KR20130100329A - 주화 및 토큰 용도를 위한 은백색 피니시를 지니는 구리-아연-망간 합금 - Google Patents

Abstract

구리와 망간의 합금 및 구리, 망간 및 아연의 합금은 미국 5센트 피스 또는 "니켈"과 같은 코인의 생산에 사용될 수 있다. 적절한 도금에 의해, 이러한 합금은 현재 유통되는 코인의 전자기장 신호 또는 전기 전도도에 매칭할 수 있다. 이는 현대 자동 판매기가, 코인이 진짜임을 보장하는, 코인의 전도도를 측정하는 센서를 포함하기 때문에 중요하다.

Description

주화 및 토큰 용도를 위한 은백색 피니시를 지니는 구리-아연-망간 합금{COPPER-ZINC-MANGANESE ALLOYS WITH SILVERY-WHITE FINISH FOR COINAGE AND TOKEN APPLICATIONS}

본 발명은 주화에 사용되는 큐프로니켈(cupronickel) 합금에 대한 비용-효율적 대체물에 관한 것이다. 초기에는 구리 및 망간으로 구성된 합금이 연구되었다. 분류에 따르면, 이러한 합금은 망가닌(manganin)으로서 공지되어 있다. 구리-망간 합금으로 성공에 이른 후, 구리의 일부를 아연으로 대체함으로써 현저히 저하된 비용의 합금이 생산되었다. 결함이 있는 도금된 블랭크(blank) 또는 오손된 코인이 이들의 도금이 손상되지 않으면서 합금화 로(alloying furnace) 내로 다시 회수되게 하기 위해 합금에 니켈 또는 주석을 소량 첨가하였다.

구리와 니켈의 합금인 큐프로니켈은 전세계적으로 매우 다양한 주화 및 토큰에 사용된다. 그러한 큐프로니켈 합금의 대부분은 구리로 이루어져 있지만, 큐프로니켈은 니켈의 은백색 외관을 지니고 있다. 대부분의 미국 유통 화폐에는 75% 구리/25% 니켈 (Alloy C71300)로 구성된 큐프로니켈 합금이 사용된다. "니켈"로서 일반적으로 알려진 5센트 코인은 고형 큐프로니켈이다. 10, 25 및 50센트 및 Susan B. Anthony 1달러 코인은 큐프로니켈로 피복된 구리 코어(Alloy C11000)를 지닌다.

금속 가격, 특히 니켈 가격의 변동으로 인해, 미국 5센트 코인은 지난 몇 년에 걸쳐 여러 번 이의 액면가보다 제조하는데 비용이 더 많이 들었다. 이러한 상황은 조폐 산업에서 부정적인 시뇨리지(seigniorage)로서 알려져 있다. 큐프로니켈-피복된 미국 코인은 현재 이러한 문제를 지니지 않는데, 왜냐하면 이의 전체 니켈 함량이 실질적으로 낮고 이의 액면가가 더 높기 때문이다. 물론, 이러한 상황은 변화되기 쉽다. 큐프로니켈 주화를 사용하는 그 밖의 나라들은 동일한 문제에 접해 있다.

자동 판매기에는 미국에서 조폐된 모든 큐프로니켈 코인이 사용될 수 있다. 대부분의 현대 머신들은 유도성 센서 기술을 이용하여 코인의 전도도, 직경, 및 두께를 측정하는 전자적 주화 수용기(electronic coinage acceptor)를 사용하고 있다. 이러한 특성들의 조합은 코인의 전자기장 신호(electromagnetic signature: EMS)로서 알려져 있다. 위조자가 코인의 형태를 아무리 정확하게 재현할지라도, 위조자의 위조코인(slug)의 전도도가 진짜 코인의 범위 내에 있지 않으면 위조자는 자동 판매기에 성공적으로 "속임수를 행할(slug)" 수 없다. 더구나, 일부 주화 수용기는 다중 주파수에서 전도도를 측정하고 있으며, 다양한 브랜드의 수용기가 상이한 측정 주파수를 이용하고 있다. 이는 모두 전반에 걸쳐 전도도 매칭을 달성하기 더 어렵게 한다.

이러한 위조방지 방법은 부정적인 시뇨리지 상황에 직면하는 때에 코인에 이용되는 재료를 바꿔 조폐하는 것을 더 어렵게 한다. 기존 재료에 거의 정확하게 매칭할 대체물을 생산하지 않는다면, 하기 선택 중 하나를 선택해야 할 것이다:

1. 자판기 산업에서 구형 및 신형 재료 둘 모두가 인식되도록 자동 판매기에 추가 채널을 추가한다. 그러나, 많은 기계들이 5, 10, 25 센트 코인 및 1달러 코인에 대해 사용되는 단지 4개의 채널만을 지니고 있다.

2. 자판기 산업에서 구형 및 신형 재료 둘 모두가 허용되도록 대체되는 코인에 이용되는 채널에 대한 전도도의 허용가능한 범위를 넓힌다. 그러나, 이러한 더 넓어진 "윈도(window)"는 위조에 대한 머신의 보안성을 현저히 저하시킬 수 있다.

3. 신형 코인이 많은 자동 판매기에서 사용가능하지 않음을 대중에게 알린다. 그러나, 이는 정치적으로 좋지 않을 것 같다.

도 1은 4 μm (마이크론) 니켈 상부 도금 층을 지니는 강(steel) 블랭크에 대한 구리 도금 두께의 영향을 보여주는 센서 주파수의 함수에 따른 전기 전도도의 그래프이다.

도 2는 구리-니켈 도금으로 도금된 스테인리스 강 블랭크, 및 미국 5센트 코인(니켈)의 센서 주파수의 함수에 따른 전기 전도도의 그래프이다.

도 3은 구리-망간 합금 중에 존재하는 망간의 중량%의 함수에 따른 구리-망간 합금의 전기 전도도의 그래프이다.

도 4는 미국 5센트 코인에 대한 니켈 도금 두께 및 백청동(white bronze) 도금 두께의 함수에 따른 전기 전도도 변화의 그래프이다.

도 5는 센서 측정 주파수의 함수에 따른 구리-망간 합금에 대한 다양한 도금의 전기 전도도의 그래프이다.

도 6은 망간 중량 함량의 함수에 따른 구리-아연-망간 블랭크의 전기 전도도의 그래프이다.

도 7은 센서 주파수의 함수에 따른 미국 5센트 코인(니켈) 및 상이한 도금 두께로 니켈-도금된 구리-아연-망간-니켈 합금의 전기 전도도의 그래프이다.

도 8은 센서 주파수의 함수에 따른 미국 5센트 피스(니켈)와 비교한 다양한 도금 두께로 니켈-도금된 구리-망간 합금의 전기 전도도의 그래프이다.

도 9는 니켈 도금 두께의 함수에 따른 니켈 도금된 구리-아연-망간-니켈 합금 및 구리-망간 합금의 전기 전도도 변화의 그래프이다.

도 10은 평균 전도도에 대한 구리-아연-망간-니켈 합금 중의 망간 함량의 영향의 그래프이고, 두 가지 상이한 화학적 분석 방법을 이용하여 얻어진 측정에 차이가 보여진다.

도 11은 구리-아연-망간-니켈 합금의 평균 전도도에 대한 어닐링의 영향의 그래프이다.

본 발명은 "니켈"로서 일반적으로 알려진 기존의 고형 큐프로니켈 미국 5센트 코인과 자판기 설비에서 동일한 방식으로 거동하는 비용-효율적인 대체물에 관한 것이다. 전기도금된 물질에 의해서는 광범위한 전자기식 측정 주파수 전체에 걸쳐 큐프로니켈과 동일한 전기 전도도를 지니는 코인 블랭크가 달성되기 어려운데, 왜냐하면 자판기 설비 센서에 의해 유도된 와전류(eddy current)의 침투 깊이가 측정 주파수에 따라 달라지기 때문이다. 주파수가 증가함에 따라, 침투 깊이가 감소하는데, 이는 도금 층이 전체 전도도 판독에 있어서 더욱 중요해지고 있음을 의미한다.

탄소 강, 316 스테인리스 강, 구리, 및 95%/5%, 85%/15%, 및 70%/30%의 구리/아연 함량을 지니는 황동(brass)을 포함하는 다양한 기재 상에서 초기 시험을 실시하였다. 다양한 기재에 대해서 니켈 도금 및 백청동 도금을 시험하였는데, 일부는 기재 바로 위에 도금하고, 일부는 구리 도금의 초기 침착물 위에 도금하였다. 모든 경우에 주파수에 따른 전도도에는 현저한 변화가 있었다.

전기도금된 탄소강은 전 세계적으로 주화에 광범위하게 사용되고 있으며, 이용가능한 가장 저렴한 기재이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 측정 주파수를 아는 경우, 그리고 코인이 잘 기능할 것으로 예상되는 모든 장치가 그러한 측정 주파수에서 작동되는 경우, 큐프로니켈에 대한 매칭물을 얻을 수 있다. 도시된 모든 네 가지 형태는 이들의 전도도 대 주파수 선이 5.5% IACS 선에 교차하는 지점 주위의 작은 주파수 대역 내에서는 큐프로니켈과 동일한 전도도를 나타낼 것이다. IACS는 "국제 어닐링된 구리 표준(International Annealed Copper Standard)"을 나타내는 것이다. 예를 들어, 5%의 IACS 전도도는, 이러한 표준에 의해 규정된 바에 의하면, "순수한" 구리의 것의 5% 전도도를 나타내는 것이다. 본원에 사용된 용어 "약"은 플러스 또는 마이너스(±) 10%를 의미한다.

가장 가까운 매칭물 중 하나는 먼저 9.6μm의 구리, 이어서 4.8μm의 니켈 도금으로 전기도금된 Alloy 316 스테인리스 강에 의해 얻어졌다. 이 결과는 도 2에 도시되어 있다. 도 2에서 전도도 대 주파수 선의 기울기가 도 1에서의 기울기보다 현저히 작은 것은 명확하다. 이러한 물질은 550 내지 650 kHz의 범위에서 작동하는 센서에서 허용가능한 큐프로니켈 대체물일 가능성이 있다. 그러나, 더 낮은 주파수에서 작동하는 센서는 낮은 전도도 때문에 물질을 리젝션(rejection)할 것이고, 더 높은 주파수에서 작동하는 센서는 더 높은 전도도 때문에 물질을 리젝션할 것이 분명하다.

광범위한 측정 주파수 전체에 걸쳐 요망되는 전도도를 지니는 저렴한 합금을 찾거나 개발할 필요성이 존재한다. 추가로, 합금에 컬러 매칭 및/또는 내식성 목적을 위해 전기도금된 피니시(finish)가 요구되는 경우, EMS에 대한 도금의 영향이 최소화되어야 한다.

이러한 적용을 위하여 연구는 아연-기반 합금으로 전환되었다. 미국 페니에 사용되는 Alloy 190 아연의 고유 전도도는 약 28% IACS이고, 그래서, 요망되는 전도도, 즉, 본 경우에 있어서, 미국 니켈의 전도도를 나타내는 약 5.5% IACS를 달성하기 위해서는 아연을 또 다른 금속과 합금해야할 필요가 있다. 망간은 매우 낮은 전도도를 지녀서, 다른 금속과 합금되는 때에 생성되는 합금의 전도도를 현저히 저하시킬 수 있다. 아연-망간 합금으로 한 실험은 결국 5.5% IACS의 목표로 하는 전도도를 달성했지만, 그러한 합금은 롤링시키기에는 너무 지나치게 부서지기 쉬워서, 합금을 주화에 사용하기에 부적합하게 만들었다.

그 후에 구리-망간 합금이 고려되었다. 구리-망간 합금은 전도도를 5.5% IACS 수준 훨씬 아래로 저하시키기에 충분한 망간 함량으로 생산될 수 있다. 망간 함량이 어느 정도가 되어야 하는지를 결정해야 할 문제가 있었다. 도 3에 나타난 바와 같이, 첫 번째 두 개의 샘플은 각각 6.8 및 8.9%의 함량, 그리고 68 kHz에서 6.96% 및 5.36% IACS의 전도도를 지녔다. 이러한 시험 데이터를 망가닌 합금에 대한 다른 데이터와 조합함으로써 도 3에 나타난 바와 같은 플롯이 얻어졌다. 이러한 플롯으로부터, 5.5% IACS 전도도를 달성하기 위해서는 약 8.4 내지 8.5%의 망간, 나머지 구리의 조성이 목표로 되어야 하는 것으로 결론지어졌다. 이러한 잘 조화된 데이터는 합금 전도도가 망간 함량의 신중한 선택에 의해 넓은 범위에 걸쳐 조절될 수 있음을 나타낸다.

1 in. × 6 in. × 12 in.의 5개의 슬래브를 용융된 상태로부터 약 8.4 내지 8.5%의 망간, 나머지 구리의 이러한 조성으로 몰드에 주조하였다. 주조된 대로의 전도도는 68 kHz에서 평균하여 5.48% IACS였다. 슬래브의 표면을 평활해지도록 기계로 가공하였다. 이후, 슬래브를 약 0.064 인치의 게이지에 다회 통과로 롤링시켰다. 생성된 스트립을 블랭킹 프레스(blanking press)에 통과시켜 0.837 인치 직경의 코인 블랭크를 생산하였다. 그 후, 이러한 블랭크를 리밍 머신에 통과시켜 직경을 0.827 인치로 감소시켰다. 이러한 두께 및 직경은 미국 5 센트 블랭크에 대해 명시된 치수이다.

블랭크는 Rockwell 30T 슈퍼피셜 경도계(Rockwell 30T superficial hardness scale)에서 78.3의 평균 경도 및 5.49% IACS의 평균 전도도(6개의 상이한 주파수에서 평균함)를 지녔다. 1000℉에서 어닐링 후, 블랭크는 Rockwell 30T에서 48.5의 경도, 및 5.59% IACS의 평균 전도도를 지녔다.

블랭크는 적갈색을 지녀서 요망되는 은백색을 제공하기 위해 이들을 전기도금할 필요가 있었다. 실험은 실제 미국 5 센트 코인을 다양한 두께로 니켈과 백청동 둘 모두에 의해 도금함으로써 실시되었다. 이러한 연구의 결과는 도 4에 나타나 있다.

50개의 Cu-Mn 블랭크를 다음과 같이 전기도금하였다: (1) 니켈 도금, 블랭크의 중심부에서 2.4μm 두께; (2) 니켈 도금, 5.0μm 중심부 두께; (3) 백청동(주석-구리 합금) 도금, 2.1μm 중심부 두께; 및 (4) 백청동 도금, 5.7μm 중심부 두께. 니켈-도금된 블랭크는 1000℉에서 베이킹되어 도금에 응력 완화(stress relief)를 제공하였다. 백청동-도금된 블랭크는 이러한 처리 단계를 필요로 하지 않았다. 이후, 모든 네 개의 구성들을 밝게 은백색 피니시를 제공하기 위해 원심-디스크 기계(centrifugal-disk machine)에서 버니싱(burnishing)하였다.

그 후, 피니싱된 블랭크를 60, 120, 240, 300, 480, 및 960 kHz의 주파수에서 전도도에 대해 시험하였다. 실제 미국 5 센트 코인 및 도금되지 않은 Cu-Mn 블랭크 (어닐링 전 및 후)를 참조를 위해 또한 시험하였다. 결과는 도 5에 나타나 있다.

도 4 및 5의 데이터로부터 하기와 같은 여러 결론이 도출될 수 있다.

1. 니켈 도금은 유사한 두께의 백청동 도금보다 전도성에 대해 훨씬 더 큰 영향을 지녔다. 이는 니켈이 강자성이고, 이러한 강자성이 센서에 영향을 준다는 사실 때문이다. 니켈의 진짜 전도도는(다른 기술에 의해 측정하는 경우) 약 23% IACS이지만, 유도성 센서는 순수 니켈을 측정하는 경우 훨씬 더 낮은 전도도(< 1% IACS)를 나타낸다.

2. 백청동은 강자성이 아니기 때문에, 백청동 도금은 전도성 판독 값에 더 "트랜스패런트(transparent)"하고, 이의 고유 전도도는 큐프로니켈의 전도도에 상당히 가깝다. 300 kHz 아래의 측정 주파수에서는 어떠한 두께 수준에서도 거의 영향이 보여지지 않았다. 더 높은 주파수에서, 5.7μm 두께의 샘플의 전도도는 도금되지 않은 샘플의 전도도와 약간 차이가 있었다.

3. 어닐링 후, 그리고 도금 전 Cu-Mn 합금의 예상보다 더 높은 전도도로 인해, 2.4μm 니켈-도금된 샘플은 측정 주파수의 스펙트럼 전체에 걸쳐 미국 니켈의 전도도에 가장 가깝게 매칭하였다.

그 후, 4개의 상이한 제조업체로부터의 6개의 상이한 모델의 전자 주화 수용기에서 이러한 샘플들을 시험하였다. 또한, 도금되지 않고, 어닐링된 Cu-Mn 블랭크를 시험하였다. 각각의 유형의 동일한 10개의 블랭크를 각각의 머신에 통과시켰고, 통과가 성공한 횟수를 기록하였다. 통과에 실패한 어떠한 블랭크를 2차, 필요 시, 3차 통과시켰다. 결과는 표 1에 나타나 있다.

표 1. 6개의 주화 기계에 대한 Cu-Mn 블랭크 허용성 데이터

도금된 구리-망간 블랭크를 시험한 후, 구리의 일부를 아연으로 대체함으로써 합금의 현저한 비용 절감이 달성될 수 있음을 알게 되었다. 이는 구리-아연 합금(황동)이 구리보다 상당히 덜 전도성이기 때문에 합금 중 망간의 새로운 최적 수준을 알아내는 것을 필요로 할 것이다. 이후, 5.5% IACS의 목표로 하는 전도도를 충족시키기 위해 더 낮은 망간 함량이 요구될 수 있다.

방법은 3개의 합금으로 시작하는 것으로 되어 있었고, 합금들 모두는 약 30%의 아연을 함유하고, 각각 3%, 5%, 및 7%의 공칭 함량의 망간, 및 나머지 구리를 지녔다. 상기 기술과 동일한 기술을 이용하여 슬래브를 요망되는 게이지 (0.064 인치)에 롤링시키고, 0.827 인치의 리밍(rimming)된 코인 블랭크를 생산하였다. 이후, 블랭크를 1250℉에서 어닐링시키고, 각각의 전도도를 측정하였다. 표 2에 이러한 시행의 결과가 기재되어 있다.

이러한 결과로부터, 상기 30% 아연 합금은 망간 함량을 간단히 조절함으로써 광범위한 전도도 전체에 걸쳐 조정될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 표 2에 나타난 바와 같이 완전히 가공된 이러한 3개의 샘플은 IACS 평균 전도도가 약 5.1 내지 9.4%(240 내지 960 kHz의 주파수에서 5.0 내지 9.3% IACS)의 범위로 차이가 있었다. 망간 함량을 3% 공칭 미만로 감소시키거나, 망간 함량을 7% 공칭 초과로 증가시킴으로써 상기 범위가 추가로 넓어질 수 있는 것으로 증명되었다. 또한, 상업적으로 제조된 황동 합금 중 아연의 범위가 5% (길딩 메탈(Gilding Metal), Alloy C21000) 내지 40% (문쯔 메탈(Muntz Metal), Alloy C28000)임에 따라 아연 함량의 변화가 가능할 것임이 분명해졌다.

코인 블랭크 전도도 결과는 도 6에서 실제 망간 함량에 대해 플롯팅되어 있다. 3개의 망간 수준 모두를 고려해 볼 때, 약 6.0 내지 6.1%의 망간 함량이 다음 구성의 샘플에 대해 적절할 것으로 보여진다.

그러한 다음 구성의 샘플의 경우는 합금에 대해 니켈 및 주석의 소량 첨가가 이루어진 것이었다. 그러한 의도는 결함이 있는 니켈-도금된 블랭크 또는 백청동-도금된 블랭크, 또는 각각의 유형의 오손된 코인을 합금화 로 내에 바로 회수되게 하는 것이었다. 미국 페니의 경험을 근거로 하여, 이러한 금속은 오로지 < 0.5중량%의 함량으로 존재해야 효율적인 재순환을 가능하게 하는 것으로 밝혀졌다. 목표로 하는 주조 슬래브 조성은 다음과 같다: (1) 30% Zn, 6% Mn, 0.35% Ni, 나머지 Cu 및 (2) 30% Zn, 6% Mn, 0.20% Sn, 나머지 Cu. 그러나, 시험된 바에 따르면 두 가지 조성 모두에서 망간 함량은 명시된 것보다 높았다. 그럼에도 불구하고, 슬래브는 상기와 같이 롤링되고 주화 블랭크가 생산되었다. 이러한 블랭크들에 대한 어닐링 전과 후 둘 모두의 전도도 및 경도가 표 3에 기재되어 있다.

망간 함량이 의도된 것보다 더 높았던 것을 고려해 볼 때 전도도가 저하되지 않았다는 점은 놀라웠다. 이는 니켈 및 주석 첨가의 영향에 원인이 있을 수 있다. 또한, 합금 샘플의 화학적 분석에서 부정확성이 반영되었을 수도 있다. 이유가 무엇이든, 합금이 어닐링 후에도 요망되는 5.5% IACS 전도도에 여전히 매우 가까웠다는 점이 고무적이었다.

소량의 니켈 및 주석 첨가가 각각의 합금의 가공에 대해 부정적인 영향을 지니지 않았다는 사실은 중요하다. Cu-Mn 또는 Cu-Zn-Mn 합금이 또한 비슷한 양의 니켈과 주석 둘 모두에 의해 생산될 수 있으며, 이것이 합금의 니켈-도금된 버전 및 백청동-도금된 버전 둘 모두를 새로운 합금 생산을 위해 동일한 로 내에서 효율적으로 회수되게 할 것임을 예상하는 것은 타당하다.

Cu-Zn-Mn-Sn 합금 샘플의 전도도가 목표로 하는 전도도보다 이미 더 높았기 때문에, 이를 백청동으로 도금할 필요가 없었다. 상기 언급된 바와 같이, 백청동 도금은 전도도를 추가로 증가시키는 것으로 예상된다. 니켈 도금은 전도도를 감소시키기 때문에, 단지 Cu-Zn-Mn-Ni 합금 샘플만이 도금되었다.

50개의 Cu-Zn-Mn-Ni 블랭크, 뿐만 아니라 상기 연구에서 먼저 생산되었던 50개의 남아 있는 Cu-Mn 블랭크를 2.7μm의 두께로 니켈 도금시켰다. 각각의 유형의 10개의 블랭크를 1000℉에서 베이킹하여 니켈 도금에 잔류하는 응력을 완화시켰다. 이는 도금이 균열 없이 코이닝 처리를 견딜 수 있게 하기 위해 필요하다. 이 후, 남아 있는 블랭크를 황산 용액 중에서 음극성 처리(cathodic treatment)에 의해 재활성화시키고, 3.4, 4.4, 및 5.4μm의 최종 니켈 도금 두께에 이르도록 추가 시간 동안 니켈 도금시켰다. 각각의 유형의 10개의 블랭크를 각 수준의 두께로 생산하였고; 10개의 각각의 구성을 이의 목표로 하는 두께에 도달하는 때에 응력-완화시켰다.

도 7은 다양한 주파수에서 도금된 Cu-Zn-Mn-Ni 블랭크에 대한 전도도 시험의 결과를 나타낸 것이다. 도 8은 Cu-Mn 블랭크에 대한 동일한 데이터를 나타낸 것이다. 도금되지 않은 블랭크 및 미국 5센트 코인에 대한 데이터가 또한 포함되어 있다. 참조를 위해, 시험되었던 다수의(약 60개) 5센트 코인에 대한 각각의 주파수에서의 최대 및 최소 전도도 값이 또한 나타나 있다.

이러한 데이터는 니켈 도금 두께가 증가됨에 따라서 어떠한 주어진 주파수에서 측정되는 전도도가 감소될 것임을 분명히 나타낸다. 60 내지 300 kHz에서 3개의 도금 두께가 작을수록, 5센트 코인에 더 가깝게 매칭하는 듯하지만, 480 내지 960 kHz에서 5.4μm의 데이터가 가장 잘 매칭한 것으로 나타난 사실은 흥미롭다. 모든 경우에, 도금된 블랭크는 미국 5센트 코인의 샘플링의 제한치 내에 적절하게 존재한다. 도 9는 니켈 도금 두께에 따라 달라지는 전도도의 평균 변화를 나타낸 것이다. 두 합금에 대해 그러한 영향이 약간 상이하다는 점이 주목된다.

그 후, 도금된 Cu-Zn-Mn-Ni 블랭크를 상기와 같이 동일한 6개의 주화 수용기를 사용하여 시험하였다. 다시 한번, 각각의 유형의 10개의 블랭크를 각각의 머신에 통과시켰으며, 통과를 성공한 횟수를 기록하였다. 실패했던 블랭크를 2차, 필요한 경우, 3차 통과시켰다. 결과는 표 4에 기재되어 있다.

5.4μm의 니켈 두께를 지니는 샘플이 가장 좋지 않게 수행되었음이 드문드문 보인다. 도 7은 이러한 샘플이, 특히 가장 높은 측정 주파수에서, 미국 5센트 코인에 대해 탁월한 전도도 매칭을 나타냈음을 보여준다. 이는 4 내지 5μm를 초과하는 니켈 도금 두께가 일부 모델의 주화 수용기의 경우에는 감지하기 어려울 수 있음을 시사한다.

마지막 연구 단계는 실험실 결과가 더 큰 규모에서 재현가능할 수 있는지를 알아내고, 이러한 합금의 제조하는 비용이 얼마인지 알고자 하는 것이었다. 시험 블랭크의 생산에 적합한 합금 스트립을 생산하였다. 그러한 조성은 약 30 ± 1%의 아연, 0.4 내지 0.5%의 니켈, 5 내지 7% 범위의 망간, 및 나머지 구리였다. 스트립 게이지는 약 0.064 인치였다.

하기 표 5에 기재된 바와 같은 조성으로 모두 10개의 스트립을 생산하였다.

* 주석: 전도도 값은 60, 68, 120, 240, 300, 480, 및 960 kHz의 주파수에서 얻어진 7개 판독의 평균임.

"1X 어닐"은 도금 후 단일 1250℉ 어닐링 사이클에 주어졌던 블랭크를 나타냄.

"2X 어닐"은 도금 전 1250℉ 어닐링 사이클, 그리고 도금 후 1000℉ 응력-완화 사이클에 주어졌던 블랭크를 나타냄.

표 5. Cu-Zn-Mn-Ni 블랭크에 대한 조성, 전도도, 및 고속 코인 분류 결과

유도 결합 플라즈마 (inductively coupled plasma: ICP) 분광기에 의해 표 5에서의 조성을 알아냈다. 또한, 이러한 의도로 생성된 샘플 모두를 분석하는데 사용했었던 원자 흡수 (atomic absorption: AA) 분광기를 사용하여 샘플을 분석하였다. 도 10에 나타난 바와 같이, 망간 함량에 대해 두 가지 기술 사이에 언급된 전도도에는 차이가 있었다. AA 기록은 상응하는 ICP 값보다 평균 약 0.4% 낮았다. 완전한 ICP 조성 기록은 표 5에 이용되었다. 표 5에 망간에 대한 AA 기록이 또한 포함되어 있다.

앞선 시험에서와 같이 각각의 10개의 스트립으로부터 0.827 인치 직경의 리밍된 코인 블랭크를 생산하였다. 3개의 상이한 목표로 하는 니켈 도금 두께를 선택하였다: 3μm, 5μm, 및 7μm. 두 가지 상이한 어닐링 방법을 또한 연구하였다: 첫 번째 방법은 도금 전에 1250℉ 사이클을, 이어서 도금 후에 1000℉ 사이클을 수반하는 것이었다. 두 번째 방법은 도금 후에 단일 1250℉ 사이클을 이용하여 베이스 금속을 평활하게 하는 동시에 도금 응력을 완화시키는 것이었다. 각각의 공정 단계에서 7개의 상이한 주파수에서 전도도를 측정하였다. 도 5는 블랭킹되고 사전 어닐링된 상태에서의 각각의 10개의 스트립으로부터 코인 블랭크에 대한 결과, 뿐만 아니라 모두 60개의 도금된 코인 블랭크들의 조합에 대한 결과를 나타낸 것이다.

도 11은 전도도에 대한 어닐링의 영향을 나타낸 것이다. 합금의 출발 전도도가 증가됨에 따라(즉, 망간 함량이 감소함에 따라), 전도도에 대한 어닐링의 영향이 증가된다는 사실은 흥미롭다.

이후, 60개 구성의 도금된 블랭크, 뿐만 아니라 10개 구성의 도금되지 않은 블랭크(어닐링되지 않음)를 Scan Coin Active 4000 고속 코인 분류기 (SC4000)를 이용하여 분석하였다. 코인 직경 및 두께의 측정 외에, 4회 전도도의 상이한 측정, 및 2회 허용성 측정을 실시하였다. 현재 유통되는 미국 5센트 코인의 구성을 또한 분석하여 측정된 8개의 파라미터 각각에 대한 기본 값을 설정하였다. 표 5에 SC4000으로 시험된 각각의 구성에 대한 결과가 기재되어 있다. 8개의 니켈-도금된 구성, 뿐만 아니라 7개의 도금되지 않은 블랭크 구성을 모든 8개의 파라미터에 대한 기본 값의 ± 5% 내로 5센트 코인에 매칭하는 것에 대해 측정하였다. 8개 이상의 니켈-도금된 구성, 및 도금되지 않은 블랭크 구성 중 하나가 7개의 파라미터에 매칭하였고, 나머지 하나는 ± 7.5% 내에 있었다. 9개의 추가 니켈-도금된 구성이 7개의 파라미터에 매칭하였고, 나머지 하나는 ± 10% 내에 있었다.

SC4000 결과에 의해 EMS 매칭에 대한 여러 의견이 하기와 같이 제시된다:

1. 단순한 전도도 매칭은 확실한 성공이 아니다. 니켈-도금된 블랭크의 경우, 5.4 내지 5.5% IACS의 원래의 목표로 하는 전도도보다 두드러지게 더 낮은 전도도에서 가장 우수한 매칭이 나타났다.

2. 허용성 측정은 주화 인식에서 중요한 인자이다. EMS의 이러한 양태는 앞선 시험에서 설명되지 않았다.

3. 5μm 초과의 니켈 도금 두께는 일반적으로 만족스럽지 못하다. 이는 미리 5.4μm의 니켈-도금된 블랭크에 의해 관찰된 예상치 못한 자판기 결과에 의해 입증된다.

4. 일반적인 법칙에 따라, 니켈 도금 후 단일 어닐링 사이클에 의해 더 우수한 EMS 결과가 얻어지는 것으로 보인다.

이러한 연구 단계 결과의 최종 시험으로서, SC4000 머신을 이용하여 식별된 세 단의 후보물질을 상이한 제조업체로부터의 주화 수용기가 탑재된 한 쌍의 자동 판매기에서 시험하였다. 4개의 추가 구성을 시험에 추가시켰고, 그 중 2개는 실패할 것으로 예상되었고(스트립 1, 3μm Ni, 1X 어닐, 및 스트립 4, 7 μm Ni, 2X 어닐); 하나는 일부 실패할 가능성이 있었고(스트립 5, 5μm Ni, 2X 어닐); 하나는 SC4000 시험에서 가장 높은 기준을 거의 통과하였지만, 두 파라미터에 대해 ± 5%를 약간 초과하였다(스트립 10, 7μm Ni, 1X 어닐). 표 6에 이러한 시험의 결과가 기재되어 있다.

* 주석: 자판기 결과는 첫 번째 시도에서 성공적으로 통과한 블랭크의 갯수가 10개인 것으로 기록됨.

"1X 어닐"은 도금 후 단일 1250℉ 어닐링 사이클에 주어졌던 블랭크를 나타냄.

"2X 어닐"은 도금 전 1250℉ 어닐링 사이클, 그리고 도금 후 1000℉ 응력-완화 사이클에 주어졌던 블랭크를 나타냄.

표 6. Cu-Zn-Mn-Ni 블랭크에 대한 고속 주화 분류기 및 자판기 결과

시험된 두 번째 기계에서 주화 수용기는 첫 번째 기계보다 더 선택적인 것으로 입증되었다. 그럼에도 불구하고, 결과는 8개의 니켈-도금된 구성 및 7개의 도금되지 않은 블랭크 구성은 SC4000에서 모든 8개의 파라미터 대해 기본 값의 ± 5% 내로 5센트 코인에 매칭한 것(문자 A로 식별됨)에 대해 두 기계 모두에서 탁월했다.

두 번째 단의 샘플들의 경우(문자 B로 식별됨), 첫 번째 기계에서의 결과는 첫 번째 단의 샘플 못지 않게 우수했지만, 두 번째 기계에서의 결과는 덜 우수했다. 7μm의 도금 두께를 지니는 이러한 그룹 중 하나의 샘플을 제외하고, 결과는 여전히 상당히 우수했다(10 중 7개 또는 그 이상). 1차에 실패한 블랭크는 2차, 그리고 3차 통과에 대해서도 그 전 시험에서 그러했듯이 성공하지 못했다. 이러한 구성으로부터 남아 있는 블랭크의 허용성은 2차 또는 3차 통과를 따를 가능성이 있다.

세 번째 단의 샘플의 경우(문자 C로 식별됨), 3μm의 니켈 도금을 지니는 블랭크의 경우 두 기계 모두에서 결과가 우수했고, 또한 5μm의 니켈 도금을 지니는 샘플의 경우 첫 번째 기계에서 결과가 우수했다. 두 번째 기계에서, 5μm 샘플은 허용성이 실패로 나타났고, 7μm 샘플은 전반에 걸쳐 불량했다. 첫 번째 기계에서 7μm 샘플은 스트립 8 내지 10에서 우수한 결과를 나타냈지만, 스트립 6 또는 7로부터 이루어졌을 경우에는 만족스럽지 못했다.

시험된 남아 있는 4개 구성의 블랭크의 경우, 실패할 것으로 예상된 블랭크는 두 기계 모두에서 실패하였다. 일부 실패로 고려되는 구성은 예상된 바와 같이 첫 번째 기계에서는 4개가 허용되었고, 두 번째 기계에서는 9개가 허용되었다. 두 SC4000 파라미터에 대해 ± 5% 범위를 겨우 넘겼던 구성은 첫 번째 기계에서 10개가 허용되면서 탁월했지만, 두 번째 기계에서는 어떠한 것도 허용되지 않았다. 이는 7μm 도금 층의 결과인 것으로 보인다.

이러한 시험 결과는 Cu-Zn-Mn-Ni 합금에 대한 니켈 도금 두께가 최대 5μm로 제한되어야 함을 제시하는 것이다. 이러한 잠재적 제한은, 캐나다 5센트 코인이 약 4μm 니켈의 상부 도금 층을 지니고 유통이 매우 잘 이루어지고 있으므로 문제가 되지 않을 것이다. 본 발명의 합금은 본질적으로 내식성이며, 주로 외관을 때문에 도금이 이루어진다. 그러나, 더 두꺼운 피니시가 요망되는 경우, 백청동 도금이, 바람직하게는, 앞서 기재된 바와 같은 Cu-Zn-Mn-Sn 합금상에 적용될 수 있다.

또한, 합금과 도금의 상호작용의 추가 연구에 의해 더 두꺼운 니켈 도금 두께가 허용될 수 있을 가능성이 있다. 현재 존재하는 한 가지 문제점은 전자 신호에 대한 코이닝의 영향이다. 코이닝되지 않은 블랭크에 대해 시험을 실시하였다. 전도도 프로브는 편평한 표면에 대해 프레싱되도록 설계된 반면, 주화 수용기 및 분류 머신에서의 전도도 센서는 코인을 직접적으로 접촉하지 않으면서 작동되도록 설계되어 있다. 5센트 코인 전도도 측정은 센서 프로브와의 완전한 접촉이 부족한 것에 어느 정도 영향받을 가능성이 있었다. 반대로, 시험된 블랭크에 대한 SC4000 및 자판기 측정은 표면이 편평했다는 사실에 영향받을 가능성이 있었다. 이는 블랭크와 코인 전도도 데이터를 직접적으로 비교할 수 없게 한다.

이러한 한계에도 불구하고, 이러한 결과는 상기 연구의 타당성(soundness)을 입증하였다. 초기 연구 단계에 시험된 샘플 스트립 및 블랭크는 비교적 대강 생산된 것이었다. 마지막 단계에 사용된 물질은 더 정교한 방식으로 생산되었지만, 여전히 실험실 규모로 생산된 것이었다. 분명하게는, 추가의 정제에 의해, 그리고 완전한 규모의 공정으로 생기는 조절 이점에 의해, 훨씬 더 우수한 결과를 달성할 수 있다.

Alloy C71300 (75% 구리/25% 니켈)의 신호에 가까운 칭물이 달성되었지만, 이는 단지 흔히 쓰이는 큐프로니켈 합금만이 아니다. 다른 큐프로니켈 합금에는 Alloy C70600 (90% 구리/10% 니켈, 전도도 9.1% IACS), Alloy C71000 (80% 구리/20% 니켈, 전도도 6.5% IACS), 및 Alloy C71500 (70% 구리/30% 니켈, 전도도 4.6% IACS)이 포함된다. 또한, 84% 구리/16% 니켈을 지니는 큐프로니켈이 있다. 분명하게는, 합금 중 니켈의 백분율이 높아질수록 경제적 혜택이 더 커져서, 주화 및 토큰 용도의 대체물로서 상기 생산된 바와 같은 합금이 사용된다. 시험 결과는 이러한 큐프로니켈 합금, 뿐만 아니라 이러한 범위 내의 어떠한 기타 물질들 각각의 전도도에 매칭할 Cu-Mn 또는 Cu-Zn-Mn 합금이 생산될 수 있음을 나타낸다.

큐프로니켈 외에, 다양한 양의 구리, 아연, 및 니켈를 함유하는 주로 "양은(nickel silver)"으로서 알려진 합금 부류인 다른 은백색 주화 합금이 또한 상기 기재된 방법에 의해 매칭될 수 있다. 이들의 예에는 Alloy C74500 (65% 구리/25% 아연/10% 니켈, 전도도 9% IACS), Alloy C75700 (65% 구리/23% 아연/12% 니켈, 전도도 8% IACS), Alloy C75400 (65% 구리/20% 아연/15% 니켈, 전도도 7% IACS), C75200 (65% 구리/17% 아연/18% 니켈, 전도도 6% IACS), 및 C77000 (55% 구리/27% 아연/18% 니켈, 전도도 5.5% IACS)이 포함된다. 이들 합금과 동일한 범위내 전도도를 지니는 다수의 유사한 양은 합금이 전세계 주화에 사용된다. 다시 말하면, 이들 중 어떠한 것은 Cu-Mn 또는 Cu-Zn-Mn 합금을 사용하여 전도도에 대해 매칭될 수 있고, 은백색은, 요망되는 경우, 니켈 또는 백청동 도금을 이용하여 복구된다.

또 다른 우려인 니켈 알러지 및 발암 물질로서 가능성 있는 부류의 니켈의 문제가 해결된다. 유럽 연합은 최근에 여러 니켈 화합물의 사용을 제한하는 법안을 통과시켰다. 백청동 도금이 Cu-Mn 또는 Cu-Zn-Mn 기반 합금 상에 적용되는 경우, 생성된 코인 또는 토큰은 완전히 니켈을 함유하지 않는다. 미국 특허 제7,296,370호에는 주화 및 토큰 용도를 위한 백청동 도금이 논의된다.

본 발명은 야금술, 전기도금, 및 전자 신호 기술과 화합하여 주화 용도로 더욱 저렴한 합금을 위한 특유의 "허용되는(drop in)" 대체물을 생성시킨다. 이의 가치는 고려되고 있는 코인의 액면가 뿐만 아니라 니켈, 구리, 및 아연의 상대적인 비용에 의해 매우 크게 결정된다. 니켈은 지난 5년에 걸쳐 가격 범위가 약 $4/lb 내지 $24/lb였다. 구리는 동일한 기간에 걸쳐 가격 범위가 약 $1.20/lb 내지 $4/lb였다. 아연은 가격 범위가 $0.43 내지 $2.10/lb였다. 현재, 니켈은 구리보다 3배 덜 비싸지만, 2007년 5월에는 6배 이상 비쌌었다. 유사하게, 니켈은 현재 아연보다 10배 비싸지만, 2007년 5월에는 거의 14배 비쌌었다. 이러한 동일한 5년의 기간 동안, 전해 망간(electrolytic 망간)은 가격 범위가 약 $0.80/lb 내지 $3/lb였다.

미국 5센트 코인의 경우에, 상기 밝혀진 합금의 전환은 미국의 Mint로 하여금 기존의 고형 큐프로니켈 버젼의 유통을 점진적으로 정지시키도록 할 것이다. 그 후에, 이러한 금속은 더욱 비용 효율적이고, 더 높은 디노미네이션(denomination)의 큐프로니켈-클래드 구리 코인에서 사용을 위해 회수될 수 있다. 이들 모두는 자판기 산업에 어떠한 영향을 주거나 대중을 불편하게 하지 않으면서 이루어질 수 있다. 이는 최근 십억 내지 이십억개의 5센트 코인을 생산하는 미국 Mint에게 절약을 위해 중요한 기회를 나타내는 것이다. 이러한 기회는, 미국 Mint가 기존의 고형 큐프로니켈 코인의 유통을 가속화된 속도로 정지시켰을 경우 수년 동안 백억개의 블랭크라는 점에서 훨씬 더 좋은 것일 수 있다.

상기 내용에 근거하여, 약 30중량%의 아연, 약 6중량% 내지 약 7중량%의 망간, 0.5중량% 미만의 니켈, 및 나머지 구리를 포함하는 합금이 현재의 주화에 적합한 합금을 제공할 것이다. 이러한 합금 조성 중 망간의 양은 6.5중량%가 잘 맞는다.

더욱이, 약 30중량%의 아연, 약 6중량% 내지 약 7중량%의 망간, 0.5중량% 미만의 주석, 및 나머지 구리를 포함하는 합금이 현재의 주화에 적합한 합금을 제공할 것이다. 이러한 합금 조성 중 망간의 양은 6.5중량%가 잘 맞는다.

또 다른 바람직한 주화 합금은 약 30중량%의 아연, 약 6중량% 내지 7중량%의 망간, 0.5중량% 미만의 주석, 0.5중량% 미만의 니켈, 및 나머지 구리를 포함하는 합금이고, 이것이 또한 현대 주화에 적합한 합금을 제공할 것이다. 이러한 합금 조성 중 망간의 양은 6.5중량%가 잘 맞는다.

당업자는 주화 및 토큰 용도를 위한 은백색 피니시를 지니는 상기 합금이 본 발명의 많은 가능한 구체예를 단지 대표하는 것이고, 본 발명의 범위가 이로 제한되지 않아야 하지만 대신에 오로지 하기 특허청구범위에 의해서만 제한되어야 함을 인지할 것이다.

Claims (35)

1. 구리, 아연 및 망간을 포함하며, 블랭크(blank)로 롤링되고 코이닝(coining)되는 합금.
2. 제 1항에 있어서, 상기 합금 상에 적용된 백청동(white bronze) 도금을 추가로 포함하는 합금.
3. 제 1항에 있어서, 상기 합금 상에 적용된 니켈 도금을 추가로 포함하는 합금.
4. 약 30중량%의 아연, 약 6중량% 내지 7중량%의 망간, 0.5중량% 미만의 니켈, 및 나머지 구리를 포함하는 합금.
5. 제 4항에 있어서, 상기 합금 상에 적용된 백청동 도금을 추가로 포함하며, 상기 망간이 상기 합금의 약 6.5중량%인 합금.
6. 제 4항에 있어서, 상기 합금 상에 적용된 니켈 도금을 추가로 포함하는 합금.
7. 구리, 아연 및 망간을 포함하며, 약 240 kHz 내지 960 kHz의 전자기장 주파수 범위에 걸쳐 약 5.0% 내지 5.8%의 IACS 전도도를 지니는 합금.
8. 약 30중량%의 아연, 약 6중량% 내지 7중량%의 망간, 0.5중량% 미만의 주석, 및 나머지 구리를 포함하는 합금.
9. 제 8항에 있어서, 상기 합금 상에 적용된 백청동 도금을 추가로 포함하며, 상기 망간이 상기 합금의 약 6.5중량%인 합금.
10. 제 8항에 있어서, 상기 합금 상에 적용된 니켈 도금을 추가로 포함하는 합금.
11. 약 30중량%의 아연, 약 6중량% 내지 7중량%의 망간, 0.5중량% 미만의 주석, 0.5중량% 미만의 니켈, 및 나머지 구리를 포함하는 합금.
12. 제 11항에 있어서, 상기 합금 상에 적용된 백청동 도금을 추가로 포함하며, 상기 망간이 상기 합금의 약 6.5중량%인 합금.
13. 제 11항에 있어서, 상기 합금 상에 적용된 니켈 도금을 추가로 포함하는 합금.
14. 구리, 아연 및 망간을 포함하며, 약 240 kHz 내지 960 kHz의 주파수 범위에 걸쳐 약 5.0 내지 9.3의 IACS 전도도를 지니는 합금.
15. 약 30중량%의 아연, 약 3 내지 7중량%의 망간, 0.5중량% 미만의 주석, 0.5중량% 미만의 니켈, 및 나머지 구리를 포함하는 합금.
16. 제 15항에 있어서, 상기 합금 상에 적용된 백청동 도금을 추가로 포함하는 합금.
17. 제 15항에 있어서, 상기 합금 상에 적용된 니켈 도금을 추가로 포함하는 합금.
18. 구리 및 망간을 포함하며, 블랭크로 롤링되고 코이닝되는 합금.
19. 제 18항에 있어서, 상기 합금 상에 적용된 백청동 도금을 추가로 포함하는 합금.
20. 제 18항에 있어서, 상기 합금 상에 적용된 니켈 도금을 추가로 포함하는 합금.
21. 약 8.5중량%의 망간, 및 나머지 구리를 포함하는 합금.
22. 제 21항에 있어서, 상기 합금 상에 적용된 백청동 도금을 추가로 포함하는 합금.
23. 제 21항에 있어서, 상기 합금 상에 적용된 니켈 도금을 추가로 포함하는 합금.
24. 구리 및 망간을 포함하며, 약 240 kHz 내지 960 kHz의 전자기장 주파수 범위에 걸쳐 5.0 내지 5.8%의 IACS 전도도를 지니는 합금.
25. 제 24항에 있어서, IACS 전도도가 약 5.2 내지 5.6%인 합금.
26. 제 25항에 있어서, IACS 전도도가 약 5.3 내지 5.5%인 합금.
27. 구리 및 망간을 포함하며, 약 240 kHz 내지 960 kHz의 전자기장 주파수 범위에 걸쳐 약 5.1 내지 9.1의 IACS 전도도를 지니는 합금.
28. 약 5 내지 9중량%의 망간, 및 나머지 구리를 포함하는 합금.
29. 제 26항에 있어서, 상기 합금에 걸쳐 적용된 백청동 도금을 추가로 포함하는 합금.
30. 제 26항에 있어서, 상기 합금에 걸쳐 적용된 니켈 도금을 추가로 포함하는 합금.
31. 약 8.4 내지 8.5%의 망간, 및 구리를 포함하며, 약 5.5%의 IACS 전도도를 포함하는 합금.
32. 제 31항에 있어서, 니켈 도금 및 백청동 도금 중 하나를 추가로 포함하는 합금.
33. 코인 센서(coin sensor)에서 코인의 전자기장 신호(electromagnetic signature)를 유지하면서 큐프로니켈(cupronickel) 코인 중 니켈의 양을 감소시키는 방법으로서,
    큐프로니켈 코인 중 니켈의 양을 감소시키고;
    코인에 아연 및 망간을 첨가하고;
    코인을 도금함을 포함하는 방법.
34. 제 33항에 있어서, 상기 도금이 코인을 니켈 도금함을 포함하는 방법
35. 제 33항에 있어서, 상기 도금이 코인을 백청동 도금함을 포함하는 방법.
    
    
    
    
    

Images