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
Spherical Duplex Stainless Steel Alloy Powder: The Best Material for Harsh Conditions
Přečtěte si více "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