TW201418002A - 金屬基複合材及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種具有充分放射線吸收功能，且強度、耐蝕性、加工性、耐衝擊性、導熱性均優異的廉價金屬基複合材。本發明的金屬基複合材，具有使芯材密接且夾於一對由鋁板構成的表皮材料間之雙面包層構造，且該芯材係鋁粉末經加壓一體化而成的基質中分散有鎢粒子而成者；並且前述芯材中含有5vol%~70vol%之前述鎢粒子。本發明金屬基複合材之製造方法，係將構成基質的鋁粉末與鎢粒子之混合粉末填充於鋁箱體內並施行軋延。

Description

金屬基複合材及其製造方法 發明領域
本發明係關於具有諸如伽瑪線(γ線)所代表放射線吸收性能的金屬基複合材及其製造方法。
發明背景
自習知起已有進行將γ線所代表的放射線予以吸收或屏蔽的材料開發。γ線吸收性能優異的材料較佳係鎢、鉛，但鉛會有對環境與健康造成影響的顧慮。又，鎢係採取將鎢或鎢合金形成構造材的方法、或將鎢粉末填充於樹脂等之中的方法。
例如專利文獻1中，屏蔽材料係由輕材料的鋁構件與重材料的鎢構件組合形成屏蔽構造。但是，因為鎢的重量較大，因而當使用為構造材時會有導致作業性負荷較大的問題。
再者，例如專利文獻2有揭示：由熱可塑性樹脂所構成γ線屏蔽面板材料，該熱可塑性樹脂係含有：由非金屬構成的屏蔽微粉末、與由重金屬構成的屏蔽粉末。然而，樹脂有因放射線而造成的劣化會較快速進行的缺點。
再者，例如專利文獻3有揭示：對由以鎢為主成 分、其餘則為鐵、銅或鎳構成的燒結體，施行軋延加工的鎢基合金。然而，燒結冶金會有製造成本龐大的問題。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2004-020414號公報
專利文獻2：日本專利特開2007-315843號公報
專利文獻3：日本專利第3697559號公報
發明概要
緣是，本發明目的在於提供：每單位體積的重量較為輕量、且具有充分放射線吸收功能，強度、耐蝕性、加工性、耐衝擊性、導熱性、作業性均優異的廉價金屬基複合材及其製造方法。
為達成上述目的，本發明金屬基複合材，特徵在於其具有：使芯材密接且夾於一對由鋁板構成的表皮材料間之雙面包層構造，且芯材係鋁粉末經加壓一體化而成的基質中分散有鎢粒子而成者；並且前述芯材中含有5vol%~70vol%之前述鎢粒子。
再者，為達成上述目的，上述本發明金屬基複合材之製造方法，其特徵在於包括下述步驟：(a)將用以構成前述基質的鋁粉末、與由前述鎢粒子構成的鎢粉末，依鎢粒子摻合量為5vol%~70vol%進行混合， 而形成用以構成前述芯材的混合粉末；(b)準備由用以構成前述表皮材料的鋁板所構成之箱體，且該箱體含有經形成為可相互密封的下箱體與上箱體；(c)在前述下箱體內填充前述混合粉末；(d)藉由將前述上箱體覆於前述下箱體上並密封，而從填充有前述混合粉末的前述箱體準備被軋延體；(e)將前述被軋延體預熱，以使前述混合粉末維持固相狀態；以及(f)將經於前述預熱步驟中預熱過的前述被軋延體進行軋延，而製成前述金屬基複合材。
根據本發明的金屬基複合材，為使在由鋁構成的輕量基質中能顯現出放射線吸收功能，藉由構成使含有充分量鎢粒子的芯，密接夾入於由鋁板所構成一對表皮材料間的雙面包層構造，便可提供輕量、具有充分放射線吸收功能，且強度、耐蝕性、加工性、耐衝擊性、導熱性、作業性(操作性)均優異的金屬基複合材。
根據本發明金屬基複合材之製造方法，藉由在由鋁板(或不鏽鋼板)構成的箱體內，填充鋁粉末與鎢粒子的混合粉末並施行軋延，而在由鋁粉末經加壓一體化而成的基質中，使鎢粒子能顯現出放射線吸收功能，便在形成依充分量分散的芯材之同時，使由構成箱體的鋁板(或不鏽鋼板)所構成表皮材料、與芯材相密接，便可製造具有雙面包層構造的上述本發明金屬基複合材。又，因為屬於軋延材， 因而頗適用於供製造大型屏蔽構件用的較佳材料。
10‧‧‧箱體
12D,14D‧‧‧後板
12‧‧‧下箱體
12E‧‧‧底板
14‧‧‧上箱體
14E‧‧‧上板
16‧‧‧補強框
16A‧‧‧第1補強構件
18‧‧‧被軋延體
16B‧‧‧第2補強構件
20‧‧‧套筒
16C‧‧‧第3補強構件
22‧‧‧刮刀
16D‧‧‧第4補強構件
24‧‧‧回收箱
20A‧‧‧套筒本體
12A,12B,14A,14B‧‧‧側板
20B‧‧‧裙擺部
12C,14C‧‧‧前板
M‧‧‧混合粉末
圖1係本發明製造方法所使用箱體的立體圖。
圖2A係本發明製造方法所使用的補強框圖。
圖2B係本發明製造方法中，已填充混合粉末狀態的箱體縱剖圖。
圖3A係本發明製造方法所使用的下箱體縱剖圖。
圖3B係使套筒重疊於圖3A所示下箱體的狀態縱剖圖。
圖3C係在圖3B的下箱體與套筒之重疊空間中，投入混合粉末的狀態縱剖圖。
圖3D係在圖3C中經投入混合粉末後，再實施敲壓的狀態縱剖圖。
圖3E係圖3D中經實施敲壓後，取下套筒，將刮刀沿下箱體的上緣移動，而將從下箱體上方突出的混合粉末部分予以刮掉的狀態縱剖圖。
圖3F係圖3E中將從下箱體上方突出的混合粉末部分予以刮掉，並回收於回收箱內的狀態縱剖圖。
圖3G係圖3F中在箱體內將混合粉末填充成其上面與下箱體上緣共平面之狀態後，再將上箱體從上方合致的狀態縱剖圖。
圖3H係在圖3G中由下箱體與上箱體重疊的空間中，填滿混合粉末狀態的被軋延體縱剖圖。
圖4係本發明實施例所製作W粒子10.0vol%(44.3wt%)的金屬基複合材之微觀組織照片。
圖5係本發明實施例所製作W粒子20.0vol%(64.1wt%)的金屬基複合材之微觀組織照片。
圖6係本發明實施例所製作W粒子40.0vol%(82.7wt%)的金屬基複合材之微觀組織照片。
圖7係本發明實施例所製作W粒子50.0vol%(87.7wt%)的金屬基複合材之微觀組織照片。
圖8係本發明實施例所製作W粒子10.0vol%(44.7wt%)、B4C粒子20.0vol%(11.6wt%)的金屬基複合材之微觀組織照片。
圖9係本發明實施例所製作W粒子20.0vol%(64.5wt%)、B4C粒子20.0vol%(8.4wt%)的金屬基複合材之微觀組織照片。
用以實施發明之形態
本發明金屬基複合材的特徵在於具有：使芯材密接且夾於一對由鋁板構成的表皮材料間之雙面包層構造，且該芯材係鋁粉末經加壓一體化而成的基質中分散有鎢粒子而成者；並且前述芯材中含有5vol%~70vol%之前述鎢粒子。另外，本說明書及申請專利範圍中所謂「鋁」係指純鋁及鋁合金。
表皮材料就從輕量化的觀點，最好為鋁，但亦可取代鋁，改為使用不鏽鋼。雖不鏽鋼就輕量化觀點係較劣於鋁，但耐蝕性與強度較優異，若降低包覆率使用亦可達輕量化，因而可配合用途使用。另外，「包覆率」係指相對 於金屬基複合材整體厚度之表皮層厚度比率。
本發明製造方法中，將鋁粉末與具放射線吸收特性之鎢粒子的混合粉末，填充於中空扁平狀的鋁箱體中，在填充之際最好敲壓箱體俾提高填充密度，藉由將其予以密閉便構成被軋延體，對該被軋延體施行預熱，再將該經預熱過的被軋延體施行軋延便可製造。
依此，較佳實施形態係在箱體內填充混合粉末，且在利用敲壓提高混合粉末填充密度的狀態下，將該金屬製箱體予以密閉，藉此便構成被軋延體。且，該被軋延體係呈粉體的混合粉末，被從上下由分別規定箱體上下面的表皮材料夾入狀態。結果，藉由預熱該被軋延體並施行軋延加工，便可獲得夾置著由鋁粉末與陶瓷粒子依維持高填充密度狀態混合的芯材，且利用鋁板表皮材料從上下包覆的雙面包層構造之金屬基複合材。
再者，本發明的被軋延體，相當於具有表皮/芯/表皮之雙面包層構造金屬基複合材的芯之混合粉末上面、與相當於該包層構造之上層的上箱體上板(上表皮材料或上包覆層)係呈密接狀態，又，相當於包層構造中間層的混合粉末下面、與相當於包層構造下層的下箱體下板(上表皮材料或上包覆層)係呈密接狀態。
藉由將此種被軋延體施行軋延而獲得的金屬基複合材，相互鄰接的層彼此間呈牢固接合，結果金屬基複合材不會有機械性強度降低。又，本發明中，因為在金屬基複合材表面上並沒有會成為破壞起點、或導致輥等遭磨 損的陶瓷粒子，因而可獲得良好的軋延加工材。又，因為中空箱體的上下雙面具有構成包層時的上下鋁或不鏽鋼板材功能，因而在混合粉末填充於箱體的狀態下便完成包覆，俾使製造步驟簡單化。又，因為中空箱體內的混合粉末係在保持粉體形態下維持固相狀態並提供進行軋延步驟，因而在混合粉末填充於箱體內的狀態下，所維持的容積密度最大只要65%程度便足夠。
本發明另一實施形態，鋁粉末係純度99.0%以上的純Al粉、或Al中含有Mg、Si、Mn、Cr中之任1種以上0.2~2重量%的合金粉；而陶瓷粒子係當將混合粉末整體積設為100vol%時，則與鎢粒子合計佔5vol%~70vol%。
本發明中，具有γ線所代表放射線吸收特性的材料係使用鎢粒子。在由鋁所構成基質中，鎢粒子含量係5vol%~70vol%、較佳係10vol%~60vol%。若未滿5vol%，便無法獲得充分的放射線吸收特性；另一方面，若超過70vol%，則金屬基複合材的加工性、延展性會降低，且亦無法獲得輕量化的優點。
本發明一形態中，在由鋁與鎢構成的芯材中，可更進一步含有具中子吸收功能的陶瓷粒子。藉此，本發明的金屬基複合材除γ線等放射線吸收功能之外，尚可賦予中子吸收功能。
本發明中，因為金屬基複合材的雙面係由鋁或不鏽鋼表皮材料形成，因而表面上沒有會成為破壞基點、或導致輥等遭受磨損的硬質鎢粒子、以及陶瓷粒子。依此便 特別可達能獲得良好軋延加工材的效果。
再者，當混合粉末利用金屬板材從上下夾置包層時，中空箱體的上下雙面便具有構成包層時的上下金屬板材功能。結果，在混合粉末填充於箱體的狀態下，便完成包覆材的構造。藉此亦可使製造步驟簡單化。
此情況，在提升粉體密度目的下，從前為能在將混合粉末提供進行軋延步驟時可充分保持形狀，例如必需將粉體的容積密度設為98%以上，相對於此，本發明中因為混合粉末係依粉體形態提供進行軋延步驟，因而在混合粉末填充於箱體內的狀態下，所維持的容積密度最大只要達65%程度便足夠。
以下，針對本發明金屬基複合材的原材料及製造方法進行說明。
(1)原材料說明
<芯材：供用以構成基質的鋁粉末>
供用以構成金屬基複合材之芯材用的鋁粉末，最好係Al系合金，具體係由依JIS規格的A 1100(A.A.規格的AA 1100)所規定之鋁合金形成。詳細而言，由含有：矽Si與鐵Fe合計0.95重量%以下、銅Cu：0.05重量%~0.20重量%、錳Mn：0.05重量%以下、鋅Zn：0.10重量%以下、殘餘則為鋁與不可避免雜質之組成成分的材料形成。
但是，本發明中，鋁粉末的組成並無特別的限定。例如鋁粉末係有如：純鋁(JIS 1050、1070等)、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系合金等各種形式的合金粉末，該等係可單獨使用、或混合使用2種以上。
總之，到底要選擇何種組成的鋁合金粉末，係經考慮所需特性、後續成形加工時的變形阻力、所混合的鎢粒子(甚至陶瓷粒子)量、原料成本等等之後再行決定。例如當欲提高金屬基複合材的加工性、散熱性時，最好使用純鋁粉末。純鋁粉末相較於鋁合金粉末的情況下，就原料成本層面而言亦較為有利。另外，純鋁粉末較佳係使用純度達99.5質量%以上者(通常市售純鋁粉末係99.7質量%以上)。
再者，當賦予中子吸收能力的情況，換言之，當欲抑低中子穿透性時，後述陶瓷粒子係使用硼化合物。此處當為更加提高所獲得中子吸收能力時，在鋁粉末中最好添加0.1~50質量%之諸如鉿(Hf)、釤(Sm)、釓(Gd)等具有中子吸收能力的至少1種元素。
再者，當要求高溫強度的情況，可在鋁粉末中添加諸如鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、銅(Co)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、鍶(Sr)等中之至少1種。
再者，當要求室溫強度的情況，可在鋁粉末中添加諸如矽(Si)、鐵(Fe)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鋅(Zn)等中之至少1種。不管何種情況，各元素可依7重量%以下的比例添加，當由2種以上混合的情況，則可依合計量在15質量%以下的比例添加。
鋁粉末的平均粒徑並無特別的限定，可使用上限值一般為200μm以下、較佳100μm以下、更佳30μm以下的粉末。平均粒徑的下限值係在能製造之前提下，其餘並無特別的限定，通常係0.5μm以上、較佳係10μm以上。特別係可將鋁粉末的最大粒徑設為100μm以下，將後述當作強化材用的陶瓷粒子平均粒度設為40μm以下。此情況，有助於強化材粒子的均勻分散、強化材粒子的稀薄部分變為非常少、金屬基複合材的特性呈安定化之效果。
鋁合金粉末的平均粒徑因為若與後述鎢粒子(甚至陶瓷粒子)平均粒徑間之差較大，則在軋延加工之際容易發生斷裂，因而最好縮小平均粒徑差。若平均粒徑過大，則與平均粒徑無法變大的陶瓷粒子間之均勻混合趨於困難。相對的，若平均粒徑過小，則微細鋁粒子彼此間容易引發凝聚情形，導致與陶瓷粒子間之均勻混合趨於非常困難。考慮該等情形，藉由將鋁粒子的平均粒徑設在較佳範圍內，亦可獲得更優異的加工性、成形性、機械特性。
本發明鋁粉末的平均粒徑係表示依照雷射繞射式粒度分佈測定法所測得的值。粉末形狀亦無限定。例如鋁粉末係可為諸如淚珠狀、正球狀、旋轉橢圓體狀、碎片狀或不定形狀等任何形狀均無妨。
鋁粉末的製造方法並無必要特別限定。例如鋁粉末係依照公知的金屬粉末製造方法進行製造。該製造方法係可例如：霧化法、熔融紡絲法、旋轉圓盤法、旋轉電極法、其他的急冷凝固法等。此處就從工業性生產的觀點， 較佳係霧化法，特別較佳係藉由將熔液霧化而製造粉末的氣體霧化法。
另外，霧化法中，最好將上述熔液加熱至通常700~1200℃並霧化。理由係藉由設定為此溫度範圍，便可實施更有效的霧化。又，霧化時的噴霧介質‧環境係可為空氣、氮、氬、氦、二氧化碳、水等或該等的混合氣體，但噴霧介質就從經濟性觀點，最好係由空氣、氮氣體或氬氣構成者。
<芯材：分散於鋁基質中的鎢粒子>
在芯材基質中分散的鎢粒子平均粒徑，最好經考慮供用以構成芯材基質用的鋁粉末粒子粒徑之後，設定為盡可能接近的平均粒徑。
鎢粒子的形態並無必要特別的限定，可為諸如淚珠狀、正球狀、旋轉橢圓體狀、碎片狀或不定形狀等任何形狀。
鎢粒子係在芯材中設為5vol%~70vol%、較佳係10vol%~60vol%。若未滿5vol%，便無法獲得充分的放射線吸收特性；另一方面，若超過70vol%，則金屬基複合材的加工性會劣化，亦無法獲得輕量化的優點。
<芯材(任意要件)：與鎢粒子共存的陶瓷粒子>
與鋁粉末及鎢粒子混合，而賦予中子吸收功能的陶瓷粒子，係有如：Al2O3、SiC、B4C、BN、氮化鋁、氮化矽等。該等陶瓷係依粉末形狀使用，該等係可單獨使用、或依混合物使用，配合複合材的用途進行選擇。此處，因為 硼(B)具有會吸收中子的性能(即，抑制中子穿透的性能)，因而當使用硼系陶瓷粒子的情況，鋁複合材亦可使用為中子吸收材。此情況，硼系陶瓷係可例如：B4C、TiB2、B2O3、FeB、FeB2等。該等硼系陶瓷係可使用粉末形狀，該等係可單獨使用、或依混合物使用。特別最好係大量含有會良好吸收中子的B同位素10B之碳化硼B4C。
該陶瓷粒子若過多，則塑性加工時的變形阻力會提高，導致塑性加工較為困難，且成形體會變脆導致容易斷裂。又，鋁粒子與陶瓷粒子的結合性亦會變差，容易出現空隙，無法獲得所需求的各項功能，強度與導熱性亦會降低。又，當作鋁基複合材用時的切削性亦會降低。依能確保中子吸收功能明顯顯現，且不會發生如上述不良情況的範圍添加。一般，陶瓷粒子相對於混合粉末整體的比例較佳係5vol%~40vol%程度，當合計鎢粒子時的合計比例較佳係5vol%~70vol%程度。
B4C、Al2O3等陶瓷粒子的平均粒徑係任意，較佳係1~30μm。如相關鋁粉末平均粒徑的說明，該等二種粉末間的粒徑差係依照所要求規格而適當選擇。例如陶瓷粒子的平均粒徑較佳係設為5μm以上且20μm以下。此處，若陶瓷粒子的平均粒徑較大於20μm，在切斷時便有導致鋸齒馬上遭磨損的問題。又，若陶瓷粒子的平均粒徑較小於5μm，則該等微細粉末彼此間容易引發凝聚情形，會有導致在與鋁粉末間的均勻混合趨於非常困難的可能性。
另外，本發明鎢粒子、陶瓷粒子的平均粒徑係表 示依照雷射繞射式粒度分佈測定法所測得的值。陶瓷粒子的粉末形狀亦無限定，可為例如：淚珠狀、真級狀、旋轉橢圓體狀、碎片狀、不定形狀等任何形狀。
<供用以構成表皮材料的箱體>
本發明金屬基複合材的製造方法中所使用箱體(上箱體及下箱體、箱體本體及插塞構件)，係與混合粉末間之密接性優異、且適於軋延加工的鋁製或不鏽鋼製。例如鋁製箱體的情況，最好使用純鋁(JIS1050、1070等)。另外，箱體材料亦可使用諸如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系合金等各種形式的合金素材。
到底要選擇何種組成的鋁，係經考慮所需特性、成本等等之後再行決定。例如當欲提高加工性、散熱性的情況，最好為純鋁。純鋁相較於鋁合金的情況下，就原料成本層面而言亦較為有利。又，當欲更加提高強度、加工性時，較佳係Al-Mg系合金(JIS5052等)。又，當欲更加提高中子吸收能力時，最好添加1~50質量%之諸如Hf、Sm、Gd等具有中子吸收能力的至少1種元素。
(2)製造步驟說明
<2-1：混合粉末調整步驟>
準備鋁粉末與鎢粒子，將該等粉末均勻混合。鋁粉末係可僅為一種、亦可混合複數種。又，當混合陶瓷粒子的情況，陶瓷粒子係可僅為一種、亦可為複數種(例如由B4C與Al2O3混合)。鋁粉末與鎢粒子的混合方法係可為公知方 法，只要使用例如V型摻合機、交叉旋轉攪拌機等各種攪拌機、或振動研磨機、行星式研磨機等，進行既定時間(例如10分~10小時程度)混合便可。又，混合係可為乾式或濕式中之任一者。又，混合時在破碎目的下，亦可適當添加氧化鋁、SUS球珠等研磨介質。
再者，基本上，此混合粉末調整步驟係將鋁粉末與鎢粒子進行混合而製備混合粉末，再將粉末混合粉末原狀送往下一步驟的步驟。
<2-2：箱體準備步驟>
在該箱體準備步驟中，準備經填充依上述混合粉末調整步驟所製造混合粉末的中空扁平狀典型鋁製箱體。
此情況，具體係為構成箱體10而準備下箱體12與上箱體14。該下箱體12係鋁製，如圖1所示形成具備有：相對向的側板12A,12B、前板12C、後板12D、以及圖2B所示底板12E的形狀。上箱體14係鋁製，由與下箱體12的材料為相同材料形成，如圖1所示形成具備有：相對向的側板14A,14B、前板14C、後板14D、及圖2B所示上板14E的形狀。更詳言之，下箱體12係形成上面呈開放的有底立方體狀，上箱體14係具有當作將該開放上面予以封閉的封閉構件功能，形成從該下箱體12的上方依包覆外周的方式嵌合之略立方體狀。即，上箱體14係形成具有能嵌合之些微大於下箱體12的尺寸。
<2-3：補強框準備步驟>
經後所說明的填充步驟後，準備供用以補強箱體10的 外周(詳言之係如圖2A所示，軋延時的姿勢外周面)用補強框16。此處，所謂「箱體10軋延時的姿勢」係指箱體10的長邊方向(箱體平面形狀為正方形的情況，便為任一中心軸線)沿軋延方向，且其延伸出面係沿水平方向的姿勢。
該補強框16係具備有：第1及第2補強構件16A,16B、第3及第4補強構件16C,16D構成。該等第1及第2補強構件16A,16B係在沿上箱體14軋延方向的二側板14A,14B上，依沿該軋延方向延伸出的狀態分別固接。該等第3及第4補強構件16C,16D係在該上箱體14軋延方向正交的前板14C與後板14D上，依沿軋延方向正交的方向延伸出狀態分別固接。
此處，第1及第2補強構件16A,16B係形成各自所安裝上箱體14的側板14A,14B沿軋延方向的二端，較對應的側板14A,14B分別更朝前後延伸出長度狀態。又，第3及第4補強構件16C,16D係形成與各自所安裝上箱體14的前板14C與後板14D沿延伸出方向之正交方向長度具有相長度狀態，並固定或固接於第1及第2補強構件16A,16B上。
<2-4：填充步驟>
其次，依上述混合粉末製備步驟所製備的混合粉末M被填充於下箱體12內。該填充步驟係利用均勻投入混合粉末M的作業實施。此時，在均勻投入作業之時並行地實施對下箱體12敲壓(即機械性填塞作業)，俾提高粉體的填充密度。藉由該敲壓，混合粉末的理論填充率便成為35%製65%範圍。
具體而言，如圖3A所示，下箱體12係依上面呈開放狀態放置於既定的填充位置處。接著，如圖3B所示，在下箱體12上使延長套筒20重疊於下箱體12。此處，該延長套筒20係具備有套筒本體20A與裙擺部20B構成。該套筒本體20A係具備有下緣，該下緣係在重疊於下箱體12上的狀態下，橫跨全周密接於下箱體12的上緣。該裙擺部20B係依從該套筒本體20A的下緣外周朝外邊突出狀態一體形成，且在重疊於下箱體12上的狀態下，從外側嵌合於下箱體12的上緣外周。
依此，在下箱體12上重疊著延長套筒20的狀態，如圖3C所示，朝下箱體12與延長套筒20的重疊空間內投入混合粉末M。
然後，在內部已投入混合粉末M的狀態，敲壓下箱體12與延長套筒20。結果，如圖3D所示，在下箱體12與延長套筒20的重疊空間內，提升混合粉末M的填充密度，隨該填充密度的提高，混合粉末M的上面亦會隨之下降。
然後，經過既定的敲壓時間，若混合粉末M成為所需的填充密度，便停止敲壓，並將延長套筒20朝上方拉起。結果，如圖3E所示，在下箱體12內依形成稠密並保持形狀的狀態殘留著混合粉末M。然後，如圖示，在下箱體12中殘留的混合粉末M，位於延長套筒20內的部分形成朝下箱體12的上方突出狀態。
然後，藉由使刮刀22沿下箱體12的上緣進行移動，朝下箱體12上方突出的混合粉末M部分被刮掉於側 邊，如圖3F所示，被刮掉的混合粉末M回收於回收箱24內。又，經回收於回收箱24內的混合體M，之後會被送返於上述摻合機中，再度進行攪拌，並提供再利用。
另一方面，依此藉由被刮掉，在下箱體12內便呈現依經提高填充密度的狀態填滿混合粉末M。換言之，已填充入下箱體12內的混合粉末M上面，係與下箱體12的上緣共平面之狀態。
然後，如圖3G所示，將上箱體14從上方嵌合於下箱體12，在將下箱體12的開放上面予以封閉狀態下，如圖3H所示，構成內部填滿著混合粉末M的被軋延體18。
此處，圖3H所示被軋延體18的狀態，就為製造本發明金屬基複合材用的「素材」(意指在後述軋延步驟中，成為軋延對象的素材)而言具有極重要的意義。即，詳細容後述，藉由將該被軋延體18施行軋延而獲得的雙面包層構造，下箱體12的底板12E會規範最下層(下表皮材料)，而混合體M則規範中間層(構成芯材)，上箱體14的上板14E規範最上層(上表皮材料)。
然後，該雙面包層構造為能發揮充分的機械特性，相鄰接的層必需密接，但本發明中，與混合體M的下面與下箱體12的底板12E上面橫跨全面密接的狀態同樣，達成由混合體M的上面與上箱體14的上板14E下面呈橫跨全面密接的狀態。此結果，經軋延後的雙面包層構造係在藉由相鄰接的層間依相密接狀態被軋延，而形成相互牢固地接合，所以如後述，充分確保其機械強度。
其次，利用補強框16實施補強被軋延體18的作業。此項補強作業係如圖2B所示，在被軋延體18軋延時的姿勢下，除上下雙面外，利用補強框16包圍外周而實施。
詳言之，將第1及第2補強構件16A,16B依在上箱體14中分別安裝的側面14A,14B沿軋延方向的二端(即前端與後端)，較對應的側面14A,14B分別更朝前後延伸出的狀態暫時固定。接著，第3補強構件16C的二端依分別抵接於第1及第2補強構件16A,16B沿軋延方向的前方端部狀態暫時固定，而第4補強構件16D的二端係依分別抵接於第1及第2補強構件16A,16B沿軋延方向的後方端部狀態暫時固定。
依此，在補強框16暫時固定於被軋延體18的狀態下，將該被軋延體18放入真空爐中，並依既定真空度減壓而脫氣。
待該脫氣作業結束後，便利用MIG熔接將已暫時固定的補強框16固接於被軋延體18上。該MIG熔接係藉由將補強框16的上緣、與上箱體14的上緣橫跨全周施行熔接，且將補強框16的下緣、與上箱體14的下緣橫跨全周施行熔接而實施。此處，上箱體14的下緣、與下箱體12的下緣係呈緊密鄰接的狀態。此項結果係在將補強框16的下緣與上箱體14的下緣進行熔接之時點，下箱體12的下緣亦會一起被熔接，結果箱體10整體便被氣密式密封。
此處，為使箱體10呈被氣密式密封，因而若被軋延體18內有存在(殘留)空氣，便會有成為缺陷並殘留的可能性。所以，在軋延步驟中為使空氣從被軋延體18內竄逃不 致殘留於內部，便在上箱體14的上面四角落形成脫氣的孔(未圖示)。又，藉由該孔的形成，亦可期待在熔接時進入被軋延體18內的氣體被除去之效果。
<2-5：預熱步驟>
在對依此經利用補強框16補強的被軋延體18施行軋延前，便施行預熱。該預熱係藉由在加熱爐中，於300℃~600℃範圍的大氣環境中放置2小時以上而實施。此處，預熱環境並不僅限定於大氣中實施，更佳係在氬等惰性氣體中實施，又，更佳係在5Pa以下的真空環境中實施。
<2-6：軋延步驟>
該軋延步驟係對被軋延體18利用軋延而實施塑性加工，首先針對該被軋延體18在本發明所造成特有效果的狀況進行說明。
即，提供進行軋延步驟的被軋延體18係軋延對象的混合粉末保持粉體狀態，並未形成任何固化狀況。在被軋延體18內，雖利用上述的敲壓而提高填充率，但此並非達固化的程度，而是仍維持著粉體的狀況。
再者，提供進行軋延步驟之際，當作粉體用的混合粉末M係呈上下被鋁板夾入的狀況。具體而言，混合粉末M的上面係利用上箱體14的天板部14E而被全面性且緊密地包覆，混合粉末M的下面則利用下箱體12的底板部12E而被全面性且緊密地包覆。依此，該被軋延體18在將混合粉末M填充於箱體10內並密封的狀態下，當利用鋁板從上下夾入混合粉末M的雙面包層構造時，形成規範板狀包覆 材的「素材」。
經預熱的被軋延體18被施行軋延加工，成形為目標形狀。製作板狀包覆材時，僅利用冷軋亦可獲得在與Al板材或Al容器間具有既定包覆率的包覆板材。亦可利用熱塑性加工施行單一加工，亦可組合複數加工。又，經熱塑性加工後亦可施行冷塑性加工。當施行冷塑性加工時，若在加工前便依300~600℃(較佳係400~500℃)施行退火，便可使加工較為容易。
因為被軋延體18係利用鋁板(或不鏽鋼板)被包覆，因而其表面沒有在施行塑性加工時會成為破壞的基點、或導致模具等遭磨損的陶瓷粒子。所以，可獲得軋延加工性良好、強度與表面性狀均優異的金屬基複合材。又，所獲得熱塑性加工材因為表面被金屬所包覆，且表面的金屬與內部的混合粉末M間之密接性亦佳，因而相較於表面未包覆金屬材而僅芯材的狀態下，就耐蝕性、耐衝擊性、導熱性均較優異。
較佳的其他實施形態，在施行軋延加工前，便將被軋延體18的表面利用金屬製保護板、例如SUS或Cu製薄板包覆亦屬有效。藉此，針對在塑性加工時有可能會發生的前後方向斷裂或龜裂等情況防範於未然。
更詳言之，軋延步驟更具體而言，藉由依軋延率10~70%範圍重複施行10~14軋道的熱軋而實施。該熱軋時的軋延溫度係設定為500℃。
再者，亦可利用該熱軋修整為所需的最終厚度。 又，在該熱軋後，亦可依200℃~300℃範圍施行溫軋。又，經該溫軋後，亦可依200℃以下的溫度實施第2次的溫軋。
然後，待軋延步驟結束後，依300℃~600℃範圍實施既定時間的熱處理步驟(即退火步驟)。經該退火步驟後，實施冷卻步驟，再實施成為所需平坦度的矯正步驟，分別切掉二側緣、前端緣、後端緣，便獲得既定製品形狀(即雙面包層構造)的金屬基複合材。
實施例
以下，利用實施例針對本發明進行更詳細說明。
利用本發明製造具有γ線吸收功能的金屬基複合材。
<芯用混合粉末之製備>
為構成芯材用，將下述原料依表1所示摻合比進行混合而形成混合粉末。
表1中，樣品1~14係具有γ線吸收功能之金屬基複合材的芯材摻合組成。
混合係使用V型摻合機施行3小時。
[芯材用原料]
‧Al粉末(D50≒10μm)
‧W粉末(純度99.8%,D50=18.5μm)
[表1]
<箱體之製作>
製作供構成表皮材料的箱體。
[表皮材料用原料與箱體尺寸]
‧Al板(A5052)
‧箱體(內部尺寸190×150×58，板厚3mm)
‧補強框(厚度10mm)
將上述Al板施行TIG熔接而製作上述尺寸的箱體。
箱體係參照圖1並依前述由上箱體、下箱體構成。
如參照圖2A進行的說明，具備有補強框。
<混合粉末之填充(被軋延體之製作)>
依照前述<2-4：填充步驟>所說明的順序，依目標填充率50%施行手動填充及敲壓，獲得表2的填充率。
<軋延>
將上述被軋延體加熱至500℃，依複數軋道施行熱軋，形成最終厚度3mm與6mm。獲得沒有發生表面斷裂與皺褶的平滑軋延表面。相關所有樣品的包覆率為大致均17%。
<退火>
經軋延後施行450℃的消除應力退火。
<補強材之去除>
將退火畢的軋延材前後端與二側緣予以切掉而去除補強材，便獲得本發明的金屬基複合材。
<<検査>>
<組織觀察>
相關各樣品的截面(L-ST截面)，針對鏡面研磨面利用光學顯微鏡進行組織觀察。圖4~圖9所示係代表性組織照片。任一者均可確認到芯材用混合粉末被加壓一體化，在Al粉末被加壓一體化的基質(白色)中，分散著W粒子(灰色)與(樣品7~10更有B4C粒子(黑色))的組織。又，亦確認到箱體經加壓扁平化的表皮材料(各照片「表皮材料附近」視野的上緣部)呈與芯材相密接。
<γ線屏蔽率之測定>
具地面1m高度處，將束線源設定為距檢測器測定中心的距離25cm，針對在其間有試料時與沒有試料時的劑量率，分別測定10次，再從其平均值中扣減掉背景劑量率的值，依照下式求取屏蔽率。
屏蔽率=(1-有試料時的劑量率/沒有試料時的劑量率)×100
束線源：鈷60束線源10MBq
測定器：Nal閃爍式偵測器
各樣品的γ線屏蔽率係如表3所示。
[表3]
首先，試料15與試料16係1070鋁材，就γ線的屏蔽率，芯材中經複合化鎢粉末的試料1~試料14，相較於相同板厚之下，屏蔽效果較高。而，鎢粉末量越多則屏蔽效率越高，但與其成正比，構件的密度(每單位面積的重量)亦會增加。試料17與試料18係表示鉛材的屏蔽率，屏蔽效率雖高，但密度亦大。然而，試料13與試料14的金屬複合材之屏蔽率呈現與該等匹配程度的屏蔽效果。根據本發明，藉由調整芯材基質中的鎢量，便可調整配合用途的屏蔽率與密度。
再者，如表4所示，試料19~66係經分散著W與B4C 的試料，測定各自合計在5vol%~70vol%範圍內的試驗體中子及γ線屏蔽率。試驗結果得知，具有W與B4C的分散量成比例的中子與γ線屏蔽效果，相關板厚與屏蔽率的關係性，得知亦是如試料1~14所獲得般具有比例關係。所以，得知即便同時分散W與B4C，仍可獲得配合各個含量的電磁波屏蔽率。又，針對試料19~66之分散著W與B4C的試料之金屬基複合材實施，前述芯材亦是準用於由W與Al構成的金屬基複合材。
[表4]
產業上之可利用性
根據本發明，可提供輕量、具有充分放射線吸收 功能，且強度、耐蝕性、加工性、耐衝擊性、導熱性、作業性均優異的金屬基複合材及其製造方法。

Claims (14)

  1. 一種金屬基複合材，其特徵在於其具有：使芯材密接且夾於一對由鋁板構成的表皮材料間之雙面包層構造，且該芯材係鋁粉末經加壓一體化而成的基質中分散有鎢粒子而成者；並且前述芯材中含有5vol%~70vol%之前述鎢粒子。
  2. 如請求項1之金屬基複合材，其中前述表皮材料的厚度係前述金屬基複合材整體厚度的10%~25%。
  3. 如請求項1或2之金屬基複合材，其中前述芯材係前述基質中更分散有陶瓷粒子而成者。
  4. 如請求項3之金屬基複合材，其中前述陶瓷粒子係B4C粒子。
  5. 如請求項4之金屬基複合材，其中前述芯材中含有合計為5vol%~70vol%之前述B4C粒子與前述鎢粒子。
  6. 如請求項1之金屬基複合材，其中前述表皮材料係由不鏽鋼板取代前述鋁板而構成。
  7. 一種金屬基複合材之製造方法，係製造如請求項1至6中任一項之金屬基複合材之方法，其特徵在於包括下述步驟：(a)將用以構成前述基質的鋁粉末、與由前述鎢粒子構成的鎢粉末，依鎢粒子摻合量為5vol%~70vol%進行混合，而形成用以構成前述芯材的混合粉末；(b)準備由用以構成前述表皮材料的鋁板所構成之 箱體，且該箱體含有經形成為可相互密封的下箱體與上箱體；(c)在前述下箱體內填充前述混合粉末；(d)藉由將前述上箱體覆於前述下箱體上並密封，而從填充有前述混合粉末的前述箱體準備被軋延體；(e)將前述被軋延體預熱，以使前述混合粉末維持固相狀態；以及(f)將經於前述預熱步驟中預熱過的前述被軋延體進行軋延，而製成前述金屬基複合材。
  8. 如請求項7之金屬基複合材之製造方法，其中前述填充步驟(c)包括為提高前述混合粉末之填充密度的敲壓操作。
  9. 如請求項7或8之金屬基複合材之製造方法，其中前述填充步驟(c)包括將前述混合粉末的上面形成為與前述箱體上緣共平面之狀態的操作。
  10. 如請求項7至9中任一項之金屬基複合材之製造方法，其中前述混合步驟(a)中，更進一步混合由前述陶瓷粒子構成的陶瓷粉末。
  11. 如請求項10之金屬基複合材之製造方法，其中前述陶瓷粉末係B4C粉末。
  12. 如請求項11之金屬基複合材之製造方法，其中相對於前述混合粉末整體，前述B4C粉末係與前述鎢粒子合計添加5vol%~70vol%。
  13. 如請求項7至12中任一項之金屬基複合材之製造方法， 其係使用不鏽鋼板取代前述鋁板作為前述表皮材料。
  14. 一種金屬基複合材，其特徵在於其係利用如請求項7至13中任一項之金屬基複合材之製造方法而製造。
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