JPH04128313A - 真空機器および真空機器用鋼材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の目的） 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体製造、理化学機器、粒子加速器、医
療機器等に用いられる真空装置用の容器、配管、バルブ
、フランジ等の真空機器、真空装置内部に挿入、装着さ
れる部品、および真空機器用鋼材で、表面に窒化ボロン
を有するものの製造方法に関するものである。また、真
空用に限らず、高純度ガス用の容器、配管、バルブ等の
表面に窒化ボロンを有するものの製造にも利用できる。

〔従来の技術〕

半導体製造装置、表面解析機器、粒子加速器等の真空装
置を構成する容器、配管、バルブ、フランジ等には５Ｕ
Ｓ３１６Ｌ、５ＵＳ３０４Ｌなどのステンレス鋼が主に
用いられている。しかし、ステンレス鋼からは表面に一
吸１しているガスや、鋼材内部に含まれているガスが放
出されるため、特に高真空を必要とする機器の容器等で
は、表面に電解研磨処理を施して、ガスの吸着する面積
を減らすことで放出するガス量を抑える方法が採られて
いる。また、鋼材内部に含まれるガスを低減するために
、ガスのトラップサイトとなる鋼中の非金属介在物を減
らした、清浄なステンレス鋼が用いられる場合もある。

しかし、いずれの方法によっても数百度で数十時間以上
の高温ベーキングが必要となり、高真空に達するまでに
長時間を要する。

この対策として、窒化ボロンを表面に析出させたステン
レス鋼を用いることが非常に有効であることが、「真空
」誌Ｖｏ１．３２　（１９８９）　Ｎｏ、３　ｐ１３１
〜の文献「表面析出ＢＮのガス放出」に記載されている
。即ち窒化ボロンの析出処理方法として、８００℃で８
ｈの処理を行っている。

さらに、特公昭６２−３９２３４号公報には、窒化ボロ
ンを鋼材表面に析出させるための鋼材が提案されている
。窒化ボロンの析出方法としてはボロン（Ｂ）、窒素（
Ｎ）およびセリウム（Ｃｅ）を添加したオーステナイト
系ステンレス鋼を真空中で７００〜９００℃に加熱する
ことによっている。

特開平２−５７６６７号公報には、ボロン（Ｂ）、窒素
（Ｎ）およびカルシウム（Ｃａ）　、マグネシウム（Ｍ
ｇ）を添加した銅材を、１０−’Ｔｏｒｒ以下の真空も
しくは９９．９９％以上の不活性ガス雰囲気中において
６５０〜８５０℃の温度で加熱することにより、窒化ボ
ロンを表面に析出させる銅材を提案している。

また、「日本金属学会誌Ｊ　　Ｖｏｌ、４７　（１９８
３）隘１１ｐ９４１〜の文献［ホウ素と窒素を添加した
１８−８ステンレス鋼表面上への窒化ホウ素の析出挙動
コには、１００ＯＫ、ｌ１００Ｋで４３２ｋｓまでの窒
化ボロンの析出挙動が述べられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前述の文献「表面析出ＢＮのガス放出」
の析出処理においては、固溶化処理温度が、例えば１２
００℃以上の高い温度である場合、もしくは析出処理時
の昇温速度が、例えば１℃／ｓｉｎのように小さい場合
には、窒化ボロンが表面に析出していても、ガスの吸着
に対して優れた窒化ボロン膜にはならなかった。

また、特公昭６２−３９２３４号公報においても同様で
、実施例に記載されている８　００　”Ｃで１時間の析
出処理を行っても、昇温速度が小さいと、特性の優れた
窒化ボロン膜を形成させることはできなかった。

特開平２−５７６６７号公報では、１１００”Ｃで固溶
化処理したものを、５００〜６５０　’Ｃの昇温速度を
１０℃／ｓｉｎテ、７５０　’Ｃ１３０分の析出処理を
行っているが、析出処理時間が短すぎるため、優れた特
性の窒化ボロン膜が得られなかった。

前述の文献「ホウ素と窒素を添加した１８−８ステンレ
ス鋼表面上への窒化ホウ素の析出挙動Ｊでは、固溶化処
理をせず、鋳造ままの材料で析出処理をしているために
、材料内部のボロンが偏在しており、表面に析出してい
る窒化ボロン膜が不均一となっｔいる。また、析出処理
前に表面をアルゴンイオンスパッタリングを行っており
、実際の真空容器等の内表面全面をスパッタリングする
には、高価なスパッタリング装置を必要とし、また長時
間を要するため、実用上不可能である。

以上の通り、窒化ボロンを鋼材全面に析出させても析出
処理温度や析出処理時間、および固溶化処理温度の条件
、さらには析出処理時の昇温速度によっては、必ずしも
ガスの吸着に対して優れた特性を持つ窒化ボロン膜が形
成されるとは限らなかった。

従って、本発明の目的は、析出処理温度、析出処理時間
、固溶化処理温度および昇温速度を適切に選択すること
により、ガス吸着に対して優れた特性を持つ窒化ボロン
膜を得ることにある。

（発明の構成） 〔問題点を解決する手段〕 本発明者らは、種々の条件で析出させた窒化ボロン膜を
有するオーステナイト系ステンレス鋼のガス吸着特性を
検討した結果、ガス吸着特性に対して、析出処理温度、
析出基１時間および固溶化処理温度が相互に深く関与し
ており、さらに析出処理時の昇温速度も影響を及ぼして
いて、それらを適切な温度、時間、速度にすることによ
って、ガス吸着に対して優れた特性を持つ窒化ボロン膜
の析出が可能であることを知見し、本発明を完成した。

本発明の要旨は以下の通りである。

ボロンを０．００５〜０．０５ｓｖｔ％含有し、かつ窒
素を０．０８〜０．３０ｉｖｔ％含有するオーステナイ
トステンレス鋼に、窒化ボロンを表面に析出させるのに
際して、固溶化処理温度（Ｔｏ）、析出処理温度（Ｔ１
）および析出処理時間（１）が条件式（１）および条件
式（２）を共に満たす範囲内で処理し、かつ析出処理時
の４００〜６５０℃の昇温速度が５℃／ａ＋ｉｎ以上で
処理することを特徴とする、表面に窒化ボロンを析出さ
せた真空機器および真空機器用鋼材の製造方法。

条件式（１） ％式％） 条件式（２） ｔ≧６　Ｘｌ０−ｈｅｘｐ　（２００００／Ｔ１）なお
、式中の符号は下記の通りとする。

Ｔｏ　：固溶化処理温度（Ｋ） Ｔｌ　：析出処理温度（Ｋ） ｔ　：析出処理時間（ｓｅｃ） 〔作　用］ 窒化ボロンを鋼材の表面に析出させるためには、鋼材中
にボロンおよび窒素が含有していなければならない。ま
ず、ボロンおよび窒素の適正範囲の限定理由について記
載する。

ボロン：窒化ボロンを形成するための必須元素である。

ボロンの含有量が０．００５ｗｔ％未満では窒化ボロン
の析出が十分でない。一方、Ｏ，，０５ｗｔ％を超える
と熱間加工性を著しく損なう。従って、ボロンの含有量
の限定範囲を０．００５〜０．０５ｗｔ％とした。

窒素：同じく窒化ボロンを形成するための必須元素であ
る。窒素の含有量が０．０８ｗｔ％未満では窒化ボロン
の析出が十分でない。一方、０．３０ｗｔ％を超えると
、変形抵抗が増すため、熱間加工性を損なう。従って、
窒素の含有量の限定範囲を０．０８〜０．３０賀ｔ％と
した。

上記ボロンおよび窒素の限定範囲を満たすように含有し
たオーステナイトステンレス鋼を、固溶化処理を施し、
窒化ボロンの析出処理を行う。なお、固溶化処理温度（
Ｔｏ）はボロンが十分に固溶する１１７３に以上が好ま
しく、あまり高温度にすることは経済的でないため１５
２３に程度で十分である。また、析出処理温度（Ｔ１）
は９２３に以下では窒化ボロンが析出しにくく、１１７
３に以上では析出した窒化ボロンの再固溶が起こるため
、９２３〜１１７３Ｋが好ましい。

本発明者らは、種々の固溶化処理温度、析出処理温度、
析出処理時間、昇温速度で窒化ボロン膜を形成させたサ
ンプルを作成し、ガス吸着に対する特性を評価した。評
価として、昇温脱離試験により得られる水（ｎｚｏ）の
脱離量をもって優劣を判定した。後述の実施例から明ら
かなように、条件式（１）もしくは条件式（２）を満足
しない範囲で処理をした場合、水（！ｈＯ）の脱離量が
多く、ガス吸着に対する特性が劣る。また、条件式（１
）および条件式（２）を満たしていても、析出処理時の
４００〜６５０℃の間の昇温速度が５℃／ｍｉｎ未満の
時は、ガス吸着に対する特性は良好でない。

条件式（１）を満足しない範囲では、全表面が窒化ボロ
ン膜で覆われているものの、窒化ボロンが不均質に成長
するために凹凸の著しい表面になる。その結果、ガスの
吸着面積が増大してしまうため、ガス吸着に対する特性
は劣る。条件式（２）を満足しない範囲では、窒化ボロ
ン膜が全表面を覆っていないため、ガス吸着に対する特
性は劣る。

また、条件式（１）および（２）を満足する範囲で析出
処理を施しても、４００〜６５０℃の間の昇温速度が５
℃／＋ｎｉｎ未満の場合には、昇温過程でステンレス鋼
内部に窒化ボロンが析出してしまうため、表面に窒化ボ
ロンが析出しなくなってしまう。４００℃未満の温度域
ではステンレス鋼内部に窒化ボロンが析出すＬのに十分
な温度ではなく、また、６５０℃以上では表面に窒化ボ
ロンが析出するため、昇温速度を限定する温度域を４０
０〜６５０℃とした。なお、ステンレス綱中に析出する
窒化ボロンは高温はど短い時間で析出するため、特に、
５５０〜６５０℃の温度域では昇温速度が大きいほうが
好ましい。

以下に、実施例について説明するが、本発明は以下の実
施例に限定されるものではなく、前・後記の趣旨に徹し
て適宜設計変更することは本発明の技術的範囲に含まれ
るものである。

例えば、第２図のようなパターンで析出処理した場合に
も、析出可能な析出温度範囲、すなわち６５０〜９００
℃の範囲での温度と時間の効果を積算すると実質的には
条件式（１）および（２）を満足する。従って、このよ
うな場合も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を添付の図面を参照しながら詳細に
説明する。第１表に示す組成の綱を溶製した後、熱間圧
延により１２ｍ１厚の板にした。この板を１１７３〜１
４７３Ｋ、約１時間で水冷の固溶化処理を施し、１０閣
丸、０．３■厚、もしくは１１００ａ角、１．５　ｍｍ
厚のサンプルに加工した。

表面を電解研磨処理をした後、１０−’Ｔｏｒｒ以下の
真空中で窒化ボロンの析出処理をした。

第２表には、作成したサンプルの固溶化処理温度、析出
処理温度、析出処理時間、条件式（１）、（２）を満足
するか否かを、条件式を満足するものを○として、満足
しないものを×として示した。

また、表中に析出処理時の４００〜６５０℃間の昇温速
度も示した。

Ｎ１１ｌ〜９６のものは何れも本発明の要件を満足した
本発明例であり、Ｎα９７〜１１８およびＮα１２５〜
１４６とＮα１５３〜１７４のものは条件式（１）また
は（２）を満足せず、またＮｏ、１１９〜１２４および
Ｎα１４７〜１５２とＮα１７５〜１８０のものは条件
式（１）（２）を満足するが４００〜６５０℃間の昇温
速度が５℃未満であって、比較例である。

前記した各サンプルは析出処理を施した後、サンプルを
洗浄し、昇温脱離試験を行った。昇温脱離試験で水（ｎ
ｚｏ）の脱離量を測定し、電解研磨ままのサンプルから
の脱離量を１として、脱離量が１１５以下のものを◎、
１１５を超え１／２以下のものを○、１／２を越えるも
のを×として第２表に併せて示した。−例として、固溶
化処理温度１３７３にで、４００〜６５０℃間の昇温速
度が５℃／１ｍ　ｉ　ｎ以上のサンプルの昇温脱離試験
結果を第１図に示す。図中の記号（◎、○、×）は第２
表の脱離量の評価法と同じである。

第２表および第１図に示すように、条件式（１）、（２
）を共に満足し、かつ析出処理時の４００〜６５０℃間
の昇温速度が５℃／ｓｉｎ以上の本発明の範囲で処理し
た隘１〜阻９６の各サンプルは、水（Ｈ，Ｏ）の脱離量
が少なく、ガス吸着に対する特性が極めて良好であるの
に対し、隘９７以下の比較例は昇温脱離試験の脱離量が
１／２を超えていることがわかる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によるときは、ガス吸着に
対して優れた特性をもつ窒化ポロン膜を有する真空容器
等および機器鋼材の製造が可能となった。従って、例え
ばこれらを用いた真空装置では、従来数十時間要してい
たベーキングの作業が短縮でき、また目標とする圧力に
よっては省略でき、作業時間の大幅な短縮が可能となる
。特に、分析機器等でサンプルを交換する度に大気開放
しなければならないような装置には非常に有効であって
、工業的にその効果の大きい発明である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の技術的内容を示すものであって、第１図
は本発明の実施例における、鋼種Ａ−Ｄ、固溶化処理温
度１３７３にで、析出処理時の４００〜６５０℃間の昇
温速度が５℃／ｌｌｌ１ｎ以上のサンプルについての昇
温脱離試験結果を示す図である。 然してこれらの図中、第１図の２本の曲線に挟まれた範
囲は条件式（１）、（２）を共に満足する領域を示す。 また第２図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は析出処理のヒート
パターンの例を示す図である。 特 許 出 願 人 日本鋼管株式会社 発 明 者 本 間 禎 同 福 井 俊 彦 同 江 畑 明 同 石 沢 嘉

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　ボロンを０．００５〜０．０５ｗｔ％含有し、かつ窒
   素を０．０８〜０．３０ｗｔ％含有するオーステナイト
   ステンレス鋼に、窒化ボロンを表面に析出させるのに際
   して、固溶化処理温度（Ｔ＿０）、析出処理温度（Ｔ＿
   １）および析出処理時間（ｔ）が条件式（１）および条
   件式（２）を共に満たす範囲内で処理し、かつ析出処理
   時の４００〜６５０℃の昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上で
   処理することを特徴とする、表面に窒化ボロンを析出さ
   せた真空機器および真空機器用鋼材の製造方法。 条件式（１） ｔ≦６００００（Ｔ＿０−Ｔ＿１）＾−＾２ｅｘｐ（１
   １０００／Ｔ＿１）＋６×１０＾−＾６ｅｘｐ（２００
   ００／Ｔ＿１）条件式（２） ｔ≧６×１０＾−＾６ｅｘｐ（２００００／Ｔ＿１）な
   お、式中の符号は下記の通りとする。 Ｔ＿０：固溶化処理温度（Ｋ） Ｔ＿１：析出処理温度（Ｋ） ｔ：析出処理時間（ｓｅｃ）