https://wiki-de.moshellshocker.dns64.de/index.php?action=history&feed=atom&title=TitannitridTitannitrid - Versionsgeschichte2026-06-01T15:30:52ZVersionsgeschichte dieser Seite in Wikipedia (Deutsch) – Lokale KopieMediaWiki 1.43.8https://wiki-de.moshellshocker.dns64.de/index.php?title=Titannitrid&diff=26348&oldid=previmported>ChemoBot: Entferne Parameter „Suchfunktion“ aus {{Infobox Chemikalie}} und bereinige Leerzeilen2026-01-23T20:12:25Z<p>Entferne Parameter „Suchfunktion“ aus {{Infobox Chemikalie}} und bereinige Leerzeilen</p>
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| Strukturformel = [[Datei:NaCl polyhedra.svg|250px|Kristallstruktur von Titannitrid]]<br />
| Kristallstruktur = Ja<br />
| Strukturhinweis = {{Farbe|#C0C0C0|Kreis=1}} [[Titan (Element)|Ti]]<sup>3+</sup> {{0}} {{Farbe|#00FF00|Kreis=1}} [[Stickstoff|N]]<sup>3−</sup><br />
| Name = Titannitrid<br />
| Andere Namen = <br />
| Summenformel = TiN<br />
| CAS = {{CASRN|25583-20-4}}<br />
| EG-Nummer = 247-117-5<br />
| ECHA-ID = 100.042.819<br />
| PubChem = 93091<br />
| ChemSpider = 84040<br />
| Beschreibung = goldgelbe Kristalle<ref name="roempp">{{RömppOnline|ID=RD-20-01908|Name=Titannitrid|Abruf=2014-06-01}}</ref><br />
| Molare Masse = 61,91 [[Gramm|g]]·[[mol]]<sup>−1</sup><br />
| Aggregat = fest<br />
| Dichte = 5,22 g·[[Meter|cm]]<sup>−3</sup><ref name="alfa">{{Alfa|14510|Name=Titanium nitride, 99.7% (metals basis)|Abruf=2019-12-06}}</ref><br />
| Schmelzpunkt = 2950 [[Grad Celsius|°C]]<ref name="alfa" /><br />
| Siedepunkt = <br />
| Dampfdruck = <br />
| Löslichkeit = nahezu unlöslich in Wasser<ref name="roempp" /><br />
| Quelle GHS-Kz = <ref name="alfa" /><br />
| GHS-Piktogramme = {{GHS-Piktogramme|-}}<br />
| GHS-Signalwort = <br />
| H = {{H-Sätze|-}}<br />
| EUH = {{EUH-Sätze|-}}<br />
| P = {{P-Sätze|-}}<br />
| Quelle P = <ref name="alfa" /><br />
| MAK = <br />
}}<br />
<br />
'''Titannitrid''' ist eine [[chemische Verbindung]] der beiden [[Chemisches Element|Elemente]] [[Titan (Element)|Titan]] und [[Stickstoff]] mit der [[Verhältnisformel]] TiN. Es ist ein metallischer [[Hartstoff]] von typisch goldgelber Farbe. Das [[Technische Keramik|keramische Material]] zeichnet sich durch sehr große [[Härte]] und [[Korrosion]]sbeständigkeit aus, woraus sich eine Reihe technischer Anwendungen ergeben.<br />
<br />
In der Natur ist Titannitrid als seltenes Meteoritenmineral [[Osbornit]] bekannt.<ref>''Osbornite.'' In: John W. Anthony, Richard A. Bideaux, Kenneth W. Bladh, Monte C. Nichols (Hrsg.): ''Handbook of Mineralogy, Mineralogical Society of America.'' 2001 ([http://www.handbookofmineralogy.org/pdfs/osbornite.pdf PDF 60 kB])</ref><br />
<br />
== Gewinnung und Darstellung ==<br />
Titannitrid wird in der Regel in Form mikrometer-dünner Beschichtungen hergestellt, seltener als keramischer Körper oder als Pulver.<br />
Eine Herstellung aus den Elementen ist bei Temperaturen oberhalb von 1200&nbsp;°C möglich, wobei auf den Ausschluss von Luft[[sauerstoff]] und Feuchtigkeit geachtet werden muss, was verfahrenstechnisch aufwendig ist. Dieser Prozess der direkten [[Nitridierung]] des Titans wird durch folgende Reaktionsgleichung beschrieben:<br />
<br />
:<math>\mathrm{2 \ Ti + N_2 \longrightarrow 2 \ TiN}</math><br />
<br />
Eine weitere Möglichkeit, Titannitrid herzustellen, ist die [[Gasphasenammonolyse]] bei Temperaturen oberhalb 900&nbsp;°C. Dabei wird das im [[Titantetrachlorid]] enthaltene [[Titan (Element)|Titan]] von der [[Oxidationsstufe]] +4 auf +3 im Titannitrid reduziert. Als Elektronenlieferant dient der [[Stickstoff]] aus [[Ammoniak]]. Ähnlich wie bei der direkten [[Nitridierung]] des Titans muss auf Ausschluss von Sauerstoff und Feuchtigkeit geachtet werden. Die Gasphasenammonolyse kann durch folgende Reaktionsgleichung beschrieben werden:<br />
<br />
:<math>\mathrm{4 \ TiCl_4 + 6 \ NH_3 \longrightarrow 4 \ TiN + 16 \ HCl + N_2 + H_2}</math><br />
<br />
Im Überschuss von [[Ammoniak]] bildet sich [[Ammoniumchlorid]].<br />
; Die folgenden Verfahren beziehen sich auf die Erzeugung von TiN zu Beschichtungszwecken:<br />
* Die direkte [[Nitridierung]] von [[Titan (Element)|Titan]] erfolgt in einer KCN/K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>-[[Salzschmelze]]. Gängige Verfahren sind dabei das Einsatzhärten im cyanidhaltigen Salzbad (TIDURAN-Verfahren), das Hochdrucknitridieren (TIDUNIT-Verfahren) und das Plasmanitrieren in einer Wasserstoff/Stickstoff Atmosphäre. Eine durch Nitridierung gewonnene Schutzschicht besteht in der Regel aus einer ca. 10&nbsp;μm dicken Verbindungsschicht und einer 50–200&nbsp;μm dicken Diffusionsschicht. Beim Plasmanitrieren ist es möglich, einen Schichtaufbau ohne Verbindungsschicht zu erhalten.<br />
* Synthese aus Titanchlorid und Stickstoff durch Wasserstoff-[[Plasmabeschichtung]] (Dünnschichten) entsprechend der Reaktionsgleichung:<br />
<br />
:<math>\mathrm{2 \ TiCl_4 + 4 \ H_2 + N_2 \longrightarrow 2 \ TiN + 8 \ HCl}</math><br />
<br />
* Dünne Schichten, die auf SiO<sub>2</sub> [[Halbleiter]]eigenschaften besitzen, lassen sich durch [[chemische Gasphasenabscheidung]] (CVD) mit [[TDMAT]] erzeugen.<br />
<br />
[[Datei:TiN.jpg|mini|300px|Titan-Nitrid-Schichten mit steigendem Stickstoffgehalt durch Sputtern erzeugt]]<br />
<br />
* Dünne Schichten lassen sich ebenso auf [[Metall]]en und einigen [[Polymer]]en abscheiden, vornehmlich durch physikalische Abscheidung aus der Gasphase ([[Physikalische Gasphasenabscheidung|PVD-Verfahren]]), z.&nbsp;B. durch [[Sputtern]]<ref>{{Literatur|Autor=Benedikt Martin|Titel=Herstellung und Charakterisierung gesputterter TiN-Schichten auf Kupferwerkstoffen|Reihe =Berichte aus der Fertigungstechnik |Verlag =Shaker |Ort=Aachen|Jahr=1994|ISBN =3-86111-950-1 |Kommentar=Zugleich: Stuttgart, Universität, Dissertation, 1994}}</ref>. Hierbei wird eine [[Titan (Element)|Titanplatte]] mit [[Edelgas]]ionen ([[Argon]]) beschossen, woraufhin sich Titan-Atome und [[Stickstoff]] aus der Sputteratmosphäre auf den Substraten niederschlagen. Die Konzentration des Stickstoffs in der Atmosphäre bestimmt dabei die nachherige Konzentration in der entstehenden Schicht. Es sind von reinem Titan über epsilon-Ti<sub>2</sub>N und dem stöchiometrischen TiN auch Schichten mit mehr Stickstoff als Titan abscheidbar. Abhängig vom Stickstoffgehalt variieren die physikalischen Eigenschaften zwischen denen von reinem Titan und Titan-Nitrid (TiN). Überstöchiometrische Schichten zeigen neben einer bronzebraunen Färbung eine Härte, die nur etwa halb so groß ist wie die von TiN.<br />
<br />
Die Herstellung keramischer Körper gestaltet sich schwierig, da reines TiN aufgrund seines hohen [[Kovalente Bindung|kovalenten]] Bindungscharakters nur eine geringe [[Sintern|Sinteraktivität]] besitzt. Daher sind Verdichtung der TiN-Formkörper, der Einsatz von Sinteradditiven und externer Druck erforderlich. Ohne diesen Druck erreichen die Keramiken nicht die theoretische Dichte und andere vorteilhafte Eigenschaften. Es sind aber Verfahren bekannt, die durch extrem feine, sogenannte ''nanoskalige Pulver'' als Ausgangsmaterial diese hohen Pressdrücke vermeiden.<br />
<br />
== Eigenschaften ==<br />
=== Physikalische Eigenschaften ===<br />
[[Datei:Titanium nitride TiN.jpg|mini|Titannitrid als Pulver]]<br />
<br />
TiN weist eine [[Einlagerungsmischkristall|Einlagerungsstruktur]] auf und kristallisiert im [[Natriumchlorid-Struktur|Kochsalzgitter]], wobei die Titanatome ein flächenzentriertes kubisches Gitter bilden und die kleinen Stickstoffatome in den [[Oktaederlücke]]n der Basisstruktur eingelagert werden. Die diesen metallischen Hartstoff charakterisierende [[Kristallstruktur]] ist nur im Verbund und nicht in Gestalt einzelner Moleküle existent, was sich in seiner Unlösbarkeit in fast allen, selbst aggressiven Lösungsmitteln widerspiegelt. Die hohe [[Härte]] ist höher als jene der meisten metallischen Werkstoffe, wird allerdings von [[Titancarbid]] noch übertroffen. Die Härte liegt bei 2450 HV (zum Vergleich Aluminiumoxid 2100 HV, Titancarbid bis zu 4000 HV). TiN hat einen sehr hohen [[Schmelzpunkt]], aber keinen Siedepunkt, da eine vorzeitige Zersetzung erfolgt. Das Material besitzt gute [[Reibung]]seigenschaften und ist daher für Systeme mit besonderen Anforderungen an geringem [[Verschleiß]] interessant. Die Haftung auf anderen Materialien ist sehr gering. Im Gegensatz zu nichtmetallischen Hartstoffen wie [[Diamant]], [[Borcarbid|B<sub>4</sub>C]] oder [[Siliciumcarbid]] zeigt TiN ausgeprägtes metallisches Verhalten, wie die Leitfähigkeit für elektrischen Strom. Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands ist positiv und das magnetische Verhalten ist durch einen schwachen, von der Temperatur abhängigen [[Paramagnetismus]] gekennzeichnet. Bei einer Temperatur von T&nbsp;=&nbsp;4,86&nbsp;K ist TiN [[Supraleiter|supraleitend]]. Bei Temperaturen zwischen 20 und 70 [[Kelvin|Millikelvin]] und einem äußeren Magnetfeld von 0,9 Tesla bricht die Supraleitfähigkeit jedoch zusammen und geht in einen [[Superisolator|superisolierenden Zustand]] über, der erst bei höheren elektrischen Feldstärken zusammenbricht. TiN besitzt ein hohes Reflexionsvermögen für [[Infrarotstrahlung]], sein Reflexionsspektrum ist ähnlich dem von [[Gold]].<br />
<br />
Durch die Zugabe von wenigen Atomprozent [[Silicium|amorphem Silicium]] zu Titannitrid können extreme Veränderungen der mechanischen Eigenschaften (Steigerung von Härte und Bruchzähigkeit) erzielt werden.<br />
<br />
Die hohe technische Leistungsfähigkeit dieses Materials wird durch seine [[Sprödigkeit]] gemindert, weshalb es hauptsächlich in Form von feinen Beschichtungen verwendet wird.<br />
<br />
; Weitere physikalische Eigenschaften:<br />
* [[Wärmeleitfähigkeit]]: 29,1 W·m<sup>−1</sup>·K<sup>−1</sup><br />
* [[Hall-Konstante]]: 0,67<br />
* [[Magnetische Suszeptibilität]]: + 0,8<br />
* [[spezifischer Widerstand]]: 20 µΩ cm<br />
<br />
=== Chemische Eigenschaften ===<br />
Titannitrid ist grundsätzlich extrem reaktionsträge. Die Substanz wird erst bei Temperaturen von über 600&nbsp;°C an der Luft allmählich angegriffen und erst bei 1200&nbsp;°C in O<sub>2</sub>- oder CO<sub>2</sub>-Atmosphären rasch oxidiert. In heißer [[Alkalilauge]] erfolgt eine Zersetzung unter Bildung von [[Ammoniak]].<br />
<br />
* chemische Beständigkeit: beständig gegen kalte [[Salzsäure]], [[Schwefelsäure]], [[Salpetersäure]], [[Flusssäure]], [[Kalilauge]], [[Natronlauge]] und auch gegen [[Wasserdampf]] von 100&nbsp;°C; stabil gegen reaktive Metallschmelzen.<br />
<br />
== Verwendung ==<br />
[[Datei:Titanium nitride coating.jpg|mini|Titannitridbeschichtung auf [[Schnellarbeitsstahl|HSS]]-Bohrer]]<br />
[[Datei:TiNCoatedPunches NanoShieldPVD Thailand.JPG|mini|[[Stanzen (Technik)|Stanzwerkzeug]]]]<br />
[[Datei:WendeschneidplatteGewinde.jpg|mini|Wendeschneidplatte]]<br />
Häufig steht im Vordergrund von Titannitridbeschichtungen, die Lebensdauer von Produkten und damit ihre [[Wirtschaftlichkeit]] zu erhöhen. Diese allgemein der Produktveredelung dienenden goldfarbenen Schichten sind üblicherweise sehr dünn. Typische technische Beschichtungen sind nicht dicker als 4&nbsp;[[Meter#Mikrometer|µm]] – dickere Schichten wären gegenüber Rissbildung anfällig. Der Basiswerkstoff muss zudem tragfähig sein (hohe [[Druckfestigkeit]]), damit bei einer Punktbelastung die Schicht nicht einbricht.<br />
<br />
* TiN dient zur Beschichtung von [[Schneidstoff|Werkzeugwerkstoffen]], besonders für [[Schnellarbeitsstahl]] und Waffen, um deren [[Verschleiß]]schutz und Kratzfestigkeit zu steigern. Beschichtet werden vor allem Werkzeuge zum [[Trennverfahren (Fertigungstechnik)|Trennen]] von Materialien, wie [[Bohrer]], [[Stanzen (Technik)|Stanzwerkzeug]] und [[Fräswerkzeug|Fräser]].<br />
* Seine Belastbarkeit, der geringe Verschleiß, gepaart mit guter Abfuhr der [[Dissipation|Reibungswärme]] qualifizieren das Material zur Verwendung als [[Lager (Maschinenelement)|Lagerwerkstoff]] in Feinmaschinenlagern und Wälzlagern.<br />
* Seine Antihaft-Eigenschaften ermöglichen den Einsatz als Hochtemperatur[[trennmittel]].<br />
* TiN wird aufgrund seiner guten Gleiteigenschaften und durch sein geringes [[Losbrechmoment]] auch als Beschichtung von Gleitrohren in der Stoßdämpfertechnik und in der Hydraulik verwendet.<br />
* Die exzellente Temperaturbeständigkeit ermöglicht das [[Sintern]] von [[Hartmetall]]pulvern.<br />
* Aufgrund seiner [[Biokompatibilität]] ist ein Einsatz bei medizinischen und chirurgischen Instrumenten zweckmäßig. Auch bei [[Implantat]]en (als Beispiel seien Herzschrittmacherelektroden genannt) kommt diese Stoffeigenschaft zum Tragen.<br />
* TiN besitzt neben seiner Verschleißfestigkeit auch dekorative Eigenschaften und wird deshalb auch auf Gebrauchsgütern aufgebracht. Beispiele sind Brillengestelle, Uhren und Armbänder, Bestecke.<br />
* TiN kann als [[Additiv]] verwendet werden, um die [[elektrische Leitfähigkeit]] technischer [[Keramik]]en zu erhöhen.<br />
* Das Material wird in der [[Halbleitertechnik]] als Barrieren-Material verwendet, da es das Eindringen von Metallatomen in Silicium zu verhindern vermag, aber gleichzeitig eine gewisse elektrische Leitung zwischen zwei zu trennenden Komponenten aufrechterhält.<br />
* TiN-Ausscheidungen spielen eine wichtige Rolle bei der Herstellung von mikrolegierten Stählen. Durch den hohen Schmelzpunkt von TiN können solche Ausscheidungen das Austenitkornwachstum auch bei hohen Temperaturen hemmen.<br />
<br />
== Titannitrid in Additiver Fertigung und Pulvermetallurgie ==<br />
<br />
Werden Pulver titanhaltiger Legierungen thermisch bearbeitet, bildet sich in Gegenwart von Stickstoff Titannitrid. Dies ist unerwünscht, da es zu Mikrorissen führen kann. Daher wird zum einen stets unter Argon-Schutzgasatmosphäre gearbeitet und zum anderen soll der Stickstoffgehalt der Pulver selbst gesenkt werden.<ref>[http://www.maschinenmarkt.vogel.de/forschung/articles/509618/ maschinenmarkt.vogel.de], abgerufen am 1. Dezember 2015.</ref><br />
<br />
== Sicherheitshinweise ==<br />
Von Titannitrid geht praktisch keinerlei Gefahr aus, da es unbrennbar, ungiftig und darüber hinaus biokompatibel ist. Titannitrid ist im Sinne der EG-Richtlinien kein gefährlicher Stoff und nicht kennzeichnungspflichtig. Es wird als nicht wassergefährdend eingestuft. Als [[Feinstaub]] wäre TiN – wie alle anderen Stoffe auch – problematisch. Hier gilt ein Wert von 15&nbsp;mg/m<sup>3</sup> als tolerabel ([[Occupational Safety and Health Administration|OSHA]]).<br />
<br />
== Literatur ==<br />
* Florian Kauffmann: ''[http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2004/1587/ Mikrostruktur und Eigenschaften von Titannitrid-Siliciumnitrid-Schichten]'' (= ''Max-Planck-Institut für Metallforschung. Bericht.'' Nr. 140). Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart 2003 (Zugleich: Stuttgart, Universität, Dissertation, 2003).<br />
* Sener Albayrak: [http://scidok.sulb.uni-saarland.de/volltexte/2002/80/ ''Kolloidale Verarbeitung und Sintern von nanoskaligem TiN-Pulver.''] Saarbrücken 1997, publiziert 2002 (Saarbrücken, Universität des Saarlandes, Dissertation, 1997).<br />
* M. Diserensa, J. Patscheider, F. Lévy: ''Mechanical Properties and Oxidation Resistance of Nanocomposite TiN-SiNx Physical-Vapour-Deposited Thin Films.'' In: ''Surface and Coatings Technology.'' Band 120/121, November 1999, S. 158–165, [[doi:10.1016/S0257-8972(99)00481-8]].<br />
* D. E. Wolfe, J. Singh: ''Microstructural Evolution of Titanium Nitride (TiN) coatings produced by reactive ion beam-assisted, electron beam physical vapor deposition (RIBA, EB-PVD).'' In: ''Journal of Materials Science.'' Band 34, Nr. 12, 1999, S.&nbsp;2997–3006, [[doi:10.1023/A:1004668325924]].<br />
* Jürgen Crummenauer: ''TiN-Beschichtungen mittels Plasma-CVD.'' Aachen, Shaker 1995, ISBN 3-8265-0732-0 (Zugleich: Bremen, Universität, Dissertation 1994).<br />
* Blagica Bliznakovska, Milosav Miloševski: ''Analysis methods and techniques for hard thin layer coatings characterization in particular on Titanium Nitride'' (= ''Scientific series of the International Bureau.'' Band 15). Forschungszentrum, Zentralbibliothek, Jülich 1993, ISBN 3-89336-109-X.<br />
* Wolfram Kamke: ''Stimulations- und Wahrnehmungseigenschaften neuer Herzschrittmacherelektroden aus Iridiumnitrid und Titannitrid und deren Bedeutung für die Verlängerung der Funktionsdauer von Herzschrittmachern.'' Berlin 1993 (Berlin, Humboldt-Universität, Dissertation, 1994).<br />
* Minoru Moriyama, Hiroo Aoki, Yoshikazu Kobayashi, Kiichiro Kamata: ''The Mechanical Properties of Hot-Pressed TiN Ceramics with Various Additives.'' In: ''Journal of the Ceramic Society of Japan.'' Band 101, Nr. 3 = Nr. 1171, 1993, {{ISSN|0914-5400}}, S.&nbsp;279–284.<br />
* F. Preißer, P. Minarski, P. Mayr, F. Hoffmann: ''Hochdrucknitridieren von Titanwerkstoffen.'' In: ''Härterei-technische Mitteilungen.'' Band 46, Nr. 6, 1991, {{ISSN|0017-6583}}, S. 361–366.<br />
* Rishi Pal Singh, Roger D. Doherty: ''Synthesis of Titanium Nitride Powders under Glow Discharge Plasma.'' In: ''Materials Letters.'' Band 9, Nr. 2/3, 1990, S. 87–89, [[doi:10.1016/0167-577X(90)90158-I]].<br />
* M. Desmaison-Brut, L. Themelin, F. Valin, M. Boncoeur: ''Mechanical Properties of Hot-Isostatic-Pressed Titanium Nitride.'' In: G. de With, R. A. Terpstra, R. Metselaar (Hrsg.): ''Euro-Ceramics.'' Band 3: ''Engineering ceramics.'' Elsevier Applied Science, London u. a. 1989, ISBN 1-85166-432-7, S.&nbsp;258–262.<br />
* Joachim Droese: ''Titannitrid-beschichtete HSS-Spiralbohrer. Leistungsfähigkeit und Verschleißmechanismen.'' Aachen 1987 (Aachen, Technische Hochschule, Dissertation 1987).<br />
* K. Uematsu, N. Mizutani, O. Sakural, M. Kato: ''Effect of Nonstoichiometry on the Sintering of TiNx.'' In: ''Journal of the Ceramic Society of Japan. International edition.'' Band 90, 1982, {{ISSN|0912-9200}}, S. 597–603.<br />
* Reimar Gehrke: ''Reaktionen des Titan-Nitrid bei hohen Temperaturen.'' Clausthal 1967 (Clausthal, Technische Hochschule, Dissertation, 1967).<br />
* A. Münster: ''Eigenschaften und Anwendung von Titannitrid und Titancarbid.'' In: ''[[Angewandte Chemie (Zeitschrift)|Angewandte Chemie]].'' Band 69, Nr. 9, 1957, S. 281–290, [[doi:10.1002/ange.19570690902]].<br />
<br />
== Weblinks ==<br />
* {{NIST|25583-20-4|Name=titanium nitride}}<br />
<br />
== Einzelnachweise ==<br />
<references /><br />
<br />
{{Normdaten|TYP=s|GND=4185564-4}}<br />
<br />
[[Kategorie:Nicht-Oxidkeramik]]<br />
[[Kategorie:Nitrid]]<br />
[[Kategorie:Titanverbindung]]<br />
[[Kategorie:Verschleißschutzwerkstoff]]<br />
[[Kategorie:Beschichtungswerkstoff]]<br />
[[Kategorie:Werkstoff der Halbleiterelektronik]]<br />
[[Kategorie:Trockenschmierstoff]]</div>imported>ChemoBot