Nitrura de titan aparține unui grup de metale refractare în care un element nemetalic (azot) formează un compus cu un element de metal de tranziție (titan). Acest compus metalic are o culoare maro și pare auriu atunci când este aplicat ca acoperire.
Are proprietăți fizice și chimice unice. De exemplu, prezintă caracteristici superioare metalelor nobile, cum ar fi stabilitate chimică ridicată, rezistență la coroziune, duritate mecanică ridicată și durabilitate la temperaturi ridicate.
Datorită acestor proprietăți superioare, nitrura de titan este utilizată într-o gamă largă de aplicații industriale. Calitatea sa excepțională de rezistență la uzură îl face un material de acoperire perfect, de înaltă performanță.
- Profil cu nitrură de titan
- Formula chimică: TiN
- Greutate moleculară: 61,87 g/mol
- Punct de topire: 2947 °C
- Temperatura maxima de functionare: 500 °C
- Grosimea stratului: 1-5 microni
- Rezistenta la coroziune: rezistenta la oxidare pana la 400 °C
Nitrura de titan este folosită în principal ca material de acoperire. Un strat subțire (de obicei mai mic de 5 microni) este aplicat pe oțel, carbură, piese din aluminiu și aliaje de titan pentru a îmbunătăți proprietățile de suprafață ale substratului. De asemenea, este folosit ca exterior inofensiv pentru implanturi medicale.
Cum se produce nitrura de titan
O cantitate foarte mică de nitrură de titan apare sub formă naturală, care a fost găsită în meteoriții numiți Osbornit. Cristalele naturale de nitrură de titan sunt octaedre galben-aurii. Sunt friabile și nu se dizolvă în acizi.
Există zeci de tehnici folosite pentru a sintetiza nitrura de titan. Cele mai populare dintre ele sunt:
1. Depunerea fizică de vapori
Reacția chimică dintre pulberea de metal de titan și gazul de azot la temperaturi ridicate dă pulbere de nitrură de titan pură. Există mai multe variații ale acestei reacții, care includ depunerea fizică de vapori.
Într-o variantă, de exemplu, compusul de titan este vaporizat într-o plasmă de azot. În alte variante, titanul metalic este vaporizat fie prin evaporare cu fascicul de electroni, fie prin pulverizare la presiune joasă sub azot. În toate cazurile, o peliculă subțire de TiN este depusă pe un substrat fierbinte încălzit până la 500°C.
2. Un traseu non-termic cu plasmă
Reacția amoniacului (NH3) și a tetraclorurii de titan (TiCl4) este utilizată pentru a depune o acoperire subțire de TiN prin depunere chimică de vapori pe un substrat încălzit la 1000 °C. Această tehnică se bazează pe un proces cu plasmă netermică cu flux continuu, care duce la formarea de nanoparticule de nitrură de titan de sine stătătoare.
3. Folosind pulbere de magneziu și clorură de amoniu
TiN nanocristalin poate fi preparat, de asemenea, printr-o cale convenabilă prin reacția puterii de magneziu metalic cu clorură de amoniu și dioxid de titan într-o autoclavă la 650 °C. Această reacție dă nitrură de titan cubică cu o dimensiune medie de 30 de nanometri în diametru. Are stabilitate termică impresionantă și rezistență la oxidare sub 350 °C în aer.
Proprietati fizice si chimice
Nitrura de titan arată ca aurul închis atunci când este aplicată ca acoperire. La temperatura camerei, are o densitate de 5,2 g/cm3, care este aproape de două ori densitatea sticlei, dar mai mică decât multe metale.
TiN este extrem de dur, în comparație cu corindonul (alumină cristalizată) folosit la abrazivi. Duritatea sa Vickers este cuprinsă între 1800 și 2400. Are o conductivitate electrică comparabilă cu cea a oțelului și o temperatură de tranziție supraconductivă de -267,55 °C.
Nitrura de titan este insolubilă în apă. La temperaturi peste 500 °C, începe să formeze oxizi de titan într-o atmosferă normală.
În timp ce TiN rămâne stabil din punct de vedere chimic la 20 ° C, experimentele de laborator arată că se poate dizolva treptat în soluție acidă concentrată pe măsură ce temperatura crește. Poate fi atacat și de baze fierbinți.
TiN devine supraconductor la temperaturi sub 150 °C. Nitrura de titan cu peliculă subțire are proprietăți supraconductoare fascinante. De exemplu, atunci când este răcit la aproape zero absolut, rezistența sa crește drastic cu un factor de 100.000 odată ce temperatura scade sub un anumit prag.
- Modulul elastic: 600 GPa
- Modul de forfecare: 240 GPa
TiN este aplicat în mare parte sub formă de acoperire cu o grosime de 2 până la 5 microni pe suprafețele de lucru. Diferiți parametri afectează grosimea acoperirii, inclusiv tipul de material, geometria sculei și mediul extern.
TiN prezintă o aderență excelentă atâta timp cât substratul este curățat corespunzător și procesul de acoperire este executat corespunzător. Coeficientul de frecare depinde de materialul de care se freacă acoperirea; Pentru aliajele de oțel, este de aproximativ 0,6.
În ceea ce privește biocompatibilitatea, TiN nu reacționează cu sângele, oasele, țesuturile și fluidele corporale, ceea ce îl face potrivit pentru aplicații medicale, dentare și alimentare.
Aplicații
Nitrura de titan are o gamă largă de aplicații:
- Ca precursor pentru acoperirea rezistentă la uzură și decorativă „asemănătoare aurului”.
- Ca material pentru creuzetele pentru turnarea anoxică a metalelor
- Ca componentă în refractare și cermet specializate
Datorită rezistenței sale incredibile la uzură, rezistenței la căldură, rezistenței la coroziune și durității ridicate, acoperirea TiN are mii de aplicații. Este de obicei depus prin depunere chimică de vapori și prin evaporare fizică prin depunere de vapori.
Acoperirea TiN poate fi aplicată pe toate tipurile de unelte, inclusiv robinete, burghie, alezoare, freze, cozi de rândunică și unelte de perforare și de formare. Funcționează pe multe materiale diferite, cum ar fi T15, M2, M4, oțel de mare viteză, oțel inoxidabil, carbură și alte materiale.
Acoperirea îmbunătățește semnificativ durata de viață a uneltelor de până la 7 ori față de uneltele neacoperite. Îmbunătățește lubrifierea, reduce frecarea și minimizează uzura dintre componentele matriței de alunecare.
Este, de asemenea, folosit pentru a acoperi bijuterii din aur, furci de motociclete și biciclete și ornamente pentru automobile (în scop decorativ).
TiN nu este un conductor la fel de bun ca un metal, dar are tendința de a conduce electricitatea. Spre deosebire de majoritatea metalelor, acesta nu poate fi difuzat în microcipul de siliciu. Astfel, un strat subțire de nitrură de titan (între un contact metalic și siliciu) acționează ca o barieră care împiedică deteriorarea cipului, permițând în același timp trecerea curentului.
Unele studii arată că TiN poate fi folosit pentru a face anozi de înaltă performanță pentru bateriile litiu-ion. Nanoparticulele de siliciu acoperite cu TiN par promițătoare pentru acest rol. Materialul prezintă performanțe stabile și eficiență excelentă pentru un număr mare de cicluri de încărcare-descărcare.
Datorită hemocompatibilității excelente și biocompatibilității intrinseci, filmele TiN sunt aplicate și pe instrumentele medicale, cum ar fi metalele pentru articulația șoldului, înlocuirea valvelor cardiace și protezele dentare. Straturile de staniu sunt fabricate pe suprafața implanturilor de titan pentru a le îmbunătăți rezistența la coroziune și uzură.
Dimensiunea pieței acoperirii cu nitrură de titan
Potrivit Emergen Research, piața de acoperire TiN este de așteptat să atingă 8,29 miliarde de dolari până în 2018, înregistrând o rată de creștere anuală compusă de 8% din 2021 până în 2028.
Această creștere a veniturilor este susținută puternic de creșterea cererii pentru echipamente de turnare prin injecție, unelte de înaltă calitate și numeroase industrii de utilizare finală, cum ar fi produsele chimice, imprimarea și automobilele. Creșterea pieței TiN depinde, de asemenea, foarte mult de cerința tot mai mare de acoperiri și materiale rezistente la coroziune pentru dezvoltarea dispozitivelor chirurgicale și a echipamentelor de prelucrare a alimentelor.
Cu toate acestea, prețurile neuniforme ale acoperirilor TiN, precum și disponibilitatea tehnicilor alternative de acoperire, pot limita creșterea în perioada de prognoză.
În 2020, Asia Pacific a dominat piața globală a acoperirilor TiN cu o cotă de 26,3%. Japonia și China sunt cele mai proeminente țări ale acestei piețe datorită politicilor interne, progreselor tehnologice și investițiilor mari pentru facilități dedicate de cercetare și dezvoltare.
Africa și Orientul Mijlociu se așteaptă, de asemenea, să se extindă la o rată de creștere substanțială în perioada de prognoză, datorită creșterii activității industriale și a cercetării în această regiune.
Cum se creează filmul subțire de nitrură de titan?
Cele două tehnici cel mai frecvent utilizate pentru crearea de straturi subțiri de TiN sunt:
- Depunerea fizică de vapori
- Depuneri chimice de vapori
În ambele tehnici, titanul pur este sublim și expus la azot sub vid.
Este durabil?
Acoperirea TiN are suficientă duritate și durabilitate la temperatură încât poate rezista eficient la abraziune și poate reduce uzura generală. Poate îmbunătăți durata de viață a materialului de până la 7 ori față de materialul neacoperit.
Cât costă acoperirea TiN?
O unealtă mică (să spunem un cuțit de buzunar) ar putea costa între 2 și 200 USD, în funcție de grosimea stratului de acoperire și dimensiunea și tipul materialului substratului. Dacă este un oțel inoxidabil 303 de 5 cm, costul total al acoperirii ar fi de 20 USD.
Este nitrura de titan magnetică?
Deși nitrura de titan în vrac nu prezintă dovezi de magnetism, nanostructurile de TiN obținute prin ingineria defectelor posedă atât permeabilitate dinamică evidentă, cât și proprietăți feromagnetice statice. Cercetătorii cred că defectele de compoziție și microstructură au efecte profunde asupra caracteristicilor electromagnetice.
Este acoperirea TiN sigură pentru corpul uman?
Mai multe studii concluzionează că biocompatibilitatea acoperirii cu nitrură de titan este bună – nu are efecte negative. Straturile foarte subțiri de TiN (10-100 nanometri), așa cum sunt utilizate pentru a acoperi implanturile de îmbinare, au ca rezultat o mai bună aderență a celulelor adipoase umane la aceste straturi.
