36 Pregledni znanstveni prispevek TEHNIKA– materiali Datum prejema: 7. april 2020 ANALI PAZU 10/2020/1-2: 36-40 www.anali-pazu.si Prikaz poteka razvoja naprednega orodnega jekla za najzahtevnejše aplikacije v industriji nožev Development of an advanced tool steel for the most demanding applications in the knife industry Izr. prof. dr. Rebeka Rudolf 1 , mag. Tilen Ravlan 2 , dipl. inž. doc. dr. Gorazd Lojen 1 , dr. Peter Majerič 1 in Egidij Hudrap 2 , dipl. inž. 1 Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo 2 SIJ Ravne Systems d. o. o., Ravne na Koroškem Povzetek: V prispevku predstavljamo izhodišča in smernice poteka razvoja naprednega orodnega jekla za najzahtevnejše aplikacije v industriji nožev, ki se izvaja v podjetju SIJ Ravne Systems v povezavi z Univerzo v Mariboru Fakulteto za strojništvo. Razvoj je na eni strani povezan z identifikacijo ključnih lastnosti orodnega jekla, ki predstavljajo konkurenčno prednost v primerjavi z ostalimi konvencionalnimi jekli in to so: žilavost, trdota, trdnost in rezilna sposobnost. Po drugi strani pa razvoj predstavlja tudi vpeljavo ustrezne tehnologije izdelave in naknadne toplotne oziroma mehanske obdelave orodnega jekla, kar omogoča doseganje ključnih lastnosti izdelka – nožev. Ključne besede: razvoj, orodno jeklo za delo v hladnem, lastnosti, toplotna in mehanska obdelava, karakterizacija. Abstract: This paper presents the starting points and an approach for the development of an advanced tool steel for the most demanding applications in the knife industry, which is carried out by SIJ Ravne Systems in collaboration with the University of Maribor Faculty of Mechanical Engineering. On one hand, the development is related to the identification of key features of tool steels that present a competitive advantage over other conventional steels, such as toughness, hardness, strength and cutting ability. On the other hand, the development also represents the implementation of appropriate technologies for the production and subsequent thermal or mechanical treatment of tool steels, in order to achieve key properties of the final products - knives. Key words: development, tool steel for cold work, properties, thermal and mechanical treatment, characterization. 37 1. Uvod Osnovni cilj razvoja naprednega orodnega jekla za najzahtevnejše aplikacije v industriji je doseganje bolj- ših lastnosti napram tistim, ki jih ima obstoječe orodno jeklo. Podjetje SIJ Ravne Systems (SRS) izdeluje oro- dno jeklo, kjer je mikrostruktura sestavljena iz po- puščnega martenzita in nekaterih vključkov. To oro- dno jeklo ima gostoto 7,74 g/cm 3 . S sedanjo tehnologi- jo izdelave in z razpoložljivo infrastrukturo, doseže SRS pri tem orodnem jeklu naslednje lastnosti: trdota 58-60 HRc, udarna žilavost 25 J (SBJ), natezna trdnost okoli 1900 MPa. To orodno jeklo ima nekatere po- manjkljivosti: v primeru uporabe tega jekla za izdela- vo industrijskih nožev, imajo noži življenjsko dobo le 6 ur, nože pa je možno uporabiti samo pri nižjih rezil- nih hitrostih t.j. do 190 m/min. Navedeni pomanjklji- vosti omejujeta širšo uporabo tega orodnega jekla za najzahtevnejše aplikacije v industriji, kjer so zahteve glede življenjske dobe tovrstnih izdelkov (preko 10 ur) in potreba po doseganju rezilnih hitrostih pa okoli 400 m/min. Glavni razvojni izziv je tako razviti novo na- predno orodno jeklo, kjer se bodo s korekcijo kemij- ske sestave → t. j. z določitvijo zlitinskih elementov in njihovih količin, ter z ustrezno tehnologijo izdelave in naknadne toplotne in mehanske obdelave bistveno spremenila fazna ravnotežja v sistemih Fe-C in Fe 3 C in s tem posledično lastnosti novega jekla. Novo razvi- to jeklo bi moralo imeti mikrostrukturo na osnovi po- puščnega martenzita z minimalno vsebnostjo nečistoč in ostalih neustreznih vključkov. 2. Predstavitev problematike Podjetje SRS je eno izmed vodilnih svetovnih pod- jetij na področju proizvodnje industrijskih nožev (slika 1), kjer se odvija velika tekma za prevlado na trgu orodnih jekel. Slika 1: Prikaza industrijskih nožev proizvajalca Ravne Systems Vodstvo podjetja SRS je v preteklosti pristopilo k strateški odločitvi, ki naj bi zagotovila podjetju dolgo- ročen obstoj na trgu in konkurenčno prednost, da z novim naprednim orodnim jeklom oz. inovativnimi orodji vstopi na zahteven trg lesno predelovalne indu- strije. Ena izmed pomembnih tržnih niš je industrija furnirja. Podjetje SRS že danes izdeluje za furnirsko industrijo nože za rezanje, luščenje ter obrezovanje furnirja. S kvaliteto obstoječih orodnih jekel ter s po- močjo tehnologije, ki smo jo razvili sami z lastnim kadrom in znanjem, obvladujemo praktično vse branže v furnirski industriji, razen področja rezanja mehkega lesa. Za to področje tudi ostala svetovna konkurenca nima tehnoloških rešitev oziroma znanj za takšno oro- dno hitrorezno jeklo, ki bi imelo kombinacijo lastnosti, ki je nasprotna s fiziko stanja (visoka trdota in udarna žilavost hkrati). Zato ta razvoj predstavlja zahtevno področje, ki ga bo potrebno reševati na več nivojih in sicer od določitve nove kemijske sestave, izdelavne tehnologije jekla (z inovativnimi in naprednimi pristo- pi), karakterizacije mikrostrukture in identifikacije lastnosti, do razvoja tehnoloških postopkov obdelave, ki bodo omogočala izdelovanje nožev iz novega oro- dnega jekla. Zahteve, ki narekujejo daljšo življenjsko dobo nožev in uporabo teh nožev pri visokih rezilnih hitrostih, so povezane z ustrezno mikrostrukturo, ki jo morajo imeti noži v kontaktni delovni površini (oziroma na rezalni liniji). Prav tako morajo imeti ta noži visoko in konstantno trdoto, z ustrezno visokimi mehanskimi lastnostmi (trdnost, žilavost) ter visoko obrabno obstojnostjo. Pri tem je potrebno upoštevati tudi geometrijske zahteve nožev, med katere spada zagotavljanje ničelne ukrivljenosti rezalne površine (±0,01% na 1 m), kar pomeni, da mora imeti rezalna linija 99,99% ravnost. Ta pogoj je zelo zahteven, saj so noži izredno dolgi (1. skupina L< 1 m, 2. skupina L> 1 m). Razvoj naprednega orodnega jekla je tesno pove- zan z razvojem tehnologije izdelave, zato bo za reali- zacijo cilja potrebno uporabiti različne tehnike karak- terizacije, ki bodo vzpostavile most med na kemijsko sestavo, tehnologijo izdelave in končnimi lastnostmi, ki jih mora imeti novo orodno jeklo. Prvi sklop karak- terizacij bo tako osredotočen na identifikacijo kemij- ske sestave, mikrostrukture in posameznih faz, vključ- kov, po posamezni stopnji izdelavi, drugi sklop pa na določitev lastnosti prav tako po vsaki fazi izdelave orodnega jekla. Namen teh testiranj je dobiti vpogled v poznavanje odnosa: material - izdelava – lastnosti – končna aplikacija – in je nujno potreben, če želimo dinamično spremljati in ciljno usmerjati nastanek mi- krostrukture in s tem zagotavljati lastnosti novega oro- dnega jekla tekom izdelave in kasnejše uporabe za najzahtevnejše in različne aplikacije v industriji. Razvoj temelji na izdelavi povsem novega noža iz naprednega orodnega jekla, ki se bo lahko uporabil za najzahtevnejše aplikacije na raznih področjih (lesna industrija, obdelava plastike in multikomponentnih materialov, itd.). To temelji na razvoju novega materi- ala - orodnega jekla, na določitvi izdelovalne tehnolo- gije, na karakterizaciji mikrostrukture ter lastnosti tega jekla, ter na ciljni uporabo tega jekla za nože, ki naj bi se koristili za mehek les. 3. Dosedanji rezultati razvojno raziskovalnega dela V začetni fazi raziskovalnega dela smo pričeli z zbiranjem literature 1-23 , ki obravnava sodobna orodna jekla. Pripravili smo navodila za ustrezno odkrivanje mikrostruktur - pregled primernih jedkal, ustreznih orodij in priprava smernic za ASTM analizo. Preučil se je fazni diagram Fe-Fe 3 C. V prvi stopnji smo izde- lali razvojno orodno jeklo s kombinacijo vakuumskega indukcijskega pretaljevanja (VIM), kateremu je sledilo elektro pretaljevanje pod žlindro (EPŽ). Kombinacija obeh postopkov nam je zagotavljala doseganje vrhun- ske čistoče orodnega jekla ter izotropijo mehanskih in ostalih lastnosti. Testne vzorce orodnega jekla smo razrezali z elektro-erozijo v dimenzije primerne za nadaljnjo metalografsko pripravo. Po ustrezni pripravi 36 Pregledni znanstveni prispevek TEHNIKA– materiali Datum prejema: 7. april 2020 ANALI PAZU 10/2020/1-2: 36-40 www.anali-pazu.si Prikaz poteka razvoja naprednega orodnega jekla za najzahtevnejše aplikacije v industriji nožev Development of an advanced tool steel for the most demanding applications in the knife industry Izr. prof. dr. Rebeka Rudolf 1 , mag. Tilen Ravlan 2 , dipl. inž. doc. dr. Gorazd Lojen 1 , dr. Peter Majerič 1 in Egidij Hudrap 2 , dipl. inž. 1 Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo 2 SIJ Ravne Systems d. o. o., Ravne na Koroškem Povzetek: V prispevku predstavljamo izhodišča in smernice poteka razvoja naprednega orodnega jekla za najzahtevnejše aplikacije v industriji nožev, ki se izvaja v podjetju SIJ Ravne Systems v povezavi z Univerzo v Mariboru Fakulteto za strojništvo. Razvoj je na eni strani povezan z identifikacijo ključnih lastnosti orodnega jekla, ki predstavljajo konkurenčno prednost v primerjavi z ostalimi konvencionalnimi jekli in to so: žilavost, trdota, trdnost in rezilna sposobnost. Po drugi strani pa razvoj predstavlja tudi vpeljavo ustrezne tehnologije izdelave in naknadne toplotne oziroma mehanske obdelave orodnega jekla, kar omogoča doseganje ključnih lastnosti izdelka – nožev. Ključne besede: razvoj, orodno jeklo za delo v hladnem, lastnosti, toplotna in mehanska obdelava, karakterizacija. Abstract: This paper presents the starting points and an approach for the development of an advanced tool steel for the most demanding applications in the knife industry, which is carried out by SIJ Ravne Systems in collaboration with the University of Maribor Faculty of Mechanical Engineering. On one hand, the development is related to the identification of key features of tool steels that present a competitive advantage over other conventional steels, such as toughness, hardness, strength and cutting ability. On the other hand, the development also represents the implementation of appropriate technologies for the production and subsequent thermal or mechanical treatment of tool steels, in order to achieve key properties of the final products - knives. Key words: development, tool steel for cold work, properties, thermal and mechanical treatment, characterization. 37 1. Uvod Osnovni cilj razvoja naprednega orodnega jekla za najzahtevnejše aplikacije v industriji je doseganje bolj- ših lastnosti napram tistim, ki jih ima obstoječe orodno jeklo. Podjetje SIJ Ravne Systems (SRS) izdeluje oro- dno jeklo, kjer je mikrostruktura sestavljena iz po- puščnega martenzita in nekaterih vključkov. To oro- dno jeklo ima gostoto 7,74 g/cm 3 . S sedanjo tehnologi- jo izdelave in z razpoložljivo infrastrukturo, doseže SRS pri tem orodnem jeklu naslednje lastnosti: trdota 58-60 HRc, udarna žilavost 25 J (SBJ), natezna trdnost okoli 1900 MPa. To orodno jeklo ima nekatere po- manjkljivosti: v primeru uporabe tega jekla za izdela- vo industrijskih nožev, imajo noži življenjsko dobo le 6 ur, nože pa je možno uporabiti samo pri nižjih rezil- nih hitrostih t.j. do 190 m/min. Navedeni pomanjklji- vosti omejujeta širšo uporabo tega orodnega jekla za najzahtevnejše aplikacije v industriji, kjer so zahteve glede življenjske dobe tovrstnih izdelkov (preko 10 ur) in potreba po doseganju rezilnih hitrostih pa okoli 400 m/min. Glavni razvojni izziv je tako razviti novo na- predno orodno jeklo, kjer se bodo s korekcijo kemij- ske sestave → t. j. z določitvijo zlitinskih elementov in njihovih količin, ter z ustrezno tehnologijo izdelave in naknadne toplotne in mehanske obdelave bistveno spremenila fazna ravnotežja v sistemih Fe-C in Fe 3 C in s tem posledično lastnosti novega jekla. Novo razvi- to jeklo bi moralo imeti mikrostrukturo na osnovi po- puščnega martenzita z minimalno vsebnostjo nečistoč in ostalih neustreznih vključkov. 2. Predstavitev problematike Podjetje SRS je eno izmed vodilnih svetovnih pod- jetij na področju proizvodnje industrijskih nožev (slika 1), kjer se odvija velika tekma za prevlado na trgu orodnih jekel. Slika 1: Prikaza industrijskih nožev proizvajalca Ravne Systems Vodstvo podjetja SRS je v preteklosti pristopilo k strateški odločitvi, ki naj bi zagotovila podjetju dolgo- ročen obstoj na trgu in konkurenčno prednost, da z novim naprednim orodnim jeklom oz. inovativnimi orodji vstopi na zahteven trg lesno predelovalne indu- strije. Ena izmed pomembnih tržnih niš je industrija furnirja. Podjetje SRS že danes izdeluje za furnirsko industrijo nože za rezanje, luščenje ter obrezovanje furnirja. S kvaliteto obstoječih orodnih jekel ter s po- močjo tehnologije, ki smo jo razvili sami z lastnim kadrom in znanjem, obvladujemo praktično vse branže v furnirski industriji, razen področja rezanja mehkega lesa. Za to področje tudi ostala svetovna konkurenca nima tehnoloških rešitev oziroma znanj za takšno oro- dno hitrorezno jeklo, ki bi imelo kombinacijo lastnosti, ki je nasprotna s fiziko stanja (visoka trdota in udarna žilavost hkrati). Zato ta razvoj predstavlja zahtevno področje, ki ga bo potrebno reševati na več nivojih in sicer od določitve nove kemijske sestave, izdelavne tehnologije jekla (z inovativnimi in naprednimi pristo- pi), karakterizacije mikrostrukture in identifikacije lastnosti, do razvoja tehnoloških postopkov obdelave, ki bodo omogočala izdelovanje nožev iz novega oro- dnega jekla. Zahteve, ki narekujejo daljšo življenjsko dobo nožev in uporabo teh nožev pri visokih rezilnih hitrostih, so povezane z ustrezno mikrostrukturo, ki jo morajo imeti noži v kontaktni delovni površini (oziroma na rezalni liniji). Prav tako morajo imeti ta noži visoko in konstantno trdoto, z ustrezno visokimi mehanskimi lastnostmi (trdnost, žilavost) ter visoko obrabno obstojnostjo. Pri tem je potrebno upoštevati tudi geometrijske zahteve nožev, med katere spada zagotavljanje ničelne ukrivljenosti rezalne površine (±0,01% na 1 m), kar pomeni, da mora imeti rezalna linija 99,99% ravnost. Ta pogoj je zelo zahteven, saj so noži izredno dolgi (1. skupina L< 1 m, 2. skupina L> 1 m). Razvoj naprednega orodnega jekla je tesno pove- zan z razvojem tehnologije izdelave, zato bo za reali- zacijo cilja potrebno uporabiti različne tehnike karak- terizacije, ki bodo vzpostavile most med na kemijsko sestavo, tehnologijo izdelave in končnimi lastnostmi, ki jih mora imeti novo orodno jeklo. Prvi sklop karak- terizacij bo tako osredotočen na identifikacijo kemij- ske sestave, mikrostrukture in posameznih faz, vključ- kov, po posamezni stopnji izdelavi, drugi sklop pa na določitev lastnosti prav tako po vsaki fazi izdelave orodnega jekla. Namen teh testiranj je dobiti vpogled v poznavanje odnosa: material - izdelava – lastnosti – končna aplikacija – in je nujno potreben, če želimo dinamično spremljati in ciljno usmerjati nastanek mi- krostrukture in s tem zagotavljati lastnosti novega oro- dnega jekla tekom izdelave in kasnejše uporabe za najzahtevnejše in različne aplikacije v industriji. Razvoj temelji na izdelavi povsem novega noža iz naprednega orodnega jekla, ki se bo lahko uporabil za najzahtevnejše aplikacije na raznih področjih (lesna industrija, obdelava plastike in multikomponentnih materialov, itd.). To temelji na razvoju novega materi- ala - orodnega jekla, na določitvi izdelovalne tehnolo- gije, na karakterizaciji mikrostrukture ter lastnosti tega jekla, ter na ciljni uporabo tega jekla za nože, ki naj bi se koristili za mehek les. 3. Dosedanji rezultati razvojno raziskovalnega dela V začetni fazi raziskovalnega dela smo pričeli z zbiranjem literature 1-23 , ki obravnava sodobna orodna jekla. Pripravili smo navodila za ustrezno odkrivanje mikrostruktur - pregled primernih jedkal, ustreznih orodij in priprava smernic za ASTM analizo. Preučil se je fazni diagram Fe-Fe 3 C. V prvi stopnji smo izde- lali razvojno orodno jeklo s kombinacijo vakuumskega indukcijskega pretaljevanja (VIM), kateremu je sledilo elektro pretaljevanje pod žlindro (EPŽ). Kombinacija obeh postopkov nam je zagotavljala doseganje vrhun- ske čistoče orodnega jekla ter izotropijo mehanskih in ostalih lastnosti. Testne vzorce orodnega jekla smo razrezali z elektro-erozijo v dimenzije primerne za nadaljnjo metalografsko pripravo. Po ustrezni pripravi PRIKAZ POTEKA RAZVOJA NAPREDNEGA ORODNEGA JEKLA ZA NAJZAHTEVNEJŠE APLIKACIJE V INDUSTRIJI NOŽEV 38 smo vzorce jedkali z jedkalom za orodna jekla (3% nital, pikrinska kislina) in pregledali mikrostrukturo, ter določali osnovne sestavine (mikrostrukturne ele- mente) na svetlobnem mikroskopu (slika 2). Velikost zrn smo določili po ASTM standardu. V nadaljevanju smo izvedli definiranje kemijske sestave in faz v mi- krostrukturi z vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM) in mikrokemično analizo (EDX) vzorcev oro- dnega jekla. Izmerili smo mikrotrdote na posameznih testnih vzorcih, na mestih osnovnega materiala in rezi- la. Slika 2: Mikrostruktura materiala nožev, sestavljena iz: ka- ljenega martenzita + zadržanega avstenita (manj kot 1 vol.%) V nadaljevanju razvojnega dela smo pristopili k opti- miranju procesa izdelave orodnega jekla, ki je sestav- ljen iz 3 sklopov (slika 3). Slika 3: Obstoječa kalilna linija v podjetju: predgrevna peč, peč za avstenitizacijo, kalilni sistem 3.1 Razvoj predgrevne peči V razvoj predgrevne peči smo se vključili na po- dročju CFD simulacij dinamike fluidov v peči ter toplotnih in ventilacijskih izgub skozi ovoj peči in od- prtine. Izdelali smo masno in energijsko bilanco gleda- no na ogrevanje vložka v peči. Analizirali in določili smo najustreznejše materiale za izolacijo peči. Prav tako smo naredili idejno zasnovo merjenja in kontrole zaščitne atmosfere v peči. Izdelali smo CAD model notranje komore peči in predlagali ustrezno geometrijo notranjih sten in stropov za optimalno porazdelitev temperature. 3.2 Razvoj peči za avstenitizacijo Izdelali smo termične preračune, CFD simulacije dinamike fluidov v peči in simulacije kinematike po- mika vložka po peči in prehod le-tega na kalilni sistem. Pomembno je bilo upoštevanje dejstva, da mo- ra biti vložek tik pred izhodom iz peči na kalilni sistem ogret na zahtevano temperaturo. Preračunali smo po- mike vrat, prevzema vložka in transport le-tega v kalil- ni medij. Izdelali smo CAD model transportne mize za prevzem in pomik vložka med pečjo in kalilnim baze- nom ter izvedli analizo ohlajanja in upogibanja noža v tem času. Zaradi visokih temperatur obstaja nevarnost povesa vložka v peči in kalilnem sistemu zato smo sprejeli ustrezne konstrukcijske ukrepe da do tega ne pride. Predlagali smo sistem za pozicioniranje vložka v peči in na kalilnem sistemu. 3.3 Razvoj naprednega kalilnega sistema Izdelali smo Bazni inženiring kalilnega sistema ter masno in energijsko bilanco sistema. Načrtovali in optimizirali smo procesne sheme ter na podlage teh izdelali idejni CAD model naprednega kalilnega siste- ma. Razvili smo inovativni namenski sistem za kalje- nje nožev v olju. Sistem vpetja in pomika vložka je elektro-hidravlični. Sile vpetja smo izmerili na trenut- no delujočem sistemu. Olje v stiku z vložkom zagori, kar je potrebno pogasiti z inertnim plinom in hlape odsesati iz delovnega okolja. Pred izpustom v okolje je potrebno organske hlape termično razgraditi v sežigal- ni komori in nato ne-nevarne emisije izpustiti v okolje. Olje je potrebno pred pričetkom kaljenja ogreti na de- lovno temperaturo, med samim procesom kaljenja pa ga je potrebno ohlajati. Zato smo razvili krožni obtočni sistem olja, ki ob enem povečuje turbulacijo olja v kalilnem bazenu in s tem povečuje hitrost ohlajanja vložka, hkrati pa preko grelno/hladilnega sistema vzdr- žujemo delovno temperaturo olja. V okviru sklopa Raziskava tehnoloških parametrov za postavitev inovativne kalilne linije za obdela- vo naprednega orodnega jekla, smo izvedli analizo deformacije materiala pri temperaturah predgrevanja (750°C) in pri temperaturi avstenitizacije (1050°C), analizo materialov za izolacijo za predgrevno peč oz. pri peči za avstenitizacijo, analizo in razvoj konstruk- cijskih materialov za ognjišče obeh peči, analizo in ustrezne zaščitne atmosfere, itd. Na osnovi vseh oprav- ljenih raziskav in ugotovljenih dejstev smo pristopili k razvoju naprednega kalilnega sistema in k razvoju teh- nologije mehanske in toplotne obdelave, kar bo pred- met nadaljnjih raziskav. 4. Zaključek – nadaljevanje razvojnih aktivno- sti V nadaljevanju razvojno raziskovalnega dela se bomo ukvarjali z definiranjem mikrostrukture in vpliva le-te na končne lastnosti orodnega jekla, kjer posebej izstopajo zahteve po visoki udarni žilavosti, natezni trdnosti in trdoti. Za ta namen bodo izvedeni preizkusi udarne žilavosti po Charpyju. Izvedli bomo tudi simu- lacijo toplotne in mehanske obdelave preizkušancev iz orodnega jekla v obliki nožev. Na osnovi tega bomo 39 izdelali prve industrijsko-laboratorijske šarže, kjer bo- mo uporabili kombinacijo tehnologij VIM in EPŽ. Raziskave so bile izvedene v okviru projekta Ra- no@steel (OP20.03523), kjer je koordinator podjetje Ravne Systems in ga sofinancira Evropski sklad za regionalni razvoj in Ministrstvo za izobraževanje, zna- nost in šport Republike Slovenije. Literatura 1. Istiroyah, D. W. Septi in Suhana: The Effect of Qu- enching Media on Hardness and Carbon Content in Carburized Steel, 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 546 042014. 2. Sarah Jalal Mosa: Effect of different quenching me- dia on mechanical properties of AISI 1018 low carbon steel, Journal of Mechanical Engineering Research and Developments, 42 (3), pp. 81-83 DOI: 10.26480/ jmerd.03.2019.81.83. 3. A A Zainulabdeen, N. Y. Mahmood in J. H. Mohmmed: The effect of polymeric quenching media on mechanical properties of medium carbon steel, 2018 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 454 012053. 4. P.P.Ikubanni, O.O.Agboola, A.A.Adediran, A.A.Adeleke, B.T.Ogunsemi, T.S.Olabamiji, D.C.Uguru-Okorie, C.O. Osueke: Experimental data on mechanical properties evaluation of medium carbon steel quenched in different waste media, P.P.Ikubannietal./DatainBrief 20 (2018) 1224–1228. 5. F. Lenzia, G. Campanaa, A. Lopatrielloa, M. Melea, A. Zanottib: About the use of mineral and vegetable oils to improve the sustainability of steel quenching, Procedia Manufacturing 33 (2019) 701–708. 6. Lyu, S.K., Characteristic of quenching refrigerant for heat treatment deformation control of SM45C steel. KSME International Journal, 2002. 16: p. 647-654. 7. Troell, E., et al., 12.04 - Controlling the Cooling Process – Measurement, Analysis, and Quality Assur- ance, in Comprehensive Materials Processing, S. Hashmi, et al., Editors. 2014, Elsevier: Oxford. p. 99- 121. 8. Hou, L., et al., Study on the Cooling Capacity of Different Quenchant. Procedia Engineering, 2012. 31: p. 515-519. 9. Chen, X., et al., Quenching characteristics of glyc- erol solution as a potential new quenchant. Interna- tional Journal of Heat and Mass Transfer, 2017. 109: p. 209-214. 10. Ramesh, G. and N.K. Prabhu, Review of thermo- physical properties, wetting and heat transfer charac- teristics of nanofluids and their applicability in indus- trial quench heat treatment. Nanoscale research letters, 2011. 6(1): p. 334-334. 11. T V Shveyova, G F Muhametzyanova, V I Astash- chenko, N N Zapadnova and E A Zapadnova: Charac- teristic features of the cooling capacity of aqueous pol- ymer solutions, 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 570 012098. 12. Z. Koudil, R. Ikkene, in M. Mouzali: Cooling Ca- pacity Optimization: Calculation of Hardening Power of Aqueous Solution Based on Poly(N-Vinyl-2- Pyrrolidone), M. J. of Materi Eng and Perform (2014) 23: 551. https://doi.org/10.1007/s11665-013-0775-9. 13. Lijun Houa, Heming Chenga, Jianyun Li, Ziliang Li, Baodong Shaoa, Jie Houa: Study on the Cooling Capacity of Different Quenchant, Procedia Engine- ering 31 (2012) 515 – 519. 14. Svetlana Yu. Shevchenko, Yury A. Melnik, An- drey E. Smirnov, and Wai Yan Min Htet: Comparative evaluation of methods for the determination of heat transfer coefficients of liquid and gaseous quenching media, Mechanics & Industry 18, 703 (2017). 15. Ching-Kao, C. and H.S. Lu, The optimal cutting- parameter selection of heavy cutting process in side milling for SUS304 stainless steel. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2007. 34(5): p. 440-447. 16. Chi-Hsiang, C., The effect of surface roughness of end-mills on optimal cutting performance for high- speed machining, W. Yung-Cheng, Editor., Associati- on of Mechanical Engineers and Technicians of Slove- nia et al. 17. Wang, L., et al., Fabrication of TiC-TiB2 composi- te ceramic tool and its cutting performance in turning austenitic stainless steel. Advances in Applied Ce- ramics, 2019. 118(8): p. 473-483. 18. Saravanan, M., C. Thiagarajan, and S. Somasunda- ram, Enhancing the tool die steel profile cutting per- formance in WEDM process. International Journal of Engineering and Advanced Technology, 2019. 9(1): p. 2626-2636. 19. Sonawane, S.A. and M.L. Kulkarni, Optimization of machining parameters of WEDM for Nimonic-75 alloy using principal component analysis integrated with Taguchi method. Journal of King Saud University - Engineering Sciences, 2018. 30(3): p. 250-258. 20. Kumar, Y., Cutting Parameters Optimization in Milling Of P – 20 Tool Steel And EN31B. IOSR Jour- nal of Mechanical and Civil Engineering, 2013. 8: p. 38-47. 21. Anil Raj, K.L.D.W.a.A.S.V., Cutting Parameters Optimization during Hard Turning of AISI H13 Tool Steel. International Journal of Research in Mechanical Engineering, 2016. 4(3): p. 33-38. Anali PAZU, 10/2020/1-2, str. 36-40 Rebeka RUDOLF, Tilen RAVLAN, Gorazd LOJEN, Peter MAJERIČ in Egidij HUDRAP 38 smo vzorce jedkali z jedkalom za orodna jekla (3% nital, pikrinska kislina) in pregledali mikrostrukturo, ter določali osnovne sestavine (mikrostrukturne ele- mente) na svetlobnem mikroskopu (slika 2). Velikost zrn smo določili po ASTM standardu. V nadaljevanju smo izvedli definiranje kemijske sestave in faz v mi- krostrukturi z vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM) in mikrokemično analizo (EDX) vzorcev oro- dnega jekla. Izmerili smo mikrotrdote na posameznih testnih vzorcih, na mestih osnovnega materiala in rezi- la. Slika 2: Mikrostruktura materiala nožev, sestavljena iz: ka- ljenega martenzita + zadržanega avstenita (manj kot 1 vol.%) V nadaljevanju razvojnega dela smo pristopili k opti- miranju procesa izdelave orodnega jekla, ki je sestav- ljen iz 3 sklopov (slika 3). Slika 3: Obstoječa kalilna linija v podjetju: predgrevna peč, peč za avstenitizacijo, kalilni sistem 3.1 Razvoj predgrevne peči V razvoj predgrevne peči smo se vključili na po- dročju CFD simulacij dinamike fluidov v peči ter toplotnih in ventilacijskih izgub skozi ovoj peči in od- prtine. Izdelali smo masno in energijsko bilanco gleda- no na ogrevanje vložka v peči. Analizirali in določili smo najustreznejše materiale za izolacijo peči. Prav tako smo naredili idejno zasnovo merjenja in kontrole zaščitne atmosfere v peči. Izdelali smo CAD model notranje komore peči in predlagali ustrezno geometrijo notranjih sten in stropov za optimalno porazdelitev temperature. 3.2 Razvoj peči za avstenitizacijo Izdelali smo termične preračune, CFD simulacije dinamike fluidov v peči in simulacije kinematike po- mika vložka po peči in prehod le-tega na kalilni sistem. Pomembno je bilo upoštevanje dejstva, da mo- ra biti vložek tik pred izhodom iz peči na kalilni sistem ogret na zahtevano temperaturo. Preračunali smo po- mike vrat, prevzema vložka in transport le-tega v kalil- ni medij. Izdelali smo CAD model transportne mize za prevzem in pomik vložka med pečjo in kalilnim baze- nom ter izvedli analizo ohlajanja in upogibanja noža v tem času. Zaradi visokih temperatur obstaja nevarnost povesa vložka v peči in kalilnem sistemu zato smo sprejeli ustrezne konstrukcijske ukrepe da do tega ne pride. Predlagali smo sistem za pozicioniranje vložka v peči in na kalilnem sistemu. 3.3 Razvoj naprednega kalilnega sistema Izdelali smo Bazni inženiring kalilnega sistema ter masno in energijsko bilanco sistema. Načrtovali in optimizirali smo procesne sheme ter na podlage teh izdelali idejni CAD model naprednega kalilnega siste- ma. Razvili smo inovativni namenski sistem za kalje- nje nožev v olju. Sistem vpetja in pomika vložka je elektro-hidravlični. Sile vpetja smo izmerili na trenut- no delujočem sistemu. Olje v stiku z vložkom zagori, kar je potrebno pogasiti z inertnim plinom in hlape odsesati iz delovnega okolja. Pred izpustom v okolje je potrebno organske hlape termično razgraditi v sežigal- ni komori in nato ne-nevarne emisije izpustiti v okolje. Olje je potrebno pred pričetkom kaljenja ogreti na de- lovno temperaturo, med samim procesom kaljenja pa ga je potrebno ohlajati. Zato smo razvili krožni obtočni sistem olja, ki ob enem povečuje turbulacijo olja v kalilnem bazenu in s tem povečuje hitrost ohlajanja vložka, hkrati pa preko grelno/hladilnega sistema vzdr- žujemo delovno temperaturo olja. V okviru sklopa Raziskava tehnoloških parametrov za postavitev inovativne kalilne linije za obdela- vo naprednega orodnega jekla, smo izvedli analizo deformacije materiala pri temperaturah predgrevanja (750°C) in pri temperaturi avstenitizacije (1050°C), analizo materialov za izolacijo za predgrevno peč oz. pri peči za avstenitizacijo, analizo in razvoj konstruk- cijskih materialov za ognjišče obeh peči, analizo in ustrezne zaščitne atmosfere, itd. Na osnovi vseh oprav- ljenih raziskav in ugotovljenih dejstev smo pristopili k razvoju naprednega kalilnega sistema in k razvoju teh- nologije mehanske in toplotne obdelave, kar bo pred- met nadaljnjih raziskav. 4. Zaključek – nadaljevanje razvojnih aktivno- sti V nadaljevanju razvojno raziskovalnega dela se bomo ukvarjali z definiranjem mikrostrukture in vpliva le-te na končne lastnosti orodnega jekla, kjer posebej izstopajo zahteve po visoki udarni žilavosti, natezni trdnosti in trdoti. Za ta namen bodo izvedeni preizkusi udarne žilavosti po Charpyju. Izvedli bomo tudi simu- lacijo toplotne in mehanske obdelave preizkušancev iz orodnega jekla v obliki nožev. Na osnovi tega bomo 39 izdelali prve industrijsko-laboratorijske šarže, kjer bo- mo uporabili kombinacijo tehnologij VIM in EPŽ. Raziskave so bile izvedene v okviru projekta Ra- no@steel (OP20.03523), kjer je koordinator podjetje Ravne Systems in ga sofinancira Evropski sklad za regionalni razvoj in Ministrstvo za izobraževanje, zna- nost in šport Republike Slovenije. Literatura 1. Istiroyah, D. W. Septi in Suhana: The Effect of Qu- enching Media on Hardness and Carbon Content in Carburized Steel, 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 546 042014. 2. Sarah Jalal Mosa: Effect of different quenching me- dia on mechanical properties of AISI 1018 low carbon steel, Journal of Mechanical Engineering Research and Developments, 42 (3), pp. 81-83 DOI: 10.26480/ jmerd.03.2019.81.83. 3. A A Zainulabdeen, N. Y. Mahmood in J. H. Mohmmed: The effect of polymeric quenching media on mechanical properties of medium carbon steel, 2018 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 454 012053. 4. P.P.Ikubanni, O.O.Agboola, A.A.Adediran, A.A.Adeleke, B.T.Ogunsemi, T.S.Olabamiji, D.C.Uguru-Okorie, C.O. Osueke: Experimental data on mechanical properties evaluation of medium carbon steel quenched in different waste media, P.P.Ikubannietal./DatainBrief 20 (2018) 1224–1228. 5. F. Lenzia, G. Campanaa, A. Lopatrielloa, M. Melea, A. Zanottib: About the use of mineral and vegetable oils to improve the sustainability of steel quenching, Procedia Manufacturing 33 (2019) 701–708. 6. Lyu, S.K., Characteristic of quenching refrigerant for heat treatment deformation control of SM45C steel. KSME International Journal, 2002. 16: p. 647-654. 7. Troell, E., et al., 12.04 - Controlling the Cooling Process – Measurement, Analysis, and Quality Assur- ance, in Comprehensive Materials Processing, S. Hashmi, et al., Editors. 2014, Elsevier: Oxford. p. 99- 121. 8. Hou, L., et al., Study on the Cooling Capacity of Different Quenchant. Procedia Engineering, 2012. 31: p. 515-519. 9. Chen, X., et al., Quenching characteristics of glyc- erol solution as a potential new quenchant. Interna- tional Journal of Heat and Mass Transfer, 2017. 109: p. 209-214. 10. Ramesh, G. and N.K. Prabhu, Review of thermo- physical properties, wetting and heat transfer charac- teristics of nanofluids and their applicability in indus- trial quench heat treatment. Nanoscale research letters, 2011. 6(1): p. 334-334. 11. T V Shveyova, G F Muhametzyanova, V I Astash- chenko, N N Zapadnova and E A Zapadnova: Charac- teristic features of the cooling capacity of aqueous pol- ymer solutions, 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 570 012098. 12. Z. Koudil, R. Ikkene, in M. Mouzali: Cooling Ca- pacity Optimization: Calculation of Hardening Power of Aqueous Solution Based on Poly(N-Vinyl-2- Pyrrolidone), M. J. of Materi Eng and Perform (2014) 23: 551. https://doi.org/10.1007/s11665-013-0775-9. 13. Lijun Houa, Heming Chenga, Jianyun Li, Ziliang Li, Baodong Shaoa, Jie Houa: Study on the Cooling Capacity of Different Quenchant, Procedia Engine- ering 31 (2012) 515 – 519. 14. Svetlana Yu. Shevchenko, Yury A. Melnik, An- drey E. Smirnov, and Wai Yan Min Htet: Comparative evaluation of methods for the determination of heat transfer coefficients of liquid and gaseous quenching media, Mechanics & Industry 18, 703 (2017). 15. Ching-Kao, C. and H.S. Lu, The optimal cutting- parameter selection of heavy cutting process in side milling for SUS304 stainless steel. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2007. 34(5): p. 440-447. 16. Chi-Hsiang, C., The effect of surface roughness of end-mills on optimal cutting performance for high- speed machining, W. Yung-Cheng, Editor., Associati- on of Mechanical Engineers and Technicians of Slove- nia et al. 17. Wang, L., et al., Fabrication of TiC-TiB2 composi- te ceramic tool and its cutting performance in turning austenitic stainless steel. Advances in Applied Ce- ramics, 2019. 118(8): p. 473-483. 18. Saravanan, M., C. Thiagarajan, and S. Somasunda- ram, Enhancing the tool die steel profile cutting per- formance in WEDM process. International Journal of Engineering and Advanced Technology, 2019. 9(1): p. 2626-2636. 19. Sonawane, S.A. and M.L. Kulkarni, Optimization of machining parameters of WEDM for Nimonic-75 alloy using principal component analysis integrated with Taguchi method. Journal of King Saud University - Engineering Sciences, 2018. 30(3): p. 250-258. 20. Kumar, Y., Cutting Parameters Optimization in Milling Of P – 20 Tool Steel And EN31B. IOSR Jour- nal of Mechanical and Civil Engineering, 2013. 8: p. 38-47. 21. Anil Raj, K.L.D.W.a.A.S.V., Cutting Parameters Optimization during Hard Turning of AISI H13 Tool Steel. International Journal of Research in Mechanical Engineering, 2016. 4(3): p. 33-38. PRIKAZ POTEKA RAZVOJA NAPREDNEGA ORODNEGA JEKLA ZA NAJZAHTEVNEJŠE APLIKACIJE V INDUSTRIJI NOŽEV 40 22. Murat Sarýkaya, H.D., Akýn Gezgin, OPTIMIZA- TION OF THE PROCESS PARAMETERS FOR SUR- FACE ROUGHNESS AND TOOL LIFE IN FACE MILLING USING THE TAGUCHI ANALYSIS. Materi- als and technology 2015. 49 (1): p. 139– 147. 23. Chauhan, S., N. Verma, and R. Kumar, Study on Optimization of Turning Parameters on Various Steel Grades: A Review. 2018. 41 Pregledni znanstveni č l an ek TEHNIKA – materiali Datum prejema: 1. februar 2020 ANALI PAZU 10/2020/1-2: 41-44 www.anali-pazu.si Nanotehnologija kot tehnologija prihodnosti, problematika nanoodpadkov Nanotechnology as the technology of the future, nanowaste problems Rebeka Rudolf 1,2 , Peter Majerič 1,2 , Vesna Štager 2 in Doris Golub 2 1 Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Smetanova ulica 17, 2000 Maribor 2 Zlatarna Celje d. o. o., Kersnikova ulica 19, 3000 Celje Povzetek: V prispevku predstavljamo nanotehnologijo kot vejo znanosti in inženirstva, ki je osredotočena na materiale z vsaj eno dimenzijo velikosti pod 100 nm. Nanotehnologija obravnava razumevanje materialov ali procesov na nano nivoju. Nanomateriali so lahko v obliki nanodelcev, nanocevi, nanopiramid idr. ter imajo drugačne lastnosti v primerjavi z materiali običajnih dimenzij. Njihove spremenjene fizikalno-kemijske lastnosti prvenstveno izvirajo iz velikega razmerja med površino in volumnom, kar se odraža v njihovi visoki površinski aktivnosti. Zaradi teh lastnosti se lahko uporabljajo na različnih področjih (elektronika, kemija, biotehnologija, medicina). Na podlagi tega dejstva je nanotehnologija širok izraz, ki zajema številna področja znanosti, raziskav in tehnologije. Ključne besede: nanotehnologija, nanomateriali, lastnosti, nanoodpadki. Abstract: In this paper, we present Nanotechnology, which is a branch of science and engineering focused on materials with at least one dimension below 100 nm. It involves the understanding of materials or processes on the "nano" scale. Nanomaterials, in the form of nanoparticles, nanotubes, nanopyramids, etc., have different properties compared to materials with ordinary dimensions. They have altered physical and chemical properties, which come from the large surface-to-volume ratio. This is reflected in their high surface activity and, because of this, they are useful in various fields (Electronics, Chemistry, Biotechnology, Medicine). Based on this fact, Nanotechnology is a broad term that covers many areas of science, research and technology. Key words: nanotechnology, nanomaterials, properties, nanowaste. Anali PAZU, 10/2020/1-2, str. 36-40 Rebeka RUDOLF, Tilen RAVLAN, Gorazd LOJEN, Peter MAJERIČ in Egidij HUDRAP