CN1353772A - 具有金色外观的铜合金 - Google Patents

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Abstract

提供用于制造具有金色外观的硬币的铜基合金,所述材料的横向导电性与铜合金C713基本相似,而且,当其作为铜合金C110芯的包覆层时,其横向导电性与Susan B.Anthony美国一元硬币两侧面基本相似。所述铜基合金是铜－锰－锌－镍合金。

Description

具有金色外观的铜合金
发明背景
1.发明领域
本发明涉及具有金色外观的铜基合金，更具体地，所述铜基合金，可作为整体材料或者作为包覆层，用于模压制造钱币的造币坯料。
2.相关技术描述
Susan B.Anthony美国一元硬币(SBA)是一种具有铜合金C110芯和与该芯的两个对应面结合的铜合金C713覆层的三层包覆材料。铜合金C110的名义组成为，以重量计：99.95％铜和0.04％氧，其一般被称为电解工业精(ETP)铜。铜合金C713的组成为，以重量计：23.5％-26.5％镍，余者为铜。铜合金C713一般称为铜镍合金。
在SBA中，ETP铜芯在硬币总厚度中约占50％，两个铜镍合金覆层中的每个约占总厚度的25％。
SBA存在的显著问题是该硬币具有与美国25分硬币的颜色相似的银/灰色外观，由于SBA与面值仅为其0.25倍的25分硬币在尺寸及重量上也相似，因此，将SBA误看成25分硬币是经常发生的事。
理想的是美国具有与25分硬币容易区分的一元硬币，美国造币厂已建议新的一元硬币具有金色外观。
一些用于造币的金色材料已为人所知，Prinz等的美国专利4,401,488公开了一种含有，以重量计，4-6％镍和4-6％的铝的铜基合金，“铜基”意思是指合金中含有至少50％(重量)的基体材料—铜。
Winter等的美国专利4,330,599公开了一种含有，以重量计，2-3.5％铝和1-2.5％硅的铜基合金，一些视觉上为金色的铜合金在Breedis等的美国专利5,472,796中进行了公开。在专利5,472,796中公开的合金C6155包括名义组成(以重量计)为92％铜，6％铝和2％镍的铜合金；名义组成(重量计)为89％铜，5％铝，5％锌和1％锡的瑞典克朗以及名义组成为(以重量计)：70％铜、24.5％锌和5.5％镍的英镑。
对新一元硬币的第二个要求是其电属性(signature)应与SBA基本一致，在例如自动售货机中安装的自动硬币鉴别器利用鉴别器确定硬币的真实性和面值。一种称作涡流测量仪的自动硬币鉴别器将硬币靠近其中通有交流电的线圈放置。称作励磁电流的交流电导致涡流在硬币中流动，涡流的大小和时间特性是硬币导电性的函数，当励磁电流的频率为60KHZ时，SBA的横向(从一个主平面表面到一个相对的主平面表面)的导电性为约49％IACS，当励磁电流的频率为约480KHZ时，上述导电性为约6.6％IACS。
IACS指的“国际退火铜合金标准(Internatronal Annealed Copperstandard)”，并且指定“纯”铜在20℃时的导电性为100％IACS。
美国专利4,525,434公开了含有锰、锌、镍和铝的铜合金，任选添加至该合金的添加剂包括铁、钴和锡，所公开的要求权利的合金具有良好的抗氧化性和在包覆引线框中的可利用性。列举的要求了权利合金的最高导电性为3.1％IACS。
对新一元硬币的第三个要求是耐变色性，以便能够使硬币，以年为单位，长期保持金色外观。
据认为，目前可获得的任何金色包覆材料都不能满足对造币提出的上述全部三个要求：金色的外观，与SBA类似的电属性以及耐变色性，因此，仍然需要这样的造币材料。
发明简述
因此，本发明的一个目的是提供一种具有金色外观并且可用于造币的铜基合金，本发明的其它目的是所述铜基合金具有与铜合金C713类似的电属性以及适当的耐变色性，以便长期保持金色外观。
本发明的一个特征在于所述铜基合金可以作为整体材料或者包覆层有效使用。当作为包覆层应用时，芯由具有高导电性，典型地超过90％IACS量级的铜或铜基合金制成。在本发明的一个优选实施方案中，芯由铜合金C110制成。
本发明的又一个特征在于所述铜基合金具有金色的外观和5-7％IACS量级的导电性，本发明的再一个特征在于所述铜基合金含有锰和锌。在一个优选实施方案中，将2-6％(重量)的镍添加至所述铜基合金以改善耐变色性。
本发明的另一个特征在于：当形成包覆层时，芯构成所述包覆材料总厚度的50％，每个包覆层构成总厚度的约25％。
本发明的优点包括所述铜基合金具有金色外观并且适于以整体形成或者作为包覆层用于造币的货币坯料。本发明的另一个优点是所述包覆材料的电属性在至少60KHZ和480KHZ之间的频率下采用涡流测量仪测量时与SBA的电属性相似，该优点使得现在用以鉴别SBA的电子硬币鉴别器能够得以继续使用。
根据本发明，提供了一种基本组成为(以重量计)5-10％锰、10-14％锌、2-6％镍，余者为铜和不可避免的杂质的铜合金。该合金在60KHZ和480KHZ之间的涡流测量仪激励频率下具有超过4％IACS的导电性。
结合下面的说明书和附图，上述的目的、特征和优点将变得更加明显。
附图简述
图1示出的是由本发明的包覆材料形成的货币坯料的底平面视图。
图2采用图解法示出了由现有技术获知的色度和色调的二维CIELAB比色图表。
图3图示说明的是由现有技术获知的色度、色调和亮度的三维实体LAB彩色体。
图4示出的是图1中的货币坯料的横截面图。
图5示出的是采用涡流测定仪确定导电性。
图6图示说明的是由现有技术获知的颜色适用性的颜色测量委员会(CMC)椭圆。
图7图示说明的是在具有叠加的CMC椭圆的第一CIELAB标度上绘制的本发明的合金。
图8图示说明的是在具有叠加的CMC椭圆的第二CIELAB标度上绘制的本发明的合金。
详细描述
图1示出的是包覆货币坯料10的底平面视图，该货币坯料是随后进行压花以便将要求的图案印入正反两表面的硬币坯料。被压花或SBA的货币坯料的直径，在进行边缘处理之前为约26.92mm(1.06英寸)，在进行边缘处理之后为约26.42mm(1.04英寸)，名义厚度为1.65mm(0.065英寸)。
颜色可以采用光谱法或其它客观手段确定，例如由HunterAssociates Laboratory，Inc.of Reston，VA提供的仪器可以根据一般称为“明暗度(value)”的亮度(lightness)特征和一般称为“色调”和“色度”的两个色彩特征对颜色进行定量描述。
色调是对颜色的感知，是对物体的辨别，如绿、蓝、红、黄等，色度是颜色浓度和由灰到纯色调的范围，明暗度是颜色的亮度和由白到黑的范围。
一种确定颜色的方法是采用CIELAB标度，CIE代表CommissionInternationale de l’Eclairage(国际照明委员会)，LAB代表HunterL，a，b标度，如图2所示，CIELAB比色图用围绕比色图供形延伸的a*值和b*值的联合表示色调，其中，+a*为红色，-a*为绿色，+b*为黄色，-b*为蓝色。色度用距离圆圈中心的数值表示，其中，中心(O)处为灰色，±60处为特定颜色完全浓度(full richness)。另外参照图3，明暗度用L*表示，其范围为从白到黑，这样，色调、色度和亮度的组合就能代表三维球体上的具体点和具体颜色。
另一种方法是，铜合金的颜色可以通过与金和金合金进行比较来加以主观确定。
与灰色或银色的硬币相比，所要求的金色包覆材料的颜色与金或者含金量低至10克拉的金合金更相近，10克拉金中的金基本为41.7％(重量)，余者是银和铜的混合物。
图4示出了图1中的包覆货币坯料的横截面图，该包覆货币坯料的芯12具有由第一个16和第二个18相对表面确定的第一个厚度14。
所述芯12由纯铜或者导电性超过90％IACS的铜基合金制成。“母材”一词用其在冶金领域的通常含义，其意思该合金含有超过50％(重量)的母材金属，本申请中，指的是含有超过50％(重量)的铜。优选地，所述芯的导电性高于99％IACS，最优选地，所述芯由铜合金C110制成。
第一个包覆层20具有第二个厚度22，并且与第一个相对表面16结合。优选地，所述结合为冶金结合，例如包覆，在结合部位，上述两层的金属原子结合一起，包覆典型地是共轧制或者爆炸成型的结果。
第二个包覆层24具有第三个厚度26，并且与第二个相对表面18结合，再一次地，优选所述结合为冶金结合，例如包覆。
第一个包覆层20和第二个包覆层24均是含有能有效地促使包覆层具有明显表观金色的锰和锌量的铜基合金。包覆层的一个有效组成是，以重量计：6-12％锰，6-25％锌，余者为铜和不可避免的杂质。
包覆层的更优选组成为，以重量计：7-10％锰，10-15％锌，余者为铜和不可避免的杂质。最优选的组成为，以重量计：8％锰、12％锌，余者为铜。
为了提高耐变色性，第一个包覆层和第二个包覆层均可以进一步含有最高至6％(重量)的镍，并且优选含有2-6％(重量)的镍，最优选含有3.5-4.5％(重量)的镍。当存在镍时，可以增加锌的含量以维持金色外观。当合金中存在镍时，适当的组成是，以重量计：10-20％的锌，2-6％的镍，3-10％的锰，余者为铜。优选的组成是，以重量计：10-14％的锌，2-6％的镍，5-10％的锰，余者为铜和不可避免的杂质。最优选的组成是，以重量计：11-12％的锌，3.5-4.5％的镍，6.0-7.0％的锰，余者为铜和不可避免的杂质。最优选的名义组成是，以重量计，12％的锌，4％的镍，6.6％的锰，余者为铜。
1999年10月6日，American Metal Market公布美国造币厂已选择组成为，以重量计：77％的铜，12％锌，7％的锰和4％的镍的本申请人的合金作为新的美国一元包覆硬币的外覆层。
对于前述两个包覆层组成的实施方案而言，在60KHZ与480KHZ之间的励磁频率下采用涡流测量仪测量时，包覆层的导电性超过4％IACS，更优选地，导电性为约5-7％IACS，最优选地，每个包覆层的导电性为5.1-6.1％IACS。
虽然第一个包覆层20与第二个包覆层24不需要具有相同的化学组成，但优选它们具有类似的组成，最优选具有同样的组成，以便对于硬币鉴别器具有对称性。同样地，第二个厚度22应与第三个厚度26大致相等，优选地，第一个厚度14构成包覆货币坯料总厚度的40-60％，第一个包覆层20和第二个包覆层24中的每一个构成总厚度的20-30％。就厚度而言，优选的名义构成比例为：25％的第一个包覆层，50％的芯，25％的第二个包覆层。
可以添加其它的合金元素以改变芯或包覆层的性能。适当的包覆层添加剂包括铁、铬、铝、锡和磷。这些添加剂的存在量应少于对包覆层的金色外观造成损害的量，而且不会使导电性有明显变化。
优选铝和/或锡的存在量低于0.5％(重量)，更优选低于0.1％(重量)，最优选低于0.07％(重量)。磷的存在量低于1％(重量)，更优选低于0.2％(重量)。铬的存在量低于0.5％(重量)。优选低于0.3％(重量)。铁在合金退火期间形成粒子，这些粒子干扰等轴晶粒的形成。应保持铁含量低于0.5％(重量)，优选低于0.2％(重量)。
包覆处理之后，横向导电性(从第一个外表面28到第二个外表面30进行测量)应与SBA在60KHZ和480KHZ的涡流测量仪励磁电流频率下的测量结果大致相同。更优选地，在60KHZ和480KHZ之间频率下，包覆材料的横向导电性不超过2％IACS，最优选不超过0.5％IACS。对于某些鉴别器而言，上述导电性结果应该适用于10KHZ到600KHZ的励磁电流频率。
参照图5，将包覆材料或货币坯料10置于电感线图32附近。具有所要求频率的交变电流通过线圈32，在包覆材料10中产生涡流。包覆材料的横向导电性影响线圈32的阻抗。从线圈32的阻抗可以确定包覆材料的导电性。可以使用任何一种商用涡流测量装置，例如由Pittsburgh，PA的Foerster Instruments Inc.制备的Sigmatest测量仪。
一旦货币坯料由包覆材料模压而成，则在压花之前需对货币坯料进行退火。适当的退火规范是在由96％(体积)的氮和4％(体积)的氢组成的气氛或者其它可燃气体混合物中，700℃下15-20分钟。退火之后，可以进行水淬。
为了最大程度地减小可能会对金色外观产生不利影响的铜由芯向第一个和第二个包覆层的扩散，在第一个相对表面16与第一个包覆层20之间以及在第二个相对表面18与第二个包覆层24之间可以加入阻挡层(未示出)。这种阻挡层可以包括对包覆材料的电学和磁学特性有影响的铁磁材料，如镍、钴和铁，以及它们的合金。对包覆材料的电学和磁学特征影响较小的非铁磁性材料包括铜基合金，例如，铜/镍(20-30wt％)合金和铜/锰(10-20wt％)合金。当采用阻挡层时，需对芯的厚度以及包覆层的厚度进行调整，以保持所要求的横向导电性。
如果货币坯料在退火期间颜色变暗，可以进行利用35％(体积)的过氧化氢水溶液的适当的发亮处理，所述水溶液包括一种MacDermid，Waterbury，CT生产的品名为MACBright100的专有添加剂。该清洗过程包括两个步骤。
采用30％(体积)的MACBright100产品与去离子水或者蒸馏水混合制备初始溶液。向其添加的硫酸的量为0-0.7％(体积)。将货币坯料脱脂处理并且放入38-43℃(100-110°F)的溶液中搅拌30-60秒。然后，将货币坯料水洗并且在室温下，5％(体积)的硫酸溶液中浸泡20-30秒。进行彻底水洗，然后，任选地，采用抗变色剂如苯并三唑(BTA)进行涂覆并且加以热风干燥。
对本发明的合金进行的热处理和化学处理可能会改变表面化学构成，并且会在不使合金整体性能如导电性有明显变化的情况下影响表面颜色，例如，热处理和/或化学处理可以降低铜合金表面处的锰含量。
从下面的实施例，本发明的包覆硬币合金的优点将变得更加明显。
实施例
实施例1
表1示出了一些具有金色外观的铜基合金的组成，所述合金经过直接冷硬铸造、热轧、冷轧及退火处理后，名义厚度为1.65mm(0.065英寸)。采用励磁电流频率如表2所示的涡流测量仪测定铜基合金的横向导电性。正如表2中的结果所示，本发明的铜基合金的横向导电性与铜合金C713非常接近。
                               表1
                           重量百分组成
 合金代号 Cu Zn  Mn  Ni  P  Al  Sn
 Y88 余量 11.9  7.8  --  --  --  --
 Y88 余量 12.4  7.7  --  --  --  --
 Y90 余量 12.0  6.9  3.6  --  --  --
 Y90 余量 12.2  7.0  3.7  --  --  --
 Y91 余量 11.7  7.3  1.9  --  --  --
 Y91 余量 12.6  7.2  2.3  --  --  --
 Y88(T1) 余量 12.4  7.70  --  --  --  --
 4 余量 12.1  6.92  3.76  --  --  --
 5 余量 12.5  6.88  3.76  0.082  --  --
 6 余量 15.7  6.99  3.29  --  --  --
 7 余量 11.3  8.05  --  0.095  --  --
 118 余量 30.3  6.46  2.6  --  --  --
 119 余量 24.9  6.55  3  --  --  --
 120 余量 19  6.76  3  --  --  --
 121 余量 16  7.5  3  --  --  --
 151 余量 12.8  6.90  1.0  --  1.5  --
 152 余量 12.8  7.14  1.36  --  --  0.9
                          表2
           在不同频率(kHz)下的导电性，％IACS
 退火薄板 60  120  240  480  开尔文电桥
 C713 5.2  5.6  5.5  5.4  5.4
 Y88(T1) --  6.0  --  --  6.1
 Y88(823923) --  6.0  --  --  6.2
 Y90 6.0  6.0  5.9  5.9  6.2
 Y91 5.9  6.0  5.8  5.8  6.2
 4 5.9  5.9  --  --  --
 5 5.7  5.6  --  --  --
 6 6.0  5.9  --  --  --
 7 5.8  5.8  --  --  --
 118 5.4  5.2  --  --  5.4
 119 --  4.9  --  --  5.4
 120 --  5.0  --  --  5.5
 121 --  5.2  --  --  --
 151 --  5.3  --  --  --
 152 --  5.6  --  --  --
表1中的一些具有金色外观的铜基合金经DC铸造、热轧，以及进一步的冷轧和退火处理后，具有适合进行包覆结合的厚度。将上述合金包覆结合成比例为25％/50％/25％(以厚度计)的具有C110芯的三层包覆材料。该三层包覆材料被冷轧和退火处理至约1.65mm(0.065英寸)的最终厚度。
表3记录了这些包覆材料，以及一些其它包覆材料和造币材料的组成。表4记录了采用具有规定励磁电流频率的涡流测量仪测得的横向导电性。
                                                  表3
 组成     芯    包覆层 总厚度(英寸)   ％包覆层1   ％阻挡层1    ％芯  ％阻挡层2     ％
 SBA硬币-1     C110     C713     0.065     25     ---     50     ---     25
 SBA硬币-2     C110     C713     0.065     25     ---     50     ---     25
 A     C110     Y88     0.065     25     ---     50     ---     25
 B     C110     Y90     0.065     25     ---     50     ---     25
 C     C110     Y91     0.065     25     ---     50     ---     25
 D     C110     8％Mn12％余者Cu     0.065     25     ---     50     ---     25
 25分硬币     C110     C713     0.054     16.6     ---     66.8     ---     16.6
 5分硬币     C713     无     0.06     ---     ---     100     ---     ---
 E     C110     73.5％Cu2.0％Ni0.15％Mn余者Zn     0.06     5     15     60     15     5
 F     C110     73.5％Cu2.0％Ni0.15％Mn余者Zn     0.06     5     15     60     15     5
备注：·组成百分数为重量百分比·％包覆层，％阻挡层和％芯均用包覆材料总厚度的百分比表示·25分硬币和5分硬币指的是1999年的美国货币·合金B的阻挡层含有，以重量百分比计：63％Cu，12％Mn，0.5％Ni，余量Cu·合金C的阻挡层含有，以重量百分比计：5％Zn，0.3％Mn，24％Ni，余量Cu
                                表4
                               频率(kHZ)
 组成     60kHz     120kHz     240kHz     480kHz
 SBA硬币-1     49     27     13     6.6
 SBA硬币-2     51.1     29.2     13.7     6.8
 A     50.2     28.5     13.5     6.9
 B     50.9     29.1     13.8     7.2
 C     50.4     29.7     13.8     7.1
 D     50     28     13     6.9
 25分硬币     83     68     46     2.5
 5分硬币     5.2     5.6     5.5     5.4
 E     41     24     12     8.2
 F     43     25     14     9.9
实施例2
标号为1-35、具有表5所示名义重量百分组成的铜合金经直接冷硬铸造，之后热轧至12.7mm(0.5英寸)厚，对其进行磨削(mill)以去除氧化物，然后冷轧至0.76mm(0.03英寸)，并且进行抛光，以获得恒定的表面光洁度。表5中的合金标号与表1-4中的合金标号无关。类似的标号并不意味着组成类似。标号为36-43的合金是对照合金。合金36是18克拉的金，合金37是22克拉的金。合金38-43是其它的指定铜合金。
然后，采用HunterLab制造的UltraScanXE分光光度计分析所述铜合金，并且记录L，a*和b*值(参见图2)，分析条件为：10°观测者，D65发光体，仪器形状为d/8球，色调的计算为：
色调＝arctan a*/b*
色度的计算为：
色度＝(a*2+b*2)1/2
总色差的计算为：
ΔE* ab＝((ΔL* ab)2+(Δa* ab)2+(Δb* ab)2)1/2
色差由英国的Society of Dyers和Colourists的ColourMeasurement Cornmittee(CMC)定义，其计算公式为：
ΔEcrnc＝((ΔL*/lSL)2+(ΔC* ab/cSC)2+(ΔH* ab/SH)2)1/2其中：
ΔL*＝L* 试样-L* 标准
ΔC* ab＝C* ab试样-C* ab标准
C* ab＝(a*2+b*2)1/2
ΔH* ab＝((ΔE* ab)2-(ΔL*)2-(ΔC* ab)2)1/2：
SL＝1/2(亮度的长度)
SH＝1/2(色调的长度)
SC＝1/2(色度的长度)
C，l＝常数，其中l/c-2/1
                                            表5
                                       与合金17的对比
   合金      L*      a*      b*      DE*     DEcmc     色调     色度     Zn     Mn    Ni     Al   Fe     Sn
    1     82.72     6.66     16.64     3.48     3.4     68.19     17.92     6     5    4
    2     83.46     5.65     14.02     1.97     2.61     68.05     15.12     6     7    4
    3     82.92     4.95     13.56     1.53     1.93     69.95     14.44     6     7    4     0.3    1
    4     82.93     5.35     14.17     1.57     2.14     69.32     15.15     6     7    4     0.3     0.2
    5     83.17     6.04     14.51     2.21     2.92     67.40     15.72     6     7    2
    6     83.46     4.76     12.6     2.27     2.33     69.30     13.47     6     7    6
    7     82.57     4.14     12.09     2.57     2.13     71.10     12.78     6     9    4
    8     81.85     4.53     13     2.07     1.84     70.79     13.77     6     11    4
    9     84.43     5.29     15.16     2.14     1.87     70.76     16.06     9     5    4
    10     83.43     5.16     14.65     1.39     1.73     70.60     15.53     9     7    4
    11     83.67     3.54     12.21     2.52     1.75     73.83     12.71     9     9    4
    12     82.83     4.34     13.21     1.5     1.46     71.81     13.90     9     11    4
    13     83.32     2.93     12.13     2.67     1.87     76.42     12.48     11     10    4
    14     83.12     3.99     13.53     1.11     0.92     73.57     14.11     11     10    4     0.3    1
    15     84.7     3.82     15.32     1.88     0.83     76.00     15.79     12     5    4
    16     84.13     3.98     14.03     1.31     0.68     74.16     14.58     12     7    4
    17     82.96     3.84     14.61     0     0     75.27     15.11     12     7    4
    18     83.94     4.06     14.14     1.11     0.64     73.98     14.71     12     7    4     0.3    1
    19     84.41     4.42     15.44     1.77     0.96     74.03     16.06     12     7    4     0.3     0.2
    20     84.4     4.66     16.2     2.3     1.41     73.95     16.86     12     7    2
    21     82.5     2.95     12.45     2.38     1.68     76.67     12.79     12     7    6
    22     83.16     3.58     13.59     1.07     0.73     75.24     14.05     12     9    4
    23     83.89     2.98     11.83     3.06     2.06     75.86     12.20     12     11    4
    24     85.02     3.69     16.16     2.58     1.45     77.14     16.58     15     5    4
    25     83.78     2.56     13.71     1.77     1.68     79.42     13.95     15     7    4
    26     84.24     2.87     13.37     2.04     1.42     77.88     13.67     15     9    4
    27     83.6     2     11.1     4.02     3.02     79.79     11.28     15     11    4
                                                表5(续)
   合金     L*     a*      b*     DE*    DEcmc     色调     色度     Zn     Mn     Ni   Al   Fe    Sn
    28     84.99     2.1     14.96     2.7     2.54     82.01     15.11     18     5     4
    29     84.26     1.9     13.71     2.51     2.56     82.11     13.84     18     7     4
    30     85     1.71     12.91     3.41     2.91     82.45     13.02     18     7     4   0.3   1
    31     84.85     1.86     13.81     2.86     2.67     82.33     13.93     18     7     4   0.3    0.2
    32     85.57     1.9     14.46     3.26     2.76     82.51     14.58     18     7     2
    33     83.87     2.39     14.01     1.82     1.9     80.32     14.21     18     7     6
    34     83.74     2.66     14.34     1.45     1.57     79.49     14.58     18     9     4
    35     83.71     1.87     11.92     3.42     2.84     81.08     12.07     18     11     4
    36     84.88     6.62     18.51     5.15     3.81     70.32     19.66
    37     83.62     6.91     36.01     21.62     15.1     79.14     36.67
    38     78.62     5.57     30.68     16.73     11.48     79.71     31.18     5     5    2
    39     83.38     4.17     23.15     8.55     6.18     79.79     23.52     25     2
    40     80.94     1.78     7.17     7.98     5.41     76.06     7.39     1     1     25
    41     82.83     3.87     16.34     1.73     1.29     76.68     16.79     12     8
    42     81.96     3.55     15.1     1.15     0.71     76.77     15.51     12     7     3.7
    43     82.52     4.55     16.81     2.35     1.62     74.85     17.41     12     7.5     2
根据CMC标准，图6展示出了在颜色空间中a*-b*平面座标图。处于椭圆范围内的组成对于眼睛而言似乎是类似的(颜色上不存在可感觉到的差异)。
图7以颜色空间中的a*-b*平面座标图形式将表5中的合金展示出，圆圈中的数字对应的是表5中的标定的合金，L*轴沿右手纵列绘制，处于椭圆36范围内的铜合金对于肉眼而言具有类似的颜色，在右手刻度中的水平条36对应的是L*轴与椭圆相交的位置。椭圆代表ΔEcmc＝1。这对应的是锌含量11-12％(重量)，锰含量5-10％(重量)、镍含量4％(重量)。为了加强黄铜在本发明的合金中的重复利用和降低成本，容许锌含量稍微增大，不超过约14％(重量)。
图8以在比图7比例更小的颜色空间中的a*-b*平面座标图形式对表5中的合金进行了展示，以说明本发明的合金与铜镍合金(合金40)如何不同。
在表5中标号为1-35的1.52mm(0.06英寸)厚的铜合金然后进行了再结晶退火并且冷轧至0.76mm(0.03英寸)厚。对导电性进行测量，结果在表6中示出。然后，将合金在550℃下退火处理三个小时，再次测得的导电性在表7中示出。合金标号对应的是表5加上219(合金1是标号220，合金35是标号254，等等)，表5中示出的组成是名义指标，实际分析的组成结果在表9中给出。
虽然初衷是用于制造包覆硬币的铜合金，本发明的合金可设想在要求金色和大约5-7％IACS低导电性的任何场合中应用，这样的适当场合之一是作为整体的货币坯料，这与包覆材料不同。该货币坯料可用以制造硬币、纪念币和娱乐场币。
本发明的铜合金也可用于电路连接器和建筑或装饰用途，建筑应用场合包括门把手、手柄、踏板、火炉屏蔽栏、水龙头把手、淋浴和浴室下水管，仪表盖以及雇员微章材料。
当作用连接器时，应力松驰抗力是应着重考虑的因素。应力松驰是一种当外加弹性应力作用于金属件上时出现的现象。金属通过产生大小相等但方向相反的内弹性应力来发生反作用。如果在受力位置受到约束，则内弹性应力随时间延长而下降。这种内弹性应力的逐步下降被称为应力松驰，其发生原因在于金属中的弹性应变为塑性或永久应变所替代。内应力随时间下降的速率与合金组成、合金韧度(temper)、相对于加工方向(例如纵向＝轧制方向)的取向以及暴露温度有关。对于弹簧和接头应用而言，理想的是尽可能地减小应力下降速率，即提高应力松驰抗力，如表8所示，本发明的合金的残余应力百分比高于传统的黄铜合金。
                              表6
      开尔文桥导电性，冷轧至0.76mm(0.03英寸)，试验长度100mm
  标号     厚度     厚度     宽度     宽度   CSA   压下比     棒     电阻率     温度   ％IACS
    英寸     Mm     英寸     mm   cm2     ℃
  220     0.0298     0.757     0.7212     18.47   0.1384     0.40     4287     23.74     19.8     7.3
  221     0.0300     0.762     0.7215     18.33   0.1396     0.40     5277     29.48     19.6     5.8
  222     0.0301     0.765     0.7220     18.34   0.1402     0.40     6008     33.69     19.8     5.1
  223     0.0298     0.757     0.7224     18.35   0.1389     0.40     5724     31.80     19.8     5.4
  224     0.0286     0.726     0.7223     18.35   0.1333     0.40     5487     29.25     19.6     5.9
  225     0.0300     0.762     0.7213     18.32   0.1396     0.40     5715     31.91     19.6     5.4
  226     0.0295     0.749     0.7222     18.34   0.1375     0.40     6737     37.04     19.5     4.6
  227     0.0300     0.762     0.7217     18.33   0.1397     0.40     7820     43.69     19.2     3.9
  228     0.0301     0.765     0.7204     18.30   0.1399     0.40     4285     23.98     19.2     7.2
  229     0.0301     0.765     0.7213     18.32   0.1401     0.40     5509     30.87     19.2     5.6
  230     0.0283     0.719     0.7190     18.26   0.1313     0.40     7175     37.68     19.2     4.6
  231     0.0294     0.747     0.7193     18.27   0.1364     0.40     8246     45.00     20.6     3.8
  232     0.0293     0.744     0.7198     18.28   0.1361     0.40     7710     41.96     20.5     4.1
  233     0.0303     0.770     0.7203     18.30   0.1408     0.40     7785     43.85     20.3     3.9
  234     0.0301     0.765     0.7188     18.26   0.1396     0.40     4310     24.06     19.8     7.2
  235     0.0296     0.752     0.7197     18.28   0.1374     0.40     5367     29.51     19.6     5.8
  236     0.0296     0.752     0.7212     18.32   0.1377     0.40     5244     28.89     19.6     6.0
                                  表6(续)
  标号     厚度     厚度     宽度     宽度     CSA    压下比     棒     电阻率     温度   ％IACS
    英寸     Mm     英寸     mm     Cm2     ℃
  237     0.0282     0.716     0.7200     18.29     0.1310     0.40     6091     31.92     19.6     5.4
  238     0.0304     0.772     0.7207     18.31     0.1413     0.40     5197     29.38     19.6     5.9
  239     0.0298     0.757     0.7208     18.31     0.1386     0.40     5487     30.42     19.4     5.7
  240     0.0296     0.752     0.7180     18.24     0.1371     0.40     6216     34.09     19.2     5.0
  241     0.0308     0.782     0.7193     18.27     0.1429     0.40     6835     39.08     19.0     4.4
  242     0.0308     0.782     0.7190     18.26     0.1429     0.40     8030     45.89     19.0     3.7
  243     0.0297     0.754     0.7192     18.27     0.1378     0.40     4794     26.43     19.0     6.5
  244     0.0305     0.777     0.7185     18.25     0.1414     0.40     5827     32.95     19.0     5.2
  245     0.0303     0.770     0.7180     18.24     0.1404     0.40     7141     40.09     19.0     4.3
  246     0.0300     0.762     0.7200     18.29     0.1394     0.40     8329     46.43     19.0     3.7
  247     0.0290     0.737     0.7197     18.28     0.1347     0.40     4951     26.67     19.0     6.4
  248     0.0309     0.785     0.7177     18.23     0.1431     0.40     5801     33.20     19.0     5.2
  249     0.0304     0.772     0.7195     18.28     0.1411     0.40     6255     35.31     19.0     4.9
  250     0.0304     0.772     0.7186     18.25     0.1409     0.40     6124     34.52     19.0     5.0
  251     0.0295     0.749     0.7175     18.22     0.1366     0.40     5990     32.72     19.0     5.2
  252     0.0304     0.772     0.7176     18.23     0.1407     0.40     6355     35.78     19.0     4.8
  253     0.0303     0.770     0.7180     18.24     0.1404     0.40     7300     40.98     19.0     4.2
  254     0.0302     0.767     0.7178     18.23     0.1399     0.40     8581     48.00     19.0     3.6
                              表7
              开尔文桥导电性，冷轧至0.76mm(0.03英寸)，
              550℃退火3小时，试验长度100mm
    标号     厚度     厚度     宽度     宽度   CSA   压下比     棒     电阻率     温度   ％IACS
    英寸     Mm     英寸     mm   Cm2     ℃
    J220     0.0305     0.777     0.7530     19.13   0.1482     0.80     1942     23.02     18.4     7.4
    J221     0.0303     0.770     0.7529     19.12   0.1472     0.80     2443     28.76     18.4     6.0
    J222     0.0309     0.785     0.7520     19.10   0.1499     0.80     2697     32.35     18.4     5.3
    J223     0.0298     0.757     0.7676     19.50   0.1476     0.80     2629     31.04     18.4     5.5
    J224     0.0296     0.752     0.7520     19.10   0.1436     0.80     2482     28.51     18.4     6.0
    J225     0.0304     0.772     0.7527     19.12   0.1476     0.80     2638     31.15     18.4     5.5
    J226     0.0300     0.762     0.7529     19.12   0.1457     0.80     3100     36.14     18.4     4.7
    J227     0.0304     0.772     0.7513     19.08   0.1474     0.80     3604     42.48     18.4     4.0
    J228     0.0309     0.785     0.7513     19.08   0.1498     0.80     1939     23.23     18.5     7.4
    J229     0.0305     0.777     0.7514     19.09   0.1479     0.80     2541     30.06     18.5     5.7
    J230     0.0289     0.734     0.7525     19.11   0.1403     0.80     3278     36.79     18.7     4.7
    J231     0.0299     0.759     0.7518     19.10   0.1450     0.80     3713     43.08     18.4     4.0
    J232     0.0304     0.772     0.7521     19.10   0.1475     0.80     3444     40.64     18.4     4.2
    J233     0.0307     0.780     0.7526     19.12   0.1491     0.80     3521     41.99     18.6     4.1
    J234     0.0304     0.772     0.7530     19.13   0.1477     0.80     1969     23.26     18.4     7.4
    J235     0.0298     0.757     0.7519     19.10   0.1446     0.80     2452     28.36     18.7     6.0
    J236     0.0300     0.762     0.7634     19.39   0.1478     0.80     2387     28.22     18.8     6.1
                                      表7(续)
    标号     厚度     厚度     宽度     宽度     CSA    压下比     棒    电阻率     温度   ％IACS
    英寸     Mm     英寸     mm     Cm2     ℃
    J237     0.0288     0.732     0.7536     19.14     0.1400     0.80     2700     30.25     18.5     5.7
    J238     0.0310     0.787     0.7535     19.14     0.1506     0.80     2360     28.45     18.6     6.0
    J239     0.0304     0.772     0.7508     19.07     0.1473     0.80     2503     29.49     18.6     5.8
    J240     0.0298     0.757     0.7533     19.13     0.1448     0.80     2817     32.64     18.6     5.3
    J241     0.0308     0.782     0.7521     19.10     0.1494     0.80     3116     37.25     18.6     4.6
    J242     0.0313     0.795     0.7521     19.10     0.1519     0.80     3653     44.38     18.8     3.9
    J243     0.0308     0.782     0.7544     19.16     0.1499     0.80     2095     25.12     18.6     6.8
    J244     0.0309     0.785     0.7528     19.12     0.1501     0.80     2633     31.61     18.7     5.4
    J245     0.0307     0.780     0.7550     19.18     0.1495     0.80     3216     38.47     18.6     4.5
    J246     0.0307     0.780     0.7534     19.14     0.1492     0.80     3749     44.75     18.8     3.8
    J247     0.0299     0.759     0.7533     19.13     0.1453     0.80     2192     25.48     19.3     6.7
    J248     0.0314     0.798     0.7535     19.14     0.1526     0.80     2616     31.95     19.1     5.4
    J249     0.0307     0.780     0.7510     19.08     0.1487     0.80     2783     33.12     19.0     5.2
    J250     0.0306     0.777     0.7521     19.10     0.1485     0.80     2732     32.45     18.7     5.3
    J251     0.0306     0.777     0.7517     19.09     0.1484     0.80     2640     31.34     18.7     5.5
    J252     0.0306     0.777     0.7511     19.08     0.1483     0.80     2882     34.19     18.7     5.0
    J253     0.0307     0.780     0.7530     19.13     0.1491     0.80     3288     39.23     18.7     4.4
    J254     0.0306     0.777     0.7530     19.13     0.1487     0.80     3865     45.96     18.7     3.7
                                            表8-应力松驰抗力
合金     状态  **或者回火 0.2％YSMPa(ksi) ％残余应力(1000小时后)
    105℃    125℃    150℃
对照合金
Cu-10％Zn   60％RR     469(68)     68§     -     -
  60％RR+RA     469(68)     71§     -     -
Cu-10％Zn-1％Mn   60％RR     490(71)     77§     -     -
商用合金
C260(30％Zn-Cu)     弹簧     662(96)     55     -     36
C425(9.5％Zn-1.8％Sn-Cu)   ExHard/RA     517(75)     95     81     62
C663(10.5％Zn-1.8％Sn-1.7％Fe-0.03％P-Cu)   弹簧/RA     655(95)     92     81     59
本发明合金           (Mn-Zn-Ni-Cu)
  实验室标号   ％Mn   ％Zn     ％Ni     50％RR+RA     614(89)      -     94     79
    J234     5     12     4
    J235     7     12     4     655(95)      -     95     86
    J241     9     12     4     731(106)      -     -     87
    J240     7     12     6     724(105)      -     95     86
    J239     7     12     2     648(94)      -     93     82
    J229     7     9     4     655(95)      -     96     -
    J244     7     15     4     710(103)      -     94     80
**RR轧下量，(去应力退火，200℃-300℃，1-3小时)§根据105小时的数据估计
                                         表9-组成分析结果
    试样标号     Zn     Mn     Ni     Al     Sn     Fe
    J220分析值*分析值**目标值     6.536.126.0     5.304.775.0     3.633.844.0
    J221分析值*分析值**目标值     5.935.926.0     7.016.847.0     4.013.974.0
    J222分析值*分析值**目标值     5.806.086.0     6.947.187.0     4.093.884.0     0.310.310.3     1.081.041.0
    J223分析值*分析值**目标值     5.815.976.0     7.227.197.0     4.064.034.0     0.30.310.3     0.190.200.2
    J224分析值*分析值**目标值     5.896.026.0     7.447.147.0     1.992.002.0
    J225分析值*分析值**目标值     5.826.036.0     7.057.207.0     ＞5.36.036.0
    J226分析值*分析值**目标值     5.826.036.0     8.549.059.0     3.794.034.0
    J227分析值*分析值**目标值     5.696.066.0     11.1610.9511.0     3.993.994.0
    J228分析值*分析值**目标值     9.029.029.0     4.994.655.0     3.674.034.0
                                           表9(续)
  J229分析值*分析值**目标值     9.629.049.0     6.817.107.0     3.824.034.0
  J230分析值*分析值**目标值     9.389.109.0     9.658.979.0     3.794.024.0
  J231分析值*分析值**目标值     9.759.169.0     10.8510.8711.0     3.394.084.0
  J232分析值*分析值**目标值     11.1011.1511.0     10.1210.1010.0     3.924.074.0
  J233分析值*分析值**目标值     10.7711.1011.0     9.799.8710.0     4.053.964.0     0.300.290.3     1.051.051.0
  J234分析值*分析值**目标值     12.1512.1412.0     4.744.335.0     3.714.004.0
  J235分析值*分析值**目标值     11.1710.9812.0     6.366.287.0     3.673.594.0
  J236分析值*分析值**目标值     11.0710.9912.0     6.326.247.0     3.653.594.0
  J237分析值*分析值**目标值     11.0110.9712.0     6.176.357.0     3.683.614.0     0.270.270.3     1.030.911.0
  J238分析值*分析值**目标值     11.2411.3612.0     6.176.167.0     3.633.584.0     0.260.300.3     0.20.180.2
                          表9(续)
  J239分析值*分析值**目标值     12.2812.0212.0     7.026.947.0     1.971.882.0
  J240分析值*分析值**目标值     12.0112.0312.0     6.726.987.0     ＞5.295.976.0
  J241分析值*分析值**目标值     11.9212.0812.0     9.468.829.0     3.864.004.0
  J242分析值*分析值**目标值     12.1512.2212.0     10.7911.0711.0     3.923.904.0
  J243分析值*分析值**目标值     14.6415.2215.0     4.934.835.0     3.844.094.0
  J244分析值*分析值**目标值     15.0715.1715.0     6.616.987.0     3.783.984.0
  J245分析值*分析值**目标值     15.0315.0315.0     9.498.739.0     3.954.004.0
  J246分析值*分析值**目标值     14.9714.9915.0     10.6610.7611.0     3.994.094.0
  J247分析值*分析值**目标值     17.5217.9518.0     4.784.735.0     3.934.024.0
  J248分析值*分析值**目标值     17.2518.2818.0     6.396.757.0     3.533.834.0
                                 表9(续)
    J249分析值*分析值**目标值     17.2517.9418.0     6.306.827.0     3.563.994.0     0.290.280.3     1.021.031.0
    J250分析值*分析值**目标值     17.3818.4518.0     6.656.757.0     3.603.924.0 0.31 0.2
    J251分析值*分析值**目标值     17.6418.2818.0     6.837.037.0     2.01.952.0
    J252分析值*分析值**目标值     17.4018.1618.0     6.486.867.0     ＞5.296.046.0
    J253分析值*分析值**目标值     17.7618.2218.0     9.298.699.0     3.693.994.0
    J254分析值*分析值**目标值     17.6418.2318.0     10.5311.0111.0     4.023.954.0
*-火花法**-ICP法
短程有序是一种固溶体中的溶剂(铜)和溶质原子在晶格点阵中占据优先位置的现象。当有序化出现时，该合金的有些区域可以是有序的，而其它可以是无序的，有序部分典型的特征是其比无序部分的强度更高。这会导致从有序部分到无序部分合金强度的不连续并且使合金性能的预测变得困难。在Cu-Zn黄铜和Cu-Zn-Ni镍银中展现有序化的一种情形是在冷加工合金的去应力退火期间强度提高。表10结果表明：表5合金经过初始50％的冷轧以及后来的300℃，2小时的去应力退火处理后，屈服强度(YS)和极限抗拉强度(UTS)均增加。强度增加值超过27.6Mpa(4KSi)意味着发生了短程有序。为了降低例如用于连接器场合时由于短程有序引起的不稳定性，合金组成(重量)应如下：
最大值：Zn＜15％       Mn＜9％      Ni6＜％
范  围：Zn6-12％       Mn5-7％      Ni2-＜6％
组  合：(Zn+Mn)＜21％，Ni2-4％
                   表10
             去应力退火引起的强度变化
   合金   重量百分比(Zn+Mn)     屈服强度变化(RA-CR)MPa(ksi)   极限抗拉强度变化(RA-CR)MPa(ksi)    导电性○＝5％-7％IACS×不＝5％-7％IACS
    J220     11     -6.9(-1)     0(0)     ×
    J221     13     6.9(1)     20.7(3)     ○
    J224     13     -13.8(-2)     -6.9(-1)     ○
    J225     13     13.8(2)     13.8(2)     ○
    J226     15     27.6(4)     27.6(4)     ×
    J227     17     13.8(2)     13.8(2)     ×
    J228     14     20.7(3)     20.7(3)     ×
    J229     16     0(0)     6.9(1)     ○
    J230     18     13.8(2)     20.7(3)     ×
    J231     20     55.2(8)     55.2(8)     ×
    J232     21     20.7(3)     20.7(3)     ×
    J234     17     13.8(2)     27.6(4)     ×
    J235     19     13.8(2)     34.5(5)     ○
    J236     19     13.8(2)     13.8(2)     ○
    J239     19     -6.9(-1)     6.9(1)     ○
    J240     19     13.8(2)     20.7(3)     ○
    J241     21     0(0)     13.8(2)     ×
    J242     23     20.7(3)     20.7(3)     ×
    J243     20     41.4(6)     55.2(8)     ○
    J244     22     41.4(6)     41.4(6)     ○
    J245     24     75.8(11)     89.6(13)     ×
    J246     26     55.2(8)     48.3(7)     ×
    J247     23     6.9(1)     41.4(6)     ○
    J248     25     34.5(5)     34.5(5)     ○
    J251     25     0(0)     6.9(1)     ○
    J252     25     55.2(8)     55.2(8)     ×
    J253     27     48.3(7)     62.1(9)     ×
    J254     29     48.3(7)     34.5(5)     ×
显然，根据本发明已提供了完合满足前面提出的目的、特性和优点的造币用的金属复合材料，虽然结合具体的实施方案对本发明进行了介绍，但是，显而易见的是，从前面的介绍中，本领域的专业人员会明显看到许多替代方案、修正方案和变更方案，因此，所有这种替代方案、修正方案和变更方案应该包括在附后的权利要求书的精神和宽广范围内。

Claims (28)

1.一种具有金色外观的铜合金，其基本组成为，以重量计：
        10-15％锌；
        7-12％锰；
        2-6％镍；
余者为铜和不可避免的杂质，所述铜合金的导电性为5-7％IACS。
2.根据权利要求1的铜合金，其特征在于所述导电性为5.1-6.1％IACS。
3.根据权利要求1的铜合金，其特征在于所述锌含量为10-12％重量。
4.能对由铜或铜基合金制成的芯进行有效包覆的根据权利要求1的铜合金，其特征在于：当所述芯的导电性超过90％IACS，并且其厚度为所获复合体总厚度的40-60％时，所述复合体在60KHZ与480KHZ之间的涡流测量励磁频率下具有Susan B.Anthony美国一元硬币的不超过2％IACS的横向导电性。
5.一种铜合金，其基本组成为，以重量计：
      5-10％锰；
      10-14％锌；
      2-6％镍；
余者为铜和不可避免的杂质，所述铜合金在60KHZ与480KHZ之间的涡流测量励磁频率下具有超过4％IACS的导电性。
6.根据权利要求5的铜合金，其含有低于0.3％(重量)的铬。
7.根据权利要求6的铜合金，其特征在于所述导电性为5-7％IACS。
8.根据权利要求7的铜合金，其特征在于：所述锰含量为6.0-7.0％，所述锌含量为11-12％，所述镍含量为3.5-4.5％。
9.根据权利要求8的铜合金，其含有低于0.07％的铝。
10.根据权利要求7的铜合金，其具有与金色外观相当的亮度、色度和色调等属性。
11.根据权利要求10的铜合金，其特征在于：所述锰含量为6.0-7.0％，所述锌含量为11-12％，所述镍含量为3.5-4.5％。
12.由根据权利要求1-11中之任何一项的铜合金制成的货币坯料。
13.由根据权利要求1-11中之任何一项的铜合金制成的连接器。
14.根据权利要求13的连接器，其在合金由50％冷轧下进行去应力退火时具有低于27.6Mpa(4Ksi)的强度增加值。
15.根据权利要求13的连接器，其在125℃下暴露1000小时后仍具有超过90％的残余应力。
16.一种包覆材料，其包括：
一个具有由第一个和第二个相对表面确定的第一个厚度的芯，所述芯由铜或铜基合金制成，并且具有超过90％IACS的导电性；
其有第二个厚度并且与所述第一个相对表面结合的第一个包覆层；以及
具有第三个厚度并且与所述第二个相对表面结合的第二个包覆层，其特征在于：所述第一个包覆层和所述第二个包覆层是含有锰、镍和锌，在60KHZ和480KHZ之间的涡流测量励磁频率下导电性至少4％IACS的铜基合金，对所述第一个厚度，所述第二个厚度和所述第三个厚度分别以选择，以使所述包覆材料在60KHZ和480KHZ之间的涡流测量励磁频率下具有Susan B.Anthony美国一元硬币的不超过约2％IACS的横向导电性。
17.根据权利要求16的包覆材料，其特征在于：所述芯的导电性超过99％IACS。
18.根据权利要求17的包覆材料，其特征在于：所述芯是铜合金C110。
19.根据权利要求16的包覆材料，其特征在于：所述第一个包覆层和所述第二个包覆层分别的基本组成为，以重量计：5-10％锰、10-14％锌，2-6％镍。
20.根据权利要求19的包覆材料，其特征在于：所述第一个包覆层和所述第二个包覆层各含有低于0.3％重量的铬。
21.根据权利要求20的包覆材料，其特征在于：所述第一个包覆层和所述第二个包覆层各具有5-7％IACS的导电性。
22.根据权利要求21的包覆材料，其特征在于：所述第一个包覆层和所述第二个包覆层的每一个中，所述锰含量为6.0-7.0％，所述锌含量为11-12％，所述镍含量为3.5-4.5％。
23.根据权利要求22的包覆材料，其特征在于：所述第一个包覆层和所述第二个包覆层各含有低于0.07％的铝。
24.根据权利要求21的包覆材料，其特征在于：所述第一个包覆层和所述第二个包覆层各具有与金色外观相当的亮度、色度和色调属性。
25.根据权利要求24的包覆材料，其特征在于：每一个所述第一个包覆层和所述第二个包覆层中，所述锰含量为6.0-7.0％，所述锌含量为11-12％，所述镍含量为3.5-4.5％。
26.根据权利要求24的包覆材料，其特征在于：所述第一个包覆层和所述第二个包覆层的厚度分别为总厚度的20-30％，所述芯的厚度为所述总厚度的约40-60％。
27.根据权利要求26的包覆材料，其特征在于：所述第一个包覆层和所述第二个包覆层的厚度分别约为所述总厚度的25％，所述芯的厚度约为所述总厚度的50％。
28.由根据权利要求26的包覆材料制成的货币材料。
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