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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023001714
(43)【公開日】2023-01-06
(54)【発明の名称】高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20221226BHJP
C22C 38/54 20060101ALI20221226BHJP
C22C 38/50 20060101ALI20221226BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 302Z
C22C38/54
C22C38/50
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021102611
(22)【出願日】2021-06-21
(71)【出願人】
【識別番号】000003713
【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100076473
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 昭夫
(74)【代理人】
【識別番号】100112900
【弁理士】
【氏名又は名称】江間 路子
(74)【代理人】
【識別番号】100198247
【弁理士】
【氏名又は名称】並河 伊佐夫
(72)【発明者】
【氏名】中村 優樹
(72)【発明者】
【氏名】永冶 仁
(57)【要約】
【課題】ＳＵＳ３１６Ｌに代表される既存のステンレス鋼よりも優れた耐食性を有する高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼は、質量%で、C:0%超～0.03%以下、Si:0%超～1.0%以下、Mn:0%超～1.5%以下、Ni:30.0%～45.0%、Cr:16.0%～25.0%、Mo:2.0%～8.0%、Nb+V:0.001～0.050%、を含有し、S:0.005%以下、P:0.030%以下、O:0.005%以下、N:0.020%以下、Ti:0.020%以下、Al:0.020%以下、に制限し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、下記式(a1)の指数Ｘが１００以上で、下記式(b1)の指数Ｙが３０以上であり、ASTM E45 A法において、Thinに分類される各種介在物の級別の合計が１．５以下で、Heavyに分類される各種介在物の級別の合計が１．０以下である。
X=3.6[Ni]+4.7[Mo]-[Cr]・・・式(a1)、Y=3.3[Mo]+[Cr]+16[N]・・・式(b1)
【選択図】 なし
【解決手段】高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼は、質量%で、C:0%超～0.03%以下、Si:0%超～1.0%以下、Mn:0%超～1.5%以下、Ni:30.0%～45.0%、Cr:16.0%～25.0%、Mo:2.0%～8.0%、Nb+V:0.001～0.050%、を含有し、S:0.005%以下、P:0.030%以下、O:0.005%以下、N:0.020%以下、Ti:0.020%以下、Al:0.020%以下、に制限し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、下記式(a1)の指数Ｘが１００以上で、下記式(b1)の指数Ｙが３０以上であり、ASTM E45 A法において、Thinに分類される各種介在物の級別の合計が１．５以下で、Heavyに分類される各種介在物の級別の合計が１．０以下である。
X=3.6[Ni]+4.7[Mo]-[Cr]・・・式(a1)、Y=3.3[Mo]+[Cr]+16[N]・・・式(b1)
【選択図】 なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量％で、
Ｃ：０％超～０．０３％以下、
Ｓｉ：０％超～１．０％以下、
Ｍｎ：０％超～１．５％以下、
Ｎｉ：３０．０％～４５．０％、
Ｃｒ：１６．０％～２５．０％、
Ｍｏ：２．０％～８．０％、
Ｎｂ＋Ｖ：０．００１～０．０５０％、
を含有し、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｏ：０．００５０％以下、
Ｎ：０．０２０％以下、
Ｔｉ：０．０２０％以下、
Ａｌ：０．０２０％以下、
に制限し、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
下記式（ａ１）の指数Ｘが１００以上であり、
下記式（ｂ１）の指数Ｙが３０以上であり、
ＡＳＴＭ Ｅ４５ Ａ法において、Ｔｈｉｎに分類される各種介在物の級別の合計が１．５以下であり、Ｈｅａｖｙに分類される各種介在物の級別の合計が、１．０以下である、高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
Ｘ＝3.6[Ni]＋4.7[Mo]－[Cr]・・・式（ａ１）
Ｙ＝3.3[Mo]＋[Cr]＋16[Ｎ]・・・式（ｂ１）
（但し、式中の[ ]は[ ]内元素の含有質量％を示す）
Ｃ：０％超～０．０３％以下、
Ｓｉ：０％超～１．０％以下、
Ｍｎ：０％超～１．５％以下、
Ｎｉ：３０．０％～４５．０％、
Ｃｒ：１６．０％～２５．０％、
Ｍｏ：２．０％～８．０％、
Ｎｂ＋Ｖ：０．００１～０．０５０％、
を含有し、
Ｓ：０．００５０％以下、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｏ：０．００５０％以下、
Ｎ：０．０２０％以下、
Ｔｉ：０．０２０％以下、
Ａｌ：０．０２０％以下、
に制限し、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
下記式（ａ１）の指数Ｘが１００以上であり、
下記式（ｂ１）の指数Ｙが３０以上であり、
ＡＳＴＭ Ｅ４５ Ａ法において、Ｔｈｉｎに分類される各種介在物の級別の合計が１．５以下であり、Ｈｅａｖｙに分類される各種介在物の級別の合計が、１．０以下である、高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
Ｘ＝3.6[Ni]＋4.7[Mo]－[Cr]・・・式（ａ１）
Ｙ＝3.3[Mo]＋[Cr]＋16[Ｎ]・・・式（ｂ１）
（但し、式中の[ ]は[ ]内元素の含有質量％を示す）
【請求項2】
請求項１において、質量％で
Ｔｉ＋Ａｌ＜０．０３０％に制限される、高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
Ｔｉ＋Ａｌ＜０．０３０％に制限される、高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項3】
請求項１または２において、質量％で
Ｃｕ：０％超～０．９０％、
Ｗ：０％超～２．００％、
Ｔａ：０％超～０．５０％、
の何れか１種または２種以上を更に含有し、
下記式（ａ２）の指数Ｘが１００以上であり、
下記式（ｂ２）の指数Ｙが３０以上である、高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
Ｘ＝3.6[Ni]＋4.7[Mo]－[Cr]＋11.5[Cu]・・・式（ａ２）
Ｙ＝3.3([Mo]＋0.5[W])＋[Cr]＋7.7[Ta]＋16[Ｎ]・・・式（ｂ２）
（但し、式中の[ ]は[ ]内元素の含有質量％を示し、含まない場合は０として計算する）
Ｃｕ：０％超～０．９０％、
Ｗ：０％超～２．００％、
Ｔａ：０％超～０．５０％、
の何れか１種または２種以上を更に含有し、
下記式（ａ２）の指数Ｘが１００以上であり、
下記式（ｂ２）の指数Ｙが３０以上である、高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
Ｘ＝3.6[Ni]＋4.7[Mo]－[Cr]＋11.5[Cu]・・・式（ａ２）
Ｙ＝3.3([Mo]＋0.5[W])＋[Cr]＋7.7[Ta]＋16[Ｎ]・・・式（ｂ２）
（但し、式中の[ ]は[ ]内元素の含有質量％を示し、含まない場合は０として計算する）
【請求項4】
請求項１～３の何れかにおいて、質量％で
Ｃａ：０％超～０．００１０％以下、
Ｍｇ：０％超～０．００１０％以下、
の何れか１種または２種を更に含有する、高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
Ｃａ：０％超～０．００１０％以下、
Ｍｇ：０％超～０．００１０％以下、
の何れか１種または２種を更に含有する、高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項5】
請求項１～４の何れかにおいて、質量％で
Ｂ：０．０００５％～０．０１０％
を更に含有する、高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
Ｂ：０．０００５％～０．０１０％
を更に含有する、高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
【請求項6】
請求項１～５の何れかにおいて、質量％で
Ｚｒ＋Ｙ：０％超～０．００６０％以下
を更に含有する、高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
Ｚｒ＋Ｙ：０％超～０．００６０％以下
を更に含有する、高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、半導体製造装置用のガス配管等に好適に用いられる高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【0002】
近年の半導体製造分野においては、著しい高集積化が進み、超ＬＳＩと称されるデバイスの製造では、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の製造プロセスでは微小な塵や微量不純物ガスが、製品の品質や歩留りに影響を与える。
【0003】
半導体製造用ガスとしては、塩素ガス、臭化水素ガス等が使用される。このためガス供給系を構成する部材には、腐食に伴なうガス汚染抑制のために、ＳＵＳ３１６Ｌに代表される高耐食なオーステナイト系ステンレス鋼が多用されている。更には、その表面を電解研摩によって平滑化した後、不動態化処理によりＣｒ酸化物を主体とする不動態皮膜を形成させるなどの表面処理が施される場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００５－１６３１６８号公報
【特許文献2】特開２０１５－１４０４４９号公報
【特許文献3】特開２０１２－２０７２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、電解研磨や不動態化処理などの表面処理が施された場合であっても、対象部分全体を均一に表面処理することは難しく、処理が適切に行われなかった部分から局所的な腐食が発生したり、また、部品組み付け時に施される曲げ加工や溶接により、不動態被膜の一部が欠損し、耐食性が著しく低下してしまうなどの問題があり、材料自体の耐食性を更に高めることが求められていた。
【0006】
尚、半導体製造装置用のガス配管等に好適に用いられる高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼に関する関連技術として、上記特許文献１～３に記載されたものがある。しかしながら、これら特許文献には本発明の請求項を満たす化学組成の開示はなく、本発明とは異なっている。
【0007】
本発明は以上のような事情を背景とし、ＳＵＳ３１６Ｌに代表される既存のステンレス鋼よりも優れた耐食性を有する高清浄度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】
【0008】
本発明者らがＡＳＴＭ Ｇ１５０に従って各種鋼材についての耐食性評価を実施したところ、高清浄のＳＵＳ３１６Ｌに電解研磨および不動態化処理を施した試験片での臨界孔食温度（ＣＰＴ）は３５℃程度であった。また表面処理を実施していない素地状態の試験片のＣＰＴは１５℃程度、溶接熱の影響を受けた溶接部の試験片のＣＰＴは１５℃以下であった。これに対し、本発明者らはステンレス鋼における合金成分および非金属介在物量を最適化することで、通常であればＣＰＴ値が低下する素地部および溶接部においてＣＰＴ４０℃以上を発現し得るとの知見を得た。このような知見に基づいて、合金成分および非金属介在物量の最適化を図ったのが本発明である。
【0009】
而して本発明の要旨は、次の通りである。
【0010】
［１］ 質量％で、Ｃ：０％超～０．０３％以下、Ｓｉ：０％超～１．０％以下、Ｍｎ：０％超～１．５％以下、Ｎｉ：３０．０％～４５．０％、Ｃｒ：１６．０％～２５．０％、Ｍｏ：２．０％～８．０％、Ｎｂ＋Ｖ：０．００１～０．０５０％、を含有し、
Ｓ：０．００５０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｏ：０．００５０％以下、Ｎ：０．０２０％以下、Ｔｉ：０．０２０％以下、Ａｌ：０．０２０％以下、に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
下記式（ａ１）の指数Ｘが１００以上であり、
下記式（ｂ１）の指数Ｙが３０以上であり、
ＡＳＴＭ Ｅ４５ Ａ法において、Ｔｈｉｎに分類される各種介在物の級別の合計が１．５以下であり、Ｈｅａｖｙに分類される各種介在物の級別の合計が、１．０以下である、高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
Ｘ＝3.6[Ni]＋4.7[Mo]－[Cr]・・・式（ａ１）
Ｙ＝3.3[Mo]＋[Cr]＋16[Ｎ]・・・式（ｂ１）
（但し、式中の[ ]は[ ]内元素の含有質量％を示す）
Ｓ：０．００５０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｏ：０．００５０％以下、Ｎ：０．０２０％以下、Ｔｉ：０．０２０％以下、Ａｌ：０．０２０％以下、に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
下記式（ａ１）の指数Ｘが１００以上であり、
下記式（ｂ１）の指数Ｙが３０以上であり、
ＡＳＴＭ Ｅ４５ Ａ法において、Ｔｈｉｎに分類される各種介在物の級別の合計が１．５以下であり、Ｈｅａｖｙに分類される各種介在物の級別の合計が、１．０以下である、高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
Ｘ＝3.6[Ni]＋4.7[Mo]－[Cr]・・・式（ａ１）
Ｙ＝3.3[Mo]＋[Cr]＋16[Ｎ]・・・式（ｂ１）
（但し、式中の[ ]は[ ]内元素の含有質量％を示す）
【0011】
［２］ 質量％で、Ｔｉ＋Ａｌ＜０．０３０％に制限される、［１］に記載の高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
【0012】
［３］ 質量％で、Ｃｕ：０％超～０．９０％、Ｗ：０％超～２．００％、Ｔａ：０％超～０．５０％、の何れか１種または２種以上を更に含有し、
下記式（ａ２）の指数Ｘが１００以上であり、下記式（ｂ２）の指数Ｙが３０以上である、［１］，［２］の何れかに記載の高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
Ｘ＝3.6[Ni]＋4.7[Mo]－[Cr]＋11.5[Cu]・・・式（ａ２）
Ｙ＝3.3([Mo]＋0.5[W])＋[Cr]＋7.7[Ta]＋16[Ｎ]・・・式（ｂ２）
（但し、式中の[ ]は[ ]内元素の含有質量％を示し、含まない場合は０として計算する）
下記式（ａ２）の指数Ｘが１００以上であり、下記式（ｂ２）の指数Ｙが３０以上である、［１］，［２］の何れかに記載の高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
Ｘ＝3.6[Ni]＋4.7[Mo]－[Cr]＋11.5[Cu]・・・式（ａ２）
Ｙ＝3.3([Mo]＋0.5[W])＋[Cr]＋7.7[Ta]＋16[Ｎ]・・・式（ｂ２）
（但し、式中の[ ]は[ ]内元素の含有質量％を示し、含まない場合は０として計算する）
【0013】
［４］ 質量％で、Ｃａ：０％超～０．００１０％以下、Ｍｇ：０％超～０．００１０％以下、の何れか１種または２種を更に含有する、［１］～［３］の何れかに記載の高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
【0014】
［５］ 質量％で、Ｂ：０．０００５％～０．０１０％を更に含有する、［１］～［４］の何れかに記載の高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
【0015】
［６］ 質量％で、Ｚｒ＋Ｙ：０％超～０．００６％以下を更に含有する、［１］～［５］の何れかに記載の高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、ＳＵＳ３１６Ｌに代表される既存のステンレス鋼よりも優れた耐食性を有する高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】耐食性評価に用いられる鋼板についての説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
本実施形態の高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼における各化学成分等の限定理由を以下に詳述する。尚、以降の説明では、特にことわりがない限り「％」は「質量％」を意味するものとする。
【0019】
Ｃ：０％超～０．０３％以下
Ｃは、オーステナイト相を安定化する元素である。更に、Ｃは固溶強化に寄与し、合金強度を高める効果を有する。一方、溶接及び不適切な熱処理により、Ｃｒ炭化物を析出させ、耐食性及び靭性を劣化させるので、０．０３％以下に制限する。好ましくは、０．００５％～０．０１５％である。
Ｃは、オーステナイト相を安定化する元素である。更に、Ｃは固溶強化に寄与し、合金強度を高める効果を有する。一方、溶接及び不適切な熱処理により、Ｃｒ炭化物を析出させ、耐食性及び靭性を劣化させるので、０．０３％以下に制限する。好ましくは、０．００５％～０．０１５％である。
【0020】
Ｓｉ：０％超～１．０％以下
Ｓｉは脱酸に寄与し、鋼中の酸化物系介在物を低減するのに有効である。一方、その含有量が１．０％を超えるとＳｉ自身が介在物を形成し、清浄度が劣化するため、Ｓｉの含有量は１．０％以下とする。
Ｓｉは脱酸に寄与し、鋼中の酸化物系介在物を低減するのに有効である。一方、その含有量が１．０％を超えるとＳｉ自身が介在物を形成し、清浄度が劣化するため、Ｓｉの含有量は１．０％以下とする。
【0021】
Ｍｎ：０％超～１．５％以下
Ｍｎは脱酸に寄与し、鋼中の酸化物系介在物を低減するのに有効である。一方で、過剰に添加すると硫化物を形成して耐食性を著しく低下させる。また、溶接時にヒュームが発生し、材料表面の清浄度の低下を招くため、Ｍｎの含有量は、１．５％以下とする。好ましくは、１．０％以下である。
Ｍｎは脱酸に寄与し、鋼中の酸化物系介在物を低減するのに有効である。一方で、過剰に添加すると硫化物を形成して耐食性を著しく低下させる。また、溶接時にヒュームが発生し、材料表面の清浄度の低下を招くため、Ｍｎの含有量は、１．５％以下とする。好ましくは、１．０％以下である。
【0022】
Ｎｉ：３０．０％～４５．０％
Ｎｉはオーステナイト相安定化元素であり、オーステナイト単相を得るために必要不可欠である。また、耐食性を向上させる上で重要な元素である。ここでＮｉ量が少ないと熱間加工性の低下、溶接部での耐食性および靭性の低下を招くため、Ｎｉ量は３０．０％以上とする。好ましくは３３．０％以上、より好ましくは３６．０％以上である。
但し、Ｎｉの過剰な添加は原料コストの増加と加工性の低下を招くため、Ｎｉ量の上限を４５．０％とする。好ましくは４０．０％である。
Ｎｉはオーステナイト相安定化元素であり、オーステナイト単相を得るために必要不可欠である。また、耐食性を向上させる上で重要な元素である。ここでＮｉ量が少ないと熱間加工性の低下、溶接部での耐食性および靭性の低下を招くため、Ｎｉ量は３０．０％以上とする。好ましくは３３．０％以上、より好ましくは３６．０％以上である。
但し、Ｎｉの過剰な添加は原料コストの増加と加工性の低下を招くため、Ｎｉ量の上限を４５．０％とする。好ましくは４０．０％である。
【0023】
Ｃｒ：１６．０％～２５．０％
Ｃｒは耐食性を向上させる上で重要な元素である。優れた耐食性を確保するためには、１６．０％以上が必要である。但し、過剰な含有は金属間化合物が析出しやすくなり、加工が困難となる。また溶接部での耐食性が劣化する。このためＣｒ量の上限は２５．０％とする。
Ｃｒは耐食性を向上させる上で重要な元素である。優れた耐食性を確保するためには、１６．０％以上が必要である。但し、過剰な含有は金属間化合物が析出しやすくなり、加工が困難となる。また溶接部での耐食性が劣化する。このためＣｒ量の上限は２５．０％とする。
【0024】
Ｍｏ：２．０％～８．０％
Ｍｏは耐食性を向上させる上で重要な元素である。優れた耐食性を確保するためには、２．０％以上が必要である。更に、ハロゲン系元素が存在する環境下で耐食性を確保するためには３．０％以上が好ましく、より好ましい含有量は３．５％以上、一層好ましい含有量は４．０％以上である。但し、過剰な含有は金属間化合物を析出しやすくなり、熱間加工性が低下するとともに溶接部での靭性低下を招く。このためＭｏ量の上限は８．０％とする。好ましくは７．０％、より好ましくは６．０％である。
Ｍｏは耐食性を向上させる上で重要な元素である。優れた耐食性を確保するためには、２．０％以上が必要である。更に、ハロゲン系元素が存在する環境下で耐食性を確保するためには３．０％以上が好ましく、より好ましい含有量は３．５％以上、一層好ましい含有量は４．０％以上である。但し、過剰な含有は金属間化合物を析出しやすくなり、熱間加工性が低下するとともに溶接部での靭性低下を招く。このためＭｏ量の上限は８．０％とする。好ましくは７．０％、より好ましくは６．０％である。
【0025】
Ｎｂ＋Ｖ：０．００１～０．０５０％
Ｎｂ、Ｖは強力な炭化物形成元素で、Ｃの安定化を図ってＣｒ炭化物の析出を抑制し、溶接部の耐食性劣化を防ぐ。この効果を得るため、Ｎｂ、Ｖの１種または２種を０．００１％以上含有させる。但し、過剰な含有は介在物の形成を引き起こし、清浄度の悪化を招くため、Ｎｂ、Ｖの１種または２種の上限は０．０５０％とする。
Ｎｂ、Ｖは強力な炭化物形成元素で、Ｃの安定化を図ってＣｒ炭化物の析出を抑制し、溶接部の耐食性劣化を防ぐ。この効果を得るため、Ｎｂ、Ｖの１種または２種を０．００１％以上含有させる。但し、過剰な含有は介在物の形成を引き起こし、清浄度の悪化を招くため、Ｎｂ、Ｖの１種または２種の上限は０．０５０％とする。
【0026】
Ｓ：０．００５０％以下
Ｓは不純物元素であり、加工性及び耐食性を劣化させる。このため、Ｓ量は極力低減させるのが望ましく０．００５０％以下に制限する。なお、Ｓは不純物元素であるため下限はなく、０％でもよい。
Ｓは不純物元素であり、加工性及び耐食性を劣化させる。このため、Ｓ量は極力低減させるのが望ましく０．００５０％以下に制限する。なお、Ｓは不純物元素であるため下限はなく、０％でもよい。
【0027】
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは不純物元素であり、加工性及び耐食性を劣化させる。このため、Ｐ量は極力低減させるのが望ましく０．０３０％以下に制限する。なお、Ｐは不純物元素であるため下限はなく、０％でもよい。
Ｐは不純物元素であり、加工性及び耐食性を劣化させる。このため、Ｐ量は極力低減させるのが望ましく０．０３０％以下に制限する。なお、Ｐは不純物元素であるため下限はなく、０％でもよい。
【0028】
Ｏ：０．００５０％以下
Ｏは不純物元素であり、酸化物系の介在物を生成して鋼の清浄度を大きく低下させる。このため、Ｏ量は極力低減させるのが望ましく０．００５０％以下に制限する。なお、Ｏは不純物元素であるため下限はなく、０％でもよい。
Ｏは不純物元素であり、酸化物系の介在物を生成して鋼の清浄度を大きく低下させる。このため、Ｏ量は極力低減させるのが望ましく０．００５０％以下に制限する。なお、Ｏは不純物元素であるため下限はなく、０％でもよい。
【0029】
Ｎ：０．０２０％以下
Ｎは耐食性を向上させる元素であるが、窒化物系の介在物を生成して鋼の清浄度を大きく低下させる。このため、Ｎ量は極力低減させるのが望ましく０．０２０％以下に制限する。なお、Ｎは不純物元素であるため下限はなく、０％でもよい。
Ｎは耐食性を向上させる元素であるが、窒化物系の介在物を生成して鋼の清浄度を大きく低下させる。このため、Ｎ量は極力低減させるのが望ましく０．０２０％以下に制限する。なお、Ｎは不純物元素であるため下限はなく、０％でもよい。
【0030】
Ｔｉ：０．０２０％以下
Ｔｉは強力な炭化物形成元素であり、Ｃｒ炭化物の析出を防止し、耐食性および靭性の低下を防ぐ効果を有する。但し、窒化物および硫化物を生成し鋼の清浄度と耐食性を著しく低下させるため、本例では０．０２０％以下に制限する。なお、Ｔｉは不純物元素であるため下限はなく、０％でもよい。
Ｔｉは強力な炭化物形成元素であり、Ｃｒ炭化物の析出を防止し、耐食性および靭性の低下を防ぐ効果を有する。但し、窒化物および硫化物を生成し鋼の清浄度と耐食性を著しく低下させるため、本例では０．０２０％以下に制限する。なお、Ｔｉは不純物元素であるため下限はなく、０％でもよい。
【0031】
Ａｌ：０．０２０％以下
Ａｌは脱酸に寄与し、鋼中の酸化物系介在物を低減するのに有効である。但し、その含有量が０．０２０％を超えるとＡｌ自身が介在物を形成し、清浄度が劣化するため、０．０２０％以下に制限する。なお、Ａｌは不純物元素であるため下限はなく、０％でもよい。
本例では、これらＴｉおよびＡｌの合計含有量（Ｔｉ＋Ａｌ）を０．０３０％未満に制限することが好ましい。
Ａｌは脱酸に寄与し、鋼中の酸化物系介在物を低減するのに有効である。但し、その含有量が０．０２０％を超えるとＡｌ自身が介在物を形成し、清浄度が劣化するため、０．０２０％以下に制限する。なお、Ａｌは不純物元素であるため下限はなく、０％でもよい。
本例では、これらＴｉおよびＡｌの合計含有量（Ｔｉ＋Ａｌ）を０．０３０％未満に制限することが好ましい。
【0032】
指数Ｘが１００以上、但し、Ｘ＝3.6[Ni]＋4.7[Mo]－[Cr]・・・式（ａ１）
指数Ｘは、全面腐食に対する指数である。指数Ｘが１００未満であると、不動態皮膜が形成され難い希硫酸や塩酸環境下などで母材の耐食性を確保できず、粒界腐食および全面腐食が生じやすくなる。このため、本例では指数Ｘを１００以上としている。この指数Ｘは１１５以上とするのが好ましく、１２５以上とするのがより好ましい。なお、指数Ｘの上限は、特に規定しないが、通常、１５５以下になると考えられる。
指数Ｘは、全面腐食に対する指数である。指数Ｘが１００未満であると、不動態皮膜が形成され難い希硫酸や塩酸環境下などで母材の耐食性を確保できず、粒界腐食および全面腐食が生じやすくなる。このため、本例では指数Ｘを１００以上としている。この指数Ｘは１１５以上とするのが好ましく、１２５以上とするのがより好ましい。なお、指数Ｘの上限は、特に規定しないが、通常、１５５以下になると考えられる。
【0033】
指数Ｙが３０以上、但し、Ｙ＝3.3[Mo]＋[Cr]＋16[Ｎ]・・・式（ｂ１）
指数Ｙは、局所腐食に対する指数である。指数Ｙが３０未満であると、ハロゲン系元素が存在する環境下で局所的に不動態皮膜が破壊され、点または孔状に深く侵食される局所腐食が生じやすくなる。このため、本例では指数Ｙを３０以上としている。この指数Ｙは３５以上とするのが好ましい。なお、指数Ｙの上限は、特に規定しないが、通常、４５以下になると考えられる。
指数Ｙは、局所腐食に対する指数である。指数Ｙが３０未満であると、ハロゲン系元素が存在する環境下で局所的に不動態皮膜が破壊され、点または孔状に深く侵食される局所腐食が生じやすくなる。このため、本例では指数Ｙを３０以上としている。この指数Ｙは３５以上とするのが好ましい。なお、指数Ｙの上限は、特に規定しないが、通常、４５以下になると考えられる。
【0034】
ＡＳＴＭ Ｅ４５ Ａ法においてＴｈｉｎに分類される各種介在物の級別の合計が１．５以下で、Ｈｅａｖｙに分類される各種介在物の級別の合計が、１．０以下
非金属介在物が鋼材の表面に存在すると、非金属介在物を起点として腐食が進行する場合がある。このため、本例では各種介在物をＴｈｉｎとＨｅａｖｙに区分し、Ｔｈｉｎに分類される各種介在物の級別（Rating）の合計を１．５以下とし、またＨｅａｖｙに分類される各種介在物の級別の合計を１．０以下とすることで、各種介在物に起因する耐食性の低下を抑制することができる。
非金属介在物が鋼材の表面に存在すると、非金属介在物を起点として腐食が進行する場合がある。このため、本例では各種介在物をＴｈｉｎとＨｅａｖｙに区分し、Ｔｈｉｎに分類される各種介在物の級別（Rating）の合計を１．５以下とし、またＨｅａｖｙに分類される各種介在物の級別の合計を１．０以下とすることで、各種介在物に起因する耐食性の低下を抑制することができる。
【0035】
ここで対象となる介在物は、Ａ系介在物（硫化物系）、Ｂ系介在物（アルミナ系）、Ｃ系介在物（シリケート系）、Ｄ系介在物（粒状酸化物系）の４種である。
【0036】
本実施形態の高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼は、上記した元素以外は、Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。但し、本実施形態の技術特徴が奏する効果を阻害しない範囲で、上記以外の以下に記載する元素を、選択的に含有させることができる。以下に選択元素についての限定理由を記載する。
【0037】
Ｃｕ：０％超～０．９０％、Ｗ：０％超～２．００％、Ｔａ：０％超～０．５０％
Ｃｕ、Ｗ、Ｔａは耐食性を向上させる元素であり、必要に応じて１種または２種以上を含有させることができる。但し、Ｃｕの過剰な含有は溶接時にヒュームを発生し、材料表面の清浄度を低下させるため、その上限を０．９０％とする。Ｗの過剰な含有は原料コストの増加と熱間加工性の低下を招くため、その上限を２．００％とする。また、Ｔａの過剰な含有は原料コストの増加と炭化形成による清浄度の低下を招くため、その上限を０．５０％とする。
Ｃｕ、Ｗ、Ｔａは耐食性を向上させる元素であり、必要に応じて１種または２種以上を含有させることができる。但し、Ｃｕの過剰な含有は溶接時にヒュームを発生し、材料表面の清浄度を低下させるため、その上限を０．９０％とする。Ｗの過剰な含有は原料コストの増加と熱間加工性の低下を招くため、その上限を２．００％とする。また、Ｔａの過剰な含有は原料コストの増加と炭化形成による清浄度の低下を招くため、その上限を０．５０％とする。
【0038】
これらＣｕ、Ｗ、Ｔａは全面腐食または局所腐食に影響を与える元素であるため、これら元素の何れかが添加された場合には上記式（ａ１）および式（ｂ１）に換えて、下記式（ａ２）および式（ｂ２）を適用する。
Ｘ＝3.6[Ni]＋4.7[Mo]－[Cr]＋11.5[Cu]・・・式（ａ２）
Ｙ＝3.3([Mo]＋0.5[W])＋[Cr]＋7.7[Ta]＋16[Ｎ]・・・式（ｂ２）
（但し、式中の[ ]は[ ]内元素の含有質量％を示し、含まない場合は０として計算する）
Ｘ＝3.6[Ni]＋4.7[Mo]－[Cr]＋11.5[Cu]・・・式（ａ２）
Ｙ＝3.3([Mo]＋0.5[W])＋[Cr]＋7.7[Ta]＋16[Ｎ]・・・式（ｂ２）
（但し、式中の[ ]は[ ]内元素の含有質量％を示し、含まない場合は０として計算する）
【0039】
Ｃａ：０％超～０．００１０％以下、Ｍｇ：０％超～０．００１０％以下
Ｃａ、Ｍｇは硫化物を形成しＳを安定化させることで、Ｓによる熱間加工性の劣化を防止する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。但し、何れの元素も過剰な添加は、耐食性の著しい低下を招くため、これら元素の含有量は０．００１０％以下とする。好ましくは、０．０００５％以下、より好ましくは０．０００２％以下である。
Ｃａ、Ｍｇは硫化物を形成しＳを安定化させることで、Ｓによる熱間加工性の劣化を防止する効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。但し、何れの元素も過剰な添加は、耐食性の著しい低下を招くため、これら元素の含有量は０．００１０％以下とする。好ましくは、０．０００５％以下、より好ましくは０．０００２％以下である。
【0040】
Ｂ：０．０００５％～０．０１０％
Ｂは熱間加工性の向上を目的に、０．０００５％以上含有させてもよい。但し、過剰な添加は加工性を劣化させるため、その含有量は０．０１０％以下とする。
Ｂは熱間加工性の向上を目的に、０．０００５％以上含有させてもよい。但し、過剰な添加は加工性を劣化させるため、その含有量は０．０１０％以下とする。
【0041】
Ｚｒ＋Ｙ：０％超～０．００６０％以下
Ｚｒ、Ｙは熱間加工性の向上を目的に含有させてもよい。但し、過剰に添加すると介在物を形成し清浄度を劣化させるため、Ｚｒ、Ｙの１種または２種を合計で０．００６０％以下とする。
Ｚｒ、Ｙは熱間加工性の向上を目的に含有させてもよい。但し、過剰に添加すると介在物を形成し清浄度を劣化させるため、Ｚｒ、Ｙの１種または２種を合計で０．００６０％以下とする。
【0042】
次に、本実施形態の高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼の製造方法について説明する。上記のように規定された合金成分を得るための必要な原材料を、アーク炉、誘導炉または真空誘導炉で溶解し、精錬を行なう。精錬は、ＡＯＤ（Argon-Oxygen-Decarburization）法、ＶＯＤ（Vacuum-Oxygen-Decarburization）法等が適用可能である。得られたインゴットについては、エレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）もしくは真空アーク再溶解（ＶＡＲ）により１回以上の再溶解を行うことも可能である。これにより清浄度の向上を図ることができる。その後、型内に注湯し、凝固させることで鋼塊が形成される。その後、所定の温度領域で所定時間保持した後、熱間圧延または熱間鍛造を施すことで本実施形態の高清浄度オーステナイト系ステンレス鋼からなる熱間加工用の素材が製造される。
【実施例0043】
次に、本発明の実施例を以下に説明する。ここでは、下記表１に示す発明鋼２２種および下記表２に示す比較鋼１５種（計３７鋼種）について供試材を作製し、清浄度および耐食性の評価を行った。なお、表２に示す比較鋼１は、ＪＩＳ ＳＵＳ３１６Ｌ相当材である。他の比較鋼は、比較鋼１よりも本発明鋼に近い鋼種であるが、何れかの元素含有量が本発明の範囲を外れている。
【0044】
【表1】
【0045】
【表2】
【0046】
１．供試材の作製
上記表１、表２に示す所定の成分となるように配合された原料を真空誘導加熱炉で１次溶解した後、真空アーク再溶解炉によって二次溶解を実施した。二次溶解後の鋳鋼を熱間鍛造および熱間圧延し、厚さ１０ｍｍの鋼とした後、１１００℃で溶体化処理を施した鋼板を供試材とした。また、下記溶接に用いる溶接棒は、発明鋼２の熱間鍛造品の１部を伸線圧延して作製した。
上記表１、表２に示す所定の成分となるように配合された原料を真空誘導加熱炉で１次溶解した後、真空アーク再溶解炉によって二次溶解を実施した。二次溶解後の鋳鋼を熱間鍛造および熱間圧延し、厚さ１０ｍｍの鋼とした後、１１００℃で溶体化処理を施した鋼板を供試材とした。また、下記溶接に用いる溶接棒は、発明鋼２の熱間鍛造品の１部を伸線圧延して作製した。
【0047】
２．評価
２－１．清浄度評価
得られた供試材から試験片を採取して、清浄度をＡＳＴＭ Ｅ４５ Ａ法に従い評価した。Ａ系介在物（硫化物系）、Ｂ系介在物（アルミナ系）、Ｃ系介在物（シリケート系）、Ｄ系介在物（粒状酸化物系）の合計４種に分類される介在物それぞれについて、介在物の厚さまたは大きさでＴｈｉｎとＨｅａｖｙに区分し、それぞれ級別した。詳しくは、被検面積１６０ｍｍ2の全面を倍率１００倍で観察し、各介在物の種類毎に最悪視野を標準図と照合して、適合する級別番号（級別番号は０、０．５、１、１．５、２の何れかである）を求めた。
そして、得られた級別番号をＴｈｉｎとＨｅａｖｙ毎に合計し、下記表３に従って清浄度を判定した。これらの結果を下記表４に示す。例えば、表４において発明鋼１をみると、Ｔｈｉｎに区分されたＡ系～Ｄ系介在物の級別の合計が０．５（判定◎）で、またＨｅａｖｙに区分されたＡ系～Ｄ系介在物の級別の合計が０．０（判定◎）であることが分かる。
２－１．清浄度評価
得られた供試材から試験片を採取して、清浄度をＡＳＴＭ Ｅ４５ Ａ法に従い評価した。Ａ系介在物（硫化物系）、Ｂ系介在物（アルミナ系）、Ｃ系介在物（シリケート系）、Ｄ系介在物（粒状酸化物系）の合計４種に分類される介在物それぞれについて、介在物の厚さまたは大きさでＴｈｉｎとＨｅａｖｙに区分し、それぞれ級別した。詳しくは、被検面積１６０ｍｍ2の全面を倍率１００倍で観察し、各介在物の種類毎に最悪視野を標準図と照合して、適合する級別番号（級別番号は０、０．５、１、１．５、２の何れかである）を求めた。
そして、得られた級別番号をＴｈｉｎとＨｅａｖｙ毎に合計し、下記表３に従って清浄度を判定した。これらの結果を下記表４に示す。例えば、表４において発明鋼１をみると、Ｔｈｉｎに区分されたＡ系～Ｄ系介在物の級別の合計が０．５（判定◎）で、またＨｅａｖｙに区分されたＡ系～Ｄ系介在物の級別の合計が０．０（判定◎）であることが分かる。
【0048】
【表3】
【0049】
２－２．表面処理
供試材から寸法：５０ｍｍ×５０ｍｍの鋼板を採取して、表面を機械切削し厚さ８ｍｍに加工した後、電解研磨処理によりＲａＡｖｇ．≦０．１３μｍ、ＲａＭａｘ．≦０．２５μｍ、ＲｙＭａｘ．≦２．５０μｍになるように平滑化し、その後、硝酸水溶液を用いて不動態化処理を施し、耐食性評価用の鋼板を作製した。
供試材から寸法：５０ｍｍ×５０ｍｍの鋼板を採取して、表面を機械切削し厚さ８ｍｍに加工した後、電解研磨処理によりＲａＡｖｇ．≦０．１３μｍ、ＲａＭａｘ．≦０．２５μｍ、ＲｙＭａｘ．≦２．５０μｍになるように平滑化し、その後、硝酸水溶液を用いて不動態化処理を施し、耐食性評価用の鋼板を作製した。
【0050】
２－３．溶接
実際の接手部などの鋼管においては、溶接時に発生したヒュームが鋼管内部に付着して耐食性を低下させる。ここでは、鋼管内部のヒュームの付着を鋼板で再現するため、図１で示すように、供試材から採取した寸法：２５ｍｍ×２５ｍｍの鋼板２，３を、１０ｍｍ離して向かい合わせた状態で、鋼板２，３のそれぞれ対向する位置に、前記発明鋼２を用いて作製された溶接棒を用いて溶接を実施し、耐食性評価用の鋼板を作製した。詳しくは、鋼板２を溶接した際のヒュームの付着が想定される鋼板３の内側の面３ａを下記耐食性評価の対象とした。
実際の接手部などの鋼管においては、溶接時に発生したヒュームが鋼管内部に付着して耐食性を低下させる。ここでは、鋼管内部のヒュームの付着を鋼板で再現するため、図１で示すように、供試材から採取した寸法：２５ｍｍ×２５ｍｍの鋼板２，３を、１０ｍｍ離して向かい合わせた状態で、鋼板２，３のそれぞれ対向する位置に、前記発明鋼２を用いて作製された溶接棒を用いて溶接を実施し、耐食性評価用の鋼板を作製した。詳しくは、鋼板２を溶接した際のヒュームの付着が想定される鋼板３の内側の面３ａを下記耐食性評価の対象とした。
【0051】
２－４．耐食性評価
前記供試材における素地状態の鋼板（素地部）、前記表面処理が行われた鋼板（表面処理部）、前記溶接が行われた鋼板（溶接部）について、耐食性をＡＳＴＭ Ｇ１５０法に従い評価した。評価は、それぞれ５回行い、最も低いＣＰＴの結果を各発明鋼（もしくは比較鋼）のＣＰＴとした。
耐食性についての判定は、
ＣＰＴが２０℃未満であった場合を「×」、
ＣＰＴが２０℃以上４０度未満であった場合を「△」、
ＣＰＴが４０℃以上６０度未満であった場合を「○」、
ＣＰＴが６０℃以上であった場合を「◎」、とした。
これら評価の結果を下記表４に示す。
前記供試材における素地状態の鋼板（素地部）、前記表面処理が行われた鋼板（表面処理部）、前記溶接が行われた鋼板（溶接部）について、耐食性をＡＳＴＭ Ｇ１５０法に従い評価した。評価は、それぞれ５回行い、最も低いＣＰＴの結果を各発明鋼（もしくは比較鋼）のＣＰＴとした。
耐食性についての判定は、
ＣＰＴが２０℃未満であった場合を「×」、
ＣＰＴが２０℃以上４０度未満であった場合を「△」、
ＣＰＴが４０℃以上６０度未満であった場合を「○」、
ＣＰＴが６０℃以上であった場合を「◎」、とした。
これら評価の結果を下記表４に示す。
【0052】
【表4】
【0053】
表４の評価結果により、以下のことが分かる。
比較鋼１は、ＳＵＳ３１６Ｌ相当材である。比較鋼１はＮｉ量が略１３．５％と少ないため耐食性が不足しており、素地部、表面処理部、溶接部の何れも目標のＣＰＴ４０℃を満足できていない。
比較鋼２は、Ｃ量が本発明の上限を上回っており清浄度が悪化している。このため溶接部におけるＣＰＴが低い。
比較鋼１は、ＳＵＳ３１６Ｌ相当材である。比較鋼１はＮｉ量が略１３．５％と少ないため耐食性が不足しており、素地部、表面処理部、溶接部の何れも目標のＣＰＴ４０℃を満足できていない。
比較鋼２は、Ｃ量が本発明の上限を上回っており清浄度が悪化している。このため溶接部におけるＣＰＴが低い。
【0054】
比較鋼３は、Ｓｉ量が本発明の上限を上回っており、溶接部におけるＣＰＴが低い。
比較鋼４は、Ｍｎ量が本発明の上限を上回っており清浄度が悪化している。このため素地部及び溶接部におけるＣＰＴが低い。
比較鋼４は、Ｍｎ量が本発明の上限を上回っており清浄度が悪化している。このため素地部及び溶接部におけるＣＰＴが低い。
【0055】
比較鋼５は、Ｍｏ量が本発明の下限を下回っており指数Ｙが低い。このため素地部及び溶接部におけるＣＰＴが低い。
比較鋼６は、Ｃｒ量が本発明の下限を下回っている。清浄度の悪化はないが素地部及び溶接部におけるＣＰＴが低い。
比較鋼６は、Ｃｒ量が本発明の下限を下回っている。清浄度の悪化はないが素地部及び溶接部におけるＣＰＴが低い。
【0056】
比較鋼７は、Ｎｉ量が本発明の下限を下回っている。清浄度の悪化はないが素地部及び溶接部におけるＣＰＴが低い。
比較鋼８は、Ｔｉ量が本発明の上限を上回っており清浄度が悪化している。このため素地部及び溶接部におけるＣＰＴが低い。
比較鋼８は、Ｔｉ量が本発明の上限を上回っており清浄度が悪化している。このため素地部及び溶接部におけるＣＰＴが低い。
【0057】
比較鋼９は、Ａｌ量が本発明の上限を上回っており清浄度が悪化している。このため素地部及び溶接部におけるＣＰＴが低い。
比較鋼１０は、Ｓ量が本発明の上限を上回っており、素地部、表面処理部、溶接部の何れも目標のＣＰＴ４０℃を満足できていない。
比較鋼１０は、Ｓ量が本発明の上限を上回っており、素地部、表面処理部、溶接部の何れも目標のＣＰＴ４０℃を満足できていない。
【0058】
比較鋼１１は、Ｏ量が本発明の上限を上回っており清浄度が悪化している。このため素地部及び溶接部におけるＣＰＴが低い。
比較鋼１２は、Ｎ量が本発明の上限を上回っており清浄度が悪化している。このため素地部及び溶接部におけるＣＰＴが低い。
比較鋼１２は、Ｎ量が本発明の上限を上回っており清浄度が悪化している。このため素地部及び溶接部におけるＣＰＴが低い。
【0059】
比較鋼１３は、Ｎｂ＋Ｖ量が本発明の上限を上回っており清浄度が悪化している。このため素地部及び溶接部におけるＣＰＴが低い。
比較鋼１４はＣａ量が本発明の上限を上回っており、比較鋼１５はＭｇ量が本発明の上限を上回っている。これら比較鋼１４，１５は素地部、表面処理部、溶接部の何れもＣＰＴが低い。
比較鋼１４はＣａ量が本発明の上限を上回っており、比較鋼１５はＭｇ量が本発明の上限を上回っている。これら比較鋼１４，１５は素地部、表面処理部、溶接部の何れもＣＰＴが低い。
【0060】
これに対し、鋼の化学組成および清浄度が本発明の範囲内である発明鋼１～２２は、素地部、表面処理部、溶接部におけるＣＰＴが目標の４０℃を超えており、ＳＵＳ３１６Ｌ相当材（比較鋼１）と比較して優れた耐食性を有していることが分かる。
特に、耐食性の向上に寄与する元素ＮｉもしくはＭｏを本発明の上限近くまで含有させた発明鋼１０，１４，１６や、ＷもしくはＴａを選択的に含有させた発明鋼１８，１９において高いＣＰＴ値が得られている。
特に、耐食性の向上に寄与する元素ＮｉもしくはＭｏを本発明の上限近くまで含有させた発明鋼１０，１４，１６や、ＷもしくはＴａを選択的に含有させた発明鋼１８，１９において高いＣＰＴ値が得られている。
【0061】
以上、本発明の実施形態および実施例について詳しく説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【図1】