Порошок нитрида титана

Порошок нитрида титана (TiN) - это чрезвычайно твердый керамический материал с уникальными свойствами, которые позволяют использовать его в различных отраслях промышленности. В этой статье представлен обзор порошок нитрида титанаСостав, основные характеристики, процесс производства и области применения.

Обзор порошка нитрида титана

Нитрид титана или TiN - это золотисто-желтое керамическое соединение, состоящее из атомов титана и азота. Его химическая формула - TiN.

Некоторые ключевые особенности порошка нитрида титана включают:

• Исключительная твердость - почти такая же, как у алмаза
• Отличная износостойкость и коррозионная стойкость
• Высокая термическая стабильность
• Золотистый металлический цвет
• Электропроводящий
• Биосовместим и нетоксичен.

Уникальное сочетание свойств порошка TiN привело к тому, что он используется для нанесения поверхностных покрытий на инструменты, автомобильные компоненты, турбины, медицинские имплантаты и т. д.

В следующих разделах более подробно описаны состав, характеристики, производство и применение порошка нитрида титана.

Состав и характеристики Порошок нитрида титана

Недвижимость	Описание	Единицы
Химическая формула	Банка
Химический состав (типичный)	– Титан (Ti): Мин. 77,0 wt%<br> – Азот (N): Мин. 20.0 wt%<br> – Углерод (C): Макс. 0,1 wt%	wt%
Кристаллическая структура	Гранецентрированная кубическая типа NaCl
Размер частиц	Варьируется в зависимости от применения<br> – Микронизированные порошки: &lt; 10 микрон<br> – Субмикронные порошки: &lt; 1 микрон<br> – Нанопорошки: &lt; 100 нанометров	микроны, нанометры
Внешний вид	Золотой
Температура плавления	~2930°С	°C
Плотность	5,22 – 5,44 г/см³	г/см³
Твердость	Твердость по Виккерсу: 1800-2100 HV.<br> Твердость по Моосу: 8-9	ВН
Модуль упругости	550 ± 50 ГПа	ГПа
Коэффициент теплового расширения	9,35 × 10⁻⁶ К⁻¹	К⁻¹
Электропроводность	Металлический проводник (проводимость зависит от стехиометрии и примесей)	См/м
Теплопроводность	Высокий (15-30 Вт/мК)	Вт/мК
Температура сверхпроводящего перехода	До 6,0 К (монокристаллы)	К
Химическая стабильность	Отличная устойчивость к большинству химикатов при комнатной температуре.<br> Реагирует с кислородом при высоких температурах (&gt; 800°C)
Биосовместимость	Обычно считается биосовместимым

Процесс производства порошка нитрида титана

Процесс	Описание	Преимущества	Недостатки
Азотирование	Это наиболее широко используемый метод получения порошка нитрида титана. Он включает реакцию титанового сырья с газообразным азотом или аммиаком при высоких температурах (обычно выше 900°C). Реакцию можно проводить в различных конфигурациях реакторов, включая псевдоожиженный слой, вращающиеся реакторы и плазменные реакторы.	– Отработанная и надежная технология – Производит порошок TiN высокой чистоты – Обеспечивает хороший контроль морфологии порошка	– Требуются высокие температуры, что приводит к повышенному потреблению энергии – Размер частиц и их распределение по размерам трудно контролировать при высоких температурах – Потенциальное загрязнение кислородом, если не тщательно контролировать
Карботермическое восстановление	Этот метод включает нагревание смеси диоксида титана (TiO2), углерода (графита или древесного угля) и газообразного азота до высоких температур (около 1300°C). Углерод действует как восстановитель, превращая диоксид титана в нитрид титана.	– Предлагает потенциально более дешевую альтернативу азотированию – Может использоваться для производства нитрида титана с определенным составом карбонитридов	– Более сложная химия реакции по сравнению с азотированием – Строгий контроль соотношения исходных материалов и условий реакции имеет решающее значение для достижения желаемой чистоты продукта – Могут потребоваться дополнительные этапы постобработки для удаления примесей
Реактивное шаровое фрезерование	Это высокоэнергетический механохимический процесс, при котором титановый порошок и источник азота (часто мочевина) измельчаются вместе в высокоэнергетической шаровой мельнице. Механическая сила мелющих шаров разрушает частицы и способствует твердофазной реакции между титаном и азотом, образуя нитрид титана при относительно низких температурах (около комнатной температуры).	– Подходит для производства наноразмерного порошка нитрида титана – Более низкое энергопотребление по сравнению с высокотемпературными методами – Может быть масштабируемым процессом	– Относительно новая технология, требующая постоянных исследований и разработок – Может привести к загрязнению мелющих тел – Достижение равномерного распределения частиц по размерам может оказаться сложной задачей
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)	Этот метод предполагает введение газов-прекурсоров, содержащих титан и азот, в нагретую реакционную камеру. Газы-прекурсоры разлагаются и реагируют с образованием частиц нитрида титана, которые затем осаждаются на подложку или собираются в виде порошка.	– Универсальный метод, позволяющий производить порошки с заданными свойствами. – Обеспечивает точный контроль размера и морфологии частиц.	– Требуется сложное и дорогое технологическое оборудование – Ограниченные производственные мощности по сравнению с другими методами – Соображения безопасности из-за использования потенциально опасных газов-прекурсоров
Физическое осаждение из паровой фазы (PVD)	Подобно CVD, PVD включает испарение титана в вакууме и реакцию его с газообразным азотом. Испаренный титан можно получить с помощью различных методов, таких как распыление, катодно-дуговое осаждение или электронно-лучевое испарение.	– Подходит для производства тонких пленок или порошков нитрида титана высокой чистоты и четких границ – Обеспечивает хороший контроль толщины и состава пленки	– Узкоспециализированное и дорогое оборудование – Ограниченная производительность при производстве порошка – Нанесение на прямой видимости, что делает его непригодным для обработки изделий сложной геометрии

Применение и использование порошка нитрида титана

Категория	Приложение	Задействованная недвижимость	Подробности
Режущий инструмент	Сверла, фрезы, концевые фрезы	Высокая твердость, износостойкость, низкий коэффициент трения.	Порошок нитрида титана (TiN) является популярным выбором для покрытия режущих инструментов благодаря своей исключительной твердости, которая продлевает срок службы инструмента почти в три раза по сравнению с инструментами без покрытия. Низкий коэффициент трения покрытий TiN снижает трение между инструментом и заготовкой, сводя к минимуму выделение тепла и повышая эффективность резания. Кроме того, износостойкость TiN предотвращает сколы и разрушение режущей кромки, дольше сохраняя остроту реза.
Медицинские приборы	Лезвия скальпелей, пилы для костей, ортопедические имплантаты	Биосовместимость, износостойкость, острота.	В медицинской сфере порошок TiN находит применение для покрытия хирургических инструментов, таких как скальпели и костные пилы. Его биосовместимость делает его безопасным для имплантации в организм. Кроме того, износостойкость покрытий TiN гарантирует, что эти инструменты сохранят остроту во время процедур, что приводит к более чистым разрезам и улучшению результатов лечения пациентов. TiN также используется для покрытия некоторых ортопедических имплантатов, таких как эндопротезы тазобедренного сустава, благодаря его способности повышать износостойкость и уменьшать трение на границе раздела имплантат-кость, способствуя долгосрочной стабильности имплантата.
Декоративные покрытия	Бижутерия, автомобильная отделка	Привлекательный золотистый цвет, высокая долговечность.	Помимо функционального применения, порошок TiN ценится за свои эстетические свойства. Металлический золотой цвет покрытий TiN делает их идеальными для декоративных целей в бижутерии и автомобильной отделке. В отличие от покрытия из настоящего золота, TiN обеспечивает превосходную долговечность и устойчивость к царапинам, сохраняя свой блеск в течение длительного времени. Такое сочетание эстетики и функциональности делает порошок TiN привлекательным выбором для производителей, ищущих баланс между стилем и долговечностью.
Потребительские товары	Сантехническое оборудование, дверные ручки	Коррозионная стойкость, износостойкость, эстетическая привлекательность.	Полезные свойства TiN распространяются и на товары повседневного спроса. Обычное применение - покрытие сантехнических приборов и дверных ручек. Коррозионная стойкость TiN защищает эти изделия от потускнения и износа, особенно в местах, подверженных воздействию влаги. Кроме того, износостойкость покрытий TiN предотвращает появление царапин и обеспечивает бесперебойную работу смесителей и дверных ручек. В некоторых случаях верхний слой TiN используется поверх базового покрытия из никеля или хрома, обеспечивая сочетание долговечности, коррозионной стойкости и легкой элегантности.
Полупроводники	Диффузионные барьеры, электрические проводники	Высокая термическая стабильность, хорошая электропроводность.	В области полупроводников порошок TiN играет решающую роль в процессе производства. Тонкие пленки TiN наносятся на кремниевые пластины и действуют как диффузионные барьеры, предотвращая миграцию нежелательных элементов через слои и нарушение электрических свойств устройства. TiN также обладает хорошей электропроводностью, что делает его пригодным для использования в качестве электрических контактов в интегральных схемах.
Новые приложения	Солнечные элементы, архитектурные покрытия	Широкий спектр свойств	Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы направлены на изучение новых применений порошка TiN. В области солнечной энергетики исследуются покрытия TiN на предмет их потенциала для повышения эффективности солнечных элементов. Способность TiN поглощать определенные длины волн света и отражать другие может привести к разработке более эффективных светособирающих устройств. Кроме того, сочетание свойств TiN, включая твердость, устойчивость к коррозии и эффект самосмазывания, делает его перспективным кандидатом для архитектурных покрытий зданий. Эти покрытия могут обеспечить защиту от суровых погодных условий, улучшить свойства самоочищения и потенциально повысить эстетическую привлекательность конструкций.

Технические характеристики Порошок нитрида титана

Порошковые продукты из нитрида титана доступны с различными уровнями чистоты, гранулометрическим составом, морфологией и могут быть адаптированы в соответствии с требованиями приложения.

Некоторые важные характеристики порошка TiN:

Спецификация	Подробности
Чистота	Минимальное содержание нитрида титана 99% для большинства применений. Для некритичных применений также используются материалы более низкой чистоты ~92%-95%.
Морфология формы частиц	Варьируется от сферических, агломерированных до угловатых
Распределение частиц по размерам (d50)	Диапазон от наноразмеров 30-50 нм до микронного уровня 2-5 мкм для покрытий инструментов/компонентов. Также распространен субмикронный класс ~0,5 мкм.
Удельная площадь поверхности (УП)	От низких 5 м2/г для микронных сортов до 15-30 м2/г для нанопорошка
Цвет	Металлическое яркое золото
Температура плавления	2950°C
Твердость по шкале Мооса	8.5
Кристаллическая структура	Кубический - тип NaCl
Плотность	5,22 г/см3
Содержание кислорода/углерода	При 1% содержание кислорода важно для обеспечения высокой чистоты

Таблица 1: Краткое описание технических характеристик нитрида титана

При изготовлении на заказ эти характеристики порошка могут быть изменены в соответствии с целевыми отраслевыми задачами.

Мировые поставщики и ценообразование

Область	Основные поставщики	Продукт	Цена (USD/кг)	Ключевые соображения
Северная Америка	American Elements, Титановые заводы США, Nanoventure	Микронизированный TiN (>1 микрон)	100-200	Обеспечивает хороший баланс между стоимостью и производительностью для износостойких покрытий.
	Alfa Aesar, Специальные материалы ATI	Нанометризированный TiN (<100 нм)	400-800	Большая площадь поверхности идеально подходит для применения в электронике и катализе.
	Praxair Surface Technologies	Сырье для CVD (химического осаждения из паровой фазы)	Цена по запросу	Постоянное качество и размер частиц имеют решающее значение для тонкопленочных покрытий.
Европа	ХК Старк, Sandvik Hyperion, Plansee	ТиН общего назначения	80-150	Широкая доступность от известных европейских производителей.
	Эвоник Индастриз, Аркема	TiN высокой чистоты (99.9%+)	250-500	Востребован в аэрокосмической и медицинской промышленности.
	Наноматериалы	Ультрамелкий TiN (<50 нм)	800-1200	Ведущий поставщик для целей исследований и разработок
Азиатско-Тихоокеанский регион	China National Bluestar (CNB), Новый углеродный материал Fangda, Нинбо Тяньсян	Коммерческий класс TiN	50-80	Экономичный вариант для массового применения
	Тода Металл, Mitsui Mining & Smelting	Высокопроизводительный TiN	120-200	Известный своим качеством и стабильностью в Азии
	Химическая лаборатория Коджундо	Специализированные марки TiN (например, легированные)	Цена по запросу	Опыт разработки порошков, разработанных по индивидуальному заказу для конкретных нужд.

Сравнение между нитридом титана и другими твердыми покрытиями

Сравнение свойств

Свойства	Нитрид титана	Нитрид хрома	Нитрид титана алюминия	Алмазоподобный углерод	Карбид титана
Твердость (HV)	2000 – 2400	1400 – 1800	3200 – 3400	1000 – 1500	2800 – 3400
Прочность	Отличный	Хороший	Superior	Очень хорошо	Чрезвычайно высокий
Износостойкость	Чрезвычайно высокий	Умеренный	Исключительно высокий	Умеренный	Исключительно высокий
Коррозионная стойкость	Высокая	Умеренный	Очень высокий	Низкий	Высокая
Устойчивость к окислению	Умеренный	Хороший	Отличный	Хороший	Хороший
Коэффициент трения	0.5	0.35 – 0.6	0.4	0.1 – 0.2	0.25 – 0.35
Цвет	Яркое золото	Серый	Темно-фиолетовый	Графитовый серый	Сине-серый
Макс. Рабочая температура (°C)	500	750	800	250	600
Стоимость	Умеренный	Низкий	Высокая	Высокая	Высокая
Токсичность	Нетоксичный	Содержит Cr, Co	Нетоксичный	Нетоксичный	Нетоксичный

Преимущества нитрида титана

Некоторые преимущества и достоинства выбора покрытий из нитрида титана по сравнению с другими альтернативами:

• Чрезвычайная твердость для защиты от износа с показателями, сравнимыми с TiC
• Коррозионная стойкость, подходящая для большинства производственных сред
• Высокая температурная стабильность, сохраняющая твердость до ~500°C
• Низкая токсичность - в отличие от CrN, безопасен для медицинских устройств/имплантатов
• Отличная адгезия к подложке из титанового сплава и нержавеющей стали
• Биоинертность упрощает утверждение биосовместимости
• Нейтральный коэффициент трения предотвращает заклинивание деталей
• Более высокая стойкость к окислению по сравнению с покрытиями TiC

Ограничения нитрида титана

Несмотря на очень хорошие характеристики, нитрид титана имеет некоторые ограничения:

• Более низкая температурная стабильность по сравнению с AlTiN, который стабилен при температуре свыше 800°C
• Относительно более низкая прочность и ударопрочность по сравнению с DLC
• Повышенные нагрузки на покрытие могут привести к растрескиванию/отслаиванию со временем
• Не рекомендуется использовать в кислой среде из-за самопроизвольного окисления
• Более дорогие по сравнению с простыми покрытиями из Cr или WC
• Процессы металлообработки могут нанести металлические остатки на покрытие TiN

Когда следует выбирать альтернативы нитриду титана

Другие покрытия могут быть более подходящими, чем TiN:

• Рабочая температура превышает 500°C (используйте AlTiN или нитрид хрома)
• Необходима повышенная прочность к ударным нагрузкам (учитывайте DLC)
• Требуется прохождение радиочастотных сигналов, например, в аэрокосмической отрасли/телекоммуникациях (лучший вариант DLC)
• Подвергается воздействию галогенных кислот или других очень агрессивных сред (выберите DLC)

Плюсы и минусы покрытия из нитрида титана

Характеристика	Плюсы	Cons
Износостойкость	* Значительно продлевает срок службы инструмента за счет снижения трения и износа. Режущие инструменты, сверла и другие инструменты служат дольше, что снижает затраты на замену и время простоя. * Обеспечивает превосходную защиту от абразивных материалов, что делает его идеальным для обработки композитов, дерева и некоторых металлов.	* Хрупкость: хотя TiN и твердый, он может отколоться или отколоться при сильном ударе или чрезмерной силе. Может не подходить для тяжелых ударных применений. * Толщина
Снижение трения	* Снижает коэффициент трения, что приводит к более плавной резке. Это снижает выделение тепла, которое может повредить инструменты и ухудшить качество заготовки. * Минимизирует потребление энергии во время обработки, что приводит к экономии затрат и более экологичному процессу.	* Производительность может варьироваться в зависимости от обрабатываемого материала. В некоторых случаях смазка все же может потребоваться.
Коррозионная стойкость	* TiN действует как барьер против коррозии, защищая основной металл от ржавчины и других факторов окружающей среды. * Сохраняет целостность и функциональность инструментов и компонентов в суровых условиях.	* Не так эффективен против некоторых химикатов или сильнокоррозионных веществ. * Другие покрытия могут лучше подходить для обеспечения экстремальной коррозионной стойкости.
Термическая стабильность	* Хорошо работает при повышенных температурах, что делает его пригодным для высокоскоростной обработки. * Уменьшает термический износ инструмента и сохраняет точность размеров обрабатываемых деталей.	* Возможно, не лучший выбор для сред с чрезвычайно высокими температурами, где другие современные покрытия превосходны.
Эстетика	* Характерный золотистый или желтоватый оттенок, часто ассоциирующийся с высокопроизводительными инструментами. * Улучшает визуальную привлекательность некоторых продуктов.	* Косметическая выгода вторична по отношению к функциональным преимуществам. * Цвет может незначительно отличаться в зависимости от процесса нанесения.
Стоимость	* Относительно доступная цена по сравнению с некоторыми другими передовыми технологиями нанесения покрытий. * Обеспечивает значительное улучшение производительности при разумной цене.	* Первоначальную стоимость покрытия необходимо сопоставить с преимуществами увеличения срока службы инструмента и повышения эффективности обработки.
Воздействие на окружающую среду	* Снижает количество отходов за счет продления срока службы инструмента, требующего меньшего количества замен. * Способствует более устойчивому процессу обработки.	* Сам процесс нанесения покрытия может включать использование определенных химикатов, требующих правильных процедур утилизации.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

В: Почему нитрид титана имеет золотистый цвет?

О: Золотистый цвет обусловлен свойствами поглощения и отражения света кристаллической структурой нитрида титана, которая придает покрытиям TiN, нанесенным плазменным или паровым методом, характерный золотистый оттенок.

Вопрос: Является ли нитрид титана токсичным?

О: Нет, керамика из нитрида титана считается абсолютно нетоксичной и биоинертной, что делает ее безопасной для использования в биомедицинских имплантатах в соответствии со стандартами биосовместимости ISO 10993.

Вопрос: Какую толщину покрытия TiN следует использовать?

О: Типичный диапазон толщины составляет 1-5 микрон. Более тонкие покрытия толщиной 0,5-1 микрон обеспечивают защиту от износа. Пленки толщиной 2-5 микрон обеспечивают коррозионную и эрозионную стойкость для более длительной эксплуатации.

Вопрос: Покрытие TiN увеличивает или уменьшает трение?

О: TiN значительно снижает коэффициент трения по сравнению со сталью. Точные значения варьируются от 0,4 до 0,9 в зависимости от материала детали, что снижает общее трение, но предотвращает заедание галтели.

Вопрос: Какова типичная твердость пленок нитрида титана?

О: Значения твердости составляют 2000-2500 единиц по Виккерсу при осаждении тонких пленок методами PVD или CVD, что является одним из самых высоких значений, достижимых для коммерческих покрытий.

Вопрос: Что такое водный нитрид титана?

О: Aqua TiN - это покрытие из карбонитрида титана, легированного кремнием 8-20%, которое придает покрытию аква-голубой цвет и обеспечивает отличные трибологические характеристики при температурах до 700 град. C.

Вопрос: Предотвращает ли покрытие TiN задиры и адгезионный износ?

О: Да, нитрид титана широко используется в таких областях, как формовка/штамповка/вытяжка, где он служит отличным антизадирным и антизадирным покрытием даже в условиях граничной смазки.

В: В каких отраслях промышленности используются покрытия из нитрида титана?

О: Все основные отрасли производства, включая автомобильную, аэрокосмическую, текстильную, упаковочную, электронную, сталелитейную, нефтехимическую, медицинскую и т.д., используют пленки TiN для повышения производительности и надежности критических деталей и оснастки.

узнать больше о процессах 3D-печати