずか 180,000 サイクル後に破断しました。このギャップが、工業用スプリングや農業用重機を製造する多くのクライアントが、特に冷間引抜きおよび熱処理ラインを求めて当社に来られる理由です。
しかし、耐疲労性はワイヤー自体の問題ではなく、その使用方法によって決まります。最高の非亜鉛メッキ鋼線であっても、使用方法を誤ると早期に破損します。疲労を加速させる最大の要因である表面損傷、腐食、応力集中について話しましょう。表面の損傷は回避するのが最も簡単です。取り付け中に鋭利なエッジでワイヤに傷がついたり、調整が不十分なワイヤ カッターで傷がついたりすると、亀裂の起点となる応力上昇が生じます。ある農家から、フェンスのワイヤーがわずか2か月で切れてしまったと聞いたことがありますが、コンクリートの支柱の上で引きずり、全長に沿って深い傷を残した糸巻きを見せてもらいました。そのスプールのサンプルをテストしたところ、わずか 12,000 サイクルで故障しました。これと比較して、良好な状態の同じワイヤは 200 万サイクル以上耐久できました。そのため、私たちはお客様に対し、滑らかな工具を使って亜鉛メッキされていないワイヤーを取り扱い、粗い表面の上でワイヤーを引きずらないようにし、重要な用途で傷が発生した場合は直ちに修復するよう常にアドバイスしています。
もう 1 つの大きな問題は、亜鉛メッキされていないワイヤであっても腐食です。待ってください、亜鉛メッキされていないワイヤーには亜鉛メッキが施されていないと言いましたよね?そうですが、時間が経つにつれて湿気、塩分、化学物質にさらされると錆びます。錆びると、小さな亀裂がたくさん入った不均一な窪みのある表面が生じます。これらの窪みは、傷と同じように応力が集中する役割を果たします。ケンブリッジ大学の2019年の研究では、亜鉛メッキされていない鋼線を屋外の湿気に6か月間さらした場合、疲労寿命が60％低下し、150万サイクルからわずか60万サイクルに低下したことがわかりました。錆の危険性がある用途の場合は、第 2 段階として透明な耐食性コーティングを追加するか、表面の孔食に対してより耐性のある高級カーボン グレードを指定することを常にお勧めします。また、錆の形成を遅らせる不動態化処理を施した、限定された「屋外使用」グレードの非亜鉛メッキワイヤーも提供しています。これは、フェンシングのクライアントが湿気の多い気候での設置に信頼しているものです。
応力集中は見落とされやすい 3 番目の要因です。疲労はワイヤに沿って均等に発生するわけではありません。ばねの曲がり、フェンスに結ばれたループ、ワイヤに締め付けられたコネクタなど、応力がより高い箇所で発生します。たとえば、U ボルトを使用して非亜鉛メッキ鋼線を金属支柱に固定する場合、U ボルトの鋭いエッジにより、ワイヤがボルトに接触する点に繰り返し小さい曲げ力が生じます。時間が経つと、たとえワイヤの残りの部分に低い応力がかかっていたとしても、その箇所に亀裂が生じます。そのため、当社のエンジニアリング チームは、重要な用途には滑らかで丸みを帯びたコネクタを使用し、スプリングやケーブルで使用するワイヤには鋭い曲げを避けることを推奨しています。応力を分散させるために、各曲げの半径はワイヤの直径の少なくとも 4 倍にする必要があります。
数値に惑わされがちであることは承知していますが、ほとんどのクライアントにとって、耐疲労性は「私のプロジェクトでどれくらい持続するでしょうか?」という単純な質問に変換されます。住宅用フェンスの場合、毎年数千回の風でワイヤーが曲げられるため、標準的な冷間引抜非亜鉛メッキ鋼線は、穏やかな気候では 10 ～ 15 年、湿気の多い塩分の多い海岸地域では 7 ～ 10 年耐久します。 1 日に数千回の応力サイクルが発生する自動車用スプリング アセンブリの場合、当社が提供する熱処理済みスプリング鋼線は、正しく取り付けられていれば車両の寿命の間ずっと持続します。一定の張力と振動がかかる重機で使用されるケーブルタイの場合、熱処理されたワイヤは屋内の工業環境で 20 年以上使用できます。
しかし、ここで重要なのは、同じアプリケーションは 2 つとしてないということです。だからこそ、当社はワイヤーを販売するだけではなく、クライアントと協力してクライアントの特定の使用例をテストします。昨年、電動自転車のサスペンション フォークを開発している新興企業が、わずか 100,000 サイクルで壊れ続けたプロトタイプを持って私たちにやって来ました。当社ではオリジナルのワイヤーをテストしたところ、表面に傷が多く、低炭素グレードであることが判明したため、0.85% カーボン冷間引抜ワイヤーに切り替えて曲げ半径を滑らかにすることを推奨しました。この変更後、テスト ユニットの耐久性は 500 万サイクルを超え、5 年間の保証の要件である 200 万サイクルを超えました。これは、単なる技術仕様のリストではなく、私たちがお客様に提供する実践的なサポートです。
現在プロジェクトに取り組んでいて、未亜鉛メッキ鋼線が長期にわたって耐久性があることを確認したい場合は、推測せずに当社までご連絡ください。当社では、さまざまなグレードのテストサンプルをお送りし、お客様の用途に特有の疲労寿命データをご案内し、ワイヤの性能を最大化するために設置や設計を調整するお手伝いもいたします。フェンス、スプリング、産業用ケーブル機器のいずれを構築する場合でも、当社はお客様のニーズを満たす専門知識と製品を備えています。
参考文献
- 材料工学とパフォーマンスのジャーナル。 （2021年）。 「自動車用冷間引抜高炭素鋼線の疲労挙動」Vol. 30、No.7、5124-5135ページ。
- ケンブリッジ大学材料科学および冶金学部。 （2019年）。 「屋外インフラ用非亜鉛メッキ鋼線の腐食誘発疲労劣化」技術レポート CUED/C-MATS/TR.19/08。
- アメリカ鉄鋼協会。 （2020年）。 『鋼線の製造と性能に関するハンドブック』、第 10 版、鉄鋼市場開発研究所、ワシントン D.C.
