(57)【要約】【課題】  中性子吸収能を持ち、しかも、従来材と比較してコストや加工性の面でも優れている、中性子吸収能を備えたアルミニウム複合材とアルミニウム合金のサンドイッチ構造からなる板材を提供する。【解決手段】  B4Cを含有する通気性素材と、前記通気性素材に接触する供給パス用アルミニウム金属板とを型に入れて、前記供給パス用アルミニウム金属板に接続するようにリザーバー用アルミニウム塊を配置し、非加圧浸透させてB4C‐アルミニウム複合材とアルミニウム層を一体化させたことを特徴とする。供給パス用アルミニウム金属板を中心にして、その両側に通気性素材を配置することで、サンドイッチ構造を有する複合体を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属マトリックス複合体を形成する方法であって、下記の工程：
a)充填材としてホウ素又はホウ素化合物を用い、
b)マトリックス金属を前記充填材と混合すること及び（又は）前記充填材にマトリックス金属を被覆することによって通気性素材を形成し、
c)熱的・化学的に安定な材質からなる型の中に、前記通気性素材と、供給パス用マトリックス金属源とを互いに接触するように配置し、
d)さらにリザーバー用マトリックス金属源を前記供給パス用マトリックス金属源に接続するように配置し、
e)前記マトリックス金属をその融点を上回る温度領域まで加熱して溶融マトリックス金属を形成し、そして
f)浸透雰囲気を、当該プロセスの間の少なくともある時点で、かつ浸透増進剤又は浸透増進剤前駆体の少なくとも一方を供給して、前記溶融マトリックス金属を前記通気性素材に自発的に浸透させること、
を含んでなることを特徴とする金属マトリックス複合体の形成方法。
【請求項２】
前記通気性素材を、前記の型の中において前記供給用マトリックス金属源をはさんで相対するように配置することを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の金属マトリックス複合体の形成方法。
【請求項３】
前記供給用マトリックス金属源を、前記の型の中において前記通気性素材をはさんで相対するように配置することを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の金属マトリックス複合体の形成方法。
【請求項４】
前記浸透雰囲気が、前記の浸透の期間の少なくとも一部について、前記通気性素材及び前記溶融マトリックス金属の少なくとも一方と連通状態にある、特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の形成方法。
【請求項５】
前記浸透増進剤前駆体及び前記浸透増進剤の少なくとも一方を、前記溶融金属マトリックス、前記通気性素材及び前記浸透雰囲気の少なくとも１つに供給する、特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の形成方法。
【請求項６】
前記通気性素材が1〜98体積％のマトリックス金属を含む、特許請求の範囲第１項〜第５項のいずれか１項に記載の形成方法。
【請求項７】
前記マトリックス金属がアルミニウムを含み、前記浸透増進剤前駆体がマグネシウムを含み、そして前記浸透雰囲気が窒素を含む、特許請求の範囲第１項に記載の形成方法。
【請求項８】
前記充填材のホウ素化合物がB4Cである、特許請求の範囲第１項に記載の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再臨界防止作用や中性子吸収作用を有し、中性子を放射する使用済み核燃料の輸送容器や貯蔵容器等の素材として有用な炭化ホウ素含有金属基複合材料とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
使用済み核燃料を再臨界状態とすることなく、且つ放射線を過度に漏洩させることなく安全に輸送及び貯蔵するための手段として、その容器自体（例えば、燃料集合体を収納するためのバスケットなど）の設計や、用いる材料に関して種々の検討が行われている。これらの用途に用いられる材料には、材料自体に中性子などの吸収能力があること、及び使用済み核燃料を効率よく冷却できること、等の特性が要求される。中性子吸収用材料としては、従来からホウ素を含有させたAl基合金や複合材料、ホウ素含有物質をAl板でサンドイッチしたボラールと呼ばれている材料が多用されており、使用済み核燃料の輸送容器や貯蔵容器等の構成材料として用いられている。
【０００３】
特許文献１で開示されている方法は、中性子線吸収能の高い同位体ホウ素10Ｂの濃度をたかめることより、Al中への総ホウ素量を抑え、合金材料の中性子線吸収作用と機械的特性の両立を図っている。しかしながら、同位体ホウ素10Ｂは価格的にも高価である点が問題となっている。また、古くから使用されているボラールと称される材料は、ホウ素含有層の強度不足により、使用済み核燃料の輸送或いは貯蔵容器に使用するには不安がある。特許文献２で開示されている方法は、ホウ素源として安価なB4Cを用い、Al粉と加圧焼結することで目的とする複合材料を作成している。
【特許文献１】特開２００３−２６８４７１号
【特許文献２】特開２００１−０４２０８９号
【０００４】
一般に金属基複合材料の安価な製造方法としては、特許文献３で紹介されている非加圧浸透法がある。これは金属マトリックスに強化材を複合させたものである。この方法は強化材の体積比率が50%以上のものに適しており、伸びなど、ここで要求されている機械的特性を満たすには強化材の体積比率が高すぎるし、B4Cを強化材として用いると中性子線吸収能に関しては過剰である。非加圧浸透法で強化材の濃度の低いものを作成する方法は、特許文献４に開示されており、40〜50%程度の複合材を非加圧浸透法で作成し、それを再度溶解し、所定の量にマトリックスの合金で希釈するというものである。この手法は強化材がSiCの場合には実用化されているものの、B4Cに適用すると、B4Cとマトリックス金属であるアルミニウムの間で反応するらしく、非加圧浸透によりB4CとAlの複合材料はできるものの、それを希釈するために再度溶解しようとして加熱しても、溶解しないという問題があった。非加圧浸透法において、強化材の充填率を可変にする方法としては、特許文献５がある。この方法でB4Cを含む複合材料を作成することは可能だが、必要な板形状にするためには、加工しにくい複合材料の加工が必要で、安価な製造方法とはいいがたい。この加工コストを低減する方法としては、特願２００４−３０６３４０号で紹介されているように、加工部分に比較的加工しやすい金属材料を残すことが提案されている。
【特許文献３】特許第２６４１９０１号
【特許文献４】特許第２９０５５２０号
【特許文献５】特許第２９０５５２１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、ホウ素を含むAl合金は、中性子吸収能を高めるために、極めて高価な濃縮ボロンを使用するなど、生産コストを大幅に上昇させる前提条件が多く、工業レベルでの実用化は困難であった。また、B4Cの含有量が30〜40重量％と高いボラールは、加工性に問題があって構造材としては使用できない状況にある。このような背景から、Bの含有量を増して高い中性子吸収能を有するのは勿論のこと、引張強さや伸び等の機械的性質にも優れていて、加工が容易で構造材として使用可能な中性子吸収能を備えたAl基複合材料及びその安価な製造方法が望まれていた。
【０００６】
そこで本発明は、上記のような現状に鑑み、研磨材あるいは耐火物材料として市中で安価に流通している通常のB4Cを使用し、加工が容易で、必要な中性子遮蔽能と強度特性をバランスよく満たすAl基複合材料を、非加圧浸透法を利用して安価に製造する方法を創出したものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため以下の手段を採用した。
a)充填材としてホウ素又はホウ素化合物（例えばB4C）を用い、
b)粉末状のマトリックス金属（アルミニウム粉末）を前記充填材と混合すること及び（又は）前記充填材にマトリックス金属を被覆することによって通気性素材を形成し、
c)熱的・化学的に安定な材質からなる型の中に、前記通気性素材と、供給パス用マトリックス金属源とを互いに接触するように配置し、
d)さらにリザーバー用マトリックス金属源を前記供給パス用マトリックス金属源に接続するように配置し、
e)前記マトリックス金属をその融点を上回る温度領域まで加熱して溶融マトリックス金属を形成し、そして
f)浸透雰囲気を、当該プロセスの間の少なくともある時点で、かつ浸透増進剤又は浸透増進剤前駆体の少なくとも一方を供給して、前記溶融マトリックス金属を前記通気性素材に自発的に浸透させること、
により、複雑な加工操作が不要なホウ素−金属複合材料（例えばB4C−Al複合材）が提供される。さらに、型の中に供給パス用マトリックス金属源が通気性素材をはさむように配置するか、または通気性素材が供給パス用マトリックス金属源をはさむように配置することで、ホウ素―金属複合材料とマトリックス金属のサンドイッチ構造を有する材料を形成する方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
上述した本発明の中性子吸収能を備えた金属基複合材の製造方法によれば、以下の効果を奏する。アルミニウム又はアルミニウム合金粉末に中性子吸収能を有するB4Cの粉末を添加して混合した後、非加圧浸透法を用いて製造した金属マトリックス複合材は、従来の溶解法や加圧焼結法に比べて低コストでの製造が可能になる。また、型に入れて浸透させることにより、浸透後に必要とされる形状が得られ、加工が不要となる。更に、板状の材料の中心又は両側面に、金属基複合材に比べ伸びのある金属のみの層を有する構造とすることができ、金属と金属基複合材の両方の特性を併せ持つことができる。すなわち、本発明を用いることで、高い中性子吸収能を有するのみならず、低価格で構造部材として好適な金属マトリックス複合材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
定義
本明細書で使用する「アルミニウム」とは、実質的に純粋な金属（例えば、比較的純粋で市販されている未合金化アルミニウム）又は不純物及び／若しくは鉄、珪素、銅、マグネシウム、マンガン、クロム、亜鉛等の合金成分を有する市販の金属等の他のグレードの金属及び金属合金を意味するとともにそれらを含む。この定義で用いているアルミニウム合金は、アルミニウムが主成分である合金又は金属間化合物である。
本明細書で使用される「浸透雰囲気（Infiltrating
atmosphere）」とは、マトリックス金属及び／又は充填材及び／又は浸透増進剤前駆体及び／又は浸透増進剤と相互作用し、マトリックス金属の自発浸透を生じさせ又は促進させる存在雰囲気を意味する。
本明細書で使用される「浸透増進剤（Infiltration
Enhancer）」とは、マトリックス金属が充填材に自発浸透するのを促進又は補助する物質を意味する。浸透増進剤は、例えば、浸透増進剤前駆体を浸透雰囲気と反応させて、（１）ガス状物及び／又は（２）浸透増進剤前駆体と浸透雰囲気との反応生成物及び／又は（３）浸透増進剤前駆体と充填材との反応生成物を生成することにより製造できる。更に、浸透増進剤は、充填材及び／又はマトリックス金属及び／又は浸透雰囲気の少なくとも一つに直接供給して、浸透増進剤前駆体と別の種との間の反応で生成させた浸透増進剤と実質的に同様の方法で作用させてもよい。基本的には、少なくとも自発浸透中は、浸透増進剤は自発浸透を達成するために充填材の少なくとも一部分に位置していなければならない。
本明細書において使用される「浸透増進剤前駆体（Infiltration
Enhancer Precurcor）」とは、マトリックス金属及び／又は浸透雰囲気と組み合わせて使用すると、マトリックス金属の充填材への自発浸透を誘発又は補助する物質を意味する。特別な原理又は説明には限定されないが、浸透増進剤前駆体が浸透雰囲気及び／又は充填材及び／又は金属と相互作用できる位置に、浸透増進剤前駆体が配置若しくは移動できることが必要である。例えば、あるマトリックス金属／浸透増進剤前駆体／浸透雰囲気系では、浸透増進剤前駆体が、マトリックス金属の溶融温度、その近くの温度又は場合によってはそれよりもいくらか高い温度で揮発することが望ましい。このような揮発により、（１）浸透増進剤前駆体と浸透雰囲気との反応による、マトリックス金属による充填材の湿潤を増進するガス状物の生成；及び／又は（２）浸透増進剤前駆体と浸透雰囲気との反応による、充填材の少なくとも一部に湿潤を増進する固体状、液状又はガス状浸透増進剤の生成；及び／又は（３）充填材の少なくとも一部分内において湿潤を増進する固体状、液状又はガス状浸透増進剤を生成する充填材内の浸透増進剤前駆体の反応が生じる。
【００１０】
本発明においては、ホウ素又はホウ素化合物を充填材として用いる。特に、価格及び入手の容易さの点でB4Cが好ましい。ホウ素又はホウ素化合物は粉末状として用いるのがよいが、顆粒状であってもよい。
【００１１】
次に、前記充填材を粉末状のマトリックス金属と混合すること及び（又は）前記充填材にマトリックス金属を被覆することによって通気性素材を形成する。例えば、充填材と粉末状マトリックス金属を混合した後、単に型に入れて均し充填率の低い通気性素材にするか、加圧成型して板状にしてもよく、また、充填材とマトリックスの混合状態を良くするために、充填材をマトリックス金属で被覆した粉末を使ってもよい。被覆には、メッキ、溶射またはメカノケミカル反応などが利用できる。
【００１２】
ここで、通気性素材の形成にあたっては、通気性素材中のマトリックス金属の含有量が1〜98体積％とするのが好ましい。含有量が98体積％を越えると、相対的にホウ素又はホウ素化合物の含有量が小さくなり、中性子吸収の能力が不足する可能性がある。
【００１３】
次に、熱的・化学的に安定な型を用意し、この型の中に、前記通気性素材と供給パス用マトリックス金属源とを配する。この際、供給パス用マトリックス金属源を前記通気性素材に接触するように配する。供給パス用マトリックス金属源は、浸透後も残ることを考えて、そのサイズは決定されるべきである。供給パス用マトリックス金属源の機能は、通気性素材に含まれるマトリックス金属粒子が融点以上に加熱される際に生じる収縮による空隙が成長する前に、マトリックス金属を供給することである。従って、通気性素材の全体から見て、まんべんなく接触する必要がある。例えば、図１に示すように、板状に成型或いは堆積した通気性素材の中央にマトリックス金属からなる材料（板など）を接触させるのがよい。尚、通気性素材のマトリックス金属比率や充填性にも依存するが、通気性素材に供給されるべきマトリックス金属量としては、これだけでは不足する可能性が高い。従って、前記供給パス用マトリックス金属源に接触するように、更にマトリックス金属源（リザーバー用マトリックス金属源）を配置する必要がある。つまり、前者のマトリックス金属源が通気性素材に極めて早くマトリックス金属を供給するためのパスとして機能するのに対し、後者がリザーバーとして働くわけである。リザーバー用マトリックス金属源は必ずしも型の中になくてもよい。リザーバー用マトリックス金属源から供給パスへのマトリックス金属の流れは重力を利用するのが好ましく、図１に示すように供給パス用マトリックス金属源の上部に置くのが望ましい。この際、両方のマトリックス金属源に含まれるマトリックス金属の合計量が、前記通気性素材へ浸透する量より十分過剰であるようにする。例えば、通気性素材に浸透する理論的な量（通気性素材の嵩密度と作成される金属複合材の理論密度の差から求められる）の2倍程度とするのがよい。
【００１４】
なお、前記の型は、熱的・化学的に安定な素材であることが必要である。すなわち、通気性素材と2種類のマトリックス金属源からなる構成を加熱した際に、反応したり、変形したりすることのない材質でできた型に入れる。カーボン素材が加工性、価格の点で適当であるが、カーボン素材以外にも、マトリックス金属の浸透温度において溶融しない金属（例えば鉄）の表面をグラファイトペーパーで覆ったものなどが使用できる。
次に、通気性素材とマトリックス金属源を配した状態の型全体を加熱し、溶融マトリックス金属を形成する。加熱の温度は、マトリックス金属の融点を上回る温度であればよい。加熱の方法は限定されないが、例えば電気炉にマトリックス金属源と通気性素材を入れた型を入れ、加熱するといった方法がよい。
【００１５】
さらに、前記a)からe)までのプロセスにおける少なくともある時点で浸透雰囲気を供給するとともに、浸透増進剤又は浸透増進剤前駆体の少なくとも一方を供給することにより、前記溶融マトリックス金属を前記通気性素材に自発的に浸透させる。浸透雰囲気は、通気性素材を加熱する段階の最初から最後まで連続して供給してもよく、プロセスの途中で供給を止めてもよい。少なくとも、溶融マトリックス金属の形成までに供給し、その後も加熱終了まで供給し続けるのが好ましい。また、前記浸透性雰囲気が浸透の期間の少なくとも一部について前記通気性素材及び前記溶融マトリックス金属の少なくとも一方と連通状態にあることが好ましい。
【００１６】
ここで、浸透増進剤又は浸透増進剤前駆体を供給するには、それらをあらかじめ通気性素材に混合しておくか、通気性素材に隣接して配するマトリックス金属源にあらかじめ添加しておくか、又は浸透雰囲気に混合して供給するか、いずれの方法も可能である。
【００１７】
本発明で用いるマトリックス金属としては、典型的には金属アルミニウムであるが、アルミニウムを主成分とする合金であってもよい。具体的には、入手しやすい1050合金や5052合金等が挙げられる。また、浸透増進材前駆体としては金属マグネシウムのほか、AlMgといったマグネシウム化合物を使用することができる。浸透雰囲気としては、窒素が好ましい。
【００１８】
さらに、充填材に用いるホウ素化合物は、価格及び入手の容易さから、B4Cがもっとも好ましい。しかし、BN等を用いてもよい。
【００１９】
以上のようなプロセスを経て、例えば図２に示すような、外部はホウ素化合物とマトリックス金属からなる金属基複合材料で、内部はマトリックス金属からなる板状材料を得ることができる。型に入れて浸透させたため、側面の加工は不要であり、リザーバーとして配したマトリックス金属源の部分のみ切り取るだけで十分である。
【実施例１】
【００２０】
以下、本発明に係る中性子吸収能を備えたアルミニウム複合材及びその製造方法の一実施形態を説明する。以下の実施形態では、充填材としてB4C、粉末状のマトリックス金属としてアルミニウム粉末、溶融マトリックス金属の金属源としては1050合金という組成のアルミニウム合金、浸透雰囲気として窒素、浸透増進材前駆体として金属マグネシウム粉末を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。
供給パス用マトリックス金属源として機能する2mm厚のアルミニウム合金板２を10mm厚の空隙を有するカーボン冶具４の中心に配置し、その両側に約7体積％のB4C、0.3体積％のマグネシウム及び残りを有する組成の粉末アルミニウム合金からなる混合物（通気性素材）１を入れ、中心のアルミニウム合金板２に接触するように、リザーバー用マトリックス金属源であるアルミニウム合金塊３をおいた（図１）。
【００２１】
図１に示す状態の通気性素材及びアルミニウム合金板を窒素雰囲気炉において、790℃まで約3時間半で昇温し、8時間キープし、自然冷却することで非加圧浸透を実現した（図２）。作成されたものは、両側にB4CとAlからなる金属基複合材料５であり、浸透前の混合物の空隙に中心から更にアルミニウム合金が供給され、金属基複合材料中のB4Cの濃度としては約5％になっていた。また、中心のアルミニウム合金板２にも上からアルミニウム合金が供給されるため、特に厚さが薄くなったり、空隙が発生することはなかった。型に入れて浸透させたため、平面を研磨することもなく、上のアルミニウム塊であった部分を切り取ることで、最終形状が得られた。得られた板を折り曲げたところ、両側の金属基複合材料の層は破断したが、中央のアルミニウム層は破断せず、全体として、金属基複合材単独のものに比べ、折り曲げに強いことがわかった。
【００２２】
[比較例]
中心にアルミニウム合金板を置かない以外は、実施例１と同じ条件で金属基複合材料を作成した。すなわち、カーボン冶具の中に単純に前記混合物を入れ、その上部にリザーバー用マトリックス金属源であるアルミニウム合金塊を置き、同様の熱処理を行った。
できたものの断面を図３に示すが、金属基複合材料組織中に縞状にメタルのみの部分７が所々見られる不均一な組織となっていた。通気性素材のごく近傍にマトリックス金属源がなく、上に置いたマトリクス金属源からのみの供給であるため時間がかかり、その間に通気性素材中の金属の溶融収縮による空隙の成長が進んだと考えられる。最終的にはそこへマトリックス金属が入り込むため空隙は残らないが、上述したようなメタルのみの部分が生成し、不均一組織となる。したがって、機械的強度が不足するため、構造材としては用いることができないような複合材料であった。また、硬度の異なる領域が存在するため、加工精度が不十分となることが予想された。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施例１における通気性素材とマトリックス金属源の浸透前のレイアップの略断面図である。
【図２】実施例１における通気性素材とマトリックス金属源の浸透後の断面写真である。
【図３】比較例における通気性素材とマトリックス金属源の浸透後の断面写真である。
【符号の説明】
【００２４】
１  通気性素材すなわちホウ素化合物と粉末状マトリックス金属の混合層（浸透前）
２  マトリックス金属源（供給パス）
３  マトリックス金属源（リザーバー）
４  グラファイト製の型
５  ホウ素化合物とマトリックス金属の複合層（浸透後）
６  縞状のメタルのみの部分
【図１】
2006291312.tif 000003
【図２】
2006291312.tif 000004
【図３】
2006291312.tif 000005