Expert gids voor efficiënt bewerken van edelmetalen

Edelmetalen kunnen bijzonder moeilijk te bewerken zijn vanwege hun brede reeks materiaaleigenschappen en hoge kosten als een deel geschroot moet worden. Het volgende artikel introduceert deze elementen en hun legeringen alsook een gids over hoe ze effectief en efficiënt te bewerken.

Over de elementen

Soms "edel" metalen genoemd, bestaan edelmetalen uit acht elementen die in het midden van het periodieke systeem liggen (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 zijn een van de zeldzamste materialen op aarde, en kunnen daarom enorm duur zijn. Goud en zilver kunnen in zuivere klontervorm gevonden worden, wat ze makkelijker beschikbaar maakt. De andere zes elementen worden echter typisch gemengd in het rauwe erts van de vier metalen waar ze onder in het periodieke systeem zitten: IJzer (Fe), Kobalt (Co), Nikkel (Ni), en Koper (Cu). Deze elementen zijn een subset van edelmetalen en worden doorgaans Platinum Group Metals (PGM) genoemd. Omdat ze samen in rauwe erts gevonden worden, maakt dit delving en extractie moeilijk, wat hun kosten dramatisch verhoogt. Vanwege hun hoge prijs, is het bewerken van deze materialen goed de eerste keer ongelooflijk belangrijk voor de efficiëntie van een winkel.

Figuur 1: Periodiek systeem met de 8 edelmetalen in blauw omcirkeld. Bron: clearscience.tumblr.com

Basiseigenschappen en samenstelling van edelmetalen

Edelmetalen hebben opvallende materiaaleigenschappen omdat ze kenmerkend zacht, duktil en oxidatiebestendig zijn. Ze worden "edel" metalen genoemd vanwege hun weerstand tegen de meeste typen chemische en milieu-aanvallen. Tabel 1 lijst een paar vertellende materiaaleigenschappen van edelmetalen in hun elementaire vorm. Voor vergelijkingsdoeleinden staan ze naast elkaar met 6061 Al en 4140 Staal. Over het algemeen worden alleen goud en zilver in hun zuiverste vorm gebruikt omdat de platinumgroepmetalen legeringen zijn die hoofdzakelijk uit platina bestaan (met een kleinere samenstelling van Ru, Rh, Pa, Os, Ir). Edelmetalen zijn opvallend voor hun extreme dichtheid en hoge smeltpunt, wat ze geschikt maakt voor diverse toepassingen.

Tabel 1: Koud-gewalste materiaaleigenschappen van edelmetalen, 4140 staal en 6061 aluminium

Veelvoorkomende bewerkingsapplicaties van edelmetalen

Zilver en goud hebben bijzonder gunstige thermische geleiding en elektrische weerstand. Deze waarden zijn in Tabel 2 vermeld, samen met CC1000 (afgelaste koper) en afgelaste 6061 aluminium, voor vergelijkingsdoeleinden. Koper wordt doorgaans gebruikt in elektrische bedrading vanwege zijn relatief lage elektrische weerstand, zelfs al zou zilver een betere vervanging maken. De duidelijke reden waarom dit niet de algemene conventie is, is de kosten van zilver vs. koper. Dat gezegd hebbende, wordt koper doorgaans met goud geplateerd op elektrische contactgebieden omdat het na langdurig gebruik oxideert, wat de weerstand verlaagt. Zoals eerder gesteld, zijn goud en de andere edelmetalen bekend om hun weerstand tegen oxidatie. Deze corrosiebestendigheid is de hoofreddat ze gebruikt worden in katodische beschermingssystemen van de elektronica-industrie.

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

Platina en zijn respectieve legeringen bieden de meeste toepassingen omdat het een aantal verschillende mechanische eigenschappen kan bereiken terwijl het de voordelen van een edelmetaal behoudt (hoge smeltpunt, duktiliteit, oxidatiebestendigheid). Tabel 3 lijst platina en een aantal andere PGM's elk met hun eigen mechanische eigenschappen. De variantie van deze eigenschappen hangt af van het legeringselement(de) toegevoegd aan de platina, het percentage legeringsmetaal, en of het materiaal koud-gewalst of afgelast is. Legeren kan de treksterkte en hardheid van een materiaal aanzienlijk verhogen terwijl de duktiliteit tegelijkertijd vermindert. De verhouding van deze treksterkte/hardheid toename tot duktiliteit afname hangt af van het toegevoegde metaal alsook hoeveel er toegevoegd wordt, zoals gezien in Tabel 3. Over het algemeen hangt dit af van de deeltjesgrootte van het toegevoegde element alsook zijn natuurlijke kristallijn structuur. Ruthenium en Osmium hebben een specifieke kristalstructuur die een significante verhardingseffect heeft wanneer toegevoegd aan platina. Pt-Os legeringen in het bijzonder zijn extreem hard en praktisch onbewerkbaar, wat niet veel real-world toepassingen oplevert. Echter, de toevoeging van de andere 4 PGM's aan platina laten een reeks mechanische eigenschappen met diverse gebruiken toe.

Tabel 3: PGM materiaaleigenschappen (Let op: hardheid en treksterkte zijn koud-gewalste waarden)

Platina en zijn legeringen zijn bio-compatibel, wat hen de capaciteit geeft om in het menselijk lichaam geplaatst te worden voor lange periodes zonder nadelige reacties of vergiftiging te veroorzaken. Daarom worden medische apparaten zoals hartspier schroeffixaties, stents, en markerbanden voor angioplastie apparaten gemaakt van platina en zijn legeringen. Goud en palladium worden ook veel gebruikt in tandheelkundige toepassingen.

Pt-Ir legeringen zijn opvallend harder en sterker dan alle andere legeringen en maken uitstekende koppen voor bougies in de auto-industrie. Rhodium wordt soms aan Pt-Ir legeringen toegevoegd om het materiaal minder veerkrachtig te maken (aangezien ze gebruikt worden als medische veerdraad) terwijl ook de bewerkbaarheid verhoogd wordt. Pt en Pt-Rh draadparen zijn extreem effectief in het meten van temperaturen en worden daarom in thermocouples gebruikt.

Edelmetalen bewerken

De twee parameters die het meest effect hebben bij bewerken zijn hardheid en procentuele rek. Hardheid is bekend bij freeskundigen en ingenieurs in de productie-industrie omdat het de weerstand van een materiaal tegen vervorming of snijden aangeeft. Procentuele rek is een meting die gebruikt wordt om materiaalduktiliteit te kwantificeren. Het geeft aan een ontwerper de graad waarin een structuur plastisch (permanent) vervormt voor breuk. Bijvoorbeeld, een duktil plastic zoals ultrahoog moleculair gewicht polyethyleen (UHMWPE) heeft een procentuele rek van 350-525%, terwijl een meer bros materiaal zoals olie-gehard en afgelaste gietijzer (graad 120-90-02) een procentuele rek van ongeveer 2% heeft. Daarom, hoe groter de procentuele rek, hoe groter de 'klebrigheid' van het materiaal. Klebrige materialen zijn geneigd tot built-up edge en hebben de neiging om lange draadvormige chips te produceren.

Tools voor edelmetalen

Materiaalduktiliteit maakt een scherp snijgereedschap essentieel voor het snijden van edelmetalen. Variable Helix voor aluminiumlegering tools kunnen gebruikt worden voor de zachtere materialen zoals zuiver goud, zilver en platina.

Figuur 2: Variable Helix vierkante frees voor aluminiumlegeringen

Hogere hardheid materialen vereisen nog steeds een scherpe snijden. Daarom is de beste optie om te investeren in een PCD diamant tool. De PCD wafer heeft de capaciteit om extreem harde materialen te snijden terwijl een scherpe snijden behouden blijft voor een relatief lange periode, vergeleken met standaard HSS en karbied snijden.

Figuur 3: PCD diamant vierkante frees

Snelheden en voedingen tabellen:

Figuur 4: Snelheden en voedingen voor edelmetalen bij gebruik van een vierkante non-ferro, 3x LOC

Figuur 5: Snelheden en voedingen voor edelmetalen bij gebruik van een 2-tands vierkante PCD frees