El nitruro de titanio ( TiN ; a veces conocido como tinita ) es un material cerámico extremadamente duro, a menudo utilizado como recubrimiento de deposición física de vapor (PVD) en aleaciones de titanio , acero , carburo y componentes de aluminio para mejorar las propiedades de la superficie del sustrato.
El TiN se aplica como una capa fina para endurecer y proteger superficies de corte y deslizamiento, con fines decorativos (por su aspecto dorado) y como revestimiento exterior no tóxico para implantes médicos . En la mayoría de las aplicaciones se aplica una capa de menos de 5 micrómetros (0,00020 pulgadas) . [5]
El TiN tiene una dureza Vickers de 1800-2100, una 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 una atmósfera normal. Es químicamente estable a 20 °C, según pruebas de laboratorio, pero puede ser atacado lentamente por soluciones ácidas concentradas con temperaturas en aumento. [7] El TiN tiene un color marrón y parece dorado cuando se aplica como revestimiento. Dependiendo del material del sustrato y del acabado de la superficie, el TiN tiene un coeficiente de fricción que varía de 0,4 a 0,9 contra otra superficie de TiN (no lubricada). La formación típica de TiN tiene una estructura cristalina de tipo NaCl con una estequiometría de aproximadamente 1:1 ; los compuestos de TiN x con x que varían de 0,6 a 1,2 son, sin embargo, 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 TiN en película delgada se ha estudiado ampliamente, con propiedades superconductoras que 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 hasta casi el cero absoluto , convirtiéndola en el primer superaislante conocido , con una resistencia que aumenta 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]
Un uso bien conocido del recubrimiento de TiN es la retención de bordes y la resistencia a la corrosión en herramientas para máquinas, como brocas y fresas , mejorando a menudo su vida útil en un factor de tres o más. [14]
Debido al color dorado metálico del TiN, este material se utiliza para recubrir bisutería y molduras de automóviles con fines decorativos. El TiN también se utiliza ampliamente como revestimiento de capa superior, generalmente con sustratos niquelados o cromados , en accesorios de plomería de consumo y herrajes de puertas. Como revestimiento, se utiliza en aplicaciones aeroespaciales y militares y para proteger las superficies deslizantes de las horquillas de suspensión de bicicletas y motocicletas , así como los ejes de amortiguación de los automóviles radiocontrolados . El TiN también se utiliza como revestimiento protector en las partes móviles de muchos rifles y armas de fuego semiautomáticas, ya que es extremadamente duradero. Además de ser duradero, también es extremadamente suave, lo que hace que la eliminación de la acumulación de carbono sea extremadamente fácil. El TiN no es tóxico, cumple con las pautas de la FDA [15] y se ha utilizado en dispositivos médicos como hojas de bisturí y hojas de sierra para huesos ortopédicas , 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 una conexión conductora entre el dispositivo activo y los contactos metálicos utilizados para operar el circuito, al tiempo que actúan como una barrera de difusión para bloquear la difusión del metal en el silicio. En este contexto, TiN se clasifica como un "metal de barrera" (resistividad eléctrica ~ 25 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 hace uso de TiN como un "metal" para mejorar el rendimiento del transistor . En combinación con dieléctricos de compuerta (por ejemplo, HfSiO 4 ) que tienen una permitividad más alta en comparación con SiO 2 estándar , la longitud de la compuerta se puede reducir con baja fuga , mayor corriente de accionamiento y el mismo o mejor voltaje de umbral . [17] Además, actualmente se están considerando películas delgadas de TiN para recubrir aleaciones de circonio para combustibles nucleares tolerantes a accidentes. [18] [19] También se utiliza como revestimiento en algunos diafragmas de controladores de compresión para mejorar el rendimiento.
Debido a su alta bioestabilidad, las capas de TiN también pueden usarse como electrodos en aplicaciones bioelectrónicas [20] como en implantes inteligentes o biosensores in vivo que deben soportar la corrosión severa causada por fluidos corporales . Los electrodos de TiN ya se han aplicado en el proyecto de prótesis subretinal [21] así como en sistemas microelectromecánicos biomédicos ( BioMEMS ). [22]
Los métodos más comunes de creación de películas delgadas de TiN son la deposición física de vapor (PVD, generalmente deposición 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 se puede producir en piezas de trabajo de Ti mediante crecimiento reactivo (por ejemplo, recocido ) en una atmósfera de nitrógeno . La PVD se prefiere para piezas de acero porque las temperaturas de deposición exceden 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 informado 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]
Se pueden fabricar objetos cerámicos a granel compactando titanio metálico en polvo en la forma deseada, comprimiéndolo hasta obtener la densidad adecuada y luego encendiéndolo 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 nitruro y convertirlo en un artículo duro y terminado. Véase pulvimetalurgia .
Existen varias variantes de TiN que se utilizan comercialmente y que se han desarrollado desde 2010, como el nitruro de titanio y carbono (TiCN), el nitruro de titanio y aluminio (TiAlN o AlTiN) y el nitruro de titanio y aluminio y carbono, que se pueden utilizar de forma individual o en capas alternas con TiN. Estos recubrimientos ofrecen mejoras similares o superiores en cuanto a resistencia a la corrosión y dureza, y colores adicionales que van desde el gris claro hasta casi el negro, pasando por un morado azulado oscuro e iridiscente , según el proceso exacto de aplicación. Estos recubrimientos se están volviendo comunes en artículos deportivos, en particular cuchillos y pistolas , donde se utilizan tanto por razones estéticas como funcionales.
El nitruro de titanio también se produce intencionalmente, dentro de algunos aceros, mediante la adición juiciosa de titanio a la aleación . El TiN se forma a temperaturas muy altas debido a su entalpía de formación muy baja , e incluso se nuclea directamente a partir de la masa fundida en la fabricación secundaria de acero. Forma partículas cúbicas discretas de tamaño micrométrico en los límites de grano y puntos triples, y evita el crecimiento del grano por maduración de Ostwald hasta temperaturas homólogas muy altas. El nitruro de titanio tiene el producto de solubilidad más bajo de cualquier nitruro o carburo metálico en austenita, un atributo útil en fórmulas de acero microaleado .