Zvyšovanie životnosti razidel mincí

Skôr ako sa budeme venovať samotnej aplikácii PVD povlakov na vyhotovené razidlá mincí, je nutné sa v stručnosti dotknúť technológie výroby mince, ktorá zostala od dôb rímskeho impéria až do začiatku nášho veku v podstate nemenná. Od čias svojho vzniku (cca 650 rokov pred naším letopočtom) až do polovice 18. storočia musela minca spĺňať zásadnú podmienku: aby mohla byť meradlom cien, musela sama predstavovať určitú hodnotu. Zárukou tejto tzv. vnútornej hodnoty mince bol drahý kov, ktorý obsahovala. U dnešných kreditných platidiel túto záruku supluje autorita štátu alebo banky, ktorá mincu, bankovku či štátovku vydala. Výroba v mincovni bola rozdelená do dvoch etáp: v prvej etape došlo k spracovaniu mincového kovu do podoby tzv. platničiek (kotúčikov kovu) a v druhej etape – k razeniu mincí. Razba je tvárniaci proces, prostredníctvom ktorého dochádza k prenosu negatívneho obrazu z reliéfu razidiel na mincu, medailu či iný predmet [1]. Nástroj, razidlo, je v prevádzkových podmienkach namáhané lisovacı́m tlakom 200–1 500 kN s frekvenciou razenia až 750 zdvihov za minutu, čo je vysoká kadencia s požiadavkou na čo najvyššiu produkciu vyrobených mincí za najkratší čas. Pri výrobe platničiek pre razbu obehových mincı́ je potrebné dodržať nasledovné požiadavky [2]: presné chemické zloženie materiálu, presnú hmotnosť, okrajkovanie podľa požiadaviek zákazníka, optimálnu tvrdosť a povrchovú úpravu. Kvalita nástrojov je primárne ovplyvnená už voľbou materiálu, použitou výrobnou technológiou, tepelným spracovaním a  finálnymi operáciami úpravy funkčných plôch. Tieto faktory ovplyvňujú spoľahlivosť, vyjadrenú životnosťou – počtom vyrazených mincí na jedno razidlo. Životnosť jedného razidla je od stotisíc do milióna kusov vyrobených mincí, a preto je potrebné jej venovať veľkú pozornosť, aby sa zvyšovala efektívnosť výroby a znížila environmentálna záťaž podniku [3]. Po vzniku Slovenskej republiky sa 23. január 1993 stal dňom zrodu nových slovenských mincí. Koncom roka 2008 sa v Mincovni Kremnica š.p. razili aj nové slovenské euro mince. Tie už boli vyrobené v novej modernej raziarni, ktorá vznikla generálnou rekonštrukciou výrobných priestorov v pôvodnej budove v historickom centre Kremnice [2].

Razidla na výrobu mincí boli vyrobené z vysoko kvalitnej nástrojovej ocele K455 Böhler (C 0,63 %, Mn 0,3 %, Si 0,6 %, Cr 1,1 %, V 0,18 % a W 2 %) a na analýzu sa použili z bezpečnostných dôvodov len ich vybrané časti. Tepelné spracovanie spočívalo v kalení a popustení na tvrdosť 58–60 HRC. Boli dodané tri vzorky s tromi druhmi povlakov aplikovanými dvoma metódami: povlaky CrN a WC/C oblúkovým naparovaním fy Oerlikon Balzers pri 200 °C a TiCrN magnetrónovým naprašovaním od firmy Staton pri teplote 200 °C. Na analyzovanie predmetných materiálov sme použili nasledovné metódy:
1. stanovenie hrúbky povlakov CrN, TiCrN a multi povlaku WC/C na vzorkách razidiel metódou Kalotest;
2. hodnotenie mikroštruktúry a chemického zloženia aplikovaných povlakov;
3. vybrané mechanické vlastnosti – dynamická nanotvrdosť, adhézia – indentačný Rockwell test, životnosť.

Hrúbku povlaku je možné vyhodnocovať viacerými spôsobmi, ale najjednoduchšou a najdostupnejšou je Kalotest. Oceľová guľôčka známeho priemeru pod určitým uhlom a svojou vlastnou hmotnosťou, t.j. s konštantným zaťažením sa „odvaľuje“po povrchu vzorky. Pridaním abrazívnej substancie – v našom prípade suspenzia spinelin so zrnitosťou 0,5–1,0 µm –do kontaktnej zóny sa vybrúsil na vzorke guľový vrchlík (tzv. stopa = kalota), ktorý sa na priemete javí ako medzikružie. Vytvorená kalota sa vyhodnotila mikroskopicky zmeraním priemerov. Povrchy všetkých troch vzoriek (razidiel) neboli hladké, obsahovali znaky konkrétnych mincí. Bolo nutné umiestniť guľôčku len na plôšku, ktorá nebola ovplyvnená znakmi, čo v našom prípade bolo problematické, pretože vyryté znaky prekážali v pohybe guľôčky. Na vzorkách sa realizovalo viac kalot, vyhodnocovali sme tie najvhodnejšie a stanovili hrúbku povlakov. Na obr. 1 je ilustrovaný princíp umiestnenia vzorky na pracovný stolík a guľôčka pohybujúca sa po povrchu vzorky a na obr. 2 ilustrované meranie hrúbky na monitore PC. V tab. 1 sú namerané hodnoty hrúbok jednotlivých povlakov a obr. 3 ilustruje metódu výpočtu. V prípade multi povlaku WC/C sú uvedené hrúbky každej z vrstiev – t1, t2 a  t 3 –, z ktorých predmetný povlak bol vytvorený.

Tab. 1. Namerané hrúbky povlakov
Povlak Hrúbka [µm]
CrN 2,80–2,90
TiCrN 1,09–1,76
WC/C
(3-vrstvový povlak) 4,55–5,33* t1 = 2,37–2,66
t2 = 0,52–0,70
t3 = 1,66–1,97
* priemer troch vrstiev; t1 až t3 – jednotlivé vrstvy)

Na vzorkách bola dokumentovaná mikroštruktúra povrchu jednotlivých povlakov rastrovacím elektrónovým mikroskopom (REM), obr. 4a-c. Najjemnejšou morfológiou disponoval povlak TiCrN a najhrubšou povlak WC/C, kde sú na povrchu početné karbidické častice WC s veľkosťou až 3 µm. Rastrovacím elektrónovým mikroskopom (REM) sa EDS-analýzou stanovila distribúcia prvkov v systémoch povlak – podklad na priečnych rezoch v stave leštenom a naleptanom.

Obr. 5 a-f. Priečny náhľad systémami povlak – podklad a EDS-analýza distribúcie prvkov: a-d = CrN; b-e = TiCrN; c-f = WC/C; Pro zvětšení klikněte na obrázky

Distribúcia prvkov od povrchu smerom ku podkladu je určená intenzitou signálu. U povlaku CrN je rovnomerne rozložený Cr a N a čiastočne oxidická vrstva. U povlaku TiCrN dominuje N a Ti potom nasleduje Cr vo väzbe s kyslíkom (O). Horná časť multi povlaku WC/C disponuje prvkami W a C, pod touto vrstvou tieto prvky absentujú a spodná vrstva obsahuje len oxidy nitridu. Na hornej vrstve sú taktiež zreteľné mohutné karbidické častice. Z obrázkov priečneho rezu je možné vyhodnotiť aj veľmi dobrú adhéziu povlakov ku podkladu, bez trhlín a porušenia a taktiež rovnomernú hrúbku aplikovaných povlakov.

Z vysokého zaťaženia razidiel pri prevádzke (cca 750 rázov za minútu) vyplývajú prísne požiadavky na kvalitu materiálov a technologických postupov ich výroby. Aby bola dosiahnutá požadovaná životnosť razidiel, je nutné kontrolovať kvalitu materiálu dostupnými metódami a zavádzať nové materiály modernými technológiami zabezpečujúcimi vysokú čistotu a homogenitu. Na vzorkách sa realizovalo meranie tvrdosti HV pri zaťažení 0,5 N, ale na razidle s povlakom WC/C nebol identifikovateľný vtlačok pre drsnú morfológiu vrstvy. Preto sa zvolilo meranie nanotvrdosti, ktoré poskytuje menšiu plochu medzi makročasticami na testovanie. Nanotvrdosť HV sa realizovala pri dynamickom zaťažovaní do 20 mN a priemerné hodnoty jednotlivých povlakov sú uvedené v tab. 2. Na hodnotenie adhéznych vlastnosti povlakov voči podkladu sme uskutočnili jednoduchý indentačný Rockwellov test pri zaťažení 1 500 N. Podľa vzhľadu vtlačkov a porušenia v ich okolí (obr. 6) boli povlakom priradené stupne HF, metóda uvedená v prácach [4]. Na životnosť sa nerealizovali žiadne simulačné skúšky, ale razidlá sa priamo použili v prevádzke, čiže sa priamo nasadili do „ostrej výroby“ a merala sa počtom vyrazených kusov mincí, čo je najlepšia skúška životnosti – uvedené v tab. 2.

Tab. 2. Priemerné hodnoty vybraných mechanických vlastností razidiel mincí
Povlak Dynamická nanotvrdosť [GPa] Adhézia – stupeň HF Životnosť razidiel
v ks mincí
CrN 14,06 HF 2/3 50 060
TiCrN 30,70 HF 1/2 183 751
WC/C 12,38 HF5 28 659

Analýzami a vyhodnotením dát zo vzoriek razidiel mincí sme získali výsledky, ktoré poslúžia ako základ pre výskum povlakovania razidiel pri rôznych metódach povlakovania. Meraním mikrotvrdosti povlakov sme dosiahli neuspokojivé výsledky z dôvodu nevhodnej drsnosti povrchu. Razidlo s povlakom WC/C bolo nutné po povlakovaní leštiť na nižšiu drsnosť, aby sa dosiahla pri razení požadovaná drsnosť mince. Nástroje s povlakmi TiCrN a CrN mali vhodnú drsnosť bez úpravy po aplikácii. Z dokumentovaných povrchov povlakov typ TiCrN disponoval najjemnejšou morfológiou, t.j. drsnosťou, najvyššou tvrdosťou – 30,70 – GPa a výbornými adhéznymi vlastnosťami hodnotenými stupňom HF1. Razidlo s aplikovaným povlakom TiCrN dosiahlo aj pri testovaní životnosti v prevádzke v „ostrej výrobe“ 183 751 ks vyrazených mincí, čo je 3,6- až 6,5-násobne viac ako razidlá s povlakmi CrN a WC/C. Tieto hodnoty boli porovnávané so životnosťou chrómovaných razidiel, ktoré pri razení rovnakého druhu mincí dosahujú životnosť cca 20 000 ks mincí na jedno razidlo. V závere môžeme zhodnotiť, že všetky testované povlaky prispeli ku zvýšeniu životnosti razidiel, pretože presiahli životnosť „etalónového“ razidla s chrómovanou vrstvou. Zvýšenie životnosti prinesie pre Mincovňu Kremnica. š.p. lepšie konkurenčné postavenie na trhu a bude jednou z možností znižovania nákladov na výrobu nástrojov.

Ing. Dagmar Jakubéczyová, CSc., Ing. Tomáš Hanes, Doc. Ing. Daniela Kalincová, PhD.

Seznam použité literatúry dohledáte v internetové podobě článku na www.mmspektrum.com po zadání kódu 141152 do políčka formuláře se symbolem QR kódu.

POUŽITÁ LITERATÚRA

[1] //numismatic.sweb.cz/technika.htm
[2] R. Kaštan, D. Kalincová, T. Hanes: Technologické aspekty výroby obehových mincí. Aluminium a neželezné kovy 3013, 8. mezinárodní konference, Bystřice nad Pernštejnem, 22.–24. 10. 2013. 1 s. Ústí nad Labem : Univerzita J. E. Purkyně, 2013.
[3] D. Kalincová, R. Kaštan: Zvyšovanie životnosti reliéfu razidiel chrómovaním, Acta facultatis technicae, XVI, 2011 (2), s. 57–64.
[4] //www.ateam.zcu.cz/reference.html

Prezentované experimentálne výsledky sú súčasťou riešenia národného projektu VEGA 2/0061/14.