JPH11158565A - チタンインゴットの製造方法 - Google Patents

チタンインゴットの製造方法

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JPH11158565A
JPH11158565A JP34430897A JP34430897A JPH11158565A JP H11158565 A JPH11158565 A JP H11158565A JP 34430897 A JP34430897 A JP 34430897A JP 34430897 A JP34430897 A JP 34430897A JP H11158565 A JPH11158565 A JP H11158565A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 スポンジチタンを溶解して得るチタンインゴ
ットの酸素含有率をなるべく下げて、より高純度とす
る。 【解決手段】 密度が3.0g/cm3 以下のスポンジチタ
ンもしくはスポンジチタンブリケットをインゴット原料
とする。このインゴット原料を、電子ビーム(EB)溶
解炉、プラズマビーム(PB)溶解炉もしくはアーク
(VAR)溶解炉を用い、その溶解出力を0.8〜5kWh
/kgに設定して溶解し、チタンインゴットを製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、スポンジチタンもしく
はスポンジチタンを主とするインゴット原料を溶解炉に
より溶解してチタンインゴットを製造する方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】チタンは、近年、LSIの配線層やバリ
ヤ層をスパッタリング法により形成する材料、すなわち
スパッタリング用ターゲットとして広く用いられてい
る。チタンターゲットは、一般に、還元反応を利用した
クロール法で製造されたスポンジチタンを溶解してチタ
ンインゴットを得た後、このチタンインゴットを圧延や
鍛造により製造している。ところで、チタンターゲット
の原料のチタンインゴットには、最近のLSIの高密度
化に伴い、4N(フォー・ナイン(ガス成分を除く金属
成分の純度))は勿論のこと、5Nないし6Nといった
極めて高純度な品位が要求されている。具体的には、不
純物元素であるFe、Cr、Niについてはそれぞれ5
ppm以下、場合によっては1ppm以下であることが
要求される。また、Na、Kについてはそれぞれ0.1
ppm、場合によっては0.05ppm以下であること
が要求される。さらに、酸素については、250ppm
以下であることが要求され、望ましくは200ppm以
下、さらに望ましくは150ppm以下が良いとされて
いる。
【0003】このようにチタンインゴットの純度を高い
レベルとするためには、クロール法でスポンジチタンを
製造するにあたり、不純物元素の含有率が極めて低いTi
Cl4を使用するとともに、Mgによる還元に用いる反応
容器に工夫を凝らしてFe、Cr、Ni等の不純物元素
を低レベルに抑えるようにしている。ところが、酸素に
ついてはその含有率が低減しにくい。スポンジチタンを
溶解してチタンインゴットを得る溶解炉に、アーク(V
AR:Consumable electrodevacuum arc remelting)溶
解炉か、場合によっては、電子ビーム(EB:Electron
beam)溶解炉あるいはプラズマ(PB:Plasma beam)溶
解炉を用い、通常、0.5〜0.8kWh/kg程度の溶解出
力でスポンジチタンを溶解している。これら溶解炉のう
ち、特にVAR溶解炉およびEB溶解炉では、10-5
〜10-1 Torr程度の真空中でスポンジチタンを溶解し
ているが、溶解中は、雰囲気中の酸素がチタンインゴッ
トに取り込まれ、酸素の増加を招く。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
上記EB溶解炉を用いてスポンジチタンを溶解したとし
ても、溶解されるスポンジチタン自体の酸素含有率が高
ければ、得られるチタンインゴットの酸素含有率も自ず
と高くなっていた。つまり、チタンインゴットの酸素含
有率は、原料のスポンジチタンの酸素含有率に依存して
いた。このため、上記のような高純度のチタンインゴッ
トを得るには、それに応じた酸素含有率の低いスポンジ
チタンを原料として選別することにより、酸素含有率の
基準を満足させているのが実情であった。よって本発明
は、スポンジチタンを溶解して得られるチタンインゴッ
トの酸素含有率が、スポンジチタンと同レベルか、もし
くはそれ以下になることを可能として、チタンインゴッ
トの酸素含有率がスポンジチタンの酸素含有率に依存さ
れずに極めて低い酸素レベルとなるチタンインゴットの
製造方法を提供することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記溶解炉
でスポンジチタンを溶解するにあたり、溶解出力を、標
準的な0.5〜0.8kWh/kg より低く設定したり、逆に
高く設定したりして、その都度得られたチタンインゴッ
トの酸素含有率を調査したところ、溶解出力が0.8〜
5kWh/kgといった標準よりも高い範囲にある場合に、
製品チタンインゴットの酸素含有率がスポンジチタンに
比べて同等か、もしくは低くなることを発見した。よっ
て本発明はこのような知見に基づいてなされたもので、
スポンジチタンもしくはスポンジチタンを主とするイン
ゴット原料を溶解炉により溶解してチタンインゴットを
得るにあたり、溶解炉の溶解出力を0.8〜5kWh/kgと
することを特徴としている。原料のスポンジチタンより
も製品チタンインゴットの酸素含有率が低くなった要因
としては、通常の溶解出力よりも高い出力にて溶解する
ことにより、スポンジチタンの網目に捕捉されているMg
Cl2 の揮発除去が大幅に促進され、このMgCl2 に含まれ
る水分がチタンインゴットに吸収される前にMgCl2 とと
もに揮発除去されるからではないかと推定される。溶解
の間は雰囲気中の酸素がチタンインゴットに取り込ま
れ、従来ではそれに加えてMgCl2 中の水分がチタンイン
ゴットに吸収されることにより酸素の増大を招いていた
のである。ところが、溶解出力を0.8〜5kWh/kgとす
ることにより、上記のようにMgCl2 の揮発除去が大幅に
促進され、MgCl2 中の水分は優先的に揮発除去されるの
である。このような水分の有効な揮発除去作用は、溶解
出力を0.8〜5kWh/kgとすることにより達成される。
ただし、5kWh/kg を超える溶解出力ではスプラッシュ
ガスが増大してチタンインゴットの歩留まりが低下する
ので、溶解出力は、好ましくは1〜3kWh/kgの範囲が
良く、1.5〜2.5kWh/kgの範囲であればより好まし
い。
【0006】さて、上記MgCl2 は、スポンジチタンの網
目に捕捉されているので、この網目が大きければ大きい
ほどスポンジチタンから遊離しやすく、つまりは揮発除
去されやすい。そこで、本発明者は上記溶解出力の限定
に加えてインゴット原料の密度について検討を行ったと
ころ、密度が3.0g/cm3 以下、好ましくは2.7g/cm
3 以下であれば溶解後のチタンインゴットの酸素含有率
がより低下することを見い出し、本発明を完成するに至
った。例えば、インゴット原料がブリケットの場合、そ
の密度は3.0〜3.5g/cm3の範囲にあるが、プレス成
形圧を調整してブリケットの密度を1.5〜3.0g/cm3
に設定することで、溶解後のチタンインゴットの酸素含
有率がより低下する。インゴット原料がスポンジチタン
自身の場合には、その密度が0.5〜1.0g/cm3付近に
あるので、そのまま溶解すれば良い。このような密度で
インゴット原料を溶解する溶解炉としては、上記のEB
溶解炉やPB溶解炉、あるいはVAR溶解炉が最適であ
る。なお、PB溶解炉の場合は、雰囲気が常圧であり酸
素吸着の割合が高いので、EB溶解炉よりも溶解出力を
高く設定することが望ましい。
【0007】
【発明の実施の形態】次に、本発明を、チタンターゲッ
トの製造方法に適用した一実施形態に基づいて詳述す
る。まず、クロール法で得られたスポンジチタンをイン
ゴット原料とする。スポンジチタンの粒度は、20 〜
1/2”といった通常の規格品のレベルで良い。また、
場合によっては、スポンジチタンをプレス成形したブリ
ケットをインゴット原料としても良い。ブリケットの成
形密度は、通常3.0〜3.5g/cm3の範囲にあるが、上
述したように、3.0g/cm3 以下が好ましく、2.7g/
cm3 以下であれば低酸素インゴットの製造にはより好ま
しい。次に適量の上記インゴット原料を、EB溶解炉
で、その溶解出力を0.8kWh/kg以上、好ましくは1〜
3kWh/kg、より好ましくは1.5〜2.5kWh/kgの範囲
に設定して溶解し、チタンインゴットを得る。インゴッ
ト原料が溶解される際は、スポンジチタンの網目に捕捉
されているMgCl2 の揮発除去が大幅に促進され、このMg
Cl2 に含まれる水分は、チタンインゴットに吸収される
前にMgCl2 とともに揮発除去される。また、インゴット
原料の密度は3.0g/cm3 以下でありスポンジチタンの
網目が比較的大きいことから、MgCl2 はスポンジチタン
から遊離しやすく、これによってもMgCl2 は効果的に揮
発除去される。したがって、MgCl2 中の水分すなわち酸
素の揮発除去量が大幅に増大し、チタンインゴットの酸
素含有率が低く抑えられる。上記方法によれば、チタン
インゴットの酸素含有率をスポンジチタンと同レベル
か、もしくはそれ以下にすることが可能であり、よって
酸素含有率をスポンジチタンに依存することなく高純度
のチタンインゴットを製造することができる。
【0008】なお、インゴット原料としては、スポンジ
チタン100%でなくとも、チタンの切り粉やスクラッ
プもしくは適当なチタン以外の材料をスポンジチタンに
混合したものであっても良い。ただし、その場合はスポ
ンジチタンの割合を50%以上に設定することが、本発
明の効果を得る上で望ましい。また、インゴット原料の
溶解を行う前に、ダミーのチタン塊を予備溶解し、この
チタン塊に、炉内に残留する酸素を含むガス成分を吸収
させた後、インゴット原料を溶解すれば、酸素汚染をよ
り一層抑制できる。
【0009】
【実施例】次に、本発明に基いてチタンインゴットを製
造した実施例と、これに対する比較例を示し、本発明を
より明らかにする。 [実施例1]クロール法で製造された粒度20 〜1/
2”のスポンジチタンを、インゴット原料とした。この
スポンジチタンの酸素含有率は、240ppmであっ
た。このスポンジチタン150kgを、EB溶解炉で、
溶解出力を1.5kWh/kgに設定して溶解し、チタンイン
ゴットを得た。 [実施例2]クロール法で製造された粒度20 〜1/
2”のスポンジチタンをプレス成形して密度が2.8g/
cm3 のブリケットとし、これをインゴット原料とした。
このスポンジチタンブリケットの酸素含有率は、220
ppmであった。このスポンジチタン130kgを、E
B溶解炉で、溶解出力を2.0kWh/kgに設定して溶解
し、チタンインゴットを得た。 [実施例3]実施例2と同一のスポンジチタンをプレス
成形して密度が2.3g/cm3 のブリケットとし、このブ
リケットを実施例2と同一条件で溶解してチタンインゴ
ットを得た。
【0010】[比較例1]上記実施例1のスポンジチタ
ン150kgを、EB溶解炉で、溶解出力を0.5kWh
/kg に設定して溶解し、チタンインゴットを得た。 [比較例2]上記実施例2のスポンジチタンブリケット
130kgを、EB溶解炉で、溶解出力を0.7kWh/kg
に設定して溶解し、チタンインゴットを得た。
【0011】上記実施例1,2,3および比較例1,2
で得られた溶解後のチタンインゴットの酸素含有率を調
べた。溶解出力の違いにより溶解前(スポンジチタン)
と溶解後(チタンインゴット)の酸素含有率にどれだけ
の変化があったかの比較を、表1に示す。
【0012】
【表1】
【0013】表1から明らかなように、EB溶解炉の溶
解出力が本発明の条件を満たす実施例1,2,3では、
溶解後のチタンインゴットの酸素含有率は、溶解前のス
ポンジチタンのそれよりも増大することなく逆に低下し
ており、純度の向上に寄与することが確かめられた。。
また、溶解出力が同じである実施例2と実施例3を比較
すると、インゴット原料の密度の低い実施例3の方が酸
素含有率が低いことが確かめられた。これに対する比較
例1,2では、溶解後の酸素含有率は従来のように増大
しており、純度の低下を招いた。
【0014】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ス
ポンジチタンもしくはスポンジチタンを主とするインゴ
ット原料を0.8〜5kWh/kgの溶解出力で溶解すること
で、得られるチタンインゴットの酸素含有率を、インゴ
ット原料と同レベルか、もしくはそれ以下とすることを
可能とし、かつ酸素含有率がスポンジチタンに依存され
ずに極めて低レベルとすることができる。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スポンジチタンもしくはスポンジチタン
    を主とするインゴット原料を溶解炉により溶解してチタ
    ンインゴットを得るにあたり、前記溶解炉の溶解出力を
    0.8〜5kWh/kgとすることを特徴とするチタンインゴ
    ットの製造方法。
  2. 【請求項2】 前記インゴット原料の密度が、3.0g/
    cm3 以下であることを特徴とする請求項1に記載のチタ
    ンインゴットの製造方法。
  3. 【請求項3】 前記溶解炉が、電子ビーム溶解炉、プラ
    ズマビーム溶解炉もしくはアーク溶解炉であることを特
    徴とする請求項1に記載のチタンインゴットの製造方
    法。
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