JPH0796444B2 - Method for producing silicon nitride powder - Google Patents

Method for producing silicon nitride powder

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JPH0796444B2
JPH0796444B2 JP1069365A JP6936589A JPH0796444B2 JP H0796444 B2 JPH0796444 B2 JP H0796444B2 JP 1069365 A JP1069365 A JP 1069365A JP 6936589 A JP6936589 A JP 6936589A JP H0796444 B2 JPH0796444 B2 JP H0796444B2
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silicon
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紘一 内野
秀樹 広津留
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高温強度の大きな焼結体を製造することがで
きる窒化ケイ素粉の製造方法に関する。窒化ケイ素は高
温構造材料としてガスタービン部材、ノズル、軸受等に
利用されている。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a silicon nitride powder capable of producing a sintered body having high strength at high temperature. Silicon nitride is used as a high temperature structural material for gas turbine members, nozzles, bearings and the like.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、窒化ケイ素粉末の製法としては、(1)金属ケイ
素直接窒化法、(2)シリカ還元窒化法、(3)ハロゲ
ン化ケイ素法が知られている。これらの方法でつくられ
る粉末は、製造履歴が異なるためか、金属不純物量や酸
素量あるいは粒径、比表面積が同程度であっても、粉末
の焼結性や焼結後の焼結体の特性例えば曲げ強度に大き
な違いがある。
Conventionally, as methods for producing silicon nitride powder, (1) direct metal nitriding method, (2) silica reduction nitriding method, and (3) silicon halide method are known. Probably because the powders produced by these methods have different production histories, even if the amount of metal impurities, the amount of oxygen, the particle size, and the specific surface area are the same, the sinterability of the powder and the sintered body after sintering are There is a big difference in characteristics such as bending strength.

一般的には、(1)の方法で製造された粉末は易焼結性
であるが高温曲げ強度が低い、(2)の方法の粉末は難
焼結性であるが高温曲げ強度が高い、(3)の方法の粉
末は中間的な性能を示すといわれている。
Generally, the powder produced by the method (1) is easily sinterable but has low high-temperature bending strength, and the powder of the method (2) is hardly sinterable but has high high-temperature bending strength, The powder of the method (3) is said to exhibit intermediate performance.

酸素量については、(1)の方法の粉末は粉砕工程を経
るため通常全酸素量が2重量%を超える場合が多く少な
くても1.5重量%はある。(1)の方法で不純物除去の
ために酸処理等の工程を通すと全酸素量は低減するがそ
れでも1.0重量%未満にすることは難しい。一方、
(2)の方法の粉末でも、原料としてシリカ粉末を用い
るためにシリカの残留があり、全酸素量は2重量%をこ
えるのが普通である。
Regarding the amount of oxygen, the powder of the method (1) undergoes a crushing step, so that the total amount of oxygen is usually more than 2% by weight in most cases, but is at least 1.5% by weight. If the method of (1) is passed through a step such as an acid treatment for removing impurities, the total oxygen amount is reduced, but it is still difficult to reduce it to less than 1.0% by weight. on the other hand,
Even with the powder of the method (2), since silica powder is used as a raw material, there is residual silica, and the total amount of oxygen usually exceeds 2% by weight.

以上の粉末が現在入手可能なものである。当然のことな
がら、粉末の焼結性及び焼結体特性には粉体酸素量の影
響があるのはもちろんであるが、その他に比表面積、結
晶性、粒子形状、粒度(微粉)等様々の粉体特性がから
みあっており、前記各製法の粉末特性が粉体特性にどの
ように関係しているかはほとんどわかっていないのが現
状である。
The above powders are currently available. As a matter of course, the sinterability of the powder and the characteristics of the sintered body are affected by the amount of powder oxygen, but in addition, various other factors such as specific surface area, crystallinity, particle shape, particle size (fine powder), etc. At present, the powder characteristics are entangled with each other, and it is hardly known how the powder characteristics of each of the above-mentioned manufacturing methods are related to the powder characteristics.

本出願人は、高温強度と密接な関係があるアスペクト比
の高いβ柱状晶の生成は粉末の酸素量に大きく左右され
ることを見出し特願昭63−277360号を出願した。一方、
直接窒化法による金属ケイ素粉末の酸素量は微粉量に影
響を受けていることが予想される。従って、アスペクト
比の高いβ柱状晶の生成は、酸素量だけでなく微粉量も
含めて考慮する必要がある。窒化ケイ素粉末中の微粉と
酸素の量的組合わせは4通りあり、その1つである低酸
素と少微粉については、平成1年2月27日に「窒化ケイ
素の製造方法及び粉末とその用途」として出願した。
The present applicant has found that the formation of β-columnar crystals having a high aspect ratio, which is closely related to high temperature strength, is greatly influenced by the amount of oxygen in the powder, and filed Japanese Patent Application No. 63-277360. on the other hand,
It is expected that the amount of oxygen in the metal silicon powder obtained by the direct nitriding method is affected by the amount of fine powder. Therefore, it is necessary to consider not only the amount of oxygen but also the amount of fine powder to generate β columnar crystals having a high aspect ratio. There are four quantitative combinations of fine powder and oxygen in silicon nitride powder, one of which is low oxygen and small fine powder. ".

残る3つの組合わせについて、以下説明し、本発明を提
案した意義を深める。
The remaining three combinations will be described below to deepen the significance of proposing the present invention.

先ず、酸素量と微粉量が共に多い窒化ケイ素粉末の大半
は、金属ケイ素粉末の直接窒化法から得られる。何故な
ら、このプロセスは粉砕工程が避けられないので酸素を
多く含む微粉が生じるからである。この窒化ケイ素粉末
は易焼結性であるのでβ柱状晶は非常に小さいのが特徴
であり、高温強度はよくないが常温強度には優れてい
る。
First, most of the silicon nitride powder having a large amount of oxygen and a large amount of fine powder can be obtained by the direct nitriding method of metallic silicon powder. This is because this process results in fine powders rich in oxygen as the grinding step is unavoidable. Since this silicon nitride powder is easily sinterable, it has a feature that β-columnar crystals are very small, and the high temperature strength is not good, but the room temperature strength is excellent.

次に、微粉量が多くて酸素量の少ない粉末は現在のとこ
ろ入手可能である。しかし、プラズマレーザー法等によ
り合成され且つ耐酸化性が強いか又は安定化が施された
場合に得られる可能性がある。このような粉体特性を有
する窒化ケイ素粉末は恐らく非常にアスペクト比の高い
β柱状晶で構成されると考えられる。
Secondly, a powder having a large amount of fine powder and a small amount of oxygen is currently available. However, it may be obtained when it is synthesized by the plasma laser method or the like and has strong oxidation resistance or is stabilized. The silicon nitride powder having such powder characteristics is probably composed of β columnar crystals having a very high aspect ratio.

そして、微粉量が少なくて酸素がある程度存在する窒化
ケイ素粉末はハロゲン化ケイ素法から得られるものが大
半である。窒化ケイ素粉末はどのような焼結助剤であっ
ても易焼結性であると共に微粉量が少ないのでβ柱状晶
も適当に大きい。従って、高温構造材料の研究用に広く
用いられているが、SiCl4の価格から生じるコスト高に
難点がある。
Most of the silicon nitride powders having a small amount of fine powder and a certain amount of oxygen are obtained by the silicon halide method. The silicon nitride powder is easy to sinter with any sintering aid, and since the amount of fine powder is small, the β columnar crystal is also appropriately large. Therefore, it is widely used for research on high-temperature structural materials, but there is a difficulty in high cost resulting from the price of SiCl 4 .

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

本発明者らは、ハロゲン化ケイ素法のような上記した粉
末特性を有する窒化ケイ素粉末を金属ケイ素粉末の直接
窒化法から得られないかについて種々検討した結果、金
属ケイ素粉末に酸化ケイ素を配合しそれを特殊な雰囲気
ガス下で窒化することにより可能となることを見出し本
発明を完成した。
The present inventors have made various studies as to whether a silicon nitride powder having the above-mentioned powder characteristics such as the silicon halide method can be obtained by the direct nitriding method of metal silicon powder. The inventors have found that it is possible by nitriding it under a special atmosphere gas, and completed the present invention.

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

すなわち、本発明は、以下を要旨とするものである。 That is, the present invention is summarized below.

1.窒素及び/又はアンモニアを含む雰囲気中で金属ケイ
素粉末を窒化して窒化ケイ素を製造する方法において、
原料として金属ケイ素粉末100重量部に対し酸化ケイ素
を1〜5重量部含有したものを用い、しかもアルカリ金
属ハロゲン化物及びアルカリ土類金属ハロゲン化物より
なる群から選択したハロゲン化物の少なくとも1種を、
気体の状態で連続的に、間欠的又は一時的に供給して窒
化することを特徴とする窒化ケイ素の製造方法。
1. In a method for producing silicon nitride by nitriding metallic silicon powder in an atmosphere containing nitrogen and / or ammonia,
As a raw material, one containing 1 to 5 parts by weight of silicon oxide with respect to 100 parts by weight of metal silicon powder, and at least one kind of halide selected from the group consisting of alkali metal halides and alkaline earth metal halides,
A method for producing silicon nitride, characterized by continuously, intermittently or temporarily supplying and nitriding in a gas state.

2.ハロゲン化物がカルシウム又はマグネシウムのフッ化
物である請求項1記載の窒化ケイ素の製造方法。
2. The method for producing silicon nitride according to claim 1, wherein the halide is a fluoride of calcium or magnesium.

以下、さらに詳しく本発明を説明する。Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

まず、本発明で製造される窒化ケイ素粉末について説明
すると、窒化ケイ素粉末の酸素量は0.8〜1.5重量%であ
る。酸素量が0.8重量%未満では、通常の焼結助剤の使
用量例えばY2O3−Al2O3系7重量部程度であっては焼結
不足を招いて強度発現が悪くなる。一方、酸素量が1.5
重量%を越えると焼結の際に生じるα→β転移が低温か
ら起こりやすくなり、更には焼結助剤が形成する粒界相
の量が多くなるので窒化ケイ素への溶解性が大きくな
り、その結果、β核の数が多くなり、充分に成長したア
スペクト比の高いβ柱状晶を得ることが困難となる。
First, the silicon nitride powder produced by the present invention will be described. The oxygen content of the silicon nitride powder is 0.8 to 1.5% by weight. When the amount of oxygen is less than 0.8% by weight, when the amount of the usual sintering aid used is, for example, about 7 parts by weight of Y 2 O 3 —Al 2 O 3 system, insufficient sintering occurs and the strength development deteriorates. On the other hand, the amount of oxygen is 1.5
If the content exceeds 10% by weight, the α → β transition that occurs during sintering tends to occur from a low temperature, and since the amount of grain boundary phase formed by the sintering aid increases, the solubility in silicon nitride increases, As a result, the number of β nuclei increases, and it becomes difficult to obtain sufficiently grown β columnar crystals with a high aspect ratio.

平均粒子径は特に常圧焼結を採用する場合、非常に重要
であり一般的には小さいことが好ましく、0.3〜0.8μm
の範囲である。0.8μmを越えると、焼結助剤例えば酸
化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム
等と窒化ケイ素粉末中に含まれる酸素との反応により生
じる複合酸化物への窒化ケイ素の溶解度の低下が起こり
充分にち密化しなくなる。一方、0.3μm未満であると
焼結助剤が形成する粒界相への溶解度が大きくなり、そ
の結果、β核の数が多くなり、充分に成長したアスペク
ト比の高いβ柱状晶を得ることが困難となる。
The average particle size is very important, especially when normal pressure sintering is adopted, and generally it is preferable that it is small, 0.3 to 0.8 μm.
Is the range. If it exceeds 0.8 μm, the solubility of silicon nitride in the composite oxide caused by the reaction between the sintering aids such as yttrium oxide, magnesium oxide, aluminum oxide, etc. and oxygen contained in the silicon nitride powder is lowered, and the density is sufficiently dense. It does not change. On the other hand, if it is less than 0.3 μm, the solubility in the grain boundary phase formed by the sintering aid becomes large, and as a result, the number of β nuclei increases, and a sufficiently grown β columnar crystal with a high aspect ratio can be obtained. Will be difficult.

なお、本発明で用いている平均粒子径とは堀場製作所製
のCAPA−700で測定した体積%の50%径のことである。
The average particle diameter used in the present invention is the 50% diameter of the volume% measured by CAPA-700 manufactured by Horiba Ltd.

α分率は、上述してきたように、窒化ケイ素の焼結機構
はα−窒化ケイ素が一度液相に溶解し、その後過飽和と
なりβ−窒化ケイ素として析出することが基本となって
いるので、窒化ケイ素粉末中のα相含有率は高いことが
望ましい。すなわち、α相含有率は少なくとも80%以上
存在することが必要である。80%未満であるとアスペク
ト比の高いβ柱状晶が晶出し難くなり高温強度発現に結
びつかなくなる。
As described above, the α fraction is based on the fact that the sintering mechanism of silicon nitride is based on the fact that α-silicon nitride is once dissolved in the liquid phase and then supersaturated to precipitate as β-silicon nitride. It is desirable that the α-phase content in the silicon powder is high. That is, the α phase content must be at least 80% or more. If it is less than 80%, β-columnar crystals having a high aspect ratio are hard to crystallize, and the high temperature strength cannot be exhibited.

窒化ケイ素粉末中の金属不純物含有量、とりわけFe、Al
及びCaの含有量の合計は500ppm以下であることが好まし
い。500ppmを越えると高温下で長期にわたり使用した場
合、高温でのクリープ強度が低下する。したがって、金
属不純物はできるだけ少ない方が好ましい。
Content of metal impurities in silicon nitride powder, especially Fe, Al
The total content of Ca and Ca is preferably 500 ppm or less. If it exceeds 500 ppm, the creep strength at high temperature will decrease if it is used for a long time at high temperature. Therefore, it is preferable that the metal impurities are as small as possible.

また、比表面積については、各種成形方法例えばプレス
成形、射出成形、スリップキャスト等を用いて形をつく
る場合、ハンドリング、粘性等の理由から一般的には6
〜14m2/gであることが好ましい。6m2/g未満であると、
粒度が粗くなり、結果として焼結性が悪くなる。一方、
14m2/gを越えると粉末自身カサ高となり、ハンドリング
が悪くなったり、射出成形性にとって重要な要素となっ
ている粘性が高くなる。さらに言えば、6m2/g未満であ
ると粒子が大きくなり、焼結密度が上がらず、高温強度
の向上につながらない。また、14m2/gを越えるためには
過粉砕を要し、その結果微粉量が多くなり、前述したよ
うにβ核の数が多くなり、アスペクト比の高いβ柱状晶
が生じ難くなる。
Regarding the specific surface area, when a shape is formed using various molding methods such as press molding, injection molding, slip casting, etc., it is generally 6 because of handling, viscosity and the like.
It is preferably ˜14 m 2 / g. If it is less than 6 m 2 / g,
The grain size becomes coarse, resulting in poor sinterability. on the other hand,
If it exceeds 14 m 2 / g, the powder itself becomes bulky, resulting in poor handling and high viscosity, which is an important factor for injection moldability. Furthermore, if it is less than 6 m 2 / g, the particles become large, the sintered density does not increase, and the high temperature strength cannot be improved. Further, in order to exceed 14 m 2 / g, excessive pulverization is required, and as a result, the amount of fine powder increases, the number of β nuclei increases as described above, and β columnar crystals with a high aspect ratio are less likely to occur.

なお、微粉量としては、特願昭63−277360号明細書に記
載しているように0.2μm以下の微粉量を規定した場
合、7容量%以下が好ましい。7容量%を越えると、β
柱状晶の発生核が多くなり、充分に成長したアスペクト
比の高いβ柱状晶を得ることが困難となる。
The fine powder amount is preferably 7% by volume or less when the fine powder amount is 0.2 μm or less as described in Japanese Patent Application No. 63-277360. Beyond 7% by volume, β
The number of nuclei of columnar crystals increases, and it becomes difficult to obtain sufficiently grown β columnar crystals with a high aspect ratio.

次に、本発明の窒化ケイ素粉末の製造方法について述べ
る。
Next, a method for producing the silicon nitride powder of the present invention will be described.

本発明の窒化ケイ素粉末の製造方法は、窒素及び又はア
ンモニアを含む雰囲気ガスを導入しながら、金属ケイ素
粉末を窒化して、窒化ケイ素を製造する方法において、
原料として金属ケイ素粉末100重量部に対し酸化ケイ素
を1〜5重量部含有したものを用い、しかもアルカリ金
属及びアルカリ類金属の各ハロゲン化物から選ばれた1
種又は2種以上を気体の状態で連続的、間欠的又は一時
的に供給するものである。
The method for producing a silicon nitride powder of the present invention, while introducing an atmosphere gas containing nitrogen and or ammonia, nitriding the metal silicon powder, in the method of producing silicon nitride,
1 to 5 parts by weight of silicon oxide per 100 parts by weight of metallic silicon powder was used as a raw material, and was selected from alkali metal and alkali metal halides.
One kind or two or more kinds are continuously, intermittently or temporarily supplied in a gas state.

さらに詳しく説明すると、本発明で使用する金属ケイ素
粉末の粒度は88μm下が好ましい。このように、比較的
粒度の大きな金属ケイ素を用いることができる理由は、
後述のように、金属ケイ素と窒素源との反応のすべてが
固・気反応ではなく、表面の若干の固・気反応後は気・
気反応で窒化が進むことに大きく関与している。すなわ
ち、本発明では、たとえ88μm程度の金属ケイ素であっ
ても表面の一部が、固・気反応により窒化が起これば、
金属ケイ素とα−窒化ケイ素の密度差により金属ケイ素
の破壊現象が生じ微細な金属ケイ素となるからである。
しかし、88μmを越えると、同様な現象が生じるが、表
面の固・気反応の生じる温度が高くなり、通常の窒化条
件では遊離のSiが残りやすくなるのであまり好ましくは
ない。下限値については特に制限はない。つまり、平均
粒子径の小さな金属ケイ素粉末を用いれば用いる程、後
述するSiO(G)が生成しやすくなり気・気反応が促進
されるので目的とする粒状化α−窒化ケイ素インゴット
を製造しやすくなる。
More specifically, the particle size of the metal silicon powder used in the present invention is preferably under 88 μm. Thus, the reason why metallic silicon having a relatively large particle size can be used is
As will be described later, not all solid silicon reaction with the nitrogen source is solid / gas reaction.
It is greatly involved in the progress of nitriding by the gas reaction. That is, according to the present invention, even if metallic silicon of about 88 μm is used, if part of the surface undergoes nitriding due to solid-gas reaction,
This is because the phenomenon of destruction of metallic silicon occurs due to the difference in density between metallic silicon and α-silicon nitride, resulting in fine metallic silicon.
However, if the thickness exceeds 88 μm, a similar phenomenon occurs, but the temperature at which the surface solid-gas reaction occurs becomes high, and free Si tends to remain under normal nitriding conditions, which is not preferable. There is no particular lower limit. That is, the use of a metal silicon powder having a smaller average particle size facilitates the production of SiO (G) described later and promotes gas-gas reaction, and thus makes it easier to produce the target granular α-silicon nitride ingot. Become.

本発明では、粒状化もさることながら、粉末中の酸素も
適当に多くせしめる必要があるので、金属ケイ素粉末中
の酸素は適当に存在していてもよい。具体的には、原料
金属ケイ素粉末に添加する酸化ケイ素の量の方がはるか
に多いので、0.5%程度までは含んでいてよい。
In the present invention, it is necessary to appropriately increase the amount of oxygen in the powder as well as the granulation, so that oxygen in the metal silicon powder may be appropriately present. Specifically, since the amount of silicon oxide added to the raw material metal silicon powder is much larger, it may be contained up to about 0.5%.

酸化ケイ素の配合量は金属ケイ素粉末100重量部に対
し、1〜5重量部である。1重量部未満であると目的と
する窒化ケイ素粉末中の酸素が0.8重量%に達せず、例
えばY2O3−Al2O3系7重量部程度であっては焼結不足を
招いて、強度発現が悪くなる。一方、5重量部を越える
と、上記とは逆に窒化ケイ素粉末中の酸素が1.5重量%
を越え、焼結の際に生じるα→β転移が低温から起こり
やすくなり、また、焼結助剤が形成する粒界相の量が多
くなるので、窒化ケイ素への溶解性が大きくなり、その
結果β核の数が多くなり、充分に成長したアスペクト比
の高いβ柱状晶が得られなくなる。酸化ケイ素の種類に
ついては、特に限定はないが、比表面積が10m2/g以上の
ものが望ましい。具体的には、ホワイトカーボン、アエ
ロジル等である。
The compounding amount of silicon oxide is 1 to 5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of metallic silicon powder. If the amount is less than 1 part by weight, the target oxygen content in the silicon nitride powder does not reach 0.8% by weight, and if it is about 7 parts by weight of Y 2 O 3 —Al 2 O 3 system, the sintering will be insufficient. Strength development deteriorates. On the other hand, when the amount exceeds 5 parts by weight, the oxygen content in the silicon nitride powder is 1.5% by weight contrary to the above.
, The α → β transition that occurs during sintering is likely to occur from a low temperature, and since the amount of grain boundary phase formed by the sintering aid increases, the solubility in silicon nitride increases, As a result, the number of β nuclei increases, and it becomes impossible to obtain sufficiently grown β columnar crystals with a high aspect ratio. The type of silicon oxide is not particularly limited, but one having a specific surface area of 10 m 2 / g or more is desirable. Specifically, it is white carbon, Aerosil, or the like.

本発明は、特願昭63−198987号明細書における金属ケイ
素粉末から窒化ケイ素が生成する反応機構の応用にあ
る。すなわち、金属ケイ素粉末と窒素との反応は、固・
気反応よりむしろO2を介したN2−NH3又はN2−H2系の気
・気反応に律速されていることを知ると共に、SiO
(G)の関与したSi3N4生成の反応式をさらに検討し
た。その1例を下記に示すが、このような気・気反応に
よる固体生成における形態については、加藤〔加藤昭
夫:粉体工学会誌、第18巻、第1号、第36〜45頁(198
0)〕が述べているように過飽和度、すなわちlogkpに大
きく影響する。つまり、下記(1)式の1300℃でのlogk
pは、1.6程度であるのに対し、(2)式は46程度とな
る。
The present invention lies in the application of the reaction mechanism for producing silicon nitride from metallic silicon powder in Japanese Patent Application No. 63-198987. That is, the reaction between the metal silicon powder and nitrogen is
Together knows that it is limited by the gas-gas reaction of N 2 -NH 3, or N 2 -H 2 system rather via the O 2 from the gas reaction, SiO
The reaction formula of Si 3 N 4 formation involving (G) was further investigated. One example is shown below. Regarding the morphology in solid production by such gas-gas reaction, Kato [Akio Kato: Journal of Powder Engineering, Vol. 18, No. 1, pp. 36-45 (198).
0)] has a great influence on the degree of supersaturation, that is, logkp. That is, the logk at 1300 ° C in the following equation (1)
While p is about 1.6, formula (2) is about 46.

したがって、この両式下より生成される窒化ケイ素の形
態は(1)式がウイスカー、(2)式が粒状を呈するの
ではないかと推定される。
Therefore, it is presumed that the morphology of silicon nitride produced by the equations (1) and (2) is whiskers and granular.

3SiO(G)+4NH3(G)=Si3N4(S)+3/2O2(G) +6H2(G) (1) 3Si(G)+4NH3(G)=Si3N4(S)+6H2(G)
(2) また、Si(G)が生じるまでの反応式をCaF2(G)を例
にとり、推定した反応、並びにそのミクロ的結晶場にお
ける循環反応を式(3)〜(6)に示す。
3SiO (G) + 4NH 3 (G) = Si 3 N 4 (S) + 3 / 2O 2 (G) + 6H 2 (G) (1) 3Si (G) + 4NH 3 (G) = Si 3 N 4 (S) + 6H 2 (G)
(2) In addition, taking CaF 2 (G) as an example of the reaction formula until Si (G) is generated, the estimated reaction and its circulating reaction in the microscopic crystal field are shown in Formulas (3) to (6).

Si(S)+1/2O2(G)→SiO(G) (3) SiO(G)+CaF2(G)+H2(G)→Si(G)+CaO
(S) +2HF(G) (4) 3Si(G)+4NH3(G)→Si3N4(S)+6H2(G)
(5) (CaO(S)+2HF(G)→CaF2(G)+H2(G) +1/2O2(G)) (6) これからも明らかなように気体として同伴されたハロゲ
ン化物の気体はミクロ的結晶場において循環している可
能性も考えられる。事実、当量以下のハロゲン化物の気
体でも十分に粒状化の効果が認められた。なお、金属ケ
イ素粉末中に酸化ケイ素を添加し窒化ケイ素インゴット
あるいは窒化ケイ素粉末中の酸素を制御することについ
ては、はっきりしたことはわからないが、SiO2(S)か
らSiO(G)の発生が(3)式より高温を要し、その場
合、(4)式よりむしろ(1)式の反応の方が優先的に
起こり、反応場において酸素を取り込みやすくなってい
るのではないかと推察している。
Si (S) + 1 / 2O 2 (G) → SiO (G) (3) SiO (G) + CaF 2 (G) + H 2 (G) → Si (G) + CaO
(S) + 2HF (G) (4) 3Si (G) + 4NH 3 (G) → Si 3 N 4 (S) + 6H 2 (G)
(5) (CaO (S) + 2HF (G) → CaF 2 (G) + H 2 (G) + 1 / 2O 2 (G)) (6) As is clear from this, the halide gas entrained as a gas is It is also possible that they are circulating in a microscopic crystal field. In fact, even if the amount of the halide gas is not more than the equivalent amount, the effect of the granulation is sufficiently recognized. Although it is not clear about controlling the oxygen in the silicon nitride ingot or the silicon nitride powder by adding silicon oxide to the metal silicon powder, generation of SiO (G) from SiO 2 (S) ( It is presumed that higher temperature is required than the equation (3), and in that case, the reaction of the equation (1) occurs preferentially rather than the equation (4), so that oxygen may be easily taken up in the reaction field. .

そこで、SiO(G)より更に酸素との親和性の強い気体
化合物の探索を行った。その結果、窒素及び/又はアン
モニアを含む雰囲気ガスを導入しながら、金属ケイ素粉
末を窒化するに際し、アルカリ金属及びアルカリ土類金
属の各ハロゲン化物の気体を意図的に供給すれば生成す
る窒化ケイ素の形態がウイスカー状ではなく粒状になる
ことを見出した。アルカリ金属及びアルカリ土類金属の
ハロゲン化物の濃度については、例えば前述した推定反
応式からもわかるように、Si(S)1molに対し、アルカ
リ土類金属のハロゲン化物の気体であれば1mol、また、
アルカリ金属のハロゲン化物であれば2mol以上あれば十
分である。また、窒化は一度に行われないので、実際は
それ以下で良い。
Therefore, we searched for a gas compound that has a stronger affinity for oxygen than SiO (G). As a result, when nitriding the metal silicon powder while introducing the atmosphere gas containing nitrogen and / or ammonia, the gas of each halide of the alkali metal and the alkaline earth metal is intentionally supplied to generate the silicon nitride. It was found that the morphology was granular, not whisker-like. As for the concentration of the alkali metal and alkaline earth metal halides, for example, as can be seen from the above-mentioned estimated reaction formula, 1 mol of Si (S) is 1 mol of alkaline earth metal halide gas, or ,
If it is an alkali metal halide, 2 mol or more is sufficient. In addition, since nitriding is not performed at one time, it may actually be less than that.

供給方法については例えば別の炉の中にアルカリ金属及
びアルカリ土類金属のハロゲン化物を装入し、加熱昇華
し、金属ケイ素粉末が装入されている炉の中へ、濃度を
調節しながら窒素同伴で供給する。あるいはまた、金属
ケイ素粉末が装入されている炉の中に前記ハロゲン化物
を金属ケイ素粉末の近傍に規定量置き、金属ケイ素粉末
の窒化・前記ハロゲン化物の昇華を行う形で供給するこ
ともできる。供給方法についてはこれらに限られたもの
ではない。また、導入形式についてもこれに限られたも
のではなく、別々導入、同一混合導入のいずれでもかま
わない。
Regarding the supply method, for example, a halide of an alkali metal and an alkaline earth metal is charged into another furnace, heated and sublimated, and nitrogen is added to the furnace in which the metal silicon powder is charged while controlling the concentration. Supplied as a companion. Alternatively, it is also possible to place a specified amount of the halide in the vicinity of the metal silicon powder in a furnace containing the metal silicon powder, and supply the metal silicon powder by nitriding and sublimating the halide. . The supply method is not limited to these. Further, the introduction form is not limited to this, and may be either separate introduction or the same mixed introduction.

さらには、供給時期としては、窒化が行われている温
度、すなわち、1,150℃から1,450℃の範囲の温度におい
て、連続的、間欠的又は一時的に供給する。この一時供
給については例えば前述した昇華を行う炉と窒化を行う
炉への導入配管の開閉を組合せ操作することにより達成
される。
Further, as the supply timing, the nitriding is performed at a temperature, that is, a temperature in the range of 1,150 ° C. to 1,450 ° C., continuously, intermittently or temporarily. This temporary supply can be achieved by, for example, performing a combined operation of opening and closing the introduction pipes to the above-mentioned furnace for sublimation and the furnace for nitriding.

この一時的な供給の裏付けについては、ミクロ的結晶場
において、例えば前述したように導入された気体の前記
ハロゲン化物が系内に循環されているからであると理解
している。事実、温度で言えば、1,350℃まで前記ハロ
ゲン化物を導入し、その後前記気体の供給を止めても生
成する窒化ケイ素の形態は1,450℃まで導入し続けたも
のと変らなかった。
It is understood that this temporary supply is supported by the fact that the halide of the gas introduced as described above is circulated in the system in the microscopic crystal field. In fact, in terms of temperature, even if the halide was introduced up to 1,350 ° C. and then the supply of the gas was stopped, the form of silicon nitride produced was still the same as that during continuous introduction up to 1,450 ° C.

前記アルカリ金属及びアルカリ金属のハロゲン化物とし
ては、例えばLi、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba元素のフッ化
物、塩化物、臭化物である。特にCa、Mg、Liのフッ化物
が好ましい。その理由としては、酸化物生成の標準生成
エネルギーと温度の関係においてSiより酸素との親和性
が強いからであり、その結果として前述した粒状化が一
層促進されるからである。
Examples of the alkali metal and the alkali metal halide include fluorides, chlorides and bromides of Li, Na, K, Mg, Ca, Sr and Ba elements. Particularly, fluorides of Ca, Mg and Li are preferable. The reason is that the affinity for oxygen is stronger than that of Si in the relationship between the standard formation energy of oxide formation and the temperature, and as a result, the above-mentioned granulation is further promoted.

また、前記ハロゲン化物は単独で用いても良いし、2種
以上のものを併用しても差支えない。さらに言えば、窒
化炉にも限定されるものではなく、例えばバッチ炉、連
続プッシャー炉、連続回転炉、連続スクリュー炉、流動
層のいずれも応用可能である。
The above halides may be used alone or in combination of two or more kinds. Furthermore, it is not limited to the nitriding furnace, and any of a batch furnace, a continuous pusher furnace, a continuous rotary furnace, a continuous screw furnace, and a fluidized bed can be applied.

以上説明した本発明によって製造された粒状化窒化ケイ
素及び特願昭63−198987号明細書に記載したところのウ
イスカー状の窒化ケイ素の粒子構造の具体例を第1図及
び第2図に示す。また第3図にはSiの直接窒化法で得ら
れる典型的な固・気反応の例、つまり他形を呈する形態
を示す。なお各図は倍率3500倍の走査型電子顕微鏡(SE
M)写真である。
Specific examples of the grain structure of the granular silicon nitride produced by the present invention described above and the whisker-like silicon nitride described in Japanese Patent Application No. 63-198987 are shown in FIGS. 1 and 2. Further, FIG. 3 shows an example of a typical solid-gas reaction obtained by the direct nitriding method of Si, that is, a form exhibiting another shape. Each figure shows a scanning electron microscope (SE
M) It is a photograph.

これからも明らかなように、第1図は用いたSi粉末より
数段小さく、かつ丸味を帯びた粒状を呈していることが
わかると共に、気・気反応が生じたことも裏付けられ
る。
As is clear from this, it can be seen that FIG. 1 is several steps smaller than the Si powder used and has a roundish grainy shape, and also supports the occurrence of a qi-qi reaction.

第2図も気・気反応が生じたことは明らかであるが、Si
O(G)の過飽和度不足のためか、針状晶の多い形態と
なっている。第3図は、まずSi粉末同士の焼結が起こ
り、その後、窒素が拡散し、窒化が進んだ形跡が如実に
わかる。
It is clear that Qi-Qi reaction also occurred in Fig. 2, but Si
Maybe due to lack of supersaturation degree of O (G), it has many needle-like crystals. In FIG. 3, it can be clearly seen that the sintering of the Si powders first occurs, and then the nitrogen diffuses and the nitriding proceeds.

このような粒状化した窒化ケイ素は粉砕される際に微粉
が生じ難くなると共に、個々の粒子に適切量の酸素が均
一に分布している。
When such a granulated silicon nitride is pulverized, fine powder is less likely to be produced, and an appropriate amount of oxygen is uniformly distributed in each particle.

ここで、本発明によって得られた粒状化窒化ケイ素につ
いて更に詳しく説明すると、第2図に示すような径の細
いウイスカー又は針状晶を物理的に抗折しながら粉砕す
るのではなく、第1図のような粒状晶をほぐす形で粉砕
が進むので、インゴットの粉砕に伴う微粉の発生が少な
くなる。すなわち、ハロゲン化ケイ素法で得られるよう
な微粉のない等軸の粉体に近い窒化ケイ素粉末となる。
定量的には通常の粗砕機と中砕機を用いて粗砕・中砕物
に粉砕したとき、その粗・中砕物特に粒子径0.2mm下の
比表面積が2〜5m2/gとなるような窒化ケイ素であり、
且つ酸素含有量が0.4〜1.2%となるような窒化ケイ素で
ある。
Here, the granular silicon nitride obtained according to the present invention will be described in more detail. As shown in FIG. 2, whiskers or needle-like crystals having a small diameter are not crushed while physically bending, Since the crushing progresses in the form of loosening the granular crystals as shown in the figure, the generation of fine powder due to the crushing of the ingot is reduced. That is, it becomes a silicon nitride powder close to equiaxed powder without fine powder as obtained by the silicon halide method.
Quantitatively, nitriding to obtain a specific surface area of 2 to 5 m 2 / g when the coarse / medium crushed product is crushed to a coarse / medium crushed product using an ordinary coarse crusher and medium crusher, especially a particle size of 0.2 mm. Silicon,
Further, it is silicon nitride having an oxygen content of 0.4 to 1.2%.

なお、窒化ケイ素の粉砕性を評価するための上記粉砕機
としては、例えば化学工学便覧 昭和53年10月25日、丸
善株式会社の第1279〜1283頁に記載したものが使用され
る。すなわち、ジョークラッシャー、ジャイレトリーク
ラッシャー等の粗砕機、ロールクラッシャー、ローラー
ミル、エッジランナー等の中砕機である。
As the crusher for evaluating the pulverizability of silicon nitride, for example, the crusher described on pages 1279 to 1283 of Maruzen Co., Ltd., October 25, 1978, Chemical Engineering Handbook is used. That is, it is a coarse crusher such as a jaw crusher or a gyratory crusher, or a medium crusher such as a roll crusher, a roller mill or an edge runner.

以上のようにして得られた小さな粒状晶を有する本発明
によって製造されたα−窒化ケイ素は、常法により、例
えば、粗砕・中砕後、ボールミル、振動ミル、ジェット
ミル、アトライターミル、パールミル等で湿式・乾式粉
砕し、α−窒化ケイ素粉末とする。粉末度については前
述した少なくとも平均粒子径を十分に留意し、粉砕機を
含め、適切な条件で処理する。
The α-silicon nitride produced by the present invention having the small granular crystals obtained as described above is prepared by a conventional method, for example, after crushing / medium crushing, a ball mill, a vibration mill, a jet mill, an attritor mill, Wet and dry pulverize with a pearl mill to obtain α-silicon nitride powder. Regarding the fineness of powder, pay attention to at least the above-mentioned average particle diameter, and perform processing under appropriate conditions including a pulverizer.

〔実施例〕〔Example〕

以下、実施例と比較例を挙げてさらに具体的に本発明を
説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

なお、各例に示した測定値は次の方法によった。In addition, the measured value shown in each example was based on the following method.

(1) 酸素(重量%):LECO社製 TC−136型O/N同時
分析計による。
(1) Oxygen (% by weight): According to TC-136 type O / N simultaneous analyzer manufactured by LECO.

(2) 比表面積(m2/g):湯浅アイオニクス社製のカ
ンターソーブJr BET1点法による。
(2) Specific surface area (m 2 / g): According to Cantersorb Jr BET 1-point method manufactured by Yuasa Ionics.

(3) 粒子径(μm):堀場製作所社製 CAPA−700
による。
(3) particle size ([mu] m): manufactured by HORIBA, Ltd. C A P A -700
by.

(4) α分率(%):理学電機社製のガイガーフラッ
クス RAD−II B型のX線回折による。
(4) α fraction (%): by X-ray diffraction of Geiger flux RAD-II B type manufactured by Rigaku Denki KK

(5) 金属不純物(PPm)(Fe,Al,Ca):JIS−G−132
2に準拠した。
(5) Metal impurities (PPm) (Fe, Al, Ca): JIS-G-132
Compliant with 2.

(6) 相対密度(%):アルキメデス法による。(6) Relative density (%): By Archimedes method.

(7) 3点曲げ強度(MPa):島津製作所社製 オー
トグラフAG−2000A型による。
(7) Three-point bending strength (MPa): According to Shimadzu Corporation Autograph AG-2000A type.

実施例1〜7、比較例1〜4 金属Si純度99.98重量%の金属ケイ素粉末100重量部にα
分率90%で比表面積20m2/gの窒化ケイ素粉末10重量部と
第1表に示す割合のSiO2(比表面積50m2/g)の混合粉末
2.5kgを第1表に示すカサ比重の150×150×20t程度の窒
化供試体に成形し、電気炉に充てんした。
Examples 1 to 7, Comparative Examples 1 to 4 100 parts by weight of metallic silicon powder having a metal Si purity of 99.98% by weight is α
Mixed powder of 10 parts by weight of silicon nitride powder with a fraction of 90% and a specific surface area of 20 m 2 / g and SiO 2 (specific surface area of 50 m 2 / g) in the ratio shown in Table 1.
2.5 kg was molded into a nitriding specimen having a bulk specific gravity of about 150 × 150 × 20t shown in Table 1 and filled in an electric furnace.

窒化に際しては第1表に示す通りに実施したがその際固
体のCaF2 2720gが充てんされ、且つ1,200℃に保持され
ている別の電気炉より、FaF2(G)を(18〜36)/Hr
(25℃)になるようにアルゴンガスで同伴させながら加
熱窒化した。
Nitriding was carried out as shown in Table 1, but at that time, FaF 2 (G) (18-36) / (18-36) / was fed from another electric furnace filled with 2720 g of solid CaF 2 and kept at 1,200 ° C. Hr
It was heated and nitrided while being accompanied by argon gas so that the temperature became (25 ° C).

なお、比較例1〜4についてはCaF2(G)の導入なし
で、第1表に示す条件で加熱窒化した。
In Comparative Examples 1 to 4, heating and nitriding were performed under the conditions shown in Table 1 without introducing CaF 2 (G).

得られた窒化ケイ素をSEM観察したところ、実施例1〜
9についてはすべて粒状化されていたが、比較例1〜4
はウイスカー、他形状の形態を呈していた。その1例と
して、実施例1、比較例1、比較例3のSEM写真をそれ
ぞれ第1図、第2図、第3図に示す。
SEM observation of the obtained silicon nitride revealed that
No. 9 was all granulated, but Comparative Examples 1 to 4
Had a whisker and other shapes. As one example thereof, SEM photographs of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 3 are shown in FIGS. 1, 2 and 3, respectively.

得られた窒化ケイ素は粗砕・中砕(ジョークラッシャー
及びトップグラインダー)で0.2mm下に粉砕し、更に、
内容積1のボールミルに0.2mm下の粉砕品50g、4φFe
ボール0.5、水100gを入れ、20Hr湿式粉砕後、塩酸と
フッ酸で酸処理し、濾過・乾燥・解砕を行い、焼結原料
用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、酸素、平均粒子径、比表面積、0.2μm以
下、Fe+Al+Caの含有量の測定を行い、第2表に示し
た。
The obtained silicon nitride is crushed to 0.2 mm with coarse crushing / medium crushing (jaw crusher and top grinder).
50 mm of crushed products under 0.2 mm in a ball mill with an internal volume of 1 and 4φ Fe
A ball 0.5 and 100 g of water were put therein, wet-milled for 20 hours, acid-treated with hydrochloric acid and hydrofluoric acid, filtered, dried and crushed to produce a silicon nitride powder for a sintering raw material. The obtained silicon nitride powder was measured for oxygen, average particle size, specific surface area, 0.2 μm or less, and Fe + Al + Ca content, and the results are shown in Table 2.

次に、この窒化ケイ素粉末に平均粒子径1.3μmのY
2O3、平均粒子径1.4μmのAl2O3、平均粒子径1.2μmの
MgOを第2表に示す割合で添加し、更に、1,1,1−トリク
ロロエタンを加えて4時間ボールミルで湿式混合し、乾
燥後、100kg/cm2の成形圧で6×10×60mm形状に金型成
形した後、2700kg/cm2の成形圧でCIP成形した。これら
の成形体をカーボンルツボにセットし、N2ガス雰囲気、
第2表に示す条件で焼成して焼結体を得た。得られた焼
結体は研削後、相対密度と常温、高温の3点曲げ強度を
測定した。それらの結果を第2表に示す。
Next, this silicon nitride powder was mixed with Y having an average particle size of 1.3 μm.
2 O 3 , average particle diameter 1.4 μm Al 2 O 3 , average particle diameter 1.2 μm
MgO was added at the ratio shown in Table 2, 1,1,1-trichloroethane was added, and the mixture was wet mixed in a ball mill for 4 hours, dried, and then molded into a 6 × 10 × 60 mm shape at a molding pressure of 100 kg / cm 2. After molding by die, CIP molding was performed at a molding pressure of 2700 kg / cm 2 . These molded bodies were set in a carbon crucible, N 2 gas atmosphere,
Sintered bodies were obtained by firing under the conditions shown in Table 2. After the obtained sintered body was ground, the relative density and the three-point bending strength at normal temperature and high temperature were measured. The results are shown in Table 2.

実施例8〜9 金属不純物としてのFe、Al及びCaの影響を知るために、
実施例1の窒化ケイ素粉末を焼結する際に、あらかじめ
準備されたFe−Al−Caの合金粉末を第3表に示すように
添加し、実施例1と同様な条件で焼結体を製造した。得
られた焼結体特性を第3表に示す。
Examples 8-9 In order to know the effect of Fe, Al and Ca as metal impurities,
When the silicon nitride powder of Example 1 was sintered, Fe-Al-Ca alloy powder prepared in advance was added as shown in Table 3, and a sintered body was manufactured under the same conditions as in Example 1. did. The properties of the obtained sintered body are shown in Table 3.

実施例10〜11 この実施例は、窒化ケイ素の粉末度の影響を知るために
行ったものである。実施例1で得られた窒化ケイ素を湿
式粉砕するに際し、湿式粉砕時間を2Hr(実施例10)、4
0Hr(実施例11)に変えた以外は実施例1と同様に窒化
ケイ素粉末を得、焼結体を製造した。その結果を第4表
に示す。
Examples 10 to 11 This example was conducted to find out the effect of the fineness of silicon nitride. When wet-milling the silicon nitride obtained in Example 1, the wet-milling time was set to 2 Hr (Example 10), 4
A silicon nitride powder was obtained in the same manner as in Example 1 except that 0Hr (Example 11) was used to produce a sintered body. The results are shown in Table 4.

実施例12〜17、比較例5 この実施例ではハロゲンガスの種類を変えて行った。 Examples 12 to 17 and Comparative Example 5 In this example, the kind of halogen gas was changed.

実施例1と同様な原料、窒化供試体及び充てん量で、第
5表に示す窒化条件を用いて加熱窒化した。ハロゲンガ
スの導入方法については実施例1と同様に行った。な
お、実施例12についてはハロゲンガスの導入温度を1,15
0〜1,350℃とした。また、実施例17についてはハロゲン
ガスの導入方法を別の炉からではなく、同一炉内の窒化
供試体の傍に固体のCaF2を成形し置き、昇華させながら
窒化を行った。比較例5についてはハロゲンガスの導入
は行わなかった。
The same raw material, nitriding sample, and filling amount as in Example 1 were used and the heat nitriding was performed under the nitriding conditions shown in Table 5. The method of introducing the halogen gas was the same as in Example 1. For Example 12, the halogen gas introduction temperature was set to 1,15
The temperature was 0 to 1,350 ° C. In addition, in Example 17, the method of introducing the halogen gas was not from another furnace, but solid CaF 2 was molded and placed beside the nitriding specimen in the same furnace, and nitriding was performed while sublimating. Regarding Comparative Example 5, introduction of halogen gas was not performed.

得られた窒化ケイ素は実施例1と同様な方法で湿式粉砕
し、窒化ケイ素粉末を得た。得られた粉体特性を第5表
に示す。
The obtained silicon nitride was wet-ground in the same manner as in Example 1 to obtain a silicon nitride powder. The powder characteristics obtained are shown in Table 5.

得られた窒化ケイ素粉末は実施例1と同様な方法で焼結
(焼結助剤はY2O3=5%、Al2O3=2%を用い、1750℃
×6Hrの常圧焼結)を行い、焼結体を製造し、評価し
た。その結果を第5表に示す。
The obtained silicon nitride powder was sintered in the same manner as in Example 1 (using a sintering aid of Y 2 O 3 = 5% and Al 2 O 3 = 2% at 1750 ° C.
X6 Hr normal pressure sintering) was performed to manufacture and evaluate a sintered body. The results are shown in Table 5.

〔発明の効果〕 本発明により製造された窒化ケイ素粉末は、微粉が少な
く且つ適当に酸素を含有しているのでいかなる焼結助剤
においても、焼結性が非常に優れると共にβ柱状晶も適
当に大きく、高温強度が発現する。
[Effects of the Invention] The silicon nitride powder produced according to the present invention has a small amount of fine powder and appropriately contains oxygen. Therefore, even if any sintering aid is used, the sinterability is very excellent and β-columnar crystals are also suitable. Very high, high temperature strength is developed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図、第2図、第3図は実施例1、比較例1、比較例
3で得られた窒化ケイ素の粒子構造を示す倍率3500倍の
SEM写真である。
1, 2 and 3 show the grain structure of the silicon nitride obtained in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 3 at a magnification of 3500 times.
It is a SEM photograph.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−69759(JP,A) 特開 昭62−182163(JP,A) 特開 昭54−22000(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (56) Reference JP-A-63-69759 (JP, A) JP-A-62-182163 (JP, A) JP-A-54-22000 (JP, A)

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】窒素及び/又はアンモニアを含む雰囲気中
で金属ケイ素粉末を窒化して窒化ケイ素を製造する方法
において、原料として金属ケイ素100重量部に対し酸化
ケイ素を1〜5重量部含有したものを用い、しかもアル
カリ金属ハロゲン化物及びアルカリ土類金属ハロゲン化
物よりなる群から選択したハロゲン化物の少なくとも1
種を、気体の状態で連続的に、間欠的又は一時的の供給
して窒化することを特徴とする窒化ケイ素粉末の製造方
法。
1. A method for producing silicon nitride by nitriding metal silicon powder in an atmosphere containing nitrogen and / or ammonia, wherein 1 to 5 parts by weight of silicon oxide is contained as a raw material with respect to 100 parts by weight of metal silicon. And at least one of the halides selected from the group consisting of alkali metal halides and alkaline earth metal halides.
A method for producing a silicon nitride powder, which comprises nitriding a seed in a gas state continuously, intermittently or temporarily.
【請求項2】ハロゲン化物がカルシウム又はマグネシウ
ムのフッ化物であることを特徴とする請求項1記載の窒
化ケイ素粉末の製造方法。
2. The method for producing a silicon nitride powder according to claim 1, wherein the halide is a fluoride of calcium or magnesium.
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