Il nitruro di titanio (TiN) è un composto formato dalla reazione di titanio e azoto. È dorato o metallico, duro e resistente all'usura, e ha un'eccellente stabilità chimica e resistenza alle alte temperature. È un materiale di rivestimento duro molto importante, ampiamente utilizzato nella lavorazione dei metalli, nella produzione di utensili, nell'industria automobilistica, nell'aerospaziale, nelle apparecchiature mediche e in altri campi. Nell'industria della lavorazione, il rivestimento TiN viene utilizzato per migliorare la durata e l'efficienza di lavorazione degli utensili, specialmente in ambienti ad alto carico e alta temperatura.
Definizione e caratteristiche del rivestimento TiN
1. Definizione del rivestimento TiN
Il nitruro di titanio (TiN) è utilizzato nel processo PVD (deposizione fisica da vapore) utilizzando la tecnologia del catodo rotante trasversale. Il materiale evapora da una fonte solida sotto forma di atomi/molecole, e poi viene trasportato al substrato sotto forma di vapore attraverso gas/plasma a bassa pressione in vuoto e condensato sul substrato.
2. Proprietà fisiche e chimiche del rivestimento TiN
Durezza: La durezza del rivestimento TiN è alta fino a circa 2000 HV (durezza Vickers), il che migliora significativamente la resistenza all'usura e la durata del substrato.
Resistenza all'usura: Il rivestimento TiN ha una resistenza all'usura estremamente forte, che può estendere significativamente la durata degli utensili o delle parti e ridurre l'usura e i graffi.
Resistenza alle alte temperature: Il rivestimento TiN ha una resistenza alla temperatura molto buona e può resistere a temperature fino a 500-600°C, adatto per ambienti di lavoro ad alta temperatura.
Resistenza alla corrosione: TiN ha una buona resistenza alla corrosione e può resistere all'erosione di acidi, alcali e acqua salata, ed è adatto per ambienti chimici difficili.
Stabilità chimica: TiN ha una buona stabilità chimica e non è facile da reagire con altri prodotti chimici. È ampiamente utilizzato in ambienti con requisiti di lavorazione di precisione e resistenza alla corrosione chimica.
Coefficiente di attrito: Il rivestimento TiN riduce il coefficiente di attrito delle superfici metalliche, aiuta a ridurre l'attrito e la generazione di calore tra le parti, migliorando così l'efficienza d'uso delle parti.
Aspetto: TiN ha un colore dorato o metallico dorato, e la sua luminosità e lucentezza sono molto elevate, il che aumenta l'estetica. È spesso utilizzato per superfici di pezzi che richiedono bellezza e funzionalità, come gioielli di alta gamma, parti di orologi, accessori automobilistici, ecc.
Bassa energia superficiale: L'energia superficiale del rivestimento TiN è bassa, il che può ridurre efficacemente l'adesione del fluido di taglio e del pezzo durante la lavorazione, ridurre l'usura e l'adesione dell'utensile durante la lavorazione.
Protezione ambientale: Le tecnologie PVD e CVD non producono gas di scarico nocivi o inquinanti durante la deposizione dei rivestimenti TiN, quindi si comportano bene nella protezione ambientale.
3. Svantaggi dei rivestimenti TiN
Fragilità del rivestimento: Sebbene i rivestimenti TiN abbiano un'elevata durezza, la loro elevata durezza li rende anche più fragili e soggetti a cadere o staccarsi, specialmente quando sottoposti a grandi impatti o stress di flessione.
Limite di spessore del rivestimento: A causa della lenta velocità di deposizione del rivestimento delle tecnologie PVD e CVD, lo spessore dei rivestimenti TiN è solitamente compreso tra pochi micron e decine di micron, il che non è adatto per applicazioni che richiedono rivestimenti più spessi.
Alto costo: Il processo di deposizione dei rivestimenti TiN è relativamente complesso e il costo è relativamente alto, quindi sono principalmente utilizzati in applicazioni di fascia alta o componenti di alto valore.
Processo di preparazione del rivestimento TiN
Esistono due metodi principali per preparare il rivestimento TiN: deposizione fisica da vapore (PVD) e deposizione chimica da vapore (CVD). Tra questi, il PVD è il processo più comunemente utilizzato. Di seguito verranno introdotti questi due comuni metodi di preparazione del rivestimento TiN rispettivamente.
1. Deposizione fisica da vapore (PVD)
Il PVD è un metodo che converte materiali solidi in stato gassoso attraverso un processo fisico e li deposita sulla superficie del substrato per formare un film sottile. Il processo PVD è ampiamente utilizzato nella preparazione del rivestimento TiN. Le tecnologie PVD comuni includono la deposizione per evaporazione, la sputtering magnetron e l'evaporazione ad arco.
(1) Metodo di deposizione per evaporazione: Riscaldando il metallo di titanio o la lega di titanio, il vapore di titanio viene evaporato e reagisce con l'azoto in un ambiente ad alto vuoto per formare il rivestimento TiN.
(2) Metodo di sputtering magnetron: Utilizzando apparecchiature di sputtering magnetron, il bersaglio di titanio viene bombardato con ioni ad alta energia per rilasciare atomi di titanio, che reagiscono con molecole di azoto in un'atmosfera di azoto e vengono depositati sulla superficie del substrato per formare un film TiN.
(3) Metodo di evaporazione ad arco: Il bersaglio di titanio viene riscaldato mediante scarica ad arco, in modo che il materiale del bersaglio di titanio evapori e reagisca con l'azoto per depositare un rivestimento TiN.
Il metodo PVD può produrre rivestimenti di alta qualità e uniformi, e le condizioni del processo sono miti, il che è adatto per vari substrati.
2. Deposizione chimica da vapore (CVD)
La CVD è un metodo di deposizione di un rivestimento sulla superficie di un substrato mediante reazione chimica utilizzando precursori gassosi. Nel processo CVD, i gas sorgente di titanio e azoto vengono introdotti nella camera di reazione e reagiscono dopo il riscaldamento o l'eccitazione al plasma per formare un rivestimento TiN.
(1) Deposizione chimica da vapore a bassa pressione (LPCVD): Una reazione chimica viene effettuata in un ambiente a bassa pressione per depositare un rivestimento TiN di alta qualità, adatto alla produzione di massa.
(2) Deposizione chimica da vapore a pressione atmosferica (APCVD): La deposizione viene effettuata in condizioni di pressione atmosferica, adatta per alcune applicazioni speciali, ma a causa dell'alta temperatura richiesta, è spesso utilizzata per parti o pezzi di grandi dimensioni che richiedono rivestimenti più spessi.
Sebbene il processo CVD possa produrre rivestimenti più spessi, richiede una temperatura più alta e ha requisiti di attrezzature più elevati. Pertanto, in alcuni casi, il processo PVD è più comunemente utilizzato.
Campi di applicazione del rivestimento TiN
L'ampia applicazione del rivestimento TiN non solo migliora le prestazioni degli strumenti, ma promuove anche lo sviluppo della tecnologia in molte industrie. Di seguito sono riportati i principali campi di applicazione del rivestimento TiN:
1. Utensili da taglio
Il rivestimento TiN è spesso utilizzato su utensili da taglio in metallo come coltelli, trapani e frese per migliorare la loro resistenza all'usura e alle alte temperature. Il rivestimento TiN può ridurre l'attrito durante il taglio e ridurre l'accumulo di calore tra l'utensile e il pezzo, estendendo così la vita utile dell'utensile e migliorando l'efficienza di lavorazione.
2. Stampi di precisione
Il rivestimento TiN può migliorare la resistenza all'usura della superficie dello stampo, ridurre l'attrito tra lo stampo e la plastica o il metallo e ridurre il tasso di usura dello stampo, specialmente negli stampi in plastica e negli stampi per pressofusione in lega di alluminio.
3. Dispositivi medici
Il rivestimento TiN ha importanti applicazioni nei dispositivi medici, specialmente in coltelli chirurgici, strumenti dentali, strumenti chirurgici e altri campi. Il rivestimento TiN può migliorare la resistenza all'usura e la biocompatibilità dello strumento e, allo stesso tempo, grazie al suo aspetto dorato, aumenta l'estetica dello strumento.
4. Parti automobilistiche
Il rivestimento TiN è spesso utilizzato su parti chiave come parti del motore e sistemi frenanti automobilistici per migliorare la resistenza all'usura, la resistenza alle alte temperature e la resistenza alla corrosione, estendere la vita utile delle parti e migliorare le prestazioni complessive.
5. Rivestimento decorativo
Grazie alla sua bella lucentezza dorata, il rivestimento TiN è anche ampiamente utilizzato in parti decorative come accessori di alta gamma, orologi, gioielli e custodie per telefoni cellulari, combinando bellezza e funzionalità.
Tendenza di sviluppo del rivestimento TiN
1. Rivestimento multifunzionale: Ricerca e sviluppo di nuovi rivestimenti compositi a base di TiN, come TiAlN, TiSiN, ecc., per migliorare le prestazioni complessive dei rivestimenti.
2. Tecnologia di rivestimento a bassa temperatura: Sviluppare una tecnologia di rivestimento TiN a bassa temperatura per ridurre l'impatto termico sul substrato ed espandere il suo campo di applicazione.
3. Rivestimento Nano-TiN: Utilizzare la nanotecnologia per produrre rivestimenti TiN più delicati e uniformi per migliorare la durezza e la resistenza all'usura del rivestimento.
I rivestimenti TiN sono ampiamente utilizzati nella lavorazione, nel settore medico, automobilistico e in altre industrie grazie alla loro eccellente durezza, resistenza all'usura, resistenza alle alte temperature e resistenza alla corrosione. Con l'avanzamento della tecnologia di rivestimento, le prestazioni e le aree di applicazione dei rivestimenti TiN saranno ulteriormente ampliate. Attraverso l'innovazione continua e l'ottimizzazione dei processi di produzione, i rivestimenti TiN forniranno all'industria soluzioni più efficienti ed economiche, promuovendo lo sviluppo della lavorazione verso una maggiore precisione e prestazioni più elevate.
