Interested Article - Нитрид титана

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:

{\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:

{\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:

{\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 :

{\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:

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

.

Реагирует на холоде с фтором :

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

.

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

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

.

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

Взаимодействует с дицианом образуя :

{\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 ${\ce {TiN}}$ . 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

Купол Соборного храма во имя Богоявления Господня Ниловой пустыни , покрытый металлическими листами с нанесённым нитридом титана

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

Примечания

↑ Самсонов Г. В. Нитриды. — Наукова думка, 1969. — С. 133—158. — 380 с.
Самсонов Г. В., Виницкий И. М. Тугоплавкие соединения (справочник). — Металлургия, 1976. — С. 560.
↑ Лучинский Г. П. Химия титана. — Химия, 1971. — С. 168—170. — 472 с.
Краснокутский Ю. И., Верещак В. Г. Получение тугоплавких соединений в плазме. — Вища шк., 1987. — С. 134—139. — 200 с.
Степанчук А. Н., Билык И. И., Бойко П. А. Технология порошковой металлургии. — Выща шк., 1985. — С. 169—170. — 415 с.
. Дата обращения: 3 февраля 2022. 23 января 2022 года.