JP2003013181A - 真空機器用オーステナイト系ステンレス鋼およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 真空中でガス放出が少ないオーステナイト系
ステンレス鋼を提供する。 【解決手段】 質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１２％以
下、Ｓｉ：０．２〜２．０％以下、Ｍｎ：８．０〜１
５．０％、Ｃｒ：１５〜２３％、Ｎｉ：５．５〜７％未
満、Ｎ：０．０５〜０．３５％を含有し、残部がＦｅお
よび不可避的不純物よりなるステンレス鋼で真空に曝さ
れる表面に存在する酸化皮膜中のＣｒ，Ｍｎ，Ｆｅの比
が、Ｃｒ／（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｍｎ）で０．４以下、Ｍｎ／
（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｍｎ）が０．１５以上である真空容器用
ステンレス鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は真空チャンバー、配
管など真空容器用途に適したオーステナイト系ステンレ
ス鋼およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より真空容器用材料には素材として
ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３０４Ｌなどの１８Ｃｒ−８Ｎｉ
ステンレス鋼が主に用いられ、その表面はＧＢＢ（ガラ
スビードブラスト）処理や、電解研磨処理されて使用さ
れることが一般的である。上記ステンレス材料は放出さ
れるガス量が少なく、耐食性、加工性、溶接性にも優
れ、真空容器用材料としてはほぼ満足できるものであ
る。さらに真空度の高い超高真空用の容器には、例え
ば、「真空」（第４１巻 第３号（１９９８）ｐｐ．１
００−１０３）にあるように、真空容器用材料の表面を
より平滑にするために、電解複合研磨を行ったり、金を
蒸着するなどの試みも行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
宇宙空間と同等の真空を地上で再現し人工衛星等の真空
中特性評価を行うスペースチャンバー等の超大型真空容
器では、高真空が得られる迄の時間が重要であり、短時
間の排気で超高真空が得られるガス放出量の少ない材料
が望まれている。本発明は高真空容器、配管などに適し
た放出ガス特性の優れたステンレス材料を提供せんとす
るものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記事情
に鑑み放出ガス量が極めて少なく、かつ耐食性、加工
性、溶接性にも優れた金属材料を得るべく種々検討を行
った結果、Ｍｎ，Ｎを多く含有させたステンレス鋼がこ
のような目的に合致することを見出し、既に特許出願
（特開平２−８５３５１号）しているが、詳細な検討を
加えた結果、さらに特性を向上させる技術を開発した。

【０００５】すなわち本発明は、以下の構成を要旨とす
る。 （１）質量％で、 Ｃ ：０．０２〜０．１２％以下、 Ｓｉ：０．２〜２．０％、 Ｍｎ：８．０〜１５．０％、 Ｃｒ：１５〜２３％、 Ｎｉ：５．５〜７％未満、 Ｎ ：０．０５〜０．３５％ を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる真
空機器用オーステナイト系ステンレス鋼。

【０００６】（２）前記（１）に加えて、真空に曝され
る表面に存在する酸化皮膜中のＣｒ，ＭｎＦｅの比が、
Ｃｒ／（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｍｎ）で０．４以下、Ｍｎ／（Ｆ
ｅ＋Ｃｒ＋Ｍｎ）が０．１５以上である真空機器用オー
ステナイト系ステンレス鋼。

【０００７】（３）質量％で、 Ｃ ：０．０２〜０．１２％以下、 Ｓｉ：０．２〜２．０％、 Ｍｎ：８．０〜１５．０％、 Ｃｒ：１５〜２３％、 Ｎｉ：５．５〜７％未満、 Ｎ ：０．０５〜０．３５％ を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなるオ
ーステナイト系ステンレス鋼を、電解研磨、パシペーシ
ョン処理、もしくは、酸化雰囲気における熱処理を単独
または組み合わせて行う真空機器用オーステナイト系ス
テンレス鋼の製造方法。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明が対象とするステンレス鋼
の各成分範囲の限定理由は次の通りである。Ｃ：Ｃはオ
ーステナイト安定化元素であり、０．０２％以上必要で
あるが、多すぎると溶接したときにＣｒ炭化物を析出
し、耐食性を損なうため、上限を０．１２％とした。好
ましい範囲は、０．０５〜０．１０％である。

【０００９】Ｓｉ：Ｓｉは脱酸に０．２％以上必要であ
る。また、耐酸化性には有効に働くが、強力なフェライ
ト生成元素であり、２．０％を超えると加工性を損なう
ため、上限を２．０％とした。好ましい範囲は、０．３
〜０．６％である。

【００１０】Ｍｎ：Ｍｎはオーステナイト安定化元素と
して有効であると同時に真空中への放出ガス量を著しく
低下させる。下限の８．０％はこのような放出ガス特性
から定めたもので、これより低くなると効果は少ない。
また、１５．０％を超えると延性低下により加工性を損
なうため、上限を１５．０％とした。好ましい範囲は、
９〜１２％である。

【００１１】Ｃｒ：Ｃｒはステンレス鋼の基本成分であ
り、優れた耐食性を得るには最低１５％を必要とする。
一方、２３％を超えると加工性が悪くなるので、上限を
２３％とした。好ましい範囲は、１７〜１９％である。

【００１２】Ｎｉ：Ｎｉはオーステナイトステンレス鋼
の基本成分の１つである。加工性、耐食性に有効な元素
であると共に、ガスの放出量を大きく左右する。材料の
表面皮膜中のガス透過性を下げるために５．５％以上添
加する。さらに、Ｎｉが多すぎると被膜中の欠陥が増加
して逆にガス放出量を増加させるため、７％未満とす
る。好ましい範囲は、６〜６．８％である。

【００１３】Ｎ：Ｎは強力なオーステナイト安定化元素
であると同時に熱間加工性を向上させる。熱間加工性向
上には０．０５％以上の添加を必要とする。一方、高す
ぎると変形抵抗が大きくなり、製造性を損なうため、上
限を０．３５％とした。好ましい範囲は、０．２５〜
０．３１％である。

【００１４】Ｍｎ，Ｎを多く含有するようなステンレス
鋼は、本発明の他にも存在し、例えばＳＵＳ２０１（Ｍ
ｎ：５．５〜７．５％、Ｎｉ：３．５〜５．５％、Ｃ
ｒ：１６〜１８％、Ｎ≦０．２５％）として知られてい
るが、本発明とはその成分範囲も異なり、これら既存の
合金ではＭｎ，Ｎの積極的な添加は専らＮｉの代用とし
てオーステナイト相安定化という目的にあり、表面酸化
状態をつくりだすことと相俟って、本発明者らが初めて
明らかにしたような放出ガス量を抑制するという放出ガ
ス特性改善効果については何らの知見もなかった。さら
にこれらの既存合金は、Ｎｉ節減型であるので耐食性に
難点がある。例外的にＮｉ量が高いものとしてＡＳＴＭ
規格にＸＭ１９があるが、Ｎｂ，Ｖを含んでおり、Ｎ
ｂ，ＶはＴｉと同じように合金中の水素量を増大し、高
真空領域での放出ガス量を著しく増加させ、真空用材料
としては不適である。

【００１５】ステンレス鋼からのガス放出特性に対する
成分の影響はこれまで、十分検討されておらず、種々の
研磨による表面平滑化がガス放出量の低減のために行わ
れてきた。研磨方法としては、電解研磨、化学研磨、電
解研磨に機械的な研磨を複合させた電解複合研磨などが
行われているが、最もポピュラーなのは電解研磨であ
る。これら研磨の後処理としては、パシペーション処理
が通常行われている。また、ごく一部の真空容器には表
面研磨の後にＴｉＣやＢＮ等のコーティング処理も行わ
れているが、表面処理費用が高価であることが問題であ
った。

【００１６】本発明者らが発明した高Ｍｎステンレス鋼
は、特殊な表面処理を行うことなく、通常の研磨処理や
大気酸化処理によって、ＳＵＳ３０４Ｌなどの従来鋼に
較べて放出ガス特性に優れた表面皮膜を形成する。

【００１７】表面酸化皮膜がガス放出特性に及ぼす影響
は、これまで良く研究されていなかった。本発明者ら
は、表面皮膜をオージェ電子分光法（ＡＥＳ）により調
べ、ガス放出特性との関係を調べた。ＳＵＳ３０４では
電解研磨やパシペーション処理後の表面皮膜は、Ｃｒが
富化した酸化皮膜（不働態化被膜）である。このＣｒ量
が高いほど耐食性が良好である。また、この皮膜中の酸
化物は厳密には水和物であるために、真空中では結合水
の解離反応が起こるため、ガス放出量が多くなる。

【００１８】一方、高Ｍｎ鋼の場合、電解研磨、パシペ
ーション処理後は、表面にＦｅ，Ｃｒ，Ｍｎ主体の酸化
皮膜（不働態化皮膜）が形成している。ＳＵＳ３０４に
較べて不働態化皮膜中のＣｒ量が少ないため、結合水が
少なくなり、真空中で放出される水の量が減少し、より
短時間で高真空が得られるようになる。

【００１９】一方、長時間の真空排気を行い、水の放出
が少なくなると今度は、より吸着エネルギーの大きい水
素が放出される。この水素には、鋼中水素の放出も含ま
れている。鋼中の水素放出が問題とされるような場合
は、熱処理によって水素を鋼中から外にあらかじめ放出
させる熱処理が一般に行われており、表面に酸化皮膜を
付ける試みも行われている。ＳＵＳ３０４では熱処理に
よって、表面にＦｅを主とする酸化皮膜、酸化皮膜と母
相界面にＣｒが富化した酸化物を形成している。

【００２０】一方、本発明鋼では、酸化処理後は表面に
Ｆｅ，Ｍｎが、母材と被膜の界面にＣｒが富化した酸化
皮膜を形成している。酸化皮膜表面の特性としては、Ｆ
ｅ主体のＳＵＳ３０４よりも、ＦｅとＭｎを主体とする
高Ｍｎ鋼の方が吸着する水分子が少ない。また、酸化皮
膜中のＮｉは主に酸化皮膜と母相界面に存在するが、高
Ｍｎ鋼にＮｉが５．５〜７％含まれると、鋼中からの水
素の放出が減少する。Ｎｉは酸化皮膜中に金属Ｎｉもし
くはＮｉの酸化物として存在するが、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ
の酸化物のバインダーとなり、被膜を緻密で欠陥の少な
い粘いものにしていると考えられる、Ｎｉ量が少ない場
合、多すぎる場合とも、酸化皮膜が脆くなり、クラック
の様な欠陥が増えるために鋼中からのガス放出を遮断す
るバリアとしての効果が弱くなる。

【００２１】本発明のポイントであるＭｎ，Ｎｉ量の限
定理由を以下の実験結果により示す。すなわち、Ｆｅ−
（０〜１６％）Ｍｎ−（４〜１０％）Ｎｉ−１８％Ｃｒ
−０．３％Ｎを主成分とするステンレス鋼板を製造し、
表面を電解研磨し、パシペーション処理を行った後、真
空中での脱ガス特性を評価した。その後、大気中で４５
０℃×２４時間の熱処理を行い、再度真空中での脱ガス
特性を評価した。パシペーション処理後、大気酸化処理
後の表面被膜をＡＥＳで測定し、表面皮膜中のＣｒ濃度
＝Ｃｒ／（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｍｎ）を求めた。その結果を図
１および図２に示す。電解研磨−パシペーション処理の
場合、Ｍｎ量が８．０〜１５％の範囲でかつＮｉが５．
５〜８％の範囲においてガス放出速度が小さくなる。表
面被膜についても、本発明の範囲ではＣｒ／（Ｆｅ＋Ｃ
ｒ＋Ｍｎ）が０．４未満である。Ｎｉが７％以上におい
てもＣｒ／（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｍｎ）が０．４未満である
が、ここでは酸化皮膜中の欠陥が増大するためにガス放
出量が低くならない。大気酸化処理の場合も同様に図
３，図４に示す。本発明範囲ではガス放出量が低いこと
が判る。この時の酸化皮膜表面のＭｎ／（Ｆｅ＋Ｃｒ＋
Ｍｎ）比率は、０．１５以上になっている。

【００２２】大気酸化処理に関しては、Ｆｅ−１１％Ｍ
ｎ−６．７％Ｎｉ−１８％Ｃｒ−０．３％Ｎ鋼を種々の
温度と時間で大気酸化処理してガス放出速度を測定し
た。その結果を図５に示すが、３５０〜５５０℃で２〜
４８時間の範囲においてガス放出量が小さくなることが
判る。

【００２３】

【実施例】以下に本発明の製造方法によるステンレス鋼
と比較例としてＳＵＳ３０４Ｌの放出ガス特性を示す。
真空溶解→熱間圧延→溶体化→酸洗処理した材料から板
状試料を切りだし、電解研磨−パシペーション処理を施
した後、コンダクタンス変調法により放出ガス量の測定
を行った。また、同様にして製造した板状試験片をリン
酸を用いた電解研磨−１０％硝酸中で３０分間のパシペ
ーション処理−４５０℃で２４時間の大気酸化処理を行
い、同様にガス放出速度の測定を行った。

【００２４】この結果から、本発明鋼は比較鋼に対し
て、電解研磨後の表面皮膜中のＣｒ濃度：Ｃｒ／（Ｆｅ
＋Ｃｒ＋Ｍｎ）が０．４未満であり、Ｍｎ濃度：Ｍｎ／
（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｍｎ）が０．１５以上で、放出ガス量が
少ないことが明らかである。供試材成分を表１、試験結
果を表２に示す

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【発明の効果】実施例にも示した如く、本発明は高真空
容器、配管などに用いるのに適した放出ガス特性の優れ
たステンレス材料を提供するものであり、超高真空を必
要とする装置を始めとし、中、高真空領域で使用される
装置においても小排気能力のポンプの使用を可能にする
など、真空装置の設計、制作を容易にし、その工業的価
値は著しく大なるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｍｎ／（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｍｎ）・Ｃｒ／（Ｆｅ＋
Ｃｒ＋Ｍｎ）・Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｍｎ）３元状態図
を示す図である。

【図２】電解研磨−パシベーション処理材のガス放出量
に及ぼすＮｉ量とＭｎ量の影響を示す図。

【図３】電解研磨−パシベーション処理材の不働態組成
に及ぼすＮｉ量とＭｎ量の影響を示す図。

【図４】電解研磨−パシペーション処理−大気酸化処理
材のガス放出特性に及ぼすＮｉ量とＭｎ量の影響を示す
図。

【図５】電解研磨−パシペーション処理−大気酸化処理
（４５０℃×２４時間）材の表面酸化皮膜組成に及ぼす
Ｎｉ量とＭｎ量の影響を示す図。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、 Ｃ ：０．０２〜０．１２％以下、 Ｓｉ：０．２〜２．０％、 Ｍｎ：８．０〜１５．０％、 Ｃｒ：１５〜２３％、 Ｎｉ：５．５〜７％未満、 Ｎ ：０．０５〜０．３５％ を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなるこ
   とを特徴とする真空機器用オーステナイト系ステンレス
   鋼。
2. 【請求項２】 質量％で、 Ｃ ：０．０２〜０．１２％以下、 Ｓｉ：０．２〜２．０％、 Ｍｎ：８．０〜１５．０％、 Ｃｒ：１５〜２３％、 Ｎｉ：５．５〜７％未満、 Ｎ ：０．０５〜０．３５％ を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなるス
   テンレス鋼で真空に曝される表面に存在する酸化皮膜中
   のＣｒ，Ｍｎ，Ｆｅの比が、Ｃｒ／（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｍ
   ｎ）で０．４以下、Ｍｎ／（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｍｎ）が０．
   １５以上であることを特徴とする真空容器用ステンレス
   鋼。
3. 【請求項３】 質量％で、 Ｃ ：０．０２〜０．１２％以下、 Ｓｉ：０．２〜２．０％、 Ｍｎ：８．０〜１５．０％、 Ｃｒ：１５〜２３％、 Ｎｉ：５．５〜７％未満、 Ｎ ：０．０５〜０．３５％ を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなるス
   テンレス鋼を電解研磨、パシペーション処理、酸化雰囲
   気における熱処理を単独もしくは組み合わせて行うこと
   を特徴とする真空容器用ステンレス鋼の製造方法。