Нитрид титана

Нитрид титана поставляется в форме порошка различной дисперсности. Оформить заявку можно на сайте

Нитрид титана (TiN) — бинарное соединение титана с азотом, относящееся к классу тугоплавких керамических материалов. Представляет собой фазу внедрения с широкой областью гомогенности: содержание азота по массе составляет от 14,8 до 22,6 %, что соответствует брутто-формулам от Ti₁₀N₆ до стехиометрического TiN. В порошкообразном состоянии имеет жёлто-коричневый цвет; компактный (спечённый) материал приобретает характерную золотистую окраску, оттенок которой зависит от соотношения титана и азота в соединении.

Сочетание высокой твёрдости, тугоплавкости, химической стойкости и электропроводности делает мононитрид титана одним из наиболее востребованных материалов для износостойких и декоративных покрытий, огнеупорных изделий и компонентов микроэлектроники.

Кристаллическая структура нитрида титана

Нитрид титана кристаллизуется в кубической гранецентрированной решётке типа NaCl (структура B1), пространственная группа Fm3m. Период решётки стехиометрического TiN составляет a = 0,4235 нм. В данной структуре атомы титана образуют ГЦК-подрешётку, а атомы азота занимают октаэдрические пустоты.

Широкая область гомогенности обусловлена тем, что часть октаэдрических позиций может оставаться вакантной. По мере уменьшения содержания азота период решётки несколько изменяется (в пределах 0,422–0,424 нм), а физико-механические свойства материала (твёрдость, электропроводность, цвет) также отклоняются от значений стехиометрического состава.

Физические свойства порошка и компактного TiN

Основные физические характеристики нитрида титана

Ниже приведены справочные данные для стехиометрического мононитрида титана TiN. Следует учитывать, что фактические значения свойств зависят от стехиометрии, пористости, метода получения и размера зерна.

Тепловые и электрические свойства TiN

Мононитрид титана сочетает свойства керамики (твёрдость, тугоплавкость) с металлическим характером электропроводности. Удельное электрическое сопротивление объёмного материала составляет около 40 мкОм·см; для тонких плёнок, применяемых в микроэлектронике, значения могут быть ниже (~25 мкОм·см в зависимости от метода осаждения). При температуре 5,6 К TiN переходит в сверхпроводящее состояние.

* Значение теплопроводности зависит от стехиометрии и пористости образца. В справочной литературе встречаются данные от 29 Вт/(м·К) до 42 Вт/(м·К).

** Модуль упругости TiN имеет значительный разброс в литературе: от 251 ГПа (объёмные поликристаллические образцы) до 450–620 ГПа (тонкие плёнки, покрытия). Конкретное значение определяется методом измерения, текстурой и плотностью образца.

Химические свойства и стойкость мононитрида титана

Поведение TiN при нагревании и взаимодействие с газами

В атмосфере воздуха заметное окисление нитрида титана начинается при 700–800 °C. Порошок TiN в токе чистого кислорода сгорает уже при этих температурах с образованием диоксида титана TiO₂. Компактные образцы более устойчивы к окислению, чем порошки, за счёт меньшей удельной поверхности.

Нитрид титана устойчив к водороду вплоть до температуры плавления. С углеродом при высоких температурах вступает в обратимую реакцию с образованием карбида титана TiC. При взаимодействии с дицианом (C₂N₂) образуется карбонитрид титана TiCN.

С хлором TiN не реагирует до 270 °C; при температурах выше 300–400 °C протекает реакция с образованием хлоридов титана и выделением азота. С фтором нитрид титана взаимодействует уже при комнатной температуре.

Стойкость нитрида титана к кислотам и расплавам

При комнатной температуре стехиометрический TiN устойчив к действию соляной, серной, хлорной и фосфорной кислот, а также их смесей. Кипящие соляная, серная и хлорная кислоты действуют на него незначительно.

Вместе с тем нитрид титана реагирует с азотной кислотой. В присутствии сильных окислителей растворяется плавиковой кислотой. Полностью растворяется в царской водке.

Нитрид титана стоек к расплавам олова, висмута, свинца, кадмия и цинка, что позволяет использовать его для изготовления тиглей. Однако при высоких температурах материал разрушается оксидами железа (Fe₂O₃), марганца (MnO), кремния (SiO₂) и силикатными стёклами — это необходимо учитывать при выборе огнеупорной оснастки.

Применение нитрида титана в промышленности

Износостойкие покрытия режущего инструмента

Покрытие TiN — одно из первых коммерчески успешных твёрдых покрытий в инструментальной промышленности. Нанесение тонкой плёнки (обычно менее 5 мкм) методами PVD или CVD позволяет повысить стойкость свёрл, фрез, резцов, метчиков и штампов в несколько раз по сравнению с инструментом без покрытия. Покрытие снижает коэффициент трения пары «инструмент — обрабатываемый материал» и замедляет диффузионный износ.

Для работы при повышенных температурах (скоростное резание) применяются более сложные системы покрытий: TiAlN, TiCN и многослойные композиции, где слой TiN может выступать адгезионным подслоем.

Декоративные покрытия «под золото»

Характерный золотистый цвет компактного нитрида титана позволяет использовать его как замену позолоте. Покрытие наносится методом вакуумного напыления (PVD) и обладает высокой стойкостью к истиранию и коррозии. Толщина декоративного слоя обычно составляет 1–5 мкм.

Области использования декоративного покрытия TiN:

• архитектурные элементы — купола храмов, кровля общественных зданий;
• интерьерные элементы — перила, ограждения, обрамление лифтов;
• сантехническое оборудование — смесители, душевые гарнитуры;
• часы, бижутерия и фурнитура.

Оттенок покрытия (от светло-жёлтого до тёмно-золотого) регулируется изменением соотношения титана и азота при напылении.

Нитрид титана в микроэлектронике

В полупроводниковой промышленности тонкие плёнки TiN применяются в качестве диффузионного барьера между кремнием и металлическими контактами (алюминием, медью). Слой TiN предотвращает взаимную диффузию материалов и сохраняет целостность контактной структуры при термических операциях. Благодаря низкому удельному сопротивлению (~25 мкОм·см в плёнках) TiN классифицируется как «барьерный металл», несмотря на керамическую природу.

Кроме того, плёнки TiN используются при формировании электродов затвора в транзисторах, а также как защитные маски при плазмохимическом травлении.

Огнеупорные изделия и тигли из нитрида титана

Тугоплавкость и химическая инертность к ряду металлических расплавов позволяют изготавливать из TiN тигли и лодочки для плавки и испарения металлов в вакууме или инертной атмосфере. Материал стоек к расплавам Sn, Bi, Pb, Cd, Zn.

Ограничением является нестойкость к оксидам ряда металлов (Fe, Mn, Si) и силикатным стёклам при высоких температурах, что сужает область применения тиглей из TiN до работы в бескислородных условиях.

Нитрид титана в металлургии стали

При легировании стали титаном часть введённого металла связывает растворённый азот с образованием дисперсных частиц TiN. Эти включения, имеющие характерную кубическую форму (размером единицы-десятки микрометров), выполняют важную функцию: закрепляют границы зёрен аустенита и препятствуют их росту при нагреве (механизм Зенера — Оствальда). За счёт этого в сталях, микролегированных титаном, достигается мелкозернистая структура, повышающая прочность и ударную вязкость.

TiN образуется при очень высоких температурах благодаря низкой энтальпии образования и может зародиться непосредственно из расплава на этапе разливки.

Медицинские и специальные применения

Биосовместимость нитрида титана подтверждена рядом исследований, что позволяет использовать его в качестве покрытия хирургических инструментов (скальпели, пилы) и ортопедических имплантатов. Слой TiN выполняет роль барьера, снижающего миграцию ионов металлов (никеля, кобальта, хрома) из материала имплантата в организм.

Формы поставки нитрида титана

Нитрид титана поставляется преимущественно в виде порошка различной дисперсности — от нанометровых (10–100 нм) до микронных фракций. Выбор фракции определяется назначением:

• микронные порошки (1–40 мкм) — для порошковой металлургии, изготовления тиглей, огнеупорных компонентов;
• субмикронные и нанопорошки — для нанесения покрытий, производства плотной керамики методом горячего прессования, использования в качестве добавок;
• мишени для PVD — спечённые или горячепрессованные заготовки для вакуумного нанесения покрытий.

Для уточнения доступных фракций, объёмов и условий поставки — оформите заявку через сайт или свяжитесь с менеджером.