JPS5891012A

JPS5891012A - 窒化珪素粉末の製造方法及びその製造装置

Info

Publication number: JPS5891012A
Application number: JP18887281A
Authority: JP
Inventors: Kaneaki Kato; 加藤　苞明; Kazunari Koide; 小出　一成; Masaaki Mori; 正章森; Sho Sano; 佐野　省
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1981-11-25
Filing date: 1981-11-25
Publication date: 1983-05-30

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】本発明は屓化珪素粉末の製造方法及びその製造装置に関
する。

例えば叉化注菜−酸化イ、トリウムもしくは酸化マダ不
シウム（８１６Ｎ４−Ｙ２Ｏ，もしくは５ｔ３Ｎ４−　
ＭｇＯ）焼結体は哉誠的強度が高く、耐熱性もすぐれて
いるため高１話ガスタービン部材等に適用されるように
なってきている。４化珪素糸焼結体の熱的・機械的特性
は出発原料の性質によって大きく影蒼され、４化珪素に
ついてはできるだけα相含有率の＾いことが望まれる。

ところで、従来、窒化珪素粉末の製造は種々の方法で行
わｎているが、最近ではα相含有率の高い窒化珪素粉末
が得られる方法としてシリカ粉末とカー設ン粉末に窒化
珪累粉禾、炭化珪素粉末及び酸１化珪素系粉末のうち少
なくとも１種を添ツノＩして混合原料粉末全調製し、こ
れを過素含有非酸化性ｌ囲気中で７１１１熱処理し、還
元・」化反応させる方法が採用されている。

しかし、上記従来方法では下記のような種々の欠点がめ
る。

（１）４化珪素は混合原料粉末中のＪ化珪素等の添加粉
末を咳として、その表面に成長していくので、良好な焼
結性を有する慮細な４化珪素粉末金得るためには、添〃
口粉末の添訓オを多くしなければならない。このように
添力１４多くすると生成する窒化珪素粉末の粒径が均一
化して、成形時の成形密度が小さくなる。

（２）　　Ｓ　ｉＯ２とＣからＳＩ３Ｎ４が生成する反
応はＳ　１０２とＣとの固−同反応が都連段階であるの
で、シリカ粉末とカーぜン粉末の接触が良好である必要
がある。しかし、出発原料はいずれも微細な粉末で、そ
の混合原料粉末のカサ比重は非常に小さく（０，１３〜
０．２０）、シリカ粒子とカー・デン粒子との良好な接
触状態が得にくい。また、充填縫も少ないので生産効率
が悪い。

（３）混合原料粉末を容器に充填して還元・窒化反応さ
する際、混合原料粉末はカサ比重が小′さいにもかかわ
らず出発原料が微細なため、粉体床中での間隙が非常に
狭い状態になっている。

このため、反応により生成するＣＯガスが粉体床中から
外へ拡散しにくく、かつ窒化反応に必要なＮ２ガスが粉
体床中に浸透しにくい。この場合、粉体床が厚いと粉体
床内部でばＮ２＃度が低く、００９度が高くなるためＳ
ｉＣやＳｉ２ＯＮ２が副生したり未反応Ｓ　ｉＯ２が残
留して、５１３Ｎ４の生成が良好でない。したがって、
粉体床の厚さは約１５鑓程度に制限される。また、粉体
床内部では反応速度が遅いためＳｉ、Ｎ４生成を完了さ
せるのに時間がかかり生産効率が悪い。

本発明は上記欠点を解消するためになされたものであり
、混合原料粉末を造粒した後、この造粒粒子を流動層状
態で反応させることにょυ、生産効率を向上し得るとと
もに良好な焼結性を有する微細なα相き有季の高い窒化
珪素粉末の製造方法及びその製造装置を提供しようとす
るものである。

すなわち、本願第１の発明は、シリカ粉末あるいは５ｉ
−０成分を含む化合物粉末及びカーはン粉末に４化珪素
粉末、炭化珪素粉末及び酸窒化珪素系粉末のうち少なく
とも１．１′ｆｉを添カロして混合原料粉末を調製し、
これを短径が０．２〜３０朋になるように造粒した後、
この造粒粒子ｆ：流動ノー状態で１３００〜１５５０Ｃ
の窒業含有非酸化ｔ９：、雰囲気中にて処理し、還元・
４化反応させることを特徴とする窒化珪素粉末の製造方
法でおる。

一５＝また、本願第２の発明は、上部が開放され、かつ底部に
通気孔を設けた造粒粒子が収容される反応容器と、この
反応容器の少なくとも外周囲を包囲し、上部に、ｆス排
出口を有する断熱体と前記反応容器の底部と連通し、該
反応容器内の温度を１３００〜１５５０℃に保持すΔ蓋
要な温度に加熱された窒素含有非酸化性ガスを該反応容
器内に供給するためのｄ路とを具備したことを特徴とす
る窒化珪素粉末の製造装置である。

本発明方法における出発原料として用いられる三成分の
粉末の混合別合はその成分粉末の種類によって異なるが
、′列えばシリカ〜カー♂ンー造化珪素（５ｉｎ２−　
Ｃ−８ｉ６Ｎ４）混合系の場合、ＳｉＣ：　Ｃ：　５ｔ
３Ｎ４＝＝　１　：　０．４〜４：０．００５〜１．０
の重着割合（でするのが望ましい。これはＳ＋０２１に
対してＣが０．４未満ではＳｉＯ□が未反応として残留
し、かつ５１２ＯＮ２の多量生成がみられる反面α相Ｓ
　！　３Ｎ４の生成社が少なくなる。また、Ｃが４を超
えるとβ相５ｔ５Ｎ４の生成がみられ結果的にα相５ｉ
５Ｎ４の純度が悪化するほか、とくに収６− 率低丁がみらルるためである。−万５ｉ０２１　Ｖｃ対
して５１３Ｎ４が０．００５未満ではα相Ｓｔ、Ｎ４の
高収率化効果が少なく、逆に１を超えると好ましい粉末
特性を有する粉末が得られない。

本発明方法において出発原料を混合して混合粉末原料を
調製する方法としては、列えば湿式又は乾式のボールミ
ル法が挙げられる。

本発明方法における混合原料粉末の造粒は水・アルコー
ル、アセトン等を用いた湿式法で行い乾燥、造粒しても
よいし、ポリビニルアルコール、フェノールレノン、小
麦粉等の有機バインダー又はエチルシリケート、コロイ
ダルシリカ等の無機バインダーを１史用して乾燥、造粒
してもよい。また、造粒法としては、湿式又は乾式の押
出し法１回伝法、加圧圧縮法、流動層造粒法、遠心流動
法、攪拌造粒法、スフレ−ドライヤー法等あるいはこれ
らの組合亡失を挙げることができる。混合原料粉末全造
粒することにより、Ｓ　ｉＯ２とＣとの接触状態がよく
なり、Ｓ　ｉ　、Ｎ４生成反応の律速段階である５１０
２とＣとの固−向反応が起こりやすくなる。造粒粒子内
部ではＳ　ｉＯ２とＣとの反応により発生したｓＩｏガ
スとＣＯガスが粒子に亀裂を生じさせる。この亀裂を通
じてＣＯガスが外部へ拡散し、Ｎ２ガスが内部へ浸透す
るため、反応が起こシやすくなりＳｌ、Ｎ４の生産効率
が向上する。造粒粒子の短径を０．２〜３０　ｒｒａｎ
の範囲としたのは、０．２　ｒａｎ未満であると造粒粒
子がガス流により飛散しゃすくなって安定した流動層状
態が潜られず、３０ｍ５＋を超えると造粒粒子内部から
のＣＯガスの拡散や内部へのＮ２ガスの浸透が困難にな
って反応が良好に進まないためである。

また、この造粒粒子を流動ノー状、蝶で反応させること
により、反応系の温度を均一にし、Ｃ。

ガスの拡散及びＮ２ガスの浸透を良好にし、造粒粒子の
処理ｉを増力１することができ杢ため、生産効率を更に
向上させることができる。

本発明方法における水素含有非酸化性崖囲気としては、
Ｎ２．　ＮＨ３，Ｎ２−　Ｎ２　、Ｎ２−不活性ガス等
が挙げられる。

本発明方法において崇素含有非酸化性浮囲気の温度範囲
を１３００〜１５５０℃としたのは、１３００℃未満で
はＳｔ、Ｎ４が生成し難く、１５５０℃を超えるとＳｉ
Ｃの生成がみられるためである。

本発明の製造装置における反応容器は筒状の（ｔｉｌｌ
壁と通気孔を有する底部からなり、その底部ハ０．３〜
１０間径の多数孔を有する２枚の黒鉛質平板の間にカー
ぎン繊維からなる多孔質＊、ｍシートを挾持した３層構
造のものでもよいし、剪；β４月４ｌ−−Ｉオ遺墳１オ
＃Ｌ多孔構造をなす目皿からなるものでもよい。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

実施？’ｔ１図は本発明の１化珪素粉末の製造装置を示す所面図であ
る。図中１は第１の断熱体であり、この断熱体１は内部
にカギ型の通路２を有し、かつ一端側上部には該通路２
と連通ずる開口部が形４Ｊｉされている。この第１の〜
↑熱体１の開口部周辺上には、造粒粒子を収容する円筒
状の黒９− 鉛製反応容器３が設置されている。この反応谷４３は上
部が開放され、かつ底１ｆＢＪ　ａが０．３〜１０纒径
の多数孔を何する２枚の黒鉛質モ板４ａ、４ｂの１１１
にカーボン繊維からなる多孔質繊維シート５を挾持した
３層構造となっている・また、＠記第１の断熱体１土に
は前記反応容器３の周囲を民団するように第２の断熱体
６が設置さｎている。第２の断熱体６の上部にはがス排
出１」７が設けら−ｇでいる。また、第２の断熱体６の
上部には反応容５３内部に造粒粒子を供給するための原
料供給−ｉｆ　ｓが挿着されている。

更に第２の断熱体６の側壁には反応容器３の側壁まで頁
Ｉ山する反応物取出管９が挿着されている。前記第１の
断熱体１の他端側には・ρりえば４素ガス金前記＋＋Ｍ
路２内に供給するための熱交換パイノ１０が挿着されて
いる。そして、第１の断熱体）における・母イノ挿着部
付近は膨出して、前記・９イグ１０からの４．Ｘがス等
を反応容器、９内で１３００−１５５０℃に保持するに
必快な＋６ｉ　ｉｆまで１Ｊｔｌ　、＠するための誘導
力り熱コイル１ノ全収容１０− するｌＪＯ熱室１２が形成さｎている。

次に、上記製１４装置を用いて４化珪素粉末を製造する
方法を説明する。まず、シリカ粉末１屯１部とカー♂ン
／ラック０．５重速部に窒化珪素粉末０．１ｔｆｉｉ部
を冷力ｎし、混合原料粉末を１筆した。次に、この混合
原料粉末を短径３１に造粒した。次いで、この造粒粒子
を図示しだ製造装置の原料供給管８から反応容器３内に
供給した。つづいて、熱交換・ぐイノ１０内に４素ガス
を送入し、加熱室１２で誘４卵熱コイル１ノによって高
温に卯熱し、通路２を通過させ、反応容器３の底部３ａ
の通気孔から噴出させ、反応′＃器３内の造粒粒子全流
動ノー状態にして還元・ｊ化反応を行った。この際、反
応容器３内の温度は約１４５０℃であった。未反応の４
素がス、生成したＣＯガス等はＩス排気ロアから排出さ
れた。反応生ノ戊′吻は反応物取出管９から１幀次卓出
した。この後、反応生成物を７００℃の空気中で加熱処
理し、残留カーがンを燃焼１余去して塁化珪素粉禾を得
た。

しかして上記実＃ｉ列によれば、反応時間を短縮できる
とともに処理量を増加することができ、生産効率を向上
することができた。処理針に１関しては、内径２５０＋
ｍｎの反応容器を用いた揚台、粒子床の深さを３００＋
ｎｍ程度Ｖこすることができた。

また、反応が均一に進行するので、均質なＳ　１３Ｎ４
粉禾を１８ることができた。得られたＪ化珪素扮末はα
相含有率９２％、粒径範囲０．２〜１．４８ｍ１平均粒
＋ｔ　Ｏ，７μｍであった、すなわち、微細で粒径範囲
が広いため、成形密度が犬きく良好な焼結性を有するＳ
ｉ３Ｎ４粉末が寿られた。

また、ＳｉＣは検知されなかった。

また、上記実施例の製造装置は加熱室１２で窒素がスを
力ｎ熱する方式で必ジ、熱源′物体を炉内に装着しなく
てもよいので浦牟な構造にできる。しかも、ｊＪｎ熱室
１２での加熱は上記実施レリの如く誘導加熱コイル１１
に限らず灯油、重油。

ＬＰＧ等の燃焼加熱でもよい。史に反応答イ渉３の底部
３ａは２枚の黒鉛質平板４ａ　、４ｂの間にカーボン愼
維からなる多孔質繊維シート５を挾持した３１惰構造と
なっており、黒鉛質平板４ａ。

４ｂは薄くても充分な強度を有し、しか１１がスの流れ
を均一にして反応を良好に進行させることができる。

なお、反応容器は上記実施例のシロ〈円節状に限らず角
筒状でもよい。また、上記実施例の如く半連続式に限ら
ずバッチ式でもよい。また反応容器からの排気ガスの熱
を窒素含有非酸化性ガスの予熱に利用することが望まし
い。

以上詳述した１１１＜本発明によれば、生産効率を向上
し得るとともに良好な焼結性を有する微細なαＨ」き有
季の高い窒化珪素粉末の製造方法及びその製造装置を提
供できるものである。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の実施列における窒化珪素粉末の製造装置を
示す断面図でおる。１・・・第１の所熱体、２・・・ｄ路、３・・・反応容
器、４ａ、４ｂ・・・黒鉛質平板、５・・・多孔質繊維
シート、６・・・第２の析熱体、７・・・がス排出口、
８・・・１３− 原料供給管、９・・・反応物増出管、１ｏ・・・熱交換
・母イブ、１１・・・誘導加熱コイル、１２・・・加熱
室。出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦１４−

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　　シリカ粉末あるいば５ｉ−０成分を含む化合
物粉末及びカーぜン粉末に窒化珪素粉末、炭化珪素粉末
及び酸ｉ化珪素系扮禾のうち少なくとも１種を添’ＪＯ
して混合原料粉末全調製し、これを短径０．２〜３０闇
になるように造粒した後、この造粒粒子を流動層状態で
１３００〜１５５０℃の窒素含有非酸化性感囲気中にて
処理し、還元・窒化反応させること全特徴とする窒化珪
素粉末の製造方法。
（２）上部が開放され、かつ底部に通気孔を設けた造粒
粒子が収容さｎる反応容器と、この反応容器の少なくと
も外周囲を包囲し、上部にガス排出口を有する断熱体と
、前記反応容器の底部と連通し、該反応容器内の温度を
１３００〜１５５０Ｃに保持するに必要な温度に加熱さ
ｎた４累含有非酸化性ガスを該反応容器内に供給するた
めの通路とを具：＃４ｆ　Ｌ−たことを特徴とする窒化
珪素粉末の製造装置。
（３）反応容器の１市気孔を有する底部が０．３〜１０
ｓ＋＋径の多数孔を有する２枚の黒鉛質平板の間にカー
・げン繊維からなる多孔質繊維ンートを挟持した３層構
造となっていることを特徴とする特許請求の範囲第２　
、！ｉ　＝ｅ域の窒化珪素粉末の製造装置。
（４）反応容器はその底部が一９Ｔ１４−７４１ｍ多孔
構造をなす目皿からなることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のＸ化珪
素粉末の製造装置。