Miten metallikappaleesta saadaan tehtyä antibakteerinen, itsevoiteleva tai ruostumaton? Metalliruiskuvalutekniikkaa ja tilanvaraajatekniikkaa yhdistämällä metalliin syntyy huokosia, joihin voidaan viedä kemiaa.
Nelisen vuotta sitten kemian laitoksen tutkijoille heitettiin ehdotus pulverimetallien tutkimuksesta. Aihe ei oikein kiinnostanut, koska pulverimetallimateriaalien kehitystä oli tehty maailmalla jo kauan. Sitten syntyi ajatus toiminnallisten metallipintojen tutkimuksesta.
Metalliruiskuvalutekniikka (metal injection molding, MIM) yhdistää jo pitkään käytössä ollutta muoviruiskuvalutekniikkaa ja jauhemetallurgiaa. MIM yhdessä tilanvaraajatekniikan kanssa antaa puolestaan mahdollisuuden tehdä metallikappaleeseen jo valun aikana hallitusti huokosia, joihin voidaan viedä monipuolisesti erilaista kemiaa.
– Tällaista tilanvaraajan käyttöön perustuvaa tutkimusta, jossa huokosia käytettään toiminnallisuutta tuottavan kemian varastointiin, ei ole juurikaan tullut vastaan, kertoo professori Mika Suvanto.
– Teimme kaksikin hanketta yhteistyössä teollisuuden ja Karelia-ammattikorkeakoulun kanssa. Tuotimme aiheesta neljässä vuodessa kokonaisuudessaan kymmenen julkaisua, seitsemän pro gradu -työtä ja kaksi väitöskirjaa.
Yksi aihetta tutkineista on viime vuoden lopulla väitellyt Matti Kultamaa. Hän teki jo pro gradu -työnsä huokoisista metalleista, joten tuntui luontevalta jatkaa aiheen parissa.
– Metalliruiskuvalutekniikan ja tilanvaraajan avulla metalliin saadaan tehtyä hallitusti tilaa halutunlaiselle kemialle. Käytännössä metalliin tehdään enintään satojen mikrometrien eli alle millimetrin kokoisia koloja, jotka täytetään halutulla aineella, hän sanoo.
– Jauhemaisesta metallista muovataan tällä tekniikalla tiiviitä, vahvoja metallikappaleita, kuten vaikkapa laakereita.
Parasta tekniikassa on se, että kun ruiskuvaluprosessi on suoritettu, jälkikäsittelyä, kuten lämpökäsittelyä ei tarvitse tehdä.
– Kyseessä on siis kätevä, nopea, tehokas ja edullinen massatekniikka, josta ei jää hukkaan menevää materiaalia.
Kuvassa: Mika Suvanto ja Matti Kultamaa.
Kemialla vahvistettu metalli estää sairaalabakteerin leviämisen
Jotta metalliruiskuvalutekniikan tuottamat ominaisuudet saataisiin hyödynnettyä metallikappaleessa, tarvitaan PSH-menetelmää (powder space holder). Se mahdollistaa huokoisuudeltaan ja huokoskooltaan kontrolloitujen teräskomponenttien valmistamisen.
– Tilanvaraajat ovat pulverimaisia partikkeleita, esimerkiksi polymeerisia, epäorgaanisia aineita tai vaikkapa suolaa, jota käytin omassa tutkimuksessani. Olennaista on, ettei aine hajoa valun aikana, Kultamaa toteaa.
Kuvassa: Metallikappaleen huokoinen sisärakenne.
Metallissa on aina oltava sidosainetta, joka tekee siitä juoksevampaa ja pitää kappaleen koossa loppuun asti. Sidosaine on usean aineksen seos, ja siinä voi olla esimerkiksi vesiliukoista polymeeria, kuten polyetyleeniglykolia (PEG).
Metallikappaleen huokoset voidaan täyttää monenlaisilla aineilla. Kultamaa selvitti väitöstyössään antibakteeristen aineiden, korroosionkeston ja voiteluaineiden mahdollisuuksia.
Tutkimuksessa ruostumattoman teräksen huokosten sisään vietiin metalleja, joilla on antibakteerista taipumusta. Tällaisia ovat tunnetusti esimerkiksi hopea, kupari ja sinkki. Nämä metallit estivät tehokkaasti yleisiin sairaalabakteereihin lukeutuvan grampositiivisen Staphylococcus aureus -bakteerin kasvun teräsrakenteiden pinnalla.
– Hopealla ja kuparilla parannellut metallit eivät kuitenkaan voisi olla ihan jokapäiväisessä käytössä esimerkiksi sairaalassa. Käsistä irtoava rasva ja lika tukkivat metallin pinnan huokoset. Huokoisuus on pinnoissakin korkea, koska juuri niin ne saadaan antibakteerisiksi, Kultamaa kertoo.
Metallikappaleiden kitka- ja kulumisominaisuuksia voidaan parantaa aivan samalla tavoin. Huokosiin voidaan viedä voiteluaineita, kuten väitöstutkimuksessaan Kultamaan käyttämää parafiinia. Voiteluaineella täytetyt huokoset vähentävät hankaavaa kontaktia, ja kun aine on varastoituna valmiiksi kappaleeseen, sitä ei tarvitse lisätä. Menetelmä olisi mahdollista ottaa käyttöön nopeastikin.
Itsevoitelevalla materiaalilla voisi olla laajat käyttökohteet teollisuudessa ja autoalalla.
Matti Kultamaa
FT
Korroosionkeston tutkimuksessa metallikappaleen huokosiin varastoitiin sinkkiä, jota on käytetty pitkään muun muassa galvanoidun teräksen valmistuksessa.
– Sinkkiä voidaan käyttää uhrianodina, koska se ruostuu nopeammin. Sitä ei tarvinnut edes viedä kappaleeseen kattavasti, vaan se toimi pieninäkin partikkeleina, Kultamaa sanoo.
– Demonstroimme korroosiotestin, ja osoittautui, että sinkkiä sisältävä kappale ruostui selvästi vähemmän kuin verrokit. Kymmenen vuorokauden aikana muut kappaleet olivat jo täysin ruosteessa, vaikka käytössämme oli ruostumattoman teräksen laatu, jolla oli heikoin korroosionesto-ominaisuus. Sinkki toimisi siis edullisena menetelmänä korroosionestossa.
Tulevaisuudessa menetelmällä voidaan laajentaa teräsrakenteiden käyttökohteita muun muassa hyvinkin vaativiin arktisiin olosuhteisiin.
– Yhdellä prosessilla saadaan valettua kappale muotoon ja rakennettua siihen halutut ominaisuudet. Huoltovälit ja kappaleen elinkaari pitenevät, sekä energian käyttö vähenee. Kestävyysajattelu on tässä jo itsessään valmiiksi mukana, Suvanto toteaa.
Kuvassa: Pyöreä huokoinen metallikappale.
Metallisruiskuvalutekniikan tutkimus ja kehittäminen alkoivat vuonna 2018 Business Finland -rahoitteisessa hankkeessa. Itä-Suomen yliopiston tutkijat tekivät tieteellistä laboratoriotason tutkimusta. Karelia-ammattikorkeakulussa olivat isomman mittakaavan ruiskuvalulaitteet sekä muotit. Jatkohankkeessa vuonna 2020 kehitettiin MIM-komponentteja vaativiin olosuhteisiin, ja niitä myös testattiin käytännössä. Tutkimusta on tehty myös kovametallipuolella professori Jarkko J Saarisen johdolla.
Itä-Suomen yliopiston kemian laitos on tehnyt yhteistyötä materiaalikehityksessä, tutkijavaihdossa ja julkaisuyhteistyössä itävaltalaisen Montanuniversität Leobenin kanssa, sekä itävaltalaisen tribologiaan keskittyvän V-Researchin kanssa.
– Nyt suunnittelemme uutta tutkimusta saman tilavaraajatekniikan käyttämisessä huokoisten muovien ja yhdistelmämateriaalien valmistuksessa. Niitä voisi käyttää komposiiteissa tai pinnoitustekniikoissa, joilla voidaan estää lumen ja jään kertymistä pinnoille, Suvanto sanoo.
Huokoiset materiaalit ovat kevyitä, mutta huokoisuuden astetta on säädettävä mekaanisen kestävyyden varmistamiseksi. Materiaaleja voisi käyttää esimerkiksi energiantuotannossa, erilaisissa ulos sijoittuvissa muovi-komposiittitelineissä tai kannattimissa, joissa voi olla myös sensorointia.
Käyttökohteita voisivat olla myös dronet, talotekniikka, säähavaintolaitteet ja puolustusteknologia – mitkä tahansa laitteet, jotka ovat ulkona arktisissa oloissa lumen ja jään armoilla.
