JP5726383B2 - 金属基複合材およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ガンマ線（γ線）で代表される放射線の吸収性能を有する金属基複合材およびその製造方法に関する。
従来より、γ線で代表される放射線を吸収もしくは遮蔽する材料開発は種々行われてきた。γ線吸収性能に優れた材料としてはタングステンや鉛が好適であるが、鉛は環境や健康への影響が懸念されている。またタングステンにおいては、タングステンあるいはタングステン合金を構造材とする方法、またはタングステン粉末を樹脂等に充填する方法が用いられてきた。
例えば特許文献１においては、遮蔽材料として軽材料のアルミニウム部材と重材料のタングステン部材とを組み合わせて遮蔽構造を形成している。しかし、タングステンは重量が大きいため、構造材として用いる際の作業性の負荷が大きいという問題があった。
また例えば、特許文献２には、非金属から成る遮蔽微粉末と重金属から成る遮蔽粉末とを含有する熱可塑性樹脂から成るγ線遮蔽パネル材が開示されている。しかしながら、樹脂は放射線による劣化が比較的速く進行する虞があるという欠点があった。
また例えば、特許文献３には、タングステンを主成分に、残部が鉄、銅もしくはニッケルからなる焼結体に圧延加工を行ったタングステン基合金が開示されている。しかしながら、焼結冶金は製造コストが嵩むという問題があった。
特開２００４−０２０４１４号公報 特開２００７−３１５８４３号公報 特許第３６９７５５９号公報
そこで本発明は、単位体積当たりの重量が軽量でかつ十分な放射線吸収機能を有し、強度、耐食性、加工性、耐衝撃性、熱伝導性、作業性にも優れた、安価な金属基複合材およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の金属基複合材は、
アルミニウム粉末が加圧一体化されて成るマトリックス中にタングステン粒子が分散して成るコア材を、アルミニウム板から成る一対のスキン材の間に密着させて挟み込んだ両面クラッド構造を有し、前記タングステン粒子は前記コア材中に５vol％〜７０vol％含有されていることを特徴とする。
また、上記の目的を達成するために、上記本発明の金属基複合材の製造方法は、
（ａ）前記マトリックスを構成するためのアルミニウム粉末と、前記タングステン粒子から成るタングステン粉末とをタングステン粒子の配合量を５vol％〜７０vol％として混合して、前記コア材を構成するための混合粉末を形成する工程、
（ｂ）前記スキン材を構成するためのアルミニウム板から成り相互にシール可能に形成された下ケースおよび上ケースを含むケースを準備する工程と、
（ｃ）前記下ケース内に、前記混合粉末を充填する工程と、
（ｄ）前記下ケースに前記上ケースを被せてシールすることにより、前記混合粉末が充填された前記ケースから、被圧延体を準備する工程と、
（ｅ）前記被圧延体を、前期混合粉末が固相状態を維持するように予熱する工程と、
（ｆ）前記予熱工程で予熱された前記被圧延体を圧延して、前記金属基複合材とする工程
を含むことを特徴とする。
本発明の金属基複合材によれば、アルミニウムから成る軽量なマトリックス中に放射線吸収機能を発現するのに十分な量のタングステン粒子を含有させたコアを、アルミニウム板から成る一対のスキン材の間に密着させて挟み込んだ両面クラッド構造としたことにより、軽量でかつ十分な放射線吸収機能を有し、強度、耐食性、加工性、耐衝撃性、熱伝導性、作業性（ハンドリング性）にも優れた金属基複合材が提供される。
本発明の金属基複合材の製造方法によれば、アルミニウム板（またはステンレス鋼板）から成るケース内に、アルミニウム粉末とタングステン粒子との混合粉末を充填して圧延することにより、アルミニウム粉末が加圧一体化されたマトリックス中にタングステン粒子が放射線吸収機能を発現するのに十分な量で分散したコア材を形成すると同時に、ケースを構成するアルミニウム板（またはステンレス鋼板）から成るスキン材とコア材とを密着させて、両面クラッド構造を有する上記本発明の金属基複合材を製造することができる。また圧延材であるため、大型の遮蔽部材を製造するためには好適な材料となる。
本発明の製造方法に用いるケースを示す斜視図である。 本発明の製造方法に用いる補強枠を示す図である。 本発明の製造方法において混合粉末を充填した状態のケースを示す縦断面図である。 本発明の製造方法に用いる下ケースの縦断面図である。 図３Ａの下ケースにスリーブを重ね合わせた状態の縦断面図である。 図３Ｂの下ケースとスリーブを重ね合わされた空間に混合粉末を投入した状態の縦断面図である。 図３Ｃにおいて混合粉末の投入後、タッピングを実施した状態の縦断面図である。 図３Ｄにおいてタッピングの実施後、スリーブを外し、下ケースの上縁に沿ってスクレーパーを移動して下ケースの上方に突出した混合粉末の部分を擦り切ろうとする状態の縦断面図である。 図３Ｅにおいて下ケースの上方に突出した混合粉末の部分が擦り切られ、回収箱内に回収された状態の縦断面図である。 図３Ｆにおいてケース内に混合粉末がその上面を下ケースの上縁と面一の状態となるよう充填された後、上ケースを上方から勘合しようとする状態の縦断面図である。 図３Ｇにおいて下ケースと上ケースを重ね合わされた空間に混合粉末をフルに充填された状態の被圧延体の縦断面図である。 本発明の実施例で作製したＷ粒子１０．０vol％（４４．３wt％）の金属基複合材のミクロ組織を示す写真である。 本発明の実施例で作製したＷ粒子２０．０vol％（６４．１wt％）の金属基複合材のミクロ組織を示す写真である。 本発明の実施例で作製したＷ粒子４０．０vol％（８２．７wt％）の金属基複合材のミクロ組織を示す写真である。 本発明の実施例で作製したＷ粒子５０．０vol％（８７．７wt％）の金属基複合材のミクロ組織を示す写真である。 本発明の実施例で作製したＷ粒子１０．０vol％（４４．７wt％）、Ｂ４Ｃ粒子２０．０vol％（１１．６wt％）の金属基複合材のミクロ組織を示す写真である。 本発明の実施例で作製したＷ粒子２０．０vol％（６４．５wt％）、Ｂ４Ｃ粒子２０．０vol％（８．４wt％）の金属基複合材のミクロ組織を示す写真である。
本発明の金属基複合材は、アルミニウム粉末が加圧一体化されて成るマトリックス中にタングステン粒子が分散して成るコア材を、アルミニウム板から成る一対のスキン材の間に密着させて挟み込んだ両面クラッド構造を有し、前記タングステン粒子は前記コア材中に５vol％〜７０vol％含有されていることを特徴とする。なお、本明細書及び特許請求の範囲においてアルミニウムとは、純アルミニウム及びアルミニウム合金を意味する。
スキン材としては、軽量化の観点からアルミニウムが最も望ましいが、アルミニウムに替えてステンレス鋼を用いることもできる。ステンレス鋼はアルミニウムに比べて軽量化の点で劣るが、耐食性および強度が優れており、クラッド率を低下させて用いれば軽量化も可能なので、用途に応じて用いることができる。なお、クラッド率は、金属基複合材の全体の厚さに対するスキン層の厚さの比率である。
本発明の製造方法においては、アルミニウム粉末と放射線吸収特性のあるタングステン粒子との混合粉末を、中空扁平状のアルミニウムのケースに充填し、充填に際して望ましくはケースをタッピングして充填密度を上げ、これを密閉することにより被圧延体を構成し、この被圧延体を予熱し、この予熱した被圧延体を圧延する事により製造される。
このように、望ましい実施形態においては、ケース内に混合粉末を充填して、しかも、タッピングにより混合粉末の充填密度を上げられた状態でこの金属製ケースを密閉することにより、被圧延体が構成されることになる。しかも、この被圧延体は、粉体としての混合粉末を上下から、ケースの上下面を各々規定するスキン材で挟み込まれた状態となっている。この結果、この被圧延体を予熱して圧延加工することにより、アルミニウム粉末とセラミックス粒子とが充填密度を高く維持された状態で混合されたコア材を挟んで、上下からアルミニウム板スキン材でクラッドした両面クラッド構造の金属基複合材が得られる。
更に、本発明の被圧延体において、スキン／コア／スキンの両面クラッド構造を有する金属基複合材のコアに相当する混合粉末の上面と、該クラッド構造における上層に相当する上ケースの上板（上スキン材または上クラッド層）とが密着した状態となっており、また、クラッド構造の中間層に相当する混合粉末の下面と、クラッド構造における下層に相当する下ケースの下板（上スキン材または上クラッド層）とが密着した状態となっている。
このような被圧延体を圧延することにより得られる金属基複合材においては、互いに隣接する層同士が、強固に接合されることになり、この結果、金属基複合材の機械的強度が低下することがない。また本発明では、金属基複合材表面には、破壊の起点となったり、ロール等を摩耗させたりするセラミックス粒子が無いので、良好な圧延加工材を得ることができる。さらに、中空ケースの上下両面が、クラッドを構成する際の上下のアルミニウムまたはステンレス鋼の板材として機能することになるので、混合粉末をケースに充填した状態で、クラッドが完了することになり、製造工程が簡略化される。さらに、中空ケース内の混合粉末は、粉体の形態のままで固相状態を維持して圧延工程に供せられるので、混合粉末がケース内に充填された状態で、維持される嵩密度は、最大で６５％程度までで済まされる。
本発明の他の実施形態においては、アルミニウム粉末は純度９９．０％以上の純Ａｌ粉もしくはＡｌにＭｇ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの何れか１種以上を０．２〜２重量％含有する合金粉であり、セラミックス粒子は混合粉末全体積を１００vol％とした場合にタングステン粒子と合わせて５vol%〜７０vol％を占める。
本発明においては、γ線で代表される放射線吸収特性を有する材料としてタングステン粒子を用いる。アルミニウムから成るマトリックス中におけるタングステン粒子の含有量は５vol％〜７０vol％、より好ましくは１０vol％〜６０vol％とする。５vol％未満では、十分な放射線吸収特性が得られず、一方、７０vol％を越えると金属基複合材の加工性や延性が低下し、軽量化の利点も得られない。
本発明の一形態においては、アルミニウムとタングステンとから成るコア材に、更に中性子吸収機能を有するセラミックス粒子を含有させることができる。これにより、本発明の金属基複合材に、γ線等の放射線吸収機能に加えて中性子吸収機能を付与することができる。
本発明では、金属基複合材は両面がアルミニウムまたはステンレス鋼のスキン材で形成されているので、表面には、破壊の基点となったり、ロール等を摩耗させたりする硬質のタングステン粒子、更にはセラミックス粒子も無い。このように、良好な圧延加工材を得ることができる効果を特有に奏することができる。
また、混合粉末を金属板材で上下で挟んでクラッドさせるに際して、中空ケースの上下両面が、クラッドを構成する際の上下の金属板材として機能することになる。この結果、混合粉末をケースに充填した状態で、クラッド材としての構成が完了することになる。これによっても、製造工程が簡略化されることになる。
この場合において、粉体密度を上げる目的が、従前に置いては、混合粉末を圧延工程に供するに十分な形状保持が出来るようにすることであったため、例えば、粉体の嵩密度が９８％以上となるようにする必要があったのに対して、本発明においては、混合粉末は、粉体の形態のままで圧延工程に供せられることになるので、混合粉末がケース内に充填された状態で、維持される嵩密度は、最大で６５％程度までで済まされることになる。
以下、本発明の金属基複合材の原材料および製造方法を説明する。
（１）原材料の説明
＜コア材：マトリックスを構成するためのアルミニウム粉末＞
金属基複合材のコア材を構成するためのアルミニウム粉末は、望ましくは、Ａｌ系合金、具体的には、JIS規格によるA 1100 (A.A.規格によるAA 1100）で規定されるアルミニウム合金から形成されている。詳細には、シリコンSiと鉄Feの合計が０，９５重量％以下、銅Cu:０．０５重量％〜０．２０重量％、マンガンMn：０．０５重量％以下、亜鉛Zn：０．１０重量％以下、残余をアルミニウム及び不可避不純物とする組成成分を有する材料から形成されている。
しかし、本発明においては、アルミニウム粉末の組成は特に限定されていない。例えばアルミニウム粉末として、純アルミニウム（ＪＩＳ １０５０、１０７０等）や、Ａｌ−Ｃｕ系合金（ＪＩＳ ２０１７等）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（ＪＩＳ ６０６１等）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ ７０７５等）、Ａｌ−Ｍｎ系合金等、種々のタイプの合金の粉末を、単独で、又は２種以上を混合して使用することができる。
要は、如何なる組成のアルミニウム合金粉末を選択するかは、所望される特性、後の成形加工時の変形抵抗、混合されるタングステン粒子（更にはセラミックス粒子）の量、原料コスト等々を考慮して、決定される。例えば、金属基複合材の加工性や放熱性を高めたい場合には、純アルミニウム粉末が好ましい。純アルミニウム粉末は、アルミニウム合金粉末の場合に比べて原料コストの面で有利でもある。なお、純アルミニウム粉末は、純度が９９．５質量％以上のもの（通常市販の純アルミニウム粉末は９９．７質量％以上）を使用するのが好ましい。
また、中性子吸収能を付与する場合、換言すれば、中性子透過性を低く押さえたい場合、後述するセラッミクス粒子としてホウ素化合物が用いられる。ここで、得られる中性子吸収能を更に高めたい場合には、ハフニウム（Ｈｆ）、サマリウム（Ｓｍ）、ガドリウム（Ｇｄ）等の中性子吸収能を備えた少なくとも１種の元素を、アルミニウム粉末中に好適には０．１〜５０質量％添加することができる。
また、高温強度が要求される場合には、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ストロンチウム（Ｓｒ）等の少なくとも１種を、アルミニウム粉末に添加することができる。
また、室温強度が要求される場合にはケイ素（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）等の少なくとも１種を、アルミニウム粉末に添加することができる。何れの場合でも、各元素７重量％以下、２種類以上の混合の場合には合計量で１５質量％以下の割合で、添加することができる。
アルミニウム粉末の平均粒径は特に限定されるものではないが、上限値は一般には２００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下の粉末を用いることができる。平均粒径の下限値は製造可能であれば特に限定されるものではないが、通常は０．５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上である。特に、アルミニウム粉末の最大粒径を１００μｍ以下とし、後述する強化材としてのセラミック粒子の平均粒度を４０μｍ以下とすることが出来る。この場合、強化材の粒子が均一に分散し、強化材粒子の希薄な部分が非常に少なくなり、金属基複合材の特性の安定化に効果がある。
アルミニウム合金粉末の平均粒径は、後述するタングステン粒子（更にはセラミックス粒子）の平均粒径との差が大きいと圧延加工の際に割れが生じやすいので、平均粒径の差を小さくすることが好ましい。平均粒径が大きくなりすぎると、平均粒径を大きくできないセラミックス粒子との均一混合が困難となる。これに対して、平均粒径が小さすぎると、微細なアルミニウム粒子同士で凝集が起こり易くなり、セラミックス粒子との均一混合が非常に困難になる。これらを考慮して、アルミニウム粒子の平均粒径を望ましい範囲内とすることにより、一層優れた加工性、成形性、機械的特性を得ることもできる。
本発明におけるアルミニウム粉末の平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定法による値を示す。粉末形状も限定されるものではない。例えば、アルミニウム粉末は、涙滴状、真球状、回転楕円体状、フレーク状又は不定形状等いずれの形状であっても差し支えない。
アルミニウム粉末の製造方法は特に限定する必要がない。例えば、アルミニウム粉末は、公知の金属粉末の製造方法に従って製造することができる。その製造方法としては、例えば、アトマイズ法、メルトスピニング法、回転円盤法、回転電極法、その他の急冷凝固法等が挙げられる。ここで、工業的生産の観点からは、アトマイズ法が好ましく、特に、溶湯をアトマイズすることにより粉末を製造するガスアトマイズ法が好ましい。
なお、アトマイズ法においては、上記溶湯を通常７００〜１２００℃に加熱してアトマイズすることが好ましい。何故なら、この温度範囲に設定することにより、より効果的なアトマイズを実施することができるからである。またアトマイズ時の噴霧媒・雰囲気は、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、水等あるいはそれらの混合ガスであってもよいが、噴霧媒は、経済的観点から、空気、窒素ガス又はアルゴンガスによるのが好ましい。
＜コア材：アルミニウムマトリックス中に分散させるタングステン粒子＞
コア材のマトリックス中に分散させるタングステン粒子の平均粒径は、コア材のマトリックスを構成するためのアルミニウム粉末粒子の粒径を考慮して、できるだけ近い平均粒径とすることが望ましい。
タングステン粒子の形態は特に限定する必要はなく、涙滴状、真球状、回転楕円体状、フレーク状又は不定形状等いずれでもよいが。
タングステン粒子は、コア材中に５vol％〜７０vol％、より好ましくは１０vol％〜６０vol％とする。５vol％未満では、十分な放射線吸収特性が得られず、一方、７０vol％を越えると金属基複合材の加工性が劣化し、軽量化の利点も得られない。
＜コア材（任意要件）：タングステン粒子と共存させるセラミックス粒子＞
アルミニウム粉末およびタングステン粒子と混合されて、中性子吸収機能を付加するセラミックス粒子としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣやＢ４Ｃ、ＢＮ、窒化アルミ、窒化ケイ素等がある。これらセラミックスは、粉末形状として用いられ、これらを単独で又は混合物として使用することができ、複合材の用途によって選択される。ここで、ホウ素（Ｂ）には中性子を吸収する性能（即ち、中性子の透過を阻害する性能）があるので、ホウ素系セラミックス粒子を用いた場合は、アルミニウム複合材は中性子吸収材としても使用できる。その場合、ホウ素系セラミックスとしては、例えばＢ４Ｃ、ＴｉＢ２、Ｂ２Ｏ３、ＦｅＢ、ＦｅＢ２等を挙げることができる。これらホウ素系セラミックスは、粉末の形状として用いられ、これらを単独で又は混合物として使用することができる。特に、中性子を良く吸収するＢの同位体である１０Ｂを多く含む炭化ホウ素Ｂ４Ｃを使用するのが好ましい。
このセラミックス粒子は、多過ぎると、塑性加工の際の変形抵抗が高く、塑性加工が困難な上、成形体が脆くなって、折れやすくなる。また、アルミニウム粒子とセラミックス粒子の結合性も悪くなり、空隙ができやすく、求める各機能が得られなくなり、強度や熱伝導性も低下する。さらにアルミニウム基複合材としての切削性も低下する。中性子吸収機能の明瞭な発現を確保し、かつ上記のような不都合が生じない範囲で添加する。一般的には、セラミックス粒子の混合粉末全体に対する割合は５vol％〜４０vol％程度が望ましいが、タングステン粒子と合わせた場合の合計の割合は５vol%〜７０vol％程度とするのが好ましい。
Ｂ４ＣやＡｌ２Ｏ３等のセラミックス粒子の平均粒径は任意であるが、１〜３０μｍが好ましい。アルミニウム粉末の平均粒径に関連して説明したように、これら二種の粉末間の粒径差は、要求される仕様により適宜選択される。例えば、セラミックス粒子の平均粒径は、５μｍ以上２０μｍ以下とすることがより好ましい。ここで、セラミックス粒子の平均粒径が２０μｍより大きいと、切断時に鋸歯が直ぐに摩耗してしまう問題がある。また、セラミックス粒子の平均粒径が５μｍより小さいと、これら微細粉末同士で凝集が起こり易くなり、アルミニウム粉末との均一混合が非常に困難になるおそれがある。
なお、本発明のタングステン粒子、セラミックス粒子の平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定法による値を示す。セラミックス粒子の粉末形状も限定されず、例えば、涙滴状、真級状、回転楕円体状、フレーク状、不定形状等のいずれであってもよい。
＜スキン材を構成するためのケース＞
本発明の金属基複合材の製造方法において用いられるケース（上ケース及び下ケース、ケース本体及びプラグ部材）としては、混合粉末との密着性に優れかつ圧延加工に適したアルミニウム製又はステンレス鋼製である。例えば、アルミニウム製のケースの場合、純アルミニウム（ＪＩＳ１０５０、１０７０等）が好適に用いられる。他方、ケース材料として、Ａｌ−Ｃｕ系合金（ＪＩＳ２０１７等）、Ａｌ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ５０５２等）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（ＪＩＳ６０６１等）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ７０７５等）、Ａｌ−Ｍｎ系合金等、種々のタイプの合金素材も使用することができる。
如何なる組成のアルミニウムを選択するかは、所望される特性、コスト等々を考慮して決定される。例えば、加工性や放熱性を高めたい場合には、純アルミニウムが好ましい。純アルミニウムは、アルミニウム合金の場合に比べて原料コストの面で有利でもある。また更に強度や加工性を高めたい場合には、Ａｌ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ５０５２等）が好ましい。更に、中性子吸収能を更に高めたい場合には、Ｈｆ、Ｓｍ、Ｇｄ等の中性子吸収能を備えた少なくとも１種の元素を、好ましくは１〜５０質量％添加することができる。
（２）製造工程の説明
＜２−１：混合粉末調整工程＞
アルミニウム粉末とタングステン粒子とが用意され、これら粉末が均一に混合される。アルミニウム粉末は一種のみでもよいし複数種を混合してもよい。更にセラミックス粒子を混合する場合、セラミックス粒子は一種のみでもよいし、複数種、例えばＢ４Ｃ及びＡｌ２Ｏ３を混合してもよい。アルミニウム粉末とタングステン粒子との混合の方法は、公知の方法でよく、例えばＶブレンダー、クロスロータリーミキサー等の各種ミキサー、振動ミル、遊星ミル等を使用し、所定の時間（例えば１０分〜１０時間程度）混合すればよい。また、混合は、乾式又は湿式の何れであってもよい。また、混合の際に解砕の目的で、アルミナやＳＵＳボール等の研磨メディアを適宜加えてもよい。
尚、基本的に、この混合粉末調整工程では、アルミニウム粉末とタングステン粒子とを混合して混合粉末を調製し、この粉末混合粉末をそのまま次工程に送る工程である。
＜２−２：ケース準備工程＞
このケース準備工程においては、上述した混合粉末調整工程で製造された混合粉末を充填する中空扁平状の典型的にはアルミニウム製のケースが準備される。
この場合、具体的には、下ケース１２と上ケース１４とが、ケース１０を構成するために準備される。この下ケース１２はアルミニウム製であり、図１に示すように互いに対向する側板１２Ａ，１２Ｂ、前板１２Ｃ、後板１２Ｄと、図２Ｂに示すように底板１２Ｅとを備える形状に形成されている。上ケース１４は、アルミニウム製であり、下ケース１２の材料と同一の材料から形成されており、図１に示すように互いに対向する側板１４Ａ，１４Ｂ、前板１４Ｃ、後板１４Ｄと、図２Ｂに示すように上板１４Ｅとを備える形状に形成されている。更に詳細には、下ケース１２は、上面が開放された有底直方体状に形成されており、上ケース１４は、この開放上面を閉塞する閉塞部材として機能するものであり、この下ケース１２の上方から、これの外周を覆うように嵌合される略直方体状に形成されている。即ち、上ケース１４は、下ケース１２よりも嵌合可能に僅かに大きいサイズを有して形成されている。
＜２−３：補強枠準備工程＞
後に説明する充填工程を経た後、ケース１０の外周、詳細には、図２Ａに示すように、圧延時の姿勢における外周面を補強するための補強枠１６が準備される。ここで、ケース１０の圧延時の姿勢とは、ケース１０の長手方向（ケースの平面形状が正方形である場合には、何れかの中心軸線）が圧延方向に沿うと共に、これの延出面が水平方向に沿う姿勢を意味する。
この補強枠１６は、上ケース１４の圧延方向に沿う両方の側板１４Ａ，１４Ｂに、この圧延方向に沿って延出する状態で各々固着される第１及び第２の補強部材１６Ａ、１６Ｂと、この上ケース１４の圧延方向に直交する前板１４Ｃ及び後板１４Ｄに、圧延方向に直交する方向に沿って延出する状態で各々固着される第３及び第４の補強部材１６Ｃ，１６Ｄを備えて構成されている。
ここで、第１及び第２の補強部材１６Ａ、１６Ｂは、各々が取り付けられる上ケース１４の側板１４Ａ，１４Ｂの、圧延方向に沿う両端が、対応する側板１４Ａ，１４Ｂよりも各々前後に延出する長さを有するように、形成されている。また、第３及び第４の補強部材１６Ｃ，１６Ｄは、各々が取り付けられる上ケース１４の前板１４Ｃ及び後板１４Ｄの、延出方向に直交する方向の長さと同一の長さを有するように形成され、第１及び第２補強部材１６Ａ，１６Ｂに固定又は固着されている。
＜２−４：充填工程＞
次に、上述した混合粉末調製工程で調整した混合粉末Ｍが下ケース１２内に充填される。この充填工程は、混合粉末Ｍを均一投入する作業で実施される。この際、均一投入作業と同時並行的に下ケース１２に対してタッピング、即ち、機械的詰め込み作業を実施し、粉体としての充填密度を上げる。このタッピングにより、混合粉末の理論充填率３５％から６５％の範囲となるようにする。
具体的には、図３Ａに示すように、下ケース１２を、上面が開放された状態で所定の充填位置に置く。次に、図３Ｂに示すように、下ケース１２上に、延長スリーブ２０を下ケース１２に重ね合わせる。ここで、この延長スリーブ２０は、下ケース１２上に重ねあわされた状態で、下ケース１２の上縁に全周に渡り密着する下縁を有するスリーブ本体２０Ａと、このスリーブ本体２０Ａの下縁の外周に外方に突出する状態で一体的に形成され、下ケース１２上に重ねあわされた状態で、下ケース１２の上縁外周に外側から嵌合するスカート部２０Ｂとを備えて構成されている。
このように、下ケース１２上に延長スリーブ２０が重ね合わせた状態で、図３Ｃに示すように、下ケース１２と延長スリーブ２０との重ねあわされた空間内に、混合粉末Ｍを投入する。
この後、内部に混合粉末Ｍが投入された状態で、下ケース１２と延長スリーブ２０とを、タッピングする。この結果、図３Ｄに示すように、下ケース１２と延長スリーブ２０との重ねあわされた空間内で、混合粉末Ｍはその充填密度を上げられ、この充填密度の上昇に伴い、混合粉末Ｍの上面は下降することになる。
そして、所定のタッピング時間が経過して、混合粉末Ｍが所望の充填密度になると、タッピングを停止し、延長スリーブ２０を上方に持ち上げる。この結果、図３Ｅに示すように、下ケース１２内には、稠密になされてその形状を保持した状態で、混合粉末Ｍが残ることになる。そして、図示するように、下ケース１２に残った混合粉末Ｍは、延長スリーブ２０内に位置していた部分が、下ケース１２の上方に突出した状態となる。
この後、下ケース１２の上縁に沿って、スクレーパー２２を移動させることにより、下ケース１２の上方に突出した混合粉末Ｍの部分が、側方に擦り切られ、図３Ｆに示すように、擦り切られた混合粉末Ｍは回収箱２４内に回収されることになる。尚、回収箱２４に回収された混合体Ｍは、後に、上述したブレンダーに戻されて、再び、攪拌された上で、再利用に供されることになる。
一方、このように、擦り切られることにより、下ケース１２内には、充填密度が上げられた状態で、混合粉末Ｍがフルに充填されることになる。換言すれば、下ケース１２内に充填された混合粉末Ｍの上面は、下ケース１２の上縁と面一な状態となる。
この後、図３Ｇに示すように、上ケース１４を下ケース１２に上方から嵌合して、下ケース１２の開放上面を閉塞した状態で、図３Ｈに示すように、内部に混合粉末Ｍがフルに充填された被圧延体１８を構成する。
ここで、図３Ｈに示す被圧延体１８の状態は、本発明の金属基複合材を製造するための「素材」（後述する圧延工程において、圧延の対象となる素材の意味。）として、極めて重要な意味を持つものである。即ち、詳細は後述するが、この被圧延体１８を圧延することにより得られる両面クラッド構造において、下ケース１２の底板１２Ｅが、最下層（下スキン材）を規定し、混合体Ｍが中間層（コア材を構成）を規定し、上ケース１４の上板１４Ｅが、最上層（上スキン材）を規定するものである。
そして、この両面クラッド構造が、充分な機械的特性を発揮するために、隣接する互いの層が密着している必要があるが、この発明においては、混合体Ｍの下面と下ケース１２の底板１２Ｅの上面とが、全面に渡り密着しているのと同様に、混合体Ｍの上面と上ケース１４の上板１４Ｅの下面とが、全面に渡り密着している状態が、達成されている。この結果、圧延後の両面クラッド構造において、互いに隣接する層間は、互いに密着した状態で圧延されることにより、互いに強固に接合されることになり、従って、後述するように、その機械的強度が充分に担保されることになる。
次に、補強枠１６で被圧延体１８を補強する作業を実施する。この補強作業は、図２Ｂに示すように、被圧延体１８の圧延時の姿勢における上下両面を除く外周を、補強枠１６で囲むことにより実施する。
詳細には、第１及び第２の補強部材１６Ａ，１６Ｂを、上ケース１４において各々が取り付けられる側面１４Ａ，１４Ｂの、圧延方向に沿う両端（即ち、先端及び後端）が、対応する側面１４Ａ，１４Ｂよりも各々前後に延出した状態で仮止めする。次に、第３の補強部材１６Ｃの両端が、第１及び第２の補強部材１６Ａ，１６Ｂの、圧延方向に沿う先方端部に各々当接し、第４の補強部材１６Ｄの両端が、第１及び第２の補強部材１６Ａ，１６Ｂの、圧延方向に沿う後方端部に各々当接する状態で、仮止めする。
このように補強枠１６を被圧延体１８に仮止めした状態で、この被圧延体１８を真空炉に入れ、所定の真空度で減圧して、脱ガスする。
この脱ガス作業が終了した後、仮止めした補強枠１６を被圧延体１８にＭＩＧ溶接により固着する。このＭＩＧ溶接は、補強枠１６の上縁と、上ケース１４の上縁とを全周に渡り溶接すると共に、補強枠１６の下縁と、上ケース１４の下縁とを全周にわたり溶接することにより実施する。ここで、上ケース１４の下縁と、下ケース１２の下縁とは、緊密に隣接した状態となっている。この結果、補強枠１６の下縁と上ケース１４の下縁とを溶接する時点で、下ケース１２の下縁も共に溶接されることとなり、この結果、ケース１０は全体として気密に密封されることになる。
ここでケース１０は気密に密封されることになるため、被圧延体１８内に空気が存在すると（残留していると）、これが欠陥として残る可能性がある。このため、圧延工程において空気が被圧延体１８内から逃げて内部に残らないようにするために、上ケース１４の上面の４隅に空気抜きの穴（図示せず）を形成する。尚、この穴の形成により、溶接時に被圧延体１８内に入り込んだガスが除去される効果も期待できる。
＜２−５：予熱工程＞
このように補強枠１６で補強された被圧延体１８を、圧延する前に、予熱する。この予熱は、加熱炉において、３００℃〜６００℃の範囲の大気中の雰囲気で２時間以上放置することにより実施する。ここで、予熱雰囲気としては、大気中で行うことに限定されることなく、アルゴン等の不活性ガス中で行うことはより好ましいものであり、また、より好ましくは、５Pa以下の真空雰囲気中で行われるものである。
＜２−６：圧延工程＞
この圧延工程は、被圧延体１８に圧延により塑性加工を実施するものであるが、この被圧延体１８において本発明において特有の効果をもたらす状況を、先ず、説明する。
即ち、圧延工程に供せられる被圧延体１８は、圧延対象となる混合粉末は、粉体のままであり、何ら固化する状況となっていない。被圧延体１８内においては、上述したタッピングにより充填率は上げられているものの、それは、固化する程度のものではなく、粉体としての状況が維持されたものである。
また、圧延工程に供せられるに際して、粉体としての混合粉末Ｍは、その上下をアルミニウム板で挟み込まれた状況となっている。具体的には、混合粉末Ｍの上面は、上ケース１４の天板部１４Ｅにより全面的に、且つ、緊密に覆われているものであり、混合粉末Ｍの下面は、下ケース１２の底板部１２Ｅにより全面的に、且つ、緊密に覆われているものである。このようにして、この被圧延体１８は、混合粉末Ｍをケース１０内に充填して密封した状態で、混合粉末Ｍを上下からアルミニウム板で挟み込んだ両面クラッド構造としての板状クラッド材の「素材」が規定されているものである。
予熱された被圧延体１８は、圧延加工を施され、目的とする形状に成形される。板状クラッド材を作製する場合は、冷間圧延のみでＡｌ板材やＡｌ容器との所定のクラッド率を有するクラッド板材を得ることも可能である。熱間塑性加工で一つの加工を行ってもよいし、複数の加工を組み合わせてもよい。また熱間塑性加工後、冷間塑性加工を行ってもよい。冷間塑性加工を行う場合は、加工前に３００〜６００℃（好ましくは４００〜５００℃）で焼鈍を行うと加工が行いやすくなる。
被圧延体１８はアルミニウム板（あるいはステンレス鋼板）によってクラッドされているので、その表面には塑性加工の際に破壊の基点となったり、ダイス等を摩耗させたりするセラミックス粒子は無い。そのため、圧延加工性が良好であり、強度や表面性状の優れた金属基複合材を得ることができる。また得られた熱間塑性加工材は、表面が金属でクラッドされ、表面の金属と内部の混合粉末Ｍとの密着性もよいので、表面を金属材にクラッドされていないコア材のみの状態よりも、耐食性、耐衝撃性、熱伝導性に優れる。
好適な他の実施形態では、圧延加工を施す前に、被圧延体１８の表面を金属製の保護板、例えばＳＵＳ又はＣｕ製の薄板で覆うことも有効である。これにより、塑性加工時に生じる恐れのある前後方向の割れや亀裂等を未然に防止することができる。
更に詳細には、圧延工程は、より具体的には、圧下率１０〜７０％の範囲で１０〜１４パスを繰り返し実施しての熱間圧延を行うことにより実施される。この熱間圧延における圧延温度は５００℃に設定されている。
尚、この熱間圧延で所望の最終厚さに仕上げてもよい。また、この熱間圧延の後、２００℃〜３００℃の範囲で温間圧延をしてもよい。更に、この温間圧延の後、２００℃以下の温度で第２回の温間圧延を実施しても良い。
そして、圧延工程が終了した後、３００℃〜６００℃の範囲で所定時間の熱処理工程、即ち、焼鈍工程を実施する。この焼鈍工程の後、冷却工程を実施して、所望の平坦度に矯正工程を実施して、両側縁、先端縁、後端縁を、各々切り落として、所定の製品形状すなわち両面クラッド構造の金属基複合材を得る。
以下に、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
本発明によりγ線吸収機能を有する金属基複合材を製造した。
＜コア用混合粉末の調製＞
コア材用を構成するために下記原料を表１に示す配合比で混合して、混合粉末とした。
表１中で、サンプル１〜１４はγ線吸収機能を有する金属基複合材のコア材の配合組成である。
混合は、Ｖブレンダーを用い、３ｈ行った。
〔コア材用原料〕
・Ａｌ粉末（Ｄ50≒10μｍ）
・Ｗ粉末（純度99.8%，D50=18.5μm）
＜ケースの作製＞
スキン材を構成するためのケースを作製した。
〔スキン材用原料とケース寸法〕
・Ａｌ板（A5052）
・ケース（内寸190×150×58，板厚3mm）
・補強枠（厚さ10mm）
上記Ａｌ板をＴＩＧ溶接して上記寸法のケースを作製した。
ケースは図１を参照して前述したように上ケース、下ケースから成る。
図２Ａを参照して説明したように、補強枠を備えている。
＜混合粉末の充填（被圧延体の作製）＞
前出の＜２−４：充填工程＞で説明した手順に従って、目標充填率５０％で手充填をおよびタッピングを行い表２の充填率を得た。
＜圧延＞
上記の被圧延体を５００℃に加熱し、複数パスで熱間圧延を行い、最終厚さ３ｍｍおよび６ｍｍとした。表面割れやしわは発生せず平滑な圧延表面が得られた。クラッド率は全サンプルについてほぼ１７％であった。
＜焼鈍＞
圧延後に４５０℃の歪取り焼鈍を行った。
＜補強材の除去＞
焼鈍済の圧延材の前後端と両側縁を切り落して補強材を除去し、本発明の金属基複合材を得た。
＜＜検査＞＞
＜組織観察＞
各サンプルの断面（L-ST断面）について、鏡面研磨面を光学顕微鏡により組織観察した。図４〜図９に代表的な組織写真を示す。いずれも、コア材用混合粉末が加圧一体化され、Ａｌ粉末が加圧一体化されたマトリックス（白色）中に、Ｗ粒子（灰色）と（サンプル７〜１０は更にＢ４Ｃ粒子（黒色）と）が分散した組織が確認された。また、ケースが加圧扁平化したスキン材（各写真「スキン材近傍」の視野の上縁部）がコア材と密着していることも確認される。
＜γ線遮蔽率の測定＞
床から１ｍの高さで、線源に検出器測定中心までの距離を２５ｃｍとし、その間に試料がある場合とない場合の線量率について、それぞれ１０回測定した平均値からバックグラウンドの線量率を差し引いた値より、下式により遮蔽率を求めた。
遮蔽率 ＝ （１−試料有りの線量率／試料無しの線量率）×１００
線源：コバルト６０線源 １０MBｑ
測定器 ： Nalシンチレーションサーベイメータ
各サンプルのγ線遮蔽率を表３に示す。
まず試料１５および試料１６は１０７０アルミニウム材であるが、γ線の遮蔽率においては、コア材にタングステン粉末を複合化させた試料１〜試料１４の方が同じ板厚で比較した際の遮蔽効果は高い。そしてタングステン粉末の量が多ければ多いほど遮蔽効率は高まるが、それに比例して部材の密度（単位面積当たりの重量）も増加する。試料１７および試料１８では鉛材の遮蔽率を示しており、遮蔽効率は高いが密度も大きい。しかしながら、試料１３および試料１４の金属複合材の遮蔽率は、それらに匹敵する程度の遮蔽効果を示している。本発明によれば、コア材のマトリックス中のタングステンの量を調整することで、用途に応じた遮蔽率および密度を調整することができる。
また、表４に示すように、試料１９〜６６では、WとＢ４Ｃを分散させた試料であるが、それぞれの合計が５vol%〜７０vol％の範囲である試験体の中性子及びγ線の遮蔽率を測定したものである。試験の結果、WとＢ４Ｃの分散量に比例した中性子及びγ線の遮蔽効果があることが分かり、板厚と遮蔽率の関係性についても、試料１〜１４で得られたように比例関係にあることが判明した。よってWとＢ４Ｃを同時に分散させても、それぞれの含有量に応じた電磁波の遮蔽率を得られることが分かった。尚、試料１９〜６６におけるWとＢ４Ｃを分散させた試料の金属基複合材の実施については、前述のコア材がWとAlからなる金属基複合材に準ずるものとする。
本発明によれば、軽量でかつ十分な放射線吸収機能を有し、強度、耐食性、加工性、耐衝撃性、熱伝導性、作業性にも優れた金属基複合材およびその製造方法が提供される。
１０ ケース
１２ 下ケース
１４ 上ケース
１８ 被圧延体
２０ スリーブ
２２ スクレーパー
２４ 回収箱
Ｍ 混合粉末

Claims (14)

  1. アルミニウム粉末が加圧一体化されて成るマトリックス中にタングステン粒子が分散して成るコア材を、アルミニウム板から成る一対のスキン材の間に密着させて挟み込んだ両面クラッド構造を有し、前記タングステン粒子は前記コア材中に５vol％〜７０vol％含有されていることを特徴とする金属基複合材。
  2. 請求項１において、
    前記スキン材の厚さは、前記金属基複合材全体の厚さの１０％〜２５％であることを特徴とする金属基複合材。
  3. 請求項１または２のいずれか１項において、
    前記コア材は、前記マトリックス中に更にセラミックス粒子が分散して成ることを特徴とする金属基複合材。
  4. 請求項３において、
    前記セラミックス粒子がＢ４Ｃ粒子であることを特徴とする金属基複合材。
  5. 請求項４において、
    前記Ｂ４Ｃ粒子が、前記コア材中に前記タングステン粒子と合計で５vol％〜７０vol％含有されていることを特徴とする金属基複合材。
  6. 請求項１において、
    前記スキン材が、前記アルミニウム板に替えてステンレス鋼板から成ることを特徴とする金属基複合材。
  7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の金属基複合材の製造方法であって、
    （ａ）前記マトリックスを構成するためのアルミニウム粉末と、前記タングステン粒子から成るタングステン粉末とをタングステン粒子の配合量を５vol％〜７０vol％として混合して、前記コア材を構成するための混合粉末を形成する工程、
    （ｂ）前記スキン材を構成するためのアルミニウム板から成り相互にシール可能に形成された下ケースおよび上ケースを含むケースを準備する工程と、
    （ｃ）前記下ケース内に、前記混合粉末を充填する工程と、
    （ｄ）前記下ケースに前記上ケースを被せてシールすることにより、前記混合粉末が充填された前記ケースから、被圧延体を準備する工程と、
    （ｅ）前記被圧延体を、前期混合粉末が固相状態を維持するように予熱する工程と、
    （ｆ）前記予熱工程で予熱された前記被圧延体を圧延して、前記金属基複合材とする工程
    を含むことを特徴とする金属基複合材の製造方法。
  8. 請求項７において、
    前記充填工程（ｃ）は、前記混合粉末の充填密度を高めるためのタッピング操作を含むことを特徴とする金属基複合材の製造方法。
  9. 請求項７または８のいずれか１項において、
    前記充填工程（ｃ）は、前記混合粉末の上面を前記ケースの上縁と面一の状態になされるよう操作を含むことを特徴とする金属基複合材の製造方法。
  10. 請求項７から９までのいずれか１項において、
    前記混合工程（ａ）において、前記セラミックス粒子から成るセラミックス粉末を更に混合することを特徴とする金属基複合材の製造方法。
  11. 請求項１０において、
    前記セラミックス粉末はＢ４Ｃ粉末であることを特徴とする金属基複合材の製造方法。
  12. 請求項１１において、
    前記Ｂ４Ｃ粉末は前記混合粉末全体に対して、前記タングステン粒子と合計で５vol％〜７０vol％添加することを特徴とする金属基複合材の製造方法。
  13. 請求項７から１２までのいずれか１項において、
    前記スキン材として前記アルミニウム板に替えてステンレス鋼板を用いることを特徴とする金属基複合材の製造方法。
  14. 請求項７から１３までのいずれか１項記載の製造方法により製造されたことを特徴とする金属基複合材。
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