JPH07316681A - Production of metallic material or alloy material, refining agent and metallic material or alloy material excellent in corrosion resistance - Google Patents

Production of metallic material or alloy material, refining agent and metallic material or alloy material excellent in corrosion resistance

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JPH07316681A
JPH07316681A JP6111525A JP11152594A JPH07316681A JP H07316681 A JPH07316681 A JP H07316681A JP 6111525 A JP6111525 A JP 6111525A JP 11152594 A JP11152594 A JP 11152594A JP H07316681 A JPH07316681 A JP H07316681A
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metal
alloy
hydride
melting
producing
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Japanese (ja)
Inventor
Fumiyuki Shimizu
史幸 清水
Toshiaki Kawada
俊秋 川田
Toshihiro Yano
俊宏 矢野
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Nikko Kinzoku KK
Eneos Corp
Original Assignee
Japan Energy Corp
Nikko Kinzoku KK
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To obtain a metallic material reduced in oxygen concn. at the time of melting raw metallic material such as Zr by an electron beam, etc., to produce the metallic material by bringing the hydride of the metal into contact with the molten metal. CONSTITUTION:The raw material consisting of one kind of metal selected from Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, W and Mo or the alloy consisting essentially of the metal and alloy element is melted by electron beam, plasma or vacuum arc to produce the metallic material or alloy material. At this time, the molten metal or alloy is brought into contact with the hydride of the metal (TiH2, ZrH2, NbH, NbH2, MoHx, TaHx, WHx, etc.) or the hydride of the alloy element to reduce the oxygen concn. In this case, about 1 to 10 equivalents of the hydride, expressed in terms of hydrogen, to the oxygen in the raw material is added. Consequently, a high-purity refined metallic material contg. <=about 100ppm oxygen is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、高純度金属材料又は合
金材料の製造方法に関するものであり、さらに詳しく述
べるならば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオ
ブ、タンタル、タングステン、モリブデンなどの金属材
料、あるいはこれらの金属の何れか1種を主成分として
他の1種又は2種以上、もしくはバナジウム、アルミな
どの各種合金元素を添加した合金材料の製造方法に関す
るものである。さらに、本発明は、チタン、ジルコニウ
ム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、タングステン、モ
リブデンなどの粗金属(合金)の精製剤及び粗金属(合
金)を一旦精製した金属(合金)をさらに精製する精製
剤に関する。加えて、本発明は不純物を極めて低いレベ
ルまで低減することにより耐食性を向上した金属及び合
金材料に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a high-purity metallic material or alloy material, and more specifically, metallic materials such as titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, tungsten, molybdenum, etc. Alternatively, the present invention relates to a method for producing an alloy material containing any one of these metals as a main component and one or more other metals or various alloy elements such as vanadium and aluminum. Further, the present invention relates to a purifying agent for a crude metal (alloy) such as titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, tungsten and molybdenum, and a refining agent for further refining a metal (alloy) once the crude metal (alloy) is refined. . In addition, the invention relates to metal and alloy materials having improved corrosion resistance by reducing impurities to extremely low levels.

【0002】高純度のジルコニウム又はジルコニウム合
金は、スポンジジルコニウム又はスポンジジルコニウム
合金を原料として、これに下記(1),(2)式の反応
を利用するヨウ素化物分解法による精製を施して得られ
る。 Zr+2I2 =ZrI4 ・・・・・(1) ZrI4 =Zr+2I2 ・・・・・(2) (1)式は200〜500℃の低温域で起こってヨウ化
物が生成し、次に(2)式が1100〜1500℃の高
温域で起こってヨウ化物が分解して高純度Zrが析出精
製される。ジルコニウム(合金)の他にチタン、ハフニ
ウム(合金)等もヨウ化物精製方法により高純度化され
る。しかし、ヨウ化物精製法及び溶融塩電解法では4N
〜6N程度の高純度金属・合金が得られるが、一回当り
の製造量が少量であるため、これらを塊状製品とするに
は溶解工程を経る必要がある。
High-purity zirconium or a zirconium alloy can be obtained by using sponge zirconium or a sponge zirconium alloy as a raw material and purifying the sponge zirconium or sponge zirconium alloy by an iodide decomposition method utilizing the reactions of the following formulas (1) and (2). Zr + 2I2 = ZrI4 (1) ZrI4 = Zr + 2I2 (2) Equation (1) occurs in the low temperature range of 200 to 500 ° C to generate iodide, and then Equation (2) Occurring in a high temperature range of 1100 to 1500 ° C., iodide is decomposed and high-purity Zr is deposited and purified. In addition to zirconium (alloy), titanium, hafnium (alloy) and the like are highly purified by the iodide refining method. However, in the iodide refining method and the molten salt electrolysis method, 4N
High-purity metals and alloys of about 6 N can be obtained, but since the production amount per time is small, it is necessary to go through a melting step to make them into a lump product.

【0003】溶融塩電解法あるいは溶融塩電解法と電子
ビーム溶解法との組み合わせにより高純度チタンを製造
することも公知である(日本金属学会会報「まてりあ」
1994年1月号54頁)。さらに、ジルコニウムに関
しては、アノード及びカソードにジルコニウムを用い、
電解浴に例えばNaCl−K2 ZrF6 系の塩化物−フ
ッ化物混合浴を用い、高純度ジルコニウムを精製するこ
とも公知である。さらにまた、タンタルに関しては、電
子ビーム溶解によりあるいは真空アーク溶解電極のTa
中にCを添加することにより、酸素濃度が非常に低くな
ることが知られているが、Cを添加する方法では溶解後
Cが残存することが指摘されている。
It is also known to produce high-purity titanium by a molten salt electrolysis method or a combination of a molten salt electrolysis method and an electron beam melting method (Journal of the Japan Institute of Metals "Materia").
January 1994, p. 54). Further, regarding zirconium, zirconium is used for the anode and the cathode,
It is also known to purify high-purity zirconium by using, for example, a chloride-fluoride mixed bath of NaCl-K2 ZrF6 system as an electrolytic bath. Furthermore, as for tantalum, Ta of the vacuum arc melting electrode or by electron beam melting is used.
It is known that the oxygen concentration becomes extremely low by adding C therein, but it is pointed out that C remains after the dissolution by the method of adding C.

【0004】モリブデンは真空アーク溶解を繰り返すこ
とにより酸素濃度が数ppmまで低下すると言われてい
る。
It is said that the oxygen concentration of molybdenum decreases to several ppm by repeating vacuum arc melting.

【0005】チタン、ジルコニウム、ニオブなどの金属
及びその合金は、酸素、窒素などに対して極めて活性が
高いので、溶解法により高純度材料を作るためには溶解
エネルギー密度が高くかつ不純物元素が蒸発し易い条件
が実現される電子ビーム溶解、プラズマ溶解、真空アー
ク溶解などが利用される。これらの溶解法によると、M
g,Na,Cl,H2 などの不純物元素は確実に低減さ
れ、またインゴットのように塊状材料を製造することが
できる。したがって、原子炉材料、海洋材料、化学プラ
ント等の構造材料として使用されるチタン、ジルコニウ
ムなどはこれら溶解法を経て部品に成形されている。
Metals such as titanium, zirconium, and niobium and their alloys have extremely high activity with respect to oxygen, nitrogen, etc., so that in order to produce a high-purity material by the melting method, the melting energy density is high and the impurity element is evaporated. Electron beam melting, plasma melting, vacuum arc melting, etc. are used to achieve easy conditions. According to these dissolution methods, M
Impurity elements such as g, Na, Cl, and H2 are surely reduced, and a lump material like an ingot can be manufactured. Therefore, titanium, zirconium, etc., which are used as structural materials for nuclear reactor materials, marine materials, chemical plants, etc., are molded into parts through these melting methods.

【0006】特に、現在沸騰水型原子炉用燃料被覆管の
ライニング材料に関して言うと、再処理プロセスの硝酸
等の高酸化性溶液に対して要求されている良好な耐食性
を満たす材料として現在使用されている代表的ジルコニ
ウム合金の組成を示す。
[0006] In particular, regarding the lining material for fuel cladding tubes for boiling water reactors, it is currently used as a material satisfying the good corrosion resistance required for highly oxidizing solutions such as nitric acid in the reprocessing process. The composition of a typical zirconium alloy is shown below.

【0007】[0007]

【表1】 不純物(ppm) Hf Fe Cr Ni Cu O N C H <50000 <2000 <2000 1000 100 1800 100 500 50 [Table 1] Impurities (ppm) Hf Fe Cr Ni Cu ONCH <50000 <2000 <2000 1000 100 1800 100 500 50

【0008】従来上記した各種金属のうちTaについて
Caにより脱酸することが知られていた。しかしCaで
脱酸するときに生成したCaOを酸で除去することが必
要になる。その他の金属については、電子ビーム溶解な
どでそれなりの精製効果があるために、敢えて精製剤を
使用して不純物を低減することは工業的には実施されて
いなかった。また、精製剤はCaなどの極めて酸素に対
する活性が高い元素とする必要があるが、生成したCa
Oなどの反応生成物を系外に除去することは電子ビーム
溶解、プラズマ溶解及び真空アーク溶解法では期待でき
ない。
It has been conventionally known that Ta is deoxidized by Ca among the various metals mentioned above. However, it is necessary to remove CaO generated when deoxidizing with Ca with acid. Since other metals have a certain refining effect by electron beam melting or the like, it has not been industrially carried out to intentionally use a refining agent to reduce impurities. Further, the refining agent needs to be an element having extremely high oxygen activity such as Ca.
Removal of reaction products such as O out of the system cannot be expected by electron beam melting, plasma melting and vacuum arc melting methods.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】電子ビーム溶解、プラ
ズマ溶解及び真空溶解法では、Ti,Zr,Hfなどの
金属は酸素との親和力が高いために不純物である酸素を
優先的に除去精製することができない。また、Zr低級
酸化物などの金属酸化物は金属Zrとの蒸気圧の差が小
さいことから、酸化物の蒸発による脱酸反応は起こらな
い。したがって、原料中の酸素濃度が非常に低くなる
と、電子ビーム溶解中での脱酸は期待できないので、よ
り効果的脱酸技術の開発が望まれていた。
In the electron beam melting, plasma melting and vacuum melting methods, metals such as Ti, Zr and Hf have a high affinity with oxygen, so that oxygen as an impurity is preferentially removed and purified. I can't. Moreover, since the difference in vapor pressure between the metal oxide such as Zr lower oxide and the metal Zr is small, the deoxidation reaction due to the evaporation of the oxide does not occur. Therefore, if the oxygen concentration in the raw material becomes extremely low, deoxidation during electron beam melting cannot be expected, so there has been a demand for the development of a more effective deoxidation technique.

【0010】W,Nb,Taは電子ビーム溶解により、
またMoは真空アーク溶解により、酸素を除去精製がで
きる金属であるが、酸素濃度をより効率的に低減するこ
とが期待されている。
W, Nb and Ta are produced by electron beam melting,
Further, although Mo is a metal capable of removing and refining oxygen by vacuum arc melting, it is expected to reduce the oxygen concentration more efficiently.

【0011】したがって、Ti,Zr,Hf,Nb,T
a,W又はMo(以下「活性金属」と称する)あるいは
これを主成分とする合金を電子ビーム溶解、プラズマ溶
解及び真空溶解する際に、酸素を効果的に除去できる
と、原料中の酸素量が高い活性金属を溶解中に脱酸を図
ることができ、また原料としては溶融塩電解材の他に酸
化スケールを含んだスクラップ原料又は表面酸化し易い
パウダー状原料を好ましく使用することができるように
なる。
Therefore, Ti, Zr, Hf, Nb, T
When a, W or Mo (hereinafter referred to as "active metal") or an alloy containing this as a main component is subjected to electron beam melting, plasma melting and vacuum melting, if oxygen can be effectively removed, the amount of oxygen in the raw material It is possible to achieve deoxidation during the dissolution of highly active metals, and as the raw material, in addition to the molten salt electrolytic material, scrap raw material containing oxide scale or powdery raw material that easily oxidizes the surface can be preferably used. become.

【0012】次に、活性金属中のFe,Ni,Cr,S
nなどの不純物はTi,Zrなどの活性金属との蒸気圧
の差が小さく、これらを電子ビーム溶解、プラズマ溶解
及び真空溶解法により効果的に除去することができな
い。すなわち、これらの不純物を溶融塩電解によりかな
り低減した場合は、電子ビーム溶解法などによる低減は
期待できない。本発明者らはこれらの不純物を電子ビー
ム溶解法などで低減するべく鋭意検討を行い、活性金属
あるいはこれを主成分とする合金を電子ビーム溶解、プ
ラズマ溶解及び真空溶解する際に上記した不純物を効果
的に除去できる方法を提供することに成功した。この方
法によると、溶融塩電解法により上記した不純物がある
程度は除去されている原料、あるいは溶融塩電解を経て
いない原料などを用いて高純度精製を行うことが可能に
なる。
Next, Fe, Ni, Cr, S in the active metal
Impurities such as n have a small vapor pressure difference from active metals such as Ti and Zr, and cannot be effectively removed by electron beam melting, plasma melting and vacuum melting methods. That is, when these impurities are considerably reduced by molten salt electrolysis, reduction by the electron beam melting method or the like cannot be expected. The inventors of the present invention have conducted extensive studies to reduce these impurities by an electron beam melting method or the like, and remove the above impurities when electron beam melting, plasma melting, or vacuum melting an active metal or an alloy containing the active metal as a main component. We succeeded in providing a method that can be effectively removed. According to this method, high-purity purification can be performed using a raw material from which the above-mentioned impurities have been removed to some extent by the molten salt electrolysis method, or a raw material which has not undergone molten salt electrolysis.

【0013】従来の電子ビーム溶解法などでは、上記し
た理由により、酸素もFe,Ni,Cr,Snなどの不
純物も同時に低減することはできなかったが、本発明は
活性金属あるいはこれを主成分とする合金を電子ビーム
溶解、プラズマ溶解及び真空溶解する際に、酸素を含む
上記した不純物を効果的に除去できる方法を提供するも
のである。
In the conventional electron beam melting method and the like, oxygen and impurities such as Fe, Ni, Cr, and Sn could not be reduced at the same time for the above-mentioned reasons. It is intended to provide a method capable of effectively removing the above-mentioned impurities including oxygen when the above alloy is subjected to electron beam melting, plasma melting and vacuum melting.

【0014】従来、活性金属またはその合金よりなる構
造材料は応力腐食が起こり易い腐食性媒体中で使用され
たときは、不純物レベル、特に酸素レベルが高いために
応力腐食感受性の鋭敏化が起こり、遅れ破壊が起こる懸
念があった。これら構造材料は上述の理由より溶製材が
適しているが、従来の溶解法では高純度に精製された材
料を製造することができなかった。本発明は、応力腐食
が起こり易い媒体中で使用される活性金属もしくは合金
製構造材料の原料インゴットを電子ビーム溶解、プラズ
マ溶解又は真空アーク溶解のみにより製造するものであ
る。この方法によると、工業的に一般的な原料であるス
ポンジチタン、ジルコニウム、タンタルパウダー、モリ
ブデンパウダー又はそのスクラップ材などを原料として
使用して溶解中にO2 、Mg,Na,Cl,H2 ,N2
などの不純物を除去することが可能になる。
Conventionally, when a structural material made of an active metal or its alloy is used in a corrosive medium in which stress corrosion is likely to occur, sensitization of stress corrosion susceptibility occurs due to high impurity level, especially oxygen level, There was a concern that delayed destruction would occur. For these structural materials, ingots are suitable for the above reasons, but it has been impossible to produce highly purified materials by the conventional melting method. The present invention is to produce a raw material ingot of an active metal or alloy structural material used in a medium in which stress corrosion is likely to occur by only electron beam melting, plasma melting or vacuum arc melting. According to this method, sponge titanium, zirconium, tantalum powder, molybdenum powder, or scrap material thereof, which are industrially common raw materials, are used as raw materials to dissolve O2, Mg, Na, Cl, H2, N2 during melting.
It becomes possible to remove impurities such as.

【0015】従来の電子ビーム溶解、プラズマ溶解、真
空アーク溶解では、溶解雰囲気中に微量に存在する酸素
と活性金属が反応し溶解後に酸素濃度が増えるという予
想外の現象が起こることが分かった。すなわち、これら
方法の溶解条件は高度真空雰囲気で多量のエネルギを効
率的に被溶解材料に与えるものであるので、酸化は一般
的に起こり難いが、溶融塩電解法等により酸素濃度を1
00ppm台に低くした原料を使用すると顕著な酸化が
起こることが確かめられた。本発明は、酸素濃度が50
00ppm以下に規制されている活性金属原料を電子ビ
ーム溶解、プラズマ溶解、真空アーク溶解などの方法に
より溶解する際に、精製金属中の酸素濃度を低減しかつ
溶解雰囲気中の残存酸素による酸素濃度増大を防止する
方法を提供するものである。この方法によると、例えば
溶融塩電解法により酸素濃度が5000ppm以下の活
性金属を得、これを上記溶解法で精製処理して酸素濃度
が100ppm以下の高純度精製法とすることができ
る。
In the conventional electron beam melting, plasma melting and vacuum arc melting, it has been found that an unexpected phenomenon occurs in which a small amount of oxygen present in the melting atmosphere reacts with the active metal and the oxygen concentration increases after melting. That is, since the melting conditions of these methods are such that a large amount of energy is efficiently given to the material to be melted in a high vacuum atmosphere, oxidation is generally difficult to occur, but the oxygen concentration is set to 1 by the molten salt electrolysis method.
It was confirmed that significant oxidation occurs when using a raw material lowered to the 00 ppm range. The present invention has an oxygen concentration of 50.
When the active metal raw material regulated to 00 ppm or less is melted by a method such as electron beam melting, plasma melting, or vacuum arc melting, the oxygen concentration in the refined metal is reduced and the oxygen concentration is increased by the residual oxygen in the melting atmosphere. To provide a method of preventing According to this method, for example, an active metal having an oxygen concentration of 5000 ppm or less is obtained by a molten salt electrolysis method, and the active metal is purified by the above-mentioned dissolution method to obtain a high-purity purification method having an oxygen concentration of 100 ppm or less.

【0016】さらに、活性金属の精製剤が、(イ)精製
効果が高い;(ロ)反応生成物を酸洗などの別個のプロ
セスで除去する必要がない;(ハ)現在活性金属溶解の
主流である電子ビーム溶解、プラズマ溶解及び真空アー
ク溶解にて使用でき、さらに、望ましくは他の溶解法で
も使用できると、高純度活性金属の製造に寄与すること
ができる。
Further, the active metal refining agent (a) has a high refining effect; (b) it is not necessary to remove the reaction product by a separate process such as pickling; (c) the mainstream of active metal dissolution at present. When it can be used in electron beam melting, plasma melting, and vacuum arc melting, which is also preferable in other melting methods, it can contribute to the production of high-purity active metal.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明者らは上述の目的
を達成できかつ工業的規模で安価にかつ安定して実施で
きる溶解手段につき、様々な観点に立って数多くの実験
を行いつつ鋭意研究を重ねた結果、以下の発明を完成す
るに至った。本発明の第1の方法は、電子ビーム溶解、
プラズマ溶解又は真空アーク溶解により、Ti,Zr,
Hf,Nb,Ta,WもしくはMoからなる群より選択
された金属あるいはこの金属を主成分とし合金元素を含
有する合金からなる原料を溶解して金属材料又は合金材
料を製造する方法において、前記金属の水素化物あるい
は前記合金元素の水素化物と前記金属もしくは合金の溶
湯とを接触させることを特徴とする金属材料又は合金材
料の製造方法である。
[Means for Solving the Problems] The inventors of the present invention diligently conducted a number of experiments from various viewpoints regarding a dissolution means that can achieve the above-mentioned object and can be carried out inexpensively and stably on an industrial scale. As a result of repeated research, the following inventions have been completed. The first method of the present invention is electron beam melting,
By plasma melting or vacuum arc melting, Ti, Zr,
A method for producing a metal material or an alloy material by melting a raw material made of a metal selected from the group consisting of Hf, Nb, Ta, W or Mo or an alloy containing the metal as a main component and containing an alloy element, The method for producing a metal material or an alloy material, which comprises contacting the hydride or the hydride of the alloy element with a molten metal of the metal or alloy.

【0018】本発明の第2の方法は、酸素濃度が500
0ppm以下のTi,Zr,Hf,Nb,Ta,Wもし
くはMoからなる群より選択された金属あるいはこの金
属を主成分とし合金元素を含有する合金からなる原料を
溶解して金属材料又は合金材料を製造する方法におい
て、前記金属の水素化物あるいは前記合金元素の水素化
物と前記金属もしくは合金の溶湯とを接触させることを
特徴とする金属材料又は合金材料の製造方法である。
In the second method of the present invention, the oxygen concentration is 500.
A metal material or an alloy material is prepared by melting a raw material made of a metal selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, W, or Mo of 0 ppm or less or an alloy containing the metal as a main component and containing an alloying element. A method for producing a metal material or an alloy material, which comprises contacting a hydride of the metal or a hydride of the alloy element with a molten metal of the metal or alloy.

【0019】本発明の第1の精製剤は、Ti,Zr,H
f,Nb,Ta,W及びMoからなる群より選択された
1種の金属あるいはこの金属を主成分とし合金元素を含
有する合金の不純物を除去する精製剤であって、前記1
種の金属の水素化物からなることを特徴とする金属材料
又は合金材料の精製剤であり、第2の精製剤は、前記合
金元素が前記1種の金属以外の、Ti,Zr,Hf,N
b,Ta,W及びMoからなる群より選択された1種又
は2種以上の金属であり、前記水素化物が前記1種の金
属の水素化物であることを特徴とする合金材料の精製剤
であり、第3の精製剤は、Ti,Zr,Hf,Nb,T
a,W及びMoからなる群より選択された1種の金属を
主成分とし、Ti,Zr,Hf,Mo,Ta,Wからな
る群より選択された1種又は2種以上の合金元素を含有
する合金の不純物を除去する精製剤であって、前記合金
元素の水素化物からなることを特徴とする合金材料の精
製剤である。
The first refining agent of the present invention is Ti, Zr, H.
A refining agent for removing impurities of one kind of metal selected from the group consisting of f, Nb, Ta, W and Mo, or an alloy containing this metal as a main component and containing an alloying element.
A refining agent for a metal material or an alloy material, characterized in that the refining agent comprises a metal hydride of one kind, wherein the second refining agent is Ti, Zr, Hf, N other than the one metal.
A refining agent for an alloy material, comprising one or more metals selected from the group consisting of b, Ta, W and Mo, wherein the hydride is a hydride of the one metal. And the third refining agent is Ti, Zr, Hf, Nb, T
a, W and Mo as a main component of one kind of metal selected from the group consisting of, containing one or more kinds of alloying elements selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, Mo, Ta, W Is a refining agent for removing impurities from the alloy, and is a refining agent for an alloy material, characterized by comprising a hydride of the alloy element.

【0020】以下本発明の構成を説明する。本発明では
水素化物を精製剤として溶湯と接触させるが、その際に
O2 と反応して発生するH2 Oを効率的に系外に除去す
る必要がある。電子ビーム溶解、プラズマ溶解又は真空
中アーク溶解法ではTiなどの被溶解金属と不純物元素
の蒸気圧差による精製効果が大きいので、H2 Oの蒸発
が不純物の精製効果を高めることが期待される。上記し
た本発明の溶解法は、例えば直径30〜1000mm、
長さ5000mm以下の大型インゴットを製造するに適
しており、これを加工することにより各種構造材料とす
ることができる。また、電子ビーム溶解法により半導体
装置製造用の高純度スパッタリングターゲットの素材な
ども製造することもできる。
The structure of the present invention will be described below. In the present invention, the hydride is brought into contact with the molten metal as a refining agent, but it is necessary to efficiently remove the H2 O generated by the reaction with O2 outside the system. In the electron beam melting, plasma melting, or vacuum arc melting methods, the refining effect due to the vapor pressure difference between the metal to be melted such as Ti and the impurity element is large, so it is expected that evaporation of H2 O will enhance the refining effect of the impurities. The dissolution method of the present invention described above is, for example, 30 to 1000 mm in diameter,
It is suitable for producing large ingots having a length of 5000 mm or less, and can be processed into various structural materials by processing. Further, a material for a high-purity sputtering target for manufacturing a semiconductor device can also be manufactured by the electron beam melting method.

【0021】第2の方法において、原料の酸素成分の濃
度を5000ppm以下に規制したのは、真空排気系内
に分解したH2 ガスが滞留し爆発のおそれがあるためで
ある。
In the second method, the concentration of the oxygen component of the raw material is regulated to 5000 ppm or less because the decomposed H2 gas remains in the vacuum exhaust system and there is a risk of explosion.

【0022】本発明においては、水素化物と金属もしく
は合金の溶湯とを接触させることにより不純物の精製を
行い、また水素化物を精製剤とする。これが本発明の最
も大きな特徴である。本発明で言う水素化物は、活性金
属もしくは合金材料の添加金属元素(活性金属を含む)
との化合物である。さらに、水素化物を、溶解しようと
する材料の成分金属との化合物として構成し、水素化物
が溶解した後に被溶解材料に残存する金属による汚染を
招かないようにしている。また、安全性と操業の安定性
の観点から、分解温度あるいは蒸発温度が余り低いかあ
るいは反応性が激しい水素化物は好ましくないので、解
離温度が比較的高い活性金属水素化物、特に、TiH
2,ZrH2 ,NbH,NbH2 ,MoHx ,TaHx
、WHx などを使用することが好ましい。
In the present invention, impurities are purified by bringing a hydride into contact with a molten metal or metal alloy, and the hydride is used as a refining agent. This is the greatest feature of the present invention. The hydride referred to in the present invention is an additive metal element (including an active metal) of an active metal or alloy material.
And the compound. Further, the hydride is formed as a compound with the component metal of the material to be dissolved so as to prevent contamination by the metal remaining in the material to be dissolved after the hydride is dissolved. Further, from the viewpoint of safety and stability of operation, hydrides whose decomposition temperature or evaporation temperature are too low or which are highly reactive are not preferable, so active metal hydrides having a relatively high dissociation temperature, particularly TiH
2, ZrH2, NbH, NbH2, MoHx, TaHx
, WHx, etc. are preferably used.

【0023】第1方法及び第2方法において水素化物と
溶湯を接触させる方法及び第1〜第3の精製剤の使用方
法は、原理的には特に限定されないが、溶解法により溶
湯にアクセスできる方法が幾つかの態様に定まるので、
これらの態様の中で溶湯全量が水素化物と接触できる方
法を選択する。まず、電子ビーム溶解法では、コールド
ハース、水冷銅モールド内などの溶湯に水素化物を投入
して添加する方法が、効果が大きくかつ溶解後連続鋳造
で造塊する上でも便利である。また、電極中に水素化物
を添加する方法を採用することもできる。次に、真空ア
ーク溶解では、電極である原料中に水素化物を適当な方
法で添加しておくことが好ましい。添加の方法としては
スポンジチタンなどの塊と水素化物の粉末を混合し、そ
の後加圧成形により塊と粉末を結合して電極形状とする
方法によることができる。プラズマアーク溶解法では溶
解するモールド内の溶湯に水素化物を投入して添加する
方法が効果が大きい。さらに、真空アーク溶解法で行わ
れるように溶湯を一旦取鍋に注湯してから造塊するとき
は、取鍋に水素化物を添加することもできる。添加の方
法は湯面へ投入もしくは噴射する;湯面より下方に水冷
銅管などにより噴射するなど各種方法を採用することが
できる。
The method of bringing the hydride into contact with the molten metal and the method of using the first to third refining agents in the first and second methods are not particularly limited in principle, but the molten metal can be accessed by the melting method. Is determined in several modes,
Among these embodiments, a method is selected in which the entire amount of the molten metal can come into contact with the hydride. First, in the electron beam melting method, a method of adding a hydride to a molten metal in a cold hearth, a water-cooled copper mold or the like has a great effect and is convenient for continuous casting after melting. Alternatively, a method of adding a hydride into the electrode can be adopted. Next, in vacuum arc melting, it is preferable to add a hydride to the raw material which is the electrode by an appropriate method. The addition method may be a method in which a lump such as titanium sponge and a hydride powder are mixed, and then the lump and the powder are combined by pressure molding to form an electrode shape. In the plasma arc melting method, a method of adding a hydride to a molten metal in a mold to be melted is effective. Further, when the molten metal is once poured into the ladle and then the ingot is cast as in the vacuum arc melting method, a hydride can be added to the ladle. As a method of addition, various methods such as pouring or spraying on the surface of the molten metal; spraying below the surface of the molten metal with a water-cooled copper pipe or the like can be adopted.

【0024】本発明において、水素化物は、原料活性金
属に含まれそして蒸発により除去され難い不純物を除去
する。これらの不純物中酸素は水素と結合して脱酸され
る。また、従来電子ビーム溶解などでは蒸気圧差による
精製効果がないと考えられていたFe,Ni,Cr,S
nなども除去される。これらの元素は、酸素と共存する
原料では酸素の除去率よりは低いが、水素化物の存在下
で除去されるという驚くべき結果が得られた。
In the present invention, the hydride removes impurities contained in the raw material active metal and hard to be removed by evaporation. Oxygen in these impurities bonds with hydrogen to be deoxidized. In addition, Fe, Ni, Cr, S, which were conventionally considered to have no refining effect due to vapor pressure difference in electron beam melting, etc.
n and the like are also removed. The surprising result was that these elements were removed in the presence of hydride, although they were lower than the removal rate of oxygen in the raw material coexisting with oxygen.

【0025】したがって、除去される不純物の種類は原
料の種類及び製造履歴により異なり、酸素が多い材料は
主として酸素が、Mo,Taのように酸素が低減され易
い金属ではその他のFe,Ni等の不純物が水素化物に
より除去されることになる。主として酸素を除去する場
合は、原料中の酸素に対して水素化物の水素換算で1当
量ないし10当量、好ましくは2〜5当量の水素化物を
添加することが好ましい。
Therefore, the types of impurities to be removed depend on the types of raw materials and manufacturing history, and oxygen is mainly contained in a material having a large amount of oxygen, and other metals such as Fe and Ni are contained in a metal such as Mo and Ta whose oxygen is easily reduced. Impurities will be removed by the hydride. When mainly removing oxygen, it is preferable to add 1 equivalent to 10 equivalents, preferably 2 to 5 equivalents of hydride in terms of hydrogen of the hydride with respect to oxygen in the raw material.

【0026】なお、本発明法で溶解される活性金属の原
料形態は、スポンジチタン、ジルコニウムなどのスポン
ジ金属、溶融塩電解金属、スポンジ金属を高周波溶解も
しくは真空溶解したインゴット、製品加工後スクラップ
など各種形態のものを使用することができる。コスト低
減の面ではスポンジ金属が好ましく、一方不純物を極め
て低くする高純度精製の面では溶融塩電解金属が好まし
い。
The raw material form of the active metal to be dissolved by the method of the present invention is various such as sponge metal such as titanium sponge, zirconium, molten salt electrolytic metal, ingot obtained by high-frequency melting or vacuum melting sponge metal, scrap after product processing, and the like. The form can be used. Sponge metal is preferable from the viewpoint of cost reduction, while molten salt electrolytic metal is preferable from the viewpoint of high-purity purification in which impurities are extremely reduced.

【0027】水素化物は一般に比重が軽いために溶湯に
投入添加する方法で使用する場合は、粉末状であると湯
面に浮いてしまい溶湯と充分に接触できない。したがっ
て、20mm以下の塊又はブロック状として溶湯と接触
させることが好ましい。さらに好ましい寸法は1〜15
mmである。一方、原料と混合して使用する場合は水素
化物は粉末状が好ましい。又、水冷銅管などで溶湯中に
噴射して水素化物を使用する場合も粉末状が好ましい。
Since hydrides generally have a low specific gravity, when they are used by adding them to a molten metal, if they are powdery, they float on the surface of the molten metal and cannot sufficiently contact with the molten metal. Therefore, it is preferable to contact the molten metal in the form of a lump or block having a size of 20 mm or less. More preferable size is 1 to 15
mm. On the other hand, when used as a mixture with a raw material, the hydride is preferably in powder form. Also, when the hydride is used by injecting it into the molten metal with a water-cooled copper pipe or the like, the powder form is preferable.

【0028】本発明により提供されるジルコニウム基材
料は、酸素含有量が100ppm以下、好ましくは50
ppm以下、窒素、炭素及び水素の合計量が30ppm
以下、好ましくは10ppm以下、鉄、クロム、ニッケ
ルがそれぞれ50ppm以下、好ましくは20ppm以
下、ハフニウムが500ppm以下であり、残部が実質
的にジルコニウムからなることを特徴とする耐食性が優
れたジルコニウム基材料であり、また、合金元素として
Sn,Nb,Hfからなる群から選択された1種又は2
種以上の金属を5%以下含有することを特徴とする耐食
性が優れたジルコニウム基材料である。
The zirconium-based material provided by the present invention has an oxygen content of 100 ppm or less, preferably 50 ppm.
ppm or less, total amount of nitrogen, carbon and hydrogen is 30 ppm
A zirconium-based material having excellent corrosion resistance, which is preferably 10 ppm or less, iron, chromium, and nickel are 50 ppm or less, preferably 20 ppm or less, hafnium is 500 ppm or less, and the balance is substantially zirconium. And one or two selected from the group consisting of Sn, Nb, and Hf as alloy elements
A zirconium-based material having excellent corrosion resistance, which is characterized by containing 5% or less of one or more metals.

【0029】この材料は、O2 成分などの不純物レベル
が極めて低く、沸騰硝酸中の耐食試験で従来材と比較し
て良好な耐食性をもつ材料が得られ、沸騰水型原子炉用
燃料被覆管のライニングとして好適である。また、上記
の材料は通常純度のスポンジジルコニウムを原料として
溶解を行うことにより得られる。
This material has an extremely low level of impurities such as O 2 component, and a material having better corrosion resistance than the conventional material in a corrosion resistance test in boiling nitric acid was obtained. Suitable as a lining. Further, the above-mentioned materials are obtained by dissolving sponge zirconium having a normal purity as a raw material.

【0030】電子ビーム溶解、プラズマ溶解及び真空ア
ーク溶解の条件、すなわち真空度、電子ビーム、プラズ
マ等の出力、溶解温度等は通常のものと同じであってよ
い。以下、本発明方法を実施する装置を図1、2、3を
参照して説明する。
The conditions for electron beam melting, plasma melting and vacuum arc melting, that is, the degree of vacuum, output of electron beam, plasma, melting temperature, etc. may be the same as usual. An apparatus for carrying out the method of the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0031】図1は、電子ビームコールドハースリメル
ト法により本発明を実施する装置の一実施例を図解す
る。図中、1は水冷式銅モールド、2は水冷式コールド
ハース、3は原料電極、4は電子銃、5は電子ビーム、
6はインゴット、7は水素化物添加用ホッパー、8は溶
湯である。
FIG. 1 illustrates one embodiment of an apparatus for practicing the present invention by the electron beam cold hearth remelt method. In the figure, 1 is a water-cooled copper mold, 2 is a water-cooled cold hearth, 3 is a raw material electrode, 4 is an electron gun, 5 is an electron beam,
6 is an ingot, 7 is a hydride addition hopper, and 8 is a molten metal.

【0032】図1に示すように、電子ビーム溶解設備の
メルトチャンバー内に設置された水冷式銅モールド1の
前方に銅製の水冷式コールドハース2を設置し、原料電
極3を電子銃4から電子ビーム5で溶解した原料溶湯を
一旦コールドハース2内に保持してからオーバーフロー
させ、これを水冷式銅モールド1内に鋳込んで連続的に
凝固させつつ下方からインゴット6として引き抜く。水
素化物は水素化物添加用ホッパー7内に塊として保存・
配置する。電子ビーム5の出力は30〜2000kw程
度であり、炉内圧力は10-2〜10-6mbar程度であ
る。
As shown in FIG. 1, a water-cooled cold hearth 2 made of copper is installed in front of a water-cooled copper mold 1 installed in a melt chamber of an electron beam melting facility, and a raw material electrode 3 is supplied from an electron gun 4 to an electron. The raw material melt melted by the beam 5 is temporarily held in the cold hearth 2 and then overflowed. The raw metal melt is cast into the water-cooled copper mold 1 and continuously solidified while being pulled out as an ingot 6 from below. The hydride is stored as a mass in the hydride addition hopper 7.
Deploy. The output of the electron beam 5 is about 30 to 2000 kW, and the furnace pressure is about 10 −2 to 10 −6 mbar.

【0033】図2及び3においては、水素化物塊10を
入れた容量が10リットル程度の水素化物添加用ホッパ
ー7に振動機11を固定し、該ホッパーのタンク部下部
から水冷式ハース12の上まで伸びる管部7aを水冷銅
式ジャケットとしている。水素化物を添加された溶湯は
水冷式ハース12の注入孔より水冷式銅モールド1に鋳
造される。振動機11は例えば10〜500Hzの周波
数で振動され、水素化物はあらかじめ分析されている原
料電極3の酸素濃度に対して1〜10当量となるように
添加される。
In FIGS. 2 and 3, a vibrator 11 is fixed to a hydride addition hopper 7 having a capacity of about 10 liters, in which a hydride mass 10 is placed, and a tank 11 of the hopper is placed above a water-cooled hearth 12. The pipe portion 7a extending up to is a water-cooled copper jacket. The molten metal added with the hydride is cast into the water-cooled copper mold 1 through the injection hole of the water-cooled hearth 12. The vibrator 11 is vibrated, for example, at a frequency of 10 to 500 Hz, and the hydride is added so as to be 1 to 10 equivalents with respect to the oxygen concentration of the raw material electrode 3 analyzed in advance.

【0034】[0034]

【作用】水素化ジルコニウム塊をZr溶湯(温度=Zr
の融点+約100℃)に添加し、溶湯湯面を目視で観察
すると水素化ジルコニウム塊は直ちに溶湯と融合するの
が認められる。この際次の反応により脱酸が進行すると
考えられる。 ZrH2 +1/2O2 =Zr+H2 O ・・・・・(3) また、水素化ジルコニウムから解離した活性水素が、不
純物成分の金属クラスターと吸着反応を起こし、準安定
な化合物であって成分の比率が一定しないいわゆる不定
比化合物を生成し、これが蒸発により除去されると考え
られる。Zr以外の活性金属や水素化物についても同様
な現象により不純物が除去されると考えられる。
Function: Zirconium hydride mass is melted into Zr melt (temperature = Zr
(Melting point + about 100 ° C.) and visually observing the surface of the molten metal, it is recognized that the zirconium hydride mass is immediately fused with the molten metal. At this time, it is considered that deoxidation proceeds due to the following reaction. ZrH2 + 1 / 2O2 = Zr + H2 O (3) In addition, active hydrogen dissociated from zirconium hydride undergoes an adsorption reaction with metal clusters of impurity components and is a metastable compound with a constant component ratio. It is believed that a so-called non-stoichiometric compound is produced, which is removed by evaporation. It is considered that impurities are removed from active metals other than Zr and hydrides by the same phenomenon.

【0035】精製反応生成物の一種は被溶解金属自体も
しくはその合金元素であるために、インゴットと一体化
し、また他の精製反応生成物であるH2 Oは溶解雰囲気
の真空中に容易に蒸発する。したがって、本発明の精製
剤はCaのような従来の精製剤と比較すると二次的作用
がなく理想的なものであると言える。それ故、溶解雰囲
気により再酸化が起こり易い100ppm台の酸素濃度
のジルコニウムでさえ、インゴット中の残存精製剤を懸
念することなく10ppm台までの脱酸を達成できる。
さらに、本発明の精製剤は、精製除去する元素もCaの
ように酸素のみに限らず、鉄、ニッケル、クロムなどに
も及ぶ画期的なものである。
One of the refining reaction products is the metal to be melted or its alloying element, so it is integrated with the ingot, and the other refining reaction product, H 2 O, easily evaporates in the vacuum of the melting atmosphere. . Therefore, it can be said that the purifying agent of the present invention has no secondary effect as compared with the conventional purifying agent such as Ca and is ideal. Therefore, even with zirconium having an oxygen concentration on the order of 100 ppm, which easily causes reoxidation due to the melting atmosphere, deoxidation up to the level of 10 ppm can be achieved without concern about the residual refining agent in the ingot.
Furthermore, the refining agent of the present invention is an epoch-making element in which the elements to be purified and removed are not limited to oxygen like Ca but also iron, nickel, chromium and the like.

【0036】ジルコニウムでは100〜1000ppm
台の酸素は固溶した状態で存在し、酸中で応力腐食を誘
起する。このような悪影響をもつ酸素を低減することに
よりジルコニウムの耐食性を高めることができる。以
下、実施例により本発明を説明する。
100 to 1000 ppm for zirconium
Oxygen of the platform exists in a solid solution state and induces stress corrosion in acid. The corrosion resistance of zirconium can be enhanced by reducing the oxygen having such adverse effects. Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples.

【0037】[0037]

【実施例】図1の装置を使用し、直径が85mm、長さ
が150mmの高純度ジルコニウムインゴットを電子ビ
ーム溶解法で溶解しかつ連続鋳造した。原料電極はスポ
ンジZrを溶融塩電解したものであり、コールドハース
2及び水冷式銅モールド1内の溶湯温度は1950℃、
電子ビーム5の出力は200kw,図1の装置全体を入
れたメルトチャンバー内の圧力は10-4mbarであっ
た。水素化ジルコニウム(嵩比重1.25g/cm3 )
は平均寸法が3mmのものであり、原料の酸素濃度に対
して水素換算で1当量添加した。試験の結果を、ZrH
2 無添加の比較例とともに表2に示す。
EXAMPLE A high-purity zirconium ingot having a diameter of 85 mm and a length of 150 mm was melted by an electron beam melting method and continuously cast using the apparatus shown in FIG. The raw material electrode is a molten salt electrolyzed sponge Zr, and the molten metal temperature in the cold hearth 2 and the water-cooled copper mold 1 is 1950 ° C.
The output of the electron beam 5 was 200 kW, and the pressure in the melt chamber containing the entire apparatus of FIG. 1 was 10-4 mbar. Zirconium hydride (bulk specific gravity 1.25 g / cm3)
Has an average size of 3 mm, and 1 equivalent of hydrogen was added to the oxygen concentration of the raw material. The test result is ZrH
2 is shown in Table 2 together with a comparative example in which no additive is added.

【0038】[0038]

【表2】 不純物(ppm) Hf Fe Cr Ni O N C H 原料 330 100 100 100 180 30 40 2 ZrH2無添加 330 100 100 100 250 3 32 1 ZrH2添加 330 <50 <50 <50 50 3 <20 <1 [Table 2] Impurities (ppm) Hf Fe Cr Ni ONCH Raw material 330 100 100 100 180 30 40 2 ZrH2 additive-free 330 100 100 100 250 3 32 1 ZrH2 additive 330 <50 <50 <50 50 3 <20 <1

【0039】[0039]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法及び
精製剤によると従来よりも酸素等の不純物が低い活性金
属及び合金が安定してかつ安価に製造することができる
ので、産業上極めて有益な効果がもたらされる。さら
に、本発明のジルコニウム基材料は耐食性が優れている
ために、原子炉材料、海洋材料、化学プラントなどとし
て優れた性能を発揮し、かつ高価な添加元素を使用しな
くとも優れた性能が得られるから、省資源の面でも有利
である。
Industrial Applicability As described above, according to the method and the purifying agent of the present invention, active metals and alloys containing less impurities such as oxygen can be stably and inexpensively produced, which is extremely industrially advantageous. Has a beneficial effect. Further, since the zirconium-based material of the present invention has excellent corrosion resistance, it exhibits excellent performance as a reactor material, marine material, chemical plant, etc., and excellent performance can be obtained without using expensive additive elements. Therefore, it is also advantageous in saving resources.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】電子ビームコールドハースリメルト法により本
発明を実施する装置の一実施例を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an example of an apparatus for carrying out the present invention by an electron beam cold hearth remelt method.

【図2】水素化物を振動方式で添加する装置を示す平面
図である。
FIG. 2 is a plan view showing an apparatus for adding a hydride by a vibration method.

【図3】図2の側面図及び一部断面図である。FIG. 3 is a side view and a partial cross-sectional view of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 水冷式銅モールド 2 水冷式コールドハース 3 原料電極 4 電子銃 5 電子ビーム 6 インゴット 7 水素化物添加用ホッパー 8 溶湯 1 water-cooled copper mold 2 water-cooled cold hearth 3 raw material electrode 4 electron gun 5 electron beam 6 ingot 7 hydride addition hopper 8 molten metal

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【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成7年6月7日[Submission date] June 7, 1995

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0002[Name of item to be corrected] 0002

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0002】高純度のジルコニウム又はジルコニウム合
金は、スポンジジルコニウム又はスポンジジルコニウム
合金を原料として、これに下記(1),(2)式の反応
を利用するヨウ素化物分解法による精製を施して得られ
る。 Zr+2I2 =ZrI4 ・・・・・(1) ZrI4 =Zr+2I2 ・・・・・(2) (1)式は200〜500℃の低温域で起こってヨウ化
物が生成し、次に(2)式が1100〜1500℃の高
温域で起こってヨウ化物が分解して高純度Zrが析出精
製される。ジルコニウム(合金)の他にチタン、ハフニ
ウム(合金)等もヨウ化物精製方法により高純度化され
る。しかし、ヨウ化物精製法及び溶融塩電解法では4N
〜6N程度の高純度金属・合金が得られるが、一回当り
の製造量が少量であるため、これらを塊状製品とするに
は溶解工程を経る必要がある。
High-purity zirconium or a zirconium alloy can be obtained by using sponge zirconium or a sponge zirconium alloy as a raw material and purifying the sponge zirconium or sponge zirconium alloy by an iodide decomposition method utilizing the reactions of the following formulas (1) and (2). Zr + 2I 2 = ZrI 4 (1) ZrI 4 = Zr + 2I 2 (2) Formula (1) occurs in a low temperature range of 200 to 500 ° C. to generate iodide, and then ( 2) occurs in a high temperature range of 1100 to 1500 ° C., iodide is decomposed, and high-purity Zr is deposited and purified. In addition to zirconium (alloy), titanium, hafnium (alloy) and the like are highly purified by the iodide refining method. However, in the iodide refining method and the molten salt electrolysis method, 4N
High-purity metals and alloys of about 6 N can be obtained, but since the production amount per time is small, it is necessary to go through a melting step to make them into a lump product.

【手続補正2】[Procedure Amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0003[Name of item to be corrected] 0003

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0003】溶融塩電解法あるいは溶融塩電解法と電子
ビーム溶解法との組み合わせにより高純度チタンを製造
することも公知である(日本金属学会会報「まてりあ」
1994年1月号54頁)。さらに、ジルコニウムに関
しては、アノード及びカソードにジルコニウムを用い、
電解浴に例えばNaCl−K2 ZrF6 系の塩化物−フ
ッ化物混合浴を用い、高純度ジルコニウムを精製するこ
とも公知である。さらにまた、タンタルに関しては、電
子ビーム溶解によりあるいは真空アーク溶解電極のTa
中にCを添加することにより、酸素濃度が非常に低くな
ることが知られているが、Cを添加する方法では溶解後
Cが残存することが指摘されている。
It is also known to produce high-purity titanium by a molten salt electrolysis method or a combination of a molten salt electrolysis method and an electron beam melting method (Journal of the Japan Institute of Metals "Materia").
January 1994, p. 54). Further, regarding zirconium, zirconium is used for the anode and the cathode,
Chloride to the electrolytic bath for instance NaCl-K 2 ZrF 6 system - using a fluoride bath mixture, it is also known to purify high purity zirconium. Furthermore, as for tantalum, Ta of the vacuum arc melting electrode or by electron beam melting is used.
It is known that the oxygen concentration becomes extremely low by adding C therein, but it is pointed out that C remains after the dissolution by the method of adding C.

【手続補正3】[Procedure 3]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0005[Name of item to be corrected] 0005

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0005】チタン、ジルコニウム、ニオブなどの金属
及びその合金は、酸素、窒素などに対して極めて活性が
高いので、溶解法により高純度材料を作るためには溶解
エネルギー密度が高くかつ不純物元素が蒸発し易い条件
が実現される電子ビーム溶解、プラズマ溶解、真空アー
ク溶解などが利用される。これらの溶解法によると、M
g,Na,Cl,H2 などの不純物元素は確実に低減さ
れ、またインゴットのように塊状材料を製造することが
できる。したがって、原子炉材料、海洋材料、化学プラ
ント等の構造材料として使用されるチタン、ジルコニウ
ムなどはこれら溶解法を経て部品に成形されている。
Metals such as titanium, zirconium, and niobium and their alloys have extremely high activity with respect to oxygen, nitrogen, etc., so that in order to produce a high-purity material by the melting method, the melting energy density is high and the impurity element is evaporated. Electron beam melting, plasma melting, vacuum arc melting, etc. are used to achieve easy conditions. According to these dissolution methods, M
Impurity elements such as g, Na, Cl, and H 2 are surely reduced, and a bulk material can be manufactured like an ingot. Therefore, titanium, zirconium, etc., which are used as structural materials for nuclear reactor materials, marine materials, chemical plants, etc., are molded into parts through these melting methods.

【手続補正4】[Procedure amendment 4]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0014[Correction target item name] 0014

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0014】従来、活性金属またはその合金よりなる構
造材料は応力腐食が起こり易い腐食性媒体中で使用され
たときは、不純物レベル、特に酸素レベルが高いために
応力腐食感受性の鋭敏化が起こり、遅れ破壊が起こる懸
念があった。これら構造材料は上述の理由より溶製材が
適しているが、従来の溶解法では高純度に精製された材
料を製造することができなかった。本発明は、応力腐食
が起こり易い媒体中で使用される活性金属もしくは合金
製構造材料の原料インゴットを電子ビーム溶解、プラズ
マ溶解又は真空アーク溶解のみにより製造するものであ
る。この方法によると、工業的に一般的な原料であるス
ポンジチタン、ジルコニウム、タンタルパウダー、モリ
ブデンパウダー又はそのスクラップ材などを原料として
使用して溶解中にO2 、Mg,Na,Cl,H2 ,N2
などの不純物を除去することが可能になる。
Conventionally, when a structural material made of an active metal or its alloy is used in a corrosive medium in which stress corrosion is likely to occur, sensitization of stress corrosion susceptibility occurs due to high impurity level, especially oxygen level, There was a concern that delayed destruction would occur. For these structural materials, ingots are suitable for the above reasons, but it has been impossible to produce highly purified materials by the conventional melting method. The present invention is to produce a raw material ingot of an active metal or alloy structural material used in a medium in which stress corrosion is likely to occur by only electron beam melting, plasma melting or vacuum arc melting. According to this method, sponge titanium, zirconium, tantalum powder, molybdenum powder, or scrap material thereof, which are industrially common raw materials, are used as raw materials to dissolve O 2 , Mg, Na, Cl, H 2 , N 2
It becomes possible to remove impurities such as.

【手続補正5】[Procedure Amendment 5]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0020[Correction target item name] 0020

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0020】以下本発明の構成を説明する。本発明では
水素化物を精製剤として溶湯と接触させるが、その際に
2 と反応して発生するH2 Oを効率的に系外に除去す
る必要がある。電子ビーム溶解、プラズマ溶解又は真空
中アーク溶解法ではTiなどの被溶解金属と不純物元素
の蒸気圧差による精製効果が大きいので、H2 Oの蒸発
が不純物の精製効果を高めることが期待される。上記し
た本発明の溶解法は、例えば直径30〜1000mm、
長さ5000mm以下の大型インゴットを製造するに適
しており、これを加工することにより各種構造材料とす
ることができる。また、電子ビーム溶解法により半導体
装置製造用の高純度スパッタリングターゲットの素材な
ども製造することもできる。
The structure of the present invention will be described below. In the present invention, the hydride is brought into contact with the molten metal as a refining agent, but it is necessary to efficiently remove the H 2 O generated by the reaction with O 2 out of the system. In the electron beam melting, plasma melting, or vacuum arc melting methods, the refining effect due to the vapor pressure difference between the metal to be melted such as Ti and the impurity element is large, so it is expected that the evaporation of H 2 O will enhance the refining effect of the impurities. The dissolution method of the present invention described above is, for example, 30 to 1000 mm in diameter,
It is suitable for producing large ingots having a length of 5000 mm or less, and can be processed into various structural materials by processing. Further, a material for a high-purity sputtering target for manufacturing a semiconductor device can also be manufactured by the electron beam melting method.

【手続補正6】[Procedure correction 6]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0022[Name of item to be corrected] 0022

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0022】本発明においては、水素化物と金属もしく
は合金の溶湯とを接触させることにより不純物の精製を
行い、また水素化物を精製剤とする。これが本発明の最
も大きな特徴である。本発明で言う水素化物は、活性金
属もしくは合金材料の添加金属元素(活性金属を含む)
との化合物である。さらに、水素化物を、溶解しようと
する材料の成分金属との化合物として構成し、水素化物
が溶解した後に被溶解材料に残存する金属による汚染を
招かないようにしている。また、安全性と操業の安定性
の観点から、分解温度あるいは蒸発温度が余り低いかあ
るいは反応性が激しい水素化物は好ましくないので、解
離温度が比較的高い活性金属水素化物、特に、Ti
2,ZrH2 ,NbH,NbH2 ,MoHx ,TaHx
、WHx などを使用することが好ましい。
In the present invention, impurities are purified by bringing a hydride into contact with a molten metal or metal alloy, and the hydride is used as a refining agent. This is the greatest feature of the present invention. The hydride referred to in the present invention is an additive metal element (including an active metal) of an active metal or alloy material.
And the compound. Further, the hydride is formed as a compound with the component metal of the material to be dissolved so as to prevent contamination by the metal remaining in the material to be dissolved after the hydride is dissolved. Further, from the viewpoint of safety and stability of operation, a hydride having a decomposition temperature or an evaporation temperature that is too low or a highly reactive one is not preferable, and therefore an active metal hydride having a relatively high dissociation temperature, particularly Ti
H 2 , ZrH 2 , NbH, NbH 2 , MoH x , TaH x
, WH x and the like are preferably used.

【手続補正7】[Procedure Amendment 7]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0029[Name of item to be corrected] 0029

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0029】この材料は、O2 成分などの不純物レベル
が極めて低く、沸騰硝酸中の耐食試験で従来材と比較し
て良好な耐食性をもつ材料が得られ、沸騰水型原子炉用
燃料被覆管のライニングとして好適である。また、上記
の材料は通常純度のスポンジジルコニウムを原料として
溶解を行うことにより得られる。
This material has an extremely low level of impurities such as O 2 component, and a material having better corrosion resistance than a conventional material in a corrosion resistance test in boiling nitric acid can be obtained, and a fuel cladding tube for a boiling water reactor is obtained. It is suitable as a lining. Further, the above-mentioned materials are obtained by dissolving sponge zirconium having a normal purity as a raw material.

【手続補正8】[Procedure Amendment 8]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0032[Name of item to be corrected] 0032

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0032】図1に示すように、電子ビーム溶解設備の
メルトチャンバー内に設置された水冷式銅モールド1の
前方に銅製の水冷式コールドハース2を設置し、原料電
極3を電子銃4から電子ビーム5で溶解した原料溶湯を
一旦コールドハース2内に保持してからオーバーフロー
させ、これを水冷式銅モールド1内に鋳込んで連続的に
凝固させつつ下方からインゴット6として引き抜く。水
素化物は水素化物添加用ホッパー7内に塊として保存・
配置する。電子ビーム5の出力は30〜2000kw程
度であり、炉内圧力は10-2〜10-6mbar程度であ
る。
As shown in FIG. 1, a water-cooled cold hearth 2 made of copper is installed in front of a water-cooled copper mold 1 installed in a melt chamber of an electron beam melting facility, and a raw material electrode 3 is supplied from an electron gun 4 to an electron. The raw material melt melted by the beam 5 is temporarily held in the cold hearth 2 and then overflowed. The raw metal melt is cast into the water-cooled copper mold 1 and continuously solidified while being pulled out as an ingot 6 from below. The hydride is stored as a mass in the hydride addition hopper 7.
Deploy. The output of the electron beam 5 is about 30 to 2000 kw, and the furnace pressure is about 10 -2 to 10 -6 mbar.

【手続補正9】[Procedure Amendment 9]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0034[Correction target item name] 0034

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0034】[0034]

【作用】水素化ジルコニウム塊をZr溶湯(温度=Zr
の融点+約100℃)に添加し、溶湯湯面を目視で観察
すると水素化ジルコニウム塊は直ちに溶湯と融合するの
が認められる。この際次の反応により脱酸が進行すると
考えられる。 ZrH2 +1/2O2 =Zr+H2 O ・・・・・(3) また、水素化ジルコニウムから解離した活性水素が、不
純物成分の金属クラスターと吸着反応を起こし、準安定
な化合物であって成分の比率が一定しないいわゆる不定
比化合物を生成し、これが蒸発により除去されると考え
られる。Zr以外の活性金属や水素化物についても同様
な現象により不純物が除去されると考えられる。
Function: Zirconium hydride mass is melted into Zr melt (temperature = Zr
(Melting point + about 100 ° C.) and visually observing the surface of the molten metal, it is recognized that the zirconium hydride mass is immediately fused with the molten metal. At this time, it is considered that deoxidation proceeds due to the following reaction. ZrH 2 + 1 / 2O 2 = Zr + H 2 O (3) Further, active hydrogen dissociated from zirconium hydride undergoes an adsorption reaction with a metal cluster of an impurity component and is a metastable compound, It is considered that a so-called non-stoichiometric compound having a non-constant ratio is formed, and this is removed by evaporation. It is considered that impurities are removed from active metals other than Zr and hydrides by the same phenomenon.

【手続補正10】[Procedure Amendment 10]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0035[Correction target item name] 0035

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0035】精製反応生成物の一種は被溶解金属自体も
しくはその合金元素であるために、インゴットと一体化
し、また他の精製反応生成物であるH2 Oは溶解雰囲気
の真空中に容易に蒸発する。したがって、本発明の精製
剤はCaのような従来の精製剤と比較すると二次的作用
がなく理想的なものであると言える。それ故、溶解雰囲
気により再酸化が起こり易い100ppm台の酸素濃度
のジルコニウムでさえ、インゴット中の残存精製剤を懸
念することなく10ppm台までの脱酸を達成できる。
さらに、本発明の精製剤は、精製除去する元素もCaの
ように酸素のみに限らず、鉄、ニッケル、クロムなどに
も及ぶ画期的なものである。
Since one of the purified reaction products is the metal to be melted or its alloy element, it is integrated with the ingot, and the other purified reaction product, H 2 O, easily evaporates in the vacuum of the melting atmosphere. To do. Therefore, it can be said that the purifying agent of the present invention has no secondary effect as compared with the conventional purifying agent such as Ca and is ideal. Therefore, even with zirconium having an oxygen concentration on the order of 100 ppm, which easily causes reoxidation due to the melting atmosphere, deoxidation up to the level of 10 ppm can be achieved without concern about the residual refining agent in the ingot.
Furthermore, the refining agent of the present invention is an epoch-making element in which the elements to be purified and removed are not limited to oxygen like Ca but also iron, nickel, chromium and the like.

【手続補正11】[Procedure Amendment 11]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0037[Name of item to be corrected] 0037

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0037】[0037]

【実施例】図1の装置を使用し、直径が85mm、長さ
が150mmの高純度ジルコニウムインゴットを電子ビ
ーム溶解法で溶解しかつ連続鋳造した。原料電極はスポ
ンジZrを溶融塩電解したものであり、コールドハース
2及び水冷式銅モールド1内の溶湯温度は1950℃、
電子ビーム5の出力は200kw,図1の装置全体を入
れたメルトチャンバー内の圧力は10-4mbarであっ
た。水素化ジルコニウム(嵩比重1.25g/cm3
は平均寸法が3mmのものであり、原料の酸素濃度に対
して水素換算で1当量添加した。試験の結果を、ZrH
2 無添加の比較例とともに表2に示す。
EXAMPLE A high-purity zirconium ingot having a diameter of 85 mm and a length of 150 mm was melted by an electron beam melting method and continuously cast using the apparatus shown in FIG. The raw material electrode is a molten salt electrolyzed sponge Zr, and the molten metal temperature in the cold hearth 2 and the water-cooled copper mold 1 is 1950 ° C.
The output of the electron beam 5 was 200 kW, and the pressure in the melt chamber containing the entire apparatus of FIG. 1 was 10 −4 mbar. Zirconium hydride (bulk specific gravity 1.25 g / cm 3 )
Has an average size of 3 mm, and 1 equivalent of hydrogen was added to the oxygen concentration of the raw material. The test result is ZrH
2 is shown in Table 2 together with a comparative example without addition.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢野 俊宏 茨城県日立市宮田町3453番地 日鉱特殊金 属株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (72) Inventor Toshihiro Yano 3453 Miyata-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Nikko Special Metals Co., Ltd.

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電子ビーム溶解、プラズマ溶解又は真空
アーク溶解により、Ti,Zr,Hf,Nb,Ta,W
及びMoからなる群より選択された1種の金属あるいは
この金属を主成分とし合金元素を含有する合金からなる
原料を溶解することにより金属材料又は合金材料を製造
する方法において、前記金属の水素化物あるいは前記合
金元素の水素化物と前記金属もしくは合金の溶湯とを接
触させることを特徴とする前記合金元素の水素化物と金
属材料又は合金材量の製造方法。
1. Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, W by electron beam melting, plasma melting or vacuum arc melting.
And a method of producing a metal material or an alloy material by melting a raw material made of one metal selected from the group consisting of and Mo or an alloy containing the metal as a main component and containing an alloying element. Alternatively, the hydride of the alloy element and the molten metal of the metal or alloy are brought into contact with each other, and the method of producing the hydride of the alloy element and the metal material or the alloy material amount.
【請求項2】 酸素濃度が5000ppm以下のTi,
Zr,Hf,Nb,Ta,W及びMoからなる群より選
択された1種の金属あるいはこの金属を主成分とし合金
元素を含有する合金からなる原料を溶解することにより
金属材料又は合金材料を製造する方法において、前記金
属の水素化物あるいは前記合金元素の水素化物と前記金
属もしくは合金の溶湯とを接触させることを特徴とする
前記合金元素の水素化物と金属材料又は合金材料の製造
方法。
2. Ti having an oxygen concentration of 5000 ppm or less,
Manufacture of a metal material or an alloy material by melting a raw material made of a metal selected from the group consisting of Zr, Hf, Nb, Ta, W and Mo or an alloy containing this metal as a main component and containing an alloying element The method for producing a metal material or alloy material according to claim 1, wherein the hydride of the metal or the hydride of the alloy element is brought into contact with the molten metal of the metal or alloy.
【請求項3】 前記水素化物の量を、水素換算で前記原
料中の酸素量の10当量以下とすることを特徴とする請
求項1又は2記載の金属材料又は合金材料の製造方法。
3. The method for producing a metal material or an alloy material according to claim 1, wherein the amount of the hydride is 10 equivalent or less of the amount of oxygen in the raw material in terms of hydrogen.
【請求項4】 前記水素化物が塊もしくはブロック状で
前記溶湯と接触せしめられることを特徴とする請求項1
から3までの何れか1項記載の金属材料又は合金材料の
製造方法。
4. The hydride is contacted with the molten metal in a lump or block form.
4. The method for producing a metal material or an alloy material according to any one of 1 to 3.
【請求項5】 前記水素化物の寸法が20mm以下であ
ることを特徴とする請求項4記載の金属材料又は合金材
料の製造方法。
5. The method for producing a metal material or an alloy material according to claim 4, wherein the hydride has a size of 20 mm or less.
【請求項6】 前記水素化物を前記溶湯に添加すること
を特徴とする請求項4又は5記載の金属材料又は合金材
料の製造方法。
6. The method for producing a metal material or an alloy material according to claim 4, wherein the hydride is added to the molten metal.
【請求項7】 前記水素化物を、前記溶湯が鋳造されて
いる銅モールド内に添加することを特徴とする請求項6
記載の金属材料又は合金材料の製造方法。
7. The hydride is added to a copper mold in which the molten metal is cast.
A method for producing the described metal material or alloy material.
【請求項8】 前記水素化物を、前記溶湯が銅モールド
に鋳造される前に溜められるコールドハースに添加する
ことを特徴とする請求項6記載の金属材料又は合金材料
の製造方法。
8. The method for producing a metal material or an alloy material according to claim 6, wherein the hydride is added to cold hearth stored before the molten metal is cast into a copper mold.
【請求項9】 前記水素化物が前記原料に添加されてい
ることを特徴とする請求項1から3までの何れか1項記
載の金属材料又は合金材料の製造方法。
9. The method for producing a metal material or an alloy material according to claim 1, wherein the hydride is added to the raw material.
【請求項10】 粉末状水素化物を前記原料の金属又は
合金と結合したことを特徴とする請求項9記載の金属材
料又は合金材料の製造方法。
10. The method for producing a metal material or an alloy material according to claim 9, wherein powdered hydride is combined with the metal or alloy as the raw material.
【請求項11】 前記原料がスポンジ金属又は合金であ
ることを特徴とする請求項1から10までのいずれか1
記載の金属材料又は合金材料の製造方法。
11. The method according to claim 1, wherein the raw material is sponge metal or alloy.
A method for producing the described metal material or alloy material.
【請求項12】 前記原料が溶融塩電解された金属又は
合金であることを特徴とする請求項1から10までのい
ずれか1記載の金属材料又は合金材料の製造方法。
12. The method for producing a metal material or alloy material according to claim 1, wherein the raw material is a molten salt electrolyzed metal or alloy.
【請求項13】 Ti,Zr,Hf,Nb,Ta,W及
びMoからなる群より選択された1種の金属あるいはこ
の金属を主成分とし合金元素を含有する合金の不純物を
除去する精製剤であって、前記1種の金属の水素化物か
らなることを特徴とする金属材料又は合金材料の精製
剤。
13. A refining agent for removing impurities of one metal selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, W and Mo or an alloy containing the metal as a main component and containing an alloying element. A refining agent for a metal material or an alloy material, comprising a hydride of the one kind of metal.
【請求項14】 前記合金元素が前記1種の金属以外
の、Ti,Zr,Hf,Nb,Ta,W及びMoからな
る群より選択された1種又は2種以上の金属であり、前
記水素化物が前記1種又は2種の金属の水素化物である
ことを特徴とする請求項13記載の合金材料の精製剤。
14. The alloy element is one or more metals selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, W and Mo other than the one metal, and the hydrogen The refining agent for an alloy material according to claim 13, wherein the compound is a hydride of the one or two metals.
【請求項15】 Ti,Zr,Hf,Nb,Ta,W及
びMoからなる群より選択された1種の金属を主成分と
し、Ti,Zr,Hf,Mo,Ta及びWからなる群よ
り選択された1種又は2種以上の合金元素を含有する合
金の不純物を除去する精製剤であって、前記合金元素の
水素化物からなることを特徴とする合金材料の精製剤。
15. A metal selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, Mo, Ta and W, containing one metal selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, W and Mo as a main component. A purifying agent for removing impurities of an alloy containing one or more kinds of alloying elements as described above, comprising a hydride of the alloying element.
【請求項16】 前記水素化物が塊もしくはブロック状
であることを特徴とする請求項13から15までの何れ
か1項記載の金属材料又は合金材料の精製剤。
16. The refining agent for a metal material or an alloy material according to claim 13, wherein the hydride is in the form of a lump or a block.
【請求項17】 前記水素化物の寸法が20mm以下で
あることを特徴とすする請求項16記載の金属材料又は
合金材料の精製剤。
17. The refining agent for a metal material or an alloy material according to claim 16, wherein the hydride has a size of 20 mm or less.
【請求項18】 前記水素化物が粉末状であることを特
徴とする請求項13から15までの何れか1項記載の金
属材料又は合金材料の精製剤。
18. The refining agent for a metal material or an alloy material according to claim 13, wherein the hydride is in a powder form.
【請求項19】 酸素含有量が100ppm以下、窒
素、炭素及び水素の合計量が30ppm以下、鉄、クロ
ム、ニッケルがそれぞれ50ppm以下、ハフニウムが
500ppm以下であり、残部が実質的にジルコニウム
からなることを特徴とする耐食性が優れたジルコニウム
基材料。
19. An oxygen content of 100 ppm or less, a total amount of nitrogen, carbon and hydrogen of 30 ppm or less, iron, chromium, nickel of 50 ppm or less, hafnium of 500 ppm or less, and the balance substantially consisting of zirconium. Zirconium-based material with excellent corrosion resistance, characterized by:
【請求項20】 合金元素としてSn,Nb及びHfか
らなる群から選択された1種又は2種以上の金属を5%
以下含有することを特徴とする請求項19記載の耐食性
が優れたジルコニウム基材料。
20% by weight of one or two or more metals selected from the group consisting of Sn, Nb and Hf as an alloying element
The zirconium-based material having excellent corrosion resistance according to claim 19, characterized by containing:
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