Un lingote es una pieza de material relativamente puro, generalmente metal , que se moldea 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 modelado, como trabajo en frío/caliente, corte o fresado para producir un producto final útil. Los materiales no metálicos y semiconductores preparados en forma masiva también pueden denominarse lingotes, particularmente cuando se moldean mediante métodos basados en moldes. [2] Los lingotes de metales preciosos se pueden usar como moneda (con o sin ser procesados en otras formas), o como reserva de moneda, como con las barras de oro .
Los lingotes generalmente están hechos de metal, ya sea puro o aleación, calentado más allá de su punto de fusión y fundido en una barra o bloque utilizando un método de enfriamiento del molde.
Un caso especial son los lingotes policristalinos o monocristalinos obtenidos a partir de una masa fundida.
Los lingotes monocristalinos (llamados boules ) de materiales se cultivan (crecimiento cristalino) utilizando métodos como el proceso Czochralski o la técnica Bridgeman .
Los bloques pueden ser semiconductores (por ejemplo, obleas de chips electrónicos , células fotovoltaicas ) o compuestos inorgánicos no conductores para uso industrial y en joyería (por ejemplo, rubí sintético, zafiro).
Los lingotes monocristalinos de metal se producen de manera similar a la que se utiliza para producir lingotes de semiconductores de alta pureza, [3] es decir, mediante refinado por inducción al vacío. Los lingotes monocristalinos de metales de ingeniería son de interés debido a su gran resistencia debido a la falta de límites de grano . El método de producción es a través de dendritas monocristalinas y no a través de una simple fundición. Los posibles usos incluyen álabes de turbinas .
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 se convirtió en el principal productor 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 se enviara 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 mediante el enfriamiento de un líquido fundido (conocido como el metal fundido) 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 requerida 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. Por último, el molde está diseñado para minimizar el desperdicio de material fundido y facilitar la expulsión del lingote, ya que la pérdida de material fundido 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 la parte superior, horizontal o de abajo hacia arriba y pueden ser de paredes acanaladas o planas. El diseño acanalado aumenta la transferencia de calor debido a un área de contacto más grande. Los moldes pueden ser de diseño "masivo" sólido, fundido en arena (por ejemplo, para arrabio) o carcasas enfriadas por agua, según los requisitos de transferencia de calor. Los moldes de lingotes son cónicos 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 los lingotes puede hacer que el lingote fundido sea inútil y puede ser 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 enfríe y de la velocidad de enfriamiento del molde. [8]
En el caso de un lingote vertido por la parte superior, a medida que el líquido se enfría dentro del molde, los efectos de volumen diferencial hacen que la parte superior del líquido retroceda dejando una superficie curva en la parte superior del molde que, con el tiempo, puede ser necesario mecanizar a partir del lingote. El efecto de enfriamiento del molde crea un frente de solidificación que avanza, que tiene varias zonas asociadas; más cerca de la pared hay una zona sólida que absorbe calor de la masa fundida que se solidifica; en el caso de las aleaciones, puede existir una zona "blanda", que es el resultado de las regiones de equilibrio sólido-líquido en el diagrama de fases de la aleación , y una región líquida. La velocidad de avance del frente controla el tiempo que tienen las dendritas o los núcleos para formarse en la región de solidificación. El ancho de la zona blanda en una aleación se puede controlar ajustando las propiedades de transferencia de calor del molde o ajustando las composiciones de la aleación de la masa fundida líquida.
También existen métodos de colada 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 colada. [9]
Aproximadamente el 70 por ciento de los lingotes de aluminio en los EE. UU. se moldean mediante el proceso de fundición directa , que reduce el agrietamiento. Un total del 5 por ciento de los lingotes deben desecharse debido a las grietas inducidas por la tensión y la deformación de la parte superior. [10]
Los lingotes plano-convexos son artefactos arqueológicos ampliamente distribuidos que se estudian para proporcionar información sobre la historia de la metalurgia .
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