Platina-iridiumlegering: een belangrijk materiaal in de medische, lucht- en ruimtevaartindustrie en de halfgeleiderindustrie

Platina-iridium wordt in de meeste korte inleidingen beschreven als platina met een kleine toevoeging van iridium, en die zin verwijdert het enige getal dat een koper nodig heeft. Het iridiumgehalte is de specificatie. Het bepaalt de hardheid, de corrosiebestendigheid, hoe de legering kan worden bewerkt, en de prijs, en het bereik dat daadwerkelijk wordt verkocht loopt van een paar procent tot dertig procent met zeer verschillend gedrag bij elke stap.

Dezelfde eigenschap die de legering nuttig maakt in drie industrieën, is de reden waarom het getal ertoe doet. Iridium is een van de weinige metalen die de hardheid van platina verhoogt zonder de chemische stabiliteit te vernietigen, dus een kleine toevoeging verandert een zacht en gemakkelijk vervormbaar metaal in een veertemperatuurmateriaal dat een scherpe rand behoudt en slijtage weerstaat. Voeg meer toe en de hardheid neemt verder toe terwijl het vermogen om koud te worden bewerkt afneemt, totdat de legering warm moet worden bewerkt en de opbrengst van afgewerkt draad de dominante kosten wordt.

Deze pagina beschrijft de samenstellingsstappen die daadwerkelijk worden verhandeld, wat elke stap oplevert in een medische elektrode, in een ontstekingscomponent en in een testsonde, en de beperking bij hoge temperatuur die de legering deelt met puur iridium en die geen enkele datasheetkop vermeldt.

De tabel geeft de eigenschappen die veranderen met het iridiumgehalte, met behulp van gepubliceerde waarden voor de gangbare samenstellingen. Waar een eigenschap niet is gepubliceerd voor een samenstelling, zegt de cel dat, omdat een geïnterpoleerd getal in een materiaal tabel erger is dan een blanco.

Twee dingen zijn opmerkelijk in die tabel. De dichtheid neemt toe met het iridiumgehalte en doet dat monotoon, van 21,45 voor puur platina tot 21,69 bij 30% iridium, omdat iridium het dichtere van de twee metalen is met 22,56 g/cm3. En de hardheidsstap van puur platina naar PtIr 10 is veel groter dan de stap van PtIr 10 naar PtIr 20, daarom draagt de 10% legering het meeste medische en instrumentenwerk: het vangt het grootste deel van het hardheidsvoordeel op terwijl het een materiaal blijft dat kan worden getrokken, gerold en gevormd met normaal gereedschap.

Het samenstellingsbereik dat routinematig op voorraad is, is smaller dan het technisch mogelijke bereik. DLX levert standaard platina-iridium in de 5, 10 en 15% iridiumkwaliteiten, met hogere gehaltes op bestelling geproduceerd, en het praktische advies voor een nieuw ontwerp is om te beginnen bij 10% en alleen omhoog te gaan wanneer een slijtage- of hardheidsmeting aantoont dat 10% niet voldoende is.

Een stimulerende elektrode moet drie dingen tegelijk doen. Het moet lading in weefsel geleiden zonder te corroderen, het moet miljoenen cycli overleven zonder van vorm te veranderen, en het moet vervaardigbaar zijn in een kleine en vaak complexe vorm. Platina-iridium bij 10% is de samenstelling die die drie in evenwicht brengt, en de redenen zijn elektrochemisch en mechanisch en niet marketing.

De elektrochemische reden is de breedte van het venster waarin het metaal passief is. Platina en zijn legeringen worden gebruikt omdat ze niet oplossen bij de potentialen die een stimulatiepuls bereikt, en de iridiumtoevoeging verbetert de weerstand tegen corrosie onder herhaalde cycli zonder een fase te introduceren die selectief zou corroderen. De mechanische reden is dat de 10% legering hard genoeg is om vervorming tijdens krimpen en inbrengen te weerstaan, en ductiel genoeg om tot draad te worden getrokken of tot een ring te worden gevormd zonder te barsten.

Drie productvormen volgen uit die vereisten. Een pacemaker- of neuromodulatie-elektrode is meestal een draad, een ring of een punt die uit staaf is gefreesd. Een stent markerband is een dunne ring. Een chirurgisch instrumentinzetstuk is een klein gefreesd onderdeel. Alle drie worden besteld op samenstelling, vorm en oppervlakteconditie, en de oppervlakteconditie is belangrijk omdat een kras op een geïmplanteerde elektrode een plaats is voor ladingsconcentratie.

De ruimtevaarttoepassing die meestal wordt beschreven als een raketmotorcomponent, is preciezer een ontstekingscomponent. Platina-iridium komt voor in bougie-elektroden en ontstekingspunten, waar de legering boogerosie weerstaat en een scherpe rand behoudt onder herhaalde ontlading, en het komt voor in kleine sensor- en contactonderdelen. Het is niet het materiaal van een verbrandingskamer of een mondstuk, die zijn gebouwd uit nikkel legeringen, koper legeringen, of koolstofcomposieten, afhankelijk van de koelstrategie.

Dat onderscheid is belangrijk voor een koper omdat de twee aanvragen naar verschillende leveranciers gaan. Een verzoek om platina-iridium ontstekings elektrode is een klein edelmetaal onderdeel met een slijtage-eis. Een verzoek om een stuwkamer is een groot structureel component met een thermische eis, en platina-iridium is geen kandidaat, tegen welke prijs dan ook.

Dezelfde logica is van toepassing op de halfgeleiderlijst. De legering komt voor in test sondes en in sommige kroes- en verdampingsbronnen, waar de hardheid en de chemische inertie op kleine schaal worden gebruikt. Het komt niet voor als structureel materiaal in een waferfabriek, en een pagina die halfgeleiderproductie vermeldt zonder de sonde of de kroes te noemen, heeft een industrie en geen toepassing beschreven.

Iridium oxideert in lucht bij hoge temperatuur tot een vluchtig oxide, en het oxide verlaat het oppervlak en blijft er niet op als een beschermende schaal. Het gevolg voor een platina-iridium onderdeel is een langzaam verlies van iridium uit de oppervlaktelaag bij temperaturen boven ongeveer 1.000 °C in een oxiderende atmosfeer, wat zowel de samenstelling als de afmetingen van een dun deel verandert.

Dit is de reden waarom een platina-iridium elektrode wordt gebruikt in een ontstekingsapplicatie en niet als een oven element, en de reden waarom de legering wordt gespecificeerd voor vacuüm, inerte atmosfeer, of reducerende omstandigheden wanneer het heet loopt. In lucht bij temperatuur faalt het metaal niet door een dramatisch mechanisme. Het wordt gewoon dunner, en het iridium dat het de hardheid gaf, is het deel dat vertrekt.

Twee praktische gevolgen volgen. Een dunne draad of een fijne sonde punt in lucht boven 1.000 °C moet worden behandeld als een verbruiksartikel met een beperkte levensduur en niet als een permanent component. En een onderdeel dat in die dienst is geweest, moet worden gecontroleerd op gewicht en afmetingen en niet op uiterlijk, omdat het verlies uniform genoeg is om onzichtbaar te zijn totdat het deel weg is.

Platina-iridium werkverhard snel, en het bewerkingsvenster wordt smaller naarmate het iridiumgehalte stijgt. De praktische sequentie voor draad is om te beginnen met een gegoten of gesinterde billet, deze warm te bewerken tot een staaf, en deze vervolgens te trekken met een gloeien tussen de passes. Het aantal passes tussen gloeien valt naarmate het iridiumgehalte stijgt, en aan de top van het bereik is het materiaal moeilijk te trekken.

Het commerciële gevolg is dat de prijs van een platina-iridium onderdeel net zozeer wordt bepaald door de opbrengst van de bewerkingsroute als door het metaal zelf. Een specificatie die vraagt om een diameter en een tolerantie die moeilijk te trekken zijn, brengt kosten met zich mee die niets te maken hebben met het iridiumgehalte, en een koper die twee offertes vergelijkt voor dezelfde nominale legering, vergelijkt mogelijk twee verschillende opbrengsten.

Zes items bepalen een offerte voor platina-iridium, en het eerste is het item dat de meeste aanvragen vaag laten.

DLX levert platina-iridium in Changzhou, Jiangsu, als draad, buis, ring, strip en staaf, in de 5, 10 en 15% iridiumkwaliteiten als standaard en in hogere gehaltes op bestelling. De vormen omvatten fijne draad voor elektroden en sondes, buis voor markerbanden, ring voor instrumentonderdelen en veerdraad voor precisie mechanismen.

Materiaal wordt geleverd tegen de samenstelling die op de bestelling is vermeld, met een EN 10204 3.1 certificaat op aanvraag en het warmtenummer traceerbaar naar de testresultaten. De vraag die een offerte bepaalt, is het iridiumgehalte samen met de vorm, omdat die twee items de bewerkingsroute en de opbrengst bepalen voordat er over de prijs wordt gesproken.

Het betekent meestal 10%, en soms 5 of 15%. De uitdrukking wordt gebruikt omdat de iridiumtoevoeging klein is in vergelijking met het platina gehalte, maar het verschil tussen 5% en 15% is het verschil tussen een gemakkelijk te trekken draad en een materiaal dat een zorgvuldig schema nodig heeft. Een specificatie moet het percentage vermelden en niet het bijvoeglijk naamwoord.

Omdat het het grootste deel van het hardheidsvoordeel van iridium benut, terwijl het een materiaal blijft dat kan worden getrokken en gevormd met normaal gereedschap. Het weerstaat corrosie onder herhaalde ladingscycli, het behoudt zijn vorm tijdens krimpen en inbrengen, en het kan worden gemaakt in de draad-, ring- en gefreesde vormen die een implantaat nodig heeft. Hogere iridiumgehaltes zijn harder en moeilijker te bewerken, wat de kosten van een onderdeel dat meestal klein is, verhoogt.

Het wordt gebruikt in ontstekingscomponenten zoals bougie-elektroden en ontstekingspunten, en niet als structureel materiaal voor een kamer of een mondstuk. Die grotere onderdelen zijn gebouwd uit nikkel legeringen, koper legeringen, of koolstofcomposieten, afhankelijk van de koelstrategie. Een verzoek om platina-iridium motoronderdelen is meestal een verzoek om een elektrode.

Goed genoeg voor een elektrode en niet goed genoeg om te worden gekozen vanwege de geleidbaarheid. Platina heeft een weerstand die ongeveer zes keer die van koper is, en de iridiumtoevoeging verbetert deze niet. De legering wordt gekozen vanwege de chemische stabiliteit, hardheid en slijtvastheid, en de geleidbaarheid is een eigenschap die toevallig adequaat is en niet de reden voor de keuze.

Iridium vormt een vluchtig oxide dat het oppervlak verlaat in plaats van een beschermende schaal op te bouwen, dus de legering verliest langzaam iridium uit de oppervlaktelaag. In een dun deel uit zich dat als een afname van de afmetingen en een verandering in de samenstelling. De legering wordt heet gebruikt in vacuüm, in inert gas, of in reducerende omstandigheden, en een onderdeel dat heet loopt in lucht moet als een verbruiksartikel worden behandeld.

Om twee redenen die elkaar versterken. Iridium is veel duurder dan platina, dus de metaalkosten stijgen met het percentage. En het bewerkingsvenster wordt smaller naarmate het iridium stijgt, dus het aantal trekpassen tussen gloeien valt en de opbrengst van afgewerkt draad daalt. Het tweede effect is vaak groter dan het eerste voor een fijne draad.

Platina-iridium is een platina legering waarvan de specificatie het iridiumgehalte is. Bij 10% is het hard genoeg om slijtage te weerstaan en ductiel genoeg om tot de draad te worden getrokken en tot de ringen te worden gevormd die medisch en instrumentenwerk nodig heeft. Bij 20% en hoger weerstaat het boogerosie en slijtage verder, ten koste van een bewerkingsvenster dat zo smal wordt dat warm bewerken de enige route wordt.

Twee limieten horen in de specificatie en niet in de brochure. De legering verliest iridium als een vluchtig oxide in lucht boven ongeveer 1.000 °C, dus een heet onderdeel heeft vacuüm, inert gas of een verbruikslevensduur nodig. En de geleidbaarheid is adequaat en niet uitzonderlijk, dus een ontwerp dat het kiest vanwege elektrische prestaties, heeft het om de verkeerde reden gekozen.

Gepubliceerde eigenschapsgegevens voor platina-iridium legeringen, met een dichtheid van 21,56 g/cm3 voor de 10% iridiumkwaliteit, 21,61 voor 20%, en 21,69 voor 30%, en een smeltpunt van ongeveer 1.800 °C voor de 10% kwaliteit.

Gepubliceerde leveranciersgegevens voor platina 90 iridium 10, met een Brinell hardheid van 130 tot 190, een treksterkte van 380 tot 620 MPa, een dichtheid van 21,56 g/cm3, en een smeltpunt van ongeveer 1.800 °C.

Gepubliceerde referentiegegevens voor het platina-iridium systeem, met een Vickers hardheid van ongeveer 56 voor puur platina, de gangbare 90:10 en 70:30 samenstellingen, en de toename in hardheid die de iridiumtoevoeging produceert.

Gepubliceerde materiaalgegevens voor iridium, met een dichtheid van 22,56 g/cm3 en een smeltpunt van ongeveer 2.446 °C, als basis voor de dichtheidstrend over de legeringsserie.

Gepubliceerde oxidatiestudies van iridium en iridiumhoudende legeringen, die gewichtsverlies door oxidatie in lucht bij 1.000 °C rapporteren en het vluchtige oxide identificeren als het mechanisme waarmee iridium het oppervlak verlaat.

Gepubliceerde gegevens over de dampdruk van platina, iridium en rhodium over het bereik van 1.000 tot 1.750 °C, als basis voor de verklaring van verlies bij hoge temperatuur.

ISO 5832 en ASTM F75 familie documenten voor implantaatmateriaal, als het algemene kader waarbinnen een medisch elektrode materiaal wordt gekwalificeerd, met de opmerking dat een specifieke platina-iridium kwaliteit wordt gekwalificeerd door de apparaatfabrikant tegen de toepasselijke norm.

EN 10204, inspectiedocumenten, voor de definitie van het 3.1 certificaat als een document met werkelijke testresultaten en goedgekeurd door de onafhankelijke inspectie vertegenwoordiger van de fabrikant.

De bovenstaande samenstellingen en eigenschapswaarden zijn gepubliceerde waarden voor de genoemde kwaliteiten, en het zijn geen acceptatiegrenzen voor een geleverde partij. Hardheid en trek eigenschappen zijn afhankelijk van de hoeveelheid koud bewerken en de gloeibehandeling, dus een waarde die voor één temper wordt geciteerd, beschrijft geen andere. Dichtheid is een eigenschap van de samenstelling en wordt hier gebruikt om de trend over de serie te tonen. Het beschreven oxidatiegedrag is van toepassing op lucht bij temperatuur, en de snelheid is afhankelijk van temperatuur, gasstroom en de oppervlakte-tot-volume verhouding van het onderdeel, dus een hete toepassing moet worden gekwalificeerd door testen en niet door een enkele temperatuurlimiet. Platina-iridium kwaliteiten voor medisch gebruik worden gekwalificeerd door de apparaatfabrikant tegen de toepasselijke norm, en de levering van de legering op zich vormt die kwalificatie niet. Productspecificaties worden herzien, en de editie die op de bestelling wordt genoemd, is bepalend. Niets op deze pagina is een vervanging voor een technische vrijgave of voor de kwalificatietesten die tussen koper en leverancier zijn overeengekomen.