Казахстанский монетный двор – визитная карточка современного Казахстана

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 669.225

Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Д. Серикбаева, Республиканское государственное предприятие «Казахстанский монетный двор Национального Банка Республики Казахстан», Усть-Каменогорск, Казахстан

Казахстанский монетный двор - визитная карточка современного Казахстана

Туганбаев Фарит Сапаргалиевич (директор РГП «КМД НБ РК»),

Масленников Олег Олегович (докторант специальности 6D070900 «Металлургия»)

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук - Сырнев Борис Владимирович,

Аннотация

медный сплав коллекционный монета

Целью настоящего исследования было изучение природы дефектов проката и заготовок серебряно-медного сплава СрМ 92,5. Данный сплав используется для производства коллекционных монет «proof»-качества, которые поставляются как для внутреннего рынка, так и для иностранных партеров. В статье представлены результаты металлографических и микрорентгеноспектральных исследований природы инородных включений в серебряном сплаве производства РГП «КМД НБ РК». Выполнена классификация дефектов с использованием современных статистических методов контроля качества. Показано, что включения бывают трех типов и состоят из оксидов железа, кремния и сложных оксидов. Указанные включения образуются в результате физико-химического взаимодействия расплава с материалами графито-шамотного тигля, плавильно-литейной оснастки и атмосферой тигля. Для аттестации качества сплава СрМ 92,5 была разработана методика металлографического анализа. По результатам исследований сделан прогноз источников загрязнения сплава инородными дефектами, предложены методы снижения количества бракованных изделий.

Для любой современной страны одним из атрибутов государственности является национальная валюта. Своим рождением Казахстанский монетный двор (далее - КМД) обязан независимости и суверенитету Казахстана.

История КМД начинает отсчет с 13 ноября 1992 года, когда была отчеканена первая монета суверенного Казахстана.

Наличие в Республике развитого металлургического и машиностроительного комплексов было определяющим объективным фактором для создания производства собственных металлических денег. В январе 1992 года у президента Республики Казахстан Н. А. Назарбаева состоялось совещание руководителей ведущих предприятий машиностроительной и металлургической отраслей, на котором решался вопрос, где и на основе какого предприятия будет создан Монетный двор. Решающим аргументом в том, что такое право было предоставлено городу Усть-Каменогорску, явилось то, что директор «Ульбинского металлургического завода» В. Метте прибыл на совещание с набором образцов монет разных достоинств, в то время как другие участники - только с пакетами предложений.

По итогам совещания вышел Указ Президента Республики Казахстан Н. А. Назарбаева, в котором было определено организовать структурное подразделение в составе ПО «Ульбинский металлургический завод» по производству многоразовых платежных средств в виде металлических монет.

На заводе была создана команда, к работе которой была привлечена вся заводская наука, проектировщики, конструкторы, специалисты по автоматике. Сроки на создание нового производства были жесткие. Сразу же началось проектирование и строительство цеха «М», как тогда назвали монетное производство, в августе набран штат, а ноябре цех начал давать готовую продукцию. Огромную роль в становлении монетного двора сыграл Национальный Банк Республики Казахстан, который курировал проект, финансировал закупку оборудования, реконструкцию производственных объектов.

Массовая чеканка монет началась в октябре 1993 года, перед введением Казахстаном в обращение собственной валюты. Разменные монеты номиналом 2, 5 и 10 тиын были выпущены в обращение в марте 1994 года, а через три месяца были выпущены монеты номиналом 20 и 50 тиын. Первый инструмент для чеканки монет был изготовлен в Германии, но летом 1993 года, с поступлением основного закупленного оборудования, было создано собственное инструментальное производство - важная составляющая всего Монетного двора.

Дальнейшее развитие суверенитета государства потребовало и такого атрибута, как государственные награды. Осенью 1993 года проходит подведение итогов открытого конкурса на разработку проекта знаков государственных наград, и президентом Республики Казахстан ставится перед УМЗ следующая задача - выпуск государственных наград.

Структурное подразделение становится самостоятельным предприятием, и в апреле 1994 года создается «Завод изделий из цветных металлов» в составе монетного, наградного и инструментального производств. Первым директором назначен Тузов Ю. В. - начальник цеха «М». Руководство предприятия решает вновь возникающие задачи - освоение нового производства в сжатые сроки. Первые награды должны были быть готовы ко Дню Республики 25 октября 1994 года. Контроль над выполнением хода мероприятий взял сам лично президент РК. Новое производство потребовало и освоения новых технологий - выплавки и обработки сплавов драгоценных металлов, эмалирования ювелирными эмалями, гальванического покрытия золотом.

В процессе изготовления первых образцов орденов «Отан», «Курмет» и «Данк» стало понятно, что требуется кардинальная доработка дизайна наград. Такое право было предоставлено специалистам завода, так что их можно считать соавторами наград.

Основная нагрузка при производстве государственных наград выпала на плечи технологов, конструкторов и инструментального участка предприятия. Ведь необходимо было выполнить работы по отработке технологии эмалирования, блестящего золочения и серебрения, изготовить большое количество чеканочных и вырубных штампов сложной формы, да еще в столь короткие сроки.

В октябре 1994 года была выпущена первая партия государственных наград. Торжественное вручение состоялось в резиденции президента РК накануне государственного праздника Дня Республики.

Руководство предприятия продолжило расширять сферу деятельности предприятия. В 1996 году начато производство форменной фурнитуры силовых ведомств, клейм и печатей для Госстандарта Республики.

Специфика работы с драгоценными металлами, наличие высококвалифицированных специалистов-ювелиров позволили освоить в 1997 году заводу такие виды продукции, как столовое серебро и обручальные кольца, мини-слитки из серебра и золота, серебросодержащие контакты для электротранспорта.

В ноябре 1998 года «Завод изделий из цветных металлов» получает статус Республиканского государственного предприятия «Казахстанский монетный двор Национального Банка Республики Казахстан».

В это же время была завершена подготовка, и в обращение запущен новый монетный ряд, отличающийся от первых монет своей лаконичностью и утилитарностью. Введенная в этот ряд в 2002 году монета достоинством в сто тенге в биколорном исполнении по степеням защиты ничем не отличается от монеты в два евро.

В 1999 году, в связи с возросшим международным авторитетом Казахстана, руководством государства было решено переработать дизайн и исполнение ряда высших государственных наград. Совместная работа на конкурсной основе велась Казахстанским монетным двором и всемирно известной английской фирмой «SPINK & SON LTD». Оба предприятия представили на суд авторитетной комиссии по 10 образцов каждого вида наград. Победителем вышел монетный двор. Комиссия признала, что представленные награды - это образцы ювелирного искусства, не уступающие лучшим мировым стандартам.

С 1996 года монетный двор разрабатывал технологию и подготавливал производство монет качества «proof» из серебряно-медного сплава СрМ 92,5, вершины монетного искусства. Итогом многолетней работы в декабре 1999 года стал выпуск монеты «Рубеж тысячелетий». Дизайн монеты был разработан с участием специалистов КМД и дизайнеров Национального Банка РК . Выпущенная монет имела три зеркальных плоскости на реверсе. Причем, две плоскости пересекаются, образуя грань, которая отражает прошлое и будущее казахской земли.

Сегодня Казахстанский монетный двор чеканит коллекционные монеты качества «proof» на различные темы, такие как «Петроглифы Казахстана», «Красная книга Казахстана», «Архитектурные и исторические памятники», «Прикладное искусство», «Золото номадов», «Монеты старых чеканов». Предприятие изготавливает монеты из золота размером 14 мм и массой чуть более 1 грамма и монеты из серебра диаметром 100 мм и весом 1 килограмм (см. рис.1).

Рисунок 1 - Коллекционные монеты КМД.

Высокое качество казахстанских монет привлекло внимание ведущих нумизматических фирм, которые пригласили Казахстанский монетный двор участвовать в ряде международных монетных программ, посвященных Чемпионату мира по футболу, Олимпийским играм и др., в дальнейшем заказывают и реализуют его монетную продукцию.

Выход на международный рынок не только повышает престиж самого монетного двора и Национального Банка РК, но и престиж всего государства. Крупнейшими партнерами предприятия являются Австрийский монетный двор, Национальный банк Республики Беларусь, Национальный банк Республики Казахстан. Монетный двор имеет полный технологический цикл изготовления монет, орденов и медалей, от литья и прокатки сплавов до чеканки. Это позволяет осуществлять полное и своевременное обеспечение Республики в разменных и памятных монетах, государственных наградах и юбилейных медалях, ведомственных и спортивных наградах, клеймах для органов стандартизации и пробирного надзора. Но одно дело - выпускать изделия для внутренних потребностей, другое дело - представлять страну на международном рынке. В настоящее время КМД является поставщиком заготовок и готовой продукции из драгоценных металлов зарубежным партнерам. Гарантом качества выпускаемой продукции предприятия является внедренная и сертифицированная на соответствие международному стандарту ISO 9001:2000 «Система менеджмента качества».

Возрастающий спрос на продукцию КМД заставляет оптимизировать привычные технологические схемы производства. С целью повышения рентабельности, КМД оснащается самым современным оборудованием. Большим резервом в снижении себестоимости является минимизация брака продукции «proof». Одним из основных видов брака являются дефекты заготовок и готовой продукции из сплава СрМ 92,5 по инородным включениям, пористости и структурной неоднородности сплава.

Проблемы, связанные с дефектами поверхности изделий из драгоценных металлов, все больше беспокоят производителей этой уникальной и дорогостоящей продукции, так как они не только увеличивают стоимость изделий, снижая рентабельность производства, но и понижают рейтинг предприятия - производителя, который, в условиях рыночных отношений, является важным коммерческим фактором.

Не обошла эти проблемы и состоявшаяся в мае 2006 года в Париже конференция директоров монетных дворов. Несколько докладов на технической секции конференции были посвящены анализу поверхностных дефектов на изделиях из драгоценных металлов. Был представлен обзорный доклад [1] по поверхностным дефектам, в котором обобщены результаты работы по 18 монетным дворам.

Была представлена классификация поверхностных дефектов на монетах «proof»-качества, таких, как: волокнистость (Floating Fibres), крупнозернистость (Excessive Grainsize), апельсиновая корка (Orange Peel), царапины (Cross Contamination), пузыри (Blisters), потускнения (Tarnish), пятна (Stains), лунки (Peck Marks), включения (Inclusions), натир (Struck in Debris), пыль (Dust), звездная россыпь (Stardust).

Как было заявлено в докладе, ни один из монетных дворов полностью не решил проблему дефектности продукции «proof»-качества.

Целью настоящей научно-исследовательской работы является исследование природы основных дефектов изделий «proof»-качества, разработка методов усовершенствования технологии производства заготовок для монет качества «proof» из сплава СрМ 92,5 на основе этих исследований.

Проведение исследования

Для проведения исследования были приготовлены следующие образцы сплава СрМ 92,5: слиток № 97/1, полученный плавкой в индукционной печи и непрерывным горизонтальным литьем в кокиль с водяным охлаждением; слиток № Ш-139, полученный плавкой в печи сопротивления и литьем в стальную изложницу [2,3].

Оценка качества полученных образцов проводилась с использованием следующих методов неразрушающего контроля качества сплавов, таких, как: метод вихревых токов, или электроиндуктивный метод; метод ультразвуковой дефектоскопии; метод рентгенографического контроля [4,5].

Для аттестации качества была разработана методика металлографического анализа сплава СрМ 92,5 (далее - ММА). Согласно методике, из образцов изготавливались микрошлифы. С помощью оптического микроскопа «Axiovert 200 MAT. Zeiss» и сканирующего электронного микроскопа проводилась оценка загрязнения поверхности образца инородными включениями. По результатам оценки металлу образца присваивался рейтинг качества.

Наличие газовой пористости в образцах проводилось методом излома.

После изучения морфологических особенностей дефектов был изучен элементный состав включений на растровом электронном микроскопе-микроанализаторе ISM 5610.

Окончательной операцией оценки качества сплава СрМ 92,5 стала операция чеканки монет «proof»-качества.

Результаты и обсуждение

В результате исследований было установлено, что в сплаве СрМ 92,5 производства КМД встречаются инородные включения на основе оксидов железа, кремния, сложных оксидов алюминия, магния и кальция. Включения находятся на поверхности сплава и часто в подповерхностном (рядом с поверхностью) слое. Практически всегда в состав включений входит углерод. В процессе полировки заготовок, в результате снятия некоторого слоя металла, часть включений удаляется, а дефекты, находящиеся в подповерхностном слое, выходят на поверхность («вскрываются»). Подобные процессы имеют место при движении металла в результате пластической деформации при чеканке. Инородные дефекты, находящиеся на поверхности, выводят из строя чеканочные штемпеля и царапают зеркальную поверхность отчеканенной монеты. Также было установлено, что, в основном, встречаются включения трех видов. Данный факт позволил разделить их по внешнему виду на три группы: «черное», «серое» и «светлое».

Из анализа полученных результатов следует, что «черное» включение содержит, в основном, углерод (82% от массы). Источник попадания включения: графитовая шуровка, тигель, уголь.

«Серое» включение, помимо повышенного содержания углерода, дополнительно содержит кислород до 27 масс %, а также следы Al, Si, Na, которые могли попасть в результате незначительной эрозии оснастки (графито-шамотного тигля, алюмосиликатной крышки).

Основным инородным компонентом «светлого» включения выступает кислород, содержание которого составляет до 36% от массы при повышенном содержании.

Исследования газовой пористости не выявили наличия макропористости в образцах слитка № 97/1. Наличие пор размером более 300 мкм на изломе образцов слитка № Ш-139 связано с захватом воздуха при литье в стальную изложницу.

Результаты чеканки монет «proof»-качества показали, что заготовки от образцов сплава СрМ 92,5 с рейтингом качества не выше R-2 (согласно разработанной методике металлографического анализа сплава СрМ 92,5), не имеют брака по инородным включениям и пористости после операции чеканки.

Исследования микроструктуры показали, что структура сплава при комнатной температуре гетерогенна и состоит из двух фаз: твердых растворов на основе серебра и меди. Указанные фазы имеют существенное отличие по химическому составу. Микрорентгено-спектральный анализ указанных зон показал, что в светлых зонах содержание серебра составляет 96-97 масс.%, в темных - 67 масс.% (рис. 2). Эта субмикроскопическая ликвация выявляется только при травлении полированных шлифов.

Рисунок 2 - Рентгеновский спектр и элементный состав твердых растворов на основе серебра (А) и меди (В)

Структурная и химическая микронеоднородность (микроликвация) сплава СрМ 92,5 обусловлена ограниченной растворимостью меди в серебре. Ниже 700 ^єС происходит выделение в-фазы, представляющей собой твердый раствор серебра в меди.

При дальнейших исследованиях структурной неоднородности было замечено, что часто укрупненные области в-фазы формируются около включений. Такие дефекты мы отнесли к эндогенным включениям, т.е. присущим данной технологии, аппаратурному оформлению, материалам литейной оснастки (рис. 3, табл. 1).

Рисунок 3 - Эндогенные «углеродно-оксидные» включения в сплаве СрМ 92,5.

Таблица 1 - Химический состав эндогенных включений ат. %

Основу эндогенных включений составляют углерод, кислород, а также присутствуют кремний, алюминий, натрий, магний. Из анализа элементного состава включений можно предположить, что это микрочастицы (до 30 мкм), образовавшиеся в результате эрозии графито - шамотного плавильного тигля, вокруг которых формируется обогащенная медью зона. Результаты указывают на то, что, несмотря на «раскисление» сплава при плавке и низкое содержание кислорода в сплаве (менее 0.002%), имеются микрообъемы с содержанием кислорода до 54 ат %. Высокое содержание кислорода в них превышает значения, необходимые для образования соответствующих оксидов Al, Si, Cu. Это позволяет предположить, что значительная часть кислорода и углерода растворена в виде СО, хорошо растворимых в серебре [4]. Присутствующий в кластерах углерод может участвовать в процессах раскисления и являться восстановителем для оксида меди с образованием монооксида углерода:

Cu₂O + C = Cu + CO

Возможно, в зоне эндогенных кластеров возникают зоны, обогащенные СО и локальные скопления газа. Кроме того, при последующем водородном отжиге, по известному механизму «водородной болезни», образующиеся в сплаве молекулы влаги могут реагировать с монооксидом углерода, что интенсифицирует образование газовой пористости:

CO + H₂O = CO₂ + H₂

Иногда при полировке заготовок обнаруживаются дефекты типа «лунки», в неровностях микрорельефа которых обнаружены остатки углерода и повышенное содержание меди (рис. 4). Эти «лунки», видимо, возникают как результат «выработки» кластеров и газовых микропор при полировке поверхности.

Рисунок 4 - Электронный снимок «лунки» на шлифе в отраженных электронах (А), рентгеновский спектр (В), элементный состав включения (С).

Таким образом, обнаруженные кластеры могут являться причиной образования «лунок» на полированной поверхности изделий. Но оставалось неясным, почему это явление встречается нерегулярно.

Была проведена оценка эрозии тигля (по «загрязненности» сплава) в зависимости от длительности эксплуатации. Результаты определения «загрязненности» сплава (согласно ММА) представлены на рис. 5.

Рисунок 5 - Зависимость «загрязненности» сплава от времени эксплуатации тигля.

Полученные результаты показали, что «загрязненность» эндогенными кластерами сплава увеличивается в процессе эксплуатации тигля. При этом включения укрупняются с 15 до 30 мкм (рис. 6), а, значит, увеличиваются размеры кластеров и зон, обогащенных кислородом и углеродом, и вероятность появления при полировке дефектов типа «лунка».

Рисунок 5 - Структура «загрязненности» сплава в слитках 1-й и 10-й плавок.

В результате проведенных исследований было установлено, что инородные включения в сплаве СрМ 92,5 производства КМД имеют двойную природу. Часть включений попадают в металл извне: с исходными шихтовыми материалами; на операциях пластической деформации, термообработки, полировки и т.д.; из атмосферы производственных помещений. Это так называемые экзогенные включения. Другая часть носит явный металлургический характер и является продуктом физико-химического взаимодействия расплава с материалами плавильно-литейной оснастки и атмосферой тигля. Это так называемые эндогенные включения. Указанные включения образуются в результате эрозии плавильно-разливочного тигля и увеличивают «загрязненность» сплава по мере эксплуатации тигля. В результате раскисляющей углеродом реакции в зоне кластеров локализуется газовая микропористость. При достижении размеров включений критических значений (при длительной эксплуатации тигля или использовании неоптимальной глазуровки) возможно образование газовой макропористости и дефектов типа «лунок» на полированной поверхности заготовок.

Методы неразрушающего контроля качества, применительно к сплаву СрМ 92,5, оказались эффективны при диагностике дефектов размером более 3 мм.

Разработанная методика металлографического анализа сплава СрМ 92,5 позволяет достоверно и оперативно оценить качество металла, прогнозировать количество брака при чеканке монет «proof»-качества.

Непрерывное горизонтальное литье сплава СрМ 92,5 частично исключает наличие макропористости. Это предотвращает вздутие металла в результате «водородной» болезни при отжиге в защитной атмосфере.

Рейтинг качества металла не выше R-2 (согласно методике металлографического анализа сплава СрМ 92,5) не приводит к браку готовой продукции «proof»-качества по инородным включениям и пористости.

Заключение

В результате проведенных исследований впервые были изучены морфология и топография инородных дефектов проката и заготовок из сплава СрМ 92,5 производства КМД. Впервые проведена классификация дефектов с использованием современных статистических методов контроля качества. В ходе работы была разработана методика оперативного контроля качества сплава СрМ 92,5 на ранних стадиях технологического процесса изготовления заготовок для коллекционных монет «proof»-качества. Полученные результаты позволили специалистам КМД провести оптимизацию процесса производства заготовок на технологических операциях шихтоподготовки, плавки и литья, пластической деформации, термообработки и полировки заготовок. Необходимо отметить, что КМД, в основном, использует сырье отечественных производителей. Внедренные усовершенствования гарантировали производство металла со стабильным рейтингом качества R-2 (согласно разработанной методике металлографического контроля качества сплава Срм 92,5), что, как было установлено, не приводит к браку готовой продукции на операции чеканка. Благодаря данному факту, КМД смог поэтапно наращивать количество производимых изделий вплоть до 2011 года, когда тираж монет «proof»-качества достиг почти 200 000 штук. При этом не производилось наращивания производственной базы предприятия, и не увеличивалось количество рабочих мест. Учитывая, что коллекционные монеты «proof»-качества изготавливаются с высоким процентом ручного труда, минимизация брака заготовок сплава СрМ 92,5 значительно снизила трудозатраты и себестоимость готовых изделий. Проведения данных исследований способствовало снижению трудозатрат при производстве коллекционных монет «proof»-качества, снижению себестоимости и повышению качества выпускаемых изделий, что является существенным фактором повышения конкурентоспособности Казахстанского монетного двора (предприятия) в условиях глобального экономического кризиса.

Успехи КМД со стабильным постоянством отмечаются на ежегодной международной технической конференции директоров монетных дворов World Money Fair, проводимой в городе Берлин. А в 2007 году КМД был удостоен звания «Почетный гость» данного мероприятия, где презентовал монету «Космос», которая вызвала огромный резонанс среди участников и гостей конференции. Практически каждый год монеты, производимые КМД, выигрывают и занимают призовые места на престижных международных монетных выставках и конкурсах. Это такие монеты, как «Космос», «Тюльпан Регеля», «Чингиз-Хан» (см. рис. 6-8). Существует устойчивое мнение среди признанных лидеров монетного производства, что КМД входит в четверку лучших Монетных дворов мира. Стремление не стоять на месте, постоянно совершенствовать технологию производства используя научно-исследовательские ресурсы, выпуская при этом продукцию, успешно конкурирующую с продукцией признанных лидеров в данной области, позволяют по праву считать Казахстанский Монетный двор визитной карточкой Республики Казахстан. Ведь он почти ровесник своей страны, которая отмечает 20-летие национальной валюты в 2014 году.

Рисунок 7 - Монета «Космос» из серии «Космос». Сплав СрМ 92,5, вставка из тантала.

Рисунок 8 - Монета «Тюльпан Регеля» из серии «Флора и фауна Казахстана». Сплав СрМ 92,5 с голограммой.

Рисунок 9 - Монета «Чингиз-Хан» из серии «Великие полководцы». Сплав СрМ 92,5 с золочением.

Список литературы

1. Vijay Kumar. Presentation of survey results // 24ТН MINT DIRECTORS CONFERENCE (may 2006). - Paris, 2006.

2. Сырнев Б.В., Туганбаев Ф.С., Масленников О.О. Исследования природы инородных включений в сплаве СрМ 925. Научный журнал «Вестник» ВКГТУ им. Д. Серикбаева. - У-Ка.: ВКГТУ, 2006, № 1.

3. Сырнев Б.В., Туганбаев Ф.С., Масленников О.О. Исследования природы газовой пористости в сплаве СрМ 925. Научный журнал «Вестник» ВКГТУ им. Д. Серикбаева. - У-Ка.: ВКГТУ, 2006, № 1.

4. Сырнев Б.В., Туганбаев Ф.С., Масленников О.О. Исследование дефектов на изделиях из серебра // Материалы международного симпозиума ювелиров (7-9 июля 2008 года). - С-Пб., 2008.

5. Сырнев Б.В., Туганбаев Ф.С., Масленников О.О. Разработка метода аттестации сплава СрМ 925 по внутренним дефектам // Материалы международной конференции «Роль вуза в формировании инновационной экономики». - У-Ка, 2008.

Размещено на Allbest.ru