JP6094724B1

JP6094724B1 - チタン複合材および熱間加工用チタン材

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Publication number: JP6094724B1
Application number: JP2016567280A
Authority: JP
Inventors: 知之北浦; 善久白井; 藤井　秀樹; 秀樹藤井
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2036-07-29
Also published as: TW201718889A; JPWO2017018510A1; TWI598446B; WO2017018510A1

Abstract

第一表層部２と、内層部４と、第二表層部３とを備えるチタン複合材１であって、第一表層部２および第二表層部３がチタン合金からなり、内層部４が、空隙を有する工業用純チタンからなり、第一表層部２および第二表層部３の少なくとも一方の化学組成が、質量％で、Ｂ：０．１〜３．０％、残部：Ｔｉおよび不純物であり、第一表層部２および第二表層部３の少なくとも一方の厚さが、チタン複合材１の全厚さに占める割合が５〜４０％であり、空隙の板厚方向に垂直な断面における体積率が、０％を超えて３０％以下である、チタン複合材。

Description

本発明は、チタン複合材および熱間加工用チタン材に関する。

チタン材は、耐食性、耐酸化性、耐疲労性、耐水素脆化性、中性子遮断性などの特性に優れている。これらの特性は、チタンに様々な合金元素を添加することにより達成することができる。

原子力発電関連設備などの放射性廃棄物を取り扱う設備では、熱中性子を遮蔽可能な中性子線遮蔽板が使用される。中性子遮蔽効果は、天然のＢの中に１９．９％存在するボロン１０（^１０Ｂ）が最も高い。Ｂを含有するステンレス鋼などが中性子線遮蔽板の素材として一般的に使用されている。

特公昭５８−６７０４号公報（特許文献１）には、クーナコパイト（２ＭｇＯ・３Ｂ_２Ｏ_２・１３Ｈ_２Ｏ）、メーヤホツフェライト（３ＣａＯ・３Ｂ_２Ｏ_２・７Ｈ_２Ｏ）、コレマナイト（２ＣａＯ・３Ｂ_２Ｏ_２・５Ｈ_２Ｏ）などの結晶水を含有するボレート骨材と半水石膏、カルシウムアルミネート系セメントなどの無機接着剤を水と混練成型した硬化成形体であって、Ｂを５質量％以上含有する中性子線遮断材が開示されている。しかし、特許文献１により開示された中性子線遮蔽材はセメントからなるため、耐食性、製造性さらには加工性の点で問題がある。

ステンレス鋼よりも耐食性の優れるＢ含有チタン合金を中性子線遮断材に用いることも検討されている。例えば、特公平１−１６８８３３号公報（特許文献２）には、質量％でＢを０．１〜１０％含有し、残部がチタン及び不可避的不純物からなるボロン含有チタン合金の熱延板を用いることが開示されている。

さらに、特開平５−１４２３９２号公報（特許文献３）には、中空状金属ケーシング内に、ホウ素含有物（ＮａＢ_４Ｏ_７、Ｂ_２Ｏ_３やＰｂＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３など）の流動物とその中に混入した金属酸化物とを充填して、固化状態とした放射線遮蔽材が開示されている。特許文献３によれば、ボロンや水素によって主として中性子線を遮断し、かつ、ケーシングおよびその中の金属などによってガンマ線を遮断する。

特公昭５８−６７０４号公報特公平１−１６８８３３号公報特開平５−１４２３９２号公報

特許文献２により開示された熱延板は、Ｂ含有量が高いためにコストの上昇は否めないとともに、加工性も良好ではなく、中性子線遮蔽板として用いることが実際には難しい。

さらに、特許文献３により開示された放射線遮蔽材は、金属製のケーシング材の中にホウ素含有物を充填したものであり、ホウ素含有物を充填した後の加工が難しい。

本発明は、中性子遮断性を向上させるために添加する合金元素の含有量（目標特性を発現する特定の合金元素の使用量）を低減し、かつ、チタン材の製造コストを抑制することにより、安価に所望の特性を有するチタン材を得ることを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、下記のチタン複合材および熱間加工用チタン材を要旨とする。

（１）第一表層部と、
内層部と、
第二表層部と、を備えるチタン複合材であって、
前記第一表層部および前記第二表層部がチタン合金からなり、
前記内層部が、空隙を有する工業用純チタンからなり、
前記第一表層部および前記第二表層部の少なくとも一方の化学組成が、質量％で、
Ｂ：０．１〜３．０％、
残部：Ｔｉおよび不純物であり、
前記第一表層部および前記第二表層部の前記少なくとも一方の厚さが、前記チタン複合材の全厚さに占める割合が５〜４０％であり、
前記空隙の板厚方向に垂直な断面における体積率が、０％を超えて３０％以下である、
チタン複合材。

（２）前記工業用純チタンの化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１％以下、
Ｈ：０．０１５％以下、
Ｏ：０．４％以下、
Ｎ：０．０７％以下、
Ｆｅ：０．５％以下、
残部：Ｔｉおよび不純物である、
上記（１）に記載のチタン複合材。

（３）筐体と、
前記筐体内に充填された、スポンジチタン、スポンジチタンを圧縮したブリケットおよび工業用純チタンスクラップから選択される１種以上と、を備え、
前記筐体の一部であって、熱間加工後に表層を構成する部分が、チタン合金からなり、
前記チタン合金の化学組成が、質量％で、
Ｂ：０．１〜３．０％、
残部：Ｔｉおよび不純物である、
熱間加工用チタン材。

本発明に係るチタン複合材は、その表層部がチタン合金からなり、その内層部が工業用純チタンからなるものであるから、全体が同一のチタン合金からなるチタン材と比較して、同等の中性子遮断性を有するが、安価に製造することができる。

図１は、本発明に係るチタン複合材の構成の一例を示す説明図である。図２は、本発明に係るチタン複合材の熱間加工用素材であるチタン材の構造を示す説明図である。図３は、Ｔｉ−Ｂ合金板を組み立ててスラブ状にした筐体の中にスポンジチタンおよびスクラップを充填したチタン材の模式図である。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ね、最終製品のチタン板の表層部のみを合金化することにより、目標特性を発現する特定の合金元素の使用量を低減し、かつ、チタン材の製造コストを抑制するべく、鋭意検討を行った結果、チタン合金材からなる筐体中に、比較的安価なスポンジチタンなどの材料を減圧下で充填・封入しておき、このチタン材を熱間加工してチタン複合材とする方法を見出した。

本発明は上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本発明に係るチタン複合材およびその熱間加工用のチタン材を、図面を参照しながら説明する。なお、以降の説明では、各元素の含有量に関する「％」は特にことわりがない限り「質量％」を意味する。

１．チタン複合材
１−１．全体構成
図１に示すように、本発明に係るチタン複合材１は、第一表層部２と、内層部４と、第二表層部３とを備えるチタン複合材１であって、第一表層部２および第二表層部３がチタン合金からなり、内層部４が、空隙が存在する工業用純チタンからなる。このように、このチタン複合材における中性子遮断性は、外部環境に接する表層部（第一表層部２、第二表層部３）によって担保される。そして、第一表層部２および第二表層部３は、工業用純チタンよりも各種性能に優れるチタン合金で構成されている。

このチタン複合材１全体が同一のチタン合金からなるチタン材と比較して、同等の特性を有するが、安価に製造することができる。

１−２．第一表層部および第二表層部
（厚さ）
第一表層部２および第二表層部３のうち外部環境に接する表層部の厚さが薄過ぎると、中性子線遮蔽効果を十分に得られない。一方、第一表層部２および第二表層部３が厚い場合には中性子線遮蔽効果は向上するものの、素材全体に占めるチタン合金の割合が増すため、製造コストが上昇する。このため、チタン複合材１の全厚に対する第一表層部２および第二表層部３の少なくとも一方（少なくとも外部環境に接する表層部）の厚さは、５〜４０％とする。

中性子線遮蔽効果は、上記のチタン複合材１の全厚さに対する第一表層部２および第二表層部３の厚さおよび加工率と相関する。例えば、２０ｍｍ厚の筐体６を用いた１００ｍｍ厚の熱間加工用チタン材５を熱間加工して、１０ｍｍ厚のチタン複合材１を製造した場合、チタン複合材１中の第一表層部２および第二表層部３のチタン合金層の厚さは、それぞれ２ｍｍでチタン複合材１の全厚の２０％（両面合わせると４０％）を占める。

なお、第一表層部２および第二表層部３の厚さを厚くするためには、筐体６を製造する際に貼り合わせる合金板の板厚を厚くすればよい。しかしながら、合金板の板厚があまりに大きくなり過ぎると、合金板を溶接して筐体６にすることが困難になる。そのため、もともとの熱間加工用チタン材５の厚さを小さくすることにより、チタン材５の全厚さに対する合金板の割合を相対的に高くすればよい。

（化学成分）
本発明に係るチタン複合材１では、第一表層部２および第二表層部３に中性子線遮蔽効果を具備させるために、合金元素が含有される。以下に、添加元素の選択理由と、その添加量範囲を限定する理由を詳しく説明する。

Ｂ：０．１〜３．０％
Ｂの中には、^１０Ｂが１９．９％存在するが、この^１０Ｂは、熱中性子の吸収断面積が大きく、中性子線の遮蔽効果が大きい。Ｂ含有量が０．１％未満では中性子線遮蔽効果を十分得られず、Ｂ含有量が３．０％を超えると熱間圧延時の割れおよび加工性の劣化を引き起こすおそれがある。

ここで、Ｂを含有するチタン合金は、チタンにＢまたはＴｉＢ_２などの硼化物を添加することで作製可能である。この他、Ｈ_３ ^１０ＢＯ_３、^１０Ｂ_２Ｏ^１０Ｂ_４Ｃなどの^１０Ｂ濃縮ほう素含有素材（^１０Ｂ含有量が概ね９０％以上）を用いると、Ｂ含有量が少なくても中性子線遮蔽効果が大きいため、極めて有効である。

Ｈ_３ ^１０ＢＯ_３、^１０Ｂ_２Ｏ、^１０Ｂ_４Ｃを使用する場合、合金層にＨおよびＯも濃化することになるが、Ｈは真空焼鈍などの熱処理時に素材から抜けるため問題とならず、ＯおよびＣは、工業用純チタンに含まれる上限以下の０．４質量％Ｏ以下、０．１質量％Ｃ以下であれば問題なく製造が可能である。

上記以外の残部は、Ｔｉおよび不純物である。不純物としては、目標特性を阻害しない範囲で含有することができ、その他の不純物は主にスクラップから混入する不純物元素としてＣｒ、Ｔａ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｍｎ、ＭｏおよびＣｕ等があり、一般的な不純物元素であるＣ、Ｎ、Ｆｅ、ＯおよびＨと併せて、総量で５％以下であれば許容される。

（用途）
粒子線治療、ＢＮＣＴ（ホウ素中性子捕捉療法）などの放射線療法の施設に、Ｂ含有量が３．０〜４．０質量％、板厚が１０〜１００ｍｍであるポリエチレン材料が用いられている。また、原子力関連設備では、核燃料保管用ラックに、Ｂ含有量が０．５〜１．５質量％、板厚が４．０〜６．０ｍｍであるステンレス鋼板が用いられている。第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量および厚さ（Ｂ濃化層厚さ）を調整したチタン複合材１を用いることにより、上記の材料と同等またはそれ以上の特性を発揮することが可能である。

１−３．内層部
（化学成分）
チタン複合材１の内層部４の純チタンの成分は、後述するように、製造する際に使用するスポンジチタンの成分に依存する。本発明に係るチタン複合材１では、ＪＩＳに規定される純チタンのうち、ＪＩＳ１種、ＪＩＳ２種、ＪＩＳ３種またはＪＩＳ４種の工業用純チタンを用いることができる。すなわち、０．１％以下のＣ、０．０１５％以下のＨ、０．４％以下のＯ、０．０７％以下のＮ、０．５％以下のＦｅを含有し、残部がＴｉである工業用純チタンである。

これらＪＩＳ１〜４種の工業用純チタンを使用すれば、十分な加工性を有しており、割れなどが発生せず、熱間加工後に表面のチタン合金と一体化したチタン材が得られる。ただし、チタンは活性な金属であるため、スポンジチタンの平均粒径が０．１ｍｍ以下の微粉になると質量当たりの表面積が大きくなり、実操業下においてＯのキャッチアップ（濃化）が不可避となることに留意が必要である。

チタン複合材の内層部のＯ含有率は所望の機械的特性に応じて調整することが可能であり、高い強度を必要とする場合には最大０．４％まで含有してもよい。Ｏ含有量が０．４％を超えると、割れなどが発生し、熱間加工後に表面のチタン合金と一体化したチタン材が得られなくなるおそれがある。一方、強度よりも延性が要求される場合には、Ｏ含有量をより低くすることが好ましく、０．１％以下であるのが好ましく、０．０５％以下であるのがより好ましい。

（空隙率）
本発明に係るチタン複合材１は、後述するチタン材５を素材として、熱間加工および冷間加工により製造される。この際、チタン材５中の純チタン部分に形成される空隙は、熱間加工および冷間加工にともない圧着されていくが、完全には除去されず一部は内層部４中に残存する。この内層部４中の空隙が多すぎると、バルク金属としての機械的特性（強度および延性）が低下するため、空隙は少ないほど望ましい。

ただし、空隙を完全に圧着させるためには大圧下が必要となり、製造されるチタン複合材１の形状（厚さ）が制限され、さらには、製造コスト高騰の要因となりうる。一方、チタン複合材１としての構造を維持するのに十分な機械的特性（強度および延性など）を有する程度に空隙が含有される場合には、内部チタンの密度が低くなるため、製造されるチタン複合材１の軽量化が期待できる。

この際、内層部４中の空隙率が３０％以下であれば、内層部４と第一表層部２および第二表層部３とが一体化したチタン複合材１として製造される。チタン複合材１を効率的に製造するためには、一定量を超えて熱間および冷間加工することが望ましく、この際の空隙率は１０％以下となる。

以上のように、バルク金属としての機械的特性が重要な場合には空隙率を低くし、素材の軽量化を優先する場合には空隙率を高くするなど、用途に応じて、空隙率を選択することが可能である。この際の内層部４中の空隙率は０％超３０％以下であることが望ましく、より望ましくは、０％超１０％以下である。

（空隙率の算出方法）
チタン複合材１の内層部４中に残存する空隙の割合（空隙率）は、次のように算出される。チタン材の断面が観察できるように樹脂に埋め込んだ後、ダイヤモンドまたはアルミナ研濁液を用いて観察面をバフ研磨して鏡面化仕上げする。この鏡面化仕上げした観察用試料を用いて、倍率５００倍で板厚中心部の光学顕微写真を撮影する。撮影した光学顕微鏡写真にて観察される空隙の面積割合を測定し、２０枚の測定結果を平均して、空隙率として算出する。観察に用いる顕微鏡は、通常の光学顕微鏡でも問題ないが、偏光観察が可能な微分干渉顕微鏡を用いることでより明瞭に観察できるため、使用することが望ましい。

２．チタン複合材の熱間加工用素材
図２は、チタン複合材１の熱間加工用素材である熱間加工用チタン材５の構造を示す説明図である。第一表層部２および第二表層部３がチタン合金からなるとともに、内層部４が純チタンからなるチタン複合材１は、例えば、図２に示すような、各種の特性を有するチタン合金材で全周を密封して筐体６とし、筐体６の内部にチタン塊７を充填し、筐体６の内部を減圧してチタン材５とし、このチタン材５を熱間加工用素材として熱間加工することにより、製造される。以下で、素材の各構成の詳細を説明する。

２−１．チタン塊
（化学成分）
本発明に係る熱間加工用チタン材５に充填するチタン塊７は、従来のクロール法等の製錬工程で製造された通常のチタン塊であり、その成分は、ＪＩＳ１種、ＪＩＳ２種、ＪＩＳ３種またはＪＩＳ４種に相当する工業用純チタンを用いることができる。

（形状）
チタン塊７は、スポンジチタン、スポンジチタンを圧縮したブリケットおよび工業用純チタンスクラップから選択される１種以上を含むものである。チタン塊７の大きさは、平均粒径で３０ｍｍ以下が好ましい。平均粒径が３０ｍｍより大きいと、搬送する際に取り扱いにくい、チタン材に入れにくいなどハンドリング時に問題があり、その結果、作業効率が悪くなる。また、筐体６中に充填した際の充填率が低くなる可能性があり、熱間加工により製造されるチタン複合材１の密度が低くなって、延性などの特性低下を招く要因となり得る。

一方、チタン塊７の大きさが小さすぎると、筐体６中に充填する際に粉塵が問題となって作業に支障をきたすおそれがあるだけでなく、質量当たりの表面積が大きくなり、ハンドリング中にＯの濃化が生じるおそれがある。このため、チタン塊７の平均粒径は０．１ｍｍ以上であることが好ましく、１ｍｍ以上であることがより好ましい。

なお、平均粒径が０．１ｍｍ以下の非常に細かい粉末として、ＭＭ（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＭｉｌｌｉｎｇ）処理を施した純チタン粉末を用いることが考えられる。ＭＭ処理とは、粉末および硬質ボールをポット内に入れて封入し、ポットミルを振動させることによって、粉末を微細化する処理である。ＭＭ処理後の微粉末の表面は活性な状態となっているため、ポット内から純チタン粉末を回収する際に大気中のＯおよびＮを吸収しないよう、不活性ガス化で取り扱う必要がある。

また、ＯおよびＮの濃度の低い純チタンをＭＭ処理すると、高延性であるため粉末同士が圧着したり、硬質ボールまたはポット表面に純チタンが圧着したりする。そのため、ＭＭ処理して得られる純チタン粉末の歩留が悪いという問題が生じる。このような理由により、ＭＭ処理による純チタン粉末の作製は多大な労力と費用とを必要とし、大量生産には不向きである。

チタン微粉末をスポンジチタンから水素化脱水素法で製造する方法もある。しかし、質量あたりの表面積が増加し、表面酸化によりＯ濃度が上昇しやすくなるため、材質の制御が難しくなる。したがって、スポンジチタンをそのまま使用する本発明の方が、品質・コストの面で優れている。

なお、スポンジチタンをプレス成形によりブリケットとして使用する場合には、スポンジチタンの一部または全てを、スクラップ（純チタンスクラップ）またはチタン粉末で代替してもよい。

２−２．筐体
（化学成分）
最終製品であるチタン複合材１の第一表層部２および第二表層部３のチタン合金をなすように、上述した合金成分のチタン合金を用いる。

（形状）
筐体６として用いるチタン合金材の形状は、熱間加工用素材として用いられるチタン材５の形状に依存するため、特に定形はなく、板材または管材などを用いることができる。ただし、熱間加工、冷間加工および焼鈍などの製造工程を経て製造されるチタン複合材１に、表層の合金化による高機能化および優れた表面性状を具備させるためには、筐体６に用いるチタン合金材の厚さが重要となる。

厚さが１ｍｍ未満と薄い場合、塑性変形に伴い熱間加工の途中で筐体６が破断して真空が破れて、内部のチタン塊７の酸化を招く。また、チタン材５の内部に充填されたチタン塊７の起伏がチタン材５の表面に転写されて、熱間加工中にチタン材５の表面で大きな表面起伏を生じる。これらの結果、製造されるチタン複合材１の表面性状および延性などの機械的特性、さらには中性子遮断性に悪影響を及ぼす。

また、仮に、熱間加工および冷間加工中に表面欠陥が発生しない場合においても、製造されるチタン複合材１中でチタン合金部分の厚みが局所的に薄くなって十分な中性子遮断性を発揮できない可能性がある。また、筐体６が過度に薄くなると内部に充填したチタン塊７の重量を支え切れないため、室温または熱間での保持中または加工中にチタン材５の剛性が不足して変形してしまう。

筐体６に用いるチタン合金材の厚さが１ｍｍ以上であれば、これら問題が発生することなく熱間加工を行うことができ、優れた表面性状と中性子遮断性を具備したチタン複合材１を製造できる。なお、チタン合金材の厚さを２ｍｍ以上とするとより好ましい。

一方、チタン合金材の厚さが厚くなり過ぎると、製造される熱間加工用チタン材５に占める筐体６の割合が増大し、相対的に、チタン材５に占めるチタン塊７の割合が低下するため、歩留りが低下してコスト高になる。

２−３．熱間加工用チタン材
次に、前記のチタン塊７と筐体６とを用いて製造される、チタン材５について説明する。

（形状）
チタン材５の形状は、特定の形状に限られるものではないが、製造されるチタン複合材１の形状によって決められる。板材の製造を目的とする場合は直方体形状のチタン材５が製造され、丸棒、線材または押出材の製造を目的とする場合には円柱形または八角柱等多角柱形状のチタン材５が製造される。チタン材５の大きさは、製品の大きさ（厚さ、幅、長さ）および製造量（重量）により決められる。

（内部）
筐体６で全周を密封して囲まれたチタン材５の内部には、チタン塊７が充填される。チタン塊７は塊状の粒であるため、粒と粒との間には空間（隙間）がある。チタン塊７のハンドリング性向上およびこれら隙間を少なくするために、予めチタン塊７を圧縮成形してからチタン材５に入れてもよい。チタン材５内の隙間に空気が残存していると、熱間加工前の加熱時にチタン塊７が酸化・窒化してしまい、製造されるチタン複合材１の延性が低下する。このため、チタン材５内を減圧して高真空度とする。

（真空度）
熱間加工時のチタン塊７の酸化・窒化を防止するためには、チタン材５の内部の真空度を１０Ｐａ以下、好ましくは１Ｐａ以下にする。チタン材５の内部圧力（絶対圧）が１０Ｐａより大きいと、残留している空気によりチタン塊７が酸化または窒化してしまう。下限は特に定めるものではないものの、真空度を極端に小さくするには、装置の気密性向上および真空排気装置の増強など製造コストの上昇に繋がるため、１×１０^−３Ｐａ未満にする必要はない。

（溶接）
筐体６を溶接する方法としては、ＴＩＧ溶接もしくはＭＩＧ溶接等のアーク溶接、電子ビーム溶接またはレーザー溶接等を用いることができ、特に限定されない。ただし、チタン塊７および筐体６の面が酸化または窒化されないように、溶接雰囲気は、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気とする。筐体６のつなぎ目を最後に溶接する場合は、チタン材５を真空雰囲気の容器（チャンバー）に入れて溶接を行い、チタン材５の内部を真空に保つのが好ましい。

３．チタン複合材の製造方法
次に、上記本発明のチタン材５を熱間加工用素材として熱間加工を行うチタン複合材１の製造方法について説明する。

チタン複合材（製品）１は、チタン材５を熱間加工用素材として、熱間加工を施して形成される。熱間加工の方法は、製品の形状によって選択することができる。

板材を製造する場合は、直方体形状（スラブ）のチタン材５を加熱して、熱間圧延を行いチタン板とする。必要に応じて、従来工程と同様に、熱間圧延後に表面の酸化層を酸洗などで除去した後、冷間圧延を行い、さらに薄く加工してもよい。

丸棒または線材を製造する場合は、円柱または多角形形状（ビレット）のチタン材５を加熱して、熱間圧延または熱間押出を行い、チタン丸棒または線材とする。また、必要に応じて、従来工程と同様に、熱間加工後に酸化層を酸洗などで除去した後、冷間圧延を行い、さらに細く加工してもよい。

さらに、押出形材を製造する場合は、円柱または多角形形状（ビレット）のチタン材５を加熱して、熱間押出を行い、種々の断面形状のチタン形材とする。

熱間加工前の加熱温度としては、通常のチタンスラブまたはビレットを熱間加工する場合と同様の加熱温度とすればよい。チタン材５の大きさまたは熱間加工の度合い（加工率）によって異なるが、６００℃以上１２００℃以下とすることが好ましい。加熱温度が低過ぎるとチタン材５の高温強度が高くなり過ぎるため、熱間加工中に割れの原因となり、また、チタン塊７および筐体（チタン合金部）６の接合が不十分となる。一方、加熱温度が高過ぎると得られたチタン複合材１の組織が粗くなるため、十分な材料特性が得られず、また、酸化により表面の筐体（チタン合金部）６が減肉されてしまう。加熱温度を６００〜１２００℃とすればこのような問題が発生することなく熱間加工を行うことができる。

熱間加工の際の加工の度合い、すなわち加工率は、チタン複合材１の内部の空隙率を制御するために選択することができる。ここでいう加工率は、チタン材５の断面積と熱間加工後のチタン複合材１の断面積の差を、チタン材５の断面積で除した割合（百分率）である。

加工率が低い場合には、チタン材５の内部のチタン塊７間の隙間が十分に圧着されないため、熱間加工後に空隙として残存する。このような空隙を多く含むチタン複合材１は、含有する空隙の分だけ、軽量となる。ただし、内部に存在する空隙が多いため、機械的特性が十分に発揮されない。一方、加工率が増大するとともに、空隙率は低下して機械的特性が向上する。このため、製造されるチタン複合材１の機械的特性が重要視される場合には、加工率は高い方が好ましい。

具体的には、加工率が９０％以上では、チタン材５の内部のチタン塊７の粒界の隙間を十分に圧着することができ、チタン複合材１の空隙を少なくすることができる。加工率は高いほど、チタン複合材１の空隙を確実に消滅させるために好ましいものの、チタン材５の断面積を大きくしなければならず、また、熱間加工を繰り返して何回も行わなければならなくなる。その結果、長い製造時間を要するなどの問題が生じるため、加工率は９９．９％以下にすることが好ましい。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
表１に示す試験Ｎｏ．１〜２６の中性子線遮蔽板は次の方法で製造される。

まず、筐体６のＴｉ−Ｂ合金板は、事前に、ＴｉＢ_２または^１０Ｂ濃縮ほう素（Ｈ_３ ^１０ＢＯ_３、^１０Ｂ_２Ｏ^１０Ｂ_４Ｃ）によりＢを添加して溶解したインゴットを熱間圧延することで作製した。熱間圧延後は、硝フッ酸からなる連続酸洗ラインを通板し、熱延板表面の酸化スケールを除去した。

このＴｉ−Ｂ合金板を、約８×１０^−３Ｐａの真空雰囲気下で電子ビーム溶接にて、スラブの５面に対応する位置に合金板を溶接することで中空の筐体６を作製した。

その筐体６の内部に、スポンジチタン、スポンジチタンを圧縮したブリケットおよび３０ｍｍ×３０ｍｍ×３０ｍｍ以下に細かく裁断したチタンスクラップから選択される１種以上を入れ、残り１面を同様に電子ビーム溶接することで、内部が真空の１００ｍｍ厚のチタン材５を作製した。

なお、合金板の厚みを変えることで、熱延板の全厚に対する表層部の比率を調整することができる。

図３は、このようにＴｉ−Ｂ合金板を組み立ててスラブ状にした筐体６の中にチタン塊７を充填したチタン材５の模式図である。

このチタン材５について、鉄鋼設備を用い、８００℃で２４０分間加熱した後、熱間圧延を行い、厚さ約４〜２０ｍｍの帯状コイルを製造した。

熱間圧延後の帯状コイルは、硝フッ酸からなる連続酸洗ラインを通板し、片面あたり約５０μｍ溶削し、その後、割れの発生状況について目視観察を行った。なお、表層部（Ｂ濃化層）の深さの測定方法は、酸洗後の熱延板の一部（長手方向の先端、中央、後端の３箇所について、幅方向中央部からそれぞれ採取）を切り出し、研磨したものを、ＳＥＭ／ＥＤＳ分析し、板厚に対する表層部の割合と表層部のＢ含有量とを求めた（観察箇所の中の平均値を採用した）。

また、長手方向の先端、中央、後端の３箇所について、幅方向中央部からＬ方向の曲げ試験片を計２０本採取し、ＪＩＳＺ２２４８（金属材料曲げ試験方法）に準拠して、曲げ試験を行った。試験温度は室温とし、３点曲げ試験により、１２０度までの曲げ角度で曲げ試験を行い、割れの発生有無を評価し、割れ発生率を求めた。

また、中性子線遮蔽効果の評価は、線源としてＡｍ−Ｂｅ（４．５ＭｅＶ）を用いて、線源から２００ｍｍの位置に５００ｍｍ×５００ｍｍ×４〜２０ｍｍ厚の試験片を固定した。検出器は、線源から３００ｍｍの位置に設置し、対象エネルギーのピーク値を、対照試験片の工業用純チタンＪＩＳ１種（４ｍｍ厚）と試験片（４〜２０ｍｍ厚）で放射線当量をそれぞれ測定し、その値の比から、中性子線遮蔽効果を評価した（工業用純チタンＪＩＳ１種の中性子線遮蔽効果を１として、各試験片の値を記載した）。

結果を表１にまとめて示す。

試験Ｎｏ．１〜１２の比較例および本発明例は、母材の品種を純チタンＪＩＳ１種とした場合である。

比較例である試験Ｎｏ.１は、筐体６としてＴｉ−Ｂ合金板ではなくＢを含有していない工業用純チタンを使用した場合である。熱延板には割れなど発生せず、曲げ試験でも割れが発生しなかった。

試験Ｎｏ．２は、第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量が３．０％を超えた場合である。熱延板には部分的に割れが発生しており、曲げ試験でも割れ発生率が高かった。

試験Ｎｏ．３は、第一表層部２および第二表層部３の比率が４０％を超えた場合である。熱延板には部分的に割れが発生しており、曲げ試験でも割れ発生率が高かった。

本発明例である試験Ｎｏ．４は、１００ｍｍ厚のチタン材５を２０ｍｍ厚まで熱間圧延した場合である。第一表層部２および第二表層部３の比率が５％であり、かつ、第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量が０．５％であるため、いずれも熱延板には割れが発生しておらず、曲げ試験でも割れが発生しなかった。

試験Ｎｏ．５〜９は、１００ｍｍ厚のチタン材５を１０ｍｍ厚まで熱間圧延しており、第一表層部２および第二表層部３の比率、Ｂ含有量、空隙率を変化させた場合である。第一表層部２および第二表層部３の比率が５〜４０％の範囲内であり、かつ、第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量が０．１〜３．０％の範囲内であるため、いずれも熱延板には割れが発生しておらず、曲げ試験でも割れが発生しなかった。

試験Ｎｏ．１０〜１２は、１００ｍｍ厚のチタン材５を４ｍｍ厚まで熱間圧延しており、第一表層部２および第二表層部３の比率やＢ含有量を変化させた場合である。第一表層部２および第二表層部３の比率が５〜４０％の範囲内であり、かつ、第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量が０．１〜３．０％の範囲内であるため、いずれも熱延板には割れが発生しておらず、曲げ試験でも割れが発生しなかった。

試験Ｎｏ．１３〜１９に示す本発明例は、母材の品種を純チタンＪＩＳ２種とした場合である。

試験Ｎｏ．１３は、１００ｍｍ厚のチタン材５を２０ｍｍ厚まで熱間圧延した場合である。第一表層部２および第二表層部３の比率が５〜４０％の範囲内であり、かつ、第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量が０．１〜３．０％の範囲内であるため、いずれも熱延板には割れが発生しておらず、曲げ試験でも割れが発生しなかった。

試験Ｎｏ．１４〜１６は、１００ｍｍ厚のチタン材５を１０ｍｍ厚まで熱間圧延しており、第一表層部２および第二表層部３の比率またはＢ含有量を変化させた場合である。第一表層部２および第二表層部３の比率が５〜４０％の範囲内であり、かつ、第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量が０．１〜３．０％の範囲内であるため、いずれも熱延板には割れが発生しておらず、曲げ試験でも割れが発生しなかった。

試験Ｎｏ．１７〜１９は、１００ｍｍ厚のチタン材５を４ｍｍ厚まで熱間圧延しており、第一表層部２および第二表層部３の比率またはＢ含有量を変化させた場合である。第一表層部２および第二表層部３の比率が５〜４０％の範囲内であり、かつ、第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量が０．１〜３．０％の範囲内であるため、いずれも熱延板には割れが発生しておらず、曲げ試験でも割れが発生しなかった。

試験Ｎｏ．２０〜２６の本発明例は、母材の品種を純チタンＪＩＳ３種とした場合である。

試験Ｎｏ．２０は、１００ｍｍ厚のチタン材５を２０ｍｍ厚まで熱間圧延した場合である。第一表層部２および第二表層部３の比率が５〜４０％の範囲内であり、かつ、第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量が０．１〜３．０％の範囲内であるため、いずれも熱延板には割れが発生しておらず、曲げ試験でも割れが発生しなかった。

試験Ｎｏ．２１〜２３は、１００ｍｍ厚のチタン材５を１０ｍｍ厚まで熱間圧延しており、第一表層部２および第二表層部３の比率またはＢ含有量を変化させた場合である。第一表層部２および第二表層部３の比率が５〜４０％の範囲内であり、かつ、第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量が０．１〜３．０％の範囲内であるため、いずれも熱延板には割れが発生しておらず、曲げ試験でも割れが発生しなかった。

試験Ｎｏ．２４〜２６は、１００ｍｍ厚のチタン材５を４ｍｍ厚まで熱間圧延しており、第一表層部２および第二表層部３の比率またはＢ含有量を変化させた場合である。第一表層部２および第二表層部３の比率が５〜４０％の範囲内であり、かつ、第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量が０．１〜３．０％の範囲内であるため、いずれも熱延板には割れが発生しておらず、曲げ試験でも割れが発生しなかった。

さらに、上述した手法による評価の結果、比較例である試験Ｎｏ．１では中性子線遮蔽効果を確認できなかったが、本発明例であるＮｏ．４〜２６では、いずれの場合でも、いずれも中性子遮蔽効果が１以上であり、中性子線遮蔽効果を確認することができた。

なお、核燃料保管用ラックに使用されているＢ含有量が０．５％であるステンレス鋼板（４ｍｍ厚）では、中性子遮蔽効果は２３．７である。試験Ｎｏ．６〜９、１２、１５、１６、１９、２２および２３は、このステンレス鋼板よりも高い中性子線遮蔽効果が得られた。

（実施例２）
表２に示す試験Ｎｏ．２７〜３８の中性子線遮蔽板は次の方法で製造される。

実施例１と同様の手順で、異なる板厚および化学組成のＴｉ−Ｂ筐体６を組合せ、内部にスポンジチタンおよび裁断したスクラップを充填した１００ｍｍ厚のチタン材５を作製した。

このチタン材５について、鉄鋼設備を用い、８００℃で２４０分間加熱した後、熱間圧延を行い、厚さ約５ｍｍの帯状コイルを製造した。

熱間圧延後の帯状コイルは、硝フッ酸からなる連続酸洗ラインを通板し、さらに冷間圧延を行い、厚さ１ｍｍのチタン板とし、焼鈍処理として、真空または不活性ガス雰囲気中で６００〜７５０℃まで加熱し、２４０分間保持する熱処理を行って、チタン複合材１とした。

冷延板であるチタン複合材１は、焼鈍後の表面検査工程で、目視にて割れの発生状況を観察した。なお、第一表層部２および第二表層部３（Ｂ濃化層）の深さの測定方法は、チタン複合材１の一部（長手方向の先端、中央、後端の３箇所について、幅方向中央部からそれぞれ採取）を切り出し、研磨したものを、ＳＥＭ／ＥＤＳ分析し、チタン複合材１の板厚に対する第一表層部２および第二表層部３の割合と第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量を求めた（観察箇所の中の平均値を採用した）。

また、中性子線遮蔽効果の評価は、線源としてＡｍ−Ｂｅ（４．５ＭｅＶ）を用いて、線源から２００ｍｍの位置に５００ｍｍ×５００ｍｍ×１ｍｍ厚の試験片を固定した。検出器は、線源から３００ｍｍの位置に設置し、対象エネルギーのピーク値を、対照試験片の工業用純チタンＪＩＳ１種（１ｍｍ厚）と試験片（１ｍｍ厚）で放射線当量をそれぞれ測定し、その値の比から、中性子線遮蔽効果を評価した（工業用純チタンＪＩＳ１種の中性子線遮蔽効果を１として、各試験片の値を記載した）。

結果を表２にまとめて示す。

試験Ｎｏ．２７〜３２の比較例および本発明例は、母材の品種を純チタンＪＩＳ１種とした場合である。

比較例である試験Ｎｏ.２７は、筐体６としてＴｉ−Ｂ合金板ではなくＢを含有していない工業用純チタンを使用した場合である。冷延板には割れなど発生せず、曲げ試験でも割れが発生しなかった。

試験Ｎｏ．２８の比較例は、第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量が３．０％を超えた場合である。冷延板には部分的に割れが発生しており、曲げ試験でも割れ発生率が高かった。

試験Ｎｏ．２９の比較例は、第一表層部２および第二表層部３の比率が４０％を超えた場合である。冷延板には部分的に割れが発生しており、曲げ試験でも割れ発生率が高かった。

本発明例である試験Ｎｏ．３０〜３２は、第一表層部２および第二表層部３の比率、Ｂ含有量、空隙率を変化させた場合である。第一表層部２および第二表層部３の比率が５〜４０％の範囲内であり、かつ、第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量が０．１〜３．０％の範囲内であるため、いずれも冷延板には割れが発生しておらず、曲げ試験でも割れが発生しなかった。

試験Ｎｏ．３３〜３５の本発明例は、母材の品種を純チタンＪＩＳ２種とし、第一表層部２および第二表層部３の比率、Ｂ含有量、空隙率を変化させた場合である。第一表層部２および第二表層部３の比率が５〜４０％の範囲内であり、かつ、第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量が０．１〜３．０％の範囲内であるため、いずれも冷延板には割れが発生しておらず、曲げ試験でも割れが発生しなかった。

Ｎｏ．３６〜３８の本発明例は、母材の品種を純チタンＪＩＳ３種とし、第一表層部２および第二表層部３の比率、Ｂ含有量、空隙率を変化させた場合である。第一表層部２および第二表層部３の比率が５〜４０％の範囲内であり、かつ、第一表層部２および第二表層部３のＢ含有量が０．１〜３．０％の範囲内であるため、いずれも冷延板には割れが発生しておらず、曲げ試験でも割れが発生しなかった。

さらに、上述した手法による評価の結果、比較例である試験Ｎｏ．２７では中性子線遮蔽効果を確認できなかったが、本発明例である試験Ｎｏ．３０〜３８では、いずれの場合でも、いずれも中性子遮蔽効果が１以上であり、中性子線遮蔽効果を確認することができた。

１．チタン複合材
２．第一表層部
３．第二表層部
４．内層部
５．熱間加工用チタン材
６．筐体
７．チタン塊

Claims

第一表層部と、
内層部と、
第二表層部と、を備えるチタン複合材であって、
前記第一表層部および前記第二表層部がチタン合金からなり、
前記内層部が、空隙を有する工業用純チタンからなり、
前記第一表層部および前記第二表層部の少なくとも一方の化学組成が、質量％で、
Ｂ：０．１〜３．０％、
残部：Ｔｉおよび不純物であり、
前記第一表層部および前記第二表層部の前記少なくとも一方の厚さが、前記チタン複合材の全厚さに占める割合が５〜４０％であり、
前記空隙の板厚方向に垂直な断面における体積率が、０％を超えて３０％以下である、
チタン複合材。
前記工業用純チタンの化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１％以下、
Ｈ：０．０１５％以下、
Ｏ：０．４％以下、
Ｎ：０．０７％以下、
Ｆｅ：０．５％以下、
残部：Ｔｉおよび不純物である、
請求項１に記載のチタン複合材。
筐体と、
前記筐体内に充填された、スポンジチタン、スポンジチタンを圧縮したブリケットおよび工業用純チタンスクラップから選択される１種以上と、を備え、
前記筐体の一部であって、熱間加工後に表層を構成する部分が、チタン合金からなり、
前記チタン合金の化学組成が、質量％で、
Ｂ：０．１〜３．０％、
残部：Ｔｉおよび不純物である、
熱間加工用チタン材。