WO2018061225A1 - アルミニウム合金材料及びその製造方法並びにキャスク用バスケット及びキャスク - Google Patents

アルミニウム合金材料及びその製造方法並びにキャスク用バスケット及びキャスク Download PDF

Info

Publication number
WO2018061225A1
WO2018061225A1 PCT/JP2016/085035 JP2016085035W WO2018061225A1 WO 2018061225 A1 WO2018061225 A1 WO 2018061225A1 JP 2016085035 W JP2016085035 W JP 2016085035W WO 2018061225 A1 WO2018061225 A1 WO 2018061225A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
aluminum alloy
alloy material
mass
manganese
aluminum
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/085035
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
川原　慶幸
Original Assignee
三菱重工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱重工業株式会社 filed Critical 三菱重工業株式会社
Priority to EP16917774.8A priority Critical patent/EP3444367A4/en
Publication of WO2018061225A1 publication Critical patent/WO2018061225A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/049—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds for direct chill casting, e.g. electromagnetic casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/001—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths of specific alloys
    • B22D11/003—Aluminium alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0408—Light metal alloys
    • C22C1/0416—Aluminium-based alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/002—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working by rapid cooling or quenching; cooling agents used therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
    • G21F1/02—Selection of uniform shielding materials
    • G21F1/08—Metals; Alloys; Cermets, i.e. sintered mixtures of ceramics and metals
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F5/00—Transportable or portable shielded containers
    • G21F5/005—Containers for solid radioactive wastes, e.g. for ultimate disposal
    • G21F5/008—Containers for fuel elements
    • G21F5/012—Fuel element racks in the containers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/05—Metallic powder characterised by the size or surface area of the particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps

Definitions

  • the present disclosure relates to an aluminum alloy material, a manufacturing method thereof, a cask basket and a cask.
  • a manganese-containing aluminum alloy having excellent thermal stability may be used as a material for a member used in a high temperature environment for a long period of time.
  • Non-Patent Document 1 describes that a manganese-containing aluminum alloy is used as the material of the structural member (for example, basket) of the above-described metal cask.
  • Patent Document 1 in order to evaluate the strength characteristics and the like of an aluminum alloy material containing a manganese-containing aluminum alloy, a thermal degradation phenomenon such as coarsening of precipitates that can occur according to the thermal history in an actual product is simulated. Thus, it is described that a sample for material property evaluation is prepared.
  • a manganese-containing aluminum alloy (eg, 3000 series aluminum alloy) is excellent in thermal stability, but its strength characteristics are inferior to other aluminum alloys (eg, 2000 series aluminum alloy containing duralumin). For this reason, there is almost no track record in which manganese-containing aluminum alloys have been adopted as strength members, and there has been little need to improve the strength characteristics of manganese-containing aluminum alloys.
  • At least one embodiment of the present invention aims to provide an aluminum alloy material with improved strength characteristics.
  • the aluminum alloy material according to at least one embodiment of the present invention is: An aluminum alloy material mainly composed of aluminum (Al), 0.1% by mass or more and 0.3% by mass or less of silicon (Si), 0.1 mass% or more and 0.7 mass% or less of iron (Fe), 1.8% by mass or more and 3.0% by mass or less manganese (Mn); 0.8 mass% or more and 1.3 mass% or less of magnesium (Mg), Containing.
  • manganese is a metal element that contributes to precipitation strengthening. That is, manganese precipitates as an Al—Mn compound to form a precipitate, thereby improving the strength characteristics of the aluminum alloy material.
  • the maximum solid solubility limit of manganese in aluminum is 1.82% by mass at 658.5 ° C. (eutectic temperature), but in an aluminum alloy containing 1.82% by mass or more of manganese, eutectic is usually used. At temperatures below the temperature, manganese is not dissolved, so that precipitates that contribute to the improvement of strength characteristics are not formed, and the coexistence of aluminum (Al) and Al 6 Mn that cannot substantially contribute to the improvement of strength characteristics. A crystal structure is formed.
  • the aluminum alloy material according to the above (1) contains at least a part of the manganese as a non-equilibrium precipitate of Al 6 Mn.
  • the aluminum alloy material contains at least a part of manganese as non-equilibrium precipitates of Al 6 Mn that contribute to improvement of strength characteristics. Therefore, the aluminum alloy material described in the above (2) has better strength characteristics than the aluminum alloy material in which the eutectic structure is formed.
  • the non-equilibrium precipitate of Al 6 Mn is a granular precipitate.
  • the non-equilibrium precipitates of Al 6 Mn contained in the aluminum alloy material are granular precipitates, and therefore, compared with the case where a layered eutectic structure is formed, the aluminum alloy material The strength characteristics of the film become good.
  • a cask basket according to at least one embodiment of the present invention is formed of the aluminum alloy material according to any one of (1) to (3) above.
  • the cask basket is formed by the aluminum alloy material of the above (1) whose strength characteristics are improved by precipitation of a larger amount of manganese than usual as Al 6 Mn fine particles in aluminum. It is formed. Therefore, a cask basket having improved strength characteristics can be obtained.
  • a cask according to at least one embodiment of the present invention, The basket described in (4) above; A main body to house the basket; A lid for closing the end opening of the body barrel; Is provided.
  • the cask basket is formed by the aluminum alloy material of the above (1) whose strength characteristics are improved by precipitation of a larger amount of manganese than usual in the form of Al 6 Mn fine particles in aluminum. It is formed. Therefore, a cask basket having improved strength characteristics can be obtained.
  • a method for producing an aluminum alloy material comprises: A molten aluminum alloy containing aluminum (Al) as a main component and containing 1.8 mass% or more and 3.0 mass% or less of manganese (Mn) is cooled to supersaturate the manganese in the aluminum matrix. Cooling step to obtain a supersaturated solid solution, A heat treatment step of heat-treating the supersaturated solid solution to precipitate at least part of the manganese as Al 6 Mn to obtain an aluminum alloy material; Is provided.
  • the melt in the manufacturing method of (6), in the cooling step, is powdered by injecting a gas into the melt.
  • the melt is refined and rapidly cooled by injecting gas into the melt of the aluminum alloy containing manganese, supersaturation in which manganese is supersaturated and solid-dissolved in aluminum A solid solution can be formed. And by heat-treating the supersaturated solid solution obtained in this way, at least a part of the supersaturated solid solution manganese in aluminum can be precipitated as Al 6 Mn, so that the aluminum alloy material having improved strength characteristics Can be obtained.
  • an average particle diameter of the powder of the supersaturated solid solution obtained in the cooling step is 5 ⁇ m or more and 80 ⁇ m or less.
  • the average particle diameter of the powder obtained by injecting gas into the melt of aluminum alloy is 5 ⁇ m or more as in the production method of (8) above, it is easy to form the powder by injecting gas into the melt. .
  • the average particle size of the powder is 80 ⁇ m or less, the specific surface area is relatively large, and when the melt is powdered, it is easy to be rapidly cooled. Easy to form.
  • the manufacturing method according to (7) or (8) further includes a step of oxidizing the powdery supersaturated solid solution before the heat treatment step.
  • an aluminum oxide layer is formed on the surface of the powder by subjecting the powdery supersaturated solid solution obtained by powdering the melt to an oxidation treatment.
  • the strength characteristics of the aluminum alloy are improved as the dispersion particle strengthening. Therefore, according to the manufacturing method of said (9), the intensity
  • the supersaturated solid solution molded product is obtained by a DC casting method (Direct Chill Casting).
  • the molded product is obtained by directly cooling the aluminum alloy melt with the coolant by the DC casting method, the melt can be rapidly cooled. Therefore, a molded product can be obtained as a supersaturated solid solution in which manganese is supersaturated in aluminum.
  • the supersaturated solid solution in the manufacturing method according to any one of (6) to (10) above, is heated to a temperature range of 400 ° C. to 620 ° C. and held. To do.
  • an aluminum alloy material with improved strength characteristics is provided.
  • the aluminum alloy material includes aluminum (Al) as a main component, 0.1 mass% to 0.3 mass% silicon (Si), and 0.1 mass% to 0.7 mass%. % Of iron (Fe), 1.8% by mass to 3.0% by mass of manganese (Mn), and 0.8% by mass to 1.3% by mass of magnesium (Mg). .
  • manganese is a metal element that contributes to precipitation strengthening. That is, manganese precipitates as an Al—Mn compound to form a precipitate, thereby improving the strength characteristics of the aluminum alloy material.
  • the aluminum alloy having the above-described configuration contains 1.8% by mass or more and 3.0% by mass or less of manganese (Mn). That is, the above-mentioned aluminum alloy contains manganese having a maximum solid solubility limit (1.82% by mass at 658.5 ° C. (eutectic temperature)) or more.
  • a eutectic structure of aluminum (Al) and Al 6 Mn is formed at a temperature equal to or lower than the eutectic temperature.
  • This eutectic structure has a layered structure and cannot substantially contribute to improvement of strength characteristics. For this reason, it is usually considered difficult to obtain an effect of improving the strength characteristics with an aluminum alloy containing manganese in an amount exceeding the maximum solid solubility limit.
  • Si when the Si content is 0.1% by mass or more, in the aluminum alloy, Si can be sufficiently precipitated as a precipitation nucleus and manganese as an Al—Mn compound. Moreover, if content of Si is 0.3 mass% or less, embrittlement of aluminum alloy material can be suppressed.
  • the Fe content is 0.1% by mass or more, in an aluminum alloy, it is possible to sufficiently precipitate Fe as a precipitation nucleus and manganese as an Al—Mn compound. Further, when the Fe content is 0.7 sample% or less, embrittlement of the aluminum alloy material can be suppressed.
  • At least a portion of Mn is contained as non-equilibrium precipitates of Al 6 Mn.
  • the non-equilibrium precipitate of Al 6 Mn contributes to the improvement of strength characteristics in the aluminum alloy material. Therefore, when at least a part of Mn is contained as a non-equilibrium precipitate of Al 6 Mn, the strength characteristics of the aluminum alloy material are improved.
  • the non-equilibrium precipitate of Al 6 Mn described above is a granular precipitate.
  • the strength characteristics of the aluminum alloy material are better than when a layered eutectic structure is formed. .
  • the manufacturing method of the aluminum alloy material which concerns on some embodiment melt
  • Al aluminum
  • Mn manganese
  • the molten aluminum alloy contains 0.1 mass% or more and 0.3 mass% or less of silicon (Si) and 0.1 mass% or more and 0.7 mass% or less of iron (Fe). May be.
  • the content of Si or Fe is not less than the above lower limit value, it is possible to sufficiently precipitate manganese as an Al—Mn compound using Si or Fe as a precipitation nucleus in an aluminum alloy. Moreover, if content of Si or Fe is below the above-mentioned upper limit, embrittlement of aluminum alloy material can be suppressed.
  • FIG. 1 is a diagram showing a part on the aluminum side of the Al—Mn binary phase diagram.
  • an aluminum alloy melt containing a larger amount of manganese than the maximum solid solubility limit is cooled relatively slowly so as to maintain an equilibrium state, as described below, aluminum (Al) and Al 6 Mn A eutectic structure is formed. That is, as shown in FIG. 1, in the region where the Mn content is higher than 1.82% by mass which is the maximum solid solubility limit, the aluminum alloy has a higher temperature than the eutectic temperature of 658.5 ° C.
  • the liquid and the Al—Mn compound coexist (a region labeled “L + MnAl 6 ” in FIG. 1).
  • the melt of the aluminum alloy is cooled relatively quickly, so that a supersaturated solid solution in which an amount of manganese exceeding the maximum solid solution limit is dissolved in the aluminum matrix. Can be formed. Therefore, in the subsequent heat treatment step, supersaturated manganese can be precipitated as fine particles of MnAl 6 in solid phase Al. For this reason, a larger amount of manganese than usual can be precipitated as fine particles in aluminum, and thereby an aluminum alloy material with improved strength characteristics can be obtained.
  • the cooling step powders the melt by injecting gas into the melt of the manganese-containing aluminum alloy. That is, in one embodiment, the molten manganese-containing aluminum alloy is powdered by an atomizing method. In this case, by injecting gas into the melt of the manganese-containing aluminum alloy, the melt is refined and rapidly cooled, so that a supersaturated solid solution in which manganese is supersaturated in aluminum can be formed.
  • a molded article of the above-described supersaturated solid solution is obtained by a DC casting method (Direct Chill Casting).
  • a DC casting method Direct Chill Casting
  • a molded product is obtained while the molten metal is directly cooled by a coolant. Therefore, by adopting the DC casting method in the cooling step as described above, a molded product is obtained while directly cooling the aluminum alloy melt with a coolant (for example, water), so that the melt can be rapidly cooled.
  • a molded article can be obtained as a supersaturated solid solution in which manganese is supersaturated in aluminum.
  • the supersaturated solid solution obtained in the above cooling step is heat-treated, and at least a part of manganese supersaturated in aluminum is precipitated as Al 6 Mn.
  • the supersaturated solid solution is heated to a temperature range of 400 ° C. or more and 620 ° C. or less and held. As described above, when the supersaturated solid solution is heated to 400 ° C. or more and held, fine Al 6 Mn particles are easily precipitated.
  • by heating the supersaturated solid solution to 620 ° C. or lower and holding it it becomes easy to ensure precipitation of homogenized Al 6 Mn. Therefore, by raising the temperature to the above temperature range and holding it, Al 6 Mn particles contributing to the improvement of the strength characteristics of the aluminum alloy can be effectively precipitated.
  • the obtained metal material can have a neutron absorption function.
  • FIG. 2 is a flowchart of a method for manufacturing an aluminum alloy material according to an embodiment.
  • each step demonstrated below is applicable also when employ
  • the heat treatment step described below can also be applied when the cooling step is performed by a DC casting method.
  • an aluminum alloy containing manganese (Mn) of 1.8% by mass or more and 3.0% by mass or less is dissolved to obtain aluminum.
  • An alloy melt is obtained (S2; “melting step” above).
  • gas is injected into the melt of the manganese-containing aluminum alloy to form the melt (S4; “cooling step” described above).
  • the supersaturated solid solution in which manganese is supersaturated in aluminum is obtained by atomizing the molten aluminum alloy and cooling it relatively rapidly.
  • the average particle size of the powder of the supersaturated solid solution obtained by powdering the aluminum alloy melt by the atomizing method may be 5 ⁇ m or more and 80 ⁇ m or less. If the average particle diameter of the powder obtained by injecting the gas into the aluminum alloy melt is 5 ⁇ m or more, it is easy to form the powder by injecting the gas into the melt. Moreover, if the average particle diameter of this powder is 80 micrometers or less, since a specific surface area is comparatively large and it is easy to quench rapidly when a melt is powdered, it is easy to form a supersaturated solid solution.
  • a homogenized heat treatment is performed on the powdery supersaturated solid solution obtained by the powdering process in step S4 (S6).
  • the homogenization heat treatment is performed to uniformly obtain fine precipitates by heat-treating manganese that is supersaturated in the aluminum alloy.
  • the homogenization heat treatment may be performed by holding the above-described supersaturated solid solution in a temperature range of 400 ° C. or more and 620 ° C. or less for 0.5 hour or more.
  • the powdery supersaturated solid solution obtained by the powdering process in step S4 is subjected to an oxidation process (S8).
  • an aluminum oxide layer is formed on the surface of the powder.
  • the powdery supersaturated solid solution is formed by, for example, isostatic pressing (S10), and the formed sample is vacuum-sintered, so that at least part of the supersaturated solid solution in aluminum is obtained.
  • Al 6 Mn (S12; the above-mentioned “heat treatment step”).
  • the above-described supersaturated solid solution may be held in a temperature range of 400 ° C. or higher and 620 ° C. or lower for 0.5 hour or longer.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a temperature change of the aluminum alloy when performing vacuum sintering (heat treatment step S12).
  • a step (S122 and S124) of removing moisture contained in the supersaturated solid solution of the aluminum alloy is performed before performing vacuum sintering (S126). Steps S122 to S126 are performed under reduced pressure conditions (for example, 20 Pa or less).
  • a supersaturated solid solution of aluminum alloys in a vacuum sintering furnace, holding the temperature T 1 of until allowed to warm over 0.5 hours to remove adsorbed water contained in the supersaturated solid solution (S122).
  • the temperature T 1 may be a temperature in the range of 100 ° C. or higher and 180 ° C. or lower.
  • create additional heated to T 2 temperature was maintained above 0.5 hours, the adsorbed water such as water of hydration is chemically or physically adsorbed in supersaturated solid solution It is removed (S124).
  • the temperature T 2 may be a temperature in the range of 350 ° C. or higher and 480 ° C. or lower.
  • Temperature T 3 as described above, may be a temperature in the range of 400 ° C. or higher 620 ° C. or less.
  • whether or not moisture removal has been sufficiently performed may be determined based on the pressure of the vacuum sintering furnace.
  • the pressure increases as the moisture evaporates, but as the moisture contained in the supersaturated solid solution decreases due to evaporation, the pressure decreases again. Therefore, after the temperature holding at the temperature T 1 or T 2 is started, when the pressure increases and then decreases again (for example, when it becomes 20 Pa or less), it may be determined that the moisture is sufficiently removed.
  • the temperature in each step of S122 to S126, in the process of increasing the temperature, the temperature may be increased at a temperature increase rate of 100 ° C./hour or less.
  • fine particles of Al 6 Mn can be precipitated in the solid phase Al in the aluminum alloy containing a larger amount of manganese than the maximum solid solution amount. For this reason, a larger amount of manganese than usual can be precipitated as fine particles in aluminum, and thereby an aluminum alloy material with improved strength characteristics can be obtained.
  • homogenization heat treatment step S6 may be performed simultaneously in the vacuum sintering step (heat treatment step) S12. Note that the above-described homogenization heat treatment step S6 and oxidation treatment step S8 are optional steps, and are not necessarily performed, and may be performed as necessary.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a cask according to an embodiment.
  • the cask shown in FIG. 4 is a metal cask for transporting or storing spent fuel.
  • the cask 1 according to an embodiment includes a basket 16, a main body cylinder 2 that accommodates the basket 16, and a lid portion 10 for closing an end opening of the main body cylinder 2.
  • the basket 16 is formed of the aluminum alloy material according to the above-described embodiment.
  • the cask 1 includes a resin 4 that is a neutron shield provided on the outer periphery of the main body 2, an outer cylinder 6, and a bottom 8.
  • the body body 2 and the bottom 8 may be a forged product made of carbon steel which is a ⁇ -ray shield.
  • the lid 10 may have a primary lid 11 and a secondary lid 12, and the primary lid 11 and the secondary lid 12 may be made of stainless steel.
  • the main body barrel 2 and the bottom 8 may be joined by butt welding.
  • a structure having a tertiary lid may be used.
  • a trunnion 24 for suspending the cask 1 may be provided on both sides of the cask main body 22. In FIG. 4, the trunnion 24 on one side is not shown. Further, at both ends of the cask body 22, buffer bodies 26 and 28 in which wood or the like is enclosed as a buffer material are attached.
  • a plurality of internal fins 14 that conduct heat are provided between the main body cylinder 2 and the outer cylinder 6.
  • the resin 4 is injected into the space formed by the internal fins 14 in a fluidized state and solidified by a thermosetting reaction or the like.
  • the basket 16 has a structure in which a plurality of square pipes 18 are gathered in a bundle, and is inserted into the cavity 20 of the main body barrel 2.
  • the square pipe 18 may be formed of the aluminum alloy material according to the above-described embodiment.
  • the aluminum alloy which comprises the square pipe 18 may be mixed with the neutron absorber (boron: B) for absorbing the neutron from a spent nuclear fuel. Further, one spent fuel assembly may be accommodated in each accommodating space (cell) 30 formed by each square pipe 18.
  • the basket 16 or the square pipe 18 in the product shape by extrusion processing etc. from the aluminum alloy material which concerns on embodiment mentioned above.
  • the square pipe 18 may be formed by a confectionery fold structure.
  • a cask basket is formed by the aluminum alloy material according to the above embodiment, in which strength characteristics are improved by precipitation of a larger amount of manganese than usual in Al as fine particles of Al 6 Mn. . Therefore, a basket with improved strength characteristics can be formed.
  • an expression representing a relative or absolute arrangement such as “in a certain direction”, “along a certain direction”, “parallel”, “orthogonal”, “center”, “concentric” or “coaxial”. Represents not only such an arrangement strictly but also a state of relative displacement with tolerance or an angle or a distance to obtain the same function.
  • an expression indicating that things such as “identical”, “equal”, and “homogeneous” are in an equal state not only represents an exactly equal state, but also has a tolerance or a difference that can provide the same function. It also represents the existing state.
  • expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes not only represent shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes in a strict geometric sense, but also within a range where the same effects can be obtained.
  • a shape including an uneven portion or a chamfered portion is also expressed.
  • the expression “comprising”, “including”, or “having” one constituent element is not an exclusive expression for excluding the existence of another constituent element.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)

Abstract

アルミニウム（Ａｌ）を主成分とするアルミニウム合金材料は、０．１質量％以上０．３質量％以下のケイ素（Ｓｉ）と、０．１質量％以上０．７質量％以下の鉄（Ｆｅ）と、１．８質量％以上３．０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）と、０．８質量％以上１．３質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、を含有する。

Description

アルミニウム合金材料及びその製造方法並びにキャスク用バスケット及びキャスク
　本開示は、アルミニウム合金材料及びその製造方法並びにキャスク用バスケット及びキャスクに関する。
　長期間にわたって高温環境下で使用される部材の材料として、熱的安定性に優れたマンガン含有アルミニウム合金が用いられることがある。
　例えば、使用済燃料を輸送又は貯蔵するための金属キャスクは、使用済核燃料を内部に長期間（例えば６０年）貯蔵した後、再処理施設等に輸送される。すなわち、使用済燃料を貯蔵している長期にわたり、金属キャスク及びその構造部材は使用済核燃料（発熱体）の崩壊熱により熱曝露を受ける。非特許文献１には、上述の金属キャスクの構造部材（例えばバスケット）の材料として、マンガン含有アルミニウム合金が用いられることが記載されている。
　また、特許文献１には、マンガン含有アルミニウム合金を含むアルミニウム合金材料について強度特性等の評価をするために、実製品において熱履歴に応じて起こり得る析出物の粗大化等の熱劣化現象を模擬して材料特性評価用試料を作製することが記載されている。
特許第５９６０３３５号公報
日本機械学会編　「使用済燃料貯蔵施設規格　金属キャスク構造規格　２００７年版」、２００８年２月発行
　ところで、マンガン含有アルミニウム合金（例えば３０００系アルミニウム合金）は、熱的安定性に優れる一方、強度特性が他のアルミニウム合金（例えばジュラルミンを含む２０００系アルミニウム合金）に比べて劣る。このため、マンガン含有アルミニウム合金が強度部材として採用された実績はほとんどなく、マンガン含有アルミニウム合金の強度特性を向上させようとするニーズは大きくなかった。
　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。
　上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、強度特性が向上したアルミニウム合金材料を提供することを目的とする。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るアルミニウム合金材料は、
　アルミニウム（Ａｌ）を主成分とするアルミニウム合金材料であって、
　　０．１質量％以上０．３質量％以下のケイ素（Ｓｉ）と、
　　０．１質量％以上０．７質量％以下の鉄（Ｆｅ）と、
　　１．８質量％以上３．０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）と、
　　０．８質量％以上１．３質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、
を含有する。
　アルミニウム合金において、マンガンは析出強化に寄与する金属元素である。すなわち、マンガンがＡｌ－Ｍｎ化合物として析出して析出物を形成することにより、アルミニウム合金材料の強度特性が向上する。ここで、アルミニウムにおけるマンガンの最大固溶限は、６５８．５℃（共晶温度）において１．８２質量％であるが、１．８２質量％以上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、マンガンが固溶されないため、強度特性向上に寄与する析出物が形成されず、強度特性向上には実質的に寄与し得ないアルミニウム（Ａｌ）とＡｌ６Ｍｎとの共晶組織が形成される。よって、通常、マンガンの含有量が１．８２％を超える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。
　この点、後述する実施形態に係る製造方法によれば、上記（１）のように最大固溶量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Ｓｉ及びＦｅを析出核としてＡｌ６Ｍｎ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。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の前記アルミニウム合金材料は、前記マンガンの少なくとも一部を、Ａｌ６Ｍｎの非平衡析出物として含有する。
　上記（１）に記載の組成を有するアルミニウム合金（すなわち、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、アルミニウム（Ａｌ）とＡｌ６Ｍｎとの共晶組織が形成される。このような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。
　この点、上記（２）の構成では、アルミニウム合金材料は、マンガンの少なくとも一部を、強度特性の向上に寄与するＡｌ６Ｍｎの非平衡析出物として含有する。よって、上記（２）に記載のアルミニウム合金材料は、共晶組織が形成されたアルミニウム合金材料に比べて良好な強度特性を有する。
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、Ａｌ６Ｍｎの前記非平衡析出物は、粒状析出物である。
　上記（３）の構成によれば、アルミニウム合金材料に含まれるＡｌ６Ｍｎの非平衡析出物は、粒状析出物であるので、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。
（４）本発明の少なくとも一実施形態に係るキャスク用バスケットは、上記（１）乃至（３）の何れかに記載のアルミニウム合金材料によって形成される。
　上記（４）の構成によれば、通常よりも多量のマンガンがＡｌ６Ｍｎの微細粒子としてアルミニウム中に析出することにより強度特性が向上した上記（１）のアルミニウム合金材料によって、キャスク用バスケットが形成される。よって、強度特性が向上したキャスク用バスケットを得ることができる。
（５）本発明の少なくとも一実施形態に係るキャスクは、
　上記（４）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。
　上記（５）の構成によれば、通常よりも多量のマンガンがＡｌ６Ｍｎの微細粒子としてアルミニウム中に析出することにより強度特性が向上した上記（１）のアルミニウム合金材料によって、キャスク用バスケットが形成される。よって、強度特性が向上したキャスク用バスケットを得ることができる。
　（６）本発明の少なくとも一実施形態に係るアルミニウム合金材料の製造方法は、
　アルミニウム（Ａｌ）を主成分とし、１．８質量％以上３．０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冷却して、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過飽和固溶体を得る冷却ステップと、
　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。
　上記（６）の製造方法では、最大固溶限（１．８２質量％）より多量のマンガンを含む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る。そして、このように得られた過飽和固溶体を熱処理することにより、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として析出させる。
　よって、上記（６）の製造方法によれば、最大固溶量よりも多量のマンガンを含有するアルミニウム合金において、固相Ａｌ中にＡｌ６Ｍｎの微細粒子を析出させることができる。このため、通常よりも多量のマンガンを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。
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の製造方法において、前記冷却ステップでは、前記溶融物にガスを噴射することにより、前記溶融物を紛体化させる。
　上記（７）の製造方法によれば、マンガンを含むアルミニウム合金の溶融物にガスを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。そして、このように得られた過飽和固溶体を熱処理することにより、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として析出させることができるので、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。
（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の製造方法において、前記冷却ステップで得られる前記過飽和固溶体の粉末の平均粒子径は、５μｍ以上８０μｍ以下である。
　上記（８）の製造方法のように、アルミニウム合金の溶融物にガスを噴射して得られる紛体の平均粒子径が５μｍ以上であれば、溶融物にガスを噴射することにより紛体を形成しやすい。また、上記（８）の製造方法のように、該紛体の平均粒子径が８０μｍ以下であれば、比表面積が比較的大きく、溶融物が紛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。
（９）幾つかの実施形態では、上記（７）又は（８）の製造方法において、前記熱処理ステップの前に、粉体状の前記過飽和固溶体に酸化処理を施すステップをさらに含む。
　上記（９）の製造方法では、溶融物を紛体化させて得られる紛体状の過飽和固溶体に酸化処理を施すことにより、紛体の表面に酸化アルミニウム層が形成される。このように形成された酸化アルミニウムが、例えば後段の成形工程等においてアルミニウム母相に取り込まれると分散粒子強化としてアルミニウム合金の強度特性が向上する。よって、上記（９）の製造方法によれば、アルミニウム合金材料の強度特性をより向上させることができる。
（１０）幾つかの実施形態では、上記（６）の製造方法において、前記冷却ステップでは、ＤＣ鋳造法（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｃｈｉｌｌ　Ｃａｓｔｉｎｇ）により、前記過飽和固溶体の成形品を得る。
　上記（１０）の製造方法によれば、ＤＣ鋳造法により、アルミニウム合金の溶融物を冷却材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。よって、アルミニウム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。
（１１）幾つかの実施形態では、上記（６）乃至（１０）の何れかの製造方法において、前記熱処理ステップでは、前記過飽和固溶体を４００℃以上６２０℃以下の温度範囲に昇温して保持する。
　上記（１１）の製造方法のように、過飽和固溶体を４００℃以上に昇温して保持することで、微細なＡｌ６Ｍｎの粒子を析出させやすくなる。また、上記（１１）の製造方法のように、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の析出を確保しやすくなる。
　よって、上記（１１）の製造方法によれば、アルミニウム合金の強度特性の向上に寄与するＡｌ６Ｍｎの粒子を効果的に析出させることができる。
　本発明の少なくとも一実施形態によれば、強度特性が向上したアルミニウム合金材料が提供される。
Ａｌ－Ｍｎ２元系状態図のアルミニウム側の一部を示す図である。 一実施形態に係るアルミニウム合金材料の製造方法のフローチャートである。 熱処理ステップを行う際の、アルミニウム合金の温度変化の一例を示す図である。 一実施形態に係るキャスクの構成を示す図である。
　以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
　まず、幾つかの実施形態に係るアルミニウム合金材料の構成について説明する。
　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（Ａｌ）を主成分とし、０．１質量％以上０．３質量％以下のケイ素（Ｓｉ）と、０．１質量％以上０．７質量％以下の鉄（Ｆｅ）と、１．８質量％以上３．０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）と、０．８質量％以上１．３質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、を含有する。
　アルミニウム合金において、マンガンは析出強化に寄与する金属元素である。すなわち、マンガンがＡｌ－Ｍｎ化合物として析出して析出物を形成することにより、アルミニウム合金材料の強度特性が向上する。
　ここで、上述の構成を有するアルミニウム合金は、１．８質量％以上３．０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）を含有する。すなわち、上述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。
　この点、後述する実施形態に係る製造方法によれば、最大固溶量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Ｓｉ及びＦｅを析出核としてＡｌ６Ｍｎ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。
　上述のように、Ｓｉの含有量が０．１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０．３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。
　また、上述のように、Ｆｅの含有量が０．１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０．７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。
　幾つかの実施形態では、上述のアルミニウム合金材料において、Ｍｎの少なくとも一部は、Ａｌ６Ｍｎの非平衡析出物として含有される。
　Ａｌ６Ｍｎ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。
　幾つかの実施形態では、上述のＡｌ６Ｍｎの前記非平衡析出物は、粒状析出物である。
　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。
　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、まず、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とし、１．８質量％以上３．０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。次に、この溶融物を冷却して、アルミニウム母相中にマンガンを過飽和固溶させて過飽和固溶体を得る。そして得られた過飽和固溶体を熱処理して、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。
（溶解ステップ）
　アルミニウム合金の溶融物を得るステップでは、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とし、１．８質量％以上３．０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る。この際、最終的に得られるアルミニウム合金材料が所望の組成となるように、アルミニウム合金の溶融物には、種々の添加成分が加えられていてもよい。
　例えば、アルミニウム合金の溶融物には、０．１質量％以上０．３質量％以下のケイ素（Ｓｉ）と、０．１質量％以上０．７質量％以下の鉄（Ｆｅ）が含まれていてもよい。Ｓｉ又はＦｅの含有量が上述の下限値以上であれば、アルミニウム合金において、Ｓｉ又は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、Ｓｉ又はＦｅの含有量が上述の上限値以下であれば、アルミニウム合金材料の脆化を抑制することができる。
（冷却ステップ）
　アルミニウム合金の溶融物を冷却するステップでは、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。
　ここで、図１は、Ａｌ－Ｍｎ２元系状態図のアルミニウム側の一部を示す図である。
　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１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１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。
　これに対し、上述の実施形態に係る冷却ステップでは、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ので、最大固溶限以上の量のマンガンがアルミニウム母相に固溶した過飽和固溶の状態を形成することができる。よって、後の熱処理ステップで、過飽和固溶させたマンガンを固相Ａｌ中でＭｎＡｌ６の微細な粒子として析出させることができる。このため、通常よりも多量のマンガンを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。
　一実施形態において、冷却ステップでは、マンガン含有アルミニウム合金の溶融物にガスを噴射することにより、該溶融物を紛体化させる。すなわち、一実施形態では、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紛体化させる。
　この場合、マンガン含有アルミニウム合金の溶融物にガスを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。
　一実施形態において、冷却ステップでは、ＤＣ鋳造法（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｃｈｉｌｌ　Ｃａｓｔｉｎｇ）により、上述の過飽和固溶体の成形品を得る。
　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）
　熱処理ステップは、上述の冷却ステップ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、熱処理ステップにおいて、上述の過飽和固溶体を４００℃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４００℃以上に昇温して保持することで、微細なＡｌ６Ｍｎ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の粒子を効果的に析出させることができる。
　なお、後述するキャスク用バスケット等に用いることを目的とする金属材料を製造する場合、熱処理ステップを行う前に、例えば粉末状の過飽和固溶体に中性子吸収材（Ｂ４Ｃ等）の粉末を混合してもよい。この場合、得られる金属材料に中性子吸収機能を持たせることができる。
　ここで、冷却ステップにおいて上述したアトマイズ法を採用する場合について、アルミニウム合金材料の製造方法の全体についてフローチャートに沿って説明する。図２は、一実施形態に係るアルミニウム合金材料の製造方法のフローチャートである。
　なお、以下に説明する各ステップは、冷却ステップとし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、以下に説明する熱処理ステップは、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。
　図２に示すように、一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、１．８質量％以上３．０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（Ｓ２；上述の「溶解ステップ」）。
　次に、一実施形態において、冷却ステップでは、マンガン含有アルミニウム合金の溶融物にガスを噴射することにより、該溶融物を紛体化させる（Ｓ４；上述の「冷却ステップ」）。このように、アトマイズ法によりアルミニウム合金の溶融物を紛体化させて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。
　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紛体化させて得られる過飽和固溶体の粉末の平均粒子径は、５μｍ以上８０μｍ以下であってもよい。
　アルミニウム合金の溶融物にガスを噴射して得られる紛体の平均粒子径が５μｍ以上であれば、溶融物にガスを噴射することにより紛体を形成しやすい。また、該紛体の平均粒子径が８０μｍ以下であれば、比表面積が比較的大きく、溶融物が紛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。
　次に、ステップＳ４の紛体化処理で得られた紛体状の過飽和固溶体に対して均質化熱処理を行う（Ｓ６）。均質化熱処理は、アルミニウム合金中に過飽和固溶しているマンガンを熱処理することにより、均一に微細化析出物が得られるようにするために行う。
　均質化熱処理は、上述の過飽和固溶体を、４００℃以上６２０℃以下の温度範囲に０．５時間以上保持することにより行ってもよい。
　また、ステップＳ４の紛体化処理で得られた紛体状の過飽和固溶体に対して酸化処理を施す（Ｓ８）。
　溶融物を紛体化させて得られる紛体状の過飽和固溶体に酸化処理を施すことにより、紛体の表面に酸化アルミニウム層が形成される。このように形成された酸化アルミニウムが、例えば後段の成形工程等においてアルミニウム母相に取り込まれると分散粒子強化としてアルミニウム合金の強度特性が向上する。これにより、アルミニウム合金材料の強度特性をより向上させることができる。
　そして、紛体状の過飽和固溶体を、例えば、静水圧加圧成形等により成形し（Ｓ１０）、成形した試料を真空焼結することで、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として析出させる（Ｓ１２；上述の「熱処理ステップ」）。
　ステップＳ１２では、上述の過飽和固溶体を、４００℃以上６２０℃以下の温度範囲に０．５時間以上保持することにより行ってもよい。
　ここで、図３は、真空焼結（熱処理ステップＳ１２）を行う際の、アルミニウム合金の温度変化の一例を示す図である。
　一実施形態では、図３に示すように、真空焼結（Ｓ１２６）を行う前に、アルミニウム合金の過飽和固溶体に含まれる水分を除去するステップ（Ｓ１２２及びＳ１２４）を行う。なお、ステップＳ１２２～Ｓ１２６は、減圧条件下（例えば２０Ｐａ以下）で行う。
　まず、アルミニウム合金の過飽和固溶体を、真空焼結炉にて、温度をＴ１まで昇温させて０．５時間以上保持し、過飽和固溶体に含まれる吸着水を除去する（Ｓ１２２）。温度Ｔ１は、１００℃以上１８０℃以下の範囲の温度であってもよい。
　ステップＳ１２２で水分を十分に除去できたら、温度をさらにＴ２まで昇温させて０．５時間以上保持し、過飽和固溶体において化学的又は物理的に吸着している水和水などの吸着水を除去する（Ｓ１２４）。温度Ｔ２は、３５０℃以上４８０℃以下の範囲の温度であってもよい。
　ステップＳ１２４で水分を十分に除去できたら、温度をさらにＴ３まで昇温させて０．５時間以上保持し、過飽和固溶体を真空焼結させる（Ｓ１２６）。温度Ｔ３は、上述したように、４００℃以上６２０℃以下の範囲の温度であってもよい。
　なお、Ｓ１２２及びＳ１２４において、水分除去が十分に行えたか否かは、真空焼結炉の圧力により判断してもよい。水分の除去過程において、水分の蒸発に伴い圧力が上昇するが、蒸発により過飽和固溶体に含まれる水分が減少するにつれて、圧力は再度低くなる。よって、温度Ｔ１又はＴ２での温度保持開始後、圧力が上昇後、再度低下したときに（例えば、２０Ｐａ以下となったとき）、水分が十分に除去されたと判断してもよい。
　また、Ｓ１２２～Ｓ１２６の各ステップにおいて、温度を昇温させる過程では、１００℃／時間以下の昇温速度で昇温するようにしてもよい。
　以上説明したステップＳ２～Ｓ８を行うことにより、最大固溶量よりも多量のマンガンを含有するアルミニウム合金において、固相Ａｌ中にＡｌ６Ｍｎの微細粒子を析出させることができる。このため、通常よりも多量のマンガンを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。
　なお、均質化熱処理ステップＳ６は、真空焼結ステップ（熱処理ステップ）Ｓ１２で同時に行ってもよい。なお、上述の均質化熱処理ステップＳ６及び酸化処理ステップＳ８は任意のステップであり、必ずしも実行しなくてもよく、必要に応じて実行すればよい。
　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４は、一実施形態に係るキャスクの構成を示す図である。図４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４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。
　また、キャスク１は、本体胴２の外周に設けた中性子遮蔽体であるレジン４と、その外筒６、底部８を含む。本体胴２および底部８は、γ線遮蔽体である炭素鋼製の鍛造品であってもよい。また、蓋部１０は、一次蓋１１および二次蓋１２を有していてもよく、これらの一次蓋１１および二次蓋１２は、ステンレス鋼製であってもよい。本体胴２と底部８は、突き合わせ溶接により結合してあってもよい。なお、図示はしないが、三次蓋を有する構造であってもよい。
　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４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。
　本体胴２と外筒６との間には、熱伝導を行う複数の内部フィン１４が設けられている。レジン４は、この内部フィン１４により形成される空間に流動状態で注入され、熱硬化反応等で固化形成する。
　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。
　なお、バスケット１６又は角パイプ１８は、上述した実施形態に係るアルミニウム合金材料を、押出加工等により製品形状に形成してもよい。また、角パイプ１８は菓子折り構造により形成されてもよい。
　以上説明したキャスクにおいては、通常よりも多量のマンガンがＡｌ６Ｍｎの微細粒子としてアルミニウム中に析出することにより強度特性が向上した上記実施形態に係るアルミニウム合金材料によって、キャスク用バスケットが形成される。よって、強度特性が向上したバスケットを形成することができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
　本明細書において、「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。
　また、本明細書において、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。
　また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「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。
１　　　　キャスク
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 (11)

  1. 　アルミニウム（Ａｌ）を主成分とするアルミニウム合金材料であって、
    　　０．１質量％以上０．３質量％以下のケイ素（Ｓｉ）と、
    　　０．１質量％以上０．７質量％以下の鉄（Ｆｅ）と、
    　　１．８質量％以上３．０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）と、
    　　０．８質量％以上１．３質量％以下のマグネシウム（Ｍｇ）と、
    を含有することを特徴とするアルミニウム合金材料。
  2. 　前記マンガンの少なくとも一部を、Ａｌ６Ｍｎの非平衡析出物として含有することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金材料。
  3. 　Ａｌ６Ｍｎの前記非平衡析出物は、粒状析出物であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金材料。
  4. 　請求項１乃至３の何れか一項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。
  5. 　請求項４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、
    を備えることを特徴とするキャスク。
  6. 　アルミニウム（Ａｌ）を主成分とし、１．８質量％以上３．０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冷却して、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過飽和固溶体を得る冷却ステップと、
    　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、
    を備えることを特徴とするアルミニウム合金材料の製造方法。
  7. 　前記冷却ステップでは、前記溶融物にガスを噴射することにより、前記溶融物を紛体化させることを特徴とする請求項６に記載のアルミニウム合金材料の製造方法。
  8. 　前記冷却ステップで得られる前記過飽和固溶体の粉末の平均粒子径は、５μｍ以上８０μｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載のアルミニウム合金材料の製造方法。
  9. 　前記熱処理ステップの前に、粉体状の前記過飽和固溶体に酸化処理を施すステップをさらに含むことを特徴とする請求項７又は８に記載のアルミニウム合金材料の製造方法。
  10. 　前記冷却ステップでは、ＤＣ鋳造法により、前記過飽和固溶体の成形品を得ることを特徴とする請求項６に記載のアルミニウム合金材料の製造方法。
  11. 　前記熱処理ステップでは、前記過飽和固溶体を４００℃以上６２０℃以下の温度範囲に昇温して保持することを特徴とする請求項６乃至１０の何れか一項に記載のアルミニウム合金材料の製造方法。
PCT/JP2016/085035 2016-09-30 2016-11-25 アルミニウム合金材料及びその製造方法並びにキャスク用バスケット及びキャスク WO2018061225A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16917774.8A EP3444367A4 (en) 2016-09-30 2016-11-25 ALUMINUM ALLOY MATERIAL, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, BASKET FOR DRINKING AND DRINKING

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016192463A JP6289573B1 (ja) 2016-09-30 2016-09-30 アルミニウム合金材料及びその製造方法並びにキャスク用バスケット及びキャスク
JP2016-192463 2016-09-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018061225A1 true WO2018061225A1 (ja) 2018-04-05

Family

ID=61558373

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2016/085035 WO2018061225A1 (ja) 2016-09-30 2016-11-25 アルミニウム合金材料及びその製造方法並びにキャスク用バスケット及びキャスク

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3444367A4 (ja)
JP (1) JP6289573B1 (ja)
WO (1) WO2018061225A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020015955A (ja) * 2018-07-26 2020-01-30 三菱重工業株式会社 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
CN111842915A (zh) * 2020-06-30 2020-10-30 同济大学 一种用于3d打印的铝锰合金粉末及其制备方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111842916A (zh) * 2020-06-30 2020-10-30 同济大学 一种用于3d打印的铝镁硅合金粉末及其制备方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS49113709A (ja) * 1973-02-16 1974-10-30
JPH06128678A (ja) * 1992-10-13 1994-05-10 Sky Alum Co Ltd 陽極酸化処理後の色調が暗灰色〜黒色の高強度アルミニウム合金展伸材およびその製造方法
JPH07180005A (ja) * 1993-12-22 1995-07-18 Mitsubishi Alum Co Ltd Ｄｉ加工性に優れたアルミニウム合金板の製造方法
JPH1161490A (ja) * 1997-08-27 1999-03-05 Fujikura Ltd 太陽熱吸収板
JP2001042090A (ja) * 1999-05-27 2001-02-16 Mitsubishi Heavy Ind Ltd バスケット及びキャスク
JP2006316321A (ja) * 2005-05-13 2006-11-24 Nippon Light Metal Co Ltd 中性子吸収用アルミニウム粉末合金複合材及びその製造方法並びにそれで製造されたバスケット
JP2007040914A (ja) * 2005-08-05 2007-02-15 Nippon Light Metal Co Ltd 中性子吸収用アルミニウム粉末合金複合材及びその製造方法並びにそれで製造されたバスケット
EP1956107A1 (en) * 2007-01-31 2008-08-13 Nippon Light Metal, Co., Ltd. Aluminium powder alloy composite material for absorbing neutrons, process of production thereof and basket made thereof
JP2010095433A (ja) * 2008-10-20 2010-04-30 Sumitomo Chemical Co Ltd シリコンの製造方法
JP5960335B1 (ja) 2015-09-30 2016-08-02 三菱重工業株式会社 金属材料の特性評価用試料の作製方法及び特性評価方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3930895A (en) * 1974-04-24 1976-01-06 Amax Aluminum Company, Inc. Special magnesium-manganese aluminum alloy

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS49113709A (ja) * 1973-02-16 1974-10-30
JPH06128678A (ja) * 1992-10-13 1994-05-10 Sky Alum Co Ltd 陽極酸化処理後の色調が暗灰色〜黒色の高強度アルミニウム合金展伸材およびその製造方法
JPH07180005A (ja) * 1993-12-22 1995-07-18 Mitsubishi Alum Co Ltd Ｄｉ加工性に優れたアルミニウム合金板の製造方法
JPH1161490A (ja) * 1997-08-27 1999-03-05 Fujikura Ltd 太陽熱吸収板
JP2001042090A (ja) * 1999-05-27 2001-02-16 Mitsubishi Heavy Ind Ltd バスケット及びキャスク
JP2006316321A (ja) * 2005-05-13 2006-11-24 Nippon Light Metal Co Ltd 中性子吸収用アルミニウム粉末合金複合材及びその製造方法並びにそれで製造されたバスケット
JP2007040914A (ja) * 2005-08-05 2007-02-15 Nippon Light Metal Co Ltd 中性子吸収用アルミニウム粉末合金複合材及びその製造方法並びにそれで製造されたバスケット
EP1956107A1 (en) * 2007-01-31 2008-08-13 Nippon Light Metal, Co., Ltd. Aluminium powder alloy composite material for absorbing neutrons, process of production thereof and basket made thereof
JP2010095433A (ja) * 2008-10-20 2010-04-30 Sumitomo Chemical Co Ltd シリコンの製造方法
JP5960335B1 (ja) 2015-09-30 2016-08-02 三菱重工業株式会社 金属材料の特性評価用試料の作製方法及び特性評価方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Codes for construction of spent nuclear fuel storage facilities --Rules on transport/storage packagings for spent nuclear fuel-- (2007", JAPAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS, February 2008 (2008-02-01)
See also references of EP3444367A4

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020015955A (ja) * 2018-07-26 2020-01-30 三菱重工業株式会社 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
JP7112275B2 (ja) 2018-07-26 2022-08-03 三菱重工業株式会社 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
CN111842915A (zh) * 2020-06-30 2020-10-30 同济大学 一种用于3d打印的铝锰合金粉末及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP3444367A1 (en) 2019-02-20
JP2018053329A (ja) 2018-04-05
JP6289573B1 (ja) 2018-03-07
EP3444367A4 (en) 2019-05-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6289573B1 (ja) アルミニウム合金材料及びその製造方法並びにキャスク用バスケット及びキャスク
Ramsperger et al. Solution heat treatment of the single crystal nickel‐base superalloy CMSX‐4 fabricated by selective electron beam melting
Thangaraju et al. Phase stability of a mechanically alloyed CoCrCuFeNi high entropy alloy
Huh et al. Magnetic and Structural Properties of Rapidly Quenched Tetragonal Mn $ _ {3-{\rm x}} $ Ga Nanostructures
Langelandsvik et al. Wire arc additive manufacturing of AA5183 with TiC nanoparticles
Kimura et al. Microstructural development and aging behavior of Al–Cr–Zr heat-resistant alloy fabricated using laser powder bed fusion
Bendersky et al. Phase transformation during annealing of rapidly solidified Al-rich Al-Fe-Si alloys
JP7112275B2 (ja) 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
Litynska et al. TEM and HREM study of Al3Zr precipitates in an Al‐Mg‐Si‐Zr alloy
ES2535634T3 (es) Afinador de granos cristalinos de aluminio-circonio-titanio-carbono para el magnesio y las aleaciones de magnesio y procedimiento de preparación del mismo
Zhou et al. Fabrication of a strong and ductile CuCrZr alloy using laser powder bed fusion
JP2017157738A (ja) Ｍｎ−Ａｌ永久磁石の製造方法及びＭｎ−Ａｌ永久磁石
JP6811768B2 (ja) 高温で向上した機械的特性を有する複合材料
Lipke et al. Intragranular tungsten/zirconium carbide nanocomposites via a selective liquid/solid displacement reaction
Makino et al. High coercivity of melt-spun (Fe0. 55Pt0. 45) 78Zr2–4B18–20 nanocrystalline alloys with L10 structure
An et al. Effect of Co addition on solidification velocity, hardness and refined structure transformation mechanisms of undercooled Ni-Cu-Co alloys
Cao et al. Microstructure evolution of Ti–46Al–6Nb–(Si, B) alloys during heat treatment with W addition
US3211592A (en) Method of manufacturing permanent magnets having large coercive force
WO2015166992A1 (ja) アルミニウム合金から成る放熱フィン及びその製造方法
EP0258178A1 (fr) Absorbeurs de radiations nucléaires
CN104480411B (zh) U-Co-Al系非晶合金的制备方法
JP2001042090A (ja) バスケット及びキャスク
Agarwal et al. Hydrogen Sorption Characteristics of ZrCrAl Ternary Alloy as a Function of Milling Time
KR101180264B1 (ko) 티타늄 산화물로부터 티타늄을 함유하는 금속상이 포함된 분말을 제조하는 방법
Canter Development of a superalloy with superior heat resistance

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2016917774

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2016917774

Country of ref document: EP

Effective date: 20181115

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16917774

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE