nitruro de titanio

El nitruro de titanio ( TiN ; a veces conocido como tinita ) es un material cerámico extremadamente duro , que se utiliza a menudo como recubrimiento mediante deposición física de vapor (PVD) sobre aleaciones de titanio , acero , carburo y componentes de aluminio para mejorar las propiedades superficiales del sustrato.

Aplicado como un recubrimiento delgado, el TiN se utiliza para endurecer y proteger superficies de corte y deslizamiento, con fines decorativos (por su apariencia dorada) y como revestimiento exterior no tóxico para implantes médicos . En la mayoría de las aplicaciones se aplica un recubrimiento de menos de 5 micrómetros (0,00020  pulgadas) . ^{[ 5 ]}

El TiN tiene una dureza Vickers de 1800–2100, dureza de31 ± 4  GPa , ^{[ 6 ]} un módulo de elasticidad de550 ± 50  GPa , ^{[ 6 ]} un coeficiente de expansión térmica de 9,35 × 10⁻⁶  K ⁻¹ , y una temperatura de transición superconductora de 5,6 K. ^{[ 7 ] [ 6 ]}

El TiN se oxida a 800  °C en atmósfera normal. Es químicamente estable a 20  °C, según pruebas de laboratorio, pero puede ser atacado lentamente por soluciones ácidas concentradas a medida que aumenta la temperatura. ^{[ 7 ]} El TiN tiene un color marrón y adquiere un tono dorado cuando se aplica como recubrimiento. Dependiendo del material del sustrato y del acabado superficial, el TiN tiene un coeficiente de fricción que varía de 0,4 a 0,9 contra otra superficie de TiN (sin lubricación). La formación típica de TiN tiene una estructura cristalina de tipo NaCl con una estequiometría aproximada de 1:1 ; sin embargo, los compuestos TiN _x con x que varía de 0,6 a 1,2 son termodinámicamente estables. ^{[ 8 ]}

El TiN se vuelve superconductor a temperaturas criogénicas, con una temperatura crítica de hasta 6,0  K para monocristales. ^{[ 9 ]} La superconductividad en películas delgadas de TiN se ha estudiado extensamente, y las propiedades superconductoras varían fuertemente dependiendo de la preparación de la muestra, hasta la supresión completa de la superconductividad en una transición superconductor-aislante . ^{[ 10 ]} Una película delgada de TiN se enfrió a casi cero absoluto , convirtiéndola en el primer superaislante conocido , con una resistencia que aumentó repentinamente en un factor de 100 000. ^{[ 11 ]}

La osbornita es una forma natural muy rara de nitruro de titanio, que se encuentra casi exclusivamente en meteoritos . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Broca con recubrimiento de TiN

Recubrimiento de TiCN gris oscuro en una navaja de bolsillo Gerber

Un uso conocido del recubrimiento de TiN es para la retención de filo y la resistencia a la corrosión en herramientas de máquinas, como brocas y fresas , lo que a menudo mejora su vida útil en un factor de tres o más. ^{[ 14 ]}

Debido a su color dorado metálico, el TiN se utiliza para recubrir bisutería y molduras de automóviles con fines decorativos. También se emplea ampliamente como recubrimiento de capa superior, generalmente sobre sustratos niquelados o cromados , en grifería y herrajes para puertas. Como recubrimiento, se utiliza en aplicaciones aeroespaciales y militares, así como para proteger las superficies deslizantes de las horquillas de suspensión de bicicletas y motocicletas , y los ejes de los amortiguadores de coches teledirigidos . Además, el TiN se utiliza como recubrimiento protector en las partes móviles de muchos rifles y armas de fuego semiautomáticas, ya que es extremadamente duradero. Su superficie es extremadamente lisa, lo que facilita enormemente la eliminación de la acumulación de carbono. El TiN no es tóxico, cumple con las directrices de la FDA ^{[ 15 ]} y se ha utilizado en dispositivos médicos como hojas de bisturí y hojas de sierra ortopédica para huesos , donde la nitidez y la retención del filo son importantes. ^{[ 16 ]} Los recubrimientos de TiN también se han utilizado en prótesis implantadas (especialmente implantes de reemplazo de cadera ) y otros implantes médicos.

Aunque menos visibles, las películas delgadas de TiN también se utilizan en microelectrónica , donde sirven como conexión conductora entre el dispositivo activo y los contactos metálicos utilizados para operar el circuito, al tiempo que actúan como barrera de difusión para bloquear la difusión del metal en el silicio. En este contexto, el TiN se clasifica como un "metal barrera" (resistividad eléctrica ~ 39  μΩ·cm ^{[ 2 ]} ), aunque es claramente una cerámica desde la perspectiva de la química o el comportamiento mecánico. El diseño reciente de chips en la  tecnología de 45 nm y más allá también utiliza TiN como "metal" para mejorar el rendimiento del transistor . En combinación con dieléctricos de puerta (por ejemplo, HfSiO ₄ ) que tienen una permitividad más alta en comparación con el SiO ₂ estándar , la longitud de la puerta se puede reducir con baja fuga , mayor corriente de conducción y el mismo o mejor voltaje umbral . ^{[ 17 ]} Además, las películas delgadas de TiN se están considerando actualmente para recubrir aleaciones de circonio para combustibles nucleares tolerantes a accidentes. ^{[ 18 ] [ 19 ]} También se utiliza como recubrimiento en algunos diafragmas de transductores de compresión para mejorar el rendimiento.

Debido a su alta bioestabilidad, las capas de TiN también pueden utilizarse como electrodos en aplicaciones bioelectrónicas ^{[ 20 ]} , como en implantes inteligentes o biosensores in vivo que deben soportar la corrosión severa causada por los fluidos corporales . Los electrodos de TiN ya se han aplicado en el proyecto de prótesis subretiniana ^{[ 21 ]} , así como en sistemas microelectromecánicos biomédicos ( BioMEMS ) ^{[ 22 ]} .

Los métodos más comunes para la creación de películas delgadas de TiN son la deposición física de vapor (PVD, generalmente deposición por pulverización catódica , deposición por arco catódico o calentamiento por haz de electrones ) y la deposición química de vapor (CVD). ^{[ 23 ]} En ambos métodos, el titanio puro se sublima y reacciona con nitrógeno en un entorno de vacío de alta energía . La película de TiN también puede producirse en piezas de trabajo de Ti mediante crecimiento reactivo (por ejemplo, recocido ) en una atmósfera de nitrógeno . La PVD es preferida para piezas de acero porque las temperaturas de deposición superan la temperatura de austenización del acero. Las capas de TiN también se pulverizan sobre una variedad de materiales de punto de fusión más alto, como aceros inoxidables , titanio y aleaciones de titanio . ^{[ 24 ]} Su alto módulo de Young ( se han reportado valores entre 450 y 590 GPa en la literatura ^{[ 25 ]} ) significa que los recubrimientos gruesos tienden a desprenderse, lo que los hace mucho menos duraderos que los delgados. Los recubrimientos de nitruro de titanio también se pueden depositar mediante pulverización térmica , mientras que los polvos de TiN se producen mediante nitruración de titanio con nitrógeno o amoníaco a 1200 °C. ^{[ 7 ]}  

Los objetos cerámicos a granel se pueden fabricar compactando titanio metálico en polvo hasta obtener la forma deseada, comprimiéndolo hasta alcanzar la densidad adecuada y, posteriormente, calentándolo en una atmósfera de nitrógeno puro. El calor liberado por la reacción química entre el metal y el gas es suficiente para sinterizar el producto de la reacción de nitruración y convertirlo en un objeto duro y acabado. Véase metalurgia de polvos .

Existen varias variantes de TiN de uso comercial desarrolladas desde 2010, como el carbonitruro de titanio (TiCN), el nitruro de titanio y aluminio (TiAlN o AlTiN) y el nitruro de carbono de titanio y aluminio, que pueden utilizarse individualmente o en capas alternas con TiN. Estos recubrimientos ofrecen mejoras similares o superiores en resistencia a la corrosión y dureza, además de colores adicionales que van desde el gris claro hasta casi el negro, pasando por un azul violáceo oscuro e iridiscente , según el proceso de aplicación. Estos recubrimientos se están volviendo comunes en artículos deportivos, especialmente cuchillos y pistolas , donde se utilizan tanto por razones estéticas como funcionales.

El nitruro de titanio también se produce intencionalmente, en algunos aceros, mediante la adición controlada de titanio a la aleación . El TiN se forma a temperaturas muy elevadas debido a su muy baja entalpía de formación , e incluso nuclea directamente desde el metal fundido en la fabricación secundaria de acero. Forma partículas cúbicas discretas de tamaño micrométrico en los límites de grano y los puntos triples, e impide el crecimiento de grano por maduración de Ostwald hasta temperaturas homólogas muy elevadas . El nitruro de titanio tiene el menor producto de solubilidad de cualquier nitruro o carburo metálico en austenita, una característica útil en las fórmulas de aceros microaleados .