JPH0640954B2 - 微粒子の熱処理方法及び熱処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本願発明は次に述べる問題点の解決を目的とする。

（産業上の利用分野）この発明は種々の原料の微粒子に
対し、それを変態させる熱処理を施すようにした微粒子
の熱処理方法及び熱処理装置に関する。

（従来の技術）微粒子に対し上記のような熱処理を施す
場合、従来は例えば加熱炉内に置いた容器内に多量の微
粒子を入れ、上記炉内の雰囲気ガスを高温化させること
により、そのガスによって上記微粒子を高温化して変態
させ、然る後上記炉内に冷却用ガスを導入して上記高温
化させた微粒子を冷却することが行なわれている。しか
しこのような手段によれば、上記容器内では微粒子同志
が接触している為、それらを高温化させている間に微粒
子相互の凝集が生じて粒径が極めて増大してししまう問
題点があった。また、冷却の場合、上記のように冷却用
のガスを導入しても、微粒子の周囲に存在している上記
高温化した雰囲気ガスの為に微粒子の冷却速度が比較的
ゆっくりとなり、その結果冷却を終えた段階では、上記
高温化により変態させた微粒子が元の状態に戻ってしま
う問題点もあった。

（発明が解決しようとする問題点）この発明は上記従来
の問題点を除き、多数の微粒子を、その微粒子の形態を
保たせたまま熱処理でき、その上、その熱処理過程の冷
却の段階においては微粒子を急冷することができて、微
粒子を変態させたそのままの状態を保たせて冷却できる
ようにした微粒子の熱処理方法及び熱処理装置を提供し
ようとするものである。

本願発明の構成は次の通りである。

（問題点を解決する為の手段）本願発明は前記請求の範
囲記載の通りの手段を講じたものであってその作用は次
の通りである。

（作用）搬送ガスはプラズマ化領域を通って冷却領域に
至る。微粒子は上記プラズマ化領域を通る搬送ガスに浮
遊して、上記搬送ガスと共にプラズマ化領域を通って上
記冷却領域に至る。上記プラズマ化領域において、上記
微粒子は変態する温度にまで上記搬送ガスのプラズマに
よって高温化される。次に上記微粒子は、上記冷却領域
において上記搬送ガスによって急冷される。

（実施例）以下本願の実施例を示す図面について説明す
る。第１図に示される熱処理装置において、Ａは微粒子
供給手段を示す。これにおいて、１は真空容器、２は吸
引口で真空ポンプに接続される。３は弁を示す。４はガ
ス受入口である。５は原料支持具を示し、容器１に固定
された導電材製の支柱６，６とその上端に取付けた原料
支持台７とから成る。原料支持台７はタングステンの板
体（タングステンボートと称される）を用いて形成され
ている。８は支持台７に乗せられた原料を示す。９は原
料の加熱手段として例示する通電加熱用の電源で、前記
支柱６に接続してある。

次に15は混合室で、弁12を介してガス受入口４に接続し
てある。10は搬送ガス供給手段、13は化合物形成用の反
応性ガスの供給手段で、これらは夫々供給量調整用の弁
11，14を介して混合室15に接続してある。

次に16は容器１に接続した流通管で、管内のガスをプラ
ズマ化する為のマイクロ波エネルギーを管外から管内へ
通すことのできる材料例えばガラス管、石英管等でもっ
て形成される。31は流通管16内において設定したプラズ
マ化領域で、31ａはその入口、31ｂは出口を夫々示す。
32はプラズマ化領域31の出口31ｂに隣接して設けた冷却
領域を示す。

次に17は、プラズマ化領域31に付設のプラズマ化手段と
して例示するマイクロ波印加装置である。これにおい
て、18は空洞共振器で、その大きさは内部においてマイ
クロ波の共振が生じそこに定在波が生ずることのできる
大きさ、例えばマイクロ波の波長と同程度乃至は２倍程
度の大きさに形成してある。20はパワーユニットで、マ
イクロ波発振器21やその発振器の出力を調節する為の出
力制御部22等が備わっている。上記マイクロ波発振器と
しては一例としてマグネトロンが用いてある。23はアイ
ソレータで、反射マイクロ波を吸収して発振器21の破損
を防止する為に設けられたものであり、水を矢印で示す
如く流通させ得るようになっている。24は電力モニタ
で、発振器21から流通管16の側に向かう入射波とその反
対方向に向かう反射波の夫々の電力を監視する為のもの
である。25は整合器（スリースタブチューナと称され
る）で、空洞共振器18における共振をとる為に設けられ
ている。尚マイクロ波発振器の発振周波数は例えば2.45
G Hzであり、又空洞共振器の共振モードは例えばＨ₀₁で
ある。

次に26は回収装置で、流通管16に連通させたケース27内
にフィルタ28を備えさせて構成してある。尚この回収装
置26としては従来より周知の任意の構成のものを用いる
ことができる。29は吸引口で、真空ポンプに接続され
る。30は弁を示す。

次に上記構成の熱処理装置による熱処理の一例として、
α−Feの微粒子をγ−Feの微粒子とする熱処理について
説明する。この場合、原料８として鉄が原料支持台７に
置かれ、搬送ガス供給手段10からの搬送ガスとしては、
アルゴン又はヘリウム等の不活性ガス若しくはそれらの
混合ガスが用いられる。次に熱処理の操作としては、先
ず弁12,30を閉じる一方弁３を開いて、真空容器１の内
部を真空ポンプにより真空排気する。次に所定の真空度
になったならば弁３を閉じる一方弁30を開いて、吸引口
29から真空ポンプによる吸引を行うと共に、弁11，12を
適切に開いて搬送ガス供給手段10から搬送ガスを真空容
器１の内部に連続的に供給する。すると、供給手段10か
ら送り出された搬送ガスは、微粒子供給手段Ａにおける
容器１内を通って流通管１６内へ入る。そしてプラズマ
化領域31をその入口31ａから出口31ｂへ向けて流通し、
更に冷却領域32を通って回収装置26へ至り、更にそこを
通って真空ポンプへと引かれる。尚上記搬送ガスの供給
量は、流通管16の内部での搬送ガスのガス圧が例えば１
〜数10Torrとなり、また流通管16の内部での搬送ガスの
流速が３〜30m/秒程度となるようにするのがよい。一
方、マイクロ波発振器21を作動させてアンテナ21ａから
空洞共振器18の内部にマイクロ波を与え、そのマイクロ
波を流通管16の内部のプラズマ化領域31に及ぼす。その
結果、プラズマ化領域31においては、そこを流通する上
記搬送ガスがプラズマ化される。尚本件明細書中におい
てはプラズマ化手段17からのマイクロ波エネルギーによ
って搬送ガスがプラズマ化される領域をプラズマ化領域
と呼ぶ。またその領域31において、搬送ガスの流通方向
に対してその最も上流側の箇所を入口31ａ、最も下流側
の箇所を出口31ｂと夫々呼ぶ。このプラズマ化領域31は
そこを流通するガスの種類、圧力や、プラズマ化手段17
から及ぼされるマイクロ波のエネルギーの大きさに応じ
て、その大きさが大きかったり小さかったりする。尚共
振器18の内部に与えるマイクロ波のエネルギーは、モニ
タ24で監視しながら制御部22を調節することにより、微
粒子を搬送ガスのプラズマによって後述の如き所定の温
度にまで高温化させられるような値にする。他方、電源
９から支柱６，６を介して原料支持台７に通電し、支持
台７をそれの有する電気抵抗によって発熱させて原料８
を加熱する。

上記のような操作を行うことにより原料８はそれが置か
れた場所（微粒子生成領域）において順次蒸発し、その
近傍でその原料８の微粒子が生成される。その生成され
た微粒子（α−Fe微粒子）は上記搬送ガスに乗って浮遊
状態で流通管16内に流れ込み、プラズマ化領域31に至
る。このプラズマ化領域31においては、そこに印加され
るマイクロ波によってプラズマ密度が所定の密度まで高
くされているから、上記α−Fe微粒子はそれが変態する
温度（910〜1390℃）にまで上記搬送ガスのプラズマに
よって加熱、高温化され、γ−Fe微粒子となる。この場
合、上記搬送ガスはプラズマ化領域31においてはプラズ
マ化されるが、ガス自体としてはさぼど高温化されてい
ない。尚実験装置によりそのガスの温度を測定した結果
の一例を示せば第２図に示される通りである。この第２
図において横軸の０mmはプラズマ化領域の中心位置を示
し、３０mm、６０mmは夫々の寸法だけ冷却領域32の側へ
寄った位置を示す。この図から明らかなように上記搬送
ガスは微粒子に比べればほとんど高温化されず低い温度
に保たれている。

次に上記のように変態してγ−Feとなった微粒子は、上
記搬送ガスに浮遊したままの状態で冷却領域32に至る。
該領域32においては上記搬送ガスはプラズマ化されてい
ない為、上記微粒子の加熱は行なわれず、微粒子は該領
域32に入るや否や、上記の如く比較的低い温度に保たれ
ていた上記の搬送ガスによって直ちに冷却される。従っ
て、上記γ−Fe微粒子は急冷されることになり、α−Fe
に戻ってしまうことなくγ−Feのままで冷却される。上
記のようにして冷却されたγ−Fe微粒子は、搬送ガスに
浮遊したまま次に回収装置26へ至り、そこに備えられた
フィルタ28によって捕捉される。尚残りのガスはフィル
タ28を通り吸引口29から真空ポンプに向けて引き抜かれ
る。

上記のようにして回収された微粒子を電子顕微鏡で４万
倍に拡大した状態を示せば第３図に符号33で示す通りで
ある。

次に、上記のような手法によれば、Fe微粒子ならばγ化
の比率を非常に高くできる（例えば５割以上。これに対
し従来法では１〜２割程度）。しかし需要によってはよ
り低いγ化の比率で処理を行うようにしても良い。その
ような操作は、プラズマ化領域31での加熱温度、プラズ
マ化領域31を通る速度、或いは、搬送ガスのガス圧を変
えることによって行える。

次に、上記実施例では、搬送ガス供給手段10を微粒子供
給手段Ａを介してプラズマ化領域31に接続した例を示し
たが、搬送ガス供給手段10は第１図において符号Ｘで示
される箇所即ちプラズマ化領域31の入口31ａに直接に接
続し、そこからプラズマ化領域31に搬送ガスを直接に供
給してもよい。その場合、微粒子供給手段Ａにおけるガ
ス受入口４には、容器１内での雰囲気用及び、生成され
た微粒子を、上記搬送ガス供給手段からプラズマ化領域
に直接に供給される搬送ガスに乗せる為のガスを供給す
るようにすればよい。

また第１図において符号Ｙで示される箇所に冷却用ガス
の供給手段を接続し、そこから微粒子の冷却用ガスを冷
却領域に付加的に送り込むようにしてもよい。

次に、上記微粒子供給手段としては、夫々周知の高周波
加熱、プラズマアークによる加熱、アーク放電による加
熱、電子ビームによる加熱など任意の加熱手段を用いた
微粒子生成装置を利用できる。

次に上記装置による熱処理の他の例を示せば次の第１表
の通りで、同表における原料を同表の搬送ガス及びマイ
クロ波エネルギーの条件のもとで前述と同様に熱処理す
ることによって、同表の製品を得ることができる。

次に、上記第１図の装置を用いれば化合物の微粒子の製
造を行うことができる。その操作について以下に説明す
る。

前述と同様に操作により容器１内が所定の真空度になっ
たならば、弁３を閉じる一方弁30を開いて、吸引口29か
ら真空ポンプによる吸引を行うと共に、弁11，14，12を
開いて混合室15から不活性ガスと化合物形成用の反応ガ
スとの混合ガスを真空容器１の内部に連続的に送り込
む。尚その送り込む量は真空容器１の内部が所定の圧力
となるようにする。また不活性ガスと反応性ガスとは、
弁11，14により各々の供給手段10，13から混合室15に供
給される量を調節して適切な混合の割合になるようにす
る。次にマイクロ波発振器21の作動及び、原料８の加熱
を前述の場合と同様に行う。尚共振器18の内部に与える
マイクロ波のエネルギーは、化合物微粒子の製造に適し
た値となるようにする。上記のような操作を行うことに
より原料８はそれが置かれた場所（微粒子生成領域）に
おいて順次蒸発し、その近傍でその原料８の微粒子が生
成される。その生成された原料の微粒子は上記ガス受入
口４から送り込まれる混合ガスと共に流通管16内に流れ
込み、プラズマ化領域31に至る。このプラズマ化領域31
において、上記原料の微粒子は粒径が小さい（＜10nm）
が故にマイクロ波エネルギーを十分に吸収して自らの温
度が上昇すると共に、上記化合物形成用の反応性ガスは
上記マイクロ波によってプラズマ化され活性化する。そ
してそれらの原料の微粒子と活性化したガスとが反応
し、上記微粒子は化合物化されて化合物微粒子が生成さ
れる。この場合、上記原料の微粒子及びガスは夫々上記
のような状態となっている為、両者の反応は極めて促進
される。このようにして生成された化合物の微粒子は回
収装置26へ至り、そこに備えられたフィルタ28によって
捕捉される。尚残りのガスはフィルタ28を通り吸引口29
から真空ポンプに向けて引き抜かれる。

次に上記のようにして化合物微粒子の製造を行う場合、
プラズマ化領域31には上記反応性ガスのみならず不活性
ガスも一緒に通される為、広範囲なマイクロ波電力値及
び反応性ガスの広範囲なガス圧値において上記原料の微
粒子を全て化合物化することができる。その実験結果の
一例を示せば第４図の通りである。即ち、不活性ガスを
用いず化合物形成用の反応性ガス（この場合は窒素
Ｎ_２）のみを上記原料（この場合はアルミニウムＡｌ）
の微粒子と共にプラズマ化領域31に通した場合には、マ
イクロ波電力及び反応性ガスのガス圧相互の条件が破線
（Ａ）よりも上方の範囲内に入るときにのみ、回収装置
26において回収される微粒子は全て化合物化された微粒
子であり、破線（Ａ）と（Ｂ）との間の範囲のときには
化合物化された微粒子と原料そのものの微粒子とが混在
しており、破線（Ｂ）よりも下の範囲では原料の微粒子
のみであった。一方前述の如く不活性ガス（この場合は
アルゴンＡｒ）と上記反応性ガスとの混合ガス（この場
合、全圧を10Torrにし、窒素及びアルゴンの分圧を図の
ように変えた）をプラズマ化領域に通した場合には、マ
イクロ波電力及び反応性ガスのガス圧相互の条件が実線
（Ｃ）よりも上方の範囲内に入る広い条件下において、
回収装置26には全て化合物化された微粒子を得ることが
できた。この実験結果から明らかなように、混合ガスを
用いた場合には、全ての微粒子を化合物化する為のマイ
クロ波電力や反応性ガスのガス圧の条件は、反応性ガス
を単独で用いた場合に比べて緩やかであり、従ってそれ
らの制御は容易である。

尚上記混合ガスの全圧は上記の値に限ることなく種々の
値で行うことができる。また不活性ガスと反応性ガスの
導入は、上記混合室15を用いることなく、図示の如く別
にもう一つの受入口32を任意の箇所に設け、受入口４，
32の一方から不活性ガス、他方から反応性ガスを夫々導
入してもよい。

次に上記原料８として用いられる物質を元素記号で示せ
ば、Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、In、Si、
Feなどがある。

上記化合物形成用の反応性ガスは製造すべき化合物の微
粒子に応じて種々のものが用いられる。例えば窒化物を
製造する場合には窒素、酸化物の場合には酸素、炭化物
の場合にはメタン（ＣＨ_４）、硫化物の場合には硫化水
素（Ｈ_２Ｓ）、ホウ化物の場合にはＢCl₃、Ｂ_２Ｈ_６な
どが用いられる。上記のようにして製造される化合物の
微粒子としては次のようなものがある。

（イ）窒化物：AlＮ、TiＮ、ZrＮ、HfＮ、ＶＮ、NbＮ、
Ta₂Ｎ、CrＮ、Mo₂Ｎ、W₂Ｎ、InＮ、Si₃、Ｎ_４、Ｆｅ_2-3
Ｎ、Ｆｅ_４Ｎ （ロ）硫化物：TiＳ_２ （ハ）ホウ化物：TiＢ_２，ZrＢ_２ （発明の効果）以上のように本発明であっては、微粒子
に熱処理を施す場合、微粒子を搬送ガスに浮遊させた状
態で高温化させ、その浮遊状態のまま冷却できるから、
微粒子の形態を保たせたままその熱処理ができ、従来の
問題点を解決できる効果がある。

しかも上記微粒子をプラズマ化領域31で高温化させる場
合、搬送ガスをプラズマ化しそのプラズマによって微粒
子を高温化させるから、微粒子を変態させる高温度にま
で充分に加熱できる特長がある。

しかも上記の場合、上記搬送ガスはプラズマ化するが、
ガス自体としてはさほど高温化されない特長がある。こ
のことは、その搬送ガスがプラズ化領域31から冷却領域
32に至った場合に、その搬送ガスを微粒子の冷却用のガ
スとして利用できる効果がある。

更に上記プラズマ化領域31で高温化した微粒子を冷却領
域32で冷却する場合、高温の微粒子が冷却領域に至るや
否や上記の搬送ガスによって直ちに冷却することがで
き、上記微粒子を変態させたそのままの状態を保たせて
冷却させられる効果がある。

【図面の簡単な説明】

図面は本願の実施例を示すもので、第１図は熱処理装置
の縦断面略示図、第２図は搬送ガスの温度を示すグラ
フ、第３図は微粒子の拡大図、第４図はガス圧とマイク
ロ波電力と生成微粒子の種類との関係を示す図。 Ａ……微粒子供給手段、10……搬送ガス供給手段、31…
…プラズマ化領域、32……冷却領域。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマ化領域と、それに隣接した冷却領
   域を備え、搬送ガスを上記プラズマ化領域を通して上記
   冷却領域に至らしめると共に、微粒子を上記プラズマ化
   領域を通る搬送ガスに浮遊させて、該微粒子を上記搬送
   ガスと共にプラズマ化領域を通して上記冷却領域に至ら
   しめることにより、上記プラズマ化領域においては、搬
   送ガスのプラズマによって上記微粒子を変態させる温度
   にまで高温化させ、上記冷却領域においてはその高温化
   した微粒子を上記搬送ガスによって急冷することを特徴
   とする微粒子の熱処理方法。
2. 【請求項２】一端にガスの入口を、他端にガスの出口を
   夫々備えるプラズマ化領域と、プラズマ化領域の出口に
   隣接させた冷却領域とを備え、上記プラズマ化領域の入
   口には、搬送ガス供給手段と、微粒子供給手段とを接続
   し、さらに上記プラズマ化領域には、該プラズマ化領域
   を通る搬送ガスをプラズマ化させその搬送ガスのプラズ
   マによって上記微粒子を変態させる温度にまで高温化さ
   せるようにしたプラズマ化手段を付設したことを特徴と
   する微粒子の熱処理装置。