窒化チタンパウダー
目次
窒化チタン（TiN）粉末は、様々な産業分野での使用に適したユニークな特性を持つ、非常に硬いセラミック材料です。この記事では 窒化チタン粉その組成、主な特徴、製造工程、用途を含む。
窒化チタン粉末の概要
窒化チタンまたはTiNは、チタンと窒素原子からなる黄金色のセラミック化合物である。化学式はTiN。
窒化チタン粉末の主な特徴は以下の通り：
- ダイヤモンドに匹敵する硬度
- 優れた耐摩耗性と耐食性
- 高い熱安定性
- メタリックゴールド
- 導電性
- 生体適合性と非毒性
そのユニークな特性の組み合わせにより、TiNパウダーは工具、自動車部品、タービン、医療用インプラントなどの表面コーティング用途に利用されている。
以下のセクションでは、窒化チタン粉末の組成、特徴、製造、用途について詳しく説明します。
の組成と特徴 窒化チタンパウダー
| プロパティ | 説明 | 単位 |
|---|---|---|
| 化学式 | チタン | |
| 化学組成（代表値） | - チタン（Ti）：最小77.0wt%<br> - 窒素（N）最低20.0wt%<br> - カーボン（C）：最大0.1wt% | wt% |
| 結晶構造 | NaCl型面心立方 | |
| 粒子径 | 用途により異なる<br> - 微粉末： <10ミクロン<br> - サブミクロンの粉末： <1ミクロン<br> - ナノ粉体： <100ナノメートル | ミクロン、ナノメートル |
| 外観 | ゴールド | |
| 融点 | ~2930°C | °C |
| 密度 | 5.22 - 5.44 g/cm³ | g/cm³ |
| 硬度 | ビッカース硬度：1800-2100HV<br> モース硬度：8～9 | HV |
| 弾性係数 | 550 ± 50 GPa | GPa |
| 熱膨張係数 | 9.35 × 10-⁶ K-¹ | K-¹ |
| 電気伝導率 | 金属導体（導電率は化学量論や不純物によって変化する） | S/m |
| 熱伝導率 | 高い (15-30 W/mK) | W/mK |
| 超伝導転移温度 | 6.0Kまで（単結晶） | K |
| 化学的安定性 | 常温でほとんどの化学薬品に優れた耐性を示す<br> 高温（800℃以上）で酸素と反応する。 | |
| 生体適合性 | 一般的に生体適合性があると考えられている |
窒化チタン粉末の製造工程
| プロセス | 説明 | メリット | デメリット |
|---|---|---|---|
| 窒化処理 | これは窒化チタン粉末の製造に最も広く使用されている方法である。チタン原料を窒素ガスまたはアンモニアと高温（通常900℃以上）で反応させる。この反応は、流動床、回転反応器、プラズマ反応器を含む様々な反応器構成で実施することができる。 | - 確立された信頼性の高い技術 - 高純度のTiN粉末を生産 - 粉末の形態制御が容易 | - 高温を必要とし、エネルギー消費量の増加につながる - 高温では粒子径と粒度分布の制御が難しい - 注意深く制御しないと酸素汚染の可能性がある |
| カーボサーマル | この方法では、二酸化チタン（TiO2）、炭素（黒鉛または木炭）、窒素ガスの混合物を高温（約1300℃）に加熱する。炭素が還元剤として働き、二酸化チタンを窒化チタンに変える。 | - 特定の炭窒化物組成を持つ窒化チタンの製造に使用可能。 | - 所望の生成物の純度を達成するためには、出発原料の比率と反応条件の厳密な管理が重要である。 |
| 反応性ボールミル | これは、チタン粉末と窒素源（多くの場合尿素）を高エネルギーのボールミルで一緒に粉砕する高エネルギーのメカノケミカルプロセスである。粉砕ボールからの機械力が粒子を破壊し、チタンと窒素の固体反応を促進し、比較的低温（室温前後）で窒化チタンを形成します。 | - ナノサイズの窒化チタン粉末の製造に適している - 高温法に比べてエネルギー消費量が少ない - 拡張可能なプロセスである | - 研究開発中の比較的新しい技術 - 粉砕媒体からのコンタミネーションが混入する可能性がある - 均一な粒度分布を達成するのが難しい場合がある |
| 化学気相成長法（CVD） | この方法では、チタンと窒素を含む前駆体ガスを加熱された反応室に導入する。前駆体ガスは分解・反応して窒化チタン粒子を形成し、基板上に蒸着されるか、粉末として回収される。 | - オーダーメイドの特性を持つ粉末を製造できる汎用性の高い方法 - 粒径と形態の精密な制御が可能 | - 複雑で高価なプロセス設備が必要 - 他の方法に比べて生産能力に限界がある - 危険性のある前駆体ガスを使用するため、安全性に配慮が必要 |
| 物理蒸着（PVD） | CVDと同様に、PVDは真空環境下でチタンを気化させ、窒素ガスと反応させる。気化したチタンは、スパッタリング、カソードアーク蒸着、電子ビーム蒸着などの様々な技術を用いて生成することができます。 | - 高純度かつ高分解能の窒化チタン薄膜または粉末の製造に最適 - 膜厚と組成の制御が容易 | - 専門性が高く、高価な装置 - 粉末製造では生産速度に限界がある - 直視下蒸着であるため、複雑な形状には適さない |
窒化チタン粉末の用途と使用例
| カテゴリー | 申し込み | レバレッジ物件 | 詳細 |
|---|---|---|---|
| 切削工具 | ドリルビット、フライスカッター、エンドミル | 高硬度、耐摩耗性、低摩擦係数 | 窒化チタン（TiN）粉末は、その優れた硬度により、切削工具のコーティングによく使用され、コーティングされていない工具に比べ、工具寿命を最大3倍延ばすことができます。TiNコーティングの低摩擦係数は、工具とワーク間の摩擦を低減し、発熱を最小限に抑え、切削効率を向上させます。さらに、TiNの耐摩耗性が切れ刃のチッピングや劣化を防ぎ、シャープな切れ味を長く維持する。 |
| 医療機器 | メスの刃、骨用のこぎり、整形外科用インプラント | 生体適合性、耐摩耗性、切れ味 | 医療分野では、TiN粉末はメスや骨用ノコギリなどの手術器具のコーティングに応用されている。生体適合性が高いため、体内に埋め込んでも安全である。さらに、TiNコーティングの耐摩耗性は、これらの器具が処置中に切れ味を維持することを保証し、よりきれいな切断と患者の転帰の改善につながる。TiNはまた、耐摩耗性を高め、インプラントと骨の界面での摩擦を減らし、インプラントの長期安定性を促進する能力があるため、人工股関節などの整形外科用インプラントのコーティングにも使用されている。 |
| 装飾用コーティング | コスチュームジュエリー、自動車用トリム | 魅力的な黄金色、高い耐久性 | 機能的な用途にとどまらず、TiNパウダーはその美的特性でも評価されている。TiNコーティングのメタリックゴールド色は、コスチュームジュエリーや自動車トリムなどの装飾目的に最適です。本物の金メッキとは異なり、TiNは優れた耐久性と耐傷性を提供し、長期間輝きを維持します。美観と機能性を兼ね備えたTiNパウダーは、スタイルと寿命のバランスを求めるメーカーにとって魅力的な選択肢です。 |
| 消費財 | 配管設備、ドアノブ | 耐食性、耐摩耗性、美観 | TiNの有益な特性は、日常消費財にも及んでいる。一般的な用途は、配管器具やドアノブのコーティングである。TiNの耐食性は、特に湿気にさらされる部分において、これらの品目を変色や摩耗から保護する。さらに、TiNコーティングの耐摩耗性は、傷を防ぎ、蛇口やドアハンドルのスムーズな操作を維持します。場合によっては、ニッケルやクロムのベースコートの上にTiNのトップ層を使用することで、耐久性、耐食性、金色のエレガントさを兼ね備えています。 |
| 半導体 | 拡散バリア、導電体 | 高い熱安定性、良好な電気伝導性 | 半導体の分野では、TiNパウダーが製造プロセスで重要な役割を果たしている。TiNの薄膜はシリコンウェハー上に蒸着され、拡散バリアとして機能し、不要な元素が層を通って移動し、デバイスの電気的特性を破壊するのを防ぐ。また、TiNは良好な導電性を示すため、集積回路内の電気接点としての使用にも適している。 |
| 新たなアプリケーション | 太陽電池、建築用コーティング | 幅広い特性 | 研究開発では、TiN粉末の新たな用途が模索されている。太陽エネルギーの分野では、TiNコーティングが太陽電池の効率を向上させる可能性について研究されている。特定の波長の光を吸収し、他の波長の光を反射するTiNの能力は、より効率的な集光デバイスの開発につながる可能性がある。さらに、硬度、耐食性、自己潤滑効果などの特性を併せ持つTiNは、建築物のコーティング材として有望である。これらのコーティングは、過酷な気象条件から保護し、セルフクリーニング特性を向上させ、建築物の美観を向上させる可能性がある。 |
仕様 窒化チタンパウダー
窒化チタン粉末製品は、異なる純度レベル、粒度分布、形態で入手可能であり、アプリケーションの要件に応じてカスタマイズすることができます。
重要なTiNパウダーの仕様
| 仕様 | 詳細 |
|---|---|
| 純度 | 99%の窒化チタン含有量は、ほとんどの用途において最小です。また、非重要用途には、より低い純度～92%～95%もあります。 |
| 粒子形状形態 | 球状、凝集したものから角張ったものまで様々である。 |
| 粒子径（d50）分布 | ナノスケール30～50nmからミクロングレード2～5μmまであり、工具／部品コーティング用。サブミクロングレード～0.5μmも一般的。 |
| 比表面積（SSA） | ミクロングレードの5m2/gからナノパウダーの15～30m2/gまで |
| カラー | メタリックブライトゴールド |
| 融点 | 2950°C |
| モース硬度 | 8.5 |
| 結晶構造 | キュービック - NaClタイプ |
| 密度 | 5.22 g/cm3 |
| 酸素/炭素含有量 | 1%では酸素含有量が高純度にとって重要 |
表1： 窒化チタン仕様概要
これらの粉末の仕様は、カスタム製造の際にターゲットとする業界の用途に応じて変更することができる。
グローバル・サプライヤーと価格
| 地域 | 主要サプライヤー | 製品 | 価格(USD/kg) | 主な検討事項 |
|---|---|---|---|---|
| 北米 | アメリカン・エレメンツ、USチタン・ミルズ、ナノベンチャー | 微粒化TiN（>1ミクロン） | 100-200 | 耐摩耗性コーティングのコストと性能のバランスに優れている。 |
| Alfa Aesar, ATI Specialty Materials | ナノ化TiN (<100 nm) | 400-800 | エレクトロニクスや触媒用途に理想的な高表面積 | |
| プラクセア・サーフェス・テクノロジー | CVD（化学気相成長）用原料 | 価格はお問い合わせください。 | 薄膜コーティングには安定した品質と粒子径が不可欠 | |
| ヨーロッパ | H.C.スタルク、サンドビック・ハイペリオン、プランゼー | 汎用TiN | 80-150 | ヨーロッパの信頼できる生産者から幅広く入手可能 |
| エボニック、アルケマ | 高純度TiN (99.9%+) | 250-500 | 航空宇宙産業や医療機器産業からの需要 | |
| ナノマテリアル | 超微粒子TiN (<50 nm) | 800-1200 | 研究開発目的の大手サプライヤー | |
| アジア太平洋 | 中国ブルースター（CNB）、方達炭素新材料、寧波天祥 | 市販グレードのTiN | 50-80 | バルク・アプリケーションのための費用対効果の高いオプション |
| 戸田メタル、三井金属鉱業 | 高性能TiN | 120-200 | アジアにおける品質と一貫性で知られる | |
| 高純度化学研究所 | 特殊TiNグレード（ドープなど） | 価格はお問い合わせください。 | 特定のニーズに合わせたカスタムメイドの粉体に関する専門知識 |
窒化チタンと他の硬質コーティングの比較
物件比較
| プロパティ | 窒化チタン | 窒化クロム | 窒化アルミニウム・チタン | ダイヤモンドライクカーボン | 炭化チタン |
|---|---|---|---|---|---|
| 硬度（HV） | 2000 – 2400 | 1400 – 1800 | 3200 – 3400 | 1000 – 1500 | 2800 – 3400 |
| 強さ | 素晴らしい | グッド | スーペリア | 非常に良い | 極めて高い |
| 耐摩耗性 | 極めて高い | 中程度 | 特別に高い | 中程度 | 特別に高い |
| 耐食性 | 高い | 中程度 | 非常に高い | 低い | 高い |
| 耐酸化性 | 中程度 | グッド | 素晴らしい | グッド | グッド |
| 摩擦係数 | 0.5 | 0.35 – 0.6 | 0.4 | 0.1 – 0.2 | 0.25 – 0.35 |
| カラー | ブライト・ゴールド | グレー | ダーク・パープル | グラファイトグレー | ブルーグレー |
| 最高使用温度動作温度 (°C) | 500 | 750 | 800 | 250 | 600 |
| コスト | 中程度 | 低い | 高い | 高い | 高い |
| 毒性 | 無害 | Cr、Coを含む | 無害 | 無害 | 無害 |
窒化チタンの利点
窒化チタンコーティングを選択するメリットと利点：
- TiCに匹敵する耐摩耗性を実現する硬度
- ほとんどの生産環境に適した耐食性
- 500℃までの硬度を保持する高温安定性
- 低毒性 - CrNと異なり、医療機器やインプラントに対して安全である。
- チタン合金およびステンレス鋼基材への優れた接着性
- 生体適合性認可を容易にするバイオイナート
- ニュートラルな摩擦係数で部品のかじりを防止
- TiCコーティングより高い耐酸化性
窒化チタンの限界
非常に優れた性能を持つ窒化チタンだが、いくつかの限界もある：
- 800℃以上で安定なAlTiNより低い温度安定性
- DLCに比べ、靭性と耐衝撃性が相対的に劣る
- コーティングの応力が高くなると、時間の経過とともにひび割れや剥がれが生じる可能性がある。
- 自然酸化のため、酸性環境での使用は推奨されない。
- 単純なCrやWCコーティングに比べて高価
- 金属加工工程では、TiN仕上げの上に金属くずが付着することがある。
窒化チタンに代わるものを選ぶべき場合
TiNよりも他のコーティングの方が適している場合もある：
- 使用温度が500℃を超える場合（AlTiNまたは窒化クロムを使用）
- 衝撃荷重に対する優れた靭性が必要（DLCを考慮すること）
- RF信号のパススルーが必要（航空宇宙／テレコムなど）（DLCの方が良い選択肢
- ハロゲン酸またはその他の非常に腐食性の高い媒体にさらされる（DLCを選択）
窒化チタンコーティングの長所と短所
| 特徴 | 長所 | 短所 |
|---|---|---|
| 耐摩耗性 | * 摩擦と摩耗を低減することで、工具寿命を大幅に延長。切削工具、ドリルビット、その他の工具を長持ちさせ、交換コストとダウンタイムを削減。* 複合材料、木材、特定の金属の加工に最適。 | * 脆さ：硬い反面、強い衝撃や過度の力が加わると、TiNが欠けたり剥がれたりすることがある。高負荷のパーカッション用途には適さない。* 厚さ |
| 摩擦低減 | * 摩擦係数を下げ、スムーズな切断作業を実現。これにより、工具を損傷させ、加工物の品質を低下させる熱の発生を抑えることができる。* 加工時のエネルギー消費を最小限に抑え、コスト削減と環境に優しい加工を実現。 | * 加工する材料によって性能が異なる場合があります。用途によっては潤滑が必要な場合があります。 |
| 耐食性 | * TiNは腐食に対するバリアとして機能し、錆やその他の環境要因から基礎となる金属を保護します。* 過酷な環境下でも工具や部品の完全性と機能性を維持します。 | * 特定の化学物質や腐食性の強い物質に対しては、あまり効果がない。* 極端な耐食性を必要とする場合は、他のコーティングの方が適している場合があります。 |
| 熱安定性 | * 高温でも優れた性能を発揮し、高速加工に適している。* 熱による工具摩耗を低減し、加工部品の寸法精度を維持。 | * 他の高機能コーティングが得意とするような超高温環境には最適ではないかもしれない。 |
| 美学 | * 特徴的な黄金色または黄色がかった色調は、しばしば高性能ツールに関連付けられます。* 特定の製品の視覚的な魅力を高めます。 | * 化粧品の利点は、機能的な利点の二の次である。* 色は蒸着プロセスによって若干異なる場合があります。 |
| コスト | * 他の先端コーティング技術に比べ、比較的手頃な価格。* リーズナブルなコストで大幅な性能向上を実現。 | * コーティングの初期コストは、工具寿命の延長や加工効率の向上といったメリットと比較検討する必要がある。 |
| 環境への影響 | * 工具寿命の延長により無駄を削減し、交換回数を減らす。* より持続可能な加工プロセスへの貢献。 | * コーティング工程自体、特定の化学物質を使用する場合があり、適切な廃棄手順が必要です。 |
よくあるご質問
Q: なぜ窒化チタンは金色なのですか？
A: 黄金色は、窒化チタンの結晶構造の光吸収・反射特性によるもので、プラズマまたは蒸着されたTiNコーティングに特徴的な金色仕上げを与えています。
Q: 窒化チタンは有毒ですか？
A:いいえ、窒化チタンセラミックは完全に無毒で生体不活性であるため、ISO 10993生体適合性基準に従って生体用インプラントに使用しても安全です。
Q: TiNコーティングの厚さはどのくらいですか？
A: 一般的な厚さの範囲は1～5ミクロンです。より薄い0.5-1ミクロンのコーティングは耐摩耗性を提供します。2～5ミクロンの皮膜は耐食性、耐侵食性があり、より長く使用できます。
Q: TiNコーティングは摩擦を増加させますか、減少させますか？
A:TiNはスチールに対して摩擦係数を大幅に低減します。正確な値は0.4～0.9で、相手材によって異なりますが、全体的な摩擦を減少させ、カジリの焼き付きを防止します。
Q: 窒化チタン膜の一般的な硬度はどのくらいですか？
A: PVDまたはCVD技術で薄膜を成膜した場合の硬度は2000～2500ビッカースであり、市販のコーティングで達成可能な最高レベルの値です。
Q：アクアチタンナイトライドとは何ですか？
A: アクアTiNとは、8-20%シリコンと合金化した炭窒化チタンコーティングのことで、700℃まで優れたトライボロジー性能を発揮し、アクアブルー色の仕上がりを実現します。Cまで優れたトライボロジー性能を発揮します。
Q: TiNコーティングはカジリや付着摩耗を防止しますか？
A: はい、窒化チタンは成形/パンチング/ドローイングなどの用途に広く使用されており、境界潤滑条件下でも優れた防錆コーティングとして機能します。
Q: 窒化チタンコーティングはどのような産業で使用されていますか？
A: 自動車、航空宇宙、繊維、包装、エレクトロニクス、鉄鋼、石油化学、医療など、あらゆる主要製造業が、重要部品や工具の性能と信頼性を高めるためにTiN膜を使用している。
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