JP6189966B2 - 制御された条件下における錫と銅との相互拡散による金色の青銅のための改良された技法 - Google Patents
制御された条件下における錫と銅との相互拡散による金色の青銅のための改良された技法 Download PDFInfo
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Description
・シナリオ1
1)軟鋼のブランクの、徹底的な洗浄、酸洗い、及びエッチ洗浄;
2)アルカリ性の銅の溶液の使用による軟鋼ブランク上への直接的な銅(Cu)層の電気メッキ;
3)既にアルカリ性の銅でメッキされたブランク上の錫(Sn)の電解メッキ。錫の厚みは、必要とされる青銅層の厚みによって、約1.0μm〜約5.0μmの範囲にある;
4)次いで、銅メッキの非常に薄い層が、既にメッキされたSn/Cuの上にメッキされる。この銅の薄いフラッシュ最上層は、約0.2μm〜約0.8μmであり、残留錫溜まりを軽減するか、又は除外するため、並びに焼鈍の際の均一な表面の色を達成するためにメッキされ、多層ブランクが得られる;
5)この多層ブランクは、所定の一式の焼鈍条件(焼鈍炉中にて還元雰囲気中で550℃〜750℃、20〜80分)で焼鈍される;
6)焼鈍されたブランクは、次いで適切に冷却される;及び
7)冷却されたブランクはバニシ仕上げされて、いつでもストライクできる(RTS)ブランクを生産する。
1)軟鋼のブランクの、徹底的な洗浄、酸洗い、及びエッチ洗浄;
2)アルカリ性の銅の溶液の使用による軟鋼ブランク上への直接的な銅層の電気メッキ;
3)既にアルカリ性の銅でメッキされたブランク上の錫の電解メッキ。錫の厚みは、必要とされる青銅層の厚みによって、約1.0μm〜約5.0μmの範囲にある;
4)次いで、亜鉛メッキの非常に薄い層が、既にメッキされたSn/Cuの上にメッキされる。この亜鉛の薄い層は、約0.2μm〜約0.8μmであり、残留錫溜まりを軽減するか、又は除外するため、並びに焼鈍の際の均一な表面の色を達成するためにメッキされ、多層ブランクが得られる;
5)この多層ブランクは、所定の一式の焼鈍条件(焼鈍炉中にて還元雰囲気中で550℃〜750℃、20〜80分)で焼鈍され、それによって、Sn、Zn、及びCuからなる三元の青銅が形成される;
6)焼鈍されたブランクは、次いで適切に冷却される;及び
7)冷却されたブランクはバニシ仕上げされて、いつでもストライクできる(RTS)ブランクを生産する。
1)軟鋼のブランクの、徹底的な洗浄、酸洗い、及びエッチ洗浄;
2)アルカリ性の銅の溶液の使用による軟鋼ブランク上への直接的な銅層の電気メッキ;
3)既にアルカリ性の銅でメッキされたブランク上の錫の電解メッキ。錫の厚みは、必要とされる青銅層の厚みによって、約1.0μm〜約5.0μmの範囲にある;多層ブランクが得られる;
4)この多層ブランクは、所定の一式の焼鈍条件(炉中にて還元雰囲気中で550℃〜750℃、20〜80分)で焼鈍される;
5)焼鈍されたブランクは、次いで適切に冷却される;及び
6)冷却されたブランクはバニシ仕上げされて、いつでもストライクできる(RTS)ブランクを生産する。
1)軟鋼のブランクの、徹底的な洗浄、酸洗い、及びエッチ洗浄;
2)アルカリ性の銅の溶液の使用による軟鋼ブランク上への直接的な銅層の電気メッキ。アルカリ性の銅層はストライク層のように作用し、その厚みは約3.0μm〜約8.0μmである;
3)次いで、厚い銅が既にメッキされたブランク上にメッキされる。この銅のメッキは、約10μm〜約35μmである。この銅のメッキは、アルカリ性、酸性、シアン化合物を含有する、シアン化合物を含有しない、等の、いずれかの種の銅メッキ液を使用、好ましくは酸性の銅の溶液を使用して行うことができる。
4)既にアルカリ性の銅でメッキされたブランク上の錫の電解メッキ。錫の厚みは、必要とされる青銅層の厚みによって、約1.0μm〜約5.0μmの範囲にある;
5)次いで、銅メッキの非常に薄い層が、既にメッキされたSn/Cuの上にメッキされる。この銅の薄い層は、約0.2μm〜約0.8μmであり、残留錫溜まりを除外するため、並びに焼鈍の際の均一な表面の色を達成するためにメッキされ、多層ブランクが得られる;
6)この多層ブランクは、所定の一式の焼鈍条件(炉中にて還元雰囲気中で550℃〜750℃、20〜80分)で焼鈍される;
7)焼鈍されたブランクは、次いで適切に冷却される;及び
8)冷却されたブランクはバニシ仕上げされて、いつでもストライクできる(RTS)ブランクを生産する。
1)軟鋼のブランクの、徹底的な洗浄、酸洗い、及びエッチ洗浄;
2)アルカリ性の銅の溶液の使用による軟鋼ブランク上への直接的な銅層の電気メッキ;
3)酸性の銅の溶液を使用することによる、既にあるアルカリ性の銅の上への約2μm〜約3μmの薄い銅の電解メッキ;
4)既に銅でメッキされたブランク上の錫の電解メッキ。錫の厚みは、必要とされる青銅層の厚みによって、約1.0μm〜約5.0μmの範囲にある;
5)次いで、亜鉛メッキの非常に薄い層が、既にメッキされたSn/Cuの上にメッキされる。この亜鉛の薄い層は、約0.2μm〜約0.8μmであり、残留錫溜まりを除外するため、並びに焼鈍の際の均一な表面の色を達成するためにメッキされ、多層ブランクが得られる;
6)この多層ブランクは、所定の一式の焼鈍条件(炉中にて還元雰囲気中で550℃〜750℃、20〜80分)で焼鈍される;
7)焼鈍されたブランクは、次いで適切に冷却される;及び
8)冷却されたブランクはバニシ仕上げされて、いつでもストライクできる(RTS)ブランクを生産する。
アルカリ性銅メッキ液の組成は以下のとおりである。
E−Brite Ultra Cu:40容量%
E−Brite Ultra Cu−E:10容量%
E−Brite Ultra Cu−pHA:10容量%
pH値:9.8±0.2
温度:49℃±2℃
電流密度:0.2〜0.5A/dm2
錫メッキ液の組成は以下のとおりである。
硫酸第1錫:20.0グラム/リットル
硫酸:8.0容量%
Stannolume NF Carrier:2.0容量%
Stannolume NF Additive:0.1容量%
温度:20℃±2℃
電流密度:0.25A/dm2
1.1実験条件
5μmのニッケル層、20μmの銅層、及び2.5μmの錫層を含む複数のメッキを施された硬貨のブランクが、還元雰囲気で650℃、60分、焼鈍された。これら厚みはメッキされたブランクの中央で測定されたことに注意すべきである。電気メッキ中、ブランクの中央部と端部とにおける異なる電流分布によって、異なる層のメッキ厚はブランクの表面全体に亘って変化する。これはドッグボーン効果として参照されており、すなわちメッキは端部において中央部より厚い。
図11及び図12は、ブランクの中央部及び端部それぞれにおける断面の光学顕微鏡写真である。図11において、拡散の際に、金色の青銅の色を有する拡散層が12.36μmの深さまで形成され、その下にはピンクの層が存在することが観察された。ピンクの層は、銅リッチな相とニッケルリッチな相とを含む。銅リッチな相は、少量の錫と大量の銅とを含む。ニッケルリッチな相は、コアからピンクの層を通じて金色の青銅層とピンクの層との間の境界まで延在する濃い灰色のデンドライト相として見ることができる。これらデンドライト相は、頂面から約12μm〜約20μmの深さに比較的均一に分散している。しかし、図12における同じブランクの端部では、青銅の最上層とピンクの層とは明らかに存在するが、そのような濃い灰色のデンドライト相は観察されない。銅とニッケルとの境界にニッケルの銅の中へのわずかな相互拡散を示すいくつかの小さい灰色の分散した生成物が観察されたことに注目すべきである。
2.1実験条件
25μmの銅層及び2.5μmの錫層を含む複数のメッキを施された硬貨のブランクが、還元雰囲気で700℃の一定の焼鈍温度で、30分の焼鈍滞留時間、焼鈍された。これら厚みはメッキされたブランクの中央部で測定されたことに注意すべきである。
エッチングされたブランクの中央部と端部とのそれぞれの断面が、図13及び図14に示されている。図13及び図14は、拡散層のピンクの領域には濃い灰色のデンドライト相が形成されなかったことを示している。メッキされたブランクの中央部及び端部の両方における金色の青銅層の厚みは比較的均一であり、拡散した金色の青銅層は、ブランクが最初にニッケルでメッキされた層(実施例1)の場合におけるより明らかに厚い。
3.1実験条件
25μmのアルカリ銅層、2.0μmの錫層、及び0.3μmの銅最上層を含む複数のメッキを施された硬貨のブランクが、15%のH2及び85%のN2からなる還元雰囲気で700℃の一定の焼鈍温度で、30分の焼鈍滞留時間、焼鈍された。
図15は得られた焼鈍後のブランクを示す。ブランクは均一な金色の青銅層を有する。図16は、図15の焼鈍されたブランクの断面の光学顕微鏡写真を示す。ニッケル無しでは、濃い灰色のデンドライト相が形成されなかったことがここでもわかる。また、ピンクの層に対する金色の青銅層の厚みは、ブランクが銅の最上層(実施例2参照)でメッキされた場合におけるよりも厚いことに注意すべきである。ピンクの層の厚みに対する金色の青銅層の厚みの比は、1より大きく、銅の最上層が金色の青銅層における均一な拡散に十分に参加していることがわかる。すなわち、ニッケル層が無いこと及び銅の最上層の使用は、本方法の所定の焼鈍条件の下では、錫と銅との間の拡散を促進させる。図16及び図17に示す走査型電子顕微鏡分析から、均一な金色の青銅層を、図18のEDS(エネルギー分散型X線分光計)分析によって図示されるように、青銅の最上層における11重量%の錫を含むブランク上に形成することができる。
4.1実験条件
5μmのニッケル層、20μmのアルカリ銅層、5.0μmの錫層、及び0.3μmの亜鉛最上層を含む複数のメッキを施された硬貨のブランクが、還元雰囲気で650℃の一定の焼鈍温度で、60分の焼鈍滞留時間、焼鈍された。これら厚みはメッキされたブランクの中央部で測定されたことに注意すべきである。
図19に示す焼鈍されたブランクの中央部の後方散乱電子顕微鏡の断面写真は、ブランクの小領域にデンドライト相を含む。図20に示すSEM分析は、これらデンドライト相が、ほんの少しのニッケルしか観察されない周囲の銅リッチの相とは対照的に、ニッケル層から10〜14μm離れていてさえ、非常に大量のニッケルを含むことを示している。より正確には、これらデンドライト相におけるニッケルの含有量は20重量%と高く、一方で周囲の銅リッチな領域におけるニッケルの含有量は2重量%よりずっと少ない。これら結果は、錫、ニッケル、及び銅を含む新しい相がこれら元素の間での拡散の結果として形成され得ること、大量のニッケル原子が上方に移動できること、及び大量の錫原子がNi−Cu−Snの三元金属間化合物の形成によって消費され得ること、を示唆している。したがって、これら結果は、錫は青銅層の形成に十分には参加しないことを暗示する。
Claims (41)
- 青銅の外観を有する物品を生産する方法であって、
外側接触領域を有するコアと、
前記コアの前記外側接触領域上にメッキされた、所定の銅層厚を有する銅層と、
前記銅層上にメッキされた錫層と、
前記錫層上にメッキされた金属最上層であって、銅及び亜鉛のうちの少なくとも一方を含むとともに所定の最上層厚を有する、前記金属最上層と、
を有する多層基板を焼鈍するステップを備える方法において、
前記コアの前記外側接触領域はニッケルを有さず、それによって焼鈍中の前記外側接触領域の近傍における錫とニッケルとを含む金属間化合物の形成を減少させるか、又は防止し、
前記焼鈍するステップは、所定の焼鈍温度で、所定の焼鈍滞留時間、行われ、前記焼鈍温度及び前記焼鈍滞留時間は、前記錫層の前記銅層の中への拡散を可能とするとともに、相互拡散した外側青銅層を備える焼鈍された基板を作るように制御され、
前記錫層は、前記錫層の前記銅層及び前記金属最上層との拡散を可能として8重量%〜15.8重量%の錫含有量を有する前記相互拡散した外側青銅層を作り、かつ、焼鈍中の錫溜まりの形成を軽減するか、又は防止するように、前記銅層厚と、前記最上層厚と、に応じた錫層厚でメッキされる、方法。 - 前記錫層厚は、前記相互拡散した外側青銅層が10重量%〜15重量%の錫含有量を有するようにされていることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記焼鈍温度を異なる温度レベルに従って制御するステップを備え、それによって前記多層基板が前記焼鈍滞留時間の所定の期間、それぞれの温度レベルに保持されることを可能にすることを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 前記焼鈍温度を制御するステップを備え、それによって前記多層基板が前記滞留時間の間、所定の一定の温度レベルに保持されることを可能にすることを特徴とする請求項2又は3に記載の方法。
- 前記焼鈍温度は、425℃〜815℃であることを特徴とする請求項3又は4に記載の方法。
- 前記焼鈍するステップは、前記多層基板を、制御された前記焼鈍温度で作動されている複数の加熱ゾーンを通過させるステップを備え、それによって前記多層基板を対応する前記焼鈍温度に加熱することを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記焼鈍するステップは、前記複数の加熱ゾーンを備える焼鈍装置の中で行われることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記焼鈍するステップは、回転レトルト式焼鈍炉又はベルトコンベア式炉の中で行われることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記焼鈍滞留時間は、10分〜90分であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記焼鈍滞留時間は、30分〜60分であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記焼鈍するステップは、制御された焼鈍組成を有する焼鈍雰囲気の下で行われることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記焼鈍組成は、還元雰囲気を作るための少なくとも1つの成分を備えることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記コアを前記銅層でメッキして、銅メッキされた基板を作るステップと、
前記銅メッキされた基板を前記錫層でメッキして、前記多層基板を作るステップと、
をさらに備えることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。 - 酸性の溶液で前記銅層をエッチングするステップをさらに備え、前記錫層をメッキする前にエッチングされた銅層表面を作り、それによって前記錫層の付着力を前記エッチングされた銅層表面上で強化することを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記銅層をメッキするステップは、非酸性の銅電解メッキ液で電解メッキするステップによって行われ、前記錫層をメッキするステップは、酸性の、シアン化合物を含む、シアン化合物を含まない、中性の、又はわずかにアルカリ性の溶液、或いはそれら溶液の混合物を備える錫電解メッキ液で電気メッキするステップによって行われることを特徴とする請求項13又は14に記載の方法。
- 前記非酸性の銅電解メッキ液は、シアン化合物を含むアルカリ性の溶液であることを特徴とする請求項15に記載の方法。
- 前記銅層厚は、5μm〜45μmであることを特徴とする請求項1〜16のいずれか一項に記載の方法。
- 前記錫層厚は、1μm〜7μmであることを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載の方法。
- 前記相互拡散された外側青銅層は、6μm〜35μmの厚みを有すことを特徴とする請求項1〜18のいずれか一項に記載の方法。
- 前記銅層は、第1の銅層厚を有するメッキされた第1の銅層と、前記第1の銅層と接触するとともに第2の銅層厚を有するメッキされた第2の銅層と、を備え、前記銅層厚は、前記第1の銅層厚と前記第2の銅層厚との合計であることを特徴とする請求項1〜19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の銅層厚は3μm〜10μmであり、前記第2の銅層厚は10μm〜35μmであることを特徴とする請求項20に記載の方法。
- 前記最上層厚は、0.1μm〜4μmであることを特徴とする請求項1〜21のいずれか一項に記載の方法。
- 前記多層基板は、硬貨のブランクであることを特徴とする請求項1〜22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記コアは、鋼、アルミニウム、黄銅、銅、又はそれらの合金、或いはそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項1〜23のいずれか一項に記載の方法。
- 前記外側接触領域は、錫との組み合わせにおいて金属間デンドライト相を形成する場合がある金属又は金属化合物を含まないことを特徴とする請求項1〜24のいずれか一項に記載の方法。
- 前記外側接触領域はクロムを含まず、それによってクロムと錫とを含む金属間相の形成を回避することを特徴とする請求項1〜24のいずれか一項に記載の方法。
- 金属の相互拡散を急速に停止させるために前記焼鈍された基板を焼入れするステップをさらに備え、焼入れされた基板を作ることを特徴とする請求項1〜26のいずれか一項に記載の方法。
- バニシ仕上げされた基板を作るために、前記焼入れされた基板の相互拡散した外側青銅層をバニシ仕上げするステップをさらに備えることを特徴とする請求項1〜27のいずれか一項に記載の方法。
- 前記バニシ仕上げされた基板を洗浄するステップと、乾燥するステップと、をさらに備えることを特徴とする請求項28に記載の方法。
- 外側接触領域を有するコアと、
前記外側接触領域上にメッキされた銅の第1の層、錫の中間層、及び銅及び亜鉛のうちの少なくとも1つを備える金属最上層を焼鈍することによって作られる青銅領域であって、焼鈍によって生じた相互拡散した銅及び錫を備える、前記青銅領域と、
を備える青銅の外観を有する物品であって、
前記錫は前記銅と完全に相互拡散して、8重量%〜15.8重量%の錫濃度で存在し、前記コアの前記外側接触領域は、前記青銅領域におけるニッケルと錫とを含む金属間化合物相を回避するためにニッケルを有さず、前記青銅の外観を有する物品の外面には錫溜まりが無いことを特徴とする青銅の外観を有する物品。 - 前記青銅領域の前記外面はバニシ仕上げされていることを特徴とする請求項30に記載の青銅の外観を有する物品。
- 前記金属最上層は、0.1μm〜0.8μmの厚みを有することを特徴とする請求項31に記載の青銅の外観を有する物品。
- 前記コアは、鋼、アルミニウム、黄銅、銅、又はそれらの合金、或いはそれらの組み合わせを備えることを特徴とする請求項30〜32のいずれか一項に記載の青銅の外観を有する物品。
- 前記青銅領域は、銅及び錫と相互拡散した亜鉛をさらに含むことを特徴とする請求項30〜33のいずれか一項に記載の青銅の外観を有する物品。
- 硬貨の形状、ディスクの形状、又は平坦な物体の形状を有することを特徴とする請求項30〜34のいずれか一項に記載の青銅の外観を有する物品。
- 青銅の外観の物品の生産に使用するための多層基板であって、該多層基板は、
外側接触領域を有するコアと、
前記コアの前記外側接触領域上にメッキされた、所定の銅層厚を有する銅層と、
前記銅層上にメッキされた錫層と、
前記錫層上にメッキされた金属最上層であって、銅と亜鉛とのうちの少なくとも1つを有するとともに、所定の最上層厚みを有する前記金属最上層と、
を有し、
前記コアの前記外側接触領域はニッケルを有さず、それによって焼鈍処理中の前記外側接触領域の近傍における、錫とニッケルとを含む金属間化合物の形成を軽減するか、又は防止し、
前記錫層は、前記銅層厚及び前記最上層厚に応じた錫層厚を有して、前記焼鈍処理の際の、前記錫層の、前記銅層及び前記最上層との拡散を可能とし、それによって8重量%〜15.8重量%の錫含有量を有する相互拡散した外側青銅層を形成するとともに前記焼鈍中の錫の溜まりの形成を軽減するか、又は防止することを特徴とする、多層基板。 - 硬貨のブランクを生産するための、請求項1〜29のいずれか一項に記載の方法の使用。
- 硬貨、ディスク、又は平坦な物体としての、請求項30〜35のいずれか一項に記載の青銅の外観を有する物品の使用。
- 青銅の外観を有する物品を焼鈍によって生産するための、請求項36に記載された多層基板の使用。
- 青銅の外観を有する物品を生産する方法であって、
外側接触領域を有するコアと、
前記コアの前記外側接触領域上にメッキされた、所定の銅層厚を有する銅層と、
前記銅層上にメッキされた錫層と、
前記錫層上にメッキされた金属最上層であって、銅及び亜鉛のうちの少なくとも1つを含むとともに、所定の最上層厚を有する前記金属最上層と、
を備える多層基板を焼鈍するステップを備える方法において、
前記コアの前記外側接触領域はニッケルを有さず、それによって焼鈍中の前記外側接触領域の近傍における、錫とニッケルとを含む金属間化合物の形成を軽減するか、又は防止し、
前記焼鈍するステップは、所定の焼鈍滞留時間の間、所定の焼鈍温度で行われ、前記焼鈍温度と前記焼鈍滞留時間とは、前記錫層の前記銅層中への拡散を可能とし、かつ相互拡散した外側青銅層を備える焼鈍された基板を作るように制御され、
前記錫層は、前記相互拡散した外側青銅層が8重量%未満の錫含有量を有し、かつ前記焼鈍するステップ中の錫溜まりの形成を軽減するか、防止するために前記錫層の前記銅層及び前記金属最上層との拡散を可能とするように、前記銅層厚及び前記最上層厚に応じた錫層厚でメッキされる、方法。 - 貨幣のブランクを生産するための、請求項40に記載の方法の使用。
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