KR100390591B1 - 황금빛을 띠는 구리 합금 - Google Patents
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Abstract
황금빛을 띠는 동전 주조에 유용한 구리 기재 합금이 제공된다. 이러한 물질은 구리 합금 C713과 실질적으로 유사한 횡단 전기 전도성을 가지며, 구리 합급 C110 코어에 클래딩될 경우, 횡단 전기 전도성이 수잔 B 안토니(Susan B. Anthony) 미국 달러 동전의 양면과 실질적으로 유사하다. 이러한 구리 기재 합금은 구리-망간-아연-니켈 합금이다.
Description
본 발명은 황금빛 외관을 갖는 구리 기재 합금에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 구리 기재 합금은 일체식 재료로서 또는 클래딩 층으로서, 동전 주조에 사용되는 화폐 판금 인쇄용으로 유용하다.
수잔 비. 안토니 미국 1달러 동전(Susan B. Anthony, SBA)은 구리 합금 C110 코어 및 코어의 반대쪽 양면에 결합된 구리 합금 C713 클래딩 층으로 클래딩된 3층 클래딩물이다. 구리 합금 C110은 구리 99.95중량% 및 산소 0.04중량%의 공칭 조성을 가지며 흔히 전해 터프 피치(electrolytic tough pitch, ETP) 구리로 공지되어 있다. 구리 합금 C713의 조성은 니켈 23.5 내지 26.5중량%와 잔여량의 구리로 이루어진다. 구리 합금 C713은 흔히 백동(cupronickel)으로 공지되어 있다.
SBA에서, ETP 구리 코어는 동전 전체 두께의 약 50%를 구성하며 두 개의 쿠프로니켈 클래딩 층 각각은 전체 두께의 약 25%를 구성한다.
SBA와 관련된 중요한 문제점은 상기 동전이 미국 25센트 은화의 색과 유사한 은/회색 외관을 갖는다는 점이다. SBA 및 SBA의 표면값 0.25만을 갖는 25센트 은화는 또한 크기와 중량 면에서 유사하기 때문에, SBA가 25센트 은화로 오해되는 것은 이상한 일도 아니다.
미국은 1달러 동전이 25센트 은화로부터 용이하게 구별되도록 하는 것이 바람직하다. 미국 화폐 주조국은 신규한 1달러 동전이 황금빛 외관을 가져야 한다고 제안해 왔다.
수 많은 화폐용 황금빛 물질이 공지되어 있다. 문헌[프린즈(Prinz) 등에 허여된 미국 특허 제4,401,488호]에는, 니켈 4 내지 6중량%와 알루미늄 4 내지 6중량%를 함유하는 구리 기재 합금이 기재되어 있다. "구리 기재"란 합금이 기본 물질, 즉 구리를 50중량% 이상 함유함을 의미한다.
윈터(Winter) 등의 미국 특허 제4,330,599호에는, 2 내지 3.5중량%의 알루미늄과 1 내지 2.5중량%의 규소를 함유하는 구리 기재 합금이 기재되어 있다. 다수의 황금빛을 띠는 구리 합금은 브리디즈(Breedis) 등의 미국 특허 제5,472,796호에 기재되어 있다. 미국 특허 제5,472,796호에 기재되어 있는 합금은 공칭 조성이 92중량%의 구리, 6중량%의 알루미늄 및 2중량%의 니켈인 구리 합금 C6155; 공칭 조성이 89중량%의 구리, 5중량%의 알루미늄, 5중량%의 아연 및 1중량%의 주석인 스웨덴 크라운(Swedish Crown) 및; 공칭 조성이 70중량%의 구리, 24.5중량%의 아연 및 5.5중량%의 니켈인 영국 파운드(UK Pound)를 포함한다.
신규한 달러 동전의 두 번째 요건은 전기 신호가 SBA의 전기 신호와 거의 동일해야 하는 것이다. 자동 판매기에서 발견되는 바와 같은 자동 동전 판별기는 동전의 진위여부 및 액면 가격을 결정하는 판별기를 사용한다. 와전류(eddy current) 게이지라고 하는 한 가지 유형의 자동 동전 판별기는 교류가 흐르고 있는 전기 코일에 인접하게 동전을 위치시킨다. 여자(勵磁) 전류라고 하는 교류는 와전류가 동전에 흐르도록 한다. 와전류의 크기 및 타이밍은 동전의 전기 전도도의 함수이다. SBA는 여자 전류의 주파수가 60kHz인 경우에는 횡단방향에서의 (하나의 주평면으로부터 이에 대해 반대쪽에 있는 평면까지에서의) 전기 전도도가 약 49% IACS이고, 여자 전류의 주파수가 480kHz인 경우에는 약 6.6% IACS이다.
IACS는 "국제 어닐링된 구리 표준(International Annealed Copper Standard)"을 의미하며 20℃에서 "순수한" 구리의 전도도 값을 100% IACS로 지정한다.
미국 특허 제4,525,434호에는, 망간, 아연, 니켈 및 알루미늄을 함유하는 구리 합금이 기재되어 있다. 당해 합금에 철, 코발트 및 주석을 임의로 가한다. 청구된 합금은 클래드 리드프레임에서의 내산화성 및 유용성이 우수한 것으로 기재되어 있다. 청구된 합금의 가장 높은 전기 전도도는 3.1% IACS이다.
신규한 1달러 동전의 세 번째 요건은 수년에 걸친 연장된 기간 동안 동전이 황금빛을 띠도록 하는 내변색성이다.
현재 입수가능한 어떠한 황금빛 착색된 클래드 물질도 화폐 주조에 대한 위의 세가지 요건, 즉 황금빛 외관, SBA(미국의 1달러 동전)의 전기 신호와 유사한 전기 신호 및 내변색성을 모두 만족시키지는 못하는 것으로 믿어진다. 따라서, 이러한 화폐 주조용 물질에 대한 필요성이 여전히 존재한다.
발명의 요약
따라서, 본 발명의 목적은 황금빛을 띠며 동전 주조에 유용한 구리 기재 합금을 제공하는 것이다. 본 발명의 추가 목적은 구리 기재 합금이 구리 합금 C713의 전기 신호와 유사한 전기 신호를 가지며 연장된 기간 동안 황금빛을 유지하기에 적합한 내변색성을 갖는다는 점이다.
본 발명의 특징은 구리 기재 합금이 일체식 물질 또는 클래딩 층으로 유효하게 사용될 수 있다는 점이다. 클래딩 층으로 사용되는 경우, 코어는 전형적으로 90% IACS를 초과하는 전기 전도성이 높은 구리 또는 구리 기재 합금으로부터 형성된다. 본 발명의 바람직한 양태에서, 코어는 구리 합금 C110으로부터 형성된다.
본 발명의 다른 특징은 구리 기재 합금이 황금빛 외관과 5 내지 7% IACS 정도의 전기 전도도를 갖는다는 점이다. 본 발명의 또 다른 특징은 구리 기재 합금이 망간 및 아연을 함유한다는 점이다. 바람직한 양태에서, 니켈을 2 내지 6중량%로 구리 기재 합금에 가하여 내변색성을 개선시킨다.
본 발명의 또 다른 특징은 클래드가 형성되는 경우, 코어가 클래드 물질의 전체 두께의 약 50%를 구성하며 각각의 클래딩 층이 전체 두께의 약 25%를 구성한다는 점이다.
본 발명의 장점들 중 하나는 구리 기재 합금이 황금빛 외관을 가지며 일체식 형태로서의 또는 클래딩 층으로서의 동전 주조용 화폐 판금으로서 적합하다는 점이다. 본 발명의 또 다른 장점은 클래드 물질의 전기 신호가 60 내지 480kHz의 주파수에서 와전류 게이지로 측정되는 경우에 SBA의 전기 신호와 유사하다는 점이다. 이러한 장점은 SBA를 확인하기 위해 현재 사용중인 전자 동전 판별기의 연속적인 사용을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 클래드 물질로부터 형성된 화폐 판금의 하부 평면도를 도시한 것이다.
도 2는 선행 기술로부터 공지된 바와 같은 채도 및 색상에 대한 2차원 시랩(CIELAB) 컬러 챠트를 그래픽적으로 도시한 것이다.
도 3은 선행 기술로부터 공지된 바와 같은 채도, 색상 및 명도에 대한 3차원 입체 랩(LAB) 컬러 입체도를 그래픽적으로 도시한 것이다.
도 4는 도 1의 화폐 판금의 횡단면을 도시한 것이다.
도 5는 전기 전도도를 측정하기 위한 와전류 게이지의 사용을 도시한 것이다.
도 6은 선행 기술로부터 공지된 바와 같은 색 허용도의 컬러 측정 위원회(Colour Measurement Committee; CMC)의 타원체를 그래픽적으로 도시한 것이다.
도 7은 오버레이드된 CMC 타원체를 사용하여 제1 시랩 스케일에 플로팅된 본 발명의 합금을 그래픽적으로 도시한 것이다.
도 8은 오버레이드된 CMC 타원체를 사용하여 제2 시랩 스케일에 플로팅된 본 발명의 합금을 그래픽적으로 도시한 것이다.
본 발명에 따라, 필수적으로 망간 5 내지 10중량%, 아연 10 내지 14중량%, 니켈 2 내지 6중량% 및 잔여량의 구리와 불가피한 불순물로 이루어지는 구리 합금이 제공된다. 당해 구리 합금은 60 내지 480kHz의 와전류 게이지 여자 주파수에서 4% IACS를 초과하는 전기 전도도를 갖는다.
위에서 언급한 목적, 특징 및 장점은 다음의 설명 및 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 클래드 화폐 판금(10)의 하부 평면도를 도시한 것이다. 화폐 판금은, 전면 및 배면에 목적하는 모양을 각인하기 위해 후속적으로 동전으로서 주조되는 동전 블랭크(coin blank)이다. SAB 동전으로서 주조되는 화폐 판금의 직경은 동전 테두리 가공(rimming) 전에는 약 26.92㎜(1.06인치)이고, 동전 테두리 가공 후에는 약 26.42㎜(1.04인치)이며, 공칭 두께는 1.65㎜(0.065인치)이다.
색은 분광법 또는 기타 다른 수단으로 결정될 수 있다. 버지니아주 레스톤 소재의 헌터 어소시에이트 래보러토리, 인코포레이티드(Hunter Associates Laboratory, Inc)가 제공하는 바와 같은 장치는, "명암도(value)"로서 통상 언급되는 밝기 속성과 "색상" 및 "채도"로서 통상 언급되는 두 가지 색채 속성에 따라 색을 정량화한다.
색상은 사물을 녹색, 청색, 적색, 황색 등으로 인지하는 색 지각을 의미한다. 채도는 색의 농도이고, 회색으로부터 순수한 색상에 이르는 범위를 갖는다. 명암도는 색의 밝기를 의미하고 백색으로부터 흑색에 이르는 범위를 갖는다.
색을 규정하는 한 가지 방법은 시랩(CIELAB) 스케일에 의한 것이다. CIE는 Commission Internationale de l'Eclairage(International Commission on Illumination)을 의미하고, LAB은 헌터(Hunter) L, a, b 스케일을 의미한다. 도 2에서 설명한 바와 같이, 시랩 칼라 차트는 칼라 차트 주위에서 아치형으로 연장된 a*값과 ab*값의 조합으로서 색상을 표현하며, +a*은 적색이고, -a*은 녹색이며, +b*는 황색이고 -b*는 청색이다. 채도는 원의 중심으로부터의 값으로서 표현되고, 중심(0)은 회색이고 ±60은 특정 색이 완전히 진한 것이다. 또한, 도 3을 참조하면, 명암도는 색상, 채도 및 밝기의 조합이 3차원 구(sphere)상의 특정 지점 및 특정 색을 나타내도록 백색으로부터 흑색에 이르는 범위를 갖는 수치 L*로서 나타내어진다.
또는, 구리 합금의 색을 금과 금 합금을 비교하여 주관적으로 결정한다.
목적하는 황금빛 클래드 물질은 회색 또는 은색 동전의 색보다는 10캐럿 금까지의 금 합금 또는 금의 색과 더 유사한 색을 갖는다. 10캐럿 금은 필수적인 금 함량이 41.7중량%이고, 나머지는 은과 구리와의 혼합물이다.
도 4는 도 1의 클래드 화폐 판금(10)의 단면을 나타낸 것이다. 클래드 화폐 판금은 제1 대향면(16)과 제2 대향면(18)에 의해 한정되는 제1 두께(14)를 갖는 코어(12)를 갖는다.
코어(12)는 순수한 구리 또는 전기 전도도가 90% IACS를 초과하는 구리 기재 합금으로부터 형성된다. "기재"는 야금학에서 통상적으로 사용되는 용어이며 합금이 기재 금속을 50중량% 초과하여 함유함을 의미하고, 본원에서는 구리를 50중량% 초과하여 함유함을 의미한다. 바람직하게는, 코어의 전기 전도도는 99% IACS보다 크며, 가장 바람직하게는 코어는 구리 합금 C110으로부터 형성된다.제1 클래딩 층(20)은 제2 두께(22)를 갖고, 제1 대향면(16)에 결합되어 있다. 바람직하게는, 이 결합은 두개의 층들의 금속 원자들이 서로 결합되어 있는 야금학적 결합, 예를 들면, 클래딩이다. 클래딩은 전형적으로 동시-압연(co-rolling) 또는 폭발적 형성의 결과이다.
제3 두께(26)를 갖는 제2 클래딩 층(24)은 제2 대향면(18)에 결합된다. 또한, 이러한 결합은 바람직하게는 야금학적 결합(예: 클래딩)이다.
제1 클래딩 층(20) 및 제2 클래딩 층(24)은 모두 망간과 아연을 클래딩 층에 황금빛 색상을 부여하기에 유효한 양으로 함유하는 구리 기재 합금이다. 클래딩 층에 유효한 한 조성은 6 내지 12중량%의 망간, 6 내지 25중량%의 아연 및 잔여량의 구리와 불가피한 불순물이다.
클래딩에 보다 바람직한 조성은 7 내지 10중량%의 망간, 10 내지 15중량%의 아연 및 잔여량의 구리와 불가피한 불순물이다. 가장 바람직한 공칭 조성은 8중량%의 망간, 12중량%의 아연 및 잔여량의 구리이다.
내변색성을 증진시키기 위해, 제1 클래딩 층과 제2 클래딩 층은 모두 6중량% 이하의 니켈을 추가로 함유하고, 바람직하게는 2 내지 6중량%의 니켈을 함유하며 가장 바람직하게는 3.5 내지 4.5중량%의 니켈을 함유한다. 니켈이 존재하는 경우, 아연 함량은 황금빛 외관을 유지하기 위해 증가될 수 있다. 니켈이 합금에 존재하는 경우, 적합한 조성은 10 내지 20중량%의 아연, 2 내지 6중량%의 니켈, 3 내지 10중량%의 망간 및 잔여량의 구리이다. 바람직한 조성은 10 내지 14중량%의 아연, 2 내지 6중량%의 니켈, 5 내지 10중량%의 망간 및 잔여량의 구리와 불가피한 불순물이다. 보다 바람직한 조성은 11 내지 12중량%의 아연, 3.5 내지 4.5중량%의 니켈, 6.0 내지 7.0중량%의 망간 및 잔여량의 구리와 불가피한 불순물이다. 가장 바람직한 공칭 조성은 12중량%의 아연, 4중량%의 니켈, 6.6중량%의 망간 및 잔여량의 구리이다.
1999년 10월 6일자로 아메리칸 메탈 마켓(American Metal Market)은 미국 조폐국이 미국의 새로운 1달러 클래드 동전의 외부층으로서 구리 77중량%, 아연 12중량%, 망간 7중량% 및 니켈 4중량%의 조성을 갖는 본 출원인의 합금을 선택했음을 공고했다.
선행된 클래딩 층 조성 양태 둘 다의 경우, 클래딩 층의 전기 전도도가 60kHz 내지 489 kHz의 여자 주파수에서 와전류 게이지로 측정되는 경우에 4% IACS를 초과한다. 보다 바람직하게는, 전기 전도도는 약 5% 내지 7%의 IACS이다. 가장 바람직하게는, 각각의 클래딩 층의 전기 전도도는 5.1% 내지 6.1% IACS이다.
제1 클래딩 층(20)과 제2 클래딩 층(24)은 화학 조성이 동일할 필요는 없지만, 동전 판별기를 위한 대칭성을 제공하기 위해서는 조성이 유사한 것이 바람직하고, 화학 조성이 동일한 것이 가장 바람직하다. 유사하게, 제2 두께(22)는 제3 두께(26)와 거의 동등해야 한다. 바람직하게는, 제1 두께(14)는 클래드 화폐 판금의 전체 두께의 40 내지 60%를 구성하고, 제1 클래딩 층(20)과 제2 클래딩 층(24)은 각각 전체 두께의 20 내지 30%를 구성한다. 두께에 의한 바람직한 공칭 조성은 제1 클래딩 층 25%, 코어 50% 및 제2 클래딩 층 25%이다.
코어나 클래딩 층의 특성에 영향을 미치기 위해서 추가의 합금 원소를 가할 수 있다. 클래딩 층에 가해지는 적합한 첨가제는 철, 크롬, 알루미늄, 주석 및 인을 포함한다. 이러한 첨가제는 클래딩 층의 황금빛 외관을 열화시키지 않으면서 전기 전도성을 현저하게 변화시키지 않는 양보다 적은 양으로 존재해야 한다.
바람직하게는, 알루미늄 및/또는 주석은 0.5중량% 미만, 바람직하게는 0.1중량% 미만, 가장 바람직하게는 0.07중량% 미만으로 존재한다. 인은 1중량% 미만, 보다 바람직하게는 0.2중량% 미만으로 존재한다. 크롬은 0.5중량% 미만, 바람직하게는 0.3중량% 미만으로 존재한다. 철은 합금의 어닐링 동안 입자를 형성한다. 이러한 입자는 등축 과립의 형성을 방해한다. 철 함량은 0.5중량% 미만, 바람직하게는 0.2중량% 미만으로 존재해야 한다.
클래딩 이후, 횡단 전기 전도도(제1 외부 표면(28)으로부터 제2 외부 표면(30)까지 측정)는 와전류 게이지 여자 전류 주파수가 60 내지 480kHz인 SBA의 전기 전도도와 거의 동일해야 한다. 보다 바람직하게는, 클래드 재료의 횡단 전기 전도도는 60 내지 480kHz의 주파수에서 2% IACS 이내이고, 가장 바람직하게는 0.5% IACS 이내이다. 몇몇 판별기에 대해서는, 위에서 언급한 전기 전도도 값은 10 내지 600kHz의 여자 전류 주파수에 적용되어야 한다.
도 5를 참고해 보면, 클래드 재료 또는 화폐 판금(10)은 전기 코일(32)에 인접하게 배치된다. 목적 주파수의 교류는 코일(32)을 통해 전도되어 클래드 재료(10)에 와전류를 발생시킨다. 클래드 재료의 횡단 전도도는 코일(32)의 임피던스에 영향을 미친다. 코일(32) 임피던스로부터, 클래드 재료의 전기 전도도가 측정될 수 있다. 임의의 시판 중인 와전류 게이지 측정 장치[예: 펜실베니아주 핏츠버그 소재의 포엘스터 인스트루먼츠 인코포레이티드(Foerster Instruments Inc.)가 제조한 시그마테스트(Sigmatest) 게이지]가 이용될 수 있다.
일단, 화폐 판금을 클래드 재료로부터 스탬핑하고, 이를 동전으로 주조하기 전에 어닐링한다. 적합한 어닐링 프로필은 질소 96용적%와 수소 또는 기타 연소성 기체 혼합물 4용적%의 분위기에서 15 내지 20분 동안 700℃이다. 어닐링에 이어서, 수 급냉이 수행될 수 있다.
구리가 코어로부터 제1 클래딩 층과 제2 클래딩 층으로 확산하여 동전의 황금빛 외관에 부정적인 영향을 미치는 것과 같은 부작용을 최소화하기 위하여, 제1 대향면(16)과 제1 클래딩 층(20) 사이 뿐만 아니라 제2 대향면(18)과 제2 클래딩 층(24) 사이에 차단층(도시되지 않음)을 삽입할 수 있다. 이러한 차단층은 니켈, 코발트 및 철 뿐만 아니라 이들의 합금 등의 강자성 물질을 포함할 수 있으며, 이는 클래드 재료의 전자기 특징에 영향을 미친다. 클래드 재료의 전자기 특징에 영향을 덜 미치는 비-강자성 물질은 구리 기재 합금(예: 구리/니켈 20 내지 30중량% 합금, 및 구리/망간 10 내지 20중량% 합금)을 포함한다. 차단층이 사용되는 경우, 코어의 두께와 클래딩 층의 두께를 조절하여 목적하는 횡단 전기 전도도를 유지시킨다.
어닐링 동안 화폐 판금이 변색되는 경우, 한 가지 적절한 표백 공정은 맥브라이트(MACBright) 100(제조원; MacDermid, Waterbury, CT)이라는 상표명의 전매 특허 첨가제를 포함하는 35용적%의 과산화수소 수용액을 사용한다. 세정은 2단계 공정으로 수행한다.
초기 용액은 탈이온수 또는 증류수를 사용하여 제조한, 30용적%의 맥브라이트 제품을 사용하여 제조한다. 황산을 0 내지 0.7용적%의 양으로 이 용액에 가한다. 화폐 판금을 탈지시키고, 38 내지 43℃(100 내지 110℉)의 온도에서 진탕시키면서 30 내지 60초 동안 용액에 도입한다. 이어서, 화폐 판금을 물로-세정하고, 실온에서 5용적%의 황산에 20 내지 30초 동안 침지시켜 완전 수세정물을 수득한 다음, 임의로 벤조트리아졸(BTA) 등의 변색 방지제로 피복시키고, 열풍 건조시킨다.
본 발명의 합금에 대한 열 처리 및 화학 처리에 의해, 합금의 벌크 특성(예: 전기 전도도)에는 감지할 만한 변화를 일으키지 않으면서 표면 화학을 변화시키고 표면색에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 열 처리 및/또는 화학 처리에 의해, 구리 합금의 표면 중의 망간 함량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 클래드 동전 주조 합금의 장점은 다음 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다.
실시예
실시예 1
표 1은, 직접 급냉 주조하고 열간 압연 및 냉간 압연하여 공칭 두께가 1.65mm(0.065inch)로 되도록 어닐링한, 황금빛을 띠는 다수의 구리 기재 합금의 조성을 나타낸다. 구리 기재 합금의 횡단 전기 전도도는 표 2에 명시된 바와 같은 여자 전류 주파수와 와전류 게이지를 사용하여 측정한다. 표 2에 기록된 바와 같이, 본 발명의 구리 기재 합금의 횡단 전기 전도도는 구리 합금 C713의 횡단 전기 전도도와 매우 유사하다.
표 1과 같은 황금빛을 띠는 다수의 구리 기재 합금은 직접 급냉 주조하고 열간 압연하며 추가로 냉간 압연하고 결합에 적합한 두께로 어닐링한다. 이들을 C110 코어와 25%/50%/25%(두께)의 3중 클래드로서 결합한다. 3중 클래드를 냉간 압연하고 최종 두께가 약 1.65mm(0.065inch)로 되도록 어닐링한다.
표 3에는, 다수의 다른 클래드 및 동전 주조 재료와 함께, 이들 클래드의 조성이 기록되어 있다. 표 4에는, 명시된 바와 같은 여자 전류 주파수와 와전류 게이지를 사용하여 측정한 횡단 전기 전도도가 기록되어 있다.
실시예 2
공칭 조성을 갖고, 표 5에 중량%로 나타낸, 1-35로 나타낸 구리 합금을 직접 급냉 주조하고, 두께 12.7mm(0.5in)로 열간 압연시킨 다음, 분쇄하여 산화물을 제거하고, 0.76mm(0.03in)로 냉간 압연한 다음, 연마하여 일정한 표면 마무리를 갖도록 한다. 표 5의 합금 명칭은 표 1 내지 4의 합금 명칭과는 별개이다. 유사한 명칭이 유사한 조성으로 유추되지는 않는다. 합금 명칭 36 내지 43은 비교 합금이다. 합금 36은 18캐럿 금이고 합금 37은 22캐럿 금이다. 합금 38 내지 43은 명명된 기타 구리 합금이다.
이어서, 구리 합금을 울트라스캔(UltraScan) XE 분광광도계(제조원: HunterLab)를 사용하여 분석하고, L, a*및 b*값을 기록한다(도 2 참조). 분석 조건은 10°옵서버, D65 조명이고 기구의 기하 형태는 d/8 구형이다. 색상 및 채도는 다음과 같이 계산한다:
색상 = arctan a*/b*
채도 = (a*2+b*2)½
총 색차는 다음과 같이 계산한다:
ΔE* ab= ((ΔL* ab)2+ (Δa* ab)2+ (Δb* ab)2)1/2
영국 염색 및 착색업자 협회(Society of Dyers and Colourists)의 색상 측정 위원회(Colour Measurement Committee; CMC)에 의해 정의된 바와 같은 색차는 다음과 같이 계산한다:
ΔEcmc= ((ΔL*/lSL)2+ (ΔC* ab/cSC)2+ (ΔH* ab/SH)2)1/2
[여기서, ΔL*= L*샘플 - L*표준; ΔC* ab= C* ab샘플 - C* ab표준; C* ab= (a*2+ b*2)1/2; ΔH* ab= ((ΔE* ab)2- (ΔL*)2- (ΔC* ab)2)1/2; SL = 광의 1/2 길이; SH = 색상의 1/2 길이; SC = 채도의 1/2 길이; c,l = 상수(여기서, l/c = 2/l)]
CMC 기준에 따르면, 도 6은 색 공간내의 a*- b*면의 플롯을 나타낸다. 타원면내에 존재하는 조성물은 육안으로는 유사하게 보인다(색에 있어서, 인식할 만한 차이가 없다).
도 7은 색 공간내의 a*- b*면의 플롯으로서 표 5의 합금을 나타낸다. 원 안의 숫자는 표 5에 제시된 합금에 상응한다. L*축은 우측 칼럼을 따라 플롯팅된다. 타원면(36)내의 구리 합금은 육안으로는 유사한 색으로 보인다. 우측 스케일내의 수평 가로선(36')은 L*축이 타원면을 가로지르는 지점에 상응한다. 타원면은 △Ecmc= 1을 나타낸다. 이는 11 내지 12중량%의 아연, 5 내지 10중량%의 망간, 및 4중량%의 니켈 함량에 상응한다. 본 발명의 합금에 황동의 합금 재활용을 증가시키고 비용을 감축하기 위해, 아연 함량을 약 14중량% 이하로 약간 증가시키는 것은 허용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 합금이 백동(합금 40)과 어떻게 구분될 수 있는지를 설명하기 위하여 도 7의 스케일 보다도 더 작은 스케일로 색 공간내의 a*- b*면의 플롯으로서 표 5의 합금을 나타낸다.
이어서, 표 5에서 1 내지 35로 명명된, 두께 1.52mm(0.06인치)의 구리 합금을 재결정 어닐링하고 두께 0.76mm(0.03인치)로 냉간 압연한다. 전기 전도도를 측정하여 표 6에 기록한다. 이어서, 합금을 550℃에서 3시간 동안 어닐링하고, 전도도를 표 7에 기록된 바와 같이 다시 측정한다. 합금 식별번호는 표 5의 번호에 219를 더한 것에 상응한다(예를 들면, 합금 1은 Ident. 220이고, 합금 35는 Ident. 254 등이다). 표 5에 기록된 조성은 공칭 표적이다. 실제로 분석된 조성은 표 9에 기재되어 있다.
클래드 동전의 제조에 유용한 구리 합금으로 주로 설명되었지만, 본 발명의 합금은, 황금빛 및 5% 내지 7% IACS의 정도의 낮은 전기 전도도가 요구되는 모든 경우에 적용된다. 이러한 한가지 적합한 적용으로 클래드 화폐 판금과는 반대로 일체식 화폐 판금이 있다. 이러한 화폐 판금은 동전, 토큰 및 카지노 칩으로 사용될 수 있다.
본 발명의 구리 합금은 또한 전기 접속기 및 건축 또는 장식 용도로서 유용하다. 건축 용도는 문 손잡이, 핸들, 킥 플레이트(kick plate), 방화 차폐물, (수도) 꼭지 핸들, 샤워 및 욕조 배관, 계량기 덮개 및 종업원 배지 재료를 포함한다.
접속기로서 사용되는 경우, 내응력완화성은 중요한 고려사항이다. 응력 완화는 금속 조각에 대해 외부로부터 탄성 응력이 가해질 때 발생하는 현상이다. 금속은 동일한 크기의 반대 방향의 내부 탄성 응력을 전개시킴으로써 반응한다. 금속이 응력을 받은 위치에서 재변형되는 경우, 내부 탄성 응력이 시간의 함수로서 감소한다. 내부 탄성 응력의 점진적인 감소를 응력 완화라고 하며, 금속의 탄성 변형이 가소성 변형 또는 영구 변형으로 대체됨으로 인해 발생한다. 시간 경과에 따르는 내부 응력의 감소율은 합금 조성, 합금 템퍼(temper), 가공 방향(예: 종축 배향 = 압연 방향)과 연관된 배향 및 노출 온도의 함수이다. 용도가 스프링 및 접속기인 경우, 가능한 한 많이 내부 탄성 응력 감소율을 저하시키는 것이, 즉 내응력완화성을 증가시키는 것이 바람직하다. 표 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 합금의 잔류 응력(%)은 통상적인 황동 합금보다 탁월하다.
좁은 영역에서의 규칙배열(short range ordering)은 이에 의해 고용체의 용매(구리)의 원자들과 용질의 원자들이 결정질 어레이 내의 선호하는 부위를 차지하는 현상이다. 규칙배열이 발생할 경우, 합금의 특정 영역은 규칙적일 수 있으나 다른 영역은 불규칙적일 수 있다. 규칙적인 부위는 전형적으로 불규칙적인 영역보다 높은 강도를 특징으로 한다. 이는 규칙적인 영역으로부터 불규칙적인 영역까지의 합금 강도가 불연속적으로 되게 하며 합금 특성을 추측하기 어렵게 만든다. 규칙배열이 Cu-Zn 황동 및 Cu-Zn-Ni 니켈 실버에서 현저하게 되는 유형의 하나는 냉간 가공된 합금의 릴리프 어닐링 동안의 강도 증가에 의해서이다. 표 10에는, 처음에 50% 냉간 압연된 조건하에 두고, 300℃에서 2시간 동안 릴리프 어닐링시킨 표 5의 합금의 항복 강도(YS) 및 극한 인장 강도(UTS) 증가가 기록되어 있다. 27.6MPa(4ksi)보다 큰 강도의 증가는 좁은 영역에서의 규칙배열이 발생했음을 나타내는 것이다. 예를 들면, 용도가 접속기인 경우, 좁은 영역에서의 규칙배열로 인한 불안정성을 감소시키기 위해, 중량 기준의 합금 조성을 다음과 같이 하여야 한다:
최대치: Zn: 15% 미만 Mn: 9% 미만 Ni: 6% 미만
범위 Zn 6-12% Mn 5-7% Ni 2-6% 미만
배합 (Zn+Mn): 21% 미만 및 Ni 2-4%
본 발명에 따라, 위에서 제시된 목적, 특성 및 이점을 완전히 만족시키는 동전 주조에 적합한 금속 복합재가 제공됨이 명백하다. 본 발명을 이의 특정 양태와 함께 언급하고 있지만, 본 발명의 수정, 변경 및 변형은 위의 설명의 관점에서 당해 분야의 숙련가에게 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 청구 범위의 취지 및 넓은 범위에 속하는 이러한 개질, 변경 및 변형을 모두 포함시키고자 한다.
본 발명에 따라, 황금빛을 띠는 동전 주조에 유용한 구리 기재 합금이 제공된다.
Claims (28)
- 아연 10 내지 15중량%, 망간 7 내지 12중량%, 니켈 2 내지 6중량%, 알루미늄 0.07중량% 미만 및 잔여량의 구리와 불가피한 불순물로 필수적으로 이루어지고, 전기 전도도가 5 내지 7% IACS인, 황금빛을 띠는 구리 합금.
- 제1항에 있어서, 전기 전도도가 5.1 내지 6.1% IACS임을 특징으로 하는 구리 합금.
- 제1항에 있어서, 아연 함량이 10 내지 12중량%임을 특징으로 하는 구리 합금.
- 제1항에 있어서, 코어의 전기 전도도가 90% IACS를 초과하고 코어의 두께가 생성된 복합재의 전체 두께의 40 내지 60%일 경우, 복합재의 횡단 전기 전도도가 60 내지 480kHz의 와전류 게이지 여자 주파수(eddy current gauge exciting frequency)에서 수잔 비. 안토니 미국 달러(Susan B. Anthony United States dollar)의 2% IACS 이내임을 특징으로 하는, 구리 또는 구리 기재 합금으로부터 형성된 코어에 클래딩시키는데 효과적인 구리 합금.
- 망간 5 내지 10중량%, 아연 10 내지 14중량%, 니켈 2 내지 6중량%, 알루미늄 0.07중량% 미만 및 잔여량의 구리와 불가피한 불순물로 필수적으로 이루어지고 전기 전도도가 60 내지 480kHz의 와전류 게이지 여자 주파수에서 4% IACS를 초과하는 구리 합금.
- 제5항에 있어서, 0.3중량% 미만의 크롬을 추가로 함유하는 구리 합금.
- 제6항에 있어서, 전기 전도도가 5 내지 7% IACS임을 특징으로 하는 구리 합금.
- 제7항에 있어서, 망간 함량이 6.0 내지 7.0중량%이고 아연 함량이 11 내지 12중량%이며 니켈 함량이 3.5 내지 4.5중량%임을 특징으로 하는 구리 합금.
- 삭제
- 제7항에 있어서, 황금빛 외관에 상응하는 명도, 채도 및 색상의 속성을 갖는 구리 합금.
- 제10항에 있어서, 망간 함량이 6.0 내지 7.0중량%이고 아연 함량이 11 내지 12%중량이며 니켈 함량이 3.5 내지 4.5중량%임을 특징으로 하는 구리 합금.
- 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 따르는 구리 합금으로부터 형성된 화폐 판금.
- 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 따르는 구리 합금으로부터 형성된 접속기.
- 제13항에 있어서, 합금이 50% 냉간 압연 조건으로부터 릴리이프 어닐링될 경우, 강도가 27.6MPa(4ksi) 미만으로 증가하는 접속기.
- 제13항에 있어서, 125℃에서 1,000시간 동안 노출시킨 후에 잔류하는 응력이 90% 이상인 접속기.
- 제1 대향면과 제2 대향면에 의해 규정되는 제1 두께를 갖고 구리 또는 구리 기재 합금으로부터 형성되며 전기 전도도가 90% IACS를 초과하는 코어,제2 두께를 갖고 제1 대향면에 결합되는 제1 클래딩 층 및제3 두께를 갖고 제2 대향면에 결합되는 제2 클래딩 층을 포함하는 클래드 재료로서, 제1 클래딩 층과 제 2 클래딩 층이 망간 5 내지 10중량%, 니켈 2 내지 6중량%, 아연 10 내지 14중량% 및 알루미늄 0.07중량% 미만을 함유하며, 60 내지 480kHz의 와전류 게이지 여자 주파수에서 4% IACS 이상의 전기 전도도를 갖는 구리 기재 합금이고, 제1 두께, 제2 두께 및 제3 두께가 각각 상기 클래드 재료의 횡단 전기 전도도가 60 내지 480kHz의 와전류 게이지 여자 주파수에서 수잔 비. 안토니 미국 달러의 2% IACS 이내로 되도록 선택됨을 특징으로 하는 클래드 재료.
- 제16항에 있어서, 코어의 전기 전도도가 99% IACS를 초과함을 특징으로 하는 클래드 재료.
- 제17항에 있어서, 코어가 구리 합금 C110임을 특징으로 하는 클래드 재료.
- 삭제
- 제16항에 있어서, 제1 클래딩 층과 제2 클래딩 층 각각이 0.3중량% 미만의 크롬을 추가로 포함함을 특징으로 하는 클래드 재료.
- 제20항에 있어서, 제1 클래딩 층과 제2 클래딩 층 각각의 전기 전도도가 5 내지 7% IACS임을 특징으로 하는 클래드 재료.
- 제21항에 있어서, 제1 클래딩 층과 제2 클래딩 층 각각의 망간 함량이 6.0 내지 7.0중량%이고 아연 함량이 11 내지 12중량%이며 니켈 함량이 3.5 내지 4.5중량%임을 특징으로 하는 클래드 재료.
- 삭제
- 제21항에 있어서, 제1 클래딩 층과 제2 클래딩 층이 각각 황금빛 외관에 상응하는 명도, 채도 및 색상의 속성을 가짐을 특징으로 하는 클래드 재료.
- 제24항에 있어서, 제1 클래딩 층과 제2 클래딩 층 각각의 망간 함량이 6.0 내지 7.0중량%이고 아연 함량이 11 내지 12중량%이며 니켈 함량이 3.5 내지 4.5중량%임을 특징으로 하는 클래드 재료.
- 제24항에 있어서, 제1 클래딩 층과 제2 클래딩 층의 두께가 각각 전체 두께의 20 내지 30%이고 코어의 두께가 전체 두께의 40 내지 60%임을 특징으로 하는 클래드 재료.
- 제26항에 있어서, 제1 클래딩 층과 제2 클래딩 층의 두께가 각각 전체 두께의 25%이고 코어의 두께가 전체 두께의 50%임을 특징으로 하는 클래드 재료.
- 제26항의 클래드 재료로부터 형성된 화폐 판금.
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