JPH08175811A - 高α型窒化ケイ素の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 金属ケイ素をトンネル型の窒化炉内をその入
口端から出口端に向けて搬送すると共に、この炉内に窒
素源を含む反応ガスを導入し、上記金属ケイ素を直接窒
化して連続的に窒化ケイ素を製造する方法において、上
記反応ガスを上記金属ケイ素の搬送方向と同一方向に沿
ってトンネル内を流れるようにトンネル内に導入し、か
つトンネル内から排出することを特徴とする高α型窒化
ケイ素の製造方法を提供する。この場合、反応ガスを上
記窒化炉入口端又はその近傍から導入すると共に、上記
窒化炉の金属ケイ素が窒化反応を開始する温度より高温
となる領域に対応する箇所から導入することが好適であ
る。 【効果】 α型の含有比率の高い窒化ケイ素を効率よく
連続的に製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、α型の含有比率が高い
窒化ケイ素粉末を効率よく製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
窒化ケイ素はその優れた耐熱性、高強度、耐食性等の特
性が注目されているが、その製品化には窒化ケイ素の持
つ上記の優れた特性を損なわずに各種形状に成形焼結す
る必要がある。ここで、窒化ケイ素の結晶型にはα型と
β型があり、このうちβ型は焼結性がα型より劣るとさ
れているので、窒化ケイ素の特性を損なわずに焼結する
にはできる限りα型の比率が高いことが望ましい。

【０００３】ところで、従来より、金属ケイ素と窒素源
を含む反応ガスとの反応による窒化ケイ素の製造方法と
してトンネル型プッシャー炉等の連続炉を使用して連続
的に窒化を行う方法が知られており、この方法において
は特開昭５８−８８１０７号公報に記載されているよう
に、反応ガスの導入及び排出を炉内を金属ケイ素が搬送
される方向とは逆の向流となるように流通させることが
行われていた。この反応ガスの向流による窒化は、炉内
において窒化反応の後期となる炉の出口付近で窒素濃度
の高いガスが供給されることによる未反応Ｓｉの低減
と、炉外に排出される生成窒化ケイ素が持ち去る熱によ
り反応ガスを予熱することで熱効率を向上させるという
利点があった。

【０００４】しかしながら、炉内で金属ケイ素が反応を
開始する部分に炉内の最高温部分で予熱されたガスが供
給されるために急激な窒化反応が起こり、蓄積した反応
熱により高温安定型のβ型窒化ケイ素粉末の含有量が増
加し、結果としてα型の含有比率の高い窒化ケイ素粉末
の製造が困難であった。このため、β型窒化ケイ素の生
成を抑制するために、金属ケイ素の仕込み量を減らし、
蓄積する反応熱を減少させる方法が一般的に行われてい
るが、該方法では高α型窒化ケイ素粉末の生産性を著し
く低下させるという問題があった。

【０００５】本発明は、上記事情に鑑みなされたもの
で、高α型窒化ケイ素粉末を生産性を損なうことなく効
率的に製造できる実用的な高α型窒化ケイ素の製造方法
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明者は、上
記目的を達成するため、金属ケイ素粉末をトンネル型の
窒化炉内を搬送することにより連続的に窒化を行う窒化
ケイ素の製造方法において、反応ガスの導入、排出する
方向について鋭意検討を行った結果、該反応ガスを金属
ケイ素の搬送される方向と並行に導入、排出することに
より、α型の含有比率が高い窒化ケイ素粉末が得られる
ことを見い出した。

【０００７】即ち、金属ケイ素粉末をトンネル型の炉内
を搬送することにより連続的に窒化を行う窒化ケイ素の
製造方法において、反応ガスの流れる方向を原料である
金属ケイ素が搬送される方向と同方向としたことによ
り、反応開始時には金属ケイ素に低温のガスが供給され
て急激な窒化反応の開始を抑制し、反応ガスの顕熱によ
る除熱効果から金属原料内に反応熱が蓄積することを効
果的に防止することができ、α型窒化ケイ素を有利に製
造し得ることを知見した。この場合、反応ガスを窒化炉
の入口端又はその近傍から導入すると共に、更に窒化炉
の金属ケイ素が窒化反応を開始する温度より高温となる
領域に対応する箇所から反応ガスを導入することによ
り、反応後期となる炉の高温部に窒素濃度の高い反応ガ
スを供給することができ、これによって未反応ケイ素を
低減し得ることを知見し、本発明をなすに至った。

【０００８】従って、本発明は、金属ケイ素をトンネル
型の窒化炉内をその入口端から出口端に向けて搬送する
と共に、この炉内に窒素源を含む反応ガスを導入し、上
記金属ケイ素を直接窒化して連続的に窒化ケイ素を製造
する方法において、上記反応ガスを上記金属ケイ素の搬
送方向と同一方向に沿ってトンネル内を流れるようにト
ンネル内に導入し、かつトンネル内から排出することを
特徴とする高α型窒化ケイ素の製造方法を提供する。こ
の場合、反応ガスを上記窒化炉入口端又はその近傍から
導入すると共に、上記窒化炉の金属ケイ素が窒化反応を
開始する温度より高温となる領域に対応する箇所から導
入することが好適である。

【０００９】以下、本発明につき更に詳しく説明する
と、本発明の窒化ケイ素の製造方法は、金属ケイ素をト
ンネル型の窒化炉内をその入口端から出口端に向けて搬
送しながら、これと同方向に窒素源を含む反応ガスを流
し、金属ケイ素を連続的に直接窒化させるものである。
この場合、窒化炉としては、プッシャー炉などの公知の
ものが用いられる。また、原料となる金属ケイ素は容器
内に金属ケイ素粉末を充填した状態でもよく、所定の形
状にあらかじめ成形したものを用いてもよい。なお、金
属ケイ素粉末の平均粒子径は、１００μｍ以下、好まし
くは５０μｍ以下であるものが好適である。平均粒子径
が１００μｍより大きくなると粒子内部にまで窒化が進
行しにくい場合が生じる。

【００１０】上記金属ケイ素には、窒化用触媒、例え
ば、銅やカルシウム等の金属又はその化合物などを添加
しても差支えなく、また窒化ケイ素を添加してもよい。

【００１１】一方、金属ケイ素の窒化に使用する反応ガ
スとしては、窒素源、例えば窒素、アンモニア等を含む
公知の反応ガスが使用し得、窒素ガス単独、窒素−水素
の混合ガスなどが好適に用いられ、また、これにアルゴ
ンなどの不活性ガスを加えてもよい。

【００１２】本発明において、上記反応ガスは、窒化炉
内を金属ケイ素原料の搬送方向と同方向に流れるように
導入し、かつ排出させるものであり、これにより反応開
始時には低温のガスが供給されて急激な窒化反応の開始
を抑制することができると共に、低温のガスが供給され
ることにより反応ガスの顕熱による除熱効果が生じ、金
属原料内に反応熱が蓄積することが抑制される。

【００１３】この場合、反応ガスの導入場所は、炉の入
口端又はその近傍とすることが有効であり、更に炉の入
口端又はその近傍から反応ガスを導入すると共に、炉内
の温度分布において金属ケイ素が反応を開始する温度よ
り炉内温度が高くなる領域、特に反応開始温度＋５０℃
以上の温度となる領域（高温部）に対応する箇所からも
反応ガスを導入することが好ましい。これにより、炉の
入り口付近からは窒素分圧の低いガスを供給でき、高温
部からは窒素分圧の高いガスを供給することができ、反
応初期の反応速度を抑え、高温部において窒素分圧の高
いガスにより未反応Ｓｉを除去することができ、α型の
含有比率が高い窒化ケイ素粉末を得ることができる。

【００１４】また、本発明に従って金属ケイ素を窒化す
る場合、トンネル型炉内の温度設定は、最高温度が１２
００〜１４４０℃、より好ましくは１３００〜１４００
℃である。最高温度が１２００℃より低いと未反応Ｓｉ
が最終製品に残留する場合があり、１４４０℃より高い
と未反応Ｓｉの溶融による表面積の低下で、やはり最終
製品中にＳｉが残留する場合がある。

【００１５】更に、原料である金属ケイ素の窒化を開始
する温度から該温度＋５０℃までの温度範囲における平
均昇温速度が２０℃／ｈｒ以下、より好ましくは５〜１
０℃／ｈｒとすることが好適である。昇温温度が２０℃
／ｈｒより高くなると窒化反応の抑制が困難となり、得
られる窒化ケイ素中のβ型窒化ケイ素含有量が増大す
る。

【００１６】その他の窒化条件としては公知の条件を採
用することができ、例えば、金属ケイ素の搬送速度、仕
込量、仕込高などは公知の方法に従うことができる。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、α型の含有比率の高い
窒化ケイ素を効率よく連続的に製造することができる。

【００１８】

【実施例】以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体
的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるも
のではない。

【００１９】［実施例１］平均粒子径２０μｍの金属ケ
イ素粉末に窒化ケイ素粉末を２０重量％と触媒として銅
を０．３重量％添加し、混合した後に１００×１００×
５０ｍｍのブロック状に成形したものを原料とした。こ
の原料が窒素−水素の混合ガス中で窒化を開始する温度
を測定したところ、１２１０℃で窒化反応を開始した。
次に、原料を窒化ケイ素製の容器に収納し、最高温度を
１４００℃に設定したトンネル型プッシャー炉内を１２
００℃以上での平均昇温速度が１０℃／ｈｒとなるよう
に原料を搬送した。このとき、反応ガスとして、窒素ガ
ス：水素ガス＝８：２の混合比（容積比）のガスを炉の
入り口付近から導入し、出口付近から排出することによ
り、炉内を原料が搬送される方向と並行に同一方向に流
れるようにした。

【００２０】得られた窒化ケイ素ブロックを解砕し、Ｘ
線回折によりα型窒化ケイ素の比率と未反応Ｓｉの含有
量を測定した。

【００２１】［実施例２］実施例１で使用した金属ケイ
素ブロックと同様に作成した原料を最高温度を１４００
℃に設定したトンネル炉内を１２００℃以上での昇温速
度が１０℃／ｈｒとなるように原料を搬送した。このと
き、反応ガスとして、窒素ガス：水素ガス＝１：１の混
合比（容積比）のガスを炉の入り口付近、及び窒素単独
のガスを炉内温度が１３００℃となる部分から導入し、
出口付近から排出することにより、炉内を原料が搬送さ
れる方向と並行に同一方向に流れるようにした。

【００２２】得られた窒化ケイ素ブロックを解砕し、Ｘ
線回折によりα型窒化ケイ素の比率と未反応Ｓｉの含有
量を測定した。

【００２３】［実施例３］平均粒子径２０μｍの金属ケ
イ素粉末に窒化ケイ素粉末を２０重量％添加し、混合し
た後に１００×１００×５０ｍｍのブロック状に成形し
たものを原料とした。この原料が窒素−水素の混合ガス
中で窒化を開始する温度を測定したところ、１２３０℃
で窒化反応を開始した。次に原料を窒化ケイ素製の容器
に収納し、最高温度を１４００℃に設定したトンネル型
プッシャー炉内を１２００℃以上での平均昇温速度が１
０℃／ｈｒとなるように原料を搬送した。このとき、反
応ガスとして、窒素ガス：水素ガス＝８：２の混合比
（容積比）のガスを炉の入り口付近から導入し、出口付
近から排出することにより、炉内を原料が搬送される方
向と並行に同一方向に流れるようにした。

【００２４】得られた窒化ケイ素ブロックを解砕し、Ｘ
線回折によりα型窒化ケイ素の比率と未反応Ｓｉの含有
量を測定した。

【００２５】［比較例１］実施例１と同様に作成した原
料ブロックを最高温度が１４００℃に設定したトンネル
炉内を１２００℃以上での平均昇温速度が１０℃／ｈｒ
となるように原料を搬送した。このとき、反応ガスとし
て、窒素ガス：水素ガス＝８：２の混合比（容積比）の
ガスを炉の出口付近から導入し、入り口付近から排出す
ることにより、炉内を原料が搬送される方向と逆方向に
流れるようにした。

【００２６】得られた窒化ケイ素ブロックを解砕し、Ｘ
線回折によりα型窒化ケイ素の比率と未反応Ｓｉの含有
量を測定した。

【００２７】［比較例２］実施例１と同様に作成した原
料ブロックを最高温度が１４００℃に設定したトンネル
炉内を１２００℃以上での平均昇温速度が５０℃／ｈｒ
となるように原料を搬送した。このとき、反応ガスとし
て、窒素ガス：水素ガス＝８：２の混合比（容積比）の
ガスを炉の出口付近から導入し、入り口付近から排出す
ることにより、炉内を原料が搬送される方向と逆方向に
流れるようにした。

【００２８】得られた窒化ケイ素ブロックを解砕し、Ｘ
線回折によりα型窒化ケイ素の比率と未反応Ｓｉの含有
量を測定した。

【００２９】上記実施例１，２，３及び比較例１，２の
測定結果を表１に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１の結果から、本発明の製造方法によれ
ば、α化率が高い窒化ケイ素粉末が得られることが認め
られた。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 進藤 敏彦 群馬県安中市磯部２丁目13番１号 信越化 学工業株式会社精密機能材料研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属ケイ素をトンネル型の窒化炉内をそ
   の入口端から出口端に向けて搬送すると共に、この炉内
   に窒素源を含む反応ガスを導入し、上記金属ケイ素を直
   接窒化して連続的に窒化ケイ素を製造する方法におい
   て、上記反応ガスを上記金属ケイ素の搬送方向と同一方
   向に沿ってトンネル内を流れるようにトンネル内に導入
   し、かつトンネル内から排出することを特徴とする高α
   型窒化ケイ素の製造方法。
2. 【請求項２】 反応ガスを上記窒化炉入口端又はその近
   傍から導入すると共に、上記窒化炉の金属ケイ素が窒化
   反応を開始する温度より高温となる領域に対応する箇所
   から導入するようにした請求項１記載の製造方法。
3. 【請求項３】 金属ケイ素の窒化反応の開始温度からこ
   の開始温度＋５０℃までの領域の平均昇温温度を２０℃
   ／ｈｒ以下とした請求項１又は２記載の製造方法。