探究氮化钛粉末生产工艺及其应用新进展

摘 要：针对氮化钛粉末，首先对氮化钛属性进行分析，明确其结构、性能。在此基础上，提出三种氮化钛粉末生产方法，介绍不同生产方法的优劣，最后结合氮化钛粉末应用现状，对其应用新方向进行展望，以期达到促进新材料发展、应用的目的。

关键词：氮化钛粉末；生产工艺；应用进展

在全新的工业生产格局中，各行业对新材料的需要已十分迫切，氮化钛粉末作为少数具备良好物理与化学性能的材料，其消耗量日益增大，为有效促进生产，提升产量和产率，本文围绕氮化钛属性，对氮化钛粉末生产工艺及应用进展进行分析，具体内容如下。

1 氮化钛属性分析

氮化钛结构和氯化钠结构类似，属于典型的面心立方，氮原子分别占立方角顶，而钛原子则主要占据面心立方。从化合物种类角度讲，氧化钛为非计量化合物，氮元素实际含量会在一定范围内产生变化，但这一变化并不能引起化合物结构改变[ 1 ]。由于氮化钛、碳化钛和氧化钛的晶格系数较为相近，所以氮原子大多被其他两个原子以随机的比例代替形成固溶体。氮原子发生变化会使氮化钛自身物理性质出现改变，如氮元素含量变少，碳元素的含量会变大，且氮化钛晶格系数因此增大，显微硬度明显变大，抗震性能减弱。氮化钛具备很多优异的化学和物理性能，如耐酸、耐碱性强、熔点高、硬度大、金属湿润性弱、存在自润滑性能等，同时其颜色与黄金类似，可用作装饰材料，应用范围广泛。

2 氮化钛粉末生产工艺

2.1 钛粉氮化生产法

在工业生产领域，有很多生产氮化钛的工艺方法，其中最简单的就是钛粉氮化生产法。其操作方法为：在1000-1400℃的环境下使钛粉氮化，氮化时间不少于1h，经粉碎处理后即可得到氮化钛粉末，化学反应式为：2Ti+N2→2TiN，一般情况下反应温度在1200℃左右。

实际操作中具体的氮化方法也可以选用金属氢化物，化学反应式为：2TiH2+N2→2TiN+2N2。另外，在氮等离子中通过甲烷与钛粉之间的反应（5200-6200℃）也可生成氮化钛粉末。

2.2 TiO2碳热还原生产法

该生产方法的反应过程为：

TiO2+2C→TiN+2CO （1）

在适宜的条件下，TiO2与碳发生反应会生成碳化钛与一氧化碳，反应式为：

TiO2+3C→TiC+2CO （2）

（1）-（2）可得：

TiC+1/2N2→TiN+C （3）

对于（3）而言，其在900-1700K条件下的自由焓反应式为：

ΔGr=-36.76+19.80×10-3T

如果自由焓属于零时反应，则（3）对应的平衡温度可确定为1584℃。通过热力学计算确定的温度对于氮化钛的合成有重要的指导意义，简单来说就是合成温度通常不能超出这一温度。通过研究可知，采取这一方法生产氮化钛粉末，可使用分解氨等氮化剂。若使用纯氮进行氮化生产，则温度具有十分关键的作用，反应温度在1250℃以内时，反应过程不顺利，即便反应时间被大幅延长，中间产物极难消失，只有在温度升高值1300℃后才可以生产出氮化钛，同时还会显露出粉末原色[ 2 ]。随着反应溫度的不断提升，反应速度加快，而且反应也会因此变得更为彻底。

2.3 气相生产法

采用TiO2碳热还原生产法得到的粉末粒径通常为5μm，若对原料实施深入的处理，可得到粒径更小的粉末产品。然而，由这一生产工艺得出的粉末普遍含有较高的含氧量，氧也是氮化钛常见杂质。为除掉粉末产品当中的氧，需进行净化处理。第三种生产方法就是气相生产法，其生产原理为将氯化钛作为钛元素来源，向原料中通入一定量的分解氨，借助物理或化学手段在基体上通过沉积生成钛薄膜，也可使用还原剂对氯化钛实施还原，通过沉淀形成钛薄膜。

3 氮化钛粉末应用新进展

在工业生产领域，经常使用氮化钛制备切削刀具与坩埚，也可在陶瓷基涂层中使用。氮化钛涂层也能被称作钛金，在家具、表壳等工艺品中十分常见，仿金效果良好，且极具装饰价值，且可发挥防腐作用，能起到有效延长产品使用寿命的作用。镀有一层钛金的玻璃会变成一个全新的热镜材料，若薄膜厚度在90mm以上，则红外线折射率将超出75%，大幅提升玻璃材料保温性能。此外，钛金颜色还能随机修改，伴随氮含量的不断降低，薄膜会依次变为金黄、古铜、紫铜、粉红等颜色，外观良好。

对于氮化钛粉末而言，其一般以添加剂的形式应用，按照相应的比例在金属陶瓷中加入氮化钛粉末，能大幅提升基体硬度与强度。很多学者对氮化钛粉末的碳化钨性能改善作用进行了深入研究，在碳化钨中适量添加氮化钛，能使二者性能得以最佳匹配，产出物质不仅极具韧性，且耐磨水平大幅提升。

钴作为国防与航空领域重点战略金属，其在我国的储备很低，需从国外大量进口。统计表明，世界范围内约有10%的钴会被用于生产碳化钨构件必须的粘结材料，这是因为此类构件具备良好抗腐蚀能力，因此被广泛用于制备刀具。氮、钛、碳化合物的熔点与耐磨性和碳化钨十分相似，所以这些化合物能取代钴用于粘结剂制备，这样可有效降低钴消耗量。氮化钛粉末在实际生产中也能用作磨料，在仪器抛光处理中使用[ 3 ]。钢加工过程中，氮化钛与碳氮化钛粉末所表现出来的磨削能力远远超出人工制备的碳化硅，且工后元件的表面精度极高。总体上看，氮化钛粉末的应用程度与其具备的优异性能十分不匹配，还有待相关人员的深入研发，但从现状可看出，氮化钛粉末必将变成未来的新世纪材料。

4 结语

氮化钛性能优异，外观良好，在工业生产领域得到广泛应用。氮化钛粉末生产方法主要有钛粉氮化生产法、TiO2碳热还原生产法、气相生产法三种，不同生产方法有其各自的优势与特点，实际生产中可根据自身要求妥善选择。目前的氮化钛粉末应用较为单一，其具备的优异性能并未得到充分发挥，因此仍需进行研究开发，为工业发展提供新兴材料。

参考文献：

[1] 萧世槐.氮化钛粉末生产工艺及其应用新进展[J].矿冶，2016，10（02）：60-63+68.

[2] 张艳明，蒋明学，冯秀梅.TiO2碳热还原氮化法制备TiN、T（iC，N）粉末的研究现状及进展[J].兵器材料科学与工程，2013，11（01）：12-13.

[3] 张士举，伍玲龙，文建华，郭孟伟.碳热还原法制备碳氮化钛的研究与应用现状[J].科技创新导报，2016，12（19）：22-23.

作者简介：吕容林（1993-），男，汉族，广西贵港人，在读本科生，研究方向：超细碳氮化钛粉末的制备。