Bearbeitung von Edelmetallen

Edelmetalle können aufgrund ihrer vielfältigen Materialeigenschaften und der hohen Kosten, wenn ein Teil verschrottet werden muss, besonders schwierig zu bearbeiten sein. Der folgende Artikel stellt diese Elemente und ihre Legierungen vor und gibt einen Leitfaden für ihre effektive und effiziente Bearbeitung.

Über die Elemente

Edelmetalle werden manchmal als „edle“ Metalle bezeichnet und bestehen aus acht Elementen, die in der Mitte des Periodensystems liegen (siehe Abbildung 1). Die acht Metalle sind:

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

Diese Elemente gehören zu den seltensten Materialien der Erde, und können daher enorm teuer sein. Gold und Silber können in reiner Nuggetform gefunden werden, so dass sie leichter verfügbar sind. Die anderen sechs Elemente sind jedoch in der Regel im Roherz der vier Metalle gemischt, unter denen sie im Periodensystem stehen: Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni) und Kupfer (Cu). Diese Elemente sind eine Untergruppe der Edelmetalle und werden allgemein als Platingruppenmetalle (PGM) bezeichnet. Da sie zusammen in Roherz vorkommen, ist der Abbau und die Gewinnung schwierig, was ihre Kosten drastisch erhöht. Aufgrund ihres hohen Preises ist es für die Effizienz einer Werkstatt unglaublich wichtig, diese Materialien gleich beim ersten Mal richtig zu bearbeiten.

Grundlegende Eigenschaften und Zusammensetzungen von Edelmetallen

Edelmetalle haben bemerkenswerte Materialeigenschaften, da sie charakteristisch weich, dehnbar und oxidationsbeständig sind. Sie werden als „edle“ Metalle bezeichnet, weil sie gegen die meisten Arten von chemischen und umweltbedingten Angriffen resistent sind. In Tabelle 1 sind einige der wichtigsten Materialeigenschaften von Edelmetallen in ihrer elementaren Form aufgeführt. Zu Vergleichszwecken werden sie neben 6061 Al und 4140 Stahl aufgeführt. Im Allgemeinen werden nur Gold und Silber in ihrer reinsten Form verwendet, während die Platingruppenmetalle Legierungen sind, die hauptsächlich aus Platin bestehen (mit einem geringeren Anteil an Ru, Rh, Pa, Os, Ir). Edelmetalle zeichnen sich durch eine hohe Dichte und einen hohen Schmelzpunkt aus, wodurch sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind.

Tabelle 1: Kaltverformte Werkstoffeigenschaften von Edelmetallen, 4140 Stahl und 6061 Aluminium

Gängige Bearbeitungsanwendungen von Edelmetallen

Silber und Gold haben eine besonders günstige Wärmeleitfähigkeit und einen hohen elektrischen Widerstand. Diese Werte sind in Tabelle 2 zusammen mit CC1000 (geglühtes Kupfer) und geglühtem 6061er Aluminium zu Vergleichszwecken aufgeführt. Kupfer wird im Allgemeinen wegen seines relativ geringen elektrischen Widerstands für elektrische Leitungen verwendet, obwohl Silber einen besseren Ersatz darstellen würde. Der offensichtliche Grund dafür, dass dies nicht die allgemeine Konvention ist, sind die Kosten für Silber im Vergleich zu Kupfer. Davon abgesehen wird Kupfer an elektrischen Kontaktstellen in der Regel vergoldet, weil es nach längerem Gebrauch zu Oxidation neigt, was seinen Widerstand senkt. Wie bereits erwähnt, sind Gold und die anderen Edelmetalle als oxidationsbeständig bekannt. Diese Korrosionsbeständigkeit ist der Hauptgrund dafür, dass sie in kathodischen Schutzsystemen der Elektronikindustrie verwendet werden.

Tabelle 2: Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Widerstand von Ag, Au, Cu und Al

Platin und seine entsprechenden Legierungen bieten die meisten Anwendungsmöglichkeiten, da es eine Reihe verschiedener mechanischer Eigenschaften erreichen kann und gleichzeitig die Vorteile eines Edelmetalls (hoher Schmelzpunkt, Duktilität und Oxidationsbeständigkeit) beibehält. In Tabelle 3 sind Platin und eine Reihe anderer Platinmetalle mit ihren jeweiligen mechanischen Eigenschaften aufgeführt. Die Varianz dieser Eigenschaften hängt von den Legierungselementen ab, die dem Platin zugesetzt werden, vom Prozentsatz des Legierungsmetalls und davon, ob das Material kaltverformt oder geglüht wurde oder nicht. Das Legieren kann die Zugfestigkeit und die Härte eines Werkstoffs erheblich erhöhen, während es gleichzeitig seine Duktilität vermindert. Das Verhältnis zwischen der Erhöhung der Zugfestigkeit/Härte und der Verringerung der Duktilität hängt von dem zugegebenen Metall und der zugegebenen Menge ab (siehe Tabelle 3). Im Allgemeinen hängt dies von der Partikelgröße des zugesetzten Elements sowie von seiner natürlichen Kristallstruktur ab. Ruthenium und Osmium haben eine spezifische Kristallstruktur, die bei Zugabe von Platin eine erhebliche Härtungswirkung hat. Insbesondere Pt-O-Legierungen sind extrem hart und praktisch nicht bearbeitbar, so dass sie in der Praxis kaum Anwendung finden. Die Zugabe der anderen vier Platinmetalle zu Platin ermöglicht jedoch eine Reihe von mechanischen Eigenschaften mit verschiedenen Verwendungsmöglichkeiten.

Tabelle 3: PGM-Materialeigenschaften (Hinweis: Die Härte und Zugfestigkeit sind kaltverformte Werte)

Platin und seine Legierungen sind biokompatibel, so dass sie über lange Zeiträume im menschlichen Körper eingesetzt werden können, ohne unerwünschte Reaktionen oder Vergiftungen hervorzurufen. Daher werden medizinische Geräte wie Herzmuskelschrauben, Stents und Markierungsbänder für Angioplastiegeräte aus Platin und seinen Legierungen hergestellt. Gold und Palladium werden auch häufig in der Zahnmedizin verwendet.

Pt-Ir-Legierungen sind deutlich härter und fester als alle anderen Legierungen und eignen sich hervorragend für Zündkerzenköpfe in der Automobilindustrie. Manchmal wird den Pt-Ir-Legierungen Rhodium zugesetzt, um das Material weniger federnd zu machen (da sie als medizinische Federdrähte verwendet werden) und gleichzeitig die Verarbeitbarkeit zu erhöhen. Pt- und Pt-Rh-Drahtpaare sind äußerst effektiv bei der Temperaturmessung und werden daher in Thermoelementen verwendet.

Bearbeitung von Edelmetallen

Die beiden Parameter, die bei der Bearbeitung den größten Einfluss haben, sind Härte und prozentuale Dehnung. Die Härte ist bei Zerspanern und Ingenieuren in der gesamten Fertigungsindustrie bekannt, da sie die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen Verformung oder Schneiden angibt. Die prozentuale Dehnung ist ein Maß für die Duktilität des Materials. Sie zeigt dem Konstrukteur an, in welchem Maße sich eine Struktur plastisch (dauerhaft) verformen lässt, bevor sie bricht. Beispielsweise hat ein duktiler Kunststoff wie ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE) eine prozentuale Dehnung von 350-525 %, während ein spröderes Material wie ölvergütetes und angelassenes Gusseisen (Güteklasse 120-90-02) eine prozentuale Dehnung von etwa 2 % aufweist. Je größer die prozentuale Dehnung, desto „gummiartiger“ ist das Material. Gummiartige Werkstoffe neigen zur Kantenbildung und neigen zur Erzeugung langer, fadenförmiger Späne.

Werkzeuge für Edelmetalle

Die Duktilität des Materials macht ein scharfes Schneidwerkzeug für das Schneiden von Edelmetallen unerlässlich. Variable Helix-Werkzeuge für Aluminiumlegierungen können für weichere Materialien wie reines Gold, Silber und Platin verwendet werden.

Materialien mit höherer Härte erfordern immer noch eine scharfe Schneidkante. Daher ist die beste Option, in ein PKD-Diamantwerkzeug zu investieren. Der PKD-Wafer hat die Fähigkeit, extrem harte Materialien zu schneiden und dabei eine scharfe Schneide für einen relativ langen Zeitraum beizubehalten, verglichen mit Standard-HSS- und Hartmetallschneiden.

Drehzahl- und Vorschubtabellen: