JPH08337867A - ステンレス鋼部材の表面処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ステンレス鋼部材の表面を乾式により不動態
化する際に、オゾンガスを用いる表面処理方法におい
て、酸化処理炉３の昇温過程で使用するガスとして、水
分の露点が−１０℃以下の不活性ガスを使用するととも
に、酸化処理炉３より排出される未反応オゾンを含む排
気ガスをオゾン発生装置２に、原料ガスとして循環使用
させる方法である。 【効果】 排気ガスを、原料ガスとして、オゾン発生装
置に循環させるようにしているので、オゾンガスを１回
限りで消費していた場合に比べて、酸素消費量を大幅に
低減させることができ、また排気ガスの量も大幅に減る
ため、排気ガス処理装置の小型化を図ることができると
ともに、排気ガスの処理コストの低減を図ることもでき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子機器薄膜製造装置・
表面分析装置などの超高真空応用機器、バイオ・医薬品
原料製造装置、超純水製造装置・化学プラントの本体・
配管ラインの構成部材として用いられるクリーンステン
レス鋼部材の表面処理方法に関し、詳細には高品質製
品、高精度測定、無菌工程、廃棄物無公害化作業を達成
する上で必要なガス放出性、イオン溶出性、平滑性およ
び清浄性に優れたステンレス鋼部材の表面処理方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ステンレス鋼の表面不動態化処理法とし
ては、硝沸酸などの酸化性酸を用いた湿式法と空気また
は酸素を使用した乾式法がある。湿式法は処理費用が安
いが、水溶液を使用するため、腐食して表面が凹凸状態
になるとともに、不動態表面に水分が残り超クリーンな
用途には適していない。

【０００３】空気または酸素を用いた乾式法は、反応性
が悪いため、高温で長時間の処理を必要とし、耐食性に
も問題がある。そこで、反応性に富んだオゾンガスを使
用する方法がある。この方法は、低温でしかも短時間で
クリーンな不動態表面が得られるが、オゾンの発生、消
費、後処理の点で問題がある。

【０００４】例えば、従来のオゾンガスを使用した乾式
法においては、原料ガスである酸素ガスが調整加工さ
れ、すなわち酸素ガスボンベから酸素ガスをオゾン発生
装置に導き、オゾンガスを発生させるとともに、その流
量、圧力、濃度などが調整され、そしてこの調整された
オゾンガスが酸化処理炉に送られ、オーバーフローされ
てワンスルーで消費使用されている。

【０００５】このように、オゾンガスをオーバーフロー
させながら使用するのは、ガス温度、ガス濃度などを一
定に保持し易く、製品に均質な酸化処理が期待できるか
らである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、オゾ
ンガスによる酸化処理方法を用いる場合、その処理に用
いられるオゾンガスの原料となる酸素が、純酸素である
か、または空気中の酸素でかつ水分の低いものが望まし
い。このような酸素はボンベ酸素として入手できるが安
価ではなく、またオゾンを発生させる際には、酸素に電
気放電を与える必要があり、しかもこれに伴って電気お
よび電極用冷却水が必要となり、コストが高くなってし
まう。金属の酸化処理には高濃度オゾンが必要であるが
全量消費されるわけではなく、かなりの未反応オゾンが
排出される。また、オゾンの毒性のため排気ガス処理装
置が必要であるが、処理装置の経費は流量に依存するた
め、できるだけ小型が望ましい。

【０００７】そこで、排気ガス量を少なくするために、
必要なガス流量を絞ると、図３に示すように、オゾンガ
スが急激に消費されて濃度むら（ガス流量が小の場合）
が発生し、また図４に示すごとくワークの均一加熱状態
が維持しがたく、製品の酸化むら（ガス流量が小の場
合）につながりやすい。次に、排気ガスを循環使用（リ
サイクル）する方法が考えられるが、酸化処理の開始時
には処理装置や金属表面に付着していた水分が蒸気化
し、そのまま原料ガスとして再利用するのが難しい。例
えば、オゾンガスに水分が混じると、製品や装置の金属
部分に結露が生じて腐食したり、またオゾン発生装置の
電極に悪影響を及ぼす。さらに、オゾンは水に比較的良
く溶けて分解することから、酸化に必要なオゾンガス濃
度が低下するという欠点もある。

【０００８】そこで、本発明は上記問題を解消し得るス
テンレス鋼部材の表面処理方法を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の第１の手段は、ステンレス鋼部材の表面を
乾式により不動態化する際に、オゾンガスを用いる表面
処理方法において、オゾン酸化処理装置の昇温過程で使
用するガスとして、水分の露点が−１０℃以下の酸化性
または不活性ガスを使用するとともに、上記オゾン酸化
処理装置より排出される未反応オゾンを含む排気ガスを
オゾン発生装置用の原料ガスとして循環させるステンレ
ス鋼部材の表面処理方法である。

【００１０】また、本発明の第２の手段は、上記第１の
ステンレス鋼部材の表面処理方法において、ステンレス
鋼部材が所定の温度に到達してから、排気ガスにおける
水分の露点が−１０℃以下を確認した後、オゾンを含む
酸化性処理ガスをオゾン酸化処理装置に供給する方法で
ある。

【００１１】さらに、本発明の第３の手段は、上記第１
のステンレス鋼部材の表面処理方法において、酸化処理
後におけるステンレス鋼部材の冷却過程において、オゾ
ンガスのパージガスとして、水分の露点が−１０℃以下
の酸化性または不活性ガスを使用する方法である。

【００１２】

【作用】上記の表面処理方法によると、オゾン酸化処理
装置より排出される未反応ガスを含む排気ガスを、原料
ガスとして、オゾン発生装置に循環させるようにしてい
るので、酸素消費量を大幅に低減させることができ、ま
た排気ガスの量も大幅に減らすことができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例におけるステンレス
鋼部材の表面処理方法を、図１に基づき説明する。

【００１４】まず、本実施例の表面処理方法に使用され
る表面処理設備について説明する。すなわち、図１に示
すように、この表面処理設備は、酸素ガスボンベ１が接
続されたオゾン発生装置２と、このオゾン発生装置２で
発生されたオゾンガスを導入するとともに加熱させてス
テンレス鋼部材であるワークＷの表面処理を行う酸化処
理炉（オゾン酸化処理装置）３と、この酸化処理炉３か
ら搬出される排気ガスの冷却部４と、この冷却部４で冷
却された排気ガスに所定の処理を施す排気ガス処理装置
５と、上記オゾン発生装置２から酸化処理炉３にオゾン
ガスを導くオゾンガス供給配管６内に、不活性ガス（Ｎ
₂ ガス，Ａｒガスなど）をパージガスとして導入するパ
ージガス供給配管７と、上記冷却部４からの排気ガスを
排気ガス処理装置５に導く排気ガス移送配管８途中の排
気ガスをオゾン発生装置２に循環させる循環用配管（リ
サイクル用配管ともいう）９と、上記オゾンガス供給配
管６の途中に接続されたオゾン濃度計１０および水分計
１１と、冷却部４からの排気ガスを排気ガス処理装置５
に導く排気ガス移送配管８の循環用配管９の接続箇所よ
り上流側に接続されたオゾン濃度計１２および水分計１
３とから構成されている。

【００１５】また、酸素ガスボンベ１からオゾン発生装
置２に酸素ガスを供給する酸素ガス供給配管１４および
不活性ガスボンベ１５内の不活性ガスを供給するパージ
ガス供給配管７の途中には、それぞれ流量計１６，１７
が設けられており、さらに排気ガス移送配管８の排気ガ
ス処理装置５の手前位置および循環用配管９の途中に
は、水分計１３からの検出信号により、開閉される第１
および第２開閉弁１８，１９がそれぞれ介装されてい
る。なお、排気ガス移送配管８および循環用配管９の途
中には、それぞれ気体移送用のポンプ２０，２１が介装
されている。

【００１６】次に、ステンレス鋼部材であるワークＷの
表面処理の方法について説明する。まず、ステンレス鋼
部材であるワークＷを、酸化処理炉３内に入れた後、パ
ージガス供給配管７より不活性ガスを供給し、その内部
をオーバーフローさせて不活性ガスで置換させる。この
時、不活性ガスの水分の露点温度が−１０℃以下のもの
が使用される。

【００１７】このような不活性ガスを使用するのは、酸
化処理炉３の内面とワークＷの外面に付着している水分
を除去するためである。なお、不活性ガスの水分の露点
温度が−１０℃より高くなると、酸化処理炉３内部とワ
ークＷの湿分除去すなわち乾燥が遅れ、部分的に結露し
たり、後述するオゾンガス中に水分が混入し、ワークＷ
に健全な不働態化皮膜が得られず、また後述する排気ガ
スの再使用に支障が生じるからである。

【００１８】次に、酸化処理炉３内を加熱して、炉内温
度を所定温度に到達させる。炉内温度が所定温度に達す
ると、排気ガスの水分の露点温度が−１０℃以下である
ことを、水分計１３により確認する。

【００１９】この確認作業は、炉内に導入されるオゾン
ガスによる露点腐食を避けるとともに、排気ガス中に有
害な水分が混じらないようにするためである。そして、
この後、オゾン発生装置２に酸素ガスを供給してオゾン
ガスを発生させるとともに、このオゾンガスを酸化処理
炉３内に導入して、ワークＷの表面を酸化させて、不働
態皮膜を形成させる。

【００２０】なお、オゾン発生装置２の容量は、酸化処
理炉３の内容積、ワークＷの大きさに依存するが、オゾ
ンガス濃度が十分確保できるような大きさにされてい
る。また、オゾンガスの濃度は、ステンレス鋼の酸化処
理には、数千ｐｐｍ以上であることが望ましく、さらに
オゾンガスの発生量については、ワークＷの表面積に依
存するが、オゾンガスの消費特性（自己分解）からも、
十分であるような流量を確保するのが望ましい。

【００２１】そして、このオゾンガスの導入時に、オゾ
ンガスが連続して酸化処理炉３内に導入されており、ま
た酸化処理炉３から排出される排気ガスが、ポンプ２１
により、循環用配管９からオゾン発生装置２に循環され
て、未反応オゾンガスの再利用が行われている。

【００２２】このように、排気ガスを循環用配管９によ
りオゾン発生装置２に循環させているので、酸化処理炉
３より排出される希薄な酸素を含む排気ガスを再利用す
ることができ、非常に経済的である。すなわち、酸素消
費量を減少（例えば５０％程度に）させ得るとともに、
後続の排気ガス処理装置５への負担をかなり軽減するこ
とができる。なお、再利用する排気ガスは、その露点温
度が−１０℃以下のものとされ、露点温度が−１０℃よ
り高いものについては、酸化用オゾンガスの原料ガスに
は適さないため、水分計１３により、各開閉弁１８，１
９が作動されてそのまま排気ガス処理装置５に送られ
る。

【００２３】酸化処理炉３から排出される排気ガスの温
度が高い場合（例えば、２００〜２５０℃）、次の処理
工程において問題が生じない温度まで、冷却部４で冷却
が行われる。ガス流量が少ない場合には、自然に冷却が
行われるので、冷却部４は使用しない。

【００２４】そして、ワークＷの酸化処理が済むと、パ
ージガス供給配管７から不活性ガスが酸化処理炉３内に
導入されて置換が行われ、ワークＷの冷却が行われる。
また、上記酸化処理炉３の容量は、その内容積、ワーク
Ｗの大きさに依存し、ワークＷの加熱温度で２００〜２
５０℃を確保できることが必要である。なお、オゾン酸
化処理は、ワークＷの表面温度と表面のオゾン濃度に依
存するので、炉の内部構造は、これらが均一になるよう
に設計する必要がある。また、オゾン濃度が均一となる
ように、内部にガスの攪拌装置を組み込むようにしても
よい。加熱方式は、制御の容易な電気が良いが、ガスな
どを用いることもできる。なお、ワーク外面を酸化させ
る場合には、雰囲気制御に環状の酸化処理炉を用いる必
要があるが、チャンバー、パイプ内面などのワークの内
面だけを酸化させる場合には、酸化処理炉を省略するこ
とができる。

【００２５】また、排気ガス処理装置５には、オゾン用
に市販されている活性炭を主体にした触媒を利用するこ
とができる。５００℃以上で処理する加熱分解法もある
が、適宜、選択することができる。この排気ガス処理装
置５の容量は、排気ガス量によるところが大きく、十分
な能力（環境基準＜0.1ppm）が必要である。また、排気
ガス処理装置５には、負圧で操業できるように、吸引と
加圧排出ポンプが設けられる。

【００２６】また、オゾン濃度計１０，１２は、使用す
る濃度に十分対応できる範囲に調整されたものでよく、
市販の光吸収式オゾン濃度計を利用することができる。
なお、濃度計測の終わったサンプリングガスは排気ガス
処理装置５に送られる。

【００２７】また、水分計（水分露点計）１１，１３
は、オゾン濃度計１０，１２と同様の場所に設け、炉内
の湿分管理に使用されるとともに、排気ガスの循環使用
にも使用される。すなわち、置換・昇温時の排気ガスの
露点が−１０℃より高い場合は炉内の乾燥が十分でな
く、オゾンガスへの切り替えを遅らせる。乾燥中の排気
ガスは大気中へ放出することができ、また酸化処理中の
排気ガスは排気ガス処理装置５に送られる。

【００２８】なお、排気ガス移送配管８途中に設けられ
たガス圧力計２２は酸化処理炉３内の状態を監視するも
ので、炉内を大気圧ないし弱い負圧状態に維持すること
により、オゾンガスのリークが防止される。また、過剰
の排気ガスは圧力逃がし弁２３を介して排気ガス処理装
置５に送られる。

【００２９】さらに、循環用配管９は、酸化処理炉３よ
り排出される希薄なオゾンを含む排気ガスを再利用する
ためにあり、露点温度−１０℃以下の排気ガスをポンプ
アップしオゾン発生装置２に送り、原料ガスとする。こ
うすることにより、酸素消費量が減少し、廃ガス処理装
置５での負担を軽減することができる。一方、露点温度
が−１０℃より高い場合には、オゾンの原料ガスとして
適さないため、廃ガス処理装置５に送られる。

【００３０】なお、酸化処理後のワークＷの冷却は、乾
燥した不活性ガスをオーバーフローで置換することによ
り行われ、また排気ガスは排ガス処理装置５に送られ
る。ところで、上記実施例において、酸化処理炉内の昇
温時およびワークＷの冷却工程時に、露点温度が−１０
℃以下の不活性ガスを使用したが、露点温度が−１０℃
以下の酸化性ガス例えば圧縮空気を使用してもよい。

【００３１】ところで、上記実施例においては、オゾン
発生装置を１台しか設けなかったが、例えば図２に示す
ように、排気ガスの循環用配管９途中に、排気ガスから
オゾンガスを得るための専用のオゾン発生装置３１を設
けるようにしてもよい。このように、酸素ガスからオゾ
ンガスを得るオゾン発生装置２とは、別のオゾン発生装
置３１を設けることで、ガス制御を容易に行い得るとと
もに、オゾン発生装置の運転を最適化できるため、コス
トダウンを図ることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明のステンレス鋼部材
の表面処理方法によると、オゾン酸化処理装置より排出
される未反応ガスを含む排気ガスを、原料ガスとして、
オゾン発生装置に循環させるようにしているので、従来
のように、オゾンガスを１回限りで消費していた場合に
比べて、酸素消費量を大幅に低減させることができ、ま
た排気ガスの量も大幅に減るため、排気ガス処理装置の
小型化を図ることができるとともに、排気ガスの処理コ
ストの低減を図ることもでき、さらに循環する排気ガス
中にオゾンが含まれるため、オゾン発生装置の電力コス
トの低減化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における表面処理設備の概略
構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の他の実施例における表面処理設備の要
部構成を示すブロック図である。

【図３】酸化処理炉内におけるオゾン濃度を示すグラフ
図である。

【図４】酸化処理炉内のワークにおける温度状態を示す
グラフ図である。

【符号の説明】

１ 酸素ガスボンベ ２ オゾン発生装置 ３ 酸化処理炉 ５ 排気ガス処理装置 ８ 排気ガス移送配管 ９ 循環用配管 １４ 不活性ガス移送配管

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【手続補正書】

【提出日】平成７年８月２５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２２】このように、排気ガスを循環用配管９によ
りオゾン発生装置２に循環させているので、酸化処理炉
３より排出されるオゾンを含む排気ガスを再利用するこ
とができ、非常に経済的である。すなわち、酸素消費量
を減少（例えば５０％程度に）させ得るとともに、後続
の排気ガス処理装置５への負担をかなり軽減することが
できる。なお、再利用する排気ガスは、その露点温度が
−１０℃以下のものとされ、露点温度が−１０℃より高
いものについては、酸化用オゾンガスの原料ガスには適
さないため、水分計１３により、各開閉弁１８，１９が
作動されてそのまま排気ガス処理装置５に送られる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステンレス鋼部材の表面を乾式により不動
   態化する際に、オゾンガスを用いる表面処理方法におい
   て、オゾン酸化処理装置の昇温過程で使用するガスとし
   て、水分の露点が−１０℃以下の酸化性または不活性ガ
   スを使用するとともに、上記オゾン酸化処理装置より排
   出される未反応オゾンを含む排気ガスをオゾン発生装置
   用の原料ガスとして循環させることを特徴とするステン
   レス鋼部材の表面処理方法。
2. 【請求項２】ステンレス鋼部材が所定の温度に到達して
   から、排気ガスにおける水分の露点が−１０℃以下を確
   認した後、オゾンを含む酸化性処理ガスをオゾン酸化処
   理装置に供給することを特徴とする請求項１記載のステ
   ンレス鋼部材の表面処理方法。
3. 【請求項３】酸化処理後におけるステンレス鋼部材の冷
   却過程において、オゾンガスのパージガスとして、水分
   の露点が−１０℃以下の酸化性または不活性ガスを使用
   することを特徴とする請求項１記載のステンレス鋼部材
   の表面処理方法。