Tulevaisuuden lämpökäsittelyä

3D-tulostus räätälöityjä metallijauheseoksia käyttämällä sekä autojen kitkaa ja polttoaineenkulutusta pienentävä tarkkuusvalmistus ovat esimerkkejä uusista teknologioista, jotka asettavat vaatimuksia lämpökäsittelylle ja innovaatiokyvylle. Ruotsi on jo pitkään ollut alan johtava maa mutta uhkaa jäädä jälkeen, jos etumatkaa ei pidetä yllä.

Muinaisista ajoista lähtien lämpökäsittelyssä on ollut kyse teräskappaleen hiilettämisestä ja työstämisestä äärimmäisissä lämpötiloissa maksimaalisen kestävyyden ja pintakovuuden aikaansaamiseksi. Täydellisyyden tavoitteleminen vuosisatojen kuluessa on johtanut useisiin prosessiparannuksiin ja vahvaan käsityöläisperinteeseen, joka on siirtynyt sukupolvelta toiselle. Ruotsissa tässä on oltu erityisen hyviä. Kuitenkin viimeisten 15–20 vuoden aikana on tapahtunut jotain: tuotteiden suorituskykyvaatimukset ovat kasvaneet, kustannussäästöt ovat tiukentuneet ja IT-ratkaisuista on tullut älykkäämpiä. Nämä muutokset ovat asettaneet sekä valmistajille että toimittajille suurempia vaatimuksia parantaa sekä tuotteita että tuotantomenetelmiä. Lisäksi Kairos Futuren tuore, Swerea-tutkimuskonsernin toimeksiannosta tehty tutkimus osoittaa, että kehittyvät maat, kuten Intia ja Kiina, ovat alkaneet kuroa etumatkaa umpeen niin teknologiassa kuin osaamisessakin – ja voivat usein toimittaa tuotteita ja palveluita halvemmalla. Aikaisemmin kyse oli pitkälti prosessiparannuksista, ja ne liittyivät 1900-luvulla pitkälti siirtymiseen hiiletyksestä kaasukäsittelyyn. Nyt ollaan kuitenkin matkalla kohti aivan uutta vaihetta, jossa juuri tietämyksen sekä tutkimuksen ja kehityksen ennustetaan muodostuvan uusiksi kilpailutekijöiksi.

3D-tulostus
Eräs uusimmista innovaatioista on teknologia, joka mahdollistaa komponenttien 3D-tulostuksen monista erilaisista metallijauheseoksista, kuten titaanijauheesta. Tämä vie koneenosien, kuten laakerien, hammaspyörien ja akseleiden, valmistuksen aivan uudelle tasolle. Lisäksi tarkastelun kohteena ovat ympäristöystävälliset menetelmät ja prosessit, joilla voidaan esimerkiksi typetystä ja hiilitypetystä käyttämällä valmistaa ajoneuvonosia, joiden kitka- ja kulumisominaisuudet vähentävät polttoaineenkulutusta huomattavasti. AGAn lämpökäsittelyn sovellusinsinööri Anders Åströmin mukaan juuri tällaisia mahdollisuuksia Ruotsin teollisuuden olisi pidettävä silmällä voidakseen säilyttää asemansa kehittyneiden terästuotteiden johtavana toimittajana maailmassa.

”Se on uskomattoman kiehtovaa. Meillä on osaamista, ja meidän on tuettava osaamisen kehittämistä. Muussa tapauksessa teollisuutemme voi jäädä kehityksestä jälkeen ja ajautua pelkäksi alihankkijaksi. Sillä olisi vakavia seurauksia Ruotsin teollisuuden asemalle maailmanmarkkinoilla. Onhan Ruotsia pidetty pitkään erityisen menestyvänä maana, jolla on tarjota paljon innovatiivisia ratkaisuja juuri rauta- ja terästeollisuudessa sekä metalleihin perustuvissa tuotteissa”, hän sanoo.

Osaajista huolehtiminen
Åstrom kertoo, että monet ruotsalaiset yritysjohtajat ovat viime vuosina keskittyneet liikaa kustannussäästöihin ja että tämä on näkynyt kvalitatiivisessa lämpökäsittelyssä.
”Suuri osa alan johtajasukupolvesta on siirtynyt eläkkeelle, mutta heidän tilalleen ei tule uusia. Nyt meitä todellisia osaajia on Ruotsissa jäljellä noin 200”, hän sanoo ja korostaa, että osaava lämpökäsittelyammattilainen on yhtä paljon käsityöläinen kuin insinööri ja tutkija. ”Monet luulevat, että pelkällä vakioreseptillä pärjätään: painetaan painiketta ja saadaan toisesta päästä valmis tuote. Sillä on kuitenkin vaikea kehittää ja lyhentää prosesseja. Uuden sijaisen lähettäminen rekrytointiyrityksestä ei riitä, vaan tarvitaan kerta kaikkiaan uusia suuntaa näyttäviä johtajia.” Åstrom sanoo, että nykyisiä lämpökäsittelyprosesseja, jotka usein kestävät monta tuntia, olisi voitava ajaa sekä älykkäämmin että merkittävästi nopeammin. Yksi alan ehdottomia haasteita tällä hetkellä on houkutella alalle opiskelijoita sekä saada korkeakoulut ja yliopistot mukaan herättämään mielenkiintoa teollisuutta kohtaan.

Virheet tulevat kalliiksi
AGAn lämpökäsittelyn Pohjoismaiden ja Baltian tuotepäällikkö Sören Wiberg sanoo, että mitä enemmän siirrytään komponenttien kappalevalmistukseen – jossa työskennellään erikokoisten ja -muotoisten tuotteiden parissa – sitä suuremmaksi kasvavat atmosfäärin hallintaan, materiaalituntemukseen, lämpötilan tasaamiseen, kaasuseokseen ja jäähdytykseen liittyvät vaatimukset. ”Moni asia voi mennä vikaan, ja se voi tulla valtavan kalliiksi. Lämpökäsittelyhän on viimeinen vaihe usein pitkässä ja kalliissa tuotantoketjussa, joka voi muodostaa jopa 95 prosenttia tuotteen loppukustannuksesta”, hän selittää. ”Loput viisi prosenttia muodostava lämpökäsittely voi näin ollen mitätöidä koko arvon, jos sitä ei suoriteta oikealla tavalla.”

”Jos kaasuseoksessa on liikaa hiiltä, voi muodostua nokea ja karbideja, mikä haurastuttaa terästä. Jos toisaalta uunikaasussa on liian vähän hiiltä, teräksen hiilipitoisuus pienenee ja sen mekaaniset ominaisuudet jäävät puutteellisiksi. On myös tavallista, että uuneihin pääsee happea esimerkiksi vuotokohtien kautta, ja materiaali hapettuu. Kyse on koko ajan tarkkuudesta ja sormituntumasta.” Lämpötilan kanssa tasapainoileminen on toinen vaikea kokonaisuus. Valmiiden tuotteiden tasalaatuisuuden kannalta on tärkeää, että lämpötila pysyy aivan tasaisena. Se voi olla vaikeaa karkaisun edellyttämissä äärilämpötiloissa. Teräksen lämpötila nousee 870–940°C:n ja ruostumattoman teräksen noin 1 100°C:n. Sammutusprosessi on kriittinen ja ratkaiseva vaihe tasalaatuisen martensiitin muodostumisen kannalta.
Sitä mukaa kun monet alat, kuten auto- ja ilmailuteollisuus, jatkuvasti tarkentavat teollisuusstandardejaan, vaaditaan myös alihankkijoilta lämpökäsittelynsä osaamista alusta loppuun.

Ympäristöystävällistä ja kestävää
Swerea IVF:n vanhemman tutkijan Eva Troellin mielestä myös kestävyydellä ja ympäristöllä on tärkeä merkitys tulevaisuuden lämpökäsittelyssä. ”Tulevaisuudessa on entistä tärkeämpää pystyä tarjoamaan ympäristöystävällisiä prosesseja, joissa esimerkiksi sammutusprosessin öljykylpy korvataan kaasulla. Lisäksi on pystyttävä pienentämään valmistettavien komponenttien ympäristövaikutuksia koko niiden elinkaaren aikana”, hän sanoo ja viittaa erityisesti parempiin suorituskykyominaisuuksiin. ”Jos kuorma-auton akselit ja hammaspyörät kestävät suurempia momentteja, kuljetukset tehostuvat, koska tällöin voidaan kuljettaa suurempia kuormia kilometriä kohti”, hän sanoo.

Tiedelehti Tribology Internationalissa julkaistu tutkimus osoitti myös, että lämpökäsittelymenetelmät, jotka vähentävät komponenttien pintakitkaa, voisivat leikata ajoneuvon polttoaineen kulutusta jopa viidenneksen. ”Tämä voisi olla merkittävä edistysaskel”, hän toteaa viitaten autoteollisuuteen, joka muodostaa tällä hetkellä noin 75 prosenttia Ruotsin lämpökäsittelymarkkinoista. ”Jos pidämme huolta näistä seikoista ja pystymme houkuttelemaan alalle uusia lahjakkuuksia, tulevaisuus näyttää todella lupaavalta.”

Teksti: Louise Nordström
Valokuva: AGA