Nitreto de titânio - Titanium nitride

Nitreto de titânio
Nomes
	Nome IUPAC Nitreto de titânio
	Outros nomes Nitreto de titânio (III)
Identificadores
Número CAS
Modelo 3D ( JSmol )
ECHA InfoCard	100.042.819
Número EC
PubChem CID
UNII
Painel CompTox ( EPA )
	InChI InChI = 1S / N.Ti;
	SORRISOS N # [Ti];
Propriedades
Fórmula química	Lata
Massa molar	61,874 g / mol
Aparência	Revestimento de cor dourada
Odor	Inodoro
Densidade	5,21 g / cm 3
Ponto de fusão	2.947 ° C (5.337 ° F; 3.220 K)
Solubilidade em Água	insolúvel
Suscetibilidade magnética (χ)	+38 × 10 - 6 emu / mol
Condutividade térmica	29 W / (m · K) (323 K)
Estrutura
Estrutura de cristal	Cúbico , cF8
Grupo espacial	Fm 3 m, No. 225
Estrutura constante	a = 0,4241 nm
Unidades de fórmula ( Z )	4
Geometria de coordenação	Octaédrico
Termoquímica
Capacidade de calor ( C )	24 J / (K · mol) (500 K)
; Entropia molar padrão ( S o 298 )	-95,7 J / (K · mol)
Entalpia de ; formação padrão (Δ f H ⦵ 298 )	-336 kJ / mol
Compostos relacionados
Revestimento relacionado	Nitreto de titânio e alumínio
	Exceto onde indicado de outra forma, os dados são fornecidos para materiais em seu estado padrão (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
	verificar (o que é ?)
	Referências da Infobox

O nitreto de titânio ( TiN ; às vezes conhecido como Tinite ) é um material cerâmico extremamente duro , frequentemente usado como revestimento em ligas de titânio , aço , carboneto e componentes de alumínio para melhorar as propriedades da superfície do substrato.

Aplicado como um revestimento fino, o TiN é usado para endurecer e proteger superfícies de corte e deslizamento, para fins decorativos (devido à sua aparência dourada) e como um exterior não tóxico para implantes médicos . Na maioria das aplicações, é aplicado um revestimento de menos de 5 micrômetros (0,00020 pol.) .

Características

TiN tem uma dureza Vickers de 1800–2100, um módulo de elasticidade de 251 GPa, um coeficiente de expansão térmica de 9,35 × 10 ^{- 6} K ⁻¹ e uma temperatura de transição supercondutora de 5,6 K.

TiN oxida a 800 ° C em uma atmosfera normal. O TiN tem uma cor marrom e parece dourado quando aplicado como revestimento. É quimicamente estável a 20 ° C, de acordo com testes de laboratório, mas pode ser atacado lentamente por soluções ácidas concentradas com temperaturas crescentes. Dependendo do material do substrato e do acabamento da superfície, o TiN terá um coeficiente de atrito que varia de 0,4 a 0,9 contra outra superfície TiN (não lubrificada). A formação típica de TiN tem uma estrutura cristalina do tipo NaCl com uma estequiometria de aproximadamente 1: 1 ; Os compostos TiN _x com x variando de 0,6 a 1,2 são, no entanto, termodinamicamente estáveis.

O TiN se torna supercondutor em temperaturas criogênicas, com temperatura crítica de até 6,0 K para cristais únicos. A supercondutividade em filme fino TiN foi estudada extensivamente, com as propriedades supercondutoras variando fortemente dependendo da preparação da amostra, até a supressão completa da supercondutividade em uma transição supercondutor-isolante . Um filme fino de TiN foi resfriado até quase zero absoluto , convertendo-o no primeiro superinsulador conhecido , com resistência subitamente aumentando por um fator de 100.000.

Ocorrência natural

Osbornite é uma forma natural muito rara de nitreto de titânio, encontrada quase exclusivamente em meteoritos.

Usos

Broca revestida com TiN

Revestimento TiCN cinza escuro em um canivete Gerber

Um uso bem conhecido do revestimento TiN é para retenção de arestas e resistência à corrosão em máquinas-ferramentas, como brocas e fresas , muitas vezes melhorando sua vida útil por um fator de três ou mais.

Por causa da cor ouro metálico do TiN, ele é usado para revestir bijuterias e acabamentos automotivos para fins decorativos. TiN também é amplamente usado como um revestimento de camada superior, geralmente com substratos revestidos de níquel (Ni) ou cromo (Cr), em acessórios de encanamento e ferragens de portas. Como revestimento, é utilizado em aplicações aeroespaciais e militares e para proteger as superfícies deslizantes dos garfos de suspensão de bicicletas e motocicletas , bem como os eixos de choque de carros controlados por rádio . O TiN também é usado como revestimento protetor nas partes móveis de muitos rifles e armas de fogo semiautomáticas, pois é extremamente durável. Além de durável, também é extremamente suave, tornando a remoção do carbono acumulado extremamente fácil. TiN não é tóxico, atende às diretrizes da FDA e tem sido usado em dispositivos médicos , como lâminas de bisturi e lâminas de serra para ossos ortopédicos, onde a nitidez e a retenção da borda são importantes. Os revestimentos TiN também têm sido usados em próteses implantadas (especialmente implantes de prótese de quadril ) e outros implantes médicos.

Embora menos visíveis, filmes finos de TiN também são usados em microeletrônica , onde servem como uma conexão condutora entre o dispositivo ativo e os contatos de metal usados para operar o circuito, enquanto atuam como uma barreira de difusão para bloquear a difusão do metal no silício. Nesse contexto, TiN é classificado como um "metal de barreira" (resistividade elétrica ~ 25 µΩ · cm), embora seja claramente uma cerâmica do ponto de vista químico ou do comportamento mecânico. O design recente do chip na tecnologia de 45 nm e além também faz uso do TiN como um "metal" para melhorar o desempenho do transistor . Em combinação com dielétricos de porta (por exemplo, HfSiO) que têm uma permissividade mais alta em comparação com o SiO ₂ padrão, o comprimento da porta pode ser reduzido com baixa fuga , corrente de comando mais alta e a mesma ou melhor tensão de limite . Além disso, os filmes finos de TiN estão atualmente sendo considerados para o revestimento de ligas de zircônio para combustíveis nucleares tolerantes a acidentes .

Devido à sua alta bioestabilidade, as camadas de TiN também podem ser usadas como eletrodos em aplicações bioeletrônicas, como em implantes inteligentes ou biossensores in vivo que precisam suportar a corrosão severa causada por fluidos corporais . Eletrodos TiN já foram aplicados em projetos de próteses sub - retinianas e também em sistemas microeletromecânicos biomédicos ( BioMEMS ).

Fabricação

Punções revestidas com nitreto de titânio (TiN) usando técnica de deposição de arco catódico

Os métodos mais comuns de TiN criação de película fina são de deposição física de vapor (PVD, geralmente deposição por pulverização catódica , catódico a deposição por arco ou de feixe de electrões de aquecimento ) e a deposição de vapor químico (CVD). Em ambos os métodos, o titânio puro é sublimado e reage com o nitrogênio em um ambiente de alta energia a vácuo . O filme TiN também pode ser produzido em peças de Ti por crescimento reativo (por exemplo, recozimento ) em uma atmosfera de nitrogênio . O PVD é preferido para peças de aço porque as temperaturas de deposição excedem a temperatura de austenitização do aço. Camadas de TiN também são pulverizadas em uma variedade de materiais de alto ponto de fusão, como aços inoxidáveis , titânio e ligas de titânio . Seu alto módulo de Young (valores entre 450 e 590 GPa foram relatados na literatura) significa que revestimentos espessos tendem a descamar, tornando-os muito menos duráveis do que revestimentos finos. Os revestimentos de nitreto de titânio também podem ser depositados por pulverização térmica, enquanto os pós de TiN são produzidos pela nitretação do titânio com nitrogênio ou amônia a 1200 ° C.

Objetos de cerâmica a granel podem ser fabricados embalando titânio metálico em pó na forma desejada, comprimindo-o até a densidade adequada e, em seguida, acendendo-o em uma atmosfera de nitrogênio puro. O calor liberado pela reação química entre o metal e o gás é suficiente para sinterizar o produto da reação do nitreto em um item acabado duro. Veja metalurgia do pó .

Outras variantes comerciais

Uma faca com um revestimento de oxinitreto de titânio

Existem várias variantes comercialmente usadas de TiN que foram desenvolvidas desde 2010, como nitreto de titânio e carbono (TiCN), nitreto de titânio e alumínio (TiAlN ou AlTiN) e nitreto de titânio e alumínio e carbono, que podem ser usados individualmente ou em camadas alternadas com TiN . Esses revestimentos oferecem aprimoramentos semelhantes ou superiores em resistência à corrosão e dureza, e cores adicionais que variam de cinza claro a quase preto, a um escuro, iridescente , roxo-azulado, dependendo do processo exato de aplicação. Esses revestimentos estão se tornando comuns em artigos esportivos, especialmente facas e revólveres , onde são usados por razões estéticas e funcionais.

Como constituinte do aço

O nitreto de titânio também é produzido intencionalmente, em alguns aços, pela adição criteriosa de titânio à liga . O TiN se forma em temperaturas muito altas por causa de sua entalpia de formação muito baixa , e até mesmo nucleados diretamente do fundido na fabricação de aço secundária. Ele forma partículas cúbicas discretas de tamanho micrométrico nos contornos dos grãos e nos pontos triplos, e evita o crescimento do grão pelo amadurecimento de Ostwald até temperaturas homólogas muito altas . O nitreto de titânio tem o produto de menor solubilidade de qualquer nitreto ou carboneto de metal na austenita, um atributo útil em fórmulas de aço microligado .