JPH06322490A

JPH06322490A - 加工性および被削性に優れた高純度ガス用ステンレス鋼

Info

Publication number: JPH06322490A
Application number: JP15664593A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Azuma; 茂樹東; Kazuo Yamanaka; 和夫山中; Masahiro Honchi; 雅宏本地; Yoji Yamaguchi; 洋治山口
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-03-19
Filing date: 1993-06-28
Publication date: 1994-11-22

Abstract

(57)【要約】【目的】加工性と被削性にも優れた高純度ガス用ステン
レス鋼を提供する。【構成】Ni：10〜25％、Cr：15〜30％、Mo：２〜７％、
Ｎ：0.10〜0.30％を含有し、不純物中のＣが0.03％以
下、Siが 0.5％以下、Mnが 0.5％以下、Ｐが0.01％以
下、Ｓが 0.003％以下、Ｏ( 酸素 )が 0.005％以下、Ti
が0.02％以下、Alが〔 0.01 ／Ｎ(%) 〕未満で、かつ下
記式で与えられるNi−bal.値が０以上３未満である加
工性と被削性に優れた高純度ガス用ステンレス鋼。 Ni-bal. ＝ Ni eq. − 1.1Cr eq.＋8.2 ・・・・・・・・・ただし、 Ni eq. ＝Ni(%) ＋ 0.5Mn(%) ＋30〔Ｃ(%) ＋
Ｎ(%) 〕 Cr eq. ＝Cr(%) ＋ 1.5Si(%) ＋Mo(%) 上記鋼は加えて更に、Cu：0.20〜0.80％を含有すること
ができる。【効果】本発明鋼は、優れた低パーティクル発生特性
（清浄性）、耐食性、熱間と冷間の加工性および被削性
を併せ持つ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、吸着されて回路不良
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である。したがっ
て、高純度ガス用配管および部材においては、その内面
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、
アルゴンなどの不活性ガス以外に塩素、クロロシラン類
などの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お
よび継手などの部材は、塵や水分などの付着および吸着
を低減するため、その内面粗さがＲmax として１μm 以
下となるまで平滑化されている。この内面平滑化の方法
として電解研磨が適用され、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継手などの部
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ＳＵＳ316Lが主流となっており、配管には継
目無し鋼管が、継手などの部材には棒鋼などからの「切
削加工」ないしは「熱間鍛造＋切削加工」仕上品が、そ
れぞれ使用されている。

【０００６】上記の規格鋼以外では、特開昭63-161145
号公報に、前述のような管内面からのパーティクル発生
を低減することを目的として、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
したクリーンルーム用鋼管が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】高純度ガス配管用ステ
ンレス鋼管などの性能として不可欠なパーティクル発生
低減の有効な対策としては、管内面の平滑化、さらに前
記の特開昭63−161145号公報に示されるような非金属介
在物の低減がある。配管用ステンレス鋼管の性能として
は、前述したパーティクル発生特性と耐食性のほか、溶
接性、ガス放出特性が重視される。ガス配管系には、溶
接継手、バルブ、流量計等の配管部品が不可欠であり、
これら配管部品も高純度ガス用としての高清浄性が必要
であることから、鋼管の素材と同様のパーティクル発生
が低減されたステンレス鋼から製造されることとなる。

【０００８】配管部品の製造は、主として棒鋼を素材と
し、旋盤、ドリルなどを用いる機械加工により行われる
ため、その素材となるステンレス鋼では、被削性も特に
重要な性能である。従来の一般用途での快削ステンレス
鋼では、Ｐ、Ｓ、Se、Pb、Biなどを添加し、これらの元
素がステンレス鋼組織中に形成する非金属介在物あるい
は析出物により被削性を付与する。しかし、高純度ガス
用ステンレス鋼では、前記の必要性能上これらの介在物
などを極力低減せざるを得ないため、被削性が著しく劣
り、配管部品の機械加工が困難であるという問題があ
る。

【０００９】したがって、上記配管部品の製造にあたっ
ては、切削加工の度合いを極力少なくすることが重要で
あり、熱間もしくは冷間鍛造を導入することが望まし
い。しかし、熱間鍛造と冷間鍛造を比べると、冷間鍛造
の方が切削工数の削減度合い、寸法精度、表面品質およ
び材料歩留り、作業コストなどで総合評価して有利であ
るので、「冷間鍛造＋切削加工」方式の導入が可能な高
純度ガス用ステンレス鋼素材の開発が待望されている。

【００１０】さらに、素材となる棒鋼や鋼管を製造する
ためには当然、良好な熱間加工性を備えたステンレス鋼
であることも必要である。

【００１１】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたものであり、本発明の目的は、高純度ガス用ステン
レス鋼として不可欠な低パーティクル発生特性（清浄
性）と耐食性を有し、さらに優れた熱間または熱間およ
び冷間での加工性と被削性を併せ持つステンレス鋼を提
供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次の
(1) 、(2) の加工性および被削性に優れた高純度ガス用
ステンレス鋼にある。

【００１３】(1)重量％で、Ni：10〜25％、Cr：15〜30
％、Mo：２〜７％およびＮ：0.10〜0.30％を含有し、残
部はFeおよび不可避的不純物からなり、不純物中のＣが
0.03％以下、Siが 0.5％以下、Mnが 0.5％以下、Ｐが0.
01％以下、Ｓが 0.003％以下、Ｏ( 酸素 )が 0.005％以
下、Tiが0.02％以下およびAlが〔 0.01 ／Ｎ(%) 〕未満
で、かつ下記式で与えられるNi−bal.値が０以上、３
未満であることを特徴とする加工性および被削性に優れ
た高純度ガス用ステンレス鋼。

【００１４】 Ni-bal. ＝ Ni eq. − 1.1Cr eq.＋8.2 ・・・・・・・・・ただし、 Ni eq. ＝Ni(%) ＋ 0.5Mn(%) ＋30〔Ｃ(%) ＋
Ｎ(%) 〕 Cr eq. ＝Cr(%) ＋ 1.5Si(%) ＋Mo(%) (2)上記(1) に記載の化学組成に加えてさらに、Cu：0.2
0〜0.80％を含有する上記(1) の加工性および被削性に
優れた高純度ガス用ステンレス鋼。

【００１５】本発明者らは、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を用いて、高
純度ガス用配管としての代表的性能であるパーティクル
発生特性、ならびに素材鋼としての性能を表す熱間、冷
間での加工性および被削性を調査した。その結果、パー
ティクル発生特性を劣化させることなく熱間、冷間加工
性および被削性を向上させるには、次の〜が有効で
あるとの知見を得た。

【００１６】パーティクル発生特性を向上させるため
に、不純物元素の含有量を一定値以下に抑制する。

【００１７】被削性を向上させるために、Ｎを適量で
含有させ、さらにこのＮと窒化物を形成しやすいAl含有
量を調整する（オーステナイトステンレス鋼の場合、Ｎ
は低Ｃ鋼の強度低下を補うための固溶強化元素として知
られているが、被削性改善効果についてはこれまで検討
されていない。）。

【００１８】冷間鍛造時の加工性を向上させるため
に、Cuを適量で含有させる。

【００１９】熱間加工性を向上させるために、Ni-ba
l. 値を一定の範囲に調整する。

【００２０】

【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。以下、％は重量％を意味する。

【００２１】Ni、Cr、Mo：Ni、Cr、Moはいずれも、鋼の
耐食性および組織調整に重要な元素である。オーステナ
イトステンレス鋼としての組織と、さらに高い耐食性と
を維持させるために、Niは10〜25％、Crは15〜30％、Mo
は２〜７％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。

【００２２】Cu：Cuは本発明の目的の一つである冷間加
工性を改善する重要な合金元素であり、必要に応じて含
有させる。すなわち、Cuはオーステナイト相を安定化さ
せ、加工硬化率を低下させる作用を有する。さらに、被
削性に対しても改善効果を有する元素である。Cu含有量
が0.20％未満では良好な冷間加工性と被削性が得られな
い。一方、0.80％を超えるとCuの固溶化作用により脆化
が著しくなり、熱間加工性を劣化させるため、鋼管およ
び棒鋼などの製造が困難となる。よって、Cuを含有させ
る場合の含有量の範囲は0.20〜0.80％とした。

【００２３】Ｎ：Ｎは本発明の目的の一つである被削性
を改善する重要な合金元素である。被削性が向上するの
は、ドリル穿孔の場合、高Ｎ化によって切削時の切り屑
が破断しやすくなり、穿孔時に孔外へ容易に排出される
ためであると考えられる。

【００２４】Ｎ含有量が0.10％未満の場合には、上記の
効果が少なく良好な被削性が得られない。一方、0.30％
を超えると熱間加工性が劣化し、鋼管および棒鋼などの
製造が困難となる。よって、Ｎの含有量の範囲は0.10〜
0.30％とした。

【００２５】Ｃ：Ｃは、Cr炭化物の析出により耐食性を
低下させるため、その含有量は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。

【００２６】Si、Mn：Si、Mnは脱酸効果を有し、ステン
レス鋼の高清浄化に有効な元素である。しかし、Si、Mn
とも鋼中のＯ、Ｓと化合して非金属介在物を形成しやす
く、高純度ガス用ステンレス鋼としては、これらの含有
量はともに低いことが望ましい。よって、SiとMnの含有
量は、いずれも0.5 ％以下とした。

【００２７】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
の含有量は0.01％以下、Ｓの含有量は0.003 ％以下とし
た。

【００２８】Al：AlもSi、Mnと同様に脱酸効果を有し、
かつ非金属介在物を形成しやすい元素である。また、Ｎ
を前記範囲で含有させた場合、過剰のAlが存在するとAl
窒化物を生成し、鋼の清浄度を悪化させパーティクル発
生特性が劣化する。

【００２９】Al窒化物の生成の有無は、ＮとAlとの含有
量から予測できる。本発明者らがその窒化物析出の関係
を系統的に調査したところ、ＮとAlとの含有量の関係
を、〔Ｎ(%) ×Al(%) 〕で0.01未満に維持すれば、高Ｎ
含有ステンレス鋼でもAl窒化物は析出しないことが判明
した。よって、Al含有量は〔 0.01 ／Ｎ(%) 〕未満とし
た。

【００３０】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
食性に悪影響を及ぼさない範囲として、Ｏ含有量は 0.0
05％以下とした。

【００３１】Ti：Tiは窒化物を極めて生成しやすい元素
であり、前記の高Ｎ含有量の範囲では極微量でも有害で
ある。よって、Ti含有量は0.02％以下とした。

【００３２】Ni−bal.値：Ni−bal.値が０未満になる
と、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、鋼塊の熱間鍛造、熱間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。

【００３３】本発明鋼では、さらに３％以下のＷを含有
させると耐食性が向上し、また0.01％以下のＢ、Ca、希
土類元素をそれぞれ含有させると熱間加工性が向上す
る。

【００３４】

【実施例】表１、表２に示す化学組成を有するステンレ
ス鋼を溶製し、肉厚10mmの板材、外径 6.4mm、肉厚１m
m、長さ４m の継目無鋼管および外径20mmの棒鋼を熱間
加工により成形後、1100℃→水冷の固溶化処理を施し、
板材は被削性試験と熱間加工後の硬度測定試験に、管材
はパーティクル発生特性試験に、棒鋼は冷間加工性試験
に、それぞれ供した。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】鋼管は、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、80℃で99.999％Arガスを通して乾燥した。パー
ティクル発生特性は、図１に示す装置を用い、上記の電
解研磨管にプラスチックハンマーによる打撃を与えた
後、高純度窒素ガスを通して 0.1μm 以上のパーティク
ル発生数を測定し、パーティクル発生がなくなる測定回
数で評価した。

【００３８】被削性は、上記の板材をそれぞれ２枚用意
して表３に示す工具と穿孔条件でドリル穿孔試験を行う
ことにより、各板材毎に新品の１本のドリルで穿孔可能
であった孔個数と切屑性状で評価した。

【００３９】

【表３】

【００４０】熱間加工性は、 800〜1200℃で厚さ30mm、
幅80mmの素材を厚さ５mmに圧延し、板材のへり部に生じ
る割れの有無で評価した。

【００４１】冷間加工性は、上記の棒鋼から外径６mm、
長さ11.5mmの試験片を切り出し、冷間アプセット加工時
の割れ発生限界歪み（対数歪み）を、試料：12の場合を
100とした相対値で評価した。

【００４２】熱間加工性、冷間加工性、パーティクル発
生特性および被削性の評価結果をまとめて表４および表
５に示す。

【００４３】

【表４】

【００４４】

【表５】

【００４５】表４からわかるように、本発明で定める範
囲内の化学組成を有するステンレス鋼では、熱間加工性
が良好で、しかも優れたパーティクル発生特性と被削性
を示した。

【００４６】表５からわかるように、本発明で定める範
囲内の化学組成を有するステンレス鋼では、熱間加工
性、冷間加工性が良好で、しかも優れたパーティクル発
生特性と被削性を示した。

【００４７】

【発明の効果】本発明鋼は、高純度ガス用として不可欠
な低パーティクル発生特性（清浄性）、耐食性、優れた
熱間、冷間での加工性および被削性を併せ持つステンレ
ス鋼である。この鋼を素材鋼として用いれば、棒鋼から
「冷間加工＋切削加工」仕上により、継手などの高純度
ガス配管用部材も製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼管内面のパーティクル発生特性を評価する装
置を模式的に示す概略図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山口洋治北九州市小倉北区許斐町１番地住友金属工業株式会社小倉製鉄所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ni：10〜25％、Cr：15〜30％、
Mo：２〜７％およびＮ：0.10〜0.30％を含有し、残部は
Feおよび不可避的不純物からなり、不純物中のＣが0.03
％以下、Siが 0.5％以下、Mnが 0.5％以下、Ｐが0.01％
以下、Ｓが 0.003％以下、Ｏ( 酸素 )が 0.005％以下、
Tiが0.02％以下およびAlが〔 0.01 ／Ｎ(%) 〕未満で、
かつ下記式で与えられるNi−bal.値が０以上、３未満
であることを特徴とする加工性および被削性に優れた高
純度ガス用ステンレス鋼。 Ni-bal. ＝ Ni eq. − 1.1Cr eq.＋8.2 ・・・・・・・・・ただし、 Ni eq. ＝Ni(%) ＋ 0.5Mn(%) ＋30〔Ｃ(%) ＋
Ｎ(%) 〕 Cr eq. ＝Cr(%) ＋ 1.5Si(%) ＋Mo(%)
【請求項２】重量％で、Ni：10〜25％、Cr：15〜30％、
Mo：２〜７％、Cu：0.20〜0.80％およびＮ：0.10〜0.30
％を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、
不純物中のＣが0.03％以下、Siが 0.5％以下、Mnが 0.5
％以下、Ｐが0.01％以下、Ｓが 0.003％以下、Ｏ( 酸素
)が 0.005％以下、Tiが0.02％以下およびAlが〔 0.01
／Ｎ(%) 〕未満で、かつ下記式で与えられるNi−bal.
値が０以上、３未満であることを特徴とする加工性およ
び被削性に優れた高純度ガス用ステンレス鋼。 Ni-bal. ＝ Ni eq. − 1.1Cr eq.＋8.2 ・・・・・・・・・ただし、 Ni eq. ＝Ni(%) ＋ 0.5Mn(%) ＋30〔Ｃ(%) ＋
Ｎ(%) 〕 Cr eq. ＝Cr(%) ＋ 1.5Si(%) ＋Mo(%)