JP4837304B2 - Boron carbide-containing metal matrix composite having neutron absorption and method for producing the same - Google Patents

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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 with boron-containing materials sandwiched between Al plates have been widely used. 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。
特開2003−268471号 特開2001−042089号
The method disclosed in Patent Document 1 suppresses the total amount of boron in Al by increasing the concentration of isotope boron 10 B having a high neutron absorption capability, thereby reducing 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。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. As a method for reducing the processing cost, as introduced in Japanese Patent Application No. 2004-306340, it has been proposed to leave a metal material that is relatively easy to process in the processed portion.
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。 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.

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。 Therefore, in view of the current 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, is easy to process, and has the necessary neutron shielding ability and strength. The company has created a method for producing an Al-based composite material satisfying a good balance of properties at a low cost by using a non-pressure infiltration 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)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前記充填材にマトリックス金属を被覆することのうち少なくとも一方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、第1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)さらに第2マトリックス金属源を前記第1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、又は、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。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
a) boron or a boron compound (e.g., B 4 C) used as a filler, b) of coating the matrix metal powder matrix metal (aluminum powder) in and said filler is mixed with the filler A breathable material is formed by at least one , c) the breathable material and the first matrix metal source are placed in contact with each other in a mold made of a thermally and chemically stable material; d A) a second matrix metal source is further arranged to connect to the first matrix metal source; e) the matrix metal is heated to a temperature range above its melting point to form a molten matrix metal; and f) an osmotic atmosphere. At least at some point during the process and supplying at least one of a penetration enhancer or a penetration enhancer precursor to allow the molten matrix metal to pass through. It is spontaneously penetrate into sexual material, by complex machining operations unnecessary boron - metal composite (e.g., B 4 C-Al composites) is provided. Furthermore, by arranging the supply path matrix metal source to sandwich the breathable material in the mold, or arranging the breathable material to sandwich the supply path matrix metal source, the boron-metal composite material And a method of forming a material having a sandwich structure of matrix metals.

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。 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. Moreover, by making it infiltrate in a type | mold, the shape required after infiltration is obtained, and a process becomes unnecessary. Furthermore, it can be made into the structure which has the layer of only the metal which has the elongation compared with a metal matrix composite in the center or both sides | surfaces of a plate-shaped material, and can have the characteristic of both a metal and a metal matrix composite. . 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内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 (Infiltrating
“atmosphere” ”means the presence atmosphere that interacts with the matrix metal and / or filler and / or penetration enhancer precursor and / or penetration enhancer to cause or promote spontaneous penetration of the matrix metal.
As used herein “Infiltration enhancer (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 precursor (Infiltration
"Enhancer Precurcor)" means 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. 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 penetration enhancer precursor within the filler 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。   Next, the breathable material is formed by mixing the filler with powdered 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.

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。   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 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、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(第1マトリックス金属源に相当する。)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(第2マトリックス金属源に相当する。))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。 Next, a thermally and chemically stable mold is prepared, and the breathable material and a supply path matrix metal source (corresponding to a first matrix metal source) are arranged in the mold. At this time, the matrix metal source for supply path is arranged so as to contact the breathable material. The size of the matrix metal source for the supply path should be determined considering that it remains after infiltration. The function of the matrix metal source for the supply path is to supply the matrix metal before voids due to shrinkage generated when the matrix metal particles contained in the breathable material are heated to the melting point or higher are grown. Therefore, it is necessary to contact evenly from the whole breathable material. For example, as shown in FIG. 1, a material (such as a plate) made of a matrix metal is preferably brought into contact with the center of a breathable material molded or deposited in a plate shape. Although depending on the matrix metal ratio and the filling property of the breathable material, the amount of the matrix metal to be supplied to the breathable material is likely to be insufficient. Therefore, it is necessary to further arrange a matrix metal source (reservoir matrix metal source (corresponding to the second matrix metal source) ) so as to be in contact with the supply path matrix metal source. That is, the former matrix metal source functions as a path for supplying the matrix metal to the breathable material very quickly, whereas the latter serves as a reservoir. The reservoir matrix metal source is not necessarily in the mold. The flow of matrix metal from the reservoir matrix metal source to the supply path preferably utilizes gravity and is preferably placed on top of the supply path matrix metal source as shown in FIG. At this time, the total amount of matrix metals contained in both matrix metal sources is made to be sufficiently larger than the amount penetrating into the breathable material. For example, it may be about twice the theoretical amount penetrating 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).

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。
The mold must be a thermally and chemically stable material. That is, when a structure comprising a breathable material and two types of matrix metal sources is heated, it is placed in a mold made of a material that does not react or deform. A carbon material is suitable in terms of workability and cost, but besides the carbon material, a metal (for example, iron) whose surface does not melt at the permeation temperature of the matrix metal can be used.
Next, the entire mold in a state where the air-permeable material and the matrix metal source are 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. The heating method is not limited. For example, a method in which a mold containing a matrix metal source and a breathable material is placed in an electric furnace and heated is preferable.

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。   Further, the molten matrix metal is supplied to the breathable material by supplying an infiltration atmosphere at least at a certain point in the process from a) to e) 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。   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 magnesium metal, magnesium compounds such as AlMg can 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 or the like may be used.

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。   Through the process as described above, for example, as shown in FIG. 2, a plate-like material made of a metal matrix composite material made of a boron compound and a matrix metal and made of a matrix metal inside can be obtained. Since it was placed in the mold and infiltrated, there was no need for side processing, and it was sufficient to cut out only the portion of the matrix metal source arranged as a reservoir.

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)。
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.
A 2 mm-thick aluminum alloy plate 2 that functions as a matrix metal source for the supply path is placed in the center of a carbon jig 4 having a 10 mm-thick gap, and about 7% by volume B 4 C, 0.3% by volume magnesium and A mixture (breathable material) 1 made of a powdered aluminum alloy having a composition having the remainder was put, and an aluminum alloy lump 3 serving as a matrix metal source for the reservoir was placed so as to contact the central aluminum alloy plate 2 (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。 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 8 hours, and naturally cooled to achieve non-pressure permeation (Fig. 1). 2). What was created was a metal matrix composite 5 consisting of B 4 C and Al on both sides, and further aluminum alloy was supplied from the center to the voids of the mixture before infiltration, and the concentration of B 4 C in the metal matrix composite As it was about 5%. In addition, since the aluminum alloy is supplied to the central aluminum alloy plate 2 from above, the thickness is not particularly reduced and no voids are generated. Since it was put into the mold and allowed to penetrate, the final shape was obtained by cutting the upper aluminum lump without polishing the flat surface. When the obtained plate was bent, the metal matrix composite layers on both sides were ruptured, but the central aluminum layer was not ruptured, and as a whole, it was found that it was more resistant to bending than the metal matrix composite alone. It was.

[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。
[Comparative example]
A metal matrix composite was prepared under the same conditions as in Example 1 except that no aluminum alloy plate was placed at the center. That is, the mixture was simply put in a carbon jig, an aluminum alloy lump as a matrix metal source for the reservoir was placed on the top, and the same heat treatment was performed.
FIG. 3 shows a cross section of the resulting structure, which was a non-uniform structure in which metal-only portions 7 were found in stripes in the metal matrix composite structure. Since there is no matrix metal source in the immediate vicinity of the breathable material and it is supplied only from the matrix metal source placed above, it takes time, and during that time the growth of voids due to melting shrinkage of the metal in the breathable material has progressed Conceivable. Eventually, since the matrix metal enters there, no voids remain, but the above-described metal-only portion is generated, resulting in a non-uniform structure. Therefore, since the mechanical strength is insufficient, the composite material cannot be used as a structural material. In addition, since there are regions with different hardnesses, it was expected that the processing accuracy would be insufficient.

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。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a layup before infiltration of a breathable material and a matrix metal source in Example 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後の断面写真である。It is a cross-sectional photograph after the penetration of the breathable material and the matrix metal source in Example 1. 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。It is a cross-sectional photograph after the penetration of the breathable material and the matrix metal source in a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

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
1 Breathable material, ie mixed layer of boron compound and powdered matrix metal (before penetration)
2 Matrix metal source (supply path)
3 Matrix metal source (reservoir)
4 Graphite mold 5 Composite layer of boron compound and matrix metal (after infiltration)
6 Striped metal only part

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前記充填材にマトリックス金属を被覆することのうち少なくとも一方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、前記通気性素材が板状の第1マトリックス金属源をはさんで相対して、又は、第1マトリックス金属源が、前記通気性素材をはさんで相対して接触するように配置し、
d)さらに第2マトリックス金属源を前記第1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。
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 with at least one of coating the matrix metal matrix metal to and the filler is mixed with the filler,
c) In a mold made of a thermally and chemically stable material, the breathable material is opposed to the plate-like first matrix metal source, or the first matrix metal source is the vent. Place the sex materials so that they are in contact with each other,
d) further arranged to connect a second matrix metal source to the first matrix metal source;
e) heating the matrix metal to a temperature range above its melting point to form a molten matrix metal; and
f) spontaneously infiltrating the molten matrix metal 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項ないし第2項のいずれかに記載の形成方法。   3. The method according to claim 1, wherein 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. The formation method of crab. 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 breathable 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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