Titannitrid wird in der Regel in Form mikrometer-dünner Beschichtungen hergestellt, seltener als keramischer Körper oder als Pulver.Eine Herstellung aus den Elementen ist bei Temperaturen oberhalb von 1200 °C möglich, wobei auf den Ausschluss von Luftsauerstoff und Feuchtigkeit geachtet werden muss, was verfahrenstechnisch aufwendig ist. Dieser Prozess der direktenNitridierung des Titans wird durch folgende Reaktionsgleichung beschrieben:
Eine weitere Möglichkeit, Titannitrid herzustellen, ist dieGasphasenammonolyse bei Temperaturen oberhalb 900 °C. Dabei wird das imTitantetrachlorid enthalteneTitan von derOxidationsstufe +4 auf +3 im Titannitrid reduziert. Als Elektronenlieferant dient derStickstoff ausAmmoniak. Ähnlich wie bei der direktenNitridierung des Titans muss auf Ausschluss von Sauerstoff und Feuchtigkeit geachtet werden. Die Gasphasenammonolyse kann durch folgende Reaktionsgleichung beschrieben werden:
Die folgenden Verfahren beziehen sich auf die Erzeugung von TiN zu Beschichtungszwecken
Die direkteNitridierung vonTitan erfolgt in einer KCN/K2CO3-Salzschmelze. Gängige Verfahren sind dabei das Einsatzhärten im cyanidhaltigen Salzbad (TIDURAN-Verfahren), das Hochdrucknitridieren (TIDUNIT-Verfahren) und das Plasmanitrieren in einer Wasserstoff/Stickstoff Atmosphäre. Eine durch Nitridierung gewonnene Schutzschicht besteht in der Regel aus einer ca. 10 μm dicken Verbindungsschicht und einer 50–200 μm dicken Diffusionsschicht. Beim Plasmanitrieren ist es möglich, einen Schichtaufbau ohne Verbindungsschicht zu erhalten.
Synthese aus Titanchlorid und Stickstoff durch Wasserstoff-Plasmabeschichtung (Dünnschichten) entsprechend der Reaktionsgleichung:
Titan-Nitrid-Schichten mit steigendem Stickstoffgehalt durch Sputtern erzeugt
Dünne Schichten lassen sich ebenso aufMetallen und einigenPolymeren abscheiden, vornehmlich durch physikalische Abscheidung aus der Gasphase (PVD-Verfahren), z. B. durchSputtern[4]. Hierbei wird eineTitanplatte mitEdelgasionen (Argon) beschossen, woraufhin sich Titan-Atome undStickstoff aus der Sputteratmosphäre auf den Substraten niederschlagen. Die Konzentration des Stickstoffs in der Atmosphäre bestimmt dabei die nachherige Konzentration in der entstehenden Schicht. Es sind von reinem Titan über epsilon-Ti2N und dem stöchiometrischen TiN auch Schichten mit mehr Stickstoff als Titan abscheidbar. Abhängig vom Stickstoffgehalt variieren die physikalischen Eigenschaften zwischen denen von reinem Titan und Titan-Nitrid (TiN). Überstöchiometrische Schichten zeigen neben einer bronzebraunen Färbung eine Härte, die nur etwa halb so groß ist wie die von TiN.
Die Herstellung keramischer Körper gestaltet sich schwierig, da reines TiN aufgrund seines hohenkovalenten Bindungscharakters nur eine geringeSinteraktivität besitzt. Daher sind Verdichtung der TiN-Formkörper, der Einsatz von Sinteradditiven und externer Druck erforderlich. Ohne diesen Druck erreichen die Keramiken nicht die theoretische Dichte und andere vorteilhafte Eigenschaften. Es sind aber Verfahren bekannt, die durch extrem feine, sogenanntenanoskalige Pulver als Ausgangsmaterial diese hohen Pressdrücke vermeiden.
TiN weist eineEinlagerungsstruktur auf und kristallisiert imKochsalzgitter, wobei die Titanatome ein flächenzentriertes kubisches Gitter bilden und die kleinen Stickstoffatome in denOktaederlücken der Basisstruktur eingelagert werden. Die diesen metallischen Hartstoff charakterisierendeKristallstruktur ist nur im Verbund und nicht in Gestalt einzelner Moleküle existent, was sich in seiner Unlösbarkeit in fast allen, selbst aggressiven Lösungsmitteln widerspiegelt. Die hoheHärte ist höher als jene der meisten metallischen Werkstoffe, wird allerdings vonTitancarbid noch übertroffen. Die Härte liegt bei 2450 HV (zum Vergleich Aluminiumoxid 2100 HV, Titancarbid bis zu 4000 HV). TiN hat einen sehr hohenSchmelzpunkt, aber keinen Siedepunkt, da eine vorzeitige Zersetzung erfolgt. Das Material besitzt guteReibungseigenschaften und ist daher für Systeme mit besonderen Anforderungen an geringemVerschleiß interessant. Die Haftung auf anderen Materialien ist sehr gering. Im Gegensatz zu nichtmetallischen Hartstoffen wieDiamant,B4C oderSiliciumcarbid zeigt TiN ausgeprägtes metallisches Verhalten, wie die Leitfähigkeit für elektrischen Strom. Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands ist positiv und das magnetische Verhalten ist durch einen schwachen, von der Temperatur abhängigenParamagnetismus gekennzeichnet. Bei einer Temperatur von T = 4,86 K ist TiNsupraleitend. Bei Temperaturen zwischen 20 und 70Millikelvin und einem äußeren Magnetfeld von 0,9 Tesla bricht die Supraleitfähigkeit jedoch zusammen und geht in einensuperisolierenden Zustand über, der erst bei höheren elektrischen Feldstärken zusammenbricht. TiN besitzt ein hohes Reflexionsvermögen fürInfrarotstrahlung, sein Reflexionsspektrum ist ähnlich dem vonGold.
Durch die Zugabe von wenigen Atomprozentamorphem Silicium zu Titannitrid können extreme Veränderungen der mechanischen Eigenschaften (Steigerung von Härte und Bruchzähigkeit) erzielt werden.
Die hohe technische Leistungsfähigkeit dieses Materials wird durch seineSprödigkeit gemindert, weshalb es hauptsächlich in Form von feinen Beschichtungen verwendet wird.
Titannitrid ist grundsätzlich extrem reaktionsträge. Die Substanz wird erst bei Temperaturen von über 600 °C an der Luft allmählich angegriffen und erst bei 1200 °C in O2- oder CO2-Atmosphären rasch oxidiert. In heißerAlkalilauge erfolgt eine Zersetzung unter Bildung vonAmmoniak.
Häufig steht im Vordergrund von Titannitridbeschichtungen, die Lebensdauer von Produkten und damit ihreWirtschaftlichkeit zu erhöhen. Diese allgemein der Produktveredelung dienenden goldfarbenen Schichten sind üblicherweise sehr dünn. Typische technische Beschichtungen sind nicht dicker als 4 µm – dickere Schichten wären gegenüber Rissbildung anfällig. Der Basiswerkstoff muss zudem tragfähig sein (hoheDruckfestigkeit), damit bei einer Punktbelastung die Schicht nicht einbricht.
Seine Belastbarkeit, der geringe Verschleiß, gepaart mit guter Abfuhr derReibungswärme qualifizieren das Material zur Verwendung alsLagerwerkstoff in Feinmaschinenlagern und Wälzlagern.
Seine Antihaft-Eigenschaften ermöglichen den Einsatz als Hochtemperaturtrennmittel.
TiN wird aufgrund seiner guten Gleiteigenschaften und durch sein geringesLosbrechmoment auch als Beschichtung von Gleitrohren in der Stoßdämpfertechnik und in der Hydraulik verwendet.
Aufgrund seinerBiokompatibilität ist ein Einsatz bei medizinischen und chirurgischen Instrumenten zweckmäßig. Auch beiImplantaten (als Beispiel seien Herzschrittmacherelektroden genannt) kommt diese Stoffeigenschaft zum Tragen.
TiN besitzt neben seiner Verschleißfestigkeit auch dekorative Eigenschaften und wird deshalb auch auf Gebrauchsgütern aufgebracht. Beispiele sind Brillengestelle, Uhren und Armbänder, Bestecke.
Das Material wird in derHalbleitertechnik als Barrieren-Material verwendet, da es das Eindringen von Metallatomen in Silicium zu verhindern vermag, aber gleichzeitig eine gewisse elektrische Leitung zwischen zwei zu trennenden Komponenten aufrechterhält.
TiN-Ausscheidungen spielen eine wichtige Rolle bei der Herstellung von mikrolegierten Stählen. Durch den hohen Schmelzpunkt von TiN können solche Ausscheidungen das Austenitkornwachstum auch bei hohen Temperaturen hemmen.
Titannitrid in Additiver Fertigung und Pulvermetallurgie
Werden Pulver titanhaltiger Legierungen thermisch bearbeitet, bildet sich in Gegenwart von Stickstoff Titannitrid. Dies ist unerwünscht, da es zu Mikrorissen führen kann. Daher wird zum einen stets unter Argon-Schutzgasatmosphäre gearbeitet und zum anderen soll der Stickstoffgehalt der Pulver selbst gesenkt werden.[5]
Von Titannitrid geht praktisch keinerlei Gefahr aus, da es unbrennbar, ungiftig und darüber hinaus biokompatibel ist. Titannitrid ist im Sinne der EG-Richtlinien kein gefährlicher Stoff und nicht kennzeichnungspflichtig. Es wird als nicht wassergefährdend eingestuft. AlsFeinstaub wäre TiN – wie alle anderen Stoffe auch – problematisch. Hier gilt ein Wert von 15 mg/m3 als tolerabel (OSHA).
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