Titannitridpulver
Innehållsförteckning
Titannitridpulver (TiN) är ett extremt hårt keramiskt material med unika egenskaper som gör det lämpligt för användning inom olika branscher. Denna artikel ger en översikt över Titannitridpulver, inklusive dess sammansättning, viktigaste egenskaper, tillverkningsprocess och tillämpningar.
Översikt över titannitridpulver
Titannitrid eller TiN är en gyllengul keramisk förening som består av titan- och kväveatomer. Dess kemiska formel är TiN.
Några viktiga egenskaper hos titannitridpulver inkluderar:
- Extrem hårdhet - nästan lika hård som diamant
- Utmärkt slitage- och korrosionsbeständighet
- Hög termisk stabilitet
- Metallisk guldfärg
- Elektriskt ledande
- Biokompatibel och icke-toxisk
Den unika kombinationen av egenskaper har lett till att TiN-pulver används för ytbeläggning av bland annat verktyg, fordonskomponenter, turbiner och medicinska implantat.
I följande avsnitt ges mer information om sammansättning, egenskaper, produktion och användning av titannitridpulver.
Sammansättning och egenskaper hos Titannitridpulver
| Fastighet | Beskrivning | Enheter |
|---|---|---|
| Kemisk formel | TiN | |
| Kemisk sammansättning (typisk) | - Titan (Ti): Min. 77,0 wt%<br> - Kväve (N): Min. 20,0 wt%<br> - Kol (C): Max. 0,1 wt% | wt% |
| Kristallstruktur | NaCl-typ ytcentrerad kubisk | |
| Partikelstorlek | Varierar beroende på applikation<br> - Mikroniserade pulver: < 10 mikrometer<br> - Submikrona pulver: < 1 mikron<br> - Nanopulver: < 100 nanometer | mikrometer, nanometer |
| Utseende | Guldfärgad | |
| Smältpunkt | ~2930°C | °C |
| Täthet | 5,22 - 5,44 g/cm³ | g/cm³ |
| Hårdhet | Vickers hårdhet: 1800-2100 HV<br> Mohs hårdhet: 8-9 | HV |
| Elasticitetsmodul | 550 ± 50 GPa | GPa |
| Termisk expansionskoefficient | 9.35 × 10-⁶ K-¹ | K-¹ |
| Elektrisk konduktivitet | Metallisk ledare (ledningsförmågan varierar med stökiometri och föroreningar) | S/m |
| Termisk konduktivitet | Hög (15-30 W/mK) | W/mK |
| Supraledande övergångstemperatur | Upp till 6,0 K (enstaka kristaller) | K |
| Kemisk stabilitet | Utmärkt beständighet mot de flesta kemikalier vid rumstemperatur<br> Reagerar med syre vid höga temperaturer (> 800°C) | |
| Biokompatibilitet | Generellt betraktad som biokompatibel |
Tillverkningsprocess för titannitridpulver
| Process | Beskrivning | Fördelar | Nackdelar |
|---|---|---|---|
| Nitrering | Detta är den mest använda metoden för att producera titannitridpulver. Den innebär att titanråvara reagerar med kvävgas eller ammoniak vid höga temperaturer (vanligtvis över 900°C). Reaktionen kan utföras i olika reaktorkonfigurationer, inklusive fluidiserade bäddar, roterande reaktorer och plasmareaktorer. | - Etablerad och tillförlitlig teknik - Producerar TiN-pulver med hög renhet - Ger god kontroll över pulvrets morfologi | - Kräver höga temperaturer, vilket leder till ökad energiförbrukning - Partikelstorlek och storleksfördelning kan vara svåra att kontrollera vid höga temperaturer - Risk för syreförorening om den inte kontrolleras noggrant |
| Karbotermisk reduktion | Metoden innebär att en blandning av titandioxid (TiO2), kol (grafit eller träkol) och kvävgas upphettas till höga temperaturer (ca 1300°C). Kolet fungerar som reduktionsmedel och omvandlar titandioxiden till titannitrid. | - Erbjuder ett potentiellt billigare alternativ till nitrering - Kan användas för att producera titannitrid med specifika karbonitridsammansättningar | - Mer komplex reaktionskemi jämfört med nitrering - Strikt kontroll över förhållandet mellan utgångsmaterial och reaktionsförhållanden är avgörande för att uppnå önskad produktrenhet - Kan kräva ytterligare efterbehandlingssteg för att avlägsna föroreningar |
| Reaktiv kulfräsning | Detta är en mekanokemisk process med hög energi där titanpulver och en kvävekälla (ofta urea) mals tillsammans i en högenergikulkvarn. Den mekaniska kraften från kvarnkulorna bryter sönder partiklarna och främjar reaktionen i fast tillstånd mellan titan och kväve, varvid titannitrid bildas vid relativt låga temperaturer (runt rumstemperatur). | - Lämplig för tillverkning av titannitridpulver i nanostorlek - Lägre energiförbrukning jämfört med högtemperaturmetoder - Kan vara en skalbar process | - Relativt ny teknik med pågående forskning och utveckling - Kan medföra föroreningar från malmediet - Det kan vara svårt att uppnå en jämn partikelstorleksfördelning |
| Kemisk förångningsdeposition (CVD) | Metoden innebär att prekursorgaser som innehåller titan och kväve förs in i en uppvärmd reaktionskammare. Prekursorgaserna sönderdelas och reagerar för att bilda titannitridpartiklar, som sedan deponeras på ett substrat eller samlas upp som pulver. | - Mycket mångsidig metod som kan producera pulver med skräddarsydda egenskaper - Möjliggör exakt kontroll över partikelstorlek och morfologi | - Komplex och dyr processutrustning krävs - Begränsad produktionskapacitet jämfört med andra metoder - Säkerhetsproblem på grund av användning av potentiellt farliga prekursorgaser |
| Fysisk förångningsdeposition (PVD) | I likhet med CVD innebär PVD att titan förångas i en vakuummiljö och reagerar med kvävgas. Det förångade titanet kan genereras med hjälp av olika tekniker som sputtering, katodisk bågdeponering eller elektronstråleförångning. | - Lämplig för produktion av tunna filmer eller pulver av titannitrid med hög renhet och väldefinierad form - Ger god kontroll över filmtjocklek och sammansättning | - Högspecialiserad och dyr utrustning - Begränsad produktionshastighet för pulverproduktion - Deposition med siktlinje, vilket gör den olämplig för komplexa geometrier |
Tillämpningar och användningsområden för titannitridpulver
| Kategori | Tillämpning | Fastigheter med hävstångseffekt | Detaljer |
|---|---|---|---|
| Skärande verktyg | Borrkronor, fräsar, pinnfräsar | Hög hårdhet, slitstyrka, låg friktionskoefficient | Titannitridpulver (TiN) är ett populärt val för beläggning av skärverktyg tack vare sin exceptionella hårdhet, som förlänger verktygens livslängd med upp till tre gånger jämfört med obelagda verktyg. Den låga friktionskoefficienten hos TiN-beläggningar minskar friktionen mellan verktyget och arbetsstycket, vilket minimerar värmeutvecklingen och förbättrar skärningseffektiviteten. Dessutom förhindrar TiN:s slitstyrka att skäreggen flisas och bryts ned, vilket gör att skärpan bibehålls längre. |
| Medicintekniska produkter | Skalpellblad, bensågar, ortopediska implantat | Biokompatibilitet, slitstyrka, skärpa | Inom det medicinska området används TiN-pulver för beläggning av kirurgiska instrument som skalpeller och bensågar. Dess biokompatibla egenskaper gör det säkert för implantation i kroppen. TiN-beläggningarnas slitstyrka gör dessutom att instrumenten behåller sin skärpa under ingreppen, vilket leder till renare snitt och bättre resultat för patienten. TiN används också för att belägga vissa ortopediska implantat, t.ex. höftproteser, eftersom det ökar slitstyrkan och minskar friktionen i gränssnittet mellan implantat och ben, vilket främjar implantatets stabilitet på lång sikt. |
| Dekorativa ytbeläggningar | Kostymsmycken, bilklädsel | Attraktiv guldfärg, hög hållbarhet | Utöver sina funktionella tillämpningar värdesätts TiN-pulver för sina estetiska egenskaper. TiN-beläggningarnas metalliska guldfärg gör dem idealiska för dekorativa ändamål i kostymsmycken och bilinredning. Till skillnad från äkta guldplätering erbjuder TiN överlägsen hållbarhet och reptålighet, och behåller sin glans under längre perioder. Denna kombination av estetik och funktionalitet gör TiN-pulver till ett attraktivt val för tillverkare som söker en balans mellan stil och livslängd. |
| Konsumentvaror | VVS-armaturer, dörrhandtag | Korrosionsbeständighet, slitstyrka, estetiskt tilltalande | De fördelaktiga egenskaperna hos TiN sträcker sig till vardagliga konsumentvaror. Ett vanligt användningsområde är ytbeläggning av VVS-armaturer och dörrhandtag. Korrosionsbeständigheten hos TiN skyddar dessa föremål från missfärgning och slitage, särskilt i områden som utsätts för fukt. Dessutom förhindrar TiN-beläggningarnas slitstyrka repor och gör att kranar och dörrhandtag fungerar smidigt. I vissa fall används ett toppskikt av TiN över en basbeläggning av nickel eller krom, vilket ger en kombination av hållbarhet, korrosionsbeständighet och en touch av gyllene elegans. |
| Halvledare | Diffusionsbarriärer, elektriska ledare | Hög termisk stabilitet, god elektrisk ledningsförmåga | Inom halvledarområdet spelar TiN-pulver en avgörande roll i tillverkningsprocessen. Tunna filmer av TiN deponeras på kiselskivor för att fungera som diffusionsbarriärer, vilket förhindrar att oönskade element migrerar genom skikten och stör enhetens elektriska egenskaper. TiN har också god elektrisk ledningsförmåga, vilket gör det lämpligt att använda som elektriska kontakter i integrerade kretsar. |
| Nya tillämpningar | Solceller, arkitektoniska ytbeläggningar | Brett spektrum av egenskaper | Inom forskning och utveckling utforskas nya användningsområden för TiN-pulver. Inom solenergiområdet undersöks TiN-beläggningar för deras potential att förbättra effektiviteten hos solceller. TiN:s förmåga att absorbera vissa våglängder av ljuset och samtidigt reflektera andra kan leda till utvecklingen av effektivare ljusinsamlande enheter. TiN:s kombination av egenskaper, inklusive hårdhet, korrosionsbeständighet och en självsmörjande effekt, gör det dessutom till en lovande kandidat för arkitektoniska beläggningar på byggnader. Dessa beläggningar skulle kunna ge skydd mot hårda väderförhållanden, förbättra självrengöringsegenskaperna och potentiellt förbättra konstruktionernas estetiska utseende. |
Specifikationer för Titannitridpulver
Titannitridpulverprodukter finns i olika renhetsnivåer, partikelstorleksfördelning, morfologier och kan anpassas enligt applikationskrav.
Några viktiga specifikationer för TiN-pulver:
| Specifikation | Detaljer |
|---|---|
| Renhet | 99% titannitridinnehåll minimum för de flesta applikationer. Även lägre renheter ~92%-95% för icke-kritiska användningsområden. |
| Partikelns form och morfologi | Varierade från sfäriska, agglomererade till kantiga |
| Fördelning av partikelstorlek (d50) | Från 30-50 nm i nanoskala till 2-5 μm i mikronskala för ytbeläggningar på verktyg/komponenter. Submikronkvalitet ~0,5 μm är också vanligt. |
| Specifik ytarea (SSA) | Från låga 5 m2/g för mikronkvaliteter till 15-30 m2/g för nanopulver |
| Färg | Metalliskt ljust guld |
| Smältpunkt | 2950°C |
| Mohs hårdhet | 8.5 |
| Kristallstruktur | Kubisk - typ NaCl |
| Täthet | 5,22 g/cm3 |
| Innehåll av syre/kol | Under 1% är syrehalten viktig för hög renhet |
Tabell 1: Sammanfattning av specifikationer för titannitrid
Dessa pulverspecifikationer kan varieras enligt målindustrins tillämpningar vid kundanpassad tillverkning.
Globala leverantörer och prissättning
| Region | Större leverantörer | Produkt | Pris (USD/kg) | Viktiga överväganden |
|---|---|---|---|---|
| Nordamerika | American Elements, US Titanium Mills, Nanoventure | Mikroniserad TiN (>1 mikron) | 100-200 | Ger bra balans mellan kostnad och prestanda för slitstarka beläggningar |
| Alfa Aesar, ATI Specialty Materials | Nanometeriserad TiN (<100 nm) | 400-800 | Hög ytarea idealisk för elektronik- och katalysapplikationer | |
| Praxair Ytteknologi | Råmaterial för CVD (kemisk förångningsdeposition) | Pris på förfrågan | Konsekvent kvalitet och partikelstorlek avgörande för tunnfilmsbeläggningar | |
| Europa | H.C. Starck, Sandvik Hyperion, Plansee | TiN för allmänna ändamål | 80-150 | Bred tillgänglighet från välrenommerade europeiska producenter |
| Evonik Industries, Arkema | TiN med hög renhetsgrad (99,9%+) | 250-500 | Efterfrågas av flyg- och medicinteknisk industri | |
| NanoMaterial | Ultrafin TiN (<50 nm) | 800-1200 | Ledande leverantör för forsknings- och utvecklingsändamål | |
| Asien och Stillahavsområdet | China National Bluestar (CNB), Fangda Carbon New Material, Ningbo Tianxiang | TiN av kommersiell kvalitet | 50-80 | Kostnadseffektivt alternativ för bulkapplikationer |
| Toda Metal, Mitsui Mining & Smelting | TiN med hög prestanda | 120-200 | Känd för kvalitet och konsekvens i Asien | |
| Kojundo kemiska laboratorium | Specialiserade TiN-kvaliteter (t.ex. dopade) | Pris på förfrågan | Expertis inom specialutvecklade pulver för specifika behov |
Jämförelse mellan titannitrid och andra hårda beläggningar
Jämförelse av egenskaper
| Fastigheter | Titannitrid | Kromnitrid | Aluminium-titannitrid | Diamantliknande kol | Titankarbid |
|---|---|---|---|---|---|
| Hårdhet (HV) | 2000 – 2400 | 1400 – 1800 | 3200 – 3400 | 1000 – 1500 | 2800 – 3400 |
| Styrka | Utmärkt | Bra | Överlägsen | Mycket bra | Extremt hög |
| Slitstyrka | Extremt hög | Måttlig | Exceptionellt hög | Måttlig | Exceptionellt hög |
| Motståndskraft mot korrosion | Hög | Måttlig | Mycket hög | Låg | Hög |
| Oxideringsbeständighet | Måttlig | Bra | Utmärkt | Bra | Bra |
| Friktionskoefficient | 0.5 | 0.35 – 0.6 | 0.4 | 0.1 – 0.2 | 0.25 – 0.35 |
| Färg | Ljust guld | Grå | Mörk lila | Grafitgrå | Blågrå |
| Max. drifttemp. Drifttemperatur (°C) | 500 | 750 | 800 | 250 | 600 |
| Kostnad | Måttlig | Låg | Hög | Hög | Hög |
| Toxicitet | Icke-toxisk | Innehåller Cr, Co | Icke-toxisk | Icke-toxisk | Icke-toxisk |
Fördelar med titannitrid
Några fördelar med att välja titannitridbeläggningar framför andra alternativ:
- Extrem hårdhet för slitageskydd med en klassificering som är jämförbar med TiC
- Korrosionsbeständighet som lämpar sig för de flesta produktionsmiljöer
- Hög temperaturstabilitet med bibehållen hårdhet upp till ~500°C
- Låg toxicitet - säker för medicintekniska produkter/implantat till skillnad från CrN
- Utmärkt vidhäftning till titanlegeringar och rostfritt stål
- Bio-inert gör det lättare att godkänna biokompatibilitet
- Neutral friktionskoefficient förhindrar att delar fastnar
- Högre oxidationsbeständighet jämfört med TiC-beläggningar
Begränsningar för titannitrid
Trots att titannitrid har mycket goda prestanda har den vissa begränsningar:
- Lägre temperaturstabilitet än AlTiN som är stabilt över 800°C
- Relativt lägre seghet och stöttålighet jämfört med DLC
- Högre påfrestningar på beläggningen kan leda till sprickbildning/avflagning över tid
- Rekommenderas inte för sura miljöer på grund av spontan oxidation
- Dyrare jämfört med enkla Cr- eller WC-beläggningar
- Metallbearbetningsprocesser kan smeta metallrester över TiN-finish
När man ska välja alternativ till titannitrid
Andra beläggningar kan vara bättre lämpade än TiN if:
- Driftstemperaturer över 500°C (använd AlTiN eller kromnitrid)
- Överlägsen seghet mot slagbelastningar krävs (överväg DLC)
- Genomträngning av RF-signaler krävs t.ex. inom flyg/telekom (DLC bättre alternativ)
- Exponerad för halogensyror eller andra mycket frätande medier (välj DLC)
För- och nackdelar med titanitridbeläggning
| Funktion | Proffs | Nackdelar |
|---|---|---|
| Slitstyrka | * Förlänger verktygens livslängd avsevärt genom att minska friktion och slitage. Skärverktyg, borrkronor och andra redskap håller längre, vilket minskar kostnaderna för byte och stilleståndstid. * Ger överlägset skydd mot abrasiva material, vilket gör det idealiskt för bearbetning av kompositer, trä och vissa metaller. | * Skörhet: TiN är hårt men kan flisas eller flagna om det utsätts för kraftiga stötar eller överdriven kraft. Kan vara olämpligt för tunga slagapplikationer. * Tjocklek |
| Minskning av friktion | * Sänker friktionskoefficienten, vilket leder till jämnare skärning. Detta minskar värmeutvecklingen, som kan skada verktygen och försämra arbetsstyckets kvalitet. * Minimerar energiförbrukningen under bearbetningen, vilket leder till kostnadsbesparingar och en mer miljövänlig process. | * Prestanda kan variera beroende på vilket material som bearbetas. Smörjning kan fortfarande vara nödvändig för vissa applikationer. |
| Motståndskraft mot korrosion | * TiN fungerar som en barriär mot korrosion och skyddar den underliggande metallen från rost och andra miljöfaktorer. * Upprätthåller integriteten och funktionaliteten hos verktyg och komponenter i tuffa miljöer. | * Inte lika effektiv mot vissa kemikalier eller starkt korrosiva ämnen. * Andra ytbeläggningar kan vara bättre lämpade för extrema behov av korrosionsbeständighet. |
| Termisk stabilitet | * Fungerar bra vid förhöjda temperaturer, vilket gör den lämplig för höghastighetsbearbetning. * Minskar värmerelaterat verktygsslitage och bibehåller dimensionell noggrannhet hos bearbetade delar. | * Kanske inte det bästa valet för miljöer med extremt höga temperaturer där andra avancerade ytbeläggningar utmärker sig. |
| Estetik | * Utmärkande gyllene eller gulaktig nyans som ofta förknippas med högpresterande verktyg. * Förbättrar utseendet på vissa produkter. | * Den kosmetiska fördelen är underordnad de funktionella fördelarna. * Färgen kan variera något beroende på deponeringsprocessen. |
| Kostnad | * Relativt prisvärd jämfört med vissa andra avancerade beläggningstekniker. * Ger betydande prestandaförbättringar till en rimlig kostnad. | * Den initiala kostnaden för beläggningen måste vägas mot fördelarna med förlängd verktygslivslängd och förbättrad bearbetningseffektivitet. |
| Miljöpåverkan | * Minskar avfallet genom att verktygens livslängd förlängs och färre byten krävs. * Bidrar till en mer hållbar bearbetningsprocess. | * Själva beläggningsprocessen kan innebära användning av särskilda kemikalier, vilket kräver korrekta rutiner för avfallshantering. |
VANLIGA FRÅGOR
F: Varför är titannitrid guldfärgad?
A: Den gyllene färgen beror på ljusabsorptions- och reflektionsegenskaperna hos titannitridens kristallstruktur som ger plasma- eller ångdepositionerade TiN-beläggningar deras distinkta guldfinish.
F: Är titannitrid giftigt?
S: Nej, keramik av titannitrid anses vara helt giftfri och bioinert, vilket gör den säker att använda i biomedicinska implantat enligt ISO 10993-standarderna för biokompatibilitet.
F: Vilken tjocklek på TiN-beläggningen ska användas?
S: Typiskt tjockleksintervall är 1-5 mikrometer. Tunnare beläggningar på 0,5-1 mikrometer ger slitageskydd. Film på 2-5 mikrometer ger korrosions- och erosionsbeständighet för längre livslängd.
F: Ökar eller minskar TiN-beläggningen friktionen?
A: TiN minskar friktionskoefficienten avsevärt jämfört med stål. Exakta värden varierar från 0,4 till 0,9 beroende på motpartsmaterialet, vilket minskar den totala friktionen men förhindrar fastbränning.
F: Vilken är den typiska hårdheten hos titannitridfilmer?
S: Hårdhetsvärdena varierar mellan 2000-2500 Vickers när de deponeras som tunna filmer med PVD- eller CVD-teknik, bland de högsta värden som kan uppnås för kommersiella beläggningar.
F: Vad är aqua titannitrid?
A: Aqua TiN avser en titankarbonitridbeläggning legerad med 8-20% kisel som ger en vattenblå färgfinish förutom utmärkt tribologisk prestanda upp till 700 deg. C temperaturer.
F: Förhindrar TiN-beläggning gnissling och vidhäftningsslitage?
S: Ja, titannitrid används ofta i applikationer som formning/stansning/dragning där den fungerar som en utmärkt beläggning mot galling och klämskador även under gränssmörjningsförhållanden.
F: Vilka branscher använder titanitridbeläggningar?
A: Alla större tillverkningssektorer, t.ex. fordons-, flyg-, textil-, förpacknings-, elektronik-, stål-, petrokemisk och medicinsk industri, använder TiN-film för att förbättra prestanda och tillförlitlighet hos kritiska delar och verktyg.
Dela på
MET3DP Technology Co, LTD är en ledande leverantör av lösningar för additiv tillverkning med huvudkontor i Qingdao, Kina. Vårt företag är specialiserat på 3D-utskriftsutrustning och högpresterande metallpulver för industriella tillämpningar.
Förfrågan för att få bästa pris och anpassad lösning för ditt företag!
Relaterade artiklar
Om Met3DP
Senaste uppdateringen
Vår produkt
KONTAKTA OSS
Har du några frågor? Skicka oss meddelande nu! Vi kommer att betjäna din begäran med ett helt team efter att ha fått ditt meddelande.
Metallpulver för 3D-printing och additiv tillverkning
FÖRETAG
PRODUKT
cONTACT INFO
- Qingdao City, Shandong, Kina
- [email protected]
- [email protected]
- +86 19116340731