Usinage des métaux précieux

Les métaux précieux peuvent être particulièrement difficiles à usiner en raison de leur large gamme de propriétés matérielles et du coût élevé si une pièce doit être mise au rebut. L'article suivant présentera ces éléments et leurs alliages ainsi qu'un guide sur la façon de les usiner de manière efficace et efficiente.

À propos des éléments

Parfois appelés métaux « nobles », les métaux précieux sont constitués de huit éléments qui se trouvent au milieu du tableau périodique (voir ci-dessous dans la figure 1). Les huit métaux sont :

1. Ruthénium (Ru)
2. Rhodium (Rh)
3. Palladium (Pd)
4. Argent (Ag)
5. Osmium (Os)
6. Iridium (Ir)
7. Platine (Pt)
8. Or (Au)

Ces éléments font partie des matériaux les plus rares sur terre et peuvent donc être extrêmement coûteux. L'or et l'argent peuvent être trouvés sous forme de pépites pures, ce qui les rend plus facilement disponibles. Cependant, les six autres éléments se trouvent généralement mélangés dans le minerai brut des quatre métaux sous lesquels ils se trouvent dans le tableau périodique :fer (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni) et cuivre (Cu). Ces éléments sont un sous-ensemble de métaux précieux et sont généralement appelés métaux du groupe du platine (MGP). Parce qu'ils se trouvent ensemble dans le minerai brut, cela rend l'exploitation minière et l'extraction difficiles, augmentant considérablement leur coût. En raison de leur prix élevé, l'usinage correct de ces matériaux dès la première fois est extrêmement important pour l'efficacité d'un atelier.

Figure 1 :Tableau périodique avec les 8 métaux précieux encadrés en bleu. Source de l'image :clearscience.tumblr.com

Propriétés de base et compositions des métaux précieux

Les métaux précieux ont des propriétés matérielles remarquables car ils sont généralement mous, ductiles et résistants à l'oxydation. Ils sont appelés métaux « nobles » en raison de leur résistance à la plupart des types d'attaques chimiques et environnementales. Le tableau 1 énumère quelques propriétés matérielles révélatrices des métaux précieux sous leur forme élémentaire. À des fins de comparaison, ils sont côte à côte avec 6061 Al et 4140 Steel. Généralement, seuls l'or et l'argent sont utilisés dans leur forme la plus pure car les métaux du groupe du platine sont des alliages constitués principalement de platine (avec une plus petite composition de Ru, Rh, Pa, Os, Ir). Les métaux précieux se distinguent par leur extrême densité et leur point de fusion élevé, ce qui les rend adaptés à une variété d'applications.

Tableau 1 :Propriétés des matériaux travaillés à froid des métaux précieux, de l'acier 4140 et de l'aluminium 6061

Applications d'usinage courantes des métaux précieux

L'argent et l'or ont une conductivité thermique et une résistivité électrique particulièrement favorables. Ces valeurs sont répertoriées dans le tableau 2, avec CC1000 (cuivre recuit) et aluminium 6061 recuit, à des fins de comparaison. Le cuivre est généralement utilisé dans le câblage électrique en raison de sa résistivité électrique relativement faible, même si l'argent constituerait un meilleur substitut. La raison évidente pour laquelle ce n'est pas la convention générale est le coût de l'argent par rapport au cuivre. Cela étant dit, le cuivre est généralement plaqué d'or au niveau des zones de contact électrique car il a tendance à s'oxyder après une utilisation prolongée, ce qui diminue sa résistivité. Comme indiqué précédemment, l'or et les autres métaux précieux sont connus pour être résistants à l'oxydation. Cette résistance à la corrosion est la principale raison pour laquelle ils sont utilisés dans les systèmes de protection cathodique de l'industrie électronique.

Tableau 2 :Conductivité thermique et résistivité électrique de Ag, Au, Cu et Al

Le platine et ses alliages respectifs offrent le plus grand nombre d'applications car ils peuvent atteindre un certain nombre de propriétés mécaniques différentes tout en conservant les avantages d'un métal précieux (point de fusion élevé, ductilité et résistance à l'oxydation). Le tableau 3 répertorie le platine et un certain nombre d'autres PGM, chacun ayant ses propres propriétés mécaniques. La variation de ces propriétés dépend du ou des éléments d'alliage ajoutés au platine, du pourcentage de métal d'alliage et du fait que le matériau a été ou non travaillé à froid ou recuit. L'alliage peut augmenter considérablement la résistance à la traction et la dureté d'un matériau tout en diminuant sa ductilité en même temps. Le rapport de cette augmentation de la résistance à la traction/dureté à la diminution de la ductilité dépend du métal ajouté ainsi que de la quantité ajoutée, comme indiqué dans le tableau 3. Généralement, cela dépend de la taille des particules de l'élément ajouté ainsi que de sa structure cristalline naturelle. Le ruthénium et l'osmium ont une structure cristalline spécifique qui a un effet de durcissement significatif lorsqu'ils sont ajoutés au platine. Les alliages Pt-Os en particulier sont extrêmement durs et pratiquement inutilisables, ce qui ne donne pas beaucoup d'applications dans le monde réel. Cependant, l'ajout des 4 autres PGM au platine permet une gamme de propriétés mécaniques avec diverses utilisations.

Tableau 3 :Propriétés des matériaux PGM (Remarque :la dureté et la résistance à la traction sont des valeurs travaillées à froid)

Le platine et ses alliages sont biocompatibles, ce qui leur donne la possibilité d'être placés dans le corps humain pendant de longues périodes sans provoquer d'effets indésirables ou d'empoisonnement. Par conséquent, les dispositifs médicaux, y compris les vis de fixation du muscle cardiaque, les stents et les bandes de marquage pour les dispositifs d'angioplastie, sont fabriqués à partir de platine et de ses alliages. L'or et le palladium sont également couramment utilisés dans les applications dentaires.

Les alliages Pt-Ir sont sensiblement plus durs et plus résistants que tous les autres alliages et constituent d'excellentes têtes pour les bougies d'allumage dans l'industrie automobile. Le rhodium est parfois ajouté aux alliages Pt-Ir pour rendre le matériau moins élastique (car ils sont utilisés comme fil à ressort médical) tout en augmentant sa maniabilité. Les paires de fils Pt et Pt-Rh sont extrêmement efficaces pour mesurer les températures et sont donc utilisées dans les thermocouples.

Usinage des métaux précieux

Les deux paramètres qui ont le plus d'effet lors de l'usinage sont la dureté et le pourcentage d'allongement. La dureté est bien connue des machinistes et des ingénieurs de l'industrie manufacturière car elle indique la résistance d'un matériau à la déformation ou à la coupe. Le pourcentage d'allongement est une mesure utilisée pour quantifier la ductilité des matériaux. Il indique au concepteur le degré de déformation plastique (permanente) d'une structure avant rupture. Par exemple, un plastique ductile tel que le polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé (UHMWPE) a un pourcentage d'allongement de 350 à 525 %, tandis qu'un matériau plus fragile tel que la fonte trempée et trempée à l'huile (grade 120-90-02) a un pourcentage d'allongement de 350 à 525 %. allongement d'environ 2 %. Par conséquent, plus le pourcentage d'allongement est élevé, plus le « caractère gommeux » du matériau est important. Les matériaux gommeux sont sujets aux bords accumulés et ont tendance à produire de longs copeaux filandreux.

Outils pour métaux précieux

La ductilité du matériau rend un outil de coupe tranchant essentiel pour couper les métaux précieux. Les outils à hélice variable pour alliage d'aluminium peuvent être utilisés pour les matériaux plus tendres tels que l'or pur, l'argent et le platine.

Figure 2 :Fraise carrée à hélice variable pour alliages d'aluminium

Les matériaux de dureté plus élevée nécessitent toujours une arête de coupe tranchante. Par conséquent, la meilleure option est d'investir dans un outil PCD Diamond. La plaquette PCD a la capacité de couper des matériaux extrêmement durs tout en conservant une arête de coupe tranchante pendant une période de temps relativement longue, par rapport aux arêtes de coupe HSS et carbure standard.

Figure 3 :Fraise en bout carrée en diamant PCD

Tableaux des vitesses et flux :

Figure 4 :Vitesses et avances pour les métaux précieux lors de l'utilisation d'un carré non ferreux, 3x LOC

Figure 5 :Vitesses et avances pour les métaux précieux lors de l'utilisation d'une fraise en bout PCD carrée à 2 cannelures