Poudre de nitrure de titane
Table des matières
La poudre de nitrure de titane (TiN) est un matériau céramique extrêmement dur doté de propriétés uniques qui lui permettent d'être utilisé dans diverses industries. Cet article présente une vue d'ensemble de la poudre de nitrure de titane. poudre de nitrure de titaneLa Commission européenne a publié un rapport sur l'état de l'environnement, y compris sa composition, ses principales caractéristiques, son processus de fabrication et ses applications.
Aperçu de la poudre de nitrure de titane
Le nitrure de titane ou TiN est un composé céramique jaune doré constitué d'atomes de titane et d'azote. Sa formule chimique est TiN.
Les principales caractéristiques de la poudre de nitrure de titane sont les suivantes :
- Dureté extrême - presque aussi dure que le diamant
- Excellente résistance à l'usure et à la corrosion
- Haute stabilité thermique
- Couleur or métallique
- Conducteur électrique
- Biocompatible et non toxique
Sa combinaison unique de propriétés a permis à la poudre TiN d'être utilisée pour des applications de revêtement de surface sur des outils, des composants automobiles, des turbines et des implants médicaux, entre autres.
Les sections suivantes fournissent plus de détails sur la composition, les caractéristiques, la production et les utilisations de la poudre de nitrure de titane.
Composition et caractéristiques des Poudre de nitrure de titane
| Propriété | Description | Unités |
|---|---|---|
| Formule chimique | Étain | |
| Composition chimique (typique) | – Titane (Ti) : Min. 77,0 wt%<br> – Azote (N) : Min. 20,0 wt%<br> – Carbone (C) : Max. 0,1 poids% | wt% |
| Structure cristalline | Cubique à faces centrées de type NaCl | |
| Taille des particules | Varie en fonction de l'application<br> – Poudres micronisées : < 10 microns<br> – Poudres submicroniques : < 1 micron<br> – Nanopoudres : < 100 nanomètres | microns, nanomètres |
| Apparence | Couleur or | |
| Point de fusion | ~2930°C | °C |
| Densité | 5,22 – 5,44 g/cm³ | g/cm³ |
| Dureté | Dureté Vickers : 1 800-2 100 HV<br> Dureté Mohs : 8-9 | HT |
| Module d'élasticité | 550 ± 50 GPa | GPa |
| Coefficient de dilatation thermique | 9,35 × 10⁻⁶K⁻¹ | K⁻¹ |
| Conductivité électrique | Conducteur métallique (la conductivité varie en fonction de la stœchiométrie et des impuretés) | S/m |
| Conductivité thermique | Élevé (15-30 W/mK) | W/mK |
| Température de transition supraconductrice | Jusqu'à 6,0 K (monocristaux) | K |
| Stabilité chimique | Excellente résistance à la plupart des produits chimiques à température ambiante<br> Réagit avec l'oxygène à haute température (> 800°C) | |
| Biocompatibilité | Généralement considéré comme biocompatible |
Processus de fabrication de la poudre de nitrure de titane
| Processus | Description | Avantages | Inconvénients |
|---|---|---|---|
| Nitruration | Il s’agit de la méthode la plus largement utilisée pour produire de la poudre de nitrure de titane. Il s’agit de faire réagir une matière première de titane avec de l’azote gazeux ou de l’ammoniac à des températures élevées (généralement supérieures à 900°C). La réaction peut être réalisée dans diverses configurations de réacteurs, notamment des lits fluidisés, des réacteurs rotatifs et des réacteurs à plasma. | – Technologie établie et fiable – Produit de la poudre TiN de haute pureté – Offre un bon contrôle de la morphologie de la poudre | – Nécessite des températures élevées, ce qui entraîne une consommation d'énergie accrue – La taille des particules et leur distribution peuvent être difficiles à contrôler à des températures élevées – Potentiel de contamination par l'oxygène s'ils ne sont pas soigneusement contrôlés |
| Réduction carbothermique | Cette méthode consiste à chauffer un mélange de dioxyde de titane (TiO2), de carbone (graphite ou charbon de bois) et d'azote gazeux à des températures élevées (environ 1 300 °C). Le carbone agit comme un agent réducteur, convertissant le dioxyde de titane en nitrure de titane. | – Offre une alternative potentiellement moins coûteuse à la nitruration – Peut être utilisé pour produire du nitrure de titane avec des compositions de carbonitrure spécifiques | – Chimie de réaction plus complexe que la nitruration – Un contrôle strict du rapport des matières premières et des conditions de réaction est crucial pour obtenir la pureté souhaitée du produit – Peut nécessiter des étapes de post-traitement supplémentaires pour éliminer les impuretés |
| Broyage à billes réactif | Il s'agit d'un processus mécanochimique à haute énergie dans lequel de la poudre de titane et une source d'azote (souvent de l'urée) sont broyées ensemble dans un broyeur à boulets à haute énergie. La force mécanique exercée par les billes de broyage fracture les particules et favorise la réaction à l'état solide entre le titane et l'azote, formant du nitrure de titane à des températures relativement basses (autour de la température ambiante). | – Convient à la production de poudre de nitrure de titane de taille nanométrique – Consommation d'énergie inférieure par rapport aux méthodes à haute température – Peut être un processus évolutif | – Technologie relativement nouvelle avec recherche et développement en cours – Peut introduire une contamination provenant des médias de broyage – Obtenir une distribution granulométrique uniforme peut être un défi |
| Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) | Cette méthode consiste à introduire des gaz précurseurs contenant du titane et de l'azote dans une chambre de réaction chauffée. Les gaz précurseurs se décomposent et réagissent pour former des particules de nitrure de titane, qui sont ensuite déposées sur un substrat ou collectées sous forme de poudre. | – Méthode très polyvalente capable de produire des poudres aux propriétés adaptées – Permet un contrôle précis de la taille et de la morphologie des particules | – Équipement de traitement complexe et coûteux requis – Capacité de production limitée par rapport à d'autres méthodes – Considérations de sécurité dues à l'utilisation de gaz précurseurs potentiellement dangereux |
| Dépôt physique en phase vapeur (PVD) | Semblable au CVD, le PVD consiste à vaporiser du titane dans un environnement sous vide et à le faire réagir avec de l'azote gazeux. Le titane vaporisé peut être généré à l'aide de diverses techniques telles que la pulvérisation cathodique, le dépôt à l'arc cathodique ou l'évaporation par faisceau d'électrons. | – Convient à la production de films minces ou de poudres de nitrure de titane de haute pureté et bien définis – Offre un bon contrôle de l'épaisseur et de la composition du film | – Équipement hautement spécialisé et coûteux – Cadence de production limitée pour la production de poudre – Dépôt en visibilité directe, le rendant inadapté aux géométries complexes |
Applications et utilisations de la poudre de nitrure de titane
| Catégorie | Application | Biens immobiliers financés par effet de levier | Détails |
|---|---|---|---|
| Outils de coupe | Forets, fraises, fraises en bout | Dureté élevée, résistance à l'usure, faible coefficient de frottement | La poudre de nitrure de titane (TiN) est un choix populaire pour le revêtement des outils de coupe en raison de sa dureté exceptionnelle, qui prolonge la durée de vie de l'outil jusqu'à trois fois par rapport aux outils non revêtus. Le faible coefficient de friction des revêtements TiN réduit la friction entre l'outil et la pièce, minimisant ainsi la génération de chaleur et améliorant l'efficacité de coupe. De plus, la résistance à l'usure du TiN empêche l'écaillage et la dégradation du tranchant, conservant ainsi des coupes nettes plus longtemps. |
| Dispositifs médicaux | Lames de scalpel, scies à os, implants orthopédiques | Biocompatibilité, résistance à l'usure, netteté | Dans le domaine médical, la poudre TiN trouve des applications dans le revêtement d'instruments chirurgicaux tels que les scalpels et les scies à os. Sa nature biocompatible le rend sécuritaire pour une implantation dans le corps. De plus, la résistance à l'usure des revêtements TiN garantit que ces instruments conservent leur tranchant pendant les procédures, conduisant à des coupes plus nettes et à de meilleurs résultats pour les patients. Le TiN est également utilisé pour recouvrir certains implants orthopédiques, tels que les arthroplasties de la hanche, en raison de sa capacité à améliorer la résistance à l'usure et à réduire la friction à l'interface implant-os, favorisant ainsi la stabilité de l'implant à long terme. |
| Revêtements décoratifs | Bijoux fantaisie, garniture automobile | Couleur dorée attrayante, haute durabilité | Au-delà de ses applications fonctionnelles, la poudre TiN est appréciée pour ses propriétés esthétiques. La couleur or métallique des revêtements TiN les rend idéaux à des fins décoratives dans les bijoux fantaisie et les garnitures automobiles. Contrairement au véritable placage en or, le TiN offre une durabilité et une résistance aux rayures supérieures, conservant son éclat pendant de longues périodes. Cette combinaison d'esthétique et de fonctionnalité fait de la poudre TiN un choix attrayant pour les fabricants recherchant un équilibre entre style et longévité. |
| Biens de consommation | Appareils de plomberie, poignées de porte | Résistance à la corrosion, résistance à l'usure, attrait esthétique | Les propriétés bénéfiques du TiN s’étendent aux biens de consommation courante. Une application courante concerne le revêtement des appareils de plomberie et des poignées de porte. La résistance à la corrosion du TiN protège ces articles du ternissement et de l’usure, en particulier dans les zones exposées à l’humidité. De plus, la résistance à l’usure des revêtements TiN évite les rayures et maintient le bon fonctionnement des robinets et des poignées de porte. Dans certains cas, une couche supérieure de TiN est utilisée sur une couche de base en nickel ou en chrome, offrant une combinaison de durabilité, de résistance à la corrosion et une touche d'élégance dorée. |
| Semi-conducteurs | Barrières de diffusion, conducteurs électriques | Haute stabilité thermique, bonne conductivité électrique | Dans le domaine des semi-conducteurs, la poudre de TiN joue un rôle crucial dans le processus de fabrication. Des films minces de TiN sont déposés sur des tranches de silicium pour agir comme des barrières de diffusion, empêchant les éléments indésirables de migrer à travers les couches et perturbant les propriétés électriques du dispositif. Le TiN présente également une bonne conductivité électrique, ce qui le rend adapté à une utilisation comme contacts électriques dans les circuits intégrés. |
| Applications émergentes | Cellules solaires, revêtements architecturaux | Large spectre de propriétés | Les efforts de recherche et développement explorent de nouvelles applications pour la poudre de TiN. Dans le domaine de l’énergie solaire, les revêtements TiN sont étudiés pour leur potentiel à améliorer l’efficacité des cellules solaires. La capacité du TiN à absorber certaines longueurs d’onde de lumière tout en en réfléchissant d’autres pourrait conduire au développement de dispositifs de collecte de lumière plus efficaces. De plus, la combinaison de propriétés du TiN, notamment la dureté, la résistance à la corrosion et un effet autolubrifiant, en fait un candidat prometteur pour les revêtements architecturaux des bâtiments. Ces revêtements pourraient offrir une protection contre les conditions météorologiques difficiles, améliorer les propriétés autonettoyantes et potentiellement améliorer l’attrait esthétique des structures. |
Spécifications de Poudre de nitrure de titane
Les poudres de nitrure de titane sont disponibles en différents niveaux de pureté, de distribution granulométrique et de morphologie, et peuvent être personnalisées en fonction des exigences de l'application.
Quelques spécifications importantes de la poudre TiN :
| Spécifications | Détails |
|---|---|
| La pureté | 99% teneur minimale en nitrure de titane pour la plupart des applications. Des puretés inférieures ~92%-95% sont également disponibles pour des utilisations non critiques. |
| Morphologie de la forme des particules | Varié de sphérique, aggloméré à angulaire |
| Distribution de la taille des particules (d50) | Gamme allant de l'échelle nanométrique 30-50 nm à l'échelle micronique 2-5 μm pour les revêtements d'outils/composants. La qualité submicronique ~0,5 μm est également courante. |
| Surface spécifique (SSA) | De 5 m2/g pour les qualités micron à 15-30 m2/g pour les poudres nanométriques. |
| Couleur | Or métallique brillant |
| Point de fusion | 2950°C |
| Dureté Mohs | 8.5 |
| Structure cristalline | Cubique - type NaCl |
| Densité | 5,22 g/cm3 |
| Teneur en oxygène/carbone | Sous 1%, la teneur en oxygène est importante pour une grande pureté. |
Tableau 1 : Résumé des spécifications du nitrure de titane
Les spécifications de ces poudres peuvent être modifiées en fonction des applications industrielles ciblées lors de la fabrication sur mesure.
Fournisseurs mondiaux et prix
| Région | Principaux fournisseurs | Produit | Prix (USD/kg) | Principales considérations |
|---|---|---|---|---|
| Amérique du Nord | American Elements, Usines de titane américaines, Nanoventure | TiN micronisé (>1 micron) | 100-200 | Offre un bon équilibre entre coût et performance pour les revêtements résistants à l'usure |
| Alfa Aesar, matériaux spécialisés ATI | TiN nanométrique (<100 nm) | 400-800 | Surface élevée idéale pour les applications électroniques et de catalyse | |
| Praxair Surface Technologies | Matière première pour CVD (dépôt chimique en phase vapeur) | Prix sur demande | Une qualité et une taille de particules constantes sont cruciales pour les revêtements en couches minces | |
| L'Europe | HC Starck, Sandvik Hyperion, Plansee | TiN à usage général | 80-150 | Large disponibilité auprès de producteurs européens réputés |
| Evonik Industries, Arkema | TiN de haute pureté (99,9%+) | 250-500 | Exigé par les industries de l'aérospatiale et des dispositifs médicaux | |
| NanoMatériaux | TiN ultrafin (<50 nm) | 800-1200 | Fournisseur leader à des fins de recherche et développement | |
| Asie-Pacifique | China National Bluestar (CNB), nouveau matériau Fangda Carbon, Ningbo Tianxiang | TiN de qualité commerciale | 50-80 | Option rentable pour les applications en masse |
| Toda Metal, exploitation minière et fonderie Mitsui | TiN haute performance | 120-200 | Connu pour sa qualité et sa cohérence en Asie | |
| Laboratoire chimique de Kojundo | Nuances TiN spécialisées (par exemple, dopées) | Prix sur demande | Expertise en poudres conçues sur mesure pour des besoins spécifiques |
Comparaison entre le nitrure de titane et d'autres revêtements durs
Comparaison des propriétés
| Propriétés | Nitrure de titane | Nitrure de chrome | Nitrure d'aluminium et de titane | Carbone semblable à un diamant | Carbure de titane |
|---|---|---|---|---|---|
| Dureté (HV) | 2000 – 2400 | 1400 – 1800 | 3200 – 3400 | 1000 – 1500 | 2800 – 3400 |
| La force | Excellent | Bon | Supérieure | Très bon | Extrêmement élevé |
| Résistance à l'usure | Extrêmement élevé | Modéré | Exceptionnellement élevé | Modéré | Exceptionnellement élevé |
| Résistance à la corrosion | Haut | Modéré | Très élevé | Faible | Haut |
| Résistance à l'oxydation | Modéré | Bon | Excellent | Bon | Bon |
| Coefficient de frottement | 0.5 | 0.35 – 0.6 | 0.4 | 0.1 – 0.2 | 0.25 – 0.35 |
| Couleur | Or brillant | Gris | Pourpre foncé | Gris graphite | Bleu-gris |
| Temp. de fonctionnement max. Température de fonctionnement (°C) | 500 | 750 | 800 | 250 | 600 |
| Coût | Modéré | Faible | Haut | Haut | Haut |
| Toxicité | Non toxique | Contient du Cr, du Co | Non toxique | Non toxique | Non toxique |
Avantages du nitrure de titane
Quelques avantages et bénéfices du choix des revêtements en nitrure de titane par rapport à d'autres alternatives :
- Dureté extrême pour la protection contre l'usure, comparable à celle du TiC
- Résistance à la corrosion adaptée à la plupart des environnements de production
- Stabilité à haute température et dureté jusqu'à ~500°C
- Faible toxicité - sans danger pour les dispositifs médicaux/implants, contrairement au CrN
- Excellente adhérence aux alliages de titane et aux substrats en acier inoxydable
- Bio-inert facilite l'approbation de la biocompatibilité
- Le coefficient de frottement neutre empêche le grippage des pièces
- Résistance à l'oxydation supérieure à celle des revêtements TiC
Limites du nitrure de titane
Malgré des performances très complètes, le nitrure de titane présente certaines limites :
- Stabilité à la température inférieure à celle de l'AlTiN qui est stable à plus de 800°C
- Ténacité et résistance aux chocs relativement inférieures à celles du DLC
- Des contraintes plus élevées sur le revêtement peuvent entraîner des fissures ou des écailles au fil du temps.
- Non recommandé pour les environnements acides en raison de l'oxydation spontanée.
- Plus coûteux que les simples revêtements de Cr ou de WC
- Les procédés d'usinage des métaux peuvent laisser des débris métalliques sur la finition TiN
Quand choisir des alternatives au nitrure de titane ?
D'autres revêtements peuvent être mieux adaptés que le TiN si :
- Températures de fonctionnement supérieures à 500°C (utiliser AlTiN ou nitrure de chrome)
- Ténacité supérieure contre les charges d'impact nécessaire (envisager DLC)
- Traversée des signaux RF requise, par exemple dans l'aérospatiale/les télécommunications (meilleure option DLC)
- Exposé à des acides halogènes ou à d'autres milieux très corrosifs (choisir DLC)
Avantages et inconvénients du revêtement en nitrure de titane
| Fonctionnalité | Pour | Cons |
|---|---|---|
| Résistance à l'usure | * Prolonge considérablement la durée de vie de l'outil en réduisant la friction et l'usure. Les outils de coupe, forets et autres outils durent plus longtemps, réduisant ainsi les coûts de remplacement et les temps d'arrêt. * Offre une protection supérieure contre les matériaux abrasifs, ce qui le rend idéal pour l'usinage des composites, du bois et de certains métaux. | * Fragilité : Bien que dur, le TiN peut s'écailler ou s'écailler s'il est soumis à un impact important ou à une force excessive. Peut ne pas convenir aux applications de percussion intensives. * Épaisseur |
| Réduction des frottements | * Réduit le coefficient de frottement, conduisant à des opérations de coupe plus fluides. Cela réduit la génération de chaleur, qui peut endommager les outils et dégrader la qualité des pièces. * Minimise la consommation d'énergie pendant l'usinage, ce qui entraîne des économies de coûts et un processus plus respectueux de l'environnement. | * Les performances peuvent varier en fonction du matériau usiné. Une lubrification peut encore être nécessaire pour certaines applications. |
| Résistance à la corrosion | * TiN agit comme une barrière contre la corrosion, protégeant le métal sous-jacent de la rouille et d'autres facteurs environnementaux. * Maintient l'intégrité et la fonctionnalité des outils et des composants dans des environnements difficiles. | * Pas aussi efficace contre certains produits chimiques ou substances hautement corrosives. * D'autres revêtements pourraient être mieux adaptés aux besoins extrêmes de résistance à la corrosion. |
| Stabilité thermique | * Fonctionne bien à des températures élevées, ce qui le rend adapté aux applications d'usinage à grande vitesse. * Réduit l'usure des outils liée à la chaleur et maintient la précision dimensionnelle des pièces usinées. | * Ce n'est peut-être pas le meilleur choix pour les environnements à température extrêmement élevée où d'autres revêtements avancés excellent. |
| Esthétique | * Teinte dorée ou jaunâtre distinctive souvent associée aux outils performants. * Améliore l'attrait visuel de certains produits. | * Le bénéfice cosmétique est secondaire par rapport aux avantages fonctionnels. * La couleur peut varier légèrement selon le processus de dépôt. |
| Coût | * Relativement abordable par rapport à certaines autres technologies de revêtement avancées. * Fournit une amélioration significative des performances à un coût raisonnable. | * Le coût initial du revêtement doit être mis en balance avec les avantages d'une durée de vie prolongée de l'outil et d'une efficacité d'usinage améliorée. |
| Impact sur l'environnement | * Réduit les déchets en prolongeant la durée de vie des outils, nécessitant moins de remplacements. * Contribue à un processus d'usinage plus durable. | * Le processus de revêtement lui-même peut impliquer l'utilisation de produits chimiques spécifiques, nécessitant des procédures d'élimination appropriées. |
FAQ
Q : Pourquoi le nitrure de titane est-il de couleur dorée ?
R : La couleur dorée résulte des propriétés d'absorption/réflexion de la lumière de la structure cristalline du nitrure de titane qui donne aux revêtements TiN déposés par plasma ou par vapeur leur finition dorée distinctive.
Q : Le nitrure de titane est-il toxique ?
R : Non, la céramique de nitrure de titane est considérée comme totalement non toxique et bio-inerte, ce qui permet de l'utiliser en toute sécurité dans les implants biomédicaux conformément aux normes de biocompatibilité ISO 10993.
Q : Quelle épaisseur de revêtement TiN faut-il utiliser ?
R : L'épaisseur typique est de 1 à 5 microns. Les revêtements plus fins de 0,5 à 1 micron offrent une protection contre l'usure. Les films de 2 à 5 microns offrent une résistance à la corrosion et à l'érosion pour un service plus long.
Q : Le revêtement TiN augmente-t-il ou diminue-t-il la friction ?
R : Le TiN réduit considérablement le coefficient de frottement par rapport à l'acier. Les valeurs exactes varient de 0,4 à 0,9 en fonction du matériau de référence, ce qui diminue le frottement global tout en empêchant le grippage.
Q : Quelle est la dureté typique des films de nitrure de titane ?
R : Les valeurs de dureté sont comprises entre 2000 et 2500 Vickers lorsqu'elles sont déposées sous forme de films minces à l'aide de techniques PVD ou CVD, parmi les valeurs les plus élevées que l'on puisse atteindre pour les revêtements commerciaux.
Q : Qu'est-ce que le nitrure de titane aquatique ?
R : Aqua TiN est un revêtement de carbonitrure de titane allié à du silicium 8-20% qui donne une finition de couleur bleu aquatique et d'excellentes performances tribologiques jusqu'à des températures de 700 deg. C.
Q : Le revêtement TiN prévient-il le grippage et l'usure par adhérence ?
R : Oui, le nitrure de titane est largement utilisé dans des applications telles que le formage, le poinçonnage et l'emboutissage, où il constitue un excellent revêtement anti-grippage et anti-grippage, même dans des conditions de lubrification limite.
Q : Quelles sont les industries qui utilisent les revêtements de nitrure de titane ?
R : Tous les grands secteurs de fabrication, notamment l'automobile, l'aérospatiale, le textile, l'emballage, l'électronique, la sidérurgie, la pétrochimie, le secteur médical, etc. utilisent des films TiN pour améliorer les performances et la fiabilité des pièces et des outils critiques.
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