Machining Precious Metals

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Precious metals は、材料特性の範囲が広く、部品を廃棄しなければならない場合はコストが高くなるため、特に加工が困難な場合があります。

元素について

「貴金属」と呼ばれることもある貴金属は、周期表の中央に位置する8つの元素から構成されています（下図参照）。 その8つの金属とは

  1. ルテニウム（Ru）
  2. ロジウム（Rh）
  3. パラジウム（Pd）
  4. 銀（Ag）
  5. オスミウム（Os）
    1. Ru>
    2. Rh）
    3. Pd）
    4. Silver (Silver（Ag）>。
    5. イリジウム（Ir）
    6. プラチナ（Pt）
    7. 金（Au）

    これらの元素は、地球上で最も希少な物質の一つである。 そのため、非常に高価なものとなっています。 金と銀は純粋なナゲットの形で見つけることができるので、より簡単に入手することができます。 しかし、他の6つの元素は、周期表で下位に位置する4つの金属の原鉱石に混ざっているのが一般的です。 鉄（Fe）、コバルト（Co）、ニッケル（Ni）、銅（Cu）である。 これらの元素は貴金属の一部であり、一般に白金族金属（PGM）と呼ばれています。 これらの元素は、原料鉱石の中に一緒に含まれているため、採掘や抽出が難しく、コストが飛躍的に高くなります。

    図1: 8種類の貴金属を青枠で囲った周期律表。 画像出典：clearscience.tumblr.com

    貴金属の基本的性質と組成

    貴金属は、特徴的に柔らかく延性があり、酸化しにくいので注目すべき材料特性を持っています。 また、ほとんどの化学的、環境的攻撃に対して耐性があるため、「貴金属」とも呼ばれています。 表1は、貴金属の材料特性を元素のまま示したものである。 比較のために、6061アルミニウムと4140スチールと並べてあります。 白金族金属は白金を主成分とする合金であり（Ru, Rh, Pa, Os, Irは少ない）、一般に金と銀だけが純粋な状態で使用される。 貴金属は非常に緻密で融点が高いことが特徴で、様々な用途に適しています。

    表1：貴金属、4140鋼、6061アルミニウムの冷間加工材特性

    貴金属の一般的加工用途

    銀と金は特に優れた熱伝導率と電気抵抗率を持っていることが分かります。 これらの値を比較のためにCC1000（焼鈍銅）、6061アルミニウムの焼鈍品とともに表2に示す。 銅は電気抵抗率が比較的低いため、銀で代用できるにもかかわらず、一般的に電気配線に使用されています。 これは、銀と銅のコスト差によるもので、一般的な慣例とは異なります。 しかし、銅は長期間使用すると酸化して抵抗率が低下するため、電気接点部分には金メッキを施すのが一般的だ。 前述したように、金をはじめとする貴金属は酸化に強いことが知られています。 この耐腐食性が、電子産業のカソード保護システムに使用される主な理由です。

    Table 2: Ag、Au、Cu、および Al の熱伝導率と電気抵抗率

    プラチナとその合金は、貴金属の利点（高融点、延性、耐酸化）を維持しながら多くの異なる機械特性を達成できるため、多くのアプリケーションを提供しています。 表3は、プラチナと他の多くの白金族元素の、それぞれの機械的特性を示している。 これらの特性のばらつきは、プラチナに添加される合金元素、合金金属の割合、および材料が冷間加工またはアニールされているかどうかによって異なります。 合金化によって、材料の引張強度と硬度が大幅に向上し、同時に延性が低下することがあります。 この引張強さ・硬さの増加と延性の低下の比率は、表 3 に見られるように、添加する金属とその添加量に依存する。 一般的には、添加する元素の粒径とその自然な結晶構造に依存する。 ルテニウムとオスミウムは特定の結晶構造を持っており、プラチナに添加した場合、大きな硬化効果がある。 特に白金-オスミウム合金は非常に硬く、実質的に加工ができないため、現実的な応用はあまり期待できない。 しかし、他の 4 つの PGM をプラチナに加えることで、さまざまな用途に応じた機械的特性を得ることができます。

    Table 3: PGM 材料特性（注：硬度と引張強度は冷間加工値）

    プラチナおよびその合金は生体適合性があり、有害反応や毒性を起こさずに長期間人体に配置できる能力を備えています。 そのため、心筋のネジ止め、ステント、血管形成器具のマーカーバンドなどの医療器具は、プラチナやその合金で作られています。 金やパラジウムは歯科用にもよく使われます。

    Pt-Ir 合金は他のどの合金よりも明らかに硬くて強く、自動車産業ではスパークプラグのヘッドとして優れています。 白金-イリジウム合金にロジウムを添加して、材料のバネ性を弱め（医療用スプリングワイヤーとして使用されるため）、加工性を高めることもあります。

    貴金属の加工

    加工時に最も影響を与えるパラメータは、硬度と伸び率である。 硬度は、材料の変形や切削に対する抵抗力を示すもので、製造業界の機械工やエンジニアにはよく知られています。 伸び率は、材料の延性を定量化するために使用される測定値である。 これは、構造物が破壊する前にどの程度塑性変形（永久変形）するかを設計者に示すものである。 例えば、超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）などの延性プラスチックは350〜525％の伸びを示し、油焼入れ焼戻し処理した鋳鉄（グレード120-90-02）などの脆性材料は約2％の伸びを示す。 したがって、伸び率が大きいほど、材料の “ガム質 “度は高くなる。 ガム質な材料は、エッジが溜まりやすく、長い筋状の切り屑が出やすい傾向があります。

    貴金属用工具

    材料の延性から、貴金属の切断には鋭い切削工具が不可欠となります。 純金、銀、プラチナなどの柔らかい材料には、アルミ合金用可変螺旋工具が使用できます。

    図2 アルミ合金用可変螺旋スクエアエンドミル

    高硬度材料でも鋭い刃が必要です。 そのため、PCDダイヤモンド工具に投資することが最良の選択となる。 PCDウェハは、標準的なHSSや超硬の切れ刃と比較して、比較的長い時間鋭い切れ刃を維持しながら、非常に硬い材料を切断する能力を持っています。

    図3 PCDダイヤモンドスクエアエンドミル

    回転数・送り速度表：

    図4.PCDダイヤモンドスクエアエンドミル(PCD Diamond Square End Mill)の回転数・送り速度表 非鉄3倍角LOC

    図5：PCD2枚刃スクエアエンドミル使用時の貴金属の速度と送り量