Карбонитрид титана

Карбонитрид титана (TiCN) — тугоплавкое керамическое соединение, представляющее собой непрерывный твёрдый раствор карбида титана (TiC) и нитрида титана (TiN). Общая формула записывается как TiC_1−xN_x, где x — доля азота, которая может варьироваться от 0 до 1. Благодаря этому свойства материала плавно регулируются изменением соотношения углерода и азота в решётке. Карбонитрид титана сочетает высокую твёрдость карбида титана с химической стойкостью нитрида титана и находит широкое применение в производстве режущего инструмента, износостойких покрытий и керметов.

Порошок карбонитрида титана можно заказать, оформив заявку на сайте

Общие сведения о карбонитриде титана

Карбонитрид титана относится к классу тугоплавких соединений переходных металлов. И TiC, и TiN имеют одинаковую кристаллическую структуру типа NaCl (гранецентрированная кубическая решётка, ГЦК), что позволяет им образовывать непрерывный ряд твёрдых растворов замещения при любом соотношении C и N. Именно эта особенность даёт возможность получать материал с заданным балансом свойств: увеличение доли углерода повышает твёрдость, а увеличение доли азота улучшает химическую стойкость и снижает коэффициент трения.

В промышленности наиболее распространены составы TiC_0,5N_0,5 (50/50) и TiC_0,7N_0,3 (70/30). Порошок карбонитрида титана — основное сырьё для производства керметов (металлокерамических твёрдых сплавов) на основе TiCN, а также используется как компонент износостойких PVD- и CVD-покрытий.

Регистрационный номер CAS: 12654-86-3. В отечественной практике порошок TiCN поставляется, в частности, по ТУ 48-4205-20-84.

Физико-химические свойства порошка TiCN

Кристаллическая структура

Карбонитрид титана кристаллизуется в гранецентрированной кубической (ГЦК) решётке структурного типа NaCl. В этой структуре атомы титана занимают позиции металлической подрешётки, а атомы углерода и азота статистически распределены в октаэдрических пустотах неметаллической подрешётки. Параметр решётки зависит от соотношения C:N и для промышленных составов лежит в диапазоне 4,24–4,33 Å (от чистого TiN к чистому TiC). Помимо TiC и TiN, карбонитрид титана способен образовывать твёрдые растворы с карбидами тантала (TaC), ниобия (NbC), вольфрама (WC) и других переходных металлов, что используется при создании многокомпонентных керметов.

Основные физические свойства

Свойства карбонитрида титана существенно зависят от соотношения TiC:TiN в твёрдом растворе. В таблице приведены диапазоны значений для промышленных составов, а также данные для чистых TiC и TiN — граничных компонентов ряда.

Порошок TiCN имеет чёрный цвет с характерным блеском. В виде тонкоплёночного покрытия карбонитрид титана приобретает серо-голубой оттенок, что отличает его от золотистого TiN и светло-серого TiC.

Ключевое практическое преимущество TiCN перед чистым нитридом титана — более высокая твёрдость и меньший коэффициент трения. По сравнению с карбидом титана, TiCN обладает лучшей химической стойкостью и более низким коэффициентом трения. Именно это сочетание определяет основную нишу материала — высоконагруженный режущий и формообразующий инструмент.

Химическая стойкость карбонитрида титана

Карбонитрид титана обладает высокой химической стабильностью при нормальных условиях. Материал устойчив к окислению на воздухе вплоть до 400 °C — при более высоких температурах начинается окисление поверхности. Это ниже, чем у чистого TiN (начало окисления ~600–800 °C), и является одним из ограничений при использовании TiCN-покрытий.

При комнатной температуре TiCN устойчив к большинству минеральных кислот (соляной, серной, фосфорной). С повышением температуры концентрированные кислоты медленно взаимодействуют с материалом. Растворяется TiCN в смесях кислот окислительного характера — в частности, в царской водке и в смеси плавиковой и азотной кислот.

Применение карбонитрида титана в промышленности

Покрытия режущего и формообразующего инструмента

Основная область применения карбонитрида титана — износостойкие покрытия металлорежущего инструмента. Покрытие TiCN наносится методами PVD (физическое осаждение из паровой фазы) и CVD (химическое осаждение из паровой фазы) на свёрла, фрезы, метчики, резьбонарезной инструмент, сменные пластины и другие виды инструмента.

Покрытие TiCN эффективно при обработке следующих материалов: конструкционных и легированных сталей, нержавеющих сталей, чугуна, алюминия, меди и медных сплавов (бронза, латунь), цинка. Покрытие применимо для обработки заготовок с пределом прочности до 1400 МПа.

Благодаря низкому коэффициенту трения (0,2–0,3) покрытие TiCN особенно востребовано при нарезании резьбы — сниженное трение уменьшает крутящий момент и облегчает отвод стружки. Стойкость инструмента с TiCN-покрытием возрастает в 3–5 раз по сравнению с инструментом без покрытия.

При эксплуатации инструмента с TiCN-покрытием необходимо учитывать ограничение по рабочей температуре: окисление начинается при ~400 °C, поэтому при высоких скоростях резания рекомендуется применять эффективное охлаждение (СОЖ).

Помимо режущего инструмента, покрытие TiCN наносят на штампы, пуансоны, пресс-формы и матрицы для штамповки, пробивки отверстий и формовки, где требуется повышенная абразивная износостойкость.

Керметы на основе карбонитрида титана

Порошок TiCN — основной компонент при производстве керметов (от англ. cermet — ceramic + metal). Кермет представляет собой композиционный материал, в котором твёрдые частицы TiCN связаны металлической матрицей (как правило, на основе никеля и/или кобальта).

Керметы на основе TiCN обеспечивают высокую износостойкость при механической обработке — в ряде случаев в 5–8 раз выше, чем у стандартных твёрдосплавных пластин на основе WC-Co. Такие инструменты используются при чистовом и получистовом точении сталей, тонком растачивании, обработке «вместо шлифования» (turning instead of grinding).

Для производства керметов требуется тонкодисперсный порошок TiCN с размером частиц 0,5–2,0 мкм и узким распределением по фракциям. Качество конечного продукта напрямую зависит от чистоты порошка, стабильности фазового состава и однородности распределения углерода и азота в твёрдом растворе.

Другие области промышленного применения

Карбонитрид титана также применяется в ряде специальных отраслей: антифрикционные покрытия на подшипниковые поверхности, уплотнения и скользящие элементы; износостойкие детали нефтехимического оборудования — уплотнительные кольца и клапаны; высокотемпературные элементы двигателей — втулки подшипников, фланцы, сёдла клапанов; защитные покрытия для медицинского инструмента (TiCN является нетоксичным соединением).

Методы нанесения покрытий TiCN

Покрытие карбонитрида титана наносится двумя основными методами.

PVD (Physical Vapor Deposition) — физическое осаждение из паровой фазы. Включает ионно-плазменное напыление, магнетронное распыление и катодно-дуговое осаждение. Процесс идёт при относительно низких температурах (200–450 °C), что позволяет наносить покрытие на инструмент из быстрорежущих сталей без потери их термообработки. В качестве реакционных газов используется смесь азота с углеводородом (ацетилен, метан, пропан) при титановом катоде или мишени.

CVD (Chemical Vapor Deposition) — химическое осаждение из паровой фазы. Протекает при более высоких температурах (700–1050 °C). Обеспечивает равномерное покрытие деталей сложной геометрии. CVD-покрытия TiCN чаще применяются на твёрдосплавных сменных пластинах, где высокая температура процесса не ухудшает свойства подложки.

Толщина покрытия TiCN обычно составляет 1–5 мкм. В многослойных системах TiCN может сочетаться с TiN (адгезионный подслой), TiAlN (термостойкий наружный слой) и другими покрытиями для достижения оптимального комплекса свойств.

Сравнение TiCN с родственными покрытиями

Для выбора покрытия инструмента инженеру важно понимать отличия TiCN от конкурирующих материалов. Ниже приведено сравнение наиболее распространённых покрытий на основе соединений титана.

TiCN занимает промежуточную позицию: он твёрже и «скользче» TiN, однако менее термостоек, чем TiAlN. Это делает карбонитрид титана оптимальным выбором для операций с умеренными температурами в зоне резания, но высокими механическими нагрузками — фрезерование, нарезание резьбы, штамповка, пробивка отверстий.

Получение порошка карбонитрида титана

Промышленное получение порошка TiCN осуществляется несколькими методами. Наиболее распространённый — карботермическое восстановление диоксида титана (TiO₂) углеродом в атмосфере азота при температурах 1500–2200 °C. В ходе этого процесса кислород замещается углеродом и азотом с образованием твёрдого раствора TiC_1−xN_x.

Другой метод — твёрдофазный синтез из смесей порошков TiC и TiN при высоких температурах (порядка 2000–2200 °C), при котором происходит диффузионное растворение компонентов с образованием однородного твёрдого раствора. Также используется самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), в котором реакция титана с углеродом и азотом протекает в режиме горения с температурами фронта 2100–2600 °C.

Размер частиц промышленного порошка TiCN обычно составляет 0,5–2,0 мкм. Для специальных применений (нанокомпозиты, тонкие покрытия) выпускаются ультрадисперсные порошки с частицами 50–500 нм.

Формы поставки карбонитрида титана

Карбонитрид титана поставляется преимущественно в виде порошка. Основные параметры, определяющие выбор порошка для конкретного применения: соотношение TiC:TiN в твёрдом растворе (типичные составы — 50/50 и 70/30), средний размер частиц и распределение по фракциям, содержание свободного углерода и примесных элементов, удельная поверхность.

Стандартная фасовка — герметичные пакеты или барабаны от 100 г до 25 кг. Хранение порошка TiCN требует герметичной упаковки в сухом помещении, без длительного контакта с атмосферным воздухом.

Для уточнения характеристик, наличия конкретных составов и условий поставки оформляйте заявку через сайт или свяжитесь с менеджерами.