Platin-Iridium-Legierung: Ein wichtiges Material in der Medizin-, Luft- und Raumfahrtindustrie und in der Halbleiterindustrie

Platin-Iridium wird in den meisten kurzen Einführungen als Platin mit einer kleinen Zugabe von Iridium beschrieben, und diese Formulierung lässt die einzige Zahl weg, die ein Käufer benötigt. Der Iridiumgehalt ist die Spezifikation. Er bestimmt die Härte, die Korrosionsbeständigkeit, die Bearbeitbarkeit der Legierung und ihren Preis, und die tatsächlich verkaufte Bandbreite reicht von wenigen Prozent bis zu dreißig Prozent mit sehr unterschiedlichem Verhalten bei jedem Schritt.

Die gleiche Eigenschaft, die die Legierung in drei Industriezweigen nützlich macht, ist der Grund, warum die Zahl wichtig ist. Iridium ist eines der wenigen Metalle, das die Härte von Platin erhöht, ohne seine chemische Stabilität zu zerstören. Eine kleine Zugabe verwandelt ein weiches und leicht verformbares Metall in ein federhartes Material, das eine scharfe Kante behält und verschleißfest ist. Fügt man mehr hinzu, steigt die Härte weiter, während die Kaltverformbarkeit abnimmt, bis die Legierung warmverformt werden muss und die Ausbeute an fertigem Draht die dominierenden Kosten darstellt.

Diese Seite beschreibt die tatsächlich gehandelten Zusammensetzungsschritte, was jeder Schritt bei einer medizinischen Elektrode, einer Zündkomponente und einer Testsonde bewirkt, und die Hochtemperaturbegrenzung, die die Legierung mit reinem Iridium teilt und die kein Datenblatt-Schlagzeil erwähnt.

Die Tabelle zeigt die Eigenschaften, die sich mit dem Iridiumgehalt ändern, anhand veröffentlichter Werte für die gängigen Zusammensetzungen. Wo eine Eigenschaft für eine Zusammensetzung nicht veröffentlicht ist, sagt die Zelle dies, da eine interpolierte Zahl in einer Materialtabelle schlechter ist als eine leere Zelle.

Zwei Dinge sind in dieser Tabelle bemerkenswert. Die Dichte steigt mit dem Iridiumgehalt und zwar monoton, von 21,45 für reines Platin auf 21,69 bei 30 % Iridium, da Iridium mit 22,56 g/cm3 das dichtere der beiden Metalle ist. Und der Härteschritt von reinem Platin zu PtIr 10 ist viel größer als der Schritt von PtIr 10 zu PtIr 20, weshalb die 10 %ige Legierung den Großteil der medizinischen und Instrumentenarbeiten abdeckt: Sie erzielt den größten Teil des Härtegewinns und bleibt ein Material, das mit normalem Werkzeug gezogen, gewalzt und geformt werden kann.

Der Bereich der routinemäßig lagerhaltigen Zusammensetzungen ist enger als der technisch mögliche Bereich. DLX liefert Platin-Iridium standardmäßig in den Iridiumgehalten 5, 10 und 15 %; höhere Gehalte werden auf Bestellung gefertigt. Der praktische Rat für ein neues Design ist, bei 10 % zu beginnen und nur dann aufzusteigen, wenn eine Verschleiß- oder Härtemessung zeigt, dass 10 % nicht ausreichen.

Eine stimulierende Elektrode muss drei Dinge gleichzeitig tun. Sie muss Ladung ohne Korrosion in Gewebe leiten, sie muss Millionen von Zyklen überstehen, ohne ihre Form zu ändern, und sie muss zu einer kleinen und oft komplexen Form herstellbar sein. Platin-Iridium mit 10 % ist die Zusammensetzung, die diese drei Aspekte ausbalanciert, und die Gründe sind elektrochemisch und mechanisch und nicht Marketing.

Der elektrochemische Grund ist die Breite des Fensters, in dem das Metall passiv ist. Platin und seine Legierungen werden verwendet, weil sie sich bei den Potenzialen eines Stimulationspulses nicht auflösen. Die Iridiumzugabe verbessert die Korrosionsbeständigkeit bei wiederholten Zyklen, ohne eine Phase einzuführen, die selektiv korrodieren würde. Der mechanische Grund ist, dass die 10 %ige Legierung hart genug ist, um Verformungen beim Crimpen und Einführen zu widerstehen, und duktil genug, um zu Draht gezogen oder zu einem Ring geformt zu werden, ohne zu reißen.

Drei Produktformen ergeben sich aus diesen Anforderungen. Eine Herzschrittmacher- oder Neuromodulationselektrode ist normalerweise ein Draht, ein Ring oder eine Spitze, die aus einem Stab gefräst wird. Ein Stent-Markerband ist ein dünner Ring. Ein chirurgisches Instrumenteneinsatzteil ist ein kleines gefrästes Teil. Alle drei werden nach Zusammensetzung, Form und Oberflächenbeschaffenheit bestellt, und die Oberflächenbeschaffenheit ist wichtig, da ein Kratzer auf einer implantierten Elektrode eine Stelle für Ladungskonzentration ist.

Die Luft- und Raumfahrtanwendung, die üblicherweise als Raketentriebwerkskomponente beschrieben wird, ist genauer gesagt eine Zündkomponente. Platin-Iridium findet sich in Zündkerzenelektroden und Zündspitzen, wo die Legierung der Lichtbogenerosion widersteht und unter wiederholter Entladung eine scharfe Kante behält, und sie findet sich in kleinen Sensor- und Kontaktteilen. Es ist nicht das Material einer Brennkammer oder einer Düse, die je nach Kühlstrategie aus Nickellegierungen, Kupferlegierungen oder Kohlenstoffverbundwerkstoffen gefertigt werden.

Dieser Unterschied ist für einen Käufer wichtig, da die beiden Anfragen an unterschiedliche Lieferanten gehen. Eine Anfrage nach Platin-Iridium-Zündelektroden ist ein kleines Edelmetallteil mit einer Verschleißanforderung. Eine Anfrage nach einer Schubkammer ist eine große Strukturkomponente mit einer thermischen Anforderung, und Platin-Iridium ist zu keinem Preis eine Option.

Die gleiche Logik gilt für die Halbleiterliste. Die Legierung findet sich in Testspitzen und einigen Tiegeln und Verdampfungsquellen, wo ihre Härte und chemische Inertheit in kleinem Maßstab genutzt werden. Sie erscheint nicht als strukturelles Material in einer Wafer-Fabrik, und eine Seite, die die Halbleiterfertigung auflistet, ohne die Sonde oder den Tiegel zu nennen, hat eine Industrie und keine Anwendung beschrieben.

Iridium oxidiert an Luft bei hoher Temperatur zu einem flüchtigen Oxid, und das Oxid verlässt die Oberfläche und bildet keine schützende Kruste. Die Folge für ein Platin-Iridium-Teil ist ein langsamer Verlust von Iridium aus der Oberflächenschicht bei Temperaturen über etwa 1.000 °C in oxidierender Atmosphäre, was sowohl die Zusammensetzung als auch die Abmessungen eines dünnen Querschnitts verändert.

Dies ist der Grund, warum eine Platin-Iridium-Elektrode in einer Zündanwendung und nicht als Heizelement verwendet wird, und der Grund, warum die Legierung für Vakuum-, Inertgas- oder reduzierende Bedingungen spezifiziert wird, wenn sie heiß läuft. An Luft bei Temperatur versagt das Metall nicht durch einen dramatischen Mechanismus. Es wird einfach dünner, und das Iridium, das ihm die Härte verlieh, ist das, was abgetragen wird.

Zwei praktische Konsequenzen ergeben sich daraus. Ein dünner Draht oder eine feine Sondenspitze an Luft über 1.000 °C sollte als Verbrauchsmaterial mit begrenzter Lebensdauer und nicht als permanenter Bestandteil behandelt werden. Und ein Teil, das in diesem Dienst war, sollte nach Gewicht und Abmessung und nicht nach Aussehen überprüft werden, da der Verlust gleichmäßig genug ist, um unsichtbar zu sein, bis der Querschnitt verschwunden ist.

Platin-Iridium verfestigt sich schnell, und das Bearbeitungsfenster verengt sich mit steigendem Iridiumgehalt. Die praktische Abfolge für Draht ist, von einem gegossenen oder gesinterten Block auszugehen, ihn warm zu einem Stab zu verarbeiten und ihn dann mit einer Zwischenglühung zwischen den Durchgängen zu ziehen. Die Anzahl der Durchgänge zwischen den Glühungen nimmt mit steigendem Iridiumgehalt ab, und am oberen Ende des Bereichs ist das Material überhaupt schwer zu ziehen.

Die kommerzielle Konsequenz ist, dass der Preis eines Platin-Iridium-Teils genauso stark von der Ausbeute des Bearbeitungswegs bestimmt wird wie vom Metall selbst. Eine Spezifikation, die einen Durchmesser und eine Toleranz verlangt, die schwer zu ziehen sind, hat Kosten, die nichts mit dem Iridiumgehalt zu tun haben, und ein Käufer, der zwei Angebote für die gleiche nominale Legierung vergleicht, vergleicht möglicherweise zwei unterschiedliche Ausbeuten.

Sechs Punkte bestimmen ein Angebot für Platin-Iridium, und der erste ist der Punkt, den die meisten Anfragen vage lassen.

DLX liefert Platin-Iridium in Changzhou, Jiangsu, als Draht, Rohr, Ring, Band und Stab, standardmäßig in den Iridiumgehalten 5, 10 und 15 % und in höheren Gehalten auf Bestellung. Die Formen umfassen Feindraht für Elektroden und Sonden, Rohr für Marker-Bänder, Ring für Instrumententeile und Federdraht für Präzisionsmechanismen.

Das Material wird gemäß der auf der Bestellung angegebenen Zusammensetzung geliefert, mit einem EN 10204 3.1-Zertifikat auf Anfrage und der Chargennummer, die auf die Testergebnisse rückverfolgbar ist. Die Frage, die ein Angebot bestimmt, ist der Iridiumgehalt zusammen mit der Form, da diese beiden Punkte den Bearbeitungsweg und die Ausbeute festlegen, bevor überhaupt über den Preis gesprochen wird.

Es bedeutet normalerweise 10 %, manchmal 5 oder 15 %. Die Formulierung wird verwendet, weil die Iridiumzugabe im Vergleich zum Platinanteil gering ist, aber der Unterschied zwischen 5 % und 15 % ist der Unterschied zwischen einem leicht zu ziehenden Draht und einem Material, das eine sorgfältige Planung erfordert. Eine Spezifikation sollte den Prozentsatz und nicht das Adjektiv angeben.

Weil es den größten Teil des Härtegewinns von Iridium erzielt und gleichzeitig ein Material bleibt, das mit normalem Werkzeug gezogen und geformt werden kann. Es widersteht Korrosion bei wiederholten Ladungszyklen, behält seine Form beim Crimpen und Einführen und kann zu den Draht-, Ring- und gefrästen Formen verarbeitet werden, die ein Implantat benötigt. Höhere Iridiumgehalte sind härter und schwieriger zu bearbeiten, was die Kosten eines normalerweise kleinen Teils erhöht.

Es wird in Zündkomponenten wie Zündkerzenelektroden und Zündspitzen verwendet, nicht als strukturelles Material für eine Kammer oder Düse. Diese größeren Teile werden je nach Kühlstrategie aus Nickellegierungen, Kupferlegierungen oder Kohlenstoffverbundwerkstoffen gefertigt. Eine Anfrage nach Platin-Iridium-Triebwerksteilen ist normalerweise eine Anfrage nach einer Elektrode.

Gut genug für eine Elektrode und nicht gut genug, um wegen seiner Leitfähigkeit ausgewählt zu werden. Platin hat einen spezifischen Widerstand, der etwa sechsmal so hoch ist wie der von Kupfer, und die Iridiumzugabe verbessert ihn nicht. Die Legierung wird wegen ihrer chemischen Stabilität, Härte und Verschleißfestigkeit ausgewählt, und die Leitfähigkeit ist eine Eigenschaft, die zufällig ausreichend ist und nicht der Grund für die Wahl.

Iridium bildet ein flüchtiges Oxid, das die Oberfläche verlässt, anstatt eine schützende Kruste zu bilden, so dass die Legierung langsam Iridium aus der Oberflächenschicht verliert. Bei dünnen Querschnitten zeigt sich dies als Dimensionsreduzierung und Zusammensetzungsänderung. Die Legierung wird heiß in Vakuum, Inertgas oder reduzierenden Bedingungen verwendet, und ein Teil, das heiß an Luft läuft, sollte als Verbrauchsmaterial behandelt werden.

Aus zwei sich verstärkenden Gründen. Iridium ist viel teurer als Platin, daher steigen die Materialkosten mit dem Prozentsatz. Und das Bearbeitungsfenster verengt sich mit steigendem Iridium, so dass die Anzahl der Ziehzüge zwischen den Glühungen abnimmt und die Ausbeute an fertigem Draht sinkt. Der zweite Effekt ist für einen Feindraht oft größer als der erste.

Platin-Iridium ist eine Platinlegierung, deren Spezifikation ihr Iridiumgehalt ist. Bei 10 % ist sie hart genug, um Verschleiß zu widerstehen, und duktil genug, um zu dem Draht gezogen und zu den Ringen geformt zu werden, die medizinische und instrumentelle Arbeiten erfordern. Bei 20 % und höher widersteht sie weiter der Lichtbogenerosion und dem Verschleiß, auf Kosten eines Bearbeitungsfensters, das sich verengt, bis die Warmumformung die einzige Route ist.

Zwei Grenzwerte gehören in die Spezifikation und nicht in die Broschüre. Die Legierung verliert Iridium als flüchtiges Oxid an Luft über etwa 1.000 °C, so dass ein heißes Teil Vakuum, Inertgas oder eine begrenzte Lebensdauer benötigt. Und ihre Leitfähigkeit ist ausreichend und nicht außergewöhnlich, so dass ein Design, das sie wegen ihrer elektrischen Leistung auswählt, sie aus dem falschen Grund ausgewählt hat.

Veröffentlichte Eigenschaftsdaten für Platin-Iridium-Legierungen, die eine Dichte von 21,56 g/cm3 für die 10 %ige Iridiumsorte, 21,61 für 20 % und 21,69 für 30 % sowie einen Schmelzpunkt von etwa 1.800 °C für die 10 %ige Sorte angeben.

Veröffentlichte Lieferantendaten für Platin 90 Iridium 10, die eine Brinell-Härte von 130 bis 190, eine Zugfestigkeit von 380 bis 620 MPa, eine Dichte von 21,56 g/cm3 und einen Schmelzpunkt von etwa 1.800 °C angeben.

Veröffentlichte Referenzdaten für das Platin-Iridium-System, die eine Vickers-Härte von etwa 56 für reines Platin, die gängigen 90:10 und 70:30 Zusammensetzungen und die Zunahme der Härte, die die Iridiumzugabe bewirkt, angeben.

Veröffentlichte Materialdaten für Iridium, die eine Dichte von 22,56 g/cm3 und einen Schmelzpunkt von etwa 2.446 °C als Grundlage für den Dichtetrend über die Legierungsserie hinweg angeben.

Veröffentlichte Oxidationsstudien von Iridium und Iridium-haltigen Legierungen, die Gewichtsverlust durch Oxidation an Luft bei 1.000 °C berichten und das flüchtige Oxid als Mechanismus identifizieren, durch den Iridium die Oberfläche verlässt.

Veröffentlichte Daten zum Dampfdruck von Platin, Iridium und Rhodium im Bereich von 1.000 bis 1.750 °C als Grundlage für die Aussage über den Hochtemperaturverlust.

ISO 5832 und ASTM F75-Familien-Dokumente für Implantatmaterialien als allgemeiner Rahmen, innerhalb dessen ein medizinisches Elektrodenmaterial qualifiziert wird, wobei zu beachten ist, dass eine spezifische Platin-Iridium-Sorte vom Gerätehersteller gemäß dem geltenden Standard qualifiziert wird.

EN 10204, Prüfdokumente, für die Definition des 3.1-Zertifikats als Dokument, das tatsächliche Testergebnisse enthält und von einem unabhängigen Prüfbeauftragten des Herstellers bestätigt wird.

Die oben genannten Zusammensetzungen und Eigenschaftswerte sind veröffentlichte Werte für die genannten Sorten und keine Akzeptanzgrenzen für eine gelieferte Charge. Härte- und Zugfestigkeitseigenschaften hängen von der Kaltverformungsmenge und der Glühbehandlung ab, so dass ein für eine bestimmte Temperatur angegebener Wert keine andere beschreibt. Die Dichte ist eine Eigenschaft der Zusammensetzung und wird hier verwendet, um den Trend über die Serie hinweg zu zeigen. Das beschriebene Oxidationsverhalten gilt für Luft bei Temperatur, und die Rate hängt von Temperatur, Gasfluss und dem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Teils ab, so dass eine heiße Anwendung durch Tests und nicht durch eine einzelne Temperaturgrenze qualifiziert werden sollte. Platin-Iridium-Sorten für medizinische Zwecke werden vom Gerätehersteller gemäß dem geltenden Standard qualifiziert, und die Legierungslieferung allein stellt diese Qualifizierung nicht dar. Produktspezifikationen werden überarbeitet, und die auf der Bestellung angegebene Ausgabe ist maßgebend. Nichts auf dieser Seite ersetzt eine technische Freigabe oder die zwischen Käufer und Lieferant vereinbarte Qualifizierungsprüfung.