JP4744014B2

JP4744014B2 - 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

Info

Publication number: JP4744014B2
Application number: JP2001195457A
Authority: JP
Inventors: 慎一寺岡; 雅之天藤
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Stainless Steel Corp
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: JP2003013181A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は真空チャンバー、配管など真空機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．１００−１０３）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％、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／（Ｆｅ＋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％、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（Ｍｎ：５．５〜７．５％、Ｎｉ：３．５〜５．５％、Ｃｒ：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、Ｎｂ，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、Ｆｅ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４５０℃×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２および図３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＋Ｃｒ＋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４，図５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％Ｍｎ−６．７％Ｎｉ−１８％Ｃｒ−０．３％Ｎ鋼を４５０℃で２４時間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、本発明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】表面被膜組成がガス放出量に及ぼす影響を示す図である。
【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

質量％で、
Ｃ：０．０２〜０．１２％、
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。
質量％で、
Ｃ：０．０２〜０．１２％、
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＋Ｍｎ）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機器用オーステナイト系ステンレス鋼。
質量％で、
Ｃ：０．０２〜０．１２％、
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機器用オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。