JPS60151273A - セラミツク被膜付き金属化合物の微粉末の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明はセラミック被膜付き金属化合物の微粉末の製造
方法に関する。

本発明により得られた金属化合物の微粉末は、焼結材料
等に好適である。

〔従来技術〕

窒化ケイ素等の金属化合物粉末を用いて焼結を行う場合
、金属化合物粉末のみでは焼結を円滑に進めることはで
きない。そのため、従来は金属化合物粉末に酸化イツト
リウム、酸化アルミニウム等の焼結助剤を添加している
。

ところで、焼結を円滑に進めるに当たっては、」二記金
属化合物粉末と焼結助剤を均一に混合し、お互いの接触
面積を大きくすることが望ましい。

しかしながら、金属化合物粉末と焼結助剤は共に粉末で
あるため、実質的に均一に混合するのは困ゲＩＥであり
、混合の均一性の程度により焼結体の強度が十分でない
という問題がある。

また、従来は金属化合物の粉末の粒径が大きく、焼結体
とし−どの強度が十分上がらないという問題がる。

〔発明のＬＩ的〕

本発明もよ、−ヒ記従来技術の問題を解決するためにな
されたもので、粒径が非常に小さく、かつ実質的に均〜
である金属化合物の微粉末の表面にセラミック被膜が均
一に何着したセラミック被膜イ」き金属化合物の微粉末
を高合成率で製造することのできる方法を提供すること
を目的とする。

〔発明の構成〕 かかる目的は、本発明によれば、金属化合物を構成する
少な（とも一つの金属と、この金属のキャリヤガスとを
含む気体状混合物を、５０〜２０００ｍ／秒の速度で、
前記金属の融点の８割以下の／Ｉμ度とされた前記金属
化合物を構成する他の元素もしくは他の元素を含む気体
雰囲気中に噴出させることにより、前記金属と他の元素
を急冷させつつ反応さセで金属化合物の微粉末を製造し
、続いてこの金属化合物の微粉末を他の金属蒸気または
他の金属化合物蒸気中を通ずことによって金属化合物の
表面にセラミックを被覆することを特徴とするセラミン
ク被膜付き金属化合物の微粉末の製造方法によって達成
される。

本発明による製造方法に於ける金属化合物を構成すべき
金属および他の元素は、互いに化合する任意の金属およ
び元素の組合わせであってよいが、特に金属としてはケ
イ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウムなど、若し
くはそれらの組合わせが好ましい。

また、他の元素としては窒素、炭素、酸素、更には他の
金泥元素（この場合得られる金属化合物は金属間化合物
となる）を用いることができる。

またこの場合、気体状混合物の一部をなす他の元素は、
その元素自体よりなる気体のみならず当該元素を含みそ
の元素を分離し得る物質より生成したものでもよい。例
えば他の元素が窒素である場合には、窒素ガスのみなら
ず、アンモニアの如き物質を使用することができ、また
他の元素が炭素である場合には、メタン、エタン、プロ
パン等の低級脂肪族炭化水素を用いることができる。

金属化合物の微粉末の表面に被覆される他の金属または
他の金属化合物は、焼結助剤としての働きを期待するも
のであり、イツトリウム、アルミニウム、マグネシウム
や塩化イツトリウム、塩化アルミニウム等を用いること
ができる。

本発明において、キャリヤガスは金属を円滑に運搬する
と共に、炉内の圧力を所定の値に調整するのに用いられ
る。このキャリヤガスとしては、アルゴン等の不活性ガ
スを用いることができるが、金属化合物を構成する他の
元素もしくは他の元素を含む気体を用いるごともできる
。なお、キャリヤガスとして他の元素もしくは他の元素
を含む気体を用いた場合には、この他の元素は一部金属
と反応するため、より合成率を高めることができる。

また、得られた金属化合物の微粉末に他の金属または金
属化合物を被覆させる室には、温度と圧力を所定値に保
つよう窒素、アルゴン等の不活性ガスを導入するのが望
ましい。

本発明において、急冷前の金属とキャリヤガスとを含む
気体状混合物は、例えば窒化ケイ素の微粉末を製造する
場合には、温度は実質的に２０００゛Ｃ以上で、かつそ
の圧力は１０−′気圧以下であることが望ましい。すな
わち、金属が范気として安定的に存在できる温度、気圧
にすることが必要である。

この気体状混合物を、金属化合物を構成する他の元素も
しくは他の元素を含む気体雰囲気中に噴出させ、急冷差
させつつ金属と他の元素を反ｊ、ｒ−１させる。本発明
において、気体状混合物の急冷は、実質的に他の元素も
しくは他の元素を含む気体で行う。また気体状混合物を
噴出させるノズルの形状も大きく寄与する。すなわら、
ノズルとして末広ノズルを用いた場合には、その急冷’
Ｊノ果は太きい。

惣、冷を他の元素もしくは他の元素を含む気体で行うた
めには、この他の元素もしくは他の元素を含む気体の温
度を気体状混合物より低塩にする必要がある。この場合
、温度は金属化合物を構成する金属の融点の８割り下に
することが望ましい。

急冷を行うと共に、金属と他の元素を反応させるために
、気体状混合物は５０〜２０００ｍ／秒の速度で他の元
素もしくは他の元素を含む気体雰囲気中に噴出すること
が必要である。このとき、噴出速度が速すぎると、七分
反応が行われず合成率が低くなる。合成率を高めるため
には、噴出速度を５０〜８００ｍ／秒とするのがより望
ましい。

また、得られた金属化合物の微粉末に他の金属または他
の金属化合物を被覆させるには、金完化合物の微粉末を
８００℃〜１１００°Ｃに加熱することが必要である。

このとき、温度が低いと被覆層が形成されない。

以」二の如く、本発明によるセラミック被膜付き金属化
合物の微粉末の製造方法は金属化合物を構成すべき少な
くとも一つの金属を他の元素もしくは他の元素を含む気
体中に噴出さ−Ｕつつそれらを反応させ、得られた金属
化合物の微粉末にセラミ２り被膜を付着さ゛せることを
最大の特徴とするものである。

次に、気体状混合物を急冷することが非常に微細な金属
化合物粉末を得る上で如何に有効であるかについて、金
属ケイ素蔑気と窒素ガスとより窒化ケイ素の微わ）末を
製造する場合について説明する。

金属ケイ素は比較的気化しにくい金属であり、２０００
℃の温度に於ても０．５　Ｔｏｒｒ　（６，６Ｘ　１０
−４気圧）の平衡蒸気圧しか有していない。従って、金
属ケイ素を２０００°Ｃ以上の温度に加熱して得られる
金属ケイ素蒸気をもちいて窒化ケイ素の微粉末を製造す
る方法は、従来の方法に比して熱エネルギ的には得策で
はない。しかし、金属ケイ素蒸気を急冷することにより
、金属ケイ素はその蒸気の状態から固体に迅速に転換さ
れるので、本発明による方法によれば、０．０１μｍ程
度と非當に微細でありかつその粒径が実質的に均一であ
る金属化合物の微粉末を得ることができる。これに対し
従来の気相反応などを利用した方法に方今では、このよ
うに微細で均一な金属化合物粉末を得ることができない
。すなわち、金属ケイ素および窒素ガスは９００〜１７
００℃程度の比較的低し）温度に於て反応して窒化ケイ
素となり、この窒化ゲイ素は」二連の温度範囲に於て安
定である。従って、例えば９００〜１７００“Ｃの温度
に於て金属ケイ素発生ガス（シランガス（ＳｉＨ、）な
ど、と窒素発生ガス（アンモニアガス（ＮＨ，）など）
との気相反応により窒化ケイ素を製造する場合Ｇこは、
金属ケイ素と窒素ガスとが化合して固体の窒化ゲイ素と
なる方向に容易に反応が進行して、極めて短時間のうぢ
に窒化ケイ素粒が成長し、粗大粒となってしまう。

次に、気体状混合物を急冷する手段として、いかなる冷
却手段が適切であるかについて説明する。

本発明においては、冷却については他の元素もしくは他
の元素を含む気体の温度が大きく寄与する。気体状混合
物はこの他の元素もしくは他の元素を含む気体により急
冷される。一方、気体状混合物は、他の元素もしくは他
の元素を含む気体と接触する前に、気ＩＥの差によりノ
ズルを介して他の元素もしくは他の元素を含む気体に噴
出されることによっても急冷される。このとき、ノズル
として第１図に示す如き細管を用いる場合は、第２図に
示す末広ノズル（ラバール　ノズル）を用いる場合とで
は、冷却速度に大きな差が生しる。すなわぢ、細管を用
いた場合は、噴出速度は５０〜８８０ｍ／秒となる。従
って、急冷という点に関しては末広ノズルを用いた方が
効果は大きいが、本発明においては冷却速度があまり大
き過ぎると金属と他の元素もしくは他の元素を含む気体
が充分反応を行う余裕がなくなるため、例えば、窒化ケ
イ素の微粉末を製造する場合には、末広ノズノ３．・よ
りも細管を用いた方が合成率が高い。

次に、気体状混合物の急冷前後、すなわち、断熱膨張前
後に於ける温度および圧力条件としては如何なる条件が
適切であるかについて、窒化ケイ素の微粉末を製造する
場合を例にとり説明する。

如何なる温度および圧力条件下に於て窒化ケイ素が分解
しまたは化合状態に留まるカ弓号へカ学の第二法則に従
う。ずなわら、金属ケイ素遊気と窒素ガスとの化合反応
は下記の式（１）にて表される。

：３　（Ｓｉ）　＋２　（Ｎ　、）　：ゴ（ｓｌｌ　Ｎ
　ａ　）−−−（１） この反応（１）の自由エイ、ルギ変化Δドは下記の式（
２）または式（３）に−０表される。

ΔＦ−△Ｆ、４−　ＲＴ］　ｎ　’ （１°・〕ノ　）′・　（１：“ｒｌ・）′（２） △Ｆｏ二標ｌＶ自山エネルギ変化 Ｒ：ガス定数 １”　ニー１．債度　（”’Ｋ） ［匂、１　：金属ケイ素荘気の分圧 ＰＩ・＋２：窒素ガスの分圧 ΔＦ　−−４９５８５３−７，７５５’ｒＩｏｇＴ　＋
　２（１５，２２Ｔ−４，５７５ゴＸ　（３ＩｏＲＰｓ
］、＋　２　ｌｏｇ　Ｐ＋ｑ。

−（３） の窒化ケイ素が安定であり、ΔＦが正の場合には気体と
しての金属ケイ素蒸気および窒素ガスが安定である。

第３図は窒素ガス分圧（２間、）が１０−２気圧（７，
６Ｔ　ｏｒｒ）の場合の窒化ケイ素が安定である領域と
金、光ケイ素蒸気および窒素ガスが気体として安定であ
る領域を示す反応状態図である。この第２図より、１ｏ
−２気圧程度の真空下に於ては、塩度が２０００℃以上
の場合に金属ケイ素蒸気および窒素ガスの方が窒化ケイ
素によりも安定であることが解る。

従って、本発明による金属化合物の微粉末の製造方法に
於ては、金属蒸気の安定領域に於て金属蒸気とキャリヤ
ガスとを混合し、その気体くに混合物をノズルを介して
低温の他の元素もしくは他の元素を含む気体中に噴出す
ることにより急冷して反応させ、更に粒成長させずに冷
却し続りることが望ましいことが判る。

〔発明の作用〕

本発明においては、金属とキャリートガスの気体状混合
物を所定の速度で他の元素もしくは他の元素を含む気体
に噴出させるため、気体状混合物はノズルを通過するご
とによる断熱膨張と低温の他の元素もしくは（叶の元素
を含む気体との接触により、金属と他の元素が反応する
温度範囲まで急冷され、そこで反応が行われるとともに
、その後更に金属化合物が安定に存在する領域まで急冷
される。

続いて、得られた金属化合物の＠粉末は分解しない、所
定の温度まで加熱された後、他の金属蒸気または他の金
属化合物蒸気中に噴出され、表面に他の金属または金属
化合物を付着させた状態で細管またはラバール管を通過
することＧこより急冷され、引続き表面の酸化、安定化
が行われる。これにより、セラミック被膜付き金属化合
物の微粉末が得られる。

〔発明の効果〕

本発明は以」二の如く構成されるため、以下の効果を奏
する。

（イ）気体状混合物を構成する金属蒸気はノズルを通過
する際の自己断熱膨張および他の元素との接触によって
ん、その気体状態に於りる大きさのまま固体の微粉末に
急冷され、またこれと同時に金属化合物を構成すべき他
の元素と反応するので、粒径が極めて小さく、かつ粒径
が実質的に均一であるセラミック被膜付き金属化合物の
微粉末を得ることができる。

（ロ）蒸気はノズルおよび他の元素もしくは他の元素を
含む気体との接触によって気相状態より固相状態に迅速
かつ連続的に転換されるので、高純度のセラミック被膜
付き金属化合物を能率良く連続的に製造することができ
る。

（ハ）気体状混合物を反応させる他の元素もしくは他の
元素を含む気体に噴出させることおよび適宜な冷却速度
を得るごとにより、セラミック被膜イ」き金属化合物の
合成率が大幅に向上する。

（ニ）得られたセラミック被膜付き金属化合物の微粉末
は、表面にセラミック被膜が形成されているため、内部
の金属化合物の変質が防止でき、か一つ取扱いが容易と
なる。

（ボ）ｉＵられたセラミック被膜付き金属化合物の１′
、”’に粉末は、焼結助剤が表面に均一に（＝１着して
いるため焼結性が良く、高強度の焼結体が得られる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面を参考にして説明する。

〔第１実施例〕 第４図は本発明の第１実施例に用いたセラミック被膜付
き金属化合物の微粉末の製造装置を示す概略構成図であ
る。

図中、ｌは実質的に密閉の容器をなす炉殻を示しており
、この炉殻１内は仕切壁２．３．４により上下４室５．
６．７．８に分割されている。第１の室５内には、第１
のるつぼ９が配置されている。第１のるりはっはキャリ
ートガス導入ボート１０を有するガス予熱室１１と、こ
のガス予熱室１１と連通ずる混合室１２とを有している
。第１のるつは９の周りには、ガス予熱室１１および混
合室１２内を所定の温度′■゛、に署１持する第１のヒ
ータ１３が配置されており、ごの第１のし−タ１３によ
り混合室１２内に装入された金属が溶削；されて金属溶
／Ａ１４とされ、更には金属苺気として気化されるよう
になっている。

この第１のるつは９の底壁には、ごの底壁および仕切壁
２を貫通して、混合室】２と第２の室６を連通ずるφ７
ｍｍの第１の細管１５が設けられている。また、第２の
室６には、この第１の細管１５と直交する向きに金属化
合物を構成する他の元素もしくは他の元素を含む気体を
第２の室６内に導入する反応ガス導入管１６が取り付け
られており、この反応ガス導入管１６は、図示しないホ
ンへ等に接続されている。

第２の室６と第３の室７ば、第２の細＠１７により連通
されている。この第２の細＠１７の直下には第２のるつ
ぼ１Ｂが設けられており、内部には金属または金属化合
物が装置Ｉ五されている。また、第２の細管１７および
第２のるつぼ１８の周りには、それぞれ第２のヒータ１
９、第３のヒータ２０が取り付けられており、第２の細
管１７および第２のるつけ１８内を加ｇＩハ可能とされ
る。また、第３の室７には、窒素、アルゴン等の不活性
ガス不活４ＩＪガス導入管２１が取りイ旧ノられてお勺
、図示しないボンへ等に接続されている。更に、第２の
るつは１８の底部と第４の室８を連通して第３の却１〒
（２２が設りられている。

また、第４の室８の底部で第３の細管２２の直下には、
合成されたセラミック被膜付き金属化合物の微粉末を捕
集する捕集管２３が設けられている。この捕集管２３は
ＩＰＩ製のパイプからなり、内８１３１こば冷却水が通
されている。

また、第４の室８には、酸素導入管２４が取り付りられ
ている。

更に、第４の室８の一部は図示しない真空ポンプ等の１
）１気手段に接続されている。この真空ポンプにより第
２の室６および混合室１２内がそれぞれＰ２および））
、の所定圧力に減圧される。なお、第３の室７は不活性
ガスにより第２の室６より３〜５　＝ｌ’　ｏ　ｒ　ｒ
低く設定される。

かかる構成のセラミック被膜付き金属化合物の微粉末の
製造装置を用いて、以下の要領にて酸化イソ１−リウム
被股イマ１き窒化ケイ素の微粉末を製造した。

まず、金属ケイ素を混合室１２内に装入し、炉壁１内を
真空ポンプにより１０−２Ｔｏｒｒ　（１，３Ｘ１０−
５気圧）程度まで減圧する。続いて、キャリヤガス導入
ボート１０から窒素ガスをガス予熱室１１を経て混合室
１２内へ導入し、同時に第１の七−り１３により炉殻１
内に収容された第１のるつぼ９を急速加熱し、混合室１
２内の温度′１゛、を約２２００℃とした。これにより
金属ケイ素は溶削：してケイ素／８湯１４を形成した。

また、窒素ガス導入量を５ＩＶ、／ｍｉｎに制御して混
合室８内の圧力Ｐ、を約１５　Ｔｏｒｒ　（２Ｘ　１０
−’気圧）にＡ１７Ｊ　ｆ７した。

一方、第２省室６には反応ガス導入管１６を介して第１
の細管１５と直交する向きに常温のアンモニアガス（Ｎ
Ｈ，）を１２ｇ／ｍｉｎの割合で導入し、下室４内圧力
を約８Ｔｏ　ｒ　ｒ　（１，Ｉ　Ｘ　１０−２気圧）と
した。

また、第２のるつは１８には塩化イツトリウム粉末が装
入されており、第３のヒータ２０により８００°Ｃ〜１
１００″（゛に加りハされ、蒸気化されている。そし゛
Ｃ１約１０００°Ｃに加熱したアルゴンガスを不活性ガ
ス導入管２１より導入し、第３の室７を第２の室６より
５　Ｔｏ　ｒ　ｒ程低くした。

更に、第４の室８において、酸素導入管２４から酸素を
イｊ（給した。

この結果、混合室１２内で形成させたケイ素蒸気と窒素
ガスの気体状混合物は、混合室１２内と第２の室６内の
圧力の差によって、第１の細管１５を通って第２の室６
に噴出した、このとき、噴出した気体状混合物は、ケイ
素蒸気を約１８／ｍｉｎを含ｚｌ、噴出直後には１８０
０°Ｃまで冷ＪλＤされる。この気体状混合物は、アン
モニアガスと接触して更に急冷され、窒化ケイ素の微粉
末となり、アンモニアガスにより更に急冷し続４Ｊられ
る。

この窒化ケイ素の微粉末は、第２のヒータ１９により加
鼾目イＪ、つつ第２の細管１７を通って第３の室７に噴
出される。そこで、分解したイアトリイツトリウムが（
，１着した窒化ケイ素の微粉末は、第３の細管２２を通
って第４の室８に噴出され、酸素による酸化および安定
化が行われつつ捕集管２３に付着した。

反応終了後、捕集管２３に付着した合成粉を採集し、内
容を調査した。この結果、この合成粉のうちの７０％が
酸化イツトリウム被ＩＱ付き窒化ケイ素であり、合成率
が７０％であることが判明し７た。また、得られた窒化
ケイ素の微粉末の平均粒径は］００人であり、表面には
均一に酸化イツトリウム被膜がイリ着していた。

〔第２実施例〕 第１の実施例と同じセラミ’７り被膜付き金属化合物の
微粉末の製造装置を用い酸化アルミニウム被膜付き窒化
ケイ素の微粉末を製造した。第２実施例では、他の金属
化合物として第１実施例の塩化イツトリウムの替わりに
塩化アルミニウムを用いたことを叶き、他は第１実施例
と同し条件で酸化アルミニウム被膜付き窒化ケイ素の微
粉末を製造した。

この結果（ηられた窒化ケイ素の微粉末は、平均粒径が
１００人で、合成率は７０％であり、表面には酸化アル
ミニウムが均一に（＝Ｊ着していた。

〔第３実施例〕 第１の実施例と同しセラミック被膜付き金属化合物の微
粉末製造装置を用い酸化マグネシウム被ＩｒＡ付き窒化
う−イ素の微粉末を製造した。第３実施例では、他の金
属として第１実施例の塩化イツトリウムの替わりに金属
マグネシウムを用いたことを除き、他は第１実施例と同
じ条件で酸化マグネシウム被膜（＝Ｊき窒化ケイ素の微
粉末を製造した。

この結果得られた酸化マグネシウム被Ｉｔシイ−ｊき窒
化ケイ率の微粉末は、平均粒径が１００人で、合成率は
６８％であり、表面には酸化マグネシウムが均一にイリ
着していた。

以」二においては、本発明をセラミック被膜付き窒化ケ
イ素の微第５）末の製造に関する特定の実施例について
説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではなく、例えば炭化ケイ素、窒化アルミニウムや炭化
チタンの如き他の種々の金属化合物の微粉末にセラミッ
ク被膜が（＝Ｊ着したものを製造する場合についても通
用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる細管の一例を示す断面図、 第３図は窒素ガス分圧が１０−２気圧の場合の、窒化ケ
イ素が安定である領域と金属ケイ素蒸気および窒素ガス
が気体として安定である領域を示す反応状態ヌ１、 第４図は本発明の第１実施例〜第３実施例に用いた金属
化合物敬重５）未製造装置を示す概略構成図である。 １−−−一炉殻 ２．３．４−・・−仕切壁 ５−−−一第１の室 ６−−−−第２の室 ７−・−一一第３の室 ８　第４の室 ９　第１のるつぼ ■（）　キャリー１〜ガス導入ボート １１　ガスを熱室 １２　混合室 １３　第１のし−タ １４　全屈メｉ：１渦 １５　第１の細管 １６　反応ガス導入管 １７−第２の細管 １８　第２のるつぼ １９　第２のヒータ ２〇　−第３のヒータ ２１−　不活１ｑガス導入七 ２２　第３のに■管 ２３　抽築管 ２４　酸素導入性 第１因 第２図 第３図 温　ｉＴ 第４図 ＋　す

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）金属化合物を構成する少なくとも一つの金属と、
   この金属のキャリヤガスとを含む気体状混合物を、５０
   〜２０００ｍ／秒の速度で、前記金属の融点の８割以下
   の温度とされた前記金属化合物を構成する他の元素もし
   くは他の元素を含む気体雰囲気中に噴出させることによ
   り、前記金属と他の元素を急冷させつつ反応させて金属
   化合物の微粉末を製造し、続いてこの金属化合物の微粉
   末を他の金属蒸気または他の金属化合物蒸気中を通ずご
   とによって金属化合物の表面にセラミ、りを被覆するご
   とを特徴とするセラミック被膜付き金属化合物の微粉末
   の製造方法。 （２、特許請求の範囲第１項において、前記キャリヤガ
   スは金属化合物を構成する他の元素もしくは他の元素を
   含む気体であることを特徴とするセラミンク被膜付き金
   属化合物の微粉末の製造方法。 （３）特許請求の範囲第１項において、前記金属はケイ
   素であり、他の元素を含む気体がアンモニアガスであり
   、金属化合物は窒化ケイ素であり、かつ他の金属化合物
   が酸化イツトリウムであることを特徴とするセラミック
   被膜付き金属化合物の微粉末の製造方法。