Розробка економнолегованого багатокомпонентного сплаву на основі міді для монет середніх номіналів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ

УДК 669.15-194

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка економнолегованого багатокомпонентного сплаву на основі міді для монет середніх номіналів

Спеціальність: 05.16.01 - металознавство та термічна обробка металів

Плітченко Валерій Васильович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Фізико-технологічному інституті металів та сплавів Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Шуміхін Володимир Сергійович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, м. Київ, завідувач відділом.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, ст. науков. співроб. Іванченко Володимир Григорович Інститут металофізики НАН України, м. Київ, завідувач відділом;

доктор технічних наук, ст. науков. співроб. Михаленков Костянтин Вікторович Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» МОН України, м. Київ, доцент кафедри.

Захист відбудеться «20» листопада 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 при Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, МСП, бульвар Вернадського, 34/1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ФТІМС НАН України за адресою: м. Київ, бульвар Вернадського, 34/1.

Автореферат розісланий «17» жовтня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д. т. н. Тарасевич М.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. В 1991-1992 роках Верховна Рада України та Національний банк України прийняли ряд законів та нормативних документів щодо утворення національної системи грошового обігу, організації виробництва банкнот та монет. Карбування перших монет з латуні, алюмінію та нержавіючої сталі було здійснено на Луганському верстатобудівному заводі та за кордоном.

У 1994 році почалося будівництво сучасного Монетного двору в м. Києві. Карбування розмінних монет України було розпочато на ньому наприкінці 2000 року.

В сучасний період реалізація глобального проекту по розробці та введенню в обіг мільярдів євромонет спричинило революційні наслідки. Були розроблені нові спеціальні вимоги та допуски щодо встановлення геометричних розмірів монет, щодо фізичних, технологічних та експлуатаційних властивостей сплавів, введена електропровідність сплавів як обов'язковий параметр для ідентифікації монет в торгівельних автоматах. В сфері грошового обігу регуляторний статус, узгоджений з Єврокомісією отримали Всесвітня Асоціація Директорів Монетних дворів та Світова організація торгівлі через автомати. Були призначені експертні установи по контролю характеристик якості монет, підвищена роль Міжнародного центру реєстрації монет.

Монетна система України потребує модернізації, а сплави, що використовуються зараз у вітчизняному виробництві монет середніх номіналів не відповідають сучасним вимогам щодо величини їх електропровідності. Враховуючи масштаби та важливість надійної автоматичної ідентифікації і захисту металевих грошей від підробок вказане є проблемою державного значення, а тема дисертаційної роботи є актуальною і своєчасною.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно з напрямками, зазначеними у Розпорядженні Національного банку України № 548-р від 17.09.2004 року; відповідно Програми спільних робіт Банкнотно-монетного двору та Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України, затвердженого 10.05.2006 року, та замовленням НБУ № 07-12-204 від 30.08.2007 року.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи було дослідження структури, фізичних та фізико-механічних властивостей економнолегованих сплавів на основі системи Cu-Zn в залежності від хімічного складу, технологічних режимів плавки, прокатки, термічної обробки, та створення сплаву жовтого кольору для вітчизняних монет середніх номіналів з питомою електропровідністю на рівні 17 ч 19 % IACS та експлуатаційними властивостями відповідно до вимог, що висуваються до монетних сплавів з боку Світової організації торгівлі через автомати, та Всесвітньої Асоціації Директорів Монетних дворів.

Задачі дослідження передбачали наступне:

- визначити експериментально вплив легування окремими елементами та комплексного легування сплавів на основі системи Сu - Zn на їх фізичні, фізико-механічні та технологічні властивості;

- розробити принципи вибору сплавів, визначити оптимальні умови отримання сплаву з експлуатаційними властивостями на рівні сплавів для євромонет; в тому числі забезпечити питому електропровідність в інтервалі 17 ч 19 % IACS (Міжнародний стандарт відпаленої міді 58 МСм/м = 100 % IACS) з похибкою не більшою за ± 0,4 % IACS; досягти яскравого жовтого кольору; забезпечити відповідну корозійну стійкість сплаву в контрольних середовищах ( модельні слина, піт, атмосфера морської води); досягти високої пластичності сплаву при карбуванні, та водночас зносостійкості монет при плановому терміну перебування монет в обігу 20 років, тощо;

- визначити склад легуючого комплексу та умови комплексного легування які би забезпечували однофазний стан сплаву на всіх етапах виготовлення заготівок та монет; забезпечити стабільність питомої електропровідності та інших властивостей монет;

- провести контрольні випробування віповідно міжнародних вимог до монетних сплавів, отримати висновки щодо можливості використання нового сплаву в монетному обігу та в торгівельних автоматах;

- визначити режими плавки, прокатки та термічної обробки при виготовленні стрічок з нового сплаву;

- визначити технології виготовлення монетних заготівок з нового сплаву на етапах вирубки, накатки гурту, відпалу та фінішної обробки.

Об'єктом дослідження є вплив хімічного складу та технологічних факторів на мікроструктуру, фізичні, технологічні та експлуатаційні властивості експериментальних сплавів та їх аналогів, що зараз використовуються для виготовлення євромонет та монет України.

Предметом дослідження є економнолеговані сплави на основі системи Cu - Zn групи «томпак».

Методи дослідження. В роботі використовували стандартні методи дослідження хімічного складу, методи досліження фізико-механічних та фізичних властивостей сплавів, металографію, мікрорентгеноспктральний аналіз структур, ОЖЕ-спектрографію, методи корозійних випробувань в контрольних середовищах, рекомендовані Всесвітньою Асоціацією Директорів Монетних дворів, та інші. Також використовували комплекс методів контролю якості монет та заготівок, що застосовується на Банкнотно-монетному дворі України.

Наукова новизна одержаних результатів. Новими науковими результатами, які отримані в роботі, є наступні:

- вперше отримано експериментальні дані щодо впливу окремих елементів, комплексного легування та технологічних факторів на структуру, фізико-механічні властивості багатокомпонентних сплавів системи Cu-Zn-Sn-Al-Mn на всіх етапах виготовлення зливків, стрічок, ронделів, та монет. Функціональна характеристика - питома електропровідність досліджувалася послідовно на трьох, чотирьох та п'ятикомпонентних сплавах даної системи.

- визначено граничні концентрації легуючих елементів (алюміній ~ 1 %, олово ~ 1 %, марганець ~ 0,6 ч 0,8 %), мінімальну швидкість охолодження злитку, та режими термічної обробки які забезпечують однофазний стан сплавів.

- встановлено вплив комплексного легування на структуру сплавів системи Cu-Zn-Sn-Al-Mn, визначено співвідношення основних компонентів та допустимі концентрації домішок, що забезпечує питому електропровідність сплаву в інтервалі 17,8 ± 0,4 % IACS; також визначені залежності питомої електропровідності сплавів від концентрації окремих елементів та домішок (Fe, Mn, Si).

- визначено режими термообробки нового сплаву, які забезпечують повну рекристалізацію сплаву; також визначено режими термічної обробки і пластичної деформації, які забезпечують одержання стрічок у нагартованому стані з твердістю 130-150 HV_10/30.

Практичне значення отриманих результатів. Створено новий монетний сплав для вітчизняних монет номіналом 10, 25, 50 копійок та 1 гривня; сплав має електропровідність в заданому інтервалі, зносостійкість, що не поступається аналогічним сплавам, які знаходяться в монетному обігу, задовільну корозійну стійкість в контрольних середовищах. Проведено комплекс токсикологічних випробувань та отримано позитивний висновок Інституту екогігієни та токсикології ім. Л.І. Медвідя МОЗ України щодо можливостей використання нового сплаву у грошовому обігу. Випробування ідентифікації сплаву електроними пристроями, проведені експертною установою Світової організації торгівлі через автомати - «National Rejektors, Inc», показали високу щільність результатів вимірювання питомої електропровідності. Проведені технологічні випробування на Банкнотно-монетному дворі та висновки враховують вимоги Всесвітньої Асоціації Директорів Монетних дворів.

За проведеними розрахунками застосування перспективного сплаву замість алюмінієвої бронзи призведе до здешевлення заготівок на 8 ч 10 %, що в грошовому виразі для обсягів виробництва монет 2008 року буде складати 4 704547 грн.

Особистий внесок здобувача. Автором проаналізовано сучасний стан використання монетних сплавів, сформульовано принципи їх застосування відповідно до номіналів монет, зроблено пофакторний аналіз монетної системи України, аналіз динаміки ринку монетних заготівок із різних матеріалів [1,7].

Дисертант показав, що оптимальним для питомої електропровідності нового монетного сплаву буде інтервал 17-19 % IACS [4].

Здобувачем узагальнено досвід застосування в обігу вітчизняних монет з латуні CuZn35Ni2 та бронзи CuAl6Ni2, виявлені залежності питомої електропровідності цих матеріалів від кількості домішок, фазового складу, ступеня пластичної деформації [3]. Визначено причини корозійних пошкоджень монет [2]. Аналіз діючої монетної системи та досвіду застосування сплавів різного класу став науково-технічним підґрунтям для розробки нового монетного сплаву та програми його випробувань.

На цій основі автором запропоновано підхід до розробки нового сплаву на основі групи «томпак» з додатковим легуванням з метою забезпечення заданої питомої електропровідності, корозійної стійкості, та технологічності сплаву [5, 6]. Проведений аналіз одержаних експериментальних результатів та запропонований склад багатокомпонентного сплаву на основі системи Cu-Zn-Sn-Al-Mn, технологічні та функціональні властивості якого відповідають вимогам, що ставляться до сучасних монетних сплавів [7].

Експериментальні роботи по виготовленню дослідних сплавів та стрічок виконувалися дисертантом спільно з О.А. Щерецьким та В.В. Апухтіним, дослідження структури та корозійні випробування виконувалися разом з А.М. Верховлюком та М.І. Науменко; визначення електропровідності спільно з Ю.В. Сорокіним і В.Л. Лахненко, в обробці результатів досліджень також приймали участь А.А. Безпалий та Г.В. Петрина.

Апробація результатів роботи. Основні наукові положення і результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на Міжнародній технічній конференції директорів монетних дворі (Відень, Австрія, 2004 рік); на Міжнародній науково-технічній конференції «Ливарне виробництво та металургія» (Могильов, Бєларусь, 2005 р.);на V міжнародній науково-технічній конференції «Машини і пластична деформація металів» (Запоріжжя, 2007 р.), на Міжнародному науково - технічному конгресі «Сучасні матеріали і технології в металургії та машинобудуванні» (Київ, 2007 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 статей у фахових виданнях ВАК України, 2 тези доповідей на міжнародних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація викладена на 160 сторінках, складається зі вступу, чотирьох розділів, основних висновків, додатків та списку використаних літературних джерел з 107 найменувань. До складу дисертації входять 43 рисунки, 25 таблиць та 3 додатки.

Основний зміст роботи

У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтовано її актуальність, відповідність державній тематиці, сформульована мета і задачі досліджень, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Наведено відомості про особистий внесок здобувача та про апробацію результатів дисертації.

У першому розділі розглянуто принципи, за якими формуються вимоги до параметрів монет, проведено аналіз по номіналах монет в залежності від їх купівельної спроможності. Проаналізовані склади монетних сплавів, зроблено пофакторний аналіз характеристик вітчизняних монет та їх відповідність критеріям вибору.

Питання захисту монет від підробок, також їх ідентифікація електронними пристроями банківської техніці та торгівельних автоматів постійно вивчається та удосконалюється монетною індустрією світу з врахуванням вимог до стабільності питомої електропровідності сплавів в умовах унікально масового виробництва монет. Виявлено, що рівень питомої електропровідності має знаходитись у інтервалі 17ч19 % IACS, вільному по відношенню до електропровідності монетних та розповсюджених індустріальних або побутових сплавів. Пошук відповідного сплаву жовтого кольору при умові реалізації усіх необхідних технологічних та функціональних характеристик заготівок та монет визначає мету та задачі дослідження.

У другому розділі наведено методики досліджень, та їх особливості.

Металографічні та спектроскопічні дослідження проводилася на готових монетних ронделях, або подібних зразках, вирізаних зі смуг або стрічок. Виготовлення шліфів та мікроструктурні дослідження здійснювали відповідно ГОСТ 6456-75, ГОСТ 21073.0-75, ГОСТ 21073.1-75, застосовували мікроаналізатор «EPIQUANT» (Німеччина). Для вимірювань мікротвердості сплавів, вкористовувався прилад ТП-2, який відповідає вимогам ГОСТ 23677-79 і ГОСТ 2999-75.

Для мікрорентгеноспектрального аналізу використовували прилади «SEM. SUPERPROB-733» та МАР-3. Похибка визначення концентрацій легких металів становила 0,01 %, а для важких металів - 0,001 % Для аналізу деяких корозійних пошкоджень на поверхні монет використовували ОЖЕ - спектроскопію. Для дослідження корозії в контрольних середовищах по зміні маси зразків використані такі агресивні середовища як модельний піт, слина та морська вода. У основу методу втрати маси покладені ГОСТ 5272-68 «Коррозия металлов»; ГОСТ 9.905-82 «Методы коррозионных испытаний»; ГОСТ 9.907-83 «Методы удаления продуктов коррозии после коррозионных испытаний»; ГОСТ 9.908-85 «Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости».

Методика вимірювання питомої електропровідності основана на порівнянні сигналу з еталоном відповідно ГОСТ 27333-87 «Измерение удельной электрической проводимости цветных металлов вихретоковым методом». Зразки для вимірювань мали діаметр не менше 15 мм, товщину - не менше 1,25 мм, шорсткість поверхні R_a ? 0,63 мкм.

У третьому розділі викладено результати дослідження впливу хімічного складу та деформації на структуру та питому електропровідність монетної латуні ЛН 63-2, що зараз використовується в грошовому обігу.

На основі проведених експериментів було розраховано середні коефіцієнти зниження питомої електропро - відності за наявністю домішок заліза і марганцю в монетній латуні ЛН 63-2 в інтервалі концентрацій 0 ч 0,2 %. Для заліза коефіцієнт рівний - 10ч12, а для марганцю - 5, таким чином домішки заліза більш ніж удвічі сильніше впливають на показники електропровідності. Домішки фосфору також значно впливають на питому електропровідність сплавів, тому при виплавці монетних сплавів на основі міді використання фосфористої міді є небажаним.

Статистична обробка значень питомої електропровідності монет з латуні номіналом 25 і 50 копійок, що знаходяться в обігу, показала, що для допуску 0,5 % IACS від середньостатистичного значення електропровідності, у вибірці для 25 копійок 12 % монет залишаються поза допуском, а у вибірці для 50 копійок 14,4 % монет не відповідають допустимому інтервалу. Таким чином, значна кількість монет, що знаходяться в грошовому обігу, непридатні для користування в торгівельних автоматах.

За результатами технологічних експериментів рекомендовано за рахунок підбору шихтових матеріалів та технології плавки досягати мінімальний вміст домішок, які інтенсивно впливають на питому електропровідність (залізо, свинець, кремній, фосфор та ін.) не більше 0,5 %.

Дослідження впливу деформації на питому електропровідність монетної латуні ЛН 63-2 показали, що ця залежність нелінійна; причиною зменшення електропровідності є подріблення зерна. Максимальне зменшення електропровідності на 1,2 % IACS спостерігається при ступеню деформації 50 %. Відпал при температурі в області 730 ⁰С забезпечує рекристалізацію структури, та відновлення значень питомої електропровідності. Цей факт має місце для випадку повністю однофазного стану сплавів. Експерименти показали, що при наявності в структурі залишків в-фази поведінка електропровідності становиться незакономірною і менш прогнозованою.

З метою апробації можливостей регулювання питомої електропровідності за рахунок додаткового легування була отримана експериментальна залежність питомої електропровідності латуні CuZn(28-x)Ni2Al(х) від концентрації алюмінію, яка свідчить про можливість регулювання функціональної характеристики.

В даному випадку для запобігання утворення в-фази враховували вплив алюмінію на ефективну концентрацію цинку з коефіцієнтом 6. Отримана таким чином латунь з питомою електропровідністю в області 19 % IACS, що відповідає складу CuZn27Ni2Al0,5 може бути рекомендована для виготовлення елементів жовтого кольору в композиційних монетах високих номіналів типа «біколор».

В четвертому розділі запропоновано склад перспективного монетного сплаву, вибрано легуючі елементи та встановлено їх вплив на електропровідність, розроблено технологічні режими одержання стрічки, досліджено фізико-механічні та корозійні властивості запропонованого сплаву, розроблено технологічно-конструкторську документацію на процес виготовлення монет.

В якості базової системи для розробки безнікелевого сплаву із заданою питомою електропровідністю було вибрано низьколегований томпак (полутомпак) жовтого кольору: CuZn(10ч15)Me. Вибір легуючих елементів в даному випадку обмежений - Ni, Al, Mn, Sn. Розрізи діаграм стану систем Cu-Zn-Al, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Mn за даними В. Г. Іванченка, Н. О. Бочвар та ін. показують, що збільшення концентрації цинку призводить до виклінювання області б-твердого розчину, особливо в системі Cu-Zn-Sn. Так розчинність олова при концентрації цинку 10 % ат. част. буде всього біля 2 % ат. част. при температурі 250 ⁰С.

Експериментальні дослідження структури та питомої електропровідності показали, що в потрійних системі Cu-Zn-Sn, та Cu-Zn-Al в реальних умовах неможливо досягнути заданого рівня питомої електропровідності, зберігаючи однофазну структуру. Марганець має значну розчинність в мідь-цинкових сплавах, легування марганцем дозволяє зменшити електропровідність сплавів до заданого рівня, причому концентраційна залежність питомої електропровідності близька до лінійної. Але існують технологічні труднощі використання марганцю (висока хімічна активність, низька енергія пароутворення), також наявність марганцю надає сплавам червонуватого кольору.

Подальші дослідження довели, що тільки комплексне легування алюмінієм, оловом, та марганцем дає можливість задовольнити всьому комплексу вимог до монетних сплавів. Так алюміній сприяє підвищенню корозійної стійкості в різних середовищах внаслідок утворення на поверхні щільної плівки сполук алюмінію; олово сприяє стійкості сплавів в атмосфері морської води, марганець виступає регулятором електропровідності і т. д.

Комплексне і економічне легування алюмінієм (~ 1 %), оловом (~ 1 %), марганцем (0,6 ч0,8 %) сплавів томпак і полутомпак дає можливість досягнути бажаний результат по рівню питомої електропровідності в області 18 % IACS. Було обрано сплав CuZn15Al1Sn1Mn(0,6ч0,8), який має кращий золотавий колір (марка ЛАОМц 82-1-1-1).

Дослідження технологічних властивостей обраного сплаву провели на всіх основних етапах виготовлення монетних заготівок: плавка та лиття смуг з перетином 20Ч80 мм, холодна прокатка до товщині 1,25 мм з трьома проміжними відпалами при 730⁰С, вирубування заготівок, накатка гурту, відпал для одержання ронделей з твердістю менше 90 HV_10/30, карбування монетоподібних жетонів.

Встановлено, що новий сплав має добрі технологічні властивості, що дозволяє досягти заданий рівень фізичних та фізико-механічних характеристик. Так залежність питомої електропровідності від ступеню деформації має типовий нелінійний характер, наступний рекристалізацій - ний відпал між операціями прокатки практично віднов - лює електропровідність сплаву, різниця у порівнянні з вихідним значенням становить (0,10 ч 0,15) % IACS, що в межах похибки вимірювань.

На операцію вирубування заготівок стрічки повинні подаватися у нагартованому (полутвердому) стані з метою запобігання утворення заусенців, Встановлено, що деформація стрічок на 20 ч 25 % при нагартуванні підвищує твердість до необхідного рівня 130 ч 150 HV_10/30. Наступне накатування гурту на заготівках підвищує твердість сплаву в зоні гурту до 160 ч 180 HV_10/30, тому перед карбуванням необхідно здійснювати фінішний відпал ронделів для надання їм однорідної твердості. Визначено економний режим фінішного відпалу при температурі 530 ч 550 ⁰С.Карбування монетовидних жетонів при відносно невеликому зусиллі пресу (40 тон) та швидкості карбування 500 штук за хвилину показало високу відтворюваність елементів зображення для всій експериментальній партії жетонів. Рельєфні зображення та написи були повністю відкарбованими без перетинів, рант жетону був рівномірним, без сколів та розривів.

Також в роботі було проведено дослідження фізико-механічних властивостей сплаву ЛАОМц 82-1-1-1 у порівнянні з алюмінієвою бронзою CuAl6Ni2 (вітчизняний аналог) та сплавом для євромонет - нордіксом CuZn5Al4Sn1, за методиками рекомендованими Всесвітньою Асоціацією Директорів Монетних дворів. Отримані результати приведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Фізико-механічні властивості сплаву ЛАОМц 82-1-1-1.

№ п/п	Параметри	Розмірність	Значення
1.	Щільність	г/см3	8,34
2.	Температура плавлення	0С	1020
3.	Міцність на розрив: - напівтвердий стан - м'який стан	ув, МПа	470 377
4.	Межа текучості: - напівтвердий стан - м'який стан	ут, МПа	385 330
5.	Відносне подовження - напівтвердий стан - м'який стан	д, %	26 60
6.	Твердість: - напівтвердий стан - м'який стан	HV 10/30	130 - 150 80-90
7.	Лінійна усадка	%	1,5
8.	Коефіцієнт лінійного розширення	б, 10-6 Ч град.	18
9.	Теплопровідність	Вт/м•К	112
10.	Електропровідність в м'якому стані	% IACS	17,8

Зносостійкість досліджувалася за методом втрати ваги при тривалому обертанні заготівок в пластиковому барабані. Всі три досліджених сплави мають високу зносостійкість одного рівня.

Дослідження корозійної стійкості показали, що новий сплав та алюмінієва бронза в лужному середовищі (імітація слини людини, рН9) мають низьку швидкість корозії, поверхня зразків практично не змінюється та зберігає металевий блиск при витримці більше 200 годин. Щодо експериментів проведених у кислому розчині, який імітував піт людини, то краща стійкість спостерігається для зразків з алюмінієвої бронзи. Нордікс та новий сплав мають відносно невелику втрату ваги - 4,0 мг/см² за проміжок часу 200 годин. В атмосфері парів морської води новий сплав показує добру стійкість у порівнянні з аналога ми.Ронделі та жетони з нового сплаву досліджувалися в Інституті екогігієни та токсикології Міністерства охорони здоров'я України, отримано позитивний висновок щодо можливості використання сплаву в монетному обігу.

Випробування можливості ідентифікації монет з нового сплаву в торгівельних автоматах та банківській техніці здійснювалася експертною установою Світової організації торгівлі через автомати - «National Rejectors Inc.» (Німеччина), з урахуванням міжнародних вимог. Отримано позитивний висновок, відзначається що новий сплав має питому електропровідність в бажаному інтервалі для монет середніх номіналів.

Висновки

1. На основі аналізу сплавів багатокомпонентної системи Cu-Zn-Al-Sn-Mn, комплексу експериментальних досліджень та випробувань по всьому технологічному циклу створений перспективний монетний сплав ЛАОМц 82-1-1-1 для монет середніх номіналів, який має питому електропровідність 17,8 % IACS, добру корозійну стійкість в контрольних середовищах. Сплав має яскравожовтий колір, придатний для карбування монет номіналом 10, 25, 50 копійок та 1 гривня.

2. Досліджено вплив легування сплавів на основі системи Cu - Zn (10 ч 15 %) алюмінієм (до 3 %), оловом (до 3 %), марганцем (до 2 %) на структуру сплавів та питому електропровідність. Встановлено, що необхідний рівень електропровідності (в інтервалі 17 ч 19 IACS) при однофазній структурі може бути досягнутий лише завдяки комплексному легуванню (Zn ~15 %, Al ~ 1 %, Sn ~ 1 %, Mn ~ 0,6 ч 0,8 %)

3. Досліджено вплив комплексного легування міді цинком, оловом, алюмінієм та марганцем на мікроструктуру литих сплавів в нерівноважних умовах кристалізації. Встановлено оптимальний для одержання однофазного стану режим охолодження зливків - вище 60 град/с.; вказаний режим забезпечується використанням технології безперервного (напівбезперервного) лиття зливків, або технології лиття в охолоджуваний кокіль.

4. Встановлено зміни питомої електропровідності при багатократних циклах прокатки та відпалу, встановлено, що рекристалізаційний відпал відновлює рівень питомої електропровідності прокату майже до рівня електропровідності сплаву в литому стані, зниження не перевищує 0,2% IACS, що дозволяє прогнозувати зміни функціональної характеристики, та отримати питому електропровідність в монетних заготівках в межах поля допусків (± 0,4 IACS).

5. Новий сплав технологічний, типові операції виготовлення з нього стрічок та монетних заготівок забезпечують одержання стабільних фізико-механічних властивостей та геометричних розмірів у відповідності до жорстких сучасних допусків. Зносостійкість сплаву висока, забезпечує термін перебування монет в обігу не менше 20 років.

6. Проведені корозійні дослідження монетних заготовок з нового сплаву в контрольних середовищах (модельний піт, модельна слина, атмосфера парів морської води) у порівнянні з аналогами - алюмінієвою бронзою та сплавом для євромонет - «нордікс» показали задовільну стійкість сплаву.

Встановлено, що на поверхні заготовок може утворюватися щільна плівка із сполук цинку та алюмінію, яка перешкоджає подальшому розвитку корозійних процесів.

7. Визначено режими пластичної деформації та термообробки при виготовленні стрічок, яки забезпечують постачання стрічок на операцію вирубування у нагартованому стані, та відповідне одержання твердості сплаву у межах 130-150 HV_10/30

Визначено економічний режим термічної обробки монетних заготівок після накатування гурту в інтервалі 530 - 550 ⁰С, який забезпечує повну рекристалізацію та однорідну твердість заготівок менше 90 HV_10/30, що сприяє якісному карбуванню та повному відтворенню деталей дизайну.

8. Проведені токсикологічні дослідження та отриманий позитивний висновок Інституту екогігієни та токсикології МОЗ України щодо можливості використання нового сплаву в грошовому обігу. Отримано позитивний висновок від «National Rejectors, Inc» - експертної організації Світової організації торгівлі через автомати, щодо можливості ідентифікації монет з нового сплаву в банківській техніці та в торгівельних автоматах.

9. Виготовлена партія стрічок та монетних заготівок, проведені технологічні випробування та контрольне карбування на Банкнотно-монетному дворі Національного банку України.

10. Новий сплав для монет середніх номіналів має економічні переваги у порівнянні з алюмінієвою бронзою, що зараз використовується для виготовлення вітчизняних монет. З врахуванням сучасної вартості металів новий сплав дешевше на 8-10 %, розрахункова економія від заміни для обсягів виробництва 2008 року становить 4 704 547грн.

сплав монета алюмінієвий бронза

Список опублікованих праць

1. Шуміхін В. С., Плітченко В. В. Сплави для монет високих номіналів//Металознавство та обробка металів, - 2004, -№ 1.- С. 51-57.

2. Верховлюк А. М., Шуміхін В. С., Плітченко В. В. Поверхневі дефекти виробів із сплавів на основі міді // Металознавство та обробка металів, - 2005, - № 3. С.50-54.

3. Шуміхін В. С., В. В. Плітченко, В. Л. Лахненко Фазовий склад легованих латуней у литому стані та після термообробки// Металознавство та обробка металів, - 2007, - №3. - С. 41-45.

4. Плитченко В. В., Шумихин В. С., Петрина Г. В. Удельная электропроводимость как функциональный параметр монетних сплавов// Металл и литье Украины, - 2007, - № 8. - С. 30-34.

5. Плітченко В. В., Науменко М. І. Вплив деформації на електропровідність та твердість багатокомпонентних сплавів на основі міді // Металознавство та обробка металів. - 2008, - № 1. - С. 59-63.

6. Шумихин В. С., Плитченко В.В., Апухтин В. В. Влияние примесей железа и марганца на электропроводность литых латунных заготівок // Процессы литья, - 2008, - № 2. - С. 62-64.

7. Плітченко В.В., Стародуб М. П., Сорокін Ю. В., Апухтін В. В. Про виготовлення прецизійних заготівок із латуні та бронзи// Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2008, - № 1. - С. 148-150.

8. Плитченко В. В., Науменко М. И., Апухтин В. В. Электропроводимость многокомпонентных сплавов на основе меди при деформации и термообработке. Тез. докл. международной конференции. - Киев. - 2007, - С. 44-45.

9. Плітченко В. В., Стародуб М. П. Окремі аспекти виготовлення прецизійних заготівок із латуні та бронзи // Тез. допов. міжнародній конференції. - Запоріжжя. - 2007, - С. 95-96.

Анотація

Плітченко В. В. Розробка економнолегованого багатокомпонентного сплаву на основі міді для монет середніх номіналів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 - металознавство та термічна обробка металів. Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ. -2008

Мета роботи - дослідження структури, фізичних та фізико-механічних властивостей економнолегованих сплавів на основі системи Cu-Zn в залежності від хімічного складу, технологічних режимів плавки, прокатки, термічної обробки, та створення сплаву жовтого кольору для вітчизняних монет середніх номіналів з питомою електропровідністю на рівні 17 ч 19 % IACS та експлуатаційними властивостями відповідно до вимог, що висуваються до монетних сплавів з боку Світової організації торгівлі через автомати, та Всесвітньої Асоціації Директорів Монетних дворів.

В роботі отримані експериментальні дані та сукупність залежностей щодо комплексного впливу хімічного складу та технологічних факторів на структуру, фізико-механічні властивості, зносостійкість, корозійну стійкість сплавів на основі системи Cu-Zn-Sn-Al-Mn на всіх етапах виготовлення сплавів, стрічок, ронделей та монет. Функціональну характеристику - питому електропровідність - досліджували послідовно на трьох, чотирьох та п'ятикомпонентних сплавах.

Визначено параметри легуючого комплексу, який забезпечує однофазний стан сплавів у зливках, після прокатки та термічної обробки; обґрунтовано співвідношення компонентів та граничні концентрації домішок, що стабілізують питому електропровідність в межах 17,8 ± 0,4 % IACS.

Виготовлена партія стрічок та монетних заготівок з нового сплаву, проведене контрольне карбування на Банкнотно-монетному дворі Національного банку України. Спеціальні дослідження експертних установ Міністерства охорони здоров'я України та Світової організації торгівлі через автомати підтвердили можливість використання нового сплаву в грошовому обігу та добру ідентифікацію в торгівельних автоматах.

Відмінність отриманих результатів від відомих полягає в тому, що функціональна характеристика - питома електропровідність сплаву - знаходиться в інтервалі, вільному від інших монетних сплавів, а склад багатокомпонентного сплаву та співвідношення компонентів забезпечують увесь необхідний комплекс властивостей, технологічність нового сплаву та стабільність питомої електропровідності.

Ключові слова: монетний сплав, мікроструктура, прокатка, термічна обробка, електропровідність, зносостійкість, корозійна стійкість.

Аннотация

Плитченко В. В. Разработка економнолегированного многокомпонентного сплава на основе меди для монет средних номиналов. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов. Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев. 2008

Цель работы - исследование структуры, физических и физико-механических свойств экономнолегированых сплавов на основе системыCu - Zn в зависимости от химического состава, технологических режимов плавки, прокатки, термической обработки, и создание сплава желтого цвета для отечественных монет средних номиналов с удельной электропроводностью на уровне 17 ч 19 IACS и эксплуатационными свойствами соответствующими требованиям, которые выдвигаются к монетным сплавам со стороны Мировой организации торговли через автоматы, и Всемирной Ассоциации Директоров Монетных дворов.

В работе получены экспериментальные данные и совокупность зависимостей относительно комплексного влияния химического состава и технологических факторов на структуру, физико-механические свойства, износостойкость, коррозионную стойкость сплавов на основе системы Cu-Zn-Sn-Al-Mn на всех этапах изготовления сплавов, лент, ронделей и монет. Функциональная характеристика - удельная электропроводность - исследована на трех, четырех и пятикомпонентных сплавах.

Удельная электропроводность, которая относится к структурно-чувствительным характеристикам сплавов, в настоящее время является основным параметром для идентификации монет в электронных устройствах банковской техники и торговых автоматов.

Определены параметры легирующего комплекса, который обеспечивает однофазное состояние сплавов в слитках, также после прокатки и термической обработки; обосновано соотношение компонентов и допустимые концентрации примесей, которые стабилизируют удельную электропроводность в пределах 17,8 ± 0,4 % IACS.

Установлено влияние технологических факторов на структурообразование в неравновесных условиях кристаллизации, определены режимы термической обработки, влияние степени деформации и отжига на структуру и физико-механические свойства.

Коррозионные испытания нового сплава в контрольных средах (модельный пот, модельная слюна, атмосфера паров морской воды), а также испытания на износостойкость нового сплава в сравнении с аналогами - алюминиевой бронзой и сплавом для евромонет («нордикс») показали удовлетворительные результаты.

Изготовлена партия лент и монетных заготівок из нового сплава, проведена контрольная чеканка на Банкнотно-монетном дворе Национального банка Украины. Специальные исследования экспертных учреждений Министерства здравоохранения Украины и Международной организации торговли через автомати подтвердили возможность использования нового сплава в денежном обращении и хорошую идентификацию в торговых автоматах.

Отличие полученных результатов от известных заключается в том, что функциональная характеристика - удельная электропроводность сплава - находится в интервале, свободном от других монетных сплавов, а состав многокомпонентного сплава и соотношения компонентов обеспечивают весь необходимый комплекс свойств и технологичность нового сплава.

Abstract

Plitchenko V. Development of the economically alloyed copper-based multicomponent alloy for coins of medium denominations. Manuscript.

The thesis on competition for scientific degree of the candidate of technical science in speciality 05.16.01. - material science and treatment of metals. Physical-technological institute of metals and alloys of the National academy of sciences of Ukraine. Kyiv. 2008.

The objective of the thesis is research of structure, physical and mechanical properties of alloys on basis of Cu - Zn system depending on chemical composition, technological modes of melting, rolling, heat treatment, and development of a specific coinage alloy which could meet modern international requirements to the national coins and having a bright yellow color at the same time.

Within the work obtained were observational data and combination of relationships regarding the composite influence of the alloy chemistry and processing factors onto the structure, physical and mechanical properties, wear resistance and corrosion resistance of the alloy based on Cu-Zn-Sn-Al-Mn system at all stages of the alloy, strip, blank and coin production. The functional specification - specific electrical conductivity - was investigated serially on three, four and five-component alloys of this system.

Determined were the values of alloy complex that assures a single-phase condition in billets after rolling and heat treatment. Specified was the correlation of elements and critical additive ratio which stabilizes the specific electrical conductivity within the range of 17,8 ± 0,4% IACS.

Manufactured was a batch of strips and coin blanks out of the new alloy and a test coin striking was carried out at the Banknote Printing and Minting Works of the National Bank of Ukraine. Special technical studies of the expert institutions of the Ministry of Health of Ukraine and the Worldwide Vending Organization confirmed the workability of the new alloy in money circulation and its good identification in vending machines.

The received findings differ from the known ones in the fact that functional specification, i.e. specific electrical conductivity of the alloy lies within the interval free from other coinage alloys, and the multicomponent chemistry and correlation of elements assure all the required complex of properties, manufacturability of the new alloy and stability of the electrical conductivity.

Keywords: coinage alloy, microstructure, rolling, heat treatment, electrical conductivity, wear resistance, corrosion resistance.

Размещено на Allbest.ru