Nytt svenskt stål erövrar världen

1999-01-27 07:35  
I den mysiga bruksorten Sandviken finns en av världens mest framgångsrika forskargrupper. Det sega men starka stål de utvecklat har blivit en världssensation både bland kirurger och materialforskare.

Supertunna suturnålar i det nya materialet har gjort det möjligt att sy i känslig men seg ögonvävnad. Och forskare har övertygats om att det finns en ny kristallstruktur som kan armera järn på atomär nivå.

Forskarna bakom bedriften är Anna Hultin Stigenberg, Jan-Olof Nilsson, och Ping Liu vid Sandvik Steel.

När de startade projektet för tio år sedan hade de ingen aning om vilka framgångar det skulle skörda.

Men de visste att laserborrar gjort det möjligt att borra mycket fina hål i metall. Och att tillverkare av kirurgiska instrument ville använda tekniken för att göra extremt tunna suturnålar - något som kirurger världen över skrek efter. Tunnare nålar skulle göra ögon- och hjärtoperationer säkrare och föra plastikkirurgin framåt. Med tunnare nål blir såväl skadan på vävnaden som ärrbildningen mindre.

Idag har Sandviksstålet resulterat i nålar som är så tunna att de nästan inte lämnar några ärr alls, ens när de används i ögat. Nålar som, trots att de är så tunna, aldrig böjs eller går sönder, ens när de används för att sy hjärtats sega vävnader. Själva tråden kläms fast som en förlängning, i ett hål som borrats in från toppen på nålen. För att täppa till hålet i vävnaden måste tråden vara ungefär lika tjock som nålen.

- Tidigare begränsade borrtekniken hårdheten på materialet och därmed också dimensionerna på nål och tråd, berättar Jan-Olof Nilsson, chef på avdelningen för fysikalisk metallurgi på Sandviks forsknings- och utvecklingscentrum.

Men det finns fler krav på en suturnål än att den ska vara tunn: den får absolut inte böjas eller spricka när kirurgen syr. Det skulle få förödande konsekvenser för patienten. Därför ökades kraven på materialets hållfasthet, formbarhet och skärpeförmåga.

Uppgiften att ta fram ett stål som motsvarade kraven föll på bergsin-genjören Anna Hultin Stigenberg. Det kom att resultera i en doktorshatt för Anna Hultin Stigenberg, som idag är chef för Sandviks rörforskning.

Med sina kunskaper i materialfysik skred Anna till verket.

- Det första jag gjorde var kartlägga de stål som då användes till kirurgnålar, berättar Anna Hultin Stigenberg. Antingen hade de styrkan eller också formbarheten, aldrig båda.

Till sin hjälp hade hon dataprogram för att räkna på termodynamiken. Hon använde också program för att räkna ut vilka experimentuppställningar som kunde vara lämpliga. I sann Sand-viksanda tog hon också till en smula fingertoppskänsla, och lade till några egna experimentuppställningar.

1993 var Anna klar. Då hade hon hittat en martensitlegering (martensit är den huvudsakliga beståndsdelen i härdat stål) med ganska mycket krom, nickel, molybden och koppar samt en smula titan, aluminium, kisel, kol och kväve.

En tråd av Annas legering hade alla egenskaper som tillverkarna frågat efter. Den hade väldigt hög hållfasthet, den var formbar och gick att vässa så nålspetsen blev riktigt skarp.

Men det blev inte bara en kommersiell framgång, utan också en akademisk succé. Det var nämligen det första konventionella stål i världen som innehöll så kallade kvasikristaller. Första gången kvasikristallerna kom till praktisk nytta. Och detta utan att det var planerat.

Nu vet de att kvasikristallerna uppträder som en sekundär fas i stålet och armerar det på atomär nivå. Men i början visste inte ens Sandviksfors-karna själva vad gav det nya stålet dess styrka och formbarhet.

När stålforskarna testar hållfast-heten brukar de "baka" stålet i fyra timmar i några hundra graders värme och sedan utsätta det för olika prövningar. Resultatet brukar bli en ganska skör metallbit. Men Annas legering låg i 1 000 timmar i 475 grader utan att visa några tecken på försvagning. Tvärtom!

- Stålet blev mycket starkare än det borde vara med de ämnen som ingick i legeringen. Då frågade jag Jan-Olof Nilsson och hans kollega Ping Liu om vi kunde hjälpas åt att ta reda på varför, berättar Anna.

Ping Liu misstänkte genast att det handlade om så kallade kvasikristaller, ett material som är ett mellanting mellan glas och kristallint material. En av Pings studiekamrater under forskarutbildningen vid Chalmers hade visat honom sådana redan 1983. Det var året innan den israeliske forskaren Daniel Schechtman publicerade världens första, då mycket omstridda, artikel om kvasikristaller.

Med tanke på hur kontroversiella kvasikristallerna var ännu i början på 90-talet ville sandviksforskarna fastställa deras existens "bortom varje rimligt tvivel" innan de publicerade sitt fynd. Så Ping Liu tillbringade alla dygnets 24 timmar, under ett helt år, vid transmissionselektronmikroskopet.

Hans hängivenhet gav utdelning. Visst var det kvasikristaller som gjorde materialet så starkt. Och inte vilka kvasikristaller som helst utan termodynamiskt stabila kristaller.

Först trodde forskarna att det var en fas av nickel och titan, vilket är vanligt i andra stål. Men det kunde inte förklara styrkan hos materialet. Till sin förvåning upptäckte forskarna att kvasikristallerna till hälften bestod av molybden. Och dessutom innehöll trettio procent järn, femton procent krom och fem procent kisel. Där fanns vare sig nickel eller titan i kvasikristallerna.

- Daniel Schechtman hävdar att vårt material är det första exemplet på kvasikristaller framställda med konventionell teknik. Han säger att detta är högst anmärkningsvärt med tanke på att kvasikristaller normalt brukar bildas vid ytterligt snabb svalning, berättar Jan-Olof Nilsson.

Det Schectman menar är att de kvasikristaller man hittills studerat inte är stabila utan bara kan bevaras om materialet "snabbfryses".

Det finurliga med kvasikristallerna i Sandviksstålet är att de hindrar dislokationer från att vandra genom materialet. På så sätt hindrar de sprickbildning. De armerar helt enkelt stålet på atomär nivå. Sandvikskristallerna har den egenskapen att de kärnbildas väldigt snabbt och ymnigt genom hela materialet, i tätt liggande små öar om bara några atomer. De har en mycket låg ytenergi, vilket gör att tillväxten blir mycket långsam.

Idag är stålet en exklusiv exportprodukt i form högt förädlad tråd till tillverkande företag i USA. Det kan även användas till tandläkarinstrument som borrstål.

- Det lämpar sig väl till sådana applikationer eftersom det tål att bli varmt utan att egenskaperna försämras, berättar Anna Hultin Stigenberg.

Nu samarbetar Sandviksgruppen med KTH-forskaren Michail Dzugutov för att ta reda på vad det är som får kvasikristallerna att bildas och vad som gör dem stabila.

- Vi tror det finns oceaner av kunskap därute som väntar på att bli upptäckta, säger Anna Hultin Stigenberg.

På Sandvik är de idag mycket förtegna om hur stora mängder som tillverkas av det unika stålet. Företaget är inne i en utvecklingsfas med samarbetspartner som ska börja använda stålet i nya tillämpningar. Vilka vill man inte avslöja. Helt klart är att det kan leda till stora volymökningar.

Erika Ingvald

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt

Läs mer