Eisennitrid

Was ist Eisennitrid?

Eisennitrid ist eine intrusive Verbindung aus Eisen und Stickstoff mit verschiedenen Kristallformen, wie „Fe2Nt“, „Fe4N“ und „Fe16N2“.

Je nach Stickstoffgehalt ändert sich das kristalline System und die magnetischen Eigenschaften variieren stark. Sie haben Eigenschaften, die zwischen denen von Metallen und Oxiden liegen und weisen eine ausgezeichnete Korrosions-, Witterungs- und Härtebeständigkeit auf. Auch seine Eigenschaften liegen zwischen denen von Metallen und Oxiden. Daher hat es im Vergleich zum Metall Fe Eigenschaften wie eine höhere Korrosions- und Witterungsbeständigkeit und eine größere Härte.

Fe4N zeichnet sich durch seine ferromagnetischen Eigenschaften unter Raumtemperaturbedingungen aus. Die Curie-Temperatur, d. h. die Temperatur, bei der der Übergang vom Ferromagnetismus zum Paramagnetismus stattfindet, liegt bei etwa 490 °C. Unter den Eisennitriden weisen insbesondere Fe4N und Fe16N2 eine hohe Sättigungsmagnetisierung auf und dürften daher in verschiedenen Anwendungen als magnetische Werkstoffe mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit, Witterungsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften eingesetzt werden.

Anwendungen von Eisennitrid

Eisennitrid wird aufgrund seiner hohen Härte, hervorragenden Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zur Oberflächenhärtung von ferritischen und anderen Stählen verwendet. Die Anwendung eines Oberflächenhärtungsverfahrens, des Nitrierverfahrens, härtet die Oberfläche und verbessert die Verschleißfestigkeit des Stahls. Dieses Verfahren wird in der Regel für Flugzeugteile verwendet, kann aber auch für Bratpfannen und anderes Kochgeschirr eingesetzt werden.

Zu den Nitrierverfahren als Oberflächenbehandlung gehören das Gasnitrieren, das Salzbadnitrieren und das Ionennitrieren. Das Gasnitrieren wurde 1923 entwickelt und umfasst das Erhitzen in Ammoniakgas. Das Salzbadnitrieren wurde für das schnelle Nitrieren entwickelt und erfolgt durch Erhitzen in einem Salzbad, das hauptsächlich Cyanidsalze enthält. Beim Ionennitrieren werden durch Anlegen einer Spannung von mehreren hundert Volt an ein Gemisch aus Stickstoff- und Wasserstoffgasen Ionen erzeugt, die dann mit hoher Geschwindigkeit auf das behandelte Material geschossen werden, um es zu nitrieren.

Eisennitrid mit seinen ferromagnetischen Eigenschaften ist auch ein vielversprechender Werkstoff für Dauermagnete. Der beste Dauermagnet, der bisher auf dem Markt ist, ist der Neodym-Magnet. Neodym-Magnete sind teuer in der Herstellung, da sie seltene Erden enthalten, aber inzwischen zu niedrigen Kosten erhältlich. Eisennitrid wird als alternatives Material zu Neodym-Magneten erforscht und auch als Magnet ohne seltene Erden bezeichnet.

Eigenschaften von Eisennitrid

1. Hohe Härte

Eisennitrid ist viel härter als normaler Stahl und seine Härte kann mehr als das Fünffache der von normalem Stahl erreichen. Diese hohe Härte ist auf die Mischkristallverfestigung durch Stickstoff zurückzuführen. Die Mischkristallhärtung ist eine Methode zur Erhöhung der Festigkeit, bei der einem Metall verschiedene Elemente zugesetzt werden, was zu Verformungen in der atomaren Anordnung führt und die Bewegung von Versetzungen einschränkt.

Normalerweise sind die Atome regelmäßig angeordnet, es können jedoch winzige Defekte, so genannte Versetzungen, vorhanden sein. Wenn eine Kraft ausgeübt wird, bewegen sich die strukturell instabilen Versetzungen in diese Richtung und verformen sich schließlich.

Das Eindringen von Stickstoff in die Struktur der Eisenatome hat zur Folge, dass die atomare Anordnung verzerrt und der Übergang verhindert wird. So wie es schwieriger ist, auf einer unebenen Straße zu fahren als auf einer gepflasterten, ist es auch weniger wahrscheinlich, dass sich Übergänge in einer verzerrten atomaren Anordnung bewegen.

2. Rostbeständigkeit

Eisennitrid ist widerstandsfähiger gegen Korrosion als normaler Stahl. Korrosionsbeständigkeit bezieht sich auf die Eigenschaft, gegen Rost resistent zu sein. Es gibt verschiedene Theorien darüber, warum Eisennitrid rostbeständig ist, aber es ist nicht sicher bekannt. Die Korrosionsbeständigkeit ist jedoch experimentell nachgewiesen worden. Man kann auch sagen, dass es witterungsbeständig ist, da es selbst bei Nässe draußen im Nitrierfeld nicht rostet. Die Witterungsbeständigkeit bezieht sich auf die Eigenschaft, gegen Witterungseinflüsse beständig zu sein.

3. Ferromagnetisch

Fe4N zeichnet sich durch seine ferromagnetischen Eigenschaften unter Raumtemperaturbedingungen aus. Unter den Eisennitriden weisen insbesondere Fe4N und Fe16N2 hohe Sättigungsmagnetisierungswerte auf und werden voraussichtlich in verschiedenen Anwendungen als magnetische Werkstoffe mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit, Witterungsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften eingesetzt. Eisennitrid zeichnet sich auch dadurch aus, dass es keine Seltenen Erden enthält und daher auch als ein Magnet ohne Seltene Erden bezeichnet wird.

Normale Eisenkristalle haben eine kubische Kristallstruktur, bei der alle Seiten gleich lang sind. Im Gegensatz dazu hat Fe16N2 eine rechteckige Kristallstruktur, die in Richtung einer bestimmten Achse gestreckt ist. Die magnetischen Momente der Eisenatome sind daher in der spezifischen Richtung der Kristallachsen ausgerichtet, was zu einer starken Magnetkraft führt.

Bei Fe16N2 ist das Energieprodukt, das die Leistung eines Dauermagneten ausdrückt, das größte unter allen Magnettypen. Die Curie-Temperatur, d. h. die Temperatur, bei der der Übergang vom Ferromagnetismus zum Paramagnetismus stattfindet, liegt bei etwa 490 °C. Es ist auch bekannt, dass die temperaturbedingte Entmagnetisierung gering ist.