Нитрид титана — бинарное химическое соединение титана с азотом. Представляет собой фазу внедрения с широкой областью гомогенности, которая составляет от 14,8 до 22,6 % азота (по массе), что можно обозначить брутто-формулами от TiN_0,60 до TiN_1,0 соответственно^[1].

Физические свойства

Нитрид титана представляет собой порошок жёлто-коричневого цвета, а в компактном состоянии приобретает золотистую окраску. Имеет кубическую гранецентрированную решётку типа NaCl, пространственная группа Fm3m, с периодом а = 0,4235 нм.

• Удельное электрическое сопротивление 40 мкОм∙см
• Коэффициент линейного теплового расширения 9,35∙10⁻⁶ 1/K (25-1100 °C)
• Микротвердость 2050 кгc/мм²
• Модуль упругости 25600 кг/мм^2[2]

Получение

Нитрид титана можно получить одним из следующих способов^[1][3].

• Непосредственным насыщением титана азотом:

Процесс азотирования проводят обычно при температуре выше 1100 °C в среде азота или диссоциированного аммиака. Для этой цели используют титан в виде порошка или стружки. Чистый порошок титана может быть заменён гидридом титана;

• Взаимодействием тетрахлорида титана со смесью азота и водорода:

В основе этого способа лежит реакция:

2TiCl₄ + 2NH₃ = 2TiN + 6HCl + Cl₂

которую проводят при температуре выше 1000 °C. Так же нитрид титана можно осадить на вольфрамовую нить нагретую до температуры 1400—2000 °C;

• Разложением аминохлоридов титана:

TiCl₄•4NH₃ → TiN + HCl + NH₃

Аминохлорид титана разлагается с образованием промежуточного продукта TiNCl, нагрев которого до температуры 1000 °C приводит к образованию чистого от хлора нитрида титана;

• Восстановлением оксида титана углеродом в среде азота:

В основе процесса лежит реакция:

2TiO₂ + 4C + N₂ = 2TiN + 4CO

С увеличение температуры процесса восстановления с 1000 °C до 1700 °C выход нитрида титана увеличивается, но при этом в продуктах реакции наблюдается появление карбида титана. Этот способ весьма пригоден для получения технически чистого нитрида титана в больших количествах, используемого для изготовления огнеупоров;

• Синтезом в плазме:

Как исходный продукт для получения нитрида титана может быть использован TiCl₄ или порошок титана, который подают в струю плазмы генерируемую СВЧ-плазмотроном. Плазмообразующим газом является азот. Порошки полученные этим способом могут иметь размеры от 10 нм до 100 нм^[4];

• Самораспространяющимся высокотемпературным синтезом:

Суть способа заключается в химической реакции титана с азотом, которая происходит с выделением тепла. Процесс ведут в герметическом реакторе, в котором процесс самопроизвольного горения инициируют нагревом контейнера заполненного азотом и порошком титана^[5].

Химические свойства

Нитрид титана устойчив к окислению на воздухе до 700—800 °C, при этих же температурах сгорает в токе кислорода:

2TiN + 2O₂ = 2TiO₂ + N₂

При нагреве до 1200 °C в среде водорода или в смеси азота и водорода нитрид титана является инертным веществом.

Нитрид титана стехиометрического состава проявляет стойкость к CO, но медленно реагирует с CO₂ по реакции:

2TiN + 4CO₂ → 2TiO₂ + 4CO + N₂

Реагирует на холоде с фтором:

2TiN + 4F₂ = 2TiF₄ + N₂

Хлор не взаимодействует с нитридом титана до 270 °C, но реагирует с ним при температурах от 300 °C до 400 °C:

2TiN + 4Cl₂ = 2TiCl₄ + N₂

При температуре 1300 °C хлороводород взаимодействует с TiN с образованием газообразных хлоридов титана и азота с водородом.

Взаимодействует с дицианом образуя карбонитрид титана^[3]:

10TiN + (CN)₂ = 2Ti₅N₄C + 2N₂

При комнатной температуре, по отношению к серной, соляной, фосфорной, хлорной кислотам, а также к смесям хлорной и соляной, щавелевой и серной кислот, нитрид титана является стойким соединением. Кипящие кислоты (соляная, серная и хлорная) слабо взаимодействуют с TiN. На холоде малоустойчив против растворов гидроксида натрия. Взаимодействует с азотной кислотой, а в присутствии сильных окислителей растворяется плавиковой кислотой.

Нитрид титана является стойким к действию расплавов олова, висмута, свинца, кадмия и цинка. При высокой температуре сильно разъедается окислами железа (Fe₂O₃), марганца (MnO), кремния (SiO₂) и стеклом^[1].

Применение

Применяется как жаропрочный материал, в частности из него делают тигли для бескислородной плавки металлов. В металлургии это соединение встречается в виде относительно крупных (единицы и десятки микрон) неметаллических включений в сталях, легированных титаном. Такие включения имеют, как правило, форму квадратов и прямоугольников, их легко идентифицировать методом металлографического анализа. Такие крупные частицы нитрида титана, образующиеся из расплава, приводят к ухудшению качества литого металла. Нитрид титана используется для создания износостойких покрытий (в частности, для зубных протезов жёлтого «под золото» цвета), используется в микроэлектронике в качестве диффузионного барьера совместно с медной металлизацией и др.

Также нитрид титана применяется в качестве износостойкого и декоративного покрытия. Изделия, покрытые им, по внешнему виду не отличаются от золота и могут иметь различные оттенки, в зависимости от соотношения металла и азота в соединении. Нанесение нитрида титана производится в специальных камерах термодиффузионным методом. При высокой температуре титан и азот реагируют вблизи поверхности покрываемого изделия и диффундируют в саму структуру металла.

См. также

• Метод КИБ
• PVD-процесс