JP2006118952A - Boron containing metal group composite having neutron absorption function and its manufacturing method - Google Patents

Boron containing metal group composite having neutron absorption function and its manufacturing method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plate material constituted of a sandwich structure of aluminum composite and aluminum alloy having neutron absorption capability and superior in cost and processability compared with conventional materials. <P>SOLUTION: The plate material of the present invention with neutron absorption capability is an integral body of an aluminum composite, which contains B<SB>4</SB>C having neutron absorption capability in Al or Al alloy parent phase and is sintered without pressure, and easily processible aluminum layer on both sides of the aluminum composite. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

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。   The present invention relates to a boron carbide-containing metal matrix composite material having a recriticality preventing action and a neutron absorption action and useful as a material for transporting or storing a spent nuclear fuel that emits neutrons, and a method for producing the same. .

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。   As a means to safely transport and store spent nuclear fuel without recriticality and without excessive leakage of radiation, the container itself (eg, a basket for containing fuel assemblies) Various studies have been conducted on the design and materials used. The materials used for these applications are required to have properties such as the ability of the materials themselves to absorb neutrons and the like, and the ability to cool spent nuclear fuel efficiently. As materials for neutron absorption, Al-based alloys and composite materials containing boron, and materials called borals in which boron-containing substances are sandwiched between Al plates have been used in many cases. It is used as a constituent material for storage containers.

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の濃度を高めることより、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。
特開2003−268471号 特開2001−042089号
The method disclosed in Patent Document 1 increases the concentration of isotope boron 10 B having a high neutron absorption capability, thereby suppressing the total amount of boron in Al, and the neutron absorption effect and mechanical properties of the alloy material. To achieve both. However, the problem is that the isotope boron 10 B is expensive in price. Further, a material called “boral” that has been used for a long time is uneasy to be used for transporting or storing spent nuclear fuel due to insufficient strength of the boron-containing layer. The method disclosed in Patent Document 2 uses inexpensive B 4 C as a boron source, and creates a target composite material by pressure sintering with Al powder.
JP 2003-268471 A JP 2001-042089 A

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。
特許第2641901号 特許第2905520号 特許第2905521号
In general, as an inexpensive method for producing a metal matrix composite material, there is a non-pressure permeation method introduced in Patent Document 3. This is a composite of a reinforcing material in a metal matrix. This method is suitable for those with a volume ratio of reinforcement of 50% or more, and the volume ratio of the reinforcement is too high to satisfy the mechanical properties required here, such as elongation, and strengthens B 4 C. When used as a material, the neutron absorption capacity is excessive. The method of creating a low reinforcing material concentration by the non-pressure permeation method is disclosed in Patent Document 4, and a composite material of about 40 to 50% is produced by the non-pressure permeation method and dissolved again. Then, it is diluted with a matrix alloy to a predetermined amount. While this approach is practical if reinforcement of SiC, when applied to a B 4 C, seemed to react between the aluminum is B 4 C and the matrix metal, and B 4 C by the pressureless permeation Although there was a composite material of Al, there was a problem that even if it was heated to dissolve again to dilute it, it did not dissolve. As a method for making the filling rate of the reinforcing material variable in the non-pressure permeation method, there is Patent Document 5. Although it is possible to create a composite material containing B 4 C by this method, it is difficult to say that it is an inexpensive manufacturing method because it is necessary to process a composite material that is difficult to process in order to obtain the required plate shape.
Japanese Patent No. 2641901 Patent No. 2905520 Japanese Patent No. 2905521

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。
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、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。
As mentioned above, boron-containing Al alloys have many preconditions that significantly increase production costs, such as the use of extremely expensive concentrated boron in order to increase neutron absorption capacity, making it difficult to put it to practical use at the industrial level. Met. Also, Bola, which has a high B 4 C content of 30 to 40% by weight, has a problem in workability and cannot be used as a structural material. Against this background, it has high neutron absorption capacity by increasing the B content, as well as excellent mechanical properties such as tensile strength and elongation, and can be easily processed and used as a structural material. There has been a demand for an Al-based composite material having neutron absorption capability and an inexpensive manufacturing method thereof.
Therefore, in view of the present situation as described above, the present invention uses ordinary B 4 C that is distributed at low cost in the city as an abrasive or refractory material, and satisfies the necessary neutron shielding ability and strength characteristics in a well-balanced manner. A method for producing an Al-based composite material at low cost by using a non-pressure permeation method.

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)マトリックス金属(例えばアルミニウム粉末)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)前記通気性素材の上下及び/又は左右の両側に隣接するように、浸透後も十分に残る程度の過剰のマトリックス金属源を配し、
d)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
e)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、
f)更には、浸透後に残された加工しやすいマトリックス金属層を加工すること
により、所定の厚さになるホウ素−金属複合材料(例えばB4C−Al複合材)とマトリックス金属(例えばAl)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。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
a) using boron or boron compound (eg B 4 C) as filler,
b) forming a breathable material by mixing matrix metal (eg aluminum powder) with said filler and / or coating said filler with matrix metal;
c) Arrange an excess of matrix metal source sufficient to remain after infiltration so as to be adjacent to the upper and lower and / or right and left sides of the breathable material,
d) heating the matrix metal to a temperature range above its melting point to form a molten matrix metal; and
e) infiltrating the molten matrix metal spontaneously into the breathable material by providing an infiltration atmosphere at least at some point during the process and supplying at least one of an infiltration enhancer or an infiltration enhancer precursor. ,
f) Furthermore, a boron-metal composite material (for example, B 4 C-Al composite material) and a matrix metal (for example, Al) that have a predetermined thickness by processing the matrix metal layer that is easy to process after the penetration. A method of forming a material having a sandwich structure is provided.

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、浸透に必要な量より過剰のAlを複合材の両側に用意することにより、浸透後に複合材より易加工のAl層が一体化されて形成されるため、浸透後の加工が容易となる。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。 According to the above-described method for producing a metal matrix composite having neutron absorption capability of the present invention, the following effects can be obtained. After adding B 4 C powder with neutron absorption ability to aluminum or aluminum alloy powder and mixing, the metal matrix composite manufactured using non-pressure infiltration method is the conventional melting method and pressure sintering method Compared to, manufacturing at a low cost becomes possible. Also, by preparing excess Al on both sides of the composite material in excess of the amount required for infiltration, an easy-to-process Al layer is formed integrally with the composite material after infiltration, making it easy to process after infiltration . That is, by using the present invention, it is possible to obtain a metal matrix composite material that not only has a high neutron absorption capability but is suitable as a structural member at a low price.

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の浸透増進剤前駆体の反応が生じる。
Definitions As used herein, “aluminum” refers to substantially pure metal (eg, relatively pure and commercially available unalloyed aluminum) or impurities and / or iron, silicon, copper, magnesium, manganese, It means and includes other grades of metals and metal alloys such as commercially available metals having alloy components such as chromium and zinc. The aluminum alloy used in this definition is an alloy or intermetallic compound containing aluminum as a main component.
As used herein, “Infiltrating atmosphere” refers to interaction with matrix metal and / or filler and / or penetration enhancer precursor and / or penetration enhancer to reduce spontaneous penetration of matrix metal. It means the presence atmosphere that is created or promoted.
As used herein, “Infiltration Enhancer” means a substance that promotes or assists the matrix metal to spontaneously penetrate the filler. The penetration enhancer may be, for example, by reacting a penetration enhancer precursor with the penetration atmosphere to (1) a gaseous product and / or (2) a reaction product of the penetration enhancer precursor and the penetration atmosphere and / or (3 ) By producing a reaction product of a penetration enhancer precursor and a filler. Furthermore, the penetration enhancer is fed directly to at least one of the filler and / or the matrix metal and / or the penetration atmosphere to generate a penetration enhancer produced by a reaction between the penetration enhancer precursor and another species. You may make it act in the substantially similar method. Basically, at least during spontaneous penetration, the penetration enhancer must be located in at least a portion of the filler to achieve spontaneous penetration.
As used herein, “Infiltration Enhancer Precurcor” is a substance that, when used in combination with a matrix metal and / or osmotic atmosphere, induces or assists spontaneous penetration of the matrix metal into the filler. Means. Without being limited to a particular principle or description, it is necessary that the penetration enhancer precursor be able to be placed or moved to a location where the penetration enhancer precursor can interact with the penetration atmosphere and / or filler and / or metal. For example, in certain matrix metal / penetration enhancer precursor / penetration atmosphere systems, it is desirable for the penetration enhancer precursor to volatilize at the melting temperature of the matrix metal, near it, or in some cases somewhat higher. . Such volatilization may result in (1) the generation of gaseous matter that enhances the wetting of the filler by the matrix metal by reaction of the penetration enhancer precursor with the penetration atmosphere; and / or (2) the penetration enhancer precursor; Generation of a solid, liquid or gaseous penetration enhancer that promotes wetting to at least a portion of the filler by reaction with an osmotic atmosphere; and / or (3) a solid that enhances wetting within at least a portion of the filler. The reaction of the filler penetration enhancer precursor to produce a liquid or gaseous penetration enhancer occurs.

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。 In the present invention, boron or a boron compound is used as a filler. In particular, B 4 C is preferable in terms of price and availability. Boron or a boron compound is preferably used as a powder, but may be granular.

次に、前記充填材を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。粉末状の充填材と、粉末状のマトリックス金属を混合するのが簡便であるが、この場合、両者が均一に混ざるようにするため、ともに平均粒径10〜数10μm程度の粉末とするのがよい。   Next, a breathable material is formed by mixing the filler with a matrix metal and / or coating the filler with the matrix metal. For example, after the filler and powdered matrix metal are mixed, they can be simply put into a mold to make a breathable material with a low level of filling rate, or press-molded into a plate shape. In order to improve the mixing state, a powder in which a filler is coated with a matrix metal may be used. For coating, plating, thermal spraying or mechanochemical reaction can be used. It is easy to mix the powdered filler and the powdered matrix metal, but in this case, in order to mix both uniformly, it is preferable to use a powder having an average particle size of about 10 to several tens of μm. Good.

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1体積%未満では、得られる板材の機械的強度が不足する。また、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。   Here, in forming the breathable material, the content of the matrix metal in the breathable material is preferably 1 to 98% by volume. When the content is less than 1% by volume, the mechanical strength of the obtained plate material is insufficient. On the other hand, if it exceeds 98% by volume, the content of boron or boron compound becomes relatively small, and the ability of neutron absorption may be insufficient.

次に、前記通気性素材に上下及び/又は左右の両側に隣接するように、浸透後も十分に残る程度の過剰のマトリックス金属源を配する。すなわち、通気性素材の相対する側面の両側に、該通気性素材をはさむようにマトリックス金属源を配する。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上面及び下面をマトリックス金属からなる材料(板など)に接触させるのがよい。この際、マトリックス金属源に含まれるマトリックス金属の量が、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。   Next, an excess of the matrix metal source is provided so as to remain sufficiently after infiltration so as to be adjacent to the upper and lower sides and / or the left and right sides of the breathable material. That is, the matrix metal source is disposed on both sides of the opposite side surfaces of the breathable material so as to sandwich the breathable material. For example, as shown in FIG. 1, the upper and lower surfaces of a breathable material molded or deposited in a plate shape are preferably brought into contact with a material (such as a plate) made of a matrix metal. At this time, the amount of the matrix metal contained in the matrix metal source is made sufficiently larger than the amount penetrating the breathable material. For example, it is preferable that the amount is about twice the theoretical amount permeating into the breathable material (obtained from the difference between the bulk density of the breathable material and the theoretical density of the metal composite to be produced).

次に、マトリックス金属源を配した状態の通気性素材を加熱し、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、両者を接触させた状態のまま加熱するといった方法がよい。   Next, the breathable material in a state where the matrix metal source is arranged is heated to form a molten matrix metal. The heating temperature may be a temperature that exceeds the melting point of the matrix metal. Although the heating method is not limited, for example, a method in which a matrix metal source and a breathable material are placed in an electric furnace and the both are kept in contact with each other is preferable.

さらに、前記a)からd)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。   Further, the molten matrix metal is supplied to the breathable material by supplying an infiltration atmosphere at least at a certain point in the processes from a) to d) and supplying at least one of an infiltration enhancer or an infiltration enhancer precursor. To penetrate spontaneously. The permeation atmosphere may be supplied continuously from the beginning to the end of the step of heating the breathable material, or the supply may be stopped during the process. It is preferable to supply at least until the formation of the molten matrix metal and continue to supply until the end of heating. Further, it is preferable that the permeable atmosphere is in communication with at least one of the breathable material and the molten matrix metal for at least a part of the osmosis period.

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。   Here, in order to supply a penetration enhancer or a penetration enhancer precursor, they should be mixed with the breathable material in advance or added beforehand to the matrix metal source disposed adjacent to the breathable material. Alternatively, it is possible to supply the mixture in an osmotic atmosphere.

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も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。   The matrix metal used in the present invention is typically metallic aluminum, but may be an alloy containing aluminum as a main component. Specific examples include 1050 alloy and 5052 alloy that are easily available. In addition to metallic magnesium, AlMg can also be used as the penetration enhancer precursor. Nitrogen is preferred as the infiltration atmosphere.

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や酸化ホウ素等を用いてもよい。 Furthermore, the boron compound used for the filler is most preferably B 4 C because of its price and availability. However, BN, boron oxide or the like may be used.

以上のようなプロセスを経て、例えば図3に示すような、内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、外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。この板状材料の外部のマトリックス金属部分は内部の金属基複合材料よりも加工が容易であり、必要に応じてその厚さを切削などの機械加工により調節することができる。この際、あらかじめ外部のマトリックス金属層の厚さを試験的に把握しておき、その厚さの範囲で加工するようにする。このような方法により、内部の金属基複合材料部分を損なうことなく加工することができる。   Through the above process, for example, as shown in FIG. 3, it is possible to obtain a plate-like material made of a metal-based composite material made of a boron compound and a matrix metal on the inside and made of a matrix metal on the outside. The outer matrix metal portion of the plate-like material is easier to process than the inner metal matrix composite material, and the thickness can be adjusted by machining such as cutting as required. At this time, the thickness of the external matrix metal layer is grasped experimentally in advance and processed in the range of the thickness. By such a method, it can process without impairing an internal metal matrix composite material part.

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。
約7重量%のB4C、その4重量%に相当する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、厚さ約5mmのアルミニウム合金板(マトリックス金属源)2の上に約8mm堆積し、更にその上に同じ合金板3をのせた(図1)。
Hereinafter, an embodiment of an aluminum composite material having a neutron absorption capability and a method for producing the same according to the present invention will be described. In the following embodiments, B 4 C as a filler, aluminum powder as a powdered matrix metal, an aluminum alloy having a composition of 1050 alloy as a metal source of the molten matrix metal, nitrogen as an infiltration atmosphere, metal as an infiltration enhancer precursor Although magnesium powder was used, the present invention is not limited to this.
About 5 mm thick aluminum alloy plate (matrix metal source), a mixture (breathable material) 1 consisting of about 7% by weight of B 4 C, 4% by weight of magnesium and a powdered aluminum alloy with the remaining composition About 8 mm was deposited on 2 and the same alloy plate 3 was placed thereon (FIG. 1).

図1に示す状態の通気性素材及びアルミニウム合金版を窒素雰囲気炉において、790℃まで約3時間半で昇温し、2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、真ん中にB4CとAlからなる金属基複合材料4であり、浸透前の混合物の空隙に上下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、上下のアルミニウム合金板5及び6は必要な供給量よりはるかに過剰であるため、浸透後も2-3mmの厚さで残っていた。これを両側とも約1mmtに加工することにより、総厚10mmで中央にB4CとAlによる複合体4を含みその両側にAl層5及び6を持つサンドイッチ構造の中性子吸収能を備えた板材を作成することができた(図3)。 The air-permeable material and aluminum alloy plate in the state shown in Fig. 1 were heated to 790 ° C in about 3 1/2 hours in a nitrogen atmosphere furnace, kept for 2 hours, and naturally cooled to achieve non-pressure permeation (Fig. 1). 2). What was created was a metal matrix composite 4 consisting of B 4 C and Al in the middle, and further aluminum alloy was supplied from above and below into the voids of the mixture before penetration, and the concentration of B 4 C in the metal matrix composite As it was about 5%. Moreover, since the upper and lower aluminum alloy plates 5 and 6 are much more than the required supply amount, they remained with a thickness of 2-3 mm even after penetration. By processing this to about 1 mmt on both sides, a plate with a neutron absorption capability of a sandwich structure with a total thickness of 10 mm and containing a composite 4 of B 4 C and Al at the center and Al layers 5 and 6 on both sides It was possible to create (Fig. 3).

実施例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。It is a schematic sectional drawing of the lay-up before the permeability | transmittance material and matrix metal source infiltration in an Example. 実施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略断面図である。It is a schematic sectional view after the penetration of the air-permeable material and the matrix metal source in the examples. 実施例における板状材料の加工後の略断面図である。It is a schematic sectional drawing after the process of the plate-shaped material in an Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 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(浸透前)
3 マトリックス金属源(浸透前)
4 ホウ素化合物とマトリックス金属の複合層(浸透後)
5 浸透後に残存したマトリックス金属源
6 浸透後に残存したマトリックス金属源
1 Mixed layer of boron compound and powdered matrix metal (before penetration)
2 Matrix metal source (before penetration)
3 Matrix metal source (before penetration)
4 Composite layer of boron compound and matrix metal (after infiltration)
5 Matrix metal source remaining after infiltration 6 Matrix metal source remaining after infiltration

Claims (6)

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)前記通気性素材の上下及び/又は左右の両側に隣接するように、浸透後も十分に残る程度の過剰のマトリックス金属源を配し、
d)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
e)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。
A method of forming a metal matrix composite comprising the following steps:
a) using boron or boron compound as filler,
b) forming a breathable material by mixing matrix metal with said filler and / or coating said filler with matrix metal;
c) Arrange an excess of matrix metal source sufficient to remain after infiltration so as to be adjacent to the upper and lower and / or right and left sides of the breathable material,
d) heating the matrix metal to a temperature range above its melting point to form a molten matrix metal; and
e) infiltrating the molten matrix metal spontaneously into the breathable material by providing an infiltration atmosphere at least at some point during the process and supplying at least one of an infiltration enhancer or an infiltration enhancer precursor. ,
A method of forming a metal matrix composite comprising:
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項に記載の形成方法。 The forming method according to claim 1, wherein the permeation atmosphere is in communication with at least one of the breathable material and the molten matrix metal for at least a part of the permeation period. 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項又は第2項に記載の形成方法。 The at least one of the penetration enhancer precursor and the penetration enhancer is supplied to at least one of the molten metal matrix, the breathable material, and the penetration atmosphere. Forming method. 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3項のいずれか1項に記載の形成方法。 The forming method according to any one of claims 1 to 3, wherein the air-permeable material contains 1 to 98% by volume of a matrix metal. 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。 The method of claim 1, wherein the matrix metal comprises aluminum, the penetration enhancer precursor comprises magnesium, and the penetration atmosphere comprises nitrogen. 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。 The formation method according to claim 1, wherein the boron compound of the filler is B 4 C.
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