JP2009190961A - Compound carbide, and method for synthesizing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、天然原料を原料に使用して合成される複合炭化物およびその合成方法に関する。 The present invention relates to a composite carbide synthesized using a natural raw material as a raw material and a synthesis method thereof.
アルミニウムとシリコンは酸素に次いで地殻に最も多く存在する元素であり、これを複合炭化物として利用することは資源の有効利用の観点から非常に重要である。
近年、様々な特徴を有する複合炭化物が研究され、中でもアルミニウムとシリコンの複合炭化物であるＡｌ４ＳｉＣ４はその優れた耐熱性が注目されており、各方面での実用化が期待されている。
これらＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系化合物の合成方法には、いくつかの方法が知られている。最も単純な方法としては、元素単体からなる原料、あるいは、アルミニウム炭化物とシリコン炭化物とを混合、加熱することによって得る直接合成法がある。例えば非特許文献１にはアルミニウムとシリコンと炭素を原料としてＡｌ４ＳｉＣ４を合成した例が報告されている。しかし、この方法で原料として用いる高純度のアルミニウムおよびシリコンは高価であるため、得られるＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系化合物も高価となり、広範な分野での実用化が阻害される問題がある。
また、アルミナ、シリカおよび炭素を混合して加熱する熱炭素還元法によって合成することもできる。例えば非特許文献２には、アルミナ、シリカおよび炭素を原料としてＡｌ４ＳｉＣ４を合成した例が報告されている。しかしこの方法で原料として用いるアルミナおよびシリカも高純度のもので比較的高価であるため、同様に得られるＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系化合物は高価となり、広範な分野での実用化が阻害される問題がある。
天然鉱物を原料として用いる方法に、カオリン等のアルミナ−シリカ系天然原料と炭素とを含む混合粉を加熱する、熱炭素還元法による合成方法が知られている。例えば非特許文献３には、炭化アルミニウムと炭素およびカオリンを原料として熱炭素還元法によってＡｌ４ＳｉＣ４を合成した例が報告されている。しかし、この方法で原料として用いるアルミナ−シリカ系天然原料も高純度のものであり、適用できる原料は高純度カオリン等の特定の高純度天然原料に限定されている。Aluminum and silicon are the most abundant elements in the earth's crust next to oxygen, and using them as complex carbides is very important from the viewpoint of effective utilization of resources.
In recent years, composite carbides having various characteristics have been studied. Among them, Al 4 SiC 4, which is a composite carbide of aluminum and silicon, has attracted attention for its excellent heat resistance, and is expected to be put to practical use in various fields.
Several methods are known for synthesizing these Al-Si-C compounds. As the simplest method, there is a direct synthesis method obtained by mixing and heating a raw material consisting of a single element or aluminum carbide and silicon carbide. For example, Non-Patent Document 1 reports an example in which Al 4 SiC 4 is synthesized using aluminum, silicon, and carbon as raw materials. However, since high-purity aluminum and silicon used as raw materials in this method are expensive, the resulting Al—Si—C-based compound is also expensive, and there is a problem that practical use in a wide range of fields is hindered.
It can also be synthesized by a hot carbon reduction method in which alumina, silica and carbon are mixed and heated. For example, Non-Patent Document 2 reports an example in which Al 4 SiC 4 is synthesized using alumina, silica, and carbon as raw materials. However, since alumina and silica used as raw materials in this method are also high-purity and relatively expensive, similarly obtained Al-Si-C-based compounds are expensive and impede practical use in a wide range of fields. There is.
As a method of using a natural mineral as a raw material, a synthesis method by a thermal carbon reduction method is known in which a mixed powder containing an alumina-silica natural raw material such as kaolin and carbon is heated. For example, Non-Patent Document 3 reports an example in which Al 4 SiC 4 is synthesized by a thermal carbon reduction method using aluminum carbide, carbon, and kaolin as raw materials. However, the alumina-silica natural raw material used as a raw material in this method is also of high purity, and applicable raw materials are limited to specific high purity natural raw materials such as high purity kaolin.
以上に述べた従来の方法は、原料に高純度のものを使用することによって、高純度のＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系化合物を得ようとするものである。原料の純度を高めることによって高純度の合成物を得る方法は一般的に行われる手法であるが、この方法では使用できる原料が限定され、アルミニウムやシリコンといった単体の高純度原料を用いる場合には、原料コストが高くなり、また、天然原料を用いる場合にもその不純物含有量の極力少ないものを選定する必要があり、使用できる天然原料の選択肢が限定され、得られる複合炭化物も高価となるという課題がある。 The conventional methods described above are intended to obtain a high-purity Al—Si—C-based compound by using a high-purity raw material. The method of obtaining a high-purity compound by increasing the purity of the raw material is a commonly performed method, but this method limits the raw materials that can be used, and when using a single high-purity raw material such as aluminum or silicon The cost of raw materials is high, and when natural raw materials are used, it is necessary to select those having as little impurity content as possible, the choices of natural raw materials that can be used are limited, and the resulting composite carbide is also expensive. There are challenges.
本発明は、これらの課題を解決するものであり、特にアルミナ、シリカを含有する天然原料に含まれる不純物の挙動について調査し、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃ系化合物を合成する際に用いる天然原料の許容組成範囲について鋭意検討した結果完成されたもので、広範な組成の天然原料を原料に使用して合成される高純度Ａｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合化合物とその合成方法を提供することを目的としている。 The present invention solves these problems, and in particular, investigates the behavior of impurities contained in natural raw materials containing alumina and silica, and permits the use of natural raw materials used when synthesizing Al-Si-C compounds. The object of the present invention is to provide a high-purity Al—Si—C composite compound synthesized using natural raw materials of a wide range of compositions as raw materials, and a method for synthesizing the compound, which has been completed as a result of intensive studies on the composition range. .
本発明のＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合炭化物は、アルミナ成分またはシリカ成分を含有し、更にカルシウム化合物またはナトリウム化合物を含む天然原料と、炭素原料とを含む混合物を不活性雰囲気中で焼成することを特徴とする。 The Al—Si—C-based composite carbide of the present invention contains an alumina component or a silica component, and further includes firing a mixture containing a natural raw material containing a calcium compound or a sodium compound and a carbon raw material in an inert atmosphere. Features.
また、アルミナ成分またはシリカ成分を含有し、更にカルシウム化合物またはナトリウム化合物を含む天然原料と、炭素原料とを含む混合物を、不活性雰囲気中で加熱するＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合炭化物において、天然原料のカルシウム化合物またはナトリウム化合物の含有量が酸化物換算で３０質量％以下であることを特徴とする。 Further, in an Al—Si—C based composite carbide in which a mixture containing a natural raw material containing an alumina component or a silica component and further containing a calcium compound or a sodium compound and a carbon raw material is heated in an inert atmosphere, the natural raw material The content of calcium compound or sodium compound is 30% by mass or less in terms of oxide.
また本発明のＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合炭化物の合成方法は、アルミナ成分またはシリカ成分を含有し、カルシウム化合物またはナトリウム化合物を酸化物換算で３０質量％以下含む天然原料と、炭素原料とを含む混合物を、不活性雰囲気中で加熱することを特徴とする。 The method for synthesizing the Al—Si—C-based composite carbide of the present invention includes a natural raw material containing an alumina component or a silica component, and containing a calcium compound or a sodium compound in an amount of 30% by mass or less in terms of oxide, and a carbon raw material. The mixture is heated in an inert atmosphere.
上述したように本発明の天然原料を原料とした複合炭化物およびその合成方法は、アルミナ成分またはシリカ成分を含み、かつカルシウム化合物またはナトリウム化合物を含む安価な天然原料を使用することで、より広範な組成の天然原料の利用が実現し、耐熱性の高い高純度Ａｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合化合物およびその合成方法を提供することができる。 As described above, the composite carbide using the natural raw material of the present invention as a raw material and the synthesis method thereof are more widely used by using an inexpensive natural raw material containing an alumina component or a silica component and containing a calcium compound or a sodium compound. Utilization of a natural raw material having a composition can be realized, and a high-purity Al-Si-C composite compound having high heat resistance and a synthesis method thereof can be provided.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
本発明において使用する天然原料は、アルミナ成分またはシリカ成分を含有し、かつカルシウム化合物またはナトリウム化合物を含むことを特徴とする。 The natural raw material used in the present invention contains an alumina component or a silica component, and contains a calcium compound or a sodium compound.
天然原料と炭素原料とを含む混合物を高温に加熱することで、天然原料に含まれる酸化物は炭素と反応して、次式で代表される熱炭素還元反応によってＣＯガスを発生しながら炭化物へと化学変化する。 By heating a mixture containing a natural raw material and a carbon raw material to a high temperature, the oxide contained in the natural raw material reacts with carbon, and generates CO gas by a thermal carbon reduction reaction represented by the following formula to a carbide. And chemical changes.
また、天然原料に含まれる水酸化物あるいは炭酸塩は、昇温過程において脱水あるいは脱炭酸を起こして酸化物へと変化し、最終的には高温下において、次式で代表される熱炭素還元反応により炭化物に変化する。
特に、天然原料にアルミナおよびシリカを含む場合には、次式によってＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系化合物が生成する。
本発明では、この反応過程における天然原料に含まれるカルシウム化合物の挙動を調査し、複合炭化物の合成過程においてカルシウム化合物が揮発して系外へと移動し、合成物中にほとんど残存せず、従って、得られるＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合炭化物はカルシウム成分をほとんど含まない高純度なものとなることを見出した。 In the present invention, the behavior of the calcium compound contained in the natural raw material in this reaction process is investigated, and in the synthesis process of the composite carbide, the calcium compound volatilizes and moves out of the system, and hardly remains in the composite. The obtained Al—Si—C based composite carbide was found to have a high purity containing almost no calcium component.
カルシウム化合物の揮発および消失の反応機構は未だ明確ではないが、上述の［化２］［化３］［化４］の反応が進行する過程でカルシウム化合物の還元、炭化反応も進行し、生成した炭化カルシウム等の反応生成物や中間生成物の蒸気圧が高いために揮散することが考えられる。 Although the reaction mechanism of the volatilization and disappearance of the calcium compound is not yet clear, the reduction and carbonization of the calcium compound proceeded in the course of the progress of the reactions [Chemical 2], [Chemical 3], and [Chemical 4] described above. Volatilization may occur due to the high vapor pressure of reaction products such as calcium carbide and intermediate products.
従来、酸化カルシウムは、蒸気圧が低い高温で安定な酸化物とされており、例えば酸化カルシウムを含む酸化物の混合物あるいは複合物を大気中で１７００℃程度に加熱しても、酸化カルシウムの揮散が生じないことは良く知られている。従って高純度のＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合炭化物を合成する場合に、カルシウム化合物を含有する天然原料を使用することは、従来の常識では考えられなかった。
しかし、本発明においては、上述の［化２］［化３］［化４］の反応過程でカルシウム化合物が不安定な状態となり、揮発して系外に散逸することを見出したものであり、従来知られていたカルシウム成分の高温における挙動とは大きく異なる現象を発見したことにより、本発明を完成した。Conventionally, calcium oxide has been regarded as a stable oxide at a high temperature with a low vapor pressure. For example, even when a mixture or composite of oxides containing calcium oxide is heated to about 1700 ° C. in the atmosphere, the volatilization of calcium oxide occurs. It is well known that does not occur. Therefore, when synthesizing a high-purity Al—Si—C-based composite carbide, using a natural raw material containing a calcium compound has not been considered by conventional common sense.
However, in the present invention, it has been found that the calcium compound becomes unstable in the reaction process of the above [Chemical 2] [Chemical 3] [Chemical 4], volatilizes and dissipates out of the system. The present invention was completed by discovering a phenomenon greatly different from the conventionally known behavior of calcium components at high temperatures.
カルシウム成分の揮発、消失という現象は、特に、上述の［化２］［化３］［化４］の反応式に示される熱炭素還元反応の進行する環境下において生じるものであり、本発明に係る複合炭化物の合成過程において、特に顕著に発現される作用である。このカルシウム成分の揮発、消失という作用により、本発明は、カルシウム成分をほとんど含まない高純度のＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合炭化物を得ることができる。 The phenomenon of volatilization and disappearance of the calcium component occurs particularly in an environment in which the thermal carbon reduction reaction shown in the above reaction formulas [Chemical Formula 2] [Chemical Formula 3] [Chemical Formula 4] proceeds. This is a particularly prominent effect in the process of synthesizing such composite carbides. Due to the action of volatilization and disappearance of the calcium component, the present invention can obtain a high-purity Al—Si—C-based composite carbide containing almost no calcium component.
また本発明では、上述の反応過程において天然原料に含まれるナトリウム化合物も、複合炭化物の合成過程においてカルシウム化合物と同様に揮発して系外へと移動し、合成物中にほとんど残存せず、従って、得られるＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合炭化物はナトリウム成分をほとんど含まない高純度なものとなる。ナトリウム化合物は、熱間での蒸気圧が高く加熱によって揮発しやすい物質であることが知られおり、複合炭化物を合成する過程の高温熱処理操作によって、混合物中から揮発、消失するため、本発明においては、天然原料中にナトリウム化合物が含有されていても、目的とする高純度のＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合炭化物を得ることができる。ナトリウム化合物を含む原料を使用することが可能となることにより、本発明に用いることができる天然原料の選択肢はさらに広くなり、より安価な原料を入手できるとともに、鉱物資源の有効活用がより一層促進される。 In the present invention, the sodium compound contained in the natural raw material in the above-described reaction process also volatilizes and moves out of the system in the same way as the calcium compound in the composite carbide synthesis process, and hardly remains in the composite. The obtained Al—Si—C based composite carbide has a high purity containing almost no sodium component. Sodium compounds are known to be substances that have a high hot vapor pressure and are likely to volatilize by heating, and volatilize and disappear from the mixture by high-temperature heat treatment operations in the process of synthesizing composite carbides. Can obtain the desired high-purity Al—Si—C-based composite carbide even when a sodium compound is contained in the natural raw material. By making it possible to use raw materials containing sodium compounds, the options of natural raw materials that can be used in the present invention are further expanded, and cheaper raw materials can be obtained, and effective use of mineral resources is further promoted. Is done.
本発明のカルシウム化合物あるいはナトリウム化合物は、一般に天然鉱物中にカルシウム成分あるいはナトリウム成分として含まれるものをさし、代表的なものとしてはカルシウムあるいはナトリウムの酸化物、水酸化物や炭酸塩あるいは他元素との複合酸化物、複合水酸化物や複合炭酸塩が挙げられる。 The calcium compound or sodium compound of the present invention generally refers to those contained in natural minerals as calcium or sodium components, and representative examples include calcium or sodium oxides, hydroxides, carbonates or other elements. And composite oxides, composite hydroxides and composite carbonates.
また、本発明で使用する天然原料のカルシウム化合物またはナトリウム化合物の含有量の上限は、特に限定されないが、天然原料中に含まれる成分を合成物へと有効に転換して複合炭化物の生成率を高めるために、反応過程で揮発消失し複合炭化物中に残存しない該化合物の含有量は少ないことが望ましく、天然原料のカルシウム化合物またはナトリウム化合物の含有量は、酸化物換算で、３０質量％以下のものが好ましい。 Further, the upper limit of the content of the calcium compound or sodium compound of the natural raw material used in the present invention is not particularly limited, but the component contained in the natural raw material is effectively converted into a synthetic material to increase the rate of formation of composite carbides. In order to increase the content of the compound that is volatilized and disappears in the reaction process and does not remain in the composite carbide, it is desirable that the content of the calcium compound or sodium compound of the natural raw material is 30% by mass or less in terms of oxide. Those are preferred.
さらに、高純度のＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合炭化物を得るためには、該天然原料のカルシウム化合物またはナトリウム化合物の含有量が酸化物換算で２０質量％以下のものが最適である。 Furthermore, in order to obtain a high-purity Al—Si—C-based composite carbide, it is optimal that the natural raw material has a calcium compound or sodium compound content of 20% by mass or less in terms of oxide.
また、前述の天然原料のカルシウム化合物またはナトリウム化合物の含有量の下限は、一般的に高純度の天然原料中に不可避的に存在するカルシウム化合物またはナトリウム化合物の量は、本発明の対象外となる。例えば、高純度のカオリンとして知られるジョージアカオリンには、０．１〜０．２質量％程度、また高純度のタルクには０．１〜０．４質量％程度のカルシウム化合物またはナトリウム化合物が含まれており、これらの含有量は、本発明の意図するものではない。 Further, the lower limit of the content of the calcium compound or sodium compound of the natural raw material described above is generally the amount of the calcium compound or sodium compound inevitably present in the high-purity natural raw material is outside the scope of the present invention. . For example, Georgia kaolin, known as high-purity kaolin, contains about 0.1-0.2% by weight, and high-purity talc contains about 0.1-0.4% by weight of calcium or sodium compounds. These contents are not intended by the present invention.
したがって、本発明が意図する天然原料のカルシウム化合物またはナトリウム化合物の含有量は０．５質量％以上のものをさし、より望ましくは１質量％以上のものを選択することが好適である。 Accordingly, the content of the calcium compound or sodium compound as a natural raw material intended by the present invention is 0.5% by mass or more, more preferably 1% by mass or more.
本発明で使用する天然原料は、上述の作用を満足するものであれば特に限定されないが、少なくともアルミナ成分あるいはシリカ成分のいずれかを含むことが必要である。上述のように、本発明で使用する天然原料はＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系化合物を合成する原料として用いるものであり、該天然原料中にはアルミナ成分あるいはシリカ成分を含むことが必須となる。 Although the natural raw material used by this invention will not be specifically limited if the above-mentioned effect | action is satisfied, it is necessary to contain at least either an alumina component or a silica component. As described above, the natural raw material used in the present invention is used as a raw material for synthesizing the Al—Si—C compound, and it is essential that the natural raw material contains an alumina component or a silica component.
天然原料がアルミナ成分を含みシリカ成分を含まない場合は、天然原料と炭素原料とを含む混合物中に、得ようとするＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合炭化物の組成に応じてＳｉ成分を配合することができる。また、天然原料がシリカ成分を含みアルミナ成分を含まない場合は、天然原料と炭素原料とを含む混合物中に、得ようとするＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合炭化物の組成に応じてＡｌ成分を配合することができる。同様に、天然原料がアルミナ成分とシリカ成分を共に含む場合であっても、その含有量が得ようとするＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合炭化物の組成と異なる場合は、天然原料と炭素原料とを含む混合物中にＡｌ成分またはＳｉ成分を配合することができる。また、同様の手法により、得られる炭化物がＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合炭化物とＳｉＣとの共存物となるように、天然原料と炭素原料とを含む混合物の組成を調整することもできる。 When the natural raw material contains an alumina component and no silica component, a Si component is blended in the mixture containing the natural raw material and the carbon raw material according to the composition of the Al—Si—C based composite carbide to be obtained. Can do. If the natural raw material contains a silica component but no alumina component, an Al component is blended in a mixture containing the natural raw material and the carbon raw material according to the composition of the Al-Si-C based composite carbide to be obtained. can do. Similarly, even when the natural raw material contains both an alumina component and a silica component, if the content is different from the composition of the Al—Si—C based composite carbide to be obtained, the natural raw material and the carbon raw material are combined. Al component or Si component can be mix | blended in the mixture containing. Moreover, the composition of the mixture containing a natural raw material and a carbon raw material can also be adjusted by the same method so that the carbide | carbonized_material obtained may be a coexistence thing of Al-Si-C type composite carbide | carbonized_material and SiC.
本発明で使用する天然原料に含まれるアルミナ成分およびシリカ成分とは、両者共に酸化物の形態でも良く、水酸化物や炭酸塩の形態であっても良い。また、他の成分との複合塩であっても良く、いずれも本発明の技術範囲に含まれる。 Both the alumina component and the silica component contained in the natural raw material used in the present invention may be in the form of an oxide, or may be in the form of a hydroxide or carbonate. Further, it may be a complex salt with other components, and any of them is included in the technical scope of the present invention.
本発明で使用する炭素原料は、特に限定されるものではないが、合成する複合炭化物の合成率を高め、高純度のＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合炭化物を得るために、固定炭素分の高いものが好ましく、天然黒鉛、人造黒鉛、熱分解炭素などを使用することができる。 Although the carbon raw material used by this invention is not specifically limited, In order to raise the synthesis rate of the composite carbide to synthesize | combine and to obtain a high purity Al-Si-C type composite carbide, the thing with a high fixed carbon content Are preferable, and natural graphite, artificial graphite, pyrolytic carbon, and the like can be used.
本発明で用いる天然原料と炭素原料とを含む混合物中における炭素原料の配合割合は、混合物を加熱した際に昇温過程で脱水あるいは脱炭酸反応を経て酸化物に変化した成分に対して、高温下でこれらの酸化物を還元して炭化物へと転換するのに必要な炭素量を、得ようとするＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系複合炭化物の組成に応じて任意に決定することができる。 The compounding ratio of the carbon raw material in the mixture containing the natural raw material and the carbon raw material used in the present invention is higher than that of the component that has changed into an oxide through dehydration or decarboxylation during the temperature rising process when the mixture is heated. The amount of carbon necessary to reduce these oxides and convert them into carbides can be arbitrarily determined depending on the composition of the Al—Si—C based composite carbide to be obtained.
また、本発明で使用する不活性雰囲気は、高純度の複合炭化物の合成に適するものであれば、特に限定しないが、例えばアルゴンガス雰囲気を用いることができる。不活性ガスの中でもアルゴンガスが価格、取扱いの容易さから好適である。不活性ガスは高純度の複合炭化物を得るため、高純度のものが好ましく、熱炭素還元反応を効率よく進行させるには不活性ガスの気流中で合成反応を行うことが好ましい。雰囲気調整を行う不活性ガスとして、窒素ガスは、熱炭素還元反応が進行する過程でＡｌ成分やＳｉ成分と窒素とが反応して窒化物を生じ、目的とする高純度複合炭化物を得ることができないため適さない。 The inert atmosphere used in the present invention is not particularly limited as long as it is suitable for the synthesis of high-purity composite carbide. For example, an argon gas atmosphere can be used. Among inert gases, argon gas is preferred because of its price and ease of handling. The inert gas is preferably a high-purity one in order to obtain a high-purity composite carbide, and it is preferable to carry out the synthesis reaction in an inert gas stream in order to allow the hot carbon reduction reaction to proceed efficiently. As an inert gas for adjusting the atmosphere, nitrogen gas is a process in which the thermal carbon reduction reaction proceeds, and the Al component or Si component reacts with nitrogen to produce nitride, thereby obtaining the desired high-purity composite carbide. Not suitable because it cannot be done.
本発明で用いる天然原料と炭素原料とを含む混合物は、任意の形態で加熱することができ、混合粉末の状態あるいは顆粒状に造粒して加熱してもよく、加圧して成形体とした後に加熱してもよい。熱炭素還元反応をより効率的に進行させたい場合には、顆粒状に造粒して加熱処理する方法が好ましい。 The mixture containing the natural raw material and the carbon raw material used in the present invention can be heated in an arbitrary form, and may be heated by granulating into a mixed powder state or a granular form, or by pressing to form a molded body. You may heat later. In the case where the hot carbon reduction reaction is desired to proceed more efficiently, a method of granulating into a granule and heat-treating is preferable.
次に、本発明の実施例を挙げ、本発明について具体的に説明するが、これらの実施例は本発明の一様態を示すものであり、本発明がこれに限定されるものではない。 Next, examples of the present invention will be given and the present invention will be specifically described. However, these examples show one embodiment of the present invention, and the present invention is not limited thereto.
［実施例１］
図１に示す、酸化物換算でアルミナ成分２７．２６質量％およびシリカ成分６１．４５質量％を含み、かつ、カルシウム化合物６．６０質量％およびナトリウム化合物３．５７質量％を含有する天然原料を用いて、Ａ１４ＳｉＣ４の単相を得るため、図２に示すように、該天然原料の粉末２１．３質量％、Ａｌ２Ｏ３粉末４９．６質量％、カーボンブラック２９．１質量％の配合比率で混合し、この混合粉末をアルゴン気流中で加熱処理した。加熱処理は、管状電気炉を用い、１時間当たりの平均昇温速度３００℃で１７００℃まで昇温し、３時間保持した後、平均降温速度３００℃で１２００℃まで冷却し、以後、放冷する条件で行った。加熱処理の間、炉内には毎分１Ｌの流量で高純度アルゴンガスを流入させた。
加熱処理して得た合成物の鉱物組成を粉末Ｘ線回折により調べた結果、図３に示すようにＡｌ４ＳｉＣ４の単相が形成されており、上述の天然原料を原料に使用した熱炭素還元法により目的とするＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系炭化物が合成できた。
［実施例２］
加熱処理して得た合成物を微粉砕し、大気雰囲気中で１５００℃に加熱して完全に酸化させることで、合成物中に含まれる各成分を全て酸化物に変化させた後に、化学組成の分析を行った。その結果を図４に示す。配合比率から求めたＣａＯ含有量の計算値は１．９８質量％であるのに対して、実際に加熱処理によって得た合成物中に含まれるＣａ成分の含有量は酸化物換算で０．１４質量％であり、複合炭化物Ａｌ４ＳｉＣ４の合成反応過程でＣａ成分が大幅に減少していることが分かる。また、Ｎａ２Ｏも同様に大幅に減少している。ナトリウム化合物は、熱間での蒸気圧が高く加熱によって揮発しやすい物質であることが知られおり、実施例１の加熱処理で揮発したことが推定される。この結果から、天然原料中にカルシウム化合物やナトリウム化合物が含有されていても、得られる複合炭化物中にはカルシウム成分やナトリウム成分がほとんど残存せず、高純度の複合炭化物が得られることが分かる。
以上より、本発明のＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系炭化物およびその合成方法は、高純度の天然原料を用いることなく、より広範な組成の天然原料を使用しながら、高純度の複合炭化物が得られることは明らかである。[Example 1]
1, a natural raw material containing 27.26% by mass of an alumina component and 61.45% by mass of a silica component in terms of an oxide, and containing 6.60% by mass of a calcium compound and 3.57% by mass of a sodium compound. To obtain a single phase of A1 4 SiC 4 , as shown in FIG. 2, the powder of natural raw material 21.3 mass%, Al 2 O 3 powder 49.6 mass%, carbon black 29.1 mass% The mixed powder was heated in an argon stream. In the heat treatment, a tubular electric furnace was used, the temperature was raised to 1700 ° C. at an average temperature increase rate of 300 ° C. per hour, held for 3 hours, then cooled to 1200 ° C. at an average temperature drop rate of 300 ° C., and then allowed to cool. I went under the conditions to do. During the heat treatment, high purity argon gas was introduced into the furnace at a flow rate of 1 L / min.
As a result of examining the mineral composition of the composite obtained by the heat treatment by powder X-ray diffraction, a single phase of Al 4 SiC 4 was formed as shown in FIG. 3, and heat using the above-mentioned natural raw materials as raw materials The target Al-Si-C carbide was synthesized by the carbon reduction method.
[Example 2]
The composition obtained by heat treatment is finely pulverized and heated to 1500 ° C. in an air atmosphere to completely oxidize, so that all the components contained in the composition are changed to oxides, and then the chemical composition Was analyzed. The result is shown in FIG. The calculated value of CaO content obtained from the blending ratio is 1.98% by mass, whereas the content of Ca component contained in the composite actually obtained by heat treatment is 0.14 in terms of oxide. It is understood that the Ca component is greatly reduced during the synthesis reaction process of the composite carbide Al 4 SiC 4 . Similarly, Na 2 O is greatly reduced. A sodium compound is known to be a substance that has a high hot vapor pressure and is likely to volatilize by heating, and is presumed to have volatilized by the heat treatment of Example 1. From this result, it is understood that even if a calcium compound or a sodium compound is contained in the natural raw material, a calcium carbide or sodium component hardly remains in the obtained composite carbide, and a high-purity composite carbide can be obtained.
As described above, the Al—Si—C-based carbide and the synthesis method thereof according to the present invention can obtain a high-purity composite carbide while using a natural raw material having a wider composition without using a high-purity natural raw material. Is clear.
本発明のＡｌ−Ｓｉ−Ｃ系炭化物は、炭素含有耐火物の原料あるいは酸化防止剤などとして製鉄・製鋼用耐火物へ応用できるし、１７００℃を超える高温域で使用される耐熱性セラミックスとしての利用の可能性がある。 The Al—Si—C-based carbide of the present invention can be applied to refractories for iron and steel making as a raw material of carbon-containing refractories or as an antioxidant, and as a heat-resistant ceramic used in a high temperature range exceeding 1700 ° C. There is a possibility of use.
Claims (3)
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