Bearbejdning af ædle metaller

Ædle metaller kan være særligt vanskelige at bearbejde på grund af deres mange forskellige materialeegenskaber og høje omkostninger, hvis en del skal skrottes. I den følgende artikel introduceres disse grundstoffer og deres legeringer, og der gives en vejledning i, hvordan de kan bearbejdes effektivt og virkningsfuldt.

Om grundstofferne

Som nogle gange kaldes “ædle” metaller, består ædelmetaller af otte grundstoffer, der ligger midt i det periodiske system (se nedenfor i figur 1). De otte metaller er:

1. Ruthenium (Ru)
2. Rhodium (Rh)
3. Palladium (Pd)
4. Sølv (Ag)
5. Osmium (Os)
6. Iridium (Ir)
7. Platin (Pt)
8. Guld (Au)

Disse grundstoffer er nogle af de mest sjældne materialer på jorden, og kan derfor være enormt dyre. Guld og sølv kan findes i ren nuggetform, hvilket gør dem lettere tilgængelige. De andre seks grundstoffer findes imidlertid typisk blandet i råmalm af de fire metaller, som de ligger under på det periodiske system: Jern (Fe), kobolt (Co), nikkel (Ni) og kobber (Cu). Disse grundstoffer er en delmængde af ædelmetaller og kaldes generelt platinmetaller (PGM). Fordi de findes sammen i råmalm, gør det minedrift og udvinding vanskelig, hvilket øger deres omkostninger dramatisk. På grund af deres høje pris er det utroligt vigtigt for en værksteds effektivitet at bearbejde disse materialer rigtigt første gang.

Basiske egenskaber og sammensætninger af ædelmetaller

Ædelmetaller har bemærkelsesværdige materialeegenskaber, da de er karakteristisk bløde, duktile og oxidationsbestandige. De kaldes “ædle” metaller på grund af deres modstandsdygtighed over for de fleste typer kemiske og miljømæssige angreb. Tabel 1 indeholder en liste over nogle få sigende materialeegenskaber for ædelmetaller i deres elementære form. Til sammenligning er de anført side om side med 6061 Al og 4140 stål. Generelt anvendes kun guld og sølv i deres reneste form, da platinmetallerne er legeringer, der hovedsageligt består af platin (med en mindre sammensætning af Ru, Rh, Pa, Os, Ir). Ædelmetaller er bemærkelsesværdige ved at være ekstremt tætte og have et højt smeltepunkt, hvilket gør dem velegnede til en række forskellige anvendelser.

Tabel 1: Koldbearbejdede materialeegenskaber for ædelmetaller, 4140 stål og 6061 aluminium

Gængse bearbejdningsanvendelser af ædelmetaller

Sølv og guld har en særlig gunstig varmeledningsevne og elektrisk resistivitet. Disse værdier er anført i tabel 2 sammen med CC1000 (udglødet kobber) og udglødet 6061 aluminium til sammenligning. Kobber anvendes generelt i elektriske ledninger på grund af dets relativt lave elektriske resistivitet, selv om sølv ville være en bedre erstatning. Den indlysende grund til, at dette ikke er den generelle konvention, er prisen på sølv i forhold til kobber. Når det er sagt, er kobber generelt belagt med guld på elektriske kontaktområder, fordi det har en tendens til at oxidere efter længere tids brug, hvilket sænker dets resistivitet. Som tidligere nævnt er guld og de andre ædelmetaller kendt for at være modstandsdygtige over for oxidation. Denne korrosionsbestandighed er hovedårsagen til, at de anvendes i katodiske beskyttelsessystemer i elektronikindustrien.

Tabel 2: Termisk ledningsevne og elektrisk resistivitet for Ag, Au, Cu og Al

Platin og dets respektive legeringer tilbyder den største mængde anvendelsesmuligheder, da det kan opnå en række forskellige mekaniske egenskaber, samtidig med at det stadig har de fordele, som et ædelmetal har (højt smeltepunkt, duktilitet og oxidationsbestandighed). Tabel 3 indeholder en liste over platin og en række andre PGM’er med hver deres egne mekaniske egenskaber. Variationen i disse egenskaber afhænger af det eller de legeringselement(er), der er tilsat til platin, procentdelen af legeringsmetallet, og om materialet er blevet koldbearbejdet eller udglødet eller ej. Legering kan øge et materiales trækstyrke og hårdhed betydeligt, samtidig med at dets duktilitet mindskes. Forholdet mellem denne forøgelse af trækstyrke/hårdhed og faldet i duktilitet afhænger af det tilsatte metal samt af, hvor meget der er tilsat, som det fremgår af tabel 3. Generelt afhænger dette af partikelstørrelsen af det tilsatte element samt dets naturlige krystallinske struktur. Ruthenium og Osmium har en særlig krystalstruktur, der har en betydelig hærdende virkning, når de tilsættes til platin. Især Pt-Os-legeringer er ekstremt hårde og praktisk talt ubearbejdelige, hvilket ikke giver mange anvendelser i den virkelige verden. Tilsætning af de andre 4 PGM’er til platin giver imidlertid mulighed for en række mekaniske egenskaber med forskellige anvendelsesmuligheder.

Tabel 3: PGM-materialeegenskaber (Bemærk: Hårdhed og trækstyrke er koldbearbejdede værdier)

Platin og dets legeringer er biokompatible, hvilket giver dem mulighed for at blive anbragt i menneskekroppen i lange perioder uden at forårsage negative reaktioner eller forgiftning. Derfor fremstilles medicinsk udstyr, herunder skruefikseringer til hjertemuskler, stents og markeringsbånd til angioplastikkenheder, af platin og dets legeringer. Guld og palladium er også almindeligt anvendt i tandlægeanvendelser.

Pt-Ir-legeringer er mærkbart hårdere og stærkere end nogen af de andre legeringer og udgør fremragende hoveder til tændrør i bilindustrien. Rhodium tilsættes undertiden til Pt-Ir-legeringer for at gøre materialet mindre fjedrende (da de anvendes som medicinsk fjedertråd), samtidig med at det øger dets bearbejdelighed. Pt- og Pt-Rh-trådpar er yderst effektive til temperaturmåling og anvendes derfor i termoelementer.

Bearbejdning af ædelmetaller

De to parametre, der har størst effekt ved bearbejdning, er hårdhed og procentvis forlængelse. Hårdhed er velkendt af maskinarbejdere og ingeniører i hele fremstillingsindustrien, da den angiver et materiales modstandsdygtighed over for deformation eller skæring. Procentvis forlængelse er en måling, der bruges til at kvantificere materialets duktilitet. Det angiver for en designer, i hvilken grad en struktur vil deformere plastisk (permanent) før brud. F.eks. har en duktil plast såsom polyethylen med ultrahøj molekylvægt (UHMWPE) en procentvis forlængelse på 350-525 %, mens et mere skørt materiale såsom oliehærdet og hærdet støbejern (kvalitet 120-90-02) har en procentvis forlængelse på ca. 2 %. Jo større den procentvise forlængelse er, desto større er materialets “gummiagtighed”. Gummiagtige materialer er tilbøjelige til at opbygge en kant og har en tendens til at producere lange snorlige spåner.

Værktøj til ædelmetaller

Materialets duktilitet gør et skarpt skæreværktøj afgørende for skæring af ædelmetaller. Værktøjer med variabel helix til aluminiumslegeringer kan bruges til de blødere materialer som rent guld, sølv og platin.

Højere hårdhedsmaterialer kræver stadig en skarp skærekant. Derfor er ens bedste mulighed at investere i et PCD-diamantværktøj. PCD-skæret har evnen til at skære ekstremt hårde materialer og samtidig bevare en skarp skærekant i forholdsvis lang tid sammenlignet med standard HSS- og hårdmetalskærekanter.

Hastigheder og diagrammer for fremdrift: