(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗電極式真空溶解法を用いて、マンガン含有量が０．０５質量％以下の極低マンガン合金を製造する方法であって、前記の消耗電極にマンガン含有量［Ｍｎ］が０．０６〜０．３０質量％のＦｅ基合金またはＮｉ基合金を用いるとともに、溶解炉の真空度を１０Ｐａ未満に設定したうえで、得るべき鋳塊の直径をＤ（ｍｍ）、溶解中の真空度をＰ（Ｐａ）としたとき、下記(1)式または(2)式を満たす溶解速度Ｖ（ｋｇ／ｍｉｎ）で再溶解することを特徴とする極低マンガン合金の製造方法。
０．０６≦［Ｍｎ］≦０．１５の場合
0.2≦Ｖ≦（0.0002×Ｄ）／｛Ｐ×（［Ｍｎ］−0.05）｝＋2.7  ・・・(1)
０．１５＜［Ｍｎ］≦０．３０の場合
0.2≦Ｖ≦｛0.013×（Ｄ／Ｐ）＋16.7｝×｛0.3−［Ｍｎ］｝＋0.2  ・・・(2)
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、普通鋼、特殊鋼およびステンレス鋼に代表されるＦｅ基合金やＮｉ基合金などの合金であり、合金中のマンガン含有量が０．０５質量％以下であることが要求される極低マンガン合金の製造方法に関する。
【従来の技術】
【０００２】
半導体や液晶の製造分野においては、近年、高集積化がより一層進んでおり、例えば超ＬＳＩと称されるデバイスの製造では、サブミクロン単位の微細パターンの加工が必要とされている。しかし、上記のような超ＬＳＩの製造プロセスでは、微少な塵や微量の不純物ガスが配線パターンに付着すると回路が短絡し、不良品になる。
【０００３】
従って、使用される反応ガスには、高純度で、しかもガス中に存在する微粒子（パーティクル）が少ないものであることが要求される。このため、反応ガスの供給管路を構成する管材およびその付属部材には、その内表面から放出されるパーティクルの発生が極力少ないものであることが要求される。
【０００４】
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、塩化水素や臭化水素などの極めて腐食性の強いガスも数多く使用される。このため、上記の管材やその付属部材用の材料には、耐食性が良好で、腐食生成物である金属化合物などのパーティクルが材料表面から発生しないものであることが要求される。
【０００５】
上記の材料としては、通常、オーステナイト系ステンレス鋼が使用され、なかでも不純物元素の含有量を規制することによって非金属介在物量を低減し、材料表面から放出されるパーティクルの発生を減少させるようにしたＳＵＳ３１６Ｌが主に使用されている。
【０００６】
しかし、不純物元素のなかでもマンガンは、蒸気圧が高いために管路製作に際しての溶接時に蒸発し、溶接部の下流側管路内に堆積したり、パーティクルとして下流側に流れて汚染源となりやすい。
【０００７】
従って、従来にも増してマンガン含有量を低減できると、下記の点で極めて優れた性能を有することになる。
【０００８】
(a) 溶接時におけるマンガンヒュームの発生が減少するために、パーティクルの発生量が少なくなる。
(b) 管内面に対するマンガンヒュームの付着量が少なくなるために、耐食性が向上する。
(c) 美麗な溶接ビードが得られる。
(d) 材料自体の耐食性が向上する。
【０００９】
ところで、上記の管材やその付属部材の素材となるＳＵＳ３１６Ｌに代表される合金は、従来から、主として真空再溶解プロセスにより製造されている。
【００１０】
すなわち、真空誘導溶解法による一次溶解後、消耗電極式の真空アーク再溶解法や電子ビーム溶解法による二次溶解を行って製造されている（例えば、特開平７−９０４７２号公報参照）。
【００１１】
しかし、上記の真空再溶解プロセスによってマンガン含有量が０．０５質量％以下の合金を製造しようとする場合には、二次溶解の素材である消耗電極に低マンガン材料、具体的にはマンガン含有量が少なくとも０．０６質量％未満のものを用いる必要があった。
【００１２】
その理由は、１回の二次真空溶解で所望の鋳塊を製造するために、得るべき鋳塊のマンガン含有量に併せてマンガン含有量が可級的に低い消耗電極を用いるのであるが、この場合、通常の真空アーク再溶解ではマンガンがほとんど減少しないためである。
【００１３】
従って、上記の一次溶解において、マンガン含有量が少なくとも０．０６質量％未満の低マンガン材料を製造する必要があり、そのためには一次溶解に供する原材料としてマンガン含有量の低い高品位な高価なものを用いる必要がある。また、高品位な原材料を用いない場合には、一次溶解時にコストのかかる特別な脱マンガン処理を施す必要がある。このため、製品の製造コストが著しく高くなるという問題があった。
【００１４】
なお、真空下での再溶解におけるマンガン含有量の制御方法としては、溶解中の溶融合金からのマンガン蒸発量を変化させるべく、真空度を制御する方法がある（特公平７−０８１１７１号公報参照）。しかし、その公報中には、マンガン含有量が０．０５質量％以下という極低マンガン合金を低コストで製造するための具体的方法については、一切示されていない。
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その課題は、一次溶解においてマンガン含有量の低い高品位な原材料を用いる必要がなく、しかもコストのかかる特別な脱マンガン処理を施さずとも容易に製造することが可能なマンガン含有量の比較的高い電極を用いて、マンガン含有量が０．０５質量％以下の鋳塊を製造することができる極低マンガン合金の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の要旨は、次の極低マンガン合金の製造方法にある。
【００１７】
消耗電極式真空溶解法を用いて、マンガン含有量が０．０５質量％以下の極低マンガン合金を製造する方法であって、前記の消耗電極にマンガン含有量［Ｍｎ］が０．０６〜０．３０質量％のＦｅ基合金またはＮｉ基合金を用いるとともに、溶解炉の真空度を１０Ｐａ未満に設定したうえで、得るべき鋳塊の直径をＤ（ｍｍ）、溶解中の真空度をＰ（Ｐａ）としたとき、下記(1)式または(2)式を満たす溶解速度Ｖ（ｋｇ／ｍｉｎ）で再溶解することを特徴とする極低マンガン合金の製造方法。
【００１８】
０．０６≦［Ｍｎ］≦０．１５の場合
【００１９】
0.2≦Ｖ≦（0.0002×Ｄ）／｛Ｐ×（［Ｍｎ］−0.05％）｝＋2.7  ・・・(1)
【００２０】
０．１５＜［Ｍｎ］≦０．３０の場合
【００２１】
0.2≦Ｖ≦｛0.013×（Ｄ／Ｐ）＋16.7｝×｛0.3−［Ｍｎ］｝＋0.2  ・・・(2)
【００２２】
上記の本発明では、マンガン含有量が０．０５質量％以下の極低マンガン合金を安価に製造する方法として、一次真空溶解においては安価な原材料を使用して得られる比較的高いマンガン含有量［Ｍｎ］の消耗電極を用い、二次溶解においてマンガンの蒸発をより積極的に行わせる方法に着目した。
【００２３】
具体的には、真空度Ｐ、用いる消耗電極のマンガン含有量［Ｍｎ］および得るべき鋳塊の直径Ｄに応じて消耗電極の溶解速度Ｖを調整することによって、二次真空溶解中の溶融合金中からのマンガン蒸発を促進させてマンガン含有量が０．０５質量％以下の極低マンガン合金を得ることを特徴とする。
【発明の実施の形態】
【００２４】
まず、本発明方法で得るべき合金について説明すると、その合金はマンガン含有量が０．０５質量％以下の普通鋼、特殊鋼およびステンレス鋼に代表されるＦｅ基合金やＮｉ基合金であり、マンガン以外の成分含有量については特に規制されない。
【００２５】
本発明方法の重要な特徴は、一次真空溶解において安価な原材料を使用して得られたマンガン含有量［Ｍｎ］の比較的高い消耗電極を二次真空再溶解する際、溶解中の真空度Ｐ（Ｐａ）、得るべき鋳塊の直径Ｄ（ｍｍ）および消耗電極のマンガン含有量［Ｍｎ］（質量％）に応じて消耗電極の溶解速度Ｖ（ｋｇ／ｍｉｎ）を調整することにより、溶融合金中からのマンガンの蒸発を促進させて０．０５質量％以下のマンガン含有量を有する鋳塊を得ることにある。
【００２６】
この時、溶解炉の真空度は１０Ｐａ未満に設定する一方、消耗電極にはマンガン含有量［Ｍｎ］が０．０６〜０．３０質量％のＦｅ基合金またはＮｉ基合金を用いる必要がある。また、消耗電極の溶解速度Ｖ（ｋｇ／ｍｉｎ）は、そのマンガン含有量［Ｍｎ］に応じて上記の(1)式または(2)式を満たす速度に設定する必要がある。
【００２７】
ここで、溶解炉の真空度を１０Ｐａ未満に設定しておく必要があるのは、次の理由による。
【００２８】
すなわち、マンガンは、蒸気圧の高い元素であり、真空下において蒸発しやすい。そして、その蒸発速度は、炉内の真空度とマンガン蒸気圧の差によって異なり、その差が小さいほど、換言すれば炉の真空度が低いほど遅くなり、真空度が１０Ｐａ以上ではその蒸発速度が遅くなりすぎて溶解に長時間かかり、工業的でなくなる。また、１０Ｐａ以上の真空度では、グロー放電が生じる危険性があり、再溶解自体が困難になる。このため、本発明では、溶解炉の真空度を１０Ｐａ未満に設定することとした。
【００２９】
また、消耗電極にはマンガン含有量［Ｍｎ］が０．０６〜０．３０質量％のＦｅ基合金またはＮｉ基合金を用いる必要があり、その溶解速度Ｖは上記の(1)式または(2)式を満たす値に設定する必要がある。これらは、以下に示す基礎実験の結果による。
【００３０】
真空アーク再溶解炉（ＶＡＲ炉）を用いて、マンガン含有量［Ｍｎ］（質量％）が種々異なるＳＵＳ３１６Ｌ製の消耗電極を素材とし、直径Ｄが５００ｍｍと８００ｍｍの鋳塊を得るに当たり、炉内の真空度Ｐを０．３Ｐａと１．０Ｐａに設定したうえで、消耗電極の溶解速度Ｖ（ｋｇ／ｍｉｎ）を種々変えて二次真空アーク溶解を行い、得られた鋳塊のマンガン含有量を調査した。
【００３１】
図１〜図３は、その調査結果を示し、溶解中の炉内真空度Ｐ、得るべき鋳塊の直径Ｄ、並びに消耗電極のマンガン含有量［Ｍｎ］と溶解速度Ｖとが得られた鋳塊のマンガン含有量に及ぼす影響を示す図である。そして、図中には、得られた鋳塊のマンガン含有量が０．０５質量％以下であった場合を「○」印、０．０５質量％超であった場合を「▲」印で示してある。
【００３２】
図１〜図３から明らかなように、いずれの場合も、マンガン含有量［Ｍｎ］が０．３０質量％以下の消耗電極を用い、その溶解速度Ｖを自身のマンガン含有量［Ｍｎ］に応じて定まる所定の値以下にして再溶解すると、マンガン含有量が０．０５質量％以下の鋳塊が得られることがわかる。
【００３３】
具体的に説明すると、図１〜図３に示す結果をまとめて溶解中の炉内真空度Ｐおよび得るべき鋳塊の直径Ｄをも考慮し、マンガン含有量が０．０５質量％以下の鋳塊を得ることが可能な消耗電極の溶解速度Ｖの上限値を式で表すと、その上限値は、消耗電極のマンガン含有量［Ｍｎ］が０．０６〜０．１５質量％の場合、下記(3)式で表される値になる。
また、消耗電極のマンガン含有量［Ｍｎ］が０．１５質量％超０．３０質量％以下の場合、その溶解速度Ｖの上限値は下記(4)式で表される値になる。
【００３４】
Ｖ＝（0.0002×Ｄ）／｛Ｐ×（［Ｍｎ］−0.05）｝＋2.7  ・・・(3)
【００３５】
Ｖ＝｛0.013×（Ｄ／Ｐ）＋16.7｝×｛0.3−［Ｍｎ］｝＋0.2  ・・・(4)
【００３６】
なお、図１〜図３に示す実験結果によれば、消耗電極のマンガン含有量［Ｍｎ］が０．０６質量％の場合、真空度Ｐの値が小さくなるにつれて、溶解速度Ｖの上限は無限大に近づくが、実際には、偏析などの鋳塊品質を考慮すると、２０ｋｇ／ｍｉｎを超える溶解速度Ｖでの溶解は避けるべきである。
【００３７】
また、マンガンの蒸発促進には、より低い溶解速度Ｖであることが望ましい。しかし、例えば、一般的に工業的と見なされる５００ｋｇ以上の鋳塊を製造するためには、溶解速度Ｖを０．２ｋｇ／ｍｉｎ未満にしたのでは４２時間以上かかり、実用的でない。
【００３８】
さらに、図１〜図３に示すように、消耗電極のマンガン含有量［Ｍｎ］が０．３０質量％の場合に、マンガン含有量が０．０５質量％以下の鋳塊を得ることが可能な消耗電極の溶解速度Ｖの上限値は０．２ｋｇ／ｍｉｎに漸近することがわかる。
【００３９】
一方、消耗電極のマンガン含有量［Ｍｎ］が０．０５質量％以下の場合については、再溶解時のマンガンピックアップがないことから、その他の条件の如何に係わらず鋳塊のマンガン含有量は０．０５質量％以下になる。
【００４０】
以上のことから、本発明では、マンガン含有量［Ｍｎ］が０．０６〜０．３０質量％の消耗電極を用いるとともに、その溶解速度Ｖを上記の(1)式または(2)式を満たす範囲内に定めることとした。
【実施例】
【００４１】
真空アーク再溶解炉（ＶＡＲ炉）を用いて、マンガン含有量［Ｍｎ］が種々異なる外径が１３０〜６９０ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ製からなる２１種類の消耗電極を素材とし、溶解中の真空度Ｐと消耗電極の溶解速度Ｖとを種々変えて種々異なる外径Ｄの鋳塊を製造した。
【００４２】
そして、得られた鋳塊の長手方向中央部のＤ／４位置から試験片を採取してマンガン含有量を調べた。その結果を、用いた消耗電極のマンガン含有量［Ｍｎ］、溶解中の真空度Ｐおよび消耗電極の溶解速度Ｖと併せて表１に示した。
【００４３】
【表１】
0004000628.tif 000002
【００４４】
表１に示すように、本発明の方法に従って製造して得られた本発明例の鋳塊（No. １〜１４）は、いずれもマンガン含有量が０．０５質量％以下であった。
【００４５】
これに対し、消耗電極の溶解速度Ｖが本発明で規定する範囲外の条件で製造して得られた比較例の鋳塊（No. １５〜２１）は、いずれもマンガン含有量が０．０６質量％以上であった。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、マンガン含有量が０．０５質量％以下の極低マンガン合金を安定して製造することができる。また、素材である消耗電極にマンガン含有量の比較的高いＦｅ基合金またはＮｉ基合金を用いることができ、製造コストの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】溶解中の真空度が０．３Ｐａ、鋳塊の直径が５００ｍｍの場合における消耗電極の溶解速度とマンガン含有量とが鋳塊のマンガン含有量に及ぼす影響を示す図である
【図２】溶解中の真空度が１Ｐａ、鋳塊の直径が５００ｍｍの場合における消耗電極の溶解速度とマンガン含有量とが鋳塊のマンガン含有量に及ぼす影響を示す図である。
【図３】溶解中の真空度が１Ｐａ、鋳塊の直径が８００ｍｍの場合における消耗電極の溶解速度とマンガン含有量とが鋳塊のマンガン含有量に及ぼす影響を示す図である。
【図１】
0004000628.tif 000003
【図２】
0004000628.tif 000004
【図３】
0004000628.tif 000005