造币材料的典型优势
Mr.Suk-youngKang
Poongsan集团Onsan工厂副总经理
本文，将通过对世界上现行流通的各种造币金属材料的试验数据进行分析研究，力图为造币厂长会议各成员探寻最理想的材料标准。
2.先前的工作
本文阐述的造币材料的作用和典型特征的探索性研究，与2004年3月旧金山造币厂长会议上发表的论文《造币材料的典型优势》密切相关。
为了开展这项研究，我们收集了当今世界流通的16种硬币的坯饼样品，比较它们每一种合金的典型性能，并进行了压印试验，而不是像以前的论文那样采用有限元素分析的方法进行论证。具有相同或近似规格尺寸的铜合金坯饼样品由Poongsan公司生产；相同或近似规格尺寸的电镀坯饼由英国皇家造币厂、加拿大皇家造币厂和Jarden锌制品有限公司等造币厂长会议成员协作生产。
在硬币坯饼典型性能的对比试验中，Poongsan公司负责进行物理和化学试验，压印试验由韩国造币和证券印刷有限公司（KOMSCO）协作进行。
3.目的
造币材料，可以有许多不同的合金使用。用于造币坯饼的每一种材料的物理和化学性能对银行和造币厂选择适合的造币材料扮演关键性的角色。在这点上，Poongsan公司已经对16种不同材料的规律作了系统测试（见表1）。所收集的样品由不同的公司和造币厂铸造，硬币的尺寸是不相同的。本论文的目的主要表现在以下方面：
1）评估不同造币材料的物理性能，包括压印性能。
2）为造币材料的选择提供所需的材料特征。
表1.测试材料
样品号 材料 直径（mm） 厚度（mm） 制造商 1 Al 24.72 1.81 P 2 Ti 24.73 1.52 " 3 CuZn35 24.71 1.56 " 4 CuNi16 24.72 1.55 B 5 CuNi25 24.70 1.56 P 6 CuNi5Zn20 24.73 1.56 " 7 CuNi12Zn18 24.71 1.55 " 8 CuAl6Ni2 24.70 1.55 " 9 Cu89Zn5Al5Sn1 24.72 1.56 " 10 STS430 24.70 1.49 " 11 STS304 24.77 1.52 " 12 包覆材料(CN/Ni/CN) 24.72 2.08 " 13 NPS-C(Multi) 24.99 1.56 R 14 CPS-B 24.71 1.55 B 15 NPS-B 24.72 1.54 " 16 CPZ-U 24.71 1.32 J （译注：制造商P代表Poongsan公司（韩国釜山公司），B代表英国皇家造币厂，R代表加拿大皇家造币厂，J代表Jarden锌制品有限公司。）
4.测试内容
我们对样品进行了5项物理和化学性能的试验。
4.1.电导率
我们使用SigmaTesterD型电导率测量仪测试样品的电导率，检测频率为120kHz。
4.2.硬度
维氏硬度检测，负载为30kg。
4.3.磁矩
我们使用EF-5型电子式磁通量计测试了16种样品的磁矩，磁场强度为115mT。
4.4.耐腐蚀性能
试验条件如下：
a) 人工汗液浸渍试验
-试验方法:氯化钠20gr./?，NH4Cl17.5gr./?，丁酸5gr./?，乳酸15gr./?，乙酸2.5gr./?,尿素5gr./?
-观察方法:肉眼观察（放大倍率为10×）
-观察周期:24小时,72小时
b) 盐雾试验
-试验条件:NaCl5%，35℃，pH7.2
-温度范围:室温～50℃
-气压:0.7～1.5bar
-观察周期:12小时,24小时，用数码相机记录
4.5.耐磨性能
试验方法
- 硬币坯饼和抛光陶瓷介质一同放入一个旋转桶内。
- 通过测量10～100小时（间隔为10小时）后坯饼重量的损失，我们可以测试其耐磨性能
4.6.压印试验
这项试验由韩国造币和证券印刷有限公司负责进行，试验条件如下：
a)试验用模具
-印模直径:24.72mm
-清边宽度:0.75mm
-印模材料:K-340
-丝齿数:110
-丝齿深度:100μm
b)MRV150压印机
-下模和模圈固定，上模向下施加压力直到硬币图纹压足。
印模和压印成品图纹之间的差别作为评估样品压印性能的参考标准。
5.测试结果
5.1.电导率
如图1和图2所示，除了铝、不锈钢和钛之外，大多数铜合金按照其化学成分的不同，电导率在10～30%IACS（国际退火紫铜标准）的范围内波动。当然对于黑色金属来说，由于存在导磁率，我们不可能定量检测其电导率。
电涡流的有效肤深是由测量设备的频率决定的，电导率也随着频率变化而变化
图116种样品的电导率和硬度
图2.电导率检测数据
5.2.硬度
硬度检测的结果见表2。众所周知，材料的硬度是抵抗塑性变形的能力，也就是说，当对材料加载时，抵抗永久变形的能力。
检测结果表明不锈钢和钛不易变形。
表2.维氏硬度检测数据(载荷:30kg)
样品号 材料 硬度(Hv) 制造商 1 Al 54.0 P 2 Ti 155.5 〃 3 CuZn35 62.5 〃 4 CuNi16 84.5 B 5 CuNi25 79.5 P 6 CuNi5Zn20 55.5 〃 7 CuNi12Zn18 78.5 〃 8 CuAl6Ni2 70.0 〃 9 Cu89Zn5Al5Sn1 69.5 〃 10 STS430 152.5 〃 11 STS304 161.5 〃 12 (CN/Ni/CN) 78.0 〃 13 NPS-C(Multi) 79.5 R 14 CPS-B 92.5 B 15 NPS-B 100.0 〃 16 CPZ-U 69.0 J CN:铜镍合金(Cu75/Ni25%)
5.3.磁矩
和铜合金相比较，包括430不锈钢在内的某些样品有较高的磁导率（见表3），如果电涡流原理应用于硬币的处理，这一因素应该加以考虑。
表3.磁矩检测数据
样品号 合金 磁矩(10-6V.s.cm) 1 Al - 2 Ti 0.014 3 CuZn35 0.021 4 CuNi16 0.021 5 CuNi25 0.040 6 CuNi5Zn20 0.026 7 CuNi12Zn18 0.026 8 CuAl6Ni2 0.042 9 Cu89Zn5Al5Sn1 0.051 10 STS430 113.307 11 STS304 3.545 12 包覆材料(CN/Ni/CN) 4.195 13 NPS-C(Multi) 134.071 14 CPS-B 133.029 15 NPS-B 135.636 16 CPZ-U 0.044 CN:铜镍合金(Cu75/Ni25%)
5.4.耐腐蚀性能
在这项试验中，大多数样品显示了良好的耐腐蚀性能。
5.5.耐磨性能
磨损机理是非常复杂的。为简单起见，我们通过材料的机械作用（滚磨），然后检测表面材料损失的办法来测试其耐磨性能。
我们可以发现铝和铜包锌样品的表面材料损失更多（见图3）。
图3滚磨试验后材料的重量损失
5.6.压印性能
压印属于冷加工的一种方法。冷加工是一种塑性变形的过程。在表4、图6和图8中，可以清楚地看出，不同的合金可能由于硬度的不同，其抵抗塑性变形的能力是不同的。不锈钢和钛样品很难成型，对这些合金来说，模具寿命相对较短。
就铝而言，压印过程中细微部分也能成型。
表4.16种样品压印力和图纹高度差
样品号 材料 压印力(kN) 硬度
(Hv) 直径
(mm) 厚度
(mm) 中心部位图纹
高度差
(μm) 1 Al 460 54.0 24.72 1.81 0.3 2 Ti 980 155.5 24.73 1.52 18.5 3 CuZn35 1000 62.5 24.71 1.56 0.1 4 CuNi16 960 84.5 24.72 1.55 0.1 5 CuNi25 980 79.5 24.7 1.56 0.2 6 CuNi5Zn20 1000 55.5 24.73 1.56 1.8 7 CuNi12Zn18 980 78.5 24.71 1.55 4.3 8 CuAl6Ni2 980 70.0 24.7 1.55 3.6 9 Cu89Zn5Al5Sn1 980 69.5 24.72 1.56 0.2 10 STS430 980 152.5 24.7 1.49 13.6 11 STS304 1010 161.5 24.77 1.52 18.8 12 Clad(CN/Ni/CN) 950 78.0 24.72 2.08 4.1 13 NPS-C 990 79.5 24.99 1.56 2.1 14 CPS-B 970 92.5 24.71 1.55 2.5 15 NPS-B 970 100.0 24.72 1.54 3 16 CPZ-U 990 69.0 24.71 1.32 0.1
图6
图7.压印后图纹高度差(在中心区域)
图8.16种样品硬度(Hv30)和图纹高度差(μm)
6.结论
通过这次试验可以得出以下结论：
6.1. 电镀材料的电导率随着外加频率的改变而改变
6.2. 电镀钢和430不锈钢具有较高的导磁率。
6.3. 不锈钢具有最佳的耐磨性能，钛次之，而镍、铝及铜包锌材料耐磨性能较差。
6.4. 当样品硬度值较高(＞150Hv)，则其压印性能明显降低。
6.5. 综合来看，铜镍合金和铝青铜材料具有较佳耐磨性能、耐腐蚀性能、电性能和压印性能。
10
图纹高度
(μm)
150
中心偏移(mm)
◆就铝而言，压印过程中细微部分也能成型
150
5
图纹
高度
(μm)
150
0
-5
100
100
50
50
0
5
0
5
-5
0
5
中心偏移(mm)
图纹
高度
(μm)
0
中心偏移(mm)
0
-5
Ti
---Ti
DIE
-5
---Al
DIE
Al
100
50
0
5
0
-5
CuZn35
图纹
高度
(μm)
中心偏移(mm)
150
100
50
0
5
0
-5
CuNi16
---CuZn35
DIE
---CuNi16
DIE
---CuAl6Ni12
DIE
---CuNi12Zn18
DIE
图纹
高度
(μm)
中心偏移(mm)
150
100
50
0
5
0
-5
CuAl6Ni2
图纹
高度
(μm)
中心偏移(mm)
150
100
50
0
5
0
-5
CuNi12Zn18
---CuNi5Zn20
DIE
图纹
高度
(μm)
中心偏移(mm)
150
100
50
0
5
0
-5
CuNi5Zn20
图纹
高度
(μm)
中心偏移(mm)
150
100
50
0
5
0
-5
CuNi25
---CuNi25
DIE
中心偏移(mm)
150
100
0
5
50
图纹
高度
(μm)
0
-5
Clad(Cn/Ni/Cn)
图纹
高度
(μm)
中心偏移(mm)
150
100
50
0
5
0
-5
STS304
STS430
图纹
高度
(μm)
中心偏移(mm)
150
100
50
0
5
0
-5
Cu89Zn5Al5Sn1
---Cu89Zn5Al5Sn1
DIE
图纹
高度
(μm)
中心偏移(mm)
150
100
50
0
5
0
-5
---STS430
DIE
---STS304
DIE
---Clad(Cn/Ni/Cn)
DIE
中心偏移(mm)
150
100
图纹
高度
(μm)
中心偏移(mm)
0
150
100
50
0
5
0
-5
CPZ-U
图纹
高度
(μm)
50
0
5
0
-5
CPS-B
图纹
高度
(μm)
中心偏移(mm)
150
100
50
0
5
0
-5
NPS-B
图纹
高度
(μm)
中心偏移(mm)
150
100
50
0
5
0
-5
NPS-C
---NPS-C
DIE
---CPS-B
DIE
---NPS-B
DIE
---CPZ-U
DIE
耐磨性能
中心部位图纹高度差（μm）
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