JP2024040014A

JP2024040014A - 抗菌性を有する鉄合金及びその製造方法

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Publication number: JP2024040014A
Application number: JP2022144816A
Authority: JP
Inventors: 光春李; ▲福▼賢張; 徹郎柴田; 尚範洪
Original assignee: Mta Co Ltd
Current assignee: Mta Co Ltd
Priority date: 2022-09-12
Filing date: 2022-09-12
Publication date: 2024-03-25
Also published as: WO2024058393A1

Abstract

【課題】製造性に優れ、安定して高い抗菌性を示し、しかも高い機械的特性を有する鉄合金及びその製造方法の提供。【解決手段】Ｃｕ又はＣｕ合金からなる分散相をＦｅ基合金からなるマトリクス相に与えた抗菌性を有する鉄合金である。質量％で、Ｃｕを、全体に対して１０～３０％、分散相で８０％以上、かつ、マトリクス相で２０％以下の範囲で含み、分散相の平均粒径を１００μｍ以下としたことを特徴とする。製造方法は、Ｆｅ基合金の母合金とともに、所定量のＣｕ材を高周波誘導炉に入れて１５５０℃以下で攪拌溶解し、鋳造することで、質量％で、Ｃｕを、全体に対して１０～３０％、分散相で８０％以上、かつ、マトリクス相で２０％以下の範囲で含み、分散相の平均粒径を１００μｍ以下とすることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、抗菌性を有するＦｅ（鉄）合金及びその製造方法に関し、特に、Ｃｕ（銅）による抗菌性を与えた抗菌性を有する鉄合金に及びその製造方法に関する。

抗菌性、あるいは殺菌性（以下、これらを単に「抗菌性」のように、まとめて称する。）を有する金属として、Ａｇ（銀）やＣｕ（銅）などがよく知られており、Ｚｎ（亜鉛）、Ｓｎ（錫）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）などの金属も抗菌性を有するとされる。かかる金属は、水中に溶出して金属イオンとなり、極微量でも抗菌作用を呈するとされている。

例えば、特許文献１では、一般的に、ステンレス鋼は抗菌性を有するが実用的に十分ではなく、ステンレス鋼の表面酸化皮膜のＣｕ濃度を高めてステンレス鋼の抗菌性を改善する方法を開示している。ここでは、ステンレス鋼特有の金属光沢を損なわず、表面処理によってステンレス鋼の抗菌性を改善する方法として、多孔質の酸化皮膜を表面に成長させたステンレス鋼板を陰極とし、クロム酸及び銅塩を含むリン酸水溶液からなる電解液中で、所定の電流密度及び電解液温度で陰極電解処理し、表面酸化皮膜のＣｕ濃度を高めるとしている。

また、特許文献２では、マルテンサイト系ステンレス鋼にＣｕを１．５～２．０重量％添加することで、組織内にＣｕリッチ析出相を均一に分布させて抗菌性を与えたステンレス鋼を開示している。硬さ及び耐食性を維持するためには、微細なＣｒ炭化物を組織内に均一に分布させた上で、Ｃｕリッチ析出相を分散させることが必要であるとしている。

特開平９－２９１３９７号公報特表２０１８－５００４６０号公報

ステンレス鋼にＣｕを含有させたＣｕ含有鉄合金の如きでは、抗菌性を与えるＣｕリッチ相の付与形態によってＣｕイオンの溶出量が異なり、抗菌性の程度も異なることになる。そのため、製造方法においてはＣｕリッチ相を再現性よく付与することが必要となる。また、鉄合金の機械的特性に、抗菌性を与えるためのＣｕが及ぼす影響を考慮しなければならない。

本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、製造性に優れ、安定して高い抗菌性を示し、しかも高い機械的特性を有する鉄合金及びその製造方法を提供することにある。

本発明者らは、二液相分離し比重差によって凝固時に大規模な偏析を生じやすい銅－鉄二相合金の性質を利用し、所定の既知の成分組成の鉄基合金、典型的にはＣｒを含むステンレス合金のマトリクス相（母相）に対して、銅又は銅合金からなる抗菌分散相を与えることで安定した抗菌性を有する鉄合金を得られることを見いだした。

すなわち、本発明による鉄合金は、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる分散相をＦｅ基合金からなるマトリクス相に与えた抗菌性を有する鉄合金であって、質量％で、Ｃｕを、全体に対して１０～３０％、前記分散相で８０％以上、かつ、マトリクス相で２０％以下の範囲で含み、前記分散相の平均粒径を１００μｍ以下としたことを特徴とする。かかる特徴によれば、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる分散相による安定的で高い抗菌性を得られ、かつ、製造性にも優れるのである。

上記した発明において、質量％で、前記マトリクス相はＦｅにＣｒを１０～３０％の範囲で含むとともに、前記分散相のＣｒ量を、質量％で、１０％以下とすることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、鉄合金の表面酸化物の発生を抑制し分散相による安定的でより高い抗菌性を得られるのである。

また、本発明による製造方法は、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる分散相をＦｅ基合金からなるマトリクス相に与えた抗菌性を有する鉄合金の製造方法であって、前記Ｆｅ基合金の母合金とともに、所定量のＣｕ材を高周波誘導炉に入れて１５５０℃以下で攪拌溶解し、鋳造することで、質量％で、Ｃｕを、全体に対して１０～３０％、前記分散相で８０％以上、かつ、マトリクス相で２０％以下の範囲で含み、前記分散相の平均粒径を１００μｍ以下とすることを特徴とする。かかる特徴によれば、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる分散相による安定的で高い抗菌性を有する鉄合金を高い製造性を持って得られるのである。

本発明の実施形態に従って製造された鉄合金の断面組織写真である。「Ｓ１０」及び「Ｓ２０」のＣｕ及びＣｒの含有量、及び鋳造後の引張強さを示す表である。（ａ）「Ｓ１０」及び（ｂ）「Ｓ２０」の断面組織の写真である。「Ｓ１０」の（ａ）Ｄ５０を４５μｍ未満とする粉体、（ｂ）Ｄ５０を４５μｍ以上とする粉体、「Ｓ２０」の（ｃ）Ｄ５０を４５μｍ未満とする粉体、及び、（ｄ）Ｄ５０を４５μｍ以上とする粉体の電子顕微鏡写真である。「Ｓ１０」及び「Ｓ２０」を含む各種金属片を用いた抗菌試験後の培地の外観写真である。

本発明による１つの実施例としての鉄合金及びその製造方法について、図１を用いて説明する。

図１に示すように、本実施例における鉄合金１０は、Ｆｅ基合金からなるマトリクス相１にＣｕ又はＣｕ合金からなる分散相２を微細に分散させた合金である。鉄合金１０では、質量％で、Ｃｕを全体に対して１０～３０％で含む。特に、分散相２によって高い抗菌性を付与するため、Ｃｕは、質量％で、分散相２において８０％以上含有され、マトリクス相１において２０％以下の範囲で含有を許容される。Ｃｕは、さらに、分散相２において、質量％で、８５％以上含有されることが好ましく、９０％以上含有されることがより好ましい。他方、Ｃｕは、マトリクス相１において含有を許容される量として、質量％で、１０％以下であることが好ましく、８％以下であることがより好ましく、５％以下であることがさらに好ましい。

また、分散相２は平均粒径を１００μｍ以下とされて微細に分散するようにされる。これにより、母合金であるＣｕを含有しないＦｅ基合金並みの機械的強度を維持しつつ、分散相２による高い抗菌性を部材の表面全体に付与させることができる。つまり、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる分散相２による安定的で高い抗菌性を鉄合金１０に付与できる。

さらに、マトリクス相１は、ＦｅにＣｒを１０～３０質量％の範囲で含むとともに、分散相２におけるＣｒ量を１０質量％以下とすることも好ましい。これによって、分散相２の抗菌性を阻害することなく、マトリクス相の有する成分組成に相当するステンレス鋼と同等の機械的強度を付与するとともに、鉄合金１０の表面酸化物の発生を抑制し得る。なお、分散相２におけるＣｒの含有量は質量％で、７％以下であることがより好ましく、５％以下であることがさらに好ましい。

ところで、Ｆｅに対するＣｕの固溶限は高くなく、例えば２０質量％以上などの、固溶限を超えるような量のＣｕを含有させると、固溶できないＣｕによる重力偏析を生じやすい。

そこで、鉄合金１０においては、固溶できないＣｕを分散相２としてマトリクス相１に微細に分散配置させるような製造方法によって製造する。具体的には、Ｆｅ基合金からなる母合金とともに所定量のＣｕ材を高周波誘導炉に入れて１５５０℃以下で攪拌溶解し、鋳造するのである。このように、高周波誘導炉を用いる製造性に優れる方法で鉄合金１０を得ることができる。なお、Ｃｕ材は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、及びその合金成分の組み合わせなどである。

また、分散相２の分散配置を容易にするため、材料の溶解の手順においても工夫をすることが好ましい。例えば、１００ｋｇのＳＵＳ４３０（ＳＵＳは登録商標）を母合金として約１０質量％のＣｕを含有する鉄合金１０を製造する場合について説明する。まず、溶解炉の下部に１１ｋｇのＣｕのうち半分の５．５ｋｇを装入し、その上に１００ｋｇのＳＵＳ４３０を投入し、溶解を開始する。このとき溶湯の温度が１，５５０℃を超えないように溶解炉の出力を調整する。溶解させながら１１０ｇのフェロシリコン（Ｆｅ－Ｓｉ）を２２ｇずつ５回に分けて投入する。ＳＵＳ４３０の全量が溶解した後にＣｕの残量５．５ｋｇを投入し全て溶解させる。最後に１１０ｇのＡｌを投入し脱酸を行う。そして鋳型に溶湯を注ぎ込んでインゴットを得る。つまり、Ｃｕを２回に分けて装入し、全体的に分散配置しやすくするのである。このようにして得たインゴットにおいて、Ｃｕによる分散相２が微細に分散した鉄合金１０とし得る。

また、得られた鋳造材において、Ｃｕの融点以下の温度で熱処理を行うことも好ましい。ＣｕのＦｅに対する固溶限は低温側において低くなる。そのため、Ｃｕの融点以下の比較的低温での熱処理によってマトリクス相１に固溶したＣｕを析出させ、Ｃｕによる分散相２の分散配置を促進させ得る。

鋳造材を得た後は、さらに必要に応じて、鍛造、圧延、熱処理を行う。なお、その他のフェライト系ステンレスを母合金とする場合についても同様の製造方法とできる。

［製造試験］
鉄合金１０を上記した方法により製造し、各種試験に供した結果について説明する。試作した鉄合金１０は、ＳＵＳ４３０に約１０質量％のＣｕを含有させた「Ｓ１０」と、約２０質量％のＣｕを含有させた「Ｓ２０」の２種類である。

図２に示すように、成分分析の結果、「Ｓ１０」及び「Ｓ２０」は、それぞれ同図に示された量のＣｒ及びＣｕを含有していた。また、インゴットを製造した鋳造後の状態で引張試験を行った結果、ＳＵＳ４３０と同等程度の引張強さを有していた。

図３に示すように、断面組織を顕微鏡観察した。「Ｓ１０」（同図（ａ）参照）及び「Ｓ２０」（同図（ｂ）参照）のいずれも、Ｃｕによる平均粒径を１００μｍ以下とする微細な分散相２を分散配置させていることが判った。なお、Ｃｕの含有量の多い「Ｓ２０」の方が分散相２の数が多く、平均粒径も大きい傾向にあることが判った。

図４に示すように、上記で得た「Ｓ１０」及び「Ｓ２０」を用いて、ガスアトマイズ法にて製造した粉体を電子顕微鏡で観察した。粉体は、「Ｓ１０」及び「Ｓ２０」のそれぞれの合金種に対してＤ５０を４５μｍ未満とするもの、Ｄ５０を４５μｍ以上とするものの２通りを用意した。いずれにおいても、Ｃｕによる分散相２が表面に分散して存在していた。

図５に示すように、「Ｓ２０」について母合金として用いたＳＵＳ４３０と比較しつつ、サルモネラ菌を用いた抗菌試験を行った。試験方法は、「Ｓ１０」及び「Ｓ２０」を含む各種金属による試験片の上に菌液を２５μＬ滴下し、滴下直後から所定時間経過毎に爪楊枝の先で菌液のサンプルを採取し、培地に接種・培養し観察した。同図に示すように、「Ｓ１０」及び「Ｓ２０」においては滴下後５分でサルモネラ菌が死滅しており、高い抗菌性を有することが判った。

また、「Ｓ１０」について、ＪＩＳＺ２８０１：２０１２に従って、黄色ブドウ球菌、大腸菌、及び、ネズミチフス菌に対する抗菌活性値を求めたところ、それぞれ、４．７、６．３、及び、５．８となった。「Ｓ１０」についても高い抗菌性を有することが確認された。

なお、Ｎｉを含有するＳＵＳ３１６などのオーステナイト系ステンレスを母合金とする場合においても、上記と同様のＣｕ又はＣｕ合金からなる分散相を微細に分散させた高い抗菌性を有する鉄合金を得ることができる。

ここまで本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれらの例に限定されるものではない。また、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１マトリクス相
２分散相
１０鉄合金

Claims

Ｃｕ又はＣｕ合金からなる分散相をＦｅ基合金からなるマトリクス相に与えた抗菌性を有する鉄合金であって、
質量％で、Ｃｕを、全体に対して１０～３０％、前記分散相で８０％以上、かつ、マトリクス相で２０％以下の範囲で含み、
前記分散相の平均粒径を１００μｍ以下としたことを特徴とする鉄合金。
質量％で、前記マトリクス相はＦｅにＣｒを１０～３０％の範囲で含むとともに、前記分散相のＣｒ量を、質量％で、１０％以下とすることを特徴とする請求項１記載の鉄合金。
Ｃｕ又はＣｕ合金からなる分散相をＦｅ基合金からなるマトリクス相に与えた抗菌性を有する鉄合金の製造方法であって、
前記Ｆｅ基合金の母合金とともに、所定量のＣｕ材を高周波誘導炉に入れて１５５０℃以下で攪拌溶解し、鋳造することで、
質量％で、Ｃｕを、全体に対して１０～３０％、前記分散相で８０％以上、かつ、マトリクス相で２０％以下の範囲で含み、
前記分散相の平均粒径を１００μｍ以下とすることを特徴とする鉄合金の製造方法。
鋳造材をＣｕの融点以下の温度で熱処理することを特徴とする請求項３記載の鉄合金の製造方法。
質量％で、前記マトリクス相はＦｅにＣｒを１０～３０％の範囲で含むとともに、前記分散相のＣｒ量を、質量％で、１０％以下とすることを特徴とする請求項３又は４に記載の鉄合金の製造方法。