I.- OBJETIVOS Conocer las caractersticas y diferencias entre los mecanismos de difusin y la energa de activacin de la misma.

Conocer y entender los diferentes mecanismos atmicos de la difusin para as poder comprender las leyes de la difusin y los factores q influyen en la misma.

Analizar los procesos inmiscuidos en la Metalurgia de polvos para diferenciar y caracterizar cada uno de los pasos en este tratamiento de slidos.

II.- MARCO TERICO

DIFUSIONLadifusin(tambindifusin molecular) es unproceso fsicoirreversible, en el quepartculasmateriales se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, aumentando laentropa(Desorden molecular) del sistema conjunto formado por las partculas difundidas osolutoy el medio donde se difunden o disuelven.MECANISMOS DE DIFUSIN.A nivel atmico, la difusin consiste en la emigracin de los tomos de un sitio de la red a otro sitio. En los materiales slidos, los tomos estn en continuo movimiento, cambian rpidamente de posicin. La movilidad atmica exige dos condiciones: 1) un lugar vecino vacio, 2) el tomo debe tener suciente energa como para romper los enlaces con los tomos vecinos y distorsionar la red durante el desplazamiento. Esta energa es de naturaleza vibratoria a una temperatura determinada, alguna pequea fraccin del nmero total de tomos es capaz de difundir debido a la magnitud de su energa vibratoria. Esta fraccin aumenta al ascender su temperatura.a) Difusin por vacantesEs un mecanismo de difusin que implica el cambio de un tomo desde una posicin reticular normal a una vacante o lugar reticular vecino vacio. Este mecanismo recibe el nombre de difusin por vacante. Por descontacto que este proceso necesita la presencia de vacantes, y las posibilidades de la difusin de las vacantes es funcin del nmero estos defectos que existan. A elevada temperatura el nmero de vacantes de un metal es signicativo. Puesto que en el movimiento difusivo los tomos y las vacantes intercambian posiciones, el movimiento de los tomos en la difusin va en sentido opuesto entre las vacantes. La auto difusin y la inter difusion ocurren mediante este mecanismo; en la inter difusin los tomos de soluto sustituyen a los tomos del disolvente.b) Difusin intersticialEl segundo tipo de difusin implica a tomos que van desde una posicin intersticial a otra vecina desocupada. El mecanismo tiene lugar por inter difusin de solutos tales como hidrogeno carbono nitrgeno y oxigeno, que tiene tomos pequeos, idneos para ocupar posiciones intersticiales. Los tomos de soluto sustitucionales raramente ocupan posiciones intersticiales y no difunden por este mecanismo. Este fenmeno se denomina difusin intersticial.En la mayora de las aleaciones, la difusin intersticial ocurre ms rpidamente que la difusin por vacantes, ya que los tomos intersticiales son ms pequeos que las acantes y tienen mayor movilidad. Teniendo en cuenta que hay ms posiciones intersticiales vacas que vacantes, la probabilidad del movimiento atmico intersticial es mayor que la difusin por vacantes.

Otros mecanismos de difusin

a) Intercambio directo - Este mecanismo es muy improbable, por la fuerte repulsin de corto alcance de los tomos, lo que prohbe la ocupacin de la posicin intermedia donde los dos tomos deberan estar a mitad de camino.

b) Anillo - Aqu las fuerzas repulsivas juegan un rol positivo, cada tomo empujando a su vecino en el curso de una permutacin circular. Sin embargo este mecanismo requiere la coordinacin de varios saltos atmicos, lo que hace que su ocurrencia sea improbable.

c) Autodifusin - En los materiales puros los tomos se mueven o saltan de una posicin a otra en la red, la autodifusion ocurre de manera en continua en todos los materiales, no se aprecia su efecto sobre el comportamiento del material.

ENERGADE ACTIVACIN PARA LADIFUSINUn tomo que se difunde debe moverse entre los tomos circundantes para ocupar su nueva posicin. El tomo debeatravesar unabarrerade energapotencial querequiere una energa de activacin Q. El calor proporciona al tomo la energa para vencer esta barrera.Normalmentesenecesitamenosenergaparaforzaruntomointersticial a que pase entre los tomos circundantes; en consecuencia, la energa de activacin es menor en la difusin intersticial que en la difusin por vacancias La energa de activacin es la energa que debe tener un tomo, in o molcula, para poder llegar a su nueva posicin: es fcil ver que los tomos se encuentran en una situacin normal, de baja energa y relativamente estable. Al difundir, al abrirse paso a un nuevo sitio, el tomo debe comprimir los tomos circundantes, vencer una barrera energtica,esa es la energa de activacin. El calor aplicado es lo que proporciona esa energa. Un bajo valor de Q representa una difusin fcil.La energa de activacin es usualmente menor en tomos que difundenatravsdeestructurascristalinasabiertas,encomparacin con tomos que difunden en estructuras cristalinas compactas. La energa de activacin es menor para la difusin de tomos en los materiales que tienen bajas temperaturas de fusin La energa de activacin es menor para tomos sustitucin a los pequeos comparados con tomos de mayor tamao.VELOCIDAD DE DIFUSIN, PRIMERA LEY DE FICKLa permite medir la velocidad a la que los tomos se difunden en un material, es decir, es el nmero de tomos que pasa a travs de un plano de rea unitaria por unidad de tiempo. La primera ley de Fick determina el fluyo neto de tomos.

Donde:

Figura 1.- Mecanismos de difusin en materiales

Gradiente de concentracin.- Es aquel que indica como vara la composicin del material con la distancia o lo que es lo mismo que es la diferencia de concentracin a lo largo de la distancia .Por otra parte el flujo es inicialmente alto cuando el gradiente de concentracin es alto, y decrece gradualmente conforme se reduce el gradiente.Los valores tpicos de D para la difusin en agua de molculas importantes en biologa van desde para un rango de pesos moleculares de cerca de . La Ley se ha verificado experimentalmente de muchas maneras y es muy importante para la determinacin del peso molecular de molculas biolgicas por medio de ultra centrifugacin.Puesto que todos los organismos vivos se componen de una o ms clulas rodeadas por membranas, la difusin de sustancias a travs de membranas biolgicas es cuestin de suma importancia. Por diversas razones no es posible caracterizar las membranas biolgicas por un coeficiente de difusin D, pero es posible combinar el espesor desconocido de la membrana con D en un coeficiente de permeabilidad P, definido en trminos de rapidez de transferencia de masa, utilizando la ecuacin

Donde:

Para muchos tipos de clulas, se ha determinado el coeficiente de permeabilidad que nos da informacin muy til en los estudios de la membrana celular. La ecuacin anterior es slo para gradientes de concentracin, pues si hay iones presentes y sus correspondientes gradientes electroqumicos, es necesario un tratamiento distinto.Sustancias como el pergamino y algunos materiales vegetales, tienen la propiedad de permitir que ciertas molculas difundan a travs de ella, pero otras no. En la figura se muestra un tubo con un trozo de pergamino sujeto a su extremo inferior y con una disolucin de azcar en su interior, est sumergido en agua.

Las molculas de agua difunden a travs del pergamino hacia el interior del tubo de acuerdo con la ley de Fick, ya que hay una mayor concentracin de agua fuera del tubo que dentro de l, pero las molculas de azcar, ms grandes, no se pueden difundir hacia afuera. Este proceso se llama smosis. El lquido asciende por el tubo, hasta el momento en el que la presin causada por la altura de la columna es suficiente para detener una difusin an mayor, o hasta el instante en que la membrana se rompa. Esta presin que se establece por causa de la difusin en un solo sentido se llama presin osmtica. La presin osmtica es un factor importante en el balance del agua entre los tejidos del cuerpo. Las membranas de todas las clulas vivas permiten el libre paso del agua; algunas, sin embargo, son selectivas a otras molculas pequeas, y la presin osmtica puede ser importante. Los glbulos rojos (eritrocitos) estallan inmediatamente despus de sumergirlos en agua destilada.

Tabla 1: Coeficientes de difusin a 500 y 1000C para algunos sistemas soluto-solvente.

La temperatura y el coeficiente de difusin.- El coeficiente de difusin est dado por la siguiente ecuacin:

Donde:

La temperatura de un material es directamente proporcional al coeficiente de difusin y la densidad de flujo de tomos.Los tratamientos trmicos se realizan a elevadas temperaturas debido a que los tomos se mueven rpidamente permitindoles superar la barrera de energa de activacin y concluir las reacciones o alcanzar las condiciones de equilibrio.

Tabla 2.- Coeficientes de Difusin, Energas de Activacin y Puntos de Fusin para auto-difusin

FACTORES QUE AFECTAN LA DIFUSINEn la difusin volumtrica, los tomos se mueven a travs del cristal de un nodo de la red a otro, o de un intersticio a otro. Debido a los tomos circundantes, la energa de activacin es grande y la velocidad de difusin es relativamente baja.Sin embargo, los tomos tambin se pueden difundir a lo largo de los bordes de grano, interficies y superficies en el material. Los tomos se difunden mas fcilmente por difusin en borde de grano debido al escaso empaquetamiento atmico en los lmites granulares. Debido a que los tomos atraviesan con mayor facilidad el lmite o borde de grano que es desordenado, la energa de activacin es baja. La difusin superficial es aun ms fcil, ya que hay menos obstculos. En consecuencia, la energa de activacin es menor y el coeficiente de difusin es mayor para las difusiones de lmite de grano y superficial.Tiempo.- la difusin requiere de tiempo, recurdese que las unidades para el flujo son tomos /cm^2 se deben difundirse un gran numero de tomos para producir una estructura uniforme, se requieren tiempos prolongados, incluso a temperaturas elevadas. La duracin de los tratamientos trmicos puede reducirse aplicando altas temperaturas o acortando las distancias de difusin.Se advierte que algunas estructuras y propiedades excepcionales se obtienen se impide la difusin. Los aceros se templan rpidamente de altas temperaturas para prevenir la difusin de las estructuras fuera de equilibrio, lo cual proporciona el fundamento de los tratamientos trmicos especiales

SEGUNDA LEY DE FICKLa difusin en rgimen permanente es un caso especial de uno de los ms generales de la difusin transitoria, en la cual los flujos y la concentracin varan con el tiempo. La difusin en rgimen no permanente se aplica a muchos mtodos experimentales en donde se determina el coeficiente de difusin, y en las teoras de transferencia de masa, as como en la teora de penetracin.La ecuacin diferencial de difusin transitoria se obtiene combinando la expresin de la primera ley de Fick con la que ahora veremos.Para un caso unidimensional, la segunda ley de Fick se obtiene igualando la acumulacin del componente 1 en una porcin de lquido de espesor dz en una direccin normal a la direccin de la difusin, al correspondiente cambio en el flujo, dada por la expresin:Siendo la integral de N1 = constante.

Esta ecuacin, en combinacin con la relativa a la primera ley de Fick, expresada por la ecuacin Nos da la segunda ley de Fick, que viene dada por:

La solucin de esta ecuacin para distintas formas geomtricas y condiciones lmite son dadas por Crankc, y por Carslaw y Jaeger (1947), recientemente en problemas relativos a conduccin de calor.

SOLDADURA POR DIFUSIN

Es un mtodo usado para unir metales y ocurre en tres pasos: Esfuerzo para unir dos superficies mediante alta presin a temperaturas elevadas, produce gran rea de contacto entre los tomos. Los tomos se condensan y reducen el tamao de las cavidades que quedan en la interficie, estos se difunden a lo largo de los lmites de grano hacia los huecos residuales. Eliminacin final de los huecos, difusin del volumen, comparativamente lenta.Para la buena unin de las superficies, es necesario que tengan un contorno bien ajustado y plano con un acabado superficial de buena calidad recomendndose superficies acabadas mediante amolado,torneadoofresadoy con un acabado superficial de unos 0,2-0,4 m. Tambin son de buena calidad aquellas que tengan una superficie enlaminadootrefiladobrillante, siendo rigurosamente necesario su desengrase en las superficies de contacto antes de ser unidas.Una alternativa dentro del proceso de difusin es utilizar una capa intermedia de un material ms blando, como por ejemplo una hoja de nquel entre las superficies a unir, o bien utilizar una lamina muy fina y blanda de composicin muy semejante a la de los materiales a soldar.Para ello las temperaturas empleadas son del orden de (0,7xTemperatura de fusin del metal base) para materiales similares, o inmediatamente inferior a la temperatura de fusin ms baja de los dos materiales de diferente composicin que se quieren soldar.La presin que se debe utilizar debe ser muy alta para que el ensamblaje inicial de las superficies se produzca rpidamente, pero no debe ser extremadamente alta como para que la pequea fluencia que se ve producida se convierta en una deformacin plstica excesiva.El proceso de soldadura por difusin incluye dos mecanismos que pueden superponerse. Inicialmente se encuentra la dispersin de la contaminacin superficial y la difusin de los xidos en la matriz de las piezas a enlazar; los materiales que pueden disolver sus propios xidos, como por ejemplo elhierroytitaniose sueldan fcilmente; por el contrario, los que forman xidos superficiales refractariostenaces, como por ejemplo elaluminio, no se sueldan tan fcilmente. El segundo mecanismo es la eliminacin de los pequeos poros lenticulares por difusin y por fluencia que se quedan despus del hundimiento inicial de las asperezas aisladas.

SINTERIZACIN Y METALURGIA DE POLVOS

SINTERIZACIN. GENERALIDADESLa sinterizacin es un tratamiento slido de un polvo previamente compactado a una temperatura inferior a la fusin del constituyente principal en la cual sus partculas se unen por fenmenos de soldadura en estado slido. En la fabricacin de cermicas, este tratamiento trmico transforma de un producto en polvo en otro compacto y coherente. La sinterizacin se utiliza de modo generalizado para producir formas cermicas de almina, berilia, ferrita y titanatos. En el proceso, la difusin atmica en estado slido tiene lugar entre las superficies de contacto de las partculas a fin de que resulten qumicamente unidas.

PROCESOS FASESEl proceso de sinterizacin se divide en una serie de etapas para su mejor comprensin. Son la obtencin del polvo, la preparacin del polvo, la compactacin, la sinterizacin y el acabado de la pieza. Este proceso, una vez obtenidos los polvos metlicos se puede resumir en tres partes principales que son la obtencin de los polvos, la obtencin de la forma de la pieza y la sinterizacin final. OBTENCIN DE LOS POLVOS METLICOSTodo el proceso de la industria de la metalurgia de polvos tiene su comienzo con los procesos por los cuales se fabrican los polvos metlicos. Hay gran variedad de procesos para producir polvos de metales. Se comentarn los tres procesos ms utilizados en la industria a da de hoy.Reduccin en Estado Slido Este proceso ha sido durante mucho tiempo el ms utilizado para la produccin de polvo de hierro. La materia prima seleccionada es aplastada, mezclada con carbn y pasada por un horno continuo donde reacciona. Este proceso deja una especie de esponja de hierro. Despus se aplasta nuevamente, se separan los materiales no metlicos y se tamiza para producir el polvo. Debido a que no se hace ningn refino, la pureza del polvo depende de la pureza de la materia prima.ElectrlisisEscogiendo las condiciones apropiadas como posicin, fuerza del electrolito, corriente, densidad, temperatura, etc., muchos metales pueden convertirse en polvos metlicos. Este proceso puede requerir de otros procesos (secado, aleado, lavado, etc.) para lograr las propiedades deseadas. Dos de las mayores cualidades de este proceso son la alta pureza y la alta densidad alcanzada en los polvos.

AtomizacinEn este proceso, el metal fundido es separado en pequeas gotas que luego son congeladas rpidamente antes de que entren en contacto entre ellas o con una superficie slida. El principal mtodo para desintegrar la delgada corriente de metal fundido es el de someterla al impacto de fuertes flujos de gas (se usan comnmente aire, nitrgeno y argn) o de lquido (normalmente agua). Variando diferentes parmetros del proceso se puede controlar el tamao de las partculas. Esta tcnica es utilizada en hierro, cobre, aceros, bronce, aluminio, plomo y zinc mayoritariamente.Adems de estos tres procesos, hay varios que estn obteniendo una creciente aceptacin, debido a sus aplicaciones. Son los Procesos de Electrodo Rotatorio y Trituracin Mecnica (sobre los que no se entrar en profundidad). Los futuros procesos y el resultado final alcanzado despus del sinterizado estn altamente ligados con las caractersticas del polvo tales como: tamao, forma, estructura y condicin de la superficie. Una de las propiedades ms importantes es la densidad aparente; esto se debe a que la dureza alcanzada en el compactado depende directamente de ella. A su vez esta caracterstica depende de la forma y de la porosidad promedio de las piezas. Una vez se tiene el polvo empieza el proceso de fabricacin de la pieza deseada.OBTENCIN DE LA PIEZAEste proceso est compuesto por bsicamente tres etapas: la mezcla, el compactado y la sinterizacin. Cada una de estas etapas contribuye en las caractersticas finales de la pieza. a) La MezclaEn la etapa del mezclado se debe alcanzar una mezcla homognea de los materiales y aadir el lubricante. La principal funcin del lubricante es la reducir la friccin entre el polvo metlico y las superficies de las herramientas utilizadas. Adems, el lubricante debe deslizarse durante la compactacin, y as ayudar a conseguir una densidad uniforme en todo el compactado. Se debe tener gran cuidado en la eleccin del lubricante, ya que pueden aparecer efectos adversos en las durezas del compactado antes y despus de sinterizar. Otra precaucin que se debe tener en esta etapa del proceso es la de no sobremezclar, ya que se aumenta la densidad aparente de la mezcla y reduce la dureza de la pieza antes del sinterizado.b) El compactadoLa mezcla es introducida en un molde de acero o carburo rgido y presionada para obtener la forma deseada. La presin a la cual se somete la mezcla durante esta etapa es de 150 a 900 MPa. La mezcla debe ser presionada lo suficiente para que soporte la fuerza de la eyeccin del molde y que pueda ser movida antes del sinterizado. El compactado es una etapa muy importante ya que la forma y las propiedades mecnicas finales de la pieza estn fuertemente relacionadas con la densidad al presionar. En esto tiene vital importancia la herramienta que se utilice. Para esta etapa hay un par de procesos interesantes:

La compactacin semi-caliente. Nos permite aumentar la densidad del compactado considerablemente con un costo extra muy bajo. Lo nico que requiere es que la mezcla, el molde y toda la herramienta utilizada para la compactacin sea calentada a una temperatura de 130 1500C dependiendo del material a utilizar. Al usar este mtodo, la resistencia de la pieza es incrementada ms o menos en un 10%. Presionado en Caliente (sinterizado a presin). A temperaturas elevadas los metales son generalmente ms blandos, haciendo posible generalmente que sean compactados a una densidad mucho mayor. La temperatura a alcanzar depender del metal a utilizar y su temperatura de fusin, debiendo estar la pieza en un estado plstico (sin llegar a alcanzar dicha temperatura). Despus de esta operacin tambin se requiere el sinterizado normal debido a que este, en la mayora de los casos mejora las propiedades de la pieza. El uso de este mtodo est limitado por su alto coste, al requerir moldes especiales y una atmsfera controlada.Existe otra divisin que clasifica los procesos de compactacin en compactacin en fro y compactacin en caliente. sta ltima se realiza a una temperatura superior a la de recristalizacin del constituyente principal. Otra modalidad importante es la compactacin isosttica, relevante en materiales cermicos, donde los polvos se introducen en una matriz flexible (caucho) introducida dentro de un fluido que presiona uniformemente en todas las direcciones.c) SinterizacinLa etapa de la sinterizacin es clave para el proceso de la metalurgia de polvos. Es aqu en donde la pieza adquiere la resistencia y fuerza para realizar su funcin. Para describir este proceso basta con decir que ocurre una difusin atmica y las partes unidas durante el proceso de compactacin se fortalecen y crecen hasta formar una pieza uniforme. Esto puede inducir a un proceso de recristalizacin y a un incremento en el tamao de los granos. Esta operacin, casi siempre, se lleva a cabo dentro de un ambiente de atmsfera controlada y a temperaturas entre el 60 y 90% de la temperatura de fusin del mayor constituyente. Cuando hay mezcla de polvos, hay ocasiones en donde el proceso de sinterizacin se efecta a una temperatura superior a la de fusin de uno de los constituyentes secundarios como en partes estructurales de hierro/cobre, etc. Al hacer el proceso a una temperatura superior a la temperatura de fusin de un constituyente, se esta haciendo un sinterizado con presencia de fase lquida. El horno elctrico se usa en la mayora de los casos pero si se requieren temperaturas superiores se puede variar a diferentes tipos de hornos. Las atmsferas controladas son una parte esencial en casi cualquier proceso de sinterizacin ya que previenen la oxidacin y otras reacciones que no conviene al proceso.

APLICACIONES Y FUTUROLas partes Estructurales son el grupo ms grande de materiales fabricados por este mtodo. Estas piezas estn mayormente constituidas por hierro, pero tienen adems aleaciones con cobre, latn, bronce y aluminio. Tambin se pueden fabricar en Titanio o Berilio. Otros casos de importante aplicacin son el uso de la sinterizacin para la obtencin de refractarios de molibdeno y wolframio, ya que las altas temperaturas de fusin de estos metales solo permiten este proceso; y la obtencin de cermets (materiales compuestos de una fase metlica y otra cermica) como los basados en carbonitruro de titanio. En general estas piezas no tienen mejores propiedades mecnicas que las piezas equivalentes fabricadas por otros procesos metalrgicos. Recientemente y debido al crecimiento exponencial de esta industria se han dado avances importantes en el proceso. Estos adelantos han hecho posible la fabricacin de partes con la pulvimetalurgia con propiedades iguales o en muchos casos superiores a piezas fabricadas por los mtodos tradicionales. Los valores en las propiedades son a veces inalcanzables por cualquier tipo de fabricacin trayendo beneficios importantes tanto en lo econmico (costos de piezas y mantenimiento) como en funcionamiento de la mquina. De esta forma, la sinterizacin es una tecnologa presente en la actualidad y muy a tener en cuenta para el futuro.

III.- CONCLUSIONES Podemos decir que las diferencias entre los mecanismos de difusin estn determinadas por la posicin de los tomos, mientras que la energa de difusin depende del calor.

La primera ley de Fick nos permite conocer el nmero de tomos que pasa a travs de un plano de rea unitaria por unidad de tiempo.

La temperatura de un material es directamente proporcional al coeficiente de difusin y la densidad de flujo de tomos.

La segunda ley esta compuesta por derivadas parciales que es una ecuacin de estado no estacionario, es un rgimen no permanente se aplica a muchos mtodos experimentales en donde se determina el coeficiente de difusin.

IV.- BIBLIOGRAFACiencia de Materiales. Ensayos, teora, tratamientos (13 Edicin). Pedro Coca Cebollero y Juan Rosique Jimnez. Ediciones Pirmide, Madrid, 1995.Ciencia e Ingeniera de los Materiales Askeland 4 Edicin. Estructura, arreglo y movimiento de los tomos en los materiales.ENLACES RELACIONADOShttp://es.wikipedia.org/wiki/Sinterizaci%C3%B3nhttp://materiales.eia.edu.co/ciencia%20de%20los%20materiales/articulo-metalurgia%20de%20polvos.htm

Solucin de azcar

Agua

Membrana