Nemesfémek megmunkálása

A nemesfémek megmunkálása különösen nehéz lehet az anyagtulajdonságok széles skálája és a magas költségek miatt, ha egy alkatrészt selejtezni kell. A következő cikk bemutatja ezeket az elemeket és ötvözeteiket, valamint útmutatót ad a hatékony és eredményes megmunkálásukhoz.

Az elemekről

A nemesfémek, amelyeket néha “nemes” fémeknek is neveznek, nyolc olyan elemből állnak, amelyek a periódusos rendszer közepén helyezkednek el (az alábbi 1. ábrán látható). A nyolc fém a következő:

1. Ruténium (Ru)
2. Ródium (Rh)
3. Palládium (Pd)
4. Ezüst (Ag)
5. Oszmium (Os)
6. Iridium (Ir)
7. Platina (Pt)
8. Az arany (Au)

Ezek az elemek a Föld legritkább anyagai közé tartoznak, és ezért rendkívül drágák lehetnek. Az arany és az ezüst tiszta rögök formájában is megtalálható, így könnyebben hozzáférhetőek. A másik hat elemet azonban jellemzően annak a négy fémnek a nyers ércében találjuk meg keverve, amelyek alattuk helyezkednek el a periódusos rendszerben: Vas (Fe), Kobalt (Co), Nikkel (Ni) és Réz (Cu). Ezek az elemek a nemesfémek egy alcsoportját alkotják, és általában platinacsoportba tartozó fémeknek (PGM) nevezik őket. Mivel nyers ércben együtt találhatók, ez megnehezíti a bányászatot és a kitermelést, ami drámaian megnöveli a költségeiket. Magas áruk miatt ezen anyagok első alkalommal történő helyes megmunkálása hihetetlenül fontos a műhely hatékonysága szempontjából.

A nemesfémek alapvető tulajdonságai és összetételei

A nemesfémek figyelemre méltó anyagi tulajdonságokkal rendelkeznek, mivel jellemzően puhák, képlékenyek és oxidációállóak. Azért nevezik őket “nemes” fémeknek, mert ellenállnak a legtöbbféle kémiai és környezeti támadásnak. Az 1. táblázat a nemesfémek néhány sokatmondó anyagi tulajdonságát sorolja fel elemi formájukban. Az összehasonlítás kedvéért egymás mellett szerepelnek a 6061 Al és a 4140 acél. Általában csak az aranyat és az ezüstöt használják a legtisztább formában, mivel a platinacsoportba tartozó fémek olyan ötvözetek, amelyek főként platinából állnak (kisebb összetételben Ru, Rh, Pa, Os, Ir). A nemesfémek arról nevezetesek, hogy rendkívül sűrűek és magas olvadáspontjuk van, ami alkalmassá teszi őket különböző alkalmazásokhoz.

1. táblázat: Nemesfémek, 4140 acél és 6061 alumínium hidegen megmunkált anyagtulajdonságai

A nemesfémek gyakori megmunkálási alkalmazásai

Az ezüst és az arany különösen kedvező hővezető képességgel és elektromos ellenállással rendelkezik. Ezek az értékek a 2. táblázatban szerepelnek, a CC1000 (lágyított réz) és a lágyított 6061 alumíniummal együtt, összehasonlítási céllal. A rezet általában viszonylag alacsony elektromos ellenállása miatt használják az elektromos vezetékekben, annak ellenére, hogy az ezüst jobb helyettesítője lenne. A nyilvánvaló ok, amiért nem ez az általános konvenció, az az ezüst és a réz költsége. Ettől függetlenül a rezet általában arannyal vonják be az elektromos érintkezési pontokon, mert hosszabb használat után hajlamos oxidálódni, ami csökkenti az ellenállását. Mint már említettük, az arany és a többi nemesfém köztudottan ellenáll az oxidációnak. Ez a korrózióállóság a fő oka annak, hogy az elektronikai ipar katódvédelmi rendszereiben használják őket.

2. táblázat: Az Ag, Au, Cu és Al hővezető képessége és elektromos ellenállása

A platina és a hozzá tartozó ötvözetek kínálják a legtöbb alkalmazási lehetőséget, mivel számos különböző mechanikai tulajdonságot képes elérni, miközben megtartja a nemesfémek előnyeit (magas olvadáspont, alakíthatóság és oxidációállóság). A 3. táblázat felsorolja a platinát és számos más PGM-et, amelyek mindegyike saját mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. Ezeknek a tulajdonságoknak az eltérése függ a platinához hozzáadott ötvözőelem(ek)től, az ötvözőfém százalékos arányától, valamint attól, hogy az anyagot hidegen megmunkálták vagy lágyították-e vagy sem. Az ötvözés jelentősen növelheti az anyag szakítószilárdságát és keménységét, ugyanakkor csökkentheti annak alakíthatóságát. A szakítószilárdság/keménység növekedésének és a képlékenység csökkenésének aránya a hozzáadott fémtől és a hozzáadott mennyiségtől függ, amint az a 3. táblázatban látható. Általában ez a hozzáadott elem szemcseméretétől, valamint természetes kristályszerkezetétől függ. A ruténium és az ozmium sajátos kristályszerkezettel rendelkezik, amely a platinához adva jelentős keményítő hatást fejt ki. Különösen a Pt-Os ötvözetek rendkívül kemények és gyakorlatilag megmunkálhatatlanok, ami nem sok valós alkalmazást eredményez. A másik 4 PGM-nek a platinához való hozzáadása azonban különféle mechanikai tulajdonságokat tesz lehetővé különböző felhasználási célokkal.

3. táblázat: PGM-anyagok tulajdonságai (Megjegyzés: a keménység és a szakítószilárdság hidegen megmunkált értékek)

A platina és ötvözetei biokompatibilisek, ami lehetővé teszi, hogy hosszú időn keresztül az emberi szervezetbe kerüljenek anélkül, hogy káros reakciókat vagy mérgezést okoznának. Ezért az orvosi eszközök, köztük a szívizomcsavarok rögzítése, a sztentek és az angioplasztikai eszközökhöz használt jelölőszalagok platinából és ötvözeteiből készülnek. Az aranyat és a palládiumot a fogászati alkalmazásokban is gyakran használják.

A Pt-Ir ötvözetek észrevehetően keményebbek és erősebbek, mint bármely más ötvözet, és kiváló gyújtógyertyafejek az autóiparban. A Pt-Ir ötvözetekhez néha ródiumot adnak, hogy az anyag kevésbé legyen ruganyos (mivel orvosi rugós huzalként használják), ugyanakkor növelik a megmunkálhatóságát. A Pt és Pt-Rh huzalpárok rendkívül hatékonyan mérik a hőmérsékletet, ezért hőelemekben használják őket.

Nemesfémek megmunkálása

A megmunkálás során a legnagyobb hatással bíró két paraméter a keménység és a százalékos nyúlás. A keménységet jól ismerik a gépészek és mérnökök az egész feldolgozóiparban, mivel ez jelzi az anyag ellenállását a deformációval vagy vágással szemben. A százalékos nyúlás az anyag alakíthatóságának számszerűsítésére használt mérőszám. A tervező számára azt jelzi, hogy egy szerkezet milyen mértékben deformálódik plasztikusan (tartósan) a törés előtt. Például egy képlékeny műanyag, például az ultranagy molekulatömegű polietilén (UHMWPE) százalékos nyúlása 350-525%, míg egy ridegebb anyag, például az olajban edzett és temperált öntöttvas (120-90-02 minőségű) százalékos nyúlása körülbelül 2%. Ezért minél nagyobb a százalékos nyúlás, annál nagyobb az anyag “gumiszerűsége”. A gumiszerű anyagok hajlamosak a felépített élre, és hajlamosak hosszú szálas forgácsok keletkezésére.

Nemesfémek szerszámai

Az anyag képlékenysége miatt a nemesfémek vágásához elengedhetetlen az éles vágószerszám. A Variable Helix for Aluminum Alloy szerszámok a lágyabb anyagokhoz, például a tiszta aranyhoz, ezüsthöz és platinához is használhatók.

A nagyobb keménységű anyagokhoz még mindig éles vágóél szükséges. Ezért a legjobb megoldás, ha az ember beruház egy PCD gyémánt szerszámba. A PCD korong képes rendkívül kemény anyagok vágására, miközben viszonylag hosszú ideig megőrzi az éles vágóélességet a hagyományos HSS és keményfém vágóélekhez képest.

Sebesség- és előtolásdiagramok:

használata esetén.