Komposiit on kahe erineva materjali kombinatsioon – sümbioos, millest saadud uuel materjalil on kahe algmaterjali parimad omadused. Kõvakomposiitide puhul on üks algmaterjal metall. Teiseks materjaliks on tehniline keraamika. Tegu on materjaliga, mida kasutatakse peamiselt tööstuses, kuid tegelikult leidub seda ka märkamatult igal pool meie ümber. 

TalTechi mehaanika ja tööstustehnika instituudi teadur Marek Tarraste selgitab, mis teeb selle tänavu 100-aastaseks saanud materjali väga heaks ja tööstuses nõutuks, miks on kõvakomposiitide tootmisega tegelikult pisut kitsas käes ja kuidas see meid mõjutab. 

Kõvakomposiiti näeb meie ümber igal pool

Tarraste sõnab, et nii-öelda kõvakomposiitide valdkonnas on praegu väga tähendusrikas aasta, sest esimene patent anti välja 1923. aastal ehk 100 aastat tagasi. Kuna kõik, mida kasutatakse, ka kulub, püüdsid teadlased luua kulumisele vastupidavamat materjali – täpsemalt hõõglambi niitide valmistamiseks. 

Kui materjal avastati, leidis see aga erakordse kulumiskindluse tõttu kiirelt kasutust ka mujal tööstuses – kõikvõimalikes metalli vormimise ja lõikamise protsessides – täpsemalt näiteks treimis-, freesimis- ning puurimistööriistade valmistamisel. Edasi hakati seda kasutama ka kaevandustes (maakoore pinnase kaevandamiseks, puurimiseks kasutatavates mehhanismides, kivipuurides, purustajates). Materjali hinnatakse just tänu selle suurele kulumiskindlusele – lisaks suurele kõvadusele on see ka tugev ja sitke.

Igapäevaelus näeme kõvakomposiitidest valmistatud või nende abiga tehtud asju tegelikult igal pool enda ümber, kuid seda ei osata aimatagi. 

“Umbes 90–95% maailmas kasutatavatest kõvakomposiitidest on volframkarbiidi ja koobalti kombinatsioon,” märgib Tarraste. Ta viitab, et  kõige lihtsam näide elust on naastrehvid ja kuulpastakad. Nii naastud kui ka pastaka otsas olev pisike kuul peavad kestma võimalikult kaua ja nii ongi pisikeste kuluvate osakeste valmistamiseks kasutatud kõvakomposiiti.

Kõvakomposiitide turgu ähvardab kriis

Nagu eelpool öeldud, teeb kõvakomposiidid hinnatuks selle heade omaduste kombinatsioon – metall annab tugevuse ja sitkuse, keraamika annab kõvaduse ja jäikuse. Ja see kõik kokku tagab väga hea kulumiskindluse.

“Võib öelda, et kõvakomposiidi puhul ei kehti reegel, et 1+1=2, see on hoopis 3, sest kaks kõvakomposiidi loomiseks kasutatud materjali täiendavad üksteist,” lausub Tarraste. Ta nendib aga, et oleme paraku üle maailma jõudnud välja selleni, et on teatud kriitilised toorained, mille vähesus ähvardab seada löögi alla kõvakomposiitide ja tegelikult nii mõnegi teise materjali tootmise ja see võib mõjutada kõigi meie elu. Kas kõvakomposiite saab aga valmistada või toota kriitiliste tooraineteta? 

Tarraste märgib, et kõik loodusressursid on teatavasti siiski piiratud ja et neid võimalikult paremini ning efektiivsemalt kasutada, tuleb leida alternatiive mingitele elementidele, mida on liiga vähe, mis on liiga kallid või mis tulevad sellistest riikidest, millega meil ei ole head suhted või kus ekspluateeritakse näiteks lapstööjõudu. 

Kui taas mõelda faktile, et 90–95% kõvakomposiitidest tehakse volframkarbiidist ja koobaltist, siis tasub teada, et need mõlemad metallid kuuluvad kriitiliste materjalide hulka. Umbes 70% maailmas kasutatavast koobaltist tuleb Kongo Demokraatlikust Vabariigist ja on üldteada info, et selles paigas on poliitiline olukord äärmiselt ebastabiilne ning lisaks kasutatakse koobalti kaevandamisel ka lapstööjõudu ning orjasid.  “See on kõike muud kui ilus, mis seal toimub,” nendib Tarraste.

Kuna koobaltit kasutatakse ka näiteks elektriautode akudes, kuid kriis on käega katsuda, käivad üle maailma mahukad uurimustööd ja pingutatakse, et töötada välja akusid, milles ei kasutataks koobaltit.

Komposiitides kõige sagedamini kasutatava teise elemendi volframi kättesaadavus ei ole Tarraste sõnul veel otseselt problemaatiline, aga siiski kuulub ka see Euroopa Komisjoni koostatud kriitiliste toorainete nimekirja. Umbes 85% volframist tuleb Hiinast, soovi korral saab Hiina selle väljavedu takistada ning Hiinast sõltumine hea ei ole.

Arendustöö käib

Just eeltoodud põhjustel on juba viimased 20–30 aastat püüdnud teadlased üle maailma leida materjale, millega saaks asendada nii koobaltit kui ka volframit. “Sellega tegeletakse ka Tehnikaülikooli laborites,” avaldab Tarraste, kelle sõnul on kaks peamist lähenemist, mis üksteist ei välista ja nii-öelda komplementeerivad. Üks on kriitilistele materjalile alternatiivide leidmine ning teine taaskasutus. Mõlemaid tuleb edendada, uurida ja viia tööstusesse. 

“Taaskasutuse number tööstuses ei ole päris ümmargune null, kuid kindlasti ei ole taaskasutuse osa ka selline, mis ta võiks olla,” sõnab Tarraste. Ta täpsustab, et näiteks terased on 100% taaskasutatavad. 

Alternatiivide leidmisel on problemaatiline see, et uus materjal peaks olema sama hea, kui eelmine ja sealt tekivadki probleemid. “Koobaltile on alternatiive leitud ja osaliselt on see teatud tööstusharudes ka asendatud, kuid praegu ei ole veel sellist “suurt pauku” ära käinud, mis forsseeriks alternatiividele täielikult üle minema,” ütleb Tarraste. 

Ta toob välja, et kõvakomposiite on viimased 60 aastat uuritud ka TalTechi pulbermetallurgia laboris. Praegu on fookuses töötada välja kõvakomposiite, mis oleksid nii öelda jätkusuutlikud ning käimas on projekt nimega “Komposiitmaterjalid “keraamika-Fe sulam” kasutamiseks tingimuste laias diapasoonis.” 

Tarraste sõnul on projekt ellu kutsutud selleks, et töötada välja keraamika ja rauasulami – komposiit, kus oleks üks osa keraamikat (sealjuures vähendatud volframi sisaldusega) ja üks osa raua baasil metalli asendamaks koobaltit. “Traditsioonilises kõvakomposiidis on materjalideks volframkarbiid ja koobalt, meie eesmärk on leida koobaltiile alternatiiv mingisugusest rauasulamist,” avaldab Tarraste. 

Küsimusele, miks just rauasulam, vastab Tarraste, et kui vaadata Euroopa Komisjoni kriitiliste materjalide nimekirja, siis raud on potentsiaalsetest metallidest (raud, koobalt, nikkel) ainuke, mis ei ole klassifitseeritud kriitiliseks. “Raud on odav, seda on palju ja selle puhul ei tule sõltuda ühest või paarist riigist, kus seda leidub.”

Teine pool projektist kätkeb endas volframkarbiidi kas täielikku või osalist asendamist kõvakomposiitides. “See on võimalik, aga vaja on veel lihvida tootmismetoodikat, et saada võimalikult stabiilne valmistusviis tagamaks materjali omaduste püsivus. Traditsiooniline volframkarbiid-koobalt komposiit on lisaks omadustele tuntud ka selle poolest, et seda on suhteliselt lihtne valmistada. Uute materjalide puhul on optimaalse valmistusviisi paika seadmine omaette väljakutse, aga õnneks mitte ületamatu,” sõnab Tarraste.