Het bewerken van edele metalen

Wedstrijdige metalen kunnen bijzonder moeilijk te bewerken zijn vanwege hun grote verscheidenheid aan materiaaleigenschappen en de hoge kosten als een onderdeel moet worden gesloopt. Het volgende artikel zal deze elementen en hun legeringen introduceren en een gids geven over hoe ze effectief en efficiënt te bewerken.

Over de elementen

Soms worden ze “edele” metalen genoemd. Edele metalen bestaan uit acht elementen die in het midden van het periodiek systeem liggen (zie hieronder in figuur 1). De acht metalen zijn:

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

Deze elementen behoren tot de zeldzaamste materialen op aarde, en kunnen daarom enorm duur zijn. Goud en zilver kunnen in zuivere klompvorm worden gevonden, waardoor ze gemakkelijker verkrijgbaar zijn. De andere zes elementen worden echter meestal gemengd gevonden in het ruwe erts van de vier metalen waar ze onder staan op het periodiek systeem: IJzer (Fe), Kobalt (Co), Nikkel (Ni), en Koper (Cu). Deze elementen vormen een subgroep van edele metalen en worden doorgaans platinagroep-metalen (PGM) genoemd. Omdat ze samen in ruwe erts worden gevonden, maakt dit mijnbouw en extractie moeilijk, waardoor hun kosten dramatisch toenemen. Vanwege hun hoge prijskaartje is het voor de efficiëntie van een werkplaats ongelooflijk belangrijk dat deze materialen in één keer goed worden bewerkt.

Basiseigenschappen en samenstellingen van edelmetalen

Metalen van edele metalen hebben opmerkelijke materiaaleigenschappen: ze zijn karakteristiek zacht, buigzaam en oxidatiebestendig. Zij worden “edele” metalen genoemd vanwege hun weerstand tegen de meeste soorten chemische en milieu-aanvallen. Tabel 1 geeft een overzicht van enkele veelzeggende materiaaleigenschappen van edele metalen in hun elementaire vorm. Ter vergelijking zijn ze naast elkaar gezet met 6061 Al en 4140 staal. In het algemeen worden alleen goud en zilver in hun zuiverste vorm gebruikt, aangezien de metalen van de platinagroep legeringen zijn die hoofdzakelijk uit platina bestaan (met een kleinere samenstelling van Ru, Rh, Pa, Os, Ir). Edele metalen vallen op door hun extreme dichtheid en hoge smeltpunt, waardoor ze geschikt zijn voor een verscheidenheid van toepassingen.

Tabel 1: Koudbewerkte materiaaleigenschappen van edele metalen, 4140 staal en 6061 aluminium

Gemeenschappelijke bewerkingstoepassingen van edele metalen

Zilver en goud hebben een bijzonder gunstige thermische geleidbaarheid en elektrische weerstand. Deze waarden zijn vermeld in Tabel 2, samen met CC1000 (gegloeid koper) en gegloeid aluminium 6061, voor vergelijkingsdoeleinden. Koper wordt over het algemeen gebruikt in elektrische bedrading vanwege zijn relatief lage elektrische weerstand, ook al zou zilver een betere vervanger zijn. De voor de hand liggende reden waarom dit niet de algemene conventie is, is de kostprijs van zilver versus koper. Dit gezegd zijnde, wordt koper over het algemeen verguld met goud op elektrische contactpunten omdat het de neiging heeft te oxideren na langdurig gebruik, wat zijn weerstandsvermogen verlaagt. Zoals eerder gezegd, staan goud en de andere edele metalen bekend om hun weerstand tegen oxidatie. Deze corrosiebestendigheid is de belangrijkste reden waarom zij worden gebruikt in kathodische beschermingssystemen van de elektronica-industrie.

Tabel 2: Warmtegeleidingsvermogen en elektrische weerstand van Ag, Au, Cu en Al

Platina en de respectieve legeringen bieden het grootste aantal toepassingen, omdat het een aantal verschillende mechanische eigenschappen kan bereiken, terwijl het toch de voordelen van een edelmetaal behoudt (hoog smeltpunt, buigzaamheid en oxidatiebestendigheid). Tabel 3 geeft een overzicht van platina en een aantal andere MPG’s, elk met hun eigen mechanische eigenschappen. De variatie van deze eigenschappen is afhankelijk van het (de) legeringselement(en) die aan het platina worden toegevoegd, het percentage legeringsmetaal, en of het materiaal al dan niet koud bewerkt of gegloeid is. Legeren kan de treksterkte en de hardheid van een materiaal aanzienlijk verhogen, terwijl tegelijkertijd de ductiliteit afneemt. De verhouding tussen de toename van de treksterkte/hardheid en de afname van de vervormbaarheid hangt af van het metaal dat wordt toegevoegd en van de hoeveelheid die wordt toegevoegd, zoals te zien is in tabel 3. In het algemeen hangt dit af van de deeltjesgrootte van het toegevoegde element en van zijn natuurlijke kristallijne structuur. Ruthenium en Osmium hebben een specifieke kristalstructuur die een significant verhardend effect heeft wanneer zij aan platina worden toegevoegd. Met name Pt-Os legeringen zijn extreem hard en praktisch onbewerkbaar, hetgeen niet veel toepassingen in de praktijk oplevert. De toevoeging van de andere vier MPG’s aan platina maakt echter een scala van mechanische eigenschappen met verschillende gebruiksmogelijkheden mogelijk.

Tabel 3: PGM-materiaaleigenschappen (Opmerking: de hardheid en treksterkte zijn koudverwerkte waarden)

Platina en de legeringen daarvan zijn biocompatibel, waardoor zij gedurende lange tijd in het menselijk lichaam kunnen worden geplaatst zonder bijwerkingen of vergiftiging te veroorzaken. Daarom worden medische hulpmiddelen, zoals schroefbevestigingen voor hartspieren, stents en markeerbanden voor angioplastiektoestellen, gemaakt van platina en zijn legeringen. Goud en palladium worden ook vaak gebruikt in tandheelkundige toepassingen.

Pt-Ir-legeringen zijn merkbaar harder en sterker dan de andere legeringen en maken uitstekende koppen voor bougies in de auto-industrie. Rhodium wordt soms toegevoegd aan Pt-Ir legeringen om het materiaal minder veerkrachtig te maken (zoals ze worden gebruikt als medische verendraad) terwijl het ook de verwerkbaarheid verhoogt. Pt en Pt-Rh draadparen zijn uiterst effectief in het meten van temperaturen en worden daarom gebruikt in thermokoppels.

Machining Precious Metals

De twee parameters die het meeste effect hebben bij het machinaal bewerken zijn hardheid en rekpercentage. De hardheid is bekend bij machinisten en ingenieurs in de verwerkende industrie, omdat deze de weerstand van een materiaal tegen vervorming of snijden aangeeft. Het rekpercentage is een maat die wordt gebruikt om de vervormbaarheid van een materiaal te kwantificeren. Het geeft voor een ontwerper aan in welke mate een structuur plastisch (blijvend) zal vervormen alvorens te breken. Een buigzame kunststof zoals polyethyleen met ultrahoog moleculair gewicht (UHMWPE) heeft bijvoorbeeld een rekpercentage van 350-525%, terwijl een brozer materiaal zoals oliegehard en getemperd gietijzer (kwaliteit 120-90-02) een rekpercentage heeft van ongeveer 2%. Hoe groter dus het rekpercentage, hoe groter de “kleverigheid” van het materiaal. Gomachtige materialen zijn gevoelig voor opgebouwde randen en hebben de neiging om lange sliertachtige spanen te produceren.

Gereedschap voor Edele Metalen

Materiaalveranderlijkheid maakt een scherp snijgereedschap essentieel voor het snijden van edele metalen. Variabele Helix voor Aluminiumlegering gereedschap kan worden gebruikt voor de zachtere materialen zoals zuiver goud, zilver en platina.

Hogere hardheidsmaterialen vereisen nog steeds een scherpe snijkant. Daarom is de beste optie te investeren in een PCD diamantgereedschap. De PCD wafer heeft de capaciteit om uiterst harde materialen te snijden terwijl het handhaven van een scherpe scherpe snijkant voor een vrij lange periode van tijd, in vergelijking met standaard HSS en hardmetalen snijkanten.

Toerentallen en voedingen grafieken: