JPH0790472A

JPH0790472A - 超清浄ステンレス鋼部材の製造方法

Info

Publication number: JPH0790472A
Application number: JP23357393A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Okamura; 正義岡村; Kazuo Hirose; 和夫広瀬; Sadahisa Kiryu; 禎久桐生
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1993-09-20
Publication date: 1995-04-04

Abstract

(57)【要約】【目的】非金属介在物の低減を十分に図ることがで
き、電解研磨時にピットが発生することのない様な、超
清浄ステンレス鋼部材を製造する為の有用な方法を確立
する。【構成】ステンレス鋼の鋼塊を真空誘導炉溶解法によ
って製造した後、該鋼塊を真空アーク溶解法またはエレ
クトロスラグ溶解法によって溶解する工程を介してまた
は介さずに、前記鋼塊を真空アーク溶解法によって再溶
解して脱酸素および脱介在物を行ない、前記鋼塊の化学
成分組成をＣ：０．００６〜０．０２０％，Ｓｉ：０．
１０％以下，Ｍｎ：０．１０％以下，Ａｌ：０．００３
％以下，Ｐ：０．０３０％以下となる様に調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体や医薬品の製造
に使用されるクリーンルームの配管部材として、或は半
導体製造装置の構成部材（例えば、チャンバー，配管，
棒材等）として有用な超清浄ステンレス鋼部材を製造す
る為の方法に関するものである。尚本発明で製造される
超清浄ステンレス鋼部材は、上記の如く半導体製造装置
の構成部材としても有用なものであるが、以下ではクリ
ーンルームのガス供給配管部材として用いる場合を代表
的に取り上げて説明を進める。

【０００２】

【従来の技術】超ＬＳＩ等の半導体製造や医薬品製造に
は、クリーンルームの使用は不可欠であり、このクリー
ンルームで使用されるガスは超高純度であることが要求
され、これを供給する配管部材には部材自体が超清浄で
あることは勿論のこと、内面が超平滑性であることも要
求される。即ち、配管の内面に凹凸があると異物粒子
（以下、「パーティクル」と呼ぶ）が吸着したり、ガス
等が滞留するデッドゾーンとなってパーティクル発生の
原因となり、ガスの清浄性を確保することが難しくな
る。

【０００３】上記の様な要求のある配管部材としては、
管内面の平滑度が比較的良好なステンレス鋼製精密細管
が用いられるのが一般的であり、また管内面を更に超平
滑（例えば、表面粗度がＲｍａｘで０．１μｍ以下）に
保つために、製造工程中の内面研磨工程で電解研磨仕上
げが施されるのが一般的である。本明細書では、電解研
磨仕上げしたステンレス鋼管を、説明の便宜上、以下
「ＥＰ管」と呼ぶ。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体の集積規
模の増大とともに、ＥＰ管にも高品質が要求され、その
品質を評価する指標としてＥＰ管内表面に凹凸の一種で
あるピットの有無が挙げられ、この様なピットのないこ
とがユーザのニーズとして強く要望される様になってき
た。即ち、ＥＰ管内表面にピットが発生すると、超清浄
ガス中にパーティクルが発生し、ガスの高純度が確保で
きずに半導体や医薬品等の製造にとって致命的な欠陥と
なる。

【０００５】上記の様なピットが発生する原因は、鋼材
中に存在する非金属介在物が起点となっていることは既
に知られている。即ち、図１はピット発生のメカニズム
を示す概略図であるが、鋼材１中に存在する非金属介在
物２（図１（ａ））は電解研磨時に溶出され（図１
（ｂ））、その溶出された凹部がピット３となって鋼材
表面に残留するものである。こうしたことから、ピット
発生を防止する手段としては、ステンレス鋼の製造段階
で脱酸および脱介在物を図って超清浄ステンレス鋼とす
るのが一般的となっており、その為の種々の製鋼法が採
用されている。

【０００６】超清浄ステンレス鋼を製造する為の製鋼法
としては、真空誘導炉溶解法（ＶＩＦ法）や真空酸素脱
炭法（ＶＯＤ法）で鋼塊を製造し、該鋼塊を消耗電極と
してエレクトロスラグ溶解法（ＥＳＲ法）や真空アーク
溶解法（ＶＡＲ法）を組み合わせて２段（ダブルメルト
法）または３段（トリプルメルト法）で再溶解する方法
が広く用いられ、清浄なステンレス鋼の製造にその効果
が発揮されている。しかしながら、上記製鋼法をプロセ
ス的に組み合わせただけでは、前記非金属介在物の低減
を十分に達成することはできず、この様な方法ではＥＰ
管内表面のピット発生を完全に防止することは困難であ
る。

【０００７】本発明はこうした技術的課題を解決するた
めになされたものであって、その目的は、非金属介在物
の低減を十分に図ることができ、電解研磨時にピットが
発生することのない様な超清浄ステンレス鋼部材を製造
する為の有用な方法を確立することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明とは、ステンレス鋼の鋼塊を真空誘導炉溶解法によ
って製造した後、該鋼塊を真空アーク溶解法またはエレ
クトロスラグ溶解法によって溶解する工程を介してまた
は介さずに、前記鋼塊を真空アーク溶解法によって再溶
解して脱酸素および脱介在物を行ない、前記鋼塊の化学
成分組成をＣ：０．００６〜０．０２０％，Ｓｉ：０．
１０％以下，Ｍｎ：０．１０％以下，Ａｌ：０．００３
％以下，Ｐ：０．０３０％以下となる様に調整する点に
要旨を有する超清浄ステンレス鋼部材の製造方法であ
る。

【０００９】

【作用】本発明者らは、上記目的を達成する為に、
（ａ）製鋼法の適切な組合せ、および（ｂ）鋼塊の適切
な化学成分組成、について様々な角度から検討した。そ
して製鋼法の適切な組合わせについて次の様な知見が得
られた。まずＶＩＦ法とＶＯＤ法は、いずれも製造段階
で耐火物やスラグと溶解が接触し、溶解中にこれらの微
細粒が懸濁状態で存在するため、いかに浮上分離除去に
努めても清浄性には限界がある。したがってこれらの製
鋼法は、再溶解法のための電極製造としての位置付けし
か持たない。

【００１０】一方ＥＳＲ法は、水冷した銅鋳型内で溶解
スラグ中に電極を浸漬し、大電流を流してスラグの抵抗
熱（ジュール熱）で電極を溶解して凝固させる方法であ
るが、スラグ中に含有する酸化物（Ａｌ₂ Ｏ₃ やＣａＯ
等）と溶鋼成分との反応により脱酸に限界があると同時
にＡｌ₂ Ｏ₃ を含有するため、エレクトロスラグ溶解し
た溶鋼中にＡｌが微量存在し、後記実施例に示すように
ＥＰ管のピット発生防止に悪影響をもたらす。したがっ
て、ＥＳＲ法はダブルメルト法やトリプルメルト法の最
終の製鋼法としては適していない。

【００１１】これに対し、ＶＡＲ法は水冷した銅鋳型内
で高真空中（到達真空度：０．１３〜０．０１３Ｐａ）
で電極に大電流を流してアーク熱により電極を溶解して
凝固させる再溶解法であるため、脱酸は真空中でのＣ−
Ｏ反応により進行する。したがって、耐火物やスラグの
汚染がないので脱酸、脱介在物に最適の方法であり、超
清浄鋼を製造する場合にダブルメルト法やトリプルメル
ト法の最終段階の製鋼法に用いるのが理想的である。但
し、ＶＡＲ法は真空下でのＣ−Ｏ反応以外に精練機能を
持たないため、使用する電極はできるだけ清浄であるこ
とが必要な条件となる。

【００１２】ところで従来技術で述べたように、超清浄
ステンレス鋼を製造するためには再溶解法は必須条件で
あり、またダブルメルト法やトリプルメルト法の最終の
製鋼法はＶＡＲが理想的であることも前述した。したが
って、ＶＡＲ法を適用する際の消耗電極（再溶解する化
学成分）の化学成分設計は、ＶＡＲ法の機能が最大発揮
できるよう配慮することが重要である。

【００１３】図２にはステンレス鋼の脱酸平衡を整理し
て示す。ＶＡＲ法は溶鋼が約１０Ｐａの高真空にさらさ
れるため、図２に示す如く溶鋼中のＣはＡｌの脱酸力と
ほぼ同等以上となる。従って、溶鋼はＣ脱酸で浄化する
ことが最適である。即ち、Ｃは可能な範囲でできるだけ
多く含有させると共に、介在物の原因となるＡｌ，Ｓ
ｉ，Ｍｎ等の脱酸元素はできるだけ低減させることが、
脱酸、脱介在物の進行に有利である。またＶＡＲ法を適
用する際の溶鋼の化学成分組成を上記のようにするため
には、最初に適用する溶解法としては、ＶＯＤ法よりも
ＶＩＦ法の法が適切であることも分かった。この様にし
て最初にＶＩＦ法を適用すると共に、最終的な再溶解法
としてはＶＡＲ法が最適であることが明らかとなった
が、最終的にＶＡＲ法によって再溶解するのに先立ち、
即ち前記ＶＩＦ法によって鋼塊を製造した後、ＶＡＲ法
やＥＳＲ法で溶解を行なうこともステンレス鋼の清浄化
に有効である。

【００１４】一方、ＶＡＲ法を適用する際の溶鋼中の化
学成分組成をいかに調整するのが良いかは上述した通り
であるが、本発明者らはこの化学成分組成の適切な具体
的範囲について検討を加えた。但し、上記各元素の化学
成分はＶＡＲ法適用によりＣはＣ−Ｏ反応により、また
Ｍｎは高真空下で蒸発するため夫々減少するため、最終
的な鋼塊によって判断した。その結果、最終的に製造さ
れた鋼塊の化学成分が、Ｃ：０．００６〜０．０２０
％，Ｓｉ：０．１０％以下，Ｍｎ：０．１０％以下，Ａ
ｌ：０．００３％以下，Ｐ：０．０３０％以下となる様
にすればステンレス鋼の希望する清浄化が達成されるこ
とが分かった。

【００１５】即ち、ＣはＶＡＲ後の酸素量を１５ｐｐｍ
以下に安定して確保するために０．００６％以上必要で
あり、一方、炭化物の析出を防止するには０．０２０％
以下とする必要がある。また、Ｓｉ，ＭｎおよびＡｌは
脱酸元素であり、電極中にこれらの酸化物を可能な限り
少なくし、ＶＡＲのＣ−Ｏ反応を促進するためにはＳ
ｉ：０．１０％以下，Ｍｎ：０．１０％以下とする必要
があり、特にＡｌは最終のＶＡＲ工程で鋼塊が凝固する
ときにＡｌが存在するとＡｌ₂ Ｏ₃ 介在物が生成するた
め徹底して低減することが重要であり、Ａｌ：０．００
３％以下とする必要がある。またＰは低値ほど良いが、
材料コストが上昇するため品質に影響を及ぼされない範
囲としてＰ：０．０３０％以下とした。

【００１６】ところで本発明では、ステンレス鋼の最終
的な化学成分組成として、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｐ等
についてのみ規定したものであるが、ステンレス鋼はＣ
ｒを必ず含有する他、必要によってＮｉやＭｏ等を含有
するものである。しかしながら、これらの化学成分につ
いてはステンレス鋼の清浄化にほとんど影響を与えない
ので、本発明ではＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｐ等だけを限
定した。即ち、本発明で対象とするステンレス鋼は、Ｃ
ｒ，Ｎｉ，Ｍｏ等の含有量は問わず、これらの元素を所
定量および不可避的不純物を含むステンレス鋼のすべて
を対象とするものである。

【００１７】以下本発明を実施例によって更に詳細に説
明するが、下記実施例は本発明を限定するものではな
く、前・後記の趣旨に徴して設け変更することはいずれ
も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

【００１８】

【実施例】図３は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ
系）のＶＡＲ鋼塊のＣ量とＯ量の関係を示すグラフであ
る。ここに示すように、Ｃ量の増加とともにＯ量は低減
する。この関係からＣ量は多いほどよいが、０．０２０
％を超えると脱酸効果は横ばいになることと、Ｃ量がこ
のレベル以上では炭化物が増加し、粒界析出してピット
発生の原因となることから上限を０．０２０％とした。
またＣの脱酸作用によって作成されるＯ量は少なくとも
１５ｐｐｍ以下である必要から鋼塊中のＣ量の下限は
０．００６％とした。

【００１９】表１に各製造プロセスごとに製造したＥＰ
管材の化学成分を示す。表１には、参考例としてＶＩＦ
法を適用した後の化学成分組成（即ち、Ｎo.１〜３の電
極の化学成分組成についても示した（Ｎo.８）。また、
表１に示したＥＰ管材の電解研磨仕上後のピット発生状
況を図４に示す。尚、ピット発生状況は、下限の様にし
て求めた平均ピット面積割合によって評価し、図４には
Ｎo.４のときの平均ピット面積割合を１．００としたと
きの相対値で示した。

【００２０】＜平均ピット面積割合＞各ロットよりラン
ダムに３本（１ｍ長さ）を供試材としてサンプリング
し、各１本からトップ、ミドル、ボトムについて各２０
枚の１００倍光学顕微鏡写真（２０枚×３ケ所×３本＝
１８０枚）をランダムに撮影して写真１枚当たり（７０
ｍｍ×９５ｍｍ＝６６５０ｍｍ² ／１００² （＝０．６
６５ｍｍ² ））の０．０１ｍｍφ以上のピット面積割合
を求めた。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１に示すように、実施例（Ｎｏ．１〜
３）ではＳｉ，ＭｎおよびＡｌ含有量を可能な限り低減
しているため、ＶＡＲ法に用いる消耗電極は、ＶＩＦ法
を用いて製造した。この結果、最終のＶＡＲ鋼塊は、Ｓ
ｉ：０．０５％，Ｍｎ：０．０１〜０．０２％，Ａｌ：
＜０．００１％およびＣ：０．０１５〜０．０１６％の
目標成分を得ることができた。一方、ＶＯＤ法では、製
造上Ｓｉ，Ｍｎの下限値を安定して本発明と同じレベル
に確保することは困難であり、またこのように脱酸元素
の少ないＶＯＤ精錬では酸素量が多くなり、ＶＡＲ電極
の清浄性は確保できない。したがって、ＶＯＤ法では、
Ｓｉ：０．５０〜０．５５％，Ｍｎ：０．５９〜０．６
５％およびＡｌ：＜０．０１０％の電極を製造し、ＥＰ
管のピット評価の比較材とした。（Ｎｏ．４〜７）

【００２３】図４から明らかなように、実施例のもの
（Ｎｏ．１〜３）は比較例のものに比べ、いずれもＥＰ
管のピット発生は少なく、中でもＶＩＦ−ＶＡＲ−ＶＡ
Ｒ材（Ｎｏ．１）はピットがほとんど認められなかっ
た。このことから、Ｓｉ，Ｍｎ，およびＡｌ等の脱酸元
素をできるだけ低減し、ＶＡＲ法のＣ−Ｏ反応のみで清
浄化する本発明における有用性が確認できる。また、こ
のように脱酸元素を含有しないＥＰ管のピット評価は酸
素量と良い相関を示した。

【００２４】一方、ＶＯＤ電極を使用したＶＯＤ−ＶＡ
Ｒ法（Ｎｏ．４とＮｏ．５）はＣ量の違いによってＥＰ
管のピット発生および酸素量に大きな違いが認められ
た。即ち、Ｃ量が高いＮｏ．５（Ｃ：０．０１８％）は
Ｎｏ．４（Ｃ：０．００８％）に比べ、ピット発生割合
は約１／２、酸素量で約１／３であり、前述した図１の
結果を反映し、ＶＡＲ法ではＣ−Ｏ反応を促進させるた
めにはＣ量を多くすべきことを示していた。

【００２５】比較例Ｎｏ．６とＮｏ．７は、いずれもＶ
ＯＤ−ＥＳＲ−ＶＡＲ法のトリプルメルト法で製造した
ＥＰ管である。Ｎｏ．６はＥＳＲ工程でＡｌピックアッ
プが生じ、この結果Ａｌ量は最終のＶＡＲ後０．００９
％と高くなったが、酸素量は０．０００４％と低値とな
り、ＥＰ管のピットは少ないと予想されたが、これに反
しＥＰ管のピット評価はＶＯＤ−ＶＡＲ材（Ｎｏ．５）
より悪い結果となった。調査の結果、微細ではあるがＡ
ｌ₂ Ｏ₃ 介在物が多く点在し、これを起点にピットが多
くなったことが判明した。

【００２６】そこで、ＥＳＲ法のスラグ組成を改善しＡ
ｌピックアップを制御した結果、Ｎｏ．７に示すように
Ａｌ量は０．００３％となり酸素量はＮｏ．６の約２倍
であったがＥＰ管のピット評価は比較材中最も良好であ
った。

【００２７】この結果からＥＰ管のピット発生を低減す
るにはＡｌ₂ Ｏ₃ 介在物を少なくすることが必須条件で
あり、Ａｌ含有量を０．００３％以下にすることの正当
性を立証している。また比較例の製造プロセスでは、実
施例と比較してＥＰ管のピット評価は必ずしも酸素量と
相関しておらず、これはＶＯＤ電極中のスラグおよび耐
火物起源の介在物やＡｌ₂ Ｏ₃ 介在物がＶＡＲ後に残存
することがピット発生に影響している結果であると思わ
れる。

【００２８】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、清
浄度の極めて高いステンレス鋼部材を製造する為の方法
が確立でき、この方法によって得られた超清浄ステンレ
ス鋼部材は、クリ−ンル−ムの配管部材の素材として、
或は半導体製造装置の構成部品の素材として有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ピット発生のメカニズムを示す概略説明図であ
る。

【図２】ステンレス鋼の脱酸平衡を整理して示したグラ
フである。

【図３】ステンレス鋼（SUS 316L系）のＶＡＲ鋼塊のＣ
量とＯ量の関係を示すグラフである。

【図４】各製造プロセスによって製造されたステンレス
鋼の電解研磨後のピット発生状況を示す棒グラフであ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ステンレス鋼の鋼塊を真空誘導炉溶解法
によって製造した後、該鋼塊を真空アーク溶解法または
エレクトロスラグ溶解法によって溶解する工程を介して
または介さずに、前記鋼塊を真空アーク溶解法によって
再溶解して脱酸素および脱介在物を行ない、前記鋼塊の
化学成分組成をＣ：０．００６〜０．０２０％（重量％
の意味、以下同じ），Ｓｉ：０．１０％以下，Ｍｎ：
０．１０％以下，Ａｌ：０．００３％以下，Ｐ：０．０
３０％以下となる様に調整することを特徴とする超洗浄
ステンレス鋼部材の製造方法。