JP3596234B2 - オゾン含有水用ステンレス鋼材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造プロセスなどで使用されるオゾン含有超純水等のオゾン含有水に対する耐食性（以下、耐オゾン含有水性という）に優れたステンレス鋼材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造分野においては、近年高集積化が進んでいる。そのために、超ＬＳＩと称されるデバイスでは、シリコンウエハ等の基板に対して、幅が１μｍ以下のような微細な配線パターンの加工が必要になってきている。
【０００３】
このような微細な配線パターンに、微小な塵が付着したり、微量の不純物ガスが付着すると、回路のショート等が起こり回路不良の原因となる。したがって、超ＬＳＩの製造プロセスにおいては、基板を加工する際に、このような汚染が起こらないようにさまざまな対策が採られている。
【０００４】
作業環境から基板が汚染されるころを防止するために、基板の加工はクリーンルーム内で行われる。クリーンルームの清浄さを確保するためには、室内の空気が清浄でなければならないことはむろんのこと、そこで使用されるガスおよび水なども高純度でなければならない。このため、微粒子や不純物成分の少ない高純度ガス、純水などが用いられる。特に純水は、通常、純度の高い超純水が用いられている。
【０００５】
さらに、このような高純度ガスや超純水を供給するための配管、配管部材および超ＬＳＩ製造装置の部材に対しては、それらの材料の表面や内部からの微粒子や不純物成分の放出（以下、発塵と記す）およびガス成分の放出が極力少ないことが要求されている。
【０００６】
従来、半導体製造プロセスに用いられる配管および部材には、フェライト系またはオーステナイト系のステンレス鋼が使用されてきた。これらのステンレス鋼材を高純度ガス用の配管として使用する場合には、高純度ガスが汚染されないように、ステンレス鋼材にも発塵を起こさないこと、水分の付着および吸着を起こさないことが要求される。また、超純水用の配管等として使用される場合には、金属イオンが溶出しにくいことも要求される。
【０００７】
このため、高純度ガスや超純水と接触するステンレス鋼材には、通常、表面積ができるだけ少なくなるように、その表面を平滑にする処置が施されている。例えば、配管用の鋼管の内面は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定されている表面粗さの最大高さ（Ｒｍａｘ、以下最大粗さと記す）が１μｍ以下程度に平滑化されることが多い。この内面の平滑処理には、通常、冷間抽伸された鋼管や機械研磨した部材に、さらに電解研磨を施す方法が採られている。しかし、この電解研磨法には、研磨の際に電解液および電解条件の管理が難しいこと、生産性が低いことといった問題点があり、その結果、鋼材の製造コストの上昇を招いている。
【０００８】
また、内面に平滑処理が施されたステンレス鋼材であっても、その構成元素であるＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉなどの金属イオンが超純水等の純水中で溶出することがある。この金属イオンの溶出を防止するために、以下に示すようなさまざまな提案がなされてきた。
【０００９】
その有力な対策は、ステンレス鋼の母材の表面に酸化物等の皮膜を設けることである。
【００１０】
特開平１−８７７６０号公報には、電解研磨処理された母材の表面に膜厚７５オングストローム以上の非晶質酸化皮膜を備える半導体製造装置用ステンレス鋼材が提案されている。また、特開平１−１８０９４６号公報には、特定の化学組成のフェライト系ステンレス鋼管の内表面に、最大粗さ（Ｒｍａｘ）５μｍ以下の不働態膜を備える超純水用配管材料が開示されている。
【００１１】
さらに、特開平６−３３２６４号公報には、本発明者らのうちの一部の者によって、重量％で、Ｔｉ：０．０２〜１．０％およびＡｌ：０．０２〜１．０％のうちの少なくとも１種を含み、最大粗さ（Ｒｍａｘ）が１μｍ以下に平滑化処理された母材の表面に、Ｔｉ酸化物とＡｌ酸化物の少なくとも一方を主体とする酸化物皮膜を備える高純度ガス用オーステナイト系ステンレス鋼材が提案されている。また、特開平７−６２５２０号公報には、Ｓｉを０．５〜５．０重量％含有する母材の表面に、Ｓｉ酸化物を主体とする酸化物皮膜を備えるクリーンルーム用オーステナイト系ステンレス鋼材が提案されている。
【００１２】
酸化物皮膜を備える鋼材としては、特開平７−６００９９号公報に、１〜６重量％のＡｌを含有するステンレス鋼を母材とし、その母材の表面に膜厚１０〜１５０オングストロームの緻密なＡｌ酸化物皮膜を備える超真空用材料が提案されている。このほか、本発明者らは、特定の化学組成の母材の表面にＡｌ系酸化物を主体とする皮膜を生成させた耐酸化性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提案した（特開平６−２７１９９２号公報）。
【００１３】
上記のような対策が採られたステンレス鋼材は、超純水の配管用、装置部材用、高純度ガス用、高温用などの材料としては、ほぼ実用に耐えるものであった。
【００１４】
しかし、最近、半導体製造工程などにおけるシリコンウエハ等の基板の洗浄には、オゾンを含有する洗浄水が用いられるようになってきた。
【００１５】
通常、半導体製造工程においては、シリコンウエハ等の洗浄には、超純水または界面活性剤、酸、アルカリ成分などを含有する超純水が用いられている。しかし、このような洗浄水を用いる洗浄方法には、金属成分は除去できても、有機物、なかでも薬品に対して比較的安定な特性を持っている脂肪分が除去されにくいという難点がある。また、洗浄水中の界面活性剤、酸およびアルカリ成分は、それ自体が不純物である。したがって、シリコンウエハの表面に残留した洗浄水中の不純物を除去するために、さらに高純度の超純水による”すすぎ”を行わなければならない。
【００１６】
この”すすぎ”工程を省略するために、最近、オゾン（Ｏ３ ）を含有する超純水（オゾン含有超純水）によってシリコンウエハを洗浄する方法が試みられている。オゾンは、漂白剤、殺菌剤として使用されていることからもわかるように、強い酸化力を持っているので、金属をイオン化し、有機物を分解する作用がある。そのため、オゾン含有超純水で洗浄すると、付着している金属はイオン化されて除去され、有機物は分解されて除去される。さらにオゾンは、洗浄後自己分解するため、シリコンウエハ上に汚染物として残留することがない。したがって、オゾン含有超純水で洗浄した場合には、”すすぎ”工程を省略することができるという利点がある。
【００１７】
このようにオゾン含有超純水はシリコンウエハの洗浄に極めて有効である。しかし、オゾン含有超純水による洗浄の場合には、オゾン含有超純水の供給などに用いられる配管や装置部材によって、オゾン含有超純水が汚染されるという問題がある。このオゾン含有超純水の汚染は、配管や装置部材として使用されるステンレス鋼材がオゾン含有超純水によって腐食され、鋼材からＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉなどの金属イオンが溶出することに起因している。
【００１８】
オゾンを含まない通常の超純水用、高純度ガス用に開発されている前述のステンレス鋼材は、超純水への金属イオンの溶出または発塵の防止にはほぼ良好な性能を持っている。しかし、オゾン含有水への適用を考慮して開発されたものではないので、オゾン含有水用の材料として用いた場合、どの鋼材についても、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉなどの金属イオンの溶出が起こり、実用に耐えるものではなかった。
【００１９】
さらに、特開平１−８７７６０号公報、特開平６−３３２６４号公報などに提案されている鋼材の場合には、その製造過程で電解研磨法による研磨処理が必要である。そのために、前述のように、研磨処理に起因する生産性の低下および鋼材の製造コストの上昇という問題を避けることができない。
【００２０】
このような観点から、耐オゾン含有水性に優れ、かつ安価に製造できるオゾン含有水用ステンレス鋼材の開発の必要性が高まっている。このような鋼材は、半導体製造以外の分野、例えば医薬品、医療などの分野においても必要である。
【００２１】
ステンレス鋼は、半導体製造プロセスなどで使用される超純水の配管用および装置部材用の素材として必要な強度を持っており、加工性にも優れている。しかし、上述のように、現状では、オゾンを含む水に対する耐食性（耐オゾン含有水性）に劣るという欠点がある。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、オゾン含有水用の部材として使用されても金属イオンの溶出を起こすことがなく、安価に製造することができる耐オゾン含有水性に優れたステンレス鋼材とその製造方法を提供することを目的としている。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）のオゾン含有水用ステンレス鋼材および下記（２）のその製造方法にある。
【００２４】
（１）下記の化学組成で構成される母材の表面に、Ａｌ酸化物およびＳｉ酸化物のうちの少なくとも一方を主体とする酸化物皮膜を備えているステンレス鋼材。
重量％で、Ｃｒ：１２〜３０％、Ｎｉ：０〜３５％、Ａｌ＋Ｓｉ：１〜６％、Ｍｏ：０〜３％、Ｂ＋Ｌａ＋Ｃｅ：０〜０．０１％、Ｃｕ：０．１％以下、Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｚｒ：０．１％以下、Ｃ：０．０３％以下、Ｍｎ：０．２％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｏ：０．０１％以下、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物。
【００２５】
すなわち、本発明のステンレス鋼材は、母材がステンレス鋼であるとともに、ＡｌとＳｉを合わせて１〜６％含み、その他の合金元素ができるだけ低く制限されている。さらに、母材の表面に、母材中のＡｌとＳｉによって形成されたＡｌ酸化物とＳｉ酸化物のうちの少なくとも一方を主体とする酸化物皮膜を備えることを特徴としている。
【００２６】
上記のステンレス鋼材のなかでも、母材のＮｉ含有率が重量％で０〜５％のフェライト系ステンレス鋼材、母材のＣｒ、ＮｉおよびＳｉ含有率が重量％でＣｒ：１２〜２５％、Ｎｉ：１４〜３５％、Ｓｉ：０．２％以下で、酸化物皮膜がＡｌ酸化物であるオーステナイト系ステンレス鋼材などが実用上もっとも好適である。
【００２７】
本発明のステンレス鋼材は上記の条件で十分な性能を持っているが、さらに好ましい条件は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定されている表面の最大高さ（Ｒｍａｘ、最大粗さと記す）が３μｍ未満、酸化物皮膜の厚さが５ｎｍ以上５００ｎｍ以下および皮膜の酸化物がＡｌ酸化物、特にαＡｌ２Ｏ３であることである。
【００２８】
（２）本発明のステンレス鋼材を製造する場合、母材の表面への酸化物皮膜の形成は、つぎの（ａ）〜（ｃ）のいずれかの方法によればよい。
【００２９】
（ａ） 母材を、酸素ガスおよび水蒸気を合わせたガスの分圧が１０−１１ ＭＰａ以上１０−５ＭＰａ以下の弱酸化性雰囲気下で、６００℃以上１２００℃以下に加熱する。
【００３０】
（ｂ） 母材を、重量％で濃度５％以上５０％以下の硝酸水溶液に浸漬する。
【００３１】
（ｃ） 母材を、ｐＨが１以下の溶液中で陽極電解する。
【００３２】
本発明のステンレス鋼材および本発明の製造方法によって得られるステンレス鋼材は、オゾン含有水中への母材の金属イオンの溶出を防止する効果が大きいＡｌ酸化物とＳｉ酸化物の少なくとも一方を主体とする皮膜を備えている。本発明の酸化物皮膜が、特に耐オゾン含有水性に有効なのは、これらの酸化物がオゾン含有水の特徴である高い酸化還元電位においても安定であることが挙げられる。さらに、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｓｉ等必要な元素以外の合金元素が低く制限されているので、Ａｌ酸化物とＳｉ酸化物以外の金属イオンの溶出防止効果をさげるような酸化物が形成されにくいことがあげられる。
【００３３】
また、金属イオンの溶出防止以外の点でも、腐食の起点および微粒子の発生等の原因になるＳ、Ｃ、Ｍｎ、Ｎ、Ｐなどの元素が少ない。したがって、本発明の鋼材は、耐食性に優れるほか、発塵も少ないという特長を持っている。
【００３４】
本発明者らは、さまざまな化学組成のステンレス鋼を母材として、その表面に酸化物皮膜を形成させた鋼材を作製し、それらの鋼材について、オゾンを含む超純水中での金属イオンの溶出挙動を調査した。その結果得られた下記の▲１▼〜▲６▼の知見を基に本発明を完成させた。
【００３５】
なお、上記調査においては、母材を酸化処理する条件を変えて酸化させることにより、組成の異なる酸化物皮膜を形成させた。
【００３６】
▲１▼ 金属イオンの溶出の抑制に有効な酸化物皮膜は、鋼中に含有されるＡｌまたはＳｉを優先的に酸化させることによって形成されるＡｌ酸化物とＳｉ酸化物のいずれかまたは両者で構成された皮膜である。この酸化物皮膜は、オゾン含有水に対して化学的に安定であり、ほとんど反応しない。また、母材の合金元素がオゾン含有水中へ溶出するのを防止する効果が特に顕著である。そのために、鋼材がオゾン含有水に接しても、金属イオンの溶出が起こりにくい。
【００３７】
▲２▼ 鋼材からの金属イオンの溶出および微粒子の発生（発塵）を抑制するためには、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎ、Ｏ（酸素）などの少量含まれる元素（以下、これらの元素をまとめて不純物元素と記す）の含有率を低く制限する必要がある。上記の酸化物皮膜と不純物元素の含有率の制限の組み合わせが、オゾン含有水中における鋼材からの金属イオンの溶出および発塵の防止に特に有効である。
【００３８】
▲３▼ 上記▲１▼および▲２▼は、フェライト系、オーステナイト系等のいずれのステンレス鋼に対しても有効である。
【００３９】
▲４▼ 上記▲１▼の酸化物皮膜は、所定の条件の酸化性雰囲気下での加熱によって容易に形成させることができる。このほか、硝酸溶液への浸漬、陽極電解等の処理によっても形成させることができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
（Ａ）鋼材表面の酸化物皮膜
本発明のステンレス鋼材の特徴は、母材のステンレス鋼の表面に、母材中に含有されているＡｌとＳｉの少なくとも一方が酸化されて形成されたＡｌ酸化物とＳｉ酸化物のいずれかまたは両者を主体とする酸化物皮膜［以下、単に（Ａｌ、Ｓｉ）酸化物皮膜と記す］を備えていることである。
【００４１】
この酸化物皮膜は、おもにＳｉ酸化物とＡｌ酸化物で構成されているのが望ましい。酸化物中のＳｉ酸化物とＡｌ酸化物の割合が多いほど、耐オゾン含有水性がよい。したがって、Ａｌ酸化物とＳｉ酸化物を合わせた酸化物の割合は、（Ａｌ、Ｓｉ）酸化物中のＡｌとＳｉの合計が、酸化物皮膜中の全金属元素に対して６０原子％以上に相当することが好ましい。さらに好ましいのは８０原子％以上である。Ａｌ酸化物とＳｉ酸化物以外の酸化物には、Ｃｒ酸化物、Ｆｅ酸化物などが挙げられる。ただし、上述のように、これらの酸化物はできるだけ少ない方がよい。
【００４２】
Ａｌ酸化物とＳｉ酸化物は、いずれも鋼材の耐オゾン含有水性を向上させるのに優れた効果を持っている。ただし、両者を比較すると、Ａｌ酸化物の方がその効果が大きい。したがって、酸化物皮膜中の酸化物としては、Ｓｉ酸化物を含まないＡｌ酸化物主体の方がより好ましい。Ａｌ酸化物、すなわちアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）には、α、θ、γおよびδ型があるが、そのなかでも、特にα型（αＡｌ２Ｏ３）がもっとも好ましい。
【００４３】
本発明のステンレス鋼材の表面粗さ、すなわち酸化物皮膜の表面粗さは、最大粗さ（Ｒｍａｘ）で３μｍ未満が望ましい。Ｒｍａｘが３μｍ以上の場合には、ステンレス鋼材の製造過程および鋼材を製品に加工し使用するまでの間で、海塩粒子、塵などの異物が表面に付着しやすいためである。鋼材の表面にこれらの異物が付着すると、発塵の原因になるほか、鋼材の耐オゾン含有水性を悪くする原因にもなる可能性がある。
【００４４】
酸化物皮膜の厚さは、５〜５００ｎｍ程度が望ましい。厚さが５ｎｍに満たない場合には、十分な耐オゾン含有水性が得られない。また、厚さが５００ｎｍを超えると皮膜が厚くなるとともに膜質が低下するため、十分な耐オゾン含有水性が得られない。酸化物皮膜のさらに好ましい厚さは、１０〜３００ｎｍである。
【００４５】
（Ｂ）母材の化学組成
本発明のステンレス鋼材の母材の化学組成はつぎのとおりである。なお、各元素の含有率の％表示は、重量％を意味する。
【００４６】
Ｃｒ：
Ｃｒは、母材にとって必要不可欠な元素である。Ｃｒは鋼材が使用される環境下でのステンレス鋼としての耐食性を確保するために必要である。さらに、Ｃｒを含有させることによって、純水等の中性の水溶液中およびクリーンルームの雰囲気中での錆の発生を防止することができる。このようなＣｒの効果を発揮させるためには、１２％以上含有させる必要がある。
【００４７】
一方、Ｃｒの含有率が３０％を超えると、母材の熱間加工性が悪くなる。また、ステンレス鋼材を溶接した際に、溶接部にシグマ相などのＣｒを含む金属間化合物が析出しやすいため靭性が低下する。したがって、Ｃｒの含有率は、１２〜３０％とした。好ましくは、１８〜２５％である。
【００４８】
なお、母材がＮｉを１４〜３５％含むオーステナイト系ステンレス鋼の場合には、熱間加工性と溶接部の靱性の観点から、Ｃｒの含有率の上限は２５％とするのが好ましい。
【００４９】
Ｎｉ：
Ｎｉは、母材の耐食性を向上させる作用があり、また、安定なオーステナイト組織を得るのにも有効な元素である。本発明のステンレス鋼材では、必要に応じてＮｉを含有させる。
【００５０】
母材は、フェライト系、２相系、オーステナイト系のいずれでもよい。ただし、フェライト系およびオーステナイト系のような単一相の方が、２相系より均一な酸化物皮膜を生成させやすいという特長がある。
【００５１】
母材をフェライト系とする場合には、耐食性を向上させるために、Ｎｉを０〜５％含有させるのがよい。Ｎｉ含有率が５％を超えると母材は２相系になるので、酸化物皮膜を形成させる際に、処理条件の管理をより正確に行う必要があるからである。
【００５２】
母材をオーステナイト系とする場合には、安定なオーステナイト組織を得るために、Ｎｉは１４％以上含有させるのが好ましい。一方、３５％を超えて含有させると、ＮｉとＡｌからなる金属間化合物が析出するため、母材の熱間加工性および靭性が低下する。したがって、Ｎｉ含有率は１４〜３５％がよい。オーステナイト系の場合の好ましい含有率は１８〜２５％である。
【００５３】
ＡｌおよびＳｉ：
ＡｌとＳｉは、本発明のステンレス鋼材にとって、もっとも特徴的で重要な合金元素である。すなわち、本発明のステンレス鋼材の特徴は、母材のステンレス鋼の表面に、母材中に含有するＡｌとＳｉの少なくとも一方が酸化されて形成された（Ｓｉ、Ａｌ）酸化物皮膜を備えている。
【００５４】
すでに述べたように、この酸化物皮膜は、酸化物皮膜中の全金属元素に占めるＡｌとＳｉを合わせた割合が、６０原子％以上であることが望ましい。母材のＡｌとＳｉの含有率の合計が１％未満の場合には、酸化物中に占めるＡｌ酸化物とＳｉ酸化物の割合が少なすぎて、上記の条件を満足させることができない。そのために、ステンレス鋼材に十分な耐オゾン含有水性を持たせることができない。
【００５５】
一方、ＡｌとＳｉの含有率の合計が６％を超えると、母材の靱性が低下する傾向がある。また、オーステナイト系の場合には、ＮｉとＡｌからなる金属間化合物が析出するため、母材の熱間加工性と靭性が低下する。
【００５６】
したがって、ＳｉとＡｌの含有率の合計を１〜６％とした。なお、耐オゾン含有水性を高めるとともに良好な熱間加工性と靭性を確保するために、ＡｌとＳｉの含有率の合計を１〜４％とすることが好ましい。さらに好ましくは、２〜４％である。
【００５７】
なお、Ａｌ酸化物とＳｉ酸化物の皮膜を比較した場合、Ａｌ酸化物の方がさらに耐オゾン含有水性に優れている。したがって、酸化物皮膜としては、Ａｌ酸化物の方がより好ましい。皮膜中にＳｉ酸化物を含めない場合には、Ｓｉ含有率は低い方がよい。この場合のＳｉ含有率は０．２％以下とするのが好ましい。
【００５８】
Ｍｏ：
Ｍｏは必要に応じて添加する元素である。Ｍｏは耐オゾン含有水性を高める作用を持っているので、この効果をいっそう高める場合に添加する。Ｍｏの効果を発揮させるためには、０．３％以上の含有させるのが好ましい。しかし、含有率が３％を超えると、ＭｏとＳｉとの金属間化合物が析出しやすくなるので、母材の靭性が低下する。したがって、Ｍｏの含有率は０〜３％とした。Ｍｏを添加する場合には、含有率を０．０１〜３％とするのがよい。
【００５９】
Ｂ、ＬａおよびＣｅ：
Ｂ、ＬａおよびＣｅは、必要に応じて添加する元素である。これらの元素は、母材の靱性や熱間加工性を向上させる作用をもっている。本発明のステンレス鋼材では、ＡｌおよびＳｉ含有率が高めで、Ｎｉが高めな場合には、靱性や熱間加工性をさらに向上させる方が熱間加工が容易な場合がある。このような場合には、Ｂ、ＬａおよびＣｅのうちの少なくともひとつの元素を添加するのがよい。これらの元素が添加されると、ＰやＳの結晶粒界への偏析および結晶粒の粗大化が抑制されるので、靱性および熱間加工性が改善される。
【００６０】
これらの元素の効果を発揮させるためには、Ｂ、ＬａおよびＣｅを合わせて０．００３％以上含有させるのがよい。ただし、Ｂが過剰な場合はＣｒ炭化物の析出が多くなるため、鋭敏化が進み母材の耐食性が低下する。また、ＬａおよびＣｅが過剰な場合には、これらの酸化物が増加するため熱間加工性が低下する。したがって、Ｂ、ＬａおよびＣｅの含有率の合計の上限は０．０１％とするのがよい。
【００６１】
上記の理由から、Ｂ、ＬａおよびＣｅの含有率の合計は０〜０．０１％とした。添加する場合の好ましい含有率は、０．００３〜０．０１％、さらに好ましくは０．００３〜０．００８％である。
【００６２】
Ｃｕ：
Ｃｕは、オゾン含有水中でＣｕイオン溶出の一因となることがあるので、Ｃｕの含有率は低く制限するのがよい。したがって、Ｃｕは０．１％以下とするのがよい。
【００６３】
Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒ：
Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒはいずれも酸化されやすい元素である。そのため、これらの元素が鋼中に存在すると、これらの元素の酸化物が生成し、その酸化物が鋼材の酸化物皮膜中に混入する。すなわち、生成する酸化物皮膜中の全金属元素に占めるＡｌとＳｉの割合が６０原子％を下回るようになる。その場合には、鋼材の耐オゾン含有水性が悪くなる。特に、Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒの含有率の合計が０．１％を超える場合には、耐オゾン含有水性の低下が著しい。
【００６４】
したがって、Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒの含有率の合計を０．１％以下とした。好ましくは０．０５％以下である。
【００６５】
Ｃ：
Ｃの含有率が高すぎる場合には、ステンレス鋼材を溶接した際に、溶接部にＣｒ炭化物が生成しやすいので、結晶粒界近傍のＣｒ含有率が低下する。そのため、耐錆性および耐粒界腐食性が著しく低下する。また、酸化物皮膜を形成させるための処理の１つである加熱処理の際に、炭化物を生成し、耐錆性および耐粒界腐食性が著しく低下することがある。Ｃはできるだけ少ない方がよいので、Ｃの含有率は０．０３％以下とした。好ましくは０．０２％以下である。
【００６６】
Ｍｎ：
Ｍｎは、Ａｌ酸化物とＳｉ酸化物の皮膜の生成を阻害し、耐オゾン含有水性を悪くする。また、Ｍｎは、鋼材が溶接された際に、溶接部の表面に優先的に濃化し、鋼材の耐錆性および耐孔食性を著しく悪くする。したがって、Ｍｎ含有率は低い方がよい。ただし、Ｍｎはステンレス鋼の熱間加工性を向上させる作用を持っているので、その効果を得る場合には少量添加してもよい。
【００６７】
本発明のステンレス鋼材では、上記の点を考慮して、Ｍｎの含有率を０．２％以下とした。好ましくは、０．０５％以下である。
【００６８】
Ｐ：
Ｐは、鋼材の溶接性を悪くするので、含有率は低い方がよい。特に、Ｐ含有率が０．０３％を超えると、溶接性が著しく悪くなる。したがって、Ｐ含有率を０．０３％以下とした。好ましくは、０．０２％以下である。
【００６９】
Ｓ：
Ｓは硫化物を形成し、硫化物は鋼中の非金属介在物となる。硫化物系の非金属介在物が酸化物皮膜中に存在すると皮膜の欠陥となり、耐オゾン含有水性を低下させる。また、この非金属介在物は、母材表面の平滑度を低下させる一因になるとともに、鋼材の腐食の起点にもなる。さらに、この非金属介在物は、鋼材が半導体製造装置の配管などとして使用された際に微粒子（塵）となり、シリコンウエハ等の基板を汚染させる原因にもなる。このように、Ｓはできるだけ低い方がよいので、Ｓ含有率は０．０１％以下とした。好ましくは、０．００５％以下、さらに好ましくは０．００２％以下である。
【００７０】
Ｎ：
Ｎは、鋼中のＡｌ結合してＡｌ窒化物を形成するほか、ＣとともにＣｒ、Ｔｉ、Ｎｂなどと結合して炭窒化物を形成しやすい。これらの非金属介在物は、硫化物系の非金属介在物と同様に、微粒子を発生させる原因となる。また、Ａｌ酸化物皮膜の形成に必要なＡｌの量を減少させるので、耐オゾン含有水性の低下を招く。このように、Ｎ含有率はできるだけ低い方がよいので、Ｎ含有率は０．０５％以下とした。好ましくは０．０３％以下である。
【００７１】
Ｏ（酸素）：
Ｏは、鋼中ではおもに酸化物系の非金属介在物として存在する。酸化物系の非金属介在物は、前述の硫化物系の非金属介在物と同様に、酸化物皮膜の欠陥となり、耐オゾン含有水性を低下させる。また、この非金属介在物は、配管等として使用される際の鋼材からの微粒子の発生（発塵）の原因にもなる。このように、Ｏ含有率は低い方がよいので、０．０１％以下とした。好ましくは、０．００２％以下である。
【００７２】
（Ｃ）母材の研磨処理
鋼材の表面は、異物の付着を防止するために、できるだけ平滑であることが好ましい。酸化物皮膜の厚さは前述のように、５００ｎｍ以下程度で極めて薄いので、鋼材の表面を平滑にするためには、酸化物皮膜を形成させる前に、母材の表面を平滑にしておけばよい。
【００７３】
したがって、酸化物皮膜を形成させる処理を行う前に、母材の表面に研磨処理を施すのがよい。この場合、前述のように、酸化物皮膜が形成された鋼材の表面粗さがＲｍａｘで３μｍ未満が好ましいので、母材の表面の最大粗さ（Ｒｍａｘ）も３μｍ未満にしておくのがよい。
【００７４】
この母材の研磨には、研磨後の表面粗さがＲｍａｘで３μｍ未満程度でよいので、Ｒｍａｘで１μｍ以下に仕上げる場合に用いられる電解研磨法を用いる必要はない。ホーニング、ラッピングなどの機械研磨法やバフ研磨法によって研磨することができる。
【００７５】
（Ｄ）酸化物皮膜の形成方法
本発明のステンレス鋼材は、鋼中のＡｌ、Ｓｉを他の酸化されやすい合金元素より優先的に酸化させることによって形成された（Ｓｉ、Ａｌ）酸化物皮膜を備えることを特徴としている。鋼中の他の合金元素の酸化を抑制して、Ａｌ、Ｓｉを優先的に酸化させる本発明の製造方法には、高温酸化法と湿式酸化法がある。
【００７６】
以下に、この２つの酸化法について説明する。
【００７７】
（高温酸化法）
高温酸化法によって、鋼中のＡｌとＳｉを優先的に酸化させるためには、酸素と水蒸気を分圧の和で１０−１１ 〜１０−５ＭＰａ含有する不活性ガス雰囲気、水素雰囲気または真空雰囲気等の弱酸化性雰囲気中で、６００〜１２００℃に加熱するのがよい。酸素と水蒸気のいずれか一方のみを含む場合も、その分圧は１０ −１１ 〜１０−５ＭＰａでよい。
【００７８】
高温酸化の条件を、酸素と水蒸気を分圧の和で１０−１１ 〜１０−５ＭＰａ含有する不活性ガス、水素または真空等の弱酸化性雰囲気とする理由はつぎのとおりである。
【００７９】
酸素と水蒸気の分圧の和が１０−１１ ＭＰａ未満の場合には、ＡｌとＳｉが十分に酸化しないので、耐オゾン含有水性を発揮させるのに必要な酸化物皮膜が形成されない。一方、酸素と水蒸気の分圧の和が１０−５ＭＰａを超えると、Ｃｒ、ＦｅなどＡｌとＳｉ以外の元素が酸化されやすくなる。そのために、酸化物皮膜中のＣｒ酸化物、Ｆｅ酸化物等の割合が増加し、耐オゾン含有水性が悪くなる。また、表面の平滑性も悪くなる傾向があり、Ｒｍａｘで３μｍ未満の表面粗さが得られない。なお、酸素と水蒸気の分圧の和の好ましい範囲は１０−８ 〜１０−５ＭＰａである。
【００８０】
加熱温度が６００℃未満の場合には、ＡｌとＳｉが十分に酸化されない。一方、加熱温度が１２００℃を超えると、ＣｒやＦｅなどのＡｌ、Ｓｉ以外の元素も酸化されるので、酸化物皮膜中のＣｒ酸化物およびＦｅ酸化物の割合が増加する。さらに、表面の平滑性も低下する。したがって、加熱温度が６００℃未満の場合、１２００℃を超える場合のいずれにおいても、鋼材に良好な耐オゾン含有水性を持たせることができる酸化物皮膜を形成させることができない。なお、加熱温度は８５０〜１１００℃の範囲とすることが好ましい。
【００８１】
加熱時間は、５分〜２時間とすることが好ましい。上記の条件で加熱を行った場合でも、加熱時間が５分に満たない場合には、酸化物皮膜を十分に形成させにくい。一方、加熱時間が２時間を超えると、生産性の低下を招く。加熱時間は５分〜１時間とすることがより好ましい。
【００８２】
上記の高温酸化条件は、本発明で規定する範囲の化学組成のステンレス鋼に対して、同じ条件で適用することが可能である。
【００８３】
（湿式酸化法）
湿式酸化法には、浸漬法と陽極電解法がある。
【００８４】
浸漬法に用いる溶液としては、硝酸溶液が適当である。この場合の溶液中の硝酸の濃度は、５〜５０重量％とするのがよい。この濃度範囲の場合には、鋼中のＡｌとＳｉを優先的に酸化させることができる。
【００８５】
硝酸溶液の硝酸濃度が５重量％未満の場合には、Ａｌ、Ｓｉ以外のＣｒ、Ｆｅなどの元素も酸化されやすい。したがって、酸化物皮膜中のこれらの元素の酸化物の割合が高くなる。一方、硝酸の濃度が５０重量％を超えると、鋼材が硝酸によって腐食される。そのため、表面の平滑性が悪くなり、Ｒｍａｘで３μｍ以上になることがある。
【００８６】
硝酸溶液の温度は２０〜９０℃、処理時間は１０分〜５時間とすることが好ましい。硝酸溶液の温度が２０℃未満の場合には、酸化物皮膜の形成速度が遅く、酸化処理に長時間を要する。一方、溶液の温度が９０℃を超えると、硝酸溶液から硝酸の蒸気が激しく放散されるようになるので、硝酸溶液の硝酸濃度が低くなる。さらに、作業環境が極めて悪くなる。なお、硝酸溶液の温度は４０〜７０℃とすることがより好ましい。
【００８７】
硝酸溶液への浸漬時間が１０分未満の場合には、酸化物皮膜が十分に生成しない。一方、硝酸溶液への浸漬時間が５時間を超える場合は、生産性の低下を招く。なお、硝酸溶液への浸漬時間は３０分〜３時間とすることがより好ましい。
【００８８】
陽極電解法の場合には、例えば濃度１０重量％の硫酸水溶液のようなｐＨが１以下の酸性溶液中で陽極電解するのがよい。
【００８９】
陽極電解法に用いられる電解液のｐＨが１を超える場合には、Ｃｒ、ＦｅなどＡｌおよびＳｉ以外の元素も酸化されやすい。そのため、酸化物皮膜中のＣｒ酸化物、Ｆｅ酸化物等の割合が高くなる。
【００９０】
なお、陽極電解は電極の表面積が変化しても溶解速度が一定となるように電位制御をすることが好ましい。この電位制御は、例えば、基準電極として飽和カロメル電極（ＳＣＥ）を用い、基準電極に対する電位を制御することによって実施できる。この場合、電位は０．２〜１．５Ｖ（ｖｓＳＣＥ）、電解液の温度は２０〜９０℃、処理時間は１０分〜５時間とすることが好ましい。
【００９１】
上記のようにｐＨが１以下の電解液であっても、ＳＣＥに対する電位が０．２Ｖ未満の場合には、鋼中のＳｉおよびＡｌの溶解速度が小さいため、十分な酸化物皮膜が得られない場合がある。一方、ＳＣＥに対する電位が１．５Ｖを超えると、酸化物皮膜が多孔質となる。また、酸化物皮膜中のＳｉ酸化物およびＡｌ酸化物の割合が低くなる。なお、ＳＣＥに対する電位は０．４〜１．０Ｖとすることがより好ましい。
【００９２】
電解液の温度は２０〜９０℃が好ましい。２０℃未満の場合には酸化物皮膜が十分に形成されない。一方、９０℃を超えると、電解液から硫酸等の溶媒の蒸気が激しく放散するようになるので、電解液のｐＨが低下する。さらに、作業環境が極めて悪くなる。なお、電解液の温度は４０〜７０℃とすることがより好ましい。
【００９３】
陽極電解の処理時間は１０分〜５時間がよい。１０分未満の場合には、酸化物皮膜を十分に形成させることができない。一方、５時間を超えると、生産性の低下を招く。なお、陽極電解の処理時間は３０分〜３時間とすることがより好ましい。
【００９４】
【実施例】
フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼をおもな母材とするステンレス鋼材について調査を行った。
【００９５】
（実施例１）
母材として、表１に示す化学組成を備えたステンレス鋼ａ〜ｌそれぞれ５０ｋｇを真空溶解炉を用いて溶解し、鋼塊に鋳造した。鋼ａ〜ｈは本発明例であり、そのうち鋼ａ〜ｇはフェライト系、鋼ｈは２相系である。また、鋼ｉ〜ｌは化学成分のいずれかが本発明で規定する含有率の範囲から外れた比較例であり、そのうち鋼ｉ〜ｋはフェライト系、鋼ｌはＪＩＳ Ｇ ４３０３に規定されているオーステナイト系のＳＵＳ３１６Ｌ相当材である。
【００９６】
【表１】
【００９７】
つぎに、これらの鋼塊を熱間鍛造および熱間圧延し、その後、冷間圧延を行って厚さ２ｍｍの板材に加工した。さらに、この母材である板材に９６０℃で１０分間保持した後水冷する溶体化熱処理を施した。
【００９８】
これらの板材から、機械加工により幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの試験片を採取し、全面にバフ研磨を施して、鏡面（Ｒｍａｘで０．３〜０．５μｍ）に仕上げた。さらに、この試験片に高温酸化法または湿式酸化法によって酸化処理を行い、母材である板材の表面に酸化物皮膜を形成させた。高温酸化法の場合の雰囲気条件を表２に示す。高温酸化法の加熱時間は、いずれの場合も２時間とした。また、湿式酸化法の場合の処理条件を表３に示す。なお、湿式酸化法については、酸溶液浸漬法および陽極電解法の２つの方法を試験した。陽極電解法による酸化処理の場合には、電極の表面積が変化しても溶解速度が一定となるように電位制御を行った。すなわち、基準電極として飽和カロメル電極（ＳＣＥ）を用いて、この電極に対する電位を制御して陽極電解した。湿式酸化法の場合、処理後の試験片を超純水で洗浄し、その後９９．９９９体積％のアルゴンガスにより乾燥させた。
【００９９】
【表２】
【０１００】
【表３】
【０１０１】
酸化処理後の試験片について、酸化物皮膜中の酸化物の種類、酸化物皮膜中の全金属元素に占めるＡｌおよびＳｉの割合と皮膜厚さおよび耐オゾン含有水性を調査した。
【０１０２】
酸化物の種類は、レーザーラマン分光法を用いて、皮膜中に含まれる化合物のの結晶構造を調べることによってＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２ 等の存在を判断する方法で調査した。
【０１０３】
酸化物皮膜中の全金属元素に占めるＡｌおよびＳｉの割合と皮膜厚さは、２次イオン質量分析法によって、表面から深さ方向の各位置での元素分析を行う方法によって調査した。スパッタリングには窒素ガスイオンを用いた。
【０１０４】
耐オゾン含有水性はつぎの方法で調査した。まず、比抵抗１６ＭΩｃｍの超純水５０ｍｌに試験片を浸漬した状態で、オゾン１１０ｇ／ｍ３ 含む８０℃の酸素雰囲気中で１００時間保持した。この場合、超純水は約７ｍｇ／ｌのオゾンを含むオゾン含有水になる。つぎに、このオゾン含有水を誘導結合プラズマイオン質量分析法により定量分析し、オゾン含有水中に溶出した金属イオン量（Ｆｅイオン、Ｃｒイオン、Ｎｉイオン、ＳｉイオンおよびＡｌイオンの総和）を求めた。この結果を基に、試験片の端面を含む見かけ上の表面積当たりの金属イオン溶出量に換算し、耐オゾン含有水性を評価した。溶出量が０．５ｍｇ／ｍ２ 未満の場合は良好、０．５ｍｇ／ｍ２ 以上２．０ｍｇ／ｍ２ 未満の場合は普通、２．０ｍｇ／ｍ２ 以上の場合は不良とした。なお、表２には、それぞれ、○、△、×で表示した。
【０１０５】
表４に酸化処理条件、酸化物皮膜の性状および耐オゾン含有水性の調査結果をまとめて表４に示す。なお、表４における酸化処理条件Ａ〜Ｋは、表２に示した高温酸化雰囲気条件（Ａ〜Ｆ）と表３に示した湿式酸化法による処理条件（Ｇ〜Ｋ）を意味する。
【０１０６】
【表４】
【０１０７】
本発明例の試験Ｎｏ．１〜３は鋼中のＳｉ含有率が１％以上、試験Ｎｏ．４〜７は鋼中のＡｌ含有率が１％以上で、いずれもＳｉとＡｌを合わせた含有率が本発明で規定する１〜６％を満足している。さらに、酸化物皮膜の形成条件も、本発明の製造方法で規定する条件を満足している。したがって、酸化物皮膜中の酸化物の種類がＳｉＯ２ 、Ａｌ２Ｏ３またはその両者となっており、その両者を合わせた割合が、皮膜中の全金属元素に対して６２〜９２原子％と高かった。また、耐オゾン含有水性にも優れていた。なお、酸化物皮膜の厚さ（酸化物皮膜中の全金属元素の占めるＳｉおよびＡｌを合わせた割合が６０原子％以上の領域）は、本発明例の場合は１６〜４３ｎｍの範囲であった。
【０１０８】
試験Ｎｏ．６および試験Ｎｏ．８〜１０は、酸化処理温度を６５０℃から１０８０℃の範囲で変えた場合、試験Ｎｏ．１１および１２は、雰囲気を酸素および水蒸気が存在するアルゴンまたは真空雰囲気とした場合である。いずれの試験においても、上述のように、酸化物皮膜、耐オゾン含有水性ともに良好であった。
【０１０９】
試験Ｎｏ．１３は、鋼中のＮｉ含有率が６．０３％とフェライト系よりやや高めの例である。また、試験Ｎｏ．１４と１５は湿式法によって酸化物皮膜を形成させた場合である。これらの場合には、酸化物皮膜、耐オゾン含有水性ともに良好であった。
【０１１０】
上記の本発明例に対して、比較例の試験Ｎｏ．１８を除く１６〜２４については、いずれも、酸化物皮膜中のＳｉとＡｌの割合が少なく、耐オゾン含有水性に劣っていた。その原因は、試験Ｎｏ．１６、１７および１９はＳｉとＡｌの含有率が低くすぎたためであり、試験Ｎｏ．２０〜２４は、酸化物皮膜の形成条件が本発明で規定する条件を満足していないためである。試験Ｎｏ．１８は、母材のＳｉとＡｌを合わせた含有率が高すぎる例である。この場合には、母材の熱間加工性が悪く、熱間加工の際に割れが発生したため、その後の試験を行うことができなかった。
【０１１１】
（実施例２）
母材として、表５に示す化学組成を備えたオーステナイト系のステンレス鋼ａ〜ｏを、真空溶解炉を用いてそれぞれ５０ｋｇを溶解し、鋼塊に鋳造した。鋼ａ〜ｊは本発明例であり、いずれもオーステナイト系ステンレス鋼である。また、鋼ｋ〜ｏはいずれかの化学成分が本発明で規定する含有率の範囲から外れた比較例であり、いずれもオーステナイト系ステンレス鋼である。そのうち鋼ｏはＪＩＳ Ｇ ４３０３に規定されているＳＵＳ３１６Ｌ相当材である。
【０１１２】
【表５】
【０１１３】
上記の鋼塊を実施例１の場合と同じ方法で板材に加工し、固溶化熱処理を施した。ただし、溶体化熱処理温度は１１５０℃とした。
【０１１４】
これらの板材から、機械加工により幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの試験片を採取し、全面にバフ研磨を施して、鏡面（Ｒｍａｘで１．６μｍ）に仕上げた。さらに、この試験片に高温酸化法または湿式酸化法によって酸化処理を行い、母材である板材の表面に酸化物皮膜を形成させた。高温酸化法の場合の雰囲気条件は表２に、湿式酸化法の場合の処理条件は表３に示した。それぞれの場合の酸化処理方法は、実施例１の場合と同じである。
【０１１５】
酸化処理後の試験片について、酸化物皮膜中の酸化物の種類、酸化物皮膜中の全金属元素に占めるＡｌおよびＳｉの割合と皮膜厚さおよび耐オゾン含有水性を調査した。調査方法は、ほぼ実施例１の場合と同じである。実施例１の場合と相違する点は、耐オゾン含有水性の試験条件のうち、超純水の比抵抗が１７ＭΩｃｍであること、試験片を超純水に浸漬した状態で保持する条件がオゾンを１１０ｍｇ／ｍ３ 含む４０℃の酸素雰囲気中で２４０時間であることの２点である。
【０１１６】
表６に酸化処理条件、酸化物皮膜の性状および耐オゾン含有水性の調査結果をまとめて示す。なお、表６における酸化処理条件Ａ〜Ｋは、表２に示した高温酸化雰囲気条件（Ａ〜Ｆ）と表３に示した湿式酸化法による処理条件（Ｇ〜Ｋ）を意味する。
【０１１７】
【表６】
【０１１８】
本発明例の試験Ｎｏ．１〜７および９は鋼中のＡｌ含有率が１％以上、試験Ｎｏ．８および１０は鋼中のＳｉ含有率が１％以上で、いずれもＳｉとＡｌを合わせた含有率が本発明で規定する１〜６％を満足している。さらに、酸化物皮膜の形成条件も、本発明の製造方法で規定する条件を満足している。したがって、酸化物皮膜中の酸化物の種類がＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２ またはその両者となっており、その両者を合わせた割合が、皮膜中の全金属元素に対して６８〜９３原子％と高かった。また、耐オゾン含有水性にも優れていた。なお、酸化物皮膜の厚さ（酸化物皮膜中の全金属元素に対するＳｉおよびＡｌを合わせた割合が６０原子％以上の領域）は、１５〜２６ｎｍであった。
【０１１９】
試験Ｎｏ．１１〜１３は、酸化処理温度を６５０℃から１０８０℃の範囲で変えた場合の高温酸化法、試験Ｎｏ．１４および１５は硝酸浸漬法、試験Ｎｏ．１６は陽極電解法によって酸化物皮膜を形成させた場合である。いずれの試験においても、酸化処理条件が本発明で規定する条件を満足しているので、酸化物皮膜の酸化物の種類と厚さおよび耐オゾン含有水性が良好であった。
【０１２０】
上記の本発明例に対して、比較例の試験Ｎｏ．２１を除く１７〜２７については、いずれも、酸化物皮膜中のＳｉとＡｌの割合が少なく、耐オゾン含有水性に劣っていた。その原因は、試験Ｎｏ．１７〜２１は母材のいずれかの化学成分が、本発明で規定する範囲を外れているためである。また、試験Ｎｏ．２２〜２７は、酸化物皮膜の形成条件が本発明で規定する条件を満足していないためである。試験Ｎｏ．２１は、母材のＳｉとＡｌを合わせた含有率が高すぎる例である。この場合には、母材の熱間加工性が悪く、熱間加工の際に割れが発生したため、その後の試験を行うことができなかった。
【０１２１】
【発明の効果】
本発明のステンレス鋼材および本発明の製造方法によって得られるステンレス鋼材は、耐オゾン含有水性に優れているとともに、鋼材からの微粒子の発生（初塵）が少ない。さらに、安いコストで製造することができる。したがって、本発明のステンレス鋼材は、オゾンを含む超純水等が使用される半導体製造、医薬品製造等の分野で使用される配管、装置用の部材として極めて好適である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造プロセスなどで使用されるオゾン含有超純水等のオゾン含有水に対する耐食性（以下、耐オゾン含有水性という）に優れたステンレス鋼材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造分野においては、近年高集積化が進んでいる。そのために、超ＬＳＩと称されるデバイスでは、シリコンウエハ等の基板に対して、幅が１μｍ以下のような微細な配線パターンの加工が必要になってきている。
【０００３】
このような微細な配線パターンに、微小な塵が付着したり、微量の不純物ガスが付着すると、回路のショート等が起こり回路不良の原因となる。したがって、超ＬＳＩの製造プロセスにおいては、基板を加工する際に、このような汚染が起こらないようにさまざまな対策が採られている。
【０００４】
作業環境から基板が汚染されるころを防止するために、基板の加工はクリーンルーム内で行われる。クリーンルームの清浄さを確保するためには、室内の空気が清浄でなければならないことはむろんのこと、そこで使用されるガスおよび水なども高純度でなければならない。このため、微粒子や不純物成分の少ない高純度ガス、純水などが用いられる。特に純水は、通常、純度の高い超純水が用いられている。
【０００５】
さらに、このような高純度ガスや超純水を供給するための配管、配管部材および超ＬＳＩ製造装置の部材に対しては、それらの材料の表面や内部からの微粒子や不純物成分の放出（以下、発塵と記す）およびガス成分の放出が極力少ないことが要求されている。
【０００６】
従来、半導体製造プロセスに用いられる配管および部材には、フェライト系またはオーステナイト系のステンレス鋼が使用されてきた。これらのステンレス鋼材を高純度ガス用の配管として使用する場合には、高純度ガスが汚染されないように、ステンレス鋼材にも発塵を起こさないこと、水分の付着および吸着を起こさないことが要求される。また、超純水用の配管等として使用される場合には、金属イオンが溶出しにくいことも要求される。
【０００７】
このため、高純度ガスや超純水と接触するステンレス鋼材には、通常、表面積ができるだけ少なくなるように、その表面を平滑にする処置が施されている。例えば、配管用の鋼管の内面は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定されている表面粗さの最大高さ（Ｒｍａｘ、以下最大粗さと記す）が１μｍ以下程度に平滑化されることが多い。この内面の平滑処理には、通常、冷間抽伸された鋼管や機械研磨した部材に、さらに電解研磨を施す方法が採られている。しかし、この電解研磨法には、研磨の際に電解液および電解条件の管理が難しいこと、生産性が低いことといった問題点があり、その結果、鋼材の製造コストの上昇を招いている。
【０００８】
また、内面に平滑処理が施されたステンレス鋼材であっても、その構成元素であるＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉなどの金属イオンが超純水等の純水中で溶出することがある。この金属イオンの溶出を防止するために、以下に示すようなさまざまな提案がなされてきた。
【０００９】
その有力な対策は、ステンレス鋼の母材の表面に酸化物等の皮膜を設けることである。
【００１０】
特開平１−８７７６０号公報には、電解研磨処理された母材の表面に膜厚７５オングストローム以上の非晶質酸化皮膜を備える半導体製造装置用ステンレス鋼材が提案されている。また、特開平１−１８０９４６号公報には、特定の化学組成のフェライト系ステンレス鋼管の内表面に、最大粗さ（Ｒｍａｘ）５μｍ以下の不働態膜を備える超純水用配管材料が開示されている。
【００１１】
さらに、特開平６−３３２６４号公報には、本発明者らのうちの一部の者によって、重量％で、Ｔｉ：０．０２〜１．０％およびＡｌ：０．０２〜１．０％のうちの少なくとも１種を含み、最大粗さ（Ｒｍａｘ）が１μｍ以下に平滑化処理された母材の表面に、Ｔｉ酸化物とＡｌ酸化物の少なくとも一方を主体とする酸化物皮膜を備える高純度ガス用オーステナイト系ステンレス鋼材が提案されている。また、特開平７−６２５２０号公報には、Ｓｉを０．５〜５．０重量％含有する母材の表面に、Ｓｉ酸化物を主体とする酸化物皮膜を備えるクリーンルーム用オーステナイト系ステンレス鋼材が提案されている。
【００１２】
酸化物皮膜を備える鋼材としては、特開平７−６００９９号公報に、１〜６重量％のＡｌを含有するステンレス鋼を母材とし、その母材の表面に膜厚１０〜１５０オングストロームの緻密なＡｌ酸化物皮膜を備える超真空用材料が提案されている。このほか、本発明者らは、特定の化学組成の母材の表面にＡｌ系酸化物を主体とする皮膜を生成させた耐酸化性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提案した（特開平６−２７１９９２号公報）。
【００１３】
上記のような対策が採られたステンレス鋼材は、超純水の配管用、装置部材用、高純度ガス用、高温用などの材料としては、ほぼ実用に耐えるものであった。
【００１４】
しかし、最近、半導体製造工程などにおけるシリコンウエハ等の基板の洗浄には、オゾンを含有する洗浄水が用いられるようになってきた。
【００１５】
通常、半導体製造工程においては、シリコンウエハ等の洗浄には、超純水または界面活性剤、酸、アルカリ成分などを含有する超純水が用いられている。しかし、このような洗浄水を用いる洗浄方法には、金属成分は除去できても、有機物、なかでも薬品に対して比較的安定な特性を持っている脂肪分が除去されにくいという難点がある。また、洗浄水中の界面活性剤、酸およびアルカリ成分は、それ自体が不純物である。したがって、シリコンウエハの表面に残留した洗浄水中の不純物を除去するために、さらに高純度の超純水による”すすぎ”を行わなければならない。
【００１６】
この”すすぎ”工程を省略するために、最近、オゾン（Ｏ３ ）を含有する超純水（オゾン含有超純水）によってシリコンウエハを洗浄する方法が試みられている。オゾンは、漂白剤、殺菌剤として使用されていることからもわかるように、強い酸化力を持っているので、金属をイオン化し、有機物を分解する作用がある。そのため、オゾン含有超純水で洗浄すると、付着している金属はイオン化されて除去され、有機物は分解されて除去される。さらにオゾンは、洗浄後自己分解するため、シリコンウエハ上に汚染物として残留することがない。したがって、オゾン含有超純水で洗浄した場合には、”すすぎ”工程を省略することができるという利点がある。
【００１７】
このようにオゾン含有超純水はシリコンウエハの洗浄に極めて有効である。しかし、オゾン含有超純水による洗浄の場合には、オゾン含有超純水の供給などに用いられる配管や装置部材によって、オゾン含有超純水が汚染されるという問題がある。このオゾン含有超純水の汚染は、配管や装置部材として使用されるステンレス鋼材がオゾン含有超純水によって腐食され、鋼材からＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉなどの金属イオンが溶出することに起因している。
【００１８】
オゾンを含まない通常の超純水用、高純度ガス用に開発されている前述のステンレス鋼材は、超純水への金属イオンの溶出または発塵の防止にはほぼ良好な性能を持っている。しかし、オゾン含有水への適用を考慮して開発されたものではないので、オゾン含有水用の材料として用いた場合、どの鋼材についても、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉなどの金属イオンの溶出が起こり、実用に耐えるものではなかった。
【００１９】
さらに、特開平１−８７７６０号公報、特開平６−３３２６４号公報などに提案されている鋼材の場合には、その製造過程で電解研磨法による研磨処理が必要である。そのために、前述のように、研磨処理に起因する生産性の低下および鋼材の製造コストの上昇という問題を避けることができない。
【００２０】
このような観点から、耐オゾン含有水性に優れ、かつ安価に製造できるオゾン含有水用ステンレス鋼材の開発の必要性が高まっている。このような鋼材は、半導体製造以外の分野、例えば医薬品、医療などの分野においても必要である。
【００２１】
ステンレス鋼は、半導体製造プロセスなどで使用される超純水の配管用および装置部材用の素材として必要な強度を持っており、加工性にも優れている。しかし、上述のように、現状では、オゾンを含む水に対する耐食性（耐オゾン含有水性）に劣るという欠点がある。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、オゾン含有水用の部材として使用されても金属イオンの溶出を起こすことがなく、安価に製造することができる耐オゾン含有水性に優れたステンレス鋼材とその製造方法を提供することを目的としている。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）のオゾン含有水用ステンレス鋼材および下記（２）のその製造方法にある。
【００２４】
（１）下記の化学組成で構成される母材の表面に、Ａｌ酸化物およびＳｉ酸化物のうちの少なくとも一方を主体とする酸化物皮膜を備えているステンレス鋼材。
重量％で、Ｃｒ：１２〜３０％、Ｎｉ：０〜３５％、Ａｌ＋Ｓｉ：１〜６％、Ｍｏ：０〜３％、Ｂ＋Ｌａ＋Ｃｅ：０〜０．０１％、Ｃｕ：０．１％以下、Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｚｒ：０．１％以下、Ｃ：０．０３％以下、Ｍｎ：０．２％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｏ：０．０１％以下、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物。
【００２５】
すなわち、本発明のステンレス鋼材は、母材がステンレス鋼であるとともに、ＡｌとＳｉを合わせて１〜６％含み、その他の合金元素ができるだけ低く制限されている。さらに、母材の表面に、母材中のＡｌとＳｉによって形成されたＡｌ酸化物とＳｉ酸化物のうちの少なくとも一方を主体とする酸化物皮膜を備えることを特徴としている。
【００２６】
上記のステンレス鋼材のなかでも、母材のＮｉ含有率が重量％で０〜５％のフェライト系ステンレス鋼材、母材のＣｒ、ＮｉおよびＳｉ含有率が重量％でＣｒ：１２〜２５％、Ｎｉ：１４〜３５％、Ｓｉ：０．２％以下で、酸化物皮膜がＡｌ酸化物であるオーステナイト系ステンレス鋼材などが実用上もっとも好適である。
【００２７】
本発明のステンレス鋼材は上記の条件で十分な性能を持っているが、さらに好ましい条件は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定されている表面の最大高さ（Ｒｍａｘ、最大粗さと記す）が３μｍ未満、酸化物皮膜の厚さが５ｎｍ以上５００ｎｍ以下および皮膜の酸化物がＡｌ酸化物、特にαＡｌ２Ｏ３であることである。
【００２８】
（２）本発明のステンレス鋼材を製造する場合、母材の表面への酸化物皮膜の形成は、つぎの（ａ）〜（ｃ）のいずれかの方法によればよい。
【００２９】
（ａ） 母材を、酸素ガスおよび水蒸気を合わせたガスの分圧が１０−１１ ＭＰａ以上１０−５ＭＰａ以下の弱酸化性雰囲気下で、６００℃以上１２００℃以下に加熱する。
【００３０】
（ｂ） 母材を、重量％で濃度５％以上５０％以下の硝酸水溶液に浸漬する。
【００３１】
（ｃ） 母材を、ｐＨが１以下の溶液中で陽極電解する。
【００３２】
本発明のステンレス鋼材および本発明の製造方法によって得られるステンレス鋼材は、オゾン含有水中への母材の金属イオンの溶出を防止する効果が大きいＡｌ酸化物とＳｉ酸化物の少なくとも一方を主体とする皮膜を備えている。本発明の酸化物皮膜が、特に耐オゾン含有水性に有効なのは、これらの酸化物がオゾン含有水の特徴である高い酸化還元電位においても安定であることが挙げられる。さらに、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｓｉ等必要な元素以外の合金元素が低く制限されているので、Ａｌ酸化物とＳｉ酸化物以外の金属イオンの溶出防止効果をさげるような酸化物が形成されにくいことがあげられる。
【００３３】
また、金属イオンの溶出防止以外の点でも、腐食の起点および微粒子の発生等の原因になるＳ、Ｃ、Ｍｎ、Ｎ、Ｐなどの元素が少ない。したがって、本発明の鋼材は、耐食性に優れるほか、発塵も少ないという特長を持っている。
【００３４】
本発明者らは、さまざまな化学組成のステンレス鋼を母材として、その表面に酸化物皮膜を形成させた鋼材を作製し、それらの鋼材について、オゾンを含む超純水中での金属イオンの溶出挙動を調査した。その結果得られた下記の▲１▼〜▲６▼の知見を基に本発明を完成させた。
【００３５】
なお、上記調査においては、母材を酸化処理する条件を変えて酸化させることにより、組成の異なる酸化物皮膜を形成させた。
【００３６】
▲１▼ 金属イオンの溶出の抑制に有効な酸化物皮膜は、鋼中に含有されるＡｌまたはＳｉを優先的に酸化させることによって形成されるＡｌ酸化物とＳｉ酸化物のいずれかまたは両者で構成された皮膜である。この酸化物皮膜は、オゾン含有水に対して化学的に安定であり、ほとんど反応しない。また、母材の合金元素がオゾン含有水中へ溶出するのを防止する効果が特に顕著である。そのために、鋼材がオゾン含有水に接しても、金属イオンの溶出が起こりにくい。
【００３７】
▲２▼ 鋼材からの金属イオンの溶出および微粒子の発生（発塵）を抑制するためには、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎ、Ｏ（酸素）などの少量含まれる元素（以下、これらの元素をまとめて不純物元素と記す）の含有率を低く制限する必要がある。上記の酸化物皮膜と不純物元素の含有率の制限の組み合わせが、オゾン含有水中における鋼材からの金属イオンの溶出および発塵の防止に特に有効である。
【００３８】
▲３▼ 上記▲１▼および▲２▼は、フェライト系、オーステナイト系等のいずれのステンレス鋼に対しても有効である。
【００３９】
▲４▼ 上記▲１▼の酸化物皮膜は、所定の条件の酸化性雰囲気下での加熱によって容易に形成させることができる。このほか、硝酸溶液への浸漬、陽極電解等の処理によっても形成させることができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
（Ａ）鋼材表面の酸化物皮膜
本発明のステンレス鋼材の特徴は、母材のステンレス鋼の表面に、母材中に含有されているＡｌとＳｉの少なくとも一方が酸化されて形成されたＡｌ酸化物とＳｉ酸化物のいずれかまたは両者を主体とする酸化物皮膜［以下、単に（Ａｌ、Ｓｉ）酸化物皮膜と記す］を備えていることである。
【００４１】
この酸化物皮膜は、おもにＳｉ酸化物とＡｌ酸化物で構成されているのが望ましい。酸化物中のＳｉ酸化物とＡｌ酸化物の割合が多いほど、耐オゾン含有水性がよい。したがって、Ａｌ酸化物とＳｉ酸化物を合わせた酸化物の割合は、（Ａｌ、Ｓｉ）酸化物中のＡｌとＳｉの合計が、酸化物皮膜中の全金属元素に対して６０原子％以上に相当することが好ましい。さらに好ましいのは８０原子％以上である。Ａｌ酸化物とＳｉ酸化物以外の酸化物には、Ｃｒ酸化物、Ｆｅ酸化物などが挙げられる。ただし、上述のように、これらの酸化物はできるだけ少ない方がよい。
【００４２】
Ａｌ酸化物とＳｉ酸化物は、いずれも鋼材の耐オゾン含有水性を向上させるのに優れた効果を持っている。ただし、両者を比較すると、Ａｌ酸化物の方がその効果が大きい。したがって、酸化物皮膜中の酸化物としては、Ｓｉ酸化物を含まないＡｌ酸化物主体の方がより好ましい。Ａｌ酸化物、すなわちアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）には、α、θ、γおよびδ型があるが、そのなかでも、特にα型（αＡｌ２Ｏ３）がもっとも好ましい。
【００４３】
本発明のステンレス鋼材の表面粗さ、すなわち酸化物皮膜の表面粗さは、最大粗さ（Ｒｍａｘ）で３μｍ未満が望ましい。Ｒｍａｘが３μｍ以上の場合には、ステンレス鋼材の製造過程および鋼材を製品に加工し使用するまでの間で、海塩粒子、塵などの異物が表面に付着しやすいためである。鋼材の表面にこれらの異物が付着すると、発塵の原因になるほか、鋼材の耐オゾン含有水性を悪くする原因にもなる可能性がある。
【００４４】
酸化物皮膜の厚さは、５〜５００ｎｍ程度が望ましい。厚さが５ｎｍに満たない場合には、十分な耐オゾン含有水性が得られない。また、厚さが５００ｎｍを超えると皮膜が厚くなるとともに膜質が低下するため、十分な耐オゾン含有水性が得られない。酸化物皮膜のさらに好ましい厚さは、１０〜３００ｎｍである。
【００４５】
（Ｂ）母材の化学組成
本発明のステンレス鋼材の母材の化学組成はつぎのとおりである。なお、各元素の含有率の％表示は、重量％を意味する。
【００４６】
Ｃｒ：
Ｃｒは、母材にとって必要不可欠な元素である。Ｃｒは鋼材が使用される環境下でのステンレス鋼としての耐食性を確保するために必要である。さらに、Ｃｒを含有させることによって、純水等の中性の水溶液中およびクリーンルームの雰囲気中での錆の発生を防止することができる。このようなＣｒの効果を発揮させるためには、１２％以上含有させる必要がある。
【００４７】
一方、Ｃｒの含有率が３０％を超えると、母材の熱間加工性が悪くなる。また、ステンレス鋼材を溶接した際に、溶接部にシグマ相などのＣｒを含む金属間化合物が析出しやすいため靭性が低下する。したがって、Ｃｒの含有率は、１２〜３０％とした。好ましくは、１８〜２５％である。
【００４８】
なお、母材がＮｉを１４〜３５％含むオーステナイト系ステンレス鋼の場合には、熱間加工性と溶接部の靱性の観点から、Ｃｒの含有率の上限は２５％とするのが好ましい。
【００４９】
Ｎｉ：
Ｎｉは、母材の耐食性を向上させる作用があり、また、安定なオーステナイト組織を得るのにも有効な元素である。本発明のステンレス鋼材では、必要に応じてＮｉを含有させる。
【００５０】
母材は、フェライト系、２相系、オーステナイト系のいずれでもよい。ただし、フェライト系およびオーステナイト系のような単一相の方が、２相系より均一な酸化物皮膜を生成させやすいという特長がある。
【００５１】
母材をフェライト系とする場合には、耐食性を向上させるために、Ｎｉを０〜５％含有させるのがよい。Ｎｉ含有率が５％を超えると母材は２相系になるので、酸化物皮膜を形成させる際に、処理条件の管理をより正確に行う必要があるからである。
【００５２】
母材をオーステナイト系とする場合には、安定なオーステナイト組織を得るために、Ｎｉは１４％以上含有させるのが好ましい。一方、３５％を超えて含有させると、ＮｉとＡｌからなる金属間化合物が析出するため、母材の熱間加工性および靭性が低下する。したがって、Ｎｉ含有率は１４〜３５％がよい。オーステナイト系の場合の好ましい含有率は１８〜２５％である。
【００５３】
ＡｌおよびＳｉ：
ＡｌとＳｉは、本発明のステンレス鋼材にとって、もっとも特徴的で重要な合金元素である。すなわち、本発明のステンレス鋼材の特徴は、母材のステンレス鋼の表面に、母材中に含有するＡｌとＳｉの少なくとも一方が酸化されて形成された（Ｓｉ、Ａｌ）酸化物皮膜を備えている。
【００５４】
すでに述べたように、この酸化物皮膜は、酸化物皮膜中の全金属元素に占めるＡｌとＳｉを合わせた割合が、６０原子％以上であることが望ましい。母材のＡｌとＳｉの含有率の合計が１％未満の場合には、酸化物中に占めるＡｌ酸化物とＳｉ酸化物の割合が少なすぎて、上記の条件を満足させることができない。そのために、ステンレス鋼材に十分な耐オゾン含有水性を持たせることができない。
【００５５】
一方、ＡｌとＳｉの含有率の合計が６％を超えると、母材の靱性が低下する傾向がある。また、オーステナイト系の場合には、ＮｉとＡｌからなる金属間化合物が析出するため、母材の熱間加工性と靭性が低下する。
【００５６】
したがって、ＳｉとＡｌの含有率の合計を１〜６％とした。なお、耐オゾン含有水性を高めるとともに良好な熱間加工性と靭性を確保するために、ＡｌとＳｉの含有率の合計を１〜４％とすることが好ましい。さらに好ましくは、２〜４％である。
【００５７】
なお、Ａｌ酸化物とＳｉ酸化物の皮膜を比較した場合、Ａｌ酸化物の方がさらに耐オゾン含有水性に優れている。したがって、酸化物皮膜としては、Ａｌ酸化物の方がより好ましい。皮膜中にＳｉ酸化物を含めない場合には、Ｓｉ含有率は低い方がよい。この場合のＳｉ含有率は０．２％以下とするのが好ましい。
【００５８】
Ｍｏ：
Ｍｏは必要に応じて添加する元素である。Ｍｏは耐オゾン含有水性を高める作用を持っているので、この効果をいっそう高める場合に添加する。Ｍｏの効果を発揮させるためには、０．３％以上の含有させるのが好ましい。しかし、含有率が３％を超えると、ＭｏとＳｉとの金属間化合物が析出しやすくなるので、母材の靭性が低下する。したがって、Ｍｏの含有率は０〜３％とした。Ｍｏを添加する場合には、含有率を０．０１〜３％とするのがよい。
【００５９】
Ｂ、ＬａおよびＣｅ：
Ｂ、ＬａおよびＣｅは、必要に応じて添加する元素である。これらの元素は、母材の靱性や熱間加工性を向上させる作用をもっている。本発明のステンレス鋼材では、ＡｌおよびＳｉ含有率が高めで、Ｎｉが高めな場合には、靱性や熱間加工性をさらに向上させる方が熱間加工が容易な場合がある。このような場合には、Ｂ、ＬａおよびＣｅのうちの少なくともひとつの元素を添加するのがよい。これらの元素が添加されると、ＰやＳの結晶粒界への偏析および結晶粒の粗大化が抑制されるので、靱性および熱間加工性が改善される。
【００６０】
これらの元素の効果を発揮させるためには、Ｂ、ＬａおよびＣｅを合わせて０．００３％以上含有させるのがよい。ただし、Ｂが過剰な場合はＣｒ炭化物の析出が多くなるため、鋭敏化が進み母材の耐食性が低下する。また、ＬａおよびＣｅが過剰な場合には、これらの酸化物が増加するため熱間加工性が低下する。したがって、Ｂ、ＬａおよびＣｅの含有率の合計の上限は０．０１％とするのがよい。
【００６１】
上記の理由から、Ｂ、ＬａおよびＣｅの含有率の合計は０〜０．０１％とした。添加する場合の好ましい含有率は、０．００３〜０．０１％、さらに好ましくは０．００３〜０．００８％である。
【００６２】
Ｃｕ：
Ｃｕは、オゾン含有水中でＣｕイオン溶出の一因となることがあるので、Ｃｕの含有率は低く制限するのがよい。したがって、Ｃｕは０．１％以下とするのがよい。
【００６３】
Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒ：
Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒはいずれも酸化されやすい元素である。そのため、これらの元素が鋼中に存在すると、これらの元素の酸化物が生成し、その酸化物が鋼材の酸化物皮膜中に混入する。すなわち、生成する酸化物皮膜中の全金属元素に占めるＡｌとＳｉの割合が６０原子％を下回るようになる。その場合には、鋼材の耐オゾン含有水性が悪くなる。特に、Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒの含有率の合計が０．１％を超える場合には、耐オゾン含有水性の低下が著しい。
【００６４】
したがって、Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒの含有率の合計を０．１％以下とした。好ましくは０．０５％以下である。
【００６５】
Ｃ：
Ｃの含有率が高すぎる場合には、ステンレス鋼材を溶接した際に、溶接部にＣｒ炭化物が生成しやすいので、結晶粒界近傍のＣｒ含有率が低下する。そのため、耐錆性および耐粒界腐食性が著しく低下する。また、酸化物皮膜を形成させるための処理の１つである加熱処理の際に、炭化物を生成し、耐錆性および耐粒界腐食性が著しく低下することがある。Ｃはできるだけ少ない方がよいので、Ｃの含有率は０．０３％以下とした。好ましくは０．０２％以下である。
【００６６】
Ｍｎ：
Ｍｎは、Ａｌ酸化物とＳｉ酸化物の皮膜の生成を阻害し、耐オゾン含有水性を悪くする。また、Ｍｎは、鋼材が溶接された際に、溶接部の表面に優先的に濃化し、鋼材の耐錆性および耐孔食性を著しく悪くする。したがって、Ｍｎ含有率は低い方がよい。ただし、Ｍｎはステンレス鋼の熱間加工性を向上させる作用を持っているので、その効果を得る場合には少量添加してもよい。
【００６７】
本発明のステンレス鋼材では、上記の点を考慮して、Ｍｎの含有率を０．２％以下とした。好ましくは、０．０５％以下である。
【００６８】
Ｐ：
Ｐは、鋼材の溶接性を悪くするので、含有率は低い方がよい。特に、Ｐ含有率が０．０３％を超えると、溶接性が著しく悪くなる。したがって、Ｐ含有率を０．０３％以下とした。好ましくは、０．０２％以下である。
【００６９】
Ｓ：
Ｓは硫化物を形成し、硫化物は鋼中の非金属介在物となる。硫化物系の非金属介在物が酸化物皮膜中に存在すると皮膜の欠陥となり、耐オゾン含有水性を低下させる。また、この非金属介在物は、母材表面の平滑度を低下させる一因になるとともに、鋼材の腐食の起点にもなる。さらに、この非金属介在物は、鋼材が半導体製造装置の配管などとして使用された際に微粒子（塵）となり、シリコンウエハ等の基板を汚染させる原因にもなる。このように、Ｓはできるだけ低い方がよいので、Ｓ含有率は０．０１％以下とした。好ましくは、０．００５％以下、さらに好ましくは０．００２％以下である。
【００７０】
Ｎ：
Ｎは、鋼中のＡｌ結合してＡｌ窒化物を形成するほか、ＣとともにＣｒ、Ｔｉ、Ｎｂなどと結合して炭窒化物を形成しやすい。これらの非金属介在物は、硫化物系の非金属介在物と同様に、微粒子を発生させる原因となる。また、Ａｌ酸化物皮膜の形成に必要なＡｌの量を減少させるので、耐オゾン含有水性の低下を招く。このように、Ｎ含有率はできるだけ低い方がよいので、Ｎ含有率は０．０５％以下とした。好ましくは０．０３％以下である。
【００７１】
Ｏ（酸素）：
Ｏは、鋼中ではおもに酸化物系の非金属介在物として存在する。酸化物系の非金属介在物は、前述の硫化物系の非金属介在物と同様に、酸化物皮膜の欠陥となり、耐オゾン含有水性を低下させる。また、この非金属介在物は、配管等として使用される際の鋼材からの微粒子の発生（発塵）の原因にもなる。このように、Ｏ含有率は低い方がよいので、０．０１％以下とした。好ましくは、０．００２％以下である。
【００７２】
（Ｃ）母材の研磨処理
鋼材の表面は、異物の付着を防止するために、できるだけ平滑であることが好ましい。酸化物皮膜の厚さは前述のように、５００ｎｍ以下程度で極めて薄いので、鋼材の表面を平滑にするためには、酸化物皮膜を形成させる前に、母材の表面を平滑にしておけばよい。
【００７３】
したがって、酸化物皮膜を形成させる処理を行う前に、母材の表面に研磨処理を施すのがよい。この場合、前述のように、酸化物皮膜が形成された鋼材の表面粗さがＲｍａｘで３μｍ未満が好ましいので、母材の表面の最大粗さ（Ｒｍａｘ）も３μｍ未満にしておくのがよい。
【００７４】
この母材の研磨には、研磨後の表面粗さがＲｍａｘで３μｍ未満程度でよいので、Ｒｍａｘで１μｍ以下に仕上げる場合に用いられる電解研磨法を用いる必要はない。ホーニング、ラッピングなどの機械研磨法やバフ研磨法によって研磨することができる。
【００７５】
（Ｄ）酸化物皮膜の形成方法
本発明のステンレス鋼材は、鋼中のＡｌ、Ｓｉを他の酸化されやすい合金元素より優先的に酸化させることによって形成された（Ｓｉ、Ａｌ）酸化物皮膜を備えることを特徴としている。鋼中の他の合金元素の酸化を抑制して、Ａｌ、Ｓｉを優先的に酸化させる本発明の製造方法には、高温酸化法と湿式酸化法がある。
【００７６】
以下に、この２つの酸化法について説明する。
【００７７】
（高温酸化法）
高温酸化法によって、鋼中のＡｌとＳｉを優先的に酸化させるためには、酸素と水蒸気を分圧の和で１０−１１ 〜１０−５ＭＰａ含有する不活性ガス雰囲気、水素雰囲気または真空雰囲気等の弱酸化性雰囲気中で、６００〜１２００℃に加熱するのがよい。酸素と水蒸気のいずれか一方のみを含む場合も、その分圧は１０ −１１ 〜１０−５ＭＰａでよい。
【００７８】
高温酸化の条件を、酸素と水蒸気を分圧の和で１０−１１ 〜１０−５ＭＰａ含有する不活性ガス、水素または真空等の弱酸化性雰囲気とする理由はつぎのとおりである。
【００７９】
酸素と水蒸気の分圧の和が１０−１１ ＭＰａ未満の場合には、ＡｌとＳｉが十分に酸化しないので、耐オゾン含有水性を発揮させるのに必要な酸化物皮膜が形成されない。一方、酸素と水蒸気の分圧の和が１０−５ＭＰａを超えると、Ｃｒ、ＦｅなどＡｌとＳｉ以外の元素が酸化されやすくなる。そのために、酸化物皮膜中のＣｒ酸化物、Ｆｅ酸化物等の割合が増加し、耐オゾン含有水性が悪くなる。また、表面の平滑性も悪くなる傾向があり、Ｒｍａｘで３μｍ未満の表面粗さが得られない。なお、酸素と水蒸気の分圧の和の好ましい範囲は１０−８ 〜１０−５ＭＰａである。
【００８０】
加熱温度が６００℃未満の場合には、ＡｌとＳｉが十分に酸化されない。一方、加熱温度が１２００℃を超えると、ＣｒやＦｅなどのＡｌ、Ｓｉ以外の元素も酸化されるので、酸化物皮膜中のＣｒ酸化物およびＦｅ酸化物の割合が増加する。さらに、表面の平滑性も低下する。したがって、加熱温度が６００℃未満の場合、１２００℃を超える場合のいずれにおいても、鋼材に良好な耐オゾン含有水性を持たせることができる酸化物皮膜を形成させることができない。なお、加熱温度は８５０〜１１００℃の範囲とすることが好ましい。
【００８１】
加熱時間は、５分〜２時間とすることが好ましい。上記の条件で加熱を行った場合でも、加熱時間が５分に満たない場合には、酸化物皮膜を十分に形成させにくい。一方、加熱時間が２時間を超えると、生産性の低下を招く。加熱時間は５分〜１時間とすることがより好ましい。
【００８２】
上記の高温酸化条件は、本発明で規定する範囲の化学組成のステンレス鋼に対して、同じ条件で適用することが可能である。
【００８３】
（湿式酸化法）
湿式酸化法には、浸漬法と陽極電解法がある。
【００８４】
浸漬法に用いる溶液としては、硝酸溶液が適当である。この場合の溶液中の硝酸の濃度は、５〜５０重量％とするのがよい。この濃度範囲の場合には、鋼中のＡｌとＳｉを優先的に酸化させることができる。
【００８５】
硝酸溶液の硝酸濃度が５重量％未満の場合には、Ａｌ、Ｓｉ以外のＣｒ、Ｆｅなどの元素も酸化されやすい。したがって、酸化物皮膜中のこれらの元素の酸化物の割合が高くなる。一方、硝酸の濃度が５０重量％を超えると、鋼材が硝酸によって腐食される。そのため、表面の平滑性が悪くなり、Ｒｍａｘで３μｍ以上になることがある。
【００８６】
硝酸溶液の温度は２０〜９０℃、処理時間は１０分〜５時間とすることが好ましい。硝酸溶液の温度が２０℃未満の場合には、酸化物皮膜の形成速度が遅く、酸化処理に長時間を要する。一方、溶液の温度が９０℃を超えると、硝酸溶液から硝酸の蒸気が激しく放散されるようになるので、硝酸溶液の硝酸濃度が低くなる。さらに、作業環境が極めて悪くなる。なお、硝酸溶液の温度は４０〜７０℃とすることがより好ましい。
【００８７】
硝酸溶液への浸漬時間が１０分未満の場合には、酸化物皮膜が十分に生成しない。一方、硝酸溶液への浸漬時間が５時間を超える場合は、生産性の低下を招く。なお、硝酸溶液への浸漬時間は３０分〜３時間とすることがより好ましい。
【００８８】
陽極電解法の場合には、例えば濃度１０重量％の硫酸水溶液のようなｐＨが１以下の酸性溶液中で陽極電解するのがよい。
【００８９】
陽極電解法に用いられる電解液のｐＨが１を超える場合には、Ｃｒ、ＦｅなどＡｌおよびＳｉ以外の元素も酸化されやすい。そのため、酸化物皮膜中のＣｒ酸化物、Ｆｅ酸化物等の割合が高くなる。
【００９０】
なお、陽極電解は電極の表面積が変化しても溶解速度が一定となるように電位制御をすることが好ましい。この電位制御は、例えば、基準電極として飽和カロメル電極（ＳＣＥ）を用い、基準電極に対する電位を制御することによって実施できる。この場合、電位は０．２〜１．５Ｖ（ｖｓＳＣＥ）、電解液の温度は２０〜９０℃、処理時間は１０分〜５時間とすることが好ましい。
【００９１】
上記のようにｐＨが１以下の電解液であっても、ＳＣＥに対する電位が０．２Ｖ未満の場合には、鋼中のＳｉおよびＡｌの溶解速度が小さいため、十分な酸化物皮膜が得られない場合がある。一方、ＳＣＥに対する電位が１．５Ｖを超えると、酸化物皮膜が多孔質となる。また、酸化物皮膜中のＳｉ酸化物およびＡｌ酸化物の割合が低くなる。なお、ＳＣＥに対する電位は０．４〜１．０Ｖとすることがより好ましい。
【００９２】
電解液の温度は２０〜９０℃が好ましい。２０℃未満の場合には酸化物皮膜が十分に形成されない。一方、９０℃を超えると、電解液から硫酸等の溶媒の蒸気が激しく放散するようになるので、電解液のｐＨが低下する。さらに、作業環境が極めて悪くなる。なお、電解液の温度は４０〜７０℃とすることがより好ましい。
【００９３】
陽極電解の処理時間は１０分〜５時間がよい。１０分未満の場合には、酸化物皮膜を十分に形成させることができない。一方、５時間を超えると、生産性の低下を招く。なお、陽極電解の処理時間は３０分〜３時間とすることがより好ましい。
【００９４】
【実施例】
フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼をおもな母材とするステンレス鋼材について調査を行った。
【００９５】
（実施例１）
母材として、表１に示す化学組成を備えたステンレス鋼ａ〜ｌそれぞれ５０ｋｇを真空溶解炉を用いて溶解し、鋼塊に鋳造した。鋼ａ〜ｈは本発明例であり、そのうち鋼ａ〜ｇはフェライト系、鋼ｈは２相系である。また、鋼ｉ〜ｌは化学成分のいずれかが本発明で規定する含有率の範囲から外れた比較例であり、そのうち鋼ｉ〜ｋはフェライト系、鋼ｌはＪＩＳ Ｇ ４３０３に規定されているオーステナイト系のＳＵＳ３１６Ｌ相当材である。
【００９６】
【表１】
つぎに、これらの鋼塊を熱間鍛造および熱間圧延し、その後、冷間圧延を行って厚さ２ｍｍの板材に加工した。さらに、この母材である板材に９６０℃で１０分間保持した後水冷する溶体化熱処理を施した。
【００９８】
これらの板材から、機械加工により幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの試験片を採取し、全面にバフ研磨を施して、鏡面（Ｒｍａｘで０．３〜０．５μｍ）に仕上げた。さらに、この試験片に高温酸化法または湿式酸化法によって酸化処理を行い、母材である板材の表面に酸化物皮膜を形成させた。高温酸化法の場合の雰囲気条件を表２に示す。高温酸化法の加熱時間は、いずれの場合も２時間とした。また、湿式酸化法の場合の処理条件を表３に示す。なお、湿式酸化法については、酸溶液浸漬法および陽極電解法の２つの方法を試験した。陽極電解法による酸化処理の場合には、電極の表面積が変化しても溶解速度が一定となるように電位制御を行った。すなわち、基準電極として飽和カロメル電極（ＳＣＥ）を用いて、この電極に対する電位を制御して陽極電解した。湿式酸化法の場合、処理後の試験片を超純水で洗浄し、その後９９．９９９体積％のアルゴンガスにより乾燥させた。
【００９９】
【表２】
【表３】
酸化処理後の試験片について、酸化物皮膜中の酸化物の種類、酸化物皮膜中の全金属元素に占めるＡｌおよびＳｉの割合と皮膜厚さおよび耐オゾン含有水性を調査した。
【０１０２】
酸化物の種類は、レーザーラマン分光法を用いて、皮膜中に含まれる化合物のの結晶構造を調べることによってＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２ 等の存在を判断する方法で調査した。
【０１０３】
酸化物皮膜中の全金属元素に占めるＡｌおよびＳｉの割合と皮膜厚さは、２次イオン質量分析法によって、表面から深さ方向の各位置での元素分析を行う方法によって調査した。スパッタリングには窒素ガスイオンを用いた。
【０１０４】
耐オゾン含有水性はつぎの方法で調査した。まず、比抵抗１６ＭΩｃｍの超純水５０ｍｌに試験片を浸漬した状態で、オゾン１１０ｇ／ｍ３ 含む８０℃の酸素雰囲気中で１００時間保持した。この場合、超純水は約７ｍｇ／ｌのオゾンを含むオゾン含有水になる。つぎに、このオゾン含有水を誘導結合プラズマイオン質量分析法により定量分析し、オゾン含有水中に溶出した金属イオン量（Ｆｅイオン、Ｃｒイオン、Ｎｉイオン、ＳｉイオンおよびＡｌイオンの総和）を求めた。この結果を基に、試験片の端面を含む見かけ上の表面積当たりの金属イオン溶出量に換算し、耐オゾン含有水性を評価した。溶出量が０．５ｍｇ／ｍ２ 未満の場合は良好、０．５ｍｇ／ｍ２ 以上２．０ｍｇ／ｍ２ 未満の場合は普通、２．０ｍｇ／ｍ２ 以上の場合は不良とした。なお、表２には、それぞれ、○、△、×で表示した。
【０１０５】
表４に酸化処理条件、酸化物皮膜の性状および耐オゾン含有水性の調査結果をまとめて表４に示す。なお、表４における酸化処理条件Ａ〜Ｋは、表２に示した高温酸化雰囲気条件（Ａ〜Ｆ）と表３に示した湿式酸化法による処理条件（Ｇ〜Ｋ）を意味する。
【０１０６】
【表４】
本発明例の試験Ｎｏ．１〜３は鋼中のＳｉ含有率が１％以上、試験Ｎｏ．４〜７は鋼中のＡｌ含有率が１％以上で、いずれもＳｉとＡｌを合わせた含有率が本発明で規定する１〜６％を満足している。さらに、酸化物皮膜の形成条件も、本発明の製造方法で規定する条件を満足している。したがって、酸化物皮膜中の酸化物の種類がＳｉＯ２ 、Ａｌ２Ｏ３またはその両者となっており、その両者を合わせた割合が、皮膜中の全金属元素に対して６２〜９２原子％と高かった。また、耐オゾン含有水性にも優れていた。なお、酸化物皮膜の厚さ（酸化物皮膜中の全金属元素の占めるＳｉおよびＡｌを合わせた割合が６０原子％以上の領域）は、本発明例の場合は１６〜４３ｎｍの範囲であった。
【０１０８】
試験Ｎｏ．６および試験Ｎｏ．８〜１０は、酸化処理温度を６５０℃から１０８０℃の範囲で変えた場合、試験Ｎｏ．１１および１２は、雰囲気を酸素および水蒸気が存在するアルゴンまたは真空雰囲気とした場合である。いずれの試験においても、上述のように、酸化物皮膜、耐オゾン含有水性ともに良好であった。
【０１０９】
試験Ｎｏ．１３は、鋼中のＮｉ含有率が６．０３％とフェライト系よりやや高めの例である。また、試験Ｎｏ．１４と１５は湿式法によって酸化物皮膜を形成させた場合である。これらの場合には、酸化物皮膜、耐オゾン含有水性ともに良好であった。
【０１１０】
上記の本発明例に対して、比較例の試験Ｎｏ．１８を除く１６〜２４については、いずれも、酸化物皮膜中のＳｉとＡｌの割合が少なく、耐オゾン含有水性に劣っていた。その原因は、試験Ｎｏ．１６、１７および１９はＳｉとＡｌの含有率が低くすぎたためであり、試験Ｎｏ．２０〜２４は、酸化物皮膜の形成条件が本発明で規定する条件を満足していないためである。試験Ｎｏ．１８は、母材のＳｉとＡｌを合わせた含有率が高すぎる例である。この場合には、母材の熱間加工性が悪く、熱間加工の際に割れが発生したため、その後の試験を行うことができなかった。
【０１１１】
（実施例２）
母材として、表５に示す化学組成を備えたオーステナイト系のステンレス鋼ａ〜ｏを、真空溶解炉を用いてそれぞれ５０ｋｇを溶解し、鋼塊に鋳造した。鋼ａ〜ｊは本発明例であり、いずれもオーステナイト系ステンレス鋼である。また、鋼ｋ〜ｏはいずれかの化学成分が本発明で規定する含有率の範囲から外れた比較例であり、いずれもオーステナイト系ステンレス鋼である。そのうち鋼ｏはＪＩＳ Ｇ ４３０３に規定されているＳＵＳ３１６Ｌ相当材である。
【０１１２】
【表５】
上記の鋼塊を実施例１の場合と同じ方法で板材に加工し、固溶化熱処理を施した。ただし、溶体化熱処理温度は１１５０℃とした。
【０１１４】
これらの板材から、機械加工により幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの試験片を採取し、全面にバフ研磨を施して、鏡面（Ｒｍａｘで１．６μｍ）に仕上げた。さらに、この試験片に高温酸化法または湿式酸化法によって酸化処理を行い、母材である板材の表面に酸化物皮膜を形成させた。高温酸化法の場合の雰囲気条件は表２に、湿式酸化法の場合の処理条件は表３に示した。それぞれの場合の酸化処理方法は、実施例１の場合と同じである。
【０１１５】
酸化処理後の試験片について、酸化物皮膜中の酸化物の種類、酸化物皮膜中の全金属元素に占めるＡｌおよびＳｉの割合と皮膜厚さおよび耐オゾン含有水性を調査した。調査方法は、ほぼ実施例１の場合と同じである。実施例１の場合と相違する点は、耐オゾン含有水性の試験条件のうち、超純水の比抵抗が１７ＭΩｃｍであること、試験片を超純水に浸漬した状態で保持する条件がオゾンを１１０ｍｇ／ｍ３ 含む４０℃の酸素雰囲気中で２４０時間であることの２点である。
【０１１６】
表６に酸化処理条件、酸化物皮膜の性状および耐オゾン含有水性の調査結果をまとめて示す。なお、表６における酸化処理条件Ａ〜Ｋは、表２に示した高温酸化雰囲気条件（Ａ〜Ｆ）と表３に示した湿式酸化法による処理条件（Ｇ〜Ｋ）を意味する。
【０１１７】
【表６】
本発明例の試験Ｎｏ．１〜７および９は鋼中のＡｌ含有率が１％以上、試験Ｎｏ．８および１０は鋼中のＳｉ含有率が１％以上で、いずれもＳｉとＡｌを合わせた含有率が本発明で規定する１〜６％を満足している。さらに、酸化物皮膜の形成条件も、本発明の製造方法で規定する条件を満足している。したがって、酸化物皮膜中の酸化物の種類がＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２ またはその両者となっており、その両者を合わせた割合が、皮膜中の全金属元素に対して６８〜９３原子％と高かった。また、耐オゾン含有水性にも優れていた。なお、酸化物皮膜の厚さ（酸化物皮膜中の全金属元素に対するＳｉおよびＡｌを合わせた割合が６０原子％以上の領域）は、１５〜２６ｎｍであった。
【０１１９】
試験Ｎｏ．１１〜１３は、酸化処理温度を６５０℃から１０８０℃の範囲で変えた場合の高温酸化法、試験Ｎｏ．１４および１５は硝酸浸漬法、試験Ｎｏ．１６は陽極電解法によって酸化物皮膜を形成させた場合である。いずれの試験においても、酸化処理条件が本発明で規定する条件を満足しているので、酸化物皮膜の酸化物の種類と厚さおよび耐オゾン含有水性が良好であった。
【０１２０】
上記の本発明例に対して、比較例の試験Ｎｏ．２１を除く１７〜２７については、いずれも、酸化物皮膜中のＳｉとＡｌの割合が少なく、耐オゾン含有水性に劣っていた。その原因は、試験Ｎｏ．１７〜２１は母材のいずれかの化学成分が、本発明で規定する範囲を外れているためである。また、試験Ｎｏ．２２〜２７は、酸化物皮膜の形成条件が本発明で規定する条件を満足していないためである。試験Ｎｏ．２１は、母材のＳｉとＡｌを合わせた含有率が高すぎる例である。この場合には、母材の熱間加工性が悪く、熱間加工の際に割れが発生したため、その後の試験を行うことができなかった。
【０１２１】
【発明の効果】
本発明のステンレス鋼材および本発明の製造方法によって得られるステンレス鋼材は、耐オゾン含有水性に優れているとともに、鋼材からの微粒子の発生（初塵）が少ない。さらに、安いコストで製造することができる。したがって、本発明のステンレス鋼材は、オゾンを含む超純水等が使用される半導体製造、医薬品製造等の分野で使用される配管、装置用の部材として極めて好適である。
Claims (6)
- 下記の化学組成で構成される母材の表面に、Ａｌ酸化物およびＳｉ酸化物のうちの少なくとも一方を主体とする酸化物皮膜を備えるオゾン含有水用ステンレス鋼材。
重量％で、
Ｃｒ：１２〜３０％、
Ｎｉ：０〜３５％、
Ａｌ＋Ｓｉ：１〜６％、
Ｍｏ：０〜３％、
Ｂ＋Ｌａ＋Ｃｅ：０〜０．０１％、
Ｃｕ：０．１％以下、
Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｚｒ：０．１％以下、
Ｃ：０．０３％以下、
Ｍｎ：０．２％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｎ：０．０５％以下、
Ｏ：０．０１％以下、
残部：Ｆｅおよび不可避的不純物。 - 母材のＮｉ含有率が重量％で０〜５％である請求項１に記載のオゾン含有水用ステンレス鋼材。
- 母材のＣｒ、ＮｉおよびＳｉ含有率が、重量％で、Ｃｒ：１２〜２５％、Ｎｉ：１４〜３５％、Ｓｉ：０．２％以下であり、酸化物皮膜がＡｌ酸化物である請求項１に記載のオゾン含有水用ステンレス鋼材。
- 請求項１から３のいずれかに記載の化学組成で構成される母材を、酸素ガスおよび水蒸気を合わせたガスの分圧が１０−１１ ＭＰａ以上１０−５ＭＰａ以下の弱酸化性雰囲気下で、６００℃以上１２００℃以下に加熱することにより、母材の表面に、Ａｌ酸化物およびＳｉ酸化物のうちの少なくとも一方を主体とする酸化物皮膜を形成させるオゾン含有水用ステンレス鋼材の製造方法。
- 請求項１から３のいずれかに記載の化学組成で構成される母材を、重量％で濃度５％以上５０％以下の硝酸水溶液に浸漬することにより、母材の表面にＡｌ酸化物およびＳｉ酸化物のうちの少なくとも一方を主体とする酸化物皮膜を形成させるオゾン含有水用ステンレス鋼材の製造方法。
- 請求項１から３のいずれかに記載の化学組成で構成される母材を、ｐＨが１以下の溶液中で陽極電解することにより、母材の表面にＡｌ酸化物およびＳｉ酸化物のうちの少なくとも一方を主体とする酸化物皮膜を形成させるオゾン含有水用ステンレス鋼材の製造方法。
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