JP2013079417A

JP2013079417A - 歯科アタッチメント用軟磁性ステンレス鋼

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Publication number: JP2013079417A
Application number: JP2011219379A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Motokura; 義信本蔵; Kazuo Arai; 一生荒井
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 2011-10-03
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2013-05-02

Abstract

【課題】口腔内という非常に厳しい腐食環境下においてＳＵＳ３１６(ＪＩＳ鋼)と同等以上の耐食性を維持しつつ、飽和磁束密度Ｂｓが優れた磁気特性を有する歯科アタッチメント用軟磁性ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】本発明の歯科アタッチメント用軟磁性ステンレス鋼は、質量比にしてＣ；０．０２％以下、Ｓｉ；０．５０％以下、Ｍｎ；０．４０％以下、Ｓ；０．０１５％以下、Ｃｒ；１４．０〜１８．０％、Ｍｏ；０．３〜２．５％、Ａｌ；０．０２％以下、Ｔｉ；０．０５〜０．３０％、Ｎ；０．０２％以下、Ｏ；０．０１％以下、Ｓｎ；０．０５〜１．００％からなり、残部がＦｅおよび不純物元素からなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、医療用、生体用の分野において体内あるいは口腔などの非常に厳しい腐食環境下で使用される磁気製品、例えば歯科アタッチメント等に用いられる耐食性、磁気特性に優れた軟磁性ステンレス鋼に関する。

近年、医療用に口腔で義歯として使用される歯科アタッチメントと称する磁気応用製品が開発され、市場に登場してきている。この製品には、口腔内という非常に厳しい腐食環境下で使用されかつ人体に使用するために厳しい安全性が要求され、非常に優れた耐食性が必須となっている。また、口腔内の歯の中ということからスペースが限られており、製品の小型化が必要なためにこれに使用される磁性材料には高い磁束密度と優れた軟磁性が求められている。この磁性材料として、１３Ｃｒ系および１８Ｃｒ系の軟磁性ステンレス鋼が使用されているが、医療用、生体用等のような非常に厳しい腐食環境下で、しかも厳しい安全性を要求される部位において使用される本事例の場合には、磁気特性は満足しているが、耐食性に問題があった。

特許第２６２７０２６号公報

特許文献１には、Ｃｒ，ＭｏおよびＴｉの添加量を最適化するとともに、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｓ，Ｎ，Ｏの添加量を極小化することにより、ＳＵＳ３１６並の高い耐食性と、磁束密度Ｂ_２０が１．１６〜１．２２Ｔ、保磁力Ｈｃが４７．８〜６３．７Ａ／ｍ以下の優れた磁気特性を有する歯科アタッチメント用軟磁性ステンレス鋼が開示されている。しかし、歯科アタッチメントには更なる吸引力向上が要望されており、前記軟磁性ステンレス鋼と同等の耐食性を維持しつつ、より優れた磁気特性を有する歯科アタッチメント用軟磁性ステンレス鋼が必要とされている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来鋼に比較し、口腔内という非常に厳しい腐食環境下においてＳＵＳ３１６(ＪＩＳ鋼)と同等以上の耐食性を維持しつつ、飽和磁束密度Ｂｓが優れた磁気特性を有する歯科アタッチメント用軟磁性ステンレス鋼を提供することを目的とする。

通常、磁束密度を向上させるためには、Ｆｅに対する（非磁性である）添加元素の量を減らすことが重要である。フェライト系ステンレス鋼において、Ｆｅに対する添加量が最も多い元素はＣｒであり、Ｃｒ添加量を減らすことができれば、磁束密度の向上が図れると考えられる。しかし、耐食性元素であるＣｒの添加量減少は、ステンレス鋼自体の耐食性を低下させることが予想され、単にＣｒの添加量を減少させただけでは、上記課題の解決には至らない。
本発明は、この課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、１４−１８％の比較的低Ｃｒ量において、微量のＳｎを添加することにより、口腔内においてＳＵＳ３１６並みの耐食性が得られるという新たな知見にもとづき本発明を完成するに到ったものである。

この知見に基づいて発明者らは、耐食性を確保するために必要な合金元素添加量を極小化するとの考えのもとに、ＣｒおよびＳｎを最適化することにより、Ｃ＋Ｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｓ、Ｓｉ、ＡｌおよびＳｎの合計添加量を極小化した。その結果、従来の冶金技術では達し得なかった必要最小限の添加量でＳＵＳ３１６並みの耐食性が得られ、かつ、添加量の最小化により高い飽和磁束密度Ｂｓを両立することができた。

本発明の歯科アタッチメント用軟磁性ステンレス鋼は、質量比にしてＣ；０．０２％以下、Ｓｉ；０．５０％以下、Ｍｎ；０．４０％以下、Ｓ；０．０１５％以下、Ｃｒ；１４．０〜１８．０％、Ｍｏ；０．３〜２．５％、Ａｌ；０．０２％以下、Ｔｉ；０．０５〜０．３０％、Ｎ；０．０２％以下、Ｏ；０．０１以下、Ｓｎ；０．０５〜１．００％からなり、残部がＦｅおよび不純物元素からなることを要旨とする。

以下に化学成分を限定した理由について詳細に説明する。
Ｃ；０．０２％以下
Ｃは磁気特性および耐食性を損なう元素であり、本発明においてはできるだけ低下させることが好ましく、その上限を０．０２％とした。
Ｓｉ；０．５０％以下
Ｓｉは鋼の脱酸に必要な元素であるが、磁束密度を劣化させ保磁力に効果のない元素のため、脱酸に必要な限度まで低減する必要があるので、上限を０．５０％とした。望ましくは、０．２０％以下がよい。

Ｍｎ；０．４０％以下
ＭｎはＳｉと同様に製鋼時の脱酸に必要な元素であるが、磁気特性を劣化させる。また、Ｓと結合してＭｎＳを形成し、耐食性を害するので、上限を０．４０％とした。望ましくは、０．３０％以下がよい。
Ｓ；０．０１５％以下
ＳはＭｎと結合し、ＭｎＳとしてステンレス鋼の耐食性を著しく損なう元素であるので、上限を０．０１５％とした。望ましくは、０．０１０％以下がよい。

Ｃｒ；１４．０〜１８．０％
Ｃｒはステンレス鋼に耐食性を付与する基本的な元素であり、Ｓｎの添加により減少させることが出来たとはいえ、ＳＵＳ３１６並の耐食性を確保するためには、少なくとも１４．０％以上含有させる必要がある。しかしながら、その含有量が増加すると、磁束密度などの磁気特性が劣化するので、その上限を１８．０％とした。
Ｍｏ；０．３〜２．５％
Ｍｏは耐食性を改善する元素であり、ＳＵＳ３１６並の耐食性を確保するためには、少なくとも０．３％以上含有させる必要がある。しかし、２．５％を越えて含有させると、磁気特性が劣化し、コスト高になるので、上限を２．５％とした。

Ａｌ；０．０２％以下
Ａｌは製鋼時の脱酸のために添加されるが、磁束密度を劣化し軟磁性に効果のない元素なので、その上限を０．０２％とした。
Ｔｉ；０．０５〜０．３０％
Ｔｉは、Ｍｏとの複合添加によりＭｏ添加に伴う軟磁性の劣化を打ち消す効果があり、高Ｃｒ−Ｍｏ系軟磁性ステンレス鋼には必須の元素である。また、磁束密度に対しては、低下の影響は少ない元素である。また、耐食性についても少量の添加で大幅に改善する元素である。特に、Ｍｏとの複合添加は効果的である。これらの効果を得るには、少なくとも０．０５％以上含有させる必要があり、その下限を０．０５％とした。しかし、０．３０％をこえて含有させると軟磁性が劣化するので、上限を０．３０％とした。

Ｎ；０．０２％以下
Ｎは磁気特性を損なう元素であり、その含有量をできるだけ低下させることが望ましく、その上限を０．０２％以下とした。
Ｏ；０．０１％以下
Ｏは磁気特性を損なう元素であり、その含有量をできるだけ低下させることが望ましく、その上限を０．０１％以下とした。

Ｓｎ；０．０５〜１．００％
Ｓｎは、本発明において最も重要な元素である。Ｓｎは、ＣｒやＭｏの合金化ならびに希少元素であるＮｉやＣｏ等の添加に頼ることなく、口腔内においてＳＵＳ３１６と同等以上の耐食性を確保するための必須元素である。本発明の目標とする耐食性を得るために、その下限値を０．０５％以上とした。しかし、過度の添加は、加工性や製造性の低下につながると共に、耐食性向上効果も飽和する。さらに、添加量の増加に伴い磁気特性の低下も招くことから、その上限値を１．００％以下とした。
Ｓｎ添加量の上限値は０．７０％以下、さらには０．５０％以下、さらには０．３０%以下であると好ましい。

本発明においては、１４−１８％の比較的低Ｃｒ領域において微量のＳｎを添加した上で、Ｃ＋Ｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｓ、Ｓｉ、Ａｌの合計添加量を極小化することにより、従来の冶金技術では達し得なかった必要最小限の添加量でＳＵＳ３１６以上の耐食性が得られ、かつ、高い飽和磁束密度Ｂｓを両立することができた。

歯科アタッチメントの断面図である。

次に本発明の特徴を比較鋼と比べて実施例でもって明らかにする。表１はこれらの供試鋼の化学成分を示すものである。

表１において、実施例１〜５は発明鋼であり、比較例１〜４は比較鋼である。比較例１〜４のうち、比較例１は文献１に記載された歯科アタッチメント用軟磁性ステンレス鋼に相当する成分である。比較例２はＳｎの添加量をゼロとし、それ以外は発明鋼である実施例１とほぼ同じ成分としたものである。比較例３はＳＵＳ４３０（ＪＩＳ鋼）に相当する成分である。比較例４はＳＵＳ３１６（ＪＩＳ鋼）に相当する成分である。

表１の供試鋼について、９００℃×２Ｈｒ保持し、次いで冷却速度１００℃／Ｈｒにて６００℃まで冷却し、その後は室温まで冷却するという熱処理を施した。この熱処理材から試験片を製作し、飽和磁束密度、磁気吸引力および耐食性について測定し、その結果を表２に示した。なお、飽和磁束密度は外部磁場１．５Ｔにおいて、５ｍｍφ×１ｍｍの試験片について、振動型磁化測定器にて測定した。また、磁化曲線から実施例１〜５はいずれも軟磁性材であることは確認した。

次に、磁気吸引力の測定方法について説明する。磁気吸引力は、歯科アタッチメント１に、キーパを吸着させて、これを垂直に引き離す力（磁気吸引力）として測定した。歯科アタッチメント１は、図１に示すごとく、ヨーク１１の凹部に磁石体１３を挿入した後、ディスク１２を挿入し、その外周端をヨーク１１に溶接して溶接部１４を設けて接合することにより得られた。尚、溶接部１４は、非磁性となるように構成した。より具体的には、上記ヨーク１１と上記ディスク１２の間に、非磁性耐食材料である非磁性ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）のリング部材１５を配設し、レーザ溶接によりこれらを接合した。ヨーク１１は、外径（ａ１）４．０ｍｍ、内径（ｂ）２．９ｍｍ、高さ（ｃ）１．２ｍｍと、前述のとおり、磁石体１３を挿入する凹部を設けた略円筒形状を有し、キーパ吸着面とは反対の上面側に最大径（ｄ）４．５ｍｍの略楕円形状の鍔部１６を有している。尚、ヨーク１１の外径はキーパ吸着面に向かうに従い縮径しており、キーパ吸着端面における外径（ａ２）は３．６ｍｍである。ヨーク１１は、表１の供試鋼を用い、冷間引抜後の丸棒から当該形状に切削加工することにより作製した。ディスク１２は、ヨーク１１と同材質からなる円板を用いた。また、キーパは、ヨーク１１と同材質からなり、直径３．６ｍｍ、高さ０．７ｍｍの形状に加工したものである。磁気吸引力は、引張試験機（オートグラフ (株)島津製作所製）の昇降部に取り付けられたロードセルに、専用の冶具を介して、前記歯科アタッチメント１の前記鍔部１６を固定し、引張速度０．５ｍｍ／ｍｉｎの条件により測定した。尚、キーパは引張試験機の架台に冶具を介して接着剤により接着させておく。

また、耐食性については、歯科アタッチメントのごとく口腔内環境下で使用されるので人工唾液による腐食試験を行った。試験片は、直径１０ｍｍ、高さ２０ｍｍからなり、エメリー研磨紙４００番で研磨したのち、バフ研磨して作製した。人工唾液は、Ｎａ２Ｓは０．００１６ｇ、Ｍｇ２Ｐ２Ｏ７は０．００１６ｇ、Ｍｕｃｉｎは４．００００ｇ、ＣＯ（ＮＨ２）２は１．００００ｇ、Ｎａ２ＨＰＯ４は０．６０００ｇ、ＣａＣｌ２は０．６０００ｇ、ＫＣｌは０．４０００ｇ、ＮａＣｌは０．４０００ｇからなる化合物を蒸留水に溶解し、１０００ｃｃの試験溶液を調製した。この人工唾液を３７℃に保持して、６カ月の期間の浸漬における発錆状況を観察した。評価は、発錆が０％の場合には評点を５とし、発錆が１０％未満の場合には評点を４、発錆が１０％以上で２５％未満の場合には評点を３、発錆が２５％以上で５０未満の場合には評点を２、発錆が５０％以上の場合には評点を１とした。なお、本発明において目標としているＳＵＳ３１６（１０５０℃加熱後、固溶化処理したもの）試験片での人工唾液による腐食試験においては、評価は４になった。

表２に示したように、人工唾液による腐食試験において、実施例１〜５はいずれも評価は５であり、ＳＵＳ３１６以上の耐食性が認められた。また、実施例１〜５はいずれも、比較例１に比べ飽和磁束密度（Ｂｓ）の向上がみられる。特に比較例１では１．７３Ｔと優れた値となっている。比較例１に対する実施例１〜５の飽和磁束密度（Ｂｓ）の向上率は約３〜８％程度であるが、飽和磁束密度の向上は磁気吸引力に２乗で寄与することが知られており、表２の磁気吸引力の値も比較例１に比して約６〜１６％の向上が見られる。義歯床内と言う微小な空間で利用される歯科アタッチメントにとっては、磁石構造体の吸着断面積や高さの増大を伴うことなく、磁気吸引力を向上させうることは重要な意味を持つことは明らかである。

尚、比較例２は実施例１とほぼ同じ成分であり、実施例１と同様に優れた飽和磁束密度・磁気吸引力を示しているが、Ｓｎが無添加であるため、耐食性が悪く、腐食試験の評価は１であった。このことからＳｎの添加による効果は明らかである。
以上より、本実施例においては、１４−１８％の比較的低Ｃｒ領域において微量のＳｎを添加した上で、Ｃ＋Ｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｓ、Ｓｉ、Ａｌの合計添加量を極小化することにより、従来の冶金技術では達し得なかった必要最小限の添加量でＳＵＳ３１６以上の耐食性が得られ、かつ飽和磁束密度Ｂｓが１．６５Ｔ以上という高い飽和磁束密度を両立することができた。本実施例を口腔内で使用される歯科用アタッチメントにおいて適用すると、従来と同等の耐食性を維持しつつ、磁気吸引力を約１０％向上させることができる。

１歯科アタッチメント
１１ヨーク
１２ディスク
１３磁石体
１４溶接部
１５リング部材
１６鍔部

Claims

質量比にしてＣ；０．０２％以下、Ｓｉ；０．５０％以下、Ｍｎ；０．４０％以下、Ｓ；０．０１５％以下、Ｃｒ；１４．０〜１８．０％、Ｍｏ；０．３〜２．５％、Ａｌ；０．０２％以下、Ｔｉ；０．０５〜０．３０％、Ｎ；０．０２％以下、Ｏ；０．０１％以下、Ｓｎ；０．０５〜１．００％からなり、残部がＦｅおよび不純物元素からなることを特徴とする歯科アタッチメント用軟磁性ステンレス鋼。
質量比にしてＣ；０．０２％以下、Ｓｉ；０．５０％以下、Ｍｎ；０．４０％以下、Ｓ；０．０１５％以下、Ｃｒ；１４．０〜１８．０％、Ｍｏ；０．３〜２．５％、Ａｌ；０．０２％以下、Ｔｉ；０．０５〜０．３０％、Ｎ；０．０２％以下、Ｏ；０．０１％以下、Ｓｎ；０．０５〜０．７０％からなり、残部がＦｅおよび不純物元素からなることを特徴とする歯科アタッチメント用軟磁性ステンレス鋼。