JP6756362B2 - チタン複合材および梱包体 - Google Patents

Description

本発明は、チタン複合材および梱包体に関する。

熱中性子を遮蔽可能な中性子線遮蔽板が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において使用されている。これは、天然のＢの中に１９．９％存在するボロン１０（^１０Ｂ）が最も高い中性子遮蔽効果を有するためであり、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蔽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Ｔｉ合金を、中性子線遮蔽材に用いることも検討されている。例えば、特許文献２には、Ｂを０．１〜１０質量％含有し、残部がＴｉおよび不純物からなるＢ含有Ｔｉ合金熱延板を中性子線遮蔽材に用いることが開示されている。

さらに、特許文献３には、中空状金属ケーシング内に、Ｂ含有物（ＮａＢ_４Ｏ_７、Ｂ_２Ｏ_３、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の発明では、ＢおよびＨによって、主に中性子線を遮蔽し、ケーシングおよびその中の金属などによってγ線を遮蔽している。

特許文献４には、燃料電池セパレータ用の材料として、Ｂを５質量％以下含み、母材全体にＴｉＢ系硼化物が微細に分散しており、その一部が母材の表面に露出して電気の導通路を構成する、チタン系材料が提案されている。

特公昭５８−６７０４号公報 特公平１−１６８８３３号公報 特開平５−１４２３９２号公報 特開２００４−２７３３７０公報

特許文献２に開示された熱延板は、板厚全体にＴｉＢ等のＢ化合物が点在しているため、特に表面に存在するＢ化合物が熱間加工時に割れ起点になる。このため、熱延時に表面割れが多発して、安定して製造することができず、得られた熱延板の加工性も良好ではない。また、製造歩留りが低くなるため、熱延板のコストが高くなる。

特許文献３に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Ｂ含有物を充填したものであり、Ｂ含有物を充填した後の加工が難しい。

特許文献４では、ＴｉＢ系の硼化物がチタン系材料全体に分散しており、特に表面にも存在している。このため、熱間圧延や冷間圧延等の製造時にチタン系材料が非常に割れやすい。特に、端部から割れが発生すると、チタン系材料が破断する可能性があり、圧延ができなる場合がある。

本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、優れた中性子線遮蔽性を有するチタン材を安価に製造する技術を提供することを目的とする。

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た結果、以下の（Ａ）〜（Ｅ）を知見し、本発明を完成させた。
（Ａ）工業用純チタンなどからなる梱包材の内部に、スポンジチタンなどのチタン材と、中性子線の遮蔽に有効な硼素または硼化物の粉末とを充填および封入して、内部を減圧してチタン梱包体とし、これを熱間加工用の素材とすることができる。このチタン梱包体に熱間加工、必要に応じてさらに冷間加工を行うことにより、チタン複合材を得ることが可能である。このチタン複合材は、熱間加工中に圧縮成形されて一体化した三層のクラッド材である。このため、上記のチタン複合材は、チタンに硼化物が分散し、前記硼化物の周囲に硼素が拡散した部分を備えている。
（Ｂ）上記のチタン梱包体は、硼素または硼化物の粉末を充填しているので、チタン材に固溶できる量を超えるＢを含有させることができる。このチタン梱包体は、中性子線遮蔽性に優れる熱間加工用の素材である。
（Ｃ）上記のチタン複合材は、チタンに硼化物が分散し、前記硼化物の周囲に硼素が拡散した部分を備え、表層部として、ＪＩＳ１〜４種のいずれかに属する化学組成の工業用純チタン材を用いた場合、または、加工性がよいチタン合金材を用いた場合には、優れた加工性および中性子線遮蔽性を有する。また、従来の溶解工程、および鍛造工程を経ずに製造でき、製造コストを大幅に低減できる。
（Ｄ）上記のチタン複合材は、表層部は硼化物を含まないため、製造時の熱間圧延や冷間圧延時に、硼化物が起点となる端部割れや表面割れが発生しない。このため、端部割れや表面割れによって圧延を中断することなく、容易に圧延ができる。
（Ｅ）チタン複合材は、ヤング率（縦弾性係数）および引張強度が高いため、剛性を要求される用途に好適に用いることができる。

本発明は、以下に列記の通りである。

（１）内層部と前記内層部を覆う表層部とを有するチタン複合材であって、
前記表層部は、ＪＩＳ１〜４種のいずれかに属する化学組成の工業用純チタン材またはチタン合金材からなり、
前記内層部は、チタンに硼化物が分散しており、前記硼化物の周囲に硼素が拡散した部分を備え、面積率で、０％超３０％以下の空隙を有し、Ｂの平均含有量が０．３〜１６．０質量％以下である、チタン複合材。

（２）前記工業用純チタン材の化学組成は、質量％で、
Ｃ：０．０８％以下、
Ｈ：０．０１３％以下、
Ｏ：０．４％以下、
Ｎ：０．０５％以下、
Ｆｅ：０．５％以下、
残部：Ｔｉおよび不純物である、
上記（１）のチタン複合材。

（３）前記硼化物は、圧延方向に並んだ筋状硼化物集合体としてチタン材に分散している、上記（１）または（２）に記載のチタン複合材。

（４）ＪＩＳ１〜４種のいずれかに属する工業用純チタン材またはチタン合金材からなるチタン梱包材と、前記チタン梱包材の内部に充填された充填材とを備える梱包体であって、
前記充填材が、スポンジチタン、チタンブリケットおよびチタンスクラップから選択される１種以上と、硼素または硼化物の粉末とを有し、前記内部の圧力は１０Ｐａ以下である、熱間加工用のチタン梱包体。

本発明に係るチタン複合材は、溶解工程および鍛造工程を経て製造される、中性子線遮蔽性に優れる従来のチタン合金材と、同等の優れた中性子線遮蔽性を有する。また、溶解工程、および鍛造工程などを経ずに製造可能であるため、製造コストを大幅に低減できる。

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、筋状硼化物集合体４２ａを模式的に示す図である。 チタン複合材１の長さ方向（圧延方向）および厚さ方向に平行な断面（厚さ断面）において、１つの粒の厚さ方向の距離とその周囲の硼素濃度分布の概念を示した図である。 図４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梱包体の構成の一例を示す説明図である。 図５は、チタンブリケットの構成の一例を示す説明図である。 図６は、本発明に係るチタン梱包体の別の構成の一例を示す説明図である。 図７は、Ｔｉ−１ｍａｓｓ％Ｂ板の断面ミクロ組織写真である。

本発明に係るチタン複合材およびチタン梱包体を、添付図面を参照しながら説明する。なお、以降の説明では、化学組成に関する「％」は特に断りがない限り「質量％」を意味する。

１．本発明に係るチタン複合材１の構成
図１は、本発明に係るチタン複合材１の構成の一例を示す説明図である。

図１に示すように、チタン複合材１は、表層部２，３と内層部４とを備える。以下、各層について説明する。

（ａ）表層部２，３
（ａ−１）表層部２，３の化学組成
表層部２，３をなす工業用純チタン材としては、ＪＩＳ１〜４種のいずれかに属する化学組成の工業用純チタン材を用いることができる。例えば、表層部２，３は、Ｃ：０．０８％以下、Ｈ：０．０１３％以下、Ｏ：０．４％以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｆｅ：０．５％以下、残部Ｔｉおよび不純物の化学組成を有する。

なお、上記のＪＩＳ１種〜４種は、ＪＩＳＨ４６００：２０１２に規定されたものとする。ＪＩＳ１種とはＣ：０．０８％以下、Ｈ：０．０１３％以下、Ｏ：０．１５％以下、Ｎ：０．０３％以下、Ｆｅ：０．２０％以下、残部Ｔｉおよび不純物の組成を有する。ＪＩＳ２種とは、Ｃ：０．０８％以下、Ｈ：０．０１３％以下、Ｏ：０．２０％以下、Ｎ：０．０３％以下、Ｆｅ：０．２５％以下、残部Ｔｉおよび不純物の組成を有する。ＪＩＳ３種とは、Ｃ：０．０８％以下、Ｈ：０．０１４％以下、Ｏ：０．３０％以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｆｅ：０．３０％以下、残部Ｔｉおよび不純物の組成を有する。ＪＩＳ４種とは、Ｃ：０．０８％以下、Ｈ：０．０１３％以下、Ｏ：０．４０％以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｆｅ：０．５０％以下、残部Ｔｉおよび不純物の組成を有する。

一方、表層部２，３をなすチタン合金材としては、α型チタン合金、α＋β型チタン合金、またはβ型チタン合金を用いることができる。

α型チタン合金としては、例えば、Ｔｉ−０．０６％Ｐｄ、Ｔｉ−０．２Ｐｄ、Ｔｉ−０．０２Ｐｄ−０．０５Ｍｍ（ここで、Ｍｍは、ミッシュメタルを指す）、Ｔｉ−０．５Ｎｉ−０．０５Ｒｕ、Ｔｉ−０．５Ｃｕ、Ｔｉ−１．０Ｃｕ、Ｔｉ−１．０Ｃｕ−０．５Ｎｂ、Ｔｉ−１．０Ｃｕ−１．０Ｓｎ−０．３Ｓｉ−０．２５Ｎｂ、Ｔｉ−０．５Ａｌ−０．４５Ｓｉ、Ｔｉ−０．９Ａｌ−０．３５Ｓｉ、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−６Ａｌ−２．７５Ｓｎ−４Ｚｒ−０．４Ｍｏ−０．４５Ｓｉなどがある。

α＋β型チタン合金としては、例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｖ、Ｔｉ−３Ａｌ−５Ｖ、Ｔｉ−５Ａｌ−２Ｓｎ−２Ｚｒ−４Ｍｏ−４Ｃｒ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、Ｔｉ−１Ｆｅ−０．３５Ｏ、Ｔｉ−１．５Ｆｅ−０．５Ｏ、Ｔｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ、Ｔｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ−０．３Ｓｉ、Ｔｉ−５Ａｌ−２Ｆｅ、Ｔｉ−５Ａｌ−２Ｆｅ−０．３Ｓｉ、Ｔｉ−５Ａｌ−２Ｆｅ−３Ｍｏ、Ｔｉ−４．５Ａｌ−２Ｆｅ−２Ｖ−３Ｍｏなどがある。

さらに、β型チタン合金としては、例えば、Ｔｉ−１１．５Ｍｏ−６Ｚｒ−４．５Ｓｎ、Ｔｉ−８Ｖ−３Ａｌ−６Ｃｒ−４Ｍｏ−４Ｚｒ、Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ｍｏ、Ｔｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３Ａｌ、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ａｌ−３Ｃｒ−３Ｓｎ、Ｔｉ−６．８Ｍｏ−４．５Ｆｅ−１．５Ａｌ、Ｔｉ−２０Ｖ−４Ａｌ−１Ｓｎ、Ｔｉ−２２Ｖ−４Ａｌなどがある。

（ａ−２）表層部２，３の厚さ
チタン複合材１は、表層部２，３の厚さが厚過ぎると、内層部４の厚さが薄くなるため、中性子線遮蔽効果を十分に得られない。このため、表層部２，３の厚さは、好ましくは、チタン複合材１の全厚さに対して片面当たり４０％以下であり、さらに好ましくは、片面当たり２５％以下である。

一方、表層部２，３が薄い場合は、内層部４の厚さが厚くなるため、中性子線遮蔽効果は向上する。しかし、表層部２，３が薄過ぎるとチタン複合材１を加工する際に、表層部２，３が割れて内層部４が表面に現れ、内層部４にある硼化物が脱落したり、表面に現れた硼化物が起点となって表面割れや端部割れが発生する。また、水等の液体が接すると、内層部４にその液体が侵入するという問題が発生する。このため、表層部２，３の厚さは、０．１ｍｍ以上とするのが好ましい。

（ｂ）内層部４
内層部４は、チタン４１に硼化物４２が分散しており、前記硼化物の周囲に硼素が拡散した部分（図示省略）を備え、面積率で、０％超３０％以下の空隙４３を有し、Ｂの平均含有量が０．３〜１６．０質量％以下である。

（ｂ−１）内層部４の化学組成
チタン複合材１の内層部４を構成するチタンとしては、例えば、ＪＩＳ１種〜ＪＩＳ４種の工業用純チタンを用いることができる。すなわち、一般的な不純物として、Ｃ：０．０８％以下、Ｈ：０．０１３％以下、Ｏ：０．４％以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｆｅ：０．５％以下、残部がＴｉである工業用純チタンである。

特に、ＪＩＳ１〜３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、熱間加工後に上述の表層部２，３をなす工業用純チタンと一体化したチタン複合材１を得られる。

上記以外の残部は不純物である。不純物としては、加工性および中性子線遮蔽効果を減殺しない範囲で含有することができる。上記以外の不純物は、主にスクラップから混入する不純物元素として、Ａｌ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｓｉ，Ｓｎ，ＭｏおよびＣｕ等があり、一般的な不純物元素（Ｃ，Ｎ，Ｆｅ，Ｏ，Ｈ）と併せて、総量で５％以下許容される。

Ｂは、その中に１９．９％存在する^１０Ｂが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ため、内層部４に硼化物４２として分散させる。

ＢまたはＴｉＢ_２以外に、Ｈ_３ ^１０ＢＯ_３、^１０Ｂ_２Ｏ、^１０Ｂ_４Ｃなどの^１０Ｂが濃縮した硼素含有素材（^１０Ｂ含有量が概ね９０％以上）を用いることができる。これらはＢ添加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を用いる場合、内層部４に、Ｈ、Ｏ、またはＣ等も濃化することになる。しかし、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ない。上記の^１０Ｂが濃縮した硼素含有素材を用いる場合、チタン材７に含まれるＯやＣと合わせて、上記素材中のＯやＣが、工業用純チタンに含まれる上限以下であれば問題なく製造が可能である。例えば、上記の^１０Ｂが濃縮した硼素含有素材のＯ、およびＣにおいては、チタン材７に含まれるＯと合わせて、Ｏ含有量が０．４％以下、Ｃ含有量が０．０８％以下であればよい。

また、ＦｅＢ、ＣｒＢ、ＣｒＢ_２、ＶＢ_２、ＮｂＢ_２，ＭｏＢ等の金属硼化物を用いる場合も、金属元素が工業用純チタンに含まれる上限以下となる範囲であれば問題なく使用することができる。例えば、ＦｅＢでは、素材であるチタン４１に含まれるＦｅと合わせて、Ｆｅ含有量が０．５％以下となる範囲で使用することができる。

さらに、酸化硼素、窒化硼素や炭化硼素についても、チタン４１に含まれるＯ、ＮやＣと合わせて、工業用純チタンに含まれる上限以下の、Ｏ：０．４％以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｃ：０．０８％以下となる範囲であれば問題なく使用することができる。これらの硼化物は単独あるいは複数を使用してもよい。

内層部４のＢ濃度は、０．３〜１６．０％とする。Ｂ濃度が０．３％未満では中性子線遮蔽効果を十分得られない。中性子線遮蔽効果をさらに得るためには、Ｂ濃度は２％以上が好ましく、５％以上がより好ましい。一方で、Ｂ濃度が１６．０％を超えると、内層部４と表層部２，３が十分に接合しない。このため、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、内層部４のＢ濃度とは、内層部４の平均のＢ濃度であり、内層部４から分析用の試料を採取して化学分析により求められる。

表層部および内層部の成分分析は、公知の方法（例えば、ＪＩＳ Ｈ １６１２（１９９３）、ＪＩＳ Ｈ １６１４（１９９５）、ＪＩＳ Ｈ １６１７（１９９５）、ＪＩＳ Ｈ １６１９（２０１２）、ＪＩＳ Ｈ １６２０（１９９５）、ＪＩＳ Ｈ １６３０（１９９５）、ＪＩＳ Ｈ １６３１（２００８）、ＪＩＳ Ｈ １６３２（２０１４））により求める。なお、この際、チタン複合材から表層部および内層部をそれぞれ切り出してから測定を行う。表層部は切削等で加工して得た切粉等から、内層部は表層削除後の残材から分析試料を採取して分析するのが効率的である。分析試料は、表層部、内層部の板厚方向の中心部から０．５ｇ以上を採取する。表層部または内層部の厚さが薄く十分な量の切粉を得られない場合には、チタン複合材の全体の成分分析を行いその分析値と、表層部または内層部のいずれかの分析値と、それぞれの板厚から、表層または内層部の成分を算出（逆算）してもよい。

（ｂ−２）内層部４の空隙率
チタン複合材１の空隙４３の空隙率が多過ぎると、バルク金属としての機械的特性（強度や延性）が得られない。一方、空隙４３は少ないほど望ましいが、空隙を完全に圧着させるためには、大圧下が必要となる。その結果、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、製造コストが嵩む。

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（強度や延性など）を有する程度に空隙４３が含有される場合には、内層部４の密度が低くなり、チタン複合材１の軽量化を図ることができる。

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、一方、チタン複合材１の軽量化を優先する場合には、空隙率を高くする。このように、用途に応じて、空隙率を選択することが可能である。この際の空隙率の範囲は、０％超３０％以下であることが好ましく、０％超１０％以下がより好ましい。なお、空隙率を１０％以下とすることにより、一般的な工業用純チタンと遜色のない機械的特性を具備することができる。

チタン複合材１の内層部４に残存する空隙４３の割合（空隙率）は、次のように算出される。チタン複合材１の長さ方向（圧延方向）および厚さ方向に平行な断面（厚さ断面）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研磨し（鏡面化仕上げ）、観察用試料に仕上げる。

この鏡面化仕上げを行った観察用試料は、光学顕微鏡で異なる位置の２０か所の厚さ中心部について、撮影される。ここで、中心部とは、チタン複合材１が板の場合は、板厚中心であり、丸棒の場合は円断面の中心である。その光学顕微鏡写真にて観察される空隙４３の面積割合を測定して、２０枚の写真の空隙率の値を平均した結果を空隙率として算出する。

なお、光学顕微鏡で組織写真を撮影する際には、チタン複合材１の空隙の大きさ、または空隙率に応じて適正な倍率を選択する。例えば、空隙率が１％以下の場合は、空隙が小さいので、５００倍程度の高倍率で観察して、写真撮影を行うのが好ましい。空隙率が１０％以上の場合は、大きな空隙が多くなるので、２０倍程度の低倍率で観察を行い、写真撮影を行うのが好ましい。また、空隙が小さくなるような空隙率が１％以下の場合、偏光観察が可能な微分干渉顕微鏡を用いることにより、通常の光学顕微鏡よりもより明瞭に観察することができる。

（ｂ−３）内層部４の組織
図１に示すように、チタン複合材１中の内層部４には、硼化物４２が多く含まれている。この硼化物４２は、チタン複合材１の製造過程における熱間加工などにより、一部のＢがチタン４１に拡散するが、チタン４１に固溶できないＢは、硼化物４２としてチタン材４１に分散した状態で残存する。このとき、硼化物４２は、加工（圧延）方向に並び、筋状硼化物集合体４２ａを構成している。また、硼化物４２には、完全に硼化物を形成しているもののほか、内部に硼素が存在している硼化物を含む。例えば、硼化物の素材として硼素粉末を用いた場合、熱間圧延等の製造過程において硼素がチタンと反応して硼化物を形成するが、その硼化物の内部にチタンと反応しきれなかった硼素が残存することがある。

（ｂ−３−１）硼化物の形状
図２は、筋状硼化物集合体４２ａを模式的に示す図である。図２に示すように、筋状硼化物集合体４２ａは、硼化物４２の粒の中心間距離を圧延方向に投影した距離Ｄ（以下、「粒子間距離」という。）が２０μｍ以下である複数の硼化物４２の集合体を意味する。なお、本明細書において、粒子間距離が２０μｍを超える場合には別の筋状硼化物集合体として扱う。

筋状硼化物集合体４２ａは、その厚さｔ（すなわち、圧縮加工方向の大きさ。）が１００μｍ以下であることが好ましい。この厚さが１００μｍを超えると、チタン複合材を加工する際に、硼化物４２を起点に割れが発生する可能性が大きくなるからである。一方、筋状硼化物集合体４２ａは、その長さＬ（すなわち、加工方向の大きさ）は、厚さ方向の大きさ（厚さ）ｔの２．０倍以上（すなわち、Ｌ／ｔ≧２．０）であることが好ましく、３．０倍以上（すなわち、Ｌ／ｔ≧３．０）であることがより好ましい。長さＬが小さいと、引張応力を受けた際に、この硼化物を起点に内層部が破断しやすくなるからである。なお、Ｌ／ｔ≦１００とするのが好ましく、Ｌ／ｔ≦４０とするのがより好ましい。

筋状硼化物集合体４２ａの大きさ（長さＬおよび厚さｔ）は、次のように算出される。チタン複合材１の長さ方向（圧延方向）および厚さ方向に平行な断面（厚さ断面）を観察面とす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研磨して観察用試料に仕上げる。

光学顕微鏡を用いて、上記観察面の厚さ中心部の異なる位置の２０か所を写真撮影する。ここで、厚さ中心部は、チタン複合材１が板である場合は板厚中心部であり、丸棒である場合は円断面の中心である。得られた２０枚の写真において、筋状硼化物集合体４２ａの長さＬと厚さｔを測定し、それぞれの値の平均値を長さＬと厚さｔとし、Ｌ／ｔを計算する。

（ｂ−３−２）拡散層の存在
硼化物４２のそれぞれの粒の周囲には、硼素（Ｂ）の拡散層が存在する。拡散層とは、内層部４のチタン４１に分散した硼化物４２において、硼素（Ｂ）が硼化物４２を中心として周辺のチタン４１に拡散し、濃度勾配が形成された層をいう。

図３は、チタン複合材１の長さ方向（圧延方向）および厚さ方向に平行な断面（厚さ断面）において、１つの粒の厚さ方向の距離とその周囲の硼素濃度分布の概念を示した図である。図３に示すように、拡散層は、チタン複合材１を製造する過程で、加熱保持された際（熱間圧延前の加熱、熱間圧延中、熱間圧延後の熱処理等）に、硼化物４２の粒から周囲のチタン４１に硼素が拡散してできた層である。この拡散層は、内層部４のチタン４１に含まれている硼素の値よりも多く含まれている。この拡散層が存在することにより、内層部４の硼化物４２の粒とチタン４１が強固に結合する。このため、チタン複合材１を加工する際に硼化物４２を起点に割れることがない。

この拡散層は次のようにして把握できる。チタン複合材１の長さ方向（圧延方向）および厚さ方向に平行な断面（厚さ断面）を観察面とす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研磨して観察用試料に仕上げる。ＥＰＭＡを用いて、上記観察用試料で観察される硼化物４２の粒が中心になるようにして厚さ方向に線分析を行う。分析の対象は、硼素（Ｂ）である。内層部４のチタン４１の値を基準にしてそれよりも濃度の高く、粒子を除いた領域が拡散層である。

前記の拡散層の厚さは、色々な因子によって変化する。例えば、硼化物を添加する場合、(１)硼化物の分解、(２)周辺へのＢの拡散、によって形成されるために、硼化物の分解速度とＢのチタン材内での拡散速度によって変化する。また、製造時の熱履歴によっても変化する。さらに、熱間圧延素材としての梱包体の加熱時における、スポンジチタン等と硼化物の接触程度によっても変化する。よって、拡散層の厚さは同一材の中でも色々な拡散層の厚さを有することになり、一義的に決定することは困難であるが、硼化物や硼素が存在する、または存在した部分を中心に、少なからず形成される。

（ｂ−４）内層部４の厚さ
チタン複合材１の全厚さに対する内層部４の厚さが厚いほど、中性子線遮蔽効果は向上するので、チタン複合材１の全厚さに対して２０％超とするのが好ましく、より好ましくは５０％超である。一方、厚すぎると、加工性が劣化するので、内層部４の厚さは、チタン複合材１の全厚さに対して９５％以下とするのが好ましい。

２．本発明に係る梱包体５の構成
チタン梱包体５は、チタン梱包材６と充填材７，８とを備える。チタン梱包体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。板材のチタン複合材１を製造する場合は、直方体形状のチタン梱包体５を用いる。また、丸棒や線材、さらには押出材のチタン複合材１を製造する場合には、円柱形または八角柱等多角柱形状のチタン梱包体５を用いる。チタン梱包体５の大きさは、製品の大きさ（厚さ、幅や長さ）および製造量（質量）により決められる。

（ａ）チタン梱包材６
（ａ−１）チタン梱包材６化学組成
チタン梱包材６は、チタン複合材１の表層部２，３と同様、ＪＩＳ１種〜ＪＩＳ４種に属する工業用純チタンまたはチタン合金材を用いる。

（ａ−２）チタン梱包材６形状
チタン梱包材６の形状は、熱間加工用素材として用いられるチタン梱包体５の形状に依存するため、特に定形はなく、板材や管材などを用いることができる。

熱間加工および冷間加工、焼鈍などの製造工程を経て製造されるチタン複合材１に優れた表面性状、内層部４の保持、および加工性を具備させるためには、チタン梱包材６の厚さが重要となる。

チタン梱包材６の厚さが１ｍｍ未満と薄い場合には、塑性変形に伴って熱間加工の途中で、チタン梱包材６が破断し、チタン梱包体５内部の一部が脱落する。この場合、同時に真空が破れて、チタン梱包体５の内部に充填されているチタン材７の酸化が生じる。また、チタン梱包体５の内部に充填されたチタン材７の起伏がチタン梱包体５の表面に転写され、熱間加工中に大きな表面起伏を生じるおそれもある。

これらの結果、製造されるチタン複合材１は、表面性状または延性などの機械的特性が劣化する。さらに、チタン梱包材６が過度に薄くなると、内部に充填したチタン材７の重量を支え切れないおそれがある。このため、室温や熱間保持または加工中にチタン梱包体５の剛性が不足して変形するおそれがある。

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、内層部４の保持および加工性を具備したチタン複合材１を製造するために、チタン梱包材６の厚さは、好ましくは１ｍｍ以上であり、より好ましくは２ｍｍ以上である。

さらに、チタン梱包材６の厚さは、チタン梱包体５の全厚さの２５％以下が好ましい。チタン梱包材６の厚さが、チタン梱包体５の全厚さの２５％より厚いと、製造上の問題は特にないものの、チタン梱包体５の全厚さに占めるチタン梱包材６の割合が大きくなり、内部、または内層部４の厚さが薄くなる。このため、チタン梱包体５内部のＢ量が少なくなり、中性子遮蔽効果が低くなるため好ましくない。

（ｂ）充填材７，８
（ｂ−１）チタン材７
充填材としてのチタン材７は、スポンジチタン、チタンブリケットおよびチタンスクラップから選択される１種以上である。
（ｂ−１−１）チタン材７の化学組成
チタン材７の化学組成は、ＪＩＳ１種〜ＪＩＳ４種に相当する工業用純チタンを用いることができる。すなわち、Ｃ：０．０８％以下、Ｈ：０．０１３％以下、Ｏ：０．４％以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｆｅ：０．５％以下、残部Ｔｉおよび不純物の化学組成を有する。

（ｂ−１−２）チタン材７の形状
チタン材７としては、従来のクロール法などの製錬工程により製造された通常のスポンジチタンを用いることができる。その大きさは、平均粒径で２０ｍｍ以下であることが好ましい。平均粒径が２０ｍｍより大きいと、硼化物等の粉末８と均一に混合し難く、熱間加工によって製造したチタン複合材１の内層部４内でＢ濃度のむらを生じるおそれがある。一方、平均粒径が小さい場合には、特性面では問題はないが、チタン材７の平均粒径が０．５ｍｍ未満では、破砕するのに時間がかかり、微細な粉塵の発生も多く飛散するため、製造効率が悪くなる。このため、チタン材７の平均粒径は０．５ｍｍ以上であることが好ましい。

チタン材７としては、チタンスクラップを用いることできる。例えば、チタンスクラップは、工業用純チタン材の製造工程で発生する製品にならない端材、工業用純チタン素材を製品形状とするために切削、研削した際に発生するチタン切粉、製品として使用した後の不要になった工業用純チタン材等である。チタンスクラップは、大き過ぎると、搬送し難い、チタン梱包体５に入れ難いといった問題があるので、適宜切断するのが望ましい。

スポンジチタンまたはチタンスクラップは塊状であるため、素材の間には空隙（すきま）９がある。スポンジチタン等のハンドリング性向上、またはこれら空隙を少なくするために、予めスポンジチタン等および硼化物の粉末８を混合後に圧縮成形して、図５に示すようなブリケット１０としてからチタン梱包体５に入れてもよい。

（ｂ−２）硼化物等の粉末８
（ｂ−２−１）硼化物等の粉末８の化学組成
硼化物等の粉末８は、硼素Ｂ、ＴｉＢ_２などが代表的に例示される。この他にも、Ｈ_３ ^１０ＢＯ_３、^１０Ｂ_２Ｏ、^１０Ｂ_４Ｃなどの^１０Ｂが濃縮した硼素含有素材（^１０Ｂ含有量が概ね９０％以上）の粉末や、金属硼化物、酸化硼素、炭化硼素、窒化硼素の粉末が例示される。これらの粉末８は、市販されているものを用いればよい。

これらのＨ_３ ^１０ＢＯ_３、^１０Ｂ_２Ｏ、^１０Ｂ_４Ｃなどの^１０Ｂが濃縮した硼素含有素材や、金属硼化物、酸化硼素、炭化硼素、窒化硼素は、Ｂ以外に、チタン以外の金属や酸素、水素、炭素、窒素を含有している。しかしながら、前述したように工業用純チタンに含まれる上限以下であれば特に問題とならない。また、製造条件において、上記元素を低減したい場合は、硼化物の粉末としてＴｉＢ_２の粉末を用いることが好ましい。

（ｂ−２−２）硼化物等の粉末８の形状
硼化物等の粉末８の平均粒径が１００μｍを超えると、チタン材７と均一に混合し難い。よって、チタン複合材１の内層部４内でＢ濃度のむらを生じるおそれがあるため好ましくない。このため、硼化物等の粉末８の平均粒径は、好ましくは５０μｍ以下であり、さらに好ましくは２０μｍ以下である。

一方、硼化物等の粉末８の平均粒径がより小さい場合には特性面では問題はないものの、小さ過ぎると、チタン材７と混合する際、またはチタン梱包体５中に充填する際に、粉塵の飛散が問題になって作業に支障をきたすおそれがある。このため、硼化物等の粉末８の平均粒径は０．１μｍ以上であることが好ましい。

（Ｃ）梱包体５の内部圧力
チタン梱包体５内の空隙４３に空気が残存していると、熱間加工前の加熱時にチタン材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、チタン梱包体５内を減圧して高真空とすることが有効である。

熱間加工時のチタン材７の酸化・窒化を防止するためには、チタン梱包体５の内部圧力（絶対圧）を１０Ｐａ以下、好ましくは１Ｐａ以下にすることがよい。チタン梱包体５の内部圧力が１０Ｐａより大きいと、残留している空気によりチタン材７が酸化、または窒化してしまう。内部圧力を極端に小さくすることは、装置の気密性向上、および真空排気装置の増強などを要し、製造コストの増大に繋がるので、内部圧力の下限は、１×１０^−３Ｐａとするのがよい。

３．チタン複合材１の製造方法
チタン複合材１は、チタン梱包体５に熱間加工、またはさらに冷間加工を行うことにより製造される。
（ａ）熱間加工方法
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。板材のチタン複合材１を製造する場合は、直方体形状（スラブ）のチタン梱包体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。

丸棒や線材のチタン複合材１を製造する場合は、円柱や多角形形状（ビレット）のチタン梱包体５を加熱して、熱間圧延や熱間押し出しを行い、チタン丸棒や線材とする。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。

（ａ−１）熱間加工の加熱温度
さらに、押出形材のチタン複合材１を製造する場合は、円柱や多角形形状（ビレット）のチタン梱包体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や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。加熱温度は、チタン梱包体５の大きさや熱間加工の度合い（加工率）によって異なるが、６００℃以上１２００℃以下に加熱することが好ましい。

加熱温度が低過ぎると、チタン梱包体５の高温強度が高く、変形能が低いため、熱間加工中に割れが発生し易い。特に、チタン梱包体５の溶接部が割れて、内部が露出して一部が脱落したり、内部が酸化したりすると、チタン複合材１に必要な特性が得られなくなる。また、硼化物の粒の周囲にある硼素の拡散層が形成されず、内層部の硼化物の粒とチタンが十分に結合できない。このため、チタン複合材を加工する際に硼化物を起点に割れが発生する場合がある。一方、加熱温度が高過ぎると、得られたチタン複合材１の組織が粗くなり、十分な材料特性が得られない。また、酸化により表面の梱包材６が減肉されてしまう。よって、加熱温度は、６００℃〜１２００℃とすることが推奨される。

（ａ−２）熱間加工の加工率
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の内層部４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、チタン梱包体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、チタン梱包体５の断面積で除した割合（百分率）である。

この加工率が低い場合には、チタン梱包体５内部の空隙４３が十分に圧着されないため、熱間加工後であっても、空隙４３のまま残存する。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り、中性子線遮蔽効果にも問題はない。ただし、内層部４に存在する空隙４３が多いため、機械的特性が十分に得られない。一方、加工率が増大すると、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、加工率は高いほうが好ましい。

（ｂ）熱間加工の工程
熱間圧延後は、焼鈍、冷間圧延に供してもよい。チタン複合材１は、熱間加工材（例えば熱延板）でも、冷間加工材（例えば冷延板）でも、中性子遮蔽効果に大きな違いはない。また、表面状態も圧延まま、酸洗仕上げ、焼鈍仕上げのいずれの状態でも良く、中性子遮蔽効果は変わらない。

４．チタン梱包体５の製造方法
（ａ）充填材７，８の混合
チタン材７に硼素または硼化物の粉末８を均一かつ高密度で充填する必要がある。このためには、これらのチタン材７および硼化物等の粉末８を容器に充填して回転または振動させて、内部のチタン材７、および硼化物等の粉末８が均一に分散するように混合すればよい。

撹拌する方法は、容器を上下方向に回転させる、水平から２０〜７０°傾けて斜め方向に回転させる、容器を上下方向や水平方向等に振動させる、あるいは容器内に撹拌子を挿入して撹拌子を回転させたりする方法等が挙げられる。

撹拌時間は、容器の大きさや混合するチタン材７、および硼化物等の粉末８の量により変化するが、１〜３０分間であるのが好ましい。生産性を考慮すると、数分間で均一に混合できるように、容器の大きさや処理量を決めることが好ましい。

混合したチタン材７と硼化物等の粉末８は、そのままでチタン梱包体５内に充填する。あるいは、チタン材７のハンドリング性向上やこれら空隙を少なくするために、圧縮成形して図５に示すようなチタンブリケット１０としてから、チタン梱包体５内に格納してもよい。

（ｂ）溶接
チタン梱包材６を溶接部１１で溶接する方法には、ＴＩＧ溶接またはＭＩＧ溶接等のアーク溶接、ならびに電子ビーム溶接やレーザー溶接等が例示され、特に限定はされない。ただし、溶接雰囲気は、チタン材７、およびチタン梱包材６の面が酸化、または窒化されないように、真空雰囲気あるいは不活性ガス雰囲気で溶接を行うことが好ましい。

チタン梱包材６のつなぎ目（溶接部１１）を最後に溶接する際には、チタン梱包体５を真空雰囲気の容器（チャンバー）に入れて溶接を行い、チタン梱包体５の内部を真空に保つことが好ましい。

図６に示すように、硼化物等の粉末８と混合し圧縮成形したチタンブリケット１０を梱包材であるチタン展伸材で覆い、チタン展伸材の全周囲をシーム溶接（回転電極を用いた抵抗溶接）して密閉し、チタン梱包体１２を製造してもよい。この際、事前に端部に穴をあけて銅管をろう溶接した銅管を通して、チタン展伸材の内部を所定の圧力になるまで減圧し、減圧後に銅管を圧着して、チタン展伸材内部の圧力を保ってもよい。

５．チタン複合材１の用途
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の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のステンレス鋼板が用いられている。内層部４のＢ含有量や厚さ（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、上記と同等もしくはそれ以上の特性を発揮することが可能である。

表１に示すチタン梱包体を製造し、このチタン梱包体に表１に示す製作工程でチタン複合材（板材）を製造した。

充填材として、クロール法により製造した粒度が２．５ｍｍ以上６ｍｍ以下であり、化学組成がＪＩＳ１種相当のスポンジチタンＡと、化学組成がＪＩＳ２種相当のスポンジチタンＢを用いた。また、充填材として、市販のＴｉＢ_２粉末（粒度６３μｍ以下）を用いた。さらに一部は硼素粉末（Ｂ粉末、粒度４５μｍ以下）を用いた。

上記のスポンジチタン粒とＴｉＢ_２粉末やＢ粉末はＶ型混合器に所定量を投入して混合した。混合した素材は、金型に投入して圧縮成形し、厚さ１５ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ６０ｍｍの図５に示すチタンブリケットにした。

チタン梱包材として、ＪＩＳ１種（ＴＰ２７０Ｃ；Ｃ：０．００２％、Ｈ：０．００４％、Ｏ：０．０９％、Ｎ：０．００１％、Ｆｅ：０．０５％、残部Ｔｉおよび不純物）またはＪＩＳ２種（ＴＰ３４０Ｃ；Ｃ：０．００２％、Ｈ：０．００４％、Ｏ：０．０９％、Ｎ：０．００１％、Ｆｅ：０．０５％、残部Ｔｉおよび不純物）工業用純チタン材からなる、厚さ１．０ｍｍの薄板を用いた。

図６に示すように、チタンブリケットを梱包材である工業用純チタン材で覆い、工業用純チタン材の全周囲をシーム溶接（回転電極を用いた抵抗溶接）して密閉した。この工業用純チタン材は、事前に端部に穴をあけて銅管をろう溶接した。シーム溶接後、銅管を通して、工業用純チタン材の内部を所定の圧力（０．０５〜１．５Ｐａ）になるまで減圧し、減圧後に銅管を圧着して、工業用純チタン材内部の圧力を保った。

作製したチタン梱包体は、大気雰囲気下、８５０℃で４時間加熱した後、熱間圧延を行い、厚さ１．８〜２．２ｍｍのチタン複合材を製作した。チタン複合材は、７２５℃で１５分間焼鈍後、酸洗して表層のスケールを除去して、組織観察や引張試験に供した。

チタン複合材の長さ方向（圧延方向）および厚さ方向に平行な断面（厚さ断面）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研磨し（鏡面化仕上げ）、観察用試料に仕上げた。空隙率は、光学顕微鏡で、上記観察用試料の厚さ中心部を２０か所写真撮影して、個々の写真毎に空隙の面積率を測定してそれらの平均値を求めた。筋状硼化物集合体は、光学顕微鏡で、上記観察用試料の厚さ中心部を観察して、その形態を求めた。また、観察された筋状硼化物集合体２０個について、厚さｔと長さＬを測定してＬ／ｔを算出して、それらの平均値を求めた。

拡散層の厚さは、ＴｉＢ_２粉末、Ｂ粉末を添加したＮｏ．２、Ｎｏ．９について、上記観察用試料の厚さ中心部に観察された筋状硼化物集合体５個について、その中に観察された３個の硼化物の粒をＥＰＭＡで測定した。硼化物の粒が中心になるようにして厚さ方向に線分析を行い、内層部のチタンの値を基準にして、それよりも硼化物の構成元素（硼素）濃度が高く、粒子を除いた片側の領域の距離を測定して、それらを平均して、筋状化合物集合体それぞれの拡散層の厚さとして求めた。

引張試験は、チタン複合材の圧延方向で評価した。引張速度は、降伏点を超えるまで０．４％／分で、降伏点を超えてからは３０％／分で行い、強度を測定した。また、降伏するまでの応力−ひずみ曲線の勾配からヤング率を求めた。

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、対照試験片となる工業用純チタンＪＩＳ１種（２ｍｍ厚）と、チタン複合材試験片で放射線等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。

本発明例である試料Ｎｏ．２のチタン複合材の断面の組織を観察すると、図７に示されるように、黒っぽく見える部分が所々に認められる。これは、筋状硼化物集合体であり、Ｘ線回折で測定した結果、ＴｉＢであった。

本発明例である試料Ｎｏ．１〜１３は、硼化物粉末を添加することにより、中性子遮蔽効果が１より大きく、その効果を確認できた。一方、硼化物粉末を添加していない試料Ｎｏ．１４は中性子遮蔽効果を認められなかった（中性子線遮蔽効果は１）。また、本発明例である試料Ｎｏ．１〜１２は、硼化物粉末を添加することにより、硼化物粉末を添加していない試料Ｎｏ．１４に比べて、チタン複合材の強度やヤング率が向上した。

また、空隙率が３０％超である試料Ｎｏ．１５は、硼化物が点在する組織となり、各試験を実施するための試験片が作成できず、評価ができなかった。硼化物粉末を多量に添加した試料Ｎｏ．１６においては、熱間圧延時に内部割れが発生して、健全なチタン複合材が得られなかった。

なお、チタン梱包体を作製する際に、チタン梱包体の内部の圧力を１０Ｐａより大きくした試料Ｎｏ．１３は、板の内部が一部で酸化して強度は低下したが、十分な中性子線遮蔽効果は認められた。また、拡散層の厚さは、ＴｉＢ_２粉末を添加したＮｏ．２では、１〜３μｍであった。Ｂ粉末を添加したＮｏ．９では、１〜４μｍであった。

表２に示すように、チタン梱包体からチタン複合材を製造した。

充填材として使用するスポンジチタンは、クロール法により製造した化学組成がＪＩＳ１種相当のスポンジチタンで、スポンジチタンＣは粒度が６ｍｍ以上１３ｍｍ以下ものを、スポンジチタンＤは粒度が２．５ｍｍ以上６ｍｍ以下のものを、スポンジチタンＥは粒度が０．８ｍｍ以上２．５ｍｍ以下のものを、それぞれ用いた。

また、チタンスクラップとして、ＪＩＳ２種（Ｏ含有量：０．０８％、Ｆｅ含有量：０．０５％）の薄板を１０〜２０ｍｍ角に切断したものを一部（試料Ｎｏ．５）で使用した。
さらに、充填材として使用する硼素原料は、市販のＴｉＢ_２粉末（粒度６３μｍ以下）を用いた。これらのスポンジチタン粒と硼素粉末（ＴｉＢ_２粉末）は、Ｖ型混合器に所定量を投入して混合した。

梱包材の素材として、工業用純チタン材は、ＪＩＳ１種（ＴＰ２７０Ｈ）（試料Ｎｏ．２４、２８、２９）、ＪＩＳ２種（ＴＰ３４０Ｈ）、およびＴｉ−０．０６％Ｐｄ（試料Ｎｏ．２３）の酸洗した厚さ１０ｍｍの厚板を用いた。

図４に示すように、工業用純チタン材の５枚を仮組みし、ここにスポンジチタン粒、あるいはチタンスクラップと硼素粉末の混合物（充填材）を充填して、残りの工業用純チタン材であるチタン梱包材で蓋をした。

この状態で、真空チャンバー内に入れて、所定の圧力になるまで減圧（真空）した後、梱包材の継ぎ目を全周電子ビームで溶接した。この時のチャンバー内の圧力は、８．９×１０^−３〜１．２×１０^−１Ｐａであった。

以上のようにして、内部にスポンジチタンやチタンスクラップと硼素粉末の混合物を充填し、雰囲気が真空であるチタン梱包体を用意した。チタン梱包体の大きさは、厚さ８０×幅１００×長さ１２０ｍｍとした。

作製したチタン梱包体は、大気雰囲気下、８５０℃で６時間加熱した後、熱間圧延を行い、厚さ５ｍｍのチタン複合板を製作した。その後、チタン複合材は、７２５℃で１５分間焼鈍後、酸洗して表層のスケールを除去して引張試験に供した。実施例１と同様に組織観察や引張試験を行ない、チタン複合材の空隙率、硼化物の形態や大きさＬ／ｔ、拡散層の厚さ、強度およびヤング率を求めた。

比較例３３として、溶解法でＢ入りのチタン鋳塊を製造した。この例では、上記のスポンジチタンＣとＴｉＢ_２粉末を混合した後、圧縮成形してＶＡＲ用の電極を作製した。この電極から、２回ＶＡＲ溶解して、直径１５０ｍｍの円柱状のＢ入りのチタン鋳塊を製造した。チタン鋳塊は、８５０℃に加熱した後、鍛造して、厚さ８０×幅１００ｍｍのスラブとした。

引張試験は実施例１と同様にして、強度およびヤング率を求めた。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、対照試験片となる工業用純チタンＪＩＳ1種（５ｍｍ厚）と、チタン複合材試験片で放射線等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。

本発明例である試料Ｎｏ．１７〜２８は、硼化物粉末を添加することにより、硼化物粉末を添加していない試料Ｎｏ．２９、３０と比べて、チタン複合材の強度、およびヤング率が向上した。また本発明例である試料Ｎｏ．１７〜２８は、硼化物粉末を添加することにより、中性子線遮蔽効果が１より大きく、その効果を確認できた。一方、硼化物粉末を添加していない試料Ｎｏ．２９、３０は、中性子線遮蔽効果は認められなかった（中性子線遮蔽効果は１）。

また、空隙率が３０％超である試料Ｎｏ．３１は硼化物が点在する組織となり、各試験を実施するための試験片が作成できず、評価ができなかった。硼化物粉末を多量に添加した試料Ｎｏ．３２においては、チタン複合材に内部割れが発生して、健全なチタン複合材が得られなかった。溶解−鍛造で製造した試料Ｎｏ．３３は、チタン梱包体と同様に、大気雰囲気で８５０℃に加熱した後、熱間圧延を行い、厚さ５ｍｍのチタン板を製作した。その際、チタン板は表面割れや端面の割れが多数発生したため、その後の引張試験片を採取できなかった。

なお、梱包材にＪＩＳ１種を用いた試料Ｎｏ．２４、２８は、ＪＩＳ２種を用いた梱包材に比べて、加工性のよいチタン複合材が得られる。梱包材にＴｉ−０．０６％Ｐｄを用いた試料Ｎｏ．２３は、ＪＩＳ２種を用いた梱包材に比べて、耐食性のよいチタン複合材が得られる。また、ＴｉＢ_２粉末を添加したＮｏ．１７の拡散層の厚さは、１〜３μｍであった。

熱間圧延で得られた表２記載の厚さ５ｍｍのチタン複合材を７２５℃で１５分間焼鈍後、酸洗して表層のスケールを除去した。スケールを除去したチタン複合材（熱間圧延材）は、１．０〜２．５ｍｍの厚さまで冷間圧延を行い、その後、真空加熱炉を用いて７００℃で１５分間焼鈍して引張試験に供した。

引張試験は表１と同様にして、強度およびヤング率を求めた。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、対照試験片となる工業用純チタンＪＩＳ1種と、チタン複合材試験片で放射線等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）。なお、対照試験片となる工業用純チタンＪＩＳ1種の厚さは、測定するチタン複合材の厚さと同じものを用意した。

結果を表３にまとめて示す。

本発明例である試料Ｎｏ．３４〜３９は、硼化物粉末を添加することにより、硼化物粉末を添加していない試料Ｎｏ．４０〜４２に比べて、チタン複合材の強度やヤング率が向上した。また、本発明例である試料Ｎｏ．３４〜３９は、硼化物粉末を添加することにより、中性子線遮蔽効果が１より大きく、その効果を確認できた。一方、硼化物粉末を添加していない試料Ｎｏ．４０〜４２は、中性子線遮蔽効果は認められなかった（中性子線遮蔽効果は１）。なお、ＴｉＢ_２粉末を添加したＮｏ．３４の拡散層の厚さは、１〜２μｍであった。

１ チタン複合材
２ 表層部
３ 表層部
４ 内層部
４１ チタン
４２ 硼化物
４２ａ 筋状硼化物集合体
４３ 空隙
５ チタン梱包体
６ チタン梱包材
７ スポンジチタン
８ 硼化物等の粉末
９ 空隙
１０ ブリケット
１１ 溶接部
１２ チタン梱包体

Claims (4)

1. 内層部と前記内層部を覆う表層部とを有するチタン複合材であって、
   前記表層部は、ＪＩＳ１〜４種のいずれかに属する化学組成の工業用純チタン材またはチタン合金材からなり、
   前記内層部は、チタンに硼化物が分散しており、前記硼化物の周囲に硼素が拡散した部分を備え、前記硼化物は、圧延方向に並んだ筋状硼化物集合体として前記チタンに分散しており、面積率で、０％超３０％以下の空隙を有し、Ｂの平均含有量が０．３〜１６．０質量％以下である、
   チタン複合材。
2. 前記工業用純チタン材の化学組成は、
   質量％で、
   Ｃ：０．０８％以下、
   Ｈ：０．０１３％以下、
   Ｏ：０．４％以下、
   Ｎ：０．０５％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。
3. 前記筋状硼化物集合体は、その長さをＬ（μｍ）、その厚さをｔ（μｍ）とするとき、下記の（１）式を満足する、
   請求項１または２に記載のチタン複合材。
   ２．０≦Ｌ／ｔ≦１００ ・・・（１）
4. ＪＩＳ１〜４種のいずれかに属する工業用純チタン材またはチタン合金材からなるチタン梱包材と、前記チタン梱包材の内部に充填された充填材とを備える梱包体であって、
   前記充填材が、スポンジチタン、チタンブリケットおよびチタンスクラップから選択される１種以上と、硼素または硼化物の粉末とを有し、前記内部の圧力は１０Ｐａ以下である、熱間加工用のチタン梱包体。

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