Obrábění drahých kovů

Obrábění drahých kovů může být obzvláště obtížné vzhledem k široké škále materiálových vlastností a vysokým nákladům, pokud musí být díl vyřazen. Následující článek představí tyto prvky a jejich slitiny a poskytne návod, jak je účinně a efektivně obrábět.

O prvcích

Drahé kovy, někdy nazývané „ušlechtilé“ kovy, se skládají z osmi prvků, které leží uprostřed periodické tabulky (viz níže na obrázku 1). Těchto osm kovů je následujících:

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

.

6. Iridium (Ir)
7. Platina (Pt)
8. Zlato (Au)

Tyto prvky patří mezi nejvzácnější materiály na Zemi, a proto mohou být nesmírně drahé. Zlato a stříbro lze nalézt v podobě ryzích nugetů, takže jsou snadněji dostupné. Zbývajících šest prvků se však obvykle nachází ve směsi v surové rudě čtyř kovů, pod nimiž se nacházejí v periodické tabulce: Železo (Fe), kobalt (Co), nikl (Ni) a měď (Cu). Tyto prvky jsou podskupinou drahých kovů a obecně se nazývají kovy platinové skupiny (PGM). Protože se vyskytují společně v surové rudě, je jejich těžba a získávání obtížné, což výrazně zvyšuje jejich cenu. Vzhledem k jejich vysoké ceně je správné obrábění těchto materiálů hned napoprvé nesmírně důležité pro efektivitu dílny.

Základní vlastnosti a složení drahých kovů

Drahé kovy mají pozoruhodné materiálové vlastnosti, protože jsou charakteristicky měkké, tvárné a odolné vůči oxidaci. Nazývají se „ušlechtilé“ kovy, protože jsou odolné vůči většině druhů chemického působení a působení prostředí. Tabulka 1 uvádí několik výmluvných materiálových vlastností drahých kovů v jejich elementární formě. Pro účely srovnání jsou vedle sebe uvedeny Al 6061 a ocel 4140. Obecně se používá pouze zlato a stříbro v jejich ryzí formě, protože kovy platinové skupiny jsou slitiny, které se skládají převážně z platiny (s menším složením Ru, Rh, Pa, Os, Ir). Drahé kovy se vyznačují mimořádnou hustotou a vysokým bodem tání, díky čemuž jsou vhodné pro různé aplikace.

Tabulka 1: Vlastnosti materiálů drahých kovů, oceli 4140 a hliníku 6061 zpracovaných za studena

Obvyklé aplikace drahých kovů při obrábění

Stříbro a zlato mají zvlášť příznivou tepelnou vodivost a elektrický odpor. Tyto hodnoty jsou pro srovnání uvedeny v tabulce 2 spolu s CC1000 (žíhaná měď) a žíhaným hliníkem 6061. Měď se obecně používá v elektrických rozvodech kvůli svému relativně nízkému elektrickému odporu, i když stříbro by bylo lepší náhradou. Zřejmým důvodem, proč se nejedná o obecnou konvenci, je cena stříbra oproti mědi. Jak již bylo řečeno, měď se v místech elektrických kontaktů obvykle pokovuje zlatem, protože po delším používání má tendenci oxidovat, což snižuje její odpor. Jak již bylo uvedeno, zlato a ostatní drahé kovy jsou známé svou odolností vůči oxidaci. Tato odolnost proti korozi je hlavním důvodem, proč se používají v systémech katodické ochrany elektronického průmyslu.

Tabulka 2: Tepelná vodivost a elektrický odpor Ag, Au, Cu a Al

Platina a její příslušné slitiny nabízejí největší množství aplikací, protože lze dosáhnout řady různých mechanických vlastností při zachování výhod drahého kovu (vysoký bod tání, tažnost a odolnost proti oxidaci). Tabulka 3 uvádí platinu a řadu dalších PGM, z nichž každý má své vlastní mechanické vlastnosti. Rozdílnost těchto vlastností závisí na tom, jaký legující prvek (prvky) se k platině přidává, na procentuálním podílu legujícího kovu a na tom, zda byl materiál zpracován za studena nebo žíhán. Legování může výrazně zvýšit pevnost v tahu a tvrdost materiálu a zároveň snížit jeho tažnost. Poměr tohoto zvýšení pevnosti v tahu/tvrdosti a snížení tažnosti závisí na přidaném kovu i na jeho množství, jak je patrné z tabulky 3. Obecně to závisí na velikosti částic přidaného prvku a také na jeho přirozené krystalické struktuře. Ruthenium a osmium mají specifickou krystalovou strukturu, která má po přidání k platině výrazný zpevňující účinek. Zejména slitiny Pt-Os jsou extrémně tvrdé a prakticky neopracovatelné, což nepřináší mnoho reálných aplikací. Přidání ostatních 4 PGM k platině však umožňuje získat řadu mechanických vlastností s různým využitím.

Tabulka 3: Vlastnosti materiálů PGM (Poznámka: tvrdost a pevnost v tahu jsou hodnoty zpracované za studena)

Platina a její slitiny jsou biokompatibilní, což jim dává možnost být umístěny v lidském těle po dlouhou dobu, aniž by způsobily nežádoucí reakce nebo otravu. Proto se z platiny a jejích slitin vyrábějí zdravotnické prostředky včetně šroubových fixací srdečního svalu, stentů a značkovacích pásků pro angioplastické přístroje. Zlato a palladium se také běžně používají v zubním lékařství.

Slitiny Pt-Ir jsou znatelně tvrdší a pevnější než všechny ostatní slitiny a jsou z nich vynikající hlavice pro zapalovací svíčky v automobilovém průmyslu. Rhodium se někdy přidává do slitin Pt-Ir, aby materiál méně pružil (protože se používají jako lékařské pružinové dráty) a zároveň se zvýšila jeho zpracovatelnost. Dvojice drátů Pt a Pt-Rh jsou velmi účinné při měření teploty, a proto se používají v termočláncích.

Obrábění drahých kovů

Dva parametry, které mají největší vliv při obrábění, jsou tvrdost a procento prodloužení. Tvrdost je dobře známá obráběčům a inženýrům v celém výrobním průmyslu, protože udává odolnost materiálu proti deformaci nebo řezání. Procento prodloužení je měřítko, které se používá ke kvantifikaci tvárnosti materiálu. Konstruktérům udává, do jaké míry se konstrukce před lomem plasticky (trvale) deformuje. Například tvárný plast, jako je ultravysokomolekulární polyethylen (UHMWPE), má procentuální prodloužení 350-525 %, zatímco křehčí materiál, jako je litina kalená v oleji (jakost 120-90-02), má procentuální prodloužení přibližně 2 %. Čím větší je tedy procentuální prodloužení, tím větší je „gumovitost“ materiálu. Gumovité materiály jsou náchylné k tvorbě nahromaděných hran a mají tendenci vytvářet dlouhé strunovité třísky.

Nástroje na drahé kovy

Pro řezání drahých kovů je nezbytný ostrý řezný nástroj. Nástroje s variabilní šroubovicí pro hliníkové slitiny lze použít pro měkčí materiály, jako je ryzí zlato, stříbro a platina.

Materiály s vyšší tvrdostí stále vyžadují ostré břity. Proto je nejlepší volbou investovat do diamantového nástroje PCD. Destička PCD má ve srovnání se standardními břity z HSS a karbidu schopnost řezat extrémně tvrdé materiály a zároveň udržet ostrou břitovou hranu po relativně dlouhou dobu.

Karty rychlostí a posuvů:

: Otáčky a posuvy pro drahé kovy při použití čtyřhranné frézy na neželezné kovy, 3x LOC

Obr. 5: Otáčky a posuvy pro drahé kovy při použití dvoubřité čtyřhranné frézy PCD

.