JP2001140044A

JP2001140044A - 配管用低発塵、高耐食性ステンレス鋼管

Info

Publication number: JP2001140044A
Application number: JP32306399A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Azuma; 茂樹東
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2001-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】諸不純物元素を低減した高価な清浄ステンレス
鋼を使用することなく、低発塵で耐食性に優れている曲
げ部を備えた配管用のステンレス鋼管の提供。【解決手段】質量％で、Ｎｉ：１０〜４０％、Ｃｒ：１
５〜３０％、Ｍｏ：１〜６％とＷ：１〜３％の１種ま
たは２種、Ａｌ：０．０００５〜０．０５％、Ｓｉ：０
〜１％、Ｍｎ：０〜１％、Ｎ：０〜０．３％を含有し、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、不純物中のＣ：
０．０５％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％
以下、Ｃｕ：０．５％以下、Ｏ：０．０１％以下である
ステンレス鋼管からなり、鋼管外径の５倍以上である曲
げ半径の曲げ部を有する鋼管。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子の製造
などで使用される高純度ガスの供給のために使用される
配管用低発塵、高耐食性ステンレス鋼管に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体および液晶製造分野におい
て高集積化が進み、超ＬＳＩと称されるディバイスにお
いては、１μm以下の微細パターンの加工が必要とされ
ている。このような超ＬＳＩ製造プロセスでは、成膜、
エッチングなどＳｉウェハー上の微細加工には多量のガ
スが使用されている。しかし、微少な塵や微量の不純物
ガスが配線パターンに付着、吸着しても回路不良の原因
となるため、使用する反応ガスおよびキャリヤーガスは
共に、高純度であることが要求される。すなわち、ガス
中の微粒子および不純物ガスの少ないことが必要とされ
る。したがって、その高純度ガスを供給する配管におい
ては、その内面からの微粒子およびガスの放出が極力少
ないことが要求される。

【０００３】また、半導体製造用ガスとしては窒素、ア
ルゴン等の不活性ガス以外に塩素、クロロシラン類とい
った腐食性のガスも使用されるので、これら腐食性ガス
に接する部材には当然、ガスに対する耐食性も必要とな
る。また、ガス配管系に限らず、ウェハー上に微細加工
をおこなう各種装置用、さらに超純水配管系にも同様の
性能が要求される。

【０００４】従来、このような半導体製造用ガス配管用
の鋼管としては、外径約１３ｍｍ以下の細径の継ぎ目無
しステンレス鋼管が多用されている。鋼管の長さは４ｍ
が多いがコイル状の長尺管もある。その内面は、塵や水
分などの付着および吸着を低減するため、平滑化されて
いる。

【０００５】このステンレス鋼管は、一般に中空ビレッ
トを熱間押出し成形により素管とし、押出し時に生成し
た表面酸化層を酸洗により除去した後、冷間加工と焼鈍
の繰り返しにより所定の外径、肉厚の鋼管に仕上げる方
法により製造される。

【０００６】ここで、冷間加工の方法としては、大きく
分けて冷間圧延と冷間抽伸がある。また、管内面の平滑
化の方法としては、機械研磨、電解研磨等があげられ
る。

【０００７】このステンレス鋼管は内面粗さにより、大
きく２つのグレードに分けられ、低グレード材は冷間加
工、還元雰囲気での固溶化処理のまま製品となり、光輝
焼鈍管と呼ばれる。高グレード材は、製管後に電解研磨
による仕上げによってさらに内面が平滑化される。

【０００８】電解研磨は、硫酸やリン酸などの強酸中で
ステンレス鋼を陽極電解することによりおこなわれ、管
内は電解研磨液によって汚染されるので、研磨後は高純
度水による洗浄、高純度ガスによる乾燥が施されて製品
となる。

【０００９】ステンレス鋼管の材質は、通常オーステナ
イト系ステンレス鋼であり、中でもＳＵＳ３１６Ｌが主
流となっている。

【００１０】ステンレス鋼管は、鋼管同士あるいは弁、
流量調節器などのステンレス鋼部品と接続されてガス配
管系とされる。接続には専らＴＩＧ（タングステンイナ
ートガス）溶接が用いられる。溶接箇所は、半導体素子
生産２００万個／月の標準的なプラントで、延べ１００
００箇所以上の膨大な数となる。この理由は、溶接が不
可避である鋼管と部品の接続以外に、配管スペース上の
制約から必要な鋼管の屈曲箇所をすべて直管とエルボ部
品との溶接によって構成しているためである。

【００１１】配管の屈曲部をエルボ等を使用して溶接す
る代わりに鋼管を曲げ加工する方法もある。しかし、特
開昭６３−１６１１４５号公報に開示されているよう
に、鋼管の曲げ加工をおこなった際、非金属介在物と地
鉄との界面に割れが生じたり、非金属介在物自信が割れ
たりするので、配管して使用中にそれらが脱落して微粒
子（パーティクル）となり、また耐食性も低下するの
で、曲げ加工による配管も好ましくない。このように鋼
管曲げ部は、直管に比較して発塵、腐食が生じ易くなる
ため、屈曲部の配管には溶接方法が専ら用いられてき
た。

【００１２】しかし、溶接方法であっても、溶接部から
はＭｎヒュームが発生して溶接部近傍の管内面に付着
し、付着したＭｎは塩化水素ガスのような水分を含有し
た腐食性ガスが流されると腐食してガスを汚染するおそ
れがある。

【００１３】特開昭６３−１６１１４５号公報に、前述
した管内面からのパーティクル発生の低減を目的として
開発されたクリーンルーム用鋼管が開示されている。こ
の鋼管は、Ｍｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｏなどの含有量を規制す
ることにより、電解研磨後の管内面に露出する非金属介
在物に起因する微粒子放出（発塵）を低減したことを特
徴としている。

【００１４】特開平７−１５１２７２号公報および特開
平７−１７３５８０号公報には、主としてＭｎ、Ａｌ含
有量を低減することにより溶接部の耐食性、発塵性を改
善したオーステナイトステンレス鋼およびそのステンレ
ス鋼より構成された超高純度ガス、純水供給用配管が開
示されている。

【００１５】上記の従来技術は、総じて超高純度ガス配
管の曲げや溶接に伴う発塵や耐食性低下に対して、主と
してステンレス鋼の不純物元素を低減することにより材
質面での改善を図ったものである。材質改善は前述した
問題に対する優れた対策ではある。しかしながら、不純
物元素を極低化した超清浄鋼であるため、一般のステン
レス鋼管に比較して高価となるので、より安価な配管の
開発が求められている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、諸不
純物元素を低減した高価な清浄ステンレス鋼を使用する
ことなく、低発塵で耐食性に優れている曲げ部を備えた
配管用のステンレス鋼管を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】発明者らは、屈曲部の配
管を溶接することなく曲げ加工した鋼管を用いることに
着目し、種々の化学組成、結晶粒度、内面粗さを有する
外径の異なるステンレス鋼管を製造し、曲げ半径を種々
変化させて曲げ加工をおこない、発塵、耐食性能を評価
した。その結果、曲げ加工による発塵はステンレス鋼管
の外径と曲げ半径に関係しており、これらの関係で曲げ
半径を所定値に規制すれば、特に清浄鋼を用いることな
く、清浄鋼と同等以上の性能が得られるとの知見を得
た。本発明は、このような知見に基づいてなされたもの
で、その要旨は、下記の（１）および（２）にある。

【００１８】（１）質量％で、Ｎｉ：１０〜４０％、Ｃ
ｒ：１５〜３０％、Ｍｏ：１〜６％とＷ：１〜３％の
１種または２種、Ａｌ：０．０００５〜０．０５％、Ｓ
ｉ：０〜１％、Ｍｎ：０〜１％、Ｎ：０〜０．３％を含
有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、不純物
中のＣ、Ｐ、Ｓ、ＣｕおよびＯ（酸素）がそれぞれ、
Ｃ：０．０５％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０
３％以下、Ｃｕ：０．５％以下、Ｏ（酸素）：０．０１
％以下であるステンレス鋼管であって、鋼管外径の５倍
以上である曲げ半径の曲げ部を有する配管用低発塵、高
耐食性ステンレス鋼管。

【００１９】（２）ステンレス鋼管の結晶粒度番号が６
以上で、かつ管の内面最大粗さRmaxが１μm以下である
上記（１）記載のステンレス鋼管。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明で規定すた諸条件に
ついて説明する。なお、化学組成の％表示は全て重量％
を示す。

【００２１】１）化学組成Ｎｉ：１０〜４０％Ｎｉは、オーステナイト安定化の効果が大きく、加工
性、強度および耐食性に優れたオーステナイトステンレ
ス鋼とするために必要である。１０％未満では、フェラ
イト相やマルテンサイト相が混在するため、加工性およ
び耐食性が低下する。オーステナイト安定化の効果は４
０％までで十分であり、過剰な添加は材料コストを上昇
させる。したがって、Ｎｉ含有量は１０〜４０％とし
た。

【００２２】Ｃｒ：１５〜３０％Ｃｒは、耐食性の改善に有効な元素である。１５％未満
では十分な耐食性が得られない。一方、３０％を超える
と、ステンレス鋼管製造中に脆い金属間化合物の析出を
加速して製造性を悪化させる。したがって、Ｃｒ含有量
は１５〜３０％とした。

【００２３】ＭｏおよびＷ：Ｍｏ：１〜６％とＷ：１〜
３％の１種または２種ＭｏおよびＷは、共にＣｒと同様に耐食性の改善に有効
でありこれらのうち１種または２種を含有させる。この
効果を得るためには、それぞれ１％以上が必要である。
一方、Ｍｏは６％を、Ｗは３％を超えると、脆い金属間
化合物の析出を加速して製造性を悪化させる。

【００２４】Ａｌ：０．０５％以下Ａｌは、発塵、腐食の原因となる酸化物系非金属介在物
を形成しやすいが、精錬時の脱酸効果により鋼を清浄化
する作用を有する。多量に含有させると溶接時にビード
上に多量の酸化スラグを形成し、それが剥離してパーテ
ィクルとなるので、上限を０．０５％とした。

【００２５】Ｓｉ：０〜１％Ｓｉは、発塵、腐食の原因となる酸化物系非金属介在物
を形成しやすので特に含有させる必要はない。しかし、
精錬時の脱酸効果により鋼を清浄化する作用を有するの
で、必要により１％まで含有させることができる。好ま
しくは、０．２〜０．５％である。

【００２６】Ｍｎ：０〜１％Ｍｎは、発塵、腐食の原因となる硫化物系非金属介在物
を形成しやすいので特に含有させる必要はない。しか
し、精錬時の脱酸効果により鋼を清浄化する作用を有す
るので、必要により１％まで含有させることができる。
好ましくは、０．２〜０．５％である。

【００２７】Ｎ：０〜０．３％Ｎは、オーステナイトステンレス鋼の合金元素として強
度、耐食性を向上させる作用があるので、必要により含
有させる。含有させる場合、０．３％を超えるとステン
レス鋼中に窒化物として析出し、清浄度を著しく低下さ
せるので、０．３％以下がよい。好ましくは０．０１〜
０．３％で、さらに好ましくは０．０５〜０．２％であ
る。

【００２８】Ｃ、Ｐ、Ｓ、ＣｕおよびＯ（酸素）は不純
物であるが、本発明で規定する曲げ半径以上の曲げを付
与しても許容できる上限であり、必要以上に極低化する
必要がなく、この規定により製造コストを下げることが
できる。

【００２９】Ｃ：０．０５％以下Ｃは、製造中および溶接時の炭化物析出を加速し、耐食
性を低下させるが０．０５％まで許容できる。低い方が
よい。

【００３０】Ｐ：０．０５％以下Ｐは、製造時の熱間加工性を低下させ、溶接割れを助長
するので０．０５％以下とした。

【００３１】Ｓ：０．０３％以下Ｓは、発塵、腐食の原因となる硫化物系非金属介在物の
生成を増加させて製造時の熱間加工性を低下させ、溶接
割れを助長するので、上限を０．０５％とした。好まし
くは０．０１％以下である。

【００３２】Ｃｕ：０．５％以下Ｃｕは、製造時の熱間加工性を低下させると共に溶接割
れを助長するので、上限を０．５％とする必要がある。

【００３３】Ｏ（酸素）：０．０１％以下従来、Ｏは非金属介在物を低減するため一般に０．００
５％以下と極低化されていたが、極低化には精錬工程で
高真空処理が必要となり、製造コスト高となっていた。
しかし、本発明においては曲げ半径を規制することによ
り、０．０１％まで許容でき、極低酸素化しなくともパ
ーティクルの発生しない管が得られる。精錬では、コス
ト高とならない通常のアルゴン酸素脱炭法を適用するの
がよく、特性の観点からは低い方がよい。

【００３４】２）曲げ半径ステンレス鋼管の曲げ部は、その半径を鋼管外径の５倍
以上とする。このような曲げ部を有する鋼管とすること
により不純物含有量を極低にする必要がなくなり、製造
コストの上昇を抑制することができる。曲げ半径が５倍
未満では、本発明で規定する化学組成のステンレス鋼管
においては発塵および腐食に対する抵抗性が顕著に低下
する。上限については、性能面からは特に限定されない
が、実用上は施工スペースの制約から１５０ｍｍ以下と
するのが好ましい。

【００３５】３）結晶粒粒度および内面最大粗さPmax 本発明で規定する化学組成のステンレス鋼を曲げた場
合、曲げ半径を鋼管外径の５倍以上とすれば、通常は発
塵および耐食性の点で問題ない。しかし、ステンレス鋼
管の結晶粒度および内面最大粗さは、それぞれＪＩＳ-
Ｇ０５５１に規定されているオーステナイト結晶粒度番
号で６以上に、またＪＩＳ−Ｂ０６０１に規定されてい
る表面最大粗さPmaxで１μm以下とすることにより、よ
り優れた低発塵性および耐食性が得られる。したがっ
て、腐食性ガス等が使用されるような厳しい環境や曲げ
半径を外径の５倍近傍の半径と比較的小さくする場合で
は、結晶粒度および内面最大粗さも上記のように規制す
るのが好ましい。

【００３６】

【実施例】表１に示す１２種の化学組成のステンレス鋼
を溶製し、インゴットを分塊圧延により丸ビレットと
し、熱間押出し製管方式で継目無素管を製造し、酸洗し
た後冷間抽伸−焼鈍−内面研磨−冷間抽伸により表２に
示すように外径が３．２〜１２．７ｍｍの鋼管を製造し
た。次いで、下記の熱処理を施しおよび管内面の電解研
磨を施した。

【００３７】熱処理は、連続水素焼鈍炉にておこない、
管Ａは１０８０℃、管Ｂは１０７０℃、その他は１０５
０℃にて溶体化処理をした。

【００３８】電解研磨は、半導体用ステンレス鋼管で通
常おこなわれている、リン酸−硫酸電解溶にておこなっ
た。得られた管内面の表面粗さは、Ｒｍａｘが１μm以
下であった。

【００３９】

【表１】

【００４０】このようにして得た鋼管を高純度水によっ
て洗浄後、９９．９９９％Ａｒガスを通して乾燥した
後、結晶粒度および管内面の最大粗さを測定した。次い
で、長さ１ｍの各直管の等間隔の９箇所に、表２に示す
曲げ半径で冷間曲げを施し、発塵および耐食性の評価試
験に供した。

【００４１】

【表２】

【００４２】発塵試験は、鋼管内に片端からに高純度Ａ
ｒガスを流量１リットル／分で１０分間流し、ガス出側にレ
ーザー式パーティクルカウンターを接続して、その間の
発塵個数を測定した。

【００４３】評価基準は、発塵個数が１０個未満を◎、
１０〜３０個を○、３０個を超える場合は、×とした。

【００４４】発塵測定後、鋼管内に、１０％ＨＣｌ＋９
０％Ａｒガスを１ａｔｍ封入し、２５℃で２４時間保持
した。その後、鋼管内を６０℃に加温した高純度水１０
０ｍｌにより洗浄し、高純度水に溶出したＦｅイオン量
を誘導結合プラズマ発光分析により測定し、鋼管内表面
積あたりのＦｅイオン量により、耐食性を評価した。

【００４５】評価基準は、１０μｇ／ｃｍ²未満を◎、
１０〜２０μｇ／ｃｍ²を○、２０μｇ／ｃｍ²を超える
場合を×とした。溶出Ｆｅイオン量が多いほど、ＨＣｌ
ガスによる腐食が大であることを示す。

【００４６】評価試験の結果を、表２にまとめて示す。
表２から明らかなように、本発明で規定する範囲内の化
学組成のステンレス鋼管を、規定する半径で曲げた鋼管
の場合は、曲げ部においても優れた耐発塵、耐食性が確
保でき、従来例である清浄ステンレス鋼に匹敵する性能
が得られる。また、結晶粒度が６以上、最大粗さが１μ
m以下の場合は、より優れた耐発塵、耐食性が得られる
ことが分かる。

【００４７】

【発明の効果】本発明法によれば、比較的低製造コスト
で、溶接を必要としない曲げ部を有する低発塵で耐食性
に優れた高純度ガス用配管が得られ、配管施工時にほと
んど溶接する必要がなくなり、施工が簡単となる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｎｉ：１０〜４０％、Ｃｒ：１
５〜３０％、Ｍｏ：１〜６％とＷ：１〜３％の１種ま
たは２種、Ａｌ：０．０５％以下、Ｓｉ：０〜１％、Ｍ
ｎ：０〜１％、Ｎ：０〜０．３％を含有し、残部Ｆｅお
よび不純物からなり、不純物中のＣ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕおよ
びＯ（酸素）がそれぞれ、Ｃ：０．０５％以下、Ｐ：
０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．５％
以下、Ｏ（酸素）：０．０１％以下であるステンレス鋼
管であって、鋼管外径の５倍以上である曲げ半径の曲げ
部を有することを特徴とする配管用低発塵、高耐食性ス
テンレス鋼管。
【請求項２】ステンレス鋼管の結晶粒度番号が６以上
で、かつ管の内面最大粗さRmaxが１μm以下であること
を特徴とする請求項１記載のステンレス鋼管。