Proszek azotku tytanu (TiN) jest niezwykle twardym materiałem ceramicznym o unikalnych właściwościach, które sprawiają, że nadaje się on do stosowania w różnych gałęziach przemysłu. Niniejszy artykuł zawiera przegląd proszek azotku tytanuw tym jego skład, kluczowe właściwości, proces produkcji i zastosowania.
Przegląd proszku azotku tytanu
Azotek tytanu lub TiN to złoto-żółty związek ceramiczny składający się z atomów tytanu i azotu. Jego wzór chemiczny to TiN.
Niektóre kluczowe cechy proszku azotku tytanu obejmują:
- Ekstremalna twardość - prawie tak twarda jak diament
- Doskonała odporność na zużycie i korozję
- Wysoka stabilność termiczna
- Metaliczny złoty kolor
- Przewodzący prąd elektryczny
- Biokompatybilny i nietoksyczny
Unikalna kombinacja jego właściwości sprawiła, że proszek TiN jest wykorzystywany m.in. do powlekania powierzchni narzędzi, komponentów samochodowych, turbin i implantów medycznych.
Poniższe sekcje zawierają więcej szczegółów na temat składu, właściwości, produkcji i zastosowań proszku azotku tytanu.
Skład i charakterystyka Proszek azotku tytanu
| Nieruchomość | Opis | Jednostki |
|---|---|---|
| Wzór chemiczny | Cyna | |
| Skład chemiczny (typowy) | – Tytan (Ti): min. 77,0 wt%<br> – Azot (N): Min. 20,0 wt%<br> – Węgiel (C): Maks. 0,1 wt% | wt% |
| Struktura krystaliczna | Sześcienny centrowany twarzowo typu NaCl | |
| Wielkość cząstek | Zależy od aplikacji<br> – Proszki mikronizowane: < 10 mikronów<br> – Proszki submikronowe: < 1 mikron<br> – Nanoproszki: < 100 nanometrów | mikrony, nanometry |
| Wygląd | Kolor złoty | |
| Temperatura topnienia | ~2930°C | °C |
| Gęstość | 5,22 – 5,44 g/cm3 | g/cm³ |
| Twardość | Twardość Vickersa: 1800-2100 HV<br> Twardość w skali Mohsa: 8-9 | WN |
| Moduł sprężystości | 550 ± 50 GPa | GPa |
| Współczynnik rozszerzalności cieplnej | 9,35 × 10⁻⁶ K⁻¹ | K⁻¹ |
| Przewodność elektryczna | Przewodnik metaliczny (przewodność zmienia się w zależności od stechiometrii i zanieczyszczeń) | S/m |
| Przewodność cieplna | Wysoka (15-30 W/mK) | W/mK |
| Temperatura przejścia w stan nadprzewodzący | Do 6,0 K (monokryształy) | K |
| Stabilność chemiczna | Doskonała odporność na większość chemikaliów w temperaturze pokojowej<br> Reaguje z tlenem w wysokich temperaturach (> 800°C) | |
| Biokompatybilność | Ogólnie uważany za biokompatybilny |
Proces produkcji proszku azotku tytanu
| Proces | Opis | Zalety | Wady |
|---|---|---|---|
| Azotowanie | Jest to najpowszechniej stosowana metoda wytwarzania proszku azotku tytanu. Polega na reakcji surowca tytanowego z gazowym azotem lub amoniakiem w wysokich temperaturach (zwykle powyżej 900°C). Reakcję można prowadzić w różnych konfiguracjach reaktorów, obejmujących złoża fluidalne, reaktory obrotowe i reaktory plazmowe. | – Sprawdzona i niezawodna technologia – Wytwarza proszek TiN o wysokiej czystości – Zapewnia dobrą kontrolę nad morfologią proszku | – Wymaga wysokich temperatur, co prowadzi do zwiększonego zużycia energii – Wielkość cząstek i rozkład wielkości cząstek mogą być trudne do kontrolowania w wysokich temperaturach – Możliwość zanieczyszczenia tlenem, jeśli nie jest dokładnie kontrolowana |
| Redukcja karbotermiczna | Metoda ta polega na podgrzaniu mieszaniny dwutlenku tytanu (TiO2), węgla (grafitu lub węgla drzewnego) i gazowego azotu do wysokich temperatur (około 1300°C). Węgiel działa jako środek redukujący, przekształcający dwutlenek tytanu w azotek tytanu. | – Oferuje potencjalnie tańszą alternatywę dla azotowania – Można go stosować do produkcji azotku tytanu o określonym składzie węglikoazotku | – Bardziej złożona chemia reakcji w porównaniu z azotowaniem – Ścisła kontrola proporcji materiału wyjściowego i warunków reakcji ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia pożądanej czystości produktu – Może wymagać dodatkowych etapów obróbki końcowej w celu usunięcia zanieczyszczeń |
| Reaktywne mielenie kulowe | Jest to wysokoenergetyczny proces mechanochemiczny, podczas którego proszek tytanu i źródło azotu (często mocznik) miele się razem w wysokoenergetycznym młynie kulowym. Siła mechaniczna kulek mielących rozbija cząstki i sprzyja reakcji w stanie stałym pomiędzy tytanem i azotem, tworząc azotek tytanu w stosunkowo niskich temperaturach (około temperatury pokojowej). | – Nadaje się do produkcji proszku azotku tytanu o wielkości nano – Niższe zużycie energii w porównaniu do metod wysokotemperaturowych – Może być procesem skalowalnym | – Stosunkowo nowa technologia podlegająca ciągłym badaniom i rozwojowi – Może wprowadzić zanieczyszczenia ze środków mielących – Osiągnięcie równomiernego rozkładu wielkości cząstek może być trudne |
| Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) | Metoda ta polega na wprowadzeniu gazów prekursorowych zawierających tytan i azot do ogrzewanej komory reakcyjnej. Gazy prekursorowe rozkładają się i reagują, tworząc cząstki azotku tytanu, które następnie osadzają się na podłożu lub zbierają w postaci proszku. | – Wysoce wszechstronna metoda umożliwiająca wytwarzanie proszków o dostosowanych właściwościach – Umożliwia precyzyjną kontrolę wielkości i morfologii cząstek | – Wymagany skomplikowany i kosztowny sprzęt procesowy – Ograniczona zdolność produkcyjna w porównaniu z innymi metodami – Względy bezpieczeństwa ze względu na zastosowanie potencjalnie niebezpiecznych gazów prekursorowych |
| Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD) | Podobnie jak CVD, PVD polega na odparowaniu tytanu w środowisku próżniowym i reakcji go z gazowym azotem. Odparowany tytan można wytwarzać różnymi technikami, takimi jak napylanie katodowe, osadzanie łukiem katodowym lub odparowywanie wiązką elektronów. | – Nadaje się do wytwarzania cienkich warstw lub proszków azotku tytanu o wysokiej czystości i dobrze zdefiniowanych – Zapewnia dobrą kontrolę nad grubością i składem powłoki | – Wysoko wyspecjalizowany i drogi sprzęt – Ograniczona wydajność produkcji proszku – Osadzanie w linii wzroku, co czyni go nieodpowiednim dla skomplikowanych geometrii |
Zastosowania i wykorzystanie proszku azotku tytanu
| Kategoria | Zastosowanie | Dźwignia finansowa dla nieruchomości | Szczegóły |
|---|---|---|---|
| Narzędzia tnące | Wiertła, frezy, frezy palcowe | Wysoka twardość, odporność na zużycie, niski współczynnik tarcia | Proszek azotku tytanu (TiN) jest popularnym wyborem do powlekania narzędzi skrawających ze względu na jego wyjątkową twardość, która wydłuża żywotność narzędzia nawet trzykrotnie w porównaniu z narzędziami niepowlekanymi. Niski współczynnik tarcia powłok TiN zmniejsza tarcie pomiędzy narzędziem a przedmiotem obrabianym, minimalizując wytwarzanie ciepła i poprawiając wydajność skrawania. Dodatkowo odporność TiN na zużycie zapobiega odpryskom i degradacji krawędzi skrawającej, utrzymując ostre cięcia na dłużej. |
| Urządzenia medyczne | Ostrza skalpela, piły do kości, implanty ortopedyczne | Biokompatybilność, odporność na zużycie, ostrość | W medycynie proszek TiN znajduje zastosowanie do powlekania narzędzi chirurgicznych, takich jak skalpele i piły do kości. Jego biokompatybilny charakter sprawia, że jest bezpieczny do implantacji w organizmie. Co więcej, odporność na zużycie powłok TiN zapewnia, że instrumenty te zachowują ostrość podczas zabiegów, co prowadzi do czystszych cięć i lepszych wyników leczenia pacjentów. TiN jest również stosowany do powlekania niektórych implantów ortopedycznych, takich jak protezy stawu biodrowego, ze względu na jego zdolność do zwiększania odporności na zużycie i zmniejszania tarcia na styku implant-kość, co sprzyja długoterminowej stabilności implantu. |
| Powłoki dekoracyjne | Biżuteria kostiumowa, wykończenia samochodów | Atrakcyjny złoty kolor, wysoka trwałość | Oprócz zastosowań funkcjonalnych proszek TiN jest ceniony ze względu na swoje właściwości estetyczne. Metaliczny złoty kolor powłok TiN sprawia, że idealnie nadają się one do celów dekoracyjnych w biżuterii kostiumowej i elementach wyposażenia samochodów. W przeciwieństwie do prawdziwego złocenia, TiN zapewnia doskonałą trwałość i odporność na zarysowania, zachowując połysk przez dłuższy czas. To połączenie estetyki i funkcjonalności sprawia, że proszek TiN jest atrakcyjnym wyborem dla producentów poszukujących równowagi pomiędzy stylem i trwałością. |
| Towary konsumpcyjne | Armatura sanitarna, klamki | Odporność na korozję, odporność na zużycie, estetyka | Korzystne właściwości TiN rozciągają się na towary codziennego użytku. Powszechnym zastosowaniem jest powlekanie armatury wodno-kanalizacyjnej i klamek. Odporność na korozję TiN chroni te przedmioty przed matowieniem i zużyciem, szczególnie w obszarach narażonych na działanie wilgoci. Dodatkowo odporność na zużycie powłok TiN zapobiega zarysowaniom i zapewnia płynne działanie kranów i klamek. W niektórych przypadkach na warstwę bazową z niklu lub chromu nakłada się wierzchnią warstwę TiN, zapewniając połączenie trwałości, odporności na korozję i odrobinę złotej elegancji. |
| Półprzewodniki | Bariery dyfuzyjne, przewodniki elektryczne | Wysoka stabilność termiczna, dobra przewodność elektryczna | W dziedzinie półprzewodników proszek TiN odgrywa kluczową rolę w procesie produkcyjnym. Cienkie warstwy TiN są osadzane na płytkach krzemowych, aby działać jak bariery dyfuzyjne, zapobiegając migracji niepożądanych elementów przez warstwy i zakłócaniu właściwości elektrycznych urządzenia. TiN wykazuje również dobrą przewodność elektryczną, dzięki czemu nadaje się do stosowania jako styki elektryczne w obwodach scalonych. |
| Pojawiające się aplikacje | Ogniwa słoneczne, powłoki architektoniczne | Szerokie spektrum właściwości | Wysiłki badawczo-rozwojowe badają nowe zastosowania proszku TiN. W dziedzinie energii słonecznej bada się powłoki TiN pod kątem ich potencjału poprawy wydajności ogniw słonecznych. Zdolność TiN do pochłaniania pewnych długości fal światła i odbijania innych może doprowadzić do opracowania bardziej wydajnych urządzeń do zbierania światła. Dodatkowo połączenie właściwości TiN, w tym twardości, odporności na korozję i efektu samosmarowania, czyni go obiecującym kandydatem na powłoki architektoniczne na budynkach. Powłoki te mogłyby zapewnić ochronę przed trudnymi warunkami pogodowymi, poprawić właściwości samoczyszczące i potencjalnie poprawić estetykę konstrukcji. |
Specyfikacje Proszek azotku tytanu
Produkty z azotku tytanu w proszku są dostępne w różnych poziomach czystości, rozkładach wielkości cząstek, morfologiach i mogą być dostosowane do wymagań aplikacji.
Niektóre ważne specyfikacje proszku TiN:
| Specyfikacja | Szczegóły |
|---|---|
| Czystość | Minimalna zawartość azotku tytanu 99% dla większości zastosowań. Również niższe czystości ~92%-95% do zastosowań niekrytycznych. |
| Morfologia kształtu cząstek | Zróżnicowane od kulistych, aglomerowanych do kanciastych |
| Rozkład wielkości cząstek (d50) | Zakres od skali nano 30-50 nm do klasy mikronowej 2-5 μm dla powłok na narzędzia/elementy. Powszechna jest również skala submikronowa ~0,5 μm. |
| Powierzchnia właściwa (SSA) | Od 5 m2/g dla gatunków mikronowych do 15-30 m2/g dla nanoproszków |
| Kolor | Metaliczne, jasne złoto |
| Temperatura topnienia | 2950°C |
| Twardość w skali Mohsa | 8.5 |
| Struktura krystaliczna | Sześcienny - typ NaCl |
| Gęstość | 5,22 g/cm3 |
| Zawartość tlenu/węgla | W 1% zawartość tlenu jest ważna dla wysokiej czystości |
Tabela 1: Podsumowanie specyfikacji azotku tytanu
Te specyfikacje proszku mogą być zmieniane zgodnie z docelowymi zastosowaniami przemysłowymi podczas niestandardowej produkcji.
Globalni dostawcy i ceny
| Region | Główni dostawcy | Produkt | Cena (USD/kg) | Kluczowe kwestie |
|---|---|---|---|---|
| Ameryka Północna | American Elements, US Titanium Mills, Nanoventure | Mikronizowany TiN (>1 mikron) | 100-200 | Zapewnia dobrą równowagę pomiędzy kosztem i wydajnością powłok odpornych na zużycie |
| Alfa Aesar, materiały specjalistyczne ATI | Nanometryzowany TiN (<100 nm) | 400-800 | Duża powierzchnia idealna do zastosowań w elektronice i katalizie | |
| Praxair Surface Technologies | Surowiec do CVD (chemiczne osadzanie z fazy gazowej) | Cena na zapytanie | Stała jakość i wielkość cząstek kluczowe dla powłok cienkowarstwowych | |
| Europa | HC Starck, Sandvik Hyperion, Plansee | TiN ogólnego przeznaczenia | 80-150 | Szeroka dostępność od renomowanych europejskich producentów |
| Evonik Industries, Arkema | TiN o wysokiej czystości (99,9%+) | 250-500 | Wymagane przez przemysł lotniczy i urządzeń medycznych | |
| Nanomateriały | Ultradrobny TiN (<50 nm) | 800-1200 | Wiodący dostawca do celów badawczo-rozwojowych | |
| Azja i Pacyfik | China National Bluestar (CNB), nowy materiał Fangda Carbon, Ningbo Tianxiang | TiN klasy handlowej | 50-80 | Ekonomiczna opcja do zastosowań masowych |
| Toda Metal, Mitsui Mining & Hutnictwo | Wysoka wydajność TiN | 120-200 | Znany z jakości i spójności w Azji | |
| Laboratorium Chemiczne Kojundo | Specjalistyczne gatunki TiN (np. domieszkowane) | Cena na zapytanie | Specjalizacja w zakresie proszków dostosowanych do konkretnych potrzeb |
Porównanie azotku tytanu i innych twardych powłok
Porównanie właściwości
| Właściwości | Azotek tytanu | Azotek chromu | Azotek tytanu aluminium | Węgiel przypominający diament | Węglik tytanu |
|---|---|---|---|---|---|
| Twardość (HV) | 2000 – 2400 | 1400 – 1800 | 3200 – 3400 | 1000 – 1500 | 2800 – 3400 |
| Siła | Doskonały | Dobry | Superior | Bardzo dobry | Bardzo wysoka |
| Odporność na zużycie | Bardzo wysoka | Umiarkowany | Wyjątkowo wysoki | Umiarkowany | Wyjątkowo wysoki |
| Odporność na korozję | Wysoki | Umiarkowany | Bardzo wysoka | Niski | Wysoki |
| Odporność na utlenianie | Umiarkowany | Dobry | Doskonały | Dobry | Dobry |
| Współczynnik tarcia | 0.5 | 0.35 – 0.6 | 0.4 | 0.1 – 0.2 | 0.25 – 0.35 |
| Kolor | Jasne złoto | Szary | Ciemny fiolet | Grafitowo-szary | Niebiesko-szary |
| Maks. Temperatura pracy (°C) | 500 | 750 | 800 | 250 | 600 |
| Koszt | Umiarkowany | Niski | Wysoki | Wysoki | Wysoki |
| Toksyczność | Nietoksyczny | Zawiera Cr, Co | Nietoksyczny | Nietoksyczny | Nietoksyczny |
Zalety azotku tytanu
Niektóre korzyści i zalety wyboru powłok z azotku tytanu w porównaniu z innymi alternatywami:
- Ekstremalna twardość zapewniająca ochronę przed zużyciem z oceną porównywalną do TiC
- Odporność na korozję odpowiednia dla większości środowisk produkcyjnych
- Wysoka stabilność temperaturowa zachowująca twardość do ~500°C
- Niska toksyczność - bezpieczny dla urządzeń medycznych/implantów w przeciwieństwie do CrN
- Doskonała przyczepność do podłoża ze stopu tytanu i stali nierdzewnej
- Bio-obojętność ułatwia zatwierdzanie biokompatybilności
- Neutralny współczynnik tarcia zapobiega zacieraniu się części
- Wyższa odporność na utlenianie w porównaniu z powłokami TiC
Ograniczenia azotku tytanu
Pomimo bardzo dobrej wydajności, azotek tytanu ma pewne ograniczenia:
- Niższa stabilność temperaturowa niż AlTiN, który jest stabilny powyżej 800°C
- Stosunkowo niższa wytrzymałość i odporność na wstrząsy w porównaniu z DLC
- Wyższe naprężenia powłoki mogą z czasem powodować jej pękanie/łuszczenie się.
- Nie zaleca się stosowania w środowisku kwaśnym ze względu na spontaniczne utlenianie.
- Droższe w porównaniu z prostymi powłokami Cr lub WC
- Procesy obróbki metali mogą powodować rozmazywanie metalicznych zanieczyszczeń na wykończeniu TiN
Kiedy wybrać alternatywę dla azotku tytanu?
Inne powłoki mogą być bardziej odpowiednie niż TiN, jeśli:
- Temperatury robocze przekraczające 500°C (stosować AlTiN lub azotek chromu)
- Wymagana doskonała odporność na obciążenia udarowe (rozważ DLC)
- Wymagane przenikanie sygnałów RF, np. lotniczych/telekomunikacyjnych (lepsza opcja DLC)
- Narażenie na działanie kwasów halogenowych lub innych czynników powodujących korozję (wybierz DLC)
Plusy i minusy powłoki z azotku tytanu
| Cecha | Plusy | Wady |
|---|---|---|
| Odporność na zużycie | * Znacząco wydłuża żywotność narzędzia poprzez zmniejszenie tarcia i zużycia. Narzędzia tnące, wiertła i inne narzędzia wytrzymują dłużej, redukując koszty wymiany i przestoje. * Zapewnia doskonałą ochronę przed materiałami ściernymi, dzięki czemu idealnie nadaje się do obróbki kompozytów, drewna i niektórych metali. | * Kruchość: Chociaż TiN jest twardy, może odpryskiwać lub łuszczyć się pod wpływem dużego uderzenia lub nadmiernej siły. Może nie nadawać się do zastosowań udarowych o dużym obciążeniu. * Grubość |
| Redukcja tarcia | * Obniża współczynnik tarcia, co prowadzi do płynniejszego cięcia. Zmniejsza to wytwarzanie ciepła, które może uszkodzić narzędzia i obniżyć jakość przedmiotu obrabianego. * Minimalizuje zużycie energii podczas obróbki, co skutkuje oszczędnościami i procesem bardziej przyjaznym dla środowiska. | * Wydajność może się różnić w zależności od obrabianego materiału. W niektórych zastosowaniach nadal może być konieczne smarowanie. |
| Odporność na korozję | * TiN działa jak bariera przed korozją, chroniąc metal pod spodem przed rdzą i innymi czynnikami środowiskowymi. * Utrzymuje integralność i funkcjonalność narzędzi i komponentów w trudnych warunkach. | * Nie tak skuteczny w przypadku niektórych chemikaliów lub substancji silnie żrących. * Inne powłoki mogą być lepiej dostosowane do wymagań ekstremalnej odporności na korozję. |
| Stabilność termiczna | * Dobrze sprawdza się w podwyższonych temperaturach, dzięki czemu nadaje się do zastosowań związanych z obróbką szybkobieżną. * Zmniejsza zużycie narzędzi spowodowane ciepłem i utrzymuje dokładność wymiarową obrabianych części. | * Może nie być najlepszym wyborem w środowiskach o bardzo wysokiej temperaturze, w których sprawdzają się inne zaawansowane powłoki. |
| Estetyka | * Charakterystyczny złoty lub żółtawy odcień często kojarzony z narzędziami o wysokiej wydajności. * Zwiększa atrakcyjność wizualną niektórych produktów. | * Korzyści kosmetyczne są drugorzędne w stosunku do zalet funkcjonalnych. * Kolor może się nieznacznie różnić w zależności od procesu osadzania. |
| Koszt | * Stosunkowo przystępne w porównaniu do innych zaawansowanych technologii powlekania. * Zapewnia znaczną poprawę wydajności przy rozsądnych kosztach. | * Koszt początkowej powłoki należy porównać z korzyściami płynącymi z dłuższej żywotności narzędzia i zwiększonej wydajności obróbki. |
| Wpływ na środowisko | * Zmniejsza ilość odpadów, wydłużając żywotność narzędzia i wymagając mniejszej liczby wymian. * Przyczynia się do bardziej zrównoważonego procesu obróbki. | * Sam proces powlekania może wiązać się z użyciem określonych środków chemicznych, co wymaga odpowiednich procedur utylizacji. |
FAQ
P: Dlaczego azotek tytanu ma złoty kolor?
O: Złoty kolor wynika z właściwości pochłaniania/odbijania światła przez strukturę krystaliczną azotku tytanu, która nadaje powłokom TiN osadzanym plazmowo lub parowo charakterystyczne złote wykończenie.
P: Czy azotek tytanu jest toksyczny?
O: Nie, ceramika z azotku tytanu jest uważana za całkowicie nietoksyczną i obojętną biologicznie, dzięki czemu jest bezpieczna do stosowania w implantach biomedycznych zgodnie z normami biokompatybilności ISO 10993.
P: Jakiej grubości powłoki TiN należy użyć?
O: Typowy zakres grubości wynosi 1-5 mikronów. Cieńsze powłoki o grubości 0,5-1 mikrona zapewniają ochronę przed zużyciem. Powłoki o grubości 2-5 mikronów oferują odporność na korozję i erozję, zapewniając dłuższą żywotność.
P: Czy powłoka TiN zwiększa czy zmniejsza tarcie?
O: TiN znacznie zmniejsza współczynnik tarcia w porównaniu ze stalą. Dokładne wartości mieszczą się w zakresie od 0,4 do 0,9 w zależności od materiału, z którego wykonana jest powłoka, zmniejszając w ten sposób ogólne tarcie, ale zapobiegając zatarciu.
P: Jaka jest typowa twardość folii z azotku tytanu?
O: Wartości twardości wahają się od 2000-2500 Vickersów, gdy są osadzane jako cienkie warstwy przy użyciu technik PVD lub CVD, co jest jedną z najwyższych wartości osiąganych dla powłok komercyjnych.
P: Czym jest wodny azotek tytanu?
O: Aqua TiN odnosi się do powłoki z węglikoazotku tytanu stopionej z krzemem 8-20% dającej wykończenie w kolorze aqua-blue oprócz doskonałej wydajności trybologicznej do 700 st. C.
P: Czy powłoka TiN zapobiega zatarciu i zużyciu adhezyjnemu?
Tak, azotek tytanu jest szeroko stosowany w aplikacjach takich jak formowanie / wykrawanie / ciągnienie, gdzie służy jako doskonała powłoka przeciwzatarciowa i przeciwzatarciowa nawet w warunkach smarowania granicznego.
P: Jakie branże wykorzystują powłoki z azotku tytanu?
O: Wszystkie główne sektory produkcyjne, w tym motoryzacyjny, lotniczy, tekstylny, opakowaniowy, elektroniczny, stalowy, petrochemiczny, medyczny itp. wykorzystują folie TiN w celu zwiększenia wydajności i niezawodności krytycznych części i oprzyrządowania.
