Difusión Atómica en Sólidos: Mecanismos, Factores y Aplicaciones Industriales

1. Introducción a la Difusión Atómica

La difusión puede ser definida como el mecanismo por el cual la materia es transportada por la materia. Los átomos de gases, líquidos y sólidos están en constante movimiento y se desplazan en el espacio tras un período de tiempo. El transporte de masa en líquidos y sólidos se origina generalmente debido a una combinación de convección (movilización de fluido) y difusión. En los sólidos, estos movimientos atómicos quedan restringidos (no existe convección). A nivel atómico, la difusión consiste en la emigración de los átomos de un sitio de la red a otro sitio. En los materiales sólidos, los átomos están en continuo movimiento, cambian rápidamente de posición. La movilidad atómica exige dos condiciones: un lugar vecino vacío y que el átomo debe tener energía suficiente como para romper los enlaces con los átomos vecinos y distorsionar la red durante el desplazamiento.

• Interdifusión o difusión de impurezas: Los átomos de un metal difunden en el otro. Los átomos migran de las regiones de alta concentración a la de baja concentración.

2. Mecanismos de Difusión

• Mecanismo de difusión por vacantes o sustitucional: Los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una posición a otra si hay presente suficiente energía de activación, proporcionada ésta por la vibración térmica de los átomos, y si hay vacantes u otros defectos cristalinos en la estructura para que ellos los ocupen. Según va aumentando la temperatura del metal se producirán más vacantes y habrá más energía térmica disponible, por tanto, el grado de difusión es mayor a temperaturas más altas.
• Mecanismo de difusión intersticial: Tiene lugar cuando los átomos se trasladan de un intersticio a otro contiguo al primero sin desplazar permanentemente a ninguno de los átomos de la matriz de la red cristalina. Para que el mecanismo intersticial sea efectivo, el tamaño de los átomos que se difunde debe ser relativamente pequeño comparado con el de los átomos de la matriz.

3. Difusión Estacionaria: Primera Ley de Fick

La difusión es un proceso que depende del tiempo. Muchas veces es necesario conocer a qué velocidad ocurre la difusión, (velocidad de transferencia de masa). Esta velocidad se expresa como flujo de difusión (J), que se define como la masa (número de átomos) M que difunden perpendicularmente a través de la unidad de área de un sólido por unidad de tiempo. Este flujo se expresa en (kg/m²·s). La condición para que exista estado estacionario es que el flujo de la difusión no cambie con el tiempo. En este contexto a veces se emplea el término fuerza impulsora para denominar a aquello que obliga a realizar una reacción.

4. Factores que Afectan a la Difusión de los Sólidos

• El tipo de mecanismo de difusión: El hecho de que la difusión sea intersticial o sustitucional afectará la difusividad. Los átomos pequeños pueden difundirse intersticialmente en la red cristalina de átomos mayores del solvente. De esta manera los átomos de carbono se difunden intersticialmente en la red BCC o FCC.
• La temperatura a la cual ocurre la difusión: Si la temperatura aumenta en el sistema, la difusividad también se ve incrementada.
• El tipo de estructura cristalina de la red matriz: La estructura cristalina BCC que posee un factor de empaquetamiento de 0.68 ayuda a que la difusividad sea mayor que una red FCC que posee un factor de empaquetamiento de 0.74. De esta manera los átomos de carbono se pueden difundir más fácilmente en una red de hierro BCC que una red FCC.
• El tipo de imperfecciones cristalinas: La mayoría de estructuras abiertas permiten una difusión más rápida de los átomos. Por ejemplo, la difusión tiene lugar más rápidamente a lo largo de los límites de grano que en la matriz del mismo, en metales y cerámicos. Las vacantes en exceso incrementarán las velocidades de difusión en metales y aleaciones.
• La concentración de las especies que se difunden: Las concentraciones mayores de átomos de soluto difundible afectarán la difusividad. Este aspecto de la difusión en el estado sólido es muy complejo.

5. Aplicaciones Industriales de los Procesos de Difusión

• Cementación o carburación: Endurecimiento superficial de una pieza sin modificar su núcleo.
• Sinterización: Tratamiento térmico empleado a una temperatura inferior a la de fusión para incrementar la fuerza y la resistencia de una pieza creando enlaces fuertes.
• Soldadura por difusión: Proceso mediante la aplicación de presión y calor, controlada con un tiempo para la formación de puentes o cuellos entre las partículas o granos independientes.
• Recocido: Para aumentar el tamaño del grano.