Liga de platina de irídio: um material fundamental nas indústrias médica, aeroespacial e de semicondutores

A platina-irídio é descrita na maioria das introduções curtas como platina com uma pequena adição de irídio, e essa frase remove o único número que um comprador precisa. O teor de irídio é a especificação. Ele define a dureza, define a resistência à corrosão, define como a liga pode ser trabalhada e define o preço, e a faixa que é realmente vendida varia de alguns por cento a trinta por cento com um comportamento muito diferente em cada etapa.

A mesma propriedade que torna a liga útil em três indústrias é a razão pela qual o número importa. O irídio é um dos poucos metais que aumenta a dureza da platina sem destruir sua estabilidade química, de modo que uma pequena adição converte um metal macio e facilmente deformável em um material com têmpera de mola que mantém um fio e resiste ao desgaste. Adicione mais e a dureza aumenta ainda mais, enquanto a capacidade de trabalho a frio diminui, até que a liga precise ser trabalhada a quente e o rendimento do fio acabado se torne o custo dominante.

Esta página apresenta as etapas de composição que são realmente negociadas, o que cada uma compra em um eletrodo médico, em um componente de ignição e em uma sonda de teste, e a limitação de alta temperatura que a liga compartilha com o irídio puro e que nenhuma manchete de folha de dados menciona.

A tabela apresenta as propriedades que mudam com o teor de irídio, usando valores publicados para as composições comuns. Onde uma propriedade não é publicada para uma composição, a célula diz isso, pois um número interpolado em uma tabela de materiais é pior do que um em branco.

Duas coisas valem a pena notar nessa tabela. A densidade aumenta com o teor de irídio e o faz monotonicamente, de 21,45 para platina pura a 21,69 com 30% de irídio, porque o irídio é o mais denso dos dois metais com 22,56 g/cm3. E o degrau de dureza da platina pura para PtIr 10 é muito maior do que o degrau de PtIr 10 para PtIr 20, que é por que a liga de 10% carrega a maior parte do trabalho médico e de instrumentos: ela captura a maior parte do benefício de dureza, permanecendo um material que pode ser trefilado, laminado e formado com ferramentas normais.

A faixa de composição que é rotineiramente estocada é mais estreita do que a faixa que é tecnicamente possível. A DLX fornece platina-irídio nas graduações de 5, 10 e 15% de irídio como padrão, com teores mais altos produzidos sob encomenda, e o conselho prático para um novo projeto é começar em 10% e aumentar apenas quando uma medição de desgaste ou dureza mostrar que 10% não é suficiente.

Um eletrodo estimulador tem que fazer três coisas ao mesmo tempo. Ele tem que passar carga para o tecido sem corroer, tem que sobreviver a milhões de ciclos sem mudar de forma e tem que ser fabricável em uma forma pequena e muitas vezes complexa. Platina-irídio a 10% é a composição que equilibra esses três, e as razões são eletroquímicas e mecânicas, e não de marketing.

A razão eletroquímica é a largura da janela em que o metal é passivo. Platina e suas ligas são usadas porque não se dissolvem nos potenciais que um pulso de estimulação atinge, e a adição de irídio melhora a resistência à corrosão sob ciclos repetidos sem introduzir uma fase que corroeria seletivamente. A razão mecânica é que a liga de 10% é dura o suficiente para resistir à deformação durante a crimpagem e inserção, e dúctil o suficiente para ser trefilada em fio ou formada em anel sem rachar.

Três formas de produto decorrem desses requisitos. Um eletrodo de marca-passo ou neuromodulação é geralmente um fio, um anel ou uma ponta usinada a partir de barra. Uma banda marcadora de stent é um anel fino. Um inserto de instrumento cirúrgico é uma pequena peça usinada. Todos os três são encomendados por composição, por forma e por condição de superfície, e a condição de superfície é importante porque um arranhão em um eletrodo implantado é um local para concentração de carga.

A aplicação aeroespacial que é geralmente descrita como um componente de motor de foguete é mais precisamente um componente de ignição. Platina-irídio aparece em eletrodos de velas de ignição e pontas de ignitores, onde a liga resiste à erosão por arco e mantém um fio afiado sob descarga repetida, e aparece em pequenas peças de sensor e contato. Não é o material de uma câmara de combustão ou bocal, que são construídos a partir de ligas de níquel, ligas de cobre ou compósitos de carbono, dependendo da estratégia de resfriamento.

Essa distinção é importante para um comprador porque as duas consultas vão para fornecedores diferentes. Uma solicitação de eletrodos de ignição de platina-irídio é uma pequena peça de metal precioso com um requisito de desgaste. Uma solicitação de câmara de impulso é um grande componente estrutural com um requisito térmico, e platina-irídio não é um candidato a qualquer preço.

A mesma lógica se aplica à lista de semicondutores. A liga aparece em sondas de teste e em algumas fontes de crisol e evaporação, onde sua dureza e inércia química são usadas em pequena escala. Não aparece como material estrutural em uma fábrica de wafers, e uma página que lista a fabricação de semicondutores sem nomear a sonda ou o crisol descreveu uma indústria e não uma aplicação.

O irídio oxida no ar em alta temperatura para formar um óxido volátil, e o óxido deixa a superfície e não permanece nela como uma escama protetora. A consequência para uma peça de platina-irídio é uma perda lenta de irídio da camada superficial em temperaturas acima de cerca de 1.000 °C em atmosfera oxidante, o que altera tanto a composição quanto as dimensões de uma seção fina.

Esta é a razão pela qual um eletrodo de platina-irídio é usado em uma aplicação de ignição e não como um elemento de forno, e a razão pela qual a liga é especificada para vácuo, atmosfera inerte ou condições redutoras quando opera em alta temperatura. No ar em temperatura, o metal não falha por um mecanismo dramático. Ele simplesmente fica mais fino, e o irídio que lhe deu a dureza é a parte que sai.

Duas consequências práticas decorrem. Um fio fino ou uma ponta de sonda fina no ar acima de 1.000 °C deve ser tratada como um consumível com vida finita e não como um componente permanente. E uma peça que esteve em serviço deve ser verificada por peso e dimensão, e não por aparência, porque a perda é uniforme o suficiente para ser invisível até que a seção desapareça.

A platina-irídio endurece rapidamente com o trabalho, e a janela de trabalho diminui à medida que o teor de irídio aumenta. A sequência prática para fio é começar com um tarugo fundido ou sinterizado, trabalhá-lo a quente em uma barra e, em seguida, trefilá-lo com um recozimento entre as passagens. O número de passagens entre os recozimentos diminui à medida que o teor de irídio aumenta, e no topo da faixa o material é difícil de trefilar.

A consequência comercial é que o preço de uma peça de platina-irídio é impulsionado pelo rendimento da rota de trabalho tanto quanto pelo próprio metal. Uma especificação que solicita um diâmetro e uma tolerância difíceis de trefilar terá um custo que não tem nada a ver com o teor de irídio, e um comprador comparando duas cotações para a mesma liga nominal pode estar comparando dois rendimentos diferentes.

Seis itens decidem uma cotação de platina-irídio, e o primeiro é o item que a maioria das consultas deixa vago.

A DLX fornece platina-irídio em Changzhou, Jiangsu, como fio, tubo, anel, fita e barra, nas graduações de 5, 10 e 15% de irídio como padrão e em teores mais altos sob encomenda. As formas incluem fio fino para eletrodos e sondas, tubo para bandas marcadoras, anel para peças de instrumentos e fio de mola para mecanismos de precisão.

O material é fornecido de acordo com a composição nomeada no pedido, com um certificado EN 10204 3.1 mediante solicitação e o número de lote rastreável aos resultados dos testes. A questão que decide uma cotação é o teor de irídio juntamente com a forma, porque esses dois itens definem a rota de trabalho e o rendimento antes que qualquer preço seja discutido.

Geralmente significa 10%, e às vezes 5% ou 15%. A frase é usada porque a adição de irídio é pequena em comparação com o teor de platina, mas a diferença entre 5% e 15% é a diferença entre um fio facilmente trefilado e um material que requer um cronograma cuidadoso. Uma especificação deve indicar a porcentagem e não o adjetivo.

Porque ele captura a maior parte do benefício de dureza do irídio, permanecendo um material que pode ser trefilado e formado com ferramentas normais. Ele resiste à corrosão sob ciclos de carga repetidos, mantém sua forma durante a crimpagem e inserção, e pode ser feito nas formas de fio, anel e usinada que um implante necessita. Teores mais altos de irídio são mais duros e mais difíceis de trabalhar, o que aumenta o custo de uma peça que geralmente é pequena.

É usada em componentes de ignição, como eletrodos de velas de ignição e pontas de ignitores, e não como material estrutural para uma câmara ou bocal. Essas peças maiores são construídas a partir de ligas de níquel, ligas de cobre ou compósitos de carbono, dependendo da estratégia de resfriamento. Uma solicitação de hardware de motor de platina-irídio é geralmente uma solicitação de um eletrodo.

Bem o suficiente para um eletrodo e não bem o suficiente para ser escolhido pela condutividade. A platina tem uma resistividade aproximadamente seis vezes maior que a do cobre, e a adição de irídio não a melhora. A liga é selecionada por estabilidade química, dureza e resistência ao desgaste, e a condutividade é uma propriedade que por acaso é adequada e não a razão da escolha.

O irídio forma um óxido volátil que deixa a superfície em vez de construir uma escama protetora, de modo que a liga perde lentamente irídio da camada superficial. Em uma seção fina, isso se manifesta como uma redução na dimensão e uma mudança na composição. A liga é usada quente em vácuo, em gás inerte ou em condições redutoras, e uma peça que opera quente no ar deve ser tratada como um consumível.

Por duas razões que se somam. O irídio é muito mais caro que a platina, então o custo do metal aumenta com a porcentagem. E a janela de trabalho diminui à medida que o irídio aumenta, de modo que o número de passagens de trefilagem entre recozimentos diminui e o rendimento do fio acabado cai. O segundo efeito é frequentemente maior que o primeiro para um fio fino.

Platina-irídio é uma liga de platina cuja especificação é seu teor de irídio. A 10% é dura o suficiente para resistir ao desgaste e dúctil o suficiente para ser trefilada no fio e formada nos anéis que o trabalho médico e de instrumentos necessita. A 20% e acima resiste ainda mais à erosão por arco e ao desgaste, ao custo de uma janela de trabalho que diminui até que o trabalho a quente se torne a única rota.

Dois limites pertencem à especificação e não ao folheto. A liga perde irídio como um óxido volátil no ar acima de cerca de 1.000 °C, de modo que uma peça quente precisa de vácuo, gás inerte ou uma vida útil consumível. E sua condutividade é adequada e não excepcional, de modo que um projeto que a seleciona por desempenho elétrico a selecionou pela razão errada.

Dados de propriedades publicados para ligas de platina-irídio, fornecendo uma densidade de 21,56 g/cm3 para a graduação de 10% de irídio, 21,61 para 20% e 21,69 para 30%, e um ponto de fusão de cerca de 1.800 °C para a graduação de 10%.

Dados de fornecedor publicados para platina 90 irídio 10, fornecendo uma dureza Brinell de 130 a 190, uma resistência à tração de 380 a 620 MPa, uma densidade de 21,56 g/cm3 e um ponto de fusão de cerca de 1.800 °C.

Dados de referência publicados para o sistema platina-irídio, fornecendo uma dureza Vickers de cerca de 56 para platina pura, as composições comuns 90:10 e 70:30, e o aumento da dureza que a adição de irídio produz.

Dados de materiais publicados para irídio, fornecendo uma densidade de 22,56 g/cm3 e um ponto de fusão de cerca de 2.446 °C, como base para a tendência de densidade em toda a série de ligas.

Estudos de oxidação publicados de irídio e ligas contendo irídio, relatando perda de peso por oxidação no ar a 1.000 °C e identificando o óxido volátil como o mecanismo pelo qual o irídio deixa a superfície.

Dados publicados sobre a pressão de vapor de platina, irídio e ródio na faixa de 1.000 a 1.750 °C, como base para a declaração de perda em alta temperatura.

Documentos ISO 5832 e ASTM F75 família para materiais de implante, como o quadro geral dentro do qual um material de eletrodo médico é qualificado, observando que uma graduação específica de platina-irídio é qualificada pelo fabricante do dispositivo contra o padrão aplicável.

EN 10204, documentos de inspeção, para a definição do certificado 3.1 como um documento que carrega resultados de teste reais e endossado pelo representante independente de inspeção do fabricante.

As composições e valores de propriedades acima são valores publicados para as graduações nomeadas, e não são limites de aceitação para um lote entregue. Propriedades de dureza e tração dependem da quantidade de trabalho a frio e do tratamento de recozimento, de modo que um valor citado para uma têmpera não descreve outra. A densidade é uma propriedade da composição e é usada aqui para mostrar a tendência em toda a série. O comportamento de oxidação descrito se aplica ao ar em temperatura, e a taxa depende da temperatura, fluxo de gás e relação superfície-volume da peça, de modo que uma aplicação quente deve ser qualificada por teste e não por um único limite de temperatura. Graduações de platina-irídio para uso médico são qualificadas pelo fabricante do dispositivo contra o padrão aplicável, e o fornecimento da liga por si só não constitui essa qualificação. As especificações do produto são revisadas, e a edição nomeada no pedido de compra rege. Nada nesta página substitui uma liberação de engenharia ou os testes de qualificação acordados entre comprador e fornecedor.