【手続補正書】
【提出日】平成17年3月23日(2005.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  歯科用磁性アタッチメントに用いるフェライト系ステンレス鋼
【特許請求の範囲】
【請求項１】  重量％でCrが17〜32％、MoがO.5〜3.5％、残部がFeであると共に不可避的な非金属介在物および不純物を含むフェライト系ステンレス鋼であり、前記非金属介在物の面積率が0.001％以下であることを特徴とする歯科用磁性アタッチメントに用いるフェライト系ステンレス鋼。
【請求項２】  請求項１において、電流密度100μＡ/cm2を規定値とする孔食電位が0.6Ｖ以上であることを特徴とする歯科用磁性アタッチメントに用いるフェライト系ステンレス鋼。
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐食性に優れる歯科用磁性アタッチメントに用いるフェライト系ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステンレス鋼は耐食性に優れ、Crを12％以上含有する合金鋼の総称である。ステンレス鋼の表面には不動態皮膜が形成され優れた耐食性を有するため、医療分野をはじめとして産業機器あるいは家庭用品等の耐食部材として幅広く使用されている材料である。FeとCr量の含有比率を適宜制御し、適当な添加物を加えることによって特異の特性を付与できるため、日本工業（JIS）規格でその含有量が規定され、規格品番号が決まっている。通常使用されているステンレス鋼の約半分は非磁性であるが、組成範囲を限定し適切な熱処理等を施せば、良好な軟磁気特性を有する材料が得られ、磁気応用部品の一部にも利用されている。このような軟磁気特性を持つステンレス鋼は結晶構造学的に見ればBCC構造であり、フェライト系ステンレス鋼と呼ばれ、SUS405,SUS430,SUS436,SUS444,SUS447等がＪＩＳ規格品として知られている。組成としては、FeおよびCrが主成分で、Mo,C,Si,Mn,P,S,N等を数％以下含むものである。
【０００３】
図２にフェライト系ステンレス鋼を使用した例として歯科用部品を示す。図２に示す歯科用部品は、永久磁石の磁気吸引力を利用して脱着を容易に自在にできる入れ歯の概略構造である。上部側が義歯を設ける可撤部であり、下部側が固定部となる。このような磁気吸引力による固定式入れ歯は、従来のクラスプ式義歯に比べて装着が確実かつ衛生的にできる上に、歯根に直接はめ込む機械式アタッチメントに比べて着脱が容易でかつ装着時の快適感が得られる等のメリットを持つため、その適用例が急速に増加している。まず、図２の構成を簡単に説明する。可撤部としては、歯科用レジン製の義歯床４の上部に義歯３が固定され、さらに義歯床４の中央底部に歯科用接着剤で磁石構造体１を固着して構成される。一方、固定部は歯根５上に根面部材６を介してキーパー２を設ける。このキーパー２は軟磁性材で作製されるため、磁石構造体１の下面からの漏れ磁束が入射して磁石構造体−キーパー間で磁気吸引力を発生する。このような構成であるため装着しようとする場合、図示する矢印の向きの磁気吸引力が生じ、磁石構造体１はキーパー２と密着一体化して、入れ歯は固定されることになる。反対に脱着時には、磁気吸引力より大きい力を加えることによって入れ歯を容易に外すことができる。このように入れ歯をワンタッチで着脱することができ、構造が簡単で消耗部がない上に、脱着回数に関係なく磁気吸引力は低下せず一定の保持力が確保できる等の特徴がある。
【０００４】
次に、キーパー２と協動する磁石構造体１について述べる。図３はその断面を示す。磁石構造体１は外径2.5〜4.5mm、高さ1.5mm程度以下の円筒形状をしている。円筒状のカップヨーク内には図示するような希土類永久磁石を内蔵する。キーパーとの磁気吸引力は400〜800ｇと、矮小ながら大きな吸引力特性を発揮するように設計上考慮されている。磁石構造体１は、まず底部を解放したカップヨーク１１の内に永久磁石１３を配置し、シール部材１５の外縁を溶接で封止する工程を経て製造される。永久磁石を封止する構造により永久磁石全体を保護でき、口腔内で露出しないようにしたものである。また、唾液等がしみ込んだり、永久磁石の割れ欠けが起こらない等の効果も併せて持たせている。例えば、永久磁石１３は上面にＮ極、下面にＳ極が生じるように厚さ方向に着磁される。永久磁石の発生磁束をキーパー２側に効率よく誘導するように磁気回路を構成する。そのために図中のカップヨーク１１とシール部材１５には軟磁性材を使用し、磁気抵抗を出来る限り低く押さえ、永久磁石１３の起磁力の損失を少なくしている。さらに、シール部材１５とカップヨーク１１との接続部には、非磁性材のシール縁部材１７を介在させて、磁束のバイパスを防止する。キーパー２を通過せずにＳ極に直接戻る磁束が増加すると、磁気吸引力の低下を招き、入れ歯の保持機能に重大な支障が出てくる。永久磁石の断面積を増加させ減少した分の磁束量を補うと、大形の永久磁石の使用を招き、磁石構造体の小型化に逆らうことになる。磁束のバイパス防止に非磁性のシール縁部材を設ける構成は、特願平３−１４１６９１号公報に詳しく開示されている。この特異な磁気回路と希土類磁石によって、上述したように大きな磁気吸引力が得られる。以後、明細書中では磁石構造体１とキーパー２を合わせて歯科用磁性アタッチメントと称することにする。
【０００５】
さて、歯科用磁性アタッチメントは口腔内で使用されることが予定されているため、材質的には衛生的であることは勿論毒性を生じないこと、口腔内の環境下において優れた耐食性を示すこと、同時にあまり嵩張らずに入れ歯を固定できる磁気吸引力が確保できるように良好な軟磁性材としての磁気特性が必要である。限られたスペースで所定の磁気吸引力を得るには、出来る限り飽和磁束密度が高い材質であることが必須要件である。このため、カップヨーク１１、シール部材１５およびキーパー２として、Crが16〜18％、残部がFe（SUS430）、あるいはCrが28.5〜32％、Moが1.5〜2.5％、残部がFe（SUS447J1）等のフェライト系ステンレス鋼が従来から用いられてきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の材料を使用すると孔食あるいは隙間腐食等の局部腐食に対して充分でなく、その対策の必要性が指摘されていた。一般に、フェライト系ステンレス鋼は少なくともCrまたはMoを多く含有させる程、耐食性改善の効果は大であるが、耐食性向上に相反して軟磁性材としての磁気特性の劣化を招く。磁気特性の低下はキーパー側に入射する磁束量を減少させ、磁気吸引力の低下を引き起こすため、磁性アタッチメントとしては好ましくない。また、耐食性と磁気特性の両者の特性の中庸が得られるように材料として例えば、Crが18.5〜24％、Moが0.5〜3.5％、Tiが0.05〜0.3％、残部がFeであるフェライト系ステンレス鋼が特開平４−３６２１６１号公報に開示されている。しかしながら、このフェライト系ステンレス材は人工唾液への浸漬試験では十分な耐食性を有することが検証されているものの、孔食あるいは隙間腐食などの局部腐食に対する耐食性は、後述するようになんら配慮されていない。このように従来材では、磁気特性と耐食性とがトレイドオフの関係にあった。
【０００７】
具体例を以て従来技術の課題を説明する。図４および５は歯科用磁性アタッチメントに生じた孔食あるいは隙間腐食の発生場所を模式的に示す。図４の磁石構造体１は義歯床に接着剤を介して固定され、また図５のキーパー２は根面部材６に埋設され磁石構造体の底面と接触させて使用するため、義歯床４あるいは根面板６の境界部に隙間腐食１４を、またキーパー２の磁石構造体との接触面に孔食１６等の局部腐食を生じ易い。同一の腐食条件下であっても、埋設部等は他の部品との境界を形成するため、異物が侵入保持され自由表面に比して一層腐食環境が厳しい。従来考えられていた腐食環境に比較して、孔食あるいは隙間腐食等は発生面積が狭く規模が小さいためその影響は無視されていたものであるが、時間の経過と共に将来致命傷に進展する可能性がある。信頼性のある歯科用部品を製造するためには局部腐食の耐食性に優れるステンレス鋼が必要となっている。
【０００８】
一方、特開平９−２０９０９１号公報には、Nを添加することにより孔食および隙間腐食に対する耐食性を向上させたステンレス鋼が開示されている。その組成はCrが17〜25％、Moが0.75〜2.5％、Nが0.02〜0.3％、残部がFeである。しかし、高窒素ステンレス鋼は孔食、隙間腐食に対する耐食性が向上するが、製造には数十気圧の高圧窒素中で合金を溶解鋳造して鋼塊とする大がかりな設備を用い、さらに複雑な製造工程を必要とするため工業的に困難さを伴う。例え、実施しても高コストとならざるをえない。このため、本発明は孔食および隙間腐食等の局部腐食に対する耐食性を満足すると共に、磁気特性に優れる安価な歯科用磁性アタッチメント用のフェライト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の歯科用磁性アタッチメントに用いるフェライト系ステンレス鋼は、重量％でCrが17〜32％、MoがO.5〜3.5％、残部がFeであると共に不可避的な非金属介在物および不純物を含むフェライト系ステンレス鋼であり、前記非金属介在物の面積率が0.001％以下であることを特徴とする。さらに、前記非金属介在物の大きさは最大6μm未満であることが望ましい。
さらに、前記フェライト系ステンレス鋼は、電流密度100μＡ/cm2を規定値とする孔食電位が0.6Ｖ以上であることを特徴とする。
本発明者らは上記問題を解決するため局部腐食の顕微鏡的な観察を行い、その発生メカニズムと対策について鋭意研究を重ねた結果、次のような知見を得て本発明を想到するに至った。即ち、ステンレス鋼の全面的な腐食に対する耐食性はその合金自体の耐食性によって決まるが、孔食あるいは隙間腐食等の局部腐食はそれと趣が異なっている。腐食部分を拡大して精査すると、（１）非金属介在物を起点にする場合、（２）Cr、Mo含有量が局所的に低下した部位、即ち成分偏析部を起点とする場合に分類できる。上記した非金属介在物は溶解精錬中に混入あるいは残さとして組織中に存在するものである。また、成分偏析は凝固過程中における不均一な温度分布、あるいは不適正な熱処理工程から生まれる。この知見から次のような結論を導き出すことができる。即ち、従来から使用されているステンレス鋼に特別な成分を添加せずに、寧ろ原因となる不純物量を低減するか、または成分偏析をなくす方法のいずれか一方を適用すれば、局部腐食に対する耐食性を大幅に改善できる。
【００１０】
図６は従来材の鋳造圧延工程である。原料２２を溶解炉２３に投入し、溶解精錬後鋳造金型２６に注ぎ、鋼塊２８を得る工程を示す。溶湯は鋳造金型２６の外側から凝固し、内側が最後に固まるため、図示する年輪状の偏析を生じる。この鋼塊２８を圧延ロール２９で棒材３０に加工しても、棒材３０の断面には年輪状の成分偏析が残る。一方、不純物混入を極小化して、かつ成分偏析を非常に少なく抑制できる方法として、真空中あるいは不活性ガス中で加熱源として電気アーク、電子ビームあるいは誘導加熱等を用いる再溶解法が有効である。この代表的な方法として真空アーク再溶解法（VAR法）がある。
【００１１】
このVAR法を図７に示す。まず、通常の製鋼工程にて成分調整されたフェライト系ステンレス鋼の鋼塊を作製し、これを溶解電極３８として真空カバー３２内に設置する。10−3〜10−4Torrの真空下で電気アークにより再溶解して、金型に滴下させる。金型に溜まった溶湯は滴下した分が凝固することになるため、図示する層状の二次鋼塊３４が得られる。これは積層凝固と呼ばれ、断面内の偏析は極めて少なくできるものである。この二次鋼塊を圧延加工すれば、断面内におけるCr,Mo等の偏析が無視できる棒材を製造できる。さらに、高真空中で再溶解するため、鋼塊の含有する酸素の70〜80％、窒素の0〜20％が除去され、炭素に対しても同様の効果がある。しかし、イオウは殆ど除去できない。酸素、窒素および炭素等の非金属元素を大幅に取り除くことができるため、非金属による介在物の核が減少することになり、その結果非金属介在物の生成が抑制される。また、真空アーク再溶解の代わりに電子ビーム溶解などの真空中再溶解法を用いても同様な効果が得られる。
【００１２】
以上述べた方法を用いて、歯科用磁性アタッチメントに適したステンレス鋼の組成限定理由を述べる。組成は重量％で示す。CrおよびMoは、フェライト系ステンレス鋼の基本的な耐食性、磁気特性を決める元素であり、Crは17〜32％、Moは0.5〜3.5％の範囲で添加する。Cr量が17％未満であると、歯科用磁性アタッチメントに用いるステンレス鋼としての耐食性は不十分であり、32％を超えると飽和磁束密度が1.3T以下になる。好ましくは25％以下が好適である。このため、軟磁性材料としての機能を第一に考えるときには、Crは17〜25％とする。一方、Moはステンレス鋼の不動態皮膜を強化し耐食性を向上させるため、0.5％以上添加する。3.5％を超えると脆化の原因となり、機械的強度の低下をもたらすため、0.5〜3.5％とする。Si、Mnは製造工程で溶鋼の脱酸剤として添加するが、多量に添加すると生成した脱酸生成物が除去しきれず、粒径の大きい酸化物系非金属介在物となって局部腐食の起点となるため、Siは0.4％以下、Mnは0.4％以下とする。
【００１３】
鉄鋼中には不可避的不純物としてC,N,P,S,Oの混入が考えられるから、以下のように規定する。CはCr、Moと化合物を形成するため、CrまたはMoの欠乏層の原因となる。このため、耐食性を低下させない範囲として0.005％以下とする。NもCr,Moと化合物を形成してCr,Mo欠乏層の原因となるため、同様に0.005％以下とする。Pは結晶粒界に偏析し、耐食性を低下させる働きがあるため、限界値として0.04％以下とする。SはMn等と化合し硫化物系非金属介在物となって局部腐食の起点となるため、0.005％以下とする。OはSi,Mnと化合し、酸化物系非金属介在物となるため最大0.003％とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の有効性を検証するため、試料を製作する。まず、図６に示す工程で鋼塊を作る。原料２２を溶解炉２３に装入、溶解し、所定の組成となるよう合金調整を行う。この溶鋼を鋳造金型２６に注入して凝固させて鋼塊２８とする。次に、得られた鋼塊２８を一次鋼塊として再溶解する。図７の真空アーク再溶解装置を用いたVAR法によれば、介在物や不純物が十分低減され、中心部への不純物濃縮や凝固偏析が極めて少ない良質の二次鋼塊３４が得られる。不純物の低減は、VAR法における真空アーク精練によってC,N,O等の不純物元素がガス化して、真空排気口３６から排出されるためである。また、図６の前溶解時の脱酸剤によって、既にSiO2などの酸化物系介在物となって浮上分離されずに一次鋼塊中に捕捉されていた場合も、VAR法において浮上分離される。さらに、VAR法では凝固が積層的に進行し、普通鋳造法と異なり中心偏析が生じないため、VAR法で製造した鋼塊から得られた鋼材では、断面内での不均一さが極めて小さい。なお、VAR法の他に電子ビーム再溶解法などの高温真空精練と積層凝固機能を持つ精練装置を用いてもこのような効果が得られることは勿論である。
【００１５】
以上述べた工程から得られたフェライト系ステンレス鋼の耐食性および磁気特性を評価した。まず、耐食性はJIS  G0577に規定される方法を用いて孔食電位の値で評価することにした。この評価法は試料金属表面に安定な保護膜、即ち不動態皮膜を存在させ、皮膜の欠陥個所から腐食が起こる状態を電流一定の条件で、その時の電位を検出するものである。具体的な方法として試験するステンレス鋼片をアノード（陽極）として、35℃の3.5％NaCl水溶液に浸漬し、対極であるカソード（陰極）を白金電極として電圧を印加する。図１に示すように電圧を増加させていき、ある電圧以上になると自然条件でステンレス鋼表面に存在する不動態皮膜が破壊され、腐食によって電流が流れ始め急激に電流が増大する。これをアノード分極曲線といい、所定の電流密度に対する電圧として孔食電位が決まる。図１中では腐食電流の電流密度として100μＡ／cm２を閾値とし、そのときの電位を孔食電位V´c100で示す。また、飽和磁束密度BsはＢ−Ｈ曲線より求めた。これらをまとめると表１のようになる。
【００１６】
歯科用磁性アタッチメントの磁気吸引力を高める作用をする飽和磁束密度BsはFe含有量を増加させることによって高められるが、逆に孔食電位が低下し耐食性が失われる。しかし、本発明例No.１によれば、従来材No.22と比較して飽和磁束密度をほとんど低下させずに、２倍近い孔食電位を得ることができる。また、本発明例No.２によれば、１．５Ｔ以上にしても孔食電位０．７Ｖ以上の良好な耐食性が得られる。
【００１７】
【表１】
1999279722.tif 000001
【００１８】
鋼材中の非金属介在物の形態と分布は、断面観察してJIS  G0555に定める方法で評価した。その試験法の概要は、鍛造あるいは圧延された鋼材から鍛造もしくは圧延方向軸に平行に原則として15×20mmの試験片を切り出し、その試験片表面を顕微鏡を使って非金属介在物の形状と数量を測定するものである。その測定値はA,BおよびC系介在物として表示し、同時にその数量を非金属介在物の面積率として表す。ここで、A系は線状介在物、B系は連節状介在物、C系は粒状介在物である。各試験片の非金属介在物の評価結果を表２に示す。A系介在物を左欄に、BおよびC系介在物を中央欄に記入してある。A系介在物については、本発明と従来例は差が見られないが、BおよびC系介在物に関しては1/20以下と著しく低減されている。本発明による効果が大であることがわかる。この結果より、本発明よるフェライト系ステンレス鋼の鋼材は局部腐食の起点となりうる内包する非金属介在物量が極めて少ない。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
一方、鋼材中の組織異常として加工時の揉割れと推定される異常組織が発生する。これは直径５ｍｍの丸棒から歯科用磁性アタッチメントのカップヨークを切り出す際、圧延による揉割れが原因と推定される異常組織が従来からカップヨークに発生し、その対策が必要であった。表２にその発生頻度を示す。表２中の発生頻度を従来と比較すると、本発明によるフェライト系ステンレス鋼を用いた歯科用磁性アタッチメントには、加工したとき異常組織の発生頻度が極めて低いことがわかる。また、これは局部腐食の起点となる欠陥の存在の危険性が非常に低くなることであり、工程あるいは出荷時検査によって取り除く不良品数を激減でき、製品の信頼性を高めることができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上、本発明によれば耐孔食性および耐隙間腐食性に優れ、かつ磁気特性に優れた歯科用磁性アタッチメントに用いるフェライト系ステンレス鋼が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に用いるステンレス鋼材と従来材による孔食電位特性のグラフである。
【図２】
従来技術で歯科用磁性アタッチメントを用いる様子を示す概略断面図である。
【図３】
従来技術の歯科用磁性アタッチメントの断面図である。
【図４】
磁石構造体の局所腐食状況を示す概略断面図である。
【図５】
キーパーの局所腐食状況を示す概略断面図である。
【図６】
鋳造圧延工程を示す概略断面図である。
【図７】
真空アーク再溶解装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１  磁石構造体、２  キーパー、３  義歯、４  義歯床、５  歯根、
６  根面部材、１１  カップヨーク、１３  永久磁石、１５  シール部材、
１７  シール縁部材、１４  隙間腐食、１６  孔食、
１８  不動態皮膜の破壊箇所
２２  原料、２３  溶解炉、２６  鋳造金型、２８  鋼塊、
２９  圧延ロール、３０  棒材、
３２  真空カバー、３４  二次鋼塊、３６  真空排気口、３８  溶解電極