JP7112275B2 - アルミニウム合金材料、アルミニウム合金材料の製造方法、キャスク用バスケット及びキャスク - Google Patents
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Description
しかしながら、上述した金属キャスクの収納密度の向上や、燃焼度のより高い燃料への対応等のため、熱的安定性に優れるマンガン含有アルミニウム合金材料の高温強度等の強度特性の改善が望まれる。
アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金材料であって、
2.5質量%以上4.0質量%以下のマンガンと、
0.01質量%以上0.12質量%以下のジルコニウムと、
を含有する。
しかし、上記(1)のように最大固溶限よりも多くマンガンを含有するアルミニウム合金の溶融物を比較的急速に冷却することにより、アルミニウム中にマンガンが過飽和固溶した過飽和固溶体を得ることができる。そして、この過飽和固溶体を熱処理することによってMn系分散相、具体的にはAl6Mn等の微細粒子を析出させることができる。よって、通常よりも多量のマンガンをAl6Mn等の微細粒子としてアルミニウム中に析出させることができ、これにより強度特性が向上したアルミニウム合金材料を得ることができる。
また、上記(1)の構成によれば、含有するジルコニウムによってアルミニウム合金における結晶粒の粗大化を防止できるので、アルミニウム合金の強度低下を防止できる。
アルミニウム(Al)を主成分とし、2.5質量%以上4.0質量%以下のマンガン(Mn)を含有するアルミニウム合金の溶融物を高圧ガスで噴射することにより、前記溶融物を冷却及び粉体化して、アルミニウム母相中に前記マンガンを過飽和固溶させて粉体状の過飽和固溶体を得る冷却ステップと、
前記粉体状の前記過飽和固溶体にメカニカルアロイング処理を施すステップと、
前記メカニカルアロイング処理が施された粉体状の前記過飽和固溶体を熱処理して、前記マンガンの少なくとも一部をAl6Mnとして析出させてアルミニウム合金材料を得る熱処理ステップと、
を備える。
その点、上記(6)の方法によれば、メカニカルアロイング処理が施された粉体状の過飽和固溶体の粒子のうち、個数基準で70%以上の粒子が多層化するようにメカニカルアロイング処理を施すことで、アルミニウム合金材料の強度を向上できる。また、上記(6)の方法によれば、メカニカルアロイング処理が施された粉体状の過飽和固溶体の粒子のうち、個数基準で90%以下の粒子が多層化するようにメカニカルアロイング処理を施すことで、アルミニウム合金材料の靭性の低下を抑制できる。
上記(7)のバスケットと、
前記バスケットを収容する本体胴と、
前記本体胴の端部開口を閉塞するための蓋部と、
を備えることを特徴とする。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
幾つかの実施形態に係るアルミニウム合金材料は、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金材料であって、2.5質量%以上4.0質量%以下のマンガンと、0.01質量%以上0.12質量%以下のジルコニウムとを含有する。
ここで、幾つかの実施形態に係るアルミニウム合金材料は、2.5質量%以上4.0質量%以下のマンガンを含有する。
すなわち、幾つかの実施形態のアルミニウム合金は、最大固溶限(658.5℃(共晶温度)において1.82質量%)以上のマンガンを含有する。
最大固溶限である1.82質量%を超える量のマンガンを含むアルミニウム合金では、通常、共晶温度以下の温度においては、アルミニウム(Al)とAl6Mnとの共晶組織が形成される。この共晶組織は、層状構造を有しており、強度特性向上には実質的に寄与し得ない。このため、通常、最大固溶限を超える量のマンガンを含むアルミニウム合金では、強度特性の改善効果を得ることは難しいと考えられる。
したがって、アルミニウム合金におけるマンガン添加量を2.5質量%以上とすることで、常温よりも高い温度環境下における引張強さが焼きなまし後に低下することを抑制できる。また、アルミニウム合金におけるマンガン添加量を3.0質量%を超える量とすることで、常温よりも高い温度環境下における引張強さを焼きなまし後に向上させることができる。
これにより、ジルコニウムがアルミニウム合金における結晶粒の粗大化を防止するので、アルミニウム合金の強度低下を防止できる。
これにより、最大固溶限よりも多くマンガンを含有するアルミニウム合金において、共晶温度以下の温度で固相Al中にFeを析出核としてAl6Mn等の微細粒子を析出させることができる。よって、通常よりも多量のマンガンをAl6Mn等の微細粒子としてアルミニウム中に析出させることができ、これにより、最大固溶限以上のマンガンを含みながら、強度特性が向上したアルミニウム合金材料を得ることができる。
特に、上述のように、Feの含有量が0.55質量%以上であれば、アルミニウム合金において、Feを析出核としてマンガンをAl-Mn化合物として十分に析出させることができる。また、Feの含有量が0.60試料%以下であれば、アルミニウム合金材料の脆化を抑制することができる。
特に、上述のように、Siの含有量が0.06質量%以上であれば、アルミニウム合金において、Siを析出核としてマンガンをAl-Mn化合物として十分に析出させることができる。また、Siの含有量が0.10質量%以下であれば、アルミニウム合金材料の脆化を抑制することができる。
これにより、アルミニウム合金において、マグネシウムがアルミニウムと固溶してアルミニウム合金の強度を向上させることができる。
Al6Mn等の非平衡析出物は、アルミニウム合金材料において、強度特性の向上に寄与する。よって、Mnの少なくとも一部がAl6Mn等の非平衡析出物として含有されることにより、アルミニウム合金材料の強度特性が良好なものとなる。
このように、アルミニウム合金材料に含まれるAl6Mnの非平衡析出物が粒状析出物であれば、層状の共晶組織が形成される場合に比べて、アルミニウム合金材料の強度特性が良好となる。
次に、幾つかの実施形態に係るアルミニウム合金材料の製造方法について説明する。
図1は、幾つかの実施形態に係るアルミニウム合金材料の製造方法の手順を示すフローチャートである。図1に示すように、幾つかの実施形態に係るアルミニウム合金材料の製造方法は、溶解ステップS10と、冷却ステップS20と、熱処理ステップS30とを備える。
幾つかの実施形態に係るアルミニウム合金材料の製造方法では、まず、溶解ステップS10において、アルミニウム(Al)を主成分とし、3.0質量%を超え4.0質量%以下のマンガン(Mn)を含有するアルミニウム合金を溶解させて、アルミニウム合金の溶融物を得る。なお、アルミニウム(Al)を主成分とし、2.5質量%以上4.0質量%以下のマンガン(Mn)を含有するアルミニウム合金を溶解させて、アルミニウム合金の溶融物を得るようにしてもよい。なお、当該溶融物は、マンガン以外にも、ジルコニウム、鉄、ケイ素、マグネシウム等の元素を上述した範囲の含有量で含有していてもよい。
次に、冷却ステップS20において、溶解ステップS10で得られたアルミニウム合金の溶融物を適切に冷却することにより、アルミニウム(Al)とAl6Mnとの共晶組織を形成せずに、アルミニウム中にマンガンを過飽和固溶させて、過飽和固溶体を得る。
例えば、アルミニウム合金の溶融物を比較的急速に冷却することにより、アルミニウム中にマンガンが過飽和固溶した過飽和固溶体を得る。
最大固溶限よりも多量のマンガンを含むアルミニウム合金の溶融物を、平衡状態が維持されるように比較的ゆっくりと冷却すると、以下に説明するように、アルミニウム(Al)とAl6Mnとの共晶組織が形成される。
すなわち、図2に示されるように、最大固溶限である1.82質量%よりもMn含有量が多い領域では、アルミニウム合金は、共晶温度である658.5℃よりも高温側で、液体とAl-Mn化合物とが共存した状態となっている(図2において「L+MnAl6」と表示された領域)。よって、最大固溶限である1.82質量%よりもMn含有量が多いアルミニウム合金溶融物を比較的ゆっくりと冷却すると、冷却の過程において、状態図上の液体とAl-Mn化合物とが共存した領域(「L+MnAl6」と表示された領域)を通過する際に、液相中でのマンガンの拡散速度が比較的大きいため、Al6Mnが小さな析出物として析出するのではなく、AlとAl6Mn等との共晶組織が形成される。
アルミニウム合金において上述の共晶組織が形成された場合、アルミニウム合金材料において強度特性の改善効果を得ることは難しい。
この場合、マンガン含有アルミニウム合金の溶融物を高圧ガスで噴射することにより、該溶融物が微細化されるとともに急冷されるので、アルミニウム母相中にマンガンが過飽和固溶した過飽和固溶体を形成することができる。
アルミニウム合金の溶融物を高圧ガスで噴射して得られる粉体の平均粒子径が5μm以上であれば、溶融物にガスを噴射することにより粉体を形成しやすい。また、該粉体の平均粒子径が80μm以下であれば、比表面積が比較的大きく、溶融物が粉体化されるときに急冷されやすいため、過飽和固溶体が形成されやすい。
また、アルミニウム合金の溶融物を上述のアトマイズ法により粉体化させて得られる過飽和固溶体の粉末の粒子径は、50%粒子径として50μm以下であってもよい。
DC鋳造法では、溶湯を冷却材で直接冷却しながら成形品を得る。よって、上述のように冷却ステップでDC鋳造法を採用することにより、アルミニウム合金の溶融物を冷却材(例えば水)で直接冷却しながら成形品を得るので、該溶融物を急冷することができる。これにより、アルミニウム母相中にマンガンが過飽和固溶した過飽和固溶体として成形品を得ることができる。
熱処理ステップS30では、上述の冷却ステップS20で得られた過飽和固溶体を熱処理して、アルミニウム中に過飽和固溶しているマンガンの少なくとも一部を、Al6Mn等として析出させる。幾つかの実施形態では、熱処理ステップS30において、真空焼結炉にて、上述の過飽和固溶体を300℃以上620℃以下の温度範囲に昇温して保持する。
上述のように、過飽和固溶体を300℃以上に昇温して保持することで、微細なAl6Mn等の粒子を析出させやすくなる。また、上述のように、過飽和固溶体を620℃以下に昇温して保持することで、均質化されたAl6Mn等の析出を確保しやすくなる。
よって、上述の温度範囲に昇温して保持することにより、アルミニウム合金の強度特性の向上に寄与するAl6Mn等の粒子を効果的に析出させることができる。
なお、以下に説明する各ステップは、冷却ステップS20においてアトマイズ法以外の手法を採用する場合にも適用することができる。例えば、熱処理ステップS30、及び、以下に説明する焼結ステップS40は、DC鋳造法により冷却ステップを行う場合にも適用することができる。
アルミニウム合金の溶融物にガスを噴射して得られる粉体の平均粒子径が5μm以上であれば、溶融物にガスを噴射することにより粉体を形成しやすい。また、該粉体の平均粒子径が80μm以下であれば、比表面積が比較的大きく、溶融物が粉体化されるときに急冷されやすいため、過飽和固溶体が形成されやすい。
また、図3に示す実施形態における冷却ステップS20を実施することで得られる過飽和固溶体の粉末の平均粒子径は、50%粒子径として50μm以下であってもよい。
試作材A~Cは、それぞれ、マンガンの含有量が異なる試作材である。試作材Aは、2.24質量%のマンガンを含有し、試作材Bは、2.83質量%のマンガンを含有し、試作材Aは、4.04質量%のマンガンを含有する。
上述のようにして得たアルミニウム合金材料の試作材A~Cについて、上述した図3における焼結ステップS40の後、熱間押出後のアルミニウム合金材料から複数の試験片を作成して、その特性を調査した。
なお、市販のアルミニウム合金A3004におけるマンガンの目標添加量は、1.0質量%以上1.5質量%以下である。
室温における0.2%耐力の調査にあたっては、試験片に対して焼きなましを行う前と焼きなましを行った後との比較を行っている。なお、焼きなましの条件は、例えば520℃で10時間保持し、その後、規定の冷却速度で冷却することとした。
したがって、アルミニウム合金におけるマンガン添加量を2.5質量%以上とすることで、常温よりも高い温度環境下における引張強さが焼きなまし後に低下することを抑制できる。また、アルミニウム合金におけるマンガン添加量を3.0質量%を超える量とすることで、常温よりも高い温度環境下における引張強さを焼きなまし後に向上させることができる。
幾つかの実施形態では、上述した溶解ステップS10及び冷却ステップS20を実施することによって得られた粉体状の過飽和固溶体に対して、メカニカルアロイング処理を施すことによって、マンガンを固溶体中にさらに分散させるようにしてもよい。以下、メカニカルアロイング処理を実施する場合について説明する。
図7に示す実施形態では、溶解ステップS10及び冷却ステップS20は、上述した図3の溶解ステップS10及び冷却ステップS20と同じである。すなわち、図7に示す実施形態では、冷却ステップS20において、上述したアトマイズ法により、マンガン含有アルミニウム合金の溶融物を粉体化させて粉体状の過飽和固溶体を得る。なお、上述したように、当該過飽和固溶体は、マンガン以外にも、ジルコニウム、鉄、ケイ素、マグネシウム等の元素を上述した範囲の含有量で含有していてもよい。
なお、冷却ステップS20で得られた粉体状の過飽和固溶体では、マンガンは、結晶粒界に偏析する傾向が見受けられる。しかし、上述したメカニカルアロイング処理を行うことで、マンガンの偏析域が微細に分断されるので、マンガンの分散状態が良好なものとなる。
当該画像を画像解析することで、2層以上の層状構造を有する粒子の割合を個数基準で算出することで、多層化率を求めることができる。当該画像における、2層以上の層状構造を有する粒子の数をnaとし、当該画像における、粒子の総数をnとすると、多層化率は、次の(1)式で表される。
多層化率(%)=na/n×100 ・・・(1)
次に、一実施形態に係るキャスク及びキャスク用バスケットについて説明する。
図11は、一実施形態に係るキャスクの構成を示す図である。図11に示すキャスクは、使用済燃料を輸送又は貯蔵するための金属キャスクである。
図11に示すように、一実施形態に係るキャスク1は、バスケット16と、バスケット16を収容する本体胴2と、本体胴2の端部開口を閉塞するための蓋部10と、を備えている。ここで、バスケット16は、上述した実施形態に係るアルミニウム合金材料によって形成される。
キャスク本体22の両側には、キャスク1を吊り下げるためのトラニオン24が設けられていてもよい。なお、図11において、片側のトラニオン24は図示を省略している。
また、キャスク本体22の両端部には、内部に緩衝材として木材などを封入した緩衝体26,28が取り付けられている。
バスケット16は、複数の角パイプ18を束状に集合させた構造を有し、本体胴2のキャビティ20内に挿入されている。角パイプ18は、上述した実施形態に係るアルミニウム合金材料によって形成されていてもよい。また、角パイプ18を構成するアルミニウム合金には、使用済核燃料からの中性子を吸収するための中性子吸収材(ホウ素:B)が混合されていてもよい。また、それぞれの角パイプ18により形成される収容空間(セル)30に対して、それぞれ1本の使用済み燃料集合体を収容するようになっていてもよい。
例えば、上述した実施形態のアルミニウム合金材料の用途として、使用済燃料を輸送又は貯蔵するための金属キャスクを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上述した実施形態のアルミニウム合金材料によってターボチャージャのコンプレッサホイールや、コンプレッサホイールを収容するコンプレッサハウジング等を形成してもよい。
2 本体胴
4 レジン
6 外筒
8 底部
10 蓋部
11 一次蓋
12 二次蓋
14 内部フィン
16 バスケット
18 角パイプ
20 キャビティ
22 キャスク本体
24 トラニオン
26 緩衝体
28 緩衝体
Claims (10)
- アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金材料であって、
2.5質量%以上4.0質量%以下のマンガンと、
0.55質量%以上0.60質量%以下の鉄と、
0.06質量%以上0.10質量%以下のケイ素と、
0.8質量%以上1.3質量%以下のマグネシウムと、
任意的に
0.01質量%以上0.12質量%以下のジルコニウムと、
を含有し、
残部はアルミニウムおよび不可避的不純物であり、
前記マンガンの少なくとも一部をAl6Mnの粒状析出物として含む
アルミニウム合金材料。 - 0.01質量%以上0.12質量%以下のジルコニウムと、
を含有する請求項1に記載のアルミニウム合金材料。 - アルミニウム(Al)を主成分とし、2.5質量%以上4.0質量%以下のマンガン(Mn)と、0.55質量%以上0.60質量%以下の鉄と、0.06質量%以上0.10質量%以下のケイ素と、0.8質量%以上1.3質量%以下のマグネシウムと、を含有し、残部はアルミニウムおよび不可避的不純物であるアルミニウム合金の溶融物を高圧ガスで噴射することにより、前記溶融物を冷却及び粉体化して、アルミニウム母相中に前記マンガンを過飽和固溶させて粉体状の過飽和固溶体を得る冷却ステップと、
前記粉体状の前記過飽和固溶体にメカニカルアロイング処理を施すステップと、
前記メカニカルアロイング処理が施された粉体状の前記過飽和固溶体を300℃以上620℃以下の温度範囲に昇温して保持して、前記マンガンの少なくとも一部をAl6Mnとして析出させてアルミニウム合金材料を得る熱処理ステップと、
を備えるアルミニウム合金材料の製造方法。 - 前記メカニカルアロイング処理を施すステップでは、前記メカニカルアロイング処理が施された前記粉体状の前記過飽和固溶体の粒子のうち、個数基準で70%以上90%以下の粒子が多層化するように前記メカニカルアロイング処理を施す
請求項3に記載のアルミニウム合金材料の製造方法。 - 請求項1又は2に記載のアルミニウム合金材料によって形成されたキャスク用バスケット。
- 請求項5に記載のバスケットと、
前記バスケットを収容する本体胴と、
前記本体胴の端部開口を閉塞するための蓋部と、
を備えるキャスク。 - アルミニウム合金材料によって形成されたキャスク用バスケットの製造方法であって、
アルミニウム(Al)を主成分とし、2.5質量%以上4.0質量%以下のマンガン(Mn)と、0.55質量%以上0.60質量%以下の鉄と、0.06質量%以上0.10質量%以下のケイ素と、0.8質量%以上1.3質量%以下のマグネシウムと、を含有し、残部はアルミニウムおよび不可避的不純物であるアルミニウム合金の溶融物を高圧ガスで噴射することにより、前記溶融物を冷却及び粉体化して、アルミニウム母相中に前記マンガンを過飽和固溶させて粉体状の過飽和固溶体を得る冷却ステップと、
前記粉体状の前記過飽和固溶体にメカニカルアロイング処理を施すステップと、
前記メカニカルアロイング処理が施された粉体状の前記過飽和固溶体を300℃以上620℃以下の温度範囲に昇温して保持して、前記マンガンの少なくとも一部をAl 6 Mnとして析出させてアルミニウム合金材料を得る熱処理ステップと、
を経ることで製造された前記アルミニウム合金を用いて前記キャスク用バスケットを形成する、
キャスク用バスケットの製造方法。 - 前記メカニカルアロイング処理を施すステップでは、前記メカニカルアロイング処理が施された前記粉体状の前記過飽和固溶体の粒子のうち、個数基準で70%以上90%以下の粒子が多層化するように前記メカニカルアロイング処理を施す
請求項7に記載のキャスク用バスケットの製造方法。 - バスケットと、前記バスケットを収容する本体胴と、前記本体胴の端部開口を閉塞するための蓋部と、を備えるキャスクの製造方法であって、
アルミニウム(Al)を主成分とし、2.5質量%以上4.0質量%以下のマンガン(Mn)と、0.55質量%以上0.60質量%以下の鉄と、0.06質量%以上0.10質量%以下のケイ素と、0.8質量%以上1.3質量%以下のマグネシウムと、を含有し、残部はアルミニウムおよび不可避的不純物であるアルミニウム合金の溶融物を高圧ガスで噴射することにより、前記溶融物を冷却及び粉体化して、アルミニウム母相中に前記マンガンを過飽和固溶させて粉体状の過飽和固溶体を得る冷却ステップと、
前記粉体状の前記過飽和固溶体にメカニカルアロイング処理を施すステップと、
前記メカニカルアロイング処理が施された粉体状の前記過飽和固溶体を300℃以上620℃以下の温度範囲に昇温して保持して、前記マンガンの少なくとも一部をAl 6 Mnとして析出させてアルミニウム合金材料を得る熱処理ステップと、
を経ることで製造された前記アルミニウム合金を用いて前記バスケットを形成するステップ、
を備えるキャスクの製造方法。 - 前記メカニカルアロイング処理を施すステップでは、前記メカニカルアロイング処理が施された前記粉体状の前記過飽和固溶体の粒子のうち、個数基準で70%以上90%以下の粒子が多層化するように前記メカニカルアロイング処理を施す
請求項9に記載のキャスクの製造方法。
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