KR20160142302A

KR20160142302A - 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체

Info

Publication number: KR20160142302A
Application number: KR1020167027319A
Authority: KR
Inventors: 유쿄 다카다; 마사토시 다카하시; 아키라 기쿠치
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2016-12-12
Also published as: EP3127506B1; US20170143455A1; US10182889B2; JPWO2015151845A1; EP3127506A1; JP6399088B2; CN106132349B; EP3127506A4; CN106132349A; WO2015151845A1

Abstract

본 발명은, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강의 컵형 요크와, 상기 컵형 요크의 오목부에 수용되는 영구 자석과, 상기 컵형 요크의 개구부를 밀봉하는 밀봉 부재와, 상기 밀봉 부재와 상기 컵형 요크의 맞닿은 부분을 고착하는 용접부로 이루어지고, 상기 밀봉 부재가, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강의 중앙부와, 질소의 함유량이 0.5∼2.0 질량%이며, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 오스테나이트계 스테인레스강의 중간부와, 질소의 함유량이 상기 중간부보다 적고, 또한 1.3 질량% 이하이며, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강의 외측 주변부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체를 제공한다.

Description

치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체{MAGNET STRUCTURE FOR DENTAL MAGNETIC ATTACHMENT}

본 발명은 영구 자석에 의한 자기(磁氣) 흡인력을 이용하여 의치를 유지하는 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체에 관한 것이다.

치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체(400)(이하, 단지 「자석 구조체」라고 하는 경우가 있음)는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 연자성(軟磁性) 스테인레스강제의 컵형 요크(401)의 개구부에 연자성 스테인레스강제의 디스크 요크(414)와 비자성(非磁性) 스테인레스강제의 밀봉 링(415)이 동심형으로 배치되고, 디스크 요크(414)와 밀봉 링(415) 사이 및 밀봉 링(415)과 컵형 요크(401) 사이의 전체 둘레가 용접되어 영구 자석(402)이 밀봉된 구조를 가진다. 상기 자석 구조체(400)는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 의치 바닥(420)에 매립되고, 치조(421)에 매설된 근면판(根面板)(422)에 설치된 연자성 키퍼(423)와의 자기 흡인력에 의해 근면판(422)에 유지된다. 자석 구조체(400)는, 인체에 대하여 무해인 것, 장기간 화학적으로 안정된 것, 흡착력이 큰 것 등의 요구를 만족시킬 필요가 있다.

치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체(400)는, 예를 들면, 일본공개특허 평5-95965호에 기재된 바와 같이, 컵형 요크(401)의 오목부에 영구 자석(402)(예를 들면, 네오디뮴 자석)을 삽입하고, 컵형 요크(401)의 개구부에 디스크 요크(414)와 밀봉 링(415)으로 이루어지는 디스크형 밀봉 부재(413)를 삽입하고, 컵형 요크(401)와 밀봉 링(415)의 맞닿은 부분, 및 밀봉 링(415)과 디스크 요크(414)의 맞닿은 부분을 각각 용접에 의해 봉지(封止)하고, 또한 이 용접부를 연마 또는 연삭에 의해 평활하게 하는 방법에 의해 제조된다. 상기 자석 구조체(400)는, 키퍼(423)와 흡착시킬 때 오스테나이트계 스테인레스강으로 생성된 밀봉 링(415)이 디스크형 밀봉 부재(413)의 외주부에 존재함으로써 자로(磁路)의 일부를 차단하고, 영구 자석(402)의 자속을 키퍼(423), 컵형 요크(401) 및 디스크 요크(414)로 구성되는 자기 회로에 효율적으로 흐르게 할 수 있어, 큰 흡착력을 발생시킬 수 있다.

상기 디스크형 밀봉 부재(413)는, 일반적으로, 오스테나이트계 스테인레스강제 강관에 페라이트계 스테인레스강제의 환봉을 삽입한 후, 인발(引拔) 가공을 행하고, 오스테나이트계 스테인레스강으로 이루어지는 외주부와, 페라이트계 스테인레스강으로 이루어지는 중앙부를 가지는 클래드재(clad metal)의 환봉으로 하고, 이것을 가로로 잘라 절단함으로써 제조된다. 밀봉 링(415)의 소재에 사용되는 오스테나이트계 스테인레스강은, 종래 니켈을 용해시킴으로써 오스테나이트상을 생성시킨 것이 사용되어 왔지만, 니켈을 함유하기 때문에 자성 어태치먼트 자석 구조체를 니켈에 의한 금속 알레르기 증상이 나타나는 환자에게는 적용할 수 없었다. 그러므로, 니켈을 포함하지 않는 스테인레스강을 사용한 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체가 요구되고 있다.

니켈을 포함하지 않는 오스테나이트계 스테인레스강으로서, 예를 들면, 일본공개특허 제2012-92413호는, 스테인레스강 조성에 질소를 고용(固溶)시킨 질소 고용형 오스테나이트계 스테인레스강을 개시하고 있고, 질소 고용형 오스테나이트계 스테인레스강의 제조 방법으로서, 대기압 정도의 질소 분위기 하(질소 분압: 80∼86.7kPa)에서 페라이트계 스테인레스강을 1100∼1250℃로 가열함으로써 스테인레스강 표면으로부터 질소를 흡수시켜, 오스테나이트계 스테인레스강을 생성시키는 방법을 제안하고 있다.

그러나, 질소를 고용시킨 오스테나이트계 스테인레스강은, 700℃ 정도 이상의 고온 및 대기압의 조건에서, 페라이트상과 Cr 질화물상의 혼합 조직에 변태하는 특성을 가지고 있기 때문에, 이 재료의 판을 제관(製管)할 때 행해지는 맞닿은 부분의 용접이나, 압출에 의한 제관 시나 관재(管材)의 변형을 제거하기 위한 소둔 시에 가열을 행할 수 없어, 상기 밀봉 링에 사용하는 관재를 제조할 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은, 흡인력 및 내구성(耐久性)은 종래와 동등 이상으로, 제조 비용이 낮고, 또한 니켈을 포함하지 않는 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체를 제공하는 것이다.

상기 목적을 감안하여 예의(銳意) 연구한 결과, 본 발명자들은, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강으로 이루어지는 환봉재의 외주부에 일정한 두께로 질소를 고용시킨 후, 그 질소 고용 부분 중 표층부만을 탈질소하여, 페라이트계 스테인레스강의 심부(芯部)와, 오스테나이트계 스테인레스강의 중간부와, 페라이트계 스테인레스강의 표층부가 일체로 형성된 환봉재를 제작하고, 그 환봉재로부터 원판을 잘라냄으로써, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강의 중앙부와, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 오스테나이트계 스테인레스강의 중간부와, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강의 외측 주변부로 이루어지는 디스크형 밀봉 부재를 얻을 수 있는 것, 및 상기 디스크형 밀봉 부재와, 영구 자석을 수납한 컵형 요크를 용접할 때, 상기 외측 주변부가 질소를 포함하지 않는 페라이트계 스테인레스강으로 이루어지므로, 용접 시의 열에 의해 질소 가스의 발생(탈질소)이 적고, 용접 결함을 감소시킬 수 있고, 그 결과, 자석 흡인력이 우수하고, 또한 니켈을 실질적으로 포함하지 않는 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체를 얻을 수 있는 것을 발견하고, 본 발명에 이르렀다.

즉, 본 발명의 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체는,

실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강의 컵형 요크와, 상기 컵형 요크의 오목부에 수용되는 영구 자석과, 상기 컵형 요크의 개구부를 밀봉하는 밀봉 부재와, 상기 밀봉 부재와 상기 컵형 요크의 맞닿은 부분을 고착하는 용접부로 이루어지고,

상기 밀봉 부재가,

실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강의 중앙부와,

상기 중앙부의 외측에 위치하고, 질소의 함유량이 0.5∼2.0 질량%이며, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 오스테나이트계 스테인레스강의 중간부와,

상기 중간부의 외측에 위치하고, 질소의 함유량이 상기 중간부보다 적고, 또한 1.3 질량% 이하이며, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강의 외측 주변부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 용접부의 중심 위치는, 상기 밀봉 부재와 상기 컵형 요크의 맞닿은 부분으로부터, 상기 컵형 요크 측으로 벗어나 있는 것이 바람직하다.

상기 컵형 요크 및 밀봉 부재의 Ni 함유량은 0.2 질량% 이하인 것이 바람직하다.

상기 컵형 요크 및 밀봉 부재의 Cr 함유량은 17∼32 질량%인 것이 바람직하다.

상기 외측 주변부의 반경 방향의 평균 길이는, 상기 용접부의 반경 방향 길이의 20∼80%인 것이 바람직하다.

상기 외측 주변부의 반경 방향의 평균 길이는 50∼400㎛인 것이 바람직하다.

상기 중간부의 반경 방향의 평균 길이는 50∼400㎛인 것이 바람직하다.

상기 중간부의 반경 방향의 평균 길이는, 상기 외측 주변부의 반경 방향의 평균 길이보다 큰 것이 바람직하다.

상기 중간부의 오스테나이트계 스테인레스강과 상기 중앙부의 페라이트계 스테인레스강의 경계부에서, 상기 중간부의 오스테나이트계 스테인레스강의 일부가 가열되는 것에 의해 페라이트화 또는 페라이트와 Cr 질화물의 혼합상으로 되어 있는것이 바람직하다.

본 발명의 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체는, 높은 흡인력 및 내구성을 가지고, 또한 니켈을 포함하지 않기 때문에, 니켈에 의한 금속 알레르기 증상이 나타나는 환자에게도 적용이 가능하다. 또한 본 발명의 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체는, 종래의 방법보다 간편하게 제조할 수 있으므로, 제조 비용을 낮게 억제할 수 있다.

도 1a는, 본 발명의 자성 어태치먼트 자석 구조체의 일례를 나타낸 모식 단면도이다.
도 1b는, 도 1a의 자성 어태치먼트 자석 구조체의 용접부를 확대하여 나타낸 모식 단면도이다.
도 2는, 밀봉 부재의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 3은, 밀봉 부재의 중앙부, 중간부 및 외측 주변부의 반경 방향의 평균 길이를 측정하는 방법을 나타내는 모식도이다.
도 4a는, 밀봉 부재의 중앙부의 오스테나이트계 스테인레스강 부분과 중간부의 페라이트계 스테인레스강 부분의 경계 영역(A1)을 레이저로 가열하는 방법을 나타내는 모식도이다.
도 4b는, 도 4a의 경계 영역(A1)을 레이저로 가열한 후의 자성 어태치먼트 자석 구조체를 나타낸 모식 단면도이다.
도 5는, 본 발명에서 사용하는 컵형 요크의 형상을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은, 레이저 조사(照射) 장치를 사용하여, 밀봉 부재와 컵형 요크의 맞닿은 부분을 용접하는 상태를 나타낸 모식 단면도이다.
도 7은, 밀봉 부재의 반경 방향(A선 방향)의 질소 함유량 분포를 나타낸 그래프이다.
도 8a는, 실시예 1의 자성 어태치먼트 자석 구조체를 나타낸 모식 단면도이다.
도 8b는, 도 8a의 용접부를 확대하여 나타내는 모식 단면도이다.
도 9는, 자성 어태치먼트 자석 구조체를 가지는 의치를, 치조에 매설된 근면판에 설치된 키퍼에 장착한 상태를 나타낸 모식 단면도이다.
도 10은, 종래의 자성 어태치먼트 자석 구조체를 나타낸 모식 단면도이다.

(1) 전체 구성

자성 어태치먼트 자석 구조체(10)는, 도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같이, 한쪽에 개구부를 가지는 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강의 컵형 요크(1)와, 상기 컵형 요크(1)의 오목부(1a)에 수용되는 영구 자석(2)과, 상기 컵형 요크(1)의 개구부를 밀봉하는 밀봉 부재(3)와, 상기 밀봉 부재(3)와 상기 컵형 요크(1)의 맞닿은 부분(4a)을 고착하는 용접부(4)로 이루어지고, 상기 밀봉 부재(3)는, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강의 중앙부(3a)와, 상기 중앙부(3a)의 외측에 위치하고, 질소의 함유량이 0.5∼2.0 질량%이며, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 오스테나이트계 스테인레스강의 중간부(3b)와, 상기 중간부(3b)의 외측에 위치하고, 질소의 함유량이 상기 중간부(3b)보다 적고, 또한 1.3 질량% 이하이며, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강의 외측 주변부(3c)로 이루어진다. 상기 컵형 요크(1) 및 밀봉 부재(3)의 Cr 함유량은 17∼32 질량%인 것이 바람직하고, 24∼32 질량%인 것이 더욱 바람직하다. 상기 컵형 요크(1) 및 밀봉 부재(3)의 Ni 함유량은 0.2 질량% 이하인 것이 바람직하고, 0.1 질량% 이하인 것이 보다 바람직하다. 상기 용접부(4)의 중심 위치는, 상기 밀봉 부재(3)와 상기 컵형 요크(1)의 맞닿은 부분(4a)으로부터, 상기 컵형 요크 측(1)으로 벗어나 있어도 된다.

상기 자성 어태치먼트 자석 구조체(10)에 있어서, 페라이트계 스테인레스강의 컵형 요크(1)와, 페라이트계 스테인레스강으로 이루어지는 중앙부(3a)와, 페라이트계 스테인레스강의 외측 주변부(3c)가 자성체이며, 오스테나이트계 스테인레스강의 중간부(3b)가 비자성체이므로, 상기 밀봉 부재(3)의 중앙부(3a)가 한쪽의 극(도면에서는 N극)으로 되고, 컵형 요크(1)의 개구단 부분(端部)(1b)가 다른 쪽의 극(도면에서는 S극)으로 되는 자기 회로를 구성한다.

(2) 밀봉 부재

밀봉 부재(3)는, 영구 자석(2)을 컵형 요크(1)의 오목부(1a)에 봉지하고, 또한 자기 회로를 구성하는 부재이며, 도 2에 나타낸 바와 같이, 페라이트계 스테인레스강으로 이루어지는 중앙부(3a)와, 상기 중앙부(3a)의 외측에 위치하고, 질소의 함유량이 0.5∼2.0 질량%인 오스테나이트계 스테인레스강으로 이루어지는 중간부(3b)와, 상기 중간부(3b)의 외측에 위치하고, 질소의 함유량이 상기 중간부(3b)보다 적고, 또한 1.3 질량% 이하인 페라이트계 스테인레스강으로 이루어지는 외측 주변부(3c)로 이루어진다. 상기 중간부(3b)의 오스테나이트계 스테인레스강은, 페라이트계 스테인레스강에 질소가 고용됨으로써 생성되고, 그 질소 함유량 범위는, 스테인레스강의 Cr 함유량에 따라 상이하다.

상기 밀봉 부재(3)는, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 스테인레스강으로 이루어지고, 특히 내식성(耐蝕性) 연자성의 페라이트계 스테인레스강(SUS447J1, SUSXM27, SUS444 등)을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 스테인레스강의 Cr 함유량은 17∼32 질량%인 것이 바람직하고, 24∼32 질량%인 것이 보다 바람직하다. 그리고, 컵형 요크(1) 및 밀봉 부재(3)의 외형은 원형에 한정되지 않고, 타원형이어도 되고 사각형 등의 다각형이어도 된다. 이 경우, 영구 자석(2)의 형상도, 필요에 따라 컵형 요크(1) 및 밀봉 부재(3)의 외형에 맞추어 변경해도 된다.

상기 밀봉 부재(3)로서 원형을 채용한 경우, 그 직경은, 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체의 사용 목적에 따라 설정되는 것이며, 통상은 1800∼5500㎛이다. 상기 중앙부(3a)의 평균 반경 La는, 800∼5000㎛인 것이 바람직하고, 1000∼4000㎛인 것이 보다 바람직하다. 상기 중간부(3b)의 반경 방향의 평균 길이 Lb는, 50∼400㎛인 것이 바람직하고, 100∼300㎛인 것이 보다 바람직하다. 상기 외측 주변부(3c)의 반경 방향의 평균 길이 Lc는 50∼400㎛인 것이 바람직하고, 75∼300㎛인 것이 보다 바람직하다. 상기 중간부(3b)의 반경 방향의 평균 길이 Lb는, 상기 외측 주변부(3c)의 반경 방향의 평균 길이 Lc보다 큰 것이 바람직하다.

밀봉 부재(3)의 중간부(3b)는, 질소의 함유량이 0.5∼2.0 질량%이며, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 오스테나이트계 스테인레스강으로 이루어진다. 질소의 함유량이 0.5 질량% 미만이면, 오스테나이트계 스테인레스가 안정적으로 존재하지 않고, 페라이트화해 버릴 경우가 있다. 질소의 함유량이 2.0 질량% 초과인 경우에는, 질화물이 석출되는 경우가 있다. 상기 질소의 함유량은, 0.7∼1.8 질량%인 것이 보다 바람직하다.

밀봉 부재(3)의 외측 주변부(3c)는, 질소의 함유량이 상기 중간부(3b)보다 적고, 또한 1.3 질량% 이하이며, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강으로 이루어진다. 상기 질소의 함유량은, 1.0 질량% 이하인 것이 바람직하고, 0.5 질량% 이하인 것이 보다 바람직하다. 질소 함유량은 적은 것이 바람직하지만, 미량의 질소가 존재하고 있어도 상관없다. 상기 외측 주변부(3c)는, 질소의 함유량이 0.5 질량% 이상인 오스테나이트계 스테인레스강을 탈질소함으로써 페라이트화한 것이므로, 후술하는 바와 같이 컵형 요크(1)와 밀봉 부재(3)의 용접 시에 발생하는 질소 가스를 저감시키는 효과를 가진다. 따라서, 상기 외측 주변부(3c)는, 용접부(4)가 중간부(3b)에 걸리지 않는 정도의 폭(반경 방향 길이), 즉 용접 시에 레이저 조사에 의한 가열로 상기 중간부(3b)가 탈질소하지 않는 정도의 폭을 가지고 있는 것이 바람직하다.

예를 들면, 레이저광의 중심점이 밀봉 부재(3)와 컵형 요크(1)의 맞닿은 부분에 일치하도록 레이저광을 조사하여 용접하는 경우에는, 상기 외측 주변부(3c)의 반경 방향의 평균 길이 Lc는, 적어도 레이저광의 직경의 절반의 폭을 가지고 있는 것이 바람직하다. 그러나, 레이저광의 중심점은, 반드시 맞닿은 부분에 일치시키는 것이 바람직한 것은 아니고, 컵형 요크(1) 측으로부터 밀봉 부재(3) 측으로 벗어나 있는 편이 접합성이나 자기 회로의 측면에서 바람직한 경우도 있다. 따라서, 상기 외측 주변부(3c)의 반경 방향의 평균 길이 Lc는, 상기 용접부(4)의 반경 방향 길이의 20∼80%인 것이 바람직하다.

여기서 용접부(4)의 반경 방향 길이란, 반경 방향에 있어서 용접부(4)의 가장 폭이 넓은 부분이며, 도 1b로부터 알 수 있는 바와 같이, 용접부(4)의 가장 표면에 가까운 부분의 반경 방향 길이이다. 상기 용접부(4)의 가장 표면에 가까운 부분은, 레이저 조사에 의해 발생하는 열이 레이저 직경의 외측에도 전달되고 스테인레스를 용해하기 위해, 레이저 직경보다 조금 넓다. 이 레이저 조사에 의해 스테인레스가 용해되는 범위는, 레이저 직경 이외에도, 레이저 출력, 주사(走査) 스피드 등에 의해 변화된다고 생각되므로, 외측 주변부(3c)의 반경 방향의 길이는, 레이저 직경이 아니라 용접부(4)의 가장 넓은 부분의 반경 방향의 길이를 기준으로 하여 결정하는 것이 바람직하다.

밀봉 부재(3)는, 후술하는 바와 같이, 페라이트계 스테인레스강으로 이루어지는 환봉재에 질소 고용 처리를 행하여 표면으로부터 일정한 깊이까지의 부분을 오스테나이트화하고, 그 후 탈질소 처리를 더 행하여 상기 오스테나이트화한 부분 중 표면에 가까운 부분을 페라이트화한 후에 가로로 잘라 원판을 잘라내는 것에 의해 얻어진다. 그러므로, 중앙부(3a)의 페라이트계 스테인레스강 부분(31a)과 중간부(3b)의 오스테나이트계 스테인레스강 부분(31b)의 경계, 및 중간부(3b)의 오스테나이트계 스테인레스강 부분(31b)과 외측 주변부(3c)의 페라이트계 스테인레스강 부분(31c)의 경계는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 복잡하게 얽혀 있다. 그리고, 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 외측 주변부(3c)와 중간부(3b)의 경계부는, 중간부(3b)와 중앙부(3a)의 경계부에 비해 얽힘은 작다.

따라서, 상기 평균 반경 La 및 평균 길이 Lb, Lc는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 주위 방향으로 등각도 간격으로 10개소 반경 방향의 직선을 그어, 각 직선 부분에서, 외주 끝(3d)으로부터 중간부(3b)의 오스테나이트계 스테인레스강 부분(31b)에 교차하는 점까지의 길이 Lc1∼Lc10을 측정하고, 이들 평균값을 외측 주변부(3c)의 페라이트계 스테인레스강 부분(31c)의 길이 Lc로 하고, 마찬가지로, 상기 중간부(3b)의 오스테나이트계 스테인레스강 부분(31b)에 교차하는 점으로부터 중앙부(3a)의 페라이트계 스테인레스강 부분(31a)에 교차하는 점까지의 길이 Lb1∼Lb10을 측정하고, 이들 평균값을 중간부(3b)의 오스테나이트계 스테인레스강 부분(31b)의 길이 Lb로 한다. 중앙부(3a)의 페라이트계 스테인레스강 부분(31a)의 평균 반경 La는, 밀봉 부재(3)의 반경으로부터 (Lc+Lb)를 빼는 것에 의해 구한다.

(질소 고용 처리)

밀봉 부재(3)는, 내식성 연자성의 페라이트계 스테인레스강의 환봉재에 질소 고용 처리를 행하여 오스테나이트화한 후, 탈질소 처리를 하여 최표층만을 페라이트화하고, 얻어진 상기 처리된 환봉재를 소정 두께로 가로로 잘라 슬라이스함으로써 제작된다. 질소 고용 처리는, 페라이트계 스테인레스강을 질소 분위기 하(50kPa 이상), 및 1150∼1250℃에서, 예를 들면, 진공 가열 장치 중에서 가열 처리함으로써 행한다. 상기 진공 가열 장치 내는, 대기압 정도의 질소 분위기로 하는 것이 조작의 측면에서 바람직하고, 80∼120kPa 정도의 질소 분위기가 바람직하다. 산화물이 생성되는 것을 방지하기 위하여, 사용하는 질소 가스에는 산소나 물을 함유하지 않은 것이 바람직하다. 가열 처리의 온도가 1150℃보다 낮은 경우, 충분히 질소가 고용되기 어려워지고, 1250℃보다 높은 경우, 질소 고용 속도를 제어하는 것이 어려워져, 질소 고용 오스테나이트계 스테인레스강의 깊이[상기 밀봉 부재(3)의 중간부(3b)의 직경 방향 폭]를 일정하게 유지하는 것이 어려워진다. 질소 고용 오스테나이트계 스테인레스강은, 페라이트상이 충분히 오스테나이트화하는 정도의 질소를 함유할 필요가 있고, 그 질소 함유량은, 스테인레스강의 Cr 함유량에 따라 상이하고, 0.5∼2.0 질량%이다. 상기 질소 함유량의 하한은, 1 질량%인 것이 바람직하다.

질소 고용 처리는, 용광로(furnace)의 가열실 내에 페라이트계 스테인레스강을 사전에 설치하여 가열하는 방법과 소정의 온도가 되고 나서 용광로의 가열실 내에 페라이트계 스테인레스강을 삽입하는 방법이 있으며, 어느 것이라도 상관없다. 스테인레스강을 사전에 설치하고 나서 가열하는 방법의 경우, 가열실 내에 배치된 페라이트 스테인레스강이 균일하게 가열 승온(昇溫)되도록, 5∼20℃/min 정도의 승온 속도로 하는 것이 바람직하다. 또한 질소 가스는 가열 개시로부터 용광로 내에 충전해도 되고, 소정 온도가 되고 나서 충전해도 상관없다.

가열 처리의 시간(최고 온도에서의 유지 시간)은, 질소 고용 처리에 의해 페라이트계 스테인레스강을 어느 정도의 깊이까지 오스테나이트화할 것인지에 따라 적절히 조절한다. 예를 들면, 대기압의 질소 분위기 하 및 1200℃의 조건 하에서, 300 ㎛ 정도의 깊이까지의 오스테나이트화는, 2∼4시간 정도의 가열 처리를 행함으로써 가능하다.

(탈질소 처리)

질소 고용 처리에 의해 페라이트계 스테인레스강의 환봉재의 표면으로부터 일정한 깊이까지의 부분을 오스테나이트화한 후에, 상기 오스테나이트화한 부분 중 표면에 가까운 부분(최표층)을 탈질소함으로써, 상기 최표층 부분을 페라이트화시킨다. 탈질소 처리는, 질소 고용 처리에 의해 질화했을 때의 질소의 압력을 낮춤으로써 실시할 수 있다. 그 때, 온도는 등온으로 유지하는 것이 바람직하다. 탈질소 시의 질소의 압력은 질화했을 때의 압력의 99% 이하가 바람직하고, 95% 이하가 보다 바람직하다. 탈질소한 페라이트상의 질소 함유량은, 1.3 질량% 이하이며, 1.0 질량% 이하인 것이 바람직하고, 0.5 질량% 이하인 것이 보다 바람직하다.

질소 고용 처리에 의해 형성된 오스테나이트상 및 탈질소 처리에 의해 형성된 페라이트상의 조직을 실온에서도 유지하기 위해서는, 질소 고용 처리 및 탈질소 처리 후의 고온 상태의 스테인레스강을 급냉한다. 상기 처리 후의 스테인레스강을 서냉(徐冷)한 경우에는, 생성한 오스테나이트상의 조직이 페라이트상 또는 페라이트상과 Cr 질화물이 혼합된 조직으로 변태해 버린다. 스테인레스강을 급냉하는 방법으로서는, 가열 장치 내에 냉각부를 설치하고 질소 고용 처리 후의 소재를 이 냉각부로 이동시키고, 질소 가스, 희(希)가스 등의 냉각용 가스를 불어넣어 공냉하는 방법이나 상기 냉각부를 수냉하는 방법 등을 예로 들 수 있다.

질소를 고용시키는 페라이트계 스테인레스강 환봉 소재의 길이는, 용광로의 가열실의 균열부 길이보다 짧게 하는 것이 바람직하다. 용광로의 가열실의 균열부보다 소재의 길이가 길어지면 온도의 불균일에 의해 균일한 깊이로 질소를 고용시킬 수 없게 된다. 그러므로, 가열실의 균열부 길이는 온도 불균일이 10℃ 이내로 하는 것이 바람직하다.

질소 고용 처리 전에 700℃ 이상 질소 고용 처리 온도 이하, 및 대기압의 수소 가스 분위기 중에서 페라이트계 스테인레스 소재를 처리하고, 표면의 산화물 등을 제거하는 것이 바람직하다. 소재 표면에 산화물 등이 있으면 이들이 질소 가스의 침투를 막는 장해(barrier)가 되어, 질소 고용 처리의 속도가 저하되고, 또한 질소 고용 처리의 깊이가 균일하지 않게 될 우려가 있다.

질소 고용 처리 전에 고용 처리 온도로 1∼3시간 예비 가열 처리를 행하면, 소재가 입자 성장(grain growth)하여 균일한 두께로의 오스테나이트상을 형성할 수 있다. 예비 가열의 처리 시간은 소재의 결정 입자의 크기에 의존하기 때문에, 소재에 따라 설정하면 된다.

(열처리)

전술한 바와 같이, 질소 고용 처리에 의해 오스테나이트계 스테인레스강을 형성한 경우, 도 2에 나타낸 바와 같이, 밀봉 부재(3)의 오스테나이트계 스테인레스강 부분(31b)[중간부(3b)]은, 페라이트계 스테인레스강 부분(31a)[중앙부(3a)]에 복잡하게 파고들어간 상태로 된다. 이와 같이 밀봉 부재(3)의 중앙부(3a)에 비자성의 오스테나이트계 스테인레스강이 부분적으로 뒤얽힌 상태로 되면, 영구 자석(2), 컵형 요크(1) 및 밀봉 부재(3)로 구성되는 자기 회로의 효율이 저하됨으로써, 자석 흡인력이 저하되고, 또한 제품마다 자석 흡인력의 차이가 생겨 안정적인 성능을 가지는 제품을 얻을 수 없게 된다. 이들을 개선하기 위하여, 도 4a 및 도 4b에 나타낸 바와 같이, 밀봉 부재(3)의 오스테나이트계 스테인레스강 부분(31b)과 페라이트계 스테인레스강 부분(31a)의 경계 영역(A1)을 레이저로 가열하여 오스테나이트계 스테인레스강을 페라이트계 스테인레스강으로 되돌려도 된다. 그리고, 상기 경계 영역(A1)의 가열은, 열에 의한 영구 자석(2)의 자석 특성의 저하를 초래하지 않도록, 상기 밀봉 부재(3)의 표면에만 행하는 것이 바람직하다. 이로써, 제품마다 자기 회로의 불균일을 저감하고 흡인력을 안정화시킬 수 있다.

(3) 컵형 요크

컵형 요크(1)는, 영구 자석(2)을 수용하기 위한 오목부(1a)를 가진다. 상기 오목부(1a)는, 수용하는 영구 자석(2)의 크기에 맞는 치수로 하지만, 밀봉 부재(3)가 삽입되는 부분(개구단 부근)의 직경 e(도 5 참조)은, 식(1):

(Br×S)×0.8≤Sc×Bs≤(Br×S)×1.2

[단, Bs는 컵형 요크(1)의 포화 자화, Br은 영구 자석(2)의 잔류 자속 밀도, S는 영구 자석(2)의 자화 방향에 직교하는 단면적(斷面績), Sc는 컵형 요크(1)의 흡착면의 실효 면적(자성 부분 면적)을 나타냄]을 만족시키도록 설정하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 컵형 요크(1)의 흡착면의 실효 면적 Sc는, 밀봉 부재(3)에 페라이트계 스테인레스강의 외측 주변부(3c)를 형성함으로써, 자성 영역이 증가한 것을 고려할 필요가 있다. 따라서. 상기 컵형 요크(1)의 흡착면의 실효 면적 Sc는, 컵형 요크(1)의 흡착면[컵형 요크(1)의 개구단 부분(1b)]의 면적 Sc₀[=π×(E²-e²)/4]와, 밀봉 부재(3)의 외측 주변부(3c)의 면적 Sc₁[=π×(e²-r²)/4]의 합계이다[단, E는 컵형 요크(1)의 외형(직경), e는 컵형 요크(1)의 오목부 개구단 부근의 직경 및 r은 외측 주변부(3c)의 내측 직경임. 도 5 참조]. 즉 상기 실효 면적 Sc는 Sc₀+Sc₁=π×(E²-r²)/4로 구해진다.

단, 컵형 요크(1)와 밀봉 부재(3)의 용접부(4)는, 상기 외측 주변부(3c)와 마찬가지로 페라이트화하여 자성체로 되어 있으므로, 상기 용접부(4)가 외측 주변부(3c)의 반경 방향 폭보다 밀봉 부재(3)의 내측으로 밀려나와 형성되어 있는 경우, 즉 용접부(4)의 내측 직경 f가 외측 주변부(3c)의 내측 직경 r보다 작은 경우에는, 밀봉 부재(3)에 형성된 용접부(4)의 면적 Sc₂[=π×(e²-f²)/4]이 외측 주변부(3c)의 면적 Sc₁보다 커진다. 따라서, 이 경우에는, 상기 컵형 요크(1)의 흡착면의 실효 면적 Sc는, 컵형 요크(1)의 흡착면의 면적 Sc₀와, 밀봉 부재(3)에 형성된 용접부(4)의 면적 Sc₂의 합계이다. 즉 상기 실효 면적 Sc는 Sc₀+Sc₂=π×(E²-f²)/4로 구해진다.

상기 개구단 부근의 직경 e 및 상기 밀봉 부재의 외측 주변부의 반경 방향의 길이 Lc[또는 밀봉 부재(3)에 형성된 용접부(4)의 폭]를, 상기 식(1)을 만족시키도록 설정함으로써, 충분한 흡착력과 낮은 누설(漏洩) 자속 밀도를 얻을 수 있다. 따라서, 밀봉 부재(3)가 삽입되는 부분의 직경 e는, 자성 영역인 외측 주변부의 반경 방향의 길이 Lc[또는 밀봉 부재(3)에 형성된 용접부(4)의 폭]를 고려하여 결정하는 것이 바람직하다. 이와 같이 개구단 부근이 확경(擴徑)된 형상의 오목부(1a)로 함으로써, 밀봉 부재(3)의 중간부(3b)(비자성의 오스테나이트계 스테인레스강의 부분)를 상기 영구 자석(2)에 대하여 최적의 위치에 배치할 수 있다.

컵형 요크(1)에는 내식성 연자성의 페라이트계 스테인레스강(SUS447J1, SUSXM27, SUS444 등)을 사용하는 것이 바람직하다. 컵형 요크(1)의 Cr 함유량은 17∼32 질량%인 것이 바람직하고, 24∼32 질량%인 것이 보다 바람직하다.

(4) 용접부

밀봉 부재(3)와 컵형 요크(1)의 맞닿은 부분을 고착하는 용접부(4)는, 그 중심이, 도 1b에 나타낸 바와 같이, 상기 밀봉 부재(3)와 상기 컵형 요크(1)의 맞닿은 부분(4a)으로부터, 상기 컵형 요크(1) 측으로 벗어나 있는 것이 바람직하다. 즉, 도 6에 나타낸 바와 같이, 레이저 조사 장치(5)로부터 방사된 레이저광(5a)의 광축 중심(C)을, 상기 밀봉 부재(3)와 상기 컵형 요크(1)의 맞닿은 부분(4a)으로부터, 상기 컵형 요크(1) 측에 거리 d만큼 벗어난 위치에 맞추어 조사하고, 상기 맞닿은 부분(4a)의 용접을 행한다. 상기 거리 d는 상기 레이저광(5a)의 조사 직경의 3∼40%의 거리인 것이 바람직하고, 5∼30%의 거리인 것이 보다 바람직하다.

레이저광(5a)이 조사된 부분이 가열되어 고온으로 되는 것에 의해 상기 조사부분의 금속이 융해되고, 컵형 요크(1)와 밀봉 부재(3)가 접합된다. 상기 밀봉 부재(3)의 외측 주변부(3c)는 탈질소되어 페라이트화되고 자성체로 되어 있다. 그러나, 중간부(3b)와 외측 주변부(3c)의 경계는 뒤얽힌 상태로 되어 있고, 부분적으로 질소를 함유한 오스테나이트계 스테인레스강[중간부(3b)]이 외측 주변부(3c)에 파고들어가 외주 끝(3d) 근처까지 뻗어나가 있는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 미량이지만 고용되어 있던 질소 가스가 방출되고, 그 때 균열이나 결함이 생길 우려가 있으므로, 레이저광의 광축은 컵형 요크 측으로 벗어나 있는 것이 바람직하다.

이와 같이 맞닿은 부분(4a)으로부터 컵형 요크(1) 측으로 벗어난 위치에서 용접을 행하고, 외측 주변부(3c)의 페라이트계 스테인레스강이 가열되는 범위를 최대한 작게 함으로써, 중간부(3b)의 질소 고용 오스테나이트계 스테인레스강이 가열되는 범위를 최대한 작게 하고, 가열에 의한 질소의 방출을 억제하여, 질소의 방출에 의한 결함의 생성을 억제할 수 있다. 그 결과, 자석 흡인력이 우수하고, 또한 내식성 및 내구성이 우수한 자석 구조체를 얻을 수 있다.

용접부(4)는, 요철(凹凸)이 남지 않도록 소정의 깊이로 평면 가공되어 있는 것이 바람직하다. 상기 평면 가공은, 컵형 요크(1), 밀봉 부재(3) 및 상기 용접부(4)를, 용접 강도가 저하되지 않는 정도의 깊이로 연마하여 행하는 것이 바람직하다.

(5) 영구 자석

영구 자석(2)으로서는, 잔류 자속 밀도 Br가 다른 영구 자석보다 크고, 보다 큰 흡인력이 얻어지는 네오디뮴 자석을 사용하는 것이 바람직하다. 네오디뮴 자석의 잔류 자속 밀도 Br은 자기 회로를 포화시킬 필요가 있으므로, 1.3T 이상인 것이 바람직하고, 1.35T 이상인 것이 보다 바람직하다. 영구 자석(2)은, 자석 구조체에 장착한 후 착자(着磁)된다.

[실시예]

본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 그들에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

26 질량%의 Cr, 1 질량%의 Mo 및 잔부 Fe(불순물로서 0.08 질량%의 Ni을 포함함)로 이루어지는 조성을 가지는 페라이트계 스테인레스강(SUSXM27 상당)의 환봉(직경 2.7㎜ 및 길이 60㎜)을 1200℃로 유지한 용광로의 냉각부에 삽입하고, 용광로 내 분위기를 대기압의 질소 가스 분위기로 한 후, 소재를 용광로의 가열실 내로 이동시켜 3시간 유지한 후, 질소 가스의 압력을 0.1MPa까지 내리고, 10분간 더 유지하였다. 냉각부로 되돌려 급냉함으로써, 상기 페라이트계 스테인레스강의 환봉에 질소 고용 처리를 행하였다. 꺼낸 환봉의 축 방향에 수직인 단면(斷面)을 일본 전자(JEOL Ltd.) 제조의 EPMA JXA-8900을 사용하여 질소량을 측정하고 확인한 바, 외주면으로부터 약 100㎛의 깊이까지 페라이트계 스테인레스강으로 이루어지는 동심형의 외층(외측 주변부)이 형성되고, 그 내측에 약 200㎛ 폭의 오스테나이트계 스테인레스강으로 이루어지는 동심형의 중간층(중간부)이 형성되고, 또한 그 내측은 원래의 페라이트계 스테인레스강으로 이루어지는 중심부(중앙부)를 가지고 있었다. 상기 외측 주변부, 중간부 및 중앙부의 질소 함유량은, 각각 0.2 질량% 미만, 1.5 질량%및 0.2 질량% 미만이었다. 이들의 결과로부터 환봉재의 중심으로부터 반경 방향(A선 방향)의 질소 함유량 분포를 도 7에 모식적으로 나타내었다. 이 환봉을 축 방향 두께 0.25㎜로 절단하여 원판형의 밀봉 부재로 하였다.

상기 밀봉 부재에 사용한 것과 동일한 조성의 페라이트계 스테인레스강을 사용하여, 직경 3.5㎜ 및 높이 1.35㎜의 원기둥형의 외형과, 네오디뮴 자석이 삽입되는 부분의 구멍 직경이 2.6㎜, 상기 밀봉 부재가 삽입되는 개구단 부분의 구멍 직경이 2.7㎜ 및 깊이 0.75㎜의 오목부를 가지는 컵형 요크를 제작하였다. 상기 컵형 요크의 오목부에, 직경 2.6㎜ 및 두께 0.5㎜의 네오디뮴 자석을 삽입하고, 그 위에 상기 밀봉 부재를, 뚜껑을 닫는 것처럼 삽입하였다.

도 8a 및 도 8b에 나타낸 바와 같이, 컵형 요크(1)와 밀봉 부재(3)의 맞닿은 부분(4a)에, 레이저 조사 장치(5)로부터 방사된 레이저광(5a)(조사 직경 200㎛φ)의 광축 중심을 맞추어 조사하고, 상기 맞닿은 부분(4a)을맞닿은 부분(4a)을 걸쳐 용접하여 봉지하였다.

용접 후, 용접한 면을 0.05㎜ 연마 가공하고 평활하게 마무리하여, 직경 3.5㎜, 높이 1.3㎜의 자석 구조체를 제작하였다. 이 자석 구조체의 자석 흡인력은, 5.1∼5.2N(5회 측정)였다. 직경과 높이가 본 실시예 1과 동일한 사이즈로, 밀봉 부재를 일본공개특허 평5-95965호에 기재된 디스크 요크와 밀봉 링(300㎛폭)으로 이루어지는 디스크형 밀봉 부재로 변경한 종래의 자석 구조체의 자석 흡인력은, 5.0∼5.2 N(5회 측정)이었다.

<실시예 2>

컵형 요크와 밀봉 부재의 맞닿은 부분을 용접하고 봉지할 때, 도 6에 나타낸 바와 같이, 레이저광(5a)의 광축 중심(C)을 맞닿은 부분으로부터 거리 d=20㎛ 컵형 요크 측, 즉 외측으로 벗어나게 한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 자석 구조체를 제작하였다. 상기 용접부에 오목 또는 크랙이 발생하지 않았다. 상기 자석 구조체의 자석 흡인력을 측정한 바, 5.1∼5.2N(5회 측정)이었다.

<실시예 3>

컵형 요크와 밀봉 부재의 맞닿은 부분을 용접하고 봉지할 때, 레이저광(5a)의 광축 중심을 접합부로부터 거리 d=40㎛ 컵형 요크 측, 즉 외측으로 벗어나게 한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 자석 구조체를 제작하였다. 10개 제작한 시료 중에 용접부에 오목 또는 크랙이 발생한 것은 하나도 인지되지 않았다. 상기 자석 구조체의 자석 흡인력을 측정한 바, 5.1∼5.2N(5회 측정)이었다.

<실시예 4>

레이저 용접 공정에 있어서, 컵형 요크와 밀봉 부재의 맞닿은 부분을 용접하여 봉지할 때, 레이저광(5a)의 광축 중심을 맞닿은 부분으로부터 거리 d=40㎛ 컵형 요크 측, 즉 외측으로 벗어나게 한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 용접 봉지한 후에, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 밀봉 부재(3)의 중심으로부터 반경 1.05㎜의 부분에 레이저광(5a)(조사 직경 200㎛φ)의 광축 중심(C)을 맞추어, 전체 둘레에 걸쳐 레이저광(5a)을 조사하고 경계 영역(A1)을 가열한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 자석 구조체를 제작하였다. 이 가열에 의해 중앙부와 중간부의 경계부의 폭 0.2㎜ 및 깊이 약 0.15㎜의 부분이 페라이트화하였다(연마 가공 전). 상기 자석 구조체의 자석 흡인력은, 5.2∼5.4N(5회 측정)이었다. 밀봉 부재의 오스테나이트계 스테인레스강 부와 페라이트계 스테인레스강부의 경계 영역을 가열함으로써, 상기 경계 부분의 불균일성이 저감되고, 흡착면 표면의 자로가 적절한 상태로 되었기 때문에 자석 흡인력이 향상된 것으로 생각된다.

Claims

실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강의 컵형 요크, 상기 컵형 요크의 오목부에 수용되는 영구 자석, 상기 컵형 요크의 개구부를 밀봉하는 밀봉 부재, 및 상기 밀봉 부재와 상기 컵형 요크의 맞닿은 부분을 고착하는 용접부(abutment-welded portion)로 이루어지는 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체로서,
상기 밀봉 부재가,
실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강의 중앙부;
상기 중앙부의 외측에 위치하고, 질소의 함유량이 0.5∼2.0 질량%이며, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 오스테나이트계 스테인레스강의 중간부; 및
상기 중간부의 외측에 위치하고, 질소의 함유량이 상기 중간부보다 적고, 또한 1.3 질량% 이하이며, 실질적으로 Ni을 함유하지 않은 페라이트계 스테인레스강의 외측 주변부
로 이루어지는, 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체.
제1항에 있어서,
상기 용접부의 중심 위치가, 상기 밀봉 부재와 상기 컵형 요크의 맞닿은 부분으로부터, 상기 컵형 요크 측으로 벗어나 있는, 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 컵형 요크 및 밀봉 부재의 Ni 함유량이 0.2 질량% 이하인, 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컵형 요크 및 밀봉 부재의 Cr 함유량이 17∼32 질량%인, 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외측 주변부의 반경 방향의 평균 길이가, 상기 용접부의 반경 방향 길이의 20∼80%인, 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외측 주변부의 반경 방향의 평균 길이가 50∼400㎛인, 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간부의 반경 방향의 평균 길이가 50∼400㎛인, 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간부의 반경 방향의 평균 길이가, 상기 외측 주변부의 반경 방향의 평균 길이보다 큰, 치과용 자성 어태치먼트 구조체.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간부의 오스테나이트계 스테인레스강과 상기 중앙부의 페라이트계 스테인레스강의 경계부에서, 상기 중간부의 오스테나이트계 스테인레스강의 일부가 가열되는 것에 의해 페라이트화되거나 또는 페라이트와 Cr 질화물의 혼합상(混合相)으로 변형되어 있는, 치과용 자성 어태치먼트 자석 구조체.