Экспертное руководство по эффективной обработке благородных металлов

Благородные металлы могут быть особенно сложны для обработки из-за широкого диапазона материальных свойств и высокой стоимости в случае брака детали. Следующая статья представит эти элементы и их сплавы, а также даст руководство по их эффективной обработке.

Об элементах

Иногда называемые «благородными» металлами, благородные металлы состоят из восьми элементов в середине периодической таблицы (см. Рисунок 1 ниже). Восемь металлов:

1. Рутений (Ru)
2. Родий (Rh)
3. Палладий (Pd)
4. Серебро (Ag)
5. Осмий (Os)
6. Иридий (Ir)
7. Платина (Pt)
8. Золото (Au)

Эти элементы — одни из редчайших материалов на Земле и поэтому могут быть невероятно дорогими. Золото и серебро можно находить в чистом виде в самородках, делая их более доступными. Однако остальные шесть элементов обычно находятся смешанными в руде четырех металлов под ними в таблице: Железо (Fe), Кобальт (Co), Никель (Ni) и Медь (Cu). Эти элементы — подмножество благородных металлов, обычно называемое Платиноидными металлами (PGM). Поскольку они встречаются вместе в руде, добыча и извлечение затруднены, что резко повышает их стоимость. Из-за высокой цены обработка этих материалов с первого раза невероятно важна для эффективности цеха.

Рисунок 1: Периодическая таблица с 8 благородными металлами в синей рамке. Источник: clearscience.tumblr.com

Основные свойства и составы благородных металлов

Благородные металлы обладают заметными свойствами: они характерно мягкие, ковкие и стойкие к окислению. Их называют «благородными» из-за устойчивости к большинству видов химического и экологического воздействия. Таблица 1 перечисляет несколько показательных свойств благородных металлов в элементарной форме. Для сравнения приведены рядом 6061 Al и сталь 4140. Обычно только золото и серебро используются в чистом виде, так как платиноидные металлы — сплавы, состоящие в основном из платины (с меньшим содержанием Ru, Rh, Pd, Os, Ir). Благородные металлы примечательны экстремальной плотностью и высокой температурой плавления, что делает их пригодными для множества применений.

Таблица 1: Материальные свойства после холодной деформации: благородные металлы, сталь 4140 и алюминий 6061

Распространенные применения благородных металлов в обработке

Серебро и золото имеют особенно благоприятные теплопроводность и электросопротивление. Эти значения в Таблице 2 вместе с CC1000 (отпущенная медь) и отпущенным алюминием 6061 для сравнения. Медь обычно используется в электропроводке из-за относительно низкого электросопротивления, хотя серебро было бы лучшей заменой. Очевидная причина — стоимость серебра против меди. Тем не менее, медь обычно плакируется золотом в зонах электрических контактов, так как она окисляется при длительном использовании, снижая проводимость. Как сказано, золото и другие благородные металлы устойчивы к окислению. Эта коррозионная стойкость — главная причина их использования в системах катодной защиты электроники.

Таблица 2: Теплопроводность и электросопротивление Ag, Au, Cu, Al

Платина и её сплавы предлагают наибольшее количество применений, так как могут достигать различных механических свойств, сохраняя преимущества благородных металлов (высокая Tплав, ковкость, стойкость к окислению). Таблица 3 перечисляет платину и ряд других PGM с их механическими свойствам. Разброс свойств зависит от легирующего элемента(ов), их процента и того, был ли материал холодно деформирован или отпущен. Легирование может значительно повысить предельную прочность и твердость, снижая ковкость. Соотношение этого роста прочности/твердости к снижению ковкости зависит от добавленного металла и его количества, как в Таблице 3. Обычно это зависит от размера частиц добавленного элемента и его естественной кристаллической структуры. Рутений и Осмий имеют специфическую кристаллическую структуру, дающую значительный эффект закалки при добавлении к платине. Сплавы Pt-Ос в частности экстремально тверды и практически необрабатываемые, что не дает много реальных применений. Однако добавление других 4 PGM к платине позволяет получить ряд механических свойств с различным использованием.

Таблица 3: Материальные свойства PGM (Примечание: твердость и предельная прочность — значения после холодной деформации)

Платина и её сплавы биосовместимы, их можно помещать в человеческое тело на длительные периоды без неблагоприятных реакций или отравления. Поэтому медицинские устройства, включая винты для фиксации сердечной мышцы, стенты и маркерные полосы для ангиопластики, делаются из платины и её сплавов. Золото и палладий также часто используются в стоматологии.

Сплавы Pt-Ir заметно тверже и прочнее других и отлично подходят для головок свечей зажигания в автопромы. Родий иногда добавляют к сплавам Pt-Ir, чтобы сделать материал менее пружинистым (так как используются как медицинская пружинная проволока) и повысить обрабатываемость. Проволочные пары Pt и Pt-Rh экстремально эффективны для измерения температур и используются в термопарах.

Обработка благородных металлов

Два параметра, наиболее влияющие на обработку — твердость и процент удлинения. Твердость хорошо известна фрезеровщикам и инженерам как показатель устойчивости материала к деформации или резу. Процент удлинения — мера ковкости материала. Показывает проектировщику степень, в которой конструкция будет пластически (необратимо) деформироваться до разрушения. Например, ковкий пластик вроде ультравысокомолекулярного полиэтилена (UHMWPE) имеет удлинение 350–525%, а более хрупкий материал вроде чугуна закаленного в масле (класс 120-90-02) — около 2%. Чем больше процент удлинения, тем больше «вязкость» материала. Вязкие материалы склонны к наросту режущей кромке и образованию длинных нитообразных стружек.

Инструменты для благородных металлов

Ковкость материала делает острый режущий инструмент необходимым для резки благородных металлов. Инструменты с переменной спиралью для алюминиевых сплавов можно использовать для более мягких материалов: чистого золота, серебра, платины.

Рисунок 2: Концевая фреза с переменной спиралью для алюминиевых сплавов

Материалы с более высокой твердостью все равно требуют острую режущую кромку. Лучший вариант — инвестировать в ПКД-алмазный инструмент. ПКД-пластина способна резать экстремально твердые материалы, сохраняя острую кромку на относительно длительный период по сравнению с обычными режущими кромками из ВСС и карбида.

Рисунок 3: Концевая фреза ПКД алмазная квадратная

Таблицы скоростей и подач:

Рисунок 4: Скорости и подачи для благородных металлов при использовании квадратной цветной фрезы 3х длины режущей части

Рисунок 5: Скорости и подачи для благородных металлов при использовании 2-зубцовой квадратной ПКД фрезы