Uusi tutkimus valottaa mikroskooppisten pienten partikkelien vuorovaikutusta kehittyneissä teräksissä
Teräs on yksi aikamme käytetyimmistä materiaaleista muun muassa erinomaisen lujuutensa, muokattavuutensa, monikäyttöisyytensä ja kierrätettävyytensä vuoksi. Teräksen tutkimus ja kehitys onkin tärkeässä roolissa kestävän tulevaisuuden luomisessa.
Mikroskooppisten pienten partikkelien, sulkeumien, vaikutus terästen kestävyysominaisuuksiin on kiistaton. Suuret sulkeumat puolestaan voivat olla tuhoisia: ne voivat aiheuttaa tuotteen katkeamisia, murtumia ja pinnanlaadun virheitä. Sulkeumat koostuvat tyypillisesti oksideista, sulfideista ja nitrideistä. Sulkeumien hallinta onkin välttämätöntä teräksenvalmistuksen eri vaiheissa lopputuotteen laadun varmistamiseksi.
Sulkeumien kemiallisen koostumuksen määrittämiseen on useita konventionaalisia menetelmiä, joilla kaikilla on omat rajoituksensa. Osa on ainetta rikkovia. Analysoinnin epätarkkuudesta johtuen niiden vuorovaikutus toistensa tai teräsmatriisin kanssa on huonosti tunnettu.
NANOMO:n ja Prosessimetallurgian tutkimusryhmän tutkijat hyödynsivät huipputeknologiaa: synkrotronipohjaista spektromikroskopiaa ja kvanttimekaanisia laskelmia käytettiin erilaisten sulkeumien keskinäisten vuorovaikutusten ja muodostumismekanismien arviointiin erikoislujassa teräksessä. Kansainvälisessä yhteistyössä tunnistettiin kvantitatiivisesti boorinitridiä ja titaaninitridiä yhdessä tyypillisten kalsiumia sisältävien sulkeumien kanssa. Oulun yliopiston koordinoiman kansallisen tutkimusinfrastruktuurin osallisuus ruotsalaiseen MAX IV-synkrotronifasiliteettiin oli tutkimuksessa keskeisessä roolissa.
Tutkimuksessa havaittiin, että boorinitridi ja titaaninitridi muodostuivat erikseen, ilman niiden välistä vuorovaikutusta. Boorinitridin muodostuminen jopa estyy titaaninitridin osuuden ollessa suuri. Tutkimus avaa uusia mahdollisuuksia epämetallisten sulkeumien hallintaan entistä vihreämmän teräksen valmistamiseksi.
Tutkimus lujittaa yhteistyötä Oulun yliopiston Physics of Steel -profilaatiossa. Terästutkimuskeskus Centre for Advanced Steels, CASR:n jäseninä NANOMO ja Prosessimetallurgia tutkijat osallistuvat materiaalien fysikaalisten ilmiöiden sekä raudan- ja teräksenvalmistuksen poikkitieteelliseen tutkimukseen.
Tutkimus on vastikään julkaistu kansainvälisesti korkeatasoisessa materiaalitekniikan vertaisarvioidussa Scripta Materialia -julkaisusarjassa ja on julkaisusarjan TOP 10 luetuimman listalla.
Artikkeli:
Unveiling interactions within non-metallic inclusions in advanced ultra-high strength steel: A spectro-microscopic determination and first-principles elucidation (sciencedirect.com 2021)