Carbonitrure de titane

Carbonitrure de titane
Identification
N^o CAS	12654-86-3
N^o ECHA	100.121.957
N^o CE	603-147-4
Apparence	poudre gris foncé[1]
Propriétés chimiques
Formule	CNTi2
Masse molaire[2]	121,751 ± 0,003 g/mol C 9,86 %, N 11,5 %, Ti 78,63 %,
Propriétés physiques
T° fusion	2 950 °C[3]
Masse volumique	5,08 g/cm^3[1] (apparente : 0,23 g/cm^3 pour des particules de moins de 150 nm[1])
Précautions
SGH[1]
Attention H228, P210, P240, P241, P280 et P370+P378 H228 : Matière solide inflammable P210 : Tenir à l’écart de la chaleur/des étincelles/des flammes nues/des surfaces chaudes. — Ne pas fumer. P240 : Mise à la terre/liaison équipotentielle du récipient et du matériel de réception. P241 : Utiliser du matériel électrique/de ventilation/d’éclairage/…/antidéflagrant. P280 : Porter des gants de protection/des vêtements de protection/un équipement de protection des yeux/du visage. P370+P378 : En cas d’incendie : utiliser … pour l’extinction.
Transport[1]
-    3178    Numéro ONU : 3178 : SOLIDE INORGANIQUE INFLAMMABLE, N.S.A. Étiquette : 4.1 : Matières solides inflammables, matières autoréactives, matières solides explosibles désensibilisées et matières qui polymérisent Emballage : Groupe d'emballage III : matières faiblement dangereuses.
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.
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Le carbonitrure de titane est une céramique réfractaire de formule générale TiC_1−xN_x, où 0 < x < 1, souvent notée Ti(C,N). Il s'agit d'un cristal mixte de carbure de titane TiC et de nitrure de titane TiN. Le matériau distribué commercialement a souvent une stœchiométrie proche d'un mélange équimolaire Ti₂CN[4] de ces deux composés. Il allie la très grande dureté du TiC, qui est ultradur, à l'inertie chimique du TiN, qui est ultraréfractaire, en un cermet particulièrement résistant à l'usure des surfaces[3]. Des particules de carbonitrure de titane dans une matrice ductile appropriée donnent un matériau susceptible de surpasser les carbures cémentés WC/Co. En pratique, la composition de ces matériaux peut être fort variable, y compris dans le rapport entre le métal et les deux non-métaux, qui peut ne pas être égal à 1 — une étude de 2018 portait par exemple sur le matériau Ti(C_0,6,N_0,4)_0,8[5].

Le carbonitrure de titane est souvent utilisé en couche mince notamment pour les revêtements d'outils de tour. Il est possible de le déposer de plusieurs manières :

• par dépôt physique en phase vapeur[6] (PVD) :

4 Ti + N₂ + 2 CH₄ ⟶ 2 Ti₂CN + 4 H₂ (ici : 50 % TiC, 50 % TiN) ;

• par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), là encore selon plusieurs méthodes[7],[8],[9] :

• Carbonitrure haute température (carbonitrure HT) :

4 TiCl₄ + N₂ + 2 CH₄ + 4 H₂ ⟶ 2 Ti₂CN + 16 HCl (ici : 50 % TiC, 50 % TiN) ;

• Carbonitrure moyenne température (carbonitrure MT) :

4 TiCl₄ + 2 CH₃CN + 9 H₂ ⟶ 2 Ti₂CN + 2 CH₄ + 16 HCl (toujours : 50 % TiC, 50 % TiN).

L'avantage du carbonitrure à température modérée est que la couche se développe uniformément en raison du groupe cyanure de l'acétonitrile CH₃CN. Seul le carbonitrure 50/50 peut être produit en l'absence d'azote N₂. Dans le cas du carbonitrure HT, en revanche, les différentes vitesses de réaction du méthane CH₄ et de l'azote jouent un rôle important.

Notes et références

1. (en) « Titanium Carbonitride Nanoparticles », sur americanelements.com, American Elements (en) (consulté le 27 décembre 2022).
2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
3. (en) Thomas A.Wolfe, Thomas J.Jewett et Raj P. Singh Gaur, « 1.06 - Powder Synthesis », Comprehensive Hard Materials, vol. 1,‎ 2014, p. 185-212 (DOI 10.1016/B978-0-08-096527-7.00006-4, lire en ligne).
4. Fiche Sigma-Aldrich du composé Titanium carbonitride, consultée le 22 décembre 2022.
   FDS : (en) « Titanium carbonitride » [PDF], sur sigmaaldrich.com, Sigma-Aldrich, 30 avril 2022 (consulté le 27 décembre 2022)
5. (en) Linus von Fieandt, Kristina Johansson, Erik Lindahl, Tommy Larsson, Mats Boman et David Rehnlund, « Corrosion properties of CVD grown Ti(C,N) coatings in 3.5 wt-% NaCl environment », Corrosion Engineering, Science and Technology, vol. 53, n^o 4,‎ 2018, p. 316-320 (DOI 10.1080/1478422X.2018.1467150, lire en ligne ).
6. (en) P. C. Jindal, A. T. Santhanam, U. Schleinkofer et A. F. Shuster, « Performance of PVD TiN, TiCN, and TiAlN coated cemented carbide tools in turning », International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, vol. 17, n^os 1-3,‎ mai 1999, p. 163-170 (DOI 10.1016/S0263-4368(99)00008-6, lire en ligne).
7. (en) L. von Fieandt, T. Larsson, M. Boman et E. Lindahl, « Texture formation in chemical vapor deposition of Ti(C,N) », Journal of Crystal Growth, vol. 508,‎ 15 février 2019, p. 90-95 (DOI 10.1016/j.jcrysgro.2018.12.030, lire en ligne).
8. (en) L. von Fieandt, K. Johansson, T. Larsson, M. Boman et E. Lindahl, « On the growth, orientation and hardness of chemical vapor deposited Ti(C,N) », Thin Solid Films, vol. 645,‎ janvier 2018, p. 19-26 (DOI 10.1016/j.tsf.2017.10.037, lire en ligne ).
9. (en) Maoxiang Zhu, Sofiane Achache, Pascal Boulet, Agathe Virfeu, Jean-François Pierson et Frédéric Sanchette, « Effects of deposition parameters on the microstructure and mechanical properties of Ti(C,N) produced by moderate temperature chemical vapor deposition (MT-CVD) on cemented carbides », Vacuum, vol. 195,‎ janvier 2022, article n^o 110650 (DOI 10.1016/j.vacuum.2021.110650, lire en ligne).