โลหะผสมแพลทินัมอิริเดียม: วัสดุสำคัญในอุตสาหกรรมทางการแพทย์ การบินและอวกาศ และเซมิคอนดักเตอร์

แพลทินัมอิริเดียมถูกอธิบายไว้ในบทนำสั้นๆ ส่วนใหญ่ว่าเป็นแพลทินัมที่มีอิริเดียมผสมเล็กน้อย และวลีนั้นได้ตัดตัวเลขเดียวที่ผู้ซื้อต้องการออกไป ปริมาณอิริเดียมคือข้อกำหนด มันกำหนดความแข็ง กำหนดความต้านทานการกัดกร่อน กำหนดวิธีการทำงานของโลหะผสม และกำหนดราคา และช่วงที่มีการขายจริงตั้งแต่ไม่กี่เปอร์เซ็นต์ถึงสามสิบเปอร์เซ็นต์ โดยมีพฤติกรรมที่แตกต่างกันในแต่ละขั้นตอน

คุณสมบัติเดียวกันที่ทำให้โลหะผสมมีประโยชน์ในสามอุตสาหกรรมคือเหตุผลที่ตัวเลขมีความสำคัญ อิริเดียมเป็นหนึ่งในโลหะไม่กี่ชนิดที่เพิ่มความแข็งของแพลทินัมโดยไม่ทำลายความเสถียรทางเคมี ดังนั้นการเติมเล็กน้อยจะเปลี่ยนโลหะที่อ่อนและเสียรูปได้ง่ายให้กลายเป็นวัสดุที่แข็งแรงเหมือนสปริงที่คงคมและทนทานต่อการสึกหรอ เพิ่มอีกและความแข็งจะเพิ่มขึ้นอีก ในขณะที่ความสามารถในการทำงานเย็นจะลดลง จนกว่าโลหะผสมจะต้องทำงานด้วยความร้อน และผลผลิตของลวดสำเร็จรูปจะกลายเป็นต้นทุนหลัก

หน้านี้แสดงขั้นตอนการผสมที่ซื้อขายกันจริง สิ่งที่แต่ละขั้นตอนซื้อได้ในขั้วไฟฟ้าทางการแพทย์ ในส่วนประกอบจุดระเบิด และในหัววัดทดสอบ และข้อจำกัดอุณหภูมิสูงที่โลหะผสมใช้ร่วมกับอิริเดียมบริสุทธิ์ และที่ไม่มีเอกสารข้อมูลใดกล่าวถึงในหัวข้อข่าว

ตารางแสดงคุณสมบัติที่เปลี่ยนแปลงไปตามปริมาณอิริเดียม โดยใช้ค่าที่เผยแพร่สำหรับส่วนประกอบทั่วไป ในกรณีที่ไม่มีการเผยแพร่คุณสมบัติสำหรับส่วนประกอบใดๆ เซลล์จะระบุไว้ เนื่องจากตัวเลขที่ประมาณค่าในตารางวัสดุจะแย่กว่าค่าว่าง

มีสองสิ่งที่ควรสังเกตในตารางนั้น ความหนาแน่นเพิ่มขึ้นตามปริมาณอิริเดียมและเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง จาก 21.45 สำหรับแพลทินัมบริสุทธิ์ เป็น 21.69 ที่อิริเดียม 30% เนื่องจากอิริเดียมมีความหนาแน่นมากกว่าโลหะทั้งสองที่ 22.56 g/cm3 และขั้นความแข็งจากแพลทินัมบริสุทธิ์เป็น PtIr 10 นั้นใหญ่กว่าขั้นจาก PtIr 10 เป็น PtIr 20 มาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมโลหะผสม 10% จึงมีงานทางการแพทย์และเครื่องมือส่วนใหญ่: มันจับประโยชน์ด้านความแข็งส่วนใหญ่ไว้ได้ ในขณะที่ยังคงเป็นวัสดุที่สามารถดึง รีด และขึ้นรูปได้ด้วยเครื่องมือทั่วไป

ช่วงส่วนประกอบที่มีสต็อกตามปกติจะแคบกว่าช่วงที่เป็นไปได้ทางเทคนิค DLX จัดหาแพลทินัมอิริเดียมในเกรดอิริเดียม 5, 10 และ 15% เป็นมาตรฐาน โดยมีปริมาณที่สูงกว่าผลิตตามสั่ง และคำแนะนำเชิงปฏิบัติสำหรับการออกแบบใหม่คือให้เริ่มต้นที่ 10% และเพิ่มขึ้นเฉพาะเมื่อการวัดการสึกหรอหรือความแข็งแสดงว่า 10% ยังไม่เพียงพอ

ขั้วไฟฟ้ากระตุ้นต้องทำสามสิ่งพร้อมกัน มันต้องส่งประจุเข้าสู่เนื้อเยื่อโดยไม่กัดกร่อน มันต้องทนทานต่อรอบการทำงานหลายล้านครั้งโดยไม่เปลี่ยนรูปร่าง และมันต้องสามารถผลิตเป็นรูปทรงเล็กๆ และซับซ้อนได้ แพลทินัมอิริเดียมที่ 10% คือส่วนประกอบที่สมดุลทั้งสามอย่างนี้ และเหตุผลคือทางไฟฟ้าเคมีและทางกล ไม่ใช่การตลาด

เหตุผลทางไฟฟ้าเคมีคือความกว้างของหน้าต่างที่โลหะมีความเฉื่อย แพลทินัมและโลหะผสมของมันถูกใช้เพราะมันไม่ละลายที่ศักย์ไฟฟ้าที่พัลส์กระตุ้นไปถึง และการเติมอิริเดียมช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนภายใต้การหมุนเวียนซ้ำๆ โดยไม่แนะนำเฟสที่จะกัดกร่อนแบบเลือกได้ เหตุผลทางกลคือโลหะผสม 10% นั้นแข็งพอที่จะทนทานต่อการเสียรูประหว่างการบีบอัดและการสอดใส่ และเหนียวพอที่จะดึงเป็นลวดหรือขึ้นรูปเป็นวงแหวนได้โดยไม่แตก

รูปแบบผลิตภัณฑ์สามรูปแบบตามข้อกำหนดเหล่านี้ ขั้วไฟฟ้าเครื่องกระตุ้นหัวใจหรือการปรับระบบประสาทมักจะเป็นลวด วงแหวน หรือปลายที่กลึงจากแท่ง แถบเครื่องหมายขดลวดคือวงแหวนบางๆ ส่วนประกอบเครื่องมือผ่าตัดคือชิ้นส่วนกลึงขนาดเล็ก ทั้งสามอย่างสั่งซื้อตามส่วนประกอบ ตามรูปแบบ และตามสภาพพื้นผิว และสภาพพื้นผิวมีความสำคัญเนื่องจากรอยขีดข่วนบนขั้วไฟฟ้าที่ฝังอยู่เป็นจุดที่ประจุเข้มข้น

การใช้งานในอวกาศยานที่มักอธิบายว่าเป็นส่วนประกอบเครื่องยนต์จรวดนั้นแม่นยำกว่าคือส่วนประกอบจุดระเบิด แพลทินัมอิริเดียมปรากฏในขั้วหัวเทียนและปลายหัวจุดระเบิด ซึ่งโลหะผสมทนทานต่อการกัดเซาะด้วยประกายไฟและคงความคมภายใต้การปล่อยซ้ำๆ และปรากฏในเซ็นเซอร์ขนาดเล็กและส่วนประกอบสัมผัส ไม่ใช่วัสดุของห้องเผาไหม้หรือหัวฉีด ซึ่งสร้างจากโลหะผสมนิกเกิล โลหะผสมทองแดง หรือคอมโพสิตคาร์บอน ขึ้นอยู่กับกลยุทธ์การระบายความร้อน

ความแตกต่างนั้นมีความสำคัญต่อผู้ซื้อ เนื่องจากคำถามสองประเภทจะไปหาซัพพลายเออร์ที่แตกต่างกัน คำขอขั้วไฟฟ้าจุดระเบิดแพลทินัมอิริเดียมคือชิ้นส่วนโลหะมีค่าขนาดเล็กที่มีข้อกำหนดด้านการสึกหรอ คำขอสำหรับห้องขับดันคือส่วนประกอบโครงสร้างขนาดใหญ่ที่มีข้อกำหนดด้านความร้อน และแพลทินัมอิริเดียมไม่ใช่ตัวเลือกไม่ว่าจะราคาเท่าใดก็ตาม

ตรรกะเดียวกันนี้ใช้กับรายการเซมิคอนดักเตอร์ โลหะผสมปรากฏในหัววัดทดสอบและในเบ้าหลอมและแหล่งระเหยบางชนิด ซึ่งใช้ความแข็งและความเฉื่อยทางเคมีในระดับเล็กๆ ไม่ปรากฏเป็นวัสดุโครงสร้างในโรงงานผลิตเวเฟอร์ และหน้าที่มีรายการการผลิตเซมิคอนดักเตอร์โดยไม่ระบุชื่อหัววัดหรือเบ้าหลอมได้อธิบายอุตสาหกรรม ไม่ใช่การใช้งาน

อิริเดียมจะเกิดออกซิเดชันในอากาศที่อุณหภูมิสูงให้เป็นออกไซด์ที่ระเหยง่าย และออกไซด์จะออกจากพื้นผิวและไม่เกาะติดเป็นชั้นป้องกัน ผลที่ตามมาสำหรับชิ้นส่วนแพลทินัมอิริเดียมคือการสูญเสียอิริเดียมอย่างช้าๆ จากชั้นพื้นผิวที่อุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 1,000 °C ในบรรยากาศที่เกิดออกซิเดชัน ซึ่งจะเปลี่ยนทั้งส่วนประกอบและมิติของส่วนที่บาง

นี่คือเหตุผลที่ขั้วไฟฟ้าแพลทินัมอิริเดียมถูกใช้ในการใช้งานจุดระเบิดและไม่ใช่เป็นองค์ประกอบของเตาหลอม และเหตุผลที่โลหะผสมถูกระบุสำหรับสภาวะสุญญากาศ บรรยากาศเฉื่อย หรือสภาวะรีดิวซิงเมื่อทำงานที่อุณหภูมิสูง ในอากาศที่อุณหภูมิสูง โลหะจะไม่ล้มเหลวด้วยกลไกที่รุนแรง มันจะบางลง และอิริเดียมที่ทำให้มันแข็งคือส่วนที่หายไป

ผลที่ตามมาในทางปฏิบัติสองประการ ลวดบางหรือปลายหัววัดที่ละเอียดในอากาศที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,000 °C ควรได้รับการปฏิบัติเสมือนเป็นวัสดุสิ้นเปลืองที่มีอายุจำกัด และไม่ใช่ส่วนประกอบถาวร และชิ้นส่วนที่เคยใช้งานในสภาวะดังกล่าวควรได้รับการตรวจสอบตามน้ำหนักและมิติ ไม่ใช่ตามรูปลักษณ์ เนื่องจากมีการสูญเสียที่สม่ำเสมอพอที่จะมองไม่เห็นจนกว่าส่วนนั้นจะหายไป

แพลทินัมอิริเดียมจะแข็งตัวเร็ว และช่วงการทำงานจะแคบลงเมื่อปริมาณอิริเดียมเพิ่มขึ้น ลำดับการทำงานจริงสำหรับลวดคือการเริ่มต้นจากแท่งหล่อหรือเผาผนึก ทำให้เป็นแท่งด้วยการทำงานด้วยความร้อน จากนั้นจึงดึงด้วยการอบอ่อนระหว่างการดึง จำนวนครั้งในการดึงระหว่างการอบอ่อนจะลดลงเมื่อปริมาณอิริเดียมเพิ่มขึ้น และที่ส่วนบนของช่วง วัสดุจะทำงานได้ยากมาก

ผลกระทบทางการค้าคือราคาของชิ้นส่วนแพลทินัมอิริเดียมถูกขับเคลื่อนโดยผลผลิตของเส้นทางการทำงานมากเท่ากับตัวโลหะเอง ข้อกำหนดที่ขอเส้นผ่านศูนย์กลางและความคลาดเคลื่อนที่ดึงได้ยากจะมีต้นทุนที่ไม่เกี่ยวข้องกับปริมาณอิริเดียม และผู้ซื้อที่เปรียบเทียบใบเสนอราคา 2 รายการสำหรับโลหะผสมเดียวกันอาจกำลังเปรียบเทียบผลผลิตที่แตกต่างกัน

หกรายการตัดสินใบเสนอราคาแพลทินัมอิริเดียม และรายการแรกคือรายการที่การสอบถามส่วนใหญ่ปล่อยให้คลุมเครือ

DLX จัดหาแพลทินัมอิริเดียมในฉางโจว มณฑลเจียงซู ในรูปแบบลวด ท่อ วงแหวน แถบ และแท่ง ในเกรดอิริเดียม 5, 10 และ 15% เป็นมาตรฐาน และในปริมาณที่สูงกว่าตามสั่ง รูปแบบต่างๆ ได้แก่ ลวดละเอียดสำหรับขั้วไฟฟ้าและหัววัด ท่อสำหรับแถบเครื่องหมาย วงแหวนสำหรับชิ้นส่วนเครื่องมือ และลวดสปริงสำหรับกลไกความแม่นยำ

วัสดุจะถูกจัดหาตามส่วนประกอบที่ระบุในคำสั่งซื้อ พร้อมใบรับรอง EN 10204 3.1 ตามคำขอ และหมายเลขความร้อนสามารถตรวจสอบย้อนกลับไปยังผลการทดสอบได้ คำถามที่ตัดสินใบเสนอราคาคือปริมาณอิริเดียมร่วมกับรูปแบบ เนื่องจากสองรายการนี้กำหนดเส้นทางการทำงานและผลผลิตก่อนที่จะมีการพูดคุยเรื่องราคา

โดยปกติหมายถึง 10% และบางครั้ง 5% หรือ 15% วลีนี้ใช้เพราะการเติมอิริเดียมมีปริมาณน้อยเมื่อเทียบกับปริมาณแพลทินัม แต่ความแตกต่างระหว่าง 5% และ 15% คือความแตกต่างระหว่างลวดที่ดึงได้ง่ายกับวัสดุที่ต้องใช้ตารางการทำงานที่รอบคอบ ข้อกำหนดควรกำหนดเปอร์เซ็นต์ ไม่ใช่วลีคุณศัพท์

เพราะมันจับประโยชน์ด้านความแข็งของอิริเดียมได้มากที่สุด ในขณะที่ยังคงเป็นวัสดุที่สามารถดึงและขึ้นรูปได้ด้วยเครื่องมือทั่วไป มันทนทานต่อการกัดกร่อนภายใต้การหมุนเวียนประจุซ้ำๆ มันคงรูปทรงระหว่างการบีบอัดและการสอดใส่ และสามารถทำเป็นลวด วงแหวน และรูปทรงที่กลึงได้ตามที่อุปกรณ์ฝังต้องการ ปริมาณอิริเดียมที่สูงขึ้นจะแข็งขึ้นและทำงานได้ยากขึ้น ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนของชิ้นส่วนที่มีขนาดเล็กโดยทั่วไป

มีการใช้ในส่วนประกอบจุดระเบิด เช่น ขั้วหัวเทียนและปลายหัวจุดระเบิด และไม่ใช่เป็นวัสดุโครงสร้างสำหรับห้องเผาไหม้หรือหัวฉีด ชิ้นส่วนที่ใหญ่กว่าเหล่านั้นสร้างจากโลหะผสมนิกเกิล โลหะผสมทองแดง หรือคอมโพสิตคาร์บอน ขึ้นอยู่กับกลยุทธ์การระบายความร้อน คำขอฮาร์ดแวร์เครื่องยนต์แพลทินัมอิริเดียมมักจะเป็นคำขอสำหรับขั้วไฟฟ้า

ดีพอสำหรับขั้วไฟฟ้า และไม่ดีพอที่จะเลือกเพราะการนำไฟฟ้า แพลทินัมมีความต้านทานประมาณหกเท่าของทองแดง และการเติมอิริเดียมไม่ได้ปรับปรุงให้ดีขึ้น โลหะผสมถูกเลือกเพราะความเสถียรทางเคมี ความแข็ง และความต้านทานการสึกหรอ และการนำไฟฟ้าเป็นคุณสมบัติที่บังเอิญเพียงพอ และไม่ใช่เหตุผลในการเลือก

อิริเดียมก่อตัวเป็นออกไซด์ที่ระเหยง่ายซึ่งออกจากพื้นผิวแทนที่จะสร้างชั้นป้องกัน ดังนั้นโลหะผสมจึงสูญเสียอิริเดียมอย่างช้าๆ จากชั้นพื้นผิว ในส่วนที่บาง สิ่งนี้จะปรากฏเป็นการลดลงของมิติและการเปลี่ยนแปลงของส่วนประกอบ โลหะผสมถูกใช้ที่อุณหภูมิสูงในสุญญากาศ ในก๊าซเฉื่อย หรือในสภาวะรีดิวซิง และชิ้นส่วนที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงในอากาศควรได้รับการปฏิบัติเสมือนเป็นวัสดุสิ้นเปลือง

ด้วยเหตุผลสองประการที่รวมกัน อิริเดียมมีราคาแพงกว่าแพลทินัมมาก ดังนั้นต้นทุนโลหะจึงเพิ่มขึ้นตามเปอร์เซ็นต์ และช่วงการทำงานจะแคบลงเมื่ออิริเดียมเพิ่มขึ้น ดังนั้นจำนวนครั้งในการดึงระหว่างการอบอ่อนจะลดลง และผลผลิตของลวดสำเร็จรูปจะลดลง ผลกระทบที่สองมักจะใหญ่กว่าผลกระทบแรกสำหรับลวดละเอียด

แพลทินัมอิริเดียมเป็นโลหะผสมแพลทินัมที่มีข้อกำหนดคือปริมาณอิริเดียม ที่ 10% มันแข็งพอที่จะทนทานต่อการสึกหรอ และเหนียวพอที่จะดึงเป็นลวดและขึ้นรูปเป็นวงแหวนที่งานทางการแพทย์และเครื่องมือต้องการ ที่ 20% และสูงกว่า มันทนทานต่อการกัดเซาะด้วยประกายไฟและการสึกหรอมากขึ้น โดยแลกกับช่วงการทำงานที่แคบลงจนการทำงานด้วยความร้อนกลายเป็นเส้นทางเดียว

ขีดจำกัดสองประการควรอยู่ในข้อกำหนด ไม่ใช่ในโบรชัวร์ โลหะผสมจะสูญเสียอิริเดียมในรูปของออกไซด์ที่ระเหยง่ายในอากาศที่อุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 1,000 °C ดังนั้นชิ้นส่วนที่ร้อนจึงต้องการสุญญากาศ ก๊าซเฉื่อย หรืออายุการใช้งานแบบวัสดุสิ้นเปลือง และการนำไฟฟ้าของมันเพียงพอ ไม่ใช่ยอดเยี่ยม ดังนั้นการออกแบบที่เลือกมันเพื่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าได้เลือกมันด้วยเหตุผลที่ผิด

ข้อมูลคุณสมบัติที่เผยแพร่สำหรับโลหะผสมแพลทินัมอิริเดียม ให้ความหนาแน่น 21.56 g/cm3 สำหรับเกรดอิริเดียม 10%, 21.61 สำหรับ 20% และ 21.69 สำหรับ 30% และจุดหลอมเหลวประมาณ 1,800 °C สำหรับเกรด 10%

ข้อมูลซัพพลายเออร์ที่เผยแพร่สำหรับแพลทินัม 90 อิริเดียม 10 ให้ความแข็ง Brinell 130 ถึง 190, ความต้านทานแรงดึง 380 ถึง 620 MPa, ความหนาแน่น 21.56 g/cm3 และจุดหลอมเหลวประมาณ 1,800 °C

ข้อมูลอ้างอิงที่เผยแพร่สำหรับระบบแพลทินัมอิริเดียม ให้ความแข็ง Vickers ประมาณ 56 สำหรับแพลทินัมบริสุทธิ์ ส่วนประกอบทั่วไป 90:10 และ 70:30 และการเพิ่มขึ้นของความแข็งที่เกิดจากการเติมอิริเดียม

ข้อมูลวัสดุที่เผยแพร่สำหรับอิริเดียม ให้ความหนาแน่น 22.56 g/cm3 และจุดหลอมเหลวประมาณ 2,446 °C เป็นพื้นฐานสำหรับแนวโน้มความหนาแน่นตลอดชุดโลหะผสม

การศึกษาการเกิดออกซิเดชันที่เผยแพร่ของอิริเดียมและโลหะผสมที่มีอิริเดียม รายงานการสูญเสียน้ำหนักจากการเกิดออกซิเดชันในอากาศที่ 1,000 °C และระบุออกไซด์ที่ระเหยง่ายว่าเป็นกลไกที่อิริเดียมออกจากพื้นผิว

ข้อมูลที่เผยแพร่เกี่ยวกับความดันไอของแพลทินัม อิริเดียม และโรเดียมในช่วง 1,000 ถึง 1,750 °C เป็นพื้นฐานสำหรับข้อความการสูญเสียที่อุณหภูมิสูง

เอกสาร ISO 5832 และ ASTM F75 สำหรับวัสดุฝัง เป็นกรอบทั่วไปที่วัสดุขั้วไฟฟ้าทางการแพทย์ได้รับการรับรอง โดยสังเกตว่าเกรดแพลทินัมอิริเดียมเฉพาะจะได้รับการรับรองโดยผู้ผลิตอุปกรณ์ตามมาตรฐานที่ใช้บังคับ

EN 10204 เอกสารการตรวจสอบ สำหรับคำจำกัดความของใบรับรอง 3.1 เป็นเอกสารที่แสดงผลการทดสอบจริงและรับรองโดยตัวแทนตรวจสอบอิสระของผู้ผลิต

ส่วนประกอบและค่าคุณสมบัติข้างต้นเป็นค่าที่เผยแพร่สำหรับเกรดที่ระบุ และไม่ใช่ขีดจำกัดการยอมรับสำหรับล็อตที่ส่งมอบ คุณสมบัติความแข็งและความต้านทานแรงดึงขึ้นอยู่กับปริมาณการทำงานเย็นและการอบอ่อน ดังนั้นค่าที่ระบุสำหรับอุณหภูมิหนึ่งจะไม่ใช่อธิบายอุณหภูมิอื่น ความหนาแน่นเป็นคุณสมบัติของส่วนประกอบและใช้ที่นี่เพื่อแสดงแนวโน้มตลอดชุด พฤติกรรมการเกิดออกซิเดชันที่อธิบายไว้ใช้กับอากาศที่อุณหภูมิ และอัตราขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ การไหลของก๊าซ และอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรของชิ้นส่วน ดังนั้นการใช้งานที่อุณหภูมิสูงควรได้รับการรับรองโดยการทดสอบ ไม่ใช่โดยขีดจำกัดอุณหภูมิเดียว เกรดแพลทินัมอิริเดียมสำหรับการใช้งานทางการแพทย์จะได้รับการรับรองโดยผู้ผลิตอุปกรณ์ตามมาตรฐานที่ใช้บังคับ และการจัดหาโลหะผสมเพียงอย่างเดียวไม่ถือเป็นการรับรองนั้น ข้อกำหนดผลิตภัณฑ์จะได้รับการแก้ไข และฉบับที่ระบุในใบสั่งซื้อจะมีผลบังคับใช้ ไม่มีสิ่งใดในหน้านี้ที่จะใช้แทนการอนุมัติทางวิศวกรรมหรือการทดสอบการรับรองที่ตกลงกันระหว่างผู้ซื้อและผู้จำหน่าย