Нитрид титана покрытие свойства

Покрытие нитрид титана – это соединение титана и азота, которое образует на поверхности изделия тончайшую пленку.

Нитрид титана является одним из наиболее изученных и часто используемых тонкопленочных покрытий во всем мире. Начало широкого использования данных видов покрытий в промышленности пришлось на середину 80-х годов. С высокой твердостью

85 HRC и толщиной всего 3 микрона, это покрытие повышает износостойкость режущих кромок, препятствует появлению царапин, а также уменьшает коэффициент трения на поверхности инструмента. Покрытие обладает высокой стойкостью к окислению.

Многократно проверенный факт – срок службы режущего инструмента, штампа или пресс-формы увеличивается от 2 до 10 раз с помощью этого покрытия.

Ведущие фирмы-производители режущих инструментов, такие как «Сандвик Коро- мант» (Sandvik Coromant, Швеция), «Теледайн» (Teledyn, США), «Планзее Тицит» (Plansee Tizit, Австрия), «Крупп Видиа» (Krupp Widia, Германия), «КеннаметалХертель» (KennametalHertel, США), «Балзерс» (Balzers Tool Coating Inc, США), «Малти Арк» (MultyArc Inc, США), «Сумитомо Электрик» (Sumitomo Electric, Япония) и др. отводят существенное место в ассортименте своей продукции инструментам с покрытиями.

Кроме того, за счет высоких медикобиологических свойств, TiN (нитрид титана) широко используют в медицине (хирургические, стоматологические и другие инструменты) и пищевой промышленности.

Инструменты с различными видами тонкопленочных покрытий различных цветовых гамм так же широко представлены в линейках многих производителей стоматологических инструментов: Hammacher; American Eagle; Hu-Friedy; Schwert; Asa Dental; HLW и др.

К сожалению, за все хорошее приходится платить – за счет технологической сложности процесса напыления стоимость инструментов с любым тонкопленочным покрытием, как правило, в 2 раза выше, чем у аналогичных стальных.

Однако, за счет локализации производства в России, цена на инструменты FABRI Gold , покрытые нитридом титана, не менее чем на 50% ниже, чем у западных инструментов аналогичного качества.

Нитрид титана один из первых в списке покрытий во всем мире по одной простой причине — это действительно работает!

Инструменты серии FABRI Gold с покрытием нитрида титана – лучшее ценовое предложение на рынке!

Почему к инструментам, покрытым нитридом титана не прилипают композитные материалы?

Почему это происходит? На самом деле все достаточно просто! Данный эффект происходит потому, что покрытие создает на поверхности инструментов очень твердую и гладкую "пленку" – за счет этого на поверхности в 2-3 раза уменьшается коэффициент трения.

Таким образом, композитные материалы просто «скользят» по поверхности инструмента, не вступая во взаимодействие со стальной поверхностью инструмента. Антиадгезивные свойства нитрида титана хорошо изучены и широко применяются на практике во всем мире в различных отраслях промышленности.

Также, данный эффект "скольжения" значительно упощает процесс удаления с поверхности инструментов отвердевших остатков материала во время предстерелизационной очистки.

Аналогичный эффект мы наблюдаем, жаря яичницу на сковородке с антипригарным покрытием – яичница в момент проготовления не прилипает к поверхности, а засохшие остатки смываются с таких сковородок гораздо легче чем с обычных. Такой эффект создается потому, что покрытие сковородки очень твердое и гладкое.

Посмотрите ролик как это работает! ВИДЕО

Почему острые инструменты, покрытые нитридом титана, дольше работают без дополнительной заточки

Данному факту так же есть простое объяснение. Структура нитрида титана кубическая (алмазоподобная). Именно поэтому одно из основных назначений всех алмазоподобных покрытий это упрочнение поверхностного слоя. В промышленности нитрид титана широко применяют для покрытия режущих инструментов (сверла, фрезы и т.д.) и пресс-форм. При этом срок службы увеличивается от 2 до 10 раз.

Скалеры серии FABRI Gold , покрытые нитридом титана, обладают повышенной на 45% твердостью режущих кромок (82HRC), поэтому прослужат без дополнительной заточки в 3 раза дольше, чем классические стальные инструменты.

Почему инструменты, покрытые нитридом титана, более устойчивы к коррозии?

Важно! Нитрид титана не может предотвратить появление ржавчины, если сам инструмент сделан некачественно, либо грубо нарушается процесс ухода зи инструментом!

Несколько слов о ржавчине: нержавеющие стали, применяемые в медицине («медицинские нержавеющие стали»), на самом деле не являются на 100% нержавеющими!

В изначальном «сыром» виде такая сталь еще как ржавеет. Однако именно в «сыром» виде происходит механическая обработка стали (придание формы рабочим частям, точение, штамповка, вырубка, гибка и т.д.)

Чтобы «медицинская нержавеющая сталь» не ржавела необхоодимо выполнение 3-х основных условий:

1. сама сталь должна быть высокого качества;
2. сталь должна пройти сложный процесс термообработки (закалка, отпуск и т.д.) – после этого процесса инструменты становятся твердыми и эластичными;
3. поверхность стали должна быть очень гладкой – хорошо отполированной.

Чем качественнее выполнены производителем данные 3 пункта, тем лучшую коррозионную стойкость имеет стоматологический инструмент.

Однако в процессе использования отполированный поверхностный слой может нарушаться от механического или химического воздействия:

• Механически — инструмент царапается при использование металлических щеток, при трении в ультразвуковой ванне, при очистке налипшего и отвердевшего материала и т.д.
• Химически — поверхностный слой вытравливается при нарушении концентрации или времени выдержки в дезинфекционных растворах, использование «грязной воды» и т.д.

Даже у изначально качественно сделанных инструментов в местах нарушения отполированного поверхностного слоя может возникать коррозия.

Нитрид титана обладает высокой стойкостью к окислению и воздействию целого спектра агрессивных веществ — поэтому сам он не ржавеет.

Как отмечалось выше, нитрид титана создает на поверхности инструментов защитную пленку, которая за счет высокой твердости препятствует механическим повреждениям отполированной поверхности, тем самым значительно снижая возникновения коррозии.

Однако, по своей сути, покрытие покрытие нитрида титана является "пористым", поэтому оно НЕ препятствует химическому воздействию на поверхностный слой инструмента. Агрессивные среды «просачиваются сквозь» покрытие нитрид титана и воздействуют на поверхность инструмента. Таким образом данное покрытие практически не защищает инструменты от химического воздейстия на поверхностный слой в случае грубого нарушение рекомендаций производителей дезинфекционных средств.

царапина под микроскопом

ржавчина под микроскопом

микроструктура покрытия нитрида титана

Нитрид титана увеличивает срок службы инструментов защищая от микроцарапин и тем самым снижая вероятность появления коррозии!

Почему инструменты, покрытые нитридом титана, стоят дорого?

Технология нанесения нитрида титана сложный, многоступенчатый процесс, а установки для напыления это высокотехнологичное, дорогостоящее оборудование, обслуживаемое высококвалифицированными специалистами. Сложный химический состав покрытий можно получить только с использованием техники ионного распыления в вакууме.

Сначала производится механическая очистка и изделие полируется до нужной степени блеска, затем последовательно производятся ультразвуковая и химическая очистка, а в завершении, непосредственно перед напылением производится ионная очистка, при которой изделие, в вакууме бомбардируется ионами жесткого металла, очищая изделие практически на молекулярном уровне, что гарантирует стабильность цвета и физико-механических свойств.

Покрытие является композиционным и содержит 2 слоя толщиной до 3,5 микрон. Процесс формирования покрытия происходит в условиях высокого вакуума, что полностью исключает присутствие посторонних примесей.

На первоначальном этапе формируется переходной слой из чистого титана. В процессе формирования переходного слоя изделие разогревают до 350-450 °С, что обеспечивает высочайшую степень адгезии к основанию, за счет поверхностной диффузии двух металлов.

На втором этапе формируется основное покрытие, при этом ионы титана, обладающие высокой энергией, выбивают с поверхности изделия атомы титана, которые в свою очередь, в присутствии легирующего газа – азота, вступая с ним в реакцию, осаждаются на поверхности изделия.

Осаждение атомов титана на поверхности изделия происходит в специальной вакуумной камере под действием разности потенциалов между изделием и катодным титановым источником.

Такой процесс придает изделию золотистый цвет и обеспечивает все необходимые свойства.

установки вакуумного напыления

Нанесения покрытия нитрида титана затратный, сложный, высокотехнологичный, многоступенчатый нано-процесс!

Существуют ли какие-либо ограничения при дезинфекции и стерилизации инструментов, покрытых нитридом титана?

Как отмечалось выше, нитрид титана обладает высокой стойкостью к окислению и воздействию целого спектра агрессивных веществ.

Нитрид титана – это очень прочная структура, «вплетенная» в поверхностный слой металла на межмолекулярном уровне.

Смыть нитрид титана с поверхности инструментов химическим способом очень сложно. Это является значительной проблемой для производителей в случае возникновения брака при нанесении покрытий. Для химической смывки в промышленности используются очень агрессивные среды, применение которых исключено в стоматологии. Однако следует избегать длительного (более 12 часов) контакта напыленного инструмента с 30-50% растворами перекиси водорода.

Сухожар и автоклав никаким образом не влияют на покрытие нитридом титана, т.к. сам процесс напыление происходит при значительно более высоких температурах.

В целом, уход за инструментом с покрытием нитридом титана не требует каких-либо особых условий. Важно соблюдать стандартные инструкции производителей дезинфицирующих средств и общие Рекомендации по уходу за инструментом .

Как показывает практика, покрытие нитрида титана разрушается только при разрушении слоя, на который данное покрытие нанесено. Основные причины разрушения описаны выше в данной статье.

В целом, уход за инструментом с покрытием нитрид титана не требует каких-либо особых условий!

При соблюдении общих Рекомендаций по уходу , гарантируется длительная сохранность и долговечность Вашего инструмента!

Нитрид титана представляет собой порошок желто-коричневого цвета, а в компактном состоянии приобретает золотистую окраску. Имеет кубическую гранецентрированную решётку типа NaCl, пространственная группа Fm3m, с периодом а = 0,4235 нм.

Получение

Нитрид титана можно получить одним из следующих способов [1] [3] .

• Непосредственным насыщением титана азотом:

Процесс азотирования проводят обычно при температуре выше 1100 °C в среде азота или диссоциированногоаммиака. Для этой цели используют титан в виде порошка или стружки. Чистый порошок титана может быть заменен гидридом титана;

• Взаимодействием тетрахлорида титана со смесью азота и водорода:

В основе этого способа лежит реакция: 2TiCl₄ + 2NH₃ = 2TiN + 6HCl + Cl₂ которую проводят при температуре выше 1000 °C. Так же нитрид титана можно осадить на вольфрамовую нить нагретую до температуры 1400—2000 °C;

• Разложением аминохлоридов титана:

TiCl₄•4NH₃ → TiN + HCl + NH₃ Аминохлорид титана разлагается с образованием промежуточного продукта TiNCl, нагрев которого до температуры 1000 °C приводит к образованию чистого от хлора нитрида титана;

• Восстановлением оксида титанауглеродом в среде азота:

В основе процесса лежит реакция: 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 TiCl₄ или порошок титана, который подаю в струю плазмы генерируемую СВЧ-плазмотроном. Плазмообразующим газом является азот. Порошки полученные этим способом могут иметь размеры от 10 нм до 100 нм [4] ;

• 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 [5] .

Химические свойства

Нитрид титана устойчив к окислению на воздухе до 700—800 °C, при этих же температурах сгорает в токе кислорода:

При нагреве до 1200 °C в среде водорода или в смеси азота и водорода нитрид титана является инертным веществом.

Нитрид титана стехиометрического состава проявляет стойкость к CO, но медленно реагирует с CO₂ по реакции:

Реагирует на холоде с фтором:

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

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

Взаимодействует с дицианом образуя карбонитрид титана [3] :

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 сильно разъедается окислами железа (Fe₂O₃), марганца (MnO), кремния (SiO₂) и стеклом [1] .

Применение

Применяется как жаропрочный материал, в частности из него делают тигли для бескислородной плавки металлов. В металлургии это соединение встречается в виде относительно крупных (единицы и десятки микрон) неметаллических включений в сталях, легированных титаном. Такие включения имеют, 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 (в частности, для зубных протезов жёлтого «под золото» цвета), используется в микроэлектронике в качестве диффузионного барьера совместно с медной металлизацией и др.

Нитрид титана применяется ещё и как износостойкое и декоративное покрытие. Изделия, покрытые им, по внешнему виду не отличаются от золота и могут иметь различные оттенки, в зависимости от соотношения металла и азота в соединении. Нанесение 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.

Взаимодействие любого материала с окружающей средой происходит через его поверхность. Именно поэтому в некоторых случаях основные физические свойства материала зависят от свойств его поверхностного слоя, толщиной не более нескольких микрометров.

Что такое нитрид титана?

Нитрид титана – химическое соединение титана с азотом, полученное, как правило, путем азотирования титана при 1200°C. Покрытие из нитрид титана представляет собой тончайшую пленку толщиной 3 микрона с высокой твердостью (≈ 85 HRC).

Преимущества покрытия нитридом титана

1. Высокая износостойкость. Инструменты с нитрид титановым покрытием устойчивы к коррозии, механическим повреждениям и к окислению. Однако, инструменты из нитрид титана будут устойчивы к коррозии только в случае, если они еще до покрытия верхним слоем сделаны качественно, а процесс ухода будет строго соблюдаться в соответствии с инструкцией. Также нитрид титановое покрытие уменьшает коэффициент трения на поверхности инструмента в 2-3 раза.
2. Продолжительный срок эксплуатации. Инструменты с покрытием нитридом титана прослужат до 10 раз длительнее за счет алмазоподобной структуры.
3. Покрытие может иметь различные золотые оттенки. В зависимости от соотношения металла и азота в нитрид титановом соединении окраска такого покрытия может варьироваться от темно-золотого до цвета белого золота.
4. Приемлемая себестоимость. В сравнении с золотым покрытием, которому по яркости цвета, химическим и физикомеханическим свойствам не уступает покрытие нитридом титана, стоимость последнего значительно меньше.

Почему к стоматологическим инструментам с нитрид титановым напылением не липнут композитные материалы?

Данное покрытие достаточно твердое и гладкое, благодаря чему коэффициент трения по поверхности меньше в 2-3 раза. При взаимодействии инструмента и композита создается эффект «скольжения», который препятствует прилипанию композитных материалов к поверхности инструментов. Также благодаря данному антиадгезивному свойству значительно легче удалить отвердевшие остатки композита с поверхности инструмента.

Аналогичный эффект имеет антипригарное покрытие.

Почему стоматологические инструменты с напылением из нитрид титана стоят дороже аналогичных без напыления?

Ответ на этот вопрос заключается в сложности и затратности технологического процесса нанесения покрытия.

Вначале инструмент необходимо очистить. Порядок чисток: механическая, полировка, ультразвуковая, химическая, ионная.

Покрытие формируется в вакууме, благодаря чему из него исключаются различные примеси. Вначале создается титановый слой. Во время этого процесса материал нужно разогреть до температуры 350 — 450°С. Благодаря высокой температуре нитрид титана диффундирует в структуру материала, обеспечивая плотное прилегание к материалу основе.

Второй этап заключается в формировании основного покрытия. Атомы титана, выбиваемые с поверхности материала ионами титана, вступают в химическую реакцию с азотом и оседают на поверхности материала основы, что придает покрытию золотой цвет и нужные свойства.

В данный момент в продаже представлены следующие стоматологические инструменты с нитрид титановым покрытием линейки ASA DENTAL — 1102Т-1, 1102Т-2, 1102Т-3, 1200Т-1, 1200Т-3, 1202Т-1, 1202Т-2, 1208Т-1.