Guide expert pour usiner efficacement les métaux précieux

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

À propos des éléments

Parfois appelés métaux « nobles », les métaux précieux consistent en huit éléments qui se trouvent au milieu du tableau périodique (vu 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 énormément chers. L'or et l'argent peuvent être trouvés sous forme de pépites pures, les rendant plus facilement disponibles. Cependant, les six autres éléments sont généralement trouvés mélangés dans le minerai brut des quatre métaux sous lesquels ils se trouvent sur le tableau périodique : Fer (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni) et Cuivre (Cu). Ces éléments sont un sous-ensemble des métaux précieux et sont généralement appelés Métaux du Groupe du Platine (MGP). Parce qu'ils sont trouvés ensemble dans le minerai brut, cela rend l'extraction minière difficile, augmentant dramatiquement leur coût. En raison de leur prix élevé, usiner ces matériaux correctement du premier coup est incroyablement important pour l'efficacité d'un atelier.

Propriétés de base et compositions des métaux précieux

Les métaux précieux ont des propriétés matérielles notables car ils sont caractéristiquement tendres, ductiles, et résistants à l'oxydation. Ils sont appelés métaux « nobles » en raison de leur résistance à la plupart des types d'attaque chimique et environnementale. Le Tableau 1 liste quelques propriétés matérielles révélatrices des métaux précieux sous leur forme élémentaire. À des fins de comparaison, ils sont côte à côte avec l'aluminium 6061 et l'acier 4140. Généralement, seul l'or et l'argent sont utilisés sous leur forme la plus pure car les métaux du groupe du platine sont des alliages qui consistent principalement en platine (avec une composition plus petite de Ru, Rh, Pa, Os, Ir). Les métaux précieux sont notables pour être extrêmement denses et avoir un point de fusion élevé, ce qui les rend appropriés pour une variété d'applications.

Tableau 1 : Propriétés des matériaux écrouis des métaux précieux, acier 4140 et 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 listées dans le Tableau 2, avec le CC1000 (cuivre recuit) et l'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 ferait un meilleur substitut. La raison évidente pour laquelle ce n'est pas la convention générale est le coût de l'argent vs le cuivre. Cela dit, le cuivre est généralement plaqué or aux zones de contact électrique car il a tendance à s'oxyder après une utilisation prolongée, ce qui abaisse 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 raison principale 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 il peut 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 liste le platine et un certain nombre d'autres MGP chacun avec leurs propres propriétés mécaniques. La variance de ces propriétés dépend de l'élément d'alliage(s) ajouté au platine, du pourcentage de métal d'alliage, et de savoir si le matériau a été écroui ou recuit. L'alliage peut augmenter significativement la résistance à la traction et la dureté d'un matériau tout en diminuant sa ductilité en même temps. Le ratio de cette augmentation de résistance à la traction/dureté par rapport à la diminution de ductilité dépend du métal ajouté ainsi que de la quantité ajoutée, comme vu 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 inusinables, ce qui ne donne pas beaucoup d'applications réelles. Cependant, l'ajout des 4 autres MGP au platine permet une gamme de propriétés mécaniques avec diverses utilisations.

Tableau 3 : Propriétés matériaux MGP (Note : la dureté et la résistance à la traction sont des valeurs écrouies)

Le platine et ses alliages sont biocompatibles, leur donnant la capacité d'être placés dans le corps humain pour de longues périodes sans causer de réactions indésirables ou d'empoisonnement. Par conséquent, les dispositifs médicaux incluant les fixations de vis musculaires cardiaques, les stents, et les bandes de repère pour dispositifs d'angioplastie sont faits de platine et ses alliages. L'or et le palladium sont aussi couramment utilisés dans les applications dentaires.

Les alliages Pt-Ir sont notablement plus durs et plus forts que tous les autres alliages et font d'excellentes têtes pour 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 fils de ressort médicaux) tout en augmentant son usinabilité. 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 ingénieurs à travers 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 du matériau. Il indique à un concepteur le degré auquel une structure se déformera plastiquement (permanemment) avant la rupture. Par exemple, un plastique ductile tel que le polyéthylène à poids moléculaire ultra-élevé (UHMWPE) a un pourcentage d'allongement de 350-525 %, tandis qu'un matériau plus fragile tel que la fonte trempée à l'huile et revenue (grade 120-90-02) a un pourcentage d'allongement d'environ 2 %. Par conséquent, plus le pourcentage d'allongement est grand, plus le « côté collant » du matériau est grand. Les matériaux collants sont sujets à l'arête rapportée et ont une tendance à produire des copeaux longs et filandreux.

Outils pour métaux précieux

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

Les matériaux de dureté plus élevée nécessitent encore un tranchant affûté. Par conséquent, la meilleure option est d'investir dans un outil diamant PCD. La plaquette PCD a la capacité de couper des matériaux extrêmement durs tout en maintenant un tranchant affûté pour une période relativement longue, comparé aux arêtes de coupe HSS et carbure standard.

Tableaux vitesses et avances :