Nitruro de titanio en polvo

El polvo de nitruro de titanio (TiN) es un material cerámico extremadamente duro con propiedades únicas que lo hacen adecuado para su uso en diversas industrias. Este artículo ofrece una visión general de polvo de nitruro de titanioincluyendo su composición, características clave, proceso de fabricación y aplicaciones.

Visión general del nitruro de titanio en polvo

El nitruro de titanio o TiN es un compuesto cerámico de color amarillo dorado formado por átomos de titanio y nitrógeno. Su fórmula química es TiN.

Algunas características clave del polvo de nitruro de titanio son:

• Dureza extrema: casi tan dura como el diamante
• Excelente resistencia al desgaste y a la corrosión
• Alta estabilidad térmica
• Color dorado metalizado
• Conductor eléctrico
• Biocompatible y no tóxico

Su combinación única de propiedades ha hecho que el polvo de TiN se utilice para aplicaciones de revestimiento de superficies en herramientas, componentes de automoción, turbinas e implantes médicos, entre otros.

En las secciones siguientes se ofrecen más detalles sobre la composición, las características, la producción y los usos del polvo de nitruro de titanio.

Composición y características de Nitruro de titanio en polvo

Propiedad	Descripción	Unidades
Fórmula química	Estaño
Composición química (típica)	- Titanio (Ti): Mín. 77,0 peso%<br> - Nitrógeno (N): Mín. 20,0 wt%<br> - Carbono (C): Máx. 0,1 wt%	wt%
Estructura cristalina	Cúbica centrada en las caras tipo NaCl
Tamaño de las partículas	Varía en función de la aplicación<br> - Polvos micronizados: &lt; 10 micras<br> - Polvos submicrónicos: &lt; 1 micra<br> - Nanopolvos: &lt; 100 nanómetros	micras, nanómetros
Apariencia	color dorado
Punto de fusión	~2930°C	°C
Densidad	5,22 – 5,44 g/cm³	g/cm³
Dureza	Dureza Vickers: 1800-2100 HV<br> Dureza Mohs: 8-9	alto voltaje
Módulo de elasticidad	550 ± 50 GPa	GPa
Coeficiente de dilatación térmica	9,35 × 10⁻⁶K⁻¹	K⁻¹
Conductividad eléctrica	Conductor metálico (la conductividad varía con la estequiometría y las impurezas)	S/m
Conductividad térmica	Alto (15-30 W/mK)	W/mK
Temperatura de transición superconductora	Hasta 6,0 K (cristales individuales)	k
Estabilidad química	Excelente resistencia a la mayoría de los productos químicos a temperatura ambiente<br> Reacciona con el oxígeno a altas temperaturas (&gt; 800°C)
Biocompatibilidad	Generalmente considerado biocompatible

Proceso de fabricación del nitruro de titanio en polvo

Proceso	Descripción	Ventajas	Desventajas
nitruración	Este es el método más utilizado para producir polvo de nitruro de titanio. Implica hacer reaccionar la materia prima de titanio con gas nitrógeno o amoníaco a altas temperaturas (normalmente por encima de 900 °C). La reacción se puede llevar a cabo en diversas configuraciones de reactor, incluidos lechos fluidizados, reactores giratorios y reactores de plasma.	– Tecnología establecida y confiable – Produce polvo de TiN de alta pureza – Ofrece un buen control sobre la morfología del polvo	– Requiere altas temperaturas, lo que lleva a un mayor consumo de energía – El tamaño y la distribución del tamaño de las partículas pueden ser difíciles de controlar a altas temperaturas – Potencial de contaminación por oxígeno si no se controla cuidadosamente
Reducción carbotérmica	Este método implica calentar una mezcla de dióxido de titanio (TiO2), carbono (grafito o carbón vegetal) y nitrógeno gaseoso a altas temperaturas (alrededor de 1300°C). El carbono actúa como agente reductor, convirtiendo el dióxido de titanio en nitruro de titanio.	– Ofrece una alternativa potencialmente de menor costo a la nitruración – Puede usarse para producir nitruro de titanio con composiciones de carbonitruro específicas	– Química de reacción más compleja en comparación con la nitruración – Un control estricto sobre la proporción del material de partida y las condiciones de reacción es crucial para lograr la pureza deseada del producto – Puede requerir pasos adicionales de posprocesamiento para eliminar las impurezas
molino de bolas reactivo	Se trata de un proceso mecanoquímico de alta energía en el que se muelen juntos polvo de titanio y una fuente de nitrógeno (a menudo urea) en un molino de bolas de alta energía. La fuerza mecánica de las bolas de molienda fractura las partículas y promueve la reacción de estado sólido entre el titanio y el nitrógeno, formando nitruro de titanio a temperaturas relativamente bajas (alrededor de la temperatura ambiente).	– Adecuado para producir polvo de nitruro de titanio de tamaño nanométrico – Menor consumo de energía en comparación con los métodos de alta temperatura – Puede ser un proceso escalable	– Tecnología relativamente nueva con investigación y desarrollo en curso – Puede introducir contaminación del medio de molienda – Lograr una distribución uniforme del tamaño de las partículas puede ser un desafío
Deposición química en fase vapor (CVD)	Este método implica introducir gases precursores que contienen titanio y nitrógeno en una cámara de reacción calentada. Los gases precursores se descomponen y reaccionan para formar partículas de nitruro de titanio, que luego se depositan sobre un sustrato o se recogen en forma de polvo.	– Método altamente versátil capaz de producir polvos con propiedades personalizadas – Permite un control preciso sobre el tamaño y la morfología de las partículas	– Se requieren equipos de proceso complejos y costosos – Capacidad de producción limitada en comparación con otros métodos – Consideraciones de seguridad debido al uso de gases precursores potencialmente peligrosos
Deposición física de vapor (PVD)	Similar al CVD, el PVD implica vaporizar titanio en un ambiente de vacío y hacerlo reaccionar con gas nitrógeno. El titanio vaporizado se puede generar mediante diversas técnicas, como pulverización catódica, deposición por arco catódico o evaporación por haz de electrones.	– Adecuado para producir películas o polvos finos de nitruro de titanio de alta pureza y bien definidos – Ofrece un buen control sobre el espesor y la composición de la película	– Equipos altamente especializados y costosos – Tasa de producción limitada para la producción de polvo – Deposición en línea de visión, lo que lo hace inadecuado para geometrías complejas

Aplicaciones y usos del nitruro de titanio en polvo

Categoría	Aplicación	Propiedades apalancadas	Detalles
Herramientas de corte	Brocas, fresas, fresas	Alta dureza, resistencia al desgaste, bajo coeficiente de fricción.	El polvo de nitruro de titanio (TiN) es una opción popular para recubrir herramientas de corte debido a su dureza excepcional, que extiende la vida útil de la herramienta hasta tres veces en comparación con las herramientas sin recubrimiento. El bajo coeficiente de fricción de los recubrimientos de TiN reduce la fricción entre la herramienta y la pieza de trabajo, minimizando la generación de calor y mejorando la eficiencia del corte. Además, la resistencia al desgaste del TiN evita el astillado y la degradación del filo, manteniendo cortes afilados por más tiempo.
Productos sanitarios	Hojas de bisturí, sierras para huesos, implantes ortopédicos	Biocompatibilidad, resistencia al desgaste, nitidez.	En el campo médico, el polvo de TiN encuentra aplicación para recubrir instrumentos quirúrgicos como bisturíes y sierras para huesos. Su naturaleza biocompatible lo hace seguro para su implantación dentro del cuerpo. Además, la resistencia al desgaste de los recubrimientos de TiN garantiza que estos instrumentos conserven su filo durante los procedimientos, lo que genera cortes más limpios y mejores resultados para los pacientes. El TiN también se utiliza para recubrir algunos implantes ortopédicos, como los reemplazos de cadera, debido a su capacidad para mejorar la resistencia al desgaste y reducir la fricción en la interfaz implante-hueso, lo que promueve la estabilidad del implante a largo plazo.
Recubrimientos decorativos	Bisutería, adornos para automóviles	Atractivo color dorado, alta durabilidad.	Más allá de sus aplicaciones funcionales, el polvo de TiN se valora por sus propiedades estéticas. El color dorado metálico de los recubrimientos de TiN los hace ideales para fines decorativos en bisutería y molduras de automóviles. A diferencia del baño de oro real, el TiN ofrece una durabilidad superior y resistencia a los rayones, manteniendo su brillo durante períodos prolongados. Esta combinación de estética y funcionalidad hace que el polvo TiN sea una opción atractiva para los fabricantes que buscan un equilibrio entre estilo y longevidad.
Bienes de consumo	Accesorios de fontanería, pomos de puertas.	Resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste, atractivo estético.	Las propiedades beneficiosas del TiN se extienden a los bienes de consumo cotidianos. Una aplicación común es el revestimiento de accesorios de plomería y pomos de puertas. La resistencia a la corrosión del TiN protege estos artículos del deslustre y el desgaste, especialmente en áreas expuestas a la humedad. Además, la resistencia al desgaste de los recubrimientos de TiN previene rayones y mantiene el buen funcionamiento de grifos y manijas de puertas. En algunos casos, se utiliza una capa superior de TiN sobre una capa base de níquel o cromo, lo que proporciona una combinación de durabilidad, resistencia a la corrosión y un toque de elegancia dorada.
Semiconductores	Barreras de difusión, conductores eléctricos.	Alta estabilidad térmica, buena conductividad eléctrica.	En el ámbito de los semiconductores, el polvo de TiN desempeña un papel crucial en el proceso de fabricación. Se depositan películas delgadas de TiN sobre obleas de silicio para que actúen como barreras de difusión, evitando que elementos no deseados migren a través de las capas y alteren las propiedades eléctricas del dispositivo. El TiN también presenta una buena conductividad eléctrica, lo que lo hace adecuado para su uso como contactos eléctricos dentro de circuitos integrados.
Aplicaciones emergentes	Células solares, revestimientos arquitectónicos.	Amplio espectro de propiedades	Los esfuerzos de investigación y desarrollo están explorando nuevas aplicaciones para el polvo de TiN. En el campo de la energía solar, se están investigando los recubrimientos de TiN por su potencial para mejorar la eficiencia de las células solares. La capacidad del TiN para absorber determinadas longitudes de onda de luz y al mismo tiempo reflejar otras podría conducir al desarrollo de dispositivos captadores de luz más eficientes. Además, la combinación de propiedades del TiN, que incluyen dureza, resistencia a la corrosión y efecto autolubricante, lo convierte en un candidato prometedor para revestimientos arquitectónicos en edificios. Estos recubrimientos podrían ofrecer protección contra condiciones climáticas adversas, mejorar las propiedades de autolimpieza y potencialmente mejorar el atractivo estético de las estructuras.

Especificaciones de Nitruro de titanio en polvo

Los productos de nitruro de titanio en polvo están disponibles en diferentes niveles de pureza, distribución granulométrica y morfologías, y pueden personalizarse según los requisitos de la aplicación.

Algunas especificaciones importantes del polvo de TiN:

Especificación	Detalles
Pureza	Contenido mínimo de nitruro de titanio 99% para la mayoría de las aplicaciones. También purezas inferiores ~92%-95% para usos no críticos.
Morfología de la forma de las partículas	Variada de esférica, aglomerada a angular
Distribución del tamaño de las partículas (d50)	La gama va desde la escala nanométrica de 30-50 nm hasta el grado micrométrico de 2-5 μm para recubrimientos de herramientas/componentes. También es común el grado submicrónico ~0,5 μm.
Superficie específica (SSA)	Desde 5 m2/g para micras hasta 15-30 m2/g para nanopolvo
Color	Oro brillante metalizado
Punto de fusión	2950°C
Dureza Mohs	8.5
Estructura cristalina	Cúbico - tipo NaCl
Densidad	5,22 g/cm3
Contenido de oxígeno/carbono	En 1% el contenido de oxígeno es importante para la alta pureza

Cuadro 1: Resumen de las especificaciones del nitruro de titanio

Las especificaciones de estos polvos pueden variar en función de las aplicaciones industriales durante la fabricación a medida.

Proveedores mundiales y precios

Región	Principales proveedores	Producto	Precio (USD/kg)	Consideraciones clave
Norteamérica	Elementos americanos, molinos de titanio de EE. UU., Nanoventure	TiN micronizado (>1 micrón)	100-200	Ofrece un buen equilibrio entre costo y rendimiento para recubrimientos resistentes al desgaste.
	Alfa Aesar, Materiales Especiales ATI	TiN nanometerizado (<100 nm)	400-800	Gran superficie ideal para aplicaciones de electrónica y catálisis.
	Tecnologías de superficie Praxair	Materia prima para CVD (deposición química de vapor)	Consultar precio	La calidad constante y el tamaño de partícula son cruciales para los recubrimientos de película delgada
Europa	HC Starck, Sandvik Hyperion, Plansee	TiN de uso general	80-150	Amplia disponibilidad de productores europeos de renombre
	Industrias Evonik, Arkema	TiN de alta pureza (99,9%+)	250-500	Demandado por las industrias aeroespacial y de dispositivos médicos.
	Nanomateriales	TiN ultrafino (<50 nm)	800-1200	Proveedor líder para fines de investigación y desarrollo.
Asia-Pacífico	China National Bluestar (CNB), Fangda Carbon New Material, Ningbo Tianxiang	TiN de calidad comercial	50-80	Opción rentable para aplicaciones a granel
	Toda Metal, Mitsui Minería y Fundición	TiN de alto rendimiento	120-200	Conocido por su calidad y consistencia en Asia
	Laboratorio químico Kojundo	Grados de TiN especializados (p. ej., dopados)	Consultar precio	Experiencia en polvos diseñados a medida para necesidades específicas

Comparación entre el nitruro de titanio y otros revestimientos duros

Comparación de propiedades

Propiedades	Nitruro de titanio	Nitruro de cromo	Nitruro de titanio y aluminio	Carbono similar al diamante	Carburo de titanio
Dureza (HV)	2000 – 2400	1400 – 1800	3200 – 3400	1000 – 1500	2800 – 3400
Fuerza	Excelente	Bien	Superior	Muy buena	Extremadamente alto
Resistencia al desgaste	Extremadamente alto	Moderado	Excepcionalmente alto	Moderado	Excepcionalmente alto
Resistencia a la corrosión	Alta	Moderado	Muy alta	Bajo	Alta
Resistencia a la oxidación	Moderado	Bien	Excelente	Bien	Bien
Coeficiente de fricción	0.5	0.35 – 0.6	0.4	0.1 – 0.2	0.25 – 0.35
Color	Oro brillante	Gris	Morado oscuro	Gris grafito	Gris azulado
Temp. Temp. de funcionamiento (°C)	500	750	800	250	600
Coste	Moderado	Bajo	Alta	Alta	Alta
Toxicidad	No tóxico	Contiene Cr, Co	No tóxico	No tóxico	No tóxico

Ventajas del nitruro de titanio

Algunos beneficios y ventajas de elegir revestimientos de nitruro de titanio frente a otras alternativas:

• Dureza extrema para la protección contra el desgaste con un índice comparable al TiC
• Resistencia a la corrosión adecuada para la mayoría de los entornos de producción
• Estabilidad a altas temperaturas conservando la dureza hasta ~500°C
• Baja toxicidad - seguro para dispositivos médicos/implantes a diferencia del CrN
• Excelente adherencia a sustratos de aleación de titanio y acero inoxidable
• Bioinerte facilita la aprobación de la biocompatibilidad
• El coeficiente de fricción neutro evita el gripado de las piezas
• Mayor resistencia a la oxidación que los revestimientos de TiC

Limitaciones del nitruro de titanio

A pesar de tener un rendimiento muy completo, el nitruro de titanio tiene algunas limitaciones:

• Estabilidad térmica inferior a la del AlTiN, que es estable a más de 800°C
• Tenacidad y resistencia a los golpes relativamente inferiores frente al DLC
• Las tensiones más elevadas en el revestimiento pueden provocar grietas/desprendimientos con el tiempo
• No recomendado para ambientes ácidos debido a la oxidación espontánea
• Más caro que los revestimientos simples de Cr o WC
• Los procesos de trabajo del metal pueden manchar de restos metálicos el acabado TiN

Cuándo elegir alternativas al nitruro de titanio

Otros revestimientos pueden ser más adecuados que el TiN si:

• Temperaturas de funcionamiento superiores a 500°C (utilizar AlTiN o nitruro de cromo)
• Se necesita una tenacidad superior frente a las cargas de impacto (considerar DLC)
• Necesidad de paso de señales de RF, por ejemplo, aeroespacial/telecomunicaciones (mejor opción DLC)
• Expuesto a ácidos halogenados u otros medios muy corrosivos (elegir DLC)

Ventajas e inconvenientes del revestimiento de nitruro de titanio

Característica	Pros	Contras
Resistencia al desgaste	* Prolonga significativamente la vida útil de la herramienta al reducir la fricción y el desgaste. Las herramientas de corte, brocas y otros implementos duran más, lo que reduce los costos de reemplazo y el tiempo de inactividad. * Ofrece una protección superior contra materiales abrasivos, lo que lo hace ideal para mecanizar compuestos, madera y ciertos metales.	* Fragilidad: Si bien es duro, el TiN puede astillarse o descascararse si se lo somete a un alto impacto o una fuerza excesiva. Puede que no sea adecuado para aplicaciones de percusión de alta resistencia. * Espesor
Reducción de fricción	* Reduce el coeficiente de fricción, lo que lleva a operaciones de corte más suaves. Esto reduce la generación de calor, que puede dañar las herramientas y degradar la calidad de la pieza de trabajo. * Minimiza el consumo de energía durante el mecanizado, lo que se traduce en un ahorro de costes y un proceso más respetuoso con el medio ambiente.	*El rendimiento puede variar dependiendo del material que se esté mecanizando. Es posible que aún sea necesaria la lubricación para algunas aplicaciones.
Resistencia a la corrosión	* El TiN actúa como una barrera contra la corrosión, protegiendo el metal subyacente del óxido y otros factores ambientales. * Mantiene la integridad y funcionalidad de herramientas y componentes en entornos hostiles.	* No es tan efectivo contra ciertos químicos o sustancias altamente corrosivas. * Otros recubrimientos podrían ser más adecuados para necesidades extremas de resistencia a la corrosión.
Estabilidad térmica	* Funciona bien a temperaturas elevadas, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de mecanizado de alta velocidad. * Reduce el desgaste de herramientas relacionado con el calor y mantiene la precisión dimensional de las piezas mecanizadas.	* Puede que no sea la mejor opción para ambientes con temperaturas extremadamente altas donde destacan otros recubrimientos avanzados.
Estética	* Tono dorado o amarillento distintivo asociado a menudo con herramientas de alto rendimiento. * Mejora el atractivo visual de ciertos productos.	* El beneficio cosmético es secundario a las ventajas funcionales. *El color puede variar ligeramente dependiendo del proceso de deposición.
Coste	* Relativamente asequible en comparación con otras tecnologías de recubrimiento avanzadas. * Proporciona una mejora significativa del rendimiento a un costo razonable.	* El coste inicial del revestimiento debe sopesarse con las ventajas de una mayor vida útil de la herramienta y una mayor eficacia del mecanizado.
Impacto medioambiental	* Reduce los residuos al prolongar la vida útil de la herramienta, lo que requiere menos sustituciones. * Contribuye a un proceso de mecanizado más sostenible.	* El propio proceso de revestimiento puede implicar el uso de productos químicos específicos, que requieren procedimientos de eliminación adecuados.

PREGUNTAS FRECUENTES

P: ¿Por qué el nitruro de titanio es de color dorado?

R: El color dorado se debe a las propiedades de absorción/reflexión de la luz de la estructura cristalina del nitruro de titanio, que confiere a los revestimientos de TiN depositados por plasma o vapor su característico acabado dorado.

P: ¿Es tóxico el nitruro de titanio?

R: No, la cerámica de nitruro de titanio se considera completamente atóxica y bioinerte, por lo que es segura para su uso en implantes biomédicos según las normas de biocompatibilidad ISO 10993.

P: ¿Qué grosor de revestimiento TiN debe utilizarse?

R: El espesor típico oscila entre 1 y 5 micras. Los revestimientos más finos de 0,5-1 micras proporcionan protección contra el desgaste. Las películas de 2-5 micras ofrecen resistencia a la corrosión y la erosión para un servicio más prolongado.

P: ¿El revestimiento TiN aumenta o disminuye la fricción?

R: El TiN reduce significativamente el coeficiente de fricción en comparación con el acero. Los valores exactos oscilan entre 0,4 y 0,9 en función del material homólogo, lo que reduce la fricción general y evita el agarrotamiento por frotamiento.

P: ¿Cuál es la dureza típica de las películas de nitruro de titanio?

R: Los valores de dureza oscilan entre 2.000 y 2.500 Vickers cuando se depositan como películas finas mediante técnicas de PVD o CVD, uno de los valores más altos que se pueden alcanzar en revestimientos comerciales.

P: ¿Qué es el nitruro de aqua titanio?

R: Aqua TiN es un revestimiento de carbonitruro de titanio aleado con silicio 8-20% que proporciona un acabado de color azul agua, además de un excelente rendimiento tribológico hasta 700 grados Celsius. C.

P: ¿El revestimiento TiN evita el desgaste por rozamiento y adherencia?

R: Sí, el nitruro de titanio se utiliza ampliamente en aplicaciones como el conformado/perforado/dibujado, donde sirve como excelente revestimiento antigripado y antigripado incluso en condiciones de lubricación límite.

P: ¿Qué industrias utilizan revestimientos de nitruro de titanio?

R: Los principales sectores de fabricación, como el de automoción, aeroespacial, textil, envasado, electrónico, siderúrgico, petroquímico, médico, etc., utilizan películas de TiN para mejorar el rendimiento y la fiabilidad de piezas y herramientas críticas.

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