Julkaistu 28.05.2018

Erityislujat materiaalit konepajateollisuuden tuotteissa

Mikä ohjaa materiaalivalintoja teollisuudessa? Lujuus, paino, kustannukset, uusiokäyttömahdollisuudet – vaiko sittenkin kulttuurihistoria?
Kirjoittaja
Tutkimusjohtaja, Metso Minerals Aggregates
Marke Kallio (Tekn. tri) työskentelee tutkimusjohtajana Metso Mineralsin Aggregates R&D -osastolla. Hän on työskennellyt teollisuuden tuotekehityksen sekä materiaalitutkimuksen parissa, mielenkiinnon kohteena erityisesti kiertotalous ja ympäristöasiat materiaalikehityksessä.

Ihmiset ovat käyttäneet metalleja ja muita materiaaleja hyödyksi jo tuhansia vuosia. Materiaalien merkitystä ihmiskunnan kehitykselle ilmentää jo se, että historian pitkät aikakaudet, kuten kivi-, pronssi- tai rautakausi, on nimetty sen mukaan, mistä materiaaleista kunakin aikana ihminen oppi valmistamaan työkalunsa ja monet muut tarve-esineensä.

Vaikka erilaisia materiaaleja on käytetty läpi ihmiskunnan historian, kuitenkin vasta oikeastaan 1700-luvun loppupuolelta lähtien on ymmärretty niitä tekijöitä, joista materiaalien tyypilliset ominaisuudet johtuvat. Osa ominaisuuksista johtuu materiaalin kemiallisesta koostumuksesta, kun taas osa määräytyy enemmänkin materiaalin sisäisen rakenteen ja atomien järjestyksen perusteella. Esim. metallien ominaisuudet kuten lujuus tai kovuus muuttuvat, kun niiden kiderakennetta muutetaan.

Materiaalitekniikka onkin tieteenala, jossa sujuvasti yhdistellään fysiikkaa ja kemiaa. Metallien tutkimus pohjautuu pitkälti sekä kemiaan että fysikaaliseen metallurgiaan, missä tutkitaan metallien rakennetta, niiden ominaisuuksia ja keskinäistä vuorovaikutusta.

Luja ja kevyt teräs on koneenrakennuksen kultaa

Taloudelliset tekijät ovat aina ohjanneet voimakkaasti materiaalien kehitystä. Jo keskiajalla alkemistit pyrkivät epätoivoisesti löytämään kullan valmistusreseptin ja kehittelivät mielenkiintoisia, joskaan ei kovin paikkaansa pitäviä teorioita metallien ominaisuuksista. Myöhäiskeskiajan alkemistit olettivatkin kaikkien metallien muodostuneen elohopean ja rikin höyryistä. Kulta ja muut vanhastaan tunnetut metallit tunnistettiin alkuaineiksi suhteellisen myöhään, vasta 1700- ja 1800-lukujen taitteessa, jolloin nykyisen materiaaliteknologian perusta luotiin.

Nykyaikaiselle valmistavalle teollisuudelle tärkein materiaalitekniikan keksintö on epäilemättä teräksen valmistuksen keksiminen.

Vaikka teräksen valmistus tunnettiin Kiinassa jo 200-luvulla, vasta vuonna 1855 patentoitu Bessemer-konvertteri alensi teräksen tuotantokustannukset samalle tasolle valuraudan kanssa. Lujemman ja kevyemmän teräksen laajamittainen käyttö mahdollisti koneiden ja laitteiden nopean kehittymisen. Erilaisia teräslaatuja on tästä lähtien jatkuvasti kehitetty entistä paremmiksi; lujemmiksi tai kulutuskestävämmiksi kone- ja laiterakennuksen tarpeisiin.

Teknologian kehittymisen mukana on myös vaatimustaso konepajateollisuuden materiaaleille jatkuvasti noussut. Vielä 1900-luvun alkupuolella lähes ainoa vaatimus yleisille rakenneteräksille koski niiden myötölujuutta, jota voitiin parantaa nostamalla teräksen hiilipitoisuutta. Sitkeydelle pantiin vähemmän painoa, koska teräsrakenteiden liittäminen tehtiin pääasiassa niittaamalla.

Kun siirryttiin enemmän hitsauksen käyttöön terästen liittämisessä, niitä oli vastaavasti kehitettävä helpommin hitsattaviksi: hiilipitoisuutta oli alennettava ja raekokoa kontrolloitava seostamalla sitkeyden parantamiseksi.

Uusien, parempien materiaalien tutkimus ja käyttöönotto on aina mahdollistanut erottumisen kilpailijoista. Nykyisin Metsoon kuuluvan Oy Lokomo Ab:n kivenmurskaajan tuote-esitteessä vuodelta 1925 (ks. esitekuva 1 ja 2) mainostetaan valuteräksestä valmistetun kivenmurskaajan erinomaisuutta ja ylivoimaisuutta silloisiin valurautarakenteisiin murskaajiin verrattuna. Kilpailuetuina nähtiin uusien teräsrakenteiden lujuus ja keveys.

Lähes vuosisata myöhemmin nämä ominaisuudet ovat edelleen Metson murskainten ja murskauslaitosten tuotekehityksessä tärkeitä seikkoja, samoin kuin materiaalitutkimus on yhä edelleen olennainen osa tuotekehitystä.

Kiertotalous on kiinteä osa materiaali- ja valmistustekniikan kehityksessä

Konepajateollisuudessa käytettävät lujat ja kulutuskestävät materiaalit takaavat tuotteille pitkän elinkaaren ja minimoivat samalla laitteiden käytönaikaisia ympäristövaikutuksia. Näillä saavutetaan myös taloudellista hyötyä, sillä laitteiden kuluminen ja vaurioituminen aiheuttavat teollisuudessa runsaasti sekä suoria että välillisiä kustannuksia. Usein välilliset kustannukset, kuten tuotannon menetykset laitteiden korjaamisen tai huollon ajalta, voivat olla paljon suurempia kuin vaurioituneen osan vaihtokustannukset.

Teknologian jatkuvan kehittymisen myötä tarvitaan yhä parempia materiaaleja. Koneiden ja laitteiden koot ja tehot ovat tasaisesti kasvaneet ja teolliset prosessit muuttuneet yhä vaativammiksi. Kohonneiden vaatimusten myötä on kehitetty kokonaan uusia materiaalityyppejä ja valmistustekniikoita. Myös perinteisiä valmistusprosesseja on kehitetty tehokkaammiksi.

Terästen rinnalle on tullut erilaisia komposiitti- ja hybridimateriaaleja, joissa eri materiaaliryhmiä on yhdistetty toimiviksi rakenteiksi. Materiaalien yhdistäminen voi tapahtua joko nano-, mikro- tai makrotasolla ja saavutettavat ominaisuusyhdistelmät voidaan räätälöidä käyttökohteen mukaan.

Viime aikoina erityisesti energiansäästötavoitteet ja ympäristönsuojelulliset näkökohdat ovat ohjanneet materiaalien ja valmistustekniikoiden kehitystä. Nykyisin jo materiaalikehityksen alkuvaiheissa pyritään minimoimaan materiaalien ympäristövaikutukset elinkaaren eri vaiheissa ja järjestämään niiden kierrätys- tai muu uusiokäyttö elinkaaren lopussa. Mekaanisilta ominaisuuksiltaan parhaat ja kestävimmät materiaalit ovat usein myös parhaiten ekologisesti kestävän kehityksen mukaisia.

Materiaalien lujuuden kasvattaminen on mahdollistanut sen, että sama toiminnallinen rakenne voidaan toteuttaa pienemmällä materiaalimäärällä kuin vähemmän lujaa materiaalia käytettäessä. Liikuteltavien laitteiden ollessa kyseessä tarvitaan kevyempien rakenteiden siirtämiseen vastaavasti vähemmän energiaa (fossiilisia polttoaineita, sähköä tms.). Kulutuskestävyyden parantuminen taas lisää rakenteiden käyttöikää.

Materiaalitekniikka onkin avainasemassa tulevassa kiertotalousyhteiskunnassa!

Kiinnostuitko? Lisälukemista metalleista

  • Ajatuksiani elämäntapametalleista löydät Metson blogista.
  • Jos metallien historia kiinnostaa enemmänkin, etsi käsiisi tämä teos: V. Lindroos, M. Sulonen, M. Veistinen: Uudistettu Miekkojan Metallioppi (1986).

Blogi on osa #materiaalista-juttusarjaamme, jossa eri materiaalien huippuasiantuntijat pureutuvat materiaalien kiertotalouteen. Lue muut jo julkaistut jutut täältä.

Mistä on kyse?