JP3679371B2

JP3679371B2 - Production method of pure titanium ingot

Info

Publication number: JP3679371B2
Application number: JP2002024479A
Authority: JP
Inventors: 修多田; 智菅原; 好弘八太; 健新良貴
Original assignee: Toho Titanium Co Ltd
Current assignee: Toho Titanium Co Ltd
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2022-01-31
Also published as: JP2003221626A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、純チタンインゴットの製造方法に係り、特に、純度が比較的低いスポンジチタンや、チタン材の加工工程で発生する切削屑や切断片を利用した、純チタンインゴットの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チタン材は高い強度を有し、また高温下での使用が可能であるため、様々な用途に使用されるが、特に航空機用に用いられる場合は、高品質で十分な信頼性を備えた素材が提供されている。
【０００３】
このため、航空機用のチタン材として、クロール法により製造されたスポンジチタンのうち、酸素や鉄、あるいは窒素等の含有率が低いスポンジチタンを選別し、このスポンジチタンを原料とした純チタンインゴットが製造されていた。
【０００４】
このように、高品質の純チタンインゴットを製造するとき、その製造工程で切削屑や切断片等のスクラップ材が発生する。このスクラップ材や、不純物を比較的多く含むスポンジチタンは、例えば、鉄鋼添加剤等に使用されていたが、必ずしも十分に活用されているわけではなかった。
【０００５】
一方、最近では、自動車や二輪車のマフラー、ゴルフクラブヘッド、テニスラケット等の民生品の分野でも、チタン材が使用されるようになってきている。これら民生品については、上記航空機用のチタン材に比して、高い品質を有していないものであっても対応可能である。このため、いままで有効活用されていなかったスクラップ材や、酸素や鉄、あるいは窒素の含有率が相対的に多い、いわゆるＢ級のスポンジチタンの活用の幅が広がることとなった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
通常、純チタンインゴットは、スポンジチタン等の原料からブリケットを形成し、これらブリケットを溶接して消耗電極を形成し、この消耗電極を真空アーク（ＶＡＲ）溶解することにより形成される。
【０００７】
しかし、純度の比較的低い、Ｂ級スポンジチタンを利用する場合、ブリケットに高い含有率で酸素や窒素が含まれてしまうため、溶接強度が低下するという問題があった。更に、スクラップ材を利用する場合、スクラップ材の形状が一定でないため、ブリケットの形成が難しいという問題があった。
【０００８】
また、不純物の含有量がそれぞれ異なる原料が使用されるので、製品として得られたインゴットの部位によって、不純物の含有率が異なったり、不純物の含有量が高くなってしまうという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、チタン材の加工工程で発生する切削屑や切断片、酸素，窒素，鉄の含有率が相対的に高い、即ち純度の比較的低いスポンジチタンを利用して、簡単且つ低コストで大型の純チタンインゴットの製造方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、チタン材の加工工程で発生する切削屑や切断片や、純度の比較的低いスポンジチタンを利用して、これら原料に含まれる酸素，窒素，鉄成分を活用して、伸び性、引っ張り強さ、加工性に優れた純チタンインゴットの製造方法を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、酸素，窒素，鉄成分を、目標とする値にできるだけ近く、しかもインゴット全体にわたって均一に分布させた純チタンインゴットの製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明の請求項１に係る純チタンインゴットの製造方法によれば、Ｏ含有量が０．０７質量％以下、Ｎ含有量が０．００９質量％以下、Ｆｅ含有量が０．０５質量％以下のスポンジチタンまたはチタンスクラップ材のいずれかまたは両方からなる第１のチタン材を外周部に配置し、該第１のチタン材の内部に、Ｏ含有量が０．０８〜０．３質量％、Ｎ含有量が０．０１〜０．１質量％、Ｆｅ含有量が０．０６〜５．０質量％のスポンジチタンまたはチタンスクラップ材のいずれかまたは両方からなる第２のチタン材を配置してブリケットを形成するブリケット形成工程と、前記第１のチタン材と第２のチタン材が交互に配置されるように前記ブリケットを複数組み合わせると共に、頂部に前記第１のチタン材のみで構成されたブリケットを配置して消耗電極を形成する消耗電極形成工程と、該消耗電極形成工程によって得られた消耗電極を真空アーク溶解する工程と、を備え、Ｏ含有率が０．０７〜０．４質量％、Ｎ含有率が０．００５〜０．０３質量％、Ｆｅ含有率が０．１５〜０．４質量％、その他不可避不純物を含み、残部がチタンである純チタンインゴットを形成すること、により解決される。
【００１３】
また、上記課題は、本発明の請求項２に係る純チタンインゴットの製造方法によれば、Ｏ含有量が０．０７質量％以下、Ｎ含有量が０．００９質量％以下、Ｆｅ含有量が０．０５質量％以下の第１のチタン材と、
Ｏ含有量が０．０８〜０．３質量％、Ｎ含有量が０．０１〜０．１質量％、Ｆｅ含有量が０．０６〜５．０質量％である第２のチタン材を用い、
外周部に前記第１のチタン材を配置し内部に前記第２のチタン材を配置してブリケットを形成するブリケット形成工程と、前記第１のチタン材と第２のチタン材が交互に配置されるように前記ブリケットを組み立ておよび溶接すると共に、頂部に前記第１のチタン材のみで構成されたブリケットを配置して消耗電極を形成する消耗電極形成工程と、該消耗電極形成工程で得られた消耗電極を真空アーク溶解する工程と、を備えたこと、により解決される。
【００１４】
このように、本発明の純チタンインゴットの製造方法によれば、純度の異なる２種類のチタン材を用いて純チタンインゴットが形成されるものであり、従来では有効に活用されていなかった、純度の低いチタン材を有効に活用することが可能となる。
【００１５】
純チタンインゴットは、消耗電極を真空アーク溶解することにより得られるものであり、消耗電極は、複数のブリケットを組み立ておよび溶接して形成される。本例の製造方法によれば、ブリケットの外周部に純度の高い第１のチタン材が位置しているので、ブリケットは第１のチタン材の部分で溶接されることになり、ブリケットを高い接合強度で溶接することができる。したがって、大型の消耗電極を形成することができ、結果として、大型の純チタンインゴットを製造することが可能となる。
【００１６】
第２のチタン材としては、具体的には、Ｏ含有量が０．０８〜０．３質量％、Ｎ含有量が０．０１〜０．１質量％、Ｆｅ含有量が０．０６〜５．０質量％、残部が実質的にチタンであるような、純度の低いＢ級スポンジチタン、またはチタン材の加工工程で発生するスクラップ材のいずれかまたは両方が使用される。なお、酸素（Ｏで表示する），窒素（Ｎで表示する），鉄（Ｆｅで表示する）をバランス良く含ませるために、第２のチタン材にＯ含有量が０．０７質量％以下、およびＮ含有量が０．０１質量％以下、残部が実質的にチタンであるＡ級スポンジチタンを含ませても良い。更に、Ｏ，Ｎ，Ｆｅのバランスを調整するために、第２のチタン材にチタン酸化物または金属鉄の１種または２種以上を添加しても良い。チタン酸化物としては酸化チタン、金属鉄としては電解鉄等を用いることができる。
【００１７】
また、消耗電極を形成する工程では、前記ブリケットを水平方向に複数個、通常２〜８個連接し，垂直方向に複数段、通常５〜２０段積層して、組み立ておよび溶接することにより、第１のチタン材が電極の外周部に、その内部に第２のチタン材が配置された長尺の消耗電極が形成される。しかも、第１のチタン材と第２のチタン材とが交互に配設された構成となる。
【００１８】
このように、消耗電極において、第１のチタン材と第２のチタン材とが、交互に配設されていると、消耗電極を溶解してインゴットを得たとき、第１のチタン材と第２のチタン材の均一化が達成でき、原料チタン材に含まれた微量のＯ，Ｎ，Ｆｅを均一に分布させることができ、均一組成のＯ，Ｎ，Ｆｅを含有する純チタンインゴットを得ることが可能となる。
【００１９】
本発明の製造方法により得られる純チタンインゴットは、原料チタン材として、純度が比較的低いスポンジチタンや、チタン材の加工工程で発生するスクラップ材を使用しているため、これらの原料チタン材に含有される酸素，窒素，鉄の各成分を含有した純チタンインゴットが得られる。そして、これら酸素，窒素，鉄の各成分が含有されていることにより、伸び性，引っ張り強さ、加工性に優れた純チタンインゴットを得ることが可能となる。
【００２０】
なお、本明細書において、「純チタンインゴット」とは、酸素，鉄，窒素をそれぞれ微量含有し、９９％以上はチタンで構成された、機械強度と加工性に優れたチタン材であり、従来の合金チタンと区別するため、純チタンインゴットと表現するものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する部材，配置等は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
【００２２】
図１乃至図１９は本発明の一実施例を示すものであり、図１は純チタンインゴットの製造方法の一例を示すブロック図、図２乃至図１３はブリケットの構成および接合状態を示す説明図、図１４は参考例としてのブリケットを示す説明図、図１５乃至図１７はブリケットの成形方法を示す説明図、図１８はブリケットを組み立ててなる消耗電極の一部分を示す説明図であり、図１９は消耗電極の全体を示す説明図である。
【００２３】
本発明における純チタンインゴットの製造方法は、図１に示すように、Ｏ（酸素），Ｎ（窒素）の含有量がきわめて少ないチタン材（第１のチタン材；以下、「Ａ級チタン材」という）と、Ｏ（酸素），Ｎ（窒素），Ｆｅ（鉄）の含有量がやや高いチタン材（第２のチタン材；以下、「Ｂ級チタン材」という）からなるブリケットを形成し、これらブリケットを複数個組み合わせて柱状の消耗電極を形成し、この消耗電極を真空アーク溶解することにより純チタンインゴットを得るものである。
【００２４】
本例の製造方法により得られる純チタンインゴットは、Ｏ含有率が０．０７〜０．４質量％、Ｎ含有率が０．００５〜０．０３質量％、Ｆｅ含有率が０．１５〜０．４質量％、その他不可避不純物を含み、残部がＴｉから構成される。
【００２５】
Ａ級チタン材は、実質的にＴｉ純度が９９．８％以上のチタン材を言うものであり、不純物純度でいえば、Ｏ含有量が０．０７％重量以下、およびＮ含有量が０．０１質量％以下、残部は実質的にＴｉであるチタン材が該当する。
【００２６】
Ａ級チタン材としては、一般展伸材用のスポンジチタン、あるいは高純度のＡ級スポンジチタンを用いて製造されたインゴットを加工した場合に発生する高純度のチタンスクラップ、あるいはこれらと同等純度のチタン材が使用される。
【００２７】
Ｂ級チタン材は、Ｏ含有量が０．０８〜０．３質量％、Ｎ含有量が０．０１〜０．１質量％、Ｆｅ含有量が０．０６〜５．０質量％、残部が実質的にＴｉのチタン材が該当する。
【００２８】
なお、不可避成分としての不純物として、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｖ（バナジウム）は実質的に含有されるべきではなく、かりに意図的でなく含有される場合は、製造されるインゴットの性質に影響しない限度、具体的には０．０５質量％以下が許容量とされる。
【００２９】
Ｂ級チタン材は、ＴｉＣｌ４の還元で得られるスポンジチタン塊のうち、Ａ級スポンジチタンよりも純度が低いグレードであって、具体的にはスポンジチタン塊の外周部や底部から採取されるスポンジチタン（これを以下、「Ｂ級スポンジチタン」という）、およびスクラップ材（これを以下、「Ｂ級スクラップ材」という）からなる。
【００３０】
Ｂ級スポンジチタンは、具体的には、Ｆｅ含有量が０．５〜２．０質量％、Ｎ含有量が０．０１〜０．５質量％、Ｏ含有量が０．０５〜０．３質量％、Ｔｉ純度が９８％以上のスポンジチタンが該当する。Ｂ級チタン材は、必要であれば２種以上を組み合わせて、上記組成となるように調整して使用される。
【００３１】
Ｂ級スクラップ材とは、Ａ級スポンジチタンから製造されるインゴットの加工過程で発生する切削屑や切断片が該当し、具体的には、インゴット表面や圧延加工した材料表面の研削時に発生する黒皮、鍛造したスラブ表面の研削時に発生する白皮（切り粉）、圧延板、棒、線を加工する際に発生する切断片（チップ）が含まれる。
【００３２】
上記スクラップ材はいずれも高純度のチタン材であったが、加工過程で、高温下での空気接触がなされているため、概してＯおよびＮ含有量が高くなっている。なお、Ｆｅ含有量は少ない。
【００３３】
両原料チタン材は、切断，破砕などにより整粒を行って、ブリケット成形に適した形状にしておくことが好ましい。具体的には、Ａ級チタン材、Ｂ級チタン材とも、粒径４〜３０ｍｍあるいは３０ｍｍ角以下の切片にしておくことが好ましい。また、２種類以上の材料を使用する場合は、ミキサーで十分混合しておくと良い。
【００３４】
なお、Ｂ級チタン材としてスクラップ材を使用する場合、スクラップ材には切削油や水分が付着していることが多いため、ブリケット成形前に十分除去しておくことが好ましい。
【００３５】
切削油については、有機溶剤等による洗浄により除去することが可能である。洗浄後のチタン材中の油分は０．０２質量％以下、水分は０．０１質量％以下にしておくことが好ましい。
【００３６】
なお、Ｂ級チタン材を構成するスポンジチタンとして、上記Ｂ級スポンジチタンの他に、Ｂ級スポンジチタンよりもＯ，ＮならびにＦｅの含有量のいずれかが多い部位、とりわけＦｅの含有量が２．０〜４．０質量％と高い割合となっている部位から採取されるスポンジチタンも使用することが可能である。
【００３７】
上記スポンジチタンを使用する場合は、Ｏ，ＮならびにＦｅ含有量の少ない原料チタン材と混合し、不純物純度が許容範囲になるように調整してから使用すると良い。このため、必要であれば、Ａ級スポンジチタンを混合しても良い。
【００３８】
更に、Ｏ，Ｎ，Ｆｅの既定値を、各種材料の混合割合で調整できない場合は、Ｏ源あるいはＦｅ源として、ＴｉＯ、ＴｉＯ_２、Ｔｉ_３Ｏ_５のようなチタン酸化物あるいは電解鉄や鉄釘のような金属鉄を、第２のチタン材、即ち、Ｂ級スポンジチタンあるいはＢ級スクラップ材中に添加してからブリケットを形成しても良い。
【００３９】
上記原料チタン材よりブリケットが形成される。ブリケットは、電極構成の最小単位をなすものであり、外側はＡ級チタン材からなり、内側はＢ級チタン材からなる。ブリケットは、各原料の分析値に基づき、目的の純チタンインゴットを得るに必要な原料構成（使用原料，割合，使用量）を定めて作成される。
【００４０】
本例では、結果としてＯ含有量が０．０７〜０．４質量％、Ｎ含有量が０．００５〜０．０３質量％、Ｆｅ含有量が０．１５〜０．４質量％であり、その他不可避不純物が含有され、残部が実質的にＴｉより構成された純チタンインゴットが作成されるような原料構成とする。
【００４１】
なお、具体的には、Ｂ級チタン材の割合は、ブリケット作成時や完成したブリケットの引っ張り強度の面から８０質量％以下にすることが好ましく、またコスト面から３０質量％以上にすることが好ましい。
【００４２】
ブリケットは、例えば、縦２０〜４０ｃｍ、横３０〜５０ｃｍ、高さ２０〜３０ｃｍ、質量は３０〜１００ｋｇになるように形成されるが、これに限るものではない。ブリケットは、原料チタン材を型枠に入れ、およそ３０００トンの圧力で圧縮成形して作成される。
【００４３】
図２乃至図１３に、純チタンインゴットの製造において使用されるブリケット１の構成を示す。図２はブリケット１の外観斜視図、図３はブリケット１の正面図である。また、図４〜図１３は、本発明で用いられるブリケットもしくはブリケットを接合してなる消耗電極（以下、「ブリケットユニット」という）の断面図である。図示されているようにブリケット１の外観は角形であり、部分的に角が丸められているものもある。
【００４４】
図４および図５に示すブリケット１は、Ｂ級チタン材３の領域が、Ａ級チタン材２の領域に完全に内包されている構造であり、断面では、Ａ級チタン材２の領域が角形あるいはＯ字状になるように構成されている（以下、「Ｏ型ブリケット」という）。
【００４５】
なお、図５に示すように、角部が丸められていない構成としても良い。また、図８および図９に示すように、内部がＢ級チタン材３からなり、その外側に２種類のＡ級チタン材２を使用した構成としても良い。
【００４６】
Ｏ型ブリケット１は、図６に示すように、角部を内側にして接合される。これら接合された２つのＯ型ブリケット１に、さらにＯ型ブリケット１を接合することにより、図７に示すような、ブリケットユニット５が形成される。このとき、各ブリケット１の大きさについては適宜選択することが可能である。
【００４７】
図１０は、別の態様のブリケット１を示すものであり、このブリケット１を２つ以上組み合わせることにより、図１１に示すようなブリケットユニット５が形成される。ブリケット１は、Ｂ級チタン材３の領域が、一部を除いて、Ａ級チタン材２の領域で内包された構造となっており、断面では、Ａ級チタン材２の領域がＵ字状になるように構成されている（以下、「Ｕ型ブリケット」という）。
【００４８】
図１２もまた、別の態様のブリケット１を示すものである。このブリケット１の断面は、Ａ級チタン材２の領域がＬ字状になるように構成されている（以下、「Ｌ型ブリケット」という）。
【００４９】
本発明で使用するブリケット１は、図４，図８，図１０および図１２に示すように、外側にＡ級チタン材２が、その内側には、Ａ級チタン材２でとり囲まれるようにＢ級チタン材３が位置するように構成されている。なお、図１４に示すブリケットは参考例であり、このように、Ａ級チタン材２でＢ級チタン材３の両側を挟んだ形状のブリケット１では、Ｂ級チタン材３の一部が外周部に露出しているため、大型の電極に組み立てた場合、溶接強度上難点が残る。
【００５０】
図１５乃至図１７は、一例として、前記Ｕ型ブリケットの成形方法を示すものである。まず、型枠１１内にＡ級チタン材２およびＢ級チタン材３を充填し、上部から圧縮することにより形成される。成形工程として、図１５に示すように、型枠１１内に中子１２を配設し、中子１２よりも外側、すなわち、型枠１１と中子１２に囲まれた空間へ、Ａ級チタン材２を充填する。
【００５１】
また、中子１２よりも内側には、Ｂ級チタン材３を充填する。その後、中子１２を引き抜き、図１６に示すように、上部にＡ級チタン材２を追加投入する。そして、充填された両チタン材２，３を、押圧手段１３を使用して圧縮プレス成形することにより、図１７に示すように、ブリケット１が完成する。そして、このブリケット１を二つ以上組み合わせて溶接することにより、図１１（図１１では４個のブリケットを水平方向に接合した例）に示すようなブリケットユニット５が形成される。
【００５２】
図７は、Ｏ型ブリケットを５個、連接した例であり、また図１３は、Ｌ型ブリケットを８個、同様に連接したブリケットユニット５の別の例である。これらブリケットユニット５の断面は、即ち電極の断面と一致する。
【００５３】
図７，図１１，図１３に示すように、複数のブリケット１を接合して出来たブリケットユニット５の断面、即ち電極の断面は、いずれも外周部にＡ級チタン材２が、内部にＢ級チタン材３が配置された構成となっている。
【００５４】
更に、Ｂ級チタン材３の領域は、２つ以上の領域（図７ではＡ〜Ｅの５領域、図１１及び図１３ではＡ，Ｂの２領域）がＡ級チタン材領域に取り囲まれた構成になっている。
【００５５】
なお、Ｏ型ブリケットやＬ型ブリケットなど、他のブリケットについても、中子の配置の仕方や、原料の充填の仕方を変更することにより、上記成形方法と同様にして得ることが可能である。
【００５６】
ブリケット１の嵩密度は、３〜４ｇ／ｃｍ^３、好ましくは３．２〜３．８ｇ／ｃｍ^３とすることが好ましい。ブリケット１の嵩密度が上記範囲の下限値以下になると、消耗電極の強度が不足してしまい好ましくない。
【００５７】
また、ブリケット１の嵩密度が上記範囲の上限値以上になると、ブリケット中に含まれる塩化マグネシウム等の揮発成分が散逸しにくく、溶製後のインゴット中で、塩素や酸素等の不純物濃度が下がりにくくなる場合があり、好ましくない。
【００５８】
次に、消耗電極６の形成方法の一例について説明する。図１８に示すように、消耗電極６は、２〜８個程度のブリケット１を水平方向に溶接接合してブリケットユニット５を作成し、次いでこのブリケットユニット５を垂直方向に複数段積み上げ、プラズマアーク溶接手段により接合部７で溶接加工して柱状に形成される。
【００５９】
本例のブリケット１は、外側にＯ、Ｎをほとんど含まないＡ級チタン材２が位置し、その内側にＢ級チタン材３が位置するように形成されており、溶接はＡ級チタン材２の領域においてなされるので、ブリケットユニット５や消耗電極６を形成する際の溶接において、高い溶接強度が保持できる。よって、図１９に示すように、多数のブリケット１を接合した消耗電極６を形成することができ、結果として、大型のインゴットの製造が可能となる。
【００６０】
なお、消耗電極６の大きさは、目的とする純チタンインゴットの大きさに基づき選択される。例えば、５〜１５トン程度の純チタンインゴットを製造する場合は、ブリケットユニットの構成にもよるが、通常ブリケットユニット５を５〜３０段積層して消耗電極６が形成される。
【００６１】
消耗電極６を溶解する際には、電極頂部にスタブが溶接により接合され、真空アーク（ＶＡＲ）溶解炉内に装着される。なお、スタブを確実に接合するために、消耗電極６の頂部には、Ａ級チタン材２のみで作成されたブリケットを接合しておくと、耐荷重性の面で好ましい。
【００６２】
消耗電極６は、真空アーク溶解炉内に懸垂した状態で装着される。炉内は真空に引かれ、所定の真空度に達した時点で、消耗電極６と溶解炉底部との間にアークを発生させて溶解を開始する。
【００６３】
時間が経過するに従って、消耗電極を徐々に下降させ、消耗電極６のほぼ全量をＶＡＲ溶解する。このようにして、純チタンインゴットが作成される。本例の製造方法によれば、１５トンの大型のインゴットを作成することも可能である。なお、必要に応じて、得られたインゴットを逆さまにして再溶解する。このように、インゴットを再溶解することにより、更に均一な組成の純チタンインゴットを得ることができる。
【００６４】
前述のとおり、本例における消耗電極６は、図７，図１１，図１３および図１８に示すように、その断面をみると、Ｂ級チタン材３が、連続的または断続的に分布しており、その周辺はＡ級チタン材２によって囲まれている。
【００６５】
このため、消耗電極６を真空アーク溶解炉内で溶解したとき、Ａ級チタン材２とＢ級チタン材３の均一化が達成でき、原料チタン材に含まれた微量のＯ，Ｎ，Ｆｅを均一に分布させることができ、均一組成のＯ，Ｎ，Ｆｅを含有する純チタンインゴットを得ることが可能となる。
【００６６】
本例では、Ｏ含有量が０．０７〜０．４質量％、Ｎ含有量が０．００５〜０．０３質量％、Ｆｅ含有量が０．１５〜０．４質量％であり、その他不可避不純物が含有され、残部が実質的にＴｉより構成された純チタンインゴットが作成される。
【００６７】
以下、本例の純チタンインゴットの製造方法により作成された、ブリケット及びインゴットの具体例を示す。
【００６８】
（具体的実施例）具体的な実施例として、純チタンインゴットの製造において使用されるブリケットの具体例を示す。ここでは、Ａ級チタン材としてＡ級スポンジチタンを用い、Ｂ級チタン材としてＢ級スポンジチタンおよびＢ級スクラップ材（切り粉）を用いてブリケットを作成した。
【００６９】
使用した原料チタン材は、具体的には、
Ａ級スポンジチタン；平均粒径１２ｍｍの粒子、（成分）Ｏ含有量；０．０５質量％、Ｎ含有量；０．００３質量％、Ｆｅ含有量；０．０４質量％、Ｔｉ純度；９９．８％以上。
Ｂ級スポンジチタン；平均粒径２５ｍｍの粒子、（成分）Ｏ含有量；０．０８５質量％、Ｎ含有量；０．０３３質量％、Ｆｅ含有量；０．６質量％、Ｔｉ純度；９９％以上。
切り粉；（成分）Ｏ含有量；０．１６質量％、Ｎ含有量；０．０２質量％、Ｆｅ含有量；０．０８質量％、Ｔｉ純度；９９％以上。
である。
【００７０】
ブリケットの形状は角型であり、高さ１８５ｍｍ×横幅２６０ｍｍ×奥行４０７ｍｍの大きさに形成されている。また、重さは６５ｋｇである。
【００７１】
材料の配置（ブリケットのタイプ）および原料チタン材の割合を表１に示す。ここでは、ブリケット１（実施例１）、ブリケット２（実施例２）およびブリケット３（参考例）を作成した。
【００７２】
（実施例１）ブリケット１は、図４に示すようなＯ型ブリケットであり、Ａ級チタン材７０％、Ｂ級チタン材３０％の割合で形成されている。
【００７３】
（実施例２）ブリケット２は、図１０に示すようなＵ型ブリケットであり、Ａ級チタン材５７％、Ｂ級スポンジチタン３０％、切り粉１３％の割合で形成されている。
【００７４】
（参考例）ブリケット３は、図１４に示すようなサンドイッチ型のブリケットであり、Ａ級チタン材５０％、Ｂ級チタン材５０％の割合で形成されている。
【００７５】
上記原料チタン材を型枠に充填したのち、圧搾機によりプレス圧３２００トンで圧縮成形し、ブリケット１，ブリケット２，ブリケット３を作成し、各々のブリケット２個をアルゴンシールプラズマアーク溶接した。溶接後の各ブリケットの状態として、次の表１の結果を得た。
【００７６】
【表１】

【００７７】
実施例１及び実施例２に示したブリケット１とブリケット２について、ハンマーにより衝撃を加えたが、ブリケットの崩壊はなかった。また、溶接したブリケットの溶接部と母材との結合状況も良好であった。
【００７８】
（実施例３）上記実施例２の方法で作成したブリケット２個ずつを、背中あわせにして、プラズマアーク溶接手段によりスポット溶接して、２連結ブリケットユニット（図６と実質同じ形）を作り、更に該ユニットを長さ方向に１３段、同様に溶接接合して、質量３．７トンのＶＡＲ柱状消耗電極を作成した。
【００７９】
次に、上記消耗電極の頂部にスタブをプラズマアーク溶接して、該消耗電極をＶＡＲ溶解炉中に懸垂して、以下の溶解条件で２回ＶＡＲ溶解し、３．７トンの純チタンインゴットＡを製造した。なお、消耗電極の耐荷重性については、消耗電極は３．７トンの荷重であったが、ブリケットの破損による電極の落下など無く溶解できた。
【００８０】
溶解条件；
（第１回溶解）真空度；６×１０^−３ｔｏｒｒ．、電流；１５ＫＡ
（第２回溶解）真空度；２×１０^−３ｔｏｒｒ．、電流；２５ＫＡ
【００８１】
（実施例４）以下の原料チタン材を使用し、Ｏ型のブリケットを作成した。このとき、原料チタン材の割合は、Ａ級スポンジチタン７１質量％、Ｂ級スポンジチタン／切り粉の混合物（重量比で２：１）２９質量％とした。また、Ｂ級スポンジチタン／切り粉の混合物にＴｉＯ_２粉を少量添加した。
【００８２】
Ａ級スポンジチタン；平均粒径１２ｍｍの粒子、（成分）Ｏ含有量；０．０５質量％、Ｎ含有量；０．００３質量％、Ｆｅ含有量；０．０４質量％、Ｔｉ純度；９９．８％以上。
Ｂ級スポンジチタン；平均粒径２５ｍｍの粒子、（成分）Ｏ含有量；０．０８０質量％、Ｎ含有量；０．０３３質量％、Ｆｅ含有量；０．６質量％、Ｔｉ純度；９９％以上。
切り粉；（成分）Ｏ含有量；０．１６質量％、Ｎ含有量；０．０２質量％、Ｆｅ含有量；０．０８質量％、Ｔｉ純度；９９％以上。
【００８３】
作成したブリケット５個を、図７のように平面方向にプラズマアーク溶接手段によりスポット溶接して、５連接ブリケットユニットを作成した。次いで、該ユニットを長さ方向に２９段重ねて溶接し、質量９．４トンのＶＡＲ柱状消耗電極を作成した。
【００８４】
次に、上記消耗電極の頂部にスタブをプラズマアーク溶接して、該消耗電極をＶＡＲ溶解炉中に懸垂して、以下の溶解条件で２回ＶＡＲ溶解し、９．４トンの純チタンインゴットＢを製造した。消耗電極の耐荷重性については、溶解中に電極の一部が破断することなく、好適に溶解できた。
【００８５】
溶解条件；
（第１回溶解）真空度；６×１０^−３ｔｏｒｒ．、電流；２５ＫＡ
（第２回溶解）真空度；２×１０^−３ｔｏｒｒ．、電流；４０ＫＡ
【００８６】
上記実施例３および実施例４より得られた純チタンインゴットＡ，Ｂの性状を表２に示す。
【００８７】
【表２】

【００８８】
表２に示したように、実施例３では、Ｏ，Ｎ，Ｆｅが目標の含有量のとおりに、インゴット全体にわたり均一に含まれている純チタンインゴットが製造された。また、実施例４では、Ｏ，Ｎ，Ｆｅが目標の含有量のとおりに、インゴット全体にわたり均一に含まれている、９．４トンの大型純チタンインゴットが製造された。
【００８９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の純チタンインゴットの製造方法によれば、純度の異なる２種類のチタン材を用いてブリケットが形成されるものであり、純度の低い第２のチタン材として、従来では有効に活用されていなかった、純度の低いスポンジチタンや、チタン材の加工工程で発生するスクラップ材を活用することが可能となる。
【００９０】
このとき、ブリケットの外側に純度の高い第１のチタン材が位置し、内側に純度の低い第２のチタン材が内包されるように構成されているので、複数のブリケットを溶接して消耗電極を形成するとき、純度の高い第１のチタン材の部分で溶接されることになり、ブリケットを高い接合強度で溶接することができる。したがって、大型の消耗電極を形成することができ、結果として、大型のインゴットを製造することが可能となる。
【００９１】
また、前記消耗電極は、前記ブリケットを水平方向，垂直方向のいずれかまたは両方に複数段積層して組み立ておよび溶接されて形成されているので、消耗電極の長尺方向または短尺方向のいずれかまたは両方において、第１のチタン材が第２のチタン材と交互に配設される。
【００９２】
したがって、消耗電極を溶解してインゴットを得たとき、第１のチタン材と第２のチタン材の均一化が達成でき、原料チタン材に含まれた微量のＯ，Ｎ，Ｆｅを均一に分布させることができ、均一組成のＯ，Ｎ，Ｆｅを含有する純チタンインゴットを得ることが可能となる。
【００９３】
また、本発明の製造方法により得られる純チタンインゴットは、原料チタン材として、純物が比較的低いスポンジチタンや、チタン材の加工工程で発生するスクラップ材を使用しているため、これらの原料チタン材に含有される酸素，窒素，鉄の各成分を含有した純チタンインゴットが得られるが、このとき、原料チタン材の種類、割合、使用量を調整することにより、酸素，窒素，鉄が適正な量で均一に含まれ、伸び性，引っ張り強さ、加工性に優れた純チタンインゴットを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の純チタンインゴットの製造方法を示すブロック図である。
【図２】ブリケットの斜視図である。
【図３】ブリケットの正面図である。
【図４】Ｏ型ブリケットの断面を示す説明図である。
【図５】Ｏ型ブリケットの断面を示す説明図である。
【図６】Ｏ型ブリケット２個を接合したときのブリケットユニットの断面を示す説明図である。
【図７】Ｏ型ブリケット８個を接合したときのブリケットユニットの断面を示す説明図である。
【図８】Ｏ型ブリケットの他の例を示す説明図である。
【図９】Ｏ型ブリケットの他の例を示す説明図である。
【図１０】Ｕ型ブリケットの断面を示す説明図である。
【図１１】Ｕ型ブリケット４個を接合したときのブリケットユニットの断面を示す説明図である。
【図１２】Ｌ型ブリケットの断面を示す説明図である。
【図１３】Ｌ型ブリケット８個を接合したブリケットユニットの断面を示す説明図である。
【図１４】サンドイッチ形のブリケットを示す説明図である。
【図１５】ブリケットの成形方法を示す説明図である。
【図１６】ブリケットの成形方法を示す説明図である。
【図１７】ブリケットの成形方法を示す説明図である。
【図１８】消耗電極を示す説明図である。
【図１９】本発明のブリケットを接合して製造した長尺の消耗電極例である。
【符号の説明】
１ブリケット
２Ａ級チタン材（第１のチタン材）
３Ｂ級チタン材（第２のチタン材）
５ブリケットユニット
６消耗電極
７接合部
１１型枠
１２中子
１３押圧手段
Ａ〜ＥＢ級チタン材（第２のチタン材）領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a pure titanium ingot. To the law In particular, how to produce pure titanium ingots using sponge titanium, which has a relatively low purity, and cutting scraps and cut pieces generated during the processing of titanium materials To the law Related.
[0002]
[Prior art]
Titanium material has high strength and can be used at high temperatures, so it is used in various applications. Especially when used for aircraft, it is a material with high quality and sufficient reliability. Is provided.
[0003]
For this reason, as a titanium material for aircraft, a sponge titanium produced by a crawl method is selected from sponge titanium having a low content of oxygen, iron, nitrogen, etc. It was manufactured.
[0004]
Thus, when manufacturing a high quality pure titanium ingot, scrap materials, such as cutting waste and a cut piece, are generated in the manufacturing process. This scrap material and sponge titanium containing a relatively large amount of impurities have been used, for example, in steel additives, but have not been fully utilized.
[0005]
On the other hand, titanium materials have recently been used in the field of consumer goods such as automobile and motorcycle mufflers, golf club heads, and tennis rackets. About these consumer goods, even if it does not have high quality compared with the said titanium material for aircrafts, it can respond. For this reason, the range of utilization of so-called B-class sponge titanium, which has a relatively high content of oxygen, iron, or nitrogen, which has not been effectively utilized until now, has been expanded.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Usually, a pure titanium ingot is formed by forming briquettes from raw materials such as sponge titanium, welding these briquettes to form consumable electrodes, and melting the consumable electrodes by vacuum arc (VAR).
[0007]
However, when B grade sponge titanium, which has a relatively low purity, is used, oxygen and nitrogen are contained in the briquette at a high content, so that there is a problem that the welding strength is lowered. Furthermore, when scrap material is used, there is a problem that it is difficult to form briquettes because the shape of the scrap material is not constant.
[0008]
In addition, since raw materials having different impurity contents are used, there is a problem that the impurity content varies depending on the portion of the ingot obtained as a product or the impurity content becomes high.
[0009]
The object of the present invention is to use a sponge titanium having a relatively high content of oxygen, nitrogen, and iron, that is, a relatively low purity content of cutting scraps and cutting pieces, oxygen, nitrogen, and iron generated in a titanium material processing step. How to produce large pure titanium ingots at low cost The law It is to provide.
[0010]
Another object of the present invention is to utilize cutting waste and cut pieces generated in the processing process of titanium material, sponge titanium having a relatively low purity, and utilizing oxygen, nitrogen and iron components contained in these raw materials. Of pure titanium ingots with excellent elongation, tensile strength and workability The law It is to provide.
[0011]
Another object of the present invention is to produce a pure titanium ingot in which the oxygen, nitrogen and iron components are as close as possible to the target values and are uniformly distributed throughout the ingot. The law It is to provide.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to the method for producing a pure titanium ingot according to claim 1 of the present invention, the above-described problem is that the O content is 0.07 mass% or less, the N content is 0.009 mass% or less, and the Fe content is 0.00. A first titanium material made of either or both of titanium sponge and titanium scrap material of not more than 05% by mass is disposed on the outer periphery, and the O content is 0.08 to 0.00 in the inside of the first titanium material. Second titanium material made of either or both of titanium sponge and titanium scrap material having 3% by mass, N content of 0.01 to 0.1% by mass, and Fe content of 0.06 to 5.0% by mass Place The Forming briquette The briquette forming step and the briquette so that the first titanium material and the second titanium material are alternately arranged. Multiple combinations And placing a briquette made of only the first titanium material on the top A consumable electrode forming step of forming a consumable electrode, and a step of vacuum arc melting of the consumable electrode obtained by the consumable electrode forming step, wherein the O content is 0.07 to 0.4 mass% and the N content is Is formed by forming a pure titanium ingot containing 0.005 to 0.03% by mass, Fe content of 0.15 to 0.4% by mass, other inevitable impurities, and the balance being titanium.
[0013]
Further, according to the method for producing a pure titanium ingot according to claim 2 of the present invention, the above problem is that the O content is 0.07% by mass or less, the N content is 0.009% by mass or less, and the Fe content is 0.05% by mass or less of the first titanium material,
A second titanium material having an O content of 0.08 to 0.3 mass%, an N content of 0.01 to 0.1 mass%, and an Fe content of 0.06 to 5.0 mass% is used. ,
A briquette forming step in which the first titanium material is arranged on the outer periphery and the second titanium material is arranged inside to form a briquette; The first titanium material and the second titanium material are alternately arranged as described above. Assemble and weld briquettes In addition, a briquette composed only of the first titanium material is placed on the top. The consumable electrode forming step of forming the consumable electrode and the step of vacuum arc melting the consumable electrode obtained in the consumable electrode forming step are solved.
[0014]
Thus, according to the method for producing a pure titanium ingot of the present invention, a pure titanium ingot is formed using two types of titanium materials having different purities, and the purity that has not been effectively utilized in the prior art. It is possible to effectively utilize a low titanium material.
[0015]
A pure titanium ingot is obtained by subjecting a consumable electrode to vacuum arc melting, and the consumable electrode is formed by assembling and welding a plurality of briquettes. According to the manufacturing method of this example, since the first titanium material with high purity is located on the outer peripheral portion of the briquette, the briquette is welded at the portion of the first titanium material, and the briquette is highly bonded. Can be welded with strength. Therefore, a large consumable electrode can be formed, and as a result, a large pure titanium ingot can be manufactured.
[0016]
Specifically, as the second titanium material, O content is 0.08 to 0.3 mass%, N content is 0.01 to 0.1 mass%, Fe content is 0.06 to 5.0 mass%, and the balance is substantially titanium. like, Either low-purity class B sponge titanium or scrap material generated in the titanium material processing step or both are used. In order to contain oxygen (indicated by O), nitrogen (indicated by N), and iron (indicated by Fe) in a well-balanced manner, the second titanium material is incorporated into the second titanium material. O content is 0.07% by mass or less, N content is 0.01% by mass or less, and the balance is substantially titanium. Class A sponge titanium may be included. Furthermore, in order to adjust the balance of O, N, and Fe, one or more of titanium oxide or metallic iron may be added to the second titanium material. Titanium oxide can be used as the titanium oxide, and electrolytic iron or the like can be used as the metallic iron.
[0017]
Further, in the step of forming the consumable electrode, a plurality of the briquettes are connected in a horizontal direction, usually 2 to 8, and a plurality of vertical, usually 5 to 20 layers are stacked, assembled and welded, A long consumable electrode in which the first titanium material is disposed on the outer periphery of the electrode and the second titanium material is disposed therein is formed. In addition, the first titanium material and the second titanium material are alternately arranged.
[0018]
Thus, in the consumable electrode, when the first titanium material and the second titanium material are alternately arranged, when the ingot is obtained by melting the consumable electrode, the first titanium material and the second titanium material 2 titanium material can be made uniform, and a small amount of O, N, and Fe contained in the raw material titanium material can be uniformly distributed, and a pure titanium ingot containing O, N, and Fe having a uniform composition is obtained. It becomes possible.
[ 0019 ]
Book Pure titanium ingot obtained by the manufacturing method of the invention uses sponge titanium having a relatively low purity as a raw material titanium material or scrap material generated in the processing process of the titanium material. The pure titanium ingot containing each component of oxygen, nitrogen, and iron is obtained. And by including these components of oxygen, nitrogen, and iron, it becomes possible to obtain a pure titanium ingot excellent in extensibility, tensile strength, and workability.
[ 0020 ]
In the present specification, “pure titanium ingot” is a titanium material that contains a small amount of oxygen, iron, and nitrogen, and is composed of 99% or more of titanium, which is excellent in mechanical strength and workability. In order to distinguish it from the titanium alloy, it is expressed as a pure titanium ingot.
[ 0021 ]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The members, arrangements, and the like described below are not intended to limit the present invention and can be variously modified within the scope of the gist of the present invention.
[ 0022 ]
FIG. 1 to FIG. 19 show an embodiment of the present invention, FIG. 1 is a block diagram showing an example of a manufacturing method of a pure titanium ingot, and FIG. 2 to FIG. 13 are explanatory views showing the structure and joining state of briquettes. FIG. 14 is an explanatory view showing a briquette as a reference example, FIGS. 15 to 17 are explanatory views showing a briquette forming method, and FIG. 18 is an explanatory view showing a part of a consumable electrode formed by assembling the briquette. FIG. 3 is an explanatory view showing the entire consumable electrode.
[ 0023 ]
As shown in FIG. 1, the production method of a pure titanium ingot according to the present invention is a titanium material (first titanium material; hereinafter referred to as “Class A titanium material”) having a very small content of O (oxygen) and N (nitrogen). And a briquette made of a titanium material (second titanium material; hereinafter referred to as “class B titanium material”) having a slightly high content of O (oxygen), N (nitrogen), and Fe (iron), A plurality of these briquettes are combined to form a column-shaped consumable electrode, and this consumable electrode is melted by vacuum arc to obtain a pure titanium ingot.
[ 0024 ]
The pure titanium ingot obtained by the production method of this example has an O content of 0.07 to 0.4. mass %, N content is 0.005 to 0.03 mass %, Fe content is 0.15-0.4 mass %, Other inevitable impurities The balance is made of Ti.
[ 0025 ]
A grade A titanium material substantially means a titanium material having a Ti purity of 99.8% or more. In terms of impurity purity, the O content is 0.07% by weight or less, and the N content is 0.00. 01 mass %, The balance is substantially Ti Is Titanium material is applicable.
[ 0026 ]
Class A titanium materials include sponge titanium for general wrought materials, high-purity titanium scrap generated when processing ingots manufactured using high-purity class A sponge titanium, or equivalent purity to these. Titanium material is used.
[ 0027 ]
Class B titanium material has an O content of 0.08 to 0.3. mass %, N content is 0.01 to 0.1 mass %, Fe content is 0.06 to 5.0 mass %, The balance being substantially Ti titanium material.
[ 0028 ]
In addition, Cr (chromium), Ni (nickel), Al (aluminum), and V (vanadium) should not be substantially contained as impurities as unavoidable components. Limits that do not affect the properties of the ingot produced, specifically 0.05 mass % Or less is the allowable amount.
[ 0029 ]
Class B titanium material is a grade of sponge titanium ingot obtained by reduction of TiCl4, which has a lower purity than that of class A sponge titanium. (Hereinafter referred to as “Class B sponge titanium”) and scrap material (hereinafter referred to as “Class B scrap material”).
[ 0030 ]
Specifically, the B-class sponge titanium has an Fe content of 0.5 to 2.0. mass %, N content is 0.01 to 0.5 mass %, O content is 0.05 to 0.3 mass %, Sponge titanium having a Ti purity of 98% or more is applicable. The B class titanium material is used by adjusting two or more kinds if necessary, so that the above composition is obtained.
[ 0031 ]
Class B scrap material refers to cutting waste and cut pieces generated in the process of ingots manufactured from Class A sponge titanium. Specifically, black is generated when grinding the surface of ingots or rolled materials. Skin, white skin (swarf) generated during grinding of the forged slab surface, rolled plates, bars, and cut pieces (chips) generated when processing lines are included.
[ 0032 ]
Although all the scrap materials were high-purity titanium materials, the O and N contents are generally high because air contact is made at high temperatures during the processing. In addition, Fe content is small.
[ 0033 ]
Both raw material titanium materials are preferably sized by cutting, crushing, or the like to have a shape suitable for briquetting. Specifically, it is preferable that both the grade A titanium material and the grade B titanium material are cut into pieces having a particle diameter of 4 to 30 mm or 30 mm square or less. In addition, when two or more kinds of materials are used, it is preferable to sufficiently mix them with a mixer.
[ 0034 ]
In addition, when using a scrap material as a B class titanium material, since cutting oil and a water | moisture content have adhered to a scrap material in many cases, it is preferable to remove sufficiently before briquette shaping | molding.
[ 0035 ]
The cutting oil can be removed by washing with an organic solvent or the like. The oil content in the titanium material after washing is 0.02. mass %, Moisture is 0.01 mass % Or less is preferable.
[ 0036 ]
As the sponge titanium constituting the class B titanium material, in addition to the above class B sponge titanium, the portion where any of the contents of O, N and Fe is larger than the class B sponge titanium, especially the Fe content is 2 0.0-4.0 mass It is also possible to use titanium sponge collected from a portion having a high ratio of%.
[ 0037 ]
When using the above-mentioned sponge titanium, it is preferable to mix it with a raw material titanium material having a low O, N and Fe content and adjust the impurity purity to be within an allowable range. For this reason, you may mix a Class A sponge titanium if necessary.
[ 0038 ]
Furthermore, when the default values of O, N, and Fe cannot be adjusted by the mixing ratio of various materials, TiO, TiO can be used as the O source or Fe source. ₂ , Ti ₃ O ₅ The briquette may be formed after adding titanium oxide such as the above or metal iron such as electrolytic iron or iron nail to the second titanium material, that is, the B grade sponge titanium or the B grade scrap material.
[ 0039 ]
Briquettes are formed from the raw material titanium material. The briquette is a minimum unit of electrode configuration, and the outer side is made of a class A titanium material and the inner side is made of a class B titanium material. The briquette is created by determining the raw material composition (used raw material, ratio, used amount) necessary for obtaining the target pure titanium ingot based on the analysis value of each raw material.
[ 0040 ]
In this example, as a result, the O content is 0.07 to 0.4. mass %, N content is 0.005 to 0.03 mass %, Fe content is 0.15 to 0.4 mass %, Other inevitable impurities The raw material composition is such that a pure titanium ingot is produced, the balance of which is substantially composed of Ti.
[ 0041 ]
Specifically, the ratio of the class B titanium material is 80 from the viewpoint of the tensile strength of the briquette created or completed briquette. mass % Or less, and 30 from the viewpoint of cost. mass % Or more is preferable.
[ 0042 ]
For example, the briquette is formed to have a length of 20 to 40 cm, a width of 30 to 50 cm, a height of 20 to 30 cm, and a mass of 30 to 100 kg, but is not limited thereto. The briquette is made by putting a raw material titanium material into a mold and compression molding at a pressure of about 3000 tons.
[ 0043 ]
2 to 13 show the configuration of the briquette 1 used in the production of a pure titanium ingot. FIG. 2 is an external perspective view of the briquette 1, and FIG. 3 is a front view of the briquette 1. 4 to 13 are cross-sectional views of briquettes or consumable electrodes (hereinafter referred to as “briquette units”) formed by joining briquettes used in the present invention. As shown in the drawing, the external appearance of the briquette 1 is square, and some of the corners are rounded.
[ 0044 ]
The briquette 1 shown in FIGS. 4 and 5 has a structure in which the region of the class B titanium material 3 is completely included in the region of the class A titanium material 2, and the region of the class A titanium material 2 is square in the cross section. Or it is comprised so that it may become O shape (henceforth "O type briquette").
[ 0045 ]
In addition, as shown in FIG. 5, it is good also as a structure by which the corner | angular part is not rounded off. Moreover, as shown in FIG. 8 and FIG. 9, it is good also as a structure which uses the B class titanium material 3 for the inside, and uses two types of A class titanium materials 2 for the outer side.
[ 0046 ]
As shown in FIG. 6, the O-type briquette 1 is joined with the corners inside. A briquette unit 5 as shown in FIG. 7 is formed by further joining the O-type briquette 1 to the two joined O-type briquettes 1. At this time, the size of each briquette 1 can be appropriately selected.
[ 0047 ]
FIG. 10 shows another embodiment of the briquette 1. By combining two or more briquettes 1, a briquette unit 5 as shown in FIG. 11 is formed. The briquette 1 has a structure in which the region of the class B titanium material 3 is included in the region of the class A titanium material 2 except for a part, and the region of the class A titanium material 2 is U-shaped in cross section. (Hereinafter referred to as “U-shaped briquette”).
[ 0048 ]
FIG. 12 also shows another embodiment of the briquette 1. The cross section of the briquette 1 is configured such that the region of the class A titanium material 2 is L-shaped (hereinafter referred to as “L-shaped briquette”).
[ 0049 ]
As shown in FIGS. 4, 8, 10 and 12, the briquette 1 used in the present invention is surrounded by a class A titanium material 2 on the outside and a class A titanium material 2 on the inside. It is comprised so that the B class titanium material 3 may be located. The briquette shown in FIG. 14 is a reference example. Thus, in the briquette 1 in which both sides of the B class titanium material 3 are sandwiched by the A class titanium material 2, a part of the B class titanium material 3 is the outer peripheral portion. Therefore, when assembled to a large electrode, there remains a difficulty in welding strength.
[ 0050 ]
15 to 17 show a method for forming the U-shaped briquette as an example. First, it is formed by filling the mold 11 with a class A titanium material 2 and a class B titanium material 3 and compressing them from above. As a molding process, as shown in FIG. 15, the core 12 is disposed in the mold 11, and the outer side of the core 12, that is, the space surrounded by the mold 11 and the core 12, is a class A titanium. Fill material 2.
[ 0051 ]
In addition, the B grade titanium material 3 is filled inside the core 12. Thereafter, the core 12 is pulled out and, as shown in FIG. And the briquette 1 is completed as shown in FIG. 17 by compression-press-molding both the filled

titanium materials

2 and 3 using the press means 13. As shown in FIG. Then, two or more briquettes 1 are combined and welded to form a briquette unit 5 as shown in FIG. 11 (an example in which four briquettes are joined in the horizontal direction in FIG. 11).
[ 0052 ]
FIG. 7 is an example in which five O-shaped briquettes are connected, and FIG. 13 is another example of the briquette unit 5 in which eight L-shaped briquettes are connected in the same manner. The cross sections of these briquette units 5 coincide with the cross sections of the electrodes.
[ 0053 ]
7, 11, and 13, the cross section of the briquette unit 5 formed by joining a plurality of briquettes 1, that is, the cross section of the electrode, each has a class A titanium material 2 at the outer peripheral portion and B inside. The class titanium material 3 is arranged.
[ 0054 ]
Further, in the region of the class B titanium material 3, two or more regions (5 regions A to E in FIG. 7 and 2 regions A and B in FIGS. 11 and 13) are surrounded by the class A titanium material region. It is configured.
[ 0055 ]
It should be noted that other briquettes such as O-shaped briquettes and L-shaped briquettes can be obtained in the same manner as the above-described molding method by changing the manner of arrangement of the cores and the manner of filling the raw materials.
[ 0056 ]
The bulk density of briquette 1 is 3-4 g / cm ³ , Preferably 3.2 to 3.8 g / cm ³ It is preferable that If the bulk density of the briquette 1 is less than or equal to the lower limit of the above range, the strength of the consumable electrode is insufficient, which is not preferable.
[ 0057 ]
In addition, when the bulk density of the briquette 1 exceeds the upper limit of the above range, volatile components such as magnesium chloride contained in the briquette are difficult to dissipate, and the concentration of impurities such as chlorine and oxygen decreases in the ingot after melting. It may become difficult, and is not preferable.
[ 0058 ]
Next, an example of a method for forming the consumable electrode 6 will be described. As shown in FIG. 18, the consumable electrode 6 is composed of about 2 to 8 briquettes 1 welded and joined in the horizontal direction to form a briquette unit 5, and then the briquette units 5 are stacked in a plurality of stages in the vertical direction. A columnar shape is formed by welding at the joint 7 by welding means.
[ 0059 ]
The briquette 1 of this example is formed such that a class A titanium material 2 containing almost no O or N is located on the outside, and a class B titanium material 3 is located on the inside thereof. Therefore, high welding strength can be maintained in welding when the briquette unit 5 and the consumable electrode 6 are formed. Therefore, as shown in FIG. 19, the consumable electrode 6 which joined many briquettes 1 can be formed, and as a result, manufacture of a large sized ingot is attained.
[ 0060 ]
The size of the consumable electrode 6 is selected based on the size of the target pure titanium ingot. For example, when manufacturing a pure titanium ingot of about 5 to 15 tons, the consumable electrode 6 is usually formed by stacking 5 to 30 stages of briquette units 5 depending on the configuration of the briquette unit.
[ 0061 ]
When the consumable electrode 6 is melted, a stub is joined to the top of the electrode by welding and mounted in a vacuum arc (VAR) melting furnace. In order to securely join the stub, it is preferable in terms of load resistance that a briquette made of only the class A titanium material 2 is joined to the top of the consumable electrode 6.
[ 0062 ]
The consumable electrode 6 is mounted in a suspended state in a vacuum arc melting furnace. The inside of the furnace is evacuated, and when a predetermined degree of vacuum is reached, an arc is generated between the consumable electrode 6 and the bottom of the melting furnace to start melting.
[ 0063 ]
As time elapses, the consumable electrode is gradually lowered, and almost the entire amount of the consumable electrode 6 is dissolved in VAR. In this way, a pure titanium ingot is created. According to the manufacturing method of this example, it is possible to produce a large ingot of 15 tons. If necessary, the obtained ingot is turned upside down and redissolved. Thus, a pure titanium ingot having a more uniform composition can be obtained by re-dissolving the ingot.
[ 0064 ]
As described above, the consumable electrode 6 in this example has a B-class titanium material 3 distributed continuously or intermittently as seen in its cross section, as shown in FIGS. 7, 11, 13 and 18. The periphery thereof is surrounded by a class A titanium material 2.
[ 0065 ]
For this reason, when the consumable electrode 6 is melted in a vacuum arc melting furnace, the class A titanium material 2 and the class B titanium material 3 can be made uniform, and a small amount of O, N, and Fe contained in the raw material titanium material can be obtained. It is possible to obtain a pure titanium ingot that can be uniformly distributed and contains O, N, and Fe having a uniform composition.
[ 0066 ]
In this example, the O content is 0.07 to 0.4. mass %, N content is 0.005 to 0.03 mass %, Fe content is 0.15 to 0.4 mass %, Other inevitable impurities Is contained, and a pure titanium ingot having the balance substantially made of Ti is produced.
[ 0067 ]
Hereinafter, specific examples of briquettes and ingots produced by the method for producing a pure titanium ingot of this example will be shown.
[ 0068 ]
(Specific Example) As a specific example, a specific example of a briquette used in the production of a pure titanium ingot is shown. Here, briquette was created using A grade sponge titanium as A grade titanium material, and B grade sponge titanium and B grade scrap material (cutting powder) as B grade titanium material.
[ 0069 ]
Specifically, the raw material titanium material used is
Class A sponge titanium; particles having an average particle diameter of 12 mm, (component) O content: 0.05 mass %, N content; 0.003 mass %, Fe content; 0.04 mass %, Ti purity: 99.8% or more.
Class B sponge titanium; particles having an average particle diameter of 25 mm, (component) O content; 0.085 mass %, N content; 0.033 mass %, Fe content; 0.6 mass %, Ti purity; 99% or more.
Chip; (Component) O content; 0.16 mass %, N content; 0.02 mass %, Fe content; 0.08 mass %, Ti purity; 99% or more.
It is.
[ 0070 ]
The shape of the briquette is a square shape, and is formed in a size of height 185 mm × width 260 mm × depth 407 mm. The weight is 65 kg.
[ 0071 ]
Table 1 shows the arrangement of materials (briquette type) and the ratio of raw material titanium materials. Here, briquette 1 (Example 1), briquette 2 (Example 2), and briquette 3 (reference example) were prepared.
[ 0072 ]
(Example 1) The briquette 1 is an O-type briquette as shown in FIG. 4, and is formed at a ratio of 70% A grade titanium material and 30% B grade titanium material.
[ 0073 ]
(Example 2) The briquette 2 is a U-shaped briquette as shown in FIG. 10, and is formed at a ratio of 57% A grade titanium material, 30% B grade sponge titanium, and 13% cutting powder.
[ 0074 ]
(Reference Example) Briquette 3 is a sandwich-type briquette as shown in FIG. 14, and is formed at a ratio of 50% A grade titanium material and 50% B grade titanium material.
[ 0075 ]
After filling the above raw material titanium material into a mold, it was compression-molded with a press at a press pressure of 3200 tons to produce briquette 1, briquette 2 and briquette 3, and two briquettes each were argon sealed plasma arc welded. As the state of each briquette after welding, the results shown in Table 1 below were obtained.
[ 0076 ]
[Table 1]

[ 0077 ]
About the briquette 1 and the briquette 2 shown in Example 1 and Example 2, although the impact was applied with the hammer, there was no collapse of a briquette. Moreover, the bonding state between the welded portion of the welded briquette and the base material was also good.
[ 0078 ]
(Example 3) Two briquettes created by the method of Example 2 above are back-to-back, spot welded by plasma arc welding means to make a two-connected briquette unit (substantially the same shape as FIG. 6), Furthermore, the unit was welded and joined in 13 stages in the length direction in the same manner to produce a VAR columnar consumable electrode having a mass of 3.7 tons.
[ 0079 ]
Next, a stub is plasma arc welded to the top of the consumable electrode, the consumable electrode is suspended in a VAR melting furnace, and VAR is melted twice under the following melting conditions to obtain a 3.7 ton pure titanium ingot A. Manufactured. Regarding the load resistance of the consumable electrode, the load of the consumable electrode was 3.7 tons, but it could be dissolved without dropping the electrode due to briquette damage.
[ 0080 ]
Dissolution conditions;
(First dissolution) Degree of vacuum: 6 × 10 ^-3 torr. , Current; 15KA
(Second dissolution) Degree of vacuum: 2 × 10 ^-3 torr. , Current; 25KA
[ 0081 ]
Example 4 An O-type briquette was prepared using the following raw material titanium material. At this time, the ratio of the raw material titanium material is as follows. mass %, B grade sponge titanium / chip mixture (2: 1 by weight) 29 mass %. Moreover, TiO is added to the mixture of Class B sponge titanium / chip. ₂ A small amount of flour was added.
[ 0082 ]
Class A sponge titanium; particles having an average particle diameter of 12 mm, (component) O content: 0.05 mass %, N content; 0.003 mass %, Fe content; 0.04 mass %, Ti purity: 99.8% or more.
Class B sponge titanium; particles having an average particle diameter of 25 mm, (component) O content; 0.080 mass %, N content; 0.033 mass %, Fe content; 0.6 mass %, Ti purity; 99% or more.
Chip; (Component) O content; 0.16 mass %, N content; 0.02 mass %, Fe content; 0.08 mass %, Ti purity; 99% or more.
[ 0083 ]
Five briquette units were spot-welded by plasma arc welding means in the plane direction as shown in FIG. Next, the unit was welded in 29 stages in the length direction, and a VAR column-shaped consumable electrode having a mass of 9.4 tons was produced.
[ 0084 ]
Next, a stub is plasma arc welded to the top of the consumable electrode, the consumable electrode is suspended in a VAR melting furnace, and VAR is melted twice under the following melting conditions to obtain a 9.4 ton pure titanium ingot B. Manufactured. Regarding the load resistance of the consumable electrode, the electrode could be suitably dissolved without being partially broken during the dissolution.
[ 0085 ]
Dissolution conditions;
(First dissolution) Degree of vacuum: 6 × 10 ^-3 torr. , Current; 25KA
(Second dissolution) Degree of vacuum: 2 × 10 ^-3 torr. , Current; 40KA
[ 0086 ]
Table 2 shows the properties of the pure titanium ingots A and B obtained from Example 3 and Example 4.
[ 0087 ]
[Table 2]

[ 0088 ]
As shown in Table 2, in Example 3, a pure titanium ingot was produced in which O, N, and Fe were uniformly contained throughout the ingot according to the target content. Further, in Example 4, a 9.4-ton large-sized pure titanium ingot was produced in which O, N, and Fe were uniformly contained throughout the ingot according to the target content.
[ 0089 ]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for producing a pure titanium ingot of the present invention, briquettes are formed using two types of titanium materials having different purities. As a second titanium material having a low purity, conventionally, It becomes possible to utilize low-purity sponge titanium that has not been effectively utilized and scrap material generated in the processing process of the titanium material.
[ 0090 ]
At this time, the first titanium material with high purity is located outside the briquette, and the second titanium material with low purity is contained inside, so the consumable electrode is welded with a plurality of briquettes. , The first titanium material having a high purity is welded, and the briquette can be welded with a high joint strength. Accordingly, a large consumable electrode can be formed, and as a result, a large ingot can be manufactured.
[ 0091 ]
In addition, since the consumable electrode is formed by assembling and welding the briquette in a plurality of stages in either the horizontal direction or the vertical direction, or both, the consumable electrode is either in the long direction or the short direction of the consumable electrode or In both, the first titanium material is alternately disposed with the second titanium material.
[ 0092 ]
Therefore, when the ingot is obtained by melting the consumable electrode, the first titanium material and the second titanium material can be made uniform, and a small amount of O, N, and Fe contained in the raw material titanium material are uniformly distributed. It is possible to obtain a pure titanium ingot containing O, N, and Fe having a uniform composition.
[ 0093 ]
Moreover, the pure titanium ingot obtained by the production method of the present invention uses sponge titanium having a relatively low purity as a raw material titanium material or scrap material generated in the processing process of the titanium material. A pure titanium ingot containing each component of oxygen, nitrogen, and iron contained in the titanium material can be obtained. At this time, by adjusting the type, ratio, and amount of raw material titanium material, oxygen, nitrogen, and iron can be obtained. It is possible to obtain a pure titanium ingot that is uniformly contained in an appropriate amount and excellent in stretchability, tensile strength, and workability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a method for producing a pure titanium ingot of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a briquette.
FIG. 3 is a front view of a briquette.
FIG. 4 is an explanatory view showing a cross section of an O-shaped briquette.
FIG. 5 is an explanatory view showing a cross section of an O-shaped briquette.
FIG. 6 is an explanatory view showing a cross section of a briquette unit when two O-shaped briquettes are joined.
FIG. 7 is an explanatory view showing a cross section of a briquette unit when eight O-shaped briquettes are joined.
FIG. 8 is an explanatory view showing another example of an O-shaped briquette.
FIG. 9 is an explanatory view showing another example of an O-shaped briquette.
FIG. 10 is an explanatory view showing a cross section of a U-shaped briquette.
FIG. 11 is an explanatory view showing a cross section of a briquette unit when four U-shaped briquettes are joined.
FIG. 12 is an explanatory view showing a cross section of an L-shaped briquette.
FIG. 13 is an explanatory view showing a cross section of a briquette unit in which eight L-shaped briquettes are joined.
FIG. 14 is an explanatory view showing a sandwich briquette.
FIG. 15 is an explanatory view showing a briquette forming method.
FIG. 16 is an explanatory view showing a briquette forming method.
FIG. 17 is an explanatory view showing a briquette forming method.
FIG. 18 is an explanatory view showing a consumable electrode.
FIG. 19 is an example of a long consumable electrode manufactured by joining the briquettes of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Briquette
2 Class A titanium material (first titanium material)
3 Class B titanium material (second titanium material)
5 Briquette unit
6 Consumable electrodes
7 joints
11 Formwork
12 core
13 Pressing means
A to E Class B titanium material (second titanium material) region

Claims

First titanium comprising either or both of sponge titanium and titanium scrap material having an O content of 0.07% by mass or less, an N content of 0.009% by mass or less, and an Fe content of 0.05% by mass or less. The material is arranged on the outer periphery, and the O content is 0.08 to 0.3% by mass, the N content is 0.01 to 0.1% by mass, and the Fe content is in the first titanium material. a briquetting step for forming the briquettes by arranging the second titanium material consisting of either or both of 0.06 to 5.0 wt% of titanium sponge or titanium scrap material, the first titanium material and a second a plurality combinations Rutotomoni, consumable electrode forming step of placing the briquettes consisting only the first titanium material at the top to form the consumable electrode the briquette as a titanium material are alternately arranged in, the consumable Electrode forming worker And a step of melting the consumable electrode obtained by vacuum arc melting with an O content of 0.07 to 0.4 mass%, an N content of 0.005 to 0.03 mass%, and an Fe content of 0. A method for producing a pure titanium ingot comprising forming a pure titanium ingot containing 15 to 0.4% by mass and other inevitable impurities, the balance being titanium.

A first titanium material having an O content of 0.07 mass% or less, an N content of 0.009 mass% or less, and an Fe content of 0.05 mass% or less;
A second titanium material having an O content of 0.08 to 0.3 mass%, an N content of 0.01 to 0.1 mass%, and an Fe content of 0.06 to 5.0 mass% is used. ,
A briquette forming step in which the first titanium material is disposed on the outer periphery and the second titanium material is disposed on the inside to form a briquette, and the first titanium material and the second titanium material are alternately disposed. The consumable electrode forming step of assembling and welding the briquette so as to form a consumable electrode by arranging a briquette composed only of the first titanium material on the top , and the consumable electrode forming step And a step of melting the consumable electrode by vacuum arc melting. A method for producing a pure titanium ingot, comprising:

As said 2nd titanium material, O content is 0.08-0.3 mass%, N content is 0.01-0.1 mass%, Fe content is 0.06-5.0 mass%, remainder 3. The method for producing a pure titanium ingot according to claim 2, wherein one or both of a B-class sponge titanium and a titanium scrap material, wherein is substantially titanium .

The second titanium material includes a class A sponge titanium having an O content of 0.07% by mass or less, an N content of 0.01% by mass or less, and the balance being substantially titanium. The manufacturing method of the pure titanium ingot in any one of Claims 1 thru | or 3.

The method for producing a pure titanium ingot according to any one of claims 1 to 4, wherein one or more of titanium oxide or metallic iron is added to the second titanium material.

3. The pure titanium ingot according to claim 2, wherein, in the consumable electrode forming step, the consumable electrode is formed by laminating a plurality of the briquettes in one or both of the horizontal direction and the vertical direction and assembling and welding them. Manufacturing method.