tumblr hit tracking tool

Industri & teknik

Tribologi möjliggör teknisk utveckling

Av Staffan Jacobsson 2014-10-29
Montage som visar en mörk avlagring i form av en skyddande tribofilm uppbyggd av mikroskopiska partiklar på den infällda avgasventilens tätningsyta. Mikroskopi: Peter Forsberg
Nötning och friktion är viktiga fenomen för alla produkter med rörliga delar. Industrins jakt mot att uppfylla högre miljö- och klimatmål leder ofta till att friktionsförluster behöver sänkas och slitagelivslängder förlängas. Detta skärper kraven på produkternas ytskikt, deras smörjning, vikt med mera. Samtidigt måste många etablerade välfungerande material och smörjmedel fasas ut på grund av miljö- eller hälsoskäl, vilket leder till ständigt nya utmaningar inom forskningsområdet tribologi; vetenskapen om ytors friktion, nötning och smörjning.

– Ett välkänt exempel på att utvecklingen mot mer uthållig teknik leder till tribologiska utmaningar är övergången till den blyfria bensinen. Övergången medförde nötningsproblem i gamla bilmotorer eftersom det visade sig att blyet i den traditionella bensinen hjälpt till att bygga upp nötningsskyddande lager på vissa kritiska delar.

Nötningsbeständiga material

Det här ledde till att man fick utveckla mer nötningsbeständiga material till exempel för motorventilerna. En omfattande och kostsam process som också är ett bra exempel på tribologins betydelse, menar Staffan Jacobson, professor i materialvetenskap med specialinriktning mot just tribologi.

– Liknande tribologiska problem återkommer regelbundet som en effekt av förbättringar i något annat avseende, exempelvis när lastbilarna gradvis körs på renare bränslen och med krav på avsevärt mindre partikelutsläpp. De mekaniska systemen i exempelvis dagens förbränningsmotorer är så oerhört vältrimmade att ruckar man på någon parameter så är risken stor att det uppstår nya problem med nötning, vilket kräver nya tribologiska lösningar, fortsätter han.

Del av Ångströms

Tribomaterialgruppen är en del av Tillämpad materialvetenskap på Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet. Gruppen har ständigt en rad olika forskningsprojekt igång, med industriella samarbeten inom de flesta teknikområden och branscher.

– Det som gör att vi behövs är att den här delen av materialvetenskapen är oerhört viktig för industrin och samtidigt mycket specifik. Tillverkande företag, stora som små, har i regel ingen speciell avdelning för tribologi, medan vi har kunskapen och redskapen för att forska kring detta, berättar Staffan Jacobson.

– Vår forskningsgrupp fokuserar helt och hållet på att förstå sambanden mellan material och ytbeläggningar och de nötnings- och friktionsmekanismer som uppstår när ytor rör sig mot varandra; idag har vi projekt som spänner från höftimplantat till bergborrar. Området är alltså väldigt brett. Det har dock visat sig att förhållandena i kontakten mellan ytor är förvånansvärt lika mellan de olika områdena, trots att tillämpningarna och produkterna är så olika. Vi arbetar i stort sett på samma sätt oavsett tillämpningsområde, förklarar Staffan Jacobson.

Konkurrens mellan grupper

Ett forskningsprojekt startar vanligtvis med att gruppen sätter sig in det aktuella området, ofta med hjälp av en industriell samarbetspartner, och ber att få in nötta produkter att studera främst med svepelektronmikroskopi.

– Vi tittar på hur nötningen fungerar, i mikroskop och med andra metoder. Det här är ingenting man ser med blotta ögat, allt sker i liten skala; den resulterande nötningen och friktionen är resultatet av små, små händelser. Sedan genomför vi egen provning där vi på ett enkelt och välkontrollerat sätt försöker efterlikna produkten och dess miljö så exakt som möjligt.

Tribologigruppen

Såväl långa som korta projekt genomförs av Tribologigruppen, de flesta med industriella tillämpningar, men även friktionsförhållandena för längdskidor och curlingstenar har analyserats, berättar Staffan Jacobson. Ett längre och mer omfattande SSF-stött projekt som just håller på att avslutas bär namnet ”Tekniska framsteg genom styrda tribofilmer” och har letts av Staffan sedan 2009.

– Ja, vi uppskattar verkligen att få stöd för längre projekt, då dessa helt enkelt ger möjlighet till en bredare och djupare belysning och därmed tillåter oss att vara mer grundläggande, innovativa och ta oss an större utmaningar. Det här projektet har handlat om att möjligheterna till att ta fram nya typer av nötningsbeständiga ytbeläggningar vars yttersta atomlager under drift omvandlas på sätt som kan ge låg friktion. Denna teknik med ”aktiva tribofilmer” har i goda fall möjliggjort extremt låga friktionsnivåer i osmord kontakt, nedåt en hundradel av typiska friktionsnivåer mellan metaller.

Friktionen och nötningen som uppstår när ytor nöter mot varandra kräver ständig utveckling av nya effektivare ytbeläggningar, vartefter prestandakraven ökar och de miljö- och energimässiga förutsättningarna förändras. På marknaden finns mängder av olika tribologiska ytbeläggningar, normalt inte mer än några tusendels millimeter tjocka, varav många har haft avgörande industriell betydelse.

– Först slog de nötningskyddande beläggningarna igenom för skärande verktyg, sedan formverktyg, och idag ser vi en snabb ökning av lågfriktionsbeläggningar till mekaniska komponenter inom exempelvis bilindustrin, berättar Staffan Jacobson.

Genom den förståelse vi bygger upp för mekanismerna och hur de kan kontrolleras med bättre material och ytskikt drar vi vårt strå till stacken för att den tekniska utvecklingen ska kunna tillmötesgå de allt högre kraven

Industriell produktion

Det faktum att utveckling och effektivisering av all industriell produktion och produkter med rörliga delar förr eller senare leder till tribologiska utmaningar gör att Tribologigruppen på Ångströmlaboratoriet fortsatt kommer att ställas inför frågeställningar inom en rad områden.

– Så är det, tillämpningarna kommer alltid att utvecklas och därmed också kraven på ytorna. Vår roll handlar framförallt om kunskapsuppbyggnad gentemot industrin.

Med vår kunskap och våra provningsmetoder undersöker vi vad som händer med ytan när man utsätter den för friktion, nötning och smörjning. Genom den förståelse vi bygger upp för mekanismerna och hur de kan kontrolleras med bättre material och ytskikt drar vi vårt strå till stacken för att den tekniska utvecklingen ska kunna tillmötesgå de allt högre kraven gällande miljö, energieffektivitet och prestanda, säger Staffan Jacobson.

Warning: Unknown: open(/storage/content/65/195165/klienten.se/public_html/files/tmp/sess_a1djcdbn19ds6omeci45ufbjg5, O_RDWR) failed: File too large (27) in Unknown on line 0 Warning: Unknown: Failed to write session data (files). Please verify that the current setting of session.save_path is correct (/storage/content/65/195165/klienten.se/public_html/files/tmp) in Unknown on line 0