JP4264520B2 - クラッド材およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、毒性のあるカドミウム（Ｃｄと表すことがある。）材の全外周面をアルミニウム（Ａｌと表すことがある。）材で被覆してなるアルミニウム／カドミウム／アルミニウム構造のクラッド材とその製造方法に関するものである。

中性子散乱実験設備において、中性子ポイゾン材として一般的にはＧｄが使用されているが、最近ではカドミウムやカドミウムリッチなＡｇＣｄＩｎ合金、Ｂ４Ｃなども検討されている。この中でカドミウムはＧｄより中性子の吸収効率が良好なため中性子ポイゾン材としてより有効である。中性子ポイゾンは液体水素中で使用されるために液体水素との共存性に実績のあるアルミニウムで被覆されるが、この被覆は、カドミウムによる中性子吸収反応に伴う核反応熱を取り除くために熱的な抵抗を生み出さないようにカドミウムと良く接合していることが必要である。

このアルミニウム／カドミウム／アルミニウム構造のクラッド材の製造方法としては、カドミウムをアルミニウム材でサンドイッチ状に挟んでＨＩＰ法（Hot Isostatic Pressing、熱間等方圧プレス）で製造する方法がある。その他の方法として、コールドスプレー法やカドミウムとアルミニウム板の爆着法なども検討されているが、それらはまだ実用化には至っていない。

しかし、上記のＨＩＰ法によれば処理温度が５００℃と高いため、融点が３２１℃のカドミウムが融解してしまうという問題がある。
さらには、アルミニウム板に強度を持たせるために時効処理したＡｌ６０６１（単位：重量％、Ｓｉ：０．４〜０．８、Ｆｅ：０．７以下、Ｃｕ：０．１５〜０．４、Ｍｎ：０．１５以下、Ｍｇ：０．８〜１．２、Ｃｒ：０．０４〜０．３５、Ｚｎ：０．２５以下、Ｔｉ：０．１５以下、残部：実質的にＡｌ）などを使用した場合は上記温度のＨＩＰ処理によって機械的特性が失なわれてしまうので改めて時効処理しなおす必要がある。

解決しようとする問題点は、次のとおりである。すなわち、
(1)クラッド材の製造に当たってカドミウム材が融解してしまう
(2)アルミニウム材が時効処理された合金の場合には機械的特性が失なわれてしまう（ので再度時効処理をしなおす必要が生じる）
(3)カドミウムは毒性があるため通常の加工時にはカドミウムに対する汚染防止処置が必要となるが、通常の設備では取扱いが困難であって、大掛かりな汚染防止設備が必要となる
(4)クラッド材を構成するアルミニウム材とカドミウム材はいずれも酸化雰囲気中の高温加熱状態において酸化防止のために大掛かりな酸化防止設備が必要となる
(5)クラッド母材を構成するアルミニウム材とカドミウム材では変形抵抗に大きな差異があるため、圧延の際にアルミニウム材のみが変形するといういわゆる一成分変形が起こり易く、十分な圧下力を付与できず、そのため接合が不十分となる上、板厚比の制御も難しくなるものであって、圧延加工時に最適な条件を選ばないと目的のクラッド材の製造が困難である

本発明は上記の多くの問題点を解決すべくなされたものであって、まず第１に、カドミウム材がその全外周面をアルミニウム材内部にクラッドされてなるクラッド材であり、第２に、前記カドミウム材が前記アルミニウム材の内部の略中央部に配置されてなる、第１記載のクラッド材であり、第３に、略同形状の面を有する二枚のアルミニウム材のうちの一方または両方のアルミニウム材の該面に形成された凹部にカドミウム材を配置して両アルミニウム材の該両面を接触せしめて、該接触面の外周縁部を接合してクラッド母材を製造し、次いで該母材を圧延することを特徴とする、カドミウム材の全外周面がアルミニウム材でクラッドされてなるクラッド材の製造方法であり、第４に、前記外周縁部の接合が真空中における電子ビーム溶接である、第３記載のクラッド材の製造方法であり、第５に、前記圧延の１パス目が１８０℃以上での熱間圧延である、第３または４記載のクラッド材の製造方法であり、第６に、前記圧延が一回の圧下率を１０％未満として複数回行う冷間圧延である、第３または４記載のクラッド材の製造方法であり、第７に、前記圧延が総圧下率４０〜９０％の圧延である、第３〜６のいずれかに記載のクラッド材の製造方法であり、最後に第８に、第３〜７のいずれかに記載の製造方法によってカドミウム材の全外周面がアルミニウム材でクラッドされてなることを特徴とするクラッド材である。

本発明によれば、カドミウム材の全外周面をアルミニウム材で被覆した上でカドミウムの融点未満の温度で圧延処理を行うので、(1)クラッド材の製造に当たってカドミウム材が融解してしまうことがない、(2)アルミニウム材が時効処理された合金であってもその機械的特性が失なわれてしまうことがなく、(3)(4)製造にあたって大掛かりな汚染防止設備、大掛かりな酸化防止設備がいずれも不要であって簡易な製造設備をもって低コストで製造することができ、(5)最適な条件で効率的に製造することができ、さらには、(6)得られるクラッド材におけるアルミニウム材とカドミウム材の界面における接合が健全であって高い信頼性を保持しうるクラッド材を提供することができるものであり、産業上に及ぼす効果は極めて大きいものがある。

本発明におけるアルミニウム材としては純アルミニウムだけではなく、例えば前記のＡｌ ６０６１などのアルミニウム基合金をも使用することができる。アルミニウム基合金を使用した場合には、時効処理されたものを本発明に供した場合であってもクラッド製造工程においてその機械的特性が失なわれてしまうことがない。また、クラッド製造に供される二枚のアルミニウム材として、純アルミニウム同士、同一組成のアルミニウム基合金同士のみならず、例えば純アルミニウムとアルミニウム基合金との組み合わせ、または異種のアルミニウム基合金の組み合わせのように、異種のアルミニウム材も使用することができる。一方、カドミウム材としては純カドミウムでも、カドミウム基合金でも使用することができるが、カドミウム基合金を使用した場合は、クラッド母材の熱間圧延にあたってカドミウム基合金の液相発生温度未満の温度で圧延する必要がある。

クラッド材の製造工程を図１の概念図に基づいてさらに詳細に述べると次のとおりである。すなわち、たとえば、１３０ｍｍＷ×２００ｍｍＬ×６ｍｍｔのアルミニウム板の面の略中央部に１１０ｍｍＷ×５６ｍｍＬ×３．５ｍｍｔの窪み（凹部）を切削加工などで作成した容器１（カドミウム材を配置するための凹部がクラッドされる面に形成されたアルミニウム材）、１３０ｍｍＷ×２００ｍｍＬ×２．５ｍｍｔのアルミニウム板の蓋２（もう一枚のアルミニウム材）、および、上記窪みと略同一寸法でこの窪みに嵌め合わされるカドミウム板３（上記アルミニウム材の凹部に配置されるカドミウム材）を準備する。

アルミニウムの容器１と蓋２の接触する両面、アルミニウム容器１の窪みの内側、カドミウム板３について表面の酸化皮膜を除去するために研磨した後、これらを上記（図１）のように組み合わせて真空チャンバー内にセットし、接触せしめられたアルミニウム容器１と蓋２の合わせ目（接触面の外周縁部）を電子ビーム溶接で接合させてクラッド母材４を得る。
接合されたクラッド母材４（蓋つき容器）をそのまま大気雰囲気中で一定の圧下率で複数回冷間圧延を行うか、または、大気雰囲気中の熱処理設備で所定の温度まで加熱した後に大気雰囲気中で一回または複数回の熱間圧延を行うことによって、所定の総圧下率まで圧延する。

この時、冷間圧延を行う場合においては、一回の圧下率を１０％以上にすると溶接部等にクラックが発生するため、一回の圧下率を１０％未満に抑える。
一方、熱間圧延を行う場合においては一回の圧下率を１０％以上にすることができるが、材料（クラッド母材４）の１パス目の温度が１８０℃未満ではアルミニウムとカドミウムの変形抵抗が異なるため１成分変形が生じ、アルミニウムとカドミウムの境界においてクラックが発生したり、アルミニウムが幅方向に大きく変形したりして目標とするクラッド材の製造が困難になるため熱間圧延の１パス目は１８０℃以上の温度で熱間圧延を行う。

また、１パス目において１８０℃以上で熱間圧延を行って健全なクラッド界面が形成された後に、引き続いてタンデム的（連続的）に熱間圧延を行う場合においては２パス目以降は１８０℃未満でも支障がない。さらに、熱間圧延時の材料温度の上限は、理論的にはカドミウム材の融点未満または液相発生温度未満の温度まで昇温可能であるが、３００℃を超えると、材料温度が部分的にカドミウムの融点（３２１℃）または液相発生温度に達する事態が発生してカドミウム材の融解が発生し、クラッド材の製造が困難になる可能性があり、３００℃以下の温度で行うのが好ましい。

以上は二枚のアルミニウム材のうちの一方のアルミニウム材の面に凹部を形成してカドミウム材を配置した場合について述べたが、両方のアルミニウム材の面に凹部を形成して、それぞれの凹部に嵌め合うように一個ずつのカドミウム材を、または両凹部に嵌め合うように一個のカドミウム材を配置した場合も上記の場合と同様である。

以下に実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は以下の実施例の記載に制限されるものではない。

図１はアルミニウム容器１内にカドミウム板３をはめ込んで配置し、アルミニウム板の蓋２を接触させ、接触面の外周縁部を真空中において電子ビーム溶接で接合したクラッド母材４の概念図である。また、表１は、本発明の実施例、比較例の圧延時の加熱温度、圧下率、クラッド状況、結果などを詳細に記載したものであり、これらを参照して以下に説明する。なお、以下において、アルミニウム材は二枚とも前記のＡｌ ６０６１のアルミニウム基合金を、カドミウム材は純カドミウムを使用した図１のクラッド母材４について圧延を行った。

［実施例１］実施例１は、前記クラッド母材４を２１０℃に加熱した上で１パスで５０％の圧下率を加えて圧延機で大気雰囲気中において熱間圧延した場合であり、両アルミニウム材が接合され一体化された状態で均一に圧延されクラックの発生もなくクラッド状況は良好であった。

［比較例１］比較例１は、前記クラッド母材４を１５０℃に加熱した以外は実施例１と同様に圧延した場合であり、カドミウムが存在しないアルミニウムのみの部分は４．２５ｍｍｔまで圧延されたが、カドミウムが存在する部分は６．６ｍｍｔまでしか圧延できず、また、カドミウムが存在する部分の幅方向の値は、カドミウムが存在しない部分の１３０ｍｍＷに比べて１３７ｍｍＷと広くなっていた。さらにアルミニウムとカドミウムとの境界にクラックが発生していた。

［実施例２］実施例２は、前記クラッド母材４を毎回２００℃に加熱した上で５パスで総圧下率７７％でおこなった以外は実施例１と同様に熱間圧延した場合であり、両アルミニウム材が接合され一体化された状態で均一に圧延されクラックの発生もなくクラッド状況は良好であった。

［比較例２、比較例３］比較例２と比較例３は、前記クラッド母材４を毎回１５０℃に加熱してそれぞれ５パスで７４％、４パスで４４％行った以外は実施例１と同様に圧延した場合であり、それぞれ４パス目と３パス目にアルミニウムとカドミウムの境界部分でクラックが発生した。

［実施例３］実施例３は、前記クラッド母材４を最初に２００℃に加熱した後、連続して５パスで総圧下率５１％で圧延した場合であり、両アルミニウム材が接合され一体化された状態で均一に圧延されクラックの発生もなくクラッド状況は良好であった。

［実施例４］実施例４は、前記クラッド母材４をいずれも１０%未満の圧下率で１３パス行って総圧下率４８％で冷間圧延した場合であり、両アルミニウム材が接合され一体化された状態で均一に圧延されクラックの発生もなくクラッド状況は良好であった。

［比較例４］比較例４においては、２パス目に１２％の圧下率で冷間圧延したところ、電子ビーム溶接部にクラックが発生した。

中性子の吸収効率が良好なカドミウム材が液体水素との共存性に実績のあるアルミニウム材と良好に接合されて被覆されるものであって、中性子散乱実験設備に不可欠な中性子ポイゾン材の用途に好適に適用することができる。

アルミニウム容器１内にカドミウム板３をはめ込んで配置し、アルミニウム板の蓋２を接触させ、接触面の外周縁部を真空中において電子ビーム溶接で接合したクラッド母材４について、現実には外部から見えないカドミウム板３を透視して現した概念図であって、その正面図、側面図、平面図を示す。

符号の説明

１ アルミニウム容器
２ アルミニウムの蓋
３ カドミウム板（透視部分。現実には外部から見えない。）
４ クラッド母材

Claims (8)

1. カドミウム材がその全外周面をアルミニウム材内部にクラッドされてなるクラッド材。
2. 前記カドミウム材が前記アルミニウム材の内部の略中央部に配置されてなる、請求項１記載のクラッド材。
3. 略同形状の面を有する二枚のアルミニウム材のうちの一方または両方のアルミニウム材の該面に形成された凹部にカドミウム材を配置して両アルミニウム材の該両面を接触せしめて、該接触面の外周縁部を接合してクラッド母材を製造し、次いで該母材を圧延することを特徴とする、カドミウム材の全外周面がアルミニウム材でクラッドされてなるクラッド材の製造方法。
4. 前記外周縁部の接合が真空中における電子ビーム溶接である、請求項３記載のクラッド材の製造方法。
5. 前記圧延の１パス目が１８０℃以上での熱間圧延である、請求項３または４記載のクラッド材の製造方法。
6. 前記圧延が一回の圧下率を１０％未満として複数回行う冷間圧延である、請求項３または４記載のクラッド材の製造方法。
7. 前記圧延が総圧下率４０〜９０％の圧延である、請求項３〜６のいずれかに記載のクラッド材の製造方法。
8. 請求項３〜７のいずれかに記載の製造方法によってカドミウム材の全外周面がアルミニウム材でクラッドされてなることを特徴とするクラッド材。

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