Анализ влияния металлургии сплава СрМ 92,5 на качество монетных заготовок производства РГП "КМД НБ РК"

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ МЕТАЛЛУРГИИ СПЛАВА СрМ 92,5 НА КАЧЕСТВО МОНЕТНЫХ ЗАГОТОВОК РОИЗВОДСТВА

РГП «КМД НБ РК»

Масленников О.О.

Аннотация. Целью настоящего исследования было изучение природы дефектов проката и заготовок сплава СрМ 92,5. Данный сплав используется для производства коллекционных монет «proof»-качества. На Казахстанском монетном дворе сплав СрМ 92,5 получают плавкой и литьем на установке непрерывного горизонтального литья Mini 150 фирмы Wertli AG. В статье представлены результаты металлографических и микрорентгеноспектральных исследований природы инородных включений в серебряном сплаве производства РГП «КМД НБ РК». Показано, что включения бывают трех типов и состоят из оксидов железа, кремния и сложных оксидов. Указанные включения образуются в результате эрозии графито-шамотного тигля, плавильно-литейной оснастки. Содержание кислорода в комплексных оксидах включений может достигать до 54 ат. %. Избыток кислорода при водородном отжиге проката и заготовок может быть причиной пористости по механизму «водородной болезни». Данная пористость может являться причиной образование поверхностных дефектов типа «лунки» при полировке заготовок. Для аттестации качества сплава СрМ 92,5 была разработана методика металлографического анализа. По результатам исследований сделан прогноз источников загрязнения сплава инородными дефектами.

История Казахстанского монетного двора (далее - КМД) начинает отсчет с 13 ноября 1992 года, когда была отчеканена первая монета суверенного Казахстана. Своим рождением Казахстанский монетный двор обязан независимости и суверенитету Казахстана, ведь для любой страны одним из атрибутов его государственности является национальная валюта.

С 1996 года монетный двор разрабатывал технологию производства 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».

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).

Известно большое количество сплавов на основе серебра. Некоторые из них используются для производства ювелирных изделий и столовых принадлежностей, в то время как другие сплавы серебра применяют в качестве припоев и электрических проводников. По этой причине сплавам серебра уделяется повышенное внимание во всем мире [2-6].

Большое количество продукции КМД производится из сплава СрМ 92,5. Большим резервом в снижении себестоимости является минимизация брака продукции «proof». Одним из основных видов брака являются дефекты монетных заготовок и готовой продукции из сплава СрМ 92,5 по инородным включениям, пористости.

Возрастающий спрос на продукцию заставляет оптимизировать привычные технологические схемы производства. Не обладая собственной научной базой, КМД пригласил специалистов ВКГТУ им Д. Серикбаева участвовать в проведении исследований по усовершенствованию технологии производства монет «proof»-качества.

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 [10, 13].

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.

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 наличие 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 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. 1). Эта субмикроскопическая ликвация выявляется только при травлении полированных шлифов.

Рисунок 1 - Рентгеновский спектр и элементный состав твердых растворов на основе серебра (А) и меди (В)

монета сплав дефект

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.

Рисунок 2 - Эндогенные «углеродно-оксидные» включения в сплаве СрМ 92,5.

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. 2, табл. 1).

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 [9]. 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» [7, 8] 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. 3). Эти «лунки», видимо, возникают как результат «выработки» кластеров и газовых микропор при полировке поверхности.

Рисунок 3 - 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.

Были проведена оценка эрозии тигля (по «загрязненности» сплава) в зависимости от длительности эксплуатации. Результаты определения «загрязненности» сплава (согласно ММА) представлены на рис. 4.

Рисунок 4 - Зависимость «загрязненности» сплава от времени эксплуатации тигля.

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

Полученные результаты показали, что «загрязненность» эндогенными кластерами сплава увеличивается в процессе эксплуатации тигля. При этом включения укрупняются с 15 до 30 мкм (рис. 5), а, значит, увеличиваются размеры кластеров и зон, обогащенных кислородом и углеродом и вероятность появления при полировке дефектов типа «лунка».

Заключение

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.

Список литературы

1. Vijay Kumar, Presentation of survey results, by The Perth Mint, Session 2, 24ТН MINT DIRECTORS CONFERENCE, Paris - may, 2006.

2. J. Stobrawa, Z. Rdzawski. Silver-perspectives-applications, Proceedings of the V Conference Noble Metals Zakopane-Koscielisko, 2004, 74-81(in Polish).

3. W. Ghuchowski, Z. Rdzawski. Stability of properties in silver lanthanum alloy. Journal of Achievements m Materials and Manufacturing Engineering 24/2 (2007) 103-106.

4. L. Benner, T. Suzuki, K. Meguro, S. Tanka. Precious Metals Science and Technology, IPMI, 1991.

5. E. Nisaratanaporn, S. Wongsriruksa. Study on the microstructure, mechanical properties, tarnish and corrosion resistance of sterling silver alloyed with manganese. Materials Science and Engineering. А445Д46 (2007) 663-668.

6. S. Hong, A. Kill. Microstructural stability and mechanical response of CuAg microcomposite wires. Acta Matenalia 46/12(1998)41114122.

7. Курдюмов А.В., Пикунов Н.В., Чурсин В.М. Литейное производство цветных и редких металлов. М.: Металлургия, 1982. 352c

8. Малышев В.М., Румянцев Д.В. Серебро. М.: Металлургия, 1987. 318c

9. Мастеров В.А., Саксонов Ю.В. Серебро, сплавы и биметаллы на его основе. М.: Металлургия, 1979. 296с

10. 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, 2006, 1 номер.

11. 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, 2006, 1 номер.

12. Сырнев Б.В., Туганбаев Ф.С., Масленников О.О. Исследование дефектов на изделиях из серебра. Международный симпозиум ювелиров, Санкт-Петербург, 2008 год.

13. Сырнев Б.В., Туганбаев Ф.С., Масленников О.О. Разработка метода аттестации сплава СрМ 925 по внутренним дефектам. Международная конференция «Роль вуза в формировании инновационной экономики», ВКГТУ им. Д. Серикбаева, 2008 год.

Размещено на Allbest.ru