KR19980024324A

KR19980024324A - 화폐 재료 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR19980024324A
Application number: KR1019970045699A
Authority: KR
Inventors: 켐프스터 아드리안; 해써레이 피터
Original assignee: 켐프스터 아드리안; 디퓨젼 얼로이즈 리미티드; 추후; 더 솔리시터 포 디 어페어즈 오브 허 마제스티즈 트레저리
Priority date: 1996-09-04
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 1998-07-06
Also published as: GB9618460D0; ZA977879B; EP0828011A1; CA2214613A1

Abstract

본 발명의 화폐 재료는 예를 들어 전기 전도성 및/또는 투자율에 있어서 전자적으로 탐지 가능한 특징적이고 현저한 차이점이 표면과 내부 사이에 존재하도록, 니켈 또는 망간과 같은 오스테나이트 형성 원소로 표면 처리되고 그 표면으로 크롬 확산되고 예를 들어 연강으로 구성된 페라이트계 블랭크를 포함한다. 따라서, 화폐 재료는 적합한 탐지 수단을 전자적으로 이용하여 확인될 수 있다.

Description

화폐 재료 및 그 제조 방법

본 발명은 화폐(coinage) 재료 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 전자적으로 탐지 가능한 특성, 상세하게는 전자식 확인 수단에 의해 탐지될 수 있는 전기 및/또는 자기 특성을 나타내는 페라이트계 재료를 기초로 한 화폐 재료에 관한 것이다.

화폐는 전통적으로 구리 기본 합금과 같은 비철 금속으로만 형성된 동종의 블랭크들에 의해 제조된다. 다수의 많은 경우에 있어서, 주로 제조 경비를 이유로 해서 그러한 동종의 화폐는 연강(mild steel)과 같은 다용도로 이용되고 비용이 덜 드는 재료를 기초로 한 화폐로 대체되고 있다. 그러한 화폐 재료의 변색 및 부식을 적절히 방지하고 소정의 외형을 갖추도록 하기 위해, 금속 기질(substrate)이 통상적으로 표면 상에 코팅 처리된다. 전형적인 코팅 재료들로서는 구리, 황동(Cu-Zn), 청동(Cu-Sn) 및 니켈이 있고, 이러한 재료들은 일반적으로 전기 도금 기술에 의해 도포된다.

크로마이징(chromising)으로 공지된 또 다른 유형의 코팅 방법이 화폐 제조용으로 개발되어 오고 있다. 예를 들어, 영국 특허 제862 282호에서 최초로 개시되어 있는 이러한 방법에서, 크롬은 화학 증착법(CVD, chemical vapour deposition)에 의해 연강 블랭크에 증착되고 표면으로 확산되어 효과적인 페라이트계 스테인레스강의 층을 발생시킨다. 그러한 크로마이징 처리된 화폐 재료는 예를 들어 일부 국가들에서 이제까지 사용되고 있던 AISI 430형 스테인레스강과 같은 스테인레스강으로만 제조된 종래의 동종 화폐보다 실질적인 가격 상의 이점을 안고서 제공될 수 있다. 또한, 그러한 화폐 재료는 그 내부가 연성의 순철로 남아 있기 때문에 화폐 주조 프레스 내에서 보다 용이하게 스트라이킹될 수 있다.

위조, 손상된 또는 외국 화폐와 같은 비유효한 화폐들로부터 유효한 화폐들을 구별하기 위해 전자식 화폐 확인기(validator)가 범용되고 있다. 이러한 확인기들은 종래의 전자 도금된 화폐의 코팅 및 기질 재료들 사이의 특성 상의 차이점들을 이용할 수 있다. 전형적으로, 전자식 화폐 확인기는 전기 전도성 및 투자율에서의 차이점들을 탐지할 수 있다. 그러나, AISI 430형 스테인레스강 화폐에서와 같이 종래의 크로마이징 강 화폐는 전자식 화폐 확인기들에서 이용될 수 있는 특정한 특성을 나타내지 않는다. 실제로, 그 2개의 재료들은 전자식 확인기들에서 동등한 특성을 나타낼 수 있다. 이러한 것은 크로마이징 강 블랭크에서 표면의 스테인레스강과 내부의 순수한 강이 모두가 페라이트계 특성을 가짐으로써 유사한 전기 및 자기 특성을 나타내기 때문이다. 그러므로, 동종의 스테인레스강 화폐에 있어서와 같이, 전자 화폐 확인기들로 탐지될 수 있는 크로마이징 강 화폐의 표면과 내부 사이에 실질적인 특성 차이점들은 존재하지 않는다.

크로마이징 강 화폐에 대해 본질적인 이러한 제한은 페라이트계 블랭크의 표면을 오스테나이트 형성 원소로 처리함으로써 해결될 수 있음이 알려져 오고 있다. 따라서, 그 표면은 페라이트계로 남아 있는 내부와 대비하여 비강자성 오스테나이트 조직으로 변환된다. 결과적으로 표면과 내부 사이에 발생된 특성들 중에서 특징적이고 현저한 차이점들이 그 다음에 종래의 전자식 확인 기술을 이용하여 탐지될 수 있다.

따라서, 본 발명은 전자적으로 탐지 가능한 특징적이고 현저한 차이점이 표면과 내부 사이에 존재하도록, 오스테나이트 형성 원소로 표면 처리되고 표면에 확산된 크롬을 갖는 페라이트계 블랭크로 구성된 화폐 재료를 제공한다. 또한, 본 발명은 순차적으로 또는 동시에 오스테나이트 형성 원소로 페라이트계 블랭크의 표면을 처리하는 단계와 표면에 크롬을 확산시키는 단계를 포함하는 화폐 재료 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 의한 화폐 재료는 예를 들어 자동 판매기 및 아케이드 게임기와 같은 소위 슬롯 머신 또는 재화와 용역을 제공하는 바와 같은 임의의 다른 기계를 작동하는 데 이용될 수 있는 스트라이킹되지 않은 화폐 뿐만 아니라 스트라이킹된 화폐, 화폐 블랭크 또는 토큰 등을 포함한다.

본 발명에 따라 처리되는 블랭크용 페라이트계 재료로서, 양호하게는 저비용과 용이한 이용성 및 상대적인 연성으로 인해 연강이 사용되며, 연강으로 제조된 화폐 블랭크들은 스트라이킹 다이 또는 화폐 프레스의 과도한 마모를 야기함 없이 스트라이킹될 수 있다. 연강이하 함은 예를 들어 영국 표준 BS 1449, Pt 1, 1991에 부합되는 강으로서, 일반적으로 0.25 wt% 이하의 낮은 탄소 함량을 갖는 강철을 의미한다. 탄소 함량이 양호하게는 0.01 내지 0.1 wt%, 특히 0.03 내지 0.06 wt%를 갖는 연강이 이용되는 것이 바람직하다. 대안으로서, 소위 안정성 연강이 블랭크용으로 이용되는 데, 그러한 안정성 연강은 대개 레이들 단계(ladle stage)에서 강에 남아 있는 자유 틈새 원소들의 함량을 극소량으로 감소시키기 위해 강 내에 편재된 탄소 및 질소와 같은 틈새 원소들로 결속된 원소를 이용하여 선처리된 강을 의미한다. 따라서, 본 발명에 의한 일련의 크로마이징 처리 중에 크롬의 질화물 또는 경성 탄화물의 형성이 배제 또는 감소될 수 있으므로, 다이의 수명을 연장시킬 수 있는 이점이 있다. 적절한 안정 원소들은 니오브, 탄탈 및 티타늄을 포함한다.

본 발명에 의하면, 페라이트계 블랭크는 오스테나이트 층이 표면에 형성되도록 야기하는 원소로 처리된다. 예를 들어 니켈, 망간 또는 그 혼합물과 같은 적절한 오스테나이트 형성 원소들이 이용될 수도 있다. 니켈과 망간은 강의 오스테나이트 형성자로서 널리 알려져 있다. 예를 들어, 망간은 오스테나이트 스테인레스강 AISI 202 및 205에서 9 wt% 및 14.5 wt%의 함량으로 각각 존재한다. 오스테나이트 형성 처리는 특정한 오스테나이트 형성 원소에 적절히 사용될 수 있는 전기 도금 또는 CVD와 같은 적절한 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 니켈이 오스테나이트 형성자로 이용된다면, 니켈은 예를 들어 영국 특허 제1 477 981호에 개시된 도금 방법과 같은 전기 도금법에 의해 적합하게 적용될 수 있다. 망간이 오스테나이트 형성자로 이용된다면, 그 때에는 종래의 CVD 방법 또는 전기 도금법을 이용하여 적합하게 적용될 수도 있다. 양호한 실시예에서, 연강 블랭크는 전기 도금에 의해 니켈을 이용하여 표면 처리된다. 예를 들어, 니켈은 50 ㎛ 까지의 두께, 특히 2 내지 10 ㎛의 두께로 증착될 수 있다. 편리하게도, 니켈 도금된 화폐 블랭크가 현재 전세계적으로 다수의 제작자들에 의해 상업적으로 통용되고 있고, 다수의 국가의 화폐 주조소에 공급되고 있다. 공급원들은 웨스트에임(Westaim), 더 로열 민트(The Royal Mint, GB), IMI 버밍햄 민트(IMI Birmingham Mint, GB) 및 사우스 아프리칸 민트(South African Mint)를 포함한다. 그러한 블랭크들은 모두가 크로마이징 방법에 요구되는 고온에서 견디도록 제조되므로, 본 발명에 이용하기에 적합하다.

본 발명에 의하면, 블랭크는 본 기술 분야에서 공지된 CVD 기술을 적절히 이용하여 오스테나이트 형성 표면 처리와 함께 크롬 확산 처리를 받는다. 크롬 CVD는 예를 들어 니켈 및 니켈 합금과 같은 기질들의 고온 부식 침투에 대한 저항성이 증가되도록 하기 위해 이용되어 왔다. 상기 방식의 크롬 코팅의 적용은 기본 재료의 유리한 기계적 특성이 보존될 필요가 있는 경우에 특히 유용하다. 이러한 것은 가스 터빈 블레이드와 같이 고온에서 조작되고 상당한 응력을 받는 부품들에 있어서 특히 중요하다. 사용 중에 상당한 응력을 받지 않는 부품들에 있어서도, 크롬의 CVD는 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 니켈 및 크롬을 함유한 합금으로 제조된 부품들의 기계 가공은 어렵고 공구 마모가 빠르게 발생될 수 있다. 그러므로, 원칙적으로 니켈로 제조된 부품을 기계 가공하고 후단계에서 크롬 코팅을 도포하는 작업이 보다 용이해진다. 상기 루트에서는 또한 경제적인 이점도 있다.

크롬의 화학 증착법의 기본 원리들은 다음과 같다:

일반적으로 크롬 할로겐화물인 화학적 전구 물질은 금속성 크롬과 수소 할로겐화물(또는 할로겐) 가스의 반응에 의해 고온에서 발생된다. 이용된 할로겐화물은 전형적으로 염화물, 브롬화물, 플루오르화물 또는 요오드화물이다. 휘발성 크롬 할로겐화물은 예를 들어 다음의 반응식에 의해 생성될 수 있다. :

2Cr(금속) + 2HX → 2CrX + H₂(i)

여기서 X는 Cl, I, Br 또는 F.

크롬 할로겐화물 가스는 그 다음에 코팅될 기질과 접촉될 수 있게 된다. 다음의 반응식을 통해 증착이 발생될 수 있다. :

2CrX → 2Cr(금속) + X₂(ii)

2CrX + H₂→ 2Cr(금속) + 2HX(iii)

기질 상에 크롬의 증착이 발생되면, 이 방법에 이용된 고온에 의해 크롬이 표면으로 순차적으로 확산될 수 있게 된다. 코팅 조작 후에 전형적으로 40 wt%의 크롬 농도가 표면에 달성된다. 확산 깊이는 증착 온도와 이 온도에서의 체류 시간을 변화시킴으로써 조절될 수 있다.

예를 들어 니켈 또는 망간을 이용하는 전기 도금에 의해 오스테나이트 표면 층을 형성하는 표면 처리가 수행되는 경우에, 크롬 확산이 반드시 잇달아서 발생되어야 한다. 따라서, 본 발명에 의하면, 예를 들어 크롬이 니켈의 전기 도금층에 의해 미리 코팅된 연강 블랭크의 표면으로 확산될 수 있다. 이러한 크롬 코팅의 깊이는 전형적으로 50 ㎛까지이고, 양호하게는 10 내지 40 ㎛이다. 그러나, 표면 처리가 망간의 CVD에 의해 수행된다면, 이 때에는 망간 및 크롬 처리가 한 단계에서 동시에 혹은 2단계에서 순차적으로 CVD에 의해 수행될 수 있다. 유리하게도, 본 발명에 따른 크로마이징 처리는 부식 및 변색에 저항성을 갖고 미려하고, 윤이 있고, 은과 같은 외형을 갖는 화폐 재료를 제공한다.

본 발명에 따른 오스테나이트 형성 및 크로마이징 처리를 받게 되면, 블랭크의 페라이트계 체심 입방 결정 구조가 그 표면에서 오스테나이트계 면심 입방 결정 구조로 변환됨으로써, 블랭크 기질 재료의 재료 특성을 상당히 변하게 한다. 이 때에 그 표면과 내부 사이에 발생된 특성의 특징적이고 현저한 차이점들이 확인 수단으로서 전자적으로 탐지될 수 있다.

이제, 전자식 확인기에서 화폐는 하나 이상의 전기 코일의 자장을 통해 통과되어진다. 정현 파형으로 변화되는 자장이 각각의 코일에 설정되는데, 화폐의 존재로 자장에 장해가 발생되고, 계기는 이 때에 확인 또는 거부 수단으로서 공명 주파수, 위상 또는 진폭에서의 변화를 탐지한다. 화폐의 치수 및 재료 특성은 그러한 확인기들에서 화폐를 특징짓는 기능을 하는 상관 인자들이다.

실제로, 대부분의 전자 장치들은 상이한 주파수에서 작동하는 몇개의 코일들을 이용한다. 낮은 투자율과 낮은 전도성을 갖는 화폐가 상대적으로 낮은 주파수에서 작동하는 코일 상을 통과할 때, 전자기장이 화폐 자체 내에서 소정 거리로 전류를 유도하게 될 것이다. 반대로, 고주파수 코일은 주로 화폐의 표면에서 전류를 유도하는 경향이 있을 것이고, 특히 화폐가 고투자율 또는 고전도성을 갖는 재료로 제조될 때 더욱 그러하다.

금속에서의 자장의 투과 깊이(d)는 다음의 식으로 주어진다.

d = √{ρ/2πfμ_oμ_γ}

여기서 ρ는 금속의 저항, f는 자장의 정현 파형 변화의 주파수,

μ_o는 자유 공간의 투자율,

μ_γ는 금속의 상대 투자율, 및

d는 투과 깊이, 즉 그 자장 강도가 표면에서의 자장 강도의 절반이 되는 표면으로부터의 자장으로의 거리.

따라서, 다양한 코일들에 대한 적절한 주파수를 선택함으로써, 자동 판매기에서 화폐를 다양한 깊이에서 판독하는 것과 코팅층의 금속과 코어의 금속에서의 차이점을 탐지하는 것이 가능해진다.

본 발명은 내부 및 표면이 그 상관 특성(저항 및 투자율)에 있어서 현저하게 다르고, 따라서 지금까지 가능했던 것보다 더 높은 신뢰성으로 확인될 수 있는 화폐 재료를 제공한다. 특히, 크로마이징된 화폐의 안전성이 실질적으로 개선된다.

이러한 것은 상기에서 인용된 투자율 식을 참조해서 통상의 화폐 금속의 저항성 및 상대 투자율의 실제 값들을 고찰함으로써 증명될 수 있다.

따라서, 다양한 구리 기본 합금으로 제조된 동종의 화폐에 있어서, 상대적인 투자율이 거의 일치되는 데, 왜냐하면 모든 경우에서 이러한 합금들이 비강자성이기 때문이다. 그러므로, 이러한 합금들 사이의 판별은 주로 그 저항에 따라 결정된다. 구리 기본 화폐 합금들 중에서 가장 전도성이 큰 것은 소위 화폐 청동으로서, 그 저항은 전형적으로 약 35 nΩ-m이다.

AISI 430형의 스테인레스강도 역시 동종의 화폐로 이용되고 있다. 이 합금의 유도된 저항은 620 nΩ-m이다. 그러나, 이 합금이 강자성 합금이므로 그 상대적인 투자율은 매우 클 것이고, 아마도 1000 이상이 될 것이다. 연강은 유사하게 높은 상태 투자율을 나타낼 것이나, 전형적으로 120 nΩ-m인 낮은 저항을 갖는다.

철-크롬-니켈(혹은 철-크롬-망간)로 구성된 오스테나이트 또는 면심 입방 합금들은 훨씬 더 높은 저항을 갖는 데, 아마도 1000 nΩ-m 이상일 것이고 그 정확한 조성에 따라 결정된다. 그러나, 문제의 합금들이 비강자성이기 때문에, 그 투자율은 또 다시 거의 일치될 것이다.

이러한 예시들로부터 본 발명이 낮은 투자율과 높은 저항성을 갖는 표면과 이에 반대되는 특성을 갖는 내부로 이루어진 화폐 재료를 제공함을 알 수 있다. 이러한 현저한 차이점들은 화폐 확인기들이 판별 작업을 확실하게 하는 데 있어 상당한 도움을 제공하게 되므로, 훨씬 증가된 안전성이 제공된다.

오스테나이트 형성 원소에 의한 페라이트계 블랭크 재료의 표면 처리와 크롬 확산은 철, 크롬 및 오스테나이트 형성 원소들로 구성된 화폐의 표면에 복잡한 합금계를 발생시킨다. 이러한 합금의 조성은 표면 층의 깊이를 통해 연속적으로 변화된다. 예를 들어, 양호한 실시예에서, 니켈 판이 연강 블랭크를 표면 처리하고, 이어서 크롬 CVD 및 확산 처리하기 위해 오스테나이트 형성 원소로 이용된다면, 이 때에 니켈 판의 두께는 크롬 확산의 깊이에 대해 독립적으로 변화될 수 있다. 따라서, 크롬은 니켈 판의 두께보다 작은 깊이로 혹은 크롬이 니켈 판을 통과하여 강 베이스로 확산하는 더 큰 깊이로 니켈 판 안으로 확산될 수 있다. 더욱이, 철 및 니켈의 용해도는 이러한 원소들의 고체 용해도가 전기 도금 및 강 기질의 원래 경계선에서 형성되게 해준다. 결과적으로, 철, 니켈 및 크롬의 복합 3성분 합금이 크롬 확산에 따라 생성될 수 있다. 유사하게, 철, 망간 및 크롬의 다양한 복합 합금들이 망간 및 크롬의 CVD 확산을 조절함으로써 생성될 수 있다. 따라서, 철, 크롬 및 오스테나이트 형성 원소로 구성된 3성분 합금이 형성될 수 있다. 하나 이상의 오스테나이트 형성 원소가 이용되면, 철, 크롬 및 2개의 오스테나이트 형성 원소들로 구성된 4성분 합금이 형성될 수 있다. 따라서, 오스테나이트 형성 및 크로마이징 처리를 조절함으로써, 복합 합금계의 조성 형상(profile)이 변화될 수 있다. 따라서, 표면에서의 특정한 복합 조성에 따라 특징적인 성질을 각각 나타내는 화폐의 상이한 사양(specification)들을 제공하는 것이 가능해진다. 화폐 표면에서 특징적인 성질들을 측정할 수 있는 임의의 적절한 원격 탐지 수단이 특정한 화폐 사양을 확인하기 위해 이용될 수 있고, 따라서 치수가 유사하더라도 확인 수단으로서 그 화폐 사양을 또 다른 화폐 사양들과 분별할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 낮은 투자율과 높은 저항을 갖는 표면과 이에 반대되는 특성을 갖는 내부로 이루어진 화폐 재료를 제공함으로써, 이러한 현저한 차이점들에 의해 화폐 확인기들이 판별 작업을 확실하게 하는 데 있어 상당한 도움을 제공하게 되므로, 훨씬 증가된 안전성이 제공된다. 특히, 크로마이징된 화폐의 안전성이 실질적으로 개선된다. 또한, 본 발명에 의한 일련의 크로마이징 처리 중에 크롬의 경질 탄화물 또는 질화물의 형성이 배제 또는 감소될 수 있으므로, 다이의 수명을 연장시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims

전자적으로 탐지 가능한 특징적이고 현저한 차이점이 표면과 내부 사이에 존재하도록, 오스테나이트 형성 원소로 표면 처리되고 그 표면으로 확산된 크롬 페라이트계 블랭크를 포함하는 것을 특징으로 하는 화폐 재료.
제1항에 있어서, 화폐 재료는 스트라이킹 또는 스트라이킹되지 않은 화폐, 화폐 블랭크 또는 토큰인 것을 특징으로 하는 화폐 재료.
제1항 또는 제2항에 있어서, 블랭크는 본질적으로 연강으로 구성되는 것을 특징으로 하는 화폐 재료.
제3항에 있어서, 상기 강은 탄소 또는 질소와 같은 미소 함량의 자유 틈새 원소들을 갖고, 그리고/또는 예를 들어 탄화물 및/또는 질화물 형성자를 함유함으로써 안정화되는 것을 특징으로 하는 화폐 재료.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 오스테나이트 형성 원소는 니켈 및 망간으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 화폐 재료.
제5항에 있어서, 코어는 전기 도금에 의한 니켈을 이용하여 또는 화학 증착법 혹은 전기 도금에 의한 망간을 이용하여 표면 처리된 것을 특징으로 하는 화폐 재료.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 표면은 철, 크롬 및 오스테나이트 형성 원소의 3성분 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 화폐 재료.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 표면은 철, 크롬 및 2개의 오스테나이트 형성 원소들의 4성분 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 화폐 재료.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차이점은 전기 전도성 및/또는 투자율에 있는 것을 특징으로 하는 화폐 재료.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 주화 재료를 제조하는 방법에 있어서, 페라이트계 블랭크의 표면을 오스테나이트 형성 원소로 표면 처리하는 단계와, 그 표면으로 크롬을 확산하는 단계를 순차적으로 또는 동시에 포함하는 것을 특징으로 하는 화폐 재료의 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 표면은 전기 도금에 의해 니켈 또는 망간으로 처리되고, 그 다음에 크롬 확산을 받는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 크롬은 화학 증착법에 의해 표면에 증착되어 그 내부에서 확산하게 되는 것을 특징으로 하는 방법.
제12항에 있어서, 상기 표면은 화학 증착법에 의해 망간으로 처리되고, 순차적으로 혹은 동시에 화학 증착법 및 크롬 확산을 받는 것을 특징으로 하는 방법.