铂铑丝(铂基含铑的二元合金)

铂铑丝（Platinum 铑 wire）是铂基含铑的二元合金（Pt-Rh 合金），高温下为连续固溶体，具有熔点高、化学和力学性能稳定、热电势稳定性高及催化活性好等优点。铂铑丝测温温区宽，是测量1800℃以下能保证高精确度的热电偶功能材料，被广泛地应用于钢铁、发电、石油、化工、玻纤、食品、玻璃、制药、陶瓷、有色金属、热处理、航天、粉末冶金、碳素、焦化、印染等几乎所有工业领域。

铂铑丝高温持久强度及抗蠕变性能良好，具有很好的抗腐蚀和抗氧化能力。适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。铂铑6、铂铑10、铂铑13和铂铑30合金丝是用于国际标准贵金属热电偶B型（铂铑30/铂铑6）、S型（铂铑10/铂）和R型（铂铑13/铂）材料，其中S型、R型长期使用温度上限为1400℃，短期使用上限为1600℃；B型长期使用温度上限为1600℃，短期使用温度上限为1700℃；应用于飞机尾焰高温测量的非标热电偶（铂铑40/铂铑20）长期使用温度可达1750℃。

铂铑丝生产工艺包括熔炼、锻打、轧条、拔丝等流程；其回收常需要机械处理、煅烧、化学处理等各种预处理工艺，以减少粒度、去除杂质或活化，预处理后的材料通过湿法冶金或火法冶金进一步富集，工业上主要采用湿法工艺中的王水溶解法进行回收。

历史沿革

铂（Pt）于1735年由尤尔洛（A.De.Ulloa）发现。18世纪末至19世纪初，因为铂具有高耐蚀性和稳定性，人们开始使用铂制造各种精密仪器和器具。1871年，西门子股份公司制备了可测量到1000℃的铂电阻温度计。20世纪40年代后，铂的各种高温材料得到极大的发展运用，尤其是铂铑合金。20世纪50年代后，铂族金属开始大量应用于石油、汽车、电子、化工、核能及环境保护行业，并有“工业维生素”之称。

按1968年国际温标IPTS-68的定义，标准铂铑10/铂热电偶在630.74℃~1064.43℃作为法定内插仪器，中国一、二等标准铂铑10/铂热电偶使用的范围在300℃～1300℃。1990年修订国际温标时，热电偶不再被当做温标的法定内插仪器使用，代之以标准高温铂电阻温度计。

性质

铂铑丝是由铂和铑粉加工制成。铂和铑均为铂族金属，其共同特性是熔点高、强度大、电热性稳定、抗电火花蚀耗性高、抗腐蚀性优良、高温抗氧化性能强、催化活性良好。

化学性质

铂和铑化学性质稳定，属难溶金属，均具有很强的抗化学试剂腐蚀性能。铂铑合金高温抗腐蚀抗氧化性能良好。铂不与氧直接化合，不被酸、碱侵蚀，在室温下除溶于王水外，不与其他物质起反应；而铑不溶于王水，能与熔融氢氧化钠和过氧化钠反应，生成溶解于酸的化合物。随着铑含量的提高，铂铑耐蚀性能也不断提高，铂铑20在室温下基本不溶于王水。铂铑丝适用于氧化性环境，不适用于还原性气氛中，在还原性气氛中使用容易造成脆性断裂。

物理性质

密度

铂的密度为21.46克/立方厘米（20℃），铑的密度12.41克/立方厘米（20℃），铂的密度值几乎是铑的2倍，随铑含量增加，铂铑丝密度明显下降。

熔点

铂的熔点为1769℃，铑的熔点为1966℃。铂铑6的熔点为1820℃，只可短时间应用于1800℃测温，但在测量1600℃时可长期使用；铂铑40在大气中可使用至1800℃。国标热电偶中，采用铂铑10、铂铑13的S型、R型热电偶长期使用温度上限为1400℃，短期使用上限为1600℃；采用铂铑30-铂铑6的B型热电偶长期使用温度上限为1600℃，短期使用温度上限为1700℃。

硬度

铂质软，可锻造、轧制和拉制成棒、片、盘条等，铑质硬且脆不易被机械加工。铂铑丝硬度随铑含量的增加而增加，铑含量达60%时，硬度达最高值，继续增加铑含量时，硬度则反而降低。

强度

铂铑丝高温持久强度及抗蠕变性能良好。随着铑含量提高，铂铑合金常温强度、高温持久强度、蠕变断裂寿命及蠕变激活能均大幅增加，铑质量百分数低于40%时增加尤为显著。同时，随着铑含量提高，铂铑丝抗拉强度也明显提高。

疲劳寿命

铂铑丝使用时间长，随着铑含量的增加，其疲劳寿命降低；随着铂铑丝线径变粗，其疲劳寿命降低；真空熔炼炉制造的铂铑丝疲劳寿命优于高频熔炼炉；水冷铜模铸造的偶丝疲劳寿命优于石墨模铸造。

热电特性

热电特性是铂铑丝最重要的性能指标，主要包括电势均匀性和线性。铂铑丝的铑含量越低，其电势均匀性波动越大。不均匀热电动势是衡量铂铑热电偶丝产品质量的重要指标之一，它可以造成整卷偶丝的热电特性发生变化，从而影响测温精度的一致性。造成铂铑丝产生不均匀热电动势的最主要原因是熔铸过程中铂、铑两种元素的熔点、密度不同导致的合金成分偏析。

比电阻

铂铑丝有着较高的高温热电势和良好的热感度，其电阻系数和电阻温度系数小。

材料与工艺

材料

铂铑热电偶电极对原材料的质量要求非常高，铂、铑纯度至少要大于 99.99％；合金用铂R100/R0≥1.3910。坩埚材料必须满足纯度高、杂质含量低、不与熔炼金属起反应、有足够抗冲刷能力和强度，如石英砂打结Al2O3、ZrO2坩埚熔炼铂铑合金，其中石英砂打结ZrO2坩埚用于熔炼PtRh30合金。

生产工艺

铂铑丝生产工艺包括熔炼、锻打、轧条、拔丝等，其中熔炼是加工过程中最重要的工艺，对偶丝热电势均匀性有至关重要的影响。

熔炼与浇铸

铂铑丝一般在大气下用高频或中频感应炉加热，低铑合金使用氧化铝坩埚，高铑合金使用二氧化锆坩埚，铸模采用水冷铜模；采用中频炉熔炼铂铑合金，再将金属熔体浇铸于水冷铜模中快速冷却，可防止合金成分偏析，减少铂铑热电偶丝不均匀热电动势。为保证铸件均匀性，熔炼时要保持一段时间。使用氩保护或真空熔炼，或使用脱氧剂铝等可减少铸件含气量，提高铸件质量。为保证合金铸锭质量和浇铸过程顺利进行，须选择合适的浇铸温度。当浇注温度比熔点高100~200℃时可取得比较理想的效果，并持续保持浇铸速度均匀。

锻打与轧条

含铑量低于20%时可采用冷加工，随着铑含量增加，合金塑性降低，低含铑合金在冷加工时每次加工变形量控制在10%~15%，两次退火间加工量可达80%~90%，中间退火温度为900~1000℃，保温时间为10~20分钟；含铑量超过20%以上的需热锻或热轧开坯，热加工开始温度1200℃，每次加工率为10%~15%，热加工温度不低于1000℃，然后进行冷加工，每次加工率控制在5%左右，两次退火间加工率不宜超过50%~60%，中间退火温度为1200℃。

拉丝工艺

铂铑热电偶丝从直径0.5毫米粗丝状态拉至直径0.07毫米、直径0.08毫米微细丝状态时，加工变形量分别高达86％、84％。在拉特细丝过程中须增加中间退火工艺，以消除内部积累的应力。特细丝由于丝径过细，中间退火必须严格控制温度与时间，退火温度过高，丝材表面局部过烧，会出现许多闪亮白斑，严重影响表面质量，且导致其抗拉强度下降，极易造成断丝；退火温度过低，则难以消除细丝内部积累的应力。退火温度过短，不能完全消除细丝内部应力；退火温度过长，生产效率降低。

规格型号

根据铂铑含量不同，铂铑丝主要有铂铑6、铂铑7、铂铑7.5、铂铑10、铂铑13、铂铑20、铂铑30、铂铑40等合金丝。其中数字代表铑含量，如铂铑13（PtRh13），含铂87%，含铑13%。国标铂铑丝规定直径为0.5毫米，允许偏差-0.015毫米，圆度要求不超过直径的允许偏差。

应用

现代世界制造工业和研究实验室中，每小时都要发生成千上万次测温。在当代温度测量中，铂-铂铑热电偶是最精确、最稳定、测量温度范围最大和应用领域最广泛的测量工具。铂铑丝是八种国际标准化热电偶中的三种贵金属热电偶标准材料。铂铑丝可以直接测量或控制各种生产过程中0~1800℃范围内的流体、蒸汽和气体介质以及固体表面等的温度，被广泛地应用于冶金、石油化工、玻璃纤维、电子工业及航空航天等领域。如，冶金工业采用铂铑10合金丝制造的快速测温热电偶（快偶）被广泛使用；铂铑40/铂铑20热电偶丝长期使用温度可达1750℃，主要应用于飞机尾焰高温测量、记录仪及其他高温测量领域。目前对铂铑40/铂铑20的研究集中在日本田中公司；另外，英国Johnson Matthey公司研究指出其弹性模量分别达到340GPa和230GPa，退火态硬度达到300HV。

标准规范

发展趋势

技术创新

随着技术进步，铂铑丝正向高精度和特细丝径方向发展。由于铂、铑等贵金属原材料价格高，为节约成本、降低消耗，快速测温热电偶生产厂家对单根偶丝重量已远超标准要求，而是使用直径更细的铂铑热电偶细丝，从2005年以前普遍使用0.07~0.08毫米的微细丝转向使用目前0.03~0.05毫米的特细丝。

回收需求增加

铂族金属的产出主要来自矿产供应和回收供应两个渠道。2023年全球铂的供应量为228吨，铑的供应量为33.3吨，铂和铑的生产仅覆盖相应消耗的81.7%和68.6%。同年，铂市场出现供不应求的局面，原因一是铂在汽车催化剂中的使用较钯金更经济，促进了对铂的需求；二是全球范围内的环保要求，即尾气排放标准提升增加了对铂族金属的需求。与为对应的是，当年度铂金回收供应主要来源的报废汽车三元催化器供应量下降了13%。而从长期来看，铂族金属因其催化性能在水电解制氢和氢燃料电池中的重要作用，已成为实现氢能技术商业化和规模化的关键因素，在氢燃料电池汽车产业推动下，铂的需求还将进一步增加。

回收政策支持

铂族金属回收不仅能够缓解资源短缺的问题，还有助于减少环境污染，目前发达国家已经将铂族金属回收作为产业关键环节进行布局和支持。2022年，中国铂供应量占全球9%、需求量占全球31%，二次资源的回收利用越来越成为铂族金属原料供应来源。中国政府相关部门高度重视包括铂族金属在内的贵金属的开发利用与循环回收，在“以旧换新”政策推动下，其增长预期高于原有预判10~15%。

使用相关

质量尺寸检查

每卷筒铂铑丝都要经表面质量检查，要求丝材表面洁净、光滑，没有结疤、裂纹、夹石、划痕和刮线。允许个别表面缺陷存在，这种缺陷在检查修理后按直径大小不会引起超差，同样也允许由热处理引起的波纹单相皱，表面无光泽。铂铑20、铂铑10制取丝材直径≥0.04毫米，铂铑30、铂铑40制取丝材直径 ≥0.1毫米。每卷筒丝都要经尺寸检查，提供保证相应精度的仪器，在3个点上，每两点距离不少于100毫米，在每个测量截面上两个互相垂直方向上测量丝的直径尺寸大小。

成分测定

铂铑丝化学成分测定行业标准方法是硝酸六氨合钴重量法（YS/T561-2009），采用方法有双波长分光光度法、电感耦合等离子体原子发射光谱法、原子吸收光谱法、双波长分光光度法及波长色散XRF光谱分析法等。

回收

铂铑丝回收常需要经过机械处理、煅烧、化学处理等各种预处理工艺，以减少粒度、去除杂质或活化，预处理后的材料通过湿法冶金或火法冶金进一步富集，工业上主要采用湿法工艺中的王水溶解法进行回收。在铂铑丝回收生产过程中，铑含量难溶于王水，经过滤会产生一些残渣，俗称“王水不溶渣”，其中含有大量铑金属；以铂铑合金王水不溶渣为原料，利用过氧化钡熔融、盐酸溶解、氯化铵沉淀分离铂铑、亚硝酸钠溶液络合、氯化铵沉淀铑、盐酸溶解、离子交换除去贱金属、水合胼还原、通氢还原工艺可制备纯度 99.95％以上的铑粉，贵金属回收率大于95％。