貴金属の機械加工
貴金属は、その幅広い材料特性と、部品を廃棄する必要がある場合の高コストのために、特に機械加工が難しい場合があります。次の記事では、これらの元素とその合金を紹介し、それらを効果的かつ効率的に加工する方法についてのガイドを提供します。
要素について
「貴金属」と呼ばれることもある貴金属は、周期表の中央にある8つの元素で構成されています（下の図1を参照）。 8つの金属は次のとおりです。
- ルテニウム（Ru）
- ロジウム（Rh）
- パラジウム（Pd）
- シルバー（Ag）
- オスミウム（Os）
- イリジウム（Ir）
- プラチナ（Pt）
- ゴールド（Au）
これらの元素は地球上で最も希少な物質の一部であるため、非常に高価になる可能性があります。金と銀は純粋なナゲットの形で見つけることができるため、より簡単に入手できます。ただし、他の6つの元素は通常、周期表の下にある4つの金属（鉄（Fe）、コバルト（Co）、ニッケル（Ni）、銅（Cu））の原鉱石に混合されています。これらの元素は貴金属のサブセットであり、一般に白金族金属（PGM）と呼ばれます。それらは生の鉱石で一緒に見つかるため、これは採掘と抽出を困難にし、それらのコストを劇的に増加させます。価格が高いため、これらの材料を最初から正しく加工することは、ショップの効率にとって非常に重要です。
図1：8つの貴金属が青色で囲まれた周期表。画像ソース：clearscience.tumblr.com
貴金属の基本的な特性と組成
貴金属は、特徴的に柔らかく、延性があり、耐酸化性があるため、注目に値する材料特性を備えています。それらは、ほとんどの種類の化学的および環境的攻撃に対する耐性があるため、「貴金属」と呼ばれます。表1に、元素形態の貴金属のいくつかの材料特性を示します。比較のために、6061Alおよび4140鋼と並べて使用します。一般に、白金族金属は主に白金からなる合金であるため、最も純粋な形で使用されるのは金と銀だけです（Ru、Rh、Pa、Os、Irの組成が少ない）。貴金属は非常に密度が高く、融点が高いため、さまざまな用途に適しています。
表1：貴金属、4140鋼、6061アルミニウムの冷間加工された材料特性
貴金属の一般的な機械加工アプリケーション
銀と金は特に好ましい熱伝導率と電気抵抗率を持っています。これらの値は、比較のために、CC1000（焼きなまし銅）および焼きなまし6061アルミニウムとともに表2にリストされています。銅は電気抵抗率が比較的低いため、一般的に電気配線に使用されますが、銀の方が優れた代替品になります。これが一般的な慣習ではない明らかな理由は、銀と銅のコストです。とはいえ、銅は長期間使用すると酸化する傾向があり、抵抗率が低下するため、一般に電気的接触領域で金でメッキされます。前述のように、金やその他の貴金属は酸化に強いことが知られています。この耐食性が、電子工業の陰極防食システムで使用されている主な理由です。
表2：Ag、Au、Cu、およびAlの熱伝導率と電気抵抗率
プラチナとそのそれぞれの合金は、貴金属の利点（高融点、延性、耐酸化性）を維持しながら、さまざまな機械的特性を実現できるため、最も多くの用途を提供します。表3に、プラチナと、それぞれ独自の機械的特性を持つ他の多くのPGMを示します。これらの特性の変動は、白金に添加される合金元素、合金金属の割合、および材料が冷間加工または焼きなましされているかどうかによって異なります。合金化は、材料の引張強度と硬度を大幅に向上させると同時に、延性を低下させる可能性があります。表3に示すように、この引張強度/硬度の増加と延性の減少の比率は、追加された金属と追加された量によって異なります。一般に、これは追加された要素の粒子サイズとその自然な結晶構造に依存します。ルテニウムとオスミウムは特定の結晶構造を持っており、白金に加えるとかなりの硬化効果があります。特にPt-Os合金は非常に硬く、実際には機能しないため、実際のアプリケーションの多くは得られません。ただし、プラチナに他の4つのPGMを追加すると、さまざまな用途でさまざまな機械的特性が可能になります。
表3：PGM材料特性（注：硬度と引張強度は冷間加工値です）
プラチナとその合金は生体適合性があり、副作用や中毒を引き起こすことなく、長期間人体に配置することができます。したがって、心筋スクリュー固定、ステント、血管形成術デバイス用のマーカーバンドなどの医療デバイスは、プラチナとその合金で作られています。金とパラジウムは、歯科用途でも一般的に使用されています。
Pt-Ir合金は、他のどの合金よりも著しく硬くて強度があり、自動車産業のスパークプラグ用の優れたヘッドになります。ロジウムは、Pt-Ir合金に添加されることがあり、材料の弾力性を低下させ（医療用ばねワイヤーとして使用されるため）、作業性も向上させます。 PtおよびPt-Rhワイヤのペアは、温度の測定に非常に効果的であるため、熱電対で使用されます。
貴金属の機械加工
加工時に最も効果のある2つのパラメータは、硬度と伸び率です。硬度は、材料の変形や切断に対する耐性を示すため、製造業全体の機械工やエンジニアによく知られています。伸び率は、材料の延性を定量化するために使用される測定値です。これは、破壊前に構造が塑性的に（永久に）変形する程度を設計者に示します。たとえば、超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）などの延性プラスチックの伸び率は350〜525％ですが、油焼入れおよび焼き戻し鋳鉄（グレード120〜90-02）などのより脆い材料の伸び率は約2％の伸び。したがって、伸び率が大きいほど、材料の「粘着性」が大きくなります。粘着性のある材料は、エッジが蓄積する傾向があり、長い糸状のチップを生成する傾向があります。
貴金属用ツール
材料の延性により、貴金属の切断には鋭利な切削工具が不可欠です。アルミニウム合金ツールの可変らせんは、純金、銀、プラチナなどのより柔らかい材料に使用できます。
図2：アルミニウム合金用の可変ヘリックススクエアエンドミル
より高い硬度の材料は、依然として鋭い刃先を必要とします。したがって、最善の選択肢はPCDダイヤモンドツールに投資することです。 PCDウェーハは、標準のHSSや超硬刃先と比較して、鋭い刃先を比較的長期間維持しながら、非常に硬い材料を切断する能力を備えています。
図3：PCDダイヤモンドスクエアエンドミル
速度とフィードのグラフ：
図4：正方形の非鉄、3xLOCを使用した場合の貴金属の速度と送り
図5：2枚刃スクエアPCDエンドミルを使用した場合の貴金属の速度と送り
CNCマシン