Нітрид титану

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

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.

• Питомий електричний опір 40 мкОм∙см.
• Коефіцієнт лінійного теплового розширення 9,35∙10⁻⁶ 1/K (25–1100 °C)
• Мікротвердість 2050 кгс/мм².
• Модуль пружності 25600 кг/мм²^[3].
• Критична температура надпровідного переходу 5,6 K^[4][5].

Отримання

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

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

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

• Вакуумне напилення
• Титанування
• Осборніт