Nitruro de titanio

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Compuesto químico

Nitruro de titanio

Nombres
Nombre IUPAC Nitruro de titanio
Otros nombres Nitruro de titanio (III)
Identificadores
Número CAS	25583-20-4 Y
Modelo 3D ( JSmol )	Imagen interactiva
Tarjeta de información ECHA	100.042.819
Número CE	247-117-5
PubChem CID	93091
UNII	6RW464FEFF Y
Tablero CompTox ( EPA )	DTXSID8067109
InChI InChI = 1S / N.Ti
Sonrisas N # [Ti]
Propiedades
Fórmula química	Estaño
Masa molar	61,874 g / mol
Apariencia	Revestimiento de color dorado
Olor	Inodoro
Densidad	5,21 g / cm 3 [1]
Punto de fusion	2947 ° C (5337 ° F; 3220 K) [1]
solubilidad en agua	insoluble
Susceptibilidad magnética (χ)	+38 × 10 - 6 emu / mol
Conductividad térmica	29 W / (m · K) (323 K) [2]
Estructura [3]
Estructura cristalina	Cúbico , cF8
Grupo espacial	Fm 3 m, No. 225
Constante de celosía	a  = 0,4241 nm
Unidades de fórmula ( Z )	4
Geometría de coordinación	Octaédrico
Termoquímica
Capacidad calorífica ( C )	24 J / (K · mol) (500 K) [2]
Entropía molar estándar ( S o 298 )	−95,7 J / (K · mol) [4]
Entalpía estándar de formación (Δ f H ⦵ 298 )	−336 kJ / mol [4]
Compuestos relacionados
Recubrimiento relacionado	Nitruro de titanio y aluminio
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
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Referencias de Infobox

El nitruro de titanio ( TiN ; a veces conocido como Tinite ) es un material cerámico extremadamente duro , que a menudo se usa como revestimiento en aleaciones de titanio , acero , carburo y componentes de aluminio para mejorar las propiedades de la superficie del sustrato.

Aplicado como una capa fina, el TiN se utiliza para endurecer y proteger superficies de corte y deslizamiento, con fines decorativos (debido a su apariencia dorada) y como exterior no tóxico para implantes médicos . En la mayoría de las aplicaciones se aplica un recubrimiento de menos de 5 micrómetros (0,00020 in) .

Características

El TiN tiene una dureza Vickers de 1800-2100, un módulo de elasticidad de 251 GPa, un coeficiente de expansión térmica de 9,35 × 10 ^{- 6}  K ⁻¹ y una temperatura de transición superconductora de 5,6 K. ^{[5] [6]}

El TiN se oxidará a 800 ° C en una atmósfera normal. El TiN tiene un color marrón y parece dorado cuando se aplica como revestimiento. Es químicamente estable a 20 ° C, según pruebas de laboratorio, pero puede ser atacado lentamente por soluciones ácidas concentradas con temperaturas en aumento. ^[5] Según el material del sustrato y el acabado de la superficie, el TiN tendrá un coeficiente de fricción de 0,4 a 0,9 contra otra superficie de TiN (no lubricada). La formación típica de TiN tiene una estructura cristalina de tipo NaCl con una estequiometría de aproximadamente 1: 1 ; Sin embargo, los compuestos de TiN _x con x de 0,6 a 1,2 son termodinámicamente estables. ^[7]

El TiN se vuelve superconductor a temperaturas criogénicas, con una temperatura crítica de hasta 6,0 K para los monocristales. ^{[8] La} superconductividad en TiN de película delgada se ha estudiado extensamente, con las propiedades superconductoras que varían fuertemente dependiendo de la preparación de la muestra, hasta la supresión completa de la superconductividad en una transición superconductor-aislante . ^[9] Una fina película de TiN se enfrió hasta casi el cero absoluto , convirtiéndolo en el primer superaislador conocido , y la resistencia aumentó repentinamente en un factor de 100.000. ^[10]

Ocurrencia natural

La osbornita es una forma natural muy rara de nitruro de titanio, que se encuentra casi exclusivamente en meteoritos. ^{[11] [12]}

Usos

Broca recubierta de TiN

Recubrimiento de TiCN gris oscuro en una navaja Gerber

Un uso bien conocido del recubrimiento de TiN es la retención de bordes y la resistencia a la corrosión en máquinas herramienta, como brocas y fresas , que a menudo mejoran su vida útil en un factor de tres o más. ^[13]

Debido al color dorado metálico de TiN, se utiliza para revestir bisutería y adornos de automóviles con fines decorativos. El TiN también se usa ampliamente como revestimiento de capa superior, generalmente con sustratos enchapados en níquel (Ni) o cromo (Cr), en accesorios de plomería y herrajes para puertas de consumo. Como revestimiento se utiliza en aplicaciones aeroespaciales y militares y para proteger las superficies deslizantes de las horquillas de suspensión de bicicletas y motocicletas , así como los ejes de amortiguación de los coches radiocontrolados.. El TiN también se utiliza como revestimiento protector en las partes móviles de muchos rifles y armas de fuego semiautomáticas, ya que es extremadamente duradero. Además de ser duradero, también es extremadamente suave, lo que hace que eliminar la acumulación de carbono sea extremadamente fácil. El TiN no es tóxico, cumple con las pautas de la FDA y se ha utilizado en dispositivos médicos como hojas de bisturí y hojas de sierra ortopédica para huesos, donde el filo y la retención de los bordes son importantes. ^{[14] Los} recubrimientos de TiN también se han utilizado en prótesis implantadas (especialmente implantes de reemplazo de cadera ) y otros implantes médicos.

Aunque son menos visibles, las películas delgadas de TiN también se utilizan en microelectrónica , donde sirven como una conexión conductora entre el dispositivo activo y los contactos metálicos utilizados para operar el circuito, mientras que actúan como una barrera de difusión para bloquear la difusión del metal hacia el interior del circuito. silicio. En este contexto, el TiN se clasifica como un "metal de barrera" (resistividad eléctrica ~ 25 µΩ · cm ^[2] ), aunque claramente es una cerámica desde la perspectiva de la química o el comportamiento mecánico. El diseño de chip reciente en la tecnología de 45 nm y más allá también hace uso de TiN como un "metal" para mejorar el transistor.rendimiento. En combinación con dieléctricos de puerta (por ejemplo, HfSiO) que tienen una permitividad más alta en comparación con el SiO 2 estándar, la longitud de la puerta se puede reducir con una fuga baja , una corriente de excitación más alta y el mismo o mejor voltaje de umbral . ^[15] Además, actualmente se están considerando películas delgadas de TiN para revestir aleaciones de circonio para combustibles nucleares tolerantes a los accidentes . ^{[16] [17]}

Debido a su alta bioestabilidad, las capas de TiN también pueden usarse como electrodos en aplicaciones bioelectrónicas ^[18] como en implantes inteligentes o biosensores in vivo que tienen que resistir la severa corrosión causada por los fluidos corporales . Los electrodos de TiN ya se han aplicado en el proyecto de prótesis subretiniana ^[19] , así como en sistemas microelectromecánicos biomédicos ( BioMEMS ). ^[20]

Fabricación

Punzones recubiertos de nitruro de titanio (TiN) que utilizan la técnica de deposición por arco catódico

Los métodos más comunes de creación de película delgada de TiN son la deposición física de vapor (PVD, generalmente deposición por pulverización catódica , deposición por arco catódico o calentamiento por haz de electrones ) y la deposición química de vapor (CVD). ^[21] En ambos métodos, el titanio puro se sublima y reacciona con nitrógeno en un entorno de vacío de alta energía . La película de TiN también se puede producir en piezas de trabajo de Ti mediante crecimiento reactivo (por ejemplo, recocido ) en una atmósfera de nitrógeno . Se prefiere el PVD para las piezas de acero porque las temperaturas de deposición superan las de austenización.temperatura del acero. Las capas de TiN también se pulverizan sobre una variedad de materiales de punto de fusión más alto, como aceros inoxidables , titanio y aleaciones de titanio . ^[22] Su alto módulo de Young (valores entre 450 y 590 GPa han sido reportados en la literatura ^[23] ) significa que los recubrimientos gruesos tienden a desprenderse, haciéndolos mucho menos duraderos que los delgados. Los recubrimientos de nitruro de titanio también se pueden depositar mediante pulverización térmica, mientras que los polvos de TiN se producen mediante la nitruración del titanio con nitrógeno o amoníaco a 1200 ° C. ^[5]

Los objetos de cerámica a granel se pueden fabricar empaquetando titanio metálico en polvo en la forma deseada, comprimiéndolo a la densidad adecuada y luego encendiéndolo en una atmósfera de nitrógeno puro. El calor liberado por la reacción química entre el metal y el gas es suficiente para sinterizar el producto de reacción de nitruro en un artículo terminado duro. Ver pulvimetalurgia .

Otras variantes comerciales

Un cuchillo con un recubrimiento de oxinitruro de titanio.

Hay varias variantes de TiN de uso comercial que se han desarrollado desde 2010, como el nitruro de carbono y titanio (TiCN), el nitruro de titanio y aluminio (TiAlN o AlTiN) y el nitruro de titanio y aluminio y carbono, que se pueden utilizar individualmente o en capas alternas con TiN. . Estos recubrimientos ofrecen mejoras similares o superiores en resistencia a la corrosión y dureza, y colores adicionales que van del gris claro a casi negro, a un oscuro, iridiscente , azulado-púrpura, dependiendo del proceso exacto de aplicación. Estos recubrimientos se están volviendo comunes en artículos deportivos, particularmente cuchillos y pistolas , donde se utilizan por razones tanto estéticas como funcionales.

Como componente del acero

El nitruro de titanio también se produce intencionalmente, dentro de algunos aceros, mediante la adición juiciosa de titanio a la aleación . El TiN se forma a temperaturas muy altas debido a su muy baja entalpía de formación , e incluso se nuclea directamente de la masa fundida en la fabricación secundaria de acero. Forma partículas cúbicas discretas de tamaño micrométrico en los límites de los granos y en los puntos triples, y evita el crecimiento de los granos por la maduración de Ostwald hasta temperaturas homólogas muy altas . El nitruro de titanio tiene el producto de solubilidad más bajo de cualquier nitruro o carburo metálico en la austenita, un atributo útil en el acero microaleado. fórmulas.

Referencias

1. Haynes, William M., ed. (2016). Manual CRC de Química y Física (97ª ed.). Prensa CRC . pag. 4.92. ISBN 9781498754293.
2. Lengauer, W .; Aglutinante, S .; Aigner, K .; Ettmayer, P .; Guillou, A .; de Buigne, J .; Groboth, G. (1995). "Propiedades en estado sólido de los carbonitruros del grupo IV-b". Revista de aleaciones y compuestos . 217 : 137-147. doi : 10.1016 / 0925-8388 (94) 01315-9 .
3. Lengauer, Walter (1992). "Propiedades de δ-TiN _{1-x a} granel preparado por difusión de nitrógeno en metal titanio". Revista de aleaciones y compuestos . 186 (2): 293-307. doi : 10.1016 / 0925-8388 (92) 90016-3 .
4. Wang, Wei-E (1996). "Propiedades termodinámicas parciales del sistema Ti-N". Revista de aleaciones y compuestos . 233 (1–2): 89–95. doi : 10.1016 / 0925-8388 (96) 80039-9 .
5. Pierson, Hugh O., ed. (1996). Manual de Carburos y Nitruros Refractarios: Propiedades, características, procesamiento y aplicaciones . William Andrew. pag. 193. ISBN 978-0-8155-1392-6 - a través de Google Books.
6. Stone, DS; Yoder, KB; Sproul, WD (1991). "Dureza y módulo elástico de TiN basado en técnica de indentación continua y nueva correlación". Journal of Vacuum Ciencia y Tecnología A . 9 (4): 2543-2547. Código Bib : 1991JVSTA ... 9.2543S . doi : 10.1116 / 1.577270 .
7. Toth, LE (1971). Carburos y nitruros metálicos de transición . Nueva York, NY: Academic Press. ISBN 978-0-12-695950-5.
8. Spengler, W .; et al. (1978). "Dispersión Raman, superconductividad y densidad de fonones de estados de TiN estequiométrico y no estequiométrico". Physical Review B . 17 (3): 1095-1101. Código Bibliográfico : 1978PhRvB..17.1095S . doi : 10.1103 / PhysRevB.17.1095 .
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• v
• t
• mi

Sales y derivados covalentes del ion nitruro

NH 3 N 2 H 4

Él (N 2 ) 11

Li 3 N

Ser 3 N 2

BN

β-C 3 N 4 g-C 3 N 4 C x N y

N 2

N x O y

NF 3

Nordeste

Na 3 N

Mg 3 N 2

AlN

Si 3 N 4

PN P 3 N 5

S x N y SN S 4 N 4

NCl 3

Arkansas

K 3 N

Ca 3 N 2

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Estaño

VN

CrN Cr 2 N

Mn x N y

Fe x N y

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Ni 3 N

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Zn 3 N 2

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Ge 3 N 4

Como

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NBr 3

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Sr 3 N 2

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CdN

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Hf 3 N 4

Broncearse

WN

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Ra 3 N 2

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