CC BY
71
ПРО ВИГОТОВЛЕННЯ ПРЕЦИЗ1ЙНИХ ЗАГОТОВОК 13 ЛАТУН1
ТА БРОНЗИ
На сьогоднiшнiй час масове виробництво монет переважно використовуе мiдь у виглядi cnnaBiB, осшльки вони бiльш мiцнi: ав = 300-600 МПа у сплавах i 250-290 МПа у технiчно чистш мiдi. Вироби 3i сплавiв на основi мiдi мають рiзноманiтнi вщпнки кольорiв благородного вигляду (бiлий, золотисто-жовтий, золотисто-червоний, черво-ний).
Основними сплавами на основi мiдi, що використовуються для виготовлення монет, е латуш (ЛН63-2 i ЛМц58-2), алюмiнieва бронза (CuAI6Ni2), нейзильбер (МНЦ15-20), мельхiор (CuNi25) та «Nordic Gold» (нордекс, CuA15Zn5Sn1).
Завданням цього дослiдження е порiвняльна характеристика латуней та алюмшево! бронзи з метою виготовлення монет та !х експлуатацшш властивостi. Для цього необхвдно розглянути, як впливають на властивосп сплавiв на основi мiдi iншi компоненти та домшки.
Мiдно-цинковi сплави. Латунi
За хiмiчним складом розрiзняють латунi простi та складш, а за структурою - однофазш та двофазнi. Простi латуш - це сплави мiдi, леговаш цинком (до 50 %). Однофазш прост латунi мають високу пластичшсть; вона найбiльша у латунях з 30-32 % цинку (латуш Л70, Л67). Латуш з низьким вмютом цинку (томпаки (3-12 %) та полутомпаки (14-21 %) поступаються латуням Л68 i Л70 у пластичносп, але перевищують !х в електро- та тепло-провiдностi. Мiцнiсть простих латуней складае 250-350 МПа при однофазнш структурi i 400-450 МПа при дво-фазнiй. Мiцнiсть однофазно! латуш може бути значно шдвищена холодною пластичною деформащею. Цi латуш мають достатню корозiйну стiйкiсть в атмосферi води i пари при умовi зняття напружень, що створюються при холоднш деформацп.
Двофазнi просп латунi мають добрi карбувальнi властивосп (але головним чином при на^ванш). Пластичнiсть !х нижча, шж однофазних латуней, а мiцнiсть та зносостшшсть вищi через вплив бшьш твердих частинок друго! фази (границя мiцностi сягае 450 МПа). При вмюп цинку до 20 % вони стшш до атмосферно! корозп, при бiльш високому вмiстi цинку схильш до корозiйного розтрiскування.
Двофазш латунi легують алюмiнiем, залiзом, шкелем, оловом, марганцем, свинцем та шшими елементами. Багатокомпонентнi латунi вiдзначаються шдвищеною мiцнiстю (до 650 МПа) i корозiйною стiйкiстю, але мають нижчу пластичнiсть. Свинець полегшуе обробку рiзанням i покращуе антифрикцiйнi властивостi. Ошр корозп пiдвищують алюмiнiй, цинк, олово, кремнш, марганець та нiкель. Так олов'яна латунь (адмiралтейська або морсь-ка латунь), що вмiщуе 1,0-1,5 % олова та алюмшева латунь (0,4-2,5 % алюмшш), що за кольором нагадуе золото i застосовуеться для виготовлення вiдзнак та ювелiрних виробiв), стiйкi до морсько! води. Шкелева латунь (2,0-6,0 % шкелю) стiйка у морськ1й водi, неокислювальних кислотах (солянiй, сiрчанiй, фосфорнiй) та розчинах !х солей.
Алюмiнieвi бронзи
Алюмiнiевi бронзи (однофазнi та двохфазш) все бiльш широко замiняють латуш. Однофазш бронзи в груш мшних сплавiв мають найбiльшу пластичнiсть, (подовження (5) становить до 60 %), але невелику мiцнiсть, тому !х використовують для штамповки iз значною деформацiею (глибока витяжка). Шсля сильно! холодно! пластично! деформацi! досягаються пiдвищенi мiцнiсть та пружнiсть. Двофазш бронзи шддають гарячiй деформацi!, застосо-вують як фасонне лиття. Ливарш властивост1 даних сплавiв полiпшуються введенням у !хнiй склад невелико! юлькосп фосфору. Двофазнi алюмiнiевi бронзи мають бшьш високу мщшсть, нiж латуш та олов'яш бронзи. У складних алюмiнiевих бронзах, що вмiщують шкель, марганець, залiзо, мiцнiсть складае 550-600 МПа. Залiзо робить зерно дрiбнiшим i пiдвищуе механiчнi та антифрикцшш властивостi алюмiнiевих бронз. Нiкель полшшуе механiчнi вла-стивостi, зносостiйкiсть та ошр корозп. Ва алюмiнiевi бронзи стiйки проти корозi! у морськш водi та у вологш тропiчнiй атмосферi.
Корозiйнi властивостi смлав1в
За умовами експлуатацi! монети схильнi до таких видiв корозi!:
- вибiрковiй, при як1й руйнуеться одна складова сплаву або один компонент сплаву (наприклад, обезцинкування латуней);
- плямами, у виглядi окремих пошкоджень (наприклад, корозiя латунi у морськш вод^;
- корозiйного розтрiскування, коли корозiя сплаву проходить при одночасному впливi корозiйного середовища та зовшшшх або внутрiшнiх механiчних напружень розтягування з утворенням транскристалiчних або мiжкрис-талiчних трiщин (так зване сезонне розтрiскування холоднодеформованих а- та р- латуней, як1 вмiшують бiльше 8-10 % цинку, при корозп в атмосфер^.
НАУКОВО-ТЕХН1ЧНА 1НФОРМАЦ1Я
При корозiйному розтрюкуванш HapiBHi з елекгрохiмiчним мехашзмом цього виду корозп мае велике значения конкуренщя депасивацп га пасивацп noBepxHi сплаву, що локалiзуегься на концентраторах мехашчних напружень. З метою знятгя цих напружень, в деформованих прокаткою монегних заготовках, ix вщпалюють. З шшого боку, одним з мегодiв захисту вiд корозiйного розгрiскування е створення у поверхневому шарi металу напружень стис-кання, наприклад, шляхом обробки металу дробом, обкатки роликом або карбуванням (у випадку монет).
Отже, якщо монети, вигоговленi з мщних сплавiв, вiдносно заxищенi вiд корозшного розгрiскування, то вибiр-кова корозiя, в тому числi плямами, залишаеться актуальною при експлуатацп монет.
Вплив компонент сплаву та легувальних домшок на експлуатацiйнi характеристики монет
Ва метали за залежнiстю швидкостi корозп вщ кислотносп (лужностi) - рН середовища можна розбити на п'ять груп. Компоненти сплавiв на основi мiдi вiдносяться до таких груп:
Марганець - метал малостшкий у кислих, недостатньо стшкий в нейтральних i корозшностшкий в лужних середовищах, стшюсть обумовлена захисною пдроокисною плiвкою, розчинною у кислотах та малорозчинною в лужних розчинах.
Шкель, кобальт - нестшю в кислих, але корозшностшю в лужних середовищах завдяки високим захисним властивостям окисних i гiдроокисниx плiвок, утворюваних за реакцiею:
Ni + m H2O [NiOH)m] m (адс) + тН+(водн);
[Ni(OH)m]m адс [№(ОН)т]т(водн.) +ne.
Алюмiнiй та олово - корозшностшш в нейтральних розчинах, але нестшш як у кислих, так i лужних середовищах, що обумовлено амфотерними властивостями ix захисних окисних i пдроокисних плiвок, розчинних в кислотах та лугах, наприклад:
Zn(OH)2 + 2НС1 = Zn2+ + 2С12- + 2Н2О
H2ZnO2 + 2NaОH = 2Na+ + Zn022- + 2Н2О
Якщо в сухому повiтрi цинк дуже стiйкий, то при взаемодп з вологою (прiсна вода) сплав покриваеться бшою плiвкою карбонатних i оксидних сполук, що захищають цинк ввд подальшого руйнування. Цинк легко реагуе з сiрководнем та арчистими сполуками. Стандартний потенцiал цинку дорiвнюе - 0,76 еВ.
Значення рН, що вщповщають мiнiмальнiй швидкостi корозп металiв при 25 °С е характерною величиною для кожного з них:
A1 (рН 7); п(рН 9); Zn (рН 10); Си (рН 11).
Проте, юнуе цша область значень рН, у якш вплив рН на корозш металу незначний. Для мщ це область рН 511; цинку 4-10. Значения рН штучного поту (4,7) як раз знаходиться в цих штервалах для мщ та цинку. Це явище пояснюеться тим, що важкорозчинш продукта корозп кожного з цих металiв встановлюють певне значения рН розчину (середовища) у поверхш метала i корозiя проходить практично при одному й тому ж значенш рН.
Товщина плiвок продуктiв корозп' на металах змiнюеться в таких границях:
1) тоню (невидим^, товщина яких складае вiд десятих часток до 40 нм;
2) середш (перебiг кольорiв) - вiд 40 до 500 нм;
3) товсп (видимi) - бшьше 500 нм.
Структура багатошарових товстих плiвок мае складну будову. Так, наприклад, для мщ вона може мати чотири шари: Cu/Cu2O/CuO/O2, а для марганцю - п'ять: /Mn/MnO/Mn3O4/Mn2O3/O2. Товщина кожного шару, що важливо для захисно! функцп плiвки в цiлому, залежить вiд рiзницi xiмiчниx потенцiалiв на його мiжфазниx границях, дифузшно! провiдностi та терм^ окислення металу. Вiдносна товщина когерентних шарiв не залежить вiд часу, тобто: h1:h2:h3 = const = fr), що пiдтверджуеться експериментально.
Але, якщо це справедливо для металiв, то для сплавiв треба розглядати корозiйну поведiнку металiв -компо-ненпв сплаву у ix взаемодп.
Характер змши швидкостi корозп' основного металу - мщ при його легуванш iншим металом (алюмiнiем, цинком, шкелем, марганцем) залежить вiд характеру дефектносп структури окислу цього металу i валентностi його iонiв. Особливо ефективно легування мiдi металами з бшьш високим ступенем окислення: алюмiнiем i марганцем, як1 уповiльнюють рют захисних плiвок, заповнюючи дефектнi мюця у вузлах решiтки корозiйного шару, зменшуючи таким чином, дифузiйнi процеси у плiвцi. Такий же вплив на рют оксидно! плiвки вщграе той фактор, що iоннi радiуси алюмiнiю i марганцю меншi або близью до юнного радiусу мщ. Це ж поширюеться i на шкель. У той же час, юнний радiус цинку перевищуе юнний радiус мiдi i може тшьки прискорювати рiст окисно! дифузiйноl плiвки на мiдному сплавi. Захисна дiя цинку може полягати тiльки в утворенш суцiльноl захисно! плiвки. Але при
ISSN 1607-6885 Hüei матер1али i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2008
149
шдвищенш температури до 50 °С швидшсть Kopo3ii' цинку pi3KO зростае i досягае максимального значения при 6570 °С. Як показано дослщженнями, наявнiсть максимуму пов'язана з утворенням не суцшьно!, а зернисто! raiBra, яка механiчно легко видаляеться, що у випадку з монетами призводить до втрати !х експлуатацiйних властивостей.
Як вщомо, при досягненнi в сплавi вмiсту атомiв якого-небудь металу деяко! iндивiдуально! (властиво!) для кожного металу величини, захисна плiвка на поверхш сплаву зростае саме завдяки цьому металу. Це пояснюеться тим, що з ростом товщини захисно! плiвки дифузiйний потiк одного з металiв стае меншим, нiж потж другого металу, що створюе захисну плiвку. Тобто можна одержати ефективну захисну плiвку на сплавi, додаючи до нього досить невелику шльшсть металу, що створюе захисну плiвку. Так, наприклад, використання алюмiнiю з метою створення захисно! плiвки обумовлено тим, що вмiст алюмiнiю в сплавi бiльше нiж 6 % приводить до того, що на поверхш створюеться захисна плiвка з оксидiв алюмшш. Це особливо добре видно при термокорозп сплавiв за-лiза з алюмшем. При вмюп алюмшш до 6 % щ сплави дають оксиди чорного кольору, подiбно оксиду на чистому залiзi, а на сплавах мiдi з 14 % алюмшш створюеться плiвка оксидiв бiлого кольору, що мае висок захиснi власти-востi i е оксидом Al2O3.
Сплави мвд з алюмiнiем при концентрацп алюмшш, що перевищуе 3% вже утворюють захисний оксид - А12О3.
Вщповщно до монетних матерiалiв цi закожтрносп ускладнюються специфiчним сумарним корозiйним та мехашчним впливом при експлуатацп монет. Дшсно, введенням в мiднi сплави 6 % алюмшш, особливо в комбi -наци з елементами, що шдсилюють зносостшшсть сплавiв (шкель, марганець), досягаеться захист сплаву як ввд впливу хiмiчних корозiйних агеппв, так i вiд механiчно! дп. Захисна дiя цинку в монетному мщному сплавi також потребуе збшьшення стiйкостi до механiчного впливу шляхом введения шкелю або марганцю (наприклад, латунь ЛН63-2 з 35 % цинку i 2 % шкелю, латунь ЛМц58-2 з 37 % цинку i 2 % марганцю, нейзильбер МНЦ15-20 з 20 % цинку та 15 % шкелю).
Великий вмют цинку в сплавi (ввд 20 до 40 %) повинен був би достатньо надшно захищати латуш вiд корозп, i вони могли бути щеальним матерiалом для виготовлення монет. Але практика показуе, що латуннi монети швидко тьмянiють, стираеться мотив i корозiя плямами практично робить монети непридатними до експлуатацп. Латунь використовуеться для карбування монет в дешлькох кра!нах завдяки !! низьк1й вартосп. Латунь мае хорошi показ-ники плинностi, якщо вмiст цинку не перевищуе 30 %). Вище цього рiвия латунь стае крихкою. Зносостшшсть латуней вважаеться поганою не тому, що сплав м'який, а тому що цинк у сплавi втрачае сво! властивосп (дегра-дуе). Взагал^ коли необхiдна висока пластичнiсть i важлива вiдсутнiсть схильностi до корозшного розтрiскувания, застосовують a-латунi з високим вмiстом мiдi (Л96 та Л90). Латуш Л62, Л60, Л59 (а + ß'-латуш) з бшьшим вмютом цинку мають бiльш високу мщшсть, краще обробляються рiзаниям, е бшьш дешевим, але мають при цьому низьку корозiйну стiйкiсть. Як показала практика, латунш монети (Л63-2) дуже погано зберiгаються у мiшках з тканини.
Найбiльшу пластичнiсть мають а -латуш, як частiше використовують для виготовлення виробiв штампуван-ням.
На основi цих даних розробленi новi сплави з необхiдними технологiчними та експлуатацшними властивостя-ми для виготовлення монет. Наприклад, щкаве спiввiдношения захисних якостей алюмшш та цинку використано у сплавi «№г&с Gоld» (CuAl5Zn5Sn1), де частина необхiдного для захисту сплаву алюмiнiю замiнено на 5 % цинку. Сумарна !х шльшсть у сплавi складае 10 %, що забезпечуе необхiдний захист вщ короз^'.
Латунь (ЛМц58-2), з яко! було виготовлено монети СРСР жовтого кольору (2 та 5 коп.), маючи непогаш ме-хашчш властивостi, у процесi експлуатац^! не збертала задовiльний вигляд.
Таким чином, експериментально встановлеш змiни елекгропровiдностi при виготовленш металопродукц^' з легованих спещальних латуней. Показано, що рекристалiзацiйний вщпал практично вiдновлюе елекгропровiднiсть сплавiв до вихщних значень у литому сташ, к1нцева рiзниця мiж значеннями вихщного i вiдпаленого зразк1в стано-вить 0,2-0,3 % 1АС8. Вимiрювания електропровщносп латуней у зливках може слугувати характеристикою для контролю вiдповiдностi сплавiв вимогам технiчних умов з врахуванням встановлено! вище рiзницi.
Перелiк посилань
1. Тихонов Б. С. Тяжелые цветные металлы и сплавы: Справ. - М.: ЦНИИЭИцветмет, 1999. - 452 с.
© 2008 В. В. Пл^ченко1, д-р техн. наук М. П. Стародуб1, канд. техн. наук Ю. В. Сороюн1, В. В. Апухпн2
1 Банкнотно-монетний дв1р Нацюнального банку УкраТни, 2 Ф1з1ко-технолопчний 1нститут метал1в та сплав1в НАН УкраТни;
м. КиТв
