Aleación de platino e iridio: un material clave en las industrias médica, aeroespacial y de semiconductores

El platino iridio se describe en la mayoría de las introducciones breves como platino con una pequeña adición de iridio, y esa frase elimina el único número que un comprador necesita. El contenido de iridio es la especificación. Establece la dureza, establece la resistencia a la corrosión, establece cómo se puede trabajar la aleación y establece el precio, y el rango que se vende actualmente va desde unos pocos por ciento hasta treinta por ciento con un comportamiento muy diferente en cada paso.

La misma propiedad que hace que la aleación sea útil en tres industrias es la razón por la que el número importa. El iridio es uno de los pocos metales que aumenta la dureza del platino sin destruir su estabilidad química, por lo que una pequeña adición convierte un metal blando y fácilmente deformable en un material templado por resorte que mantiene un filo y resiste el desgaste. Agregue más y la dureza aumenta aún más mientras que la capacidad de trabajo en frío disminuye, hasta que la aleación debe trabajarse en caliente y el rendimiento del alambre terminado se convierte en el costo dominante.

Esta página expone los pasos de composición que se negocian actualmente, lo que cada uno compra en un electrodo médico, en un componente de encendido y en una sonda de prueba, y la limitación de alta temperatura que la aleación comparte con el iridio puro y que ningún titular de ficha técnica menciona.

La tabla muestra las propiedades que cambian con el contenido de iridio, utilizando valores publicados para las composiciones comunes. Donde una propiedad no se publica para una composición, la celda lo indica, porque un número interpolado en una tabla de materiales es peor que un espacio en blanco.

Hay dos cosas que vale la pena notar en esa tabla. La densidad aumenta con el contenido de iridio y lo hace monótonamente, de 21.45 para platino puro a 21.69 al 30% de iridio, porque el iridio es el más denso de los dos metales con 22.56 g/cm3. Y el paso de dureza del platino puro a PtIr 10 es mucho mayor que el paso de PtIr 10 a PtIr 20, que es por lo que la aleación del 10% soporta la mayor parte del trabajo médico e instrumental: captura la mayor parte del beneficio de dureza mientras sigue siendo un material que se puede trefilar, laminar y conformar con herramientas normales.

El rango de composición que se almacena habitualmente es más estrecho que el rango que es técnicamente posible. DLX suministra platino iridio en los grados de 5, 10 y 15% de iridio como estándar, con contenidos más altos producidos bajo pedido, y el consejo práctico para un nuevo diseño es comenzar con un 10% y aumentar solo cuando una medición de desgaste o dureza muestre que el 10% no es suficiente.

Un electrodo estimulante tiene que hacer tres cosas a la vez. Tiene que pasar carga al tejido sin corroerse, tiene que sobrevivir millones de ciclos sin cambiar de forma y tiene que ser fabricable en una forma pequeña y a menudo compleja. El platino iridio al 10% es la composición que equilibra esas tres, y las razones son electroquímicas y mecánicas y no de marketing.

La razón electroquímica es el ancho de la ventana en la que el metal es pasivo. El platino y sus aleaciones se utilizan porque no se disuelven a los potenciales que alcanza un pulso de estimulación, y la adición de iridio mejora la resistencia a la corrosión bajo ciclos repetidos sin introducir una fase que se corroa selectivamente. La razón mecánica es que la aleación del 10% es lo suficientemente dura como para resistir la deformación durante el crimpado y la inserción, y lo suficientemente dúctil como para trefilarse en alambre o conformarse en un anillo sin agrietarse.

Tres formas de producto se derivan de esos requisitos. Un electrodo de marcapasos o neuromodulación suele ser un alambre, un anillo o una punta mecanizada a partir de una barra. Una banda marcadora de stent es un anillo delgado. Un inserto de instrumento quirúrgico es una pieza mecanizada pequeña. Los tres se piden por composición, por forma y por condición de superficie, y la condición de superficie importa porque un rasguño en un electrodo implantado es un sitio de concentración de carga.

La aplicación aeroespacial que se describe habitualmente como un componente de motor de cohete es, más precisamente, un componente de encendido. El platino iridio aparece en electrodos de bujías y puntas de ignición, donde la aleación resiste la erosión por arco y mantiene un filo agudo bajo descargas repetidas, y aparece en pequeñas piezas de sensor y contacto. No es el material de una cámara de combustión o una tobera, que se construyen a partir de aleaciones de níquel, aleaciones de cobre o compuestos de carbono dependiendo de la estrategia de enfriamiento.

Esa distinción importa a un comprador porque las dos consultas van a diferentes proveedores. Una solicitud de electrodos de encendido de platino iridio es una pieza pequeña de metal precioso con un requisito de desgaste. Una solicitud de una cámara de empuje es un componente estructural grande con un requisito térmico, y el platino iridio no es un candidato a ningún precio.

La misma lógica se aplica a la lista de semiconductores. La aleación aparece en sondas de prueba y en algunos crisoles y fuentes de evaporación, donde su dureza y su inercia química se utilizan a pequeña escala. No aparece como material estructural en una fábrica de obleas, y una página que enumera la fabricación de semiconductores sin nombrar la sonda o el crisol ha descrito una industria y no una aplicación.

El iridio se oxida en el aire a alta temperatura formando un óxido volátil, y el óxido abandona la superficie y no permanece en ella como una capa protectora. La consecuencia para una pieza de platino iridio es una pérdida lenta de iridio de la capa superficial a temperaturas superiores a unos 1.000 °C en una atmósfera oxidante, lo que cambia tanto la composición como las dimensiones de una sección delgada.

Esta es la razón por la que se utiliza un electrodo de platino iridio en una aplicación de encendido y no como un elemento de horno, y la razón por la que la aleación se especifica para condiciones de vacío, atmósfera inerte o reductoras cuando funciona en caliente. En aire a temperatura, el metal no falla por un mecanismo dramático. Simplemente se adelgaza, y el iridio que le dio la dureza es la parte que se va.

Se derivan dos consecuencias prácticas. Un alambre delgado o una punta de sonda fina en aire por encima de 1.000 °C debe tratarse como un consumible con una vida finita y no como un componente permanente. Y una pieza que ha estado en ese servicio debe verificarse por peso y por dimensión y no por apariencia, porque la pérdida es lo suficientemente uniforme como para ser invisible hasta que la sección desaparezca.

El platino iridio se endurece rápidamente, y la ventana de trabajo se estrecha a medida que aumenta el contenido de iridio. La secuencia práctica para el alambre es comenzar con un tocho fundido o sinterizado, trabajarlo en caliente hasta obtener una barra y luego trefilarlo con un recocido entre pasadas. El número de pasadas entre recocidos disminuye a medida que aumenta el contenido de iridio, y en la parte superior del rango, el material es difícil de trefilar en absoluto.

La consecuencia comercial es que el precio de una pieza de platino iridio está impulsado tanto por el rendimiento de la ruta de trabajo como por el metal en sí. Una especificación que solicita un diámetro y una tolerancia que son difíciles de trefilar tendrá un costo que no tiene nada que ver con el contenido de iridio, y un comprador que compara dos cotizaciones para la misma aleación nominal puede estar comparando dos rendimientos diferentes.

Seis elementos deciden una cotización de platino iridio, y el primero es el elemento que la mayoría de las consultas dejan vago.

DLX suministra platino iridio en Changzhou, Jiangsu, como alambre, tubo, anillo, tira y barra, en los grados de 5, 10 y 15% de iridio como estándar y en contenidos más altos bajo pedido. Las formas incluyen alambre fino para electrodos y sondas, tubo para bandas marcadoras, anillo para piezas de instrumentos y alambre de resorte para mecanismos de precisión.

El material se suministra contra la composición indicada en el pedido, con un certificado EN 10204 3.1 bajo pedido y el número de lote trazable a los resultados de las pruebas. La pregunta que decide una cotización es el contenido de iridio junto con la forma, porque esos dos elementos establecen la ruta de trabajo y el rendimiento antes de discutir cualquier precio.

Generalmente significa 10%, y a veces 5% o 15%. La frase se usa porque la adición de iridio es pequeña en comparación con el contenido de platino, pero la diferencia entre 5% y 15% es la diferencia entre un alambre fácil de trefilar y un material que necesita un programa cuidadoso. Una especificación debe indicar el porcentaje y no el adjetivo.

Porque captura la mayor parte del beneficio de dureza del iridio mientras sigue siendo un material que se puede trefilar y conformar con herramientas normales. Resiste la corrosión bajo ciclos de carga repetidos, mantiene su forma durante el crimpado y la inserción, y se puede convertir en las formas de alambre, anillo y mecanizadas que necesita un implante. Los contenidos de iridio más altos son cada vez más difíciles de trabajar, lo que aumenta el costo de una pieza que suele ser pequeña.

Se utiliza en componentes de encendido como electrodos de bujías y puntas de ignición, y no como material estructural para una cámara o una tobera. Esas piezas más grandes se construyen a partir de aleaciones de níquel, aleaciones de cobre o compuestos de carbono dependiendo de la estrategia de enfriamiento. Una solicitud de hardware de motor de platino iridio es generalmente una solicitud de un electrodo.

Suficientemente bien para un electrodo y no lo suficientemente bien como para ser elegido por su conductividad. El platino tiene una resistividad aproximadamente seis veces mayor que la del cobre, y la adición de iridio no la mejora. La aleación se selecciona por su estabilidad química, dureza y resistencia al desgaste, y la conductividad es una propiedad que resulta ser adecuada y no la razón de la elección.

El iridio forma un óxido volátil que abandona la superficie en lugar de formar una capa protectora, por lo que la aleación pierde lentamente iridio de la capa superficial. En una sección delgada, esto se manifiesta como una reducción en la dimensión y un cambio en la composición. La aleación se utiliza en caliente en vacío, en gas inerte o en condiciones reductoras, y una pieza que funciona en caliente en aire debe tratarse como un consumible.

Por dos razones que se suman. El iridio es mucho más caro que el platino, por lo que el costo del metal aumenta con el porcentaje. Y la ventana de trabajo se estrecha a medida que aumenta el iridio, por lo que el número de pasadas de trefilado entre recocidos disminuye y el rendimiento del alambre terminado se reduce. El segundo efecto es a menudo mayor que el primero para un alambre fino.

El platino iridio es una aleación de platino cuya especificación es su contenido de iridio. Al 10% es lo suficientemente duro como para resistir el desgaste y lo suficientemente dúctil como para trefilarse en alambre y conformarse en los anillos que necesitan el trabajo médico e instrumental. Al 20% y superior resiste aún más la erosión por arco y el desgaste, a costa de una ventana de trabajo que se estrecha hasta que el trabajo en caliente se convierte en la única ruta.

Dos límites pertenecen a la especificación y no al folleto. La aleación pierde iridio como óxido volátil en aire por encima de aproximadamente 1.000 °C, por lo que una pieza caliente necesita vacío, gas inerte o una vida útil consumible. Y su conductividad es adecuada y no excepcional, por lo que un diseño que la selecciona por su rendimiento eléctrico la ha seleccionado por la razón equivocada.

Datos de propiedades publicadas para aleaciones de platino iridio, que proporcionan una densidad de 21.56 g/cm3 para el grado de 10% de iridio, 21.61 para el 20% y 21.69 para el 30%, y un punto de fusión de aproximadamente 1.800 °C para el grado de 10%.

Datos de proveedor publicados para platino 90 iridio 10, que proporcionan una dureza Brinell de 130 a 190, una resistencia a la tracción de 380 a 620 MPa, una densidad de 21.56 g/cm3 y un punto de fusión de aproximadamente 1.800 °C.

Datos de referencia publicados para el sistema platino iridio, que proporcionan una dureza Vickers de aproximadamente 56 para platino puro, las composiciones comunes 90:10 y 70:30, y el aumento de dureza que produce la adición de iridio.

Datos de materiales publicados para iridio, que proporcionan una densidad de 22.56 g/cm3 y un punto de fusión de aproximadamente 2.446 °C, como base para la tendencia de densidad en la serie de aleaciones.

Estudios de oxidación publicados de iridio y aleaciones que contienen iridio, que informan sobre la pérdida de peso por oxidación en aire a 1.000 °C e identifican el óxido volátil como el mecanismo por el cual el iridio abandona la superficie.

Datos publicados sobre la presión de vapor de platino, iridio y rodio en el rango de 1.000 a 1.750 °C, como base para la declaración de pérdida a alta temperatura.

Documentos de la familia ISO 5832 y ASTM F75 para materiales de implantes, como el marco general dentro del cual se califica un material de electrodo médico, señalando que un grado específico de platino iridio es calificado por el fabricante del dispositivo según el estándar aplicable.

EN 10204, documentos de inspección, para la definición del certificado 3.1 como un documento que contiene resultados de pruebas reales y está respaldado por el representante independiente de inspección del fabricante.

Las composiciones y los valores de propiedad anteriores son valores publicados para los grados nombrados, y no son límites de aceptación para un lote entregado. Las propiedades de dureza y tracción dependen de la cantidad de trabajo en frío y del tratamiento de recocido, por lo que un valor citado para un temple no describe otro. La densidad es una propiedad de la composición y se utiliza aquí para mostrar la tendencia en la serie. El comportamiento de oxidación descrito se aplica al aire a temperatura, y la tasa depende de la temperatura, el flujo de gas y la relación superficie-volumen de la pieza, por lo que una aplicación en caliente debe calificarse mediante pruebas y no mediante un único límite de temperatura. Los grados de platino iridio para uso médico son calificados por el fabricante del dispositivo según el estándar aplicable, y el suministro de la aleación por sí solo no constituye esa calificación. Las especificaciones del producto se revisan, y la edición nombrada en la orden de compra rige. Nada en esta página sustituye a una liberación de ingeniería o a las pruebas de calificación acordadas entre el comprador y el proveedor.