Нитрид хрома

Поставим порошок в любом количестве, оформите заявку на сайте

Нитрид хрома (CrN) — бинарное неорганическое соединение хрома и азота. Порошок чёрного цвета, не растворимый в воде. По кристаллической структуре относится к типу NaCl (каменной соли): атомы азота занимают октаэдрические пустоты в решётке хрома. Кубическая сингония, пространственная группа Fm3̄m, параметр элементарной ячейки a = 0,4148 нм, число формульных единиц Z = 4. Молярная масса — 66,003 г/моль.

Помимо мононитрида CrN, хром образует второй нитрид — Cr₂N (гемнитрид, гексагональная решётка). Оба соединения играют роль упрочняющих фаз в жаропрочных сплавах и специальных сталях. В природе мононитрид хрома встречается крайне редко — в виде минерала карлсбергита в составе метеоритов.

Физические свойства нитрида хрома

CrN обладает набором физических характеристик, определяющих его ценность как материала для покрытий и как легирующей добавки.

Параметр	Значение
Плотность (рентгеноструктурная)	6,14 г/см³
Плотность (порошок, практическая)	5,9 г/см³
Температура разложения	~1080–1500 °C (зависит от среды и давления)
Микротвёрдость	~1090 кг/мм² (HV)
Удельное электросопротивление	640 мкОм·см
Теплопроводность	11,7 Вт/(м·К)
Температура Нееля	273–286 К (магнитный фазовый переход)
Цвет порошка	Чёрный

CrN при комнатной температуре является парамагнетиком. Ниже температуры Нееля (~273–286 К) происходит переход в антиферромагнитное состояние, сопровождающийся искажением кубической решётки в орторомбическую. Это свойство привлекает внимание исследователей спинтронных устройств.

Разложение CrN зависит от атмосферы: в вакууме деструкция начинается уже при 700–1200 °C с образованием Cr₂N и выделением азота. На воздухе при температурах выше 800 °C происходит окисление с образованием Cr₂O₃.

Термодинамические свойства CrN

Термодинамические данные для кристаллического CrN при стандартных условиях (298,15 К, 1 атм) по данным базы «Термические константы веществ» (Химический факультет МГУ, на основе JANAF):

Параметр	Значение
Стандартная энтальпия образования ΔfH°(298)	−123 ± 3 кДж/моль
Стандартная энтропия S°(298)	37,7 ± 1,0 Дж/(моль·К)
Теплоёмкость Cp°(298)	53,0 ± 1,0 Дж/(моль·К)

На кривой теплоёмкости CrN при ~282 К наблюдается аномалия λ-типа, связанная с магнитным фазовым переходом антиферромагнетик–парамагнетик.

Химические свойства порошка нитрида хрома

CrN — химически устойчивое соединение при нормальных условиях. Основные химические свойства:

Не растворяется в воде. Разлагается при взаимодействии с концентрированными минеральными кислотами — соляной, серной, а также с царской водкой. При нагревании в атмосфере хлора образует хлорид хрома(III) и свободный азот. При нагревании на воздухе окисляется с образованием оксида хрома Cr₂O₃.

Элементный состав CrN

Стехиометрический мононитрид хрома CrN имеет следующее расчётное массовое соотношение элементов:

Элемент	Содержание, % масс.
Хром (Cr)	78,78
Азот (N)	21,22

В промышленном порошке нитрида хрома, полученном через нитрирование феррохрома с последующей кислотной очисткой, содержание хрома может составлять ~78–79 %, азота ~19–20 % с присутствием остаточных примесей железа, кислорода и углерода (углерода — не более 0,1–0,3 %).

Получение нитрида хрома

Основные методы синтеза CrN:

Прямое азотирование — нагревание металлического хрома в атмосфере азота при температурах от 800 °C. Этот метод описан в классической неорганической химии и позволяет получить порошок высокой чистоты.

Нитрирование феррохрома — промышленный метод, при котором низкоуглеродистый феррохром нитридируется при 1150 °C в атмосфере азота с последующей кислотной обработкой для удаления железа.

Реакция аммиака с галогенидами хрома — лабораторный метод синтеза.

Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) — метод катодно-дугового осаждения, реактивного магнетронного распыления и других вакуумных технологий. Широко применяется для нанесения тонкоплёночных покрытий CrN на инструмент и детали.

Применение нитрида хрома CrN

Износостойкие и защитные покрытия

Основная область применения CrN — нанесение тонкоплёночных PVD-покрытий. По сравнению с широко распространённым нитридом титана (TiN), покрытия CrN отличаются более высокой коррозионной стойкостью, лучшей устойчивостью к окислению и более низким коэффициентом трения. Микротвёрдость плёночных покрытий CrN достигает 18–25 ГПа (против ~11 ГПа у объёмного материала), что объясняется нанокристаллической структурой осаждённого слоя.

Покрытия CrN наносят на режущий инструмент при обработке цветных металлов — меди, алюминия, бронзы, титановых сплавов. Благодаря антиадгезионным свойствам CrN-покрытия востребованы в производстве пресс-форм для литья пластмасс. Нитрид хрома применяется в качестве защитного покрытия поршневых колец двигателей внутреннего сгорания, а также используется для покрытия медицинских инструментов и имплантатов.

Легирующая добавка в металлургии

CrN и Cr₂N являются металлургическими вторичными фазами жаропрочных сплавов и специальных сталей. Порошок нитрида хрома используется как азотирующая добавка при выплавке сталей — для контролируемого введения азота в расплав. Азот в составе стали повышает прочность, коррозионную стойкость и износостойкость готовых изделий. Такие стали находят применение в машиностроении, приборостроении, авиастроении.

Термоэлектрические и электронные применения

CrN исследуется как полупроводниковый материал для термоэлектрических генераторов. Антиферромагнитные свойства и магнитный фазовый переход вблизи комнатной температуры делают CrN перспективным материалом для устройств спинтроники.

Многокомпонентные покрытия

CrN входит в состав современных многокомпонентных систем покрытий: CrAlN, CrTiN, многослойных Cr/CrN-структур. Добавление алюминия к CrN повышает твёрдость и термическую стабильность покрытия. Многослойные структуры Cr+CrN обеспечивают сочетание высокой твёрдости, коррозионной стойкости и адгезии к подложке.

Формы поставки порошка CrN

Порошок нитрида хрома поставляется с различной дисперсностью и чистотой в зависимости от назначения. Фракционный состав и содержание примесей согласуются с заказчиком. Типичные формы поставки — порошок в герметичной таре, фасовка от лабораторных навесок до промышленных партий.

Для подбора марки и фракции порошка нитрида хрома под конкретную технологическую задачу обратитесь через форму заявки на сайте. Смежные материалы: карбид хрома, металлический хром электролитический.