JPH0873960A - 極低酸素チタンの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】一般の工業用純チタンインゴットを溶製する消
耗電極式真空アーク溶解法を利用することによって、新
規設備を導入することなく、しかも従来の純チタンイン
ゴットと同程度の大きさを有する極低酸素チタンのイン
ゴットを製造できる方法を提供する。 【構成】消耗電極式真空アーク溶解によって複数の純チ
タンインゴットを溶製し、これら純チタンインゴットか
ら電極の溶解を終了した時点で形成されていた溶融プー
ル部に相当する部分のインゴットを切り出すに際し、少
なくとも下式で示すＬ部を含む位置で切断し、このＬ部
を含むインゴットを熱間鍛造および切削加工によって次
の溶解に使用する電極の直径に加工し、これらを複数個
連結して電極を作製して、電極を再溶解するこれらイン
ゴットの溶製から再溶解までの一連の工程を複数回繰り
返すことを特徴とする極低酸素チタンの製造方法。 ０．１Ｈ≦Ｌ≦０．８５Ｈ ただし、Ｈ：電極の溶解を終了した時点での溶融プール
の深さ、とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は，平均酸素濃度が0.01
重量％以下という極低酸素チタンインゴットを製造する
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】工業用純チタンインゴットは消耗電極式
真空アーク溶解法によって溶製される。この溶解法は、
溶解原料を電極として電圧印加により発生したアーク熱
により電極自体を下端から溶解し、水冷された銅モール
ド内に溶融プールを形成しつつ凝固させることによって
インゴットを製造する方法である。現在のところ、この
方法は大型のインゴットを容易に溶製できるプロセスと
して最も多く実施されている。

【０００３】板材などの純チタン製品の機械的性質の変
動を小さくするために、インゴット全体にわたって酸
素、鉄等の化学成分のばらつきを抑制するための努力が
なされている。

【０００４】例えば、日本鉄鋼協会、１９８９年発行の
「日本でチタン材料について何を研究しているか」第１
２頁に、溶解終期に溶解電流を下げていくパターンを適
正化する（ホットトップ時間を適正化する）ことによっ
て、凝固偏析に起因するインゴット上端部での酸素濃度
の低下を抑制できることが開示されている。すなわち、
この方法は、溶解終期の電流を制御することにより、イ
ンゴット上端部における酸素濃度の低下を防止し、イン
ゴット下方の酸素量と同等量にすることにより成分のば
らつきを無くする方法である。

【０００５】通常の溶解方法で溶解電流を急激に減じて
溶解を終了させた場合に、インゴット上端部の酸素濃度
の低下が大きくなるので、製品化するにあたってはこの
部分を除去すればよいことになっている。

【０００６】一般の工業用純チタンは、含有不純物濃度
によって機械的性質が大きく異なってくるので、必要と
する性質を得るために不純物濃度を制御することが重要
である。特に、純チタンの細線や箔、あるいは板材を複
雑な形状に成形する場合などには、延性を向上させるた
めに不純物濃度を低くする必要がある。

【０００７】ここでいう含有不純物は，侵入型不純物と
置換型不純物に分けられる。侵入型不純物とは酸素、窒
素、水素、炭素などであり、置換型不純物とは鉄、マン
ガン、シリコンなどである。

【０００８】チタンからの除去が最も困難な不純物は酸
素であり、純チタンの性質に及ぼす酸素の影響は大きい
にも関わらず、高純度チタンについて４Ｎ５（チタン９
９．９９５重量％）、６Ｎ（チタン９９．９９９９重量
％）などという場合においても慣例上、酸素濃度は不純
物濃度の算出から除外されている。 よって、特に酸素
濃度０．０１重量％以下の純チタンを、特に「極低酸素
チタン」という。

【０００９】極低酸素チタンを製造する方法としては、
特開平４−９９８２９号公報にフラックスを用いたカル
シウムとの反応により、固体チタン中の酸素を除去する
ことができることが開示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法には
以下の欠点がある。すなわち、消費される金属カルシウ
ムおよびフラックスを回収する工程が必要となり、特に
金属カルシウムの製造は、電力コストの大きい溶融塩電
解法によらなければならない。また、金属カルシウムの
酸化およびフラックスの吸湿を防止するために、大気と
の接触を絶たねばならず、これらの取扱いが不便であ
る。さらに、大型あるいは厚肉の純チタン成形品に対し
ては、その中心部まで酸素濃度を低下させるには多大の
時間が必要であり、実際の適用は小型あるいは薄肉の純
チタン成形品のみに限定される。

【００１１】従って、従来の技術では、一般の工業用純
チタンインゴットと同程度の大きさを有する極低酸素チ
タンのインゴットを溶製することは不可能であった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、純チタンインゴットの消耗電極式真空アーク溶解に
よるインゴットの凝固偏析について詳細に検討したとこ
ろ、次に示す現象を確認することができた。

【００１３】A ）電極の溶解が継続している間は、電極
に含まれる酸素が絶えず溶融プールに供給されるため
に、インゴット中の酸素濃度はほぼ一定に保持される。

【００１４】B ）電極の溶解が終了し、電極からの溶融
プールへの酸素の供給が停止すると、凝固の進行にとも
なって酸素濃度が順次低下して、最終凝固部の酸素濃度
が最も低くなる。

【００１５】本発明は、溶融チタンが凝固する際に酸素
が逆偏析する現象を利用することによって極低酸素チタ
ンのインゴットを溶製できるこを知見したもので、その
要旨とするところは、「消耗電極式真空アーク溶解によ
って複数の純チタンインゴットを溶製し、これら純チタ
ンインゴットから電極の溶解を終了した時点で形成され
ていた溶融プール部に相当する部分のインゴットを切り
出すに際し、少なくとも下記 (1)式で示すＬ部を含む位
置で切断し、このＬ部を含むインゴットを熱間鍛造およ
び切削加工によって次の溶解に使用する電極の直径に加
工し、これらを複数個連結して電極を作製して、電極を
再溶解するこれらインゴットの溶製から再溶解までの一
連の工程を複数回繰り返すことを特徴とする極低酸素チ
タンの製造方法。

【００１６】０．１Ｈ≦Ｌ≦０．８５Ｈ ・・・・・(1) ただし、Ｈ：電極の溶解を終了した時点での溶融プール
の深さ、とする」である。

【００１７】

【作用】次に、本発明の極低酸素チタンインゴットの製
造条件を上記の如く限定した理由及びその作用について
具体的に説明する。

【００１８】先ず、スポンジチタンを加圧成形して消耗
電極を作製して真空アーク溶解して複数の純チタンイン
ゴットを溶製する。この溶製は従来の方法と全く同じで
ある。このインゴットの溶製時、電極の溶解が継続して
いる間は、電極に含まれる酸素が絶えず溶融プールに供
給されるために、インゴット中の酸素濃度はほぼ一定に
保持される。電極の溶解が終了すると、電極からの溶融
プールへの酸素の供給が停止するので、溶融プ−ルの凝
固が進行するにともなって溶融チタン中の酸素濃度が順
次低下してゆき最終凝固部の酸素濃度が最も低くなる。
従って、インゴットの電極の溶解が終了した後に凝固し
た部分が低酸素になっているので、この低酸素部分を含
む長さにインゴットを切断し、この切断したインゴット
を電極の直径に加工して、複数個を溶接等により連結し
て電極とする。こうして低酸素の電極を作製して再溶解
することにより、より低い酸素濃度のインゴットを溶製
することができ、再溶解を数回繰り返すことにより極低
酸素チタンインゴットの製造が可能となるのである。

【００１９】なお、再溶解用電極も再々溶解電極を作製
するため複数準備する必要がある。

【００２０】この溶解−切断−低酸素電極作製−再溶解
というプロセスを数回繰り返すことにより、目的とする
酸素濃度０．０１％以下の極低酸素の純チタンが得られ
る。

【００２１】上端の部分を切断した残りのインゴット
は、通常の工業用純チタンとして製品化することもでき
る。

【００２２】図１は、溶解終了時のインゴットの縦断面
を示す図である。溶製したインゴットを詳細に検討した
ところ、インゴットの酸素濃度が電極の酸素濃度の６０
％以下となる領域は、同図に示す斜線部分となってい
た。酸素の低い部分がこのような領域となる理由は、電
極の全てを溶解し終えた直後に形成されていた溶融プー
ルが徐々に凝固していくとき、溶融プールの外周部から
凝固が始まり、凝固する部分が後になればなるほど、つ
まり溶融プールの内部ほど酸素が低くなるためである。
本発明では、酸素濃度が６０％以下になっている部分を
インゴットから切り出し、再溶解の電極として用いるの
であり、少なくとも下記 (1)式によるＬ部を含む大きさ
に切断する。

【００２３】０．１Ｈ≦Ｌ≦０．８５Ｈ ・・・・・(1) ここで、Ｈ：電極の溶解を終了した時点での溶融プール
の深さ、とする。

【００２４】なお、インゴットの長さがＬよりも長くな
ってもよいが、長くなればなるほど酸素の多い部分が増
えるので、Ｌよりもあまり長くならない方が好ましい。
インゴット切断長さをできるだけＬ（ｍｍ）に近づける
ことによって、溶解の繰り返し回数を少なくすることが
できる。

【００２５】電極の溶解を終了した時点の溶融プール深
さＨ（ｍｍ）は、同じ溶解条件で溶製したインゴットの
縦断面マクロ組織から直接測定してもよいし、「Titani
um Science and Technology （Plenum Press、１９７
３）」第３１９−３３０頁に記載の、下記 (2)式によっ
て推定した値を用いてもよい。

【００２６】 Ｈ＝５０００（１−０．２５Ｄ）Ｖ ・・・・・(2) ここで、Ｄ：モールドの内径（ｍ） Ｖ：電極の溶解を終了する直前の溶解速度（ｋｇ／秒）
とする。

【００２７】

【実施例】次に、本発明の効果を実施例によってさらに
具体的に説明する。

【００２８】実施例１ 酸素濃度０．０４８重量％のスポンジチタンを加圧成形
し、直径３８０ｍｍ、重量８８０ｋｇの消耗電極を作製
した。これを用いて直径４５０ｍｍ、長さ１２００ｍｍ
のインゴットを溶製した（初期溶解）。このときの溶解
条件は、次の通りであった。

【００２９】溶解電流：１００００Ａ 溶解速度：７．０ｋｇ／分 ホットトップ：なし 前記（１）式によって表される溶融プール深さＨは、５
２０ｍｍであった。このインゴットの上端部分、５２ｍ
ｍから４４５ｍｍの部分を鋸切断した。この切断した上
部インゴットを９５０℃に加熱し、直径３９０ｍｍにま
で鍛造し、次いで切削加工し、直径３８０ｍｍとした。

【００３０】図２は、上記の切削加工したインゴット鍛
造材の酸素分析用試料採取位置を示す図である。同図に
示すように、切削加工したインゴット鍛造材をその長さ
方向の中央部で切断し、鍛造材中央断面部で鍛造材表層
部と鍛造材中心部及びその間の２箇所から〜の計４
個の酸素分析用試料を採取し酸素分析した。切断したイ
ンゴット鍛造材は、アルゴンプラズマアーク溶接により
接続し、これを次回溶解の電極として用いた。 酸素濃
度の分析値が０．０１重量％以下となるまで、上記の工
程を繰り返した。その結果を表１に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】表１から明らかなように、４回の溶解を繰
り返した後のインゴット上端部の酸素濃度は０．０１重
量％以下となった。

【００３３】実施例２ 酸素濃度０．０５０重量％のスポンジチタンを加圧成形
し、直径３００ｍｍ、重量８５０ｋｇの消耗電極を作製
した。これを用いて、直径３８０ｍｍ、長さ１６５０ｍ
ｍのインゴットを溶製した（初期溶解）。このときの溶
解条件は次の通りであった。

【００３４】溶解電流：８０００Ａ 溶解速度：５．３ｋｇ／分 ホットトップ：なし 前記（１）式によって表される溶融プール深さＨは、５
００ｍｍであった。このインゴットの上端部分５０から
４２５ｍｍの部分を鋸切断し、上端から１８０ｍｍ、側
表面下１５０ｍｍの位置から試料を採取し、酸素濃度を
分析した。切断したインゴット上端部分を９５０℃に加
熱し、直径３１０ｍｍにまで鍛造し、次いで切削加工し
直径３００ｍｍとした。これを、次回溶解の電極として
溶解を繰り返すための電極として用いた。酸素濃度の分
析値が０．０１重量％以下となるまで、上記の工程を繰
り返した。この結果を表１に示す。同表から明らかなよ
うに、３回の溶解を繰り返した後のインゴット上端部の
酸素濃度は０．０１重量％以下となった。

【００３５】比較例 酸素濃度０．０４２重量％のスポンジチタンを加圧成形
し、直径３８０ｍｍ、重量８００ｋｇの消耗電極を作製
した。これを用いて、直径４５０ｍｍ、長さ１０５０ｍ
ｍのインゴットを溶製した（初期溶解）。このときの溶
解条件は次の通りであった。

【００３６】溶解電流：１００００Ａ 溶解速度：７．０ｋｇ／分 ホットトップ：なし このインゴットの上端から３００ｍｍ、側表面下１５０
ｍｍの位置から試料を採取し、酸素濃度を分析した。こ
のインゴットを９５０℃に加熱し、直径３９０ｍｍにま
で鍛造し、次いで切削加工し、直径３８０ｍｍとし、こ
れを電極として再度溶解し前記の酸素濃度の分析を繰り
返した。この結果を表１に示す。同表から明らかなよう
に、本発明法のようにインゴット上端部のみを次回溶解
の電極としないで、インゴットすべてを次回溶解の電極
としているため、インゴット上端部の酸素濃度は０．４
０重量％弱から低下させることはできなかった。

【００３７】本発明により、消耗電極式真空アーク溶解
によって極低酸素チタンのインゴットの製造が可能にな
り、延性の大きい純チタン製品を大量に製造することが
できるなど、産業上有用な効果がもたらされる。

【００３８】

【発明の効果】本発明の製造方法により、従来工業的規
模で生産することのできなかった極低酸素の高延性の純
チタンインゴットの溶製可能となった。新規設備の導入
が不要であり実用的価値の高い発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶解終了時のインゴットの縦断面の酸素濃度分
布を示す図である。

【図２】インゴット鍛造材の酸素分析用試料採取位置を
示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】消耗電極式真空アーク溶解によって複数の
   純チタンインゴットを溶製し、これら純チタンインゴッ
   トから電極の溶解を終了した時点で形成されていた溶融
   プール部に相当する部分のインゴットを切り出すに際
   し、少なくとも下記 (1)式で示すＬ部を含む位置で切断
   し、このＬ部を含むインゴットを熱間鍛造および切削加
   工によって次の溶解に使用する電極の直径に加工し、こ
   れらを複数個連結して電極を作製して、電極を再溶解す
   るこれらインゴットの溶製から再溶解までの一連の工程
   を複数回繰り返すことを特徴とする極低酸素チタンの製
   造方法。 ０．１Ｈ≦Ｌ≦０．８５Ｈ ・・・・・(1) ただし、Ｈ：電極の溶解を終了した時点での溶融プール
   の深さ、とする。