Un lingote es una pieza de material relativamente puro, generalmente metal , que se funde en una forma adecuada para su posterior procesamiento. [1] En la fabricación de acero , es el primer paso entre los productos de fundición semiacabados . Los lingotes generalmente requieren un segundo procedimiento de conformación, como trabajo, corte o fresado en frío/caliente para producir un producto final útil. Los materiales no metálicos y semiconductores preparados a granel también pueden denominarse lingotes, particularmente cuando se funden mediante métodos basados en moldes. [2] Los lingotes de metales preciosos se pueden utilizar como moneda (con o sin procesamiento en otras formas), o como reserva de moneda, como ocurre con los lingotes de oro .
Los lingotes generalmente están hechos de metal, ya sea puro o aleado, se calientan más allá de su punto de fusión y se funden en una barra o bloque mediante un método de enfriamiento por molde.
Un caso especial son los lingotes policristalinos o monocristalinos que se obtienen extrayendo de una masa fundida.
Los lingotes monocristalinos (llamados bolas ) de materiales se cultivan (crecimiento cristalino) utilizando métodos como el proceso Czochralski o la técnica Bridgeman .
Las bolas pueden ser semiconductores (por ejemplo, obleas de chips electrónicos , células fotovoltaicas ) o compuestos inorgánicos no conductores para uso industrial y de joyería (por ejemplo, rubí sintético, zafiro).
Los lingotes metálicos monocristalinos se producen de manera similar a la utilizada para producir lingotes de semiconductores de alta pureza, [3] es decir, mediante refinado por inducción al vacío. Los lingotes monocristalinos de metales industriales son interesantes debido a su altísima resistencia debido a la falta de límites de grano . El método de producción es mediante dendrita monocristalina y no mediante simple fundición. Los posibles usos incluyen palas de turbina .
En los Estados Unidos, la industria de fabricación de lingotes de latón y bronce comenzó a principios del siglo XIX. La industria estadounidense del latón creció hasta convertirse en el productor número uno en la década de 1850. [4] Durante la época colonial, las industrias del latón y el bronce eran casi inexistentes porque los británicos exigían que todo el mineral de cobre fuera enviado a Gran Bretaña para su procesamiento. [5] Los lingotes de aleación a base de cobre pesaban aproximadamente 20 libras (9,1 kg). [6] [7]
Los lingotes se fabrican enfriando un líquido fundido (conocido como masa fundida) en un molde. La fabricación de lingotes tiene varios objetivos.
En primer lugar, el molde está diseñado para solidificarse completamente y formar una estructura de grano adecuada necesaria para el procesamiento posterior, ya que la estructura formada por el enfriamiento de la masa fundida controla las propiedades físicas del material.
En segundo lugar, la forma y el tamaño del molde están diseñados para facilitar la manipulación del lingote y el procesamiento posterior. Finalmente, el molde está diseñado para minimizar el desperdicio de masa fundida y ayudar a la expulsión del lingote, ya que la pérdida de masa fundida o de lingote aumenta los costos de fabricación de los productos terminados.
Existe una variedad de diseños para el molde, que pueden seleccionarse para adaptarse a las propiedades físicas del líquido fundido y al proceso de solidificación. Los moldes pueden existir en el vertido superior, horizontal o de abajo hacia arriba y pueden tener paredes estriadas o planas. El diseño estriado aumenta la transferencia de calor debido a una mayor área de contacto. Los moldes pueden ser de diseño sólido "masivo", moldeados en arena (por ejemplo, para arrabio) o carcasas enfriadas por agua, dependiendo de los requisitos de transferencia de calor. Las lingoteras son cónicas para evitar la formación de grietas debido al enfriamiento desigual. Se produce una formación de grietas o huecos cuando la transición de líquido a sólido tiene un cambio de volumen asociado para una masa constante de material. La formación de estos defectos en el lingote puede inutilizar el lingote fundido y es posible que sea necesario volver a fundirlo, reciclarlo o desecharlo.
La estructura física de un material cristalino está determinada en gran medida por el método de enfriamiento y precipitación del metal fundido. Durante el proceso de vertido, el metal en contacto con las paredes del lingote se enfría rápidamente y forma una estructura columnar o posiblemente una "zona de enfriamiento" de dendritas equiaxiales , dependiendo del líquido que se enfría y la velocidad de enfriamiento del molde. [8]
Para un lingote vertido por la parte superior, a medida que el líquido se enfría dentro del molde, los efectos diferenciales de volumen hacen que la parte superior del líquido retroceda dejando una superficie curva en la parte superior del molde que eventualmente puede ser necesario mecanizar a partir del lingote. El efecto de enfriamiento del molde crea un frente de solidificación que avanza, el cual tiene varias zonas asociadas, más cerca de la pared hay una zona sólida que extrae calor de la masa fundida que se solidifica, para aleaciones puede existir una zona "blanda", que es el resultado de la solidificación. -regiones de equilibrio líquido en el diagrama de fases de la aleación , y una región líquida. La tasa de avance del frente controla el tiempo que tienen las dendritas o núcleos para formarse en la región de solidificación. La anchura de la zona blanda en una aleación se puede controlar ajustando las propiedades de transferencia de calor del molde o ajustando las composiciones de aleación líquida fundida.
También existen métodos de fundición continua para el procesamiento de lingotes, mediante los cuales se forma un frente estacionario de solidificación mediante la extracción continua de material sólido enfriado y la adición de un líquido fundido al proceso de fundición. [9]
Aproximadamente el 70 por ciento de los lingotes de aluminio en los EE. UU. se funden mediante el proceso de fundición en frío directo , que reduce el agrietamiento. Se debe desechar un total del 5 por ciento de los lingotes debido a las grietas inducidas por la tensión y la deformación de los extremos. [10]
Los lingotes planoconvexos son artefactos arqueológicos ampliamente distribuidos que se estudian para proporcionar información sobre la historia de la metalurgia .
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