Stopy platynowo-irydiowe - kluczowy materiał w przemyśle medycznym, lotniczym i półprzewodnikowym

Platyna irydowa jest opisywana w większości krótkich wprowadzeń jako platyna z niewielkim dodatkiem irydu, a to zdanie usuwa jedyną liczbę, której potrzebuje kupujący. Zawartość irydu jest specyfikacją. Określa twardość, odporność na korozję, sposób obróbki stopu i cenę, a sprzedawany zakres wynosi od kilku procent do trzydziestu procent, z bardzo różnym zachowaniem na każdym etapie.

Ta sama właściwość, która czyni stop użytecznym w trzech branżach, jest powodem, dla którego liczba ma znaczenie. Iryd jest jednym z niewielu metali, które zwiększają twardość platyny bez niszczenia jej stabilności chemicznej, więc niewielki dodatek przekształca miękki i łatwo odkształcalny metal w materiał o hartowaniu sprężynowym, który utrzymuje ostrość i jest odporny na zużycie. Dodaj więcej, a twardość wzrośnie, podczas gdy zdolność do obróbki na zimno spadnie, aż stop będzie musiał być obrabiany na gorąco, a wydajność gotowego drutu stanie się dominującym kosztem.

Ta strona przedstawia etapy składu, które są faktycznie przedmiotem handlu, co każdy z nich kupuje w elektrodzie medycznej, w elemencie zapłonowym i w sondzie testowej, oraz ograniczenie wysokiej temperatury, które stop dzieli z czystym irydem i którego nie wspomina żaden nagłówek arkusza danych.

Tabela przedstawia właściwości, które zmieniają się wraz z zawartością irydu, wykorzystując opublikowane wartości dla powszechnych składów. Tam, gdzie właściwość nie jest opublikowana dla danego składu, komórka to stwierdza, ponieważ interpolowana liczba w tabeli materiałów jest gorsza niż pusta.

W tabeli warto zauważyć dwie rzeczy. Gęstość rośnie wraz z zawartością irydu i robi to monotonicznie, od 21,45 dla czystej platyny do 21,69 przy 30% irydu, ponieważ iryd jest gęstszym z dwóch metali przy 22,56 g/cm3. A skok twardości od czystej platyny do PtIr 10 jest znacznie większy niż skok od PtIr 10 do PtIr 20, dlatego 10% stop jest używany w większości prac medycznych i przyrządowych: zapewnia większość korzyści z twardości, pozostając jednocześnie materiałem, który można ciągnąć, walcować i formować za pomocą zwykłych narzędzi.

Zakres składu, który jest rutynowo magazynowany, jest węższy niż zakres technicznie możliwy. DLX dostarcza platynę irydową w gatunkach 5, 10 i 15% irydu jako standard, z wyższą zawartością produkowaną na zamówienie, a praktyczna rada dla nowego projektu jest taka, aby zacząć od 10% i przechodzić wyżej tylko wtedy, gdy pomiar zużycia lub twardości wykaże, że 10% nie wystarcza.

Elektroda stymulująca musi jednocześnie spełniać trzy zadania. Musi przepuszczać ładunek do tkanki bez korozji, musi przetrwać miliony cykli bez zmiany kształtu i musi być możliwa do wykonania w małej i często złożonej formie. Platyna irydowa w ilości 10% to skład, który równoważy te trzy aspekty, a powody są elektrochemiczne i mechaniczne, a nie marketingowe.

Elektrochemicznym powodem jest szerokość okna, w którym metal jest pasywny. Platyna i jej stopy są używane, ponieważ nie rozpuszczają się przy potencjałach impulsu stymulującego, a dodatek irydu poprawia odporność na korozję pod wpływem powtarzających się cykli, nie wprowadzając fazy, która korodowałaby selektywnie. Mechanicznym powodem jest to, że 10% stop jest wystarczająco twardy, aby oprzeć się deformacji podczas zaciskania i wkładania, i wystarczająco plastyczny, aby można go było naciągnąć na drut lub uformować w pierścień bez pękania.

Trzy formy produktu wynikają z tych wymagań. Elektroda rozrusznika serca lub neuromodulacji to zazwyczaj drut, pierścień lub końcówka obrabiana z pręta. Pierścień znacznika stentu to cienki pierścień. Wkładka instrumentu chirurgicznego to mała część obrabiana. Wszystkie trzy są zamawiane według składu, formy i stanu powierzchni, a stan powierzchni ma znaczenie, ponieważ rysa na wszczepionej elektrodzie jest miejscem koncentracji ładunku.

Zastosowanie w lotnictwie, które jest zazwyczaj opisywane jako element silnika rakietowego, jest bardziej precyzyjnie elementem zapłonowym. Platyna irydowa występuje w elektrodach świec zapłonowych i końcówkach zapalników, gdzie stop jest odporny na erozję łukową i utrzymuje ostrość pod wpływem powtarzających się wyładowań, a także występuje w małych częściach czujników i styków. Nie jest to materiał komory spalania ani dyszy, które są budowane ze stopów niklu, stopów miedzi lub kompozytów węglowych, w zależności od strategii chłodzenia.

To rozróżnienie ma znaczenie dla kupującego, ponieważ dwa zapytania trafiają do różnych dostawców. Prośba o elektrody zapłonowe z platyny irydowej to mała część z metali szlachetnych z wymogiem odporności na zużycie. Prośba o komorę ciągu to duży element konstrukcyjny z wymogiem termicznym, a platyna irydowa nie jest kandydatem w żadnej cenie.

Ta sama logika dotyczy listy półprzewodników. Stop występuje w sondach testowych i w niektórych źródłach tygli i odparowywania, gdzie jego twardość i obojętność chemiczna są wykorzystywane na małą skalę. Nie występuje jako materiał konstrukcyjny w fabryce płytek, a strona, która wymienia produkcję półprzewodników bez nazwania sondy lub tygla, opisała branżę, a nie zastosowanie.

Iryd utlenia się w powietrzu w wysokiej temperaturze do lotnego tlenku, a tlenek opuszcza powierzchnię i nie pozostaje na niej jako ochronna łuska. Konsekwencją dla części z platyny irydowej jest powolna utrata irydu z warstwy powierzchniowej w temperaturach powyżej około 1000 °C w atmosferze utleniającej, co zmienia zarówno skład, jak i wymiary cienkiego przekroju.

To jest powód, dla którego elektroda z platyny irydowej jest używana w zastosowaniach zapłonowych, a nie jako element grzejny pieca, i powód, dla którego stop jest określany dla warunków próżni, atmosfery obojętnej lub redukcyjnych, gdy pracuje na gorąco. W powietrzu w temperaturze metal nie ulega awarii w dramatyczny sposób. Po prostu staje się cieńszy, a iryd, który nadał mu twardość, jest częścią, która odchodzi.

Wynikają z tego dwie praktyczne konsekwencje. Cienki drut lub drobna końcówka sondy w powietrzu powyżej 1000 °C powinny być traktowane jako materiał eksploatacyjny o skończonej żywotności, a nie jako element stały. A część, która była w tym użyciu, powinna być sprawdzana wagowo i wymiarowo, a nie wizualnie, ponieważ utrata jest na tyle jednolita, że jest niewidoczna, dopóki przekrój nie zniknie.

Platyna irydowa szybko utwardza się podczas pracy, a okno obróbki zwęża się wraz ze wzrostem zawartości irydu. Praktyczna sekwencja dla drutu polega na rozpoczęciu od wlewka odlewanego lub spiekanego, obróbce na gorąco do postaci pręta, a następnie ciągnieniu z wyżarzaniem między przejściami. Liczba przejść między wyżarzaniami spada wraz ze wzrostem zawartości irydu, a na górze zakresu materiał jest trudny do ciągnienia w ogóle.

Konsekwencją handlową jest to, że cena części z platyny irydowej jest napędzana przez wydajność trasy obróbki w takim samym stopniu, jak przez sam metal. Specyfikacja, która wymaga średnicy i tolerancji, które są trudne do uzyskania w procesie ciągnienia, będzie wiązać się z kosztem, który nie ma nic wspólnego z zawartością irydu, a kupujący porównujący dwie oferty na ten sam nominalny stop może porównywać dwie różne wydajności.

Sześć pozycji decyduje o wycenie platyny irydowej, a pierwsza z nich jest pozycją, którą większość zapytań pozostawia niejasną.

DLX dostarcza platynę irydową w Changzhou, Jiangsu, jako drut, rurkę, pierścień, taśmę i pręt, w gatunkach 5, 10 i 15% irydu jako standard i w wyższych zawartościach na zamówienie. Formy obejmują cienki drut do elektrod i sond, rurkę do pierścieni znacznikowych, pierścień do części przyrządów i drut sprężynowy do precyzyjnych mechanizmów.

Materiał jest dostarczany zgodnie ze składem podanym w zamówieniu, z certyfikatem EN 10204 3.1 na życzenie i numerem partii identyfikowalnym z wynikami testów. Pytanie, które decyduje o wycenie, to zawartość irydu wraz z formą, ponieważ te dwie pozycje określają trasę obróbki i wydajność przed omówieniem ceny.

Zazwyczaj oznacza 10%, a czasem 5% lub 15%. Określenie to jest używane, ponieważ dodatek irydu jest niewielki w porównaniu do zawartości platyny, ale różnica między 5% a 15% to różnica między łatwo ciągnionym drutem a materiałem wymagającym starannego harmonogramu. Specyfikacja powinna podawać procent, a nie przymiotnik.

Ponieważ zapewnia większość korzyści z twardości irydu, pozostając jednocześnie materiałem, który można ciągnąć i formować za pomocą zwykłych narzędzi. Jest odporny na korozję podczas powtarzających się cykli ładowania, utrzymuje swój kształt podczas zaciskania i wkładania, i może być wykonany w formach drutu, pierścienia i obrabianych części, których potrzebuje implant. Wyższa zawartość irydu jest coraz trudniejsza w obróbce, co podnosi koszt części, która jest zazwyczaj mała.

Jest używana w elementach zapłonowych, takich jak elektrody świec zapłonowych i końcówki zapalników, a nie jako materiał konstrukcyjny do komory lub dyszy. Te większe części są budowane ze stopów niklu, stopów miedzi lub kompozytów węglowych, w zależności od strategii chłodzenia. Prośba o elementy silnika z platyny irydowej to zazwyczaj prośba o elektrodę.

Wystarczająco dobrze do elektrody i nie na tyle dobrze, aby wybrać ją ze względu na przewodność. Platyna ma rezystywność około sześciokrotnie większą niż miedź, a dodatek irydu jej nie poprawia. Stop jest wybierany ze względu na stabilność chemiczną, twardość i odporność na zużycie, a przewodność jest właściwością, która jest wystarczająca i nie jest powodem wyboru.

Iryd tworzy lotny tlenek, który opuszcza powierzchnię zamiast tworzyć ochronną łuskę, więc stop powoli traci iryd z warstwy powierzchniowej. W cienkim przekroju objawia się to jako zmniejszenie wymiarów i zmiana składu. Stop jest używany na gorąco w próżni, w gazie obojętnym lub w warunkach redukcyjnych, a część pracująca na gorąco w powietrzu powinna być traktowana jako materiał eksploatacyjny.

Z dwóch powodów, które się potęgują. Iryd jest znacznie droższy od platyny, więc koszt metalu rośnie wraz z procentem. A okno obróbki zwęża się wraz ze wzrostem irydu, więc liczba przejść ciągnienia między wyżarzaniami spada, a wydajność gotowego drutu maleje. Drugi efekt jest często większy niż pierwszy w przypadku cienkiego drutu.

Platyna irydowa to stop platyny, którego specyfikacją jest zawartość irydu. Przy 10% jest wystarczająco twarda, aby oprzeć się zużyciu i wystarczająco plastyczna, aby można ją było naciągnąć na drut i uformować w pierścienie potrzebne w pracach medycznych i przyrządowych. Przy 20% i wyżej jest jeszcze bardziej odporna na erozję łukową i zużycie, kosztem okna obróbki, które zwęża się, aż obróbka na gorąco stanie się jedyną drogą.

Dwa ograniczenia powinny znaleźć się w specyfikacji, a nie w broszurze. Stop traci iryd jako lotny tlenek w powietrzu powyżej około 1000 °C, więc gorąca część wymaga próżni, gazu obojętnego lub żywotności materiału eksploatacyjnego. A jego przewodność jest wystarczająca, a nie wyjątkowa, więc projekt, który wybiera go ze względu na wydajność elektryczną, wybrał go z niewłaściwego powodu.

Opublikowane dane dotyczące właściwości stopów platyny irydowej, podające gęstość 21,56 g/cm3 dla gatunku 10% irydu, 21,61 dla 20% i 21,69 dla 30%, oraz punkt topnienia około 1800 °C dla gatunku 10%.

Opublikowane dane dostawcy dla platyny 90 irydu 10, podające twardość Brinella od 130 do 190, wytrzymałość na rozciąganie od 380 do 620 MPa, gęstość 21,56 g/cm3 i punkt topnienia około 1800 °C.

Opublikowane dane referencyjne dla systemu platyna-iryd, podające twardość Vickersa około 56 dla czystej platyny, powszechne składy 90:10 i 70:30, oraz wzrost twardości, jaki powoduje dodatek irydu.

Opublikowane dane materiałowe dla irydu, podające gęstość 22,56 g/cm3 i punkt topnienia około 2446 °C, jako podstawę trendu gęstości w serii stopów.

Opublikowane badania utleniania irydu i stopów zawierających iryd, raportujące utratę masy w wyniku utleniania w powietrzu w temperaturze 1000 °C i identyfikujące lotny tlenek jako mechanizm, przez który iryd opuszcza powierzchnię.

Opublikowane dane dotyczące prężności par platyny, irydu i rodu w zakresie 1000-1750 °C, jako podstawa stwierdzenia o utracie w wysokiej temperaturze.

Dokumenty ISO 5832 i ASTM F75 dotyczące materiałów implantacyjnych, jako ogólne ramy, w których kwalifikowany jest materiał elektrody medycznej, zauważając, że konkretny gatunek platyny irydowej jest kwalifikowany przez producenta urządzenia zgodnie z obowiązującym standardem.

EN 10204, dokumenty inspekcyjne, dla definicji certyfikatu 3.1 jako dokumentu zawierającego rzeczywiste wyniki testów i zatwierdzonego przez niezależnego przedstawiciela inspekcji producenta.

Powyższe składy i wartości właściwości są opublikowanymi wartościami dla nazwanych gatunków i nie stanowią limitów akceptacji dla dostarczonej partii. Właściwości twardości i wytrzymałości na rozciąganie zależą od stopnia obróbki na zimno i obróbki wyżarzania, więc wartość podana dla jednego hartowania nie opisuje innego. Gęstość jest właściwością składu i jest używana tutaj do pokazania trendu w całej serii. Opisane zachowanie podczas utleniania dotyczy powietrza w temperaturze, a szybkość zależy od temperatury, przepływu gazu i stosunku powierzchni do objętości części, więc gorące zastosowanie powinno być kwalifikowane przez test, a nie przez pojedynczy limit temperatury. Gatunki platyny irydowej do użytku medycznego są kwalifikowane przez producenta urządzenia zgodnie z obowiązującym standardem, a dostawa stopu sama w sobie nie stanowi tej kwalifikacji. Specyfikacje produktów są aktualizowane, a wydanie podane w zamówieniu zakupu ma pierwszeństwo. Nic na tej stronie nie zastępuje wydania inżynieryjnego ani testów kwalifikacyjnych uzgodnionych między kupującym a dostawcą.