– Vår ambition var att hitta ett nytt material med dessa egenskaper till den moderna verktygsindustrin, säger Volodymyr Bushlya, universitetslektor och docent vid industriell produktion på Lunds universitet som leder Flintstone tillsammans med professor Jan-Eric Ståhl.

EU:s lista på kritiska råmaterial, där man utgått ifrån den ekonomiska betydelsen och ämnenas tillgänglighet, innefattar just nu 27 ämnen som är extra viktiga för samhället och vår välfärd. Inom Horizon 2020 har det skapats ett projekt med syfte att hitta sätt att återvinna dessa material alternativt hitta ämnen som kan ersätta dem. Flintstone, som startade 2015, har valt att fokusera på ersättningsmaterial för Volfram och Kobolt som idag används i verktyg inom tillverkningsindustrin till exempel vid metallbearbetning och i gruvindustrin. Utan Volfram stannar alla industrisektorer som direkt eller indirekt behöver maskinbearbetade komponenter eller utrustning.

Beroende av import

Att ett material räknas som kritiskt behöver inte nödvändigtvis innebära att det är sällsynt, men majoriteten av fyndigheterna kan finnas i geografiska områden som av olika anledningar, till exempel geopolitiska motsättningar eller ekonomiska intressekonflikter gör dessa svårtillgängliga.  

– Volfram, till exempel, finns i stora kvantiteter på planeten, men 85 % procent av dessa finns i Kina, berättar Volodymyr Bushlya. Europa däremot, har bara cirka 0.5 % av jordens volframdepåer, men står för 15 % av dess användning i vår tillverkningsindustri. Vi är med andra ord mycket beroende av import. Det kan nämnas att när Kina på 80-talet begränsade exporten av materialet, nästan tredubblades priset.

Kobolt är också ett ämne som det finns relativt gott om i jordskorpan, men de största fyndigheterna återfinns i Demokratiska republiken Kongo där inte alltid arbetsvillkoren är de bästa för personalen i gruvorna. Detta samtidigt som Kobolt inom kort kommer att räknas som ett konfliktmineral.

Sökande efter nya ämnen

I skärande verktyg till exempel för fräsning, svarvning och borrning av bland annat metall och till sten och mineral används oftast Volframkarbid – en förening mellan kol och volfram. Volfram är mycket värmetåligt och klarar av de extrema temperaturer som uppstår vid till exempel metallbearbetning och Kolet gör verktyget mycket hårt och slitstarkt. Kobolt används som ett metalliskt bindemedel. Andra så kallade superhårda material som används i verktygen är syntetiskt tillverkad Diamant och Kubisk Bornitrid. Dessa är mycket hårda och slitstarka, men idag betydligt dyrare än volframbaserade verktyg.

I sökandet efter nya ämnen som skulle kunna användas i verktygen, så letar man efter något som kan klara av de extrema förhållandena som de kommer utsättas för. De måste vara värmetåliga, slitstarka, kemiskt stabila och dessutom kostnadseffektiva för användning i industrin. Man söker även efter något som kan fungera som nya starka bindemedel.

– Vi försöker inte återuppfinna hjulet, säger Volodymyr Bushlya. Sådana material finns redan, men de har stora begränsningar. Vi ville flytta fram gränserna för hur dessa kan användas.

Förstå mekanismen bakom

En av Lunds universitets uppgifter i projektet var att ta reda på exakt vad som gjorde att materialen fick begränsade egenskaper och inte räckte ända fram.

– För att kunna förbättra materialen så behöver vi förstå mekanismen bakom vad det är som inte fungerar, förklarar Volodymyr Bushlya. Bara när vi gör detta kan vi finna nya lösningar och med dessa kunskaper kan vi sedan hjälpa våra samarbetspartners att designa och tillverka de nya materialen.

I projektet samarbetar Lunds universitet med flera andra organisationer och företag som dels letar efter nya mineral eller andra kemiska substanser som kan fungera lika bra som diamant eller Kubisk Bornitrid, dels systematiskt testar de olika blandningar och kombinationer av bindemedel. En partner undersöker om man kan hitta keramer som skulle kunna fungera lika bra som bindemedel som de kritiska elementen. En annan undersöker möjligheten för storskalig produktion av de nya materialen.

– Det är en sak att kunna producera ett litet fungerande prov i labbet, säger Volodymyr Bushlya, och en helt annan sak att producera stora volymer som kan fungera i ett kommersiellt hållbart perspektiv.

Samarbete med företag

För att se om materialen duger till att användas i verktygen inom industriell produktion så samarbetar lundaforskarna med Seco Tools som tillverkar verktyg för metallbearbetning och Sandvik Mining and Construction Tools som är specialister på verktyg för bearbetning av sten och för gruvindustrin.

– Under vägens gång har vi hunnit testa många olika lösningar och med cirka sex månader kvar av projektet har konsortiet hittat 6 -7 potentiella material varav man valt att gå vidare med 3 som verkar mycket lovande, säger Volodymyr Bushlya.

Mycket arbete och tester kvarstår, men han är mycket nöjd med de resultat de kunnat åstadkomma.

– Vi måste fortfarande arbeta på att implementera de nya materialen i de befintliga verktygen som används idag inom industriell produktion. De experimentella verktyg vi använt i testerna är än så länge för dyra att använda kommersiellt, även om de presterar mycket bra i förhållande till konventionella lösningar.