Нитри́д тита́на — 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 Ti ₁₀ N ₆ до TiN соответственно .

Физические свойства

Нитрид титана представляет собой материал жёлто-коричневого цвета, а в 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/мм ² .
• Модуль упругости 25600 кг/мм ² .

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:

${\displaystyle {\ce {2TiCl4 + 2NH3 -> 2TiN + 6HCl + Cl2}}}$

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:

${\displaystyle {\ce {TiCl4.4NH3 -> TiN + HCl + NH3}}}$

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:

${\displaystyle {\ce {2TiO2 + 4C + N2 -> 2TiN + 4CO}}}$

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 TiCl 4 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 :

${\displaystyle {\ce {2TiN + 2O2 -> 2TiO2 + N2}}}$ .

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 CO 2 по реакции:

${\displaystyle {\ce {2TiN + 4CO2 -> 2TiO2 + 4CO + N2}}}$ .

Реагирует на холоде с фтором :

${\displaystyle {\ce {2TiN + 4F2 -> 2TiF4 + N2}}}$ .

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

${\displaystyle {\ce {2TiN + 4Cl2 -> 2TiCl4 + N2}}}$ .

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

Взаимодействует с дицианом образуя :

${\displaystyle {\ce {10TiN + (CN)2 -> 2Ti5N4C + 2N2}}}$ .

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 ${\displaystyle {\ce {TiN}}}$ . 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 ( Fe 2 O 3 ), марганца ( MnO ), кремния ( SiO 2 ) 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.

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.

Напыление из нитрида титана используют для покрытия зубных коронок имитирующих золотые и зубных мостов .

См. также

• Метод КИБ
• PVD-процесс

Примечания

Литература

• Неорганическая химия / под ред. Ю.Д. Третьякова. — М. : Академия, 2007. — Т. 3. — 352 с.