Edelmetalle effizient bearbeiten: Experten-Leitfaden

Edelmetalle können aufgrund ihrer breiten Palette an Materialeigenschaften und hohen Kosten, falls ein Teil verschrottet werden muss, besonders schwierig zu bearbeiten sein. Der folgende Artikel stellt diese Elemente und ihre Legierungen vor und bietet einen Leitfaden, wie man sie effektiv und effizient bearbeitet.

Über die Elemente

Manchmal als „edle“ Metalle bezeichnet, bestehen Edelmetalle aus acht Elementen, die in der Mitte des Periodensystems liegen (unten in Abbildung 1 zu sehen). 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 auf der Erde und können daher enorm teuer sein. Gold und Silber können in reiner Nugget-Form gefunden werden, was sie leichter verfügbar macht. 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 Teilmenge der Edelmetalle und werden allgemein als Platingruppenmetalle (PGM) bezeichnet. Da sie gemeinsam im Roherz vorkommen, macht dies den Abbau und die Extraktion schwierig und erhöht ihre Kosten dramatisch. Aufgrund ihres hohen Preises ist es für die Effizienz einer Werkstatt unglaublich wichtig, diese Materialien beim ersten Mal richtig zu bearbeiten.

Abbildung 1: Periodensystem mit den 8 Edelmetallen in Blau umrahmt. Bildquelle: clearscience.tumblr.com

Grundlegende Eigenschaften und Zusammensetzungen von Edelmetallen

Edelmetalle haben bemerkenswerte Materialeigenschaften, da sie charakteristisch weich, duktil und oxidationsbeständig sind. Sie werden „edle“ Metalle genannt, wegen ihrer Beständigkeit gegen die meisten Arten chemischer und umweltbedingter Angriffe. Tabelle 1 listet einige aussagekräftige Materialeigenschaften von Edelmetallen in ihrer elementaren Form auf. Zum Vergleich sind sie nebeneinander mit 6061 Al und 4140 Stahl aufgeführt. Im Allgemeinen werden nur Gold und Silber in ihrer reinsten Form verwendet, da die Platingruppenmetalle Legierungen sind, die hauptsächlich aus Platin bestehen (mit einer kleineren Zusammensetzung von Ru, Rh, Pa, Os, Ir). Edelmetalle sind bemerkenswert für ihre extreme Dichte und ihren hohen Schmelzpunkt, was sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet macht.

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

Gängige Bearbeitungsanwendungen von Edelmetallen

Silber und Gold haben besonders günstige Wärmeleitfähigkeit und elektrischen Widerstand. Diese Werte sind in Tabelle 2 aufgeführt, zusammen mit CC1000 (geglühtes Kupfer) und geglühtem 6061 Aluminium, zum Vergleich. Kupfer wird allgemein in elektrischer Verkabelung verwendet, wegen seines relativ niedrigen elektrischen Widerstands, obwohl Silber ein besserer Ersatz wäre. Der offensichtliche Grund, warum dies nicht die allgemeine Konvention ist, ist der Preis von Silber vs. Kupfer. Das gesagt, wird Kupfer allgemein an elektrischen Kontaktbereichen mit Gold plattiert, da es nach längerem Gebrauch oxidiert, was seinen Widerstand senkt. Wie zuvor erwähnt, sind Gold und die anderen Edelmetalle bekannt für ihre Beständigkeit gegen Oxidation. Diese Korrosionsbeständigkeit ist der Hauptgrund, warum sie in Kathodenschutzsystemen der Elektronikindustrie verwendet werden.

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

Platin und seine jeweiligen Legierungen bieten die meisten Anwendungen, da es eine Reihe unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften erreichen kann, während es die Vorteile eines Edelmetalls beibehält (hoher Schmelzpunkt, Duktilität und Oxidationsbeständigkeit). Tabelle 3 listet Platin und eine Reihe anderer PGMs jeweils mit ihren eigenen mechanischen Eigenschaften auf. Die Varianz dieser Eigenschaften hängt vom/zur Legierungselement(en) ab, die zum Platin hinzugefügt werden, dem Prozentsatz des Legierungsmetalls und ob das Material kaltverformt oder geglüht wurde. Legieren kann die Zugfestigkeit und Härte eines Materials signifikant erhöhen, während es gleichzeitig seine Duktilität verringert. Das Verhältnis dieser Zugfestigkeits/Härte-Zunahme zur Duktilitätsabnahme hängt vom hinzugefügten Metall sowie von der Menge ab, wie in Tabelle 3 zu sehen. Im Allgemeinen hängt dies von der Partikelgröße des hinzugefügten Elements sowie seiner natürlichen Kristallstruktur ab. Ruthenium und Osmium haben eine spezifische Kristallstruktur, die einen signifikanten Härteeffekt hat, wenn sie zu Platin hinzugefügt werden. Pt-Os-Legierungen sind insbesondere extrem hart und praktisch unbearbeitbar, was nicht viele reale Anwendungen ergibt. Die Zugabe der anderen 4 PGMs zu Platin ermöglicht jedoch einen Bereich mechanischer Eigenschaften mit verschiedenen Verwendungen.

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

Platin und seine Legierungen sind biokompatibel, was ihnen die Fähigkeit gibt, für lange Zeiträume im menschlichen Körper platziert zu werden, ohne unerwünschte Reaktionen oder Vergiftungen zu verursachen. Daher werden medizinische Geräte, einschließlich Herzmuskelschraubenbefestigungen, Stents und Markerbänder für Angioplastiegeräte, aus Platin und seinen Legierungen hergestellt. Gold und Palladium werden auch häufig in Zahnanwendungen verwendet.

Pt-Ir-Legierungen sind spürbar härter und stärker als alle anderen Legierungen und eignen sich hervorragend als Zündkerzenköpfe 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 Bearbeitbarkeit zu erhöhen. Pt- und Pt-Rh-Drahtpaare sind extrem effektiv bei der Temperaturmessung und werden daher in Thermoelementen verwendet.

Bearbeitung von Edelmetallen

Die beiden Parameter, die beim Bearbeiten den größten Einfluss haben, sind Härte und Dehnung bei Bruch. Härte ist in der Fertigungsindustrie bei Zerspanern und Ingenieuren bekannt, da sie die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen Verformung oder Schneiden anzeigt. Dehnung bei Bruch ist ein Maß zur Quantifizierung der Duktilität eines Materials. Es zeigt einem Designer den Grad, in dem sich eine Struktur plastisch (dauerhaft) verformen wird, bevor sie bricht. Zum Beispiel hat ein duktiler Kunststoff wie ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE) eine Dehnung bei Bruch von 350–525 %, während ein spröderes Material wie ölgequenchter und angelassener Gusseisen (Güte 120-90-02) eine Dehnung bei Bruch von etwa 2 % hat. Daher ist die Dehnung bei Bruch umso größer, desto „zäher“ ist das Material. Zähe Materialien neigen zu Aufbauschneide und haben die Tendenz, lange fadenförmige Späne zu produzieren.

Werkzeuge für Edelmetalle

Die Materialduktilität macht ein scharfes Schneidwerkzeug für das Schneiden von Edelmetallen unerlässlich. Variable-Helix-für-Aluminiumlegierungen-Werkzeuge können für weichere Materialien wie reines Gold, Silber und Platin verwendet werden.

Abbildung 2: Variable Helix Quadrat-Schaftfräser für Aluminiumlegierungen

Härtere Materialien erfordern dennoch eine scharfe Schneide. Daher ist die beste Option, in ein PCD-Diamantwerkzeug zu investieren. Der PCD-Wafer hat die Fähigkeit, extrem harte Materialien zu schneiden, während er eine scharfe Schneide für einen relativ langen Zeitraum beibehält, im Vergleich zu Standard-HSS- und Hartmetall-Schneiden.

Abbildung 3: PCD-Diamant Quadrat-Schaftfräser

Drehzahl- und Vorschubtabellen:

Abbildung 4: Drehzahlen und Vorschübe für Edelmetalle bei Verwendung eines quadratischen Nichteisen-, 3x Schneidenlänge

Abbildung 5: Drehzahlen und Vorschübe für Edelmetalle bei Verwendung eines 2-Schneiden Quadrat PCD-Schaftfräsers