Jalometallien työstö

Jalometallit voivat olla erityisen vaikeita työstää, koska niiden materiaaliominaisuudet vaihtelevat suuresti ja kustannukset ovat korkeat, jos osa joudutaan romuttamaan. Seuraavassa artikkelissa esitellään nämä alkuaineet ja niiden seokset sekä annetaan opastusta niiden tehokkaaseen ja tulokselliseen työstöön.

Tietoa alkuaineista

Jalometallit, joita kutsutaan toisinaan ”jaloiksi” metalleiksi, koostuvat kahdeksasta alkuaineesta, jotka sijaitsevat jaksollisen järjestelmän keskellä (kuvassa 1 alla). Nämä kahdeksan metallia ovat:

1. Rutenium (Ru)
2. Rhodium (Rh)
3. Palladium (Pd)
4. Hopea (Ag)
5. Osmium (Os)
6. Iridium (Ir)
7. Platina (Pt)
8. Kulta (Au)

Nämä alkuaineet kuuluvat maapallon harvinaisimpiin aineisiin, ja voivat siksi olla valtavan kalliita. Kultaa ja hopeaa löytyy puhtaina nugetteina, jolloin niitä on helpommin saatavilla. Kuusi muuta alkuaineita on kuitenkin yleensä sekoittuneena niiden neljän metallin raakamalmiin, joiden alapuolella ne ovat jaksollisessa järjestelmässä: Rauta (Fe), koboltti (Co), nikkeli (Ni) ja kupari (Cu). Nämä alkuaineet ovat jalometallien alaryhmä, ja niitä kutsutaan yleisesti platinaryhmän metalleiksi (PGM). Koska ne esiintyvät yhdessä raakamalmissa, tämä vaikeuttaa niiden louhintaa ja talteenottoa, mikä nostaa niiden kustannuksia huomattavasti. Korkean hintansa vuoksi näiden materiaalien työstäminen oikein ensimmäisellä kerralla on uskomattoman tärkeää työpajan tehokkuuden kannalta.

Jalometallien perusominaisuudet ja koostumukset

Jalometalleilla on huomattavia materiaaliominaisuuksia, sillä niille on ominaista pehmeys, sitkeys ja hapettumisen kestävyys. Niitä kutsutaan ”jaloiksi” metalleiksi, koska ne kestävät useimpia kemiallisia ja ympäristöön kohdistuvia hyökkäyksiä. Taulukossa 1 on lueteltu muutamia jalometallien materiaalisia ominaisuuksia alkuaineina. Vertailun vuoksi ne ovat vierekkäin 6061 Al:n ja 4140 teräksen kanssa. Yleensä vain kultaa ja hopeaa käytetään puhtaimmassa muodossaan, sillä platinaryhmän metallit ovat seoksia, jotka koostuvat pääasiassa platinasta (ja pienemmässä määrin Ru:sta, Rh:sta, Pa:sta, Os:sta ja Ir:stä). Jalometalleille on ominaista, että ne ovat erittäin tiheitä ja niillä on korkea sulamispiste, minkä vuoksi ne soveltuvat monenlaisiin käyttökohteisiin.

Taulukko 1: Jalometallien, 4140-teräksen ja 6061-alumiinin kylmämuokatut materiaaliominaisuudet

Jalometallien tavanomaiset työstösovellukset

Hopealla ja kullalla on erityisen suotuisat lämmönjohtavuus- ja ominaisvastukset. Nämä arvot on lueteltu taulukossa 2 yhdessä CC1000:n (hehkutettu kupari) ja hehkutetun 6061-alumiinin kanssa vertailun vuoksi. Kuparia käytetään yleensä sähköjohdoissa sen suhteellisen alhaisen sähkövastuksen vuoksi, vaikka hopea olisi parempi korvike. Ilmeinen syy siihen, että tämä ei ole yleinen käytäntö, on hopean ja kuparin hinta. Tästä huolimatta kupari pinnoitetaan yleensä kullalla sähköisissä kosketuskohdissa, koska se pyrkii oksidoitumaan pitkän käytön jälkeen, mikä alentaa sen resistiivisyyttä. Kuten edellä todettiin, kullan ja muiden jalometallien tiedetään kestävän hapettumista. Tämä korroosionkestävyys on tärkein syy siihen, että niitä käytetään elektroniikkateollisuuden katodisuojausjärjestelmissä.

Taulukko 2: Ag:n, Au:n, Cu:n ja Al:n lämmönjohtavuus ja sähköinen resistiivisyys

Platinalla ja sen vastaavilla seoksilla on eniten käyttökohteita, sillä sillä voidaan saavuttaa useita erilaisia mekaanisia ominaisuuksia säilyttäen silti jalometallin edut (korkea sulamispiste, sitkeys ja hapettumisen kestävyys). Taulukossa 3 luetellaan platina ja joukko muita monimetallimetalleja, joilla kullakin on omat mekaaniset ominaisuutensa. Näiden ominaisuuksien vaihtelu riippuu platinaan lisätyistä seosaineista, seosmetallin prosenttiosuudesta ja siitä, onko materiaali kylmätyöstetty vai hehkutettu. Seostaminen voi lisätä merkittävästi materiaalin vetolujuutta ja kovuutta ja samalla vähentää sen sitkeyttä. Tämän vetolujuuden/kovuuden kasvun ja sitkeyden vähenemisen suhde riippuu lisätystä metallista ja sen määrästä, kuten taulukosta 3 käy ilmi. Yleensä tämä riippuu lisätyn alkuaineen hiukkaskoosta sekä sen luonnollisesta kiderakenteesta. Ruteniumilla ja osmiumilla on erityinen kiderakenne, joka vaikuttaa merkittävästi koventavasti, kun sitä lisätään platinaan. Erityisesti Pt-Os-seokset ovat erittäin kovia ja käytännöllisesti katsoen työstämättömiä, mikä ei johda moniin todellisiin sovelluksiin. Muiden neljän muun PGM:n lisääminen platinaan mahdollistaa kuitenkin erilaiset mekaaniset ominaisuudet eri käyttötarkoituksiin.

Taulukko 3: PGM:ien materiaaliominaisuudet (Huom. kovuus ja vetolujuus ovat kylmäkäsiteltyjä arvoja)

Platina ja sen metalliseokset ovat bioyhteensopivia, mikä antaa niille kyvyn sijoittaa niitä ihmiskehoon pitkiksi ajanjaksoiksi ilman, että ne aiheuttaisivat haitallisia reaktioita tai myrkytystä. Siksi lääketieteelliset laitteet, kuten sydänlihaksen ruuvikiinnikkeet, stentit ja verisuonenpoistolaitteiden merkkinauhat, valmistetaan platinasta ja sen seoksista. Kultaa ja palladiumia käytetään yleisesti myös hammaslääketieteellisissä sovelluksissa.

Pt-Ir-seokset ovat huomattavasti kovempia ja lujempia kuin muut seokset, ja niistä saadaan erinomaisia sytytystulppien päitä autoteollisuudessa. Pt-Ir-seoksiin lisätään joskus rodiumia, jotta materiaali ei olisi yhtä jousipitoinen (koska niitä käytetään lääkinnällisessä jousilangassa) ja jotta sen työstettävyys paranisi. Pt- ja Pt-Rh-lankaparit ovat erittäin tehokkaita lämpötilojen mittaamisessa, ja siksi niitä käytetään termopareissa.

Jalometallien työstö

Kaksi parametria, joilla on suurin vaikutus työstössä, ovat kovuus ja prosentuaalinen venymä. Kovuus on tunnettu koneistajien ja insinöörien keskuudessa koko valmistusteollisuudessa, sillä se osoittaa materiaalin kestävyyden muodonmuutosta tai leikkaamista vastaan. Prosenttinen venymä on mitta, jota käytetään materiaalin sitkeyden määrittelemiseen. Se osoittaa suunnittelijalle, missä määrin rakenne deformoituu plastisesti (pysyvästi) ennen murtumista. Esimerkiksi sitkeän muovin, kuten ultrakorkean molekyylipainon polyeteenin (UHMWPE), prosentuaalinen venymä on 350-525 %, kun taas hauraamman materiaalin, kuten öljykarkaistun ja karkaistun valuraudan (luokka 120-90-02), prosentuaalinen venymä on noin 2 %. Näin ollen mitä suurempi on venymäprosentti, sitä suurempi on materiaalin ”sitkeys”. Kumimaiset materiaalit ovat alttiita reunan rakentumiselle ja niillä on taipumus tuottaa pitkiä jänteviä lastuja.

Työkalut jalometalleille

Materiaalin sitkeys tekee terävästä leikkuutyökalusta olennaisen tärkeän jalometallien leikkaamisessa. Variable Helix for Aluminum Alloy -työkaluja voidaan käyttää pehmeämmille materiaaleille, kuten puhtaalle kullalle, hopealle ja platinalle.

Kovemmat materiaalit vaativat silti terävää leikkaavaa terää. Siksi paras vaihtoehto on investoida PCD-timanttityökaluun. PCD-kiekolla on kyky leikata erittäin kovia materiaaleja säilyttäen terävän leikkausreunan suhteellisen pitkään verrattuna tavallisiin HSS- ja kovametallileikkausreunoihin.

Nopeudet ja syöttötaulukot: