Hợp kim platinum iridium: Một vật liệu quan trọng trong ngành y tế, hàng không vũ trụ và bán dẫn

Iridium bạch kim được mô tả trong hầu hết các giới thiệu ngắn gọn là bạch kim với một lượng nhỏ iridium được thêm vào, và cụm từ đó loại bỏ con số duy nhất mà người mua cần. Hàm lượng iridium là thông số kỹ thuật. Nó xác định độ cứng, nó xác định khả năng chống ăn mòn, nó xác định cách hợp kim có thể được gia công, và nó xác định giá, và phạm vi thực tế được bán dao động từ vài phần trăm đến ba mươi phần trăm với các hành vi rất khác nhau ở mỗi bước.

Cùng một đặc tính khiến hợp kim hữu ích trong ba ngành công nghiệp là lý do tại sao con số lại quan trọng. Iridium là một trong số ít kim loại làm tăng độ cứng của bạch kim mà không phá hủy độ ổn định hóa học của nó, vì vậy một lượng nhỏ được thêm vào sẽ biến một kim loại mềm và dễ biến dạng thành vật liệu có độ cứng lò xo, giữ cạnh và chống mài mòn. Thêm nhiều hơn nữa, độ cứng tăng lên trong khi khả năng gia công nguội giảm xuống, cho đến khi hợp kim phải được gia công nóng và năng suất dây dẫn hoàn thành trở thành chi phí chi phối.

Trang này trình bày các bước thành phần thực tế được giao dịch, mỗi bước mang lại điều gì cho điện cực y tế, cho bộ phận đánh lửa và cho đầu dò thử nghiệm, và giới hạn nhiệt độ cao mà hợp kim chia sẻ với iridium nguyên chất và không có tiêu đề bảng dữ liệu nào đề cập đến.

Bảng này đưa ra các đặc tính thay đổi theo hàm lượng iridium, sử dụng các giá trị đã xuất bản cho các thành phần phổ biến. Khi một đặc tính không được xuất bản cho một thành phần, ô sẽ ghi rõ điều đó, vì một con số nội suy trong bảng vật liệu còn tệ hơn một ô trống.

Có hai điều đáng chú ý trong bảng đó. Mật độ tăng theo hàm lượng iridium và tăng đơn điệu, từ 21,45 đối với bạch kim nguyên chất lên 21,69 ở 30% iridium, vì iridium là kim loại nặng hơn trong hai kim loại với 22,56 g/cm3. Và bước tăng độ cứng từ bạch kim nguyên chất lên PtIr 10 lớn hơn nhiều so với bước từ PtIr 10 lên PtIr 20, đó là lý do tại sao hợp kim 10% đảm nhận phần lớn công việc y tế và dụng cụ: nó thu được phần lớn lợi ích về độ cứng trong khi vẫn là vật liệu có thể được kéo, cán và tạo hình bằng dụng cụ thông thường.

Phạm vi thành phần được lưu kho thường xuyên hẹp hơn phạm vi kỹ thuật có thể có. DLX cung cấp iridium bạch kim ở các loại 5, 10 và 15% iridium tiêu chuẩn, với hàm lượng cao hơn được sản xuất theo đơn đặt hàng, và lời khuyên thực tế cho một thiết kế mới là bắt đầu ở mức 10% và chỉ tăng lên khi phép đo mài mòn hoặc độ cứng cho thấy 10% là không đủ.

Một điện cực kích thích phải thực hiện ba việc cùng lúc. Nó phải truyền điện tích vào mô mà không bị ăn mòn, nó phải chịu được hàng triệu chu kỳ mà không thay đổi hình dạng, và nó phải được sản xuất thành dạng nhỏ và thường phức tạp. Iridium bạch kim ở mức 10% là thành phần cân bằng ba yếu tố đó, và lý do là điện hóa và cơ học chứ không phải tiếp thị.

Lý do điện hóa là độ rộng của cửa sổ mà kim loại thụ động. Bạch kim và hợp kim của nó được sử dụng vì chúng không hòa tan ở các điện thế mà xung kích đạt tới, và việc bổ sung iridium cải thiện khả năng chống ăn mòn dưới các chu kỳ lặp đi lặp lại mà không tạo ra một pha sẽ ăn mòn có chọn lọc. Lý do cơ học là hợp kim 10% đủ cứng để chống biến dạng trong quá trình bấm và lắp, và đủ dẻo để kéo thành dây hoặc tạo thành vòng mà không bị nứt.

Ba dạng sản phẩm theo sau các yêu cầu đó. Điện cực máy tạo nhịp tim hoặc điều biến thần kinh thường là dây, vòng hoặc đầu được gia công từ thanh. Vòng đánh dấu stent là một vòng mỏng. Bộ phận chèn dụng cụ phẫu thuật là một bộ phận gia công nhỏ. Cả ba đều được đặt hàng theo thành phần, theo hình dạng và theo điều kiện bề mặt, và điều kiện bề mặt rất quan trọng vì vết xước trên điện cực cấy ghép là nơi tập trung điện tích.

Ứng dụng hàng không vũ trụ thường được mô tả là bộ phận động cơ tên lửa chính xác hơn là bộ phận đánh lửa. Iridium bạch kim xuất hiện trong các điện cực bugi và đầu đánh lửa, nơi hợp kim chống xói mòn hồ quang và giữ cạnh sắc dưới phóng điện lặp đi lặp lại, và nó xuất hiện trong các bộ phận cảm biến và tiếp xúc nhỏ. Nó không phải là vật liệu của buồng đốt hoặc vòi phun, được chế tạo từ hợp kim niken, hợp kim đồng hoặc vật liệu composite carbon tùy thuộc vào chiến lược làm mát.

Sự phân biệt đó quan trọng đối với người mua vì hai yêu cầu này đi đến các nhà cung cấp khác nhau. Yêu cầu về điện cực đánh lửa iridium bạch kim là một bộ phận kim loại quý nhỏ với yêu cầu về chống mài mòn. Yêu cầu về buồng đẩy là một bộ phận kết cấu lớn với yêu cầu về nhiệt, và iridium bạch kim không phải là ứng cử viên ở bất kỳ mức giá nào.

Logic tương tự áp dụng cho danh sách bán dẫn. Hợp kim xuất hiện trong các đầu dò thử nghiệm và một số nguồn nồi nung và bay hơi, nơi độ cứng và tính trơ hóa học của nó được sử dụng ở quy mô nhỏ. Nó không xuất hiện như một vật liệu kết cấu trong nhà máy sản xuất wafer, và một trang liệt kê sản xuất bán dẫn mà không nêu tên đầu dò hoặc nồi nung đã mô tả một ngành công nghiệp chứ không phải một ứng dụng.

Iridium bị oxy hóa trong không khí ở nhiệt độ cao thành oxit dễ bay hơi, và oxit rời khỏi bề mặt và không bám trên đó như một lớp bảo vệ. Hậu quả đối với bộ phận iridium bạch kim là sự mất mát chậm chóng iridium khỏi lớp bề mặt ở nhiệt độ trên khoảng 1.000 °C trong môi trường oxy hóa, làm thay đổi cả thành phần và kích thước của một phần mỏng.

Đây là lý do tại sao điện cực iridium bạch kim được sử dụng trong ứng dụng đánh lửa chứ không phải làm phần tử lò sưởi, và lý do hợp kim được chỉ định cho điều kiện chân không, khí trơ hoặc môi trường khử khi nó hoạt động ở nhiệt độ cao. Trong không khí ở nhiệt độ cao, kim loại không bị hỏng bởi một cơ chế kịch tính. Nó đơn giản là mỏng đi, và iridium mang lại độ cứng cho nó là phần bị mất đi.

Hai hậu quả thực tế theo sau. Một dây mỏng hoặc đầu dò nhọn trong không khí trên 1.000 °C nên được coi là vật tư tiêu hao có tuổi thọ hữu hạn chứ không phải là bộ phận vĩnh cửu. Và một bộ phận đã được sử dụng trong điều kiện đó nên được kiểm tra bằng trọng lượng và kích thước chứ không phải bằng ngoại hình, vì sự mất mát đủ đồng đều để không nhìn thấy được cho đến khi phần đó biến mất.

Iridium bạch kim nhanh chóng bị hóa cứng, và cửa sổ gia công hẹp lại khi hàm lượng iridium tăng lên. Trình tự thực tế cho dây là bắt đầu từ phôi đúc hoặc thiêu kết, gia công nóng thành thanh, sau đó kéo nguội với ủ giữa các lần kéo. Số lần kéo giữa các lần ủ giảm khi hàm lượng iridium tăng lên, và ở đầu phạm vi, vật liệu rất khó kéo.

Hậu quả thương mại là giá của bộ phận iridium bạch kim được thúc đẩy bởi năng suất của quy trình gia công nhiều như bởi bản thân kim loại. Một thông số kỹ thuật yêu cầu đường kính và dung sai khó kéo sẽ mang lại chi phí không liên quan gì đến hàm lượng iridium, và người mua so sánh hai báo giá cho cùng một hợp kim danh nghĩa có thể đang so sánh hai năng suất khác nhau.

Sáu mục quyết định báo giá iridium bạch kim, và mục đầu tiên là mục mà hầu hết các yêu cầu báo giá để trống.

DLX cung cấp iridium bạch kim tại Trường Châu, Giang Tô, dưới dạng dây, ống, vòng, dải và thanh, ở các loại 5, 10 và 15% iridium tiêu chuẩn và hàm lượng cao hơn theo đơn đặt hàng. Các dạng bao gồm dây nhỏ cho điện cực và đầu dò, ống cho vòng đánh dấu, vòng cho bộ phận dụng cụ và dây lò xo cho cơ chế chính xác.

Vật liệu được cung cấp theo thành phần ghi trên đơn đặt hàng, với chứng nhận EN 10204 3.1 theo yêu cầu và số lô nhiệt có thể truy xuất nguồn gốc đến kết quả thử nghiệm. Câu hỏi quyết định báo giá là hàm lượng iridium cùng với hình dạng, vì hai mục đó xác định quy trình gia công và năng suất trước khi thảo luận về giá cả.

Nó thường có nghĩa là 10%, và đôi khi là 5% hoặc 15%. Cụm từ này được sử dụng vì lượng iridium bổ sung là nhỏ so với hàm lượng bạch kim, nhưng sự khác biệt giữa 5% và 15% là sự khác biệt giữa một sợi dây dễ kéo và một vật liệu cần một lịch trình cẩn thận. Thông số kỹ thuật nên ghi rõ phần trăm chứ không phải tính từ.

Bởi vì nó thu được phần lớn lợi ích về độ cứng của iridium trong khi vẫn là vật liệu có thể được kéo và tạo hình bằng dụng cụ thông thường. Nó chống ăn mòn dưới chu kỳ điện tích lặp đi lặp lại, nó giữ nguyên hình dạng trong quá trình bấm và lắp, và nó có thể được chế tạo thành dạng dây, vòng và gia công mà cấy ghép cần. Hàm lượng iridium cao hơn ngày càng cứng và khó gia công hơn, làm tăng chi phí của một bộ phận thường nhỏ.

Nó được sử dụng trong các bộ phận đánh lửa như điện cực bugi và đầu đánh lửa, chứ không phải là vật liệu kết cấu cho buồng đốt hoặc vòi phun. Các bộ phận lớn hơn đó được chế tạo từ hợp kim niken, hợp kim đồng hoặc vật liệu composite carbon tùy thuộc vào chiến lược làm mát. Yêu cầu về phần cứng động cơ iridium bạch kim thường là yêu cầu về điện cực.

Đủ tốt cho điện cực và không đủ tốt để được chọn vì độ dẫn điện. Bạch kim có điện trở suất gấp khoảng sáu lần đồng, và việc bổ sung iridium không cải thiện nó. Hợp kim được chọn vì độ ổn định hóa học, độ cứng và khả năng chống mài mòn, và độ dẫn điện là một đặc tính tình cờ đủ dùng chứ không phải là lý do lựa chọn.

Iridium tạo thành oxit dễ bay hơi rời khỏi bề mặt thay vì tạo thành lớp bảo vệ, vì vậy hợp kim từ từ mất iridium khỏi lớp bề mặt. Trong một phần mỏng, điều này thể hiện dưới dạng giảm kích thước và thay đổi thành phần. Hợp kim được sử dụng nóng trong chân không, khí trơ hoặc môi trường khử, và một bộ phận chạy nóng trong không khí nên được coi là vật tư tiêu hao.

Vì hai lý do cộng hưởng. Iridium đắt hơn nhiều so với bạch kim, vì vậy chi phí kim loại tăng theo phần trăm. Và cửa sổ gia công hẹp lại khi iridium tăng lên, vì vậy số lần kéo giữa các lần ủ giảm và năng suất dây dẫn hoàn thành giảm. Hiệu ứng thứ hai thường lớn hơn hiệu ứng thứ nhất đối với dây nhỏ.

Iridium bạch kim là một hợp kim bạch kim có thông số kỹ thuật là hàm lượng iridium của nó. Ở mức 10%, nó đủ cứng để chống mài mòn và đủ dẻo để kéo thành dây và tạo thành vòng mà công việc y tế và dụng cụ cần. Ở mức 20% trở lên, nó chống xói mòn hồ quang và mài mòn hơn nữa, với chi phí là cửa sổ gia công hẹp lại cho đến khi gia công nóng trở thành con đường duy nhất.

Hai giới hạn thuộc về thông số kỹ thuật chứ không phải tài liệu quảng cáo. Hợp kim mất iridium dưới dạng oxit dễ bay hơi trong không khí trên khoảng 1.000 °C, vì vậy bộ phận nóng cần chân không, khí trơ hoặc tuổi thọ tiêu hao. Và độ dẫn điện của nó đủ dùng chứ không phải đặc biệt, vì vậy một thiết kế chọn nó vì hiệu suất điện đã chọn nó vì lý do sai.

Dữ liệu thuộc tính đã xuất bản cho hợp kim iridium bạch kim, cho mật độ 21,56 g/cm3 cho loại 10% iridium, 21,61 cho 20% và 21,69 cho 30%, và điểm nóng chảy khoảng 1.800 °C cho loại 10%.

Dữ liệu nhà cung cấp đã xuất bản cho bạch kim 90 iridium 10, cho độ cứng Brinell từ 130 đến 190, độ bền kéo từ 380 đến 620 MPa, mật độ 21,56 g/cm3 và điểm nóng chảy khoảng 1.800 °C.

Dữ liệu tham khảo đã xuất bản cho hệ thống iridium bạch kim, cho độ cứng Vickers khoảng 56 đối với bạch kim nguyên chất, các thành phần phổ biến 90:10 và 70:30, và sự gia tăng độ cứng mà việc bổ sung iridium mang lại.

Dữ liệu vật liệu đã xuất bản cho iridium, cho mật độ 22,56 g/cm3 và điểm nóng chảy khoảng 2.446 °C, làm cơ sở cho xu hướng mật độ trên dòng hợp kim.

Các nghiên cứu oxy hóa đã xuất bản về iridium và các hợp kim chứa iridium, báo cáo sự giảm trọng lượng do oxy hóa trong không khí ở 1.000 °C và xác định oxit dễ bay hơi là cơ chế mà iridium rời khỏi bề mặt.

Dữ liệu đã xuất bản về áp suất hơi của bạch kim, iridium và rhodium trong phạm vi 1.000 đến 1.750 °C, làm cơ sở cho tuyên bố mất mát ở nhiệt độ cao.

Các tài liệu ISO 5832 và ASTM F75 cho vật liệu cấy ghép, làm khuôn khổ chung mà vật liệu điện cực y tế được đủ điều kiện, lưu ý rằng một loại iridium bạch kim cụ thể được đủ điều kiện bởi nhà sản xuất thiết bị theo tiêu chuẩn áp dụng.

EN 10204, tài liệu kiểm tra, cho định nghĩa chứng nhận 3.1 là một tài liệu mang kết quả thử nghiệm thực tế và được đại diện kiểm tra độc lập của nhà sản xuất xác nhận.

Các thành phần và giá trị thuộc tính trên là các giá trị đã xuất bản cho các loại được đặt tên, và chúng không phải là giới hạn chấp nhận cho một lô hàng được giao. Độ cứng và các thuộc tính kéo phụ thuộc vào lượng gia công nguội và xử lý ủ, vì vậy một giá trị được trích dẫn cho một độ cứng không mô tả độ cứng khác. Mật độ là một thuộc tính của thành phần và được sử dụng ở đây để cho thấy xu hướng trên dòng sản phẩm. Hành vi oxy hóa được mô tả áp dụng cho không khí ở nhiệt độ cao, và tốc độ phụ thuộc vào nhiệt độ, luồng khí và tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích của bộ phận, vì vậy ứng dụng nóng nên được đủ điều kiện bằng thử nghiệm chứ không phải bằng một giới hạn nhiệt độ duy nhất. Các loại iridium bạch kim cho mục đích y tế được đủ điều kiện bởi nhà sản xuất thiết bị theo tiêu chuẩn áp dụng, và việc cung cấp hợp kim tự nó không cấu thành sự đủ điều kiện đó. Thông số kỹ thuật sản phẩm được sửa đổi, và phiên bản được đặt tên trên đơn đặt hàng sẽ chi phối. Không có gì trong trang này có thể thay thế cho việc phát hành kỹ thuật hoặc cho thử nghiệm đủ điều kiện đã thỏa thuận giữa người mua và người bán.