JP2788045B2 - Method for producing fine silicon nitride powder - Google Patents

Method for producing fine silicon nitride powder

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nitride powder
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は窒化ケイ素微粉末の製造方法に関する。The present invention relates to a method for producing fine silicon nitride powder.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、窒化ケイ素粉末は、例えば以下のような方法に
より製造されている。すなわち、 シリカ粉末を、NH3ガス中、又はNH3とCmHn(炭化水
素)との混合ガス中、800〜1600℃で加熱処理すること
により窒化ケイ素粉末を製造する方法、 シリカ粉末に種子粒子として窒化ケイ素、炭化ケイ
素、酸窒化ケイ素又は金属ケイ素のうち少なくとも1種
を混合した粉末を、NH3ガス中、又はNH3とCmHn(炭化水
素)との混合ガス中、800〜1600℃で加熱処理すること
により窒化ケイ素粉末を製造する方法(例えば特開昭63
−162516号)、が知られている。
Conventionally, silicon nitride powder has been produced, for example, by the following method. That is, a method of producing a silicon nitride powder by heating a silica powder at 800 to 1600 ° C. in NH 3 gas or a mixed gas of NH 3 and C m H n (hydrocarbon). A powder obtained by mixing at least one of silicon nitride, silicon carbide, silicon oxynitride, and metal silicon as seed particles in an NH 3 gas or a mixed gas of NH 3 and C m H n (hydrocarbon) is used for 800 A method of producing silicon nitride powder by heat treatment at 1600 ° C. (for example,
-162516) is known.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

前述したの方法では、生成する窒化ケイ素粉末の一
次粒子径は2〜10μmと相当大きくなる。このため、こ
の窒化ケイ素粉末を焼結する際に、焼結性が低く、緻密
な窒化ケイ素焼結体を得ることが困難となる。これらの
点を改善するために、窒化ケイ素粉末を例えば転動ボー
ルミルを用いて粉砕する場合、100〜200時間というかな
りの長時間を要する。しかし、このような長時間の粉砕
を行うと、膨大なエネルギーを消費するうえ、場合によ
っては粉砕媒体からの不純物混入などの問題が生じる。
In the method described above, the primary particle diameter of the generated silicon nitride powder is considerably large, 2 to 10 μm. For this reason, when sintering this silicon nitride powder, it is difficult to obtain a dense silicon nitride sintered body having low sinterability. In order to improve these points, when pulverizing silicon nitride powder using, for example, a rolling ball mill, a considerably long time of 100 to 200 hours is required. However, when such long-time pulverization is performed, enormous energy is consumed, and in some cases, problems such as contamination of impurities from the pulverization medium occur.

一方、の方法では、種子粒子として添加する窒化ケ
イ素などを0.5μm以下に細かくすれば、一次粒子径が
1μm以下の比較的細かい窒化ケイ素粉末を得ることが
できる。しかし、この場合もと同様に、種子粒子を微
細化するために例えば転動ボールミルを用いて粉砕する
場合、50〜150時間というかなりの長時間を要し、前述
した問題が生じる。
On the other hand, in the first method, if silicon nitride or the like added as seed particles is reduced to 0.5 μm or less, relatively fine silicon nitride powder having a primary particle diameter of 1 μm or less can be obtained. However, in this case, similarly, when the seed particles are pulverized using a rolling ball mill to make the particles fine, for example, a considerably long time of 50 to 150 hours is required, and the above-described problem occurs.

本発明は前記問題点を解決するためになされたもので
あり、長時間の粉砕を行うことなしに、微細な窒化ケイ
素微粉末を得ることができる方法を提供することを目的
とする。
The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to provide a method capable of obtaining fine silicon nitride fine powder without performing long-time pulverization.

〔課題を解決するための手段と作用〕 本発明の窒化ケイ素微粉末の製造方法は、シリカ粉末
をNH3とCmHnとの混合ガス中、800〜1400℃で加熱処理す
る第1工程と、得られた生成物を粉砕処理する第2工程
と、得られた粉砕処理物をNH3ガス中、又はNH3とCmHn
COもしくは不活性ガスのうち少なくとも1種との混合ガ
ス中、1200〜1600℃で加熱処理する第3工程とを具備し
たことを特徴とするものである。
Measure the effect for Solving the Problems] manufacturing method of the fine silicon nitride fine powder of the present invention, a mixed gas of NH 3 and C m H n the silica powder, the first step of heat treatment at 800 to 1400 ° C. And a second step of pulverizing the obtained product, and the obtained pulverized product in NH 3 gas, or NH 3 and C m H n ,
A third step of performing a heat treatment at 1200 to 1600 ° C. in a mixed gas of at least one of CO and an inert gas.

本発明において、第1工程は基本的には下記(a)式
に従ってSi3N4を生成させる反応である。
In the present invention, the first step is basically a reaction for generating Si 3 N 4 according to the following formula (a).

3SiO2+4NH3→Si3N4+6H2O ……(a) この第1工程においてCmHn(炭化水素ガス)を添加す
るのは、(a)式で生成するH2Oを(b)式に従って反
応させることにより、H2Oの分圧を下げ、(a)式の反
応速度を上げるためである。
3SiO 2 + 4NH 3 → Si 3 N 4 + 6H 2 O (a) In this first step, C m H n (hydrocarbon gas) is added because H 2 O generated by the equation (a) is converted into (b) This is because the partial pressure of H 2 O is reduced by performing the reaction according to the formula (1), and the reaction rate of the formula (a) is increased.

前記(a)式の反応が進行し、窒化ケイ素粒子が生成
する過程は未だ充分に解明されているわけではないが、
本発明者らの研究によれば以下のような過程をたどるも
のと推定される。すなわち、まず完全な結晶構造及び化
学量論比を満足していない、10nm程度の非常に微細な窒
化ケイ素の前駆体ともいえる粒子(以下、窒化ケイ素前
駆体と記す)が生成し、これらが何個か集合してほぼ完
全な結晶構造及び化学量論比を有する窒化ケイ素の一次
粒子が形成される。この際、集合する窒化ケイ素前駆体
の数により、一次粒子の大きさが決まると考えられる。
Although the process in which the reaction of the formula (a) proceeds and silicon nitride particles are generated has not been sufficiently elucidated,
According to the study of the present inventors, it is presumed that the following steps are followed. That is, first, particles that can be said to be very fine silicon nitride precursors of about 10 nm, which do not satisfy the perfect crystal structure and the stoichiometric ratio (hereinafter referred to as silicon nitride precursors), are generated. Individually assemble to form primary particles of silicon nitride having a nearly perfect crystal structure and stoichiometry. At this time, it is considered that the size of the primary particles is determined by the number of silicon nitride precursors to be assembled.

この第1工程の加熱温度を800〜1400℃としたのは、8
00℃未満では実質的に反応が進行せず、1400℃を超える
と直ちに粒径2〜10μmの相当大きな一次粒子が生成
し、それ以降の工程を施しても微細な窒化ケイ素粉末を
得ることができなくなるためである。
The heating temperature in the first step was set at 800 to 1400 ° C.
When the temperature is lower than 00 ° C., the reaction does not substantially proceed, and when the temperature exceeds 1400 ° C., substantially large primary particles having a particle size of 2 to 10 μm are immediately generated. This is because it will not be possible.

第1工程におけるNH3とCmHnとの混合比は、CmHnをCH4
に換算して体積比でNH3/CH4=0.5〜2000、より好ましく
は1〜1000であることが望ましい。
The mixing ratio of NH 3 and C m H n in the first step is such that C m H n is changed to CH 4
It is desirable that NH 3 / CH 4 = 0.5 to 2000, more preferably 1 to 1000, in terms of volume ratio in terms of volume.

本発明においては、第2工程の粉砕工程は、前記窒化
ケイ素前駆体を物理的に引き離して、窒化ケイ素の一次
粒子の粗大化を抑制するための工程である。
In the present invention, the pulverizing step of the second step is a step for physically separating the silicon nitride precursor to suppress coarsening of primary particles of silicon nitride.

この第2工程の粉砕は、転動ボールミル、振動ボール
ミル、遊星ミル、媒体撹拌ミルなど一般に普及している
粉砕機を用いることができる。
For the pulverization in the second step, a commonly used pulverizer such as a rolling ball mill, a vibrating ball mill, a planetary mill, and a medium stirring mill can be used.

粉砕時間は、例えば内径160mm、内容積4.8のボール
ミルに、被粉砕物30gとともに直径16mmのボール4kgを投
入した場合、5〜10時間である。なお、粉砕時間は、粉
砕機の種類、大きさなどにより異なるが、いずれも10時
間以下でよく、従来よりも大幅に時間が短縮される。
The crushing time is, for example, 5 to 10 hours when 4 kg of a ball having a diameter of 16 mm is charged together with 30 g of the material to be crushed into a ball mill having an inner diameter of 160 mm and an inner volume of 4.8. The pulverization time varies depending on the type and size of the pulverizer, but may be 10 hours or less, which is much shorter than in the past.

なお、粉砕工程時には、粉砕助剤を共存させて粉砕を
行ってもよい。粉砕助剤としては、Si、Al、Zr、Y、M
g、Ti、CeもしくはLa又はこれらの元素の窒化物、炭化
物、ホウ化物もしくは酸化物を挙げることができる。ま
た、粉砕助剤の添加量は、出発原料のシリカ粉末1重量
部に対して、0.005〜2重量部であることが望ましい。
このように粉砕助剤を共存させた場合、最終的に得られ
る窒化ケイ素の一次粒子径が小さくなる。
In the pulverization step, pulverization may be performed in the presence of a pulverization assistant. Si, Al, Zr, Y, M
g, Ti, Ce or La or nitrides, carbides, borides or oxides of these elements. Further, the amount of the grinding aid to be added is preferably 0.005 to 2 parts by weight based on 1 part by weight of the starting silica powder.
In the case where the pulverization assistant is thus coexisted, the primary particle diameter of silicon nitride finally obtained becomes small.

本発明において、第3工程は窒化ケイ素前駆体の集合
により、ほぼ完全な結晶構造及び化学量論比を有する窒
化ケイ素の一次粒子を形成させる工程である。
In the present invention, the third step is a step of forming primary particles of silicon nitride having an almost perfect crystal structure and a stoichiometric ratio by assembling the silicon nitride precursor.

この第3工程の加熱温度を1200〜1600℃としたのは、
1200℃未満では完全な結晶構造及び化学量論比を有する
窒化ケイ素が得られず、1600℃を超えると繊維状窒化ケ
イ素の混入が多くなるためである。より好ましい加熱温
度は1400〜1600℃である。
The heating temperature in the third step was set to 1200 to 1600 ° C.
If the temperature is lower than 1200 ° C., silicon nitride having a complete crystal structure and a stoichiometric ratio cannot be obtained. If the temperature is higher than 1600 ° C., the amount of fibrous silicon nitride increases. A more preferred heating temperature is 1400-1600 ° C.

この第3工程では、雰囲気ガスとしてNH3ガス、又はN
H3とCmHn、COもしくは不活性ガスのうち少なくとも1種
との混合ガスが用いられるが、NH3とCmHn、COもしくは
不活性ガスのうち少なくとも1種との混合ガスを用いる
場合、NH3の含有量は50体積%以上であることが望まし
い。これは、NH3の含有量が50体積%未満では生成する
窒化ケイ素粉末中の総酸素量や総炭素量が多くなった
り、繊維状の窒化ケイ素が生成するためである。
In this third step, NH 3 gas or N
H 3 and C m H n, although a mixed gas of at least one of CO or inert gas is used, NH 3 and C m H n, a mixed gas of at least one of CO or an inert gas When used, the content of NH 3 is desirably 50% by volume or more. This is because when the content of NH 3 is less than 50% by volume, the total amount of oxygen and the total amount of carbon in the generated silicon nitride powder increases, and fibrous silicon nitride is generated.

本発明方法によれば、種子粒子を用いることなく、し
かも粉砕時間を従来より大幅に短縮することができにも
かかわらず、微細な窒化ケイ素微粒子を製造することが
できる。
According to the method of the present invention, fine silicon nitride fine particles can be produced without using seed particles and in spite of the fact that the pulverization time can be greatly reduced as compared with the conventional method.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

実施例1〜6及び比較例1〜6 第1工程として、シリカ粉末50gを窒化ケイ素の容器
に充填し、この容器を内径100mmのアルミナ製炉芯管を
有する管状炉に挿入した後、第1表に示す温度におい
て、NH3を10/minの流量で、C3H8を1/minの流量で
それぞれ供給し、10時間加熱した。
Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 6 As a first step, 50 g of silica powder was filled in a silicon nitride container, and this container was inserted into a tubular furnace having an alumina core tube having an inner diameter of 100 mm. At the temperatures shown in the table, NH 3 was supplied at a flow rate of 10 / min, and C 3 H 8 was supplied at a flow rate of 1 / min, and heated for 10 hours.

次に、第2工程として、得られた生成物粉末30gを、
直径16mmのボール4kgとともに、内径160mm、内容積4.8
のケイ素製ポット中へ投入し、60rpmで10時間粉砕し
た。なお、比較例5についてはこの粉砕工程を行ってい
ない。
Next, as a second step, 30 g of the obtained product powder was
With 4 kg of 16 mm diameter ball, inner diameter 160 mm, inner volume 4.8
And then pulverized at 60 rpm for 10 hours. Note that this pulverizing step was not performed for Comparative Example 5.

次いで、第3工程として、得られた粉砕処理物を前記
第1工程と同一の容器及び管状炉を用い、第1表に示す
雰囲気中、同表に示す温度において、同表に示す時間加
熱することにより窒化ケイ素微粉末を得た。
Next, as a third step, the obtained pulverized product is heated in the same container and tubular furnace as in the first step, in the atmosphere shown in Table 1, at the temperature shown in Table 1, for the time shown in Table 1. Thereby, a silicon nitride fine powder was obtained.

このようにして得られた粉末について、総酸素量及び
総炭素量の測定、X線回折による結晶相の同定、SEMに
よる粒子形状及び一次粒子径の観察測定を行った。これ
らの結果を第1表に示す。
The powder thus obtained was subjected to measurement of total oxygen content and total carbon content, identification of a crystal phase by X-ray diffraction, and observation and measurement of particle shape and primary particle diameter by SEM. Table 1 shows the results.

〔発明の効果〕 以上詳述したように本発明方法によれば、種子粒子を
添加することもなく、しかも長時間の粉砕を行うことな
しに、微細な窒化ケイ素微粉末を得ることができる。こ
の結果、窒化ケイ素微粉末の焼結性が良好となり、緻密
な窒化ケイ素焼結体を得ることができる。したがって、
本発明方法の工業的価値は極めて大きい。
[Effects of the Invention] As described in detail above, according to the method of the present invention, fine silicon nitride fine powder can be obtained without adding seed particles and without performing long-time pulverization. As a result, the sinterability of the fine silicon nitride powder is improved, and a dense silicon nitride sintered body can be obtained. Therefore,
The industrial value of the method of the present invention is extremely large.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】シリカ粉末をNH3とCmHnとの混合ガス中、8
00〜1400℃で加熱処理する第1工程と、得られた生成物
を粉砕処理する第2工程と、得られた粉砕処理物をNH3
ガス中、又はNH3とCmHn、COもしくは不活性ガスのうち
少なくとも1種をとの混合ガス中、1200〜1600℃で加熱
処理する第3工程とを具備したことを特徴とする窒化ケ
イ素微粉末の製造方法。
1. A mixed gas of a silica powder and NH 3 and C m H n, 8
A first step of heat treatment at 00 to 1400 ° C., a second step of pulverizing the obtained product, and NH 3
A heat treatment at 1200 to 1600 ° C. in a gas or in a mixed gas of NH 3 and at least one of C m H n , CO or an inert gas. A method for producing silicon fine powder.
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