JPS59169912A - 窒化珪素粉末の製造方法 - 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】 本発明は、窒化珪素粉末の製造方法に関するものである
。

窒化珪素の焼結体は、熱衝撃性、耐熱性ざらには高温に
おける機械的強度等に優れるので、近年高温ガスタービ
ン部品や自動車エンジン部品としての応用が期待されて
いる。かかる窒化珪素焼結体は、（１）窒化珪素粉末の
製造（２）粉末成形体の製造、（３）焼結の各工程を経
て製造される。

そしてこの焼結体の機械的特性の優秀性および機械的部
品等として使用に耐えうる信頼性を維持するためには、
焼結に用いられる窒化珪素粉末の粒径、粒度分布および
鉄等の不純物の存否が問題となる。従って高品質の窒化
珪素焼結体を製造するには、窒化珪素粉末の製造方法が
極めて重要となる。

一般に窒化珪素の製造方法は以下のもめが採用されてい
る。

（１）金属珪素を窒素気流中で窒素７と加熱して反応さ
せて、直接に窒化物とする方法（以下直接窒化法と・い
う。） （２）二酸化珪素を炭素で還元することにより生成づる
一酸化珪素を窒化する方法（以下３ｉ　０ｆ窒化法とい
う。） （３）四塩化珪素又はモノシランを高温でアンモニア又
は窒素と反応させる気相法（以下気相法という。） （４）四塩化珪素又はモノシランを低温でアンモニア又
は窒素と反応させて中間生成物であるシリコンジイミド
としこれを高温で熱分解する方法（以下熱分解法という
）がある。

上記のＳｉ　Ｏ２窒化法は、原料である二酸化珪素およ
び炭素を高純度とする必要があり、またその生成物には
炭化珪素が含まれる。上記の気相法、熱分解法は、かな
り高純度の粉末が得られるが気相反応を利用するためガ
ス流量の制御、反応装置の材質の選定および設計に技術
的問題が多いし、量産には適しない。これらに対して上
記の直接窒化法は、極めて低価格で大量に窒化珪素を’
５１　Ｎ　−Ｊることかできる特長がある。

しかし直接窒化は、生産される窒化珪素が粗粒状である
ため、焼結用原料として使用するためにはそれを粉砕す
る必要があり、その粉砕を効率的に行うため通常鉄のボ
ールによるボールミル等鉄系月料で作られた粉砕機が使
用される。そのため焼結用原料である窒化珪素の粉末中
には不純物として鉄が含まれる。この鉄は焼結過程にｔ
ｉいて窒化珪素と反応して窒素カスを発生するため、焼
結体中には多数の気孔を生成する。かかる気孔は破壊の
起点となるので上記焼結体は高強度材料として使用する
ことが困難となる。即ち窒化珪素粉末中に含まれる鉄は
焼結体の品質を劣化させる。

本発明は上記欠点を克服するものであり、窒化珪素粉末
に含まれる鉄を無害な珪化鉄とづ−ることにより除去し
、高品質の焼結体の製造を可能ならしめる窒化珪素粉末
を製造する方法を提供することを目的と（るものである
。

本発明は、金属珪素を窒化した後粉砕して窒化珪素粉末
を製造する方法において、粉砕して得られる窒化珪素粉
末であってその中に不純物として鉄を含むものを、不活
性ガス雰囲気中において７００〜１５００℃に加熱し、
不純物として窒化珪素粉末中に含まれる鉄を珪化鉄とし
て無害化することを特徴とするものである。

本発明の窒化珪素粉末の製造方法の一工程である金属珪
素を窒化する方法は、金属珪素と窒素ガスとを加熱によ
り直接に反応させて窒化物とするもので、通常用いられ
る一般的な窒化工程をそのまま採用することができる。

次の工程は窒化珪素粗粒を粉砕する工程で、鉄従来と同
様の粉砕機で実施する。鉄系材料で作られた粉砕機は鉄
片等の不純物が混入するという欠点があるが、粗粒を効
率的に微粉砕することができ、しかも装置が安価となる
ので極めて生産性が良く、粉砕物の製造コストも安価と
なる。しかし得られる粉末には鉄片が不純物と含まれる
こととなる。

次の工程は本発明の製造方法を特色ずける工程で、不純
物として窒化珪素粉末中に含まれる鉄を珪化鉄として無
害化づる工程である。即ち、この工程は、粉砕して得ら
れる窒化珪素粉末であってその中に不純物として鉄を含
むものを、不活性ガス雰囲気中において７００〜１５０
０℃に加熱する工程即ち上記窒化珪素粉末を仮焼りる工
程である。不活性ガス雰囲気とは、窒化珪素と反応しな
いような不活性ガスによる雰囲気をいい、窒素、アルゴ
ン、ヘリウム等の気体によるものをいう。

なお窒素が安価であり実用的である。空気、酸素等は高
温下において窒化珪素と反応するので好ましくない。加
熱温度は、鉄が窒化珪素と反応して珪化鉄となる温度で
足りるが、あまり高温度になると窒化珪素の粉末同志の
凝集が始まり粗大化する。このため加熱温度は、７００
〜１５０００、より好ましくは１０００〜１２００℃が
よい。さらに仮焼して鉄を珪化鉄に無害化した後の窒化
珪素粉末を必要に応じて、さらに粉砕して微細な窒化珪
素粉末としてもよい。この窒化珪素粉末を使用すると高
品質の焼結体を製造することができる。

なおかかる粉砕は鉄の混入の危険性がないアルミナのボ
ール等の鉄を含まない粉砕方法を用いる必々の焼結助剤
の粉末を添加することもできる。

本発明の窒化珪素粉末の製造方法によれば、窒化珪素粉
末に含まれる鉄を、仮焼という簡便な処理により、除去
することができるので、その窒化珪素粉末を用いて焼結
体を焼成する過程において窒素ガスが発生しない。その
ためこの焼結体に含まれる気孔を低減づることができ高
強度の焼結体が得られる６ また、本発明の窒化珪素粉末の製造η法においては、鉄
を無害化する仮焼工程を有するので鉄の混入を許容でき
る。そのため鉄系の材質を用いたボールミル等の粉砕機
により窒化珪素粗粒を微粉砕することができるので、粒
度分布の均一な窒化珪素の微粉末を多量安価に製造する
ことができる。

以下、本発明の窒化珪素粉末の製造方法を実施例により
説明する。

実施例 金属珪素の窒化により直接に製造され鉄系材料で作られ
た粉砕機により粉末化された市販の窒化珪素粉末を用い
た。この窒化珪素粉末は平均粒径が３μ、鉄粉の含有量
は１．０重量％であった。

それを窒化ホウ素のルツボ中に入れ、窒素１気圧の雰囲
気中において、８００．１０００．１２００．１５００
℃の温度で１０時間加熱した。加熱により窒化珪素粉末
中の鉄粉は全て珪化鉄になっていた。次いで、上記の珪
化鉄とした窒化珪素粉末に、平均粒径Ｏ・、３μのスピ
ネルを８重量％添加し、エタノールを用い、アルミナボ
ールを媒体としたボールミルにより１５時間粉砕かつ混
粉した。この粉砕後の平均粒径は０．９μであった。

次に上記粉末に対しで２０重量％のポリプロピレンから
なる有機成分を添加し、２００℃にて３０分間混練りを
した。これを通常の射出成形機にて径２Ｑｍｍ、高さ３
Ｑｍｍの円柱状成形体を製造し、１０℃／時間の昇温速
度で４５０℃まで加熱し、上記有機成分を除去した。こ
の成形体を、内径１５０ｍｍｘ高さ１００１１１１１１
の窒化珪素からなる円筒容器にセラｈし、最大１０気圧
までの窒素加圧下において１７５０℃で４時間焼結し、
焼結体を製造した。

比較例として鉄粉を含む出発原料をそのまま窒化珪素粉
末として用い、スピネル添加、ボールミルによる粉砕混
合、成形焼結を実施例と同一に行い焼結体を製造した。

得られた全ての焼結体を＃２００のダイヤモンド砥石で
各焼結体の表面を加工し、その表面及び内部に存在する
５０μ以上のボア数を、超音波探傷により計測した。さ
らに各焼結体の密度も測定し、それらの結果を合せて第
１表に示した。

また、実施例の窒化珪素粉末と比較例の窒化珪素粉末を
用いて同一の方法により５ｘ５ｘ４０ｍｍの角棒状各焼
結体を製造した。各焼結体の機械強度を、クロスヘッド
スピード０．２１１１ｍ／分、スパン３０ｍｍの３点曲
げ試験により測定した。その結果を第２表に示す。第１
表に示づように８００．１０００．１２００，１５００
℃で加熱した本実施例の窒化珪素粉末を用いた場合、加
熱しない比較例の窒化珪素粉末と比べいずれもボア数が
減少した。特に１０００．１２００．１５００℃の場合
にはその減少がいちぢるしい。また８００，１０００．
１２００℃の場合には加熱温度が高（なるにつれてボア
数も減少した。

また焼結体の密度は、８００、ＩＱＯｏ、１２００℃で
加熱した場合には、加熱しない場合とほとんどかわらな
いが、１５００℃の場合は減少した。これは窒化珪素粉
末同志が凝集し粗大化したため焼結性を若干悪くしたた
めと思われる。しかしかかる場合においてもボア数は減
少しているし、第２表に示すように強度も大きいので焼
結体の品質は未加熱と比べ何ら劣化しているものではな
い。

第２表に示すように８００．１０００．１２００．１５
００℃で加熱した本実施例の窒化珪素粉末で製造した焼
結体は、加熱しない比較例の窒化珪素粉末で製造した焼
結体と比べ、いずれも強度が大きかった。第１表、第２
表よりボア数の少ない（１２００℃で加熱したちの）焼
結体が、最も高い平均強度５０　ｋｇ／ｍｍ２を示した
。

以上より鉄を含む窒化珪素原料を窒素雰囲気中で８００
’ないし１５００℃好ましくは１０００ないし１２００
℃で加熱することにより鉄を珪化鉄に無害化することが
できる。そのため本実施例によれば焼結過程において鉄
と窒化珪素の反応によるガスの発生を防止することがで
きる。そのため焼結体に生じる気孔を低減することがで
き高強度の焼結体を製造することができる。また本実施
例によれば上記のように不純物として混入する鉄第１表 第２表 を無害化することができるので、窒化珪素粉末中に鉄の
混入が一般的には避けられない直接窒化法による窒化珪
素製造方法を採用することができる。

そのため本実施例によれば、高品質の焼結体原料となり
うる窒化珪素粉末を安価に大量に製造できる。

特許出願人　　トヨタ自動車株式会社 代理人　　弁理士　　大川　宏 同　　　弁理士　　藤谷　修 同　　　弁理士　　丸山明夫 −昭

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 金属珪素を窒化した後粉砕して窒化珪素粉末を製造する
   方法に８５いて、 粉砕して得られる窒化珪素粉末であってその中に不純物
   として鉄を含むものを、不活性ガス雰囲気中において７
   ００〜１５００℃に加熱し、不純物として窒化珪素粉末
   中に含まれる鉄を珪化鉄として無害化することを特徴と
   する窒化珪素粉末の製造方法。