Нитрид титана

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 Ti10N6 до TiN соответственно.

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/мм2.

Получение

Нитрид титана можно получить одним из следующих способов.

• 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: 2 TiCl 4 + 2 NH 3 ⟶ 2 TiN + 6 HCl + Cl 2 {displaystyle {ce {2TiCl4 + 2NH3 -> 2TiN + 6HCl + Cl2}}} которую проводят при температуре выше 1000 °C. Также образующийся нитрид титана можно осадить на вольфрамовую нить нагретую до температуры 1400—2000 °C;

• Разложением аминохлоридов титана:

TiCl 4 ⋅ 4 NH 3 ⟶ TiN + HCl + NH 3 {displaystyle {ce {TiCl4.4NH3 -> TiN + HCl + NH3}}} Аминохлорид титана разлагается с образованием промежуточного продукта TiNCl, нагрев которого до температуры 1000 °C приводит к образованию свободного от хлора нитрида титана;

• Восстановлением оксида титана углеродом в среде азота:

В основе процесса лежит реакция: 2 TiO 2 + 4 C + N 2 ⟶ 2 TiN + 4 CO {displaystyle {ce {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;

• 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.

Химические свойства

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

2 TiN + 2 O 2 ⟶ 2 TiO 2 + N 2 {displaystyle {ce {2TiN + 2O2 -> 2TiO2 + N2}}} .

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

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

2 TiN + 4 CO 2 ⟶ 2 TiO 2 + 4 CO + N 2 {displaystyle {ce {2TiN + 4CO2 -> 2TiO2 + 4CO + N2}}} .

Реагирует на холоде с фтором:

2 TiN + 4 F 2 ⟶ 2 TiF 4 + N 2 {displaystyle {ce {2TiN + 4F2 -> 2TiF4 + N2}}} .

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

2 TiN + 4 Cl 2 ⟶ 2 TiCl 4 + N 2 {displaystyle {ce {2TiN + 4Cl2 -> 2TiCl4 + N2}}} .

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

Взаимодействует с дицианом образуя карбонитрид титана:

10 TiN + ( CN ) 2 ⟶ 2 Ti 5 N 4 C + 2 N 2 {displaystyle {ce {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 {displaystyle {ce {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 разрушается оксидами железа (Fe2O3), марганца (MnO), кремния (SiO2) и стеклом.

Применение

Применяется как жаропрочный материал, в частности из него делают тигли для плавки металлов в бескислородной атмосфере.

В металлургии это соединение встречается в виде относительно крупных (единицы и десятки микрон) неметаллических включений в сталях, легированных титаном. Такие включения имеют на шлифах, 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 металлорежущего инструмента, также 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 похожи на золото и могут иметь различные оттенки, в зависимости от соотношения металла и азота в соединении. Нанесение покрытия из 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.

Соединение не используется для покрытия электрических контактов.