JPH066482B2 - 窒化ケイ素粉末の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、品質にのバラツキが少ない窒化ケイ素粉末を
流動層を用いた直接窒化法により安定かつ効率的に製造
する方法に関する。

従来の技術 従来、金属ケイ素粉末を直接窒化して窒化ケイ素粉末を
工業的に製造する方法としては、主として固定床バッチ
方式が採用されている。しかし、固定床バッチ方式によ
り得られた窒化ケイ素粉末は、品質的なバラツキの点で
問題を有する。即ち、各バッチ間でα相率が異なった
り、また同一バッチ内でも炉内の温度分布及び窒化反応
の進行度合にバラツキが生じ、このために窒化ケイ素粉
末に品質のバラツキを生じる場合が多い。このような窒
化ケイ素粉末の品質のバラツキはバッチが大型化するほ
ど大きくなり易い。更に、固定床バッチ方式は、原料の
投入、生成物の取り出しなどの作業を自動化することが
困難であり、またこのため、これらの作業中に不純物が
混入するおそれもある。従って、固定床バッチ方式を採
用する場合、その規模を大型化し、生産規模を拡大する
ためには、大型化に伴ない得られる窒化ケイ素粉末の品
質的バラツキが大きくなり、また作業も大掛りなものと
なり、多大の労力を要すると共に、長時間の加熱，冷却
期間を必要とするなど、多くの問題点がある。

このような問題点を解決するため、種々の製造方法が提
案されている。例えば、竪型炉を用いる方法（特開昭５
８−１５１３１１号公報参照），プッシャー式トンネル
炉を用いる方法（特開昭６０−１８６４０６号公報），
回転窯を用いる方法（特開昭６１−２６６３０５号公
報），流動層を用いる方法（特開昭６１−９７１１０号
公報）等がある。

発明が解決しようとする課題 しかし、これらの方法においても、得られる窒化ケイ素
粉末の品質の問題点及びその生産性の問題を同時に解決
し得るものは殆んどない。例えば、竪型炉を用いる方法
は、温度分布及び窒化反応の進行度合のバラツキが大き
く、結果として窒化ケイ素粉末のα相率のバラツキが大
きくなる。プッシャー式トンネル炉を用いる方法は、α
相率の比較的安定した窒化ケイ素粉末を得ることができ
るが、その生産性は工業的に十分ではない。回転窯を用
いる方法は、滞留時間を制御することが難しく、このた
めα相率等の品質のバラツキガ大きくなり易く、また安
定した運転が困難である。流動層を用いる方法は、α相
率の安定した窒化ケイ素粉末を得ることができるが、炉
の昇温，冷却に長時間を要し、窒化反応速度が遅い等、
その生産性は工業的に十分でないものである。

即ち、上記従来法においては、α相率等の品質のバラツ
キを満足し得る程度に安定させると生産性が低下してし
まい、一方生産性を工業的に満足し得る程度に向上させ
ると品質の制御が困難となり、品質のバラツキが大きく
なる。

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、α相率等の
品質のバラツキが少ない窒化ケイ素粉末を生産性よく製
造し得る窒化ケイ素粉末の製造法を提供することを目的
とする。

課題を解決するための手段及び作用 本発明は、上記目的を達成するため、金属ケイ素粉末を
含む窒化原料を窒化ケイ素粉末と窒素ガス又はアンモニ
アガスを含む非酸化性反応ガスとから形成され、温度を
１０００〜１４００℃に保持した第１流動層に連続的に
供給し、該第１流動層で第１次窒化反応を行なった後、
この第１流動層から窒化生成物を連続的に取り出すと共
に、これを更に窒化ケイ素粉末と窒素ガス又はアンモニ
アガスを含む非酸化性反応ガスとから形成された第２流
動層に供給し、該第２流動層で未反応の窒化原料を窒化
する第２次窒化反応を行なうことを特徴とする窒化ケイ
素粉末の製造方法を提供する。

即ち、流動層反応型式の窒化ケイ素粉末の製造方法にお
いては、原料の金属ケイ素粉末が直接高温雰囲気に晒さ
れるため、流動層に投入された金属ケイ素粉末は直ちに
表面が溶融し、その結果比表面積が減少し、反応速度が
著しく低下したり、粒子間同士が融着，凝集して流動層
を形成することが困難となるといった問題点を有する。
この場合、流動層の温度を低くすると窒化反応速度が著
しく小さくなる。そこで、従来このような問題点を解決
するために金属ケイ素粉末と反応ガスとで流動層を形成
し、これを加熱する際、その昇温速度を３０〜１５０℃
／Hrに制御して金属ケイ素粉末の溶融，凝集を防ぎ、品
質の安定した窒化ケイ素粉末を得る（特開昭６１−９７
１１０号公報）が提案されているが、この方法は上述し
たように昇温，冷却に長時間を要し、また窒化反応速度
が遅く、生産性に劣るものである。これに対し、本発明
の製造方法によれば、金属ケイ素の融点以下でかつ金属
ケイ素粉末の比表面積が著しく減少しないできるだけ高
い温度、即ち１０００〜１４００℃、好ましくは１２０
０〜１３５０℃の温度に加熱保持された第１の流動層で
第１次窒化反応を行ない、金属ケイ素粉末の粒子表面に
窒化物を形成し、この窒化生成物を第２の流動層に供給
して第２次窒化反応を行ない、更に必要により数次の窒
化反応を行なって窒化率を向上させることにより、粒子
の溶融や凝集を生じることなく高窒化率で品質の安定し
た窒化ケイ素粉末を得ることができる。しかも、加熱状
態にある第１流動層に連続的に金属ケイ素粉末を供給
し、窒化生成した窒化ケイ素粉末を第１流動層より連続
的に取り出すと共に、これを第２流動層に連続的に供給
することにより昇温，冷却工程が不要となり、生産性よ
く窒化ケイ素粉末を得ることができるものである。この
場合、流動層反応型式では層内の粒子が激しく攪拌混合
され、その結果層内がほぼ完全混合状態となり、第１流
動層では高い窒化率を達成することは困難であるが、２
次又は多次に亘り窒化反応を行なうことにより最終生成
物の窒化率が高くなるものである。

従って、本発明の製造方法によれば、品質のバラツキが
少ない高窒化率の窒化ケイ素粉末を工業的にも十分な優
れた生産性をもって製造し得る。

以下、本発明につき更に詳しく説明する。

本発明の窒化ケイ素粉末の製造方法は、上述したように
窒化ケイ素粉末と窒素ガス又はアンモニアガスを含む反
応ガスとから形成され、加熱保持された複数の流動層に
金属ケイ素粉末を含む窒化原料を順次連続供給、連続排
出することにより、複数次に亘って段階的に窒化反応を
行なうものである。

上記窒化原料の金属ケイ素粉末は，特に限定されない
が、平均粒径が１４９μｍ〜４mmのものが好ましくは使
用される。この場合、４４μｍ以下の微粉末状の金属ケ
イ素粉末にポリビニルアルコール等の結合剤を添加して
平均粒径１４９μｍ〜４mmに造粒し、この造粒物を１１
００〜１３００℃でケイ素粉末同士をくっつける程度で
これらが溶融しないように短時間焼結したものを使用す
ることができる。また、この窒化原料には、金属ケイ素
粉末に平均粒径１４９μｍ〜４mm程度の窒化ケイ素粉末
を５〜５０重量％、好ましくは１０〜３０重量％添加し
た混合粉末を用いることができる。かかる窒化ケイ素粉
末の添加により、窒化原料の供給速度を大きくし、かつ
流動層中での滞留時間を短かくしても、第１の流動層に
おける第１次窒化反応での平均窒化率を向上させること
ができ、しかも、金属ケイ素粉末の融着，凝集をより効
果的に防止することができる。なお、窒化ケイ素粉末の
添加率が５０重量％を超えると生産速度を低下させる場
合が生じ、一方５重量％未満であると窒化ケイ素粉末添
加による実質的効果が得られ難い。

本発明方法は、上記窒化原料を複数の流動層で複数次に
亘り窒化反応させるものである。この場合、各流動層は
窒化ケイ素粉末と窒素ガス又はアンモニアガスを含む非
酸化性反応ガスとから形成されたもので、窒化反応温度
にまで加熱保持されたものである。ここで、窒化原料が
最初に投入される第１の流動層は、その温度を１０００
〜１４００℃、好ましくは１２００〜１３５０℃とし、
この第１流動層による第１窒化反応で金属ケイ素粉末の
粒子の表面に窒化物を形成する。なお、流動層の温度が
１０００℃未満であると金属ケイ素粉末粒子の表面に窒
化物を形成することができず、一方１４００℃を超える
と粒子の溶融，凝集が生じることとなる。また、第２流
動層及び更に必要により形成されるそれ以降の流動層の
温度は特に限定されないが、１２００〜１７００℃、特
に１３５０〜１５００℃とすることが好ましく、また順
次温度が高くなるように設定することが好ましい。な
お、流動層の数、即ち窒化反応次数は、２次又は３次と
することが生産性の点から好ましい。なおまた、この流
動層を形成する非酸化性反応ガスは、窒化ガス又はアン
モニアガスを含むものであるが、この反応ガスには水素
ガスを混合することができ、この場合窒素ガス又はアン
モニアガスの含有量は１０〜１００容量％、特に６０〜
９０容量％とすることができる。

本発明の窒化ケイ素粉末の製造方法は、上記窒化原料を
上記流動層に順次連続供給，連続排出して金属ケイ素粉
末を段階的に窒化するものであるが、上記以外の窒化条
件は通常の条件とすることができる。

発明の効果 以上説明したように、本発明の製造方法によれば、α相
率等の品質のバラツキが少ない窒化ケイ素粉末を安定的
にかつ効率的に製造することができるものである。

以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明
するが、本発明は下記実施例に制限されるものではな
い。

〔実施例１〕 粒径４４μｍ以下の金属ケイ素粉末にポリビニルアルコ
ールを固形分換算で１重量％添加して混練した後、押出
し造粒機で平均粒径０．５mmに造粒した。これを１５０
℃で乾燥して水分を除去した後、焼結炉内に仕込み、ア
ルゴンガス流通下１３００℃で１時間焼結し、これを窒
化原料とした。

一方、内径８０mm，灼熱部の長さ５００mmの第１反応器
及び第２反応器に窒化ケイ素粉末を５００ｇづつ装填
し、Ｎ_２ガス７Ｎ／minにＨ_２ガス２Ｎ／minを混合
したものを反応ガスとして供給し、それぞれ流動層（層
の高さ３００mm）を形成すると共に、反応器を加熱して
流動層をそれぞれ１２５０℃，１４００℃に保持した。
この第１反応器中の流動層に上記窒化原料を２００ｇ／
hrの割合で連続的に供給すると共に、この第１反応器中
の流動層からその層高が３００mmに保持されるように窒
化生成物を連続的に取り出し、これをそのまま上記第２
反応器の流動層中に連続的に供給し、更にこの流動層か
らその層高が３００mmに保持されるように生成物を連続
的に取り出した。

上記の最終生成物は、窒化率９５％，α相率８０％の一
定品質を有する窒化ケイ素粉末であった。なお、第１反
応器から取り出した窒化生成物の窒化率は５０％であっ
た。

〔実施例２〕 第１反応器内の流動層温度及び第２反応器内の流動層温
度をそれぞれ１３００℃，１４５０℃とした以外は上記
実施例１と同様に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は窒化率９８％，ａ相率７５％
の一定品質のものであった。なお、第１反応器から取り
出した窒化生成物の窒化率は６５％であった。

〔比較例〕

第１反応器内の流動層温度及び第２反応器内の流動層温
度をそれぞれ１４２０℃，１４５０℃とした以外は実施
例１と同様の操作を行なったところ、窒化原料の供給開
始後、１時間経過したところで第１反応器内の流動層を
維持することができなくなった。運転停止後、第１反応
器の内部を調べたところ、筒下部に塊状の金属ケイ素が
認められた。

〔実施例３〕 窒化原料として実施例１で用いたものに窒化ケイ素粉末
（平均粒径０．５mm）を３０重量％混合した混合粉末を
用い、これを第１反応器内の流動層に４００ｇ／hrの割
合で供給した以外は実施例２と同様にして窒化ケイ素粉
末を製造した。

得られた窒化ケイ素粉末は、窒化率９８％で一定品質の
ものであった。

〔実施例４〕 内径８０mm，灼熱部の長さ５００mmの第３反応器を用意
し、これに窒化ケイ素粉末５００ｇと反応ガスとからな
る第３流動層を形成すると共に、この第３流動層の温度
を１４５０℃，第１及び第２反応器中の流動層温度をそ
れぞれ１３００℃，１３５０℃とし、第２反応器中で生
成した窒化物をそのまま上記第３反応器中の流動層中に
連続的に供給すると共に、この第３反応器の流動層から
窒化生成物を連続的に取り出すようにしたこと、及び窒
化原料として実施例１で用いたものに窒化ケイ素粉末
（平均粒径０．５mm）を３０重量％混合した混合粉末を
用いたこと以外は実施例１と同様の条件で窒化ケイ素粉
末を製造した。

得られた窒化ケイ素粉末は、窒化率９９％の一定品質を
有するものであった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属ケイ素粉末を含む窒化原料を窒化ケイ
   素粉末と窒素ガス又はアンモニアガスを含む非酸化性反
   応ガスとから形成され、温度を１０００〜１４００℃に
   保持した第１流動層に連続的に供給し、該第１流動層で
   第１次窒化反応を行なった後、この第１流動層から窒化
   生成物を連続的に取り出すと共に、これを更に窒化ケイ
   素粉末と窒素ガス又はアンモニアガスを含む非酸化性反
   応ガスとから形成された第２流動層に供給し、該第２流
   動層で未反応の窒化原料を窒化する第２次窒化反応を行
   なうことを特徴とする窒化ケイ素粉末の製造方法。