Prášek z nitridu titanu
Obsah
Prášek nitridu titanu (TiN) je extrémně tvrdý keramický materiál s jedinečnými vlastnostmi, díky nimž je vhodný pro použití v různých průmyslových odvětvích. Tento článek poskytuje přehled prášek nitridu titanu, včetně jeho složení, klíčových vlastností, výrobního procesu a použití.
Přehled prášku nitridu titanu
Nitrid titanu neboli TiN je zlatožlutá keramická sloučenina tvořená atomy titanu a dusíku. Jeho chemický vzorec je TiN.
Mezi klíčové vlastnosti prášku nitridu titanu patří:
- Extrémní tvrdost - téměř tak tvrdá jako diamant
- Vynikající odolnost proti opotřebení a korozi
- Vysoká tepelná stabilita
- Zlatá metalická barva
- Elektricky vodivé
- Biokompatibilní a netoxické
Díky jedinečné kombinaci vlastností se TiN prášek používá mimo jiné pro povrchové úpravy nástrojů, automobilových komponent, turbín a lékařských implantátů.
Následující části obsahují podrobnější informace o složení, vlastnostech, výrobě a použití práškového nitridu titanu.
Složení a charakteristika Prášek z nitridu titanu
| Vlastnictví | Popis | Jednotky |
|---|---|---|
| Chemický vzorec | TiN | |
| Chemické složení (typické) | - Titan (Ti): (Titanium): min. 77,0 wt%<br> - Dusík (N): 20,0 wt%.<br> - Uhlík (C): Max. 0,1 wt% | wt% |
| Krystalická struktura | NaCl-typ krychle s centrovaným povrchem | |
| Velikost částic | Liší se v závislosti na aplikaci<br> - Mikronizované prášky: < 10 mikronů<br> - Submikronové prášky: < 1 mikron<br> - Nanoprášky: < 100 nanometrů | mikrony, nanometry |
| Vzhled | Zlatá barva | |
| Bod tání | ~2930°C | °C |
| Hustota | 5,22 - 5,44 g/cm³ | g/cm³ |
| Tvrdost | Tvrdost podle Vickerse: 1800-2100 HV<br> Tvrdost podle Mohse: 8-9 | HV |
| Modul pružnosti | 550 ± 50 GPa | GPa |
| Koeficient tepelné roztažnosti | 9.35 × 10-⁶ K-¹ | K-¹ |
| Elektrická vodivost | Kovový vodič (vodivost se mění v závislosti na stechiometrii a nečistotách) | S/m |
| Tepelná vodivost | Vysoká (15-30 W/mK) | W/mK |
| Teplota přechodu supravodivosti | Až 6,0 K (monokrystaly) | K |
| Chemická stabilita | Vynikající odolnost vůči většině chemikálií při pokojové teplotě<br> Reaguje s kyslíkem při vysokých teplotách (> 800 °C) | |
| Biokompatibilita | Obecně se považuje za biokompatibilní |
Výrobní proces prášku nitridu titanu
| Proces | Popis | Výhody | Nevýhody |
|---|---|---|---|
| Nitridace | Jedná se o nejpoužívanější metodu výroby prášku nitridu titanu. Zahrnuje reakci titanových surovin s plynným dusíkem nebo amoniakem při vysokých teplotách (obvykle nad 900 °C). Reakci lze provádět v různých konfiguracích reaktorů, včetně fluidních, rotačních a plazmových reaktorů. | - Zavedená a spolehlivá technologie - Vyrábí vysoce čistý TiN prášek - Nabízí dobrou kontrolu morfologie prášku | - Vyžaduje vysoké teploty, což vede ke zvýšené spotřebě energie - Velikost částic a jejich distribuce může být při vysokých teplotách obtížně kontrolovatelná - Možnost kontaminace kyslíkem, pokud není pečlivě kontrolována |
| Karbotermální redukce | Tato metoda zahrnuje zahřívání směsi oxidu titaničitého (TiO2), uhlíku (grafitu nebo dřevěného uhlí) a plynného dusíku na vysoké teploty (přibližně 1300 °C). Uhlík působí jako redukční činidlo a přeměňuje oxid titaničitý na nitrid titaničitý. | - Nabízí potenciálně levnější alternativu k nitridaci - Lze použít k výrobě nitridu titanu se specifickým složením karbonitridu. | - Složitější reakční chemie ve srovnání s nitridací - Přísná kontrola poměru výchozího materiálu a reakčních podmínek je zásadní pro dosažení požadované čistoty produktu - Může vyžadovat další kroky následného zpracování k odstranění nečistot. |
| Reaktivní kulové frézování | Jedná se o vysokoenergetický mechanochemický proces, při kterém se titanový prášek a zdroj dusíku (často močovina) společně melou ve vysokoenergetickém kulovém mlýně. Mechanická síla působící na mlecí koule rozbíjí částice a podporuje reakci mezi titanem a dusíkem v pevném stavu, při níž vzniká nitrid titanu za relativně nízkých teplot (přibližně při pokojové teplotě). | - Vhodný pro výrobu prášku nitridu titanu o nanorozměrech - Nižší spotřeba energie ve srovnání s vysokoteplotními metodami - Může se jednat o škálovatelný proces. | - Relativně nová technologie s probíhajícím výzkumem a vývojem - Může docházet ke kontaminaci mlecího média - Dosažení rovnoměrné distribuce velikosti částic může být náročné. |
| Chemické napařování (CVD) | Tato metoda zahrnuje zavádění prekurzorových plynů obsahujících titan a dusík do vyhřívané reakční komory. Prekurzorové plyny se rozkládají a reagují za vzniku částic nitridu titanu, které se poté nanášejí na substrát nebo se shromažďují ve formě prášku. | - Vysoce univerzální metoda schopná vyrábět prášky s vlastnostmi na míru - Umožňuje přesnou kontrolu velikosti a morfologie částic. | - Složité a nákladné technologické vybavení - Omezená výrobní kapacita ve srovnání s jinými metodami - Bezpečnostní aspekty vzhledem k použití potenciálně nebezpečných prekurzorů plynů. |
| Fyzikální napařování (PVD) | Podobně jako při CVD dochází při PVD k odpařování titanu ve vakuovém prostředí a jeho reakci s plynným dusíkem. Odpařený titan může být vytvořen různými technikami, jako je naprašování, katodické obloukové nanášení nebo odpařování elektronovým paprskem. | - Vhodné pro výrobu tenkých vrstev nebo prášků nitridu titanu s vysokou čistotou a dobře definovaným složením - Nabízí dobrou kontrolu tloušťky a složení vrstvy | - Vysoce specializované a drahé zařízení - Omezená rychlost výroby prášku - Nanášení v přímé viditelnosti, což je nevhodné pro složité geometrie. |
Aplikace a použití prášku nitridu titanu
| Kategorie | aplikace | Vlastnosti s pákovým efektem | Podrobnosti |
|---|---|---|---|
| Řezné nástroje | Vrtáky, frézy, čelní frézy | Vysoká tvrdost, odolnost proti opotřebení, nízký koeficient tření | Prášek nitridu titanu (TiN) je oblíbenou volbou pro povlakování řezných nástrojů díky své výjimečné tvrdosti, která prodlužuje životnost nástroje až třikrát ve srovnání s nepovlakovanými nástroji. Nízký koeficient tření povlaků TiN snižuje tření mezi nástrojem a obrobkem, čímž minimalizuje vznik tepla a zvyšuje účinnost řezání. Odolnost TiN proti opotřebení navíc zabraňuje odlamování a degradaci břitu, čímž se déle udržují ostré řezy. |
| Lékařské přístroje | Čepele skalpelů, pilky na kosti, ortopedické implantáty | Biokompatibilita, odolnost proti opotřebení, ostrost | V lékařství se TiN prášek používá k potahování chirurgických nástrojů, jako jsou skalpely a pilky na kosti. Díky své biokompatibilitě je bezpečný pro implantaci do těla. Odolnost povlaků TiN proti opotřebení navíc zajišťuje, že si tyto nástroje během zákroků zachovávají svou ostrost, což vede k čistším řezům a lepším výsledkům u pacientů. TiN se také používá k potahování některých ortopedických implantátů, například kyčelních náhrad, díky své schopnosti zvyšovat odolnost proti opotřebení a snižovat tření na rozhraní implantát-kost, což podporuje dlouhodobou stabilitu implantátu. |
| Dekorativní nátěry | Bižuterie, automobilové ozdoby | Atraktivní zlatá barva, vysoká odolnost | Kromě funkčních aplikací je práškový TiN ceněn i pro své estetické vlastnosti. Kovově zlatá barva povlaků TiN je ideální pro dekorativní účely v bižuterii a automobilovém obložení. Na rozdíl od skutečného pozlacení nabízí TiN vynikající trvanlivost a odolnost proti poškrábání a udržuje si svůj lesk po delší dobu. Tato kombinace estetiky a funkčnosti činí z prášku TiN atraktivní volbu pro výrobce, kteří hledají rovnováhu mezi stylem a dlouhou životností. |
| Spotřební zboží | Vodovodní armatury, kliky dveří | odolnost proti korozi, odolnost proti opotřebení, estetický vzhled | Příznivé vlastnosti TiN se vztahují i na zboží každodenní spotřeby. Běžně se používá při potahování vodovodních armatur a klik. Odolnost TiN proti korozi chrání tyto předměty před dehtováním a opotřebením, zejména v oblastech vystavených vlhkosti. Odolnost povlaků TiN proti opotřebení navíc zabraňuje poškrábání a zachovává hladký chod vodovodních baterií a dveřních klik. V některých případech se vrchní vrstva TiN používá na základní vrstvu niklu nebo chromu, což poskytuje kombinaci trvanlivosti, odolnosti proti korozi a nádechu zlaté elegance. |
| Polovodiče | Difúzní bariéry, elektrické vodiče | Vysoká tepelná stabilita, dobrá elektrická vodivost | V oblasti polovodičů hraje TiN prášek klíčovou roli ve výrobním procesu. Tenké vrstvy TiN se nanášejí na křemíkové destičky a slouží jako difuzní bariéry, které zabraňují migraci nežádoucích prvků skrz vrstvy a narušení elektrických vlastností zařízení. TiN vykazuje také dobrou elektrickou vodivost, takže je vhodný pro použití jako elektrické kontakty v integrovaných obvodech. |
| Nové aplikace | Solární články, architektonické nátěry | Široké spektrum vlastností | Výzkum a vývoj se zaměřuje na nové aplikace práškového TiN. V oblasti solární energie se zkoumá potenciál povlaků TiN pro zvýšení účinnosti solárních článků. Schopnost TiN absorbovat určité vlnové délky světla a zároveň odrážet jiné by mohla vést k vývoji účinnějších zařízení pro sběr světla. Kromě toho kombinace vlastností TiN, včetně tvrdosti, odolnosti proti korozi a samomazného účinku, z něj činí slibného kandidáta pro architektonické nátěry budov. Tyto povlaky by mohly poskytovat ochranu před nepříznivými povětrnostními podmínkami, zlepšovat samočisticí vlastnosti a potenciálně zvyšovat estetický vzhled staveb. |
Specifikace Prášek z nitridu titanu
Práškové výrobky z nitridu titanu jsou k dispozici v různých úrovních čistoty, distribuce velikosti částic, morfologie a lze je přizpůsobit podle požadavků aplikace.
Některé důležité specifikace prášku TiN:
| Specifikace | Podrobnosti |
|---|---|
| Čistota | Minimální obsah nitridu titanu 99% pro většinu aplikací. Také nižší čistoty ~92%-95% pro nekritická použití. |
| Morfologie tvaru částic | Různé, od kulovitých, přes aglomerované až po hranaté. |
| Rozložení velikosti částic (d50) | Rozsah od nanorozměru 30-50 nm po mikronový stupeň 2-5 μm pro povlaky nástrojů/komponentů. Běžně se používá i submikronový stupeň ~0,5 μm. |
| Specifický povrch (SSA) | Od 5 m2/g u mikronových tříd až po 15-30 m2/g u nanoprášku. |
| Barva | Metalická světle zlatá |
| Bod tání | 2950°C |
| Mohsova tvrdost | 8.5 |
| Krystalová struktura | Kubické - typ NaCl |
| Hustota | 5,22 g/cm3 |
| Obsah kyslíku/uhlíku | Pod 1% je obsah kyslíku důležitý pro vysokou čistotu |
Tabulka 1: Shrnutí specifikací nitridu titanu
Tyto specifikace prášku lze při výrobě na zakázku měnit podle cílových průmyslových aplikací.
Globální dodavatelé a ceny
| Region | Hlavní dodavatelé | Produkt | Cena (USD/kg) | Klíčové úvahy |
|---|---|---|---|---|
| Severní Amerika | American Elements, US Titanium Mills, Nanoventure | Mikronizovaný TiN (>1 mikron) | 100-200 | Nabízí dobrou rovnováhu mezi cenou a výkonem u nátěrů odolných proti opotřebení. |
| Alfa Aesar, ATI Specialty Materials | Nanometrizovaný TiN (<100 nm) | 400-800 | Vysoká plocha povrchu ideální pro elektroniku a katalýzu | |
| Technologie povrchů Praxair | Suroviny pro CVD (chemické napařování) | Cena na vyžádání | Stálá kvalita a velikost částic je pro tenkovrstvé povlaky zásadní | |
| Evropa | H.C. Starck, Sandvik Hyperion, Plansee | TiN pro všeobecné použití | 80-150 | Široká dostupnost od renomovaných evropských výrobců |
| Evonik Industries, Arkema | Vysoce čistý TiN (99,9%+) | 250-500 | Poptávka ze strany leteckého průmyslu a průmyslu zdravotnických přístrojů | |
| NanoMateriály | Ultrajemný TiN (<50 nm) | 800-1200 | Přední dodavatel pro účely výzkumu a vývoje | |
| Asie a Tichomoří | China National Bluestar (CNB), Fangda Carbon New Material, Ningbo Tianxiang | Obchodní třída TiN | 50-80 | Cenově výhodná varianta pro hromadné aplikace |
| Toda Metal, Mitsui Mining & Smelting | Vysoce výkonný TiN | 120-200 | Známý svou kvalitou a důsledností v Asii | |
| Chemická laboratoř Kojundo | Specializované třídy TiN (např. dopované) | Cena na vyžádání | Odbornost v oblasti prášků na míru pro specifické potřeby |
Srovnání nitridu titanu a jiných tvrdých povlaků
Srovnání vlastností
| Vlastnosti | Nitrid titanu | Nitrid chromu | Nitrid hliníku a titanu | Uhlík podobný diamantu | Karbid titanu |
|---|---|---|---|---|---|
| Tvrdost (HV) | 2000 – 2400 | 1400 – 1800 | 3200 – 3400 | 1000 – 1500 | 2800 – 3400 |
| Síla | Vynikající | Dobrý | Superior | Velmi dobře | Extrémně vysoká |
| Odolnost proti opotřebení | Extrémně vysoká | Mírný | Mimořádně vysoká | Mírný | Mimořádně vysoká |
| Odolnost proti korozi | Vysoký | Mírný | Velmi vysoká | Nízký | Vysoký |
| Odolnost proti oxidaci | Mírný | Dobrý | Vynikající | Dobrý | Dobrý |
| Koeficient tření | 0.5 | 0.35 – 0.6 | 0.4 | 0.1 – 0.2 | 0.25 – 0.35 |
| Barva | Zářivě zlatá | Šedá | Tmavě fialová | Grafitově šedá | Modrošedá |
| Max. Provozní teplota (°C) | 500 | 750 | 800 | 250 | 600 |
| Náklady | Mírný | Nízký | Vysoký | Vysoký | Vysoký |
| Toxicita | Netoxické | Obsahuje Cr, Co | Netoxické | Netoxické | Netoxické |
Výhody nitridu titanu
Některé výhody a přednosti volby povlaků nitridu titanu oproti jiným alternativám:
- Extrémní tvrdost pro ochranu proti opotřebení s hodnotou srovnatelnou s TiC
- Odolnost proti korozi vhodná pro většinu výrobních prostředí
- Vysoká teplotní stabilita při zachování tvrdosti až do ~500 °C
- Nízká toxicita - na rozdíl od CrN bezpečný pro lékařské přístroje/implantáty
- Vynikající přilnavost k podkladu ze slitiny titanu a nerezové oceli
- Biologická inertnost usnadňuje schvalování biokompatibility
- Neutrální koeficient tření zabraňuje zadírání dílů
- Vyšší odolnost proti oxidaci ve srovnání s povlaky TiC
Omezení nitridu titanu
Přestože má nitrid titanu velmi dobré vlastnosti, má určitá omezení:
- Nižší teplotní stabilita než AlTiN, který je stabilní při teplotách nad 800 °C.
- Relativně nižší houževnatost a odolnost proti nárazům ve srovnání s DLC
- Vyšší namáhání povlaku může časem způsobit praskání/odlupování.
- Nedoporučuje se pro kyselé prostředí z důvodu samovolné oxidace.
- dražší ve srovnání s jednoduchými povlaky Cr nebo WC
- Procesy obrábění kovů mohou na povrchovou úpravu TiN rozmazat kovové nečistoty.
Kdy zvolit alternativy místo nitridu titanu
Jiné povlaky mohou být vhodnější než TiN, pokud:
- Provozní teploty vyšší než 500 °C (použijte AlTiN nebo nitrid chromu)
- Vynikající odolnost proti nárazovému zatížení (zvažte DLC)
- Průchod požadovaných RF signálů, např. letecký/telekomunikační (lepší varianta DLC)
- Vystavení halogenovým kyselinám nebo jiným velmi korozivním médiím (zvolte DLC)
Výhody a nevýhody povlaku nitridu titanu
| Vlastnosti | Klady | Nevýhody |
|---|---|---|
| Odolnost proti opotřebení | * Výrazně prodlužuje životnost nástroje snížením tření a opotřebení. Řezné nástroje, vrtáky a další nástroje vydrží déle, což snižuje náklady na výměnu a prostoje. * Nabízí vynikající ochranu proti abrazivním materiálům, takže je ideální pro obrábění kompozitů, dřeva a některých kovů. | * Křehkost: TiN je sice tvrdý, ale při silném nárazu nebo působení nadměrné síly se může odštěpit nebo odlupovat. Nemusí být vhodný pro náročné úderové aplikace. * Tloušťka |
| Snížení tření | * Snižuje koeficient tření, což vede k hladšímu řezání. Tím se snižuje tvorba tepla, které může poškodit nástroje a zhoršit kvalitu obrobku. * Minimalizuje spotřebu energie při obrábění, což vede k úspoře nákladů a šetrnějšímu procesu k životnímu prostředí. | * Výkon se může lišit v závislosti na obráběném materiálu. U některých aplikací může být stále nutné mazání. |
| Odolnost proti korozi | * TiN působí jako bariéra proti korozi a chrání podkladový kov před korozí a dalšími vlivy prostředí. * Zachovává integritu a funkčnost nástrojů a součástí v náročných podmínkách. | * Není tak účinný proti některým chemikáliím nebo vysoce korozivním látkám. * Pro potřeby extrémní odolnosti proti korozi mohou být vhodnější jiné nátěry. |
| Tepelná stabilita | * Dobře funguje při zvýšených teplotách, takže je vhodný pro vysokorychlostní obrábění. * Snižuje opotřebení nástroje vlivem tepla a zachovává rozměrovou přesnost obráběných dílů. | * Nemusí být nejlepší volbou pro prostředí s extrémně vysokými teplotami, kde vynikají jiné pokročilé povlaky. |
| Estetika | * Výrazný zlatavý nebo nažloutlý odstín často spojovaný s vysoce výkonnými nástroji. * Zvyšuje vizuální přitažlivost některých výrobků. | * Kosmetický přínos je druhotný oproti funkčním výhodám. * Barva se může mírně lišit v závislosti na procesu nanášení. |
| Náklady | * Relativně dostupná cena ve srovnání s některými jinými pokročilými technologiemi povrchové úpravy. * Poskytuje výrazné zlepšení výkonu za rozumnou cenu. | * Počáteční náklady na povlakování je třeba porovnat s výhodami prodloužené životnosti nástroje a vyšší efektivity obrábění. |
| Dopad na životní prostředí | * Snižuje množství odpadu tím, že prodlužuje životnost nástroje a vyžaduje méně výměn. * Přispívá k udržitelnějšímu procesu obrábění. | * Samotný proces nanášení nátěru může zahrnovat použití specifických chemikálií, které vyžadují správné postupy likvidace. |
FAQ
Otázka: Proč má nitrid titanu zlatou barvu?
Odpověď: Zlatá barva je důsledkem světelných absorpčních/odrazových vlastností krystalické struktury nitridu titanu, která dodává povlakům TiN naneseným plazmou nebo v páře charakteristický zlatý povrch.
Otázka: Je nitrid titanu toxický?
Odpověď: Ne, keramika z nitridu titanu je považována za zcela netoxickou a bioinertní, takže je bezpečná pro použití v biomedicínských implantátech podle norem biologické kompatibility ISO 10993.
Otázka: Jaká tloušťka povlaku TiN by měla být použita?
Odpověď: Typická tloušťka je 1-5 mikronů. Tenčí povlaky o tloušťce 0,5-1 mikronu poskytují ochranu proti opotřebení. Povlaky o tloušťce 2-5 mikronů poskytují odolnost proti korozi a erozi pro delší životnost.
Otázka: Zvyšuje nebo snižuje povlak TiN tření?
Odpověď: TiN výrazně snižuje koeficient tření oproti oceli. Přesné hodnoty se pohybují od 0,4 do 0,9 v závislosti na materiálu protějšku, čímž se snižuje celkové tření, ale zabraňuje se zadírání.
Otázka: Jaká je typická tvrdost filmů nitridu titanu?
O: Hodnoty tvrdosti se pohybují v rozmezí 2000-2500 Vickersových stupňů, pokud jsou naneseny jako tenké vrstvy pomocí PVD nebo CVD technik, což jsou jedny z nejvyšších hodnot dosažitelných pro komerční povlaky.
Otázka: Co je to nitrid vodního titanu?
Odpověď: Aqua TiN označuje povlak z karbonitridu titanu legovaného křemíkem 8-20%, který kromě vynikajících tribologických vlastností do 700 st. dává vodově modrou barvu. C.
Otázka: Zabraňuje povlak TiN zadírání a adheznímu opotřebení?
Odpověď: Ano, nitrid titanu je široce používán v aplikacích, jako je tváření/děrování/tažení, kde slouží jako vynikající povlak proti odlupování a proti zadírání, a to i za podmínek mezního mazání.
Otázka: V jakých odvětvích se používají povlaky nitridu titanu?
Odpověď: Všechna významná výrobní odvětví včetně automobilového, leteckého, textilního, obalového, elektronického, ocelářského, petrochemického, lékařského atd. používají TiN fólie ke zvýšení výkonu a spolehlivosti kritických dílů a nástrojů.
Sdílet na
MET3DP Technology Co., LTD je předním poskytovatelem řešení aditivní výroby se sídlem v Qingdao v Číně. Naše společnost se specializuje na zařízení pro 3D tisk a vysoce výkonné kovové prášky pro průmyslové aplikace.
Dotaz k získání nejlepší ceny a přizpůsobeného řešení pro vaše podnikání!
Související články
O Met3DP
Nedávná aktualizace
Náš produkt
KONTAKTUJTE NÁS
Nějaké otázky? Pošlete nám zprávu hned teď! Po obdržení vaší zprávy obsloužíme vaši žádost s celým týmem.
Kovové prášky pro 3D tisk a aditivní výrobu
SPOLEČNOST
PRODUKT
kontaktní informace
- Město Qingdao, Shandong, Čína
- [email protected]
- [email protected]
- +86 19116340731