L’usinage des métaux précieux

Les métaux précieux peuvent être particulièrement difficiles à usiner en raison de leur large éventail de propriétés matérielles et de leur coût élevé si une pièce doit être mise au rebut. L’article suivant présentera ces éléments et leurs alliages ainsi qu’un guide sur la façon de les usiner de manière efficace et efficiente.

A propos des éléments

Parfois appelés métaux « nobles », les métaux précieux sont constitués de huit éléments qui se trouvent au milieu du tableau périodique (vus ci-dessous dans la figure 1). Ces huit métaux sont :

1. Ruthénium (Ru)
2. Rhodium (Rh)
3. Palladium (Pd)
4. Argent (Ag)
5. Osmium (Os)

.

6. Iridium (Ir)
7. Platine (Pt)
8. Or (Au)

Ces éléments sont parmi les matériaux les plus rares sur terre, et peuvent donc être extrêmement chers. L’or et l’argent peuvent être trouvés sous forme de pépites pures, ce qui les rend plus facilement disponibles. Cependant, les six autres éléments se trouvent généralement mélangés dans le minerai brut des quatre métaux sous lesquels ils se trouvent dans le tableau périodique : le fer (Fe), le cobalt (Co), le nickel (Ni) et le cuivre (Cu). Ces éléments constituent un sous-ensemble de métaux précieux et sont généralement appelés métaux du groupe du platine (MGP). Comme ils se trouvent ensemble dans le minerai brut, leur extraction est difficile, ce qui augmente considérablement leur coût. En raison de leur prix élevé, usiner ces matériaux correctement dès la première fois est incroyablement important pour l’efficacité d’un atelier.

Propriétés et compositions de base des métaux précieux

Les métaux précieux ont des propriétés matérielles notables car ils sont typiquement doux, ductiles et résistants à l’oxydation. Ils sont appelés métaux « nobles » en raison de leur résistance à la plupart des types d’attaques chimiques et environnementales. Le tableau 1 énumère quelques propriétés matérielles révélatrices des métaux précieux sous leur forme élémentaire. À des fins de comparaison, ils sont mis côte à côte avec l’aluminium 6061 et l’acier 4140. En général, seuls l’or et l’argent sont utilisés sous leur forme la plus pure, car les métaux du groupe du platine sont des alliages composés principalement de platine (avec une plus petite composition de Ru, Rh, Pa, Os, Ir). Les métaux précieux sont remarquables pour être extrêmement denses et avoir un point de fusion élevé, ce qui les rend adaptés à une variété d’applications.

Tableau 1 : Propriétés des matériaux travaillés à froid des métaux précieux, de l’acier 4140 et de l’aluminium 6061

Applications courantes d’usinage des métaux précieux

L’argent et l’or ont une conductivité thermique et une résistivité électrique particulièrement favorables. Ces valeurs sont indiquées dans le tableau 2, ainsi que celles du CC1000 (cuivre recuit) et de l’aluminium 6061 recuit, à des fins de comparaison. Le cuivre est généralement utilisé dans le câblage électrique en raison de sa résistivité électrique relativement faible, même si l’argent serait un meilleur substitut. La raison évidente pour laquelle ce n’est pas la convention générale est le coût de l’argent par rapport au cuivre. Ceci étant dit, le cuivre est généralement plaqué d’or aux zones de contact électrique car il a tendance à s’oxyder après une utilisation prolongée, ce qui diminue sa résistivité. Comme indiqué précédemment, l’or et les autres métaux précieux sont connus pour leur résistance à l’oxydation. Cette résistance à la corrosion est la principale raison pour laquelle ils sont utilisés dans les systèmes de protection cathodique de l’industrie électronique.

Tableau 2 : Conductivité thermique et résistivité électrique de l’Ag, de l’Au, du Cu et de l’Al

Le platine et ses alliages respectifs offrent la plus grande quantité d’applications car il peut atteindre un certain nombre de propriétés mécaniques différentes tout en conservant les avantages d’un métal précieux (point de fusion élevé, ductilité et résistance à l’oxydation). Le tableau 3 énumère le platine et un certain nombre d’autres platinoïdes, chacun ayant ses propres propriétés mécaniques. La variation de ces propriétés dépend du ou des éléments d’alliage ajoutés au platine, du pourcentage de métal d’alliage et du fait que le matériau a été ou non travaillé à froid ou recuit. L’alliage peut augmenter considérablement la résistance à la traction et la dureté d’un matériau tout en diminuant sa ductilité. Le rapport entre l’augmentation de la résistance à la traction et de la dureté et la diminution de la ductilité dépend du métal ajouté ainsi que de la quantité ajoutée, comme le montre le tableau 3. En général, cela dépend de la taille des particules de l’élément ajouté ainsi que de sa structure cristalline naturelle. Le ruthénium et l’osmium ont une structure cristalline spécifique qui a un effet durcissant significatif lorsqu’ils sont ajoutés au platine. Les alliages Pt-Os en particulier sont extrêmement durs et pratiquement inusables, ce qui ne donne pas lieu à de nombreuses applications dans le monde réel. Cependant, l’ajout des 4 autres MGP au platine permet d’obtenir une gamme de propriétés mécaniques avec des usages variés.

Tableau 3 : Propriétés des matériaux MGP (Remarque : la dureté et la résistance à la traction sont des valeurs travaillées à froid)

Le platine et ses alliages sont biocompatibles, ce qui leur donne la capacité d’être placés dans le corps humain pendant de longues périodes sans provoquer de réactions indésirables ou d’empoisonnement. Par conséquent, les dispositifs médicaux, notamment les fixations par vis du muscle cardiaque, les stents et les bandes de marquage pour les dispositifs d’angioplastie, sont fabriqués à partir de platine et de ses alliages. L’or et le palladium sont également couramment utilisés dans les applications dentaires.

Les alliages Pt-Ir sont sensiblement plus durs et plus résistants que tous les autres alliages et font d’excellentes têtes pour les bougies d’allumage dans l’industrie automobile. Le rhodium est parfois ajouté aux alliages Pt-Ir pour rendre le matériau moins élastique (car ils sont utilisés comme fil à ressort médical) tout en augmentant sa maniabilité. Les paires de fils Pt et Pt-Rh sont extrêmement efficaces pour mesurer les températures et sont donc utilisées dans les thermocouples.

L’usinage des métaux précieux

Les deux paramètres qui ont le plus d’effet lors de l’usinage sont la dureté et le pourcentage d’allongement. La dureté est bien connue des machinistes et des ingénieurs de toute l’industrie manufacturière car elle indique la résistance d’un matériau à la déformation ou à la coupe. Le pourcentage d’allongement est une mesure utilisée pour quantifier la ductilité du matériau. Il indique au concepteur le degré de déformation plastique (permanente) d’une structure avant sa rupture. Par exemple, un plastique ductile tel que le polyéthylène de poids moléculaire très élevé (UHMWPE) a un pourcentage d’allongement de 350 à 525 %, tandis qu’un matériau plus fragile tel que la fonte trempée et revenue à l’huile (grade 120-90-02) a un pourcentage d’allongement d’environ 2 %. Par conséquent, plus le pourcentage d’allongement est élevé, plus le matériau est « gommeux ». Les matériaux gommeux sont sujets à l’accumulation d’arêtes et ont tendance à produire de longs copeaux filandreux.

Outils pour les métaux précieux

La ductilité du matériau rend un outil de coupe tranchant essentiel pour couper les métaux précieux. Les outils à hélice variable pour alliage d’aluminium peuvent être utilisés pour les matériaux les plus doux tels que l’or pur, l’argent et le platine.

Les matériaux de dureté plus élevée nécessitent toujours un bord de coupe tranchant. Par conséquent, la meilleure option est d’investir dans un outil diamanté PCD. La plaquette PCD a la capacité de couper des matériaux extrêmement durs tout en maintenant un bord de coupe tranchant pendant une période relativement longue, par rapport aux bords de coupe standard en HSS et en carbure.

Tableaux des vitesses et des avances:

.