Циркония нитрид

Нитрид циркония (ZrN, CAS 25658-42-8) — тугоплавкое керамическое соединение циркония и азота, относящееся к группе твёрдых нитридов переходных металлов IV группы. Порошок ZrN применяется в производстве износостойких PVD-покрытий, высокотемпературной керамики и тиглей для плавки цветных металлов. В торговой и технической документации встречаются написания: нитрид циркония, циркония нитрид, мononитрид циркония, цирконий азотистый.

Состав и кристаллическая структура

ZrN кристаллизуется в кубической сингонии по типу структуры NaCl (пространственная группа Fm3̄m), параметр решётки a = 0,4575 нм. Монокристаллы — золотисто-жёлтые. Порошок в зависимости от крупности частиц и состояния их поверхности выглядит от ярко-жёлтого до тёмно-жёлтого. Молекулярная масса — 105,23 г/моль. Состав (квалификация «чистый», ТУ 6-09-4050-75): Zr — 85,0–87,5 мас.%, N — 11,0–13,2 мас.%.

Характеристики нитрида циркония ZrN

ZrN сочетает свойства, нетипичные для оксидной керамики: высокую твёрдость, тугоплавкость и при этом — металлический тип электропроводности. Последнее обусловлено смешанным (ионно-ковалентно-металлическим) характером химической связи.

Твёрдость значительно зависит от пористости спечённого материала: при пористости 8% модуль упругости составляет ~288 ГПа, при 18% снижается до ~156 ГПа.

Химическая стойкость нитрида циркония

В воде ZrN не растворяется. При комнатной температуре устойчив к большинству разбавленных минеральных кислот. Растворяется в концентрированной фтористоводородной кислоте (HF); реагирует с горячей царской водкой. В сухом воздухе при комнатной температуре стабилен. При длительном хранении во влажной атмосфере возможен медленный гидролиз с выделением аммиака — порошок следует хранить в герметичной таре в сухих условиях. При нагреве в воздухе выше ~500 °C начинается окисление с образованием ZrO₂.

ZrN полностью смешивается в твёрдом состоянии с карбидами и нитридами близкородственных металлов: TiN, NbN, HfN, TiC, ZrC — образуя непрерывные ряды твёрдых растворов. Это используется при разработке многокомпонентных керамических материалов с регулируемыми свойствами.

Применение нитрида циркония

PVD-покрытия: инструмент, медицина, декоративное применение

Основной объём применения ZrN — нанесение твёрдых износостойких покрытий методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Покрытие ZrN имеет характерный светло-золотистый цвет, близкий к цвету чистого золота, что делает его востребованным как в декоративных целях (ювелирные изделия, часы, санитарная фурнитура, архитектурные элементы), так и в функциональных.

В качестве функционального покрытия ZrN применяется на металлорежущем инструменте: свёрлах, метчиках, концевых фрезах, развёртках, крепёжных элементах. Покрытие снижает коэффициент трения, уменьшает налипание обрабатываемого материала на режущую кромку и повышает ресурс инструмента. Особенно эффективно при обработке алюминиевых и медных сплавов, латуни, сплавов титана. Стойкость к окислению у ZrN выше, чем у покрытий TiN.

ZrN является биосовместимым материалом и разрешён для применения в медицинских изделиях — имплантатах и хирургических инструментах, где требуется сочетание износостойкости с нейтральностью к тканям организма.

Тонкоплёночные барьерные слои в микроэлектронике

Тонкие плёнки нитрида циркония применяются в полупроводниковых устройствах как диффузионный барьер, препятствующий взаимному проникновению металлических проводников и подложки. Металлическая электропроводность ZrN (12,0 мкОм·см) при этом является преимуществом по сравнению с изолирующими оксидными барьерами.

Высокотемпературная керамика и тигли

Горячепрессованная керамика на основе ZrN используется в металлургии в качестве материала тиглей при плавке цветных металлов с невысокой температурой плавления: алюминия, висмута, кадмия, свинца, олова. Тугоплавкость (~2980 °C), химическая инертность по отношению к расплавам цветных металлов и достаточная прочность определяют пригодность нитрида циркония для этого применения.

ZrN входит в состав кермет-материалов (металлокерамика), где обеспечивает сочетание высокой твёрдости с определённым уровнем вязкости. Рассматривается как конструкционный материал для деталей реакторных установок нового поколения (Gen IV), работающих в условиях высоких температур и нейтронного облучения — благодаря химической стабильности, тугоплавкости и приемлемой совместимости с делящимися материалами.

Форма поставки порошка нитрида циркония ZrN

Нитрид циркония поставляется в виде порошка. Доступные фракции: от нанопорошка (единицы нанометров) до порошков крупностью до 150 мкм. Типичная форма частиц — сферическая или неправильной формы (зависит от способа производства). Чистота по основному веществу — 99–99,5%. Химический квалификационный класс «чистый» регламентируется ТУ 6-09-4050-75. Расфасовка: от пробных партий (100 г) до промышленных объёмов; согласовывается индивидуально.

Смежные позиции из группы тугоплавких соединений циркония: карбид циркония ZrC и диборид циркония ZrB₂ — материалы со схожей областью применения в высокотемпературной керамике.