Seksjonen forskning består av saker som er skrevet av ansatte i Forskningsrådet, Sintef, NTNU og UiO.

Nye aluminiumslegeringer – nanoforskning

Norsk forskning på nanonivå bidrar til at aluminium kan brukes i alt fra biler til glidelåser

Ørsmå detaljer endrer alt.

Adrian Lervik og Elisabeth Thronsen bruker elektronmikroskop for å undersøke strukturen i aluminiumslegeringer.
Adrian Lervik og Elisabeth Thronsen bruker elektronmikroskop for å undersøke strukturen i aluminiumslegeringer. (Foto: Per Henning, NTNU)

Ørsmå detaljer endrer alt.

  • Forskning

Aluminium er blant de vanligste grunnstoffene i jordskorpa, lett å utvinne og et alternativ til stål. Samtidig veier aluminium bare rundt en tredjedel av stål, som blant annet er ettertraktet i elbiler for å øke rekkevidden.

Men rent aluminium er i seg selv svært mykt, og blandes derfor med andre stoffer for å lage såkalte legeringer. I tillegg utsettes det for ulike typer varme- og mekaniske behandlinger før vi kan bruke materialet til noe nyttig.

– Vi driver med grunnforskning og legeringsutvikling, sier seniorforsker Calin Marioara ved SINTEF Industri.

Små endringer i sammensetning og framgangsmåte kan altså gi store endringer i egenskapene til materialet.

– Norsk forskning på aluminium er helt i verdenstoppen, fastslår Randi Holmestad, professor ved Institutt for fysikk ved NTNU.

Ved for eksempel å tilsette bare 1-2 prosent magnesium (Mg) og silisium (Si), og varmebehandle ved 180 grader over 5 til 10 timer, blir aluminium langt hardere. Dette kalles utherdbare aluminiumslegeringer.

Styrken kommer fra små utfellinger på nanonivå, også kalt presipitater, som inneholder mer av Mg og Si og har en litt annen atomstruktur enn aluminiumet rundt.

Mindre korrosjon

Grunnforskning er også doktorgraden til Adrian Lervik, stipendiat ved Institutt for fysikk ved NTNU. Han ser på hvordan tilsetning av kobber (Cu) og ulike former for varme- og mekanisk behandling gir ulike egenskaper til aluminiumslegeringer.

Aluminium i Norge

  • Produksjon av aluminium startet tidlig i Norge, slik det også skjedde i andre land med rikelig tilgang på billig vannkraft.
  • Allerede i 1908 ble det første aluminiumsverket satt i gang i Stongfjorden i Sunnfjord, og i 1909 ved A/S Vigelands Brug i Vennesla.
  • I 2014 ble det produsert 1.200.000 tonn aluminium i Norge. Det var 2,4 prosent av verdensproduksjonen.

Ved å tilsette små mengder kobber øker styrken til legeringene, men dette øker også sannsynligheten for at materialet blir utsatt for korrosjon, det vi ville kalle rust eller irr i jern og kobber.

Ved å optimalisere varmebehandlingen, kan vi fange kobber i presipitatenes atomstruktur. Det bevarer styrken og gjør samtidig legeringen mer korrosjonsbestandig.

– Vi fant andre måter å behandle legeringene på som blant annet kan gjøre materialet mindre utsatt for korrosjon uten at det reduserer styrken, sier Lervik.

Å tilsette litt kobber reduserer altså et problem, om det gjøres på den rette måten. Om det gjøres feil, øker det isteden problemene med korrosjon, så her gjelder det å vite nøyaktig hva du holder på med.

Les også

Sterkere byggematerialer 

Ved å undersøke materialet i et elektronmikroskop kan forskerne se hvordan legeringselementene organiserer seg på ulike måter i aluminiumet, alt etter hvordan materialet behandles.

Ulike organiseringer av tilsetningsstoffene i strukturen, som bare er mulig å se på atomnivå, endrer egenskapene til aluminiumet.

NTNU har flere ulike typer elektronmikroskoper, der det største transmisjonselektronmikroskopet (TEM) bidrar til å gi universitetet en stor fordel i forhold til andre institusjoner. Professor Holmestad er også gruppeleder for Gemini-senteret som driver TEM.

– Målet vårt er å kunne forutsi egenskaper. Da må vi forstå hva som skjer i nanoskala ved å granske strukturen i materialer med ulike egenskaper. Basert på dette kan vi gi innspill til modellering og fra det kunne si hvordan materialet vil oppføre seg ved ulike sammensetninger og behandlinger, påpeker Holmestad.

Anvendelsesområdene for aluminium er altså svært mange. Gruppen samarbeider også med CASA-senteret ved NTNU, som er blant de fremste i verden på sikkerhetsforskning. Aluminium kan for eksempel brukes i byggematerialer som absorberer energi mer effektivt, slik at en bombe eller et prosjektil gjør mindre skade. Men ikke alt er like dramatisk som det.

Les også

Åpner nye muligheter for glidelåser

Elisabeth Thronsen er i dag doktorgradsstipendiat ved Institutt for fysikk. Hennes resultater fra masterstudiet kan kanskje bli nyttig for et helt annet anvendelsesområde for aluminium. Nemlig hvordan materialet kan brukes best mulig i glidelåser.

Thronsen fant den optimale bearbeidingen av en ny legering som gjør at legeringen får samme egenskaper som messinglegeringen som blir brukt nå.

Her samarbeider NTNU og SINTEF med japanske YKK, verdens største produsent av glidelåser, med hele 40 prosent av verdensmarkedet. Forskere fra selskapet og fra University of Toyama var nylig i Trondheim for å utveksle erfaringer og rekruttere nye studenter fra NTNU for å komme og jobbe i Japan.

– YKK prøver nå å produsere glidelåser av legeringen, for å utføre tester på det faktiske produktet før det eventuelt blir kommersielt, sier Thronsen, som fortsetter arbeidet med aluminium som doktorgradsstipendiat, men skifter til legeringer som er tiltenkt transportindustrien.

Aluminium kan altså ha potensial til å erstatte messing i glidelåser, delvis på grunn av forskningen fra Norge.

Blant samarbeidspartnerne finner vi store aktører som Hydro, Benteler, Raufoss Technology, Neuman Aluminium og Gränges.

Les også

Kilder:

Calin D. Marioara, Adrian Lervik, Julie Grønvold, Otto Lunder, Sigurd Wenner, Trond Furu, Randi Holmestad. The Correlation Between Intergranular Corrosion Resistance and Copper Content in the Precipitate Microstructure in an AA6005A Alloy. https://doi.org/10.1007/s11661-018-4789-7

Thronsen, Elisabeth. (2018) The effect of deformation and natural ageing in an Al-Mg-Si-Cu alloy with high Cu-content: A transmission electron microscopy study. Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet. 2018. https://brage.bibsys.no/xmlui/handle/11250/2502730

Calin D. Marioara, Sigmund J. Andersen, Jostein Røyset, Oddvin Reiso, Sverre Gudbrandsen-Dahl, Tor-Erik Nicolaisen, Inge-Erland Opheim, Jan Fredrik Helgaker, Randi Holmestad. Improving Thermal Stability in Cu-containing Al-Mg-Si Alloys by Precipitate Optimization. https://doi.org/10.1007/s11661-014-2250-0

Kommentarer (3)

Kommentarer (3)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå