Toimintamalli
Mika Mäkinen, Savonia ammattikorkeakoulu
Tässä toimintamallissa kuvataan kierrätettyjen ja yleensäkin metallisten raaka-aineiden mikrorakenteellisia ominaisuuksia, epäpuhtautta ja laadun vaihtelua.
Tutkimusmenetelminä käytetään metallografiaa ja erityisesti elektronimikroskopiaa ja alkuaineanalysointia hankkeessa käytettyjen menetelmien avulla.
Metallografia
Metallografia on yksi perinteisimpiä käytettyjä tutkimusmenetelmiä muun muassa metallimateriaalien mikrorakennetutkimuksessa, jolla voidaan havaita myös erilaiset huokoset, erkaumat, metallienväliset sulkeumat ja raekoot. Sen heikkoutena on tunnistaa alkuainejakaumat eri alueilla, terästä joissakin tapauksissa lukuun ottamatta. Tässä menetelminä käytetään useimmiten valo-optista mikroskooppia. Näytteistä valmistetaan hie, jota syövytetään sopivilla aineilla ja tutkitaan okulaarien kautta. Näin metallografiaa ja eri syövytteitä oikein hyödyntämällä tutkija havaitsee toivotut ja ei toivotut esiintymät. Tässä on aiheeseen kunnolla perehtymättömän riski tehdä vääriä tulkintoja.
Elektronimikroskopia ja alkuaineanalysointi (EDS)
Elektronimikroskopia on lähestulkoon 100-vuotias menetelmä. Sen laajempi soveltaminen alkoi noin 60 vuotta sitten. Mikä tekee elektronimikroskopiasta, ja tässä tapauksessa pyyhkäisyelektronimikroskopiasta (SEM), niin erityisen valo-optiseen mikroskopiaan nähden, on elektronin aallonpituus sekä se, että elektroni on massallinen hiukkanen. Kun näytteen pintaa ”pommitetaan” elektroneilla sieltä siroaa joko sekundäärisiä elektroneita, takaisinsironneita elektroneita tai röntgensäteilyä. Kahden ensin mainitun avulla voidaan tutkia pinnan morfologiaa ja jälkimmäisen avulla analysoida tutkittavan materiaalin alkuainespektriä tai paremminkin röntgensäteilyn energiaspektriä (EDS). Näin saadaan selville materiaalin ”alkuainekartta”. Kun havainnoidaan pienempiä pinnan ominaisuuksia, nähdään tarkemmin vaurioituneen osan murtopinta ja selvittää esimerkiksi murtumismekanismi. Myös mistä murtuma on saanut alkunsa ja arvioida miksi juuri siitä kohtaa. Miksi murtuma ei alkanut jostain toisesta kohtaa? Tämä on oleellinen tieto osana vaurioanalyysiä ja mahdollista osan uudelleen suunnittelua.
Alkuaineiden määrittäminen onnistuu jokaisen alkuaineen karakterisen röntgenspektrin avulla. Ajatuksellisesti voisi sanoa, että kun pyyhkäisyelektronisuihkun elektroni irroittaa alkuaineen alemmalta vyöltä elektronin, korvaava elektroni tulee ylemmältä vyöltä ja samalla emittoituu tämän alkuaineen näiden vöiden välinen energiakvantti, joka siis on osa niin sanottua karakterista säteilyä. Ehkä tärkeämpää on miksi kuin miten. Pinnan ominaisuus käsiteltiin suppeasti mutta alkuaineanalyysi, se jäi vielä hiukan auki. – Kun tulee tarve selvittää edellä mainittu koostumus, mutta tiedetään mitä sen pitäisi olla, ja halutaan varmistua asiasta. SEM:in EDS toiminnon avulla voidaan selvittää vastaako materiaali sitä, mitä sen pitäisi olla. Entä raaka-aineet, voidaanko niitä käyttää jossain sovelluksessa? Lämpövoimakattiloiden tuhka, voidaanko sitä käyttää yhtenä lannoitusaineen osana, vai sisältääkö se jotain ei toivottua alkuainetta, kuten raskasmetalleja? Näitä kaikkia on yhteistyökumppaneiden kanssa tutkittu ja jonkin näköinen selvyys on yleensä löydetty. Joissakin tapauksissa, kuten SEM:in käytön opetteluvaiheessa saadun lento- ja pohjatuhkan tutkimus on herättänyt mielenkiintoa mahdollisiin jatkotutkimuksiin.