귀금속 효율 가공 전문가 가이드

귀금속은 광범위한 물성과 부품 스크랩 시 높은 비용으로 인해 가공이 특히 어려울 수 있습니다. 다음 문서는 이러한 원소와 그 합금을 소개하고 효과적이고 효율적으로 가공하는 방법에 대한 가이드를 제공합니다.

원소에 대하여

때때로 '고귀한(noble)' 금속이라고 불리는 귀금속은 주기율표 중간(아래 그림 1의 파란색 박스)에 위치한 8개 원소로 구성됩니다. 8개 금속은 다음과 같습니다:

1. 루테늄 (Ru)
2. 로듐 (Rh)
3. 팔라듐 (Pd)
4. 은 (Ag)
5. 오스뮴 (Os)
6. 이리듐 (Ir)
7. 백금 (Pt)
8. 금 (Au)

이 원소들은 지구상에서 가장 희귀한 소재 중 일부이므로 엄청나게 비쌀 수 있습니다. 금과 은은 순수 덩어리 형태로 발견될 수 있어 더 쉽게 구할 수 있습니다. 그러나 다른 6개 원소는 주기율표에서 그들 아래에 있는 4개 금속의 원광에 혼합되어 있는 형태로 일반적으로 발견됩니다: 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu). 이 원소들은 귀금속의 부분집합으로 일반적으로 백금족 금속(Platinum Group Metals, PGM)이라고 불립니다. 원광에서 함께 발견되기 때문에 채굴과 추출이 어렵고, 이는 비용을 극적으로 증가시킵니다. 높은 가격표 때문에 이 소재들을 처음부터 올바르게 가공하는 것이 작업장 효율에 엄청나게 중요합니다.

그림 1: 파란색 박스 안의 8개 귀금속이 표시된 주기율표. 이미지 출처: clearscience.tumblr.com

귀금속의 기본 물성과 조성

귀금속은 특성적으로 부드럽고, 연성이 있으며, 산화에 강한 주목할 만한 물성을 가집니다. 대부분의 화학적, 환경적 공격에 대한 저항성 때문에 '고귀한' 금속이라고 불립니다. 표 1은 귀금속의 원소 형태에서 몇 가지 주요 물성을 비교를 위해 6061 Al과 4140 강철과 나란히 나열합니다. 일반적으로 금과 은만 가장 순수한 형태로 사용되며, 백금족 금속은 주로 백금으로 구성되고(더 적은 구성의 Ru, Rh, Pd, Os, Ir 포함) 합금입니다. 귀금속은 극도로 밀도가 높고 높은 녹는점을 가져 다양한 애플리케이션에 적합합니다.

표 1: 귀금속, 4140 강철 및 6061 알루미늄의 가공 경화 물성

귀금속의 일반적인 가공 애플리케이션

은과 금은 특히 유리한 열전도율과 전기 저항률을 가집니다. 이 값들은 비교를 위해 CC1000(어닐링 구리)과 어닐링 6061 알루미늄과 함께 표 2에 나열되어 있습니다. 구리는 상대적으로 낮은 전기 저항률 때문에 일반적으로 전기 배선에 사용되지만, 은이 더 나은 대체재가 될 수 있습니다. 이것이 일반적인 관행이 아닌 명백한 이유는 은과 구리의 비용 차이입니다. 앞서 말했듯이 구리는 전기 접촉 영역에서 금으로 도금되는 경향이 있는데, 장기 사용 후 산화되어 저항률이 낮아지기 때문입니다. 앞서 언급했듯이 금과 다른 귀금속은 산화에 강한 것으로 알려져 있습니다. 이 내식성이 전자 산업의 음극 보호 시스템에 사용되는 주된 이유입니다.

표 2: Ag, Au, Cu, Al의 열전도율과 전기 저항률

백금과 그 합금은 백금의 이점(높은 녹는점, 연성, 산화 저항성)을 유지하면서 다양한 기계적 물성을 달성할 수 있어 가장 많은 애플리케이션을 제공합니다. 표 3은 백금과 여러 다른 PGM을 각각 고유한 기계적 물성과 함께 나열합니다. 이 물성의 차이는 백금에 첨가되는 합금 원소, 합금 금속의 비율, 소재가 가공 경화되었는지 어닐링되었는지에 따라 달라집니다. 합금화는 소재의 인장 강도와 경도를 크게 증가시키면서 동시에 연성을 감소시킬 수 있습니다. 이 인장 강도/경도 증가 대 연성 감소의 비율은 첨가된 금속과 양에 따라 달라지며, 표 3에서 볼 수 있습니다. 일반적으로 이는 첨가된 원소의 입자 크기와 자연 결정 구조에 따라 달라집니다. 루테늄과 오스뮴은 백금에 첨가될 때 상당한 경화 효과를 주는 특정한 결정 구조를 가집니다. 특히 Pt-Os 합금은 극도로 단단하고 실질적으로 가공 불가능하여 많은 실제 애플리케이션을 산출하지 못합니다. 그러나 다른 4개 PGM을 백금에 첨가하면 다양한 용도의 기계적 물성 범위를 허용합니다.

표 3: PGM 소재 물성 (참고: 경도와 인장 강도는 가공 경화 값)

백금과 그 합금은 생체 적합성이 있어 인체에 장기간 배치해도 부작용이나 중독을 일으키지 않습니다. 따라서 심장 근육 나사 고정, 스텐트, 혈관 성형 장치용 마커 밴드 같은 의료 기기들이 백금과 그 합금으로 만들어집니다. 금과 팔라듐도 치과 애플리케이션에 흔히 사용됩니다.

Pt-Ir 합금은 다른 합금들보다 현저히 더 단단하고 강해 자동차 산업의 스파크 플러그 헤드로 훌륭합니다. 로듐은 때때로 Pt-Ir 합금에 첨가되어 소재를 덜 탄력 있게 만들면서(의료용 스프링 와이어로 사용되므로) 가공성도 높입니다. Pt와 Pt-Rh 와이어 쌍은 온도 측정에 극도로 효과적이므로 열전쌍(thermocouples)에 사용됩니다.

귀금속 가공

가공 시 가장 큰 영향을 미치는 두 파라미터는 경도와 신율(percent elongation)입니다. 경도는 제조 산업 전반의 기계공과 엔지니어에게 잘 알려져 있으며, 소재의 변형 또는 절삭 저항성을 나타냅니다. 신율은 소재 연성을 정량화하는 측정값입니다. 이는 구조물이 파단 전 소성 변형(영구적)될 정도를 설계자에게 나타냅니다. 예를 들어, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 같은 연성 플라스틱은 신율이 350-525%인 반면, 오일 퀀칭 및 템퍼링 주철(등급 120-90-02) 같은 더 취성 소재는 약 2%의 신율을 가집니다. 따라서 신율이 클수록 소재의 '끈적임(gumminess)'이 커집니다. 끈적한 소재는 빌트업 에지 발생 경향이 있고 길고 끈적한 칩을 생성하는 경향이 있습니다.

귀금속용 공구

소재 연성은 귀금속 절삭에 날카로운 절삭 공구가 필수적임을 의미합니다. 알루미늄 합금용 가변 헬릭스 공구는 순금, 은, 백금 같은 부드러운 소재에 사용할 수 있습니다.

그림 2: 알루미늄 합금용 가변 헬릭스 스퀘어 엔드밀

더 높은 경도 소재는 여전히 날카로운 절삭날을 요구합니다. 따라서 최선의 선택은 PCD 다이아몬드 공구에 투자하는 것입니다. PCD 웨이퍼는 표준 HSS와 초경 절삭날에 비해 비교적 오랜 기간 날카로운 절삭날을 유지하면서 극도로 단단한 소재를 절삭할 수 있는 능력을 가집니다.

그림 3: PCD 다이아몬드 스퀘어 엔드밀

속도 및 이송 차트:

그림 4: 스퀘어 비철, 3x LOC 사용 시 귀금속 속도 및 이송

그림 5: 2날 스퀘어 PCD 엔드밀 사용 시 귀금속 속도 및 이송