Titanium nitrida (Timah) adalah sulit, lapisan keramik yang stabil secara kimia banyak digunakan untuk meningkatkan kinerja permukaan logam dan beberapa komponen keramik.
Ia terkenal karena warna emasnya yang khas, kekerasan tinggi, tingkat keausan yang rendah, dan kelembaman kimia yang baik.
TiN diterapkan terutama melalui pengendapan uap fisik (Pvd) Dan, secara historis, dengan pengendapan uap kimia (CVD).
Penggunaan yang umum termasuk alat pemotong, membentuk cetakan, instrumen medis (pengerasan permukaan dan warna), hasil akhir dekoratif dan elemen mesin yang rentan aus.
1. Apa itu Lapisan Titanium Nitrida?
Titanium nitrida (Timah) lapisannya berwarna emas, film tipis keramik banyak diaplikasikan pada logam dan alat pemotong untuk meningkatkan kekerasan permukaan, Pakai ketahanan, perlindungan korosi, dan penampilan estetis.
Ini adalah salah satu deposisi uap fisik yang paling mapan (Pvd) pelapis yang digunakan di seluruh industri, medis, dan sektor konsumen.
Titanium Nitrida itu keras, senyawa yang stabil secara kimia yang terdiri dari titanium (Dari) dan nitrogen (N).
Saat diaplikasikan sebagai pelapis—biasanya di antaranya 1 ke 5 mikrometer (µm) kental—membentuk padat, penganut, dan lapisan permukaan inert yang secara dramatis meningkatkan kinerja material di bawahnya.
Lapisan ini mempertahankan kilau logam dengan rona emas, sering dikaitkan dengan alat pemotong atau instrumen bedah kelas atas.
2. Bagaimana Titanium Nitrida (Timah) Disimpan?
Deposisi Uap Fisik (Pvd)
- Tergagap (DC atau DC berdenyut): Target titanium tergagap dalam atmosfer inert+nitrogen; nitrogen bereaksi membentuk TiN pada substrat.
Suhu substrat yang khas: ~200–500 °C. Tingkat pengendapan bervariasi (puluhan nm/mnt hingga nm/s tergantung pada daya dan skala). - Penguapan busur: Busur katodik berenergi tinggi menguapkan titanium, dan nitrogen di dalam ruangan membentuk TiN; memberikan lapisan padat tetapi dapat memasukkan makropartikel (droplet) jika tidak disaring.
- Keuntungan dari PVD: suhu substrat yang relatif rendah (kompatibel dengan banyak baja perkakas), padat, film yang patuh, dan kontrol ketebalan yang baik (rentang tipikal 0.5–5 μm).
Deposisi Uap Kimia (CVD)
- Metode: Prekursor titanium (MISALNYA., Ticl₄) bereaksi dengan nitrogen/hidrogen/amonia pada suhu tinggi untuk membentuk TiN pada bagian tersebut. Suhu substrat yang khas: ~700–1000 °C.
- Keuntungan dari CVD: kesesuaian yang sangat baik untuk geometri yang kompleks dan kualitas lapisan yang sangat baik, tetapi suhu proses yang tinggi membatasi bahan substrat (dapat mengubah sifat baja).
- Hari ini: PVD mendominasi perkakas dan suku cadang presisi karena suhu dan fleksibilitas yang lebih rendah; CVD tetap digunakan jika manfaat konformal khususnya penting dan substrat dapat mentolerir panas.
3. Sifat Fisik dan Mekanik Utama Titanium Nitrida (Timah) Lapisan
Titanium nitrida (Timah) pelapis menunjukkan kombinasi unik kekerasan mekanis, stabilitas termal, dan reaktivitas kimia yang rendah, menjadikannya ideal untuk memperpanjang masa pakai dan keandalan komponen yang terkena tekanan tinggi, memakai, atau suhu.
Sifat Fisika dan Mekanik yang Mewakili Lapisan Timah
| Milik | Kisaran khas / Nilai | Metode Tes / Standar | Signifikansi Rekayasa |
| kekerasan mikro (Vickers, HV) | 1800 - - 2500 HV | ASTM E384 | Memberikan ketahanan aus ~3–4× lebih tinggi dibandingkan dengan baja yang diperkeras; penting untuk alat pemotong dan cetakan. |
| Modulus elastis (E) | 400 - - 600 IPK | Indentasi nano / ASTM C1259 | Menunjukkan lapisan keramik yang sangat kaku yang mampu menahan deformasi plastis. |
| Kekuatan Adhesi | >70 N (tes awal) | ASTM C1624 | Memastikan integritas lapisan saat terkena benturan, getaran permesinan, dan beban siklik. |
| Koefisien Gesekan (vs.. Baja) | 0.4 - - 0.6 (tidak dilumasi) | Pin-on-disk / ASTM G99 | Mengurangi gesekan dan timbulnya panas dalam aplikasi kontak berkecepatan tinggi. |
| Konduktivitas termal | 20 - - 25 W/m · k | Lampu kilat laser / ASTM E1461 | Pembuangan panas yang efisien mencegah alat menjadi terlalu panas. |
| Koefisien Ekspansi Termal | 9.35 × 10⁻⁶ /K | Dilatometri / ASTM E228 | Kompatibel dengan baja; meminimalkan ketidakcocokan termal dan delaminasi. |
Titik lebur |
~2950°C | - - | Stabilitas yang sangat baik selama operasi pemotongan atau pembentukan suhu tinggi. |
| Suhu Operasional Maksimum (di udara) | 500 – 600°C | - - | Mempertahankan kekerasan dan ketahanan oksidasi di bawah layanan suhu tinggi. |
| Kepadatan | 5.2 - - 5.4 g/cm³ | ASTM B962 | Struktur mikro yang padat berkontribusi terhadap kekerasan dan ketahanan korosi. |
| Resistivitas listrik | 25–30 μΩ·cm | Pemeriksaan empat titik | Semi-konduktif; relevan untuk mikroelektronika dan hambatan difusi. |
| Warna / Penampilan | Emas metalik | - - | Estetika dan fungsional — indikator visual dari keausan atau degradasi. |
Kekerasan dan ketahanan aus
kekerasan TiN (≈2000HV) hasil darinya ikatan kovalen Ti–N yang kuat, yang memberikan ketahanan tinggi terhadap abrasi, luka lecet, dan kelelahan permukaan.
Dibandingkan dengan baja berkecepatan tinggi yang tidak dilapisi (≈700 HV), Lapisan TiN memperpanjang masa pakai alat 200–500% dalam kondisi pemotongan yang identik.
Elastisitas dan Adhesi
Meskipun sifatnya keramik, TiN menunjukkan nilai yang relatif tinggi modulus elastisitas dan ketangguhan, memungkinkannya menahan tekanan siklik tanpa retak.
Proses PVD tingkat lanjut (MISALNYA., pelapisan ion busur) meningkatkan daya rekat yang sangat baik (>70 N beban kritis), memastikan integritas lapisan di bawah benturan dan getaran.
Stabilitas Termal dan Oksidasi
TiN tetap stabil hingga 600°C dalam lingkungan pengoksidasi dan sampai 900°C di atmosfer inert, membentuk lapisan pelindung TiO₂ yang memperlambat oksidasi lebih lanjut.
Stabilitas ini sangat penting alat pemotong berkecepatan tinggi Dan komponen mesin dimana suhu permukaan berfluktuasi dengan cepat.
Gesekan dan Pelumasan
Koefisien gesekannya sedang (0.4–0,6 vs. baja) mengurangi pemanasan gesekan dan keausan perekat, meningkatkan presisi pemotongan dan menurunkan konsumsi energi.
Ketika dipasangkan dengan pelumas atau sistem multilayer (MISALNYA., TiN/TiCN atau TiAlN), koefisien gesekan efektif bisa turun di bawah 0.3.
Kompatibilitas dan Kontrol Dimensi
Dengan a koefisien muai panas yang rendah mendekati baja perkakas, Lapisan TiN menunjukkan stabilitas dimensi yang sangat baik, bahkan selama siklus termal berulang.
Lapisannya kekurusan (1–5 μm) memungkinkannya meningkatkan kinerja permukaan tanpa mengubah toleransi dimensi—penting untuk cetakan presisi dan komponen ruang angkasa.
4. Mengapa Insinyur Menggunakan Titanium Nitrida (Timah) — Manfaat dan Trade-Off
Titanium nitrida (Timah) pelapis banyak digunakan dalam bidang teknik dan manufaktur karena sifatnya kombinasi kekerasan yang unik, Pakai ketahanan, stabilitas korosi, dan daya tarik visual.
Namun, seperti semua bahan rekayasa, TiN menghadirkan batasan tertentu yang harus diimbangi dengan persyaratan aplikasi, biaya, dan teknologi pelapisan alternatif.
Manfaat Utama Pelapisan Timah
| Keuntungan | Penjelasan Teknis | Dampak Praktis / Contoh |
| Kekerasan Luar Biasa dan Ketahanan Aus | kekerasan TiN (≈2000–2500 HV) tahan terhadap abrasi, erosi, dan keausan perekat. | Alat pemotong dipamerkan hingga 4× masa pakai lebih lama dibandingkan baja berkecepatan tinggi yang tidak dilapisi. |
| Mengurangi Gesekan dan Pembangkitan Panas | Koefisien gesekan ~0,4–0,6 vs. baja mengurangi gesekan alat-benda kerja. | Mengurangi suhu pemesinan sebesar 10–20%, memperpanjang masa pakai pelumas dan presisi dimensi. |
| Resistensi korosi dan oksidasi | TiN membentuk lapisan TiO₂ pasif yang melindungi logam di bawahnya dari oksidasi dan serangan klorida. | Cocok untuk laut, Aerospace, Dan Pemrosesan Kimia komponen. |
| Stabilitas termal | Stabil hingga 600°C di udara Dan 900°C di lingkungan inert. | Memungkinkan penggunaan di alat pemotong berkecepatan tinggi, Bilah turbin, Dan cetakan injeksi. |
Kelambanan Kimia |
TiN tahan terhadap sebagian besar asam, alkali, dan logam cair. | Mencegah solder menempel pada cetakan atau cetakan elektronik. |
| Penampilan Estetika dan Fungsional | Warna emas metalik memberikan identifikasi dan daya tarik dekoratif. | Digunakan di Implan medis, produk konsumen, Dan Perangkat keras arsitektur. |
| Ketepatan dimensi | Ketebalan lapisan 1–5 µm tidak mengubah geometri bagian. | Ideal untuk alat pemesinan presisi, pengukur, Dan pengencang ruang angkasa. |
| Kompatibilitas dengan Beragam Substrat | Melekat dengan baik pada baja, karbida, Paduan Titanium, dan superalloy berbahan dasar nikel. | Fleksibel di seluruh beberapa industri, mengurangi kebutuhan akan pelapis khusus paduan. |
Pengorbanan dan Keterbatasan Rekayasa
| Pengorbanan / Keterbatasan | Penyebab yang Mendasari | Mitigasi Rekayasa |
| Gesekan Sedang (vs.. pelapis canggih) | Koefisien gesekan TiN (0.4–0.6) lebih tinggi dari TiAlN atau DLC (~0,2–0,3). | Menggunakan pelapis multi-lapis (MISALNYA., Timah/TiCN) atau pelumas padat. |
| Ketahanan Suhu Tinggi Terbatas | Mulai teroksidasi di atas 600°C di udara, membentuk TiO₂. | Untuk panas yang ekstrim, menggunakan Tialn atau AlCrN pelapis. |
| Relatif Rapuh | Sifat keramik menyebabkan keuletan yang terbatas saat terkena benturan. | Optimalkan kekerasan substrat Dan Parameter PVD; menghindari beban kejut yang berat. |
| Proses Deposisi yang Kompleks | PVD memerlukan sistem vakum dan kontrol suhu yang tepat. | Dibenarkan untuk suku cadang bernilai tinggi; alternatif seperti pelapis tanpa listrik untuk barang-barang berbiaya rendah. |
| Pembentukan Oksida Non-Konduktif | Permukaan TiO₂ dapat mengurangi konduktivitas listrik seiring waktu. | Gunakan di non-listrik lingkungan atau poles ulang permukaan jika konduktivitas sangat penting. |
| Ketebalan Terbatas (≤5 mikron) | Lapisan PVD tumbuh lambat dan tidak dapat mengisi cacat permukaan. | Pra-semir dan menyiapkan substrat untuk adhesi yang optimal. |
5. Kompatibilitas substrat, strategi pra-perawatan dan adhesi
- Substrat umum: Alat pemotong HSS dan karbida, baja perkakas (AISI P, seri M), Baja tahan karat, aluminium (dengan penyesuaian proses), polimer dengan lapisan biji konduktif, dan keramik (dengan hati-hati).
- Pra-perawatan: pembersihan menyeluruh, peledakan pasir (dikendalikan), dan terkadang etsa ion untuk menghilangkan oksida dan meningkatkan kekasaran untuk penahan mekanis.
- antar lapisan / mantel obligasi: lapisan logam tipis (Dari, Cr, atau Ti/TiN bertingkat) umumnya diterapkan untuk meningkatkan daya rekat dan mengurangi tegangan sisa.
- Manajemen stres sisa: parameter proses dan strategi biasing mengurangi tegangan tekan/tarik untuk menghindari retak.
Post-annealing jarang digunakan untuk PVD TiN karena kemungkinan masalah difusi.
6. Aplikasi Khas Lapisan Titanium Nitrida
Titanium nitrida (Timah) pelapis digunakan di berbagai industri—mulai dari permesinan presisi hingga teknologi dirgantara dan biomedis—berkat kemampuannya kekerasan yang luar biasa, resistensi korosi, dan stabilitas suhu tinggi.
Aplikasi Industri dan Manufaktur
| Area Aplikasi | Komponen Perwakilan | Tujuan Fungsional Pelapisan Timah | Manfaat Khas |
| Alat Pemotong dan Pembentuk | Latihan, pabrik akhir, reamer, keran, melihat bilah, membentuk cetakan | Mengurangi keausan, gesekan, dan edge chipping dalam kondisi pemotongan kecepatan tinggi | Umur alat diperpanjang 3–5 × dibandingkan dengan alat HSS yang tidak dilapisi |
| Cetakan Injeksi dan Die Casting | Pin inti, cetakan, lengan ejektor, mati | Mencegah keausan dan lengketnya perekat, meningkatkan pelepasan jamur | 30–50% waktu siklus lebih pendek, waktu henti pemeliharaan yang lebih rendah |
| Pembentukan dan Stamping Logam | pukulan, mati, menggambar cincin | Meminimalkan rasa sakit dan lecet saat membentuk baja tahan karat atau aluminium | Memperpanjang umur mati 2–4×, permukaan akhir yang lebih baik |
| Otomotif Komponen | Cincin piston, katup, nozel injektor bahan bakar | Mengurangi keausan, gesekan, dan kelelahan termal | Peningkatan kinerja dan peningkatan efisiensi mesin |
Dirgantara dan Pertahanan |
Bilah turbin, pengencang, aktuator | Stabilitas termal yang tinggi dan ketahanan korosi dalam kondisi ekstrim | Menjaga integritas hingga 600° C., penting untuk perangkat keras turbin |
| Elektronik Manufaktur | Alat semikonduktor, hambatan difusi, konektor | Mencegah difusi dan oksidasi selama pemrosesan suhu tinggi | Retensi konduktivitas yang sangat baik dan ketahanan aus skala mikro |
| Pengolahan Plastik dan Karet | Ekstrusi mati, gulungan kalender, pisau pemotong | Meningkatkan ketahanan pelepasan dan abrasi dalam pengoperasian berkelanjutan | Mengurangi lengket, umur permukaan lebih lama, kualitas produk yang konsisten |
Medis dan Aplikasi Biomedis
TiN disetujui FDA dan banyak digunakan di komponen tingkat medis dan bedah karena itu Biokompatibilitas, kelembaman kimia, Dan permukaan non-sitotoksik.
| Aplikasi | Tujuan | Manfaat |
| Instrumen Bedah | pisau bedah, tang, latihan ortopedi | Memberikan ketahanan aus dan daya tahan sterilisasi |
| Implan | Implan ortopedi, penyangga gigi, sendi prostetik | Permukaan biokompatibel mencegah pencucian ion dari logam di bawahnya |
| Robotika Medis | Aktuator, sendi, komponen yang bergerak | Meminimalkan gesekan secara tepat, sistem gerak berulang |
Aplikasi Dekoratif dan Fungsional
Di luar fungsi industri, Keistimewaan TiN finishing metalik berwarna emas telah mendorong adopsi dalam aplikasi estetika di mana daya tahan dan penampilan harus hidup berdampingan:
| Sektor | Komponen | Alasan Pelapisan TiN |
| Produk Konsumen | Jam tangan, bingkai kacamata, perhiasan, pena mewah | Daya tarik estetika tinggi dengan ketahanan gores |
| Arsitektur dan Perangkat Keras | Gagang pintu, faucet, perlengkapan | Ketahanan korosi dan noda jangka panjang di lingkungan lembab |
| Peralatan Olah Raga dan Luar Ruangan | Pisau, komponen senjata api | Peningkatan kekerasan permukaan, mengurangi silau, dan memakai pelindung |
Aplikasi yang Muncul dan Tingkat Lanjut
Penelitian terkini dan kemajuan teknologi telah memperluas kegunaan TiN mikroelektronika, sistem energi, Dan optik:
- Mikroelektronika dan MEMS:
Film tipis TiN berfungsi sebagai lapisan penghalang dan elektroda gerbang dalam sirkuit dan sensor terpadu, memberikan konduktivitas yang sangat baik dan mencegah difusi tembaga. - Sistem Energi:
Lapisan TiN membaik ketahanan elektroda di dalam sel bahan bakar, baterai litium, dan sistem produksi hidrogen, menjaga kinerja listrik di lingkungan korosif. - Optik dan Fotonik:
Timah reflektifitas optik seperti emas Dan perilaku plasmonik digunakan dalam pelapis dekoratif, cermin inframerah, Dan perangkat nanofotonik.
7. Titanium Nitrida Dibandingkan dengan Pelapis Alternatif
Sedangkan Titanium Nitrida (Timah) adalah salah satu pelapis PVD yang paling banyak digunakan, insinyur sering mempertimbangkan alternatif seperti Tialn, Crn, DLC, dan TiCN untuk mengoptimalkan kinerja untuk aplikasi tertentu.
Setiap lapisan memiliki sifat berbeda terkait kekerasan, stabilitas termal, gesekan, resistensi korosi, dan biaya, mempengaruhi seleksi akhir.
Tabel Perbandingan Langsung: Timah vs. TiAlN vs. CrN vs. DLC vs. TiCN
| Milik / Lapisan | Timah | Tialn | Crn | DLC (Karbon seperti berlian) | TiCN |
| Kekerasan (HV) | 1800–2500 | 3200–3600 | 1500–2000 | 1500–2500 | 2500–3000 |
| Suhu Layanan Maks (° C., udara) | 500–600 | 700–900 | 500–600 | 250–400 | 600–700 |
| Koefisien Gesekan (vs.. baja) | 0.4–0.6 | 0.35–0.45 | 0.4–0,5 | 0.05–0,15 | 0.35–0.45 |
| Resistensi korosi | Bagus | Sedang | Bagus sekali | Bagus sekali | Bagus |
| Memakai / Resistensi Sakit | Sedang | Tinggi | Sedang | Gesekan rendah, keausan sedang | Tinggi |
| Warna / Penampilan | Emas | Abu-abu gelap / hitam | Abu-abu keperakan | Hitam | Abu-abu-biru |
Ketebalan Khas (µm) |
1–5 | 1–5 | 1–4 | 1–3 | 1–5 |
| Kompatibilitas Substrat | Baja, karbit, Titanium | Baja, karbit, Titanium | Aluminium, baja, | Baja, polimer, kaca | Baja, karbit, Titanium |
| Metode Deposisi | Pvd (busur, tergagap) | Pvd | busur katodik, Pvd | Pvd, CVD | Pvd |
| Biaya / Kompleksitas | Sedang | Tinggi | Sedang | Tinggi | Tinggi |
| Aplikasi khas | Alat pemotong, cetakan, mati, instrumen medis | Pemotongan berkecepatan tinggi, permesinan kering, Aerospace | Komponen rawan korosi, cetakan, dekoratif | Bagian gesekan ultra-rendah, Otomotif, mikroelektronika | Pemotongan berkecepatan tinggi, alat yang kritis terhadap keausan |
8. Kesimpulan
Titanium nitrida (Timah) pelapisan tetap menjadi salah satu yang paling banyak digunakan Perawatan permukaan PVD dalam rekayasa modern, menggabungkan kekerasan, Pakai ketahanan, perlindungan korosi, dan daya tarik estetika dalam satu lapisan tipis.
Dia berwarna emas, permukaan yang stabil secara kimia meningkatkan umur komponen, mengurangi pemeliharaan,
dan memungkinkan kinerja yang andal di berbagai industri, termasuk pengerjaan logam, Aerospace, Otomotif, biomedis, dan elektronik.
FAQ
Bagaimana TiN dibandingkan dengan lapisan TiAlN atau DLC?
Timah adalah kekerasannya sedang, Pakai ketahanan, dan gesekan.
TiAlN memberikan stabilitas termal yang lebih tinggi, DLC menawarkan gesekan yang sangat rendah, dan CrN menekankan ketahanan terhadap korosi. Seleksi tergantung pada spesifiknya persyaratan aplikasi.
Dapatkah pelapis TiN diterapkan pada geometri yang kompleks?
Ya. Metode pengendapan PVD seperti sputtering magnetron dan penguapan busur katodik memungkinkan cakupan yang seragam bentuk rumit, meskipun ceruk yang sangat dalam mungkin memerlukan optimalisasi proses.
Bagaimana TiN meningkatkan umur alat?
Kombinasi TiN dari kekerasan tinggi, gesekan rendah, dan stabilitas termal mengurangi keausan, adhesi, dan terkelupas selama pemotongan atau pembentukan,
khas memperpanjang masa pakai alat sebesar 2–5× dibandingkan dengan alat yang tidak dilapisi.
Apakah ada batasan dalam menggunakan TiN?
Timah relatif rapuh terkena dampak yang berat, teroksidasi di atas 600°C di udara, dan memiliki gesekan sedang dibandingkan dengan pelapis khusus.
Insinyur mungkin mempertimbangkan alternatif seperti Tialn, TiCN, atau DLC untuk kondisi ekstrim.
