(57)【要約】【課題】ステンレス鋼に含まれる銅の含有量を増やすことができるステンレス鋼改質用銅鉄合金、及び銅含有量の多い改質ステンレス鋼を提供する。【解決手段】銅を１０．０〜９７．０容量％、及び鉄を３．０〜９０．０容量％含み、圧延方向に平行に切り出した断面及び垂直に切り出した断面の光学顕微鏡による倍率２００倍の画像を目視で観察すると両断面共に平行する複数の線状部を含む線状構造であるステンレス鋼改質用銅鉄合金である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅を１０．０〜９７．０容量％、及び鉄を３．０〜９０．０容量％含み、
圧延方向に平行に切り出した断面及び垂直に切り出した断面の光学顕微鏡による倍率２００倍の画像を目視で観察すると両断面共に平行する複数の線状部を含む線状構造である
ことを特徴とするステンレス鋼改質用銅鉄合金。
【請求項２】
導電率が５〜９２％［ＩＡＣＳ単位］、引張強度が３００〜２５００Ｎ／ｍｍ２、及び熱伝導率が３４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である請求項１に記載のステンレス鋼改質用銅鉄合金。
【請求項３】
銅及び鉄を含む母合金と、銅又は鉄とを溶融する工程を備える請求項１又は２に記載のステンレス鋼改質用銅鉄合金の製造方法。
【請求項４】
銅及び鉄を加熱して溶湯とし、前記溶湯を冷却して前記母合金を得る工程を備える請求項３に記載のステンレス鋼改質用銅鉄合金の製造方法。
【請求項５】
鉄、銅、及びコバルトを含む原料を誘導加熱炉内で溶解して溶湯を得る工程、及び
前記溶湯に、平均磁束密度１２００〜２３００ガウスの磁場の中で２０〜１５０Ｈｚの振動を与える工程
を備える請求項１又は２に記載のステンレス鋼改質用銅鉄合金の製造方法。
【請求項６】
Ｃｕを６．０質量％以上含むことを特徴とする改質ステンレス鋼。
【請求項７】
Ｍｎが５．０質量％以下であり、Ｃｒを１０．０〜３０．０質量％、Ｎｉを５．０〜３０．０質量％、及びＦｅを含む請求項６に記載の改質ステンレス鋼。
【請求項８】
Ｃｕを６．０質量％以上、Ｃｒを１０．０〜３０．０質量％、及びＮｉを５．０〜３０．０質量％を含み、Ｃが０．１質量％以下、Ｓｉが２．０質量％以下、Ｍｎが５．０質量％以下、及び残部が実質的にＦｅからなることを特徴とする改質ステンレス鋼。
【請求項９】
請求項１又は２に記載のステンレス鋼改質用銅鉄合金とステンレス鋼原料とを混合する工程を備えることを特徴とする改質ステンレス鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼に関するものであり、特に銅の含有量が多い改質ステンレス鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼には、銅を含むものがある。この銅により、ステンレス鋼に特性を付与することが考えられる。例えば、銅は、抗菌性を有することが知られている。特許文献１（特開平９−１７６８００号公報）には、Ｃ：０．１重量％以下，Ｓｉ：２重量％以下，Ｍｎ：５重量％以下，Ｃｒ：１０〜３０重量％，Ｎｉ：５〜１５重量％，Ｃｕ：１．０〜５．０重量％を含む組成をもち、Ｃｕを主体とする第２相がマトリックス中に０．２体積％以上の割合で分散している抗菌性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が記載されている。また、非特許文献１（鈴木聡ら，「Ｃｕ含有ステンレスの抗菌性」，鉄と鋼，Ｖｏｌ．１００（２０１４）Ｎｏ．８，ｐ．９７〜１０４）には、銅を１．００〜３．７７ｍａｓｓ％含む、抗菌性を有するステンレス鋼が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１７６８００号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】鈴木聡ら，「Ｃｕ含有ステンレス鋼の抗菌性」，鉄と鋼，Ｖｏｌ．１００（２０１４）Ｎｏ．８，ｐ．９７〜１０４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の方法で製造されるステンレス鋼は、銅の含有量が少ない。そのため、例えば高い抗菌性を有さない。そこで、本発明は、ステンレス鋼に含まれる銅の含有量を増やすことができるステンレス鋼改質用銅鉄合金、及び銅含有量の多い改質ステンレス鋼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の目的を達成するために、本発明者らは、鋭意研究を重ね、本発明に至った。すなわち、本発明のステンレス鋼改質用銅鉄合金は、銅を１０．０〜９７．０容量％、及び鉄を３．０〜９０．０容量％含み、圧延方向に平行に切り出した断面及び垂直に切り出した断面の光学顕微鏡による倍率２００倍の画像を目視で観察すると両断面共に平行する複数の線状部を含む線状構造である。
【０００７】
また、本発明の改質ステンレス鋼は、Ｃｕを６．０質量％以上含む。
【０００８】
さらに、本発明の改質ステンレス鋼の製造方法は、ステンレス鋼改質用銅鉄合金とステンレス鋼原料とを混合する工程を備える。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明によれば、ステンレス鋼に含まれる銅の含有量を増やすことができるステンレス鋼改質用銅鉄合金、及び銅含有量の多い改質ステンレス鋼を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施例１に係るステンレス鋼改質用銅鉄合金を鋳造し圧延した圧延材であり、図中の矢印は顕微鏡で観察を行うための試験片を切り出した方向を示す。
【図２】図２は、圧延方向に垂直に切り出された圧延材を光学顕微鏡を用いて２００倍で撮影した写真である。左は切り出した圧延材の断面を研磨して撮影した写真、右は切り出した圧延材の断面を研磨し、エッチング処理して撮影した写真である。
【図３】図３は、圧延方向に垂直に切り出された圧延材を光学顕微鏡を用いて１０００倍で撮影した写真である。左は切り出した圧延材の断面を研磨して撮影した写真、右は切り出した圧延材の断面を研磨し、エッチング処理して撮影した写真である。
【図４】図４は、圧延方向に平行に切り出された圧延材を光学顕微鏡を用いて２００倍で撮影した写真である。左は切り出した圧延材の断面を研磨して撮影した写真、右は切り出した圧延材の断面を研磨し、エッチング処理して撮影した写真である。
【図５】図５は、圧延方向に平行に切り出された圧延材を光学顕微鏡を用いて１０００倍で撮影した写真である。左は切り出した圧延材の断面を研磨して撮影した写真、右は切り出した圧延材の断面を研磨し、エッチング処理して撮影した写真である。
【図６】図６は、比較例１に係るステンレス鋼改質用銅鉄合金の鋳造材であり、図中の矢印は顕微鏡で観察を行うための試験片を切り出した方向を示す。
【図７】図７は、長手方向に垂直に切り出された鋳造材を光学顕微鏡を用いて２００倍で撮影した写真である。左は切り出した鋳造材の断面を研磨して撮影した写真、右は切り出した鋳造材の断面を研磨し、エッチング処理して撮影した写真である。
【図８】図８は、長手方向に垂直に切り出された鋳造材を光学顕微鏡を用いて１０００倍で撮影した写真である。左は切り出した鋳造材の断面を研磨して撮影した写真、右は切り出した鋳造材の断面を研磨し、エッチング処理して撮影した写真である。
【図９】図９は、長手方向に平行に切り出された鋳造材を光学顕微鏡を用いて２００倍で撮影した写真である。左は切り出した鋳造材の断面を研磨して撮影した写真、右は切り出した鋳造材の断面を研磨し、エッチング処理して撮影した写真である。
【図１０】図１０は、長手方向に平行に切り出された鋳造材を光学顕微鏡を用いて１０００倍で撮影した写真である。左は切り出した鋳造材の断面を研磨して撮影した写真、右は切り出した鋳造材の断面を研磨し、エッチング処理して撮影した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
《ステンレス鋼改質用銅鉄合金》
本発明に係るステンレス鋼改質用銅鉄合金（以下、単に銅鉄合金という。）は、銅を１０．０〜９７．０容量％、及び鉄を３．０〜９０．０容量％、好ましくは銅を１０．０〜９６．０容量％、及び鉄を４．０〜９０．０容量％、より好ましくは銅を１０．０〜９５．０容量％、及び鉄を５．０〜９０．０容量％、更に好ましくは銅を１０．０〜９４．０容量％、及び鉄を６．０〜９０．０容量％、特に好ましくは銅を１０．０〜９３．０容量％、及び鉄を７．０〜９０．０容量％である。ステンレス鋼に高い抗菌性等を付与するためには、銅の含有量が多い方が好ましい。
【００１２】
圧延された本発明に係る銅鉄合金は、圧延方向に平行に切り出した断面及び垂直に切り出した断面の光学顕微鏡による倍率２００倍の画像を目視で観察すると両断面共に平行する複数の線状部を含む線状構造である。図２及び図４に示されるように、複数の線は、同一方向に交差することなく概ね平行している。また、図３及び図５に示されるように、圧延方向に平行に切り出した断面及び垂直に切り出した断面の光学顕微鏡による倍率１０００倍の画像を目視で観察すると色の濃い不定形領域が点在している。
【００１３】
本発明に係る銅鉄合金は、どのような形状に加工されていてもよく、例えば、スラブ、ビレット、粉末状、線状、又は板状でもよいが、線状又は板状であるのが好ましい。
【００１４】
本発明に係る銅鉄合金は、導電率が５〜９２％［ＩＡＣＳ単位］、引張強度が３００〜２５００Ｎ／ｍｍ２、及び熱伝導率が３４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。
【００１５】
《銅鉄合金の製造方法》
本発明に係る銅鉄合金は、例えば、以下のような第１の方法又は第２の方法によって製造することができる。
【００１６】
〈第１の方法〉
第１の方法においては、本発明に係る銅鉄合金は、銅及び鉄を含む母合金と、銅又は鉄とを溶融して製造することができる。
【００１７】
母合金は、銅及び鉄を加熱して溶湯とし、溶湯を冷却して得るのが好ましい。銅と鉄の比率は、銅１００容量部に対して、鉄が、好ましくは２０〜５００容量部、より好ましくは５０〜２００容量部である。母合金は、実質的に銅と鉄のみからなるのが好ましい。
【００１８】
母合金の原料である銅と鉄は、合金の状態図に従って加熱される。また、銅と鉄が均一に加熱されるようにするのが好ましい。加熱して得られた溶湯は、室温下で自然冷却させることが好ましい。例えば、溶湯を、直接型枠に鋳込み、放置する。
【００１９】
得られた母合金と、銅又は鉄とを溶融する。好ましくは、母合金と銅とを溶融する。母合金と共に加熱される銅又は鉄の量は、最終的に得られる銅鉄合金の銅鉄比率を考慮して決定することができる。
【００２０】
母合金に銅又は鉄を加え加熱するが、銅又は鉄以外にその他の金属を加えてもよい。しかし、実質的に母合金と銅又は鉄のみからなる原材料を加熱するのが好ましい。原材料は合金の状態図に従って加熱するのが好ましい。加熱溶融した後、冷却する。冷却は、ゆっくり行うことが好ましい。例えば、室温下で自然冷却する。母合金を用いて銅鉄合金を製造する場合、ゆっくり冷却することができ、急速に冷却する必要が無い。以上のようにして、鉄の含有率が高く、加工性に優れた従来存在しない銅鉄合金、特に銅と鉄の二元合金を製造することができる。
【００２１】
〈第２の方法〉
第２の方法においては、まず、鉄、銅、及びコバルトを含む原料を誘導加熱炉内で溶解する。誘導加熱炉は、高周波誘導炉であることが好ましい。
【００２２】
原料は、鉄、銅、及びコバルトを含み、鉄と銅は、好ましくは６０：４０〜４０：６０、より好ましくは５５：４５〜４５：５５の容量比である。鉄を分散させる観点から、コバルトが鉄と銅の合計に対して０．０００１〜０．００２０容量％、好ましくは０．０００５〜０．００１５容量％、更に好ましくは０．００１０容量％である。
【００２３】
原料は、誘導加熱炉内で状態図に従って好ましくは１４００℃〜１５５０℃、より好ましくは１４５０℃〜１５００℃となるように加熱される。これにより原料が溶けて溶湯となる。
【００２４】
次に、原料が溶解した溶湯を鋳型に注湯する。第２の方法においては、溶湯を磁場の中に置き振動を与えればよいが、注湯中に溶湯を磁場の中に置き振動を与えるのが好ましい。磁場は平均磁束密度１２００〜２３００ガウス、振動は２０〜１５０Ｈｚである。例えば、電磁コイルが巻かれた、耐熱セラミックと鉄系金属とからなる複層管に溶湯を流すことにより、溶湯を磁場の中に置くことができる。また、低周波発生器を用いて溶湯に振動を与えることができる。磁場の中で振動を与えることにより、銅と鉄の粒子の粒界エネルギーの変化が起こり、銅と鉄とが均一に混ざるものと考えられる。以上のようにして、鉄の含有率が高く、加工性に優れた従来存在しない銅鉄合金を製造することができる。
【００２５】
《改質ステンレス鋼》
本発明に係る改質ステンレス鋼には、Ｃｕ（銅）が６．０質量％以上、好ましくは、１０．０〜５０．０質量％、より好ましくは２０．０〜４０．０質量％が含まれる。抗菌性の観点から、Ｃｕの含有量は多い方が好ましい。また、改質ステンレス鋼は、Ｆｅ（鉄）を含むのが好ましい。
【００２６】
本発明に係る改質ステンレス鋼には、Ｍｎ（マンガン）が好ましくは５．０質量％以下であり、より好ましくは１．０〜３．０質量％、更に好ましくは１．０〜２．０質量％含まれる。Ｃｒ（クロム）は、好ましくは１０．０〜３０．０質量％、より好ましくは１５．０〜２０．０質量％含まれる。Ｎｉ（ニッケル）は、好ましくは５．０〜３０．０質量％、より好ましくは８．０〜２０．０質量％含まれる。Ｃ（炭素）は、好ましくは０．１質量％以下であり、より好ましくは０．０１〜０．１質量％含まれる。Ｓｉ（ケイ素）は２．０質量％以下であり、より好ましくは０．１〜１．０質量％、更に好ましくは０．２〜０．８質量％含まれる。
【００２７】
本発明に係る改質ステンレス鋼は、例えば、Ｃｕを６．０質量％以上、Ｃｒを１０．０〜３０．０質量％、及びＮｉを５．０〜３０．０質量％を含み、Ｃが０．１質量％以下、Ｓｉが２．０質量％以下、Ｍｎが５．０質量％以下、及び残部が実質的にＦｅからなる。
【００２８】
本発明に係る改質ステンレス鋼は、銅の含有量が多いので、種々の優れた特性を示す。例えば、高い抗菌性を有する。また、従来のステンレス鋼に比べて導電率が大きく、高温になっても導電率の急激な減衰がない。さらに、熱伝導率も大きく、耐腐食性にも優れる。
【００２９】
本発明に係る改質ステンレス鋼は、以下のように製造することができる。
【００３０】
本発明に係る銅鉄合金とステンレス鋼原料を混合し、電気炉で溶解する。ステンレス鋼原料としては、ステンレス鋼、そのスクラップ、クロム、及びニッケル等が挙げられる。混合する銅鉄合金の量は、製造したいステンレス鋼の組成を目安に決めればよい。ステンレス鋼原料と銅鉄合金とを混合して溶解することにより、ステンレス鋼の銅含有量を多くすることができる。溶解した後、別の炉で、成分の調整を行ってもよい。
【００３１】
溶解した原材料を鋳型に流し込み、例えばスラブ状又はビレット状のステンレス鋼を鋳造する。鋳造されたステンレス鋼を、熱間圧延又は冷間圧延してもよい。
【実施例】
【００３２】
《実験例１》
［実施例１］
銅（電線用純銅）質量３５ｋｇと鉄（ＪＦＥスティール社製純鉄）質量３５ｋｇを秤量したのちに、７０ｋｇの容量の高周波誘導炉へ投入して１５００℃で加熱して完全溶解を行った。これを型枠へ流し込んで室温になるまで自然冷却し母合金のインゴットを鋳造した。
【００３３】
銅９０容量％、鉄１０容量％になるように母合金のインゴットと銅（固体）とを混合し、１２５０〜１３００℃に加熱溶融して銅希釈を行った後、厚み１０ｍｍのスラブに鋳造して、改質ステンレス鋼の原料となる実施例１に係る銅鉄合金を得た。
【００３４】
［比較例１］
市販の鋳造銅鉄合金（ＳＩＲＵＩ社製）を比較例１に係る銅鉄合金として用いた。
【００３５】
＜構造解析１＞
実施例１で得られた銅鉄合金を圧延して、図１の写真に示す銅鉄合金の圧延材（板材）を得た。実施例１で得られた銅鉄合金は圧延しても割れが殆ど生じず、容易に圧延材を製造することができた。この圧延材の圧延方向から垂直に切り出した試験片Ａ及び圧延方向から平行に切り出した試験片Ｂを得た。
【００３６】
試験片Ａについて、切り出し断面を研磨した試験片Ａ１、及び切り出し断面を研磨しエッチング処理した試験片Ａ２をそれぞれ準備し、光学顕微鏡（エピフォトＴＭＥ３００，ニコン社製）を用いて、倍率２００倍で写真を撮影した。試験片Ａ１の写真を図２の左に、試験片Ａ２の写真を図２の右に示す。
【００３７】
光学顕微鏡の倍率を１０００倍とした以外は同様にして、写真を撮影した。試験片Ａ１の写真を図３の左に、試験片Ａ２の写真を図３の右に示す。
【００３８】
試験片Ｂについて、切り出し断面を研磨した試験片Ｂ１、及び切り出し断面を研磨しエッチング処理した試験片Ｂ２をそれぞれ準備し、光学顕微鏡（エピフォトＴＭＥ３００，ニコン社製）を用いて、倍率２００倍で写真を撮影した。試験片Ｂ１の写真を図４の左に、試験片Ｂ２の写真を図４の右に示す。
【００３９】
光学顕微鏡の倍率を１０００倍とした以外は同様にして、写真を撮影した。試験片Ｂ１の写真を図５の左に、試験片Ｂ２の写真を図５の右に示す。
【００４０】
＜構造解析２＞
比較例１の銅鉄合金の鋳造材は図６に示すように、円柱形状であった。この円柱形状の鋳造材を円柱の高さ方向（長手方向）から垂直に切り出した試験片Ｃ及び長手方向から平行に切り出した試験片Ｄを得た。
【００４１】
試験片Ｃについて、切り出し断面を研磨した試験片Ｃ１、及び切り出し断面を研磨しエッチング処理した試験片Ｃ２をそれぞれ準備し、光学顕微鏡（エピフォトＴＭＥ３００，ニコン社製）を用いて、倍率２００倍で写真を撮影した。試験片Ｃ１の写真を図７の左に、試験片Ｃ２の写真を図７の右に示す。
【００４２】
光学顕微鏡の倍率を１０００倍とした以外は同様にして、写真を撮影した。試験片Ｃ１の写真を図８の左に、試験片Ｃ２の写真を図８の右に示す。
【００４３】
試験片Ｄについて、切り出し断面を研磨した試験片Ｄ１、及び切り出し断面を研磨しエッチング処理した試験片Ｄ２をそれぞれ準備し、光学顕微鏡（エピフォトＴＭＥ３００，ニコン社製）を用いて、倍率２００倍で写真を撮影した。試験片Ｄ１の写真を図９の左に、試験片Ｄ２の写真を図９の右に示す。
【００４４】
光学顕微鏡の倍率を１０００倍とした以外は同様にして、写真を撮影した。試験片Ｄ１の写真を図１０の左に、試験片Ｄ２の写真を図１０の右に示す。
【００４５】
比較例１に係る銅鉄合金は、圧延すると割れてしまった。また、鋳造材は、切り出し断面の一方は線状構造であったが、他方の切り出し断面は線状構造ではなく、不規則な構造であることが分かる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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