CN101903552A - 用于高真空和高纯气体的管的奥氏体不锈钢 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供用于高真空和高纯气体的管的不锈钢，所述不锈钢不含有侵入到处理气体中的杂质颗粒并具有成本效益。为了实现所述目的，本发明提供一种用于高真空和高纯气体的管的奥氏体不锈钢，所述不锈钢按重量百分比计包括：0.1％或更少的C、1％或更少的Si、0.5％至2％的Mn、0.05％或更少的P、0.01％或更少的S、15％至30％的Cr、7％至20％的Ni、4％或更少的Mo、3％或更少的Cu、0.05％或更少的N、0.01％或更少的B、0.01％或更少的O、余量部分为铁和不可避免的杂质，其中，Ti的含量限制为0.005％或更少，Al的含量限制为0.005％至0.05％，Ca的含量限制为0.0005％至0.003％。

Description

用于高真空和高纯气体的管的奥氏体不锈钢

技术领域

本发明涉及一种制造高集成和高精度产品(例如，半导体、液晶显示器等)所需要的用于高真空和高纯气体的管的不锈钢，更具体地讲，涉及用于不锈钢管的材料，因降低了形成管的制造成本，所以所述材料具有优良的成本效益，并且当使用管时，由于产品中不含来自内壁表面的杂质颗粒，所以所述材料防止在产品中产生缺陷。

背景技术

在制造半导体的工艺中，痕量杂质的侵入导致半导体产品的缺陷而降低了良率，从而在制造工艺过程中控制杂质的侵入是至关重要的。所以，为了防止来自焊接部分的杂质颗粒的侵入，通常将无缝管用于半导体制造器件中，为了彻底去除来自钢管内壁表面的杂质颗粒，执行光亮退火和电解抛光。关于处理钢管内壁表面的方法，第H7-11378号日本专利特许公布(大同钢(Daido Steel))公开了这样的方法，所述方法通过将钢中的氧按重量百分比(在下文中，称作wt.％)限制为0.0015或更少并将钢中的氢限制为0.0002wt.％或更少，并利用机械法和电解抛光法处理管的内壁表面，来将表面粗糙度降低到预定水平之下。此外，第2002-60964号日本专利特许公布(住友金属矿业)公开了这样的技术，所述技术通过在钢管冷拔后对用硝酸水溶液执行光亮退火的光亮管的内表面进行钝化来防止腐蚀产品的颗粒的侵入，以改善内壁表面的耐腐蚀性。

近来，为了降低制造成本，已经提高了对焊接管的需求，在这种情况下，防止会容易在焊接部分形成的诸如各种氧化物、氮化物等的杂质颗粒的产生是非常重要的。为此，第5,830,408号和第5,942,184号美国专利提供了奥氏体和铁素体不锈钢的化学组成，包含：0.2wt.％或更少的Mn、0.01wt.％或更少的Al、0.5wt.％或更少的Si和0.01wt.％或更少的O。

然而，在基于上述的化学组成制造不锈钢的情况下，可在钢管的焊接过程中减小杂质颗粒的产生，但是，出现了这样的问题，即，在制造钢管之前的不锈钢板或不锈钢卷材的制造工艺过程中，在板的表面上产生的诸如裂片(sliver)或微裂纹的表面缺陷会增加。表面缺陷包含许多含有诸如Cr氧化物、Fe氧化物和Si氧化物的杂质颗粒，从而，尽管减少了从焊接部分产生的杂质颗粒，但是增加了因表面缺陷引起的杂质。此外，在制得焊接管之前，通过钢管的内表面的诸如酸洗、电解抛光等工艺，去除了从焊接部分产生的大部分杂质颗粒。然而，利用化学方法和机械方法很难去除表面缺陷内部的杂质颗粒。因此，上述的不锈钢不适合用于高真空或高纯气体的管。

发明内容

技术问题

因此，提出本发明以解决上面的问题，本发明的目的在于提供一种用于高真空和高纯气体的管的奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢没有包含杂质颗粒的表面缺陷，不产生在通过焊接制造钢管过程中在焊接部分上的使用化学方法不易去除的杂质颗粒渣，并且尽管在钢管的焊接接合中使用廉价的氮保护气，但是所述奥氏体不锈钢不产生氮化物类杂质颗粒，从而本发明具有成本效益并能够防止产品的缺陷。

技术方案

为了实现本发明的目的，本发明提供一种用于高真空和高纯气体的管的奥氏体不锈钢，所述不锈钢按重量百分比计包括：0.1％或更少的C、1％或更少的Si、0.5％至2％的Mn、0.05％或更少的P、0.01％或更少的S、15％至30％的Cr、7％至20％的Ni、4％或更少的Mo、3％或更少的Cu、0.05％或更少的N、0.01％或更少的B、0.01％或更少的O、余量部分为铁和不可避免的杂质，其中，Ti的含量限制为0.005％或更少，Al的含量限制为0.005％至0.05％，Ca的含量限制为0.0005％至0.003％。

此外，本发明提供用于高真空和高纯气体的管的奥氏体不锈钢，其中，在所述奥氏体不锈钢的冷轧卷材的表面上沿轧制方向具有3mm或更长的长度的裂片缺陷的数量为每100m卷材少于五个。

此外，本发明提供用于高真空和高纯气体的管的奥氏体不锈钢，其中，当使用Ar保护气焊接所述奥氏体不锈钢时和使用氮气焊接所述奥氏体不锈钢时，未在焊道表面上检测到氧化物和氮化物。

有益效果

本发明能够得到一种不锈钢，当所述不锈钢作为用于高真空和高纯气体的管，使用在制造半导体或液晶显示器的工艺中时，所述不锈钢没有在钢材的表面上包含杂质颗粒的表面缺陷。

此外，本发明提供一种用于高真空和高纯气体的管的奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢不产生在制造钢管的焊接部分上的使用化学方法不易去除的杂质颗粒渣，并且尽管在钢管的焊接接合中使用廉价的氮保护气，但是所述奥氏体不锈钢不产生氮化物类杂质颗粒，从而本发明具有成本效益。

附图说明

图1是示出在冷轧卷材的表面上由包含氧化物颗粒的金属薄膜形成的类型1裂片缺陷的图片。

图2是示出在冷轧卷材的表面上作为压痕残留且没有金属薄膜和氧化物颗粒的类型2裂片缺陷的图片。

图3是示出在包含痕量的Ti的奥氏体不锈钢的TIG焊道的表面上形成的Ti氧化物和Ti氮化物的图片。

图4是示出在包含过量的Ca的奥氏体不锈钢的TIG焊道的表面上形成的Ca氧化物的图片。

图5示出本发明的示例的化学组成和对比示例的化学组成。

具体实施方式

在下文中，将参照附图来详细描述本发明。

导致用于制造诸如半导体、液晶显示器等高精度产品的高真空和高纯气体的管用不锈钢产品的缺陷的杂质颗粒主要来源如下：第一，残留在不锈钢卷材表面上的裂片缺陷的底部的氧化物颗粒和金属晶粒；第二，在不锈钢卷材的焊接管的制管过程中以焊接渣形状生成的氧化物，所述氧化物没有通过后续的酸洗或电解抛光被去除而是残留下来；第三，当将管焊接接合到管以生产制造安装的管时形成的氮化物颗粒，具体地讲，当出于成本效益的原因使用廉价的氮保护气来将管焊接到管上时形成的氮化物颗粒。

图1是精确示出裂片缺陷的图片，在裂片缺陷中，氧化物颗粒残留在缺陷(在下文中，称作“类型1”缺陷)的底部，所述裂片缺陷是一种产生在使用连铸、热轧、热轧卷材的酸洗、冷轧、冷轧卷材的酸洗和最后的光整轧制(skin pass rolling)制得的奥氏体不锈钢冷轧卷材的表面上的普通裂片缺陷。裂片缺陷通常具有这样的形状，在所述形状中，含有Cr和Fe成分的氧化物颗粒被压缩而残留在具有50m或更小(即，大约一个晶粒的尺寸)的厚度的金属薄膜和所述金属薄膜之下的基体材料之间。

覆盖氧化物颗粒的金属薄膜具有非常薄的厚度(即，大约一个晶粒的尺寸)，并包括在冷轧酸洗工艺过程中被部分腐蚀而彼此非常脆弱地连接的晶粒。所以，当被用作管时，金属薄膜借助于气体流动容易分离，使得气体中的金属晶粒和在金属薄膜底部的氧化物颗粒会容易地作为杂质流动。当对管的内壁表面执行酸洗或电解抛光时，剥蚀(ablation)量非常大，使得金属薄膜的厚度变得更薄并使得晶粒的连接变得更弱，至此，由于没有将缺陷部分的金属薄膜和金属薄膜底部的氧化物层彻底剥蚀或去除，从而导致促进杂质的渗透的可能性变大。通常，由于借助于酸洗法或电解抛光法的剥蚀量难以超过50m，所以难以将缺陷部分的金属薄膜和金属薄膜底部的氧化物彻底去除。

图2示出在上述的奥氏体不锈钢冷轧卷材表面上观察到的另一种形状的裂片缺陷。在这种情况下，未示出上述的金属薄膜和金属薄膜底部的氧化物层，而是仅仅观察到在制造工艺过程中的金属薄膜和金属薄膜底部的氧化物层被彻底分离从而被消除的痕迹。当奥氏体不锈钢冷轧卷材用作管时，在这种形状的裂片缺陷(在下文中，称为“类型2”缺陷)中，金属晶粒和氧化物没有流动到气体中。

通常，如图1所示的裂片缺陷和如图2所示的裂片缺陷同时产生在冷轧卷材的表面上。所有这些以这样的方式示出，所述方式为在连铸坯的热轧工艺过程中，因材料缺乏热加工性而形成表面裂纹之后，氧化物形成在裂纹的内部并在将示出的后续轧制工艺中被压缩。在热轧工艺之后，在热轧卷材的酸洗、冷轧和冷轧卷材的酸洗的工艺中，将这些表面裂纹压缩为具有浅的深度，并且随着卷材表面的氧化皮的产生和卷材表面的氧化皮通过酸洗的去除的反复进行，这些表面裂纹逐渐消失。然而，在执行最后的冷轧卷材的酸洗和光整轧制之后，没有去除这些表面裂纹，从而残留在表面上的缺陷作为产品的裂片缺陷而残留。

在上述的工艺过程中，本发明的发明人发现如图1所示的裂片缺陷转变为如图2所示形状的裂片缺陷，并且当最终残留的裂片缺陷的数量很少时，只有如图2所示形状的裂片缺陷残留，而没有如图1所示的裂片缺陷。基于此，在使用自动缺陷检测器来检测最后的冷轧卷材的酸洗线的裂片缺陷之后，发明人发现，当在冷轧卷材的表面上沿轧制方向具有3mm或更长的长度的裂片缺陷为每100m卷材少于五个时，不会残留如图1所示的类型1裂片缺陷。所以，如果冷轧卷材的裂片缺陷满足上述条件，则当奥氏体不锈钢用作高真空和高纯气体的管时，能够通过残留在裂片缺陷和金属薄膜的底部的氧化物颗粒的分离防止杂质颗粒的渗透。

为了减少上述裂片缺陷，必须改善奥氏体不锈钢的热加工性，其中，诸如Ti、B、Al和Ca的微量元素改善热加工性，诸如S和O的元素降低了热加工性。然而，在控制这样的微量元素的含量时，必须将这样的微量元素的含量控制在化学成分的范围内，所述化学成分的范围通过确保热加工性且不产生氧化物颗粒和氮化物颗粒能够通过残留在裂片缺陷或金属薄膜的底部的氧化物颗粒的分离防止杂质颗粒的渗透，所述氧化物颗粒在不锈钢卷材的焊接管的制管过程中以焊接渣形状生成，并且通过后续的酸洗或电解抛光没有被去除而是残留下来，当将管焊接接合到管以生产制造安装的管时，具体地讲，当出于成本效益的原因使用廉价的氮保护气来将管焊接到管时，形成了所述氮化物。

为了实现这个目的，本发明提供一种用于高真空和高纯气体的管的奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢按重量百分比计包括：0.1％或更少的C、1％或更少的Si、0.5％至2％的Mn、0.05％或更少的P、0.01％或更少的S、15％至30％的Cr、7％至20％的Ni、4％或更少的Mo、3％或更少的Cu、0.05％或更少的N、0.01％或更少的B、0.01％或更少的O、余量部分为铁和不可避免的杂质，其中，Ti的含量限制为0.005％或更少，Al的含量限制为0.005％至0.05％，Ca的含量限制为0.0005％至0.003％。从而，防止了未通过后续的酸洗或电解抛光工艺去除而是残留在焊接制管中的焊道的表面上的氧化物颗粒的产生。此外，本发明提供了一种方法，所述方法能够确保热加工性，从而在使用氮保护气焊接制造安装的管中不产生氮化物颗粒的情况下，沿冷轧卷材的轧制方向上具有3mm或更长的长度的裂片缺陷为每100m卷材少于五个。

在下文中，将详细描述限制成分元素的原因。

C作为形成碳化Cr的元素，被限制为0.1％或更少，以防止劣化焊接部分的耐腐蚀性。

Si为炼钢工艺中需要的脱氧剂。当其超过1％时，球状氧化物型夹杂物增多从而很可能流动到处理气体中，从而Si的含量限制为1％或更少。

需要0.5％或更多的Mn，Mn是通过固定降低热加工性的S来提高热加工性的元素。然而，当加入的Mn多于2％时，劣化耐腐蚀性，因而Mn的含量限制为0.5％至2％。

P和S是劣化热加工性和耐腐蚀性的元素，P的含量限制为0.05％或更少，S的含量限制为0.01％或更少。

Cr是赋予不锈钢耐腐蚀性的元素，为了确保管的内壁表面的耐腐蚀性，需要15％或更多的Cr。然而，当Cr含量超过30％时，借助于诸如σ相的金属间化合物的析出，杂质可流动到处理气体中。所以，Cr的含量限制为15％至30％。

为了确保奥氏体相结构，需要7％或更多的Ni。然而，当Ni含量超过20％时，奥氏体的稳定效果几乎不变，但是原材料成本迅速升高。所以，Ni的含量限制为7％至20％。

Mo是强化耐腐蚀性的元素。然而，当Mo含量超过4％时，在制造工艺过程中形成σ相从而产生脆化。所以，Mo含量限制为4％或更少。

Cu是以与Ni类似的方式稳定奥氏体相的元素，同时提高不锈钢的延展性。然而，当Cu含量超过3％时，在热轧过程中会产生更多的裂纹从而引起许多裂片缺陷。所以，Cu含量限制为3％或更少。

N也是稳定奥氏体相的元素。然而，当其含量升高时，热加工性降低，并且当其含量超过0.05％时，裂片缺陷的数量迅速增多。所以，N含量限制为0.05％或更少。

B是通过强化奥氏体晶界来控制在热轧工艺过程中表面裂纹的产生的元素。然而，当B含量超过0.01％时，在非常高的温度下，其热加工性迅速降低。所以，B的含量限制为0.01％或更少。

O是通过产生焊渣而劣化热加工性并降低焊道工艺的稳定性的元素，O的含量限制为0.01％或更少。

考虑到本发明的特征，Ti是重要元素。通过固定S和O并控制晶粒在高温下的生长，Ti具有提高热加工性的作用，从而Ti经常被有意地添加到奥氏体不锈钢中。然而，当在制管焊接中使用氮保护气时，非常迅速地形成Ti氧化物和Ti氮化物，从而在管的内表面上形成Ti氧化物颗粒和Ti氮化物颗粒，如图3所示。为了控制这种Ti氧化物和Ti氮化物的形成，需要将Ti含量限制为非常低的水平，例如，0.005％或更少。

Al是通过固定O来提高热加工性的元素。为了获得这样的效果，需要0.005％或更多的Al。然而，当Al含量超过0.05％时，焊渣增多而起着作为处理气体的杂质源的作用。所以，Al含量限制为0.005％至0.05％。

考虑到本发明的特征，Ca是重要元素。Ca是通过固定S来提高热加工性的元素，为了得到这样的效果，至少需要0.0005％的Ca。然而，当Ca含量超过0.003％时，因焊接时在熔融金属中非常迅速的氧化和损失，导致在焊道的表面上急剧地形成更多的渣，如图4所示，从而形成了借助于酸洗或电解抛光工艺不易去除的杂质颗粒。所以，需要将Ca含量严格限制为0.0005％至0.003％。

在下文中，将通过示例来描述本发明。

在图5中，根据普通不锈钢的制造工艺，在1240℃的温度将具有如本发明的示例中和对比示例中所示出的化学组成的奥氏体不锈钢的连铸坯在加热炉中加热180分钟至210分钟，然后通过热粗轧机和热终轧机将所述连铸坯轧制为具有3mm至4.5mm的厚度，使其经受退火酸洗线中的退火工艺、机械除鳞工艺和化学酸洗工艺，从而制得热轧卷材。

用带钢冷轧机将这些热轧卷材再次轧制为具有1.0mm至2.0mm的厚度，使其经受冷轧退火酸洗线中的退火工艺和化学酸洗工艺，从而制得最后的冷轧卷材。对于制得的冷轧卷材，使用在线缺陷检测器评定在冷轧退火酸洗线中的裂片缺陷，并在使用Ar保护气和氮保护气的两种条件下，测试气体保护钨极电弧焊。其结果在下面的表1中示出。

在添加的Ti按重量计超过0.005％的对比示例1、3和4中，在使用氮保护气执行焊接试验之后，在焊道的表面上观察到Ti氮化物和Ti氧化物。在Al和Ca的一个超过最大允许剂量的对比示例5和6中，在焊道表面上形成Al氧化物和Ca氧化物，而与保护气的种类无关。在Ti和Ca超微量且Al未达到本发明所限定的最小需求量的对比示例3中，产生了大量类型1裂片缺陷，类型1裂片缺陷中包含氧化物颗粒，并因热加工性而导致处理气体的污染。相反地，在满足本发明所限定的化学组成的范围的示例1、2和3中，具有3mm或更大的尺寸的裂片缺陷的总数量为每100m卷材五个，未产生类型1缺陷，并且在使用Ar保护气和氮保护气的焊接的焊道的表面上没有形成诸如氧化物、氮化物等的杂质颗粒。

表1

如上所述，通过详细描述和附图描述了本发明的最佳实施例。术语并非用来限制权利要求书所要求保护的本发明的范围，而只是用于解释本发明。尽管描述了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可对本发明作出各种修改和改变。因此，本发明意图覆盖本发明的修改和变形，只要所述修改和变形落入权利要求和它们的等同物的范围内。

Claims (3)

1.一种用于高真空和高纯气体的管的奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢按重量百分比计包括：0.1％或更少的C、1％或更少的Si、0.5％至2％的Mn、0.05％或更少的P、0.01％或更少的S、15％至30％的Cr、7％至20％的Ni、4％或更少的Mo、3％或更少的Cu、0.05％或更少的N、0.01％或更少的B、0.01％或更少的O、余量部分为铁和不可避免的杂质，其中，Ti的含量限制为0.005％或更少，Al的含量限制为0.005％至0.05％，Ca的含量限制为0.0005％至0.003％。

2.如权利要求1所述的用于高真空和高纯气体的管的奥氏体不锈钢，其中，在所述奥氏体不锈钢的冷轧卷材的表面上沿轧制方向具有3mm或更长的长度的裂片缺陷的数量为每100m卷材少于五个。

3.如权利要求1所述的用于高真空和高纯气体的管的奥氏体不锈钢，其中，当使用Ar保护气焊接所述奥氏体不锈钢时和使用氮气焊接所述奥氏体不锈钢时，未在焊道表面上检测到氧化物和氮化物。

Images