Titaaninitridi

Titaaninitridi (TiN) on erittäin kova keraaminen materiaali, jota käytetään usein pinnoitteena titaaniseos-, teräs-, karbidi- ja alumiiniosissa parantamaan pinnan ominaisuuksia, usein kulutuksen kestävyyttä. Titaaninitridin kovuus on ~85 Rockwell C asteikolla ja 2 500 Vickers asteikolla tai 24,5 gigapascalia.
TiN:llä on hyvät infrapunasäteilyn heijastusominaisuudet. Se heijastaa samankaltaisen spektrin kuin kulta. Riippuen pohja-aineesta ja pinnan viimeistelystä titaaninitridin kitkakerroin vaihtelee välillä 0,4-0,9 itseään vasten voitelemattomana. Kiderakenne on pintakeskinen kuutiollinen stoikiometrialla 1:1. TiN hapettuu 600 °C lämmössä normaali ilmakehässä ja sen sulamispiste on 2 930 °C. Titaaninitridin CAS-numero on 25583-20-4.

Käyttö

Yleisin TiN:n käyttökohde ovat lastuavan työstön koneiden teräpalat, poranterät ja sirkkelin terät. Näissä TiN-pinnoite parantaa leikkuureunan kestoa ja korroosion kestävyyttä lisäten teräpalojen käyttöikää noin kolminkertaiseksi tai enemmän.
Koska TiN:llä on metallinen kultainen väri, sitä käytetään pinnoitteena koruissa ja autojen ulkonäön ehostamistarkoituksessa. TiN:ä käytetään myös pintakerroksena sellaisilla nikkeli- tai kromipinnoitetuilla esineillä, joita ihmiset käsitelevät usein kuten hanat ja ovenkahvat. TiN on myrkytön ja täyttää terveysviranomaisten kuten FDA:n (Food and Drug Administration) vaatimukset ja sitä käytetään lääketieteellisissä instrumenteissa ja implanteissa sekä proteeseissa kuten myös ilmailu- ja sotilassovelluksissa. TiN käytetään pinnoitteena myös polku- ja moottoripyörien haarukoiden jousituksissa liukupintojen suojana.
TiN pinnoite tehdään joko reaktiivisella kasvulla esimerkiksi lämpökäsittelemällä pala titaania typessä tai PVD-kalvonkasvatusmenetelmillä suunnilleen 3 mikrometrin paksuiseksi. TiN:n korkea kimmomoduuli (600 GPa) verrattuna esimerkiksi titaaniseoksiin (100 GPa) aiheuttaa sen, että paksummat pinnoitteet irtoavat helposti lohkeamalla, jolloin ohuemmat pinnoitteet ovat kestävämpiä.

Käyttö puolijohdeteollisuudessa

Vähemmän näkyvää on titaaninitridin käyttö puolijohdeteollisuuden sovelluksissa. puolijohdetekniikassa käytetään nykyään kuparia johdinmateriaalina ja TiN pinnoitetta käytetään sähköä johtavana barrier-kalvona piin ja kuparijohdinpintojen välissä estämään kuparin diffuusio piihin, koska se tuhoaa transistorin. TiN sähkönjohtavuus on riittävä (30–70 μΩ·cm) takaamaan hyvän sähköisen kontaktin.
Titaaninitridi ohutkalvot kasvatetaan yleensä PVD tai CVD menetelmillä. Molemmissa puhdas titaani saatetaan kaasufaasiin ja se laitetaan reagoimaan typen kanssa kovassa lämmössä vakuumiastiassa.

Titaaninitridiesineiden valmistus

Suurempia TiN esineitä voidaan valmistaa jauhemetallurgisin menetelmin puristamalla titaanijauhoa kasaan ja kuumentamalla se puhtaassa typpiatmosfäärissä. Reaktiosta muodostunut lämpö on riittävä sintraukseen, jolloin lopputuloksena kova ja valmis TiN-esine.

Erilaiset titaaninitridivariaatiot

TiN-pinnoitteesta on syntynyt useita variaatioita kuten titaanikarbidinitridi (TiCN), titaanioksinitridi (TiON) ja titaanialumiininitridi (TiAlN), joita käytetään erillään tai TiN kanssa vuorotellen (laminaattirakenne). Nämä pinnoitteet tarjoavat samat tai vieläkin paremmat ominaisuudet korroosion estossa ja kovuudessa ja useita uusia värivaihtoehtoja vaalean harmaasta melkein mustaan ja tumman punaiseen pinnoitusprosessista riippuen. Nämä pinnoitteet ovat tulossa suosituiksi urheiluvälineissä , erityisesti puukoissa ja käsiaseissa, joissa niitä käytetään niin toiminnallisista kuin kosmeettisista syistä. TiON -käsittelyllä voidaan saada aikaan hyvin kirjava hehkuvasävyinen pinta.

Titaaninitridi metallurgiassa

Titaaninitridiä käytetään säätämään teräksen kiderakennetta. TiN muodostaa kiteitä jo korkeissa lämpötiloissa, koska sen kiteytymisentalpia on hyvin alhainen. Se kiteytyy suoraan sulasta teräksen valmistuksessa. TiN muodostaa kiderajoille mikrometrin kokoisia kuutioita ja pienen austeniittiin liukoisuutensa vuoksi ja lämpötiloissa, joissa teräksen kuumakäsittely yleensä tapahtuu, teräksen kiderakenteen on pintakeskinen kuutio, jolloin TiN estää teräksen kiteiden kasvua Ostwald kypsymisefektin korkeisiin homologisiin lämpöihin. Tämän vuoksi terässeoksissa on usein mukana titaania.