JPH07118808A - 溶接性及び耐食性に優れる高純度ガス用ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】溶接性及び耐食性に優れる高純度ガス用ステン
レス鋼を提供する。 【構成】Si： 0.5〜2.0 ％、Ni：10〜40％、Cr：15〜30
％、Mo：２〜７％を含有し、不純物中のＣが0.03％以
下、Mnが0.1 ％以下、Ｐが0.01％以下、Ｓが0.003 ％以
下、Al：0.05％以下及びＯ（酸素）が0.005 ％以下で、
かつ下式で与えられるNi−bal.値が０以上２未満である
溶接性及び耐食性に優れる高純度ガス用ステンレス鋼。 Ni-bal. ＝ Ni eq. − 1.1％Cr eq.＋8.2 ただし、 Ni eq. ＝％Ni＋％Cu＋ 0.5％Mn＋30（％Ｃ＋
％Ｎ） Cr eq. ＝％Cr＋ 1.5％Si＋％Mo＋％Ｗ 上記鋼は更に、Cu：３％以下、Ｗ：３％以下、Ｎ：0.3
％以下のうちの１種以上を含有することができる。 【効果】特にSi、Mnの含有量を適正にした、溶接性及び
耐食性に優れる高純度ガス用ステンレス鋼である。

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ステンレス鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体および液晶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、使用する反応ガスおよびキ
ャリアーガスは共に高純度であること、すなわちガス中
の微粒子および不純物ガスが少ないことが必要とされ
る。従って、この高純度ガス用配管および部材において
は、その内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】高純度ガス配管系の加工は通常、管同士あ
るいは管と継手、弁などの配管部品を溶接して行われる
ので、用いられるステンレス鋼には溶接性も必要であ
る。

【０００４】さらに、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。

【０００５】従来、このような半導体製造用ガス配管お
よび部材は、塵や水分などの付着、吸着を低減するた
め、その表面粗さがＲmax で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、電解研磨等が挙げられるが、Ｒmax
で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。

【０００６】このような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ＳＵＳ 316
Ｌが主に使用されている。

【０００７】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。

【０００８】

【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低減
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、ステンレス鋼を高純
度化すると、ガス配管系の施工面で要求される溶接性が
低下する。また、特に腐食性ガス配管で不可欠な母材お
よび溶接部の耐食性においては、既存のステンレス鋼で
は十分ではない。

【０００９】本発明の目的は、前記の電解研磨などによ
り内表面が平滑化されたステンレス鋼の表面において溶
接性および耐食性に優れるステンレス鋼を提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は次の高純
度ガス用ステンレス鋼にある。

【００１１】(1)重量％で、Si： 0.5〜2.0 ％、Ni：10
〜40％、Cr：15〜30％及びMo：２〜７％を含有し、残部
はFe及び不可避的不純物からなり、不純物中のＣが0.03
％以下、Mnが0.1 ％以下、Ｐが0.01％以下、Ｓが0.003
％以下、Al：0.05％以下及びＯが0.005 ％以下で、かつ
下式で与えられるNi−bal.値が０以上２未満であること
を特徴とする溶接性及び耐食性に優れる高純度ガス用ス
テンレス鋼。

【００１２】 Ni-bal. ＝ Ni eq. − 1.1％Cr eq.＋8.2 ただし、 Ni eq. ＝％Ni＋％Cu＋ 0.5％Mn＋30（％Ｃ＋
％Ｎ） Cr eq. ＝％Cr＋ 1.5％Si＋％Mo＋％Ｗ (2)上記(1) 記載の成分に加えて更に、重量％で、Cu：
３％以下、Ｗ：３％以下及びＮ：0.3 ％以下のうちの１
種以上を含有する溶接性及び耐食性に優れる高純度ガス
用ステンレス鋼。

【００１３】本発明者は、前記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電解研磨管の溶接
性および耐食性について検討した。その結果、特に母材
に比べて低下しやすい溶接部耐食性は、非金属介在物を
形成してパーティクル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、Mnも低減することによって
向上すること、また、溶接性はSiを適量添加することに
よって確保されることを見出した。これらの新知見につ
いては作用の項で詳述する。

【００１４】

【作用】本発明のステンレス鋼の化学組成を前記のよう
に定めた理由を述べる。

【００１５】Si：Siは溶接部の溶融幅や溶融深さに影響
を与え、溶接性を大きく左右する元素である。この理由
は次のように説明される。

【００１６】溶接性は一般に、Ｐ、Ｓ、Mnなどを始めと
する不純物元素を低減すると、既存のステンレス鋼に比
べて劣化する。これは、溶接時に溶融金属の対流を促進
させる作用を有すると考えられるこれらの不純物元素を
低減すると、溶接施工中の溶融金属が滞留し、溶接池に
おいて底部の温度上昇が妨げられることによる。具体的
には、同一径および肉厚の管を溶接する場合に、溶融幅
に比べて溶融深さが異常に小さくなり、このため溶接裏
波ビードが発生しがたくなって溶け込み不良となる。

【００１７】Siは、溶融したステンレス鋼の粘性を低下
させることにより、溶融部の対流を増大させ、深さ方向
の溶融を促進させて溶け込み性を改善する効果を有す
る。Si含有量が0.5 ％未満では、上記の効果が得られな
いため溶接性が劣化する。一方、2.0 ％を超えると熱間
加工性および靱性が低下する。よって、Si含有量の範囲
は 0.5〜2.0 ％とした。

【００１８】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。本発明鋼ではオーステナイト
ステンレス鋼の組織を維持し、耐食性を維持させるため
に、Ni含有量の範囲は10〜40％、Cr含有量の範囲は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。

【００１９】Mo：Moは、Ni、Crと同様に鋼の耐食性を向
上させるのに重要な元素である。本発明鋼では溶接部の
みならず母材部においても、腐食性ガスに対して十分な
耐食性を有することが必要であるが、Mo含有量が２％未
満ではその効果が得られない。一方、７％を超えると熱
間加工性が低下する。よって、Mo含有量の範囲は２〜７
％とした。

【００２０】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。

【００２１】Mn：Mnは溶接熱影響部の表面皮膜に濃化し
て耐食性を劣化させる元素である。この濃化は、溶接中
に溶融部および高温加熱部から蒸気圧の高いMnが優先的
に蒸発し、近傍の低温部で再び凝縮、付着するために起
こる。MnはCr、Ni、Feに比べて耐食性が劣るため、濃化
部が優先的に腐食する。この現象はMn含有量が 0.1％を
超えると顕著となる。よって、Mn含有量は0.1 ％以下と
した。

【００２２】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。

【００２３】Al：Alは非金属介在物を形成する元素であ
り、極力低減する必要がある。しかし、鋼を脱酸し、有
害不純物であるＯを低下させるために最低限必要であ
る。この許容上限が0.05％である。

【００２４】Ｏ（酸素）：Ｏ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、0.005 ％以下とした。

【００２５】本発明のステンレス鋼では、さらに次の元
素群から選んで１種以上を含有させることができる。

【００２６】Cu、Ｗ、Ｎ：本発明鋼では電解研磨皮膜組
成の改善による耐食性向上を目的の一つとしているが、
もちろん鋼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、耐食性向上効果を有する元素を熱間加
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。Cu、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、Ｗ：３％以下、Ｎ：
0.3 ％以下のうちから１種または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。

【００２７】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、２以上では熱間加工性が
低下し、実験室での小規模な鋼塊の製造の際には支障は
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２未満
と定めた。

【００２８】

【実施例】表１に示す化学組成の外径 6.4mm、肉厚１m
m、長さ４m のシームレスステンレス鋼管の内面を、電
解研磨によってＲmax が 0.7μm となるように平滑化し
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。これらの鋼管を同一鋼種毎に、表
２に示す条件で突き合わせ溶接した。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】溶接性の評価は、溶接部を切り出し、管内
面の裏波ビードの状況を観察する方法で行った。耐食性
評価のための腐食試験は、塩化第二鉄水溶液を含浸させ
た幅５mm、長さ20mmの濾紙を管内面に密着させ、25℃で
６時間放置し、腐食状況を観察する方法によった。さら
に、塩化第二鉄濃度を種々変えて、腐食を発生する限界
濃度も調査した。管内面皮膜のCr含有率は、２次イオン
質量分析器により母材および溶融境界から４mm離れた熱
影響部での深さ方向の元素分析を行い、Mn含有率の最高
値を測定した。これらの結果を表３および図１に示す。

【００３２】

【表３】

【００３３】図１は、腐食発生塩化第二鉄濃度に及ぼす
母材のMn含有率の影響を示す図である。表３と図１から
わかるように、本発明で定める化学組成を有するステン
レス鋼では、溶接性および耐食性において良好な性能を
示している。

【００３４】

【発明の効果】本発明鋼は、溶接性および耐食性に優れ
た高純度ガス用ステンレス鋼である。

【００３５】これらの特性は、特にSi、Mnの含有量を適
正にすることでもたらされたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】腐食発生塩化第二鉄濃度に及ぼす母材のMn含有
率の影響を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Si： 0.5〜2.0 ％、Ni：10〜40
   ％、Cr：15〜30％及びMo：２〜７％を含有し、残部はFe
   及び不可避的不純物からなり、不純物中のＣが0.03％以
   下、Mnが0.1 ％以下、Ｐが0.01％以下、Ｓが0.003 ％以
   下、Al：0.05％以下及びＯが0.005 ％以下で、かつ下式
   で与えられるNi−bal.値が０以上２未満であることを特
   徴とする溶接性及び耐食性に優れる高純度ガス用ステン
   レス鋼。 Ni-bal. ＝ Ni eq. − 1.1％Cr eq.＋8.2 ただし、 Ni eq. ＝％Ni＋％Cu＋ 0.5％Mn＋30（％Ｃ＋
   ％Ｎ） Cr eq. ＝％Cr＋ 1.5％Si＋％Mo＋％Ｗ
2. 【請求項２】重量％で、Si： 0.5〜2.0 ％、Ni：10〜40
   ％、Cr：15〜30％及びMo：２〜７％、さらにCu：３％以
   下、Ｗ：３％以下及びＮ：0.3 ％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
   物中のＣが0.03％以下、Mnが0.1 ％以下、Ｐが0.01％以
   下、Ｓが0.003 ％以下、Al：0.05％以下及びＯが0.005
   ％以下で、かつ下式で与えられるNi−bal.値が０以上２
   未満であることを特徴とする溶接性及び耐食性に優れる
   高純度ガス用ステンレス鋼。 Ni-bal. ＝ Ni eq. − 1.1％Cr eq.＋8.2 ただし、 Ni eq. ＝％Ni＋％Cu＋ 0.5％Mn＋30（％Ｃ＋
   ％Ｎ） Cr eq. ＝％Cr＋ 1.5％Si＋％Mo＋％Ｗ