Proszek azotku tytanu

Proszek azotku tytanu (TiN) jest niezwykle twardym materiałem ceramicznym o unikalnych właściwościach, które sprawiają, że nadaje się on do stosowania w różnych gałęziach przemysłu. Niniejszy artykuł zawiera przegląd proszek azotku tytanuw tym jego skład, kluczowe właściwości, proces produkcji i zastosowania.

Przegląd proszku azotku tytanu

Azotek tytanu lub TiN to złoto-żółty związek ceramiczny składający się z atomów tytanu i azotu. Jego wzór chemiczny to TiN.

Niektóre kluczowe cechy proszku azotku tytanu obejmują:

• Ekstremalna twardość - prawie tak twarda jak diament
• Doskonała odporność na zużycie i korozję
• Wysoka stabilność termiczna
• Metaliczny złoty kolor
• Przewodzący prąd elektryczny
• Biokompatybilny i nietoksyczny

Unikalna kombinacja jego właściwości sprawiła, że proszek TiN jest wykorzystywany m.in. do powlekania powierzchni narzędzi, komponentów samochodowych, turbin i implantów medycznych.

Poniższe sekcje zawierają więcej szczegółów na temat składu, właściwości, produkcji i zastosowań proszku azotku tytanu.

Skład i charakterystyka Proszek azotku tytanu

Nieruchomość	Opis	Jednostki
Wzór chemiczny	Cyna
Skład chemiczny (typowy)	– Tytan (Ti): min. 77,0 wt%<br> – Azot (N): Min. 20,0 wt%<br> – Węgiel (C): Maks. 0,1 wt%	wt%
Struktura krystaliczna	Sześcienny centrowany twarzowo typu NaCl
Wielkość cząstek	Zależy od aplikacji<br> – Proszki mikronizowane: &lt; 10 mikronów<br> – Proszki submikronowe: &lt; 1 mikron<br> – Nanoproszki: &lt; 100 nanometrów	mikrony, nanometry
Wygląd	Kolor złoty
Temperatura topnienia	~2930°C	°C
Gęstość	5,22 – 5,44 g/cm3	g/cm³
Twardość	Twardość Vickersa: 1800-2100 HV<br> Twardość w skali Mohsa: 8-9	WN
Moduł sprężystości	550 ± 50 GPa	GPa
Współczynnik rozszerzalności cieplnej	9,35 × 10⁻⁶ K⁻¹	K⁻¹
Przewodność elektryczna	Przewodnik metaliczny (przewodność zmienia się w zależności od stechiometrii i zanieczyszczeń)	S/m
Przewodność cieplna	Wysoka (15-30 W/mK)	W/mK
Temperatura przejścia w stan nadprzewodzący	Do 6,0 K (monokryształy)	K
Stabilność chemiczna	Doskonała odporność na większość chemikaliów w temperaturze pokojowej<br> Reaguje z tlenem w wysokich temperaturach (&gt; 800°C)
Biokompatybilność	Ogólnie uważany za biokompatybilny

Proces produkcji proszku azotku tytanu

Proces	Opis	Zalety	Wady
Azotowanie	Jest to najpowszechniej stosowana metoda wytwarzania proszku azotku tytanu. Polega na reakcji surowca tytanowego z gazowym azotem lub amoniakiem w wysokich temperaturach (zwykle powyżej 900°C). Reakcję można prowadzić w różnych konfiguracjach reaktorów, obejmujących złoża fluidalne, reaktory obrotowe i reaktory plazmowe.	– Sprawdzona i niezawodna technologia – Wytwarza proszek TiN o wysokiej czystości – Zapewnia dobrą kontrolę nad morfologią proszku	– Wymaga wysokich temperatur, co prowadzi do zwiększonego zużycia energii – Wielkość cząstek i rozkład wielkości cząstek mogą być trudne do kontrolowania w wysokich temperaturach – Możliwość zanieczyszczenia tlenem, jeśli nie jest dokładnie kontrolowana
Redukcja karbotermiczna	Metoda ta polega na podgrzaniu mieszaniny dwutlenku tytanu (TiO2), węgla (grafitu lub węgla drzewnego) i gazowego azotu do wysokich temperatur (około 1300°C). Węgiel działa jako środek redukujący, przekształcający dwutlenek tytanu w azotek tytanu.	– Oferuje potencjalnie tańszą alternatywę dla azotowania – Można go stosować do produkcji azotku tytanu o określonym składzie węglikoazotku	– Bardziej złożona chemia reakcji w porównaniu z azotowaniem – Ścisła kontrola proporcji materiału wyjściowego i warunków reakcji ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia pożądanej czystości produktu – Może wymagać dodatkowych etapów obróbki końcowej w celu usunięcia zanieczyszczeń
Reaktywne mielenie kulowe	Jest to wysokoenergetyczny proces mechanochemiczny, podczas którego proszek tytanu i źródło azotu (często mocznik) miele się razem w wysokoenergetycznym młynie kulowym. Siła mechaniczna kulek mielących rozbija cząstki i sprzyja reakcji w stanie stałym pomiędzy tytanem i azotem, tworząc azotek tytanu w stosunkowo niskich temperaturach (około temperatury pokojowej).	– Nadaje się do produkcji proszku azotku tytanu o wielkości nano – Niższe zużycie energii w porównaniu do metod wysokotemperaturowych – Może być procesem skalowalnym	– Stosunkowo nowa technologia podlegająca ciągłym badaniom i rozwojowi – Może wprowadzić zanieczyszczenia ze środków mielących – Osiągnięcie równomiernego rozkładu wielkości cząstek może być trudne
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD)	Metoda ta polega na wprowadzeniu gazów prekursorowych zawierających tytan i azot do ogrzewanej komory reakcyjnej. Gazy prekursorowe rozkładają się i reagują, tworząc cząstki azotku tytanu, które następnie osadzają się na podłożu lub zbierają w postaci proszku.	– Wysoce wszechstronna metoda umożliwiająca wytwarzanie proszków o dostosowanych właściwościach – Umożliwia precyzyjną kontrolę wielkości i morfologii cząstek	– Wymagany skomplikowany i kosztowny sprzęt procesowy – Ograniczona zdolność produkcyjna w porównaniu z innymi metodami – Względy bezpieczeństwa ze względu na zastosowanie potencjalnie niebezpiecznych gazów prekursorowych
Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD)	Podobnie jak CVD, PVD polega na odparowaniu tytanu w środowisku próżniowym i reakcji go z gazowym azotem. Odparowany tytan można wytwarzać różnymi technikami, takimi jak napylanie katodowe, osadzanie łukiem katodowym lub odparowywanie wiązką elektronów.	– Nadaje się do wytwarzania cienkich warstw lub proszków azotku tytanu o wysokiej czystości i dobrze zdefiniowanych – Zapewnia dobrą kontrolę nad grubością i składem powłoki	– Wysoko wyspecjalizowany i drogi sprzęt – Ograniczona wydajność produkcji proszku – Osadzanie w linii wzroku, co czyni go nieodpowiednim dla skomplikowanych geometrii

Zastosowania i wykorzystanie proszku azotku tytanu

Kategoria	Zastosowanie	Dźwignia finansowa dla nieruchomości	Szczegóły
Narzędzia tnące	Wiertła, frezy, frezy palcowe	Wysoka twardość, odporność na zużycie, niski współczynnik tarcia	Proszek azotku tytanu (TiN) jest popularnym wyborem do powlekania narzędzi skrawających ze względu na jego wyjątkową twardość, która wydłuża żywotność narzędzia nawet trzykrotnie w porównaniu z narzędziami niepowlekanymi. Niski współczynnik tarcia powłok TiN zmniejsza tarcie pomiędzy narzędziem a przedmiotem obrabianym, minimalizując wytwarzanie ciepła i poprawiając wydajność skrawania. Dodatkowo odporność TiN na zużycie zapobiega odpryskom i degradacji krawędzi skrawającej, utrzymując ostre cięcia na dłużej.
Urządzenia medyczne	Ostrza skalpela, piły do kości, implanty ortopedyczne	Biokompatybilność, odporność na zużycie, ostrość	W medycynie proszek TiN znajduje zastosowanie do powlekania narzędzi chirurgicznych, takich jak skalpele i piły do kości. Jego biokompatybilny charakter sprawia, że jest bezpieczny do implantacji w organizmie. Co więcej, odporność na zużycie powłok TiN zapewnia, że instrumenty te zachowują ostrość podczas zabiegów, co prowadzi do czystszych cięć i lepszych wyników leczenia pacjentów. TiN jest również stosowany do powlekania niektórych implantów ortopedycznych, takich jak protezy stawu biodrowego, ze względu na jego zdolność do zwiększania odporności na zużycie i zmniejszania tarcia na styku implant-kość, co sprzyja długoterminowej stabilności implantu.
Powłoki dekoracyjne	Biżuteria kostiumowa, wykończenia samochodów	Atrakcyjny złoty kolor, wysoka trwałość	Oprócz zastosowań funkcjonalnych proszek TiN jest ceniony ze względu na swoje właściwości estetyczne. Metaliczny złoty kolor powłok TiN sprawia, że idealnie nadają się one do celów dekoracyjnych w biżuterii kostiumowej i elementach wyposażenia samochodów. W przeciwieństwie do prawdziwego złocenia, TiN zapewnia doskonałą trwałość i odporność na zarysowania, zachowując połysk przez dłuższy czas. To połączenie estetyki i funkcjonalności sprawia, że proszek TiN jest atrakcyjnym wyborem dla producentów poszukujących równowagi pomiędzy stylem i trwałością.
Towary konsumpcyjne	Armatura sanitarna, klamki	Odporność na korozję, odporność na zużycie, estetyka	Korzystne właściwości TiN rozciągają się na towary codziennego użytku. Powszechnym zastosowaniem jest powlekanie armatury wodno-kanalizacyjnej i klamek. Odporność na korozję TiN chroni te przedmioty przed matowieniem i zużyciem, szczególnie w obszarach narażonych na działanie wilgoci. Dodatkowo odporność na zużycie powłok TiN zapobiega zarysowaniom i zapewnia płynne działanie kranów i klamek. W niektórych przypadkach na warstwę bazową z niklu lub chromu nakłada się wierzchnią warstwę TiN, zapewniając połączenie trwałości, odporności na korozję i odrobinę złotej elegancji.
Półprzewodniki	Bariery dyfuzyjne, przewodniki elektryczne	Wysoka stabilność termiczna, dobra przewodność elektryczna	W dziedzinie półprzewodników proszek TiN odgrywa kluczową rolę w procesie produkcyjnym. Cienkie warstwy TiN są osadzane na płytkach krzemowych, aby działać jak bariery dyfuzyjne, zapobiegając migracji niepożądanych elementów przez warstwy i zakłócaniu właściwości elektrycznych urządzenia. TiN wykazuje również dobrą przewodność elektryczną, dzięki czemu nadaje się do stosowania jako styki elektryczne w obwodach scalonych.
Pojawiające się aplikacje	Ogniwa słoneczne, powłoki architektoniczne	Szerokie spektrum właściwości	Wysiłki badawczo-rozwojowe badają nowe zastosowania proszku TiN. W dziedzinie energii słonecznej bada się powłoki TiN pod kątem ich potencjału poprawy wydajności ogniw słonecznych. Zdolność TiN do pochłaniania pewnych długości fal światła i odbijania innych może doprowadzić do opracowania bardziej wydajnych urządzeń do zbierania światła. Dodatkowo połączenie właściwości TiN, w tym twardości, odporności na korozję i efektu samosmarowania, czyni go obiecującym kandydatem na powłoki architektoniczne na budynkach. Powłoki te mogłyby zapewnić ochronę przed trudnymi warunkami pogodowymi, poprawić właściwości samoczyszczące i potencjalnie poprawić estetykę konstrukcji.

Specyfikacje Proszek azotku tytanu

Produkty z azotku tytanu w proszku są dostępne w różnych poziomach czystości, rozkładach wielkości cząstek, morfologiach i mogą być dostosowane do wymagań aplikacji.

Niektóre ważne specyfikacje proszku TiN:

Specyfikacja	Szczegóły
Czystość	Minimalna zawartość azotku tytanu 99% dla większości zastosowań. Również niższe czystości ~92%-95% do zastosowań niekrytycznych.
Morfologia kształtu cząstek	Zróżnicowane od kulistych, aglomerowanych do kanciastych
Rozkład wielkości cząstek (d50)	Zakres od skali nano 30-50 nm do klasy mikronowej 2-5 μm dla powłok na narzędzia/elementy. Powszechna jest również skala submikronowa ~0,5 μm.
Powierzchnia właściwa (SSA)	Od 5 m2/g dla gatunków mikronowych do 15-30 m2/g dla nanoproszków
Kolor	Metaliczne, jasne złoto
Temperatura topnienia	2950°C
Twardość w skali Mohsa	8.5
Struktura krystaliczna	Sześcienny - typ NaCl
Gęstość	5,22 g/cm3
Zawartość tlenu/węgla	W 1% zawartość tlenu jest ważna dla wysokiej czystości

Tabela 1: Podsumowanie specyfikacji azotku tytanu

Te specyfikacje proszku mogą być zmieniane zgodnie z docelowymi zastosowaniami przemysłowymi podczas niestandardowej produkcji.

Globalni dostawcy i ceny

Region	Główni dostawcy	Produkt	Cena (USD/kg)	Kluczowe kwestie
Ameryka Północna	American Elements, US Titanium Mills, Nanoventure	Mikronizowany TiN (>1 mikron)	100-200	Zapewnia dobrą równowagę pomiędzy kosztem i wydajnością powłok odpornych na zużycie
	Alfa Aesar, materiały specjalistyczne ATI	Nanometryzowany TiN (<100 nm)	400-800	Duża powierzchnia idealna do zastosowań w elektronice i katalizie
	Praxair Surface Technologies	Surowiec do CVD (chemiczne osadzanie z fazy gazowej)	Cena na zapytanie	Stała jakość i wielkość cząstek kluczowe dla powłok cienkowarstwowych
Europa	HC Starck, Sandvik Hyperion, Plansee	TiN ogólnego przeznaczenia	80-150	Szeroka dostępność od renomowanych europejskich producentów
	Evonik Industries, Arkema	TiN o wysokiej czystości (99,9%+)	250-500	Wymagane przez przemysł lotniczy i urządzeń medycznych
	Nanomateriały	Ultradrobny TiN (<50 nm)	800-1200	Wiodący dostawca do celów badawczo-rozwojowych
Azja i Pacyfik	China National Bluestar (CNB), nowy materiał Fangda Carbon, Ningbo Tianxiang	TiN klasy handlowej	50-80	Ekonomiczna opcja do zastosowań masowych
	Toda Metal, Mitsui Mining & Hutnictwo	Wysoka wydajność TiN	120-200	Znany z jakości i spójności w Azji
	Laboratorium Chemiczne Kojundo	Specjalistyczne gatunki TiN (np. domieszkowane)	Cena na zapytanie	Specjalizacja w zakresie proszków dostosowanych do konkretnych potrzeb

Porównanie azotku tytanu i innych twardych powłok

Porównanie właściwości

Właściwości	Azotek tytanu	Azotek chromu	Azotek tytanu aluminium	Węgiel przypominający diament	Węglik tytanu
Twardość (HV)	2000 – 2400	1400 – 1800	3200 – 3400	1000 – 1500	2800 – 3400
Siła	Doskonały	Dobry	Superior	Bardzo dobry	Bardzo wysoka
Odporność na zużycie	Bardzo wysoka	Umiarkowany	Wyjątkowo wysoki	Umiarkowany	Wyjątkowo wysoki
Odporność na korozję	Wysoki	Umiarkowany	Bardzo wysoka	Niski	Wysoki
Odporność na utlenianie	Umiarkowany	Dobry	Doskonały	Dobry	Dobry
Współczynnik tarcia	0.5	0.35 – 0.6	0.4	0.1 – 0.2	0.25 – 0.35
Kolor	Jasne złoto	Szary	Ciemny fiolet	Grafitowo-szary	Niebiesko-szary
Maks. Temperatura pracy (°C)	500	750	800	250	600
Koszt	Umiarkowany	Niski	Wysoki	Wysoki	Wysoki
Toksyczność	Nietoksyczny	Zawiera Cr, Co	Nietoksyczny	Nietoksyczny	Nietoksyczny

Zalety azotku tytanu

Niektóre korzyści i zalety wyboru powłok z azotku tytanu w porównaniu z innymi alternatywami:

• Ekstremalna twardość zapewniająca ochronę przed zużyciem z oceną porównywalną do TiC
• Odporność na korozję odpowiednia dla większości środowisk produkcyjnych
• Wysoka stabilność temperaturowa zachowująca twardość do ~500°C
• Niska toksyczność - bezpieczny dla urządzeń medycznych/implantów w przeciwieństwie do CrN
• Doskonała przyczepność do podłoża ze stopu tytanu i stali nierdzewnej
• Bio-obojętność ułatwia zatwierdzanie biokompatybilności
• Neutralny współczynnik tarcia zapobiega zacieraniu się części
• Wyższa odporność na utlenianie w porównaniu z powłokami TiC

Ograniczenia azotku tytanu

Pomimo bardzo dobrej wydajności, azotek tytanu ma pewne ograniczenia:

• Niższa stabilność temperaturowa niż AlTiN, który jest stabilny powyżej 800°C
• Stosunkowo niższa wytrzymałość i odporność na wstrząsy w porównaniu z DLC
• Wyższe naprężenia powłoki mogą z czasem powodować jej pękanie/łuszczenie się.
• Nie zaleca się stosowania w środowisku kwaśnym ze względu na spontaniczne utlenianie.
• Droższe w porównaniu z prostymi powłokami Cr lub WC
• Procesy obróbki metali mogą powodować rozmazywanie metalicznych zanieczyszczeń na wykończeniu TiN

Kiedy wybrać alternatywę dla azotku tytanu?

Inne powłoki mogą być bardziej odpowiednie niż TiN, jeśli:

• Temperatury robocze przekraczające 500°C (stosować AlTiN lub azotek chromu)
• Wymagana doskonała odporność na obciążenia udarowe (rozważ DLC)
• Wymagane przenikanie sygnałów RF, np. lotniczych/telekomunikacyjnych (lepsza opcja DLC)
• Narażenie na działanie kwasów halogenowych lub innych czynników powodujących korozję (wybierz DLC)

Plusy i minusy powłoki z azotku tytanu

Cecha	Plusy	Wady
Odporność na zużycie	* Znacząco wydłuża żywotność narzędzia poprzez zmniejszenie tarcia i zużycia. Narzędzia tnące, wiertła i inne narzędzia wytrzymują dłużej, redukując koszty wymiany i przestoje. * Zapewnia doskonałą ochronę przed materiałami ściernymi, dzięki czemu idealnie nadaje się do obróbki kompozytów, drewna i niektórych metali.	* Kruchość: Chociaż TiN jest twardy, może odpryskiwać lub łuszczyć się pod wpływem dużego uderzenia lub nadmiernej siły. Może nie nadawać się do zastosowań udarowych o dużym obciążeniu. * Grubość
Redukcja tarcia	* Obniża współczynnik tarcia, co prowadzi do płynniejszego cięcia. Zmniejsza to wytwarzanie ciepła, które może uszkodzić narzędzia i obniżyć jakość przedmiotu obrabianego. * Minimalizuje zużycie energii podczas obróbki, co skutkuje oszczędnościami i procesem bardziej przyjaznym dla środowiska.	* Wydajność może się różnić w zależności od obrabianego materiału. W niektórych zastosowaniach nadal może być konieczne smarowanie.
Odporność na korozję	* TiN działa jak bariera przed korozją, chroniąc metal pod spodem przed rdzą i innymi czynnikami środowiskowymi. * Utrzymuje integralność i funkcjonalność narzędzi i komponentów w trudnych warunkach.	* Nie tak skuteczny w przypadku niektórych chemikaliów lub substancji silnie żrących. * Inne powłoki mogą być lepiej dostosowane do wymagań ekstremalnej odporności na korozję.
Stabilność termiczna	* Dobrze sprawdza się w podwyższonych temperaturach, dzięki czemu nadaje się do zastosowań związanych z obróbką szybkobieżną. * Zmniejsza zużycie narzędzi spowodowane ciepłem i utrzymuje dokładność wymiarową obrabianych części.	* Może nie być najlepszym wyborem w środowiskach o bardzo wysokiej temperaturze, w których sprawdzają się inne zaawansowane powłoki.
Estetyka	* Charakterystyczny złoty lub żółtawy odcień często kojarzony z narzędziami o wysokiej wydajności. * Zwiększa atrakcyjność wizualną niektórych produktów.	* Korzyści kosmetyczne są drugorzędne w stosunku do zalet funkcjonalnych. * Kolor może się nieznacznie różnić w zależności od procesu osadzania.
Koszt	* Stosunkowo przystępne w porównaniu do innych zaawansowanych technologii powlekania. * Zapewnia znaczną poprawę wydajności przy rozsądnych kosztach.	* Koszt początkowej powłoki należy porównać z korzyściami płynącymi z dłuższej żywotności narzędzia i zwiększonej wydajności obróbki.
Wpływ na środowisko	* Zmniejsza ilość odpadów, wydłużając żywotność narzędzia i wymagając mniejszej liczby wymian. * Przyczynia się do bardziej zrównoważonego procesu obróbki.	* Sam proces powlekania może wiązać się z użyciem określonych środków chemicznych, co wymaga odpowiednich procedur utylizacji.

FAQ

P: Dlaczego azotek tytanu ma złoty kolor?

O: Złoty kolor wynika z właściwości pochłaniania/odbijania światła przez strukturę krystaliczną azotku tytanu, która nadaje powłokom TiN osadzanym plazmowo lub parowo charakterystyczne złote wykończenie.

P: Czy azotek tytanu jest toksyczny?

O: Nie, ceramika z azotku tytanu jest uważana za całkowicie nietoksyczną i obojętną biologicznie, dzięki czemu jest bezpieczna do stosowania w implantach biomedycznych zgodnie z normami biokompatybilności ISO 10993.

P: Jakiej grubości powłoki TiN należy użyć?

O: Typowy zakres grubości wynosi 1-5 mikronów. Cieńsze powłoki o grubości 0,5-1 mikrona zapewniają ochronę przed zużyciem. Powłoki o grubości 2-5 mikronów oferują odporność na korozję i erozję, zapewniając dłuższą żywotność.

P: Czy powłoka TiN zwiększa czy zmniejsza tarcie?

O: TiN znacznie zmniejsza współczynnik tarcia w porównaniu ze stalą. Dokładne wartości mieszczą się w zakresie od 0,4 do 0,9 w zależności od materiału, z którego wykonana jest powłoka, zmniejszając w ten sposób ogólne tarcie, ale zapobiegając zatarciu.

P: Jaka jest typowa twardość folii z azotku tytanu?

O: Wartości twardości wahają się od 2000-2500 Vickersów, gdy są osadzane jako cienkie warstwy przy użyciu technik PVD lub CVD, co jest jedną z najwyższych wartości osiąganych dla powłok komercyjnych.

P: Czym jest wodny azotek tytanu?

O: Aqua TiN odnosi się do powłoki z węglikoazotku tytanu stopionej z krzemem 8-20% dającej wykończenie w kolorze aqua-blue oprócz doskonałej wydajności trybologicznej do 700 st. C.

P: Czy powłoka TiN zapobiega zatarciu i zużyciu adhezyjnemu?

Tak, azotek tytanu jest szeroko stosowany w aplikacjach takich jak formowanie / wykrawanie / ciągnienie, gdzie służy jako doskonała powłoka przeciwzatarciowa i przeciwzatarciowa nawet w warunkach smarowania granicznego.

P: Jakie branże wykorzystują powłoki z azotku tytanu?

O: Wszystkie główne sektory produkcyjne, w tym motoryzacyjny, lotniczy, tekstylny, opakowaniowy, elektroniczny, stalowy, petrochemiczny, medyczny itp. wykorzystują folie TiN w celu zwiększenia wydajności i niezawodności krytycznych części i oprzyrządowania.

poznaj więcej procesów druku 3D