JPH0360410A - 窒化ケイ素粉末の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 覆粟り旦笠址ガ見 本発明は、品質のバラツキが少ない窒化ケイ素粉末を流
動層を用いた直接窒化法により安定かつ効率的に製造す
る方法に関する。

ｋ来立挟権 従来、金属ケイ素粉末を直接窒化して窒化ケイ素粉末を
工業的に製造する方法としては、主として固定床バッチ
方式が採用されている。しかし、固定床バッチ方式によ
り得られた窒化ケイ素粉末は、品質的なバラツキの点で
問題を有する。即ち、各バッチ間でα相率が異なったり
、また同一バッチ内でも炉内の温度分布及び窒化反応の
進行度合にバラツキが生じ、このために窒化ケイ素粉末
に品質のバラツキを生じる場合が多い。このような窒化
ケイ素粉末の品質のバラツキはバッチが大型化するほど
大きくなり易い。更に、固定床バッチ方式は、原料の投
入、生成物の取り出しなどの作業を自動化することが困
難であり、またこのため、これらの作業中に不純物が混
入するおそれもある。

従って、固定床バッチ方式を採用する場合、その規模を
大型化し、生Ｍ規模を拡大するためには、大型化に伴な
い得られる窒化ケイ素粉末の品質的バラツキが大きくな
り、また作業も大掛りなものとなり、多大の労力を要す
ると共に、長時間の加熱、冷却期間を必要とするなど、
多くの問題点がある。

このような問題点を解決するため、種々の製造方法が提
案されている。例えば、竪型炉を用いる方法（特開昭５
８−１５１３１１号公報参照）。

プッシャー式トンネル炉を用いる方法（特開昭６０−１
８６４０６号公報）２回転窯を用いる方法（特開昭６１
−２６６３０５号公報）、流動層を用いる方法（特開昭
６１−９７１１０号公報）等がある。

が　　しよ　と　る しかし、これらの方法においても、得られる窒化ケイ素
粉末の品質の問題及びその生産性の問題を同時に解決し
得るものは殆んどない。例えば、竪型炉を用いる方法は
、温度分布及び窒化反応の進行度合のバラツキが大きく
、結果として窒化ケイ素粉末のα相率のバラツキが大き
くなる。プッシャー式トンネル炉を用いる方法は、α相
率の比較的安定した窒化ケイ素粉末を得ることができる
が、その生産性は工業的に十分ではない。回転窯を用い
る方法は、滞留時間を制御することが難しく、このため
α相率等の品質のバラツキが大きくなり易く、また安定
した運転が困難である。流動層を用いる方法は、α相率
の安定した窒化ケイ素粉末を得ることができるが、炉の
昇温、冷却に長時間を要し、窒化反応速度が遅い等、そ
の生産性は工業的に十分でないものである。

即ち、上記従来法においては、α相率等の品質のバラツ
キを満足し得る程度に安定させると生産性が低下してし
まい、一方生産性を工業的に満足し得る程度に向上させ
ると品質の制御が困難となり１品質のバラツキが大きく
なる。

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、α相率等の
品質のバラツキが少ない窒化ケイ素粉末を生産性よく製
造し得る窒化ケイ素粉末の製造法を提供することを目的
とする。

を　　するための　　　び 本発明は、上記目的を遠戚するため、金属ケイ素粉末を
含む窒化原料を窒化ケイ素粉末と窒素ガス又はアンモニ
アガスを含む非酸化性反応ガスとから形成され、温度を
１０００〜１４００℃に保持した第１流動層に連続的に
供給し、該第１流動層で第１次窒化反応を行なった後、
この第１流動層から窒化生成物を連続的に取り出すと共
に、これを更に窒化ケイ素粉末と窒素ガス又はアンモニ
アガスを含む非酸化性反応ガスとから形成された第２流
動層に供給し、該第２流動層で未反応の窒化原料を窒化
する第２次窒化反応を行なうことを特徴とする窒化ケイ
素粉末の製造方法を提供する。

即ち、流動層反応型式の窒化ケイ素粉末の製造方法にお
いては、原料の金属ケイ素粉末が直接高温雰囲気に晒さ
れるため、流動層に投入された金属ケイ素粉末は直ちに
表面が溶融し、その結果比表面積が減少し、反応速度が
著しく低下したり、粒子間同士で融着、凝集して流動層
を形成することが困難となるといった問題点を有する。

この場合、流動層の温度を低くすると窒化反応速度が著
しく小さくなる。そこで、従来このような問題点を解決
するために金属ケイ素粉末と反応ガスとで流動層を形成
し、これを加熱する際、その昇温速度を３０〜↓５０℃
／Ｈｒに制御して金属ケイ素粉末の溶融、凝集を防ぎ、
品質の安定した窒化ケイ素粉末を得る方法（特開昭６１
−９７１１０号公報）が提案されているが、この方法は
上述したように昇温、冷却に長時間を要し、また窒化反
応速度が遅く、生産性に劣るものである。これに対し、
本発明の製造方法によれば、金属ケイ素の融点以下でか
つ金属ケイ素粉末の比表面積が著しく減少しないできる
だけ高い温度、即ち１０００〜１４００℃、好ましくは
１２００〜１３５０℃の温度に加熱保持された第（の流
動層で第１次窒化反応を行ない、金属ケイ素粉末の粒子
表面に窒化物を形成し、この窒化生成物を第２の流動層
に供給して第２次窒化反応を行ない、更に必要により数
次の窒化反応を行なって窒化率を向上させることにより
、粒子の溶融や凝集を生じることなく高窒化率で品質の
安定した窒化ケイ素粉末を得ることができる、しかも、
加熱状態にある第１流動層に連続的に金属ケイ素粉末を
供給し、窒化生成した窒化ケイ素粉末を第１流動層より
連続的に取り出すと共に、これを第２流動層に連続的に
供給することにより昇１Ａ、冷却工程が不要となり、生
産性よく窒化ケイ素粉末を得ることができるものである
。この場合、流動層反応型式では層内の粒子が激しく撹
拌混合され、その結果層内がほぼ完全混合状態となり、
第１流動層では高い窒化率を達成することは困難である
が、２次又は多次に亘り窒化反応を行なうことにより最
終生成物の窒化率が高くなるものである。

従って、本発明の製造方法によれば５品質のバラツキが
少ない高窒化率の窒化ケイ素粉末を工業的にも十分な優
れた生産性をもって製造し得る。

以下、本発明につき更に詳しく説明する。

本発明の窒化ケイ素粉末の製造方法は、上述したように
窒化ケイ素粉末ヒ窒素ガス又はアンモニアガスを含む反
応ガスとから形成され、加熱保持された複数の流動層に
金属ケイ素粉末を含む窒化原料を順次連続供給、連続排
出することにより、複数次に亘って段階的に窒化反応を
行なうものである。

上記窒化原料の金属ケイ素粉末は、特に限定されないが
、平均粒径が１４９４〜４ｍｍのものが好ましく使用さ
れる。この場合、４４４以下の微粉末状の金属ケイ素粉
末にポリビニルアルコール等の結合剤を添加して平均粒
径１４９−〜４ｎｎに造粒し、この造粒物を１１００〜
１３００℃でケイ素粉末同士をくっつける程度でこれら
が溶融しないように短時間焼結したものを使用すること
ができる。また、この窒化原料には、金属ケイ素粉末に
平均粒径１４９μ〜４ｍ程度の窒化ケイ素粉末を５〜５
０重量％、好ましくは１０〜３０重景％添加した混合粉
末を用いることができる。かかる窒化ケイ素粉末の添加
により、窒化原料の供給速度を大きくし、かつ流動層中
での滞留時間を短かくしても、第１の流動層における第
１次窒化反応での平均窒化率を向上させることができ、
しかも、金属ケイ素粉末の融着、凝集をより効果的に防
止することができる。なお、窒化ケイ素粉末の添加率が
５０重量％を超えると生産速度を低下させる場合が生じ
、一方５重量％未満であると窒化ケイ素粉末添加による
実質的効果が得られ難い。

本発明方法は、上記窒化原料を複数の流動層で複数次に
亘り窒化反応させるものである。この場合、各流動層は
窒化ケイ素粉末と窒素ガス又はアンモニアガスを含む非
酸化性反応ガスとから形成されたもので、窒化反応温度
にまで加熱保持されたものである。ここで、窒化原料が
最初に投入される第１の流動層は、その温度を１０００
〜■４００℃、好ましくは１２００〜１３５０℃とし、
この第１流動層による第１次窒化反応で金属ケイ素粉末
の粒子の表面に窒化物を形成する。なお、流動層の温度
が１０００℃未満であると金属ケイ素粉末粒子の表面に
窒化物を形成することができず、一方１４００℃を超え
ると粒子の溶融。

凝集が生じることとなる。また、第２流動層及び更に必
要により形成されるそれ以降の流動層の温度は特に限定
されないが、１２００〜１７００℃、特に１３５０〜１
５００℃とすることが好ましく、また順次温度が高くな
るように設定することが好ましい。なお、流動層の数、
即ち窒化反応次数は、２次又は３次とすることが生産性
の点から好ましい。なおまた、この流動層を形成する非
酸化性反応ガスは、窒素ガス又はアンモニアガスを含む
ものであるが、この反応ガスには水素ガスを混合するこ
とができ、この場合窒素ガス又はアンモニアガスの含有
量は１０〜１００容量％、特に６０〜９０容量％とする
ことができる。

本発明の窒化ケイ素粉末の製造方法は、上記窒化原料を
上記流動層に順次連続供給、連続排出して金属ケイ素粉
末を段階的に窒化するものであるが、上記以外の窒化条
件は通常の条件とすることができる。

丑１し促凱果 以上説明したように、本発明の製造方法によれば、α相
率等の品質のバラツキが少ない窒化ケイ素粉末を安定的
にかつ効率的に製造することができるものである。

以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明
するが、本発明は下記実施例に制限されるものではない
。

〔実施例１〕 粒径４４−以下の金属ケイ素粉末にポリビニルアルコー
ルを固形分換算で１重量％添加して混練した後、押出し
造粒機で平均粒径０．５ｍ＋に造粒した。これを１５０
℃で乾燥して水分を除去した後、焼結炉内に仕込み、ア
ルゴンガス流通下１３００°Ｃで１時間焼結し、これを
窒化原料とした。

一方、内径８　’Ｏｔｍ　、灼熱部の長さ５００ｍの第
１反応器及び第２反応器に窒化ケイ素粉末を５００ｇづ
つ装填し、Ｎ２ガス７　Ｎ　Ｑ　／ｍｉｎにＨ２ガス２
ＮＱ／ｍｉｎを混合したものを反応ガスとして供給し、
それぞれ流動層（層の高さ３００ｍｍ）を形成すると共
に１反応器を加熱して流動層をそれぞれ１２５０℃、１
４００℃に保持した。この第１反応器中の流動層に上記
窒化原料を２００ｇ／ｈｒの割合で連続的に供給すると
共に、この第１反応器中の流動層からその層高が３００
＋＋ｎに保持されるように窒化生成物を連続的に取り出
し、これをそのまま上記第２反応器の流動層中に連続的
に供給し、更にこの流動層からその層高が３００１１１
ｎに保持されるように生成物を連続的に取り出した。

上記の最終生成物は、窒化率９５％、α相率８０％の一
定品質を有する窒化ケイ素粉末であった。なお、第工反
応器から取り出した窒化生成物の窒化率は５０％であっ
た。

〔実施例２〕 第１反応器内の流動層温度及び第２反応器内の流動層温
度をそれぞれ１３００°Ｃ，１，４５０℃とした以外は
上記実施例１と同様にして窒化ケイ素粉末を製造した。

得られた窒化ケイ素粉末は窒化率９８％、α相率７５％
の一定品質のものであった。なお、第１反応器から取り
出した窒化生成物の窒化率は６５％であった。

〔比較例〕

第１反応器内の流動層温度及び第２反応器内の流動層温
度をそれぞれ１４２０℃、１４５０℃とした以外は実施
例１と同様の操作を行なったところ、窒化原料の供給開
始後、１時間経過したところで第１反応器内の流動層を
維持することができなくなった。運転停止後、第１反応
器の内部を調べたところ、筒下部に塊状の金属ケイ素が
認められた。

〔実施例３〕 窒化原料として実施例１で用いたものに窒化ケイ素粉末
（平均粒径０．５ｍ）を３０重量％混合した混合粉末を
用い、これを第１反応器内の流動層に４００ｇ／ｈｒの
割合で供給した以外は実施例２と同様にして窒化ケイ素
粉末を製造した。

得られた窒化ケイ素粉末は、窒化率９８％で一定品質の
ものであった。

〔実施例４〕 内径８０ｎｇ＋＋、灼熱部の長さ５００ｍｍの第３反応
器を用意し、これに窒化ケイ素粉末５００ｇと反応ガス
とからなる第３流動層を形成すると共に、この第３流動
層の温度を↓４５０’Ｃ，第１及び第２反応器中の流動
ｆＶＪ温度をそれぞれ１３００℃。

１３５０℃とし、第２反応器中で生成した窒化物をその
まま」二記第３反応器中の流動層中に連続的に供給する
と共に、この第３反応器の流動層から窒化生成物を連続
的に取り出すようにしたこと、及び窒化原料として実施
例１で用いたものに窒化ケイ素粉末（平均粒径０．５ｎ
ｍ）を３０重量％混合した混合粉末を用いたこと以外は
実施例ユと同様の条件で窒化ケイ素粉末を製造した。

得られた窒化ケイ素粉末は、窒化率９９％の一定品質を
有するものであった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、金属ケイ素粉末を含む窒化原料を窒化ケイ素粉末と
   窒素ガス又はアンモニアガスを含む非酸化性反応ガスと
   から形成され、温度を１０００〜１４００℃に保持した
   第１流動層に連続的に供給し、該第１流動層で第１次窒
   化反応を行なった後、この第１流動層から窒化生成物を
   連続的に取り出すと共に、これを更に窒化ケイ素粉末と
   窒素ガス又はアンモニアガスを含む非酸化性反応ガスと
   から形成された第２流動層に供給し、該第２流動層で未
   反応の窒化原料を窒化する第２次窒化反応を行なうこと
   を特徴とする窒化ケイ素粉末の製造方法。