Нітрид титану

хімічна сполука Титану з Нітрогеном

Нітри́д тита́ну (англ. Titanium nitride) — бінарна хімічна сполука титану з азотом із формулою TiN.

Нітрид титану
Назва за IUPAC Титан нітрид
Систематична назва мононітрид титану
Ідентифікатори
Номер CAS 25583-20-4
Номер EINECS 247-117-5
SMILES N#[Ti][1]
InChI InChI=1S/N.Ti
Властивості
Молекулярна формула TiN
Молярна маса 61,874 г/моль
Зовнішній вигляд жовто-коричневий порошок
Густина 5,44 г/см³
Тпл 2930 °C
Структура
Кристалічна структура кубічна решітка типу NaCl
Координаційна
геометрія
восьмигранна
Геометрія α = 0,422-0,424 нм
Якщо не зазначено інше, дані наведено для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
Інструкція з використання шаблону
Примітки картки

Являє собою фазу включення з широкою областю гомогенності, яка становить від 14,8 до 22,6 % азоту (за масою), що можна означити брутто-формулами від Ti10N6 до TiN відповідно[2].

Фізичні властивості ред.

Нітрид титану є порошком жовто-коричневого кольору, а у компактному стані набуває золотистого забарвлення.

Має кубічну гранецентровану ґратку типу NaCl, просторова група Fm3m, з періодом а = 0,4235 нм.

Отримання ред.

Нітрид титану можна отримати одним з таких способів[2][6].

Безпосереднім насиченням титану азотом

Процес азотування проводять зазвичай за температури понад 1100 °C у середовищі азоту або дисоційованого аміаку. Для цього використовують титан у вигляді порошку або стружки. Чистий порошок титану може бути замінений гідридом титану;

Взаємодією тетрахлориду титану[en] із сумішшю азоту з воднем

В основі цього способу лежить реакція:

2TiCl4 + 2NH3 -> 2TiN + 6HCl + Cl2,

яку проводять за температури понад 1000 °C. Також нітрид титану, що утворився можна осадити на вольфрамову нитку нагріту до температури 1400–2000 °C;

Розкладанням амінохлоридів титану
TiCl4∙4NH3 -> TiN + HCl + NH3

Амінохлорид титану розкладається з утворенням проміжного продукту TiNCl, нагрівання якого до температури 1000 °C приводить до утворення вільного від хлору нітриду титану;

Відновленням оксиду титану вуглецем у середовищі азоту

В основі процесу лежить реакція:

2TiO2 + 4C + N2 -> 2TiN + 4CO

Із збільшенням температури процесу відновлення з 1000 °C до 1700 °C вихід нітриду титану зростає, але при цьому в продуктах реакції спостерігається поява карбіду титану. Цей спосіб добре придатний під час отримання технічно чистого нітриду титану у великих кількостях, що використовується для виготовлення вогнетривів;

Синтезом у плазмі

Як вихідний продукт для отримання нітриду титану може бути використаний TiCl4[en] або порошок титану, який подають у струмінь плазми генерованої НВЧ-плазмотроном. Плазмотвірним газом є азот. Порошки отримані цим способом можуть мати розміри від 10 до 100 нм[7];

Самопоширюваним високотемпературним синтезом[en]

Суть способу полягає у хімічній реакції титану з азотом, яка відбувається з виділенням тепла. Процес ведуть у герметичному реакторі, у якому процес самовільного горіння ініціюють нагріванням контейнера заповненого азотом і порошком титану[8].

Хімічні властивості ред.

Нітрид титану є стійким до окиснення на повітрі до температур 700–800 °C, за цих же температур згоряє у струмені кисню:

2TiN + 2O2 -> 2TiO2 + N2.

При нагріванні до 1200 °C у середовищі водню або в суміші азоту і водню нітрид титану є інертним.

Нітрид титану стехіометричного складу проявляє стійкість до CO, але повільно реагує з CO2 по реакції:

2TiN + 4CO2 -> 2TiO2 + 4CO + N2.

Реагує на холоді з фтором:

2TiN + 4F2 -> 2TiF4 + N2.

Хлор не взаємодіє з нітридом титану до 270 °C, але реагує з ним при температурах понад 300–400 °C:

2TiN + 4Cl2 -> 2TiCl4 + N2.

При температурі 1300 °C хлороводень взаємодіє з TiN із утворенням газоподібних хлоридів титану і азоту з воднем.

Взаємодіє з диціаном з утворенням карбонітриду титану[6]:

10TiN + (CN)2 -> 2Ti5N4C + 2N2.

При кімнатній температурі, стосовно до сірчаної, соляної, фосфорної, перхлоратної кислот, а також до сумішей перхлоратної і соляної, щавлевої і сірчаної кислот, нітрид титану є стійкою сполукою. Киплячі кислоти (соляна, сірчана і перхлоратна) слабо взаємодіють з TiN. На холоді є малостійким проти розчинів гідроксиду натрію. Взаємодіє з азотною кислотою, а у присутності сильних окиснювачів розчиняється плавиковою кислотою.

Нітрид титану є стійким до дії розплавів олова, бісмуту, свинцю, кадмію і цинку. При високій температурі руйнується оксидами заліза (Fe2O3), мангану (MnO), кремнію (SiO2) і склом[2]. За високих температур взаємодіє з вуглецем з утворенням твердих розчинів — карбонітридів титану[9].

Застосування ред.

 
Свердло із покриттям з TiN
 
Деталі з покриттям з нітриду титану, отриманим вакуумним напиленням з електродуговим нагріванням

Застосовується як жароміцний матеріал, зокрема з нього роблять тиглі для плавлення металів у безкисневій атмосфері.

У металургії ця сполука зустрічається у вигляді відносно великих (одиниці і десятки мікрон) неметалевих включень у сталях, легованих титаном. Такі включення мають на шліфах, як правило, форму квадратів і прямокутників, їх легко ідентифікувати методом металографічного аналізу. Такі великі частинки нітриду титану, які утворюються з розплаву, призводять до погіршення якості литого металу.

Нітрид титану використовується для створення зносостійких покриттів металорізального інструменту, також для зубних протезів жовтого «під золото» кольору.

Використовується в мікроелектроніці як дифузійний бар'єр[en] спільно з мідною металізацією тощо.

Також нітрид титану застосовується у ролі зносостійкого декоративного покриття. Вироби, покриті ним, по зовнішньому вигляду схожі на золото і можуть мати різні відтінки, залежно від співвідношення металу і азоту у сполуці.

Нанесення покриття з нітриду титану проводиться у спеціальних камерах термодифузійним методом. При високій температурі титан і азот реагують з металом поверхневого шару виробу, що покривається і дифундують у саму структуру металу.

Див. також ред.

Примітки ред.

  1. Titanium nitride
  2. а б в Самсонов Г. В. Нитриды. — Наукова думка, 1969. — С. 133—158. — 380 с.
  3. Самсонов Г. В., Виницкий И. М. Тугоплавкие соединения (справочник). — Металлургия, 1976. — 560 с.
  4. Hugh O. Pierson (1996). Handbook of refractory carbides and nitrides: properties, characteristics, processing, and applications. William Andrew. с. 193. ISBN 978-0-8155-1392-6. 
  5. Stone, D. S.; K. B. Yoder; W. D. Sproul (1991). Hardness and elastic modulus of TiN based on continuous indentation technique and new correlation. Journal of Vacuum Science and Technology A. 9 (4): 2543–2547. doi:10.1116/1.577270. 
  6. а б Лучинский Г. П. Химия титана. — Химия, 1971.
  7. Краснокутский Ю. И., Верещак В. Г. Получение тугоплавких соединений в плазме. — Вища школа, 1987. — С. 134—139. — 200 с.
  8. Степанчук А. Н., Билык И. И., Бойко П. А. Технология порошковой металлургии. — Вища школа, 1985. — С. 169—170. — 415 с.
  9. Титана нитрид // Химическая энциклопедия

Джерела ред.

  • Проценко І. Ю., Шумакова Н. І. Технологія одержання і застосування плівкових матеріалів. Навчальний посібник. — Суми : Вид-во СумДУ, 2008. — 198 с. — ISBN 978-966-657-162-8.
  • Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник: Справ. Изд / Под ред. А. А. Потехина и А. И. Ефимова. — 3-е изд., перераб. и доп. — Л. : Химия, 1991. — 432 с. — ISBN 5-7245-0703-X.