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窒化チタン（TiN、別名ティナイト）は、非常に硬いセラミック材料であり、チタン合金、鋼、炭化物、アルミニウム部品の表面特性を向上させるために、物理蒸着（PVD）コーティングとしてよく使用されます。
薄いコーティングとして塗布されるTiNは、切削面や摺動面の硬化と保護、装飾目的（金色の外観のため）、および医療用インプラントの無毒性外装として使用されます。ほとんどの用途では、 5マイクロメートル（0.00020 インチ）未満のコーティングが施されます。[ 5 ]
TiNのビッカース硬度は1800～2100、硬度は31 ± 4 GPa、[ 6 ]弾性係数550 ± 50 GPa、[ 6 ]熱膨張係数は9.35 × 10−6 K −1、超伝導転移温度は5.6 Kである。 [ 7 ] [ 6 ]
TiN は常温常圧下で800 °C で酸化します。 実験室での試験によると、20 °C では化学的に安定していますが、温度上昇に伴い濃酸溶液によって徐々に侵食される可能性があります。[ 7 ] TiN は茶色で、コーティングとして塗布すると金色に見えます。基材と表面仕上げによって、TiN は別の TiN 表面 (潤滑なし) に対して 0.4 ～ 0.9 の摩擦係数を持ちます。典型的な TiN の形成は、ほぼ 1:1 の化学量論比を持つNaCl 型の結晶構造を持ちますが、 xが 0.6 ～ 1.2 の範囲のTiN x化合物は熱力学的に安定です。 [ 8 ]
TiNは極低温で超伝導状態 になり、単結晶では臨界温度が最大6.0 Kに達する。[ 9 ]薄膜TiNの超伝導は広範囲に研究されており、超伝導特性は試料の作製方法によって大きく異なり、超伝導体-絶縁体転移で超伝導が完全に抑制される場合もある。[ 10 ] TiNの薄膜を絶対零度近くまで冷却すると、抵抗が突然10万倍に増加し、既知の最初の超絶縁体になった。 [ 11 ]
TiNコーティングのよく知られた用途は、ドリルビットやフライスなどの工作機械の刃先保持と耐食性であり、多くの場合、寿命を3倍以上に延ばします。[ 14 ]
TiNは金属的な金色をしているため、装飾目的でコスチュームジュエリーや自動車のトリムのコーティングに使用されています。TiNは、ニッケルまたはクロムメッキされた基材の上に、家庭用配管器具やドア金具のトップレイヤーコーティングとしても広く使用されています。コーティングとしては、航空宇宙および軍事用途、自転車やオートバイのサスペンションフォークの摺動面、ラジコンカーのショックシャフトの保護に使用されています。TiNは非常に耐久性があるため、多くのライフルや半自動銃の可動部品の保護コーティングとしても使用されています。耐久性に加えて、非常に滑らかなため、カーボン堆積物の除去が非常に簡単です。TiNは無毒で、FDAのガイドライン[ 15 ]を満たしており、鋭さと刃持ちが重要なメスの刃や整形外科用骨鋸刃などの医療機器にも使用されています。 [ 16 ] TiNコーティングは、埋め込み型人工装具（特に股関節置換インプラント）やその他の医療用インプラントにも使用されています。
目に見えにくいものの、TiN薄膜はマイクロエレクトロニクスでも使用されており、アクティブデバイスと回路の動作に使用される金属接点との間の導電接続として機能すると同時に、金属がシリコンに拡散するのを阻止する拡散バリアとしても機能します。この文脈では、TiNは化学的または機械的挙動の観点からは明らかにセラミックであるにもかかわらず、 「バリア金属」（電気抵抗率約39μΩ・cm [ 2 ]）に分類されます。45nmテクノロジー以降の最近のチップ設計でも、トランジスタ性能を向上させるためにTiNが「金属」として使用されています。標準的なSiO2よりも誘電率が高いゲート誘電体（例えばHfSiO4 ）と組み合わせることで、ゲート長を縮小し、リーク電流を低く抑え、駆動電流を高くし、しきい値電圧を同等またはそれ以上にすることができます。 [ 17 ]さらに、 TiN薄膜は現在、事故耐性核燃料用のジルコニウム合金のコーティングとして検討されています。 [ 18 ] [ 19 ]また、性能を向上させるために、一部の圧縮ドライバーのダイヤフラムのコーティングとしても使用されています。
TiN層は生体安定性が高いため、生体電子アプリケーション[ 20 ]の電極としても使用できます。例えば、体液による激しい腐食に耐える必要があるインテリジェントインプラントや生体内バイオセンサーなどです。TiN電極は、網膜下プロテーゼプロジェクト[ 21 ]や生体医療用マイクロ電気機械システム（BioMEMS ） [ 22 ]にも既に適用されています。
TiN薄膜の最も一般的な作製方法は、物理蒸着法（PVD、通常はスパッタ蒸着、陰極アーク蒸着、または電子ビーム加熱）と化学蒸着法（CVD）である。[ 23 ]どちらの方法でも、純チタンを昇華させ、高エネルギーの真空環境下で窒素と反応させる。TiN膜は、窒素雰囲気下での反応成長（例えば、アニーリング）によってTiワークピース上に作製することもできる。PVDは、成膜温度が鋼のオーステナイト化温度を超えるため、鋼部品に好まれる。TiN層は、ステンレス鋼、チタン、チタン合金などのさまざまな高融点材料上にもスパッタリングされる。[ 24 ] TiNはヤング率が高い（文献では450～590 GPaの値が報告されている[ 25 ]）ため、厚いコーティングは剥離しやすく、薄いコーティングよりも耐久性がはるかに低い。窒化チタンコーティングは熱溶射によっても成膜できるが、TiN粉末はチタンを窒素またはアンモニアで1200 ℃で窒化することによって製造される。[ 7 ]
バルクセラミック製品は、粉末状の金属チタンを所望の形状に充填し、適切な密度まで圧縮した後、純窒素雰囲気中で点火することによって製造できる。金属とガスとの化学反応によって放出される熱は、窒化物反応生成物を焼結して硬い完成品にするのに十分な熱量である。粉末冶金を参照のこと。
2010年以降、チタン炭窒化物（TiCN）、チタンアルミニウム窒化物（TiAlNまたはAlTiN）、チタンアルミニウム炭窒化物など、市販されているTiNの様々なバリエーションが開発されており、これらは単独で使用することも、TiNと交互に積層することも可能です。これらのコーティングは、耐食性と硬度においてTiNと同等またはそれ以上の性能向上を実現し、塗布方法によって、淡い灰色からほぼ黒色、濃い虹色の青紫色まで、幅広い色合いが得られます。これらのコーティングは、特にナイフや拳銃などのスポーツ用品に広く用いられるようになり、美観と機能性の両方の理由から利用されています。
窒化チタンは、一部の鋼材において、チタンを合金に適切に添加することで意図的に生成される。TiNは生成エンタルピーが非常に低いため、非常に高い温度で形成され、二次製鋼では溶融状態から直接核生成することもある。粒界や三重点にマイクロメートルサイズの立方体粒子を形成し、非常に高い同族温度までオストワルド熟成による結晶粒成長を抑制する。窒化チタンは、オーステナイト中の金属窒化物や炭化物の中で最も溶解度積が低く、微量合金鋼の組成において有用な特性を持つ。
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