JP3348798B2 - Method for producing silicon nitride - Google Patents
Method for producing silicon nitrideInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、高品位の窒化ケイ素粉
末を安価に製造するための易粉砕性の窒化ケイ素の製造
方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing easily crushable silicon nitride for producing high quality silicon nitride powder at low cost.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、省エネルギー、高エネルギー効率
の観点から、ターボロータ、バルブ、スワールチャンバ
ーなど自動車のエンジン部品や各種産業用機械部品とし
て窒化ケイ素焼結体が検討されているが、これらは過酷
な条件での使用となるので窒化ケイ素粉末に求められる
条件も以下のように厳しくなっている。 (1)α相が主体であること。(2)サブミクロンの微
粒子からなること。(3)高純度であること。
(4)安価であること。2. Description of the Related Art In recent years, from the viewpoint of energy saving and high energy efficiency, silicon nitride sintered bodies have been studied as automobile engine parts such as turbo rotors, valves and swirl chambers and various industrial machine parts. The conditions required for the silicon nitride powder are also stricter as described below. (1) The α phase is mainly used. (2) Submicron fine particles. (3) High purity.
(4) Inexpensive.
【0003】これらのうち、(1)については、最近の
研究では、β相主体の窒化ケイ素粉末からも高強度・高
靭性の焼結体が得られていることから、他の物性を損な
わせることなくα相又はβ相を主体とする窒化ケイ素粉
末をつくり分けることが望まれている。[0003] Of these, regarding (1), in recent studies, a high-strength and high-toughness sintered body has been obtained from a silicon nitride powder mainly composed of a β-phase, which impairs other physical properties. It is desired to produce a silicon nitride powder mainly composed of an α phase or a β phase without any problem.
【0004】窒化ケイ素の製造方法としては、これまで
に種々の方法が提案されており、それを大別すると以下
の4法となる。 (a)金属シリコンを窒素やアンモニア等の反応ガスを
用いて窒化する直接窒化法。 (b)シリカを炭素等の還元剤と反応ガスを用いて窒化
する還元窒化法。 (c)四塩化ケイ素から生成するシリコンジイミドを熱
分解するイミド熱分解法。 (d)レーザーやプラズマ等の加熱によってモノシラン
や四塩化ケイ素等のガスとアンモニア等のガスとを反応
させる気相法。Various methods for producing silicon nitride have been proposed so far, and these are roughly classified into the following four methods. (A) A direct nitriding method in which metallic silicon is nitrided using a reaction gas such as nitrogen or ammonia. (B) A reduction nitriding method in which silica is nitrided using a reducing agent such as carbon and a reaction gas. (C) An imide thermal decomposition method for thermally decomposing silicon diimide generated from silicon tetrachloride. (D) A gas phase method in which a gas such as monosilane or silicon tetrachloride is reacted with a gas such as ammonia by heating such as laser or plasma.
【0005】これらのうち、直接窒化法と還元窒化法は
コスト的に有利であり、イミド熱分解法と気相法は粉体
特性に優れているといわれてきた。すなわち、直接窒化
法では、インゴットの粉砕によって窒化ケイ素粉末を得
るため、上記条件のうち、(2)の達成が比較的困難で
あり、高純度品を得るには、精製工程を必要とするので
収率があまりよくない。還元窒化法では、原料のシリカ
に含まれる内部酸素の完全除去が難しく、他の製造法に
比べて焼結性の良くない粉体が生成し易くなる。イミド
熱分解法や気相法では、通常、原料に高価な四塩化ケイ
素やモノシランを使用するため、前二者に比べてコスト
的に不利である。更には、イミド熱分解法では、四塩化
ケイ素に含まれる塩素が残留し易く、気相法では、工業
的に使用できる程度に大型のレーザーやプラズマ装置を
入手することが困難である。[0005] Of these, the direct nitriding method and the reduction nitriding method are advantageous in terms of cost, and it has been said that the imide pyrolysis method and the gas phase method have excellent powder properties. That is, in the direct nitriding method, since silicon nitride powder is obtained by pulverizing an ingot, it is relatively difficult to achieve the above condition (2), and a purification step is required to obtain a high-purity product. The yield is not very good. In the reduction nitriding method, it is difficult to completely remove the internal oxygen contained in the raw material silica, and powder having poor sinterability is easily generated as compared with other production methods. In the imide thermal decomposition method or the gas phase method, expensive silicon tetrachloride or monosilane is usually used as a raw material, which is disadvantageous in cost as compared with the former two. Furthermore, in the imide thermal decomposition method, chlorine contained in silicon tetrachloride tends to remain, and in the gas phase method, it is difficult to obtain a laser or plasma device large enough to be used industrially.
【0006】現在、工業化されている最も一般的な方法
は直接窒化法である。直接窒化法においては、生成した
インゴットを粉砕して窒化ケイ素粉末とするため、その
粉体特性はインゴットの影響を強く受ける。インゴット
とは、金属シリコン粉末から合成された窒化ケイ素粒子
の集合体である。主原料の金属シリコン粉末は、取扱い
性向上のため成形体にするか又は粉末のまま反応炉内に
充填されるが、金属シリコンの窒化反応は大きな発熱反
応であるので生成した窒化ケイ素粒子は、比較的強固な
集合体すなわちインゴットとなる。At present, the most common method industrialized is the direct nitriding method. In the direct nitriding method, since the produced ingot is pulverized into silicon nitride powder, the powder properties are strongly affected by the ingot. An ingot is an aggregate of silicon nitride particles synthesized from metal silicon powder. Metal silicon powder as the main raw material is formed into a compact for improvement in handleability or filled in a reactor as a powder.Since the nitriding reaction of metal silicon is a large exothermic reaction, the generated silicon nitride particles are: A relatively strong aggregate, or ingot.
【0007】直接窒化法によって高比表面積の窒化ケイ
素粉末を製造するには、インゴットを粉砕又は更に分級
等を行う必要がある。湿式粉砕では、粉砕物の精製・濾
過・乾燥・解砕等の後工程が必要となり、しかも窒化ケ
イ素のような硬い被粉砕物を長時間粉砕することになる
ので粉砕メディアの摩耗が激しくなりランニングコスト
の増加になると共に、混入したメディアや増加した表面
酸素を取り除く精製工程が不可欠となる。ましてやこの
精製工程は酸処理であるために高価である。これに対
し、乾式粉砕ではこのような問題はないが、比表面積は
あまり増加せず、メディアの摩耗粉の混入や表面酸素の
大幅な増大等の問題がある。In order to produce a silicon nitride powder having a high specific surface area by the direct nitriding method, it is necessary to pulverize or further classify the ingot. In wet grinding, post-processes such as purification, filtration, drying, and disintegration of the pulverized material are required. In addition, hard materials to be pulverized, such as silicon nitride, are pulverized for a long period of time, resulting in severe wear of the pulverizing media and running. As the cost increases, a purification step for removing contaminated media and increased surface oxygen becomes indispensable. Furthermore, this purification step is expensive because of the acid treatment. On the other hand, dry pulverization does not have such a problem, but does not increase the specific surface area so much, and has problems such as mixing of abrasion powder of the medium and a large increase in surface oxygen.
【0008】このような問題に対処するため、従来から
窒化反応を制御し、高α化率で高比表面積の窒化ケイ素
粉末を製造する多くの提案があった。例えば、反応ガス
分圧や反応温度の制御(例えば、特開昭48-102100 号公
報、特開昭49-94600号公報、特開昭52-117898 号公報
等)、昇温速度の制御(例えば、特公平4-54607 号公
報、特開昭54-24300号公報、特開昭63-170203 号公報
等)、窒化触媒の添加(例えば、特開平2-248309号公報
等)、窒化原料の気孔率の制御(例えば、特開昭58-881
09号公報)等であるが、これらはいずれも製造工程を長
くし、ランニングコストを押し上げ収率を低下させるの
で充分であるとはいえなかった。To cope with such a problem, there have been many proposals for controlling a nitriding reaction to produce a silicon nitride powder having a high α ratio and a high specific surface area. For example, control of the reaction gas partial pressure and reaction temperature (for example, JP-A-48-102100, JP-A-49-94600, JP-A-52-117898, etc.), control of the rate of temperature rise (for example, JP-B4-54607, JP-A-54-24300, JP-A-63-170203, etc.), addition of a nitriding catalyst (for example, JP-A-2-248309), pores of a nitriding raw material. Rate control (for example, see JP-A-58-881
However, these methods are not sufficient because they increase the production process, increase the running cost and lower the yield.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来法
では、上記(1)〜(4)の条件を充分に備え、しかも
工業的に利用できる比較的安価な窒化ケイ素を製造する
ことは困難であり、新しい技術の出現が待たれていた。
本発明者らは、このような要望に応えるべく種々検討し
た結果、直接窒化法によって易粉砕性の窒化ケイ素の製
造方法を完成させたものである。As described above, according to the conventional method, it is not possible to produce silicon nitride which has the above conditions (1) to (4) sufficiently and is industrially usable. It was difficult and the emergence of new technologies was awaited.
The present inventors have conducted various studies to meet such a demand, and as a result, have completed a method for producing easily crushable silicon nitride by a direct nitriding method.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、金
属シリコン粉末100重量部に対し比表面積5m2/g以
上の窒化ケイ素粉末30〜100重量部を含み、しかも
嵩密度が1. 0g/cm3 以下である窒化原料を、反応
速度4%/hr以下で窒化率10〜90%における反応
速度を0.5%/hr以上に制御して窒化することを特
徴とする窒化ケイ素の製造方法である。That is, the present invention comprises 30 to 100 parts by weight of silicon nitride powder having a specific surface area of 5 m 2 / g or more based on 100 parts by weight of metal silicon powder, and has a bulk density of 1.0 g / g. cm 3 and in which raw nitride or less, the production method of the reaction rate 4% / hr or less of silicon nitride, which comprises nitriding by controlling the reaction rate or 0.5% / hr in 10% to 90% rate of nitride It is.
【0011】以下、さらに詳しく本発明について説明す
ると、本発明の最大の特徴は、これまで数多くの提案が
なされてきた窒化反応の制御を、易粉砕性インゴットの
製造という点から、窒化原料と窒化反応の条件を厳格に
組み合わせし適正化したことである。Hereinafter, the present invention will be described in more detail. The most important feature of the present invention is that the control of the nitridation reaction, which has been proposed so far, is different from the use of a nitriding raw material and a nitriding material in view of the production of an easily crushable ingot. That is, the reaction conditions were strictly combined and optimized.
【0012】まず、窒化原料について説明すると、本発
明で使用される窒化原料は、金属シリコン粉末100重
量部に対し骨材として比表面積5m2/g以上の窒化ケイ
素粉末を30〜100重量部を配合して得られた混合物
を嵩密度1. 0g/cm3 以下としたものである。First, the nitriding raw material will be described. The nitriding raw material used in the present invention comprises 30 to 100 parts by weight of silicon nitride powder having a specific surface area of 5 m 2 / g or more as an aggregate per 100 parts by weight of metal silicon powder. The mixture obtained by blending has a bulk density of 1.0 g / cm 3 or less.
【0013】骨材として配合された窒化ケイ素粉末は、
窒化後にそれをインゴットから分離することは困難であ
るので、そのまま製品として残存しても支障がないよう
に、その比表面積は5m2/g以上であることが必要であ
り、好ましくは6m2/g以上である。そして、この骨材
の配合量は、後述する窒化反応の制御を都合よく行わ
せ、また生産効率を高めるために、金属シリコン粉末1
00重量部に対し30〜100重量部好ましくは40〜
90重量部であることが必要である。すなわち、30重
量部未満では、窒化反応の制御が困難であり、また10
0重量部をこえると窒化原料中の金属シリコンの割合が
小さくなって生産効率が悪くなる。[0013] The silicon nitride powder compounded as the aggregate,
Since it is difficult to separate it from the ingot after nitriding, as it so that no hindrance even remain as a product, its specific surface area must be at 5 m 2 / g or more, preferably 6 m 2 / g or more. The amount of the aggregate is adjusted so that the nitriding reaction to be described later can be controlled conveniently and the production efficiency can be increased.
30 to 100 parts by weight, preferably 40 to 100 parts by weight
It must be 90 parts by weight. That is, if the amount is less than 30 parts by weight, it is difficult to control the nitriding reaction, and
If the amount exceeds 0 parts by weight, the ratio of metallic silicon in the nitriding raw material decreases, and the production efficiency deteriorates.
【0014】金属シリコン粉末は、直接窒化法で用いら
れている通常のものが使用され、高純度の窒化ケイ素を
製造する場合は、高純度品を使用する。金属シリコン粉
末の粒度については、比表面積で0. 2〜5m2/g特に
0. 5〜4m2/gであることが好ましい。As the metallic silicon powder, an ordinary powder used in the direct nitriding method is used. When producing high-purity silicon nitride, a high-purity product is used. Regarding the particle size of the metallic silicon powder, the specific surface area is preferably 0.2 to 5 m 2 / g, particularly preferably 0.5 to 4 m 2 / g.
【0015】金属シリコン粉末と骨材を混合するには、
これらの原料の粉砕と混合を同時に行われる方式を採用
しても構わない。この場合は、粉砕・混合時に不純物特
にメディアの摩耗による不純物の混入と金属シリコンの
酸化には充分な配慮が必要である。特に高純度品の場合
には、窒化ケイ素製メディアを使用し、窒素、アルゴン
等の非酸化性雰囲気下で粉砕・混合を行う。To mix the metal silicon powder and the aggregate,
A method in which pulverization and mixing of these raw materials are performed at the same time may be adopted. In this case, it is necessary to give sufficient consideration to mixing of impurities, particularly impurities due to abrasion of the medium, and oxidation of metallic silicon during pulverization and mixing. Particularly, in the case of a high-purity product, pulverization and mixing are performed in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen or argon using a medium made of silicon nitride.
【0016】本発明における窒化原料の嵩密度とは、窒
化原料の見掛けの容積に対する重量の比であり、本発明
では1. 0g/cm3 以下であることが必要である。嵩
密度が1. 0g/cm3 をこえる窒化原料であっては窒
化反応が不均一となる。不均一な窒化反応は、後述する
窒化反応の制御が難しくなり、易粉砕性のインゴットを
合成することが困難となる。易粉砕性のインゴットを合
成するという点から、窒化原料の嵩密度は小さい方が好
ましいが、その場合は、窒化原料の取扱いに支障を来た
し、窒化炉の操業効率も低下するので、嵩密度は0. 4
〜1. 0g/cm3 特に0. 5〜0.9g/cm3 であ
ることが望ましい。In the present invention, the bulk density of the nitriding raw material is a ratio of the weight to the apparent volume of the nitriding raw material, and it is necessary that the bulk density is 1.0 g / cm 3 or less in the present invention. If the raw material has a bulk density of more than 1.0 g / cm 3 , the nitriding reaction becomes uneven. The non-uniform nitriding reaction makes it difficult to control the nitriding reaction described later, and makes it difficult to synthesize an easily crushable ingot. From the viewpoint of synthesizing easily crushable ingots, it is preferable that the bulk density of the nitriding raw material is small.However, in this case, the handling of the nitriding raw material is hindered, and the operating efficiency of the nitriding furnace is reduced. 0.4
~1. 0g / cm 3 is preferably especially 0. 5~0.9g / cm 3.
【0017】嵩密度1. 0g/cm3 以下の窒化原料を
得るには、粉末のまま窒化ケイ素製・炭化ケイ素製等の
容器に充填する方法、粉末から成形体を成形しそれを発
泡する方法、加熱により焼失する物質を該粉末成形体に
加えて多孔体とする方法等を採用することができるが、
平均の嵩密度を下げるために大きな空隙を導入すると嵩
密度の高い部分が生じて反応制御がうまくできなくな
り、インゴットの品質がばらついてしまうので、窒化原
料の空隙径は最大でも1mm程度特に100μm以下と
するのが望ましい。In order to obtain a nitriding raw material having a bulk density of 1.0 g / cm 3 or less, a method of filling the powder as it is in a container made of silicon nitride or silicon carbide, or a method of forming a molded body from the powder and foaming it A method of adding a substance which is burned off by heating to the powder compact to form a porous body can be adopted,
When large voids are introduced to reduce the average bulk density, a high bulk density portion is formed, which makes it difficult to control the reaction and varies the quality of the ingot. Therefore, the void diameter of the nitriding raw material is at most about 1 mm, especially 100 μm or less. It is desirable that
【0018】なお、上記多孔体を製造する際に用いられ
る加熱により焼失する物質としては、スチレン、アクリ
ロニトリル、ポバール、ブチラール、塩化ビニル、ブタ
ジエン等の有機物、塩化アンモニウムやフッ化アンモニ
ウム等の窒化反応温度以下で昇華するような無機物をあ
げることができる。Examples of the substance which is burned off by heating used in the production of the porous body include organic substances such as styrene, acrylonitrile, poval, butyral, vinyl chloride and butadiene, and nitriding reaction temperatures such as ammonium chloride and ammonium fluoride. Inorganic substances which sublime below can be mentioned.
【0019】本発明の他の特徴は窒化反応条件である。
これは、上記した窒化原料との組み合わせによって初め
て本発明の効果がもたらされるものである。すなわち、
従来より、反応速度を規定して窒化反応を制御する技術
はあるが(例えば、特開昭56-50170号公報)、実際の反
応速度は、反応しているインゴット内あるいはインゴッ
ト間の反応速度のばらつきを無視した平均値として測定
されるため、その効果は充分に現れず、易粉砕性のイン
ゴットを得ることができないことが多かった。このよう
な現象は、反応温度や昇温速度のみによって窒化反応を
制御した技術においても同様であった。Another feature of the present invention is the nitriding reaction conditions.
This is the first effect of the present invention brought about by the combination with the above-mentioned nitriding raw material. That is,
Conventionally, there is a technique for controlling the nitridation reaction by regulating the reaction rate (for example, JP-A-56-50170), but the actual reaction rate is determined by the reaction rate within the reacting ingot or between the ingots. Since the effect is measured as an average value ignoring the variation, the effect is not sufficiently exhibited, and in many cases, an easily crushable ingot cannot be obtained. Such a phenomenon is the same in the technology in which the nitriding reaction is controlled only by the reaction temperature or the rate of temperature rise.
【0020】本発明においては、窒化反応中のいかなる
段階においてもその反応速度は4%/hrに制御され
る。ここで、反応速度とは、窒化原料中の金属シリコン
分が窒化反応によって単位時間当たりに消費される割合
である。すなわち、例えば、1kgの金属シリコンを含
む窒化原料を窒化する場合、反応速度が1%/hrとい
うことは、1時間当たり10gの金属シリコンが窒化す
ることを意味する。このような反応速度は、従来の反応
速度に比較して小さな値である。In the present invention, the reaction rate is controlled at 4% / hr at any stage during the nitriding reaction. Here, the reaction rate is a rate at which the metallic silicon component in the nitriding raw material is consumed per unit time by the nitriding reaction. That is, for example, when nitriding a nitriding raw material containing 1 kg of metallic silicon, a reaction rate of 1% / hr means that 10 g of metallic silicon is nitrided per hour. Such a reaction rate is a small value as compared with the conventional reaction rate.
【0021】その例を示すと、従来法では、その反応速
度を言及した文献はあまり多くないが、昇温速度と反応
時間から類推すると、反応温度を1000℃以上とすれ
ば、特公平4-63802 号公報の実施例では17〜40%/
hr、特公平4-54607 号公報の実施例では20〜25%
/hrであり、更には特公平44-3210 号公報では12.
5〜20%/hr、特開昭54-24300号公報では6.7%
/hrとなる。As an example, in the conventional method, there are not many references referring to the reaction rate, but by analogy with the rate of temperature rise and reaction time, if the reaction temperature is set to 1000 ° C. or higher, the reaction rate is as follows. In the example of 63802, 17-40% /
hr, 20-25% in the example of Japanese Patent Publication No. 4-54607.
/ Hr, and in Japanese Patent Publication No. 44-3210, 12.
5-20% / hr, 6.7% in JP-A-54-24300
/ Hr.
【0022】反応速度が大きくなると、発生する反応熱
も大きくなってインゴット内の反応がばらつき、それに
よって生成した窒化ケイ素の一次粒子の焼結が進むの
で、本発明においては、窒化反応中の反応速度は4%/
hr以下に制御されなければならないが、あまり反応速
度が小さすぎると反応時間が長くなり、反応炉の効率が
悪くなる。そこで、本発明では、窒化率10〜90%に
おける反応速度は、0.5%/hr以上に制御される。
反応の初期と終期においては、0.5%/hrよりも反
応速度が小さくなることはある。When the reaction rate increases, the generated reaction heat increases, and the reaction in the ingot fluctuates. As a result, sintering of the primary particles of silicon nitride proceeds. Speed is 4% /
However, if the reaction rate is too low, the reaction time becomes longer, and the efficiency of the reaction furnace deteriorates. Therefore, in the present invention, the reaction rate at a nitriding rate of 10 to 90% is controlled to 0.5% / hr or more.
At the beginning and end of the reaction, the reaction rate may be lower than 0.5% / hr.
【0023】本発明において、反応速度の測定は、例え
ば単位時間に窒化で消費される反応ガス量、すなわち反
応炉に供給されるガス量と系外に排出されるガス量との
差を測定することによって行うことができる。この場合
において、反応炉から系外に排出される反応ガスがない
ときは、一定時間内における炉内のガス組成の変化、炉
圧の変化等を測定することによって行うことができる。
反応速度は、厳密には、単位微少時間あたりの消費反応
ガス量に基づいて決定されるべきであるが、その測定は
技術的に困難であるので、本発明においては、測定可能
範囲内における可及的単位短時間あたりの消費ガス量を
測定して決定される。その可及的単位短時間としては、
30分以下好ましくは10分以下特に5分以下である。In the present invention, the reaction rate is measured, for example, by measuring the amount of reaction gas consumed in nitriding per unit time, that is, the difference between the amount of gas supplied to the reaction furnace and the amount of gas discharged outside the system. Can be done by In this case, when there is no reaction gas discharged from the reaction furnace to the outside of the system, the measurement can be performed by measuring a change in the gas composition in the furnace, a change in the furnace pressure, and the like within a certain period of time.
Strictly speaking, the reaction rate should be determined based on the amount of consumed reactant gas per unit time, but the measurement is technically difficult. It is determined by measuring the amount of gas consumed per unit short time. The shortest possible unit is
The time is 30 minutes or less, preferably 10 minutes or less, and particularly 5 minutes or less.
【0024】例えば、標準状態に換算して22.4リッ
トルの消費ガスが5分間に測定された場合、その間に反
応した金属シリコンは1.5モル(42g)であるから
1時間当たりでは504gとなる。このときの窒化原料
中の金属シリコン分の仕込量が20kgであれば、反応
速度は2.5%/hrとなる。なお、本発明における窒
化率は、反応速度の積分値であるので、消費反応ガス量
の積算値すなわち消費金属シリコン分の積算量から算出
することができる。For example, when a consumed gas of 22.4 liters is measured in 5 minutes in terms of a standard condition, the amount of metal silicon reacted during that time is 1.5 mol (42 g). Become. At this time, if the charged amount of the metal silicon in the nitriding raw material is 20 kg, the reaction rate is 2.5% / hr. Since the nitriding rate in the present invention is an integrated value of the reaction rate, it can be calculated from the integrated value of the consumed reaction gas amount, that is, the integrated amount of the consumed metal silicon.
【0025】本発明における反応速度は、反応温度と雰
囲気の調整によって行うのが最も効果的である。以下に
その例を示すと、本発明における窒化反応は、金属シリ
コンと反応ガスの窒素分が反応するものであるから、基
本的には、窒化に必要な分だけの反応ガスを補給し、反
応が進行する温度まで昇温すれば、所定の反応速度に制
御することができる。反応速度が大きくなって供給する
反応ガスよりも消費分が多くなると炉圧が減少するの
で、不活性ガスを加え炉圧を調整すれば、炉内の反応ガ
ス分圧が減少して反応速度は小さくなる。逆に、反応速
度が小さくなって供給分が消費分を上回ると炉圧が増加
するので、炉外にガスを排出しながら反応ガスの供給を
続ければ、炉内の反応ガス分圧が上昇し反応速度が大き
くなる。そして、このような操作を昇温しながら行え
ば、反応速度の回復が速くなり制御が容易となる。The reaction rate in the present invention is most effective when the reaction temperature and the atmosphere are adjusted. The following shows an example. In the nitridation reaction in the present invention, metal silicon reacts with the nitrogen component of the reaction gas. If the temperature is raised to the temperature at which the reaction proceeds, the reaction rate can be controlled to a predetermined value. If the reaction rate increases and the consumption increases more than the supplied reaction gas, the furnace pressure decreases.If the furnace pressure is adjusted by adding an inert gas, the reaction gas partial pressure in the furnace decreases and the reaction rate increases. Become smaller. Conversely, if the reaction rate decreases and the supply exceeds the consumption, the furnace pressure will increase.If the supply of the reaction gas is continued while discharging gas outside the furnace, the reaction gas partial pressure in the furnace will increase. The reaction rate increases. If such an operation is performed while increasing the temperature, the recovery of the reaction rate is quickened, and the control is facilitated.
【0026】本発明によって製造された窒化ケイ素の粉
砕は、湿式法、乾式法のいずれでも採用することができ
るが、乾式法が本発明に良く適合する。乾式法による場
合は、粉砕助剤を使用することが好ましく、その例をあ
げれば、トリエチルアミン、n−ブチルアミン、メチル
エチルケチトン、アセトニトリル等であり、その使用量
は0. 2〜3重量%程度である。The pulverization of the silicon nitride produced according to the present invention can be performed by either a wet method or a dry method, but the dry method is well suited to the present invention. In the case of the dry method, it is preferable to use a grinding aid, for example, triethylamine, n-butylamine, methylethylketoton, acetonitrile and the like, and the amount of use is about 0.2 to 3% by weight. It is.
【0027】[0027]
【実施例】以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体
的に示す。 実施例1〜5 比較例1〜5 市販の高純度金属シリコン粉末を窒化ケイ素製ボールを
用いたボールミルにより平均径9.1μmに粉砕した。
この金属シリコン粉末100重量部に対し、骨材として
種々の比表面積を有する窒化ケイ素粉末を表1に示す割
合で配合し、ボールミルで混合して窒化原料粉末とし
た。EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples and comparative examples. Examples 1 to 5 Comparative Examples 1 to 5 Commercially available high-purity metallic silicon powder was pulverized to an average diameter of 9.1 μm by a ball mill using silicon nitride balls.
Silicon nitride powder having various specific surface areas as an aggregate was mixed with 100 parts by weight of the metal silicon powder at a ratio shown in Table 1, and mixed with a ball mill to obtain a nitride raw material powder.
【0028】この窒化原料粉末1kgを表1に示す嵩密
度を持つように以下の方法で成形した。すなわち、実施
例1では、窒化原料粉末の60重量%スラリー水溶液を
スプレードライヤーで造粒し乾燥・脱脂後、粒径100
μm以下のものを捕集し16×16cmの窒化ケイ素製
容器に厚さ6cmに充填した。実施例2、3及び比較例
1、2では、窒化原料粉末をそのまま16×16cmの
窒化ケイ素製容器に入れた。この場合、厚さは5cmと
なった。実施例4、5及び比較例3、4では、窒化原料
粉末を16×16cmの木枠に入れ、厚さ4cmに手押
し成形後窒化ケイ素製板の上に置いた。比較例5では、
窒化原料粉末を16×16×2.5cmに金型プレスし
て窒化ケイ素製板の上に置いた。1 kg of this nitriding raw material powder was formed by the following method so as to have a bulk density shown in Table 1. That is, in Example 1, a 60% by weight aqueous solution of a nitriding raw material powder was granulated by a spray drier, dried and degreased, and then dried to give a particle size of 100%.
Those having a size of not more than μm were collected and filled in a 16 × 16 cm silicon nitride container to a thickness of 6 cm. In Examples 2 and 3 and Comparative Examples 1 and 2, the nitriding raw material powder was directly placed in a 16 × 16 cm silicon nitride container. In this case, the thickness was 5 cm. In Examples 4 and 5 and Comparative Examples 3 and 4, the nitriding raw material powder was placed in a wooden frame of 16 × 16 cm, pressed by hand to a thickness of 4 cm, and then placed on a silicon nitride plate. In Comparative Example 5,
The nitriding raw material powder was die-pressed to 16 × 16 × 2.5 cm and placed on a silicon nitride plate.
【0029】上記で得られた窒化原料を反応炉に入れ、
炉内を窒素ガスで置換した後、窒素ガス1リットル/m
in、水素ガス0.2リットル/minの割合で流しな
がら昇温を開始し、表1に示す反応速度を維持するよう
に制御しながら最高温度1420℃まで昇温して窒化を
終えた。窒化反応は、いずれの場合も温度1140℃付
近から始まった。反応速度の制御は、以下の方法で反応
速度を測定し、それを大きくしたい場合には20℃/h
rの速度で昇温し、逆に小さくしたい場合には昇温を止
め、しかも窒素ガスの変わりにアルゴンガスを1リット
ル/minの割合で流すことによって行った。The nitriding raw material obtained above is put into a reactor,
After replacing the inside of the furnace with nitrogen gas, nitrogen gas 1 liter / m
The temperature was raised while flowing at a rate of 0.2 l / min of hydrogen gas at 0.2 in / min. The temperature was raised to a maximum temperature of 1420 ° C. while controlling to maintain the reaction rate shown in Table 1, thereby completing nitriding. The nitridation reaction started at a temperature of around 1140 ° C. in each case. The reaction rate is controlled by measuring the reaction rate by the following method.
The temperature was raised at the rate of r, and conversely, when it was desired to decrease the temperature, the temperature was stopped, and argon gas was flowed at a rate of 1 liter / min instead of nitrogen gas.
【0030】反応速度は、反応炉へのガス供給量と反応
炉からの排出ガス量を積算ガス流量計で5分間毎に測定
し、その差を消費反応ガス量とし、3Si+2N2 →S
i3N4 で反応が行われたものとして金属シリコンの消
費量を算出し、それを仕込み窒化原料中の金属シリコン
分に対する1時間当たりの割合として求めた。The reaction rate is determined by measuring the amount of gas supplied to the reactor and the amount of exhaust gas from the reactor every 5 minutes with an integrated gas flow meter, and taking the difference as the amount of consumed reaction gas, 3Si + 2N 2 → S
The consumption of metal silicon was calculated assuming that the reaction was performed with i 3 N 4 , and the consumption was calculated as a ratio per hour to the metal silicon content in the charged nitriding raw material.
【0031】窒化終了後、窒素ガスを流しながら室温ま
で放冷し、生成したインゴットを窒化ケイ素製乳鉢で粗
・中砕して0. 5mm篩を通し、それを用いてインゴッ
トの比表面積を測定した。次いで、窒化ケイ素製ボール
及び窒化ケイ素でライニングされた振動ミルを用い、窒
素雰囲気下、粗・中砕されたインゴットを更に1時間粉
砕して窒化ケイ素粉末を製造した。得られた窒化ケイ素
粉末について、比表面積及び粉末100gを目開き25
μmの篩で水篩した際の篩上残分の乾燥重量を測定する
ことによって粗大粒子の残留分を測定した。After completion of nitriding, the mixture was allowed to cool to room temperature while flowing nitrogen gas, and the resulting ingot was coarsely and medium-crushed in a silicon nitride mortar, passed through a 0.5 mm sieve, and the specific surface area of the ingot was measured using the sieve. did. Then, using a silicon nitride ball and a vibration mill lined with silicon nitride, the coarsely and medium-crushed ingot was further pulverized for 1 hour under a nitrogen atmosphere to produce silicon nitride powder. About the obtained silicon nitride powder, the specific surface area and 100 g of
The residue of coarse particles was measured by measuring the dry weight of the residue on the sieve when sieved with a sieve of μm.
【0032】更に、上記で得られた窒化ケイ素粉末に5
重量%のY2 O3 粉末と3.5重量%のAl2 O3 粉末
を混合し有機バインダーを用いて混合粉末55重量%の
スラリー水溶液を調整した。それをスプレードライヤー
で造粒・乾燥後、金型プレス成形後更に3t/cm2 の
CIP成形を行い、10kgf/cm2 の窒素加圧下で
昇温し、温度1750℃×8時間の焼成を行った。得ら
れた焼結体の室温における4点曲げ強度をJIS R1
601に準拠して測定した。それらの結果を表2に示
す。Further, 5 parts were added to the silicon nitride powder obtained above.
By weight, Y 2 O 3 powder of 3.5 wt% and Al 2 O 3 powder of 3.5 wt% were mixed, and an aqueous slurry of 55 wt% of the mixed powder was prepared using an organic binder. After granulating and drying it with a spray drier, press-molding the mold, further performing CIP molding of 3 t / cm 2 , raising the temperature under nitrogen pressure of 10 kgf / cm 2 , and firing at 1750 ° C. × 8 hours. Was. The four-point bending strength of the obtained sintered body at room temperature was measured according to JIS R1.
601 was measured. Table 2 shows the results.
【0033】[0033]
【表1】 [Table 1]
【0034】[0034]
【表2】 [Table 2]
【0035】表1、表2から、本発明の実施例1〜5に
よれば、高比表面積のインゴットが得られるので、通常
の乾式粉砕を行うことによって焼結原料粉末として充分
な比表面積を持った窒化ケイ素粉末を製造することがで
きた。しかも、窒化ケイ素粉末に残留する粗大粒子も殆
ど認められず、焼結体強度も100kgf/mm2 以上
であった。これに対し、比表面積が小さい骨材を用いた
比較例1、骨材の添加量が適切でない比較例2、窒化原
料の嵩密度が高い比較例3、反応制御が不充分で最大反
応速度が大きい比較例4では、インゴットの比表面積が
小さく粉砕性も悪いので、得られた窒化ケイ素粉末の比
表面積も小さくなっており、粗大粒子の残留も認められ
た。更には、焼結体強度も小さく、ファインセラミック
スの原料粉末としては低レベルなものであった。最小反
応速度が適切でない比較例5では、反応時間が長く、ガ
スの置換や炉冷却の時間も含めると1バッチの窒化に2
週間もかかってしまい、生産性の悪いものであった。According to Tables 1 and 2, according to Examples 1 to 5 of the present invention, an ingot having a high specific surface area can be obtained. A silicon nitride powder having the same was produced. In addition, almost no coarse particles remained in the silicon nitride powder, and the sintered body strength was 100 kgf / mm 2 or more. On the other hand, Comparative Example 1 using an aggregate having a small specific surface area, Comparative Example 2 in which the amount of the aggregate was not appropriate, Comparative Example 3 in which the bulk density of the nitriding raw material was high, In Comparative Example 4, which was large, the specific surface area of the ingot was small and the pulverizability was poor, so that the specific surface area of the obtained silicon nitride powder was also small, and residual coarse particles were also observed. Further, the strength of the sintered body was small, and the raw material powder of fine ceramics was low. In Comparative Example 5 where the minimum reaction rate was not appropriate, the reaction time was long, and if the time for gas replacement and furnace cooling was included, 2 batches of nitriding were performed.
It took weeks and the productivity was poor.
【0036】[0036]
【発明の効果】本発明によれば、従来の直接窒化法によ
って得られたインゴットに比べて粉砕性が著しく向上
し、長時間ないしは特殊な解砕・粉砕や湿式粉砕におけ
るような精製処理を必要としないで、高品位の窒化ケイ
素粉末を安価に製造することができる。According to the present invention, the pulverizability is remarkably improved as compared with the ingot obtained by the conventional direct nitriding method, and a long or special refining treatment such as pulverization / pulverization or wet pulverization is required. Therefore, a high-quality silicon nitride powder can be produced at low cost.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01B 21/068 C04B 35/626 CA(STN)──────────────────────────────────────────────────の Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) C01B 21/068 C04B 35/626 CA (STN)
Claims (1)
表面積5m2/g以上の窒化ケイ素粉末30〜100重量
部を含み、しかも嵩密度が1. 0g/cm3以下である
窒化原料を、反応速度4%/hr以下で窒化率10〜9
0%における反応速度を0.5%/hr以上に制御して
窒化することを特徴とする窒化ケイ素の製造方法。1. A nitriding raw material containing 30 to 100 parts by weight of a silicon nitride powder having a specific surface area of 5 m 2 / g or more and a bulk density of 1.0 g / cm 3 or less per 100 parts by weight of a metal silicon powder is reacted. Nitriding rate of 10-9 at a rate of 4% / hr or less
A method for producing silicon nitride, comprising nitriding while controlling the reaction rate at 0% to 0.5% / hr or more.
Priority Applications (1)
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JP22434593A JP3348798B2 (en) | 1993-09-09 | 1993-09-09 | Method for producing silicon nitride |
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Publications (2)
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JPH0781909A JPH0781909A (en) | 1995-03-28 |
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-
1993
- 1993-09-09 JP JP22434593A patent/JP3348798B2/en not_active Expired - Lifetime
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