Нитрид титана (TiN) — это соединение, образованное реакцией титана и азота. Оно золотистое или металлическое, твердое и износостойкое, обладает отличной химической стабильностью и термостойкостью. Это очень важный материал для твердых покрытий, широко используемый в металлообработке, производстве инструментов, автомобильной промышленности, аэрокосмической отрасли, медицинском оборудовании и других областях. В машиностроительной промышленности покрытие TiN используется для улучшения срока службы и эффективности обработки инструментов, особенно в условиях высокой нагрузки и высокой температуры.
Определение и характеристики покрытия TiN
1. Определение покрытия TiN
Нитрид титана (TiN) используется в процессе PVD (физическое осаждение из паровой фазы) с использованием технологии поперечного вращающегося катода. Материал испаряется из твердого источника в виде атомов/молекул, а затем транспортируется к подложке в виде пара через вакуумный низконапорный газ/плазму и конденсируется на подложке.
2. Физические и химические свойства покрытия TiN
Твердость: Твердость покрытия TiN составляет около 2000 HV (по Виккерсу), что значительно улучшает износостойкость и долговечность подложки.
Износостойкость: Покрытие TiN обладает чрезвычайно высокой износостойкостью, что может значительно продлить срок службы инструментов или деталей и уменьшить износ и царапины.
Термостойкость: Покрытие TiN обладает очень хорошей термостойкостью и может выдерживать температуры до 500-600°C, что делает его подходящим для работы в условиях высоких температур.
Коррозионная стойкость: TiN обладает хорошей коррозионной стойкостью и может противостоять эрозии кислот, щелочей и соленой воды, что делает его подходящим для суровых химических сред.
Химическая стабильность: TiN обладает хорошей химической стабильностью и не склонен к реакциям с другими химическими веществами. Он широко используется в условиях, требующих точной обработки и устойчивости к химической коррозии.
Коэффициент трения: Покрытие TiN снижает коэффициент трения металлических поверхностей, помогает уменьшить трение и тепловыделение между деталями, тем самым улучшая эффективность использования деталей.
Внешний вид: TiN имеет золотистый или металлический золотой цвет, и его яркость и блеск очень высоки, что увеличивает эстетику. Он часто используется для поверхностей изделий, требующих красоты и функциональности, таких как высококачественные ювелирные изделия, детали часов, автомобильные аксессуары и т. д.
Низкая энергия поверхности: Энергия поверхности покрытия TiN низкая, что может эффективно уменьшить адгезию режущей жидкости и изделия во время обработки, уменьшить износ и адгезию инструмента во время обработки.
Защита окружающей среды: Технологии PVD и CVD не производят вредных выхлопных газов или загрязняющих веществ при осаждении покрытий TiN, поэтому они хорошо проявляют себя в защите окружающей среды.
3. Недостатки покрытий TiN
Хрупкость покрытия: Хотя покрытия TiN обладают высокой твердостью, их высокая твердость также делает покрытия более хрупкими и склонными к отслаиванию или отшелушиванию, особенно при воздействии большого удара или изгибающего напряжения.
Ограничение толщины покрытия: Из-за медленной скорости осаждения покрытий PVD и CVD толщина покрытий TiN обычно составляет от нескольких микрон до десятков микрон, что не подходит для приложений, требующих более толстых покрытий.
Высокая стоимость: Процесс осаждения покрытий TiN относительно сложен, и стоимость относительно высока, поэтому они в основном используются в высококачественных приложениях или компонентах высокой стоимости.
Процесс подготовки покрытия TiN
Существует два основных метода подготовки покрытия TiN: физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Среди них PVD является наиболее часто используемым процессом. Далее будут представлены эти два общих метода подготовки покрытия TiN.
1. Физическое осаждение из паровой фазы (PVD)
PVD — это метод, который преобразует твердые материалы в газообразное состояние через физический процесс и осаждает их на поверхности подложки для формирования тонкой пленки. Процесс PVD широко используется в подготовке покрытия TiN. Общие технологии PVD включают испарительное осаждение, магнетронное распыление и дуговое испарение.
(1) Метод испарительного осаждения: Путем нагрева титана или титанового сплава испаряется титановый пар, который реагирует с азотом в условиях высокого вакуума для формирования покрытия TiN.
(2) Метод магнетронного распыления: Используя оборудование для магнетронного распыления, титановая мишень бомбардируется высокоэнергетическими ионами для высвобождения атомов титана, которые реагируют с молекулами азота в азотной атмосфере и осаждаются на поверхности подложки для формирования пленки TiN.
(3) Метод дугового испарения: Титановая мишень нагревается дуговым разрядом, так что материал титана испаряется и реагирует с азотом для осаждения покрытия TiN.
Метод PVD может производить высококачественные, равномерные покрытия, а условия процесса мягкие, что подходит для различных подложек.
2. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
CVD — это метод нанесения покрытия на поверхность подложки путем химической реакции с использованием газообразных прекурсоров. В процессе CVD газы источника титана и источника азота вводятся в реакционную камеру и реагируют после нагрева или плазменного возбуждения, образуя покрытие TiN.
(1) Химическое осаждение из паровой фазы при низком давлении (LPCVD): Химическая реакция проводится в условиях низкого давления для осаждения высококачественного покрытия TiN, что подходит для массового производства.
(2) Химическое осаждение из паровой фазы при атмосферном давлении (APCVD): Осаждение проводится при атмосферном давлении, что подходит для некоторых специальных применений, но из-за высокой требуемой температуры часто используется для крупных деталей или заготовок, требующих более толстых покрытий.
Хотя процесс CVD может производить более толстые покрытия, он требует более высокой температуры и имеет более высокие требования к оборудованию. Поэтому в некоторых случаях процесс PVD используется чаще.
Области применения покрытия TiN
Широкое применение покрытия TiN не только улучшает характеристики инструментов, но и способствует развитию технологий во многих отраслях. Ниже приведены основные области применения покрытия TiN:
1. Режущие инструменты
Покрытие TiN часто используется на металлорежущих инструментах, таких как ножи, сверла и фрезы, чтобы улучшить их износостойкость и термостойкость. Покрытие TiN может уменьшить трение во время резки и уменьшить накопление тепла между инструментом и заготовкой, тем самым продлевая срок службы инструмента и улучшая эффективность обработки.
2. Прецизионные формы
Покрытие TiN может улучшить износостойкость поверхности формы, уменьшить трение между формой и пластиком или металлом и снизить скорость износа формы, особенно в пластиковых формах и формах для литья под давлением из алюминиевых сплавов.
3. Медицинские устройства
Покрытие TiN имеет важные применения в медицинских устройствах, особенно в хирургических ножах, стоматологических инструментах, хирургических инструментах и других областях. Покрытие TiN может улучшить износостойкость и биосовместимость инструмента, а также благодаря своему золотистому внешнему виду увеличивает эстетичность инструмента.
4. Автомобильные детали
Покрытие TiN часто используется на ключевых частях, таких как детали двигателей и системы торможения автомобилей, для улучшения износостойкости, термостойкости и коррозионной стойкости, продления срока службы деталей и улучшения общей производительности.
5. Декоративное покрытие
Благодаря своему красивому золотистому блеску, покрытие TiN также широко используется в декоративных элементах, таких как высококачественные аксессуары, часы, ювелирные изделия и корпуса мобильных телефонов, сочетая красоту и функциональность.
Тенденции развития покрытия TiN
1. Многофункциональное покрытие: Исследовать и разрабатывать новые композитные покрытия на основе TiN, такие как TiAlN, TiSiN и т.д., чтобы улучшить комплексные характеристики покрытий.
2. Технология низкотемпературного покрытия: Разработать технологию низкотемпературного покрытия TiN, чтобы уменьшить тепловое воздействие на подложку и расширить область его применения.
3. Нано-покрытие TiN: Используйте нанотехнологии для производства более деликатных и равномерных покрытий TiN, чтобы улучшить твердость и износостойкость покрытия.
Покрытия TiN широко используются в машиностроении, медицине, автомобильной и других отраслях благодаря своей отличной твердости, износостойкости, термостойкости и коррозионной стойкости. С развитием технологий покрытия, производительность и области применения покрытий TiN будут расширяться. Через постоянные инновации и оптимизацию производственных процессов покрытия TiN предоставят промышленности более эффективные и экономичные решения и будут способствовать развитию машиностроения в направлении более высокой точности и производительности.
