KR100906008B1 - 은백색 외관을 갖는 전기도금된 금속 및 그 제조방법 - Google Patents

은백색 외관을 갖는 전기도금된 금속 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

은백색 외관을 가지는 금속 및 그의 제조 방법. 일 실시예에서, 본 발명의 복합 물질은 금속성 코어(12,22), 제1 층(14,24), 및 제2 층(16,26)을 포함한다. 제1 층은 상기 금속성 코어의 외부 표면을 둘러싸며, 구리 이온을 함유하는 제1 욕으로부터 구리 또는 구리 합금을 전기도금함으로써 제조된다. 제2 층은 상기 제1 층을 둘러싸며, 구이 및 주석 이온을 함유하는 제2 욕으로부터 백청동을 전기도금함으로써 제조된다. 복합물은 은백색 외관을 가지며, 노출된 니켈을 포함하지 않으므로 니켈 금속에 대하여 알레르기가 있는 사람도 상기 복합물에 의하여 영향을 받지 않는다. 복합 물질은 표준 공정 방법에 의하여 주화, 토큰, 메달, 열쇠 및 다른 비-중합성 물품과 같은 최종 생성물로 형성될 수 있다.
은백색, 전기도금, 주화, 니켈, 금속성 코어, 제1 층, 제2 층

Description

은백색 외관을 갖는 전기도금된 금속 및 그 제조방법{ELECTROPLATED METALS WITH SILVERY-WHITE APPEARANCE AND METHOD OF MAKING}
본 발명은 2004년 9월 24일 출원된 미국특허출원 제10/950,242호 및 2005년 7월 22일 출원된 미국특허출원 제11/187,046호에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 은백색 외관을 갖는 금속 및 그 제조방법에 관한 것이며, 특히 전기도금 방법에 의하여 제조된 그러한 금속에 관한 것이다.
니켈은 여러 가지의 상이한 주화(coinage), 토큰(tokens), 및 메달(medallions)에 이용된다. 좀더 상세하게는, 주화, 토큰, 및 메달은 일반적으로 백동(cupronickel), 니켈 황동(nickel brass), 및 니켈 도금된 강철(nickel-plated steel)로 만들어진다. 백동은 구리 합금 C713으로도 알려져 있으며, 중량비로 23.5~26.5%의 니켈을 함유하며, 조성물의 나머지는 구리로 되어 있다. 니켈의 특성 중 하나는, 니켈계 주화, 토큰 및 메달을 다른 주화, 토큰 및 메달로부터 구별하는데 인식될 수 있는 은백색 외관이다.
많은 사람들은 니켈 금속에 알레르기를 가진다. 니켈에 대한 알레르기성 반 응은 니켈계 물체를 다루는 소비자뿐 아니라 많은 코인(coin)을 다루는 계산원 및 출납계원과 같은 사람들과 그러한 물체의 제조에 관여하는 사람들에게 문제가 된다. 따라서, 그러한 사람들이 주화, 토큰, 또는 메달에 접촉하는 경우, 니켈 금속에 노출되지 않는 주화, 토큰, 및 메달을 제공하는 것이 요구된다. 그러나, 니켈 금속에의 접촉을 제거하도록 주화, 토큰, 또는 메달을 변경하더라도, 인식 및 구별 목적을 위한 은백색 외관을 유지하는 것이 여전히 요구된다. 예를 들어, "니켈"로 알려져 있는 미국의 5 센트 코인을 대체하는 경우, 현재 "니켈"과 실질적으로 동일한 외관을 가져야만 한다.
은백색 주화, 토큰, 및 메달을 제공하는데 이용되는 현재의 기술은 하기의 것을 포함한다: (1) 내부식성 백색 금속 합금(a corrosion-resistant white metal alloy)(스테인레스 스틸, 니켈 합금, 백동 등); (2) 베이스 금속 코어(base netal core)에 결합된 내부식성 백색 금속 합금을 가지는 클래드 물질(clad material) 및 (3) 베이스 금속 코어(일반적으로 강철) 상에 전기도금된 니켈, 종종 니켈 아래에 일 이상의 도금된 층을 가짐. 강철 위에, 25 ㎛의 총 최소 도금 두께는 일반적으로 부식에 대한 관심에 기인하여 특정된다. 도금 후에, 니켈 도금된 블랭크(blank)는 도금 중의 응력을 경감하기 위하여 소성되어야 하며, 그렇지 않으면, 코이닝 공정(coining process) 중에 크래킹을 야기할 수 있다. 이러한 소성 공정 중에 형성된 산화물은 블랭크에 광을 냄(burnish)으로써 제거되어야 한다. 모든 3가지 공정에서, 완성된 블랭크는 표면 합금이 니켈을 함유하는 경우에는 니켈에 대하여 민감한 사람에게 접촉성 피부염을 유발할 수 있다.
외관 유지에 더하여, 주화, 토큰 및 메달에 요구되는 몇몇 다른 특징과 특성이 있다. 오랜 사용 기간에 걸쳐, 주화, 토큰 또는 메달은 그 색을 유지하여야 하며, 내변색성을 가져야 하며, 내구성이 있어야 하고, 매력적이어야 한다. 주화, 토큰 또는 메달은 그의 의도된 사용 및 핸들링 중의 마멸(wear and tear)에 견뎌야 한다. 주화, 토큰 또는 메달의 중량도 특히, 자동 기계에 이용되는 경우 관심사이다. 예를 들어, 주화를 수용하는 자동 판매기(vending machine)는 일반적으로 중량에 민감하며, 지하철 토큰을 수용하는 기계도 마찬가지이다.
취급자를 니켈 금속에 전혀 노출시키지 않는 주화, 토큰 또는 메달도 현재의 주화, 토큰, 및 메달의 원료 및 제조 비용과 비슷한 원료로 이루어지고, 비슷한 공정에 의하여 제조되는 것이 바람직하다. 외관의 변화 없음은 최종 생산물로 이어지고, 따라서, 그러한 주화, 토큰, 및 메달은 표준 생산 기술을 이용하여 블랭크로부터 최종 생산물로 변화될 필요가 있다. 바꾸어 말하면, 물체는 최종 생산물로 제조될 수 있어야 하며, 최종 생산물로 압인되거나 주조될 수 있는 충분한 연성(ductility)을 가져야 한다.
적어도 부분적으로, 비용이 저렴한 금속으로 이루어진 주화, 토큰, 및 메달을 개발하는 것이 더욱 요구된다. 특히, 주화에 있어서, 코인에 대한 금속 및 제조 비용이 그 코인의 액면가에 비하여 낮은 것이 일반적으로 요구된다. 생산되어야 하는 코인이 저비용일수록, 주조 공정에서 얻어지는 화폐 주조세(seigniorage)는 더 커진다. 또한, 코인의 금속 가격이 액면가를 넘는 경우에는, 발행 주체는 대중들이 코인을 금속의 가치로 팔지 않게 하기 위하여, 코인에서 금속의 가격을 낮추도록 코인의 크기나 조성을 변경해야만 한다. 예를 들어, 은색 외관을 가지나, 은 코어 또는 은 클래딩 층을 이용하지 않는 미국특허 제6,383,657호의 코인을 참조하라. 대신에 알루미늄 및 아연이 은색 외관을 가지는 코인 생산에 이용된다. 알루미늄 및 아연은 모두 은보다 매우 저렴하다.
다른 물질로부터 주화, 토큰, 또는 메달을 제조하기 위한 다양한 노력들이 과거에 이루어졌다. 예를 들어, 미국특허 제5,151,167호의 발명은 니켈로 전기도금된 블랭크, 이어서 전기도금된 구리층 및 최종적으로 전기도금된 니켈층을 포함하는 코인을 포함한다. 미국특허 제5,151,167호의 발명은 코인의 코어로서 니켈의 이용을 필요로 하지 않으나, 사람이 노출될 수 있는 니켈 금속을 가지는 코인으로 된다. 따라서, 그러한 코인은 니켈 알레르기 문제를 해결하지 못한다. 또한, 미국특허 제5,151,167호의 코인 제조는 "니켈" 코인으로 되기 위하여 3개의 전기도금 공정을 포함하므로, 실행하는데 비용이 비싸진다.
금색을 가지는 코인을 생산하는 몇몇 방법들이 개발되었다. 예를 들어, 미국특허 제4,579,761호는 황색 청동(yellow bronze)을 이용함으로써 금색 외관을 가지는 코인의 생산을 개시한다. 미국특허 제4,579,761호의 황색 청동은 중량비로 8~16%의 주석 및 나머지로 구리를 함유한다. 유사하게, 미국특허 제6,432,556호는 금색 외관을 가지는 코인의 생산을 개시한다. 코인은 2개의 클래딩층을 포함한다. 제1 클래딩층은 6~12%의 망간과 6~25%의 아연을 함유하며, 제2 클래딩층은 7~10%의 망간과 10~15%의 아연을 함유한다. 미국특허 제6,432,556호는 또한 클래딩층은 니켈을 함유할 수도 있으며, 주석 등의 다른 금속을 소량 함유할 수 있음을 제안한 다. 이러한 특허는 당업자에게 니켈 이용으로 되는 은백색 외관이 아닌 금색 외관을 가지는 코인을 생산하는 것을 교시한다.
금속성 코어로 만들어지며, 은백색 외관이 요구되는 다른 물체도 다른 완성품에 대한 후보이다. 그러한 물체는 열쇠, 및 다른 소형의 비-중첩 부품(non-nested parts)을 포함한다. 따라서, 전술한 단점들을 피할 수 있는 물질 및 방법을 이용하여 그러한 물체를 생산하는 것이 요구된다.
본 발명은 은백색 외관을 가지는 금속 및 그 제조방법을 포함한다. 일 실시예에서, 본 발명의 복합물질은 금속성 코어, 상기 금속성 코어에 부착되어 둘러싸는 제1 층, 및 상기 제1 층에 부착되어 둘러싸는 제2 층을 포함한다. 금속성 코어는 아연, 니켈, 철(강철), 구리, 알루미늄, 또는 그들의 합금의 판(plate)을 포함할 수 있다. 물론, 구리 합금의 금속성 코어는 황동 또는 청동의 것도 포함한다. 제1 층은 구리 또는 구리 합금을 포함하며, 구리 이온을 포함하는 제1 욕(bath)으로부터 전기도금 방법을 이용하여 생성된다. 제2 층은 백청동(white bronze) 합금을 포함하며, 구리 및 주석 이온을 포함하는 제2 욕으로부터 전기도금 방법을 이용하여 생성된다. 생성된 복합물질은 종래 니켈 및 그 합금의 외관과 같이, 은백색 외관을 가진다. 그러나, 상기 복합물질은 제2 층에 니켈을 전혀 함유하지 않으므로, 니켈에 대하여 알레르기가 있는 사람도 상기 복합물질을 다룰 때 그러한 알레르기에 의하여 영향을 받지 않게 된다. 또한, 얻어진 생성물은 그 색상을 유지하며, 내변색성과 내구성을 가지며, 매력적이다.
본 발명 방법의 일 실시예에 따르면, 금속성 코어, 제1 도금욕 및 제2 도금욕이 제공된다. 금속성 코어는 제1 도금욕을 이용하여 전기도금되어 금속성 코어에 부착되어 둘러싸는 제1 층으로 된다. 금속성 코어 및 제1 층의 결합물은 제2 도금욕을 이용하여 전기도금되어 제1 층에 부착되어 둘러싸는 제2 층으로 된다. 생성된 제1 층은 구리 또는 구리 합금을 포함한다. 생성된 제2 층은 백청동 합금을 포함한다.
일 실시예에서, 제1 층은 중량비로 약 60~100%의 구리를 포함한다. 제2 층은 중량비로 약 70%의 구리와 약 30%의 주석, 내지 중량비로 약 10%의 구리와 약 90%의 주석을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 층의 두께는 약 4~18 ㎛ 이지만, 25 ㎛ 이상의 두께를 가질 수도 있으며, 여전히 본 발명의 범위 이내이다. 일 실시예에서, 제2 층의 두께는 약 4~25 ㎛이다.
본 발명의 방법은 후속 단계에서 "오염물(contaminants)"로 간주될 수 있는 물질을 제거하기 위한 부가적인 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 층을 전기도금하기 전에, 본 발명의 방법은 금속성 코어 상에 존재할 수 있는 먼지 또는 기름을 제거하기 위하여, 또는 금속성 코어로부터 다른 오염물을 제거하기 위하여, 또는 부착성 전기증착을 수용하기 위한 금속성 코어를 준비하기 위하여 산 침지(acid dip), "아연산염" 침지 증착("zincate" immersion deposition), 또는 세척 및 헹굼(cleaning and rinsing)을 포함할 수 있다. 본 발명의 방법은 제1 도금욕으로부터 발생된 잔류물을 제거하기 위하여 헹굼 또는 세척 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 방법은 제2 층의 전기도금 단계 이후, 제2 층의 전기도금 단계로부터의 잔류 제2 도금욕 용액을 제거하기 위하여 헹굼 또는 세척 단계를 더 포함할 수 있다. 청구항에 이용된 바와 같이, 용어 "오염물"은 다음 단계에 해로울 수 있는 물질(액체 또는 고체)을 말하며, 따라서, 먼지, 기름, 다음 단계에서 부착성 전기증착 수용을 준비하기 위하여 행해지는 단계뿐 아니라 오염물 제거 이전에 수행되는 단계로부터 남겨진 잔류물을 포함한다.
본 발명의 방법은 금속성 코어 상에 제1 층을 전기도금하는 단계 이전에 "스트라이크(strike)" 단계를 포함할 수 있다. 이러한 스트라이크는 금속성 코어의 금속 표면을 문지르고, 제1 전기도금층을 잘 부착시키기 위하여 구리 또는 니켈 등의 금속의 얇은 보호층을 적용한다. 일반적으로 이러한 얇은 보호층은 약 0.1~1.0 ㎛ 이다.
제2 층이 전기도금된 후에, 종래 기술을 이용하여 블랭크(금속성 코어와 그 위에 부착된 제1 및 제2 층의 결합물)가 원하는 생성물로 형성될 수 있도록 하기 위하여 후도금(post-plating) 단계를 수행할 수 있다. 이러한 후도금은 기술 분야에서 공지된 바와 같이 응력 완화(stress relief)를 포함할 수 있다. 또한, 밝은 은백색 마무리를 원하면, 블랭크에 광을 낼 수 있다(burnish). 따라서, 본 발명의 블랭크는 니켈계 마무리에 의하여 이루어졌던 것과 같은 은백색 마무리를 갖는 주화, 토큰 및 메달로 형성되기에 적합하다.
본 발명의 다른 실시예는 금속성 코어 및 백청동의 단일층을 포함한다. 백청동의 층은 구리 이온 및 주석 이온을 포함하는 도금욕으로부터 전기도금된다. 이러한 실시예에서, 구리 또는 구리 합금층은 요구되지 않는다.
본 발명은 외부 표면 상에 니켈을 전혀 함유하지 않는 블랭크를 제조한다. 따라서, 상기 블랭크는 소비자, 사용자, 계산원, 출납계원, 및 제조과정에 관여하는 사람들이 알레르기를 일으킬 수 있는 니켈에 접촉하게 되는 것을 막을 수 있는 주화, 토큰, 및 메달의 제조에 적합하다. 다양한 크기 및 형태의 금속성 코어 물질이 이용될 수 있으며, 금속성 코어, 제1 층 및 제2 층의 두께는 광범위한 범위에서 변화할 수 있어, 본 발명에 의하여 사람들을 니켈에 노출시키는 주화, 토큰, 및 메달을 대체하기 위한 주화, 토큰, 및 메달을 제조할 수 있도록 할 뿐 아니라, 새로운 형태의 주화, 토큰, 및 메달을 제조할 수 있게 한다. 본 발명의 주화, 토큰, 메달의 중량은 자동 판매기 및 지하철 토큰을 수용하는 기계 등과 같은 중량 민감성 기계에 의하여 수용되도록 제어될 수 있다.
본 발명의 방법은 많은 단계를 포함하지 않으며, 주화, 토큰, 및 메달용 블랭크의 제조자에게 공지된 기술을 이용한다. 또한, 그러한 블랭크를 형성하는데 이용되는 물질 및 방법은 비용이 비싸지 않다. 생성된 주화, 토큰, 및 메달은 주화, 토큰, 및 메달에서 금속의 가치를 주화, 토큰, 및 메달의 가치 아래로 유지하면서 본 발명에 따라 제조될 수 있다. 열쇠 및 액면가를 갖지 않는 다른 비중첩 부품은 상업적으로 합리적인 경계 내에 유지될 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 블랭크는 금형에서 스탬핑(stamping)하는 등의 종래 기술을 이용하여 최종 생성물로 처리될 수 있으며, 따라서, 조폐국(mints) 또는 그러한 블랭크로부터 주화, 토큰, 또는 메달을 제조하는 다른 제조자가 그 과정을 바꾸거나, 추가적인 투자를 할 필요가 없다.
도 1은 본 발명의 코인 블랭크의 일 실시예의 횡단면도.
도 2는 도 1의 실시예의 코인 블랭크의 사시도.
도 3은 본 발명의 열쇠의 일 실시예의 횡단면도.
도 4는 도 3의 열쇠의 사시도.
도 1 및 2를 참조하면, 각각 본 발명의 코인 블랭크의 일 실시예의 횡단면도 및 사시도가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 코인 블랭크(10)는 코어(12), 제1 전기도금층(14) 및 제2 전기도금층(16)을 포함한다. 코어(12)는 구리 및 구리 합금이 전기도금될 수 있는 아연, 니켈, 철, 구리 및 알루미늄 및 그들의 합금을 포함하며, 이에 제한되는 것은 아닌 금속 또는 금속 합금뿐 아니라 주화, 토큰, 메달 등에 합리적으로 이용될 수 있는 다른 금속 또는 합금을 포함한다. 제1 전기도금층(14)은 구리 또는 구리 합금을 포함한다. 제1 전기도금층(14)은 전술한 바와 같이 구리 이온을 함유하는 도금욕으로부터 생성되며, 일 실시예에서, 제1 전기도금층(14)은 중량비로 약 60~100%의 구리를 포함한다. 제2 전기도금층(16)은 백청동을 포함한다. 백청동층(16)은 구리 이온 및 주석 이온을 함유하는 도금욕으로부터 생성되며, 일 실시예에서, 백청동층(16)은 중량비로 약 70%의 구리 및 약 30% 주석 내지 약 10%의 구리 및 약 90%의 주석을 포함한다.
도 1 및 2와 관련하여 설명된 조성물을 가지는 코인 블랭크가 은백색 외관을 가질 것이라는 것은 당업자에게 이해될 수 있다. 코인 블랭크(10)는 토큰 또는 메달 제조에 이용되는 블랭크를 포함할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 코인 블랭크(10)는 둥근 판으로 설명되어 있지만, 코인 블랭크(10)가 반드시 둥글게 될 필요는 없다. 다른 형태도 본 발명의 범위 이내로 생각되며, 다른 형태는 타원형, 삼각형, 직사각형, 정사각형, 5면 이상의 형태, 또는 불규칙 형태를 포함하며, 이에 제한되는 것은 아니다. 코인 블랭크(10)의 코어(12)는 아이템(주화, 토큰, 또는 메달)의 가치가 아이템의 액면가보다 크게 되지 않도록, 비용면에서 합리적인 비귀금속으로 이루어진다.
본 발명에 따른 주화, 토큰, 또는 메달의 제조방법의 일 실시예를 살펴본다. 일반적으로, 본 발명의 방법은 주화, 토큰, 또는 메달용 금속 블랭크(화폐 판금(planchet))를 제조/형성하는 단계, 상기 화폐 판금을 구리층으로 전기도금하는 단계, 및 이후 상기 구리층을 백청동, 구리 합금 및 주석의 층으로 전기도금하는 단계를 포함한다. 그리고 나서, 구리층 및 백청동층으로 도금된 블랭크는 금형 또는 기술분야에서 공지된 다른 방법을 이용하여 최종 형상(주화, 토큰, 메달, 또는 유사한 아이템)으로 "주조" 될 수 있다.
본 발명에 따르면, 출발 물질 또는 기판은 제조될 주화, 토큰, 또는 메달과 유사한 형태 및 크기를 갖는 금속 화폐 판금을 포함한다. 일 실시예에서, 금속 화폐 판금은 약 500~4000 ㎛ 두께의 판을 포함한다. 다량의 화폐 판금은 도금배 럴(plating barrel) 내에 또는 도금랙(plating rack) 상에 적재된다. 그 후, 이러한 배럴 또는 랙은 화폐 판금에 존재할 수 있는 먼지 또는 기름과 같은 오염물을 제거할 수 있는 일련의 세척기 및 헹굼기를 통과하여 처리된다. 화폐 판금(코어)으로부터 오염물을 제거하기 위하여 또는 화폐 판금을 부착성 전기증착을 수용하도록 준비하기 위하여, 출발 물질로서 선택된 금속에 따라 산 침지 또는 알루미늄의 경우에는 "아연산염" 침지 증착 등의 추가적인 공정 단계가 필요하거나, 바람직할 수 있다.
화폐 판금으로부터 오염물을 제거한 후에, 다음 단계는 "스트라이크" 단계로, 후술하는 바와 같이, 금속 표면을 수소 거품으로 문지르고, 동시에 일반적으로 구리인 금속의 얇은 보호층(0.1~1.0 ㎛)을 증착하여 제1 전기도금층을 우수하게 접착되도록 한다. 지배적으로 니켈인 다른 금속 스트라이크도 일부 도금하기 어려운 출발물질에 대한 접착을 우수하게 하기 위하여 일부 어플리케이션에 이용될 수 있다.
화폐 판금에 스트라이크를 적용시킨 후, 배럴 또는 랙은 구리 도금욕으로 이동된다. 알칼리성 시안화구리(cyanide copper) 스트라이크가 이용되는 경우, 배럴 또는 랙은 알칼리성 시안화구리 도금욕으로 직접 이동될 수 있다. 그러나, 스트라이크 및 도금욕의 성분이 화학적으로 비상용적이면(예를 들어, 시안화구리 스트라이크 후 산성 구리 도금), 화폐 판금이 구리 도금욕으로 이동되기 전에 전체적인 헹굼이 이루어져야 한다.
구리 도금욕 내에서, 원하는 도금 두께에 도달할 때까지, 즉 제1 전기도금층 이 원하는 두께가 될 때까지, 화폐 판금이 전기도금된다. 일반적으로 그러한 원하는 두께는 약 4~18 ㎛ 이다. 출발 금속 화폐 판금과 제1 전기 도금층의 결합물이 원하는 주화, 토큰, 또는 메달의 제조에 이용되는 금형에 맞춰지기에 너무 큰 단위로 되지 않는다면, 예를 들어 25 ㎛ 이상의 큰 두께도 가능하다.
제1 층은 구리 또는 구리 합금을 포함한다. 구리 합금의 예는 황청동(yellow bronze) 또는 황동을 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다. 황청동 제1 층의 예는 중량비로 약 75~99%의 구리와 약 25~1%의 주석을 가진다. 황동 제1 층의 예는 중량비로 약 60~99%의 구리와 약 40~1%의 아연을 가진다.
구리 또는 구리 합금을 포함하는 제1 층을 생성하기 위하여, 제1 도금욕은 구리 이온을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 도금욕은 제2 금속 이온 또는 제3 금속 이온을 포함할 수도 있다. 또한, 기술분야에서 공지된 바와 같이, 제1 도금욕은 금속 이온의 만족스러운 증착을 이루기 위하여 필요할 수 있는 다른 첨가제뿐 아니라 금속 이온에 대한 착화제(complexing agent)를 포함할 수 있다. 제1 도금욕의 일예는 하기를 포함한다:
"성분" 설명 몰농도
구리 이온 0.98M
구리 이온을 착화하는 시안화 이온 2.94M
구리의 양극 분극 및 "침지" 증착을 방지하는 "자유" 시안화 이온 0.23M
적절한 범위에서 pH를 유지시키는 수산화 이온 0.47M
구리 양극의 용해를 촉진하는 타르트레이트 이온 0.16M
이러한 제1 도금욕을 이용할 때, 넓은 범위의 도금 두께를 얻기 위하여, 도금 조건은 120~180°F의 온도 및 3~10 암페어/ft2 의 전류밀도를 구비한 배럴 공 정(barrel process)의 이용을 포함한다.
구리 도금 사이클이 완료된 후, 즉, 제1 도금층이 화폐 판금에 전기도금된 후, 배럴 또는 랙은 잔류하는 구리 도금 용액을 제거하기 위하여 일련의 헹굼기를 통과하여 이동한다. 그 후, 배럴 또는 랙은 백청동(금속경(speculum)) 도금욕에 놓인다. 이 백청동 도금욕은 구리 및 주석의 2원 합금을 제1 전기도금층에 증착하여, 백청동의 제2 전기도금층을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 백청동의 제2 층의 조성은 중량비로 약 70%의 구리와 약 30%의 주석 내지 약 10%의 구리와 약 90% 주석 범위이다.
제2 전기도금층의 실제 조성은 기술분야에 공지된 바와 같이 도금욕에서 구리, 주석, 시안화물 및 수산화물의 상대적 농도 유지에 의하여 제어된다. 일반적으로 구리 및 주석은 양극 용해 및/또는 화학적 첨가에 의하여 도금욕에 공급된다. 기술분야에 공지된 바와 같이, 도금욕 평형(bath equilibrium)이 유지되도록 비활성 양극 및 다중 정류기(multiple rectifier)가 이용될 수 있다.
따라서, 백청동 합금을 포함하는 제2 층을 생성하기 위하여, 제2 도금욕은 구리 이온 및 주석 이온을 포함한다. 일 실시예에서, 제2 도금욕은 구리 및 주석 이온에 더하여 금속 이온을 포함할 수 있다. 또한, 기술분야에서 알려진 바와 같이, 제2 도금욕은 금속 이온의 만족스러운 증착을 이루기 위하여 필요할 수 있는 다른 첨가제뿐 아니라 금속 이온에 대한 착화제를 포함할 수 있다. 제2 도금욕의 일예는 하기를 포함한다:
"성분" 설명 몰농도
구리 이온 0.22M
구리 이온을 착화하는 시안화 이온 0.66M
주석 이온 0.39M
주석 이온을 착화하는 수산화 이온 2.34M
원하는 도금 조성을 유지하기 위한 "자유" 시안화 및 수산화 이온 0.31M 시안화 0.25M 수산화
구리 양극의 용해를 촉진하는 타르트레이트 이온 0.13M
농도는 광범위에 걸쳐 변화할 수 있다. "자유" 수산화이온에 대한 "자유" 시안화이온의 비율이 가장 중요한 제어 파라미터가 될 것이다. 이러한 제2 도금욕을 이용하는 경우, 광범위한 도금 두께를 얻기 위하여, 도금 조건은 140~160 °F의 온도, 3~10 암페어/ft2의 전류밀도, 구리 및 탄소의 양극(독립적 정류기), 및 포타슘 스탄네이트(pottasium stannate)의 주석원(tin source)을 구비한 배럴 공정의 이용을 포함한다.
백청동층이 하부에 놓인 구리 증착물보다 작거나 또는 동등한 두께까지 증착되는 것이 요구될 수 있다. 그러나, 출발물질, 제1 전기도금층, 및 제2 전기도금층의 두께는 주화, 토큰 또는 메달이 적절한 두께를 가지는 최종 생산물로 "주조"될 수 있도록 일반적으로 제한된다. 또한, 백청동층의 두께는 가능하면 적어도 4 ㎛의 크기를 가져, 백청동층의 제2 층이 생산물의 정상적인 마멸에 대하여 손상되지 않고 유지되도록 하여야 한다.
본 발명이 주화에 이용되는 강철 블랭크를 포함하는 경우, 코어에 증착된 층 또는 층들의 총 두께가 25 ㎛가 되도록 강철 블랭크에 대한 일반적인 공정이 이루어진다. 따라서, 주화 어플리케이션에 있어서, 제1 및 제2 층의 총 두께가 25 ㎛ 이상인 것이 요구될 수 있다. 층, 또는 제1 및 제2 층의 조합의 상한은 최종 생산 물의 원하는 두께에 의하여 영향받을 수 있다.
기술분야예 공지된 바와 같이, 백청동 도금 사이클이 완료된 후, 배럴 또는 랙은 잔류하는 구리 도금 용액을 제거하기 위하여 일련의 헹굼기를 통과하여 이동한다. 또한, 기술분야에 공지된 바와 같이, 착색방지제(anti-staining agent)가 백청동층에 적용될 수 있다. 부착된 제1 및 제2 층을 가지는 화폐 판금은 후속 공정을 위하여 건조 및 수집된다.
도금된 백청동 합금과 기판 물질의 성질에 따라, 우수한 "주조성(coinability)"을 위하여, 즉, 코팅된 블랭크가 원하는 최종 생산물로 형성되도록 하기 위하여 후도금 응력 완화(stress relief) 공정이 필요하거나 바람직할 수 있다. 일반적으로, 블랭크는 밝은 은백색 마무리를 위하여 광을 내게 되며, 일부 경우, 도금된 밝기(as-plated brightness)로 충분할 수 있다. 최종적으로, 블랭크는 기술분야에서 공지된 바와 같이 종래의 주조 금형 및 프레스를 이용하여 완성된 외관으로 "주조"된다.
백청동 도금과 함께, 응력을 완화시키기 위한 소성은 강철 기판에는 요구되지 않는다. 제거되어야 할 산화물이 없기 때문에, 필요한 경우, 광택내기 공정(burnishing process)은 공격적으로 할 필요가 없다. 아연이 출발물질로 이용된 경우, 주화, 토큰 또는 메달의 총 도금 두께는 약 8 ㎛로 작아, 요구되는 도금 시간을 매우 감소시키며, 또한 주조 금형(coining die)의 수명을 현저하게 연장시킨다. 기판 금속에 상관없이, 백청동 마무리는 비알레르기성 표면을 제공한다. 이는 대량의 코인을 다루어야 하는 일을 가진 사람들에게 특히 중요하다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 코인 블랭크는 단지 코어(12) 및 제2 층(16) 만을 포함할 수 있다. 제1 층(14)은 모든 경우에 필요하거나 요구되는 것은 아닐 수 있다. 현재, 주석은 일반적으로 구리보다 매우 비싸다. 따라서, 현 시대 경제학은 백청동의 제2 층 하부에 구리 또는 구리 합금의 제 1 도금층 양자의 이용을 제안할 수 있다. 그러나, 2개의 전기도금층을 갖는 주화, 토큰, 또는 메달의 제조 비용은 단일 전기도금층을 갖는 주화, 토큰, 또는 메달보다 커질 수 있다. 따라서, 백청동 제2 층과 함께 구리 또는 구리 합금의 제1 층을 이용할지 아니면, 백청동층만을 이용할지를 고려할 때, 코인 블랭크의 주조성이 고려되어야 하며, 또한 물질 및 제조의 총비용도 고려되어야 한다.
예를 들어, 아연 또는 아연 합금 금속성 코어가 이용되는 경우, 출원인의 경험은 8 ㎛의 총 도금두께가 미국 페니(penny) 등과 같은 주화에 대하여 충분하다는 것을 보여준다. 우수한 주조성을 얻기 위하여, "외부" 도금층이 구리보다 단단하면, 구리 도금의 제1 층이 필요할 수 있다. 따라서, 약 65% 구리 및 약 35% 주석을 포함하는 백청동 등과 같은, 구리보다 단단한 백청동 합금의 경우, 두께가 적어도 약 4 ㎛인 구리 도금의 제1 층 및 이어서 상기 구리층의 두께보다 작거나 또는 동일한 두께의 백청동의 제2 층이 바람직하다. 그러나, 약 20%의 구리 및 약 80%의 주석을 포함하는 백청동 합금과 같은 일부 백청동 합금은 구리보다 더 부드럽다. 구리보다 더 부드러운 백청동 합금이 이용되는 경우, 구리 또는 구리 합금의 제1 층은 필요하지 않다.
다른 실시예로서, 강철 금속성 코어를 포함하는 블랭크를 고려하라. 강철 금속성 코어 상에 놓여진 모든 백청동 합금은 좋은 주조성을 가지므로, 구리 또는 구리 합금의 제1 층은 요구되지 않는다. 일반적으로, 강철 코어를 가지는 블랭크가 주화에 이용되는 경우, 내부식성을 위하여 총 도금 두께는 적어도 약 25 ㎛인 것이 바람직하다. 따라서, 강철 코어 상에 백청동층만이 적용된 경우, 그러한 백청동층은 적어도 약 25 ㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 현시대 경제학에서, 적어도 25 ㎛ 두께의 백청동의 단일층을 제조하는 것보다 약 13~18 ㎛ 두께의 구리 또는 구리 합금의 제1 층과 함께 약 8~13 ㎛의 백청동의 제2 층을 가지는 코인을 생산하는 것이 좀더 효과적이다.
금속성 코어 및 백청동의 단일층을 포함하는 블랭크를 제조하기 위하여, 본 발명의 방법의 일 실시예는 (a) 금속성 코어로부터 오염물을 제거하는 단계; (b) 금속성 코어를 "스트라이크"하는 단계; (c) 스트라이크와 백청동 도금욕의 성분이 비상용적인 경우, 금속성 코어를 헹구는 단계; (d) 백청동층을 백청동 도금욕으로 전기도금하는 단계; 및 (e) 백청동층으로 덮인 화폐 판금의 결합물을 헹구는 단계를 포함한다.
당업자는 본 발명에 의하여, 새로운 생성물 - 다양한 기판 상에서 "주조" 과정을 견딜 수 있는 잠재적으로 완전히 니켈이 없는 백색 주화, 토큰 및 메달에 이를 수 있음을 인식할 것이다. 특히, 이는 내부식성 및 내마모성 백색 마무리를 가지는 아연계 코인의 생산을 가능케한다. 아연은 보급성(prevalence) 및 합리적인 비용에 기인하여 기판 물질로서 바람직할 수 있다. 본 발명 이전까지는, 아연계 주화, 토큰, 또는 메달에 대한 가능한 마무리는 구리 및 황청동 뿐이었다. 니 켈을 본 발명의 출발 물질인 기판으로 이용한 것도 가능하다. 니켈 기판으로 만들어진 본 발명의 주화, 토큰, 또는 메달은 니켈을 함유하고는 있지만 , 그러한 물체를 다루는 사람들은 제1 전기도금층으로 덮여진 하부에 위치하는 니켈에 노출되지 않을 것이다.
당업자는 본 발명에 의하여 원하는 중량을 가지는 주화, 토큰, 및 메달의 개발이 가능함을 인식할 것이다. 중량에 있어서 유연성은 상이한 기판 물질을 이용할 수 있는 능력과 제1 및 제2 전기도금층의 두께에 있어서의 유연성에 기인한다.
본 발명의 코팅된 블랭크는 주화, 토큰 및 메달을 제조하기 위하여 현재 이용되는 공정을 이용하여 "주조"될 수 있음이 인식될 것이다. 물체는 최종 생성물로 형성되며, 압인되거나, 주조될 수 있도록 충분한 연성(ductility)을 가진다. 따라서, 그와 관련된 추가적인 투자가 요구되지 않는다. 제1 및 제2 전기도금층을 생성하는데 이용되는 전기도금 공정은 산업 표준이므로, 제조자에게 익숙한 것임이 인식될 것이다.
도 3 및 4를 참조하면, 각각 본 발명의 열쇠의 일 실시예의 횡단면도 및 사시도이다. 상기 실시예에서, 열쇠(20)는 코어(22), 제1 전기도금층(24) 및 제2 전기도금층(26)을 포함한다. 코어(22)는 구리 및 구리 합금이 전기도금되는 금속 또는 금속 합금을 포함하며, 이에는 아연, 니켈, 철, 구리 및 알루미늄 및 그들의 합금 뿐 아니라 열쇠 등에 합리적으로 이용될 수 있는 다른 금속 또는 합금이 포함되며, 이에 제한되는 것은 아니다. 도 3 및 4의 실시예에서, 코어(22)는 구멍(28)을 포함한다. 열쇠(20)의 제1 전기도금층(24)은 구리 또는 구리 합금을 포함하며, 제 2 전기도금층(26)은 백청동을 포함한다.
도 3 및 4의 열쇠(20)는 도 1 및 2의 코인 블랭크(10)와 관련하여 전술한 방법에 의하여 제조될 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 열쇠는 코어(22) 및 제2 전기도금층(26) 만을 포함할 수 있다. 제1 전기도금층(24)은 모든 경우에 필요하거나 바람직한 것은 아니다.
당업자는 코인과 관련하여 전술한 코어 및 전기도금층의 조합에 대한 다양한 변형이 열쇠(20) 및 다른 소형 비-중첩 부품에 적용될 수 있음을 인식할 것이다. 또한, 주화, 토큰, 및 메달과 관련하여 전술된 잇점은 열쇠 및 다른 소형 비-중첩 부품에도 유사하게 적용될 수 있다.
도 3 및 4는 본 발명에 따라 생성된 물품을 예시하며, 상기 물품은 형태가 비규칙적이며, 구멍을 포함한다. 당업자는 본 발명의 방법이 상이한 기하학적 형태 및 두께를 가지는 다양한 상이한 유형의 물품을 생성하는데 유용함을 인식할 것이다. 본 발명은 배럴 도금 및 매스 피니싱(mass finishing)(예, 진동 볼 디버링(vibratoty bowl deburring), 또는 원심 디스크 버니싱(centrifugal disc burnishing)) 등의 벌크-처리 작업(bulk-treatment operation)을 따르는 소형, 비-중첩 부품에 유용하다. 그러한 물품의 특정 예는 열쇠 및 자물쇠 구성요소, 체결용 나사품(threaded fastener)(스크류, 볼트, 너트 등) 및 다른 소형 하드웨어 아이템(손잡이(knobs), 핸들(handles), 까치발(brackets) 등)을 포함한다.
청구항에 사용된 바와 같이, 용어 "코인(coin)"은 주화(coinage), 토큰(token), 메달(medallion) 및 일반적으로 금속 또는 금속 합금의 외부층 상에 금 속 제조 공정(metal making process)에 의하여 표면에 일 이상의 표장(insignias), 디자인(designs) 등이 형성된 금속 및 금속 합금으로 이루어진 다른 생성물을 나타낸다.
명세서 및 청구항에 사용된 바와 같이, 용어 "비-중첩 부품(non-nesting part)"은 도금욕에 중첩되지 않는 부품을 나타낸다.
청구항에 사용된 바와 같이, 용어 "물품(article)"은 열쇠 및 다른 비-중첩 부품을 나타내지만, 상기에서 정의된 "코인"은 제외한다. 그러한 열쇠 및 다른 비-중첩 부품은 일반적으로 금속 또는 금속 합금으로 이루어지며, 배럴 도금 및 매스 피니싱(예, 진동 볼 디버링, 원심 디스크 버니싱)과 같은 벌크-처리 작업에 따른다. 다른 비-중첩 부품의 예는 열쇠 및 자물쇠 구성 요소, 체결용 나사품(스크류, 볼트, 너트 등) 및 다른 소형 하드웨어 아이템(노브, 핸들, 브래켓 등)을 포함한다.
본 발명은 상기 개시된 범위 및 정신 내에서 변형될 수 있다. 본 출원은 일반적인 원칙을 이용하는 본 발명의 변경, 이용 또는 적용을 포함하기 위한 것이다. 또한, 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지되거나 일반적인 실무 내에 있으며, 첨부된 청구항의 범위 내에 있는 본 개시된 내용으로부터의 이탈도 포함하기 위한 것이다.
본 발명의 은백색 외관을 가지는 금속 및 그 제조방법에 의하면, 생성된 복 합물질은 종래 니켈 및 그 합금의 외관과 같이, 은백색 외관을 가지면서, 니켈에 대하여 알레르기가 있는 사람도 상기 복합물질을 다룰 때 그러한 알레르기에 의하여 영향을 받지 않게 된다. 또한, 얻어진 생성물은 그 색상을 유지하며, 내변색성과 내구성을 가지며, 매력적이다.

Claims (68)

  1. 외부 표면을 가지는 금속성 코어;
    상기 금속성 코어의 외부 표면에 부착되어 둘러싸며, 두께가 4~25 ㎛인 구리의 제1 전기도금층; 및
    상기 제1 전기도금층에 부착되어 둘러싸며, 두께가 4~25 ㎛이고, 중량비로 10% 내지 70%의 구리 및 30% 내지 90%의 주석으로 이루어지는, 백청동(white bronze)의 제2 전기도금층을 포함하는
    코인(coin).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속성 코어는 아연 또는 아연 합금의 군으로부터 선택되는 하나의 금속을 포함하는
    코인.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속성 코어는 니켈 또는 니켈 합금의 군으로부터 선택되는 하나의 금속을 포함하는
    코인.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속성 코어는 철 또는 철 합금의 군으로부터 선택되는 하나의 금속을 포함하는
    코인.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속성 코어는 구리 또는 구리 합금의 군으로부터 선택되는 하나의 금속을 포함하는
    코인.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속성 코어는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 군으로부터 선택되는 하나의 금속을 포함하는
    코인.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속성 코어는 판(plate)으로 이루어지는
    코인.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 판의 두께가 500~4000 ㎛인
    코인.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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