Titaan nitride poeder

Titaannitride (TiN) poeder is een extreem hard keramisch materiaal met unieke eigenschappen die het geschikt maken voor gebruik in verschillende industrieën. Dit artikel geeft een overzicht van titaniumnitridepoedermet inbegrip van de samenstelling, belangrijkste kenmerken, productieproces en toepassingen.

Overzicht van titanium nitride poeder

Titaannitride of TiN is een goudgele keramische verbinding die bestaat uit titaan en stikstofatomen. De chemische formule is TiN.

Enkele belangrijke kenmerken van titaniumnitridepoeder zijn:

• Extreme hardheid - bijna zo hard als diamant
• Uitstekende weerstand tegen slijtage en corrosie
• Hoge thermische stabiliteit
• Metallic gouden kleur
• Elektrisch geleidend
• Biocompatibel en niet-giftig

De unieke combinatie van eigenschappen heeft ertoe geleid dat TiN-poeder wordt gebruikt voor oppervlaktebekledingstoepassingen in onder andere gereedschappen, auto-onderdelen, turbines en medische implantaten.

De volgende paragrafen geven meer details over de samenstelling, kenmerken, productie en toepassingen van titaniumnitridepoeder.

Samenstelling en kenmerken van Titaan nitride poeder

Eigendom	Beschrijving	Eenheden
Chemische formule	TiN
Chemische samenstelling (typisch)	– Titanium (Ti): Min. 77.0 wt%<br> – Nitrogen (N): Min. 20.0 wt%<br> – Carbon (C): Max. 0.1 wt%	wt%
Kristalstructuur	NaCl-type face-centered cubic
Deeltjesgrootte	Afhankelijk van de toepassing<br> – Micronized powders: < 10 microns<br> – Submicron powders: < 1 micron<br> – Nanopowders: < 100 nanometers	microns, nanometers
Uiterlijk	Gold-colored
Smeltpunt	~2930°C	°C
Dikte	5.22 – 5.44 g/cm³	g/cm³
Hardheid	Vickers hardness: 1800-2100 HV<br> Mohs hardness: 8-9	HV
Elasticiteitsmodulus	550 ± 50 GPa	GPa
Thermische expansiecoëfficiënt	9.35 × 10⁻⁶ K⁻¹	K⁻¹
Elektrische geleiding	Metallic conductor (conductivity varies with stoichiometry and impurities)	S/m
Warmtegeleiding	High (15-30 W/mK)	W/mK
Superconducting Transition Temperature	Up to 6.0 K (single crystals)	K
Chemische stabiliteit	Excellent resistance to most chemicals at room temperature<br> Reacts with oxygen at high temperatures (> 800°C)
Biocompatibiliteit	Generally considered biocompatible

Productieproces van titanium nitride poeder

Proces	Beschrijving	Voordelen	Nadelen
Nitridation	This is the most widely used method for producing titanium nitride powder. It involves reacting titanium feedstock with nitrogen gas or ammonia at high temperatures (typically above 900°C). The reaction can be carried out in various reactor configurations, including fluidized beds, rotating reactors, and plasma reactors.	– Established and reliable technology – Produces high-purity TiN powder – Offers good control over powder morphology	– Requires high temperatures, leading to increased energy consumption – Particle size and size distribution can be difficult to control at high temperatures – Potential for oxygen contamination if not carefully controlled
Carbothermal Reduction	This method involves heating a mixture of titanium dioxide (TiO2), carbon (graphite or charcoal), and nitrogen gas to high temperatures (around 1300°C). The carbon acts as a reducing agent, converting the titanium dioxide to titanium nitride.	– Offers a potentially lower cost alternative to nitridation – Can be used to produce titanium nitride with specific carbonitride compositions	– More complex reaction chemistry compared to nitridation – Strict control over the starting material ratio and reaction conditions is crucial to achieve desired product purity – May require additional post-processing steps to remove impurities
Reactive Ball Milling	This is a high-energy mechanochemical process where titanium powder and a nitrogen source (often urea) are milled together in a high-energy ball mill. The mechanical force from the milling balls fractures the particles and promotes the solid-state reaction between titanium and nitrogen, forming titanium nitride at relatively low temperatures (around room temperature).	– Suitable for producing nano-sized titanium nitride powder – Lower energy consumption compared to high-temperature methods – Can be a scalable process	– Relatively new technology with ongoing research and development – May introduce contamination from the milling media – Achieving uniform particle size distribution can be challenging
Chemische dampdepositie (CVD)	This method involves introducing precursor gases containing titanium and nitrogen into a heated reaction chamber. The precursor gases decompose and react to form titanium nitride particles, which are then deposited on a substrate or collected as powder.	– Highly versatile method capable of producing powders with tailored properties – Enables precise control over particle size and morphology	– Complex and expensive process equipment required – Limited production capacity compared to other methods – Safety considerations due to the use of potentially hazardous precursor gases
Fysieke dampdepositie (PVD)	Similar to CVD, PVD involves vaporizing titanium in a vacuum environment and reacting it with nitrogen gas. The vaporized titanium can be generated using various techniques such as sputtering, cathodic arc deposition, or electron beam evaporation.	– Suitable for producing high-purity and well-defined titanium nitride thin films or powders – Offers good control over film thickness and composition	– Highly specialized and expensive equipment – Limited production rate for powder production – Line-of-sight deposition, making it unsuitable for complex geometries

Toepassingen en gebruik van titanium nitride poeder

Categorie	Sollicitatie	Hefboomeffecten	Details
Snijgereedschappen	Drill bits, milling cutters, end mills	High hardness, wear resistance, low friction coefficient	Titanium nitride (TiN) powder is a popular choice for coating cutting tools due to its exceptional hardness, which extends tool life by up to three times compared to uncoated tools. The low friction coefficient of TiN coatings reduces friction between the tool and workpiece, minimizing heat generation and improving cutting efficiency. Additionally, TiN’s wear resistance prevents chipping and degradation of the cutting edge, maintaining sharp cuts for longer.
Medische apparaten	Scalpel blades, bone saws, orthopedic implants	Biocompatibility, wear resistance, sharpness	In the medical field, TiN powder finds application in coating surgical instruments like scalpels and bone saws. Its biocompatible nature makes it safe for implantation within the body. Furthermore, the wear resistance of TiN coatings ensures that these instruments retain their sharpness during procedures, leading to cleaner cuts and improved patient outcomes. TiN is also used to coat some orthopedic implants, such as hip replacements, due to its ability to enhance wear resistance and reduce friction at the implant-bone interface, promoting long-term implant stability.
Decorative Coatings	Costume jewelry, automotive trim	Attractive golden color, high durability	Beyond its functional applications, TiN powder is valued for its aesthetic properties. The metallic gold color of TiN coatings makes them ideal for decorative purposes in costume jewelry and automotive trim. Unlike real gold plating, TiN offers superior durability and scratch resistance, maintaining its shine for extended periods. This combination of aesthetics and functionality makes TiN powder an attractive choice for manufacturers seeking a balance between style and longevity.
Consumentengoederen	Plumbing fixtures, doorknobs	Corrosion resistance, wear resistance, aesthetic appeal	The beneficial properties of TiN extend to everyday consumer goods. A common application is in the coating of plumbing fixtures and doorknobs. The corrosion resistance of TiN protects these items from tarnishing and wear, particularly in areas exposed to moisture. Additionally, the wear resistance of TiN coatings prevents scratches and maintains the smooth operation of faucets and door handles. In some cases, a top layer of TiN is used over a nickel or chromium base coat, providing a combination of durability, corrosion resistance, and a touch of golden elegance.
Semiconductors	Diffusion barriers, electrical conductors	High thermal stability, good electrical conductivity	Within the realm of semiconductors, TiN powder plays a crucial role in the fabrication process. Thin films of TiN are deposited onto silicon wafers to act as diffusion barriers, preventing unwanted elements from migrating through the layers and disrupting the electrical properties of the device. TiN also exhibits good electrical conductivity, making it suitable for use as electrical contacts within integrated circuits.
Opkomende toepassingen	Solar cells, architectural coatings	Broad spectrum of properties	Research and development efforts are exploring new applications for TiN powder. In the field of solar energy, TiN coatings are being investigated for their potential to improve the efficiency of solar cells. The ability of TiN to absorb certain wavelengths of light while reflecting others could lead to the development of more efficient light-harvesting devices. Additionally, TiN’s combination of properties, including hardness, corrosion resistance, and a self-lubricating effect, makes it a promising candidate for architectural coatings on buildings. These coatings could offer protection against harsh weather conditions, improve self-cleaning properties, and potentially enhance the aesthetic appeal of structures.

Specificaties van Titaan nitride poeder

Poeders van titaniumnitride zijn verkrijgbaar in verschillende zuiverheidsgraden, deeltjesgrootteverdelingen en morfologieën, en kunnen worden aangepast aan de vereisten van de toepassing.

Enkele belangrijke TiN poederspecificaties:

Specificatie	Details
Puurheid	99% titaniumnitridegehalte minimaal voor de meeste toepassingen. Ook lagere zuiverheden ~92%-95% voor niet-kritische toepassingen.
Deeltjesvorm morfologie	Variërend van bolvormig, geagglomereerd tot hoekig
Deeltjesgrootteverdeling (d50)	Bereik van nanoschaal 30-50 nm tot micronkwaliteit 2-5 μm voor coatings van gereedschappen/onderdelen. Ook submicronkwaliteit ~0,5 μm komt vaak voor.
Specifiek oppervlak (SSA)	Van weinig 5 m2/g voor micronkwaliteiten tot 15-30 m2/g voor nanopoeder
Kleur	Metallic helder goud
Smeltpunt	2950°C
Mohs-hardheid	8.5
Kristal structuur	Kubisch - NaCl-type
Dikte	5,22 g/cm3
Zuurstof/koolstofgehalte	Onder 1% is zuurstofgehalte belangrijk voor hoge zuiverheid

Tafel 1: Titaannitride specificaties samenvatting

Deze poederspecificaties kunnen tijdens de productie op maat worden aangepast aan de beoogde industriële toepassingen.

Wereldwijde leveranciers en prijzen

Regio	Grote leveranciers	Product	Prijs (USD/kg)	Belangrijke overwegingen
Noord-Amerika	American Elements, US Titanium Mills, Nanoventure	Micronized TiN (>1 micron)	100-200	Offers good balance between cost and performance for wear-resistant coatings
	Alfa Aesar, ATI Specialty Materials	Nanometerized TiN (<100 nm)	400-800	High surface area ideal for electronics and catalysis applications
	Praxair Oppervlaktetechnologieën	Feedstock for CVD (Chemical Vapor Deposition)	Price upon request	Consistent quality and particle size crucial for thin film coatings
Europa	H.C. Starck, Sandvik Hyperion, Plansee	General purpose TiN	80-150	Wide availability from reputable European producers
	Evonik Industries, Arkema	High purity TiN (99.9%+)	250-500	Demanded by aerospace and medical device industries
	NanoMaterials	Ultrafine TiN (<50 nm)	800-1200	Leading supplier for research and development purposes
Azië-Pacific	China National Bluestar (CNB), Fangda Carbon New Material, Ningbo Tianxiang	Commercial grade TiN	50-80	Cost-effective option for bulk applications
	Toda Metal, Mitsui Mining & Smelting	High performance TiN	120-200	Known for quality and consistency in Asia
	Kojundo Chemical Laboratory	Specialized TiN grades (e.g., doped)	Price upon request	Expertise in custom-engineered powders for specific needs

Vergelijking tussen titaniumnitride en andere harde coatings

Eigenschappen Vergelijking

Eigenschappen	Titaannitride	Chroomnitride	Aluminium Titaan Nitride	Diamantachtige koolstof	Titaancarbide
Hardheid (HV)	2000 – 2400	1400 – 1800	3200 – 3400	1000 – 1500	2800 – 3400
Kracht	Uitstekend	Goed	Superieur	Erg goed	Extreem hoog
Slijtvastheid	Extreem hoog	Gematigd	Uitzonderlijk hoog	Gematigd	Uitzonderlijk hoog
Corrosieweerstand	Hoog	Gematigd	Heel hoog	Laag	Hoog
Oxidatie weerstand	Gematigd	Goed	Uitstekend	Goed	Goed
Wrijvingscoëfficiënt	0.5	0.35 – 0.6	0.4	0.1 – 0.2	0.25 – 0.35
Kleur	Helder goud	Grijs	Donkerpaars	Grafietgrijs	Blauw-grijs
Max. Bedrijfstemperatuur (°C)	500	750	800	250	600
Kosten	Gematigd	Laag	Hoog	Hoog	Hoog
Toxiciteit	Niet-giftig	Bevat Cr, Co	Niet-giftig	Niet-giftig	Niet-giftig

Voordelen van titaniumnitride

Enkele voordelen van titaniumnitride coatings ten opzichte van andere alternatieven:

• Extreme hardheid voor slijtagebescherming met classificatie vergelijkbaar met TiC
• Corrosiebestendigheid geschikt voor de meeste productieomgevingen
• Hoge temperatuurstabiliteit met behoud van hardheid tot ~500°C
• Lage toxiciteit - veilig voor medische apparatuur/implantaten in tegenstelling tot CrN
• Uitstekende hechting op titaniumlegering en roestvrijstalen substraat
• Bio-inert maakt goedkeuring voor biocompatibiliteit eenvoudiger
• Neutrale wrijvingscoëfficiënt voorkomt vreten van onderdelen
• Hogere oxidatieweerstand versus TiC-coatings

Beperkingen van titaniumnitride

Ondanks de veelzijdige prestaties heeft titaniumnitride enkele beperkingen:

• Lagere temperatuurstabiliteit dan AlTiN, dat stabiel is boven 800°C
• Relatief lagere taaiheid en schokbestendigheid in vergelijking met DLC
• Hogere spanning op de coating kan na verloop van tijd resulteren in barsten/afbladderen
• Niet aanbevolen voor zure omgevingen vanwege spontane oxidatie
• Duurder in vergelijking met eenvoudige Cr- of WC-coatings
• Metaalbewerkingsprocessen kunnen metaalgruis over de TiN-afwerking smeren

Wanneer alternatieven kiezen in plaats van titaniumnitride

Andere coatings kunnen beter geschikt zijn dan TiN als:

• Bedrijfstemperaturen hoger dan 500°C (gebruik AlTiN of chroomnitride)
• Superieure bestendigheid tegen benodigde schokbelastingen (denk aan DLC)
• Doorsturen van RF-signalen vereist, bijv. luchtvaart/telecom (betere optie DLC)
• Blootgesteld aan halogeenzuren of andere zeer corrosieve media (kies DLC)

Voor- en nadelen van een Titanium Nitride coating

Functie	Pluspunten	Nadelen
Slijtvastheid	* Significantly extends tool life by reducing friction and wear. Cutting tools, drill bits, and other implements last longer, reducing replacement costs and downtime. * Offers superior protection against abrasive materials, making it ideal for machining composites, wood, and certain metals.	* Brittleness: While hard, TiN can chip or flake if subjected to high impact or excessive force. May not be suitable for heavy-duty percussion applications. * Dikte
Friction Reduction	* Lowers friction coefficient, leading to smoother cutting operations. This reduces heat generation, which can damage tools and degrade workpiece quality. * Minimizes energy consumption during machining, resulting in cost savings and a more environmentally friendly process.	* Performance may vary depending on the material being machined. Lubrication might still be necessary for some applications.
Corrosieweerstand	* TiN acts as a barrier against corrosion, protecting the underlying metal from rust and other environmental factors. * Maintains the integrity and functionality of tools and components in harsh environments.	* Not as effective against certain chemicals or highly corrosive substances. * Other coatings might be better suited for extreme corrosion resistance needs.
Thermische stabiliteit	* Performs well at elevated temperatures, making it suitable for high-speed machining applications. * Reduces heat-related tool wear and maintains dimensional accuracy of machined parts.	* May not be the best choice for extremely high-temperature environments where other advanced coatings excel.
Esthetiek	* Distinctive golden or yellowish hue often associated with high-performance tools. * Enhances the visual appeal of certain products.	* Cosmetic benefit is secondary to the functional advantages. * Color can vary slightly depending on the deposition process.
Kosten	* Relatively affordable compared to some other advanced coating technologies. * Provides significant performance improvement at a reasonable cost point.	* Initial coating cost needs to be weighed against the benefits of extended tool life and improved machining efficiency.
Milieu-impact	* Reduces waste by extending tool lifespan, requiring fewer replacements. * Contributes to a more sustainable machining process.	* The coating process itself might involve the use of specific chemicals, requiring proper disposal procedures.

FAQ

V: Waarom is titaniumnitride goud van kleur?

A: De gouden kleur is het resultaat van de lichtabsorptie/reflectie-eigenschappen van de kristallijne structuur van titaniumnitride die de met plasma of damp afgezette TiN-coatings hun kenmerkende gouden afwerking geeft.

V: Is titaniumnitride giftig?

A: Nee, titaniumnitride keramiek wordt beschouwd als volledig niet-toxisch en bio-inert, waardoor het veilig is voor gebruik in biomedische implantaten volgens de ISO 10993 biocompatibiliteitsnormen.

V: Welke dikte van TiN-coating moet worden gebruikt?

A: Het typische diktebereik is 1-5 micron. Dunnere coatings van 0,5-1 micron bieden bescherming tegen slijtage. Folies van 2-5 micron bieden weerstand tegen corrosie en erosie voor een langere levensduur.

V: Verhoogt of verlaagt de TiN-coating de wrijving?

A: TiN verlaagt de wrijvingscoëfficiënt aanzienlijk ten opzichte van staal. Exacte waarden variëren van 0,4 tot 0,9, afhankelijk van het materiaal van de tegenhanger, waardoor de totale wrijving afneemt maar vastlopen door vreten wordt voorkomen.

V: Wat is de typische hardheid van titaniumnitride films?

A: Hardheidswaarden variëren van 2000-2500 Vickers bij afzetting als dunne film met PVD- of CVD-technieken, een van de hoogste waarden die haalbaar zijn voor commerciële coatings.

V: Wat is aqua titaniumnitride?

A: Aqua TiN verwijst naar een titanium carbonitride coating gelegeerd met 8-20% silicium die een aquablauwe kleur afwerking geeft naast uitstekende tribologische prestaties tot 700 deg. C temperaturen.

V: Voorkomt TiN-coating vreten en adhesieslijtage?

A: Ja, titaniumnitride wordt op grote schaal gebruikt in toepassingen zoals vormen/ponsen/trekken waar het dient als een uitstekende anti-kristallijne en anti-roestlaag, zelfs bij grenssmering.

V: In welke industrieën worden coatings van titaniumnitride gebruikt?

A: Alle belangrijke productiesectoren, waaronder de auto-industrie, lucht- en ruimtevaart, textiel, verpakking, elektronica, staal, petrochemie, de medische sector enz. gebruiken TiN-films om de prestaties en betrouwbaarheid van kritieke onderdelen en gereedschappen te verbeteren.

ken meer 3D-printprocessen