高真空及び高純度ガス配管用のオーステナイト系ステンレス鋼

专利摘要:
本発明の目的は、加工ガス中に不純物粒子が製品に混入されなく、かつ費用効率が高い、高真空及び高純度ガス配管用のステンレス鋼を提供することである。上記目的を達成するために、本発明は、重量％で、Ｃを０．１％以下、Ｓｉを１％以下、Ｍｎを０．５〜２％、Ｐを０．０５％以下、Ｓを０．０１％以下、Ｃｒを１５〜３０％、Ｎｉを７〜２０％、Ｍｏを４％以下、Ｃｕを３％以下、Ｎを０．０５％以下、Ｂを０．０１％以下、及びＯを０．０１％以下含み、かつ残部Ｆｅ及び不可避な不純物を含むオーステナイト系ステンレス鋼であって、Ｔｉの含量が０．００５％以下、Ａｌの含量が０．００５〜０．０５％、Ｃａの含量が０．０００５〜０．００３％に制限されている、高真空及び高純度ガス配管用のオーステナイト系ステンレス鋼を提供する。
公开号:JP2011515571A
申请号:JP2010537873
申请日:2008-12-17
公开日:2011-05-19
发明作者:ヨン；ホン イ、；ハク キム、；ユン；ファン キム、；キ；ウォン ナム、
申请人:ポスコ；
IPC主号:C22C38-00

专利说明:

[0001] 本発明は、半導体や液晶ディスプレイなど、高集積、高精密製品の製造に必要な高真空及び高純度ガス配管用のステンレス鋼に関し、より詳細には、配管製作の際、製作費用が低廉で経済性にすぐれ、配管使用の際配管内壁面から不純物粒子が製品に混入されなく、製品の欠陥発生を防止することができるステンレス鋼鋼管用素材に関する。]
背景技術

[0002] 半導体の製造工程では、微量の不純物混入が半導体製品の欠陷を引き起こして歩留まりを低下させるため、製造過程で不純物の混入を抑制することが非常に重要である。したがって、通常的に半導体製造設備には溶接部からの不純物粒子の混入を防ぐために無継目鋼管を使用しており、鋼管内壁面の不純物粒子を完全に除去するために光輝焼鈍や電解研磨を実施する。鋼管の内壁面処理方法に対して日本国特開平７−１１３７８号(大同特殊鋼)では、鋼中の酸素と水素をそれぞれ０．００１５重量％（以後、ｗｔ％で表記する）と０．０００２ｗｔ％以下に制限し、配管内壁面を機械的な方法と電解研磨方法で加工し、表面粗図を一定の水準以下に低くする方法が公開されている。また、日本国特開２００２-６０９６４号(住友ステンレス鋼管)では、鋼管の冷間引抜後、光輝焼鈍した鋼管の内面を硝酸水溶液で不動態化処理して内壁面の耐食性を向上させることで、腐食生成物粒子の混入を防止する技術が公開されている。]
[0003] 近年、製造原価低減のために溶接鋼管の使用に対する要求が大きくなっているが、この場合には溶接部に形成されやすい各種酸化物、窒化物などの不純物粒子の発生を防止することが非常に重要である。このため、米国特許第５８３０４０８号と米国特許第５９４２１８４号では、マンガン（Ｍｎ）を０．２ｗｔ％以下、Ａｌを０．０１ｗｔ％以下、Ｓｉを０．５ｗｔ％以下、Ｏを０．０１ｗｔ％以下に制御したオーステナイト系及びフェライト系ステンレス鋼の化学組成を提供する。]
[0004] しかし、このような化学組成でステンレス鋼を製造する場合に、鋼管溶接中の不純物粒子の発生を少なくすることはできるが、反対に鋼管製造以前のステンレス鋼板材やコイルの製造過程で板表面に発生するスリーバー（ｓｌｉｖｅｒ）や微細亀裂(ｍｉｃｒｏ−ｃｒａｃｋ)のような表面欠陷の発生が多くなるという問題がある。表面欠陷は、その内部にＣｒ酸化物、Ｆｅ酸化物、Ｓｉ酸化物などの多くの不純物粒子を含んでいるため、たとえ溶接部で発生した不純物粒子の発生は少なくなっても、表面欠陷による不純物が増加するようになる。また、溶接部で発生した不純物粒子は溶接鋼管の製造後に鋼管内面の酸洗や電解研磨など、後続工程で大部分除去される。しかしながら、表面欠陷内部の不純物粒子は化学的、機械的方法によって除去することが非常に難しい。したがって、前述の方法によるステンレス鋼は、高真空又は高純度ガス配管用として相応しくない。]
発明が解決しようとする課題

[0005] したがって、本発明は、前記問題を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、不純物粒子を含む表面欠陷がなく、溶接による鋼管製造の際に溶接部に化学的方法で除去しにくいスラグ性不純物粒子が発生せず、かつ鋼管どうしの溶接接合の際安価な窒素保護ガスを使っても窒化物系不純物粒子が発生せず、経済的ながらも生産製品の欠陷を防止することができる、高真空及び高純度ガス配管用のオーステナイト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。]
課題を解決するための手段

[0006] 前記目的を果たすため、本発明は、重量％で、Ｃを０．１％以下、Ｓｉを１％以下、Ｍｎを０．５〜２％、Ｐを０．０５％以下、Ｓを０．０１％以下、Ｃｒを１５〜３０％、Ｎｉを７〜２０％、Ｍｏを４％以下、Ｃｕを３％以下、Ｎを０．０５％以下、Ｂを０．０１％以下、Ｏを０．０１％以下で含み、かつ残部Ｆｅ及び不可避な不純物を含むオーステナイト系ステンレス鋼であって、Ｔｉの含量が０．００５％以下、Ａｌの含量が０．００５〜０．０５％に、及びＣａの含量が０．０００５〜０．００３％に制御された、高真空及び高純度ガス配管用のオーステナイト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。]
[0007] また、本発明は、前記オーステナイト系ステンレス鋼冷延コイルの表面上の、圧延方向への長さが３ｍｍ以上のスリーバー欠陷がコイル１００ｍ当たり５個未満である、高真空及び高純度ガス配管用のオーステナイト系ステンレス鋼を提供する。]
[0008] また、本発明は、前記オーステナイト系ステンレス鋼をＡｒ保護ガス及び窒素保護ガス溶接時にビード（ｂｅａｄ）表面に酸化物及び窒化物が検出されない、高真空及び高純度ガス配管用のオーステナイト系ステンレス鋼を提供する。]
発明の効果

[0009] 本発明により、半導体製造や液晶ディスプレイ製品の製造工程において使用される高真空及び高純度ガス配管として利用される、鋼材表面に不純物粒子を含む、表面欠陷のないオーステナイト系ステンレス鋼を得ることができる。]
[0010] また、本発明は、溶接による鋼管製造における溶接部上の化学的方法で除去しにくいスラグ性不純物粒子が発生せず、かつ鋼管どうしの溶接接合において、安価な窒素保護ガスを使っても窒化物系不純物粒子が発生しないため、経済的な、高真空及び高純度ガス配管用のステンレス鋼を提供する。]
図面の簡単な説明

[0011] 冷延コイル表面に酸化物粒子を含む金属薄膜からなるタイプ１のスリーバー欠陷を示した写真である。
冷延コイル表面に酸化物粒子と金属薄膜なしに圧着痕跡の形態で残留するタイプ２のスリーバー欠陷を示した写真である。
微量のＴｉを含むオーステナイト系ステンレス鋼のＴＩＧ溶接ビード表面に形成されたＴｉ酸化物、窒化物を示した写真である。
過剰のＣａを含むオーステナイト系ステンレス鋼のＴＩＧ溶接ビード表面に形成されたＣａ酸化物を示した写真である。
本発明と比較例に関する化学組成を示した図である。]
発明を実施するための最良の形態

[0012] 以下、本発明について図面を参照してより詳しく説明する。]
[0013] 半導体製造や液晶ディスプレイなどの高精密製品製造用の高真空及び高純度ガス配管用のステンレス鋼中の、製造品の欠陷を引き起こす不純物粒子は主に、以下から流入する：第一に、ステンレス鋼コイル素材表面のスリーバー欠陥の下部に残存する酸化物粒子と金属結晶粒から、第二に、ステンレス鋼コイルの溶接パイプ造管の際、溶接スラグ形態中に発生し、かつ後続の酸洗や電解研磨によって除去されなかった酸化物粒子から、第三に、製造設備配管製作のためにパイプとパイプを溶接接合する際、特に、費用対効果の目的で安価な窒素保護ガスを使用してパイプとパイプとの溶接を行う時に形成される窒化物粒子から流入する。]
[0014] 図１は、連続鋳造、熱間圧延、熱延コイルの焼鈍酸洗、冷間圧延、冷延コイルの焼鈍酸洗、及び最終スキンパス圧延によって製造したオーステナイト系ステンレス鋼冷延コイルの表面に発生した一般的なスリーバー欠陷の一種で、欠陥下部に酸化物粒子が残留する箇所でのスリーバー欠陷（以下「タイプ１」の欠陷とする）を詳細に示す写真である。スリーバー欠陷は通常、結晶粒一つ程度の厚さである５０μｍ以下の薄い金属薄膜とその下の母材の間にＣｒ、Ｆｅ成分を含む酸化物粒子が圧着されて残留する形態を有する。] 図１
[0015] 酸化物粒子を覆っている金属薄膜は、結晶粒１個程度の厚さで非常に薄くて冷延酸洗過程で結晶粒が部分的に侵食され、結晶粒が互いに脆弱に連結されている。このため、配管として使用するうちに、金属薄膜は気体の流れによって簡単に脱落してしまい、ガス内に金属結晶粒とその下部の酸化物粒子が不純物として流入される。パイプの内壁面を酸洗や電解研磨する場合、欠陷部位の金属薄膜とその下部の酸化物層を完全に溶削又は除去しないかぎり、溶削量は金属薄膜の厚さをさらに薄くするには非常に大きく、かつ結晶粒らの連結をより脆弱にするため、不純物の侵入を促進する危険性が高くなる。一般に、酸洗や電解研磨による溶削量は５０ｍを超過しにくいため、欠陷部位の金属薄膜とその下部の酸化物層を完全に除去することは難しい。]
[0016] 図２は、前述のオーステナイト系ステンレス鋼冷延コイルの表面で観察される他の形態のスリーバー欠陷であり。この場合、前述の金属薄膜とその下部の酸化物層がなく、単に製造過程の中にあった金属薄膜とその下部の酸化物層が完全に脱落されて消えた痕跡のみが観察される。このような形態のスリーバー欠陷(以下「タイプ２」の欠陷とする)は、オーステナイト系ステンレス鋼冷延コイルを配管として使用中には、ガス内に金属結晶粒や酸化物の流入がない。] 図２
[0017] 一般に、冷延コイルの表面には、図１のような形態のスリーバー欠陷と、図２のような形態のスリーバー欠陷が同時に発生する。これらはすべて、延鋳スラブの熱間圧延工程中の素材の熱間加工の不足によって、表面亀裂が形成された後、亀裂内部に酸化物が形成され、かつ後続の圧延過程で圧着されて現われる。これらの表面亀裂は、熱間圧延以後の熱延コイルの焼鈍酸洗、冷間圧延、及び冷延コイルの焼鈍酸洗工程で圧着されてその深みが浅くなり、コイル表面の酸化スケールの発生と酸洗によるその除去が繰り返されることによって徐々に消滅する。しかしながら、これらの表面亀裂は最終冷延コイルの焼鈍酸洗及びスキンパス圧延が行われた以後も除去されず、そのため表面に残留した欠陷が製品のスリーバー欠陷として残る。] 図１ 図２
[0018] 本発明者らは、図１のようなスリーバー欠陷が、上記の工程中に図２のような形態のスリーバー欠陷に変化し、最終的に残存するスリーバー欠陷の数が非常に少ない場合、図２のような形態のスリーバー欠陷のみが残存し、図１のようなスリーバー欠陷は残存しないという事実を見出した。これに基づき、自動欠陥探傷機による最終冷延コイルの焼鈍酸洗ラインのスリーバー欠陥の検出後、本発明者らは、冷延コイルの表面に圧延方向への長さ３ｍｍ以上のスリーバー欠陷がコイル１００ｍ当たり５個未満になる場合に、図１のようなタイプ１のスリーバー欠陷は残留しないということを見出した。したがって、冷延コイルのスリーバー欠陷が前述の条件に合致すれば、オーステナイト系ステンレス鋼を高真空及び高純度ガス配管の用途で使用する時、スリーバー欠陥下部に残留する酸化物粒子や金属薄膜の離脱による不純物粒子の流入を防止することができる。] 図１ 図２
[0019] 前述のスリーバー欠陷を減らすためには、オーステナイト系ステンレス鋼の熱間加工性を改善しなければならないが、Ｔｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｃａなどの微量元素は熱間加工性を改善する效果を与え、Ｓ、Ｏなどの元素は熱間加工性を阻害する。しかし、このような微量元素の含量の調節において、熱間加工を同時に確保することでスリーバー欠陥下部に残留する酸化物粒子又は金属薄膜の離脱による不純物粒子の流入を防止することができる化学成分の範囲に調節すること、及びステンレス鋼コイルの溶接パイプ造管の際、溶接ビードの表面に溶接スラグ形態で発生後、続酸洗や電解研磨によって除去されずに残留する酸化物粒子と、製造設備配管製作のためにパイプとパイプとを溶接接合する時、特に経済的な目的でやすい窒素保護ガスを使ってパイプとパイプとの溶接時に形成される窒化物粒子とが発生しないようにすることが必要である。]
[0020] このような目的を果たすために本発明では、重量％で、Ｃを０．１％以下、Ｓｉを１％以下、Ｍｎを０．５〜２％、Ｐを０．０５％以下、Ｓを０．０１％以下、Ｃｒを１５〜３０％、Ｎｉを７〜２０％、Ｍｏを４％以下、Ｃｕを３％以下、Ｎを０．０５％以下、Ｂを０．０１％以下、Ｏを０．０１％以下含み、かつ残部Ｆｅ及び不可避な不純物を含むオーステナイト系ステンレス鋼であって、Ｔｉの含量は０．００５％以下に、Ａｌの含量は０．００５〜０．０５％に、Ｃａの含量は０．０００５〜０．００３％に制御される。これによって、溶接造管の時溶接ビードの表面に、後続の酸洗や電解研磨によって除去されずに残留する、酸化物粒子の発生を防止する。また、本発明は、窒素保護ガスを用いる設備配管溶接時に、窒化物粒子することなく、冷延コイルの圧延方向への長さが３ｍｍ以上のスリーバー欠陷がコイル１００ｍ当たり５個未満になる熱間加工を確保することができる方法を提供する。]
[0021] 以下、本発明で成分元素の制限理由を詳しく説明する。]
[0022] Ｃは、Ｃｒ炭化物を形成する元素であり、これによる溶接部の耐食性の低下を防止するため、０．１％以下に制限する。]
[0023] Ｓｉは、製鋼工程に必要な脱酸素元素である。Ｓｉが１％を超過すると、球状酸化物型介在物が増加して加工ガスに流入する可能性が高くなるので、Ｓｉの含量を１％以下に制限する。]
[0024] Ｍｎは、熱間加工性を阻害するＳを固定化させて熱間加工性を向上させる元素であり、０．５％以上が必要である。しかしながら、２％を超過して添加すると耐食性を阻害するので、０．５〜２％の範囲に制御する。]
[0025] ＰとＳは、熱間加工性と耐食性を阻害する元素であり、Ｐの含量及びＳの含量を、それぞれ０．０５％以下、０．０１％以下に制限する。]
[0026] Ｃｒは、ステンレス鋼の耐食性を付与する元素として配管内壁面の耐食性確保のためには１５％以上が必要である。しかしながら、３０％を超過すると、シグマ相のような金属間化合物の析出によって加工ガスに不純物が流入する。よって、Ｃｒの含量は１５〜３０％の範囲に制御する。]
[0027] Ｎｉは、オーステナイト相構造の確保のために７％以上確保されるべきである。しかしながら、２０％を超過すると、オーステナイト相安定度效果の変化がほとんどない反面、原料の価格が急激に増加する。よって、Ｎｉの含量は７〜２０％の範囲に制御する。]
[0028] Ｍｏは、耐食性を強化する元素である。しかしながら、４％を超過すると製造過程中でシグマ相が形成されて脆化（Ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ）が起きる。よって、Ｍｏ含量は４％以下に制限する。]
[0029] Ｃｕは、Ｎｉと類似にオーステナイト相を安定化させながら同時に鋼の軟性を向上させる元素である。しかしながら、３％を超過すると熱間圧延中に亀裂の発生がひどくなり、スリーバー欠陷が多くなる。よって、Ｃｕの含量は３％以下に制限する。]
[0030] Ｎも同様にオーステナイト相を安定化させる元素である。しかしながら、Ｎの含量が増加すると熱間加工性が減少し、０．０５％を超過するとスリーバー欠陷が急激に増加する。よって、Ｎの含量は０．０５％以下に制限する。]
[0031] Ｂは、熱間圧延過程でオーステナイト粒界を強化して表面亀裂の発生を抑制する元素である。しかしながら、０．０１％を超過すると、むしろ非常に高い温度で熱間加工性が急激に低下する。よって、Ｂの含量は０．０１％以下に制限する。]
[0032] Ｏは、熱間加工性を阻害し、かつ溶接スラグの発生によって溶接ビード進行の安全性を阻害する元素であり、その含量を０．０１％以下に制限する。]
[0033] Ｔｉは、本発明の特徴において重要な元素である。Ｔｉは、ＳとＯを固定して高温で結晶粒の成長を抑制することで、熱間加工性を向上させる效果によってオーステナイト系ステンレス鋼にたびたび意図的に添加される元素である。しかし、パイプの配管溶接時に窒素保護ガスを使う場合、Ｔｉ酸化物及びＴｉ窒化物を非常に早く形成し、図３に示すように配管内面にＴｉ酸化物及びＴｉ窒化物粒子が形成される。このようなＴｉ酸化物、Ｔｉ窒化物の形成を抑制するために、Ｔｉの含量を０．００５％以下の極めて低い水準に制限しなければならない。] 図３
[0034] Ａｌは、Ｏを固定することにより、熱間加工性を向上させる元素である。このような效果を得るためには、Ａｌの含量は０．００５％以上が必要である。しかしながら、０．０５％を超過すると溶接スラグが多くなって加工ガス中不純物の源泉として作用する。よって、Ａｌの含量は０．００５〜０．０５％範囲に制御する。]
[0035] Ｃａは、本発明の特徴において重要な元素である。Ｃａは、Ｓを固定することにより、熱間加工性を向上させる元素であり、かつその效果を得るためには、最低０．０００５％以上が必要である。しかしながら、Ｃａが０．００３％を超過すると、溶接時の非常に早い酸化反応と溶融金属中での損傷によって、図４から分かるように溶接ビードの表面にスラグの形成がひどくなり、酸洗や電解研磨によって除去されにくい不純物粒子を形成する。よって、Ｃａの含量は０．０００５〜０．００３％の範囲に厳密に制御しなければならない。] 図４
[0036] 以下、実施例を通じて本発明を説明する。]
[0037] 図５は、本発明と比較例に関する化学組成を持つオーステナイト系ステンレス鋼の連続鋳造スラブを、通常的なステンレス鋼製造工程によって加熱炉で１２４０℃に１８０〜２１０分間加熱した後、熱間造圧延と仕上げ圧延によって厚さ３〜４．５ｍｍに圧延し、焼鈍酸洗ラインで焼鈍熱処理と機械的な脱スケール及び化学的酸洗を経って熱延鋼帯に製造した。] 図５
[0038] この熱延鋼帯は、再度冷間圧延機で厚さ１．０〜２．０ｍｍに圧延して冷延焼鈍酸洗ラインで焼鈍熱処理と化学的酸洗を通じて最終冷延コイルに製造した。製造された冷延コイルに対して冷延焼鈍酸洗ラインでオンライン自動欠陷探傷機を使用したスリーバーの欠陥評価とガスタングステンアーク溶接を、Ａｒ保護ガスと窒素保護ガスを使う二つの条件で溶接試験した。これらの結果を下記表１に示した。]
[0039] 比較例１、比較例２、比較例４は、Ｔｉが０．００５重量％を超過して添加された事例であり、窒素保護ガスを使った溶接試験後ビードの表面にＴｉ窒化物と酸化物が観察された。比較例５と比較例６は、それぞれＡｌとＣａが本発明で限定した最大許容量を超過して含む鋼であり、保護ガスの種類に無関系にＡｌ酸化物とＣａ酸化物がビードの表面に形成された。また、比較例３は、ＴｉとＣａが極微量で、Ａｌが本発明で限定した最小必要量に達していない場合であり、熱間加工性の不足によって加工ガスの汚染を引き起こす内部の酸化物粒子を含むタイプ１のスリーバー欠陷が多量発生した。その反面、実施例１、実施例２、実施例３は本発明で限定した化学組成範囲を満足する場合であり、３ｍｍ以上の大きさを持つすべてのスリーバー欠陥数が５個／１００ｍ以下であり、タイプ１の欠陷が発生せず、Ａｒ保護ガス及び窒素保護ガス溶接でビードの表面に酸化物や窒化物などの不純物粒子の形成がなかった。]
[0040] ]
[0041] 以上のように詳細な説明と図面を通じて本発明の最適実施例を開示した。すべての用語は、単に本発明を説明するための目的で使用されており、意味限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使用されたものではない。本技術分野の通常の知識を持った者なら今後多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるという点を理解する。したがって本発明の真正な技術的保護範囲は添付された特許請求範囲の技術的思想によって決まらなければならない。また、本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲、又は明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者が様々な変形や変更が可能であり、かかる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。]

权利要求:

請求項1
重量％で、Ｃを０．１％以下、Ｓｉを１％以下、Ｍｎを０．５〜２％、Ｐを０．０５％以下、Ｓを０．０１％以下、Ｃｒを１５〜３０％、Ｎｉを７〜２０％、Ｍｏを４％以下、Ｃｕを３％以下、Ｎを０．０５％以下、Ｂを０．０１％以下、Ｏを０．０１％以下含み、かつ残部Ｆｅ及び不可避な不純物を含むオーステナイト系ステンレス鋼であって、Ｔｉの含量が０．００５％以下に、Ａｌの含量が０．００５〜０．０５％に、かつＣａの含量が０．０００５〜０．００３％に制限されている、高真空及び高純度ガス配管用のオーステナイト系ステンレス鋼。
請求項2
前記オーステナイト系ステンレス鋼冷延コイルの表面に圧延方向への長さ３ｍｍ以上のスリーバー欠陷が、コイル１００ｍ当たり５個未満である、請求項１に記載の高真空及び高純度ガス配管用のオーステナイト系ステンレス鋼。
請求項3
前記オーステナイト系ステンレス鋼のＡｒ保護ガス及び窒素保護ガス溶接時に、ビードの表面に酸化物及び窒化物が検出されない、請求項１に記載の高真空及び高純度ガス配管用のオーステナイト系ステンレス鋼。