Bearbetning av ädelmetaller

Ädelmetaller kan vara särskilt svåra att bearbeta på grund av att de har många olika materialegenskaper och höga kostnader om en del måste skrotas. I följande artikel presenteras dessa grundämnen och deras legeringar samt ges en guide för hur man bearbetar dem på ett effektivt och ändamålsenligt sätt.

Om grundämnena

Omedelbart kallade ”ädelmetaller” består ädelmetaller av åtta grundämnen som ligger i mitten av det periodiska systemet (se nedan i figur 1). De åtta metallerna är:

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

Dessa grundämnen är några av de mest sällsynta materialen på jorden, och kan därför vara enormt dyra. Guld och silver kan hittas i ren nuggetform, vilket gör dem mer lättillgängliga. De övriga sex grundämnena återfinns dock vanligtvis blandade i råmalm av de fyra metaller som de ligger under i det periodiska systemet: Järn (Fe), kobolt (Co), nickel (Ni) och koppar (Cu). Dessa grundämnen är en undergrupp av ädelmetaller och kallas vanligen platinagruppsmetaller (PGM). Eftersom de finns tillsammans i råmalm försvårar detta brytning och utvinning, vilket dramatiskt ökar deras kostnad. På grund av deras höga pris är det otroligt viktigt för verkstadens effektivitet att bearbeta dessa material rätt första gången.

Basiska egenskaper och sammansättningar hos ädelmetaller

Ädelmetaller har anmärkningsvärda materialegenskaper eftersom de är karakteristiskt mjuka, formbara och oxidationsbeständiga. De kallas ”ädelmetaller” på grund av att de är motståndskraftiga mot de flesta typer av kemiska och miljömässiga angrepp. I tabell 1 listas några talande materialegenskaper hos ädelmetaller i sin elementära form. För jämförelseändamål står de sida vid sida med 6061 Al och 4140 stål. I allmänhet används endast guld och silver i sin renaste form eftersom platinagruppsmetallerna är legeringar som huvudsakligen består av platina (med en mindre sammansättning av Ru, Rh, Pa, Os, Ir). Ädelmetaller utmärker sig för att de är extremt täta och har en hög smältpunkt, vilket gör dem lämpliga för en mängd olika tillämpningar.

Tabell 1: Kallbearbetade materialegenskaper för ädelmetaller, 4140 stål och 6061 aluminium

Gängse bearbetningstillämpningar av ädelmetaller

Silver och guld har särskilt gynnsam värmeledningsförmåga och elektrisk resistivitet. Dessa värden anges i tabell 2, tillsammans med CC1000 (glödgad koppar) och glödgad 6061-aluminium, för jämförelseändamål. Koppar används i allmänhet i elektriska ledningar på grund av dess relativt låga elektriska resistivitet, även om silver skulle vara ett bättre substitut. Det uppenbara skälet till att detta inte är den allmänna konventionen är kostnaden för silver jämfört med koppar. Med detta sagt är koppar i allmänhet pläterat med guld vid elektriska kontaktytor eftersom det tenderar att oxidera efter långvarig användning, vilket sänker dess resistivitet. Som tidigare nämnts är guld och andra ädelmetaller kända för att vara motståndskraftiga mot oxidation. Denna korrosionsbeständighet är den främsta anledningen till att de används i katodiska skyddssystem inom elektronikindustrin.

Tabell 2: Värmekonduktivitet och elektrisk resistivitet hos Ag, Au, Cu och Al

Platina och dess respektive legeringar erbjuder flest användningsområden, eftersom den kan uppnå ett antal olika mekaniska egenskaper samtidigt som den bibehåller fördelarna med en ädelmetall (hög smältpunkt, duktilitet och oxidationsbeständighet). I tabell 3 listas platina och ett antal andra PGM:er, var och en med sina egna mekaniska egenskaper. Variationen av dessa egenskaper beror på det eller de legeringselement som läggs till platinet, procentandelen legeringsmetall och om materialet har kallbearbetats eller glödgats eller inte. Legering kan avsevärt öka ett materials draghållfasthet och hårdhet samtidigt som dess duktilitet minskar. Förhållandet mellan denna ökning av draghållfasthet/hårdhet och minskning av duktilitet beror på vilken metall som tillsätts samt hur mycket som tillsätts, vilket framgår av tabell 3. I allmänhet beror detta på partikelstorleken hos det tillsatta elementet samt på dess naturliga kristallina struktur. Ruthenium och Osmium har en specifik kristallstruktur som har en betydande härdande effekt när de tillsätts till platina. Särskilt Pt-Os-legeringar är extremt hårda och praktiskt taget omöjliga att bearbeta, vilket inte ger många verkliga tillämpningar. Tillsats av de övriga fyra PGM:erna till platina möjliggör dock en rad mekaniska egenskaper med olika användningsområden.

Tabell 3: PGM-materialegenskaper (Observera: hårdhet och draghållfasthet är kallbearbetade värden)

Platin och dess legeringar är biokompatibla, vilket ger dem förmågan att placeras i människokroppen under lång tid utan att ge upphov till negativa reaktioner eller förgiftning. Därför tillverkas medicintekniska produkter, bland annat skruvfixeringar för hjärtmuskeln, stents och markeringsband för angioplastikanordningar, av platina och dess legeringar. Guld och palladium används också ofta i dentala tillämpningar.

Pt-Ir-legeringar är märkbart hårdare och starkare än någon av de andra legeringarna och utgör utmärkta huvuden för tändstift i bilindustrin. Rhodium tillsätts ibland till Pt-Ir-legeringar för att göra materialet mindre fjädrande (eftersom de används som medicinsk fjädertråd) och samtidigt öka dess bearbetbarhet. Pt- och Pt-Rh-trådpar är extremt effektiva vid temperaturmätning och används därför i termoelement.

Bearbetning av ädelmetaller

De två parametrar som har störst effekt vid bearbetning är hårdhet och procentuell töjning. Hårdhet är välkänt av maskinister och ingenjörer i hela tillverkningsindustrin eftersom det anger ett materials motståndskraft mot deformation eller skärning. Procentuell förlängning är ett mått som används för att kvantifiera materialets duktilitet. Det anger för en konstruktör i vilken grad en struktur kommer att deformeras plastiskt (permanent) innan den bryts. Till exempel har en duktil plast som polyeten med ultrahög molekylvikt (UHMWPE) en procentuell töjning på 350-525 %, medan ett mer sprött material som oljehärdat och härdat gjutjärn (kvalitet 120-90-02) har en procentuell töjning på cirka 2 %. Ju större procentuell töjning, desto större är materialets ”gummiartadhet”. Gummiga material är benägna att bygga upp en kant och har en tendens att producera långa trådiga flisor.

Verktyg för ädelmetaller

Materialets duktilitet gör att ett skarpt skärverktyg är viktigt för att skära ädelmetaller. Verktyg med variabel helix för aluminiumlegeringar kan användas för mjukare material som rent guld, silver och platina.

Material med högre hårdhet kräver fortfarande en skarp skärkant. Därför är det bästa alternativet att investera i ett PCD-diamantverktyg. PCD-skivan har förmågan att skära extremt hårda material samtidigt som den behåller en skarp skärkant under relativt lång tid, jämfört med vanliga HSS- och hårdmetallskär.

Hastigheter och matningsdiagram: