Nitruro de Silicio

Fórmula química: Si3N4

Punto de fusión: 1900 Cº (valor nominal, puede variar dependiendo de la pureza)

Densidad: 3,26 gr/cc

El Nitruro de Silicio es una de las cerámicas de alto rendimiento más importantes en el mercado actual, y su uso comercial continúa expandiéndose a medida que los costes de la fabricación del material se van reduciendo (también debido a la demanda) si bien su futuro depende en gran medida de aplicaciones muy específicas, en el sentido de que no reemplazará al Acero en la enorme mayoría de usos que tiene ésta aleación. 

Es uno de los compuestos cerámicos con los que estoy más familiarizado, porque durante años investigué acerca de él a tal punto que sus propiedades me parecieron tan extraordinarias como para comprarlo por el mero hecho de coleccionarlo (en pequeñas piezas como bolas de rodamientos para skateboard) al tiempo que comenzaba mi blog, todavía en existencia, donde hablaba sobre mi experiencia personal con el material en cuestión, en otras palabras se puede decir que es uno de los compuestos que más peso tuvieron a la hora de mandarme a escribir sobre él para los demás. Artículos personales sobre las características del Nitruro de Silicio fueron muy exitosos para mí, porque noté que era de los pocos que hablaban de el de forma pausada y bien explicada. 

Es poco conocido; hay que darle tiempo. El Titanio es de los materiales más utilizados actualemente en medicina para implantes óseos, y todavía no se tiene constancia del todo del metal, que lleva en la industria de forma masiva desde los años 70's del siglo XX, por tanto no es de extrañar sea éste el caso del propio Nitruro de Silicio, que como todos los nuevos materiales tiene esa pinta de “exótico” y se utiliza primero en aplicaciones “de élite” como en programas espaciales, y ya con el tiempo va introduciéndose al mercado público. Lo mismo sucedía con otros materiales que se desarrollaron antes, durante o apenas después de la Segunda Guerra Mundial, teniendo inicialmente usos estrictamente bélicos para luego llegar al hogar. Sin más dilación, comencemos. 

¿Qué es y para qué se utiliza?

El Nitruro de Silicio, como ya hemos visto antes, es una “cerámica”. Ahora bien, es importante saber diferenciar los materiales llamados “cerámicos” de alto rendimiento con usos industriales de aquellos más tradicionales, como los que se usan para designar materiales como el barro cocido, la porcelana o ciertas clases de vidrio que reciben propiamente el nombre de “cerámica”. Las cerámicas de alto rendimiento incluyen todos los Carburos, Boruros y algunos Óxidos como la Alúmina (Al2O3) de gran pureza, que se puede comercializar en estado ordinario o refinado con estructura cristalina de Zafiro/Rubí.

Todas las cerámicas de alto rendimiento son únicas, pero comparten algunas características entre sí que las diferencian, por ejemplo, de los cristales tradicionales, con los que se asemejan en algunas cosas. 

Dichas características propias de las cerámicas que a su vez las separan de los cristales (como el Soda-Lima, Cuarzo, Borosilicato, et cétera) son:

-Mayor dureza. La cerámica con el valor más bajo en la escala de Mohs es la Circonia Cúbica, con un mínimo de 8 en la escala de Mohs. El Carburo de Boro tiene una dureza superior al 9,5 en la misma escala y se ha demostrado que es capaz de rayar un Diamante. En contraposición, los cristales rara vez superan el valor nominal del Cuarzo puro, que marca el valor 7 en la escala Mohs del 1 al 10. 

-Mayor rango de servicio/tolerancia al calor: Mientras que la mayoría de cristales pueden fracturarse espontáneamente debido a la exposición al calor que produce dislocaciones en su estructuras cristalinas internas, las cerámicas son los compuestos más resistentes a las altas temperaturas. Más incluso que la mayoría de metales, incluyendo a los refractorios salvo el Wolframio/Wolframio y el Renio, excepciones que confirman la regla. Todas las cerámicas son capaces de operar a más de 1000ºC, siendo el Nitruro de Silicio, irónicamente, la que posea el valor más bajo, con un límite de 1200ºC para la variedad más común. El Zafiro sintético, por otra parte, es capaz de operar incluso hasta los 1800ºC. Estos valores son tan altos que la comparación directa con cualquier otro material es ridícula, aunque creo que la mejor prueba de su resistencia a las altas temperaturas es que se usan como crisoles para fundir metales. 

-Mayor resistencia mecánica: Todas las cerámicas son más resistentes que cualquiera de los cristales típicos, incluyendo al Borosilicato, famoso por su tenacidad. El valor de resistencia a la rotura por compresión es particularmente alto (más que la mayoría de metales comunes puros y aleados). La resistencia a la tracción también es buena, siempre y cuando el estrés sea longitudinal y no se apliquen fuerzas en puntos de presión ajenos a los extremos, por ejemplo, de una barra o cilindro sólida/o. 

-Muy buena resistencia a la corrosión: quizás en lo único que los cristales pueden aventajar a las cerámicas es en éste apartado, y es que mientras que las cerámicas son mucho más resistentes a la corrosión que la enorme mayoría de aleaciones metálicas, la base de Cuarzo de prácticamente todos los cristales les confiere automáticamente una protección frente al ataque químico excelente (salvo por el Flúor y sus combinaciones). Un dato quizás más importante, tanto en el caso de los cristales como en el de las cerámicas es que la resistencia a la corrosión se mantiene incluso a altas temperaturas, cosa no es el caso en otros campeones del calor, como el Wolframio, que empieza a oxidarse lentamente y cada vez más rápidamente en presencia de Oxígeno a partir de los 300ºC. Las cerámicas permanecen inertes durante mayor tiempo de exposición, y lo hacen soportando más calor que otros materiales. Solamente el Iridio, considerado por muchos el metal más resistente a la corrosión, se mantiene inatacable hasta pasados los 1900ºC. En el caso del Tántalo, por ejemplo, que es famoso por su excelente resistencia a la corrosión, el ataque empieza a partir de los 150ºC. 

-Propiedades auto-lubricantes: La mayoría (no todas) de cerámicas tienen propiedades auto-lubricantes. Esto significa básicamente que no se desgastan al roce y por ende no requieren de la adición de ninguna grasa o aceite industrial, como sucede en el caso del Acero, entre otros materiales. 

Las desventajas de las cerámicas son sus precios elevados, el hecho de que se produzcan de forma granular y necesiten ser sinterizadas (salvo el caso de las cerámicas “cristalinas” como el Zafiro sintético) con otros compuestos. En ésto se asemejan más a los carburos que a los cristales propiamente dichos, que se pueden trabajar con más facilidad (llevan con nosotros desde tiempos de la Antigua Roma – sopladores de vidrio). El Nitruro de Silicio es particularmente caro.

Otra desventaja común de las cerámicas es que a pesar de su enorme dureza y resistencia a la rotura por compresión tienen, como es de esperar, una tenacidad pobre. Son muy rígidas, pero normalmente frágiles, y rompen violentamente (estallan) al contacto de un martillo. En cualquier caso la tenacidad (resistencia a la fractura) de las cerámicas es superior a la de cualquier cristal. 

El Nitruro de Silicio es un mimbro relativamente “joven” de la familia de las Cerámicas si se tiene en cuenta la fecha en la que ya eran usadas las otras. La primera síntesis del compuesto fue llevada a cabo en 1897 por los químicos Henri Etienne Sant-Claire Deville, francés, y el alemán Friedrich Wöhler, en una combinación ciertamente atípica, políticamente hablando, que produciría el compuesto por primera vez en la historia, si bien sería con poca pureza y en muy poca cantidad. El Nitruro quedó en la sombra mientras que el Carburo de Silicio, el de Wolframio, la Alúmina y la Circonia Cúbica triunfaban, hasta que diversas compañías americanas comenzaron a lanzar patentes para la síntesis masiva del compuesto en vista a darle uso comercial. No obstante, habría de esperar hasta 1958 para que la gigante americana Union Carbide lanzara al mercado el Nitruro de Silicio de forma relativamente accesible. Dado que sus propiedades en lo tocante a la dureza no compensaban (el Carburo es más duro) quedó nuevamente relegada a un segundo lugar hasta que finalmente, esta vez sí, encontraría su lugar gracias a la NASA, quien la emplearía luego de buscar desesperadamente un material que combinase buena resistencia no sólo a las altas, si no también a las bajas temperaturas, gran dureza (que se traduce en mayor longevidad de la pieza), baja densidad (por motivos obvios) e inercia química. Cuando se presentaron todas las cerámicas de élite sobre la mesa y tras una serie de pruebas, se llegó a la conclusión de que la que mejor aprobaba en todas las condiciones previamente demandadas, especialmente en lo tocante a la tenacidad, salió como ganador el Nitruro de Silicio sinterizado, con fórmula Si3N4, tal como lo conocemos hoy en día. 

Preparación

Se produce a partir de Cuarzo de alta pureza. Actualmente es posible producirlo a partir de Silicio de elevada pureza (por ejemplo, desechos de la industria electrónica). En cualquier caso, el procedimiento se puede resumir tal como sigue: relevar el Oxígeno por el Nitrógeno en el Silicio. Esto significa que en el Cuarzo (SiO2) la tarea consiste en eliminar el Oxígeno mediante reducción para luego “cebar” al Silicio en estado líquido (fundido) con Nitrógeno, aplicando a su vez presión para facilitar la reacción. Dado que el Nitrógeno es bastante inerte y menos electronegativo que el Oxígeno y el Carbono la reacción es “difícil” químicamente hablando, y no es casualidad que sea 100% artificial. Como hemos visto en epígrafes anteriores, los elementos reactivos, como es el caso del Silicio, siempre optarán por unirse al elemento más electronegativo posible de todos los que estén presentes. En orden; Oxígeno, Carbono y Nitrógeno (nótese que estoy mencionando sólo los elementos que producen sólidos con utilidad real). Para producir el Carburo hay que borrar de la ecuación al Oxígeno, y para el Nitruro, al Oxígeno y al Carbono. Todo esto, que parece fácil y de hecho se resume en pocas palabras, es en realidad un proceso sumamente complejo y costoso que involucra en el caso del Nitruro grandes cantidades de energía, ya que la reacción entre ambos elementos, Silicio y Nitrógeno, es lenta y de hecho se logra luego de mucho tiempo. En comparación, producir un óxido toma apenas segundos si se tiene una llama lo suficientemente potente. 

El Nitruro es fruto de una unión forzosa, artificial, por lo que no sorprende que el compuesto  no exista salvo en cantidades milimétricas y muy, muy aisladas en la superficie de la Tierra que de hecho proceden de meteoritos, donde recibe el nombre de “Nitrita”. De hecho, si calentásemos el Nitruro de Silicio puro hasta los 1000º, éste comenzaría a oxidarse vigorosamente; el Oxígeno robaría los átomos de Silicio mientras que el Nitrógeno saldría despedido a la atmósfera formando N2 con rapidez a la vez que la pieza comenzaría a volverse Cuarzo, es decir, SiO2. 

Propiedades

Ante todo, es la cerámica más tenaz. No destaca en otra cualidad más que en ésta, pero su resistencia a la rotura, tanto a altas temperaturas como en temperaturas criogénicas (tal es la condición del espacio exterior) la avalan para ésta labor. El uso más famoso de la cerámica son las bolas y rodillos de cojinetes (rodamientos), usadas por primera vez en aparatos espaciales (como suele suceder con materiales exóticos) hasta pasar a manos del público general.

En estado puro es, como todas las cerámicas, un polvo granular con tamaño variable. Los gránulos del Nitruro que se obtienen luego de horas de Nitridación (proceso de formar un Nitruro) del Silicio son granos generalmente pequeños y sin forma definida, de color “gris cemento”. En estado bruto, recién salidos del horno, los gránulos de SiN4 de alta pureza sólo se podrían usar como abrasivos (8,5 Mohs) pero dado que éste no es su propósito, pasarán por la fase de sinterización para poder ser útiles mecánicamente hablando más allá de exhibir su gran dureza. El Carburo de Silicio, que es más barato y se produce de forma masiva, sí se puede y de hecho se utiliza sobretodo en ésta su forma bruta ya que es más duro y se puede empapelar (lijas) o mezclar con agua para cortadores a presión. 

El procedimiento de sinterización en el Nitruro de Silicio es exactamente el mismo que se sigue con otras cerámicas como el Carburo de Wolframio. Los gránulos del compuesto puro son pulverizados hasta el orden de las micras (se busca reducir el tamaño del grano lo máximo posible) para a continuación ser moldeados a presión y unidos mediante una segunda substancia que recibe el nombre de aglomerante y que funciona exactamente como lo hace el cemento con los ladrillos. Por éste motivo, podemos decir que la sinterización es un proceso muy similar a la cementación. 

El aglomerante depende de la cerámica en cuestión. En el Carburo de Wolframio se utilizan los metales ferromagnéticos Cobalto y Níquel (dependiendo de si se busca mayor tenacidad o resistencia a la corrosión). También se pueden usar combinaciones de éstos dos metales (aleaciones) que se usan como “pegamento” (cemento más bien) entre los gránulos. En el caso del Nitruro de Silicio se utilizan otros compuestos cerámicos con capacidad de cristalizar, como el Cuarzo común, siempre dopado con terceras substancias que mejoran las propiedades mecánicas. El color del Nitruro de Silicio sinterizado es siempre “negro petróleo” y no se parece ni al negro cristal del Ónix ni al mate del Azabache, si no que tiene una tonalidad propia. Teniendo en cuenta que el Nitruro de Silicio puro es de color gris, se debe aclarar que éste color negro parduzco se debe a la presencia de pequeñas cantidades de Hematita (Fe2O3) la cual estabiliza la mezcla y le confiere dicha tonalidad. 

El procedimiento de sinterización produce piezas muy rígidas, compactas, que no tienen la dureza original del Nitruro (8,5 Mohs) pero sigue siendo mayor que la del Cuarzo (7) de tal modo que se pueda expresar entre 7,5 y 8 Mohs. A cambio de éste sacrificio en la dureza, se gana enteros en tanto a la resistencia a los impactos se refiere. Ten en cuenta que ninguna cerámica de alto rendimiento (salvo aquellas con estructura cristalina definida como el Zafiro sintético) son químicamente puras, ya que al ser productos sinterizados se trata de combinaciones entre el material bruto y un aglomerante que sirve de “cemento”. El porcentaje (%) del aglomerante es siempre el mínimo posible, ya que mientras más se use menos se notan las propiedades del material original. En el caso del Nitruro de Silicio el valor de la pureza de SiN4 en cualquier pieza determinada oscila entre el 90 y el 94%, de manera tal que el aglomerante sólo representa un máximo de 10%, al peso, en masa. 

La resistencia química es menor a la del Cuarzo Común, y de hecho, el propio Nitruro de Silicio se pasiva formando SiO2 superficialmente. Esto significa que la resistencia a la corrosión es buena o muy buena en comparación a la mayoría de metales y sus aleaciones pero inferior a cristales comunes como el de Borosilicato, ni que decir tiene es inferior a otras cerámicas. En cualquier caso y dado que forma una capa de SiO2 que además es bastante fuerte su resistencia química es casi tan alta como el Cuarzo auténtico. 

Aplicaciones típicas 

Como no sobresale en nada salvo en su resistencia al impacto se usa en aplicaciones donde otras cerámicas típicas pudieran no cumplir su cometido. Es la alternativa cerámica a otros materiales, frecuentemente metálicos, que suelen ser (salvo por el caso del Aluminio y sus aleaciones) más densos. El Nitruro de Silicio es ligero (3,26 gr/cc) pero no tanto como otras cerámicas y/o aleaciones metálicas, no obstante, dado que tiene mejor tenacidad que las primeras y mayor resistencia a las bajas y altas temperaturas que las segundas se usa como reemplazo de ambas en piezas tales como cojinetes (bolas, anillas, rodillos, agujas), válvulas, pistones, piezas de sellado. 

En la industria médica se usa como alternativa al PEEK (Polieteretercetona) y al Titanio para prótesis óseas, particularmente en la espina dorsal (discos dorsales). Es absolutamente inerte y tiene menor densidad que el Titanio, aunque más que el PEEK. 

Antiguamente se usaba como abrasivo, de hecho se puede usar como abrasivo y responde bien, pero es demasiado caro en comparación al Carburo de Silicio, la Alúmina (Al2O3). Incluso a día de hoy se prefiere usar muchas veces otros abrasivos naturales como lo son los Granates de baja calidad y tamaño o incluso los Diamantes artificiales. Todos estos materiales son más duros y baratos. El Nitruro de Silicio se usa por su tenacidad, no por su dureza, aunque sea alta.  

El cuarto uso en orden de relevancia es el de aislante eléctrico. Dado que es un mal conductor y tiene una buena resistencia a la corrosión se usa en electrónica, aunque es raro. 

El Nitruro de Silicio y el Skating

Actualmente es famoso entre la comunidad de skaters (patinadores de monopatín) y más especialmente entre los que prefieren las llamadas “longboards” que se comercializan como “city cruisers” (cruceros callejeros), largas tablas parecidas a las del monopatín pero más estables y con ruedas más anchas lo cual favorece una mayor velocidad en recta sacrificando maniobrabilidad en espacios reducidos. Mayor velocidad significa más RPM (revoluciones por minuto, veces que la rueda completa un giro de 360º) en las cuatro ruedas, y más RPM significa más calor. En algún momento (a partir de los 150ºC) el Acero típico para bolas de rodamientos, AISI 52100, comienza a dilatarse por lo que se prefiere el uso del Nitruro. También se usa en bicicletas de competición y monoplazas de Fórmula 1 por éste motivo. En éste apartado entra también el índice ABEC que mide la precisión de los rodamientos, expresados en números impares (normalmente 3, 5, 7 y 9 para el valor máximo). Las tiendas de rodamientos explotan el desconocimiento de los chicos/as para venderles rodamientos más rápidos sin explicarles las ventajas y desventajas. El ABEC mide la precisión del rodamiento, no la velocidad a la que pueda llegar a girar ni mucho menos la calidad del producto o lo rápido que irán las tablas. Precisiones de 7 y 9 son típicas en los Longboards porque se supone que puedas llegar a usarlas cuesta abajo (en inglés ésta modalidad se llama “downhill” y puede alcanzar velocidades muy altas) sin temor a que fallen en condiciones extremas. Más que nada, mientras más fluido sea el moviminto mayor será la aceleración y menor la resistencia opuesta. El Nitruro de Silicio se vende como “Ceramic” (Cerámica) pero algunas marcas aprovechan la no-especificación y venden en su lugar rodamientos con bolas de Circonia Cúbica (Zirconia, ZrO2) que tienen un rendimiento menor. Son de color blanco lechoso.

Las bolas cerámicas no requieren el uso de lubricantes y tienen mayor longevidad pero a cambio son más caras y no siempre son necesarias. Si te gusta hacer trucos y patinas en espacios reducidos el ABEC 3 o 5 con bolas tradicionales de Acero debería ser suficiente. Los skaters ejecutan trucos que involucran impactos que podrían arriesgar la integridad de las bolas cerámicas mientras que en el longboard las de Acero tienen una tolerancia a la temperatura menor. En cualquier caso y dado que rara vez alcanzarás velocidades tan altas como para que la bola supere los 150ºC de temperatura no existe una diferencia tan importante entre ambos materiales. La experiencia personal me dice que lo más importante es que los rodamientos sean de calidad aprobada por la comunidad, más allá de lo que ponga el fabricante en la caja.