Titannitrid (TiN) ist eine Verbindung, die durch die Reaktion von Titan und Stickstoff gebildet wird. Es ist golden oder metallisch, hart und verschleißfest und hat eine ausgezeichnete chemische Stabilität und Hochtemperaturbeständigkeit. Es ist ein sehr wichtiges Hartbeschichtungsmaterial, das in der Metallverarbeitung, Werkzeugherstellung, Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und anderen Bereichen weit verbreitet ist. In der Bearbeitungsindustrie wird TiN-Beschichtung verwendet, um die Lebensdauer und Verarbeitungseffizienz von Werkzeugen zu verbessern, insbesondere unter hohen Lasten und hohen Temperaturen.
Definition und Eigenschaften von TiN-Beschichtungen
1. Definition von TiN-Beschichtungen
Titannitrid (TiN) wird im PVD-Verfahren (physikalische Gasphasenabscheidung) unter Verwendung der Transversalrotationskathodentechnologie eingesetzt. Das Material verdampft aus einer festen Quelle in Form von Atomen/Molekülen und wird dann in Form von Dampf durch Vakuum-Niederdruckgas/Plasma zum Substrat transportiert und auf dem Substrat kondensiert.
2. Physikalische und chemische Eigenschaften von TiN-Beschichtungen
Härte: Die Härte von TiN-Beschichtungen beträgt etwa 2000 HV (Vickers-Härte), was die Verschleißfestigkeit und Haltbarkeit des Substrats erheblich verbessert.
Verschleißfestigkeit: TiN-Beschichtungen haben eine extrem hohe Verschleißfestigkeit, die die Lebensdauer von Werkzeugen oder Teilen erheblich verlängern und Verschleiß und Kratzer reduzieren kann.
Hochtemperaturbeständigkeit: TiN-Beschichtungen haben eine sehr gute Temperaturbeständigkeit und können Temperaturen von bis zu 500-600°C standhalten, was sie für den Einsatz in Hochtemperaturumgebungen geeignet macht.
Korrosionsbeständigkeit: TiN hat eine gute Korrosionsbeständigkeit und kann der Erosion durch Säuren, Laugen und Salzwasser widerstehen und ist für raue chemische Umgebungen geeignet.
Chemische Stabilität: TiN hat eine gute chemische Stabilität und reagiert nicht leicht mit anderen Chemikalien. Es wird häufig in Umgebungen mit Präzisionsbearbeitungs- und chemischen Korrosionsbeständigkeitsanforderungen eingesetzt.
Reibungskoeffizient: TiN-Beschichtungen reduzieren den Reibungskoeffizienten von Metalloberflächen, helfen, Reibung und Wärmeentwicklung zwischen Teilen zu reduzieren und verbessern so die Nutzungseffizienz der Teile.
Erscheinungsbild: TiN hat eine goldene oder metallisch goldene Farbe, und seine Helligkeit und Glanz sind sehr hoch, was die Ästhetik erhöht. Es wird häufig für Werkstückoberflächen verwendet, die Schönheit und Funktionalität erfordern, wie z.B. hochwertige Schmuckstücke, Uhrenteile, Autozubehör usw.
Niedrige Oberflächenenergie: Die Oberflächenenergie von TiN-Beschichtungen ist niedrig, was die Haftung von Schneidflüssigkeit und Werkstück während der Bearbeitung effektiv reduzieren kann, den Verschleiß und die Werkzeughaftung während der Bearbeitung verringert.
Umweltschutz: PVD- und CVD-Technologien erzeugen keine schädlichen Abgase oder Schadstoffe bei der Abscheidung von TiN-Beschichtungen, daher sind sie in Bezug auf den Umweltschutz gut geeignet.
3. Nachteile von TiN-Beschichtungen
Beschichtungssprödigkeit: Obwohl TiN-Beschichtungen eine hohe Härte aufweisen, macht ihre hohe Härte die Beschichtungen auch spröder und anfälliger für Abplatzungen oder Ablösungen, insbesondere bei großen Stoß- oder Biegebelastungen.
Beschichtungsdickenlimit: Aufgrund der langsamen Beschichtungsabscheidungsgeschwindigkeit von PVD- und CVD-Technologien liegt die Dicke von TiN-Beschichtungen normalerweise zwischen einigen Mikrometern und einigen Dutzend Mikrometern, was sie für Anwendungen, die dickere Beschichtungen erfordern, ungeeignet macht.
Hohe Kosten: Der Abscheidungsprozess von TiN-Beschichtungen ist relativ komplex und die Kosten sind relativ hoch, daher werden sie hauptsächlich in High-End-Anwendungen oder bei hochwertigen Komponenten eingesetzt.
Herstellungsprozess von TiN-Beschichtungen
Es gibt zwei Hauptmethoden zur Herstellung von TiN-Beschichtungen: physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Unter ihnen ist PVD das am häufigsten verwendete Verfahren. Im Folgenden werden diese beiden gängigen TiN-Beschichtungsverfahren jeweils vorgestellt.
1. Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)
PVD ist ein Verfahren, das feste Materialien durch physikalische Prozesse in den gasförmigen Zustand umwandelt und sie auf der Oberfläche des Substrats abscheidet, um einen dünnen Film zu bilden. Der PVD-Prozess wird häufig bei der Herstellung von TiN-Beschichtungen eingesetzt. Zu den gängigen PVD-Technologien gehören Verdampfungsabscheidung, Magnetron-Sputtern und Lichtbogenverdampfung.
(1) Verdampfungsabscheidungsverfahren: Durch Erhitzen von Titanmetall oder Titanlegierungen wird Titandampf verdampft und reagiert in einer Hochvakuumumgebung mit Stickstoff, um eine TiN-Beschichtung zu bilden.
(2) Magnetron-Sputterverfahren: Unter Verwendung von Magnetron-Sputteranlagen wird das Titanziel mit hochenergetischen Ionen bombardiert, um Titanatome freizusetzen, die mit Stickstoffmolekülen in einer Stickstoffatmosphäre reagieren und auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden werden, um einen TiN-Film zu bilden.
(3) Lichtbogenverdampfungsverfahren: Das Titanziel wird durch Lichtbogenentladung erhitzt, sodass das Titanzielmaterial verdampft und mit Stickstoff reagiert, um eine TiN-Beschichtung abzuscheiden.
Das PVD-Verfahren kann hochwertige, gleichmäßige Beschichtungen erzeugen, und die Prozessbedingungen sind mild, was für verschiedene Substrate geeignet ist.
2. Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
CVD ist ein Verfahren zur Abscheidung einer Beschichtung auf der Oberfläche eines Substrats durch chemische Reaktion unter Verwendung gasförmiger Vorläufer. Im CVD-Prozess werden Titandampf und Stickstoffdampf in die Reaktionskammer eingeführt und reagieren nach Erwärmung oder Plasmaanregung, um eine TiN-Beschichtung zu bilden.
(1) Niederdruck-Chemische Gasphasenabscheidung (LPCVD): Eine chemische Reaktion wird in einer Niederdruckumgebung durchgeführt, um eine hochwertige TiN-Beschichtung abzuscheiden, die für die Massenproduktion geeignet ist.
(2) Chemische Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD): Die Abscheidung erfolgt unter atmosphärischen Druckbedingungen, was für einige spezielle Anwendungen geeignet ist, aber aufgrund der erforderlichen hohen Temperatur wird sie häufig für großformatige Teile oder Werkstücke verwendet, die dickere Beschichtungen erfordern.
Obwohl der CVD-Prozess dickere Beschichtungen erzeugen kann, erfordert er eine höhere Temperatur und hat höhere Anforderungen an die Ausrüstung. Daher wird in einigen Fällen häufiger das PVD-Verfahren verwendet.
Anwendungsfelder der TiN-Beschichtung
Die breite Anwendung der TiN-Beschichtung verbessert nicht nur die Leistung von Werkzeugen, sondern fördert auch die technologische Entwicklung in vielen Branchen. Die folgenden sind die Hauptanwendungsfelder der TiN-Beschichtung:
1. Schneidwerkzeuge
TiN-Beschichtung wird häufig auf Metall-Schneidwerkzeugen wie Messern, Bohrern und Fräsern verwendet, um deren Verschleißfestigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit zu verbessern. TiN-Beschichtung kann die Reibung beim Schneiden reduzieren und die Wärmeansammlung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück verringern, wodurch die Lebensdauer des Werkzeugs verlängert und die Verarbeitungseffizienz verbessert wird.
2. Präzisionsformen
TiN-Beschichtung kann die Verschleißfestigkeit der Formoberfläche verbessern, die Reibung zwischen der Form und Kunststoff oder Metall reduzieren und die Verschleißrate der Form verringern, insbesondere bei Kunststoffformen und Aluminiumlegierungs-Druckgussformen.
3. Medizinische Geräte
TiN-Beschichtung hat wichtige Anwendungen in medizinischen Geräten, insbesondere in chirurgischen Messern, Dentalwerkzeugen, chirurgischen Instrumenten und anderen Bereichen. TiN-Beschichtung kann die Verschleißfestigkeit und Biokompatibilität des Instruments verbessern und gleichzeitig aufgrund ihres goldenen Aussehens die Ästhetik des Instruments erhöhen.
4. Automobilteile
TiN-Beschichtung wird häufig an Schlüsselkomponenten wie Motorteilen und Bremssystemen von Fahrzeugen eingesetzt, um die Verschleißfestigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, die Lebensdauer der Teile zu verlängern und die Gesamtleistung zu verbessern.
5. Dekorative Beschichtung
Aufgrund ihres schönen goldenen Glanzes wird die TiN-Beschichtung auch häufig in dekorativen Teilen wie hochwertigen Accessoires, Uhren, Schmuck und Handyhüllen verwendet, die Schönheit und Funktionalität kombinieren.
Entwicklungstrend der TiN-Beschichtung
1. Multifunktionale Beschichtung: Forschung und Entwicklung neuer TiN-basierter Verbundbeschichtungen, wie TiAlN, TiSiN usw., um die umfassende Leistung der Beschichtungen zu verbessern.
2. Niedertemperatur-Beschichtungstechnologie: Entwicklung von Niedertemperatur-TiN-Beschichtungstechnologie, um die thermische Belastung des Substrats zu reduzieren und den Anwendungsbereich zu erweitern.
3. Nano-TiN-Beschichtung: Verwendung von Nanotechnologie zur Herstellung feinerer und gleichmäßigerer TiN-Beschichtungen, um die Härte und Verschleißfestigkeit der Beschichtung zu verbessern.
TiN-Beschichtungen werden aufgrund ihrer hervorragenden Härte, Verschleißfestigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit in der Bearbeitung, Medizin, Automobilindustrie und anderen Branchen weit verbreitet eingesetzt. Mit dem Fortschritt der Beschichtungstechnologie werden die Leistung und Anwendungsbereiche von TiN-Beschichtungen weiter ausgebaut. Durch kontinuierliche Innovation und Optimierung der Produktionsprozesse werden TiN-Beschichtungen der Industrie effizientere und wirtschaftlichere Lösungen bieten und die Entwicklung der Bearbeitung hin zu höherer Präzision und höherer Leistung fördern.
