JP3919581B2 - ステンレス・ゲルマニウム合金製浴槽 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐腐食性と美観に優れたステンレス材と、これを含んで構成されたステンレス製品に係り、特に詳細にはゲルマニウムを含むステンレス・ゲルマニウム合金製の浴槽に関する。
【０００２】
【従来の技術】
クロムを１２％以上含む鋼は、表面にクロムの酸化皮膜が形成されて不動態化するので、耐腐食性に富んでいる。このため、クロムを１２％以上含むものはステンレス鋼材と呼ばれ、これには金属組織の上からマルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系の三種がある。ステンレス鋼材は比較的安価な鋼材であるので、工業材料や家庭製品等に幅広く適用され、例えば、特開平６−３３５４３４号や実開昭５７−１５９７９３で説明されているように、全身浴や半身浴等に用いられる浴槽向けの材料としても利用することができる。
【０００３】
ゲルマニウムを含むステンレス鋼材に関する従来技術としては、例えば特開昭５１−４０１７号が知られている。この公報には、ステンレス合金の欠点である孔食、隙間腐蝕、応力腐蝕割れ、水素脆性等の腐蝕に関与した材料の消耗や破壊を起こさず、高強度で耐疲労性のある新規なアモルファス鉄合金が開示されている。
また、特開２００１−２２０５４８号では、トルマリン、黒曜石、黒鉛けい石、セラミック等の遠赤外線放射材を樹脂材に含有させ、遠赤外線効果を発生させる浴槽が開示されている。なお、同公報では、遠赤外線放射材をＦＲＰやステンレス等に塗布することで、遠赤外線効果を発生させる浴槽も開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開昭５１−４０１７号に示される合金では、加工性が不充分で、表面の光沢も不充分であるという欠点がある。このため、上述の特開平６−３３５４３４号や実開昭５７−１５９７９３号で説明されるような浴槽を製造する際に必要な曲げ、伸ばし、切削等の加工が容易でなく、美観も劣る欠点があった。
【０００５】
本発明は、上記の従来技術を鑑みて完成されたものであり、その目的とするところは、加工性能と耐腐食性に優れ、表面の光学性が良好なステンレス・ゲルマニウム合金製浴槽を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るステンレス・ゲルマニウム合金製の浴槽は、クロムを１２重量％以上含有するステンレス鋼材を基材とするステンレスと、５重量％未満のゲルマニウムと、ゲルマニウムに対して１０重量％未満のインジウムと、を含有するステンレス・ゲルマニウム合金を成形したステンレス・ゲルマニウム合金製浴槽であって、ゲルマニウムは、インジウムによって導電型をＰ型にされていると共に、入浴者の皮膚が接触する浴槽の外表面で偏析していることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、ゲルマニウムを含まないステンレス材と比べて加工による硬化性（ディスロケーション）が充分で、弾力性（弾発性）も充分であり、多様な製品を製造する際に必要な曲げ、伸ばし、切削等の浴槽の加工が容易となる。また、耐腐食性に優れ表面はプラチナに近い光沢を呈する特徴がある。そして、ゲルマニウムを含有していることにより、遠赤外効果による健康増進と治療効果を同時に実現できる。
【０００８】
また、本発明によれば、ゲルマニウムに対して１０重量％未満のインジウムを含有しているため、プラチナのような貴金属と同等の輝きが得られつつ、Ｐ型ゲルマニウムによる遠赤外効果が得られやすい。
【０００９】
また、本発明によれば、浴槽に満たされる温水によってゲルマニウム効果が高まるだけでなく、入浴者の皮膚に接触する面積も大きいので、治療や健康増進効果は更に向上する。
【００１０】
本発明において、合金の基材となるステンレス鋼材は、クロムを１２重量％以上、ニッケルを８重量％以上それぞれ含有し、残部を鉄とすることが望ましく、ニッケルが８重量％未満では加工性が低下し勝ちである。この場合、ゲルマニウムの含有量が５重量％未満であることが、加工性の点で特に望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係るステンレス材は、ステンレス鋼材にゲルマニウムを含有させたステンレス・ゲルマニウム合金を含んで構成されたステンレス製品（特に、浴槽）に係り、ステンレス製品にはコンクリート筋や配管やドアノブのような建築材料、その他の各種工業材料、台所キッチン、食器等の家庭用品の他、腕時計のベルトや眼鏡のつる、各種アクセサリーのような装身具が含まれる。
【００１２】
一般に、クロムを１２％以上含むものはステンレス鋼材と呼ばれ、これには金属組織の上からマルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系の三種がある。マルテンサイト系の基本構成はクロムが１３％なので１３Ｃrステンレス鋼材と呼ばれ、フェライト系はクロムが１８％なので１８Ｃrステンレス鋼材と呼ばれ、オーステナイト系はクロムが１８％でニッケルが８％なので１８−８ステンレス鋼材と呼ばれる。いずれも耐腐食性に富み、比較的安価な鋼材である。
【００１３】
ステンレス鋼材は、クロムを１２重量％以上、ニッケルを８重量％以上それぞれ含有し、残部を鉄とするものであり、この点でも特開昭５１−４０１７号等とは根本的に相違する。なお、ニッケルが８重量％未満では加工性が低下し勝ちであり、ニッケルを多くすることで柔らかくして加工を容易にできる。
【００１４】
本実施形態に係るステンレス・ゲルマニウム合金は、上記のようなステンレス鋼材に、ゲルマニウムを含有させたステンレス・ゲルマニウム合金である。ここで、鉄を主成分とし、ニッケルとクロムを含ませたステンレス鋼材では、加工性や金属光沢性が不充分であるが、ゲルマニウムを含ませることによりステンレスにゲルマニウムが混ざって結びつき、加工による硬化性（ディスロケーション）が良好となる。また、弾力性（弾発性）も向上し、多様な製品を製造する際に必要な曲げ、伸ばし、切削等の加工も容易である。また、ステンレス材の耐腐食性を維持し、安価な金属材料である鉄等を基材としながら、その表面は貴金属の代表例であるプラチナに匹敵する美観と光沢を呈する特徴がある。
【００１５】
本実施形態のステンレス・ゲルマニウム合金は、１０重量％未満のゲルマニウムを含有するものであり、特に望ましくは５重量％未満であり、この含有量は０．２重量％程度の微量であっても優れた効果を奏することが確認できた。
【００１６】
本実施形態のステンレス・ゲルマニウム合金において、更に微量のインジウムを含有しても良く、その量はゲルマニウムの重量に対して１０重量％未満である。このようにすれば、ゲルマニウムの導電型をP型にして、装身具のような人体の皮膚に接触する製品に使用した時の遠赤外線によるゲルマニウム効果を発揮できる。
【００１７】
次に、具体的な実施例を説明する。実施例１は、ゲルマニウムの含有量を色々と変化させて、ゲルマニウム含有の効果を検討したものであり、実施例２はゲルマニウムの含有量を一定にしてステンレス鋼材のニッケル、クロムの含有量を異ならせたものである。なお、合金の基材となるステンレス鋼材としては、例えばSUS３０４（１８Cr−８Ni）が適用可能であり、合金温度は１２００〜１４００℃である。また、消鈍は９００〜１１００℃程度で行うことができる。
【００１８】
実施例１
実験に用いた基材はSUS３０４（１８Cr−８Ni）とし、各サンプルには以下の量のゲルマニウムを含有させた。なお、合金の形状は直径が概ね１２．１ｍｍで厚さが７．６ｍｍのボタン形状とし、溶解はアーク溶解法を用い、溶解重量は５グラムとした。
サンプル０１…Ge：含有せず
サンプル０２…Ge：０．２重量％
サンプル０３…Ge：０．６重量％
サンプル０４…Ge：１．０重量％
サンプル０５…Ge：５．０重量％
サンプル０６…Ge：１０．０重量％
サンプル０７…Ge：１５．０重量％
サンプル０８…Ge：２０．０重量％
サンプル０９…Ge：２３．０重量％
サンプル１０…Ge：２４．０重量％
サンプル１１…Ge：２５．０重量％
このような各サンプルに対し、
（１）加工率９０％、厚さ０．７５ｍｍの圧延材を作成し、そのビッカース硬度を測定する（硬度Ｉ）、
（２）上記の圧延材の長さを測定し、これを加工前の長さで除して伸び率（倍率）を求める（倍率ＩＩ）、
（３）上記の圧延材（長さ７８．６〜８７．０ｍｍ）を直角に折り曲げ、曲げ加工性（バネ性）を測定する、
という試験を行った。
【００１９】
その結果、０．２〜１０．０重量％のゲルマニウムを含有するサンプル２〜０６のいずれもが、加工率９０％以上が可能であったが、サンプル０７（Ge：１５．０重量％）は加工率４６％で割れが発生し、サンプル０８（Ge：２０．０重量％）は加工率６％で割れが発生した。そして、サンプル０９〜１１（Ge：２３．０〜２５．０重量％）では圧延１回で割れが発生した。従って、加工性の点でゲルマニウムの含有率は１０重量％未満とすべきことがわかった。
【００２０】
また、サンプル２〜０６の硬度（ＨＶ）と伸び率（倍率）は、以下の通り、
サンプル０１：硬度Ｉ＝４７８、倍率ＩＩ＝７．０７、
サンプル０２：硬度Ｉ＝４３６、倍率ＩＩ＝７．１３、
サンプル０３：硬度Ｉ＝４３３、倍率ＩＩ＝７．２５、
サンプル０４：硬度Ｉ＝４４６、倍率ＩＩ＝７．１２、
サンプル０５：硬度Ｉ＝４７０、倍率ＩＩ＝６．９５、
サンプル０６：硬度Ｉ＝５２５、倍率ＩＩ＝６．３９、
であり、グラフに示すと、図１に示す通りであった。
【００２１】
ビッカース硬度はゲルマニウムの含有量が０．６重量％の時に最低値を示し、５重量％程度を超えるとゲルマニウムを含まないステンレス材の硬度を超えることがわかる。伸び率についても、ゲルマニウムの含有量が０．６重量％の時に最高値を示し、５重量％程度を超えると低下することがわかる。
【００２２】
曲げ加工試験では、全てのサンプルが直角に折り曲げると割れが生じたので、破面を観察して定性的に曲げ加工強さを比較したところ、最も強かったのはサンプル０２（Ge：０．２重量％）だった。ゲルマニウムの含有率順に並べると、
０．２＞１．０＞０．６＞０．０＞５．０＞１０．０
となり、ゲルマニウム含有率が５重量％程度を超えると、曲げ加工強さがゲルマニウムを含まないステンレス材を下回ることがわかる。
【００２３】
したがって、本発明のステンレス・ゲルマニウム合金においては、遠赤外線によるゲルマニウム効果を効果的に発揮させることのみを考慮すると、ゲルマニウムの含有率は３０重量％以下が望ましいと言い得るが、加工性能を考えるとゲルマニウムの含有率は１０重量％未満、特に望ましくは５重量％未満となる。
【００２４】
実施例２
実験では、ゲルマニウムの含有量を５重量％一定にして、ステンレス鋼材のニッケル、クロムの含有量を異ならせた。具体的には、
サンプル２１…（１６Cr−１０Ni）
サンプル２２…（１２Cr−１５Ni）
サンプル２３…（１５Cr−１８Ni）
サンプル２４…（１８Cr−２０Ni）
を用い、それぞれに５．０重量％のゲルマニウムを含有させた。アーク溶解で５グラムのボタン状合金を作成した。
【００２５】
次に、これらのサンプル２１〜２４について、
（１）圧延ロールで厚さ１．５ｍｍに加工し、ビッカース硬度を測定する（測定値Ａ）、
（２）バーナーによる焼鈍、急冷、酸処理の後、圧延ロールで厚さ１．０ｍｍに加工し、ビッカース硬度を測定する（測定値Ｂ）、
（３）９００℃、２０回転の還元雰囲気ベルトコンベア炉で焼鈍し、ビッカース硬度を測定する（測定値Ｃ）、
（４）加工長さを測定する（測定値Ｄ）、
という試験を行った。
【００２６】
その結果は、以下の通り、
サンプル２１：Ａ＝５４８、Ｂ＝５０８、Ｃ＝４４７、Ｄ＝５７
サンプル２２：Ａ＝４９７、Ｂ＝４４２、Ｃ＝４１８、Ｄ＝６３
サンプル２３：Ａ＝４８１、Ｂ＝４１９、Ｃ＝３５５、Ｄ＝６５
サンプル２４：Ａ＝４５８、Ｂ＝３８３、Ｃ＝３３４、Ｄ＝７０
となった。いずれも冷間加工が可能であり、ゲルマニウムを含む場合でも、ニッケルを多くすることで柔らかくて延びやすく、加工性を向上できることがわかった。
【００２７】
実施例3
半導体としてのゲルマニウムの導電型をＰ型にするために好適に用い得るドーパント材としてインジウムが挙げられるが、この添加量と圧延の可・不可について検討した。その結果、ゲルマニウムを１０重量％とし、ゲルマニウムに対してインジウムを１０重量％とした時を境界として、これ以上、インジウムを増やすと圧延が困難になることがわかった。また、ゲルマニウムを減少させると圧延が容易となり、ゲルマニウムを７重量％とし、ゲルマニウムに対してインジウムを１０重量％とした時でも、やや困難ながら圧延は可能であることが判明した。
【００２８】
ここで、ゲルマニウムの遠赤外効果について言及すれば、これは非イオン化作用としての比熱作用による温熱効果と呼ぶことができる。すなわち、遠赤外線のような電磁波の生体（人体）に対する作用については、イオン化作用と非イオン化作用があり、非イオン化作用には熱作用と非熱作用が知られている。イオン化作用は主としてエネルギーの大きい短波長の電磁波（例えば放射線や紫外線）によりもたらされ、長波長の電磁波（例えば赤外線）の場合には、非イオン化作用として熱作用と非熱作用がもたらされる。
【００２９】
赤外線が生体に照射された場合には、吸収したエネルギーにより生体内で温度上昇が起り、いわゆる温熱効果が発揮される。ところが、波長が１００ミクロン程度の遠赤外線の場合には、上記の熱作用に加えて、照射された微弱な電磁波が生体に直接作用し、いわゆる非熱作用が発揮される。
【００３０】
これについてFrohlichは、１９６０年代より次のようなモデルを提唱している。すなわち、生体にはコヒーレントな多数の振動モードが存在しているが、エネルギーが供給されると振動が特定のモードに集中し、マクロな秩序を持った励起が生じ得ること、同一振動数のモード間に遠距離の相互作用が生じ得ること、を明らかにしている。そして、このモデルに基づいて、遠赤外線からマイクロ波にかけての波長領域で生体に非熱作用がもたらされる可能性があることを示唆している。
【００３１】
例えば、重要な生体構成物質であるミトコンドリアは、電子伝達系およびこれに共役してADPからATPを合成するが、このATPの生成過程において上記の非熱作用が関与することが予想される。ちなみに、布施正らは「赤外線技術」第１２号（１９９７年）において、細胞内のオルガネラであるミトコンドリアに対する波長１００ミクロン帯の遠赤外線の非熱作用を実験的に確認・検討している。
【００３２】
ここで、ゲルマニウムは間接遷移型の半導体であり、そのバンドギャップエネルギーは０．６７ｅＶ（近赤外相当）であるが、ホール（正孔）には重いホールと軽いホールの二種類があり、液体ヘリウム温度に冷却して電場と磁場を印加すると、これらのホールに関係した波長１００ミクロンオーダーの遠赤外線を放射することが知られている。例えば、小宮山進はIII族原子の不純物を含むＰ型ゲルマニウムを用いて半導体レーザーを試作し、液体ヘリウムで冷却しながら波長８０〜１２０ミクロンの遠赤外線レーザー発振を確認している（「固体物理」第３１巻第４号（１９９６年））。
【００３３】
上記論文の筆者（小宮山）が推測する遠赤外線の放射メカニズムを概説すると、Ｐ型ゲルマニウム（間接遷移型半導体）が極低温の状態では多量のホールはガンマ点（バンドの頂上）に縮退しているが、直交する電場と磁場を印加すると、いわゆるサイクロトロン運動を始める。このとき、重いホールは軽いホールに比べると８倍程度も有効質量が大きいため、短時間で光学フォノンに等しい運動エネルギーを持つようになる。すると、直ちに光学フォノンを放出して再び重いホール帯に戻るが、一部は軽いホール帯に散乱する。
【００３４】
このようにして軽いホールの蓄積が起り、重いホールに対して反転分布が生じる。この軽いホールは電場により運動エネルギーを得て、これが所定のエネルギーレベルに達すると重いホール帯に直接光学遷移し、波長１００ミクロン帯の遠赤外線を放射することとなる。
【００３５】
ゲルマニウムの遠赤外効果は、このような二つの実証された事実から説明することができる。要約すれば、Ｐ型ゲルマニウムの微結晶を含む銀合金を人体に当接すれば、絶対温度３００度程度のＰ型ゲルマニウムは波長１００ミクロン内外の遠赤外線を放出することとなり、これが人体に対して熱作用と共に非熱作用をもたらす。
したがって、特に家庭やホテルの浴槽として用いる時は、ステンレス・ゲルマニウム合金に含まれるゲルマニウム（望ましくは微量のインジウムも添加）が、温水の熱によって暖められて遠赤外線放射が促進され、所謂ゲルマニウム効果が更に高まる。また、ゲルマニウムを含む浴槽の外表面と入浴者の皮膚が接触する面積も大きいので、治療や健康増進効果は更に向上する。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、加工による硬化性に富み、通常のステンレス材より弾性力（弾発性）の向上があり、プラチナのような貴金属に匹敵する美観を奏し、しかもステンレス鋼材の耐腐食性と同等若しくはそれ以上の耐腐食性を持つステンレス・ゲルマニウム合金製の浴槽を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１の結果を示す図である。

Claims (2)

1. クロムを１２重量％以上含有するステンレス鋼材を基材とするステンレスと、
   ５重量％未満のゲルマニウムと、
   前記ゲルマニウムに対して１０重量％未満のインジウムと、を含有するステンレス・ゲルマニウム合金を成形したステンレス・ゲルマニウム合金製の浴槽であって、
   前記ゲルマニウムは、前記インジウムによって導電型をＰ型にされていることを特徴とするステンレス・ゲルマニウム合金製の浴槽。
2. 前記ステンレス鋼材は、クロムを１２重量％以上、ニッケルを８重量％以上それぞれ含有し、残部を鉄としていることを特徴とする請求項１記載のステンレス・ゲルマニウム合金製の浴槽。

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