Mecanizado de metales preciosos

Los metales preciosos pueden ser particularmente difíciles de mecanizar debido a su amplia gama de propiedades materiales y su alto costo si se tiene que desechar una pieza. El siguiente artículo presentará estos elementos y sus aleaciones, además de brindar una guía sobre cómo mecanizarlos de manera efectiva y eficiente.

Acerca de los Elementos

A veces llamados metales "nobles", los metales preciosos constan de ocho elementos que se encuentran en el medio de la tabla periódica (visto a continuación en la Figura 1). Los ocho metales son:

1. Rutenio (Ru)
2. Rodio (Rh)
3. Paladio (Pd)
4. Plata (Ag)
5. Osmio (Os)
6. Iridio (Ir)
7. Platino (Pt)
8. Oro (Au)

Estos elementos son algunos de los materiales más raros de la tierra y, por lo tanto, pueden ser enormemente caros. El oro y la plata se pueden encontrar en forma de pepita pura, lo que los hace más fácilmente disponibles. Sin embargo, los otros seis elementos generalmente se encuentran mezclados en el mineral crudo de los cuatro metales que se encuentran debajo en la tabla periódica:hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni) y cobre (Cu). Estos elementos son un subconjunto de los metales preciosos y generalmente se denominan metales del grupo del platino (PGM). Debido a que se encuentran juntos en el mineral en bruto, esto dificulta la minería y la extracción, lo que aumenta drásticamente su costo. Debido a su alto precio, mecanizar estos materiales correctamente la primera vez es increíblemente importante para la eficiencia de un taller.

Figura 1:Tabla periódica con los 8 metales preciosos enmarcados en azul. Fuente de la imagen:clearscience.tumblr.com

Propiedades y composiciones básicas de los metales preciosos

Los metales preciosos tienen propiedades materiales notables, ya que son característicamente suaves, dúctiles y resistentes a la oxidación. Se les llama metales “nobles” debido a su resistencia a la mayoría de los tipos de ataques químicos y ambientales. La Tabla 1 enumera algunas propiedades materiales reveladoras de los metales preciosos en su forma elemental. Para propósitos de comparación, están lado a lado con 6061 Al y 4140 Steel. Generalmente, solo el oro y la plata se utilizan en su forma más pura, ya que los metales del grupo del platino son aleaciones que consisten principalmente en platino (con una composición menor de Ru, Rh, Pa, Os, Ir). Los metales preciosos se destacan por ser extremadamente densos y tener un alto punto de fusión, lo que los hace adecuados para una variedad de aplicaciones.

Tabla 1:Propiedades de materiales trabajados en frío de metales preciosos, acero 4140 y aluminio 6061

Aplicaciones comunes de mecanizado de metales preciosos

La plata y el oro tienen conductividad térmica y resistividad eléctrica particularmente favorables. Estos valores se enumeran en la Tabla 2, junto con CC1000 (cobre recocido) y aluminio recocido 6061, para fines de comparación. El cobre se usa generalmente en el cableado eléctrico debido a su resistividad eléctrica relativamente baja, aunque la plata sería un mejor sustituto. La razón obvia por la que esta no es la convención general es el costo de la plata frente al cobre. Dicho esto, el cobre generalmente se recubre con oro en las áreas de contacto eléctrico porque tiende a oxidarse después de un uso prolongado, lo que reduce su resistividad. Como se dijo antes, se sabe que el oro y los otros metales preciosos son resistentes a la oxidación. Esta resistencia a la corrosión es la razón principal por la que se utilizan en los sistemas de protección catódica de la industria electrónica.

Tabla 2:Conductividad térmica y resistividad eléctrica de Ag, Au, Cu y Al

El platino y sus respectivas aleaciones ofrecen la mayor cantidad de aplicaciones, ya que puede lograr una serie de propiedades mecánicas diferentes y al mismo tiempo mantener los beneficios de un metal precioso (punto de fusión alto, ductilidad y resistencia a la oxidación). La Tabla 3 enumera el platino y otros PGM, cada uno con sus propias propiedades mecánicas. La variación de estas propiedades depende de los elementos de aleación que se agreguen al platino, el porcentaje de metal de aleación y si el material ha sido trabajado en frío o recocido o no. La aleación puede aumentar significativamente la resistencia a la tracción y la dureza de un material y, al mismo tiempo, disminuir su ductilidad. La relación entre este aumento de resistencia a la tracción/dureza y la disminución de la ductilidad depende del metal agregado y de la cantidad que se agregue, como se ve en la Tabla 3. Generalmente, esto depende del tamaño de partícula del elemento agregado, así como de su estructura cristalina natural. El rutenio y el osmio tienen una estructura cristalina específica que tiene un efecto de endurecimiento significativo cuando se agrega al platino. Las aleaciones de Pt-Os en particular son extremadamente duras y prácticamente impracticables, lo que no produce muchas aplicaciones en el mundo real. Sin embargo, la adición de los otros 4 PGM al platino permite una variedad de propiedades mecánicas con varios usos.

Tabla 3:Propiedades del material PGM (Nota:la dureza y la resistencia a la tracción son valores trabajados en frío)

El platino y sus aleaciones son biocompatibles, lo que les otorga la capacidad de colocarse en el cuerpo humano durante largos períodos de tiempo sin causar reacciones adversas ni envenenamiento. Por lo tanto, los dispositivos médicos que incluyen fijaciones con tornillos para el músculo cardíaco, stents y bandas marcadoras para dispositivos de angioplastia están hechos de platino y sus aleaciones. El oro y el paladio también se usan comúnmente en aplicaciones dentales.

Las aleaciones de Pt-Ir son notablemente más duras y fuertes que cualquiera de las otras aleaciones y son excelentes cabezas para bujías en la industria automotriz. A veces se agrega rodio a las aleaciones de Pt-Ir para hacer que el material sea menos elástico (ya que se usan como alambre de resorte médico) y al mismo tiempo aumenta su capacidad de trabajo. Los pares de hilos Pt y Pt-Rh son extremadamente eficaces para medir temperaturas y, por lo tanto, se utilizan en termopares.

Mecanizado de metales preciosos

Los dos parámetros que tienen el mayor efecto al mecanizar son la dureza y el porcentaje de elongación. La dureza es bien conocida por los maquinistas e ingenieros de la industria manufacturera, ya que indica la resistencia de un material a la deformación o al corte. El porcentaje de elongación es una medida utilizada para cuantificar la ductilidad del material. Le indica al diseñador el grado en que una estructura se deformará plásticamente (permanentemente) antes de fracturarse. Por ejemplo, un plástico dúctil como el polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) tiene un porcentaje de elongación de 350-525 %, mientras que un material más frágil como el hierro fundido templado y enfriado con aceite (grado 120-90-02) tiene un porcentaje elongación de alrededor del 2%. Por lo tanto, cuanto mayor sea el porcentaje de elongación, mayor será la "gomosidad" del material. Los materiales gomosos son propensos a la acumulación de bordes y tienden a producir astillas largas y fibrosas.

Herramientas para metales preciosos

La ductilidad del material hace que una herramienta de corte afilada sea esencial para cortar metales preciosos. Las herramientas de hélice variable para aleación de aluminio se pueden utilizar para los materiales más blandos, como oro puro, plata y platino.

Figura 2:Fresa de extremo cuadrado de hélice variable para aleaciones de aluminio

Los materiales de mayor dureza aún requieren un borde de corte afilado. Por lo tanto, la mejor opción es invertir en una herramienta PCD Diamond. La oblea PCD tiene la capacidad de cortar materiales extremadamente duros mientras mantiene un borde de corte afilado durante un período de tiempo relativamente largo, en comparación con los bordes de corte estándar de HSS y carburo.

Figura 3:Fresa de extremo cuadrado de diamante PCD

Gráficos de velocidades y avances:

Figura 4:Velocidades y avances para metales preciosos cuando se utiliza un cuadrado no ferroso, 3x LOC

Figura 5:Velocidades y avances para metales preciosos cuando se utiliza una fresa de extremo de PCD cuadrada de 2 flautas