Ultralujat teräkset – Avain kestävään kilpailukykyyn Euroopan teollisuudessa

Koneteollisuus yhdessä metalliteollisuuden kanssa kattaa kolmanneksen Suomen viennistä. Suomessa valmistetaan tyypillisesti erittäin korkealaatuisia investointikoneita, joilta vaaditaan korkeaa tuottavuutta ja hyötysuhdetta. Väitöstyön tulokset ovat tärkeitä teollisuudelle, sillä ne tarjoavat keinoja vastata yhä kasvaviin suorituskyky- ja ympäristövaatimuksiin.

Ultralujien terästen avulla koneista ja laitteista voidaan valmistaa entistä kestävämpiä, keveämpiä, turvallisempia, kilpailukykyisempiä ja ympäristöystävällisempiä. ”Uuden väitöstutkimuksen tavoitteena on helpottaa uusien ultralujien rakenneterästen käyttöä laajasti koneteollisuudessa”, kertoo Oulun yliopiston väitöskirjatutkija Lassi Keränen.

Väitöskirjassa tutkitaan ultralujien terästen hyödyntämistä erilaisissa koneissa, ja keskitytään siihen, miten hitsaus vaikuttaa koneiden ominaisuuksiin. Laaja-alainen tutkimus yhdistää terästutkimuksen ja koneensuunnittelun osa-alueita.

”Ultralujat teräkset ovat jo nykypäivää autojen massateollisuudessa. Niillä vahvistetaan auton koria ja kevennetään painoa, jolloin energiankulutus ja päästöt vähenevät”, kertoo väitöstyön ohjaaja, professori Emil Kurvinen Oulun yliopistosta. ”Uusi väitöstyö käsittelee aihepiiriään poikkeuksellisen laaja-alaisesti, ja pyrkii helpottamaan ultralujien terästen käyttöä laajemmin koneiden suunnittelussa ja raskaassa teollisuudessa, jossa niitä käytetään vielä lähinnä yksittäisissä kappaleissa.”

Ultralujien terästen käyttöä hidastaa kuitenkin aiempaa tarkemman suunnittelun tarve aina konseptisuunnittelusta materiaalinvalintaan, lujuuslaskentaan ja konepajavalmistukseen saakka.

Monet koneet valmistetaan hitsaamalla, missä materiaaliin tuodaan paljon lämpöä. Koska ultralujien terästen lujuus perustuu usein lämpökäsittelyihin, hitsauksen aiheuttama kuumennus muuttaa teräksen ominaisuuksia, kuten sitkeyttä ja lujuutta, sekä aiheuttaa jäännösjännityksiä. Näitä muutoksia ei vielä täysin tunneta, ja ne vaikuttavat hitsatun koneenosan kestävyyteen merkittävästi.

”Tavanomaisen rakenneteräksen hitsaus on ammattilaisille arkipäivää. Jotta uusien ultralujien terästen lujuus ja ominaisuudet säilyvät, hitsaukseen tarvitaankin muun muassa tarkkaa hitsausprosessin hallintaa, laadunvalvontaa ja jälkikäsittelyitä”, Keränen kertoo.

Tutkimuksessa testattiin sekä hitsaamattomia että hitsattuja ultralujia teräksiä eri käyttölämpötiloissa -80 °C:n ja +1000:n °C välillä. Myös hitsauksen vaikutukset ultralujan teräksen jäännösjännitystilaan selvitettiin mittauksilla. Lisäksi tapaustutkimusten avulla osoitettiin ultralujien terästen mahdollisuuksia erilaisissa koneissa.

Kehitettyjen mallien avulla voidaan arvioida koneenosan lopullisia materiaaliominaisuuksia, lujuutta, sitkeyttä ja hitsauksen vaikutuksia eri käyttölämpötiloissa. ”Suomessa ja Oulun yliopistossa on maailmanluokan osaamista ultralujissa teräksissä. Uusi väitöstutkimus edistää niiden hyödyntämistä kotimaisten vientituotteiden kilpailukyvyssä”, Kurvinen arvioi.

Väitöskirja verkossa

Diplomi-insinööri Lassi Keränen väittelee Oulun yliopistossa pe 31.1.2025. Koneensuunnittelun alaan kuuluvan väitöskirjan otsikko on Ultralujat teräkset kestävien koneiden suunnittelussa (Ultrahigh-strength steels in the design of durable machines). Vastaväittäjinä toimivat professori Reijo Kouhia Tampereen yliopistosta ja tohtori Tuomas Rantalainen Terästorni Oy:stä, ja kustoksena toimii professori Emil Kurvinen Oulun yliopistosta. Väitöstilaisuus alkaa Linnanmaalla salissa TA105 klo 12. Väitöstä voi seurata etäyhteyksin.