JP4277132B2

JP4277132B2 - 歯間ブラシ用ワイヤー及び歯間ブラシ製品

Info

Publication number: JP4277132B2
Application number: JP2002252022A
Authority: JP
Inventors: 陽一鈴木
Original assignee: Nippon Seisen Co Ltd
Current assignee: Nippon Seisen Co Ltd
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2022-07-25
Also published as: JP2004060043A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操作性と耐久性にすぐれ、洗浄用あるいは清掃用などとして用い得る改良された歯間ブラシ軸線用のワイヤーと、該ワイヤーを用いてなる歯間ブラシ製品に関する。
【０００２】
【従来技術】
歯間ブラシは、軸線となる金属細線を例えば２つに折り曲げてより合わせ、その間にブラシ毛束を挟持固定するとともに、その基端部には太径の樹脂材料などでなる把持部を設けたものであって、前記金属細線は、狭い歯間への挿通性と曲げ変形・座屈に耐え得る強度、並びに衛生的配慮から、例えば０．２〜０．４ｍｍ程度の太さのステンレス鋼ワイヤーが一般に使用されている。
【０００３】
ところで、このような細い軸線によって構成した歯間ブラシで、強固に付着した歯垢や歯間に残る残留物などを確実に除去する為には、繰り返してブラッシングされるものの、例えば前記軸線が軟らかく容易に変形したり、破断しやすいものではこのようなブラッシングには適さず、歯間ブラシ製品としての適性を欠くものであり、ワイヤー自体の適否が極めて重要である。また、このブラシ製品は、前記したようにワイヤー同士を強くより加工しブラシ毛を挟持するものであることから、ばね線のように強度を大きくしたものでは、より加工でのスプリングバックによってブラシ毛の保持が困難となることから、逆に軟質特性のものが望まれる。このように歯間ブラシは、これを使用する場合と製造する場合とで相反する関係にあり、調和された特性の金属ワイヤーが求められている。
【０００４】
従来、このような用途に用いるワイヤーとしては、例えばＳＵＳ３０４や３１６材などの一般的な軟質ステンレス鋼線が容易に着想され、実際に使用されてはいるものの、これらワイヤーを歯間に挿通しやすい前記太さにしたものでは、ブラッシングに耐える強度（断線）が確保されず、寿命的に短いという問題がある。この為、例えば特開平７−２２７３１５号公報、特開平１０−１５２７５８号公報、特開平１１−３４６８３１号公報などが提案されてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記各公報はいづれも用いる金属ワイヤーの種類、分量を規定した歯間ブラシに関するものであって、例えば、前者特許ではＣｏを３０〜６０％含有したＣｏ合金によるものとし、一方、次公報及び最後者公報では、ＭｎやＮを高くすることで強度を大きくしたステンレス鋼線で構成することとしているが、これら従来技術によるワイヤーはいづれも引張強さ９００〜１１００ＭＰａ程度に留まる比較的軟らかいものであり、特に強固なブラッシングの為の歯間ブラシとしては十分とは言い難いものである。
【０００６】
また、前者公報による歯間ブラシでは、高価なＣｏを多量に含有することから材料コストが大きく、しかもその実施例として示されている合金は、いづれも１０〜３０％程度と多量のＮｉを含んでいることからＮｉアレルギーの問題も懸念されるものである。したがって、この線材については、例えば線表面に樹脂被覆などを施してＮｉ溶出が生じないようにしておくことが必要となり、工程や手間の付加、コストアップなどの問題が生じるなど好ましいものとは言い難い。
【０００７】
一方、ステンレス鋼である次特許では、その実施例として１７〜１９％の高Ｍｎ，かつ０．６５％以上の高Ｎを添加したものについてのみ例示されているが、このように多量のＮやＭｎを含有するものでは、溶解や熱間圧延に高度の技術が必要となるばかりでなく、伸線加工やより加工において材料割れが生じやすく、加工歩留りが著しく低いという加工上の問題がある。この為、材料コストアップにより製品の普及を妨げるとともに、割れを内存したようなものでは到底ブラシ製品としての安全性を欠くものとなる。
【０００８】
また最後者公報のものについても、得られた引張強さや伸びなどの機械的特性は前記各特許のものに比して同等程度のものであり、また成分的にも、約１０％程度のＮｉを含んでいることからＮｉアレルギーの問題や材料費が高いなどの点において未だ改善の余地が残されている。
【０００９】
このように、従来から提案されてきた各金属材料は、歯間ブラシとして十分な強度特性のものではなく、操作性、耐久性などにおいて満足できるものとは言い難い。そこで、本発明者はこれら要件を満足する新たな材料開発に取り組み、ここにその完成を見た。
【００１０】
【課題を解決する為の手段】
すなわち本発明は、質量で、Ｃ：０．０８〜０．１５％，Ｓｉ≦１．０％，Ｍｎ≦２．０％，Ｎｉ：４．５〜７．０％，Ｃｒ：１５．５〜１７．５％，Ｍｏ：０．０５〜０．５％，Ｎ：０．０５〜０．３０％を含有するとともに２Ｃ＋Ｎを０．３〜０．６％に調整し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼線でなり、かつ該線の引張り試験における破断伸び４０〜６０％、引張強さ１２００ＭＰａ以上の特性を備えることを特徴とする歯間ブラシ用ワイヤーである。
【００１１】
また、請求項２発明では、前記ステンレス鋼線は、前記引張試験における０．２％耐力に位置するポイントＡと最大応力を示すポイントＢとを結ぶ直線Ｘの傾きが５０〜３００Ｎ／ｍｍ２の範囲内にしたものである。
【００１２】
さらに請求項３の発明は、前記いづれかに記載のブラシ用ワイヤー同士をより合わせて、該ワイヤー間にブラシ毛を挟持固定し構成したことを特徴とする歯間ブラシ製品である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
このように、本願請求項１の発明によれば、オーステナイト系ステンレス鋼としての基本組成であるＮｉを低く抑えながらも、高強度特性とする為にＣを高めるとともに、侵入型元素で結晶粒を微細化できるＮを添加し、さらに２Ｃ＋Ｎを０．３〜０．６％に調整することによって、４０〜６０％の大きな伸びを有しながらも、引張強さ１２００ＭＰａ以上の高強度特性を有するものとしている。
【００１４】
そして、このような強度特性とすることにより、ワイヤー同士のより合わせ加工ではスプリングバックを抑えてブラシ毛の保持を確実にし、一方、こうしてなるブラシ製品を使用する場合には、前記より加工での加工硬化によって高強度で弾性を高め曲がり変形を防ぐとともに、操作性や耐久性を高めた歯間ブラシの提供を可能にする。なお本発明では、前記引張試験はＪＩＳＧ２２４１「金属材料引張試験方法」によるものとする。
【００１５】
また本発明では、高強度を得る為に侵入型元素であるＣ及びＮを高めることとしているが、この場合、ＣはＣｒと結合してＣｒ炭化物を発生させ、またＮも窒化物を発生させることから、これら元素を固溶させて安定化させ、かつ前記Ｎｉアレルギーの発生を抑える観点から、特にＮｉを４．５〜７％と低くすることで解決することを特徴の一つとしている。
【００１６】
すなわち、図２はオーステナイト系ステンレス鋼におけるＣ及びＮの固溶度と熱処理温度との関係を示すものであって、この結果によれば、Ｎｉが少ないもの程より多くのＣやＮを固溶できることを示しており、したがって高強度なワイヤーの提供が可能となる。また同じＮｉ量のステンレス鋼であっても、より低い温度での熱処理が可能であることから、過度の加熱によって強度を下げるというようなことがないことからも有効である。
【００１７】
なお、本発明で２Ｃ＋Ｎの値を前記０．３〜０．６％に設定する理由は、前記したように高強度特性を得るためには結晶粒を微細化してより多く含有させ、軟質状態で引張強さ１２００ＭＰａ以上の強度を持たせる為には０．３％以上にしておくことが好ましく、一方、その量が０．６％を越える程多く含有させると完全な固溶状態が得られにくくなって、前記炭化物や窒化物の発生を齎せることとなり、より好ましくは０．３３〜０．５％とする。
【００１８】
また、前記ブラシ用ワイヤーは、前記所定組成としたステンレス鋼線を最終仕上げ線径にまで冷間加工によって細径化し、例えば１０００〜１１５０℃程度の固溶化熱処理を施すことで得られるが、さらに該熱処理後、例えば１〜５％程度の軽度スキンパス加工を行なって剛性を高めることもできる。この場合、前記冷間伸線加工をダイヤモンドダイスでの湿式伸線加工で行ったものでは、得られる線材の表面粗さ（Ｒａ）を例えば１μｍ以下の光輝平滑表面とすることができ、曲げや捻り加工での切欠き破断などの発生を抑え得る利点がある。
【００１９】
こうして得られた歯間ブラシ用のワイヤーは、前記した高い伸びとともに引張強さ１２００以上（好ましくは１３００〜１５００ＭＰａ）のすぐれた特性を備えるものとなり、したがって、ブラシ製品に加工する場合には高い伸び特性によってより加工時でのスプリングバックを抑え、また、これを使用する場合には、前記より加工によってさらに加工硬化され大きな弾性を持たせることができ、相反する前記両状態において有効なものとなる。
【００２０】
また本発明では、前記引張試験におけるワイヤーの０．２％耐力に位置するポイントＡと、最大応力を示すポイントＢとを結ぶ直線Ｘの傾きについて前記所定範囲にすることとしているが、その理由は、前記より加工での加工硬化によってさらにその弾性を高めたものとすることによって、座屈に耐え得る特性にすることを意図しており、その算出は、図３に示すような応力歪線図より、その傾きとして求めることができる。
【００２１】
すなわち、図３の線図によれば、試験開始当初は応力と歪が直線的に変化する弾性域を示し、次にその変化状態が異った塑性域を経て、やがて破断に至ることとなる。その場合、前記弾性域内ではこれを除荷してもほぼ完全に元の状態に戻ることができるが、それを過ぎた塑性域では永久歪が生じて、荷重除荷しても残留歪が生じたものとなる。一般的に、このような境界点（Ｏ）の歪量は１〜２％程度の所に生じるものと言われており、降伏点や耐力等の算定ポイントとして示される。
【００２２】
また歯間ブラシ製品は、前記ワイヤー同士を強くより合わせて構成するものであって、より加工では実質的に塑性域内での加工となり、したがって、ワイヤーはより加工によって加工硬化を起こして弾性を高めるが、伸びが大きいことからスプリングバックは少ないものである。したがって、これをブラシ製品として使用する場合には弾性に優れた高強度のものとなり、こうした面より、より好ましくは該ワイヤーの０．２％耐力（σ０．２）を比較的低く抑えながらも塑性域内での応力上昇率を高めたものとするのがよく、このことから、前記両関係を満足させることができる。
【００２３】
すなわち、図３の応力歪線図によれば、前記引張強さ（σ）に対する耐力（σ０．２）の比率（耐力比（σ／σ０．２×１００））を３５〜５５％と低く抑えながらも、塑性域内での応力上昇率が大きくなっていることが伺えるる。なお本形態のワイヤーでは、この応力上昇率が、前記５０〜３００Ｎ／ｍｍ２範囲内のものとしている。
【００２４】
また前記したように、本発明では破断伸びを４０〜６０％、引張強さ１２０，０００ＭＰａ以上としているが、伸びが４０％未満のものでは、歯間ブラシとしてより強く捻り加工する場合にスプリングバックが大きくなって、ブラシ毛の挟持が困難であり、一方、６０％を越える程大きくしても、より加工での加工歩留りへの効果が期待できず、また熱処理条件や成分などを調整してもこれを越える程高い特性にすることができず、限界がある。より好ましくは４５〜５０％とし、また引張強さについても、捻り合わせ線の状態で大きな弾性を持たせ、歯間ブラシとして操作性を向上させるものとする必要から、より好ましくは１２０，０００〜１５０，０００ＭＰａとするのがよい。また、前記弾性域内でのヤング率についても、例えば１６０，０００〜１９０，０００ＭＰａとするのがよく、このヤング率は、前記引張試験の弾性域内での線の傾きより求めることができる。
【００２５】
また、本発明では前記伸び特性とともに、前記引張試験において予歪５％を負荷した後に除荷した時の形状回復率が８〜２５％（好ましくは８〜１５％範囲）となるように調整したものとすることも好ましい。
【００２６】
この形状回復率は、前記図３の応力歪線図において、予歪量５％（τ０）の負荷を加え、この歪量に達した時にこれを除荷して、その時の回復量（τ１）との比率（Ａ）＝｛τ１／τ０×１００｝％で以って示されるものであり、回復率が大きいもの程、曲がりにくいものであること、すなわち高弾性であることを意味している。
【００２７】
次に、本発明において用いるステンレス鋼線の各組成を前記範囲にする理由について説明する。
【００２８】
Ｃ≦０．０８〜０．１５％
Ｃは、侵入型元素であって、ステンレス鋼線として強度を高めるのに有効な元素であるが、一方、Ｃｒと結合しやすく炭化物を生成させて、耐食性を低下させることとなる。この為、高強度のワイヤーとする為に少なくとも０．０８％以上の添加とするが、前記炭化物の発生を抑える必要から、０．１５％以下とした。より好ましくは、０．０９〜０．１２％とする。
【００２９】
Ｓｉ≦１．０％
Ｓｉは鋼溶製時に脱酸剤として用いられているが、多量に含有すると伸線加工などでの加工性が阻害されることから、その上限を１．０％とした。
【００３０】
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは、Ｎｉとともにオーステナイトを生成させ、また線材の靭性を高める為のＮをより多く固溶させることで有効であるが、一方、熱間加工性への影響もあることから２．０％以下、より好ましくは１．０％以下とする。
【００３１】
Ｎｉ：４．５〜７．０％
Ｎｉはオーステナイトの生成元素としてその安定化の為に有効であり、またその添加によって耐食性や伸線加工性の向上を図ることができるが、一方ではＮｉアレルギーの問題や、前記したＣ，Ｎを固溶させることの必要性からより低くすることが望まれ、こうしたことから４．５％以上７．０％以下、より好ましくは５〜６％とする。
【００３２】
Ｃｒ：１５．５〜１７．５％
Ｃｒもまたステンレス鋼におけるＮ固溶量の増加、並びに耐食性や強度向上などにおいて欠くことのできない元素であるが、一方ではフェライト生成元素ともなり得るものである。この為、口腔内での使用に耐える耐食性をもたせる為には少なくとも１５．５％以上の含有が有効であるが、１７．５％を越える程多くしたものでは、シグマ相を発生させて脆化が生じ易いものとなり、より好ましくは１６．０〜１７．０％とする。
【００３３】
Ｎ：０．０５〜０．３０％
Ｎは前記したように侵入型の元素であって、結晶粒を微細にして高強度特性をもたらし、またオーステナイト相を安定にして耐食性を高めることから有効であり、少なくとも０．０５％の添加が必要である。しかし、０．３％を越える程多くを含有させたものでは、前記Ｎｉ量に抑制しただけでは通常の製造プロセスにおける窒化物を完全に固溶させることができず、こうした点より、０．０５〜０．３０％、好ましくは０．１５〜０．２％とする。
【００３４】
また本発明では、その他元素として例えばＭｏ：０．０５〜０．５％及びＣｕ：０．３〜１．０％を添加し、耐食性やステンレス鋼基地を強化して剛性を大きくすることも有効である。しかし、これら元素を多量に添加すると高温での粒界脆化を促進し、熱間加工性が阻害され、高温割れを起こし易くなり、また、Ｈ量についても、水素脆性を抑えるよう４ＰＰＭ以下にしておくことも好ましい。その為の方法として、例えばロッドあるいは素線状態での熱処理として、水素を含まないＡｒ雰囲気中などで加熱処理し、脱水素するのが容易である。この場合の処理温度としては、固溶化熱処理程度の温度で行なわれる。
【００３５】
本発明の前記ステンレス鋼線は、このような組成を含むとともに、前記Ｃ，Ｎ，Ｎｉを各々所定範囲に調整し、残部不可避不純物とＦｅによって構成される。
【００３６】
一方、こうして構成してなる線材は、前記従来技術の中で説明し、また図１の歯間ブラシ製品１として示すように、２つに折り曲げた直線状の前記線材２間に、多数のブラシ毛３を挟み込んでより合わせた棒状ブラシとし、さらにその他端側には、手で扱い易い形態・太さに成形された樹脂製の把持部４に一体化されている。
【００３７】
該ブラシ製品は、歯間への挿通を容易にする必要からブラシ毛３は、それに適する長さに切断されたものが用いられ、ブラシ全体に亙って同一長さのもの、あるいは、ブラシの先端側に向かってその長さを短くしたテーパー型や太鼓型などとして用い得る。
【００３８】
また、ブラシ毛と前記線材間でのより合わせて挟持する場合、両者の接触部を接着剤などで接合し、ブラシ毛の抜け落ちを防止するよう強固に固着させたものでもよい。
【００３９】
以下、実施例により本発明をさらに詳述する。
【００４０】
【実施例】
表１に示す組成のステンレス鋼線をダイヤモンドダイスによる湿式冷間伸線加工によって０．２５ｍｍに細径化するとともに、１０５０℃×１〜１０ｓｅｃの光輝熱処理を施してブラシ用ワイヤーを得た。得られた線の表面粗さ（Ｒａ）はいづれも０．７μｍ以下の光輝な平滑表面のものであり、表面欠陥等は何ら見られなかった。
【００４１】
【表１】

【００４２】
この中で、試料１〜５は本発明に係る実施例品であり、他方、試料６〜１０は比較の為に用いた従来の比較例品である。試料６はＣｏを多量に含む前記公報に基づくＮＡＳ６０４ＰＨ材であり、試料７はＭｎとＮｉを高め、さらＮを添加したＮＡＳ１０６Ｎ材、また試料８は、Ｎｉを大きく削減してＭｎで置換し、かつ０．７％と多量のＮを添加した１８Ｍｎ，Ｎ材、試料９は従来から一般的に用いられていたＳＵＳ３０４材、試料１０はＭｏを含有することで耐食性を高めたＳＵＳ３１６Ｌで構成したものである。
【００４３】
こうして細径化したワイヤーの伸線加工性と、その機械的特性を表２にまとめて示す。なお、引張り試験は前記説明した引張り試験方法により、標点距離１００ｍｍ、試験速度３０ｍｍ／分で行なったものであり、また耐食性は塩水噴霧試験と、厚生省昭和６０年薬審２９４号によるＮｉ溶出試験、変色試験で評価し、各々◎は優、○は良、△は適、×は不適であることを示す。
【００４４】
【表２】

【００４５】
この中で、実施例とした試料１〜５は伸線加工性において問題なく、また伸び４３〜５０％と引張強さ１３５０ＭＰａという高い特性を備えるものであった。これに対し、試料６では伸線加工性に劣り４０％加工毎に熱処理が必要となり、試料７の線材では伸線加工では問題ないものの、引張強さと伸びがやや低く、また試料８では、伸線加工性に劣り歩留りが低いという欠点があった。一方、一般的ステンレス鋼である試料９，１０の線材では、伸線加工性には問題なく歩留りも高いものであったが、機械的特性に劣り歯間ブラシとして不十分であることが確認された。
【００４６】
また、本発明の線材によるワイヤーでは、形状回復率が１０〜１５％とＳＵＳ３０４などに比して大きいものとなっており、また、耐食性においてもＮｉ溶出量及び変色試験とも満足でき、また、塩水噴霧試験での発銹もほとんど認められなかった。
【００４７】
次に、ブラシ製品についての試験結果について説明する。試験は、より加工する場合のスプリングバックの発生程度と、耐座屈性について行なったものであり、スプリングバックは２本の線材同士をより加工した後にこれを開放した時のも戻り角度の大小で求め、一方、耐座屈性についてはより合わせしたより線をスパン２００ｍｍにセットした線の一端を１．８ｒｐｍで捻り、破断するまでの捻り回数を求めたものであり、またスプリングバッグについては、２本の線材を撚り合わせた後、開放してその時の戻り角度で求め、さらに座屈強度については、撚られた長さ２ｃｍの線をＵ字状に曲げていき、その荷重の大小で評価した。
【００４８】
その結果、本発明の線材によるブラシ製品は、いづれの試験においても満足できるものであり、長寿命で操作性に優れることが確認された。また本発明では、線材の成分としてＣ＋Ｎを所定範囲にして、Ｃ，Ｎを各々調整添加するとともに、Ｎｉを低減することで強化と結晶粒の微細化、並びにＮｉアレルギーへの対応を図るものとしている。なお、結晶粒の大きさについては、本試験ではＪＩＳＧ０５５１に規定されている「オーステナイト結晶粒度試験方法」により示しており、いづれも１０番以上（断面積１ｍｍ２あたり８０００ケ以上の粒度）の微細オーステナイト組織を有するものであった。
これによって、靭性を高めることとなり好ましいものである。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による歯間ブラシ用ワイヤー並びにこのワイヤーでなるブラシ製品は、ステンレス鋼の中でもＮｉ，及びＣ，Ｎを調整することによって、伸線加工性に優れるとともに、大きな伸び特性と強度を具える特性とし、歯間ブラシ製品として、挿通性と操作性を高めて、座屈や耐久性の問題を解決するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】歯間ブラシ製品の一形態を示す平面図。
【図２】オーステナイト系ステンレス鋼におけるＮｉ量とＣ，Ｎの固溶状態を示す関係図。
【図３】ブラシ用ワイヤーの引張試験結果を示す線図。
【符号の説明】
１：歯間ブラシ製品
２：ステンレス鋼線材
３：ブラシ毛
４：把持部

Claims

質量で、Ｃ：０．０８〜０．１５％，Ｓｉ≦１．０％，Ｍｎ≦２．０％，Ｎｉ：４．５〜７．０％，Ｃｒ：１５．５〜１７．５％，Ｍｏ：０．０５〜０．５％，Ｎ：０．０５〜０．３０％を含有するとともに２Ｃ＋Ｎを０．３〜０．６％に調整し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼線でなり、かつ該線の引張り試験における破断伸び４０〜６０％、引張強さ１２００ＭＰａ以上の特性を備えることを特徴とする歯間ブラシ用ワイヤー。
前記ステンレス鋼線は、前記引張試験における０．２％耐力に位置するポイントＡと最大応力を示すポイントＢとを結ぶ直線Ｘの傾きが５０〜３００Ｎ／ｍｍ２の範囲内である請求項１に記載の歯間ブラシ用ワイヤー。
前記請求項１または２に記載の前記ブラシ用ワイヤー同士をより合わせて、該ワイヤー間にブラシ毛を挟持固定し構成したことを特徴とする歯間ブラシ製品。