(57)【要約】  放射線遮蔽組成物であって、  （ｉ）少なくともバイモーダルの粒度分布を有するホウ素含有粉体と、  （ｉｉ）金属と、を含み、金属はセラミック粉体を封入して前記放射線遮蔽組成物を形成している、放射線遮蔽組成物、及びその製造方法が本明細書に記載される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線遮蔽組成物であって、
（ｉ）少なくともバイモーダルの粒度分布を有するホウ素含有粉体と、
（ｉｉ）金属と、を含み、前記金属はセラミック粉体を封入して前記放射線遮蔽組成物を形成している、放射線遮蔽組成物。
【請求項２】
少なくとも５質量％のホウ素含有粉体を含む、請求項１に記載の放射線遮蔽組成物。
【請求項３】
前記少なくともバイモーダルの粒度分布が、少なくとも１０マイクロメートルの少なくとも１つのＤ５０を含む、請求項１又は２に記載の放射線遮蔽組成物。
【請求項４】
前記少なくともバイモーダルの粒度分布が、少なくとも１マイクロメートルの最頻値及び最大で２００マイクロメートルの最頻値を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の放射線遮蔽組成物。
【請求項５】
前記ホウ素含有粉体が炭化ホウ素から選択される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線遮蔽組成物。
【請求項６】
前記金属が、アルミニウム、マグネシウム、及びステンレス鋼、並びにそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つから選択される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の放射線遮蔽組成物。
【請求項７】
放射線遮蔽組成物の製造方法であって、
（ａ）（ｉ）少なくともバイモーダルの粒度分布を有するホウ素含有粉体と、（ｉｉ）金属粉体と、を用意することと、
（ｂ）前記金属粉体と前記ホウ素含有粉体とを混合して、混合粉体を調製することと、
（ｃ）前記混合粉体を熱間加工して前記放射線遮蔽組成物を得ることと、を含む、方法。
【請求項８】
前記放射線遮蔽組成物が、少なくとも５質量％の前記ホウ素含有粉体を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくともバイモーダルの粒度分布が、少なくとも３０マイクロメートルの少なくとも１つのＤ５０を含む、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくともバイモーダルの粒度分布が、少なくとも１マイクロメートルの最頻値及び最大で２００マイクロメートルの最頻値を含む、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記ホウ素含有粉体が炭化ホウ素から選択される、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属粉体が、アルミニウム、マグネシウム、及びステンレス鋼、並びにそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つから選択される、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記金属粉体が、少なくともバイモーダルの粒度分布を有する、請求項７〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記金属粉体の前記少なくともバイモーダルの粒度分布が、少なくとも３０マイクロメートルの少なくとも１つのＤ５０を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記混合粉体を圧縮することを更に含む、請求項７〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記圧縮することが、振動、固体圧縮成形、冷間静水圧成形、及び冷間一軸成形のうちの少なくとも１つを用いて実行される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
金属容器が、アルミニウム、マグネシウム、及びステンレス鋼のうちの少なくとも１つから選択される、請求項７〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記混合粉体が、前記熱間加工の前に予熱される、請求項７〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記熱間加工が、熱間圧延、熱間押出成形、及び熱間鍛造のうちの少なくとも１つから選択される、請求項７〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
放射線遮蔽組成物の製造方法であって、
（ａ）（ｉ）少なくともバイモーダルの粒度分布を有するホウ素含有粉体と、（ｉｉ）金属粉体と、を用意することと、
（ｂ）前記金属粉体と前記ホウ素含有粉体とを混合して、混合粉体を調製することと、
（ｃ）金属コンテイナに前記混合粉体を充填することと、
（ｄ）上面を形成する板を、前記粉体を含む前記金属コンテイナに対してしっかりとした当接状態で前記金属コンテイナの上に配置し、その周囲の端を封止して、圧延前アセンブリを製造することと、
（ｅ）前記圧延前アセンブリに対して熱間加工を実行して、金属クラッドを有する前記放射線遮蔽組成物を得ることと、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
放射線遮蔽組成物及び製造方法が記載され、この組成物はホウ素含有粉体のマルチモーダルの粒度分布を有する。
【発明の概要】
【０００２】
放射線遮蔽材料は、原子力関連産業において広く使用されている。用途の中で、キャスク及びラックは、未使用の及び使用済みの核燃料セルを取り扱い、保管するのに使用される。放射線遮蔽材料は、核連鎖反応の原因となる放出中性子を捕捉することと、核反応によって発生した熱を散逸させることとの、２つの主な目的を有するパネル形態のキャスクに使用される。
【０００３】
金属とセラミックスとを含む金属マトリックス複合材（metal matrix composite、ＭＭＣ）材料は、原子力関連産業において、未使用及び使用済み燃料の保管及び運搬時の放射線遮蔽材として使われることが増えてきている。
【０００４】
業界では、液体プロセスと粉末冶金（固体プロセス）という２つの一般的なＭＭＣ材料の製造ルートが認められている。液体プロセスでは、ホウ素含有材料粒子を溶融金属組成物と均一に混合させることができる様々な方法が存在する。粉末冶金において、ホウ素含有材料粒子及び金属粒子は、一般に、プレス、焼結、及び／又は熱成形される前に粉体状態で混合される。
【０００５】
中性子吸収材は原子力関連産業の重要な要素であり、公共の安全に貢献する。その製造、認証、使用は厳格な政府法案に基づいている。ライセンスは、特定の設計及び材料組成物に対してキャスク製造業者に付与される。
【０００６】
更に、市場の傾向は、より高い炭化ホウ素濃度を求め、及び放射線遮蔽板の導電性を増加させながら、貯蔵された燃料の反応性を高めることである。しかし、ホウ素含有割合（一般的にはセラミック）の濃度を増加させると、密度が低下し、それは導電性を低下させる。したがって、最適な熱伝導率及び密度を維持しながらホウ素含有量を増加させる技術が求められている。
【０００７】
したがって、高い最終密度及び／又は高いホウ素含有量を有し、少なくとも一実施形態において、結果として性能の向上が得られる中性子吸収物品を求める声がある。また、製造プロセスの改善及び／又は製造コスト低減を求める声もある。
【０００８】
一態様では、放射線遮蔽組成物であって、
（ｉ）少なくともバイモーダルの粒度分布を有するホウ素含有粉体と、
（ｉｉ）金属と、を含み、金属はセラミック粉体を封入して放射線遮蔽組成物を形成している、放射線遮蔽組成物が提供される。
【０００９】
別の態様では、放射線遮蔽組成物の製造方法であって、
（ａ）（ｉ）少なくともバイモーダルの粒度分布を有するホウ素含有粉体と、（ｉｉ）金属粉体と、を用意することと、
（ｂ）金属粉体とホウ素含有粉体とを混合して、混合粉体を調製することと、
（ｃ）混合粉体を熱間加工して放射線遮蔽組成物を得ることと、を含む、方法が提供される。
【００１０】
上記の発明の概要は、各実施形態を記載することを意図するものではない。本発明の１つ以上の実施形態の詳細も、以下の説明に記載される。他の特徴、目的及び利点は、本明細書及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書で使用する場合、用語
「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は互換可能に使用され、１つ以上を意味し、
用語「及び／又は」は、生じ得る記載事例の一方又は両方が起こり得ることを指すのに用いられ、例えば、Ａ及び／又はＢは、（Ａ及びＢ）並びに（Ａ又はＢ）の両方を含む。
【００１２】
本明細書ではまた、端点による範囲の記載は、その範囲内に含まれるすべての数を含む（例えば、１〜１０は、１．４、１．９、２．３３、５．７５、９．９８などを含む）。
【００１３】
本明細書ではまた、「少なくとも１つの」の記載は、１以上のすべての数を含む（例えば、少なくとも２、少なくとも４、少なくとも６、少なくとも８、少なくとも１０、少なくとも２５、少なくとも５０、少なくとも１００など）。
【００１４】
近年、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料が、強度及び低密度を要する目的のためだけでなく、高いヤング率、耐摩耗性、放熱性、耐腐食性、低い熱膨張性、及び中性子吸収力を要する他の用途のためにも開発されるようになっている。一般に、求められる機能性を有するセラミックスの量を増やすことにより、それぞれの機能性を高めることが可能であるが、単にその量を増やすというだけでは、加工性、押出性、圧延性、延性、及び鍛造性が大いに損なわれる可能性がある。
【００１５】
それゆえ、セラミックスを予備形成し、金属溶湯で含浸させ、その後、高濃度のセラミックスを均一にマトリックス相中に分散させるという方法も考案されたが、溶湯が十分に浸透しなかったり、凝固時に収縮が生じたりすることによる欠陥が発生する恐れがある。更に、金属中でセラミックスが凝集、偏析する場合も多い。
【００１６】
粉末冶金プロセスは、粉体が均一に混合される場合、偏析問題に対する１つの解決策として一般的に提案されている。米国特許第７，７２５，５２０号には、均質な組成物を提供する粉末冶金技術が開示されているが、このプロセスは多くの場合と同様に、いくつかの広範囲にわたる加工工程を必要とし、そのため費用がかかる。
【００１７】
米国特許第７，９９８，４０１号（Ｏｋａｎｉｗａ  ｅｔ  ａｌ．）は、ＭＭＣ中のセラミックスの含有量を高める代替的な１つの方法を開示しており、そのようなＭＭＣは容易に生産できるという。Ｏｋａｎｉｗａ  ｅｔ  ａｌ．が開示する方法は、金属シート内のアルミニウム／セラミックス混合粉体を通電加圧焼結し、次にこの金属クラッド材を塑性加工工程にかけるというものである。
【００１８】
本開示では、マルチモーダルの粒度分布を有するホウ素含有粉体を使用することにより、高密度の粉体を得ることができ、例えば、性能効率が向上した金属中に封入されたホウ素含有粉体を含む材料が得られる。
【００１９】
金属粉体
【００２０】
金属粉体とセラミックス粉体とを含む混合粉体が形成される。金属成分の目的は、（ａ）セラミック粉体を機械的に結合させ、（ｂ）放射線遮蔽組成物を伝って熱を伝導させることである。一般的には、金属粉体はアルミニウムであるが、例えばマグネシウム又はステンレス鋼を含む、他の金属粉体も用いられ得る。例示的なタイプの金属粉体としては、高純度アルミニウム（例えば、ＡＡ１１００、ＡＡ１０５０、ＡＡ１０７０等のような、少なくとも純度９９．０％のアルミニウム粉体）、又は、アルミニウムと、０．２〜２質量％の他の金属とを含有するアルミニウム合金が挙げられる。そのような合金としては、Ａｌ−Ｃｕ合金（ＡＡ２０１７等）、Ａｌ−Ｍｇ合金（ＡＡ５０５２等）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金（ＡＡ６０６１等）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金（ＡＡ７０７５等）、及びＡｌ−Ｍｎ合金が挙げられ、それらは、単独で用いても、２種類以上を混合して用いてもよい。
【００２１】
選択される金属粉体の組成は、例えば、望ましい特性、耐腐食性、汚染制御、熱間加工中の変形への抵抗性、混合されるホウ素含有粒子の量、及び原材料コストを考慮して決定することが可能である。例えば、加工性又は放熱性の向上を望む場合には、高純度アルミニウム粉体（例えば、ＡＡ１ＸＸＸ（注：Ｘには数字が入る）シリーズのアルミニウム等）が好ましい。高純度アルミニウム粉体はまた、アルミニウム合金粉体の場合と比較した原材料コストという点でも有利である。高純度アルミニウム粉体としては、少なくとも９９．０質量％の純度を有するものを使用することが望ましい（なお、市販の高純度アルミニウム粉体は通常、少なくとも９９．７質量％の純度を有している）。
【００２２】
得られた中性子吸収能力を更に高めることを望む場合には、中性子吸収力を提供し得る元素、例えば、ハフニウム（Ｈｆ）、サマリウム（Ｓｍ）、又はガドリニウム（Ｇｄ）等、を１種類、１〜５０質量％の量で、アルミニウム粉体に添加することが好ましい。また、高温度下での強度が求められる場合には、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、及びストロンチウム（Ｓｒ）から選択される少なくとも１つの元素を、また、室温下での強度が求められる場合には、ケイ素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及び亜鉛（Ｚｎ）から選択される少なくとも１つの元素を、それぞれの元素につき２質量％以下、すべての元素合計で１５質量％以下の割合で添加することが可能である。
【００２３】
本開示の一実施形態では、金属粉体は、モノモーダルの粒度分布を有する。本開示の別の一実施形態においては、金属粉体は、マルチモーダルの（例えば、バイモーダル、トリモーダル等の）粒度分布を有する。
【００２４】
金属粉体の平均粒子径は特に限定されないが、金属粉体は、一般に、最大で約５００μｍ（マイクロメートル）、１５０μｍ、又は更に６０μｍであるべきである。平均粒子径の下限は、そのような粒度の粉体が製造可能である限り、特に限定されないが、粉体は、一般に、少なくとも１μｍ、５μｍ、１０μｍ、又は更に２０μｍであるべきである。本開示の目的では、平均粒子径とは、レーザー回折粒度分布法により測定したＤ５０値を指すものとする。
【００２５】
一実施形態では、金属粉体の少なくともバイモーダルの粒度分布は、少なくとも１μｍ、３μｍ、５μｍ、又は更には１０μｍ、及び最大で約６０μｍ、４０μｍ、又は更には２０μｍのＤ５０を含む。一実施形態では、金属粉体はマルチモーダルの分布を有し、第１の最頻値（より小さい粒子を含む）の平均的な粒子の、第２の最頻値（より大きい粒子を含む）の平均的な粒子に対する比は、少なくとも１：２、１：３、１：５、１：７、１：１１、又は更には１：２０である。
【００２６】
金属粉体の形状もまた限定されず、涙滴状、球状、楕円球状、片状、又は不規則形状のうちの任意のものであり得る。
【００２７】
金属粉体の生産方法は、金属粉体の公知の生産方法により生産され得る。生産方法は、例えば、アトマイズ法、溶融紡糸法、ディスク回転法、電極回転法、又はその他の急速冷却凝固法であり得るが、アトマイズ法、特に、溶湯を噴霧することによって粉体が生産される不活性ガスアトマイズ法が、工業規模の生産方法としては好ましい。これらの製造方法は、得られる粒子の形状に影響を及ぼし、粉体の充填効率に影響を及ぼす可能性がある。
【００２８】
ホウ素含有粉体
【００２９】
放射線遮蔽に使用される様々な要素の中でも、ホウ素は、その比較的高い存在量、低コスト及び高い放射線吸収能力のために最も一般的である。ホウ素は中性子を捉えることによって放射線を制御する役割を果たし、自然に約２０原子％存在する１０Ｂ同位体は、通過する中性子と相互作用し、１１Ｂ同位体に変化する確率が高い。ホウ素はまた、より高い１０Ｂ濃度に濃縮し、放射線遮蔽能力を比例して増加させることができるだけでなく、大幅にコストを増加させる。したがって、ホウ素は、原子力関連産業において様々な形で見出される。
【００３０】
ホウ素含有粉体を金属粉体に混ぜて、最終的に金属マトリックス複合材を形成する。例示的なホウ素含有粉体としては、例えば、Ｂ４Ｃ、ＴｉＢ２、Ｂ２Ｏ３、ＢＮ、ＦｅＢ、又はＦｅＢ２が挙げられ、これらは単独で、又は混合物として用いることができる。本開示の一実施形態では、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）は、その高いイオン安定性及びホウ素の高い重量割合（＞７６．０％、原子炉級の炭化ホウ素の場合）のために、ホウ素の好ましい形態である。炭化ホウ素は硬く脆いセラミックである。
【００３１】
ホウ素含有粉体の生産方法は、公知の生産方法により生産され得る。ホウ素含有粉体を合成した後、仕上げプロセス（例えば、ジェットミリング又はボールミリング等）を使用して、粒子径を調節することもできる。これらの製造方法は、得られる粒子の形状に影響を及ぼし、粉体の充填効率に影響を及ぼす可能性がある。粉体の形状は、球状、楕円球状、片状、又は不規則形状のうちの任意のものであってもよい。楕円球状の粒子又は球状の粒子をもたらす仕上げプロセスが好ましい。
【００３２】
本開示においては、ホウ素含有粉体は、マルチモーダルの（例えば、バイモーダル、トリモーダル等の）粒度分布を有する。
【００３３】
一実施形態では、ホウ素含有粉体粒子の平均粒子径は特に限定されないが、少なくともバイモーダルの粒度分布は、少なくとも１μｍ、３μｍ、５μｍ、又は更に１０μｍ、及び、最大で約６０μｍ、４０μｍ、又は更に２０μｍのＤ５０を含む。平均粒子径が６０μｍより大きい場合には、粗大粒子が金属マトリックス複合材を脆いものとし、機械的特性に影響を及ぼす。ホウ素含有粒子径が大きいと、中性子吸収効率が低下する傾向もある。材料の使用ライセンスと仕様では、通常、粒子サイズは６０マイクロメートル未満に制限される。平均粒子径が１μｍより小さい場合には、微細な粉体が集まって塊をなし、金属粉体と均質な混合物を得ることが難しくなる場合がある。本発明の目的では、平均粒子径とは、レーザー回折粒度分布測定法により測定されたＤ５０値を指すものとする。
【００３４】
一実施形態では、ホウ素含有粉体はマルチモーダルの分布を有し、第１の最頻値（より小さい粒子を含む）の平均的な粒子対第２の最頻値（より大きい粒子を含む）の平均的な粒子は、少なくとも１：２、１：３、１：５、１：７、１：１１、又は更には１：２０である。一実施形態では、マルチモーダルの粒度分布は、少なくとも２つの最頻値、すなわち少なくとも１マイクロメートルの第１の最頻値及び最大で２００マイクロメートルの第２の最頻値を含む。
【００３５】
製造方法
【００３６】
本発明の組成物は、最初に金属粉体とホウ素含有粉体とを混合して混合粉体を形成して製造される。一実施形態では、混合粉体は、少なくとも０．１、０．５、１、５、１０、２０、又は更に３０質量％、かつ最大で４０、４５、５０、５５、又は更に６０質量％のホウ素含有粉体を含む。中性子遮蔽組成物の場合、ホウ素含有粉体が多ければ多いほど良い。しかしながら、ホウ素含有粉体の含有量が増えるにつれて、熱間加工の際の変形への抵抗性が増加し、加工性が悪化して、形成される物品はより脆いものとなる。また、金属とホウ素含有粒子との間の接着性が悪化し、空隙が発生する可能性も出てくるため、望ましい機能性を得ることがより困難となり、結果として得られるＭＭＣの密度、強度、及び熱伝導性が低下することになる。更に、ホウ素含有量が増加するにつれて、切削性も低下する。
【００３７】
金属粉体は、１つのタイプのみのものであっても、又は複数のタイプのものの混合物であってもよく、ホウ素含有粒子も同様に、１つのみのセラミックスタイプから、又は複数のセラミックスタイプ、例えばＢ４ＣとＡｌ２Ｏ３とを混合したもの等、からなるものであってもよい。
【００３８】
一般的には、金属粉体の平均粒子径とホウ素含有粉体の平均粒子径は、最終材料において均質性が得られるように、かつ加工を最大限容易にするように（例えば、圧縮性を増加させるように）選択される。例えば、金属粉体とホウ素含有粉体が同様の密度を有している場合には、金属粉体の粒度分布を、ホウ素含有粒子の粒度分布に合わせることが好ましい。これにより、結果として得られるＭＭＣ中に、ホウ素含有粉体の粒子をより均一に分布させることが可能となり、特性を安定化させる効果がもたらされる。ホウ素含有粒子は破壊しやすい傾向があるため平均粒度をあまり大きくすることができず、そのため、金属粉体の平均粒度が大きすぎる場合には、ホウ素含有粒子と均一な混合物を得ることが困難になり、金属粉体の平均粒度が小さすぎる場合には、微細な金属粉体が集まって塊をなし、ホウ素含有粉体との均一な混合物を得ることが困難になる。
【００３９】
粉体材料を十分に混合して、確実に、実質的に完全に均一になるようにする。この目的のため、粉体ミキサーに、必要な量の粉体材料を入れて、一方の材料が他方の中に均一に分布したものが得られるまで撹拌することが好ましい。当該技術分野で既知の混合方法を採用することもでき、例えばミキサー、例えばクロスフロー式Ｖ型ブレンダー、Ｖ型ブレンダー、若しくはクロスロータリーミキサー等、又は、振動式ミル若しくは遊星ミルを用いて、所定の時間（例えば、５分間〜１０時間）にわたり混合することができる。また、例えばアルミナボール等のような媒体を、混合中の粉砕の目的で添加することも可能である。更に、混合は、乾燥条件下又は湿潤条件下で実行することが可能である。例えば、圧縮成形又は粉塵の抑制を容易にするために、材料、例えば、水、油、溶剤、溶媒、又はその他の有機化合物若しくは無機化合物等、を用いてもよい。
【００４０】
任意に、混合粉体を、密度を上げるために圧縮してもよい。そのような圧縮成形は、振動、固体圧縮成形、冷間静水圧成形、及び冷間一軸成形を含み得る。圧縮成形は、金属容器のようなベッセル内に圧縮されていない粉体を入れ、その中で粉体を圧縮することで生じ得る。圧粉体は、ベッセル（例えば、組成物を収める金属容器）のまま更に処理されてもよく、又は、圧粉体はベッセルから取り出されて、単独で熱間加工されるか、若しくは圧粉体を取り囲む金属内に熱間加工中にわたって置かれるかのどちらかであってもよい。
【００４１】
一実施形態では、混合粉体は、（底面と４側面を備える）金属容器の中に配置される。金属容器を金型の中に配置し、その金属容器一杯に混合粉体を充填する。粉体材料を確実に落ち着かせ、かつ空気を実質的に含まなくなるようにするため、箱の面を木槌かハンマーで打つか、又は粉体材料を満たしたコンテイナを盛んに振動させることで、上の目的を達成させることもできる。圧縮成形後、金属容器の上面と圧縮成形された混合粉体とが理論上同じ高さになるように、計算された量の混合粉体が用いられる。一実施形態では、当初は箱には溢れるように混合粉体が充填されているので、蹴込み枠（又はスリーブ）を、金型の内部に配置した金属容器の外側に置き、第１の密度を有する混合粉体の余分な部分を収容させるようになっている。混合粉体は、金属容器の中に固体圧縮成形、冷間静水圧成形、又は冷間一軸成形を用いて圧縮され、これによって粉体が固体状態を保ちながら材料の密度を高める。粒子が密に詰まった状態になると、後で更に取り回したり、加工したりする際にも、粒子の移動が防止される。しかしながら、この圧縮成形ステップ中には、金属粉体の融解は実質的に起こらない。材料を圧縮した後、上面を形成する板は、金属容器に対してしっかりとした当接状態で金属容器の上に配置され、その周囲の端を封止され、次いで熱間加工される。このようなプロセスは米国仮特許出願第６１／９３９，３５７号（２０１４年２月１３日提出された、３Ｍ整理番号第７５０７２ＵＳ００２号）に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。
【００４２】
制限されることを望むものではないが、圧縮成形により、材料の密度を上げるだけでなく、粒子を「固定し」て、後で加工したり取り回したりした際にも粒子が移動したり流動したりするのを防ぎ、結果として、均質な金属マトリックス複合材を得ることができるようになると考えられる。それゆえ、一実施形態では、圧力（又は力）は、加工及び／又は取り回しをした際にも粒子が固定又は移動するのを妨げるように、金属粉体を変形し、及び混合粉体を固定するのに実質的に十分なものでなければならない。一般に、より大きな圧力をかけると、材料はより高い密度になり得る。一部の用途においては、圧縮成形の圧力下でホウ素含有粒子が粉砕され得るが、それにより、結果として得られるＭＭＣの性能が損なわれる可能性もある。
【００４３】
混合粉体を圧縮成形することにより、所定の部分中の活性物質の量を最大化し、結果として得られる材料の機能性を改善することができる。また粉体を圧縮成形することにより、熱間加工前に粉体を固定することもできるため、力を加えた圧縮成形によって、熱間加工中に変形が起こるのを制限することができる。
【００４４】
熱間加工
【００４５】
一般的に圧縮された混合粉体を、熱間加工、例えば、熱間圧延、熱間押出成形、熱間鍛造、又は熱間真空プレス等、にかけることにより、望ましい形状に近づきつつ、同時に混合粉体の密度を更に向上させる。板形状のクラッド材を準備する際には、金属板材料と所定のクラッド比を有するクラッド板材料を得ることが可能である。熱間加工は、単一の処理手順からなるものであっても、複数の処理手順を組み合わせたものであってもよい。追加的に冷間加工を、熱間加工後に実行してもよい。冷間加工の場合においては、材料を、加工前に１００〜５３０℃（好ましくは４００〜５２０℃）でアニールすることにより、加工しやすいものにすることができる。
【００４６】
熱間加工の場合、一般に、熱間加工（例えば熱間圧延）ステップに先立って、圧粉体を最初に予熱することで金属を軟らかくする。用いられる温度は、混合粉体、及びもしあれば金属筐体の組成物に応じて変化し得る。例えば、混合粉体が２２重量％を超えるホウ素含有粉体を含む場合、予熱ステップは、用いる温度が、金属粉体が融解する温度の少なくとも９０％、９２％、９４％、又は更に９６％となるべきであるが、金属容器の融点を超えてはならない。一実施形態では、材料の抵抗性を低下させるために金属（例えば、アルミニウム（ＡＡ１ＸＸＸシリーズ））は加熱され、そのような温度としては、少なくとも４００℃、４５０℃、又は更に５００℃であり、最高で６００℃、６２０℃、又は更に６３０℃が挙げられる。
【００４７】
一実施形態では、圧粉体を、均熱炉内に、好ましくは１インチのスペーサーを圧粉体どうしの間に挟んで、あらゆる方向から均等に加熱できるようにして積み上げる。例えば、アルミニウムが用いられる場合には、炉の温度は４００℃に、又は好ましくは５００℃に、又は更に６００℃もの高温であるが６６０℃を超えない温度に保たれ、アセンブリが求められる熱間加工温度になるまで加熱される。
【００４８】
圧粉体が金属材料により覆われて（クラッド化されて）いる場合、表面にはホウ素含有粒子が存在しないが、もしもそうでなければ、その粒子は熱間加工の間に損傷を生じる起点となり、又は材料によって接触される金型、ロール、又はその他の設備を摩滅させる可能性がある。その結果、加工性が良好であって、強度と表面特性に優れた金属マトリックス複合材材料を得ることが可能となる。また、熱間加工にかけられた結果、得られた材料は、金属の表面クラッドを有し、表面の金属と内部の金属マトリックス材料との間には良好な接着性があるため、金属材料によって表面がクラッド化されていないアルミニウム複合材料よりも、耐腐食性、衝撃抵抗性、及び熱伝導性に優れる。クラッドに使用される金属は、粉体材料に対して優れた接着性を示しかつ熱間圧延に好適である限り特に限定されず、例えば、アルミニウム、マグネシウム、及びステンレス鋼が挙げられる。例示的な金属としては、例えば、高純度アルミニウム（ＡＡ１１００、ＡＡ１０５０、ＡＡ１０７０等）；アルミニウム合金材料、例えば、Ａｌ−Ｃｕ合金（ＡＡ２０１７等）、Ａｌ−Ｍｇ合金（ＡＡ５０５２等）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金（ＡＡ６０６１等）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金（ＡＡ７０７５等）、及びＡｌ−Ｍｎ合金等；マグネシウム合金材料、例えば、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｎ（ＡＺ３１、ＡＺ６１等）等；及び、ステンレス鋼合金材料、例えば、Ｆｅ−Ｃｒ（ＳＡＥ３０４、３１６、３１６Ｌ等）等、が挙げられる。
【００４９】
なお、熱間加工作業により、ホウ素含有粉体と金属粉体との混合粉体の厚さが薄くなるだけでなく、最終製品を覆うクラッドも薄くなるということが理解されるであろう。最終製品のクラッド対コアの比は、開始時点における、圧粉体上の、上面と底面の金属板の厚さの比によって決まる。ＭＭＣコアの両側にある金属製の外装部は、最終製品の全体の厚さの５〜７５％の範囲で変化する。ＭＭＣコアは当然、セラミックス粉体と金属粉体との金属結合粒子から形成されているものであるが、そのようなＭＭＣコアは、外装の内面と恒久的に金属結合している。
【００５０】
必要に応じて正確な寸法は変化し得るが、熱間加工ステップを通じて圧延前アセンブリの厚さを、元々の厚さの１／４〜１／６０以下にまで減らし、かつ圧延された材料の両側の金属外装材の厚さを、０．００２インチ（０．０５ｍｍ）より薄くならない程度に減らすのが望ましい。
【００５１】
一実施形態では、熱間加工ステップに引き続いて、ＭＭＣ材料を平坦化する。この目的のため、ＭＭＣ材料は、重りを使いながら熱的に平坦化しても、コイル式ひずみ取り機、ローラー式の歪み取り機、又は任意の類似のプロセスを用いて平坦化してもよい。１つの実施形態においては、オーブン中で熱的平坦化をすることが好ましい。これを達成するために、ＭＭＣ材料を、約４００℃の温度のオーブン中で荷重を加えて積み重ねて配置する。サイクルの終わりに、すべての材料が平坦化されたのではない場合は、平坦な部分は取り出され、残りは平坦化するために戻される。一部のケースでは、ＭＭＣ材料は圧延後に平らになっており、平坦化処理をうけない。
【００５２】
一実施形態では、金属クラッドを有するＭＭＣ材料は、その厚さが少なくとも１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、又は更に２０ｍｍであり、かつ最大で５０ｍｍ、１００ｍｍ、又は更に２００ｍｍである。
【００５３】
ギロチン式せん断法、水ジェット切断法、レーザー切断法、プラズマ切断法、又は任意の他の金属切断法を用いて、ＭＭＣ材料を、使用時に要求されるサイズに切断し得る。
【００５４】
一実施形態では、ＭＭＣは、材料製造後に金属クラッドから除去される。
【実施例】
【００５５】
本開示の利点及び実施形態を以降の実施例によって更に説明するが、これら実施例において記載される特定の材料及びその量、並びに他の条件及び詳細は、本発明を不当に制限するものと解釈されるべきではない。これらの実施例では、すべての百分率、割合、及び比率は、特に指示しない限り重量による。
【００５６】
【表１】
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【００５７】
タップ密度
【００５８】
様々な量のホウ素含有粉体とアルミニウム粉体を、実験室規模の１クォートのＶ−ブレンダーを用いて一緒にブレンドした。ブレンドする前に、すべての粉体を混合調合表に従ってブレンダーに入れた。次いで、混合粉体を貯蔵コンテイナに移し、ＡＳＴＭ標準Ｂ５２７−０６（１００ｍＬシリンダー中で３０００回のタップ）を適用してタップ密度を測定した。下記の表１に、使用された様々な粉末の種類及び量並びにそれらのタップ密度を示す。
【表２】
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【００５９】
上記の表１に示すように、ホウ素含有粒子のバイモーダルの分布を用いることにより、混合粉体のタップ密度の増加が観察され、充填効率が改善されたようである。実施例１及び２に示すように、大きなアルミニウム粒子を使用するとタップ密度が増加する。しかしながら、より大きいアルミニウム粒子は、ホウ素含有粉体分布において不均質性を引き起こす可能性がある。したがって、金属粒子にマルチモーダルの分布を使用することは、タップ密度を最大にするのに有利であり、空気間隙の存在を最小にすることができる。ホウ素含有粒子についても同様の現象が観察される。実施例２及び実施例９を参照使用される粒子径については、最適値が存在し得る。例えば、実施例６〜８は同じ粉体を使用したが、量を変えた。実施例７は実施例６又は８のいずれよりもタップ密度が高かった。
【００６０】
冷間プレス
【００６１】
表１の試料７及び８を、印加した力の関数として粉体密度を正確に測定する粉体試験センター（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｕｎｃｉｌ，Ｂｏｕｃｈｅｒｖｉｌｌｅ，Ｃａｎａｄａ）で冷間プレスした。特徴付けられる既知の一定質量の粉体を、正確に測定された直径を有する円筒形の金型キャビティに入れた。パンチの変位だけでなく、正確に測定された力が上のパンチに加えられる。実時間密度は、粉体の一定質量を金型キャビティの体積で割ることによって測定される。測定は１立方センチメートルの粉体試料で行われた。プレスする前に試料を振動させなかった。金型は研磨された工具鋼でできている。結果を下記の表２に示す。
【表３】
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【００６２】
熱間圧延
【００６３】
アルミニウム金属容器（外寸：幅７インチ（１７８ｍｍ）×長さ１１インチ（２７９ｍｍ）×高さ２インチ（５０．８ｍｍ））を、４枚の側面板と１枚の底面板を金属不活性ガス（metal inert gas、ＭＩＧ）溶接することにより作製した。ベース材料は、溶接部抵抗を最適化するために、４５°の角度、３／８インチ（９．５ｍｍ）の深さで、面取りされている。溶接は、１／１６インチ（１．６ｍｍ）のＡＡ１１００溶接ワイヤを用いて実施される。箱の側面は厚さ０．５ｉｎ（１２．７ｍｍ）で、箱の底部板及び上部板は０．２５ｉｎ（６．４ｍｍ）の厚さであった。
【００６４】
下記の表３に記載の粉末を、窒素雰囲気下、Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ−ＫｅｌｌｅｙクロスフローＶブレンダー（Ｂｕｆｌｏｖａｋ  ＬＬＣ，Ｂｕｆｆａｌｏ，ＮＹ）内で１０分間ブレンドした。計算された量の混合粉末を金属容器に入れ、圧縮成形後に充填された箱を得た。注：圧縮成形を行う際に、圧縮されていない混合粉体が金属容器に過剰充填されているので、スリーブを金属容器の周囲に配置して、圧縮されていない粉体を収容する。金属容器を、７ｉｎ×１１ｉｎの鋼鉄製の金型に入れ、６ｉｎ×１０ｉｎの鋼鉄製パンチを上に載置した。続いて、最大荷重４７０Ｔ圧縮成形プレス機（Ａｃｃｕｄｙｎｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  Ｃｏ．，Ｂｅｌｌ  Ｇａｒｄｅｎｓ，ＣＡ）を用いて、７ＴＳＩ（トン／平方インチ）圧力で混合粉体を圧縮した。次に、スリーブを取り外し、上面板を箱の上に載置し、ＡＡ１１００フィラーワイヤでＭＩＧ溶接し、圧延前アセンブリを作製した。金属容器の２つの対向する側の各端部に、３つの通気孔（直径４×１／４ｉｎの孔）を穿孔した。アセンブリを、対流式炉内で、６００℃±１０℃の温度で１６時間加熱した。加熱されたアセンブリを、Ｆｅｎｎ社製２段可逆圧延機（８００トンのロール分離力）を用いて次に圧延した。圧延前アセンブリを１３回、２２％の圧延率で通して、厚さを２．５インチ（６３．５ｍｍ）から０．１００インチ（２．５ｍｍ）まで薄くした。圧延前アセンブリをロールに通すたびごとに、３０インチ径の鋼鉄製ロールに、圧延クーラントを塗布する。クロスロール（幅方向の圧延）を３回目と４回目の圧延時に２回実行する。このアセンブリを０．１００ｉｎ（２．５ｍｍ）の厚さに圧延し、得られた物品を室温まで放冷した。
【００６５】
結果を下記の表３に示す。最終密度は、板のせん断された切断部分においてＡＳＴＭ  Ｂ３１１−０８に従って測定される。密度試料は、１ｉｎ×１ｉｎ×０．１００ｉｎ（２．５ｃｍ×２．５ｃｍ×０．２５ｃｍ）である。
【表４】
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【００６６】
本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく、本発明の予測可能な修正及び変更が当業者にとって自明であろう。本発明は、例示目的のために本出願において説明された実施形態に限定されるべきではない。
【国際調査報告】
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