窒化鉄

窒化鉄（ちっかてつ、英: Iron nitride）は、鉄の窒化物。化学式はFe₂N、Fe₃N_1+x、Fe₄N、Fe₇N₃、Fe₁₆N₂などで表される。

天然には、ヴェスヴィオ山から発見され、2021年に再定義されたシデラゾート（ドイツ語版）（Fe₃N_1.33）が産出する[1]。

性質

強磁性窒化鉄は、現在最強の磁石とされるネオジム-鉄-ボロン磁石の性能を凌駕する可能性のある物質で、1972年に東北大学の高橋實がその存在を提唱していたが、当時は薄膜としては得られたものの、粉末として抽出することはできなかった[2]。また飽和磁化などの実験データの再現性に乏しく、磁石性能を表わす重要な指標である結晶磁気異方性に関するデータが得られなかった[2]。1989年に中谷功の研究グループによって開発された活性液面連続真空蒸着法を用いてナノ粒子が製造され[3]、粉末での一部生成確認がなされてはいるものの、強磁性窒化鉄の含有率（生成率）が低く不純物による影響もあり、再現性も含め期待されるような磁気特性は得られていなかった[2]。

Fe₁₆N₂は飽和磁化が高く、最大エネルギー積が理論値で約1035kJ/m^3（130MGOe）で強力な磁石になる可能性を秘めているが、保磁力に比例する異方性磁界が低く、Fe₁₆N₂の保磁力は理論値で796kA/m（10kOe）と低い。そのため、飽和磁化を多少落としてでも、Fe₁₆N₂の保磁力を高めるためにFeの一部をレアメタルではない何らかの金属元素で、さらにNの一部をホウ素や酸素などの非金属元素で置換する方策が探索されている[4]。

また、Fe₁₆N₂には、200℃で相分離してしまうという難点を抱えているので、焼結による成型が出来ず、結合材が必要になるため、磁粉の充填率が下がるボンド磁石としてしか使えない可能性がある[4]。

磁石	残留磁束密度 Br (T)	保磁力 Hci (kA/m)	最大エネルギー積 (BH)max (kJ/m^3)	キュリー温度 Tc (°C)
Nd2Fe14B (焼結)	1.0–1.4	750–2000	200–440	310–400
Nd2Fe14B (結合)	0.6–0.7	600–1200	60–100	310–400
SmCo5 (焼結)	0.8–1.1	600–2000	120–200	720
Sm2(Co,Fe,Cu,Zr)17 (焼結)	0.9–1.15	450–1300	150–240	800
アルニコ (焼結)	0.6–1.4	275	10–88	700–860
ストロンチウム-フェライト (焼結)	0.2–0.4	100–300	10–40	450
Fe16N2 (結合)		-796	1000

用途

磁性流体、磁気記録材料や電動機等で希土類磁石の代替として使用が期待される。窒化鉄磁性流体の磁化は2400ガウス(0.24テスラ)で現在でも世界最高性能であり、多方面への応用が模索される[3]。

脚注

1. Siderazot, mindat.org
2. ^ 世界初、レアアースレス磁石（強磁性窒化鉄）粉末の単相分離・生成に成功
3. ^ 金属磁性体で微細構造をつくる　～ナノ粒子化からナノ加工プラズマプロセスまで～
4. ^ 脱・レアメタル依存症――磁石は省・脱ジスプロシウムへ

参考文献

• 田中隆夫, 田川公照, 田崎明「鉄窒化物超微粒子の合成と磁気特性」『日本化学会誌（化学と工業化学）』第1984巻第6号、日本化学会、1984年、930-935頁、doi:10.1246/nikkashi.1984.930、ISSN 03694577、CRID 1390001204389668352。 
• 真島一彦, 柳生宗一, 勝山茂, 永井宏「ＭＡ法による窒化鉄の作製」『粉体および粉末冶金』第39巻第3号、粉体粉末冶金協会、1992年、192-196頁、doi:10.2497/jjspm.39.192、ISSN 05328799、CRID 1390282681282317696。 
• 高橋実「窒化鉄」『金属』第63巻第1号、アグネ技術センター、1993年1月、55-59頁、ISSN 03686337、CRID 1520854805001164800。 
• 広瀬次郎, 伊藤滋, 明石和夫, 小浦延幸「HIP法によるFe₄N焼結体の作成」『粉体および粉末冶金』第41巻第8号、粉体粉末冶金協会、1994年、989-993頁、doi:10.2497/jjspm.41.989、ISSN 05328799、CRID 1390282681285074048。 
• 永富晶, 吉川信一, 樋野村徹, 那須三郎, 金丸文一「α鉄のアンモニア窒化による窒化鉄FexN(x:2,2～3,4,16/2)の合成とFe₁₆N₂バルク試料の磁性」『粉体および粉末冶金』第46巻第2号、粉体粉末冶金協会、1999年、151-155頁、doi:10.2497/jjspm.46.151、ISSN 05328799、CRID 1390282681285389184。 
• 平塚信之, 北地誠, 柿崎浩一, 小林秀彦, 北原清志, 福島洋一, 中川順平, 露木祐理子「窒化鉄粉末の合成および熱分解過程における常磁性一強磁性相変化」『埼玉大学地域共同研究センター紀要』第2巻、埼玉大学地域共同研究センター、2002年、51-54頁、doi:10.24561/00016614、ISSN 1347-4758、CRID 1390009224813730688。