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 TiCl₄ + 2 NH₃ ⟶ 2 TiN + 6 HCl + 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:

 TiCl₄ ⋅ 4 NH₃ ⟶ 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 TiO₂ + 4 C + N₂ ⟶ 2 TiN + 4 CO

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 O₂ ⟶ 2 TiO₂ + 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 CO₂ ⟶ 2 TiO₂ + 4 CO + N₂

Реагирует на холоде с фтором:

 2 TiN + 4 F₂ ⟶ 2 TiF₄ + N₂

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

 2 TiN + 4 Cl₂ ⟶ 2 TiCl₄ + N₂

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

Взаимодействует с дицианом образуя карбонитрид титана:

 10 TiN + (CN)₂ ⟶ 2 Ti₅N₄C + 2 N₂

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. 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

Купол Соборного храма во имя Богоявления Господня Ниловой пустыни, покрытый 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, 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.