JPH0633192A - 高純度ガス用高耐食ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】腐食性ガスに対しても優れた耐食性を有する高
純度ガス用ステンレス鋼を提供する。 【構成】重量％で、Ni：10〜40％、Cr：15〜30％および
Al：0.01〜0.5 ％以下を含有し、残部はFe及び不可避的
不純物からなり、不純物のＣが0.03％以下、Siが 0.1％
以下、Mnが 0.2％以下、Ｐが0.01％以下、Ｓが 0.003％
以下およびＯが0.01％以下で、かつ下式で与えられるNi
−bal.値が０以上、３未満であることを特徴とする高純
度ガス用高耐食ステンレス鋼。 Ni-bal.＝ Nieq.− 1.1％Creq. ＋8.2 ただし、 Nieq.＝％Ni＋％Cu＋ 0.5％Mn＋30（％Ｃ＋％
Ｎ） Creq.＝％Cr＋ 1.5％Si＋％Mo＋％Ｗ 上記の鋼は、さらに、Cu：３％以下、Mo：９％以下、
Ｗ：６％以下およびＮ：0.4％以下のうちの１種以上を
含有することができる。 【効果】母材部および溶接部ともに耐食性に優れた高純
度ガス用ステンレス鋼を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造プロセスな
どで使用される高純度ガス用高耐食ステンレス鋼に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造分野においては、近年高集積
化が進み、超ＬＳＩと称されるディバイスの製造では、
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、微少な塵や微量
不純物ガスが配線パターンに付着、吸着され回路不良の
原因となるため、使用する反応ガス及びキャリアーガス
は共に高純度であること、すなわちガス中の微粒子及び
不純物ガスの少ないことが必要とされる。従って、その
高純度ガス用配管及び部材においては、その表面から放
出される汚染物としての微粒子（パーティクル）および
ガス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、これらの腐食性
ガスに接する部材には当然、高い耐食性も必要となる。

【０００４】従来、このような半導体製造用ガス配管及
び部材は、塵や水分などの付着および吸着を低減するた
め、その表面粗さ（Ｒmax ）が１μｍ以下となるまで平
滑化されている。このような表面平滑化の方法として、
冷間抽伸、機械研磨、電解研磨等があげられるが、Ｒma
x が１μｍ以下の高平滑材は主として電解研磨仕上げに
よって製造されている。表面が平滑化された配管等には
その後、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。

【０００５】半導体製造用ガス配管および部材の材質と
しては、通常オーステナイト系ステンレス鋼、中でもSU
S 316Lが主に使用されている。

【０００６】特開昭63-161145 号公報には、クリーンル
ーム用鋼管として、Mn、Si、Al、Ｏ（酸素）などの含有
量を規制することにより非金属介在物を低減し、前述の
ような管内面からのパーティクル発生を低減しようとす
る規格鋼以外の高清浄度オーステナイトステンレス鋼が
開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】高純度ガス配管用ステ
ンレス鋼管の性能として不可欠なパーティクル発生を低
減することに対しては、管内面の平滑化、さらに特開昭
63−161145号公報に示されるような非金属介在物の低減
によりその効果が期待できる。しかしながら、高純度ガ
ス配管、特に腐食性ガスの配管で必要とされる母材およ
び溶接部の耐食性においては、既存のステンレス鋼は十
分な性能を有していない。

【０００８】本発明の目的は、電解研磨により表面を平
滑化されたステンレス鋼において、腐食性ガスに対して
も優れた耐食性を有する高純度ガス用ステンレス鋼を提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、この課題
を解決するため、種々の化学組成を有するステンレス鋼
とその溶接部について、電解研磨面の耐食性と表面皮膜
組成との関係を検討した。その結果、非金属介在物を形
成してパーティクルの発生源および腐食の起点となる
Ｓ、Ｏは当然のことながら、Si、Mnの含有量も低減し、
一方、Alを適量添加することによって、電解研磨処理時
に形成される表面皮膜により、耐食性が向上すること、
およびMn含有量の低減が特に溶接熱影響部の耐食性を向
上させることを見出した。これは、電解研磨により生成
するCrを主体とする酸化物皮膜において、母材のSi、Mn
を低減することによって皮膜中の不純物であるSi、Mnが
低下し、Cr含有率が上昇するためである。電解研磨した
鋼管の溶接熱影響部でも、Mn含有量を低減することによ
って電解研磨によるCr含有率の高い表面皮膜が維持さ
れ、耐食性の劣化が起こらないのである。このとき、脱
酸元素であるSi、Mnの低減による脱酸不足は、適正量の
Alを含有させることによって補うことができ、さらにこ
のAl含有量の範囲であれば、耐食性に対しても悪影響を
及ぼさないことも明らかになった。

【００１０】本発明の要旨は次の高純度ガス用高耐食ス
テンレス鋼にある。

【００１１】(1) 重量％で、Ni：10〜40％、Cr：15〜30
％およびAl：0.01〜 0.5％以下を含有し、残部はFe及び
不可避的不純物からなり、不純物のＣが0.03％以下、Si
が 0.1％以下、Mnが 0.2％以下、Ｐが0.01％以下、Ｓが
0.003％以下およびＯが0.01％以下で、かつ下式で与え
られるNi−bal.値が０以上、３未満であることを特徴と
する高純度ガス用高耐食ステンレス鋼。

【００１２】Ni-bal.＝ Nieq.− 1.1％Creq. ＋8.2 ただし、 Nieq.＝％Ni＋％Cu＋ 0.5％Mn＋30（％Ｃ＋％
Ｎ） Creq.＝％Cr＋ 1.5％Si＋％Mo＋％Ｗ (2) 重量％で、Ni：10〜40％、Cr：15〜30％およびAl：
0.01〜 0.5％以下、さらにCu：３％以下、Mo：９％以
下、Ｗ：６％以下およびＮ： 0.4％以下のうちの１種以
上を含有し、残部はFe及び不可避的不純物からなり、不
純物のＣが0.03％以下、Siが 0.1％以下、Mnが 0.2％以
下、Ｐが0.01％以下、Ｓが 0.003％以下およびＯが0.01
％以下で、かつ下式で与えられるNi−bal.値が０以上、
３未満であることを特徴とする高純度ガス用高耐食ステ
ンレス鋼。

【００１３】Ni-bal.＝ Nieq.− 1.1％Creq. ＋8.2 ただし、 Nieq.＝％Ni＋％Cu＋ 0.5％Mn＋30（％Ｃ＋％
Ｎ） Creq.＝％Cr＋ 1.5％Si＋％Mo＋％Ｗ

【００１４】

【作用】本発明のステンレス鋼の化学組成を上述のよう
に定めた理由を述べる。

【００１５】Ni、Cr：Ni、Crは、鋼の耐食性および組織
調整に重要な元素である。本発明ではオーステナイトス
テンレス鋼の組織を維持し、さらに高い耐食性を維持さ
せるために、Niは10〜40％、Crは15〜30％とした。これ
らの範囲を外れると、望ましい耐食性や金属組織が得ら
れない。

【００１６】Al：Alが過剰に存在すると、酸化物系非金
属介在物の形成を促進させ、鋼の清浄度が低下し、前述
のように本発明鋼の用途に適しなくなる。しかし、本発
明では脱酸作用を有する他のSi、Mnの含有量を低く規制
しているから、所望の脱酸を行い鋼中のＯ（酸素）を低
減させるためには、Alを適量で添加することが不可避で
ある。Al含有量が0.01％未満では脱酸不足となりやす
く、逆に 0.5％を超えると酸化物系非金属介在物を形成
しやすくなる。

【００１７】Ｃ：ＣはCr炭化物を析出させ、耐食性を低
下させるため低いことが望ましい。本発明鋼の強い腐食
性ガスに対する用途も考慮して0.03％以下とした。

【００１８】Si、Mn：Si、Mnの含有量を低くすることが
本発明の特徴の一つである。Si、Mnは、ともにその含有
量が過剰になると、電解研磨皮膜中に不純物として濃縮
し、皮膜中のCr含有率を低下させ、本来のCr酸化物皮膜
の耐食性を劣化させる。また、Mnは特に溶接熱影響部の
表面皮膜に濃化し、同時に皮膜中Cr含有率を低下させ、
耐食性を劣化させる。この劣化を許容しうる限界がSiで
0.1％、Mnで 0.2％である。これらの濃度を超えると優
れた耐食性が得られない。よって、Siの含有量を 0.1％
以下、Mnの含有量を 0.2％以下とした。

【００１９】Ｐ、Ｓ：Ｐの含有量が0.01％を、Ｓの含有
量が 0.003％を、それぞれ超えると、ともに耐食性およ
び熱間加工性に対して有害である。特にＳは極微量でも
MnＳを生成し、耐食性に極めて有害である。よって、Ｐ
は0.01％以下、Ｓは 0.003％以下とした。

【００２０】Ｏ：Ｏ（酸素）はＳと並んで非金属介在物
を形成する元素であり、極力少なくする必要がある。耐
食性および鋼の清浄度に悪影響を及ぼさない範囲として
0.01％以下とした。

【００２１】Cu、Mo、Ｗ、Ｎ：本発明では、電解研磨皮
膜組成の改善による耐食性向上を主眼としているが、も
ちろん合金自体の耐食性を向上させることも可能であ
る。このために、耐食性向上元素を熱間加工性、溶接性
など他の性能を劣化させない範囲で添加してもよい。C
u、Mo、Ｗ、Ｎは、いずれも耐食性向上に効果を有する
元素であり、Cu：３％以下、Mo：９％以下、Ｗ：６％以
下、Ｎ： 0.4％以下のうちから１種あるいは２種以上を
選んで含有させる。これらの含有量を超えると、耐食性
向上の効果は飽和してしまう。

【００２２】Ni−bal.値：Ni−bal.値が０未満になる
と、本発明のステンレス鋼ではフェライト相を含む不安
定なオーステナイト組織しか得られないため、機械的性
質、耐食性が劣化する。一方、３以上では、熱間加工性
が低下し、実験室での小規模な鋼塊等の製造では支障は
ないものの、商用レベルの大量製造では、鋼塊の鍛造、
圧延時に、割れが起こりやすい。よって、本発明鋼の合
金元素含有量から計算されるNi−bal.値を、０以上、３
未満と定めた。

【００２３】なお、本発明鋼には、熱間加工性を改善す
るために、Ca、Mg、Ｂ、希土類元素を添加してもよい。

【００２４】

【実施例】表１に示す６種類の化学組成を有する外径
6.4mm、肉厚１mm、長さ４ｍのSUS316Lステンレス鋼のシ
ームレス管の内面を、電解研磨によってＲmax が 0.7μ
ｍとなるようにに平滑化した後、高純度水によって洗浄
し、 120℃で99.999％Arガスを通して乾燥した。これら
の鋼管のうち１ｍを同一鋼種毎に表２に示す条件で突き
合わせ溶接し、サンプルを作製した。

【００２５】管内表面皮膜のCr含有率は、２次イオン質
量分析器により、母材および溶接部の溶融境界から４mm
離れた熱影響部断面の内面での深さ方向の元素分析を行
う方法で測定し、金属元素中Cr含有率（原子％）の最高
値を比較することとした。

【００２６】腐食試験は、上記の溶接をした残りの鋼管
から溶接部を中心とする長さ40mmのサンプルを切りだ
し、これらを塩化第２鉄水溶液を含浸させた幅５mm、長
さ20mmの濾紙を管内面の溶接部を中心とする箇所に密着
させ、25℃で６時間放置する方法で実施し、孔食発生状
況を目視で観察した。このとき、表３に示すように、腐
食液中の塩化第２鉄濃度を種々変えて、孔食が発生する
限界の濃度により耐食性を評価した。これらの試験結果
をまとめて表３に示す。

【００２７】表３からわかるように、本発明の範囲内の
化学組成を有するステンレス鋼では、電解研磨皮膜中の
Cr含有率が高く、したがって母材および溶接部ともに孔
食が発生する限界の塩化第２鉄濃度も高く、良好な耐食
性を示している。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、母材部および溶接部と
もに耐食性に優れた高純度ガス用ステンレス鋼を得るこ
とができる。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年３月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項２

【補正方法】変更

【補正内容】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ni：10〜40％、Cr：15〜30％お
   よびAl：0.01〜 0.5％以下を含有し、残部はFe及び不可
   避的不純物からなり、不純物のＣが0.03％以下、Siが
   0.1％以下、Mnが 0.2％以下、Ｐが0.01％以下、Ｓが 0.
   003％以下およびＯが0.01％以下で、かつ下式で与えら
   れるNi−bal.値が０以上、３未満であることを特徴とす
   る高純度ガス用高耐食ステンレス鋼。 Ni-bal.＝ Nieq.− 1.1％Creq. ＋8.2 ただし、 Nieq.＝％Ni＋％Cu＋ 0.5％Mn＋30（％Ｃ＋％
   Ｎ） Creq.＝％Cr＋ 1.5％Si＋％Mo＋％Ｗ
2. 【請求項２】重量％で、Ni：10〜40％、Cr：15〜30％お
   よびAl：0.02〜 0.5％以下、さらにCu：３％以下、Mo：
   ９％以下、Ｗ：６％以下およびＮ： 0.4％以下のうちの
   １種以上を含有し、残部はFe及び不可避的不純物からな
   り、不純物のＣが0.03％以下、Siが 0.1％以下、Mnが
   0.2％以下、Ｐが0.01％以下、Ｓが 0.003％以下および
   Ｏが0.01％以下で、かつ下式で与えられるNi−bal.値が
   ０以上、３未満であることを特徴とする高純度ガス用高
   耐食ステンレス鋼。 Ni-bal.＝ Nieq.− 1.1％Creq. ＋8.2 ただし、 Nieq.＝％Ni＋％Cu＋ 0.5％Mn＋30（％Ｃ＋％
   Ｎ） Creq.＝％Cr＋ 1.5％Si＋％Mo＋％Ｗ