Obróbka Metali Szlachetnych

Metale szlachetne mogą być szczególnie trudne do obróbki ze względu na ich szeroki zakres właściwości materiałowych i wysokie koszty, jeśli część musi zostać zezłomowana. Poniższy artykuł przedstawi te pierwiastki i ich stopy, a także dostarczy wskazówek, jak obrabiać je efektywnie i wydajnie.

O pierwiastkach

Czasami nazywane „szlachetnymi”, metale szlachetne składają się z ośmiu pierwiastków, które leżą w środku układu okresowego (widoczne poniżej na rysunku 1). Te osiem metali to:

1. Ruten (Ru)
2. Rod (Rh)
3. Pallad (Pd)
4. Srebro (Ag)
5. Osm (Os)

.

6. Iryd (Ir)
7. Platyn (Pt)
8. Złoto (Au)

Pierwiastki te są jednymi z najrzadszych materiałów na Ziemi, i dlatego mogą być niezwykle drogie. Złoto i srebro można znaleźć w czystej postaci bryłek, co czyni je łatwiej dostępnymi. Jednakże, pozostałe sześć elementów są zwykle znaleźć mieszane w surowej rudy czterech metali, które siedzą poniżej w układzie okresowym: Żelazo (Fe), Kobalt (Co), Nikiel (Ni) i Miedź (Cu). Te elementy są podzbiorem metali szlachetnych i są ogólnie nazywane Platynowymi Metalami Grupowymi (PGM). Ponieważ występują one razem w surowej rudzie, utrudnia to wydobycie, co drastycznie zwiększa ich koszt. Ze względu na ich wysoką cenę, właściwa obróbka tych materiałów za pierwszym razem jest niezwykle ważna dla wydajności warsztatu.

Basic Properties and Compositions of Precious Metals

Precious metals have notable material properties as they are characteristically soft, ductile, and oxidation resistant. Są one nazywane „szlachetnymi” metalami z powodu ich odporności na większość rodzajów ataków chemicznych i środowiskowych. Tabela 1 zawiera kilka wymownych właściwości metali szlachetnych w ich postaci elementarnej. Dla celów porównawczych są one zestawione obok siebie z 6061 Al i 4140 Steel. Ogólnie rzecz biorąc, tylko złoto i srebro są używane w ich najczystszej postaci, ponieważ metale z grupy platynowców są stopami, które składają się głównie z platyny (z mniejszą ilością Ru, Rh, Pa, Os, Ir). Metale szlachetne są godne uwagi ze względu na wyjątkową gęstość i wysoką temperaturę topnienia, co czyni je odpowiednimi do różnych zastosowań.

Table 1: Cold-worked Material Properties of Precious Metals, 4140 Steel and 6061 Aluminum

Common Machining Applications of Precious Metals

Srebro i złoto mają szczególnie korzystną przewodność cieplną i oporność elektryczną. Wartości te są wymienione w tabeli 2, wraz z CC1000 (wyżarzona miedź) i wyżarzonym aluminium 6061, dla celów porównawczych. Miedź jest powszechnie stosowana w okablowaniu elektrycznym ze względu na stosunkowo niską rezystywność elektryczną, mimo że srebro byłoby lepszym zamiennikiem. Oczywistym powodem, dla którego nie jest to konwencja ogólna, jest koszt srebra w porównaniu z miedzią. Miedź jest zazwyczaj pokrywana złotem w miejscach styku elektrycznego, ponieważ ma tendencję do utleniania się po dłuższym czasie użytkowania, co obniża jej rezystywność. Jak stwierdzono wcześniej, złoto i inne metale szlachetne są znane jako odporne na utlenianie. Ta odporność na korozję jest głównym powodem, że są one używane w systemach ochrony katodowej w przemyśle elektronicznym.

Tabela 2: Przewodność cieplna i oporność elektryczna Ag, Au, Cu i Al

Platyna i jej odpowiednie stopy oferują najwięcej zastosowań, ponieważ mogą osiągnąć wiele różnych właściwości mechanicznych, zachowując jednocześnie zalety metalu szlachetnego (wysoka temperatura topnienia, plastyczność i odporność na utlenianie). Tabela 3 zawiera listę platyny i szeregu innych PGM, z których każdy ma swoje własne właściwości mechaniczne. Zmienność tych właściwości zależy od pierwiastka stopowego (pierwiastków stopowych) dodawanego do platyny, procentowej zawartości metalu stopowego oraz od tego, czy materiał został obrobiony na zimno lub wyżarzony. Stop może znacznie zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie i twardość materiału, jednocześnie zmniejszając jego plastyczność w tym samym czasie. Stosunek wzrostu wytrzymałości na rozciąganie/twardości do spadku ciągliwości zależy od dodanego metalu, a także od jego ilości, jak pokazano w tabeli 3. Ogólnie rzecz biorąc, zależy to od wielkości cząstek dodanego pierwiastka, jak również od jego naturalnej struktury krystalicznej. Ruthenium i Osmium mają specyficzną strukturę krystaliczną, która ma znaczący efekt utwardzający po dodaniu do platyny. Stopy Pt-Os w szczególności są niezwykle twarde i praktycznie niewykonalne, co nie daje wielu realnych zastosowań. Jednakże, dodanie pozostałych 4 PGM do platyny pozwala na uzyskanie szeregu właściwości mechanicznych o różnych zastosowaniach.

Tabela 3: Właściwości materiałów PGM (Uwaga: twardość i wytrzymałość na rozciąganie są wartościami po obróbce na zimno)

Platyna i jej stopy są biokompatybilne, co daje im możliwość bycia umieszczonymi w ludzkim ciele przez długi okres czasu bez powodowania niepożądanych reakcji lub zatrucia. Dlatego urządzenia medyczne, w tym śruby mocujące mięśnie sercowe, stenty i opaski znacznikowe dla urządzeń do angioplastyki są wykonane z platyny i jej stopów. Złoto i pallad są również powszechnie stosowane w zastosowaniach stomatologicznych.

Pt-Ir stopy są zauważalnie twardsze i mocniejsze niż którykolwiek z innych stopów i zrobić doskonałe głowy dla świec zapłonowych w przemyśle motoryzacyjnym. Rod jest czasami dodawany do stopów Pt-Ir, aby materiał był mniej sprężysty (ponieważ są one używane jako drut medyczny wiosna), a także zwiększenie jego obrabialności. Pt i Pt-Rh pary drutów są bardzo skuteczne w pomiarze temperatury i dlatego są używane w termoparach.

Obróbka metali szlachetnych

Dwa parametry, które mają największy wpływ podczas obróbki to twardość i procent wydłużenia. Twardość jest dobrze znana przez maszynistów i inżynierów w całym przemyśle produkcyjnym, ponieważ wskazuje odporność materiału na odkształcenia lub cięcie. Procentowe wydłużenie jest miarą używaną do ilościowego określenia plastyczności materiału. Wskazuje on projektantowi stopień, w jakim struktura będzie odkształcać się plastycznie (trwale) przed pęknięciem. Na przykład, plastyczne tworzywo sztuczne, takie jak polietylen o bardzo wysokiej masie cząsteczkowej (UHMWPE) ma wydłużenie procentowe 350-525%, podczas gdy bardziej kruchy materiał, taki jak żeliwo hartowane w oleju i odpuszczane (gatunek 120-90-02) ma wydłużenie procentowe około 2%. Dlatego też, im większe procentowe wydłużenie, tym większa „gumowatość” materiału. Gumiaste materiały są podatne na tworzenie się krawędzi i mają tendencję do wytwarzania długich, nitkowatych wiórów.

Narzędzia do metali szlachetnych

Plastyczność materiału sprawia, że ostre narzędzie tnące jest niezbędne do cięcia metali szlachetnych. Narzędzia Variable Helix do stopów aluminium mogą być używane do bardziej miękkich materiałów, takich jak czyste złoto, srebro i platyna.

Materiały o wyższej twardości nadal wymagają ostrej krawędzi tnącej. Dlatego najlepszym rozwiązaniem jest zainwestowanie w narzędzie diamentowe PCD. Płytka PCD posiada zdolność do cięcia bardzo twardych materiałów przy zachowaniu ostrej krawędzi tnącej przez stosunkowo długi okres czasu, w porównaniu do standardowych krawędzi tnących HSS i węglikowych.

Wykresy prędkości i posuwów:

.