Guia Especialista para Usinar Metais Preciosos Eficientemente

Metais preciosos podem ser particularmente difíceis de usinar devido à sua ampla gama de propriedades de material e alto custo se uma peça tiver que ser refugada. O seguinte artigo introduzirá estes elementos e suas ligas, bem como fornecerá guia sobre como usiná-los eficaz e eficientemente.

Sobre os Elementos

Às vezes chamados de metais "nobres", metais preciosos consistem de oito elementos que ficam no meio da tabela periódica (visto abaixo na Figura 1). Os oito metais são:

1. Rutênio (Ru)
2. Ródio (Rh)
3. Paládio (Pd)
4. Prata (Ag)
5. Ósmio (Os)
6. Irídio (Ir)
7. Platina (Pt)
8. Ouro (Au)

Estes elementos são alguns dos materiais mais raros na terra, e podem portanto ser enormemente caros. Ouro e prata podem ser encontrados em forma de pepita pura, tornando-os mais facilmente disponíveis. No entanto, os outros seis elementos são tipicamente encontrados misturados no minério bruto dos quatro metais abaixo deles na tabela periódica: Ferro (Fe), Cobalto (Co), Níquel (Ni), e Cobre (Cu). Estes elementos são um subconjunto de metais preciosos e são geralmente chamados Metais do Grupo da Platina (PGM). Como são encontrados juntos no minério bruto, isso torna mineração e extração difíceis, aumentando dramaticamente seu custo. Por causa de sua alta etiqueta de preço, usinar estes materiais corretamente da primeira vez é incrivelmente importante para a eficiência de uma oficina.

Figura 1: Tabela periódica com os 8 metais preciosos em azul. Fonte: clearscience.tumblr.com

Propriedades Básicas e Composições de Metais Preciosos

Metais preciosos têm propriedades notáveis pois são caracteristicamente macios, dúcteis, e resistentes à oxidação. São chamados "nobres" por sua resistência à maioria dos tipos de ataque químico e ambiental. Tabela 1 lista algumas propriedades materiais reveladoras de metais preciosos em sua forma elementar. Para propósitos de comparação, estão lado a lado com Al 6061 e Aço 4140. Geralmente, apenas ouro e prata são usados em sua forma mais pura pois os metais do grupo da platina são ligas consistindo principalmente de platina (com composição menor de Ru, Rh, Pa, Os, Ir). Metais preciosos são notáveis por serem extremamente densos e terem alto ponto de fusão, tornando-os adequados para variedade de aplicações.

Tabela 1: Propriedades de Materiais Trabalhados a Frio de Metais Preciosos, Aço 4140 e Alumínio 6061 

Aplicações Comuns de Usinagem de Metais Preciosos

Prata e ouro têm condutividade térmica e resistividade elétrica particularmente favoráveis. Estes valores estão listados na Tabela 2, junto com CC1000 (cobre recozido) e alumínio 6061 recozido, para comparação. Cobre é geralmente usado em fiação elétrica por causa de sua resistividade relativamente baixa, mesmo que prata seria substituto melhor. A razão óbvia que não é convenção geral é o custo da prata vs. cobre. Dito isso, cobre é geralmente banhado a ouro em áreas de contato elétrico porque tende a oxidar após uso prolongado, o que baixa sua resistividade. Como dito antes, ouro e outros metais preciosos são conhecidos por resistir à oxidação. Esta resistência à corrosão é a principal razão que são usados em sistemas de proteção catódica da indústria eletrônica.

Tabela 2: Condutividade Térmica e Resistividade Elétrica de Ag, Au, Cu, e Al 

Platina e suas respectivas ligas oferecem maior quantidade de aplicações pois podem alcançar número de diferentes propriedades mecânicas enquanto mantêm benefícios de metal precioso (alto ponto de fusão, ductilidade, resistência à oxidação). Tabela 3 lista platina e vários PGMs cada um com suas próprias propriedades. A variância destas propriedades depende do(s) elemento(s) de liga sendo adicionados à platina, porcentagem de metal de liga, e se o material foi trabalhado a frio ou recozido. Liga pode aumentar significativamente resistência à tração e dureza enquanto diminui ductilidade ao mesmo tempo. A razão deste aumento de resistência/dureza para diminuição de ductilidade depende do metal adicionado bem como quanto é adicionado, como visto na Tabela 3. Geralmente isso depende do tamanho de partícula do elemento adicionado bem como sua estrutura cristalina natural. Rutênio e Ósmio têm estrutura cristalina específica que tem efeito de endurecimento significativo quando adicionados à platina. Ligas Pt-Os em particular são extremamente duras e praticamente intratáveis, o que não rende muitas aplicações reais. No entanto, adição dos outros 4 PGMs à platina permite gama de propriedades mecânicas com vários usos.

Tabela 3: Propriedades de materiais PGM (Nota: dureza e resistência à tração são valores trabalhados a frio) 

Platina e suas ligas são biocompatíveis, dando-lhes capacidade de serem colocadas no corpo humano por longos períodos sem causar reações adversas ou envenenamento. Portanto, dispositivos médicos incluindo fixações de parafuso de músculo cardíaco, stents, e bandas marcadoras para dispositivos de angioplastia são feitos de platina e suas ligas. Ouro e paládio também são comumente usados em aplicações dentárias.

Ligas Pt-Ir são notavelmente mais duras e fortes que quaisquer outras ligas e fazem excelentes cabeças para velas de ignição na indústria automobilística. Ródio é às vezes adicionado a ligas Pt-Ir para tornar material menos elástico (já que são usados como fio de mola médica) enquanto também aumenta sua trabalhabilidade. Pares de fio Pt e Pt-Rh são extremamente eficazes medindo temperaturas e são portanto usados em termopares.

Usinando Metais Preciosos

Os dois parâmetros que têm maior efeito ao usinar são dureza e porcentagem de alongamento. Dureza é bem conhecida por usinadores e engenheiros através da indústria como indica resistência de material a deformação ou corte. Porcentagem de alongamento é medida usada para quantificar ductilidade do material. Indica a um projetista o grau ao qual uma estrutura se deformará plasticamente (permanentemente) antes da fratura. Por exemplo, plástico dúctil como polietileno de peso molecular ultra-alto (UHMWPE) tem porcentagem de alongamento de 350-525%, enquanto material mais frágil como ferro fundido temperado em óleo (grau 120-90-02) tem porcentagem de alongamento de cerca de 2%. Portanto, maior a porcentagem de alongamento, maior a "gomosidade" do material. Materiais gomosos são propensos a aresta de acúmulo e tendem a produzir cavacos longos e fibrosos.

Ferramentas para Metais Preciosos

Ductilidade do material torna ferramenta de corte afiada essencial para cortar metais preciosos. Ferramentas de Hélice Variável para Ligas de Alumínio podem ser usadas para materiais mais macios como ouro puro, prata, e platina.

Figura 2: Fresa de Topo Quadrada Hélice Variável para Ligas de Alumínio

Materiais de maior dureza ainda requerem aresta de corte afiada. Portanto, a melhor opção é investir em ferramenta PCD Diamante. A pastilha PCD tem capacidade de cortar materiais extremamente duros enquanto mantém aresta afiada por período relativamente longo, comparado a arestas de corte HSS e metal duro padrão.

Figura 3: Fresa de Topo Quadrada PCD Diamante

Tabelas de Velocidades e Avanços:

Figura 4: Velocidades e Avanços para metais preciosos usando Fresa Quadrada Não-Ferrosa, 3x LOC

Figura 5: Velocidades e Avanços para metais preciosos usando Fresa Quadrada PCD 2 Canais