技術 ディスポーザ用刃物

0001

本発明は、集合住宅等の一般家庭や食堂で発生する生ゴミの粉砕に適したディスポーザ用刃物に関する。

0002

環境問題に対応するため生ゴミの処理が分散化する傾向にあり、都市圏の集合住宅等で生ゴミ粉砕用にディスポーザを設置した住宅が増加している。ディスポーザは、流しシンクに取り付けられ、粉砕した生ゴミを別途処理層に送り出すことによって家庭ゴミの排出量を減らしている。

0003

ディスポーザは、ゴミが粉砕される刃物部，ゴミが蓄積・摩耗されるドーム部を主な構成要素としている。刃物部には、強度，耐磨耗性が要求されることからSUS 410，SUS 420J2等のマルテンサイト系ステンレス鋼を初めとする高強度材料が使用されている(特許文献１)。なかでも、マルテンサイト系ステンレス鋼は、焼入れ又は焼入れ・焼戻しにより高強度が付与され、非常に高い強度(硬さ)をもつマルテンサイト組織が熱処理後に得られ、耐磨耗性等に関しても優れた特性を呈する。他方、ドーム部の素材には、樹脂，Ａｌ鋳鋼等が使用されている。
特開平7-194991号公報

0004

ディスポーザは、塩分を含む生ゴミや塩素系洗浄剤に接触する過酷な腐食環境に曝される。そのため、耐食性に乏しいSUS 410等のマルテンサイト系ステンレス鋼を素材とするディスポーザでは使用条件によって腐食し、切れ味が極端に低下する場合がある。メンテナンスを怠ると、細菌が繁殖しヌメリが発生することもあり、清潔感が重視される厨房用品としての要求特性が満足されなくなる。

0005

本発明は、ディスポーザが置かれる環境及び要求特性に応え得る材質を種々調査・検討した結果、強度-延性バランスの良好な複相組織クロムステンレス鋼が好適材料であることを見出し、切れ味，強度，耐食性等に優れたディスポーザ用刃物を提供することを目的とする。

0006

本発明のディスポーザ用刃物は，その目的を達成するため、Ｃ：０.２０質量％以下，Ｓｉ：２.０質量％以下，Ｍｎ：０.１質量％以下，Ｃｒ：１６〜２０質量％，Ｎｉ：４.０質量％以下，Ｎ：０.１５質量％以下，必要に応じてＣｕ：０.４〜５質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物の組成をもち、内部がマルテンサイト相とフェライト相との複相組織で、表層部がマルテンサイト単相層になっていることを特徴とする。
Ｃｕを含む系では、Ｃｕを主体とする第二相が０.２体積％以上の割合で分散析出することにより抗菌性が付与される。

0007

マルテンサイト相，フェライト相の複相組織を呈する成分系で、鋼材内部に複相組織を維持したまま最表面から少なくとも深さ：１μｍまでの表層部をマルテンサイト単相化できると、打抜き成形，プレス成形時に十分な加工性を確保でき、且つ耐磨耗性(耐疵付き性)に優れた鋼材が得られる(特許文献２)。本発明者等は、表層部をマルテンサイト単相化した鋼材に関しディスポーザ環境下の腐食性雰囲気に耐える成分系を調査・検討した結果、良好な延性，加工性，耐磨耗性，耐疵付き性に加え耐食性，抗菌性にも優れ、従来材から期待できない特性を発揮するディスポーザ用刃物となることを見出した。
特許第3363590号公報

0008

腐食性の湿潤環境で使用されることから、ディスポーザ用刃物に抗菌性を付与することが好ましい。抗菌性付与は有機皮膜やめっきによる抗菌コートが一般的であるが、抗菌コートでは皮膜消失に伴い抗菌性もなくなる。他方、材料自体の特性で抗菌作用を発揮する鋼材であれば長期にわたる抗菌性を期待できる。そこで、Ｃｕを主体とする第二相(以下、"Ｃｕリッチ相"という)をマルテンサイト相，フェライト相の複相組織に分散析出させることにより、複相組織クロムステンレス鋼の抗菌性を改善した。

0009

Ｃｕリッチ相の分散析出が抗菌性の改善に有効なこと自体はすでに知られている技術(特許文献３)であるが、これをディスポーザ用刃物として使用される複相組織クロムステンレス鋼に適用することは本発明をもって初めてとするところである。
特許第3223418号公報

0010

以下、ディスポーザ用刃物に使用される複相組織クロムステンレス鋼に含まれる合金成分，含有量等を説明する。
〔Ｃ：０.２０質量％以下〕
強力なオーステナイト生成元素であり、マルテンサイト強化能も大きく、Ａc1点以上の温度に加熱する熱処理で生成するマルテンサイト量を調節でき、強度制御，高強度化に有効な成分である。しかし、過剰量のＣが含まれると熱処理後のマルテンサイト量が多くなりすぎ、マルテンサイト相も非常に硬質化するので、高強度化には有利であるが延性が低下する。過剰量のＣ含有は、耐食性，靭性にとって好ましくない炭化物が熱処理後に多量生成する原因でもある。そのため、Ｃ含有量の上限を０.２０質量％(好ましくは、０.１０質量％)とした。

0011

〔Ｓｉ：２.０質量％以下〕
製鋼時に脱酸剤として添加される成分であり、ステンレス鋼表面のＣｕ濃化を促進させる作用も呈する。このような作用は０.６質量％以上で顕著になるが、過剰なＳｉ含有は靭性低下の原因となるので上限を２.０質量％(好ましくは、１.５質量％)とした。
〔Ｍｎ：２.０質量％以下〕
製鋼時に不可避的に混入し或いは積極的に添加される元素であり、オーステナイト生成元素であるため、高価なＮｉの一部をＭｎで置換できる。Ｍｎの添加効果は０.５質量％以上で顕著になるが、過剰添加は腐食起点になりやすい硫化物を形成し、製造性を低下させるので上限を２.０質量％(好ましくは、１.５質量％)とした。

0012

〔Ｃｒ：１６〜２０質量％〕
耐食性改善に必須の合金成分であり、ディスポーザ環境における耐食性を維持する上で少なくとも１６.０質量％のＣｒが必要である。しかし、過剰量のＣｒが含まれると靭性が低下し、高強度化に有効なマルテンサイト生成量を確保するＣ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎ等のオーステナイト生成元素の増量が必要になるので、Ｃｒ含有量の上限を２０.０質量％とした。好ましくは、１６.５〜１８.５質量％の範囲でＣｒ含有量を選定する。

0013

〔Ｎｉ：４.０質量％以下〕
過剰Ｃ含有に起因する弊害を解消し、熱処理後のマルテンサイト量を確保する上でも有効であり、Ａc1点，ひいては熱処理温度を低下させる作用も呈する。しかし、過剰量のＮｉ含有は鋼材コストの上昇を招くので、上限を４.０質量％(好ましくは、２.５質量％)とする。
〔Ｎ：０.１５質量％以下〕
Ｃと同様にオーステナイト生成元素であるが、過剰添加は表面欠陥を増加させる原因となるので上限を０.１５質量％(好ましくは、０.１０質量％)とした。

0014

〔Ｃｕ：０.４〜５質量％〕
任意添加成分であるが、所定量のＣｕを添加して時効処理することにより０.２体積％以上の割合でＣｕリッチ相を分散析出させると、良好な抗菌性が複相組織クロムステンレス鋼に付与される。０.２体積％以上のＣｕリッチ相析出には０.４質量％以上のＣｕ含有量が必要であるが、過剰量のＣｕ含有は製造性、耐食性にとって好ましくないので上限を５質量％とした。オーステナイト生成元素でもあり、Ｎｉの一部をＣｕで置換することにより鋼材コストを低減できる。好ましくは、１.０〜３.０質量％の範囲でＣｕ含有量を選定する。
Ｃｕの一部がＣｕリッチ相として析出していると、表面のＣｕ濃度が上昇すると共に抗菌性も改善される。抗菌性の改善は、Ｃｕリッチ相が析出した鋼材の表面部ではＣｒを主体とする不動態皮膜が存在せず、結果的にＣｕの溶出が容易になることに原因があるものと推察される。

0015

〔他の添加成分〕
所定量のＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｎ，Ｃｕを添加して複相組織化することにより必要特性を付与できるが、耐食性，耐熱性，熱間加工性等の諸性質改善に有効な合金元素の添加や製造上混入する不純物元素は許容される。たとえば、Ｐ：０.０４質量％以下，Ｓ：０.０１０質量％以下，Ｂ：０.０３質量％以下，Ａｌ：４.０質量％以下，Ｍｏ：２.０質量％以下，REM(希土類元素)：０.２０質量％以下，Ｙ：０.２０質量％以下，Ｃａ：０.１０質量％以下，Ｍｇ：０.１０質量％以下等がある。

0016

〔複相組織〕
成分調整，熱処理条件の制御によって、２０〜９５体積％のマルテンサイト相と残部が実質的にフェライト相とに複相組織化すると、強度，延性に優れたステンレス鋼が得られる。この複相組織ステンレス鋼の表層部をマルテンサイト単相層とすると、延性，加工性を損なうことなく耐磨耗性，耐疵付き性が顕著に改善される。
内部がフェライト相，マルテンサイト相の複相組織であることは、母材自体が高強度をもち、打抜き性，プレス成形性，曲げ性等の加工性，延性に優れた高強度ステンレス鋼とする上で必須である。仮に、表層部が硬質のマルテンサイト単相層であっても、内部が軟質のフェライト相になっていると，鋼材自体の強度が不足し強度部品に適用できない。フェライト相，マルテンサイト相の比率はγmaxとも関連するが、おおむね２０〜９５体積％の範囲にあるマルテンサイト相が好ましい。

0017

優れた耐磨耗性，耐疵付き性を得る上で、マルテンサイト相，フェライト相の複相組織を内部に維持したまま、最表面から少なくとも深さ：１μｍ以上の表層部がマルテンサイト単相層になっていることが好適である。表層部のマルテンサイト単相層と内部の複相組織の厚み比率は板厚，複相組織のフェライト比率，素材鋼板の用途等に応じて適切に選定できるが、何れにしてもマルテンサイト単相層の厚みを板厚の１／３以下にすることが好ましい。

0018

〔複層化熱処理〕
内部がマルテンサイト相，フェライト相の複相組織で表層部がマルテンサイト単相層のステンレス鋼は、制御雰囲気下でＡc1点以上の温度に加熱する熱処理を施すことにより製造される。たとえば、窒素を含む雰囲気で高温熱処理すると、鋼材表面から窒素が吸収される。吸収窒素は、表層部のγmaxを高め、表層部をマルテンサイト単相化する。窒素吸収によるマルテンサイト単相化作用を利用する上では、窒素を含む雰囲気が必要であるが、窒素を含んでいても通常の大気のように多量の酸素が存在する雰囲気では表面酸化が先行するため十分な窒素吸収が進行しない。そのため、露点を０℃以下として高温加熱時の表面酸化を抑制する必要がある。具体的な雰囲気には、１００％Ｎ2，１０％以上のＮ2を含むＮ2-Ｈ2雰囲気等がある。

0019

熱処理後にフェライト＋マルテンサイトの複相組織を得るためには、Ａc1点以上の加熱が必要である。Ａc1点は成分バランスによって変動するが、おおむね６００〜９００℃の範囲にある。窒素吸収の温度依存性から高い熱処理温度ほど好ましいが、高すぎる熱処理温度は省エネルギー面から好ましくないので上限を１２００℃程度に設定する。
Ａc1点は鋼材を低温から加熱していった場合にオーステナイト相が生成する温度と定義され、低温側のフェライト単層域とより高温側の(フェライト＋オーステナイト)二相域の境界温度である。鋼組成からは、Ａc1(℃)=35(Ｃｒ＋1.72Ｍｏ＋2.09Ｓｉ＋1.77Ｔｉ＋21.4Ａｌ＋40Ｂ−7.14Ｃ−8Ｎ−3.28Ｎｉ−1.89Ｍｎ−0.51Ｃｕ)＋310と算出される。
制御雰囲気下でＡc1点以上に加熱する熱処理が適用される前の鋼組織には特段の制約が加わるものでなく、フェライト単相組織やフェライト＋マルテンサイトの混合組織であっても良い。この場合のフェライト単相組織は、一部炭化物を含む場合も許容する。

0020

〔Ｃｕリッチ相の析出処理〕
抗菌性を付与する場合、所定組成に調整した複相組織ステンレス鋼の熱延板に、５００〜(Ａc1＋１００)℃の温度域で均熱１時間以上のバッチ焼鈍を施し、Ｃｕを主体とする第二相をマトリックスに析出させる。次いで、冷間圧延し、(Ａc1＋１００)〜１１００℃の温度に加熱して冷却する複層化連続熱処理を施すことにより、要求特性を満足する鋼材が得られる。

0021

表１の組成をもつ鋼材を真空溶解し、厚み：１６５ｍｍ，幅：２００ｍｍ，重量：４００ｋｇのスラブに鋳造した。スラブを１２００℃に加熱し、仕上げ温度：９２０℃で板厚：３.６ｍｍまで熱間圧延した。次いで、８１０℃×６時間の熱延板焼鈍を施し、デスケール後に冷間圧延し、板厚：０.８ｍｍの冷延板を製造した。

0022

0023

製造された冷延鋼帯Ａ〜Ｄを露点：−４０℃の２５％Ｎ2＋７５％Ｈ2混合雰囲気中１０００℃×均熱１分で加熱した後、冷却する連続焼鈍を施した。別途、露点：−４０℃の２５％Ｎ2＋７５％Ｈ2混合雰囲気中Ａc1点未満の７５０℃に均熱１分加熱して冷却する連続熱処理を鋼種Ａに、大気中１００℃に均熱１分加熱して冷却する連続熱処理を鋼種Ｂに施した。鋼種Ｅは、マルテンサイト系ステンレス鋼SUS 420J2に相当し、バッチ処理で大気中１０００℃に５分加熱し急冷する焼入れ処理後に４００℃×３０分→空冷の焼戻し処理を施した。なお、大気雰囲気下で加熱した鋼帯では、何れも酸洗によって酸化皮膜を鋼帯表面から除去した。

0024

熱処理後の鋼帯から試験片を採取し、断面組織を観察すると共に、フッ硝酸を用いたエッチング後に表層のマルテンサイト単相層の厚みをＸ線回折で測定した。また、引張特性，板厚中央部の断面硬さを測定し、塩乾湿複合サイクル試験で耐食性を調査した。塩乾湿複合サイクル試験では、塩水噴霧(５％ＮａＣｌ，１５分)→乾燥(６０℃，３５％ＲＨ，６０分)→湿潤(５０℃，９５％ＲＨ，１８０分)を１サイクルとし、１００サイクル後の隙間腐食部の侵食深さから耐食性を評価した。
調査結果を熱処理条件と共に表２に示す。

0025

表２から明らかなように、本発明で既定した成分条件，組織条件を満足する本発明例１〜４は、何れも高強度と良好な延性を示し、耐食性にも優れていた。
同じ鋼材Ａを使用した場合でも、Ａc1点に達しない温度で熱処理した比較例６では、フェライト＋炭化物の内部組織になっており、結果として低い強度であった。大気中で熱処理した比較例７では、内部がマルテンサイト相，フェライト相の複相組織になっているものの、表層部にマルテンサイト単相層がないため硬さが不足していた。マルテンサイト系の鋼種Ｅを用いた比較例５では、強度こそ高いものの延びが極端に低く、耐食性も十分でなかった。

0026

0027

表３の鋼材を真空溶解し、実施例１と同様にスラブに鋳造した後、板厚：３.６ｍｍまで熱間圧延した。熱延板に時効処理を施したが、本発明例では処理温度を５００〜(Ａc1＋１００)℃又は９００℃の範囲に設定した。比較例では、Ｃｕリッチ相が十分粗大化しない低温域及びＣｕリッチ相が固溶する高温域を含む４００〜９５０℃の範囲で均熱時間を種々変化させた時効処理を施した。

0028

0029

時効処理で生成した酸化スケールを研磨除去した後、冷間圧延により板厚：０.１ｍｍの冷延板を製造した。次いで、露点：−４０℃の２５％Ｎ2＋７５％Ｈ2混合雰囲気中１０００℃×均熱１分で加熱した後、冷却する連続焼鈍を施し、フェライト+マルテンサイトの複相組織に調整した。
複相化熱処理したステンレス鋼板から採取した試験片をTEM観察してＣｕリッチ相の析出量を定量すると共に、抗菌性試験に供した。

0030

抗菌性試験では、Staphylococcus aureus IFO012732 (黄色ブドウ球菌)を普通ブイヨン培地で３５℃，１６〜２４時間振盪培養して培養液を用意した。培養液を減菌リン酸緩衝液で２００００倍に希釈し、菌液を調製した。５ｃｍ×５ｃｍの試験片を＃４００研磨した表面に菌液１ｍｌを滴下し、２５℃で２４時間保存した。保存後、試験片をSCDPL培地(日本製薬株式会社製)９ｍｌで洗い流し、得られた液について標準寒天培地を用いた混釈平板培養法(３５℃，２日間培養)で生菌数をカウントした。また、参照のため、シャーレに菌液を直接滴下し，同様に生菌数をカウントした。

0031

表４の調査結果にみられるように、Ｃ：０.４質量％以上のステンレス鋼熱延板に５００〜(Ａc1＋１００)℃又は９００℃×均熱１時間以上の焼鈍を施し、最終焼鈍として１０００℃×均熱１分の複相化熱処理を施すと、０.２体積％以上のＣｕリッチ相がマトリックスに均一分散した組織をもち、抗菌性に優れた性能を発揮した。
しかし、Ｃｕ含有量が少ないため必要量のＣｕリッチ相が析出しない比較例７では抗菌性に劣り、Ｃｕ含有量が０.４質量％以上であっても熱延板焼鈍温度が低すぎる比較例８ではＣｕリッチ相の析出量が不足し抗菌性に劣っていた。比較例９は、比較例７と同様にＣｕリッチ相の析出がないため抗菌性が得られなかった。

0032

0033

以上に説明したように、本発明のディスポーザ用刃物は、高強度，高耐食性の複相組織ステンレス鋼を素材に用いているので、長期使用後においても清潔感が要求される厨房の雰囲気を損ねることなく良好な切れ味を維持する。Ｃｕリッチ相の析出で抗菌性を付与したものでは、細菌の繁殖やヌメリの発生が抑制されたディスポーザが得られ、衛生面が重視される厨房用品として重宝される。複相組織ステンレス鋼は、ディスポーザ用刃物に限らず、腐食性の物体を粉砕する他の用途にも使用できる。