ES2544495A2 - Tecnicas mejoradas para la produccion de bronce dorado por interdifusion de estaño y cobre en condiciones controladas - Google Patents

Tecnicas mejoradas para la produccion de bronce dorado por interdifusion de estaño y cobre en condiciones controladas Download PDF

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Abstract

Técnicas mejoradas para la producción de bronce dorado por interdifusión de estaño y cobre en condiciones controladas. Artículo con aspecto de bronce dorado, sustrato de múltiples capas, procedimientos relacionados y utilizaciones de los mismos. Los procedimientos incluyen el recocido de un sustrato de múltiples capas a una temperatura de recocido durante un tiempo de permanencia. El sustrato de múltiples capas comprende un núcleo, contiguo a una capa de cobre y una subsiguiente capa de estaño. La temperatura de recocido y el tiempo de permanencia son controlados uno con respecto al otro para permitir la difusión de la capa de estaño dentro de la capa de cobre. El grosor de la capa de estaño está de acuerdo con el grosor de la capa de cobre, de tal manera que la capa de bronce externa interdifundida tiene un contenido de estaño entre 8% en peso y 15,8% en peso.

Description

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núcleo y que tiene un grosor de capa de cobre; y
una capa de estaño aplicada como recubrimiento sobre la capa de cobre;
5 en el que el área de contacto del núcleo tiene un contenido de níquel suficientemente bajo para reducir o prevenir la formación de compuestos intermetálicos comprendiendo estaño y níquel próximos al área de contacto externa durante el recocido;
en el que el recocido es llevado a cabo a una temperatura de recocido durante un tiempo de
10 permanencia de recocido, siendo controlados, la temperatura de recocido y el tiempo de permanencia del recocido en correspondencia entre sí para permitir la difusión de la capa de estaño en la capa de cobre y producir un sustrato recocido que comprende una capa de bronce externa inter-difundida que tiene aspecto dorado; y
15 en el que la capa de estaño es aplicada como recubrimiento en forma de un grosor de capa de estaño de acuerdo con el grosor de la capa de cobre, de manera que la capa de cobre externa inter-difundida tiene un contenido de estaño comprendido aproximadamente entre 8% en peso y 15,8% en peso.
20 En un aspecto opcional del procedimiento, el grosor de la capa de estaño puede ser tal que la capa de bronce externa interdifundida tiene un contenido de estaño comprendido aproximadamente entre 10% en peso y 15% en peso.
En un aspecto opcional del procedimiento, el procedimiento puede incluir el control de la
25 temperatura de recocido, de acuerdo con niveles de temperatura para permitir que el sustrato de múltiples capas permanezca a cada nivel de temperatura durante un periodo del tiempo de permanencia en recocido. El procedimiento puede incluir también el control de la temperatura de recocido para permitir que el sustrato de múltiples capas permanezca a un nivel de temperatura constante durante el tiempo de permanencia en el recocido.
30 En un aspecto opcional del procedimiento, la temperatura de recocido se puede encontrar aproximadamente entre 425ºC y 815ºC.
En un aspecto opcional del procedimiento, el recubrimiento puede incluir el paso del sustrato
35 de múltiples capas a través de una serie de zonas de calentamiento que funcionan a la temperatura de recocido controlada para calentar el sustrato de múltiples capas a la
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una capa de cobre aplicada como recubrimiento sobre el área externa de contacto del núcleo y que tiene un grosor de capa de cobre; y
5 una capa de estaño aplicada como recubrimiento sobre la capa de cobre;
en el que el área de contacto externa del núcleo tiene un contenido suficientemente bajo de níquel para reducir o impedir la formación de compuestos intermetálicos que comprendan estaño y níquel en las proximidades del área de contacto externa durante un tratamiento de
10 recocido; y
en el que la capa de estaño tiene un grosor de capa de estaño de acuerdo con el grosor de la capa de cobre de manera que la capa de estaño y la capa de cobre se interdifunden en el tratamiento de recocido formando una capa de cobre con un contenido de estaño
15 comprendido aproximadamente entre 8% y 15,8% en peso.
En un aspecto opcional del sustrato, éste puede comprender además una capa metálica superior que incluye cobre y/o cinc aplicados como recubrimiento sobre la capa de estaño.
20 En otro aspecto, se prevé la utilización del procedimiento tal como se ha definido anteriormente para la producción de piezas en bruto para acuñación de monedas.
En otro aspecto, se prevé la utilización del artículo con aspecto de bronce dorado tal como se ha definido anteriormente como piezas para acuñación de monedas.
25 En otro aspecto, se prevé la utilización de un sustrato de múltiples capas tal como se ha definido anteriormente para producir un artículo con aspecto de bronce dorado por recocido.
En otro aspecto, se prevé un procedimiento para la producción de un artículo que tiene un 30 aspecto de bronce dorado. El procedimiento incluye el recocido de un sustrato de múltiples capas incluyendo:
un núcleo que tiene un área de contacto externa;
35 una capa de cobre aplicada como recubrimiento sobre el área de contacto externa del núcleo y que tiene un grosor de capa de cobre;
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Corte de las piezas en bruto para las monedas a partir de bobinas de metal 2
Rebordeado de las piezas en bruto 3
Pre-recocido, 750ºC a 900ºC en atmósfera protectora 4
Limpieza química de las piezas en bruto 5
Lavado 6 Electro-lavado de las piezas en bruto 7 Recubrimiento electrolítico con una capa metálica de acuñación 8 Lavado; ataque electroquímico 9 Recubrimiento electrolítico con cobre 10 Lavado 11 Ataque con ácido 12 Recubrimiento electrolítico con estaño 13 Lavado 14 Secado 15 Difusión de estaño en el cobre para formar bronce por tratamiento térmico bajo
atmósfera protectora 16 Bruñido de las piezas en bruto 17 Secado 18 Pieza en bruto lista para utilizar
Figura 2 1 Porcentaje atómico estaño 2 Temperatura ºC 3 Porcentaje en peso estaño
Figura 5 1 Porcentaje en peso estaño 2
Temperatura ºC 3
Porcentaje atómico estaño
Figura 7 1 ALEACIÓN DE BRONCE CON UNA ZONA DE BRONCE DORADO Y UNA ZONA ROSA 2
CAPA DE COBRE RESIDUAL 3
CAPA DE ACUÑACIÓN
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electrolítico de cianuro contienen aniones cianuro CN-que pueden ser tóxicos en ciertas condiciones. De manera adicional, el área externa de contacto del núcleo del sustrato a recubrir de cobre puede estar realizada a base de acero, que es una aleación susceptible de corrosión en condiciones ácidas. Como respuesta al riesgo de corrosión del sustrato, algunos procedimientos de recubrimiento incluyen recubrimiento de una capa de acuñación de un metal de protección tal como níquel sobre el sustrato de acero antes de llevar a cabo recubrimiento ácido de cobre. De manera alternativa, algunas implementaciones del presente procedimiento utilizan soluciones de recubrimiento electrolítico no ácidas, sin cianuro, para el recubrimiento de cobre directamente sobre el área externa de contacto del núcleo del sustrato. Opcionalmente, la solución de recubrimiento electrolítico de cobre puede ser una solución alcalina de recubrimiento electrolítico de cobre. Opcionalmente, el presente procedimiento puede incluir el recubrimiento de una primera capa de cobre sobre el núcleo del sustrato utilizando una solución de recubrimiento electrolítico alcalina y efectuando el recubrimiento de una segunda capa de cobre utilizando una solución de recubrimiento electrolítico ácida para mayor efectividad y eficiencia. De manera ventajosa, la primera capa de cobre puede actuar como capa de acuñación protectora con respecto a cualquier riesgo de corrosión del núcleo del sustrato. La utilización de soluciones de recubrimiento electrolítico de cobre sin cianuro, no ácidas, posibilita no recubrir el núcleo del sustrato con una capa de acuñación metálica compuesta de un metal, tal como níquel, que puede ser cara y que puede interferir en el proceso de difusión del estaño dentro del cobre para formar una aleación de bronce dorado.
De manera más precisa, se ha descubierto (ver los ejemplos más delante) que la difusión entre la capa de cobre y la capa de estaño está limitada por la presencia de níquel en el área externa de contacto del núcleo que es contigua a la capa de cobre dotada de recubrimiento. De manera más precisa, en el recocido los compuestos intermetálicos incluyendo estaño y níquel, en forma de dendritas, se pueden formar en ciertas condiciones de recocido dentro de la zona interna rica en cobre y próxima a la zona de contacto externa, especialmente cuando la capa de cobre de recubrimiento no es suficientemente gruesa. Estas fases dendríticas intermetálicas están compuestas principalmente por estaño, cobre y níquel indicando que una cantidad significativa de estaño se puede interdifundir con el níquel y el cobre durante el recocido por formación de dichos compuestos intermetálicos en vez de participar con el cobre en la formación de la aleación de bronce en fase α. Durante el proceso de difusión y en ciertas condiciones de recocido, los átomos de la capa de estaño activados y móviles se pueden difundir dentro de la capa de cobre y, de manera simultánea, algunos átomos activados y móviles de níquel se pueden difundir hacia dentro de la capa de
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aproximado de 0,2 µm hasta 0,8 µm siendo aplicada como recubrimiento para reducir
o eliminar cualesquiera acumulaciones residuales de estaño y conseguir un color superficial uniforme en el recocido obteniéndose una pieza en bruto con múltiples capas;
5
5) La pieza en bruto con múltiples capas es recocida con un cierto conjunto de condiciones de recocido (550ºC a 750ºC durante un tiempo de 20 a 80 minutos en atmósfera reductora en un horno de recocido) de manera que se forma un bronce ternario de Sn, Zn y Cu;
10 6) La pieza en bruto recocida es enfriada de manera apropiada; y
7) La pieza en bruto enfriada es sometida a bruñido para producir una pieza en bruto preparada para acuñación (RTS). 15
Realización 3
1) Limpieza completa, decapado y limpieza por ataque químico de piezas en bruto de acero bajo en carbono; 20 2) Recubrimiento electrolítico mediante capa de cobre directamente sobre las piezas en bruto de acero bajo en carbono utilizando una solución de cobre alcalina;
3) Recubrimiento electrolítico sobre la pieza en bruto previamente dotada de
25 recubrimiento de cobre alcalino. El grosor de estaño se encuentra en un rango aproximado de 1,0 µm hasta 5,0 µm dependiendo del grosor de la capa de bronce requerida; se obtiene una pieza en bruto con múltiples capas;
4) La pieza en bruto con múltiples capas es recocida con un cierto conjunto de 30 condiciones de recocido (550ºC a 750ºC durante un tiempo de 20 a 80 minutos en atmósfera reductora en un horno de recocido);
5) La pieza en bruto recocida es enfriada de manera apropiada; y
35 6) La pieza en bruto enfriada es sometida a bruñido para producir una pieza en bruto preparada para acuñación (RTS).
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EJEMPLO 4
4.1 Condiciones experimentales
Una pieza en bruto para monedas dotada de recubrimiento múltiple incluyendo una capa de níquel de 5 µm, una capa de cobre alcalina de 20 µm, una capa de estaño de 5,0 µm y una capa superior de cinc de 0,3 µm fue recocida a una temperatura constante de recocido de 650ºC durante un tiempo de recocido de 60 minutos en un medio reductor. Se debe observar que estos grosores han sido medidos en el centro de la pieza en bruto dotada de recubrimiento.
4.2 Resultados
La vista en sección tomada con microscopio electrónico con retrodispersión (“back scattering”) del centro de la pieza en bruto recocida mostrada en la figura 19 incluye fases dendríticas en una subregión de la pieza en bruto. El análisis SEM mostrado en la figura 20 muestra que estas fases dendríticas contienen una cantidad significativa de níquel, incluso a una distancia de 10 a 14 µm de la capa de níquel, en contraste con las fases circundantes ricas en cobre en las que se observa mucho menos níquel. De manera más precisa, el contenido de níquel en estas fases dendríticas es elevado del orden de 20% en peso, mientras que el contenido de níquel en el área circundante rica en cobre es mucho menor de 2% en peso. Estos resultados sugieren que se pueden formar nuevas fases que contienen estaño, níquel y cobre como resultado de difusión entre estos elementos, que una considerable cantidad de átomos de níquel pueden desplazarse hacia arriba, y que una considerable cantidad de átomos de estaño pueden ser consumidos por formación de compuestos intermetálicos ternarios de Ni-Cu-Sn. Estos resultados implican, por lo tanto, que el estaño puede participar de manera insuficiente en la formación de la capa de bronce.
Tal como se aprecia en la figura 21, cuando la capa intermedia de cobre es suficientemente gruesa antes del recocido, por ejemplo, en el borde de la pieza en bruto, no se observan después del recocido compuestos intermetálicos ternarios que contengan níquel y estaño. El análisis EDS de la figura 21 muestra que el níquel se ha difundido dentro de la capa de cobre pero que el contenido de níquel era inferior al que se encontraba en las fases dendríticas de la figura 19. En general, puede ser difícil que el cobre se difunda en el níquel, lo que ha sido confirmado también por el análisis EDS. Esta es una de las razones
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Claims (5)

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    y el estaño.
  2. 41. Artículo con aspecto de bronce dorado, según cualquiera de las reivindicaciones 32 a
    40, que tiene la forma de una moneda, un disco, un objeto plano, o análogos. 5
  3. 42. Sustrato con múltiples capas para utilización en la producción de un artículo con aspecto de bronce dorado, comprendiendo el sustrato con múltiples capas:
    un núcleo que tiene un área de contacto externa;
    10 una capa de cobre aplicada como recubrimiento sobre el área de contacto externa del núcleo y que tiene un grosor de capa de cobre; y
    una capa de estaño aplicada como recubrimiento sobre la capa de cobre;
    15 en el que el área de contacto externa del núcleo no comprende níquel para impedir la formación de compuestos intermetálicos que comprenden estaño y níquel en las proximidades del área externa de contacto durante un tratamiento de recocido; y
    20 en el que la capa de estaño tiene un grosor de capa de estaño de acuerdo con el grosor de la capa de cobre de manera que la capa de estaño y la capa de cobre se interdifunden en el tratamiento de recocido formando una capa de bronce que tiene un contenido de estaño comprendido entre 8% en peso y 15,8% en peso aproximadamente.
    25 43. Sustrato con múltiples capas, según la reivindicación 42, que comprende además:
    una capa metálica superior que comprende cobre y/o cinc aplicados como recubrimiento sobre la capa de estaño.
    30 44. Utilización del procedimiento definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 31 para la producción de piezas en bruto para la acuñación de monedas.
  4. 45. Utilización del artículo con aspecto de bronce dorado, según cualquiera de las
    reivindicaciones 32 a 42, como material para la acuñación de monedas. 35
  5. 46. Utilización del sustrato de múltiples capas definido en las reivindicaciones 42 ó 43 para
    49
    imagen7
    imagen8
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