Слиток — это кусок относительно чистого материала, обычно металла , который отливается в форму, пригодную для дальнейшей обработки. [1] В сталеплавильном производстве это первый шаг среди полуфабрикатов литья . Слитки обычно требуют второй процедуры формования, такой как холодная/горячая обработка, резка или фрезерование, чтобы получить полезный конечный продукт. Неметаллические и полупроводниковые материалы, подготовленные в объемной форме, также могут называться слитками, особенно при литье методами на основе форм. [2] Слитки драгоценных металлов могут использоваться в качестве валюты (с обработкой или без обработки в другие формы) или в качестве валютного резерва, как в случае с золотыми слитками .
Слитки обычно изготавливаются из металла (чистого или легированного), нагреваются выше температуры плавления и отливаются в брусок или блок методом кокильного литья.
Особый случай представляют собой поликристаллические или монокристаллические слитки, полученные путем вытягивания из расплава.
Монокристаллические слитки (называемые булями ) материалов выращиваются (выращивание кристаллов) с использованием таких методов, как метод Чохральского или метод Бриджмена .
Були могут быть как полупроводниковыми (например, электронные чип-пластины , фотоэлектрические элементы ), так и непроводящими неорганическими соединениями для промышленного и ювелирного использования (например, синтетический рубин, сапфир).
Монокристаллические слитки металла производятся аналогично тому, как это делается для производства слитков полупроводников высокой чистоты, [3] т. е. путем вакуумной индукционной очистки. Монокристаллические слитки конструкционных металлов представляют интерес из-за их очень высокой прочности из-за отсутствия границ зерен . Метод производства — через монокристаллический дендрит , а не простое литье. Возможные области применения включают турбинные лопатки .
В Соединенных Штатах промышленность по производству слитков из латуни и бронзы началась в начале 19 века. Американская промышленность по производству латуни стала производителем номер один к 1850-м годам. [4] В колониальные времена промышленность по производству латуни и бронзы практически не существовала, поскольку британцы требовали отправлять всю медную руду в Великобританию для переработки. [5] Слитки сплава на основе меди весили приблизительно 20 фунтов (9,1 кг). [6] [7]
Слитки производятся путем охлаждения расплавленной жидкости (известной как расплав) в форме. Изготовление слитков имеет несколько целей.
Во-первых, форма предназначена для полного затвердевания и формирования соответствующей зернистой структуры, необходимой для последующей обработки, поскольку структура, образующаяся при охлаждении расплава, контролирует физические свойства материала.
Во-вторых, форма и размер формы разработаны для обеспечения простоты обработки слитка и последующей обработки. Наконец, форма разработана для минимизации потерь расплава и облегчения выталкивания слитка, поскольку потеря расплава или слитка увеличивает себестоимость готовой продукции.
Существует множество конструкций для формы, которые могут быть выбраны в соответствии с физическими свойствами жидкого расплава и процессом затвердевания. Формы могут быть с верхней, горизонтальной или нижней заливкой и могут быть с рифлеными или плоскими стенками. Рифленая конструкция увеличивает теплопередачу за счет большей площади контакта. Формы могут быть либо цельными «массивными», литые в песчаные формы (например, для чугуна), либо водоохлаждаемыми оболочками, в зависимости от требований к теплопередаче. Изложницы для слитков имеют коническую форму, чтобы предотвратить образование трещин из-за неравномерного охлаждения. Образование трещин или пустот происходит, поскольку переход из жидкого состояния в твердое имеет связанное изменение объема для постоянной массы материала. Образование этих дефектов слитка может сделать литой слиток бесполезным и, возможно, его придется переплавить, переработать или выбросить.
Физическая структура кристаллического материала во многом определяется методом охлаждения и осаждения расплавленного металла. В процессе заливки металл, контактирующий со стенками слитка, быстро охлаждается и образует либо столбчатую структуру, либо, возможно, «зону охлаждения» из равноосных дендритов , в зависимости от охлаждаемой жидкости и скорости охлаждения формы. [8]
Для слитка, заливаемого сверху, по мере того, как жидкость охлаждается внутри формы, эффекты дифференциального объема заставляют верхнюю часть жидкости отступать, оставляя изогнутую поверхность в верхней части формы, которую в конечном итоге может потребоваться обработать от слитка. Эффект охлаждения формы создает продвигающийся фронт затвердевания, который имеет несколько связанных зон, ближе к стенке находится твердая зона, которая отводит тепло от затвердевающего расплава, для сплавов может существовать «кашеобразная» зона, которая является результатом областей равновесия твердое тело-жидкость на фазовой диаграмме сплава , и жидкая область. Скорость продвижения фронта контролирует время, которое дендриты или зародыши должны сформировать в области затвердевания. Ширину кашеобразной зоны в сплаве можно контролировать, настраивая свойства теплопередачи формы или регулируя составы сплава жидкого расплава.
Существуют также методы непрерывного литья для обработки слитков, при которых стационарный фронт затвердевания формируется путем непрерывного отбора охлажденного твердого материала и добавления расплавленной жидкости в процесс литья. [9]
Около 70 процентов алюминиевых слитков в США отливаются с использованием процесса прямого литья в кокиль , что снижает образование трещин. В общей сложности 5 процентов слитков должны быть отбракованы из-за трещин, вызванных напряжением , и деформации торца. [10]
Плоско-выпуклые слитки являются широко распространенными археологическими артефактами, изучение которых позволяет получить информацию об истории металлургии .
Медиа, связанные с Ingots на Wikimedia Commons
