¿Qué es el Nitruro de Hierro?
El nitruro de hierro es un compuesto intrínseco de hierro y nitrógeno con varias formas cristalinas, como “Fe2N”, “Fe4N” y “Fe16N2”.
Las propiedades del nitruro de hierro varían dependiendo del contenido de nitrógeno, lo que afecta su estructura cristalina y propiedades magnéticas. Este compuesto tiene propiedades intermedias entre los metales y los óxidos, y se caracteriza por su resistencia a la corrosión, durabilidad y resistencia a la intemperie. El nitruro de hierro es más resistente a la corrosión y más duro que el hierro metálico.
El Fe4N se caracteriza por sus propiedades ferromagnéticas en condiciones de temperatura ambiente. La temperatura de Curie, temperatura a la que se produce la transición del ferromagnetismo al paramagnetismo, es de aproximadamente 490 °C. Entre los nitruros de hierro, el Fe4N y el Fe16N2, en particular, presentan una elevada magnetización de saturación, por lo que se espera que se utilicen en diversas aplicaciones como materiales magnéticos con una excelente resistencia a la corrosión, a la intemperie y a las propiedades mecánicas.
Usos del Nitruro de Hierro
El nitruro de hierro se utiliza para el endurecimiento superficial de aceros ferríticos y otros aceros debido a su elevada dureza, excelente resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión. El uso de un método de endurecimiento superficial llamado proceso de nitruración endurece la superficie y mejora la resistencia al desgaste del acero. Este proceso se utiliza habitualmente para piezas de aviones, pero también puede emplearse para sartenes y otros utensilios de cocina.
Los métodos de nitruración como tratamiento de superficies incluyen la nitruración gaseosa, la nitruración en baño salino y la nitruración iónica. La nitruración gaseosa se desarrolló en 1923 e implica el calentamiento en gas amoníaco. La nitruración en baño salino se desarrolló para la nitruración rápida y consiste en calentar en un baño salino que contiene principalmente sales de cianuro. La nitruración iónica produce iones aplicando una tensión de varios cientos de voltios a una mezcla de gases de nitrógeno e hidrógeno, que se bombardean a continuación con el material tratado a gran velocidad para nitrurarlo.
El nitruro de hierro, con sus propiedades ferromagnéticas, es también un material prometedor para imanes permanentes. El mejor imán permanente comercializado hasta la fecha es el imán de neodimio. Los imanes de neodimio son caros de producir porque contienen tierras raras, pero ahora están disponibles a bajo coste. El nitruro de hierro se está investigando como material alternativo a los imanes de neodimio y también se denomina imán sin tierras raras.
Propiedades del Nitruro de Hierro
1. Dureza y Transición Cristalina
El nitruro de hierro es mucho más duro que el acero normal y su dureza puede alcanzar más de cinco veces la del acero normal. Esta elevada dureza se debe al fortalecimiento de la solución sólida por el nitrógeno. El fortalecimiento por disolución es un método para aumentar la resistencia mediante la adición de diferentes elementos a un metal, lo que provoca deformaciones en la disposición atómica y restringe el movimiento de las dislocaciones.
Normalmente, los átomos están dispuestos de forma regular, pero puede haber pequeños defectos, conocidos como “dislocaciones”. Cuando se aplica una fuerza, las dislocaciones estructuralmente inestables se mueven en esa dirección y acaban deformándose.
La intrusión de nitrógeno en la estructura de los átomos de hierro tiene el efecto de distorsionar la disposición atómica e inhibir la transición. Del mismo modo que es más difícil conducir por una carretera irregular que por una asfaltada, es menos probable que las transiciones se muevan en una disposición atómica distorsionada.
2. Resistencia a la Corrosión
El nitruro de hierro tiene la propiedad de ser más resistente a la corrosión que el acero ordinario. La resistencia a la corrosión se refiere a la propiedad de ser resistente al óxido. Existen varias teorías sobre por qué el nitruro de hierro es resistente a la oxidación, pero no se sabe con certeza. Sin embargo, la resistencia a la corrosión se ha demostrado experimentalmente. Asimismo, se considera resistente a la intemperie, lo que implica una menor oxidación incluso cuando se expone a condiciones exteriores en el proceso de nitruración. La resistencia a la intemperie se refiere a la propiedad de ser resistente a los cambios meteorológicos.
3. Ferromagnetismo
El Fe4N se caracteriza por sus propiedades ferromagnéticas en condiciones de temperatura ambiente. Entre los nitruros de hierro, el Fe4N y el Fe16N2, en particular, presentan altos valores de magnetización de saturación y se espera que se utilicen en diversas aplicaciones como materiales magnéticos con una excelente resistencia a la corrosión, a la intemperie y a las propiedades mecánicas. El nitruro de hierro también se caracteriza por no contener tierras raras, por lo que también se conoce como imán sin tierras raras.
Los cristales de hierro normales tienen una estructura cristalina cúbica con todos los lados de igual longitud. En cambio, el Fe16N2 tiene una estructura cristalina rectangular alargada en la dirección de un eje específico. Por tanto, los momentos magnéticos de los átomos de hierro están orientados en la dirección específica de los ejes del cristal, lo que da lugar a una fuerte fuerza magnética.
En el Fe16N2, el producto energético, que expresa el rendimiento de un imán permanente, es el mayor de todos los tipos de imán. La temperatura de Curie, que es la temperatura a la que se produce la transición del ferromagnetismo al paramagnetismo, es de aproximadamente 490 °C. También se sabe que la desmagnetización debida a la temperatura es pequeña.