Bearbeitung von Edelmetallen

Edelmetalle können aufgrund ihrer vielfältigen Materialeigenschaften und hohen Kosten, wenn ein Teil verschrottet werden muss, besonders schwierig zu bearbeiten sein. Der folgende Artikel stellt diese Elemente und ihre Legierungen vor und bietet eine Anleitung, wie sie effektiv und effizient bearbeitet werden können.

Über die Elemente

Edelmetalle werden manchmal als „Edelmetalle“ bezeichnet und bestehen aus acht Elementen, die in der Mitte des Periodensystems liegen (siehe unten in Abbildung 1). Die acht Metalle sind:

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

Diese Elemente gehören zu den seltensten Materialien der Erde und können daher enorm teuer sein. Gold und Silber können in reiner Nuggetform gefunden werden, wodurch sie leichter verfügbar sind. Die anderen sechs Elemente finden sich jedoch typischerweise gemischt im Roherz der vier Metalle, unter denen sie im Periodensystem stehen:Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni) und Kupfer (Cu). Diese Elemente sind eine Untergruppe der Edelmetalle und werden im Allgemeinen Platingruppenmetalle (PGM) genannt. Da sie zusammen im Roherz gefunden werden, erschwert dies den Abbau und die Gewinnung und erhöht ihre Kosten dramatisch. Aufgrund ihres hohen Preises ist es für die Effizienz einer Werkstatt unglaublich wichtig, diese Materialien gleich beim ersten Mal richtig zu bearbeiten.

Abbildung 1:Periodensystem mit den 8 blau umrandeten Edelmetallen. Bildquelle:clearscience.tumblr.com

Grundlegende Eigenschaften und Zusammensetzungen von Edelmetallen

Edelmetalle haben bemerkenswerte Materialeigenschaften, da sie charakteristisch weich, dehnbar und oxidationsbeständig sind. Sie werden aufgrund ihrer Beständigkeit gegen die meisten Arten von chemischen und umweltbedingten Angriffen als „Edelmetalle“ bezeichnet. Tabelle 1 listet einige aussagekräftige Materialeigenschaften von Edelmetallen in ihrer elementaren Form auf. Zu Vergleichszwecken stehen sie Seite an Seite mit 6061 Al und 4140 Steel. Im Allgemeinen werden nur Gold und Silber in ihrer reinsten Form verwendet, da die Metalle der Platingruppe Legierungen sind, die hauptsächlich aus Platin bestehen (mit einer geringeren Zusammensetzung von Ru, Rh, Pa, Os, Ir). Edelmetalle zeichnen sich durch eine extreme Dichte und einen hohen Schmelzpunkt aus, wodurch sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind.

Tabelle 1:Kaltverformte Materialeigenschaften von Edelmetallen, 4140 Stahl und 6061 Aluminium

Allgemeine Bearbeitungsanwendungen von Edelmetallen

Silber und Gold haben eine besonders günstige Wärmeleitfähigkeit und elektrischen Widerstand. Diese Werte sind zu Vergleichszwecken zusammen mit CC1000 (geglühtes Kupfer) und geglühtem 6061-Aluminium in Tabelle 2 aufgeführt. Kupfer wird aufgrund seines relativ niedrigen elektrischen Widerstands im Allgemeinen in elektrischen Leitungen verwendet, obwohl Silber ein besserer Ersatz wäre. Der offensichtliche Grund, warum dies nicht die allgemeine Konvention ist, sind die Kosten von Silber gegenüber Kupfer. Allerdings wird Kupfer im Allgemeinen an elektrischen Kontaktflächen mit Gold plattiert, da es nach längerem Gebrauch zu Oxidieren neigt, was seinen spezifischen Widerstand verringert. Wie bereits erwähnt, sind Gold und die anderen Edelmetalle bekanntermaßen oxidationsbeständig. Diese Korrosionsbeständigkeit ist der Hauptgrund dafür, dass sie in kathodischen Schutzsystemen der Elektronikindustrie verwendet werden.

Tabelle 2:Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Widerstand von Ag, Au, Cu und Al

Platin und seine entsprechenden Legierungen bieten die meisten Anwendungen, da es eine Reihe unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften erreichen kann, während es dennoch die Vorteile eines Edelmetalls (hoher Schmelzpunkt, Duktilität und Oxidationsbeständigkeit) beibehält. Tabelle 3 listet Platin und eine Reihe anderer PGMs mit jeweils eigenen mechanischen Eigenschaften auf. Die Varianz dieser Eigenschaften hängt von dem/den dem Platin zugesetzten Legierungselement(en), dem Prozentsatz des Legierungsmetalls und davon ab, ob das Material kaltverformt oder geglüht wurde oder nicht. Das Legieren kann die Zugfestigkeit und Härte eines Werkstoffs deutlich erhöhen und gleichzeitig seine Duktilität verringern. Das Verhältnis dieser Zunahme der Zugfestigkeit/Härte zur Abnahme der Duktilität hängt von dem zugesetzten Metall sowie davon ab, wie viel zugesetzt wird, wie in Tabelle 3 zu sehen ist. Im Allgemeinen hängt dies von der Partikelgröße des zugesetzten Elements sowie seiner natürlichen Kristallstruktur ab. Ruthenium und Osmium haben eine spezifische Kristallstruktur, die bei Zugabe zu Platin eine deutliche Härtungswirkung hat. Insbesondere Pt-Os-Legierungen sind extrem hart und praktisch nicht bearbeitbar, was nicht viele reale Anwendungen ergibt. Die Zugabe der anderen 4 PGMs zu Platin ermöglicht jedoch eine Reihe mechanischer Eigenschaften mit verschiedenen Verwendungszwecken.

Tabelle 3:PGM-Materialeigenschaften (Hinweis:Härte und Zugfestigkeit sind kaltgeformte Werte)

Platin und seine Legierungen sind biokompatibel, was ihnen die Möglichkeit gibt, für längere Zeit im menschlichen Körper platziert zu werden, ohne Nebenwirkungen oder Vergiftungen zu verursachen. Daher werden medizinische Geräte, einschließlich Herzmuskel-Schraubfixierungen, Stents und Markierungsbänder für Angioplastie-Geräte, aus Platin und seinen Legierungen hergestellt. Gold und Palladium werden auch häufig in Dentalanwendungen verwendet.

Pt-Ir-Legierungen sind merklich härter und stärker als alle anderen Legierungen und eignen sich hervorragend als Köpfe für Zündkerzen in der Automobilindustrie. Rhodium wird manchmal zu Pt-Ir-Legierungen hinzugefügt, um das Material weniger federnd zu machen (da sie als medizinischer Federdraht verwendet werden) und gleichzeitig seine Verarbeitbarkeit zu verbessern. Pt- und Pt-Rh-Drahtpaare sind äußerst effektiv bei der Temperaturmessung und werden daher in Thermoelementen verwendet.

Bearbeitung von Edelmetallen

Die beiden Parameter, die sich bei der Bearbeitung am stärksten auswirken, sind Härte und prozentuale Dehnung. Die Härte ist bei Maschinisten und Ingenieuren in der gesamten Fertigungsindustrie bekannt, da sie die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen Verformung oder Schnitt anzeigt. Die prozentuale Dehnung ist ein Maß, das zur Quantifizierung der Materialduktilität verwendet wird. Sie zeigt einem Konstrukteur den Grad an, in dem sich eine Struktur vor dem Bruch plastisch (dauerhaft) verformt. Beispielsweise hat ein duktiler Kunststoff wie Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) eine prozentuale Dehnung von 350–525 %, während ein spröderes Material wie ölabgeschrecktes und gehärtetes Gusseisen (Güteklasse 120-90-02) einen Prozentsatz aufweist Dehnung von etwa 2%. Je größer also die prozentuale Dehnung, desto größer die „Gummiheit“ des Materials. Gummiartige Materialien neigen zu Aufbauschneiden und neigen dazu, lange, fadenförmige Späne zu produzieren.

Werkzeuge für Edelmetalle

Die Duktilität des Materials macht ein scharfes Schneidwerkzeug zum Schneiden von Edelmetallen unerlässlich. Werkzeuge mit variabler Spirale für Aluminiumlegierungen können für weichere Materialien wie reines Gold, Silber und Platin verwendet werden.

Abbildung 2:Quadratischer Schaftfräser mit variabler Helix für Aluminiumlegierungen

Materialien mit höherer Härte erfordern immer noch eine scharfe Schneidkante. Daher ist die beste Option, in ein PKD-Diamantwerkzeug zu investieren. Der PKD-Wafer hat die Fähigkeit, extrem harte Materialien zu schneiden, während er im Vergleich zu Standard-HSS- und Hartmetall-Schneidkanten über einen relativ langen Zeitraum eine scharfe Schneidkante behält.

Abbildung 3:PKD-Diamant-Quadratschaftfräser

Geschwindigkeits- und Vorschubdiagramme:

Abbildung 4:Geschwindigkeiten und Vorschübe für Edelmetalle bei Verwendung eines quadratischen Nichteisenmetalls, 3x LOC

Abbildung 5:Geschwindigkeiten und Vorschübe für Edelmetalle bei Verwendung eines quadratischen PKD-Schaftfräsers mit zwei Schneiden