El nitruro de titanio ( TiN ; a veces conocido como tinita ) es un material cerámico extremadamente duro , que a menudo se utiliza como recubrimiento de deposición física de vapor (PVD) sobre aleaciones de titanio , acero , carburo y componentes de aluminio para mejorar las propiedades de la superficie del sustrato.
Aplicado como una capa delgada, el TiN se utiliza para endurecer y proteger superficies cortantes y deslizantes, con fines decorativos (por su apariencia dorada) y como 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, una dureza de 31 ± 4 GPa, [6] un módulo de elasticidad de 550 ± 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. El TiN tiene un color marrón y parece dorado cuando se aplica como recubrimiento. Según pruebas de laboratorio, es químicamente estable a 20 °C, pero puede ser atacado lentamente por soluciones ácidas concentradas al aumentar la temperatura. [7] Dependiendo del material del sustrato y del acabado de la superficie, el TiN tendrá un coeficiente de fricción que oscila entre 0,4 y 0,9 contra otra superficie de TiN (no lubricada). La formación típica de TiN tiene una estructura cristalina de tipo NaCl con una estequiometría aproximadamente 1:1 ; Los compuestos de TiN x con x en el rango 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 películas delgadas de TiN se ha estudiado ampliamente, y las propiedades superconductoras varían mucho dependiendo de la preparación de la muestra, hasta la supresión completa de la superconductividad en una transición superconductor-aislante . [10] Una fina película de TiN se enfrió hasta casi el cero absoluto , convirtiéndola en el primer superaislante conocido , cuya resistencia 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]
Un uso bien conocido del recubrimiento de TiN es la retención de bordes y la resistencia a la corrosión en máquinas herramienta, como brocas y fresas , lo que a menudo mejora 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 usa ampliamente como revestimiento de capa superior, generalmente con sustratos chapados en níquel (Ni) o cromo (Cr), en accesorios de plomería y herrajes para puertas de consumo. Como recubrimiento 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 choque de los coches radiocontrolados . El TiN también se utiliza como capa protectora 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 facilita enormemente la eliminación de la acumulación de carbono. El TiN no es tóxico, cumple con las pautas de la FDA y se ha utilizado en dispositivos médicos como hojas de bisturí y hojas de sierra ortopédica para huesos , donde el filo y la retención de los bordes son importantes. [15] Los recubrimientos de TiN también se han utilizado en prótesis implantadas (especialmente implantes de reemplazo de cadera ) y otros implantes médicos.
Aunque son menos visibles, las películas delgadas de TiN también se usan 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 una barrera de difusión para bloquear la difusión del metal hacia el interior del circuito. silicio. En este contexto, el 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 de chip reciente 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 compuerta (por ejemplo, HfSiO) que tienen una permitividad mayor en comparación con el SiO 2 estándar , la longitud de la compuerta se puede reducir con fugas bajas , mayor corriente de accionamiento y el mismo o mejor voltaje umbral . [16] Además, actualmente se están considerando películas delgadas de TiN para recubrir aleaciones de circonio para combustibles nucleares tolerantes a accidentes. [17] [18] 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 [19] como en implantes inteligentes o biosensores in vivo que tienen que resistir la severa corrosión causada por los fluidos corporales . Los electrodos de TiN ya se han utilizado en el proyecto de prótesis subretinianas [20], así como en sistemas microelectromecánicos biomédicos ( BioMEMS ). [21]
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). [22] En ambos métodos, el titanio puro se sublima y se hace reaccionar con nitrógeno en un ambiente de vacío de alta energía . La película de TiN también se puede producir sobre piezas de Ti mediante crecimiento reactivo (por ejemplo, recocido ) en una atmósfera de nitrógeno . Se prefiere PVD para piezas de acero porque las temperaturas de deposición exceden la temperatura de austenitización del acero. Las capas de TiN también se pulverizan sobre una variedad de materiales con puntos de fusión más altos, como aceros inoxidables , titanio y aleaciones de titanio . [23] Su alto módulo de Young ( se han informado valores entre 450 y 590 GPa en la literatura [24] ) significa que los recubrimientos gruesos tienden a desprenderse, haciéndolos 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 empaquetando titanio metálico en polvo en la forma deseada, comprimiéndolo hasta 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 del nitruro en un artículo terminado y duro. Véase pulvimetalurgia .
Hay varias variantes de TiN utilizadas comercialmente 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 usar individualmente o en capas alternas con TiN. . Estos recubrimientos ofrecen mejoras similares o superiores en resistencia a la corrosión y dureza, y colores adicionales que van desde gris claro hasta casi negro, pasando por un púrpura oscuro, iridiscente y azulado, según el proceso exacto de aplicación. Estos recubrimientos se están volviendo comunes en artículos deportivos, particularmente cuchillos y pistolas , donde se usan por razones tanto estéticas como funcionales.
El nitruro de titanio también se produce intencionalmente, en algunos aceros, mediante la adición juiciosa de titanio a la aleación . El TiN se forma a temperaturas muy altas debido a su muy baja entalpía de formación , 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 los granos y en los puntos triples, e impide el crecimiento del grano mediante la 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 .