MX2014002884A

MX2014002884A - Galvanizado del aluminio.

Info

Publication number: MX2014002884A
Application number: MX2014002884A
Authority: MX
Inventors: Taixiang Jiang; Xianyao Li; Hieu Cong Truong
Original assignee: Monnaie Royale Canadienne Royal Canadian Mint
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2014-06-23
Also published as: CA2848347C; JP2014530293A; EP2756116B1; RU2014113212A; CA2848347A1; BR112014005863A2; WO2013037071A8; WO2013037071A1; RU2610811C9; EP2756116A4; US9540735B2; CN103946427A; KR20140078662A; EP2756116A1; MX355419B; US20140205856A1; RU2610811C2; ES2586820T3

Abstract

La invención se refiere a un método de tratamiento del aluminio o de una aleación de aluminio, que incluye: proveer un substrato de aluminio o de aleación de aluminio; depositar una primera capa de galvanización sobre el substrato por el sumergimiento en un cincato; retirar la primera capa de galvanización; depositar una segunda capa de galvanización sobre el substrato por el sumergimiento en un cincato; retirar la segunda capa de galvanización; y depositar una tercera capa de galvanización sobre el substrato por el sumergimiento en un cincato.

Description

GALVANIZADO DEL ALUMINIO Campo de la Invención La presente descripción se refiere en general al campo del recubrimiento del aluminio. Más particularmente, la presente descripción se refiere a la galvanización del aluminio como un pre- ratamiento de recubrimiento.

Antecedentes de la Invención Aunque la mayoría de la descripción de aquí se refiere al recubrimiento de monedas, estas son solamente un ejemplo de un substrato.

Aunque la mayoría de la descripción de aquí se refiere al recubrimiento del aluminio, ésta se entiende que incluye el recubrimiento del aluminio o de aleaciones de aluminio .

Existe una demanda creciente de materiales de acuñado de costo bajo, alternativos, que pueden mantener y/o incrementar las características de seguridad y que son durables para su uso como monedas en circulación. El aluminio es uno de los materiales del núcleo candidatos más promisorios debido a su disponibilidad, costo bajo, peso ligero, y excelentes propiedades físicas y químicas. Aunque el aluminio es utilizado como el material de las monedas en muchos países, estas monedas ha mostrado una resistencia pobre al desgaste y una durabilidad muy baja en el medio Ref. 247306 ambiente de circulación. Algunas de las monedas de aluminio llegan a volverse oscuras y se corroen brevemente después de ser retiradas de la circulación. Estas monedas corroídas contaminan las pertenencias personales de los consumidores. Por lo tanto, se espera que el enchapado de metal (es) de sobre un substrato de aluminio proporcionará una resistencia mejorada al desgaste y mayor durabilidad al substrato de aluminio .

Se sabe bien que el electro-enchapado sobre el aluminio es mucho más difícil que el enchapado sobre otros metales tales como las aleaciones de acero o de cobre. Un problema mayor en el enchapado del aluminio es la dificultad para lograr una buena adhesión del recubrimiento, particularmente cuando se utiliza un enchapado en un tambor. Esto se debe al hecho de que una película de óxido de aluminio tiende a formarse sobre la superficie de aluminio inmediatamente cuando la superficie es expuesta al aire o al agua. Esta película de óxido es perjudicial para el proceso de enchapado porque actúa como una barrera para prevenir la unión metálica directa entre el enchapado y el núcleo del aluminio, conduciendo así a una adhesión pobre entre el enchapado y el substrato. Los pre-tratamientos especiales han sido desarrollados para resolver la adhesión pobre tal como el ataque con un ácido para remover el óxido, la anodización para crear una superficie áspera, y la pre-deposición para cubrir la superficie oxidada, incluyendo enchapado con níquel no electrolítico y la galvanización en la cual un depósito por sumergimiento en cinc es producido.

En diferentes procesos de galvanización simples tales como aquellos descritos en ASTM B253-87 "Preparation of Aluminium Alloys for Electroplating" , las diferentes etapas, incluyendo una solución de sumergimiento de galvanización que contiene elementos tales como cinc, cobre, níquel y agentes de formación de complejos de cianuro y tartrato, son requeridas para diferentes aleaciones de aluminio que conducen a una adhesión inconsistente entre el enchapado y el substrato. Por ejemplo, diferentes procedimientos y soluciones de sumergimiento de cinc son recomendadas cuando el hidróxido de sodio y el óxido de cinc son utilizados principalmente con diferentes aditivos bajo diferentes condiciones. Durante el complemento de la etapa de galvanización, ya sea por el proceso de galvanización único o doble, se aplican otros procesos de pre- recubrimiento . Estos procesos incluyen por ejemplo, el baño primario en cianuro de cobre, el baño primario de níquel neutral y el níquel no electrolítico, etc.

La Patente U.S. No. 6,692,630 a favor de Morin et al ("Morin") describe un pretratamiento de galvanización de dos etapas para el enchapado de partes de aluminio en un proceso de enchapado en un tambor pequeño. Morin describe un proceso de galvanización semejante al proceso de galvanización descrito en la referencia del ASTM B253-87. De acuerdo con Morin, la mejora en términos de la mejor adhesión se debe a la adición de cianuro de potasio que actúa como un agente de formación de complejos y de un activador de la solución en el proceso de galvanización. Además, sea cual sea el enchapado del metal sobre el aluminio que sea emprendido, es el enchapado con cobre puro, el enchapado con una aleación de cobre (bronce o latón) , o el enchapado del níquel, un baño primario de capa de cobre, es particularmente enfatizado, y se considera como un deber para la adhesión de acuerdo con Morin. El baño primario de la capa de cobre en Morin, es el enchapado utilizando un baño primario de cianuro de cobre.

En los materiales de acuñado, la tecnología de enchapado sin cianuro, como se describe en las Patentes U.S. Nos. 5,151,167 a favor de Truong et al. ("Truongl") y 5,139,886 a favor de Truong et al. ("Truong2"), ha sido bienvenida por muchos países y está disponible comercialmente . Las monedas galvanizadas a partir de la tecnología de enchapado de capas múltiples y sin cianuro han llegado a estar en circulación en muchos países y han probado que van a ser durables, seguras, y competitivas en cuanto al costo. En la estructura de monedas de capas múltiples, el níquel, el cobre y luego otra capa de níquel son recubiertas sobre el acero con bajo contenido de carbón utilizando una carga automática y un proceso controlado por computadora, el cual está libre de cianuro.

Breve Descripción de la Invención Las modalidades descritas aquí se refieren a la galvanización triple del aluminio (por ejemplo de una moneda) como un pre-tratamiento para el enchapado sobre el aluminio o sobre las aleaciones de aluminio. El enchapado puede comprender uno o más metales o aleaciones de metales, y puede ser efectuado sin el uso de cianuro.

En un primer aspecto, la presente descripción proporciona un método de tratamiento del aluminio o de una aleación de aluminio. El método incluye: proveer un substrato de aluminio o de aleación de aluminio; depositar una primera capa de galvanización sobre el substrato por el sumergimiento en cincato; retirar la primera capa de galvanización; depositar una segunda capa de galvanización sobre el substrato por el sumergimiento en cincato; retirar la segunda capa de galvanización; y depositar una tercera capa de galvanización sobre el substrato por el sumergimiento en cincato .

Después de la deposición de la tercera capa de galvanización, el método puede incluir el enchapado sobre el substrato. El enchapado puede ser efectuado en la ausencia substancial del cianuro. El enchapado puede incluir el uso de cianuro .

El enchapado puede incluir el enchapado en tambor. El enchapado puede incluir el enchapado de una o más capas de metal o de aleaciones de metal. El enchapado puede ser efectuado sobre una superficie completa del substrato. Previo al enchapado, el método puede incluir la aplicación de una corriente activa al tambor de enchapado para ayudar a la adhesión de una primera capa de enchapado al substrato.

Después del enchapado, el método puede incluir el recocido para crear una difusión metálica entre el substrato y las placas de enchapado para ayudar a la adhesión. El recocido puede ser efectuado entre 400 y 600 °C. El recocido puede ser efectuado entre 425 y 450 °C.

El sumergimiento puede ser efectuado durante 10 a 120 segundos. El sumergimiento puede ser efectuado durante 15 a 60 segundos.

El substrato puede ser un cospel .

El método puede incluir adicionalmente , además de la deposición de la tercera capa de galvanizado, retirar la tercera capa de galvanizado, y depositar una cuarta capa de galvanizado sobre el substrato por sumergimiento en un cincato .

En otro aspecto, la presente descripción proporciona un aluminio o aleación de aluminio que tiene un recubrimiento. El recubrimiento incluye: una primera capa de galvanización aplicada por medio de la galvanización del aluminio o el substrato de aluminio, del cual ha sido retirada la primera capa del galvanizado; una segunda capa de galvanizado aplicada por medio de la galvanización de la primera capa de galvanizado con el recubrimiento retirado, tal segunda capa de galvanizado ha sido retirada; y una tercera capa de galvanizado aplicada por medio de la galvanización de la segunda capa de galvanizado con el recubrimiento retirado.

En todavía otro aspecto, la presente descripción proporciona un substrato de aluminio o de una aleación de aluminio que tiene un recubrimiento. El recubrimiento incluye una capa de galvanizado triple la cual tiene una densidad mayor que aproximadamente 7.5 g/cm3.

Otros aspectos y características de la presente descripción llegarán a ser evidentes para aquellos con experiencia ordinaria en el arte durante la revisión de la siguiente descripción de las modalidades específicas en conjunción con la figuras que se anexan.

Breve Descripción de las Figuras Las modalidades de la presente descripción serán descritas ahora, a manera de ejemplo solamente, con referencia a las figuras anexas, en donde: la figura la, figura Ib, figura le son diagramas de flujo que ilustran los métodos de electroenchapado sobre aluminio sin utilizar el cianuro de acuerdo con la descripción; la figura 2a y la figura 2b ilustran la morfología superficial de la capa de galvanizado desde un sumergimiento único en un cincato; la figura 2c y la figura 2d ilustran la morfología superficial de la capa de galvanizado desde un sumergimiento doble en un cincato; la figura 2e y la figura 2f ilustran la morfología superficial de la capa de galvanizado desde un sumergimiento triple en un cincato ,- la figura 3a es una imagen de SEM de gran amplificación de la capa de galvanizado desde un sumergimiento único en un cincato; la figura 3b es una imagen de SEM de gran amplificación de la capa de galvanizado desde un sumergimiento doble en un cincato; la figura 3c es una imagen de SEM de gran amplificación de la capa de galvanizado desde un sumergimiento triple en un cincato; la figura 4a y la figura 4b ilustran la morfología superficial de un substrato de aluminio después del retiro de la(s) capa(s) de galvanizado; la figura 5a, figura 5b, figura 5c y figura 5d ilustran la morfología superficial de la capa de galvanizado con una duración variable del sumergimiento en la solución de galvanizado; la figura 6 es una sección transversal óptica del enchapado de níquel sobre un substrato de aluminio desde un proceso de galvanizado triple; la figura 7a es una imagen de SEM de gran amplificación del enchapado de níquel sobre un substrato de aluminio desde un proceso de galvanizado triple; la figura 7b ilustra gráficamente los resultados de un análisis de EDX del enchapado de níquel sobre un substrato de aluminio desde un proceso de galvanizado triple; la figura 8a, la figura 8b y la figura 8c ilustran las secciones transversales ópticas o las interfaces de Al/Ni del enchapado de níquel sobre un substrato de aluminio a temperaturas de recocido variables; la figura 9 es un diagrama de fases binario de Ni-Al; la figura 10a y la figura 10b son fotografías de monedas acuñadas a partir de las preformas de aluminio; la figura 11 ilustra un aparato de prueba del desgaste ; la figura 12a, figura 12b, figura 12c y figura 12d son imágenes ópticas de las fichas enchapadas probadas para el desgaste; la figura 13a, figura 13b, figura 13c y figura 13d son imágenes ópticas de las fichas enchapadas probadas para el desgaste; la figura 14a, figura 14b, figura 14c y figura 14d son imágenes ópticas de las fichas enchapadas probadas para el desgaste; la figura 15 ilustra gráficamente la conductividad de un substrato de aluminio enchapado con en enchapado de níquel de monocapa; la figura 16 ilustra gráficamente la conductividad de un substrato de aluminio enchapado con el enchapado de níquel-cobre de capas múltiples y el enchapado de níquel-cobre -níquel ; la figura 17 ilustra gráficamente una comparación de diferentes estructuras de enchapado sobre el substrato de aluminio; la figura 18 ilustra gráficamente el comportamiento de la conductividad del substrato de aluminio enchapado con el enchapado de capas múltiples de Ni2Cu9Ni5 con recocido posterior a diferentes temperaturas; la figura 19 ilustra gráficamente el comportamiento de la conductividad del substrato de aluminio enchapado con el enchapado de capas múltiples de Ni2Cu10Ni6 con recocido posterior a diferentes temperaturas ; la figura 20 ilustra gráficamente el comportamiento de la conductividad del substrato de aluminio enchapado con el enchapado de capas múltiples de Ni2Cui2Ni3 con recocido posterior a diferentes temperaturas; y la figura 21 ilustra gráficamente el comportamiento de la conductividad del substrato de aluminio enchapado con el enchapado de monocapa de Ni2Cui2Ni3 con recocido posterior a diferentes temperaturas.

Descripción Detallada de la Invención En general, las modalidades descritas aquí se refieren al menos a la galvanización triple del aluminio (por ejemplo una moneda) como un pre-tratamiento para el enchapado. El enchapado puede comprender uno o más metales o aleaciones de metales, y puede ser efectuado sin el uso de cianuro .

Una modalidad es ilustrada en la figura 1A, la cual muestra un diagrama de flujo para el tratamiento del aluminio o de aleación de aluminio (10) . El aluminio o de aleación de aluminio (10) es galvanizado triplemente sumergiendo primero el aluminio o la aleación de aluminio (10) en la solución de cincato (12) . La capa de galvanizado resultante es retirada (14) utilizando una solución de separación del cincato. Las etapas de sumergimiento y separación (12, 14) son repetidas al menos una vez y el material resultante es sumergido en un sumergimiento en cincato final (16) , para un total de al menos tres sumergimientos en la solución de galvanizado, conduciendo a un aluminio o aleación de aluminio tratado (18) .

El sumergimiento en cincato conduce a la creación de una capa muy delgada de cinc sobre el substrato de aluminio de acuerdo con la ecuación: 3Na2Zn02+2Al+2H20 - 2NaA102+3Zn+4NaOH El zinc es convertido rápidamente al óxido de cinc más estable el cual es insoluble en el agua de acuerdo con la ecuación: Zn+¾02 ~ ZnO .

La capa de cinc-óxido de cinc es conocida como una "capa de galvanizado", una "capa de cincato", o un "depósito de cincato" . La capa de galvanizado puede ser controlada por la uniformidad del tamaño. La formación densa y compacta es deseable sobre un tamaño burdo y grande para evitar (o limitar) las porosidades que son las venas de ataque del baño de enchapado sin cianuro, ácido, o neutral.

La expresión "galvanización" se refiere al sumergimiento de un substrato en una solución de cincato, lo cual conduce a una capa de galvanización. "Doble" galvanización se refiere a la galvanización de un substrato, el retiro del galvanizado del substrato enchapado utilizando una solución de retiro, y el galvanizado del substrato al que se le ha retirado el galvanizado, de tal modo que exista un total de dos etapas de galvanización. "Triple" galvanización se refiere de manera semejante a un proceso con tres etapas de galvanización y dos etapas de retiro del galvanizado .

Las soluciones de cincato, también referidas como soluciones de galvanización, ya son conocidas en el arte. Una solución de galvanización incluye el hidróxido de sodio y el óxido de cinc, el cloruro de cinc, o ambos. Las modificaciones de tal solución de galvanización puede incluir la adición de un agente formador de complejos tal como el cianuro o tartrato; la adición de otros metales tales como el cobre, el níquel, o el hierro. Ciertas soluciones de galvanización las cuales son utilizadas en los métodos de acuerdo con la presente descripción pueden excluir el cianuro. Las soluciones de cincato ejemplares son descritas en ASTM B253-87 ("Standard Guide for Preparation of Aluminum Alloys for Electroplating") y en la Patente U.S. No. 6,656,606 ( "Electroplated aluminum parts and process of production" a favor de Louis Charles Morin et al) .

Las soluciones de separación del cincato, también referidas como soluciones de retiro, son soluciones ácidas que remueven el galvanizado del substrato enchapado. Un ejemplo de una solución de retiro del cincato es una solución de ácido nítrico al 50 % en volumen. Otras soluciones de retiro del cincato, ejemplares, no incluyen ácido nítrico y pueden estar libres de humo.

El aluminio o la aleación de aluminio tratada (18) puede ser utilizado como un substrato del cospel. El substrato del cospel puede incluir subsiguientemente una estructura de enchapado de capas múltiples sobre la parte superior de la capa de cincato, seguido por un proceso de recocido posterior del cospel total. La triple galvanización tiene como propósito ayudar a la adhesión del (de los) recubrimiento (s) de electroenchapado metálico al substrato de aluminio o aleación de aluminio.

La figura IB muestra un diagrama de flujo que ilustra otra modalidad de tratamiento del aluminio o de la aleación de aluminio (10') sin utilizar cianuro. La modalidad ilustrada en la figura IB incluye las etapas ilustradas en la figura 1A así como las etapas adicionales, como se describe posteriormente. Otra modalidad es ilustrada en la figura 1C, la cual es descrita subsiguientemente con mayor detalle.

Limpieza por remojado (20) : El aluminio o la aleación de aluminio (10') es limpiado por remojado (20) . La solución está compuesta de Alklean 11™ (CI) (Atotech, Berlín, Alemania) (45 g/1) y es un limpiador por remojado altamente efectivo para el retiro rápido del aceite, la grasa y los depósitos de suciedad sobre las aleaciones de aluminio. La temperatura del baño está en el intervalo de 50-89 °C y el tiempo de remojado está entre 1-10 min.

Ataque con ácido (22) : El aluminio o la aleación de aluminio es atacada con ácido (22) . La solución se hace de Alklean AC-2™ (50 ml/1) (Atotech, Berlín, Alemania) . La solución es utilizada para la limpieza o el retiro de la capa de óxido que se forma rápidamente sobre la superficie del aluminio cuando está en contacto con el aire o el agua, su acción de ataque suave provee un ataque uniforme que es modificado fácilmente con ajustes a la temperatura y la concentración. La temperatura del baño está en el intervalo de 13-38 °C y el tiempo de sumergimiento está entre 30 segundos y 2 minutos .

Desmanchado (24) : El aluminio o aleación de aluminio atacado con ácido es sumergido en una solución de desmanchado (24) . La solución se hace a partir de Desmutter NF 2™ (90 g/1) (Atotech, Berlín, Alemania) y está libre de ácido nítrico. El propósito de esta etapa es remover los residuos insolubles (manchas) dejados por la etapa de ataque con ácido previa y deja una superficie rica en aluminio ligeramente oxidada, uniforme, para el sumergimiento en cincato. Las manchas son básicamente los residuos que se mantienen pegados a la superficie del aluminio a causa de que las mismas son insolubles en la solución de ataque con ácido. El Desmutter NF 2 disuelve rápidamente las manchas indeseables y es mucho menos agresivo sobre los substratos de aluminio que los procesos basados en el ácido nítrico. La temperatura operativa está en el intervalo de 18-35 °C y el tiempo de sumergimiento está entre 30 segundos y 3 minutos.

Sumergimiento en cincato (12'): El aluminio o aleación de aluminio desmanchado es sumergido en una solución de cincato (12'). El propósito del sumergimiento en cincato es aplicar una capa de barrera para prevenir (o limitar) la reoxidación de la superficie de aluminio activa. El sumergimiento en la solución del cincato provoca la disolución del aluminio y la deposición de una capa delgada de cinc. 3 Na2Zn02 + 2 Al + 2 H20 -> 2 NaA102 + 3 Zn + 4 NaOH Como se describió anteriormente, este cinc es convertido al óxido de cinc y forma una capa de cincato (es decir una capa de cinc-óxido de cinc) .

La solución de sumergimiento de cincato se hace a partir de Alumseal NCY-X2™ (240 ml/g) (Atotech, Berlín, Alemania) el cual es una solución sin cianuro diseñada específicamente para facilitar el enchapado de los depósitos metálicos sobre las aleaciones de aluminio. Alumseal NCY-X2 aplica una capa de galvanización densa, delgada, que puede ser enchapada subsiguientemente con el cobre, níquel, níquel no electrolítico, y otros metales. La temperatura operativa está en el intervalo de 18-43 °C y el tiempo de sumergimiento está entre 15 y 120 segundos.

Separación del cincato (14'): El galvanizado del aluminio o aleación de aluminio enchapado es retirado (14') utilizando una solución de retirado. En el proceso doble de sumergimiento en cincato, dos etapas de galvanización son requeridas. Después de la primera operación de galvanización, la primera capa de galvanizado es retirada. Esta etapa remueve las impurezas superficiales, y deja una superficie blanca uniforme. Subiste algo de la capa de galvanización, conduciendo a una mejor adhesión del cinc al substrato de Al. Después del retiro de la primera capa de galvanizado, se aplica una segunda capa de galvanizado. Esta segunda galvanización asegurará un capa de galvanizado más densa. La segunda capa de galvanización también es separada antes del tercer sumergimiento en el cincato.

La nueva solución de separación utilizada se hizo de Activator BD (50 g/1) (Atotech, Berlín, Alemania) y H2S04 (al 1.5 % en volumen) . Las temperaturas operativas están en el intervalo de 21-26 °C y el tiempo de sumergimiento está entre 30 segundos y 3 minutos.

Tercer sumergimiento en cincato (16') : La capa con el segundo galvanizado retirado es sumergida en una solución de cincato (16') . La solución se hace a partir de Alumseal NCY-X2™ (240 ml/1) (Atotech, Berlín, Alemania) la cual es una solución sin cianuro diseñada específicamente para facilitar el enchapado de los depósitos metálicos sobre las aleaciones de aluminio. El Alumseal NCY-X2 aplica una capa de galvanización densa, delgada, que puede ser enchapada subsiguientemente con cobre, níquel, níquel no electrolítico, y otros metales. La temperatura operativa está en el intervalo de 18-43 °C y el tiempo de sumergimiento está entre 15 y 120 segundos.

Una capa de cincato triple es más delgada, más densa, tiene un tamaño de grano más pequeño, y/o tiene mejor cobertura de la superficie del substrato cuando se compara con una capa de galvanización doble. En los ejemplos particulares, una capa de galvanización triple puede ser menor que 100 nm . En otros ejemplos, una capa de galvanización triple puede ser de menos de 70 nm. En todavía otros ejemplos, una capa de galvanización triple puede ser menor que 20 nm. En los ejemplos particulares, la capa de galvanización triple tiene un espesor de aproximadamente 20 nm, y la capa de galvanización triple tiene un peso de más de 15 µg/cm2; es decir, la densidad es mayor que aproximadamente 15xl0"6 g / 20xl0"7 era3. En otros ejemplos particulares, la capa de galvanización triple tiene un espesor de aproximadamente 70 nm, y la capa de galvanización triple tiene un peso mayor que 50 µg/cm2,· es decir, la densidad es mayor que aproximadamente 50xl0"6 g / 70xl0"7 cm3 = 7.14 g/cm3.

Trabajo de desarrollo después de la galvanización Los inventores trataron de utilizar el níquel no electrolítico alcalino, el cual fue menos corrosivo para la capa de galvanización que el níquel no electrolítico ácido, para construir una capa más gruesa de recubrimientos protectores. El uso de níquel no electrolítico ácido proporciona una protección adicional al aluminio previo al electroenchapado del cobre y del níquel. Sin embargo, se encontró que el níquel no electrolítico no proporciona una acuñación buena durante el proceso de fabricación porque fue quebradizo y no fue suficientemente maleable para la deformación del material durante el estampado de las monedas. Además, el níquel no electrolítico no proporcionó una adhesión suficiente.

Trabajo de desarrollo que conduce a las modalidades descritas aquí Los inventores han encontrado que la triple galvanización proporciona una excelente unión entre una base de aluminio galvanizada y la(s) capa(s) enchapada (s) superio (es) sin alguna necesidad de un baño primario de cianuro de cobre.

La galvanización triple puede asegurar que no ocurra ninguna deslaminación o formación de escamas (o que limite la deslaminación o formación de escamas) del enchapado de capas múltiples o del enchapado de una sola capa sobre la parte superior de la superficie de aluminio después de la galvanización. En una modalidad, una cuarta etapa de galvanización no afecta la adhesión del enchapado de la siguiente capa de metal a la superficie del aluminio después de la galvanización. Una cuarta galvanización puede no ser factible económicamente y es opcional. En otra modalidad, las etapas de galvanización adicionales (quinta etapa de galvanización, sexta etapa de galvanización, etc.) pueden ser incluidas, pero estas etapas adicionales son opcionales .

El análisis a una profundidad científica extensa del mecanismo de cómo una capa de galvanización proporciona la base necesaria para la capa intermetálica difundida lo cual asegura una excelente unión entre el substrato de aluminio y la primera capa de enchapado, es provista en el Apéndice A. Un trabajo a través del SEM-EDX muestra que es una capa uniforme, densa, de cinc-óxido de cinc la que cubre la superficie del aluminio que asegura la excelente adhesión de los metales enchapados al substrato de aluminio.

El cinc es convertido rápidamente al óxido de cinc a causa de que el cinc es reactivo y oxidado fácilmente al óxido de cinc. La capa de óxido de cinc es más estable y el cinc-óxido de cinc (es decir la capa de galvanización) proporciona una mejor protección del núcleo de aluminio. La presencia del oxígeno en la capa muy delgada del cinc obtenida en la galvanización está más allá de la capacidad de EDX para su identificación. Durante la galvanización triple, es visible la presencia del cinc-óxido de cinc y significativamente menos aluminio es identificado claramente por XPS . La cobertura total del cincato proporciona mejor protección del núcleo de aluminio.

La tercera etapa de galvanización proporciona una capa de cincato densa, uniforme; proporciona una capa protectora contra la oxidación del aluminio y el ataque directo y la disolución del substrato de aluminio que conduce a una adhesión débil o pobre del primer metal enchapado a la base de aluminio. En consecuencia, se puede utilizar el sulfamato de níquel, sin cianuro, ácido, para enchapar otro metal directamente, por ejemplo níquel sobre aluminio, con una excelente adhesión, por ejemplo para propósitos de acuñado. Para mejorar adicionalmente la disolución preventiva de la capa de galvanización, una corriente activa puede ser utilizada para el tambor de enchapado, justo previo al sumergimiento del tambor de enchapado dentro del primer baño de enchapado del metal.

Las dos etapas de galvanización descritas en Morin son insuficientes para una buena adhesión en aplicaciones de acuñado. En efecto, el intento de replicar y obtener un cospel satisfactorio para uso en el acuñado siguiendo el proceso de galvanización de dos etapas de Morin por los presentes inventores produjo fallas repetidas debido a la formación de escamas de las capas enchapadas subsiguientes. Los cospeles producidos siguiendo las enseñanzas de Morin fallaron consistentemente cuando los baños de enchapado ácidos, libres de cianuro, fueron utilizados por los presentes inventores, o cuando el níquel no electrolítico fue utilizado después de la galvanización.

En una modalidad, un proceso de galvanizado triple, libre de ácido nítrico, es utilizado para pre-tratar el aluminio. Las soluciones de enchapado con cianuro no son requeridas . El triple sumergimiento en cincato forma una capa de galvanización más uniforme y densa así como mejora la adhesión de los metales enchapados. Se encontró que la capa de galvanización está en la forma de la capa de óxido de cinc más estable de acuerdo con el análisis de espectroscopia de foto-electrones de rayos X hecho después de la galvanización. La triple galvanización permite utilizar una solución de níquel ácida (sulfamato o sulfato) como la siguiente etapa, seguido por cobre ácido. Aunque no es recomendado debido a asuntos de seguridad, el enchapado de capas múltiples también se puede hacer por una combinación de cianuro de cobre y níquel ácido.

El cobre ácido es mencionado para evitar el uso de cianuros, pero también se pueden utilizar aleaciones de cobre o cianuros de cobre. Otras capas de enchapado puede ser depositadas sobre la parte superior del cobre cuando se desee .

En una modalidad, el proceso comprende además un tratamiento de recocido posterior para mejorar adicionalmente la unión del enchapado y el substrato, para recristalizar la microestructura del enchapado de las capas de cobre y de níquel así como desgasificar los gases atrapados generados por el proceso de enchapado. Este proceso de recocido posterior también alivia la tensión interna acumulada durante el proceso de enchapado. Dependiendo de la temperatura y el tiempo de recocido, una capa de difusión intermedia también puede ser formada entre el substrato de aluminio y el enchapado de níquel. El espesor de la capa de difusión depende de la temperatura del recocido y el tiempo del recocido, lo cual puede ser muy benéfico para la unión y la adhesión del enchapado al substrato. Además, los presentes inventores han encontrado que por el control de la temperatura del recocido posterior, se puede obtener una firma electromagnética única del sistema de aluminio de capas múltiples debido a varios factores, tales como la presencia del níquel, cobre, las capas difundidas obtenidas después del recocido, y la micro-estructuración controlada del cobre enchapado y el níquel durante el recocido .

De acuerdo con una modalidad, durante el complemento del baño primario de sulfamato, la capa de níquel, las otras capas metálicas, tales como del bronce, latón, plata, etc., pueden ser depositadas utilizando las soluciones de electroenchapado que comprenden soluciones de electroenchapado ácidas, alcalinas, con cianuro, sin cianuro, neutrales o ligeramente básicas. Preferentemente, el enchapado se hace utilizando una solución de electroenchapado sin cianuro.

Ejemplos Se llevó a cabo una serie de experimentos para desarrollar y optimizar los parámetros clave tales como la prelimpieza, el tiempo y el espesor de la galvanización, el baño primario de sulfamato de níquel, la temperatura del recocido, y el tiempo de recocido, etc.

Enchapado en tambor de preformas de aluminio; En el enchapado en tambor, las preformas de aluminio son cargadas, giradas y tamboreadas durante el proceso de enchapado bajo varias condiciones. Dos clases de aleaciones de aluminio, especialmente Al 5052 y Al 3003, se utilizaron como los materiales del substrato para las preformas. Un diagrama de flujo que ilustra un método ejemplar de electroenchapado sobre el aluminio es mostrado en la figura 1C. Como se mencionó previamente, las preformas fueron preparadas siguiendo varias etapas incluyendo: laminado (26) , corte (28) , rebordeado (30) , y pre-bruñido (32) . Previo a los intento (s) de enchapado, las preformas fueron pre-bruñidas en un tambor de 95 1 (25 galones) con 0.53L (18 onzas) de FM403™ (Oaklite, Stow, Ohio, EUA) y un medio pequeño durante 20 minutos y luego se enjuaga en agua fría dos veces y se seca totalmente con una tolla. Después de esto, las preformas fueron cargadas en el tambor de enchapado y luego padecieron una serie de procesos de pre-tratamiento y enchapado que incluyen; limpieza por remojado (20"), ataque con ácido (22"), triple sumergimiento en cincato (es decir, sumergimiento en cincato (12") y separación (14"), repetir nuevamente, seguido por: sumergimiento en cincato (16")); enchapado en baño primario de níquel (34) , por ejemplo utilizando un proceso de enchapado en sulfamato de níquel; activación catódica del níquel (36) ; enchapado de cobre (38) ; y enchapado de níquel superior (40) (por la Figura 1C) . Dos etapas de enjuague fueron utilizadas entre cada una de las etapas de proceso utilizando agua desionizada. La duración del enchapado del níquel y cobre depende del espesor deseado de las capas metálicas. Después que se complementa el enchapado con el baño primario de níquel (34) , 10 preformas fueron removidas rápidamente desde el barril para diferentes pruebas tales como la adhesión, rugosidad superficial, y la observación de la morfología. Si la adhesión del recubrimiento de la capa del baño primario de níquel fue aceptable, las preformas restantes en el tambor fueron enjuagadas con agua desionizada, activadas en una solución de H2S04 al 10 % y se continuó hasta que sean enchapadas con el cobre. Después que se terminó el enchapado con cobre, se retiraron otras 10 preformas del tambor para las mismas pruebas. Si la apariencia y la adhesión de las capas de cobre fueron buenas, las preformas restantes en el tambor fueron enchapadas (38) con una capa de níquel superior en el mismo baño de enchapado de níquel . Las preformas enchapadas con níquel en la parte superior pueden ser recocidas posteriormente (42) , bruñidas (44) y enchapadas en un baño primario (46) para producir preformas de aluminio o de una aleación de aluminio, tratadas (18"), como se ilustra en la figura 1C.

En primer lugar, los inventores trataron de reproducir las condiciones del enchapado de aluminio publicadas en la literatura, es decir, 1) la práctica tradicional, utilizando un pre- tratamiento de galvanización doble; 2) doble galvanización seguido por enchapado con níquel no electrolítico en el enchapado en tambor. Los resultados de las pruebas de adhesión sobre la totalidad de estos intentos fueron pobres y los recubrimientos fallaron ya sea después del enchapado o durante el acuñado de la moneda .

La tabla 1 muestra los resultados de los tres intentos de enchapado en tambor con los cospeles de aluminio de Al 5052 utilizando el presente proceso incluyendo la galvanización triple. Las cargas para la totalidad de los tres intentos fueron de 150 piezas, se muestra que las capas del baño primario de níquel tuvieron una adhesión muy buena para los tres intentos de enchapado en tambor cuando se utilizan el sumergimiento triple en cincato y el baño primario en sulfamato de níquel . Los resultados también indican que el uso de la activación catódica en ácido sulfúrico diluido (H2S04 al 5-10 % en volumen) fue benéfico previo al enchapado con cobre para ayudar a la adhesión del cobre sobre la capa del baño primario de níquel . Como se muestra en la Tabla 2, una muy buena adhesión de un enchapado de capas múltiples del baño primario de níquel, la capa de cobre y la capa de níquel superior también fue lograda en un ensayo de enchapado en tambor con preformas de aluminio Al 3003. Se probó que el triple sumergimiento en cincato y el proceso del baño primario de sulfamato de níquel fueron efectivos para el enchapado de diferentes substratos de aluminio, y el triple sumergimiento en cincato condujo a la adhesión incrementada del enchapado al substrato ya sea en el formato de una monocapa de níquel o en un formato de níquel - cobre -niquel de capas múltiples. No fue necesario ningún enchapado de níquel no electrolítico ni algún baño primario de cianuro en el enchapado sobre los substratos de aluminio.

Tabla 1: Condiciones del enchapado en tambor de las preformas de aluminio de 23.47 mm (preformas de Al 5052, 150 piezas) [s: segundos, m: minutos] Tabla 2 : Condiciones del enchapado en tambor de las preformas de aluminio Al 3003-H19 Para evaluar y validar la capacidad de un proceso de acuerdo con una modalidad para cargas grandes de los cospeles y además optimizar el proceso, los ensayos de enchapado en tambor adicionales con cargas de las preformas más grandes también fueron efectuadas con las preformas de aluminio de A15052 (Tabla 3) . En el ensayo de enchapado del Ejemplo 6, las condiciones del enchapado básicamente fueron las mismas que las mostradas en la Tabla 1 excepto para la carga de la preforma grande. En el ensayo de enchapado en el Ejemplo 7, no solamente el volumen de la carga de las preformas fue incrementado, sino también del tiempo de duración de la limpieza por remojado fue reducida significativamente, y el tiempo de duración para el ataque con el ácido, el desmanchado, la galvanización y el retiro de la galvanización fueron incrementados. Fue importante apreciar que, una excelente adhesión en el baño primario de níquel fue lograda sobre las preformas de aluminio en ambos casos, indicando que los procesos del sumergimiento triple en cincato y del baño primario de sulfamato de níquel fueron efectivos para el enchapado en tambor de las preformas de aluminio bajo una gama amplia de condiciones.

Tabla 3: Condiciones del enchapado en tambor de las preformas de aluminio (preformas de Al 5052, 500 piezas) El papel del triple sumergimiento en cincato: El efecto del triple sumergimiento en cincato mejora significativamente la adhesión de la primera capa del baño primario de metal al substrato. Con el triple galvanizado, se puede utilizar el baño primario de sulfamato de níquel ácido para depositar el níquel sobre el aluminio en el enchapado en tambor de las preformas de aluminio. Ciertos procesos previos utilizan el sumergimiento en cincato único o el sumergimiento en cincato doble, por ejemplo Morin como se describió anteriormente. Los presentes inventores ensayaron estos dos procedimientos pero se encontró que el enchapado de aluminio y de las aleaciones de aluminio para aplicaciones de acuñado, utilizando la galvanización única y la galvanización doble, es totalmente insuficiente para la adhesión. Para entender el papel del proceso de triple sumergimiento en cincato, la morfología superficial y las microestructuras de las películas del cincato en varias condiciones de galvanización fueron estudiadas extensamente. Las muestras de aluminio, de 55 mm x 25 mm, 1.5 mm de tamaño, fueron preparadas y utilizadas para las pruebas. Las muestras fueron examinadas más tarde utilizando la Microscopía de Barrido Electrónico (SEM) con un Espectro de Rayos X de Dispersión de Energía (EDX) fijado.

Los descubrimientos fueron elaborados adicionalmente utilizando la Espectroscopia de Foto Electrones de los rayos X (XPS) como se detalló en el Apéndice A.

La microestructura y morfología de las capas de galvanización La figura 2 muestra la morfología superficial de las capas de galvanización obtenida de los procedimientos de sumergimiento en cincato único, doble y triple, a) sumergimiento en cincato único, 2 segundos; b) sumergimiento en cincato único, 20 segundos; c) sumergimiento doble en cincato: 2 segundos; d) sumergimiento doble en cincato: 20 segundos; e) sumergimiento triple en cincato: 2 segundos; f) sumergimiento triple en cincato: 20 segundos. Todas las muestras padecieron varias etapas de pre-tratamiento incluyendo la limpieza por remojado (60 °C, 3 minutos) , ataque con ácido (temperatura ambiental, 90 segundos) y desmanchado (temperatura ambiental, 70 segundos).

El sumergimiento en cincato es un proceso por el cual una capa delgada de zinc es depositada sobre un substrato de aluminio o de aleación de aluminio. El substrato puede ser pre-limpiado. Como se mencionó previamente, la reacción de galvanización es como sigue: 3 Na2Zn02 + 2 Al + 2 H20 - 2 NaAl02 + 3 Zn + 4 NaOH El cinc resultante se oxida para formar óxido de cinc, conduciendo a una capa de cinc-óxido de cinc.

Es probable que los núcleos de las partículas de cinc se originen desde en donde se lleva a cabo la disolución del aluminio. Aunque el ataque pre-ácido removió los óxidos de aluminio sobre la superficie del substrato de aluminio, el substrato no fue homogéneo en los términos de los potenciales electroquímicos. Una re-oxidación instantánea podría ocurrir sobre las superficies de los substratos de aluminio cuando las preformas fueron transferidas a la solución de galvanización. Como resultado, en la primera galvanización, los sitios activados disponibles para la nucleacion del cinc fueron relativamente pocos, y las partículas de Zn fueron depositadas dispersamente sobre la superficie del aluminio (figura 2a) . Una vez que se lleva a cabo la nucleacion en estos sitios, el crecimiento de las partículas de Zn podría ser relativamente rápido de modo que la capa de galvanización con granos grandes podría ser menos densa y en efecto podría ser porosa. Como resultado, el sumergimiento en cincato único no proporcionó la cobertura total sobre la superficie del aluminio que va a ser enchapada (Figura 2b) , y una fracción considerable de la superficie del aluminio todavía estuvo expuesta al aire (figura 3a) porque las partículas de Zn fueron de tamaño relativamente grande y el recubrimiento fue menos denso y realmente fue esponjoso. Se probó que el enchapado sobre la capa de galvanización espesa y esponjosa no mostró una adhesión aceptable y en efecto, podría conducir a la falla del enchapado debido a la adhesión pobre .

En el sumergimiento doble en cincato, los depósitos de cincato esponjosos formados desde la etapa del primer sumergimiento en cincato fueron retirados en la solución ácida. Al mismo tiempo, los sitios cubiertos con el óxido de aluminio fueron atacados con ácido y luego activados debido a la remoción de los óxidos bajo ataque por la solución de separación ácida (Figura 4a) . Las áreas de la superficie de aluminio cubiertas por los primeros depósitos de cincato podrían tener una exposición retardada a la solución de separación porque las capas de galvanización superiores necesitan ser retiradas primero. Una vez que los depósitos del cincato fueron retirados, estos sitios podrían estar entonces en contacto con la solución de separación. Sin embargo, el ataque con el ácido sobre estos sitios podría ser en un tiempo mucho más breve que el ataque del ácido sobre estos sitios sin las capas de galvanizado. Esto podría crear una condición favorable para tener sitios activados y más homogéneos para la galvanización subsiguiente, es decir, la segunda etapa de galvanización. En otras palabras, al final de la primera etapa de separación del cincato, el substrato de aluminio llega a ser más homogenéneo en términos del potencial electroquímico para la segunda etapa de galvanización. Como resultado, más sitios están disponibles para la nucleación del zinc, y las partículas de cinc fueron depositadas más uniformemente sobre la superficie de aluminio. Cuando crecen los granos de cinc, las partículas de cinc podrían llegar a ser relativamente más pequeñas y la capa de galvanización podría ser más densa. Con base en el trabajo experimental de los inventores, la doble galvanización proporcionó un cobertura incrementada y una película protectora de cincato, y por consiguiente mejoró la adhesión del metal subsiguiente, por ejemplo, el enchapado con Ni. Sin embargo, esta cobertura mejorada todavía va a ser suficiente en términos de la adhesión del enchapado para la aplicación del acuñado. El doble sumergimiento en cincato no proporcionó la cobertura total del cincato sobre la superficie de aluminio y algo del substrato de aluminio todavía quedó expuesto al aire (figuras 2c-d y figura 3b) .

La doble galvanización fue desarrollada cuando se propuso utilizar cianuro de cobre básico o cianuro a base de cobre como la primera capa del baño primario metálico que va a ser depositada. La misma ha probado ser totalmente insuficiente cuando los baños de enchapado ácidos son utilizados para depositar la primera capa metálica. Esencialmente, la tercera galvanización proporciona una cobertura completa, uniforme, densa, la cual proporciona una protección suficiente al substrato de aluminio para que no sea re-oxidado. El ácido no tiene contacto directo instantáneo con el aluminio para disolverlo antes de enchapar galvánicamente el aluminio.

Por lo tanto, un proceso que utiliza la triple galvanización logra una buena adhesión del enchapado metálico sobre las partes de aluminio. Por el retiro de las capas de galvanizado del segundo sumergimiento en cincato y sometiendo el substrato a un tercer sumergimiento en cincato, de una manera semejante que con un mecanismo semejante que el segundo sumergimiento en cincato, aún más sitios fueron activados para la nucleación de las partículas de cinc. En efecto, casi la superficie total del substrato de aluminio fue activada y el substrato llegó a ser aún más homogéneo que el doble sumergimiento en cincato (figura 4b) . Debido a que la nucleación del cinc se llevó a cabo simultáneamente de una manera uniforme y densa sobre la superficie del substrato, una capa de cinc densa fue formada con una velocidad de crecimiento mucho más lenta que durante el doble sumergimiento en cincato. Las capas de galvanizado resultantes también fueron mucho más delgadas. El cinc/óxido de cinc delgado y denso cubrió totalmente el substrato de aluminio como capas protectoras (Figuras 2e-f y figura 3c) . La cobertura total de las capas de galvanización sobre el aluminio fue confirmada por el análisis de EDX y el análisis de XPS .

Comporte-miento de las capas de galvanización en la solución del baño primario de níquel Se ha demostrado que utilizando una capa de galvanización formada por la triple galvanización la cual es densa y la cual cubre totalmente la superficie de aluminio, se previene o se mitiga la re-oxidación en el aire y en la solución del baño primario de níquel subsiguiente. El espesor de la película de galvanización triple también es importante. Si la misma fue demasiado gruesa, las capas de galvanización tendieron a llegar a ser rugosas y esponjosas, lo cual también es perjudicial para la adhesión del enchapado subsiguiente al substrato de aluminio. Como se describió previamente, la duración óptima de tiempo para la etapa del tercer sumergimiento en cincato se determinó que va a ser de 15 segundos - 60 segundos. Cuando el tiempo del tercer sumergimiento en cincato fue menor que 15 segundos, la superficie del aluminio no fue cubierta totalmente por las capas de galvanización, podría no ser protegida de la oxidación, y podría conducir a una adhesión pobre. Por otra parte, cuando el tiempo del tercer sumergimiento en cincato fue más prolongado que 60 segundos, las capas de galvanización fueron demasiado gruesas y esponjosas (véanse las figuras 5c, d) y podrían no adherirse bien con el substrato, conduciendo también a una adhesión pobre del recubrimiento .

La influencia de un tiempo de galvanización diferente también fue investigada para confirmar el mejor intervalo de la galvanización. La tabla 4 muestra los procedimientos y las condiciones de enchapado detalladas.

Tabla : Condiciones del enchapado en tambor de las preformas de aluminio (preformas de Al 5052, 200 piezas) Se observa que todas las condiciones de prueba fueron las mismas pero el tiempo de la galvanización fue de 15, 30, 60, 90 y 120 segundos. Todas las muestras sufrieron la preparación superficial, la triple galvanización y en enchapado con níquel. Cada muestra fue probada entonces para verificar la adhesión por una prueba de flexión. Los resultados muestran que las muestras con el tiempo de galvanización de 15 a 60 segundos tuvieron una adhesión excelente sobre el centro y en el borde de las muestras, sin embargo, las muestras con 90 y 120 segundos o más prolongado, fallan en mostrar una buena adhesión.

Capas de galvanización en la solución del baño primario de níquel Fue de interés saber como las capas de galvanización se comportaron cuando las muestras fueron transferidas y sumergidas en la solución del baño primario de níquel. A partir de la química, se sabe que el cinc podría disolverse en la solución del baño primario de níquel sin aplicar una corriente eléctrica. Esto también fue confirmado en el presente trabajo por el uso de los análisis de SEM/EDX. En los ciclos de enchapado actuales, la corriente eléctrica fue aplicada sobre las preformas después de un período de tiempo muy breve, usualmente 10 segundos - 20 segundos. Existe un proceso de competición entre la disolución de la capa de galvanización y la deposición del níquel. Es probable que la mayoría de las capas de galvanización se disuelvan en la solución de níquel y una cantidad pequeña de cinc se dejó como un residuo antes que las mismas fueron cubiertas por la capa del baño primario de níquel. Desde la sección transversal del enchapado de níquel sobre el aluminio por el uso de microscopía óptica, ninguna capa de galvanización fue encontrada apreciablemente sobre la interfaz entre el níquel y el aluminio, como se muestra en la figura 6. Sin embargo, la presencia del cinc en la interfaz entre el substrato de aluminio y la capa del baño primario de níquel se encontró utilizando SEM/EDX, aún para una capa de galvanización muy delgada (por ejemplo, con 15 segundos durante el tercer sumergimiento en cincato) . La figura 7 muestra los análisis de SE y EDX de la muestra como se enchapó. Como se esperaba, el contenido de cinc en la interfaz tiende a incrementarse cuando se incrementa el tiempo de duración del sumergimiento en cincato.

Una cantidad pequeña de cinc puede no tener un impacto negativo sobre la adhesión del enchapado con níquel al substrato de aluminio, como se confirmó por las pruebas de flexión. Sin embargo, una vez que la cantidad del cinc residual está arriba de un cierto límite, por ejemplo, cuando el tiempo de la galvanización es mayor que 90 segundos, la adhesión llega a ser deteriorada. No solamente este resultado proporciona una buena indicación del beneficio de la capa de galvanizado sino que soporta el mecanismo y la importancia de un galvanizado suficiente pero no demasiado para lograr una buena adhesión. El mismo también proporciona una guía práctica cuando se tiene que controlar el proceso en la producción.

Adhesión del recubrimiento y efecto del tratamiento con calor Morin no describe el tratamiento de recocido posterior después del enchapado y tampoco recomienda ningún tratamiento con calor después del enchapado (véase la columna 10, línea 62) . Morin utiliza dos etapas de galvanizado, no cita el recocido y tampoco el bruñido como una ventaja. El presente trabajo, en una modalidad, ha introducido un proceso de recocido posterior para relevar la tensión interna del enchapado principalmente debido a que se vuelve quebradizo por el hidrógeno y además mejora la unión entre la(s) capa(s) enchapadas posteriormente y el substrato.

En una modalidad, después del electroenchapado, ya sea con una monocapa del níquel o de cobre, o de aleaciones de cobre u otro metal, o una de las capas múltiples de níquel/cobre/níquel, o diferentes combinaciones de metales, las preformas son enjuagadas, secadas y luego cargadas en un horno de recocido con un gas protector de nitrógeno o gases mezclados de nitrógeno e hidrógeno. La temperatura de recocido está entre 400 °C hasta 450 °C.

Se ha encontrado que una capa inter-difundida fue formada en la interfaz entre el substrato de aluminio y el enchapado con el baño primario de níquel durante el recocido posterior, como se muestra en la figura 8. A partir de la experimentación intensa, se encontró que la capa de difusión podría formarse a una temperatura tan ba a como 400 °C en las condiciones del enchapado y de recocido posterior comunes. Dependiendo de la temperatura de recocido y el tiempo de recocido, la capa de difusión llega a ser más gruesa que lo esperado. Como se muestra en la figura 8, la capa de difusión podría alcanzar 3 µp? cuando las muestras fueron recocidas a 450 °C durante 1 hora.

Es muy probable que la difusión entre el aluminio, y el primer metal enchapado condujo a una formación de los compuestos inter-metálicos . Dependiendo de los gradientes de la composición de la inter-difusión en la interfaz entre el aluminio y la capa de níquel, podrían existir diferentes compuestos. Los análisis de los puntos en lugar del análisis del área, utilizando EDX, muestran en la Tabla 5, que existen dos diferencias de la composición principales a través de la sección transversal, especialmente, 1) el contenido de Al del 39.32 % en peso (o 58.5 en %) y un contenido de Ni de 60.68 % en peso (o 41.5 en %) , el cual está en un intervalo que pertenece al Al3Ni2 de acuerdo con el Diagrama de Fases de Ni -Al en las figuras 9, y 2) , un contenido de Al del 52.91 % en peso (o 70.97 en %) y un contenido de Ni de 47.09 % en peso (o 29.03 en %) , el cual está en el intervalo que pertenece a Al3Ni de acuerdo con el Diagrama de Fases de Ni-Al en la figura 9.

Tabla 5: análisis de la composición en la sección transversal del área de difusión que corresponde a la figura 8 (c) de la muestra recocida posteriormente a 450 °C.

La formación de la capa de difusión con compuestos intermetálicos mejorará significativamente la unión del enchapado al substrato. El presente trabajo ha provisto una fuerte evidencia de que la formación del compuesto intermetálico a una difusión a temperatura baja, es decir inferior que el punto de fusión del aluminio, es posible. Las pruebas de flexión y las pruebas de acuñado de la moneda también han demostrado que una unión excelente fue lograda por el recocido posterior de las preformas de la moneda .

Funcionamiento del acuñado Una vez que las preformas enchapadas estuvieron listas, la capacidad de acuñado de las preformas de aluminio enchapadas fue probada por la producción de las monedas en circulación utilizando las prácticas de acuñado normales . Las preformas de aluminio enchapadas fueron alimentadas en la prensa de acuñado con matrices de acuñación y el collar se ajustó para imprimir las muescas del relieve y de los bordes sobre las preformas enchapadas. Como se muestra en la figura 10, se obtuvieron monedas relucientes, brillosas, con una buena calidad de circulación. Las monedas acuñadas de las preformas de aluminio enchapadas muestran una muy buena apariencia. Las pruebas de acuñado también confirmaron que las monedas producidas como se describió aquí tienen una excelente adhesión del recubrimiento. Para verificar adicionalmente la capacidad de acuñación y la aceptación de las preformas de aluminio enchapadas para las monedas en circulación, las pruebas de desgaste y las pruebas de corrosión también se efectuaron después de la acuñación. Los inventores apreciaron que si el enchapado fue deslaminado, se fracturó o se rompió desde el substrato durante el acuñado, las pruebas de desgaste y las pruebas de corrosión también fallarán.

Resistencia al desgaste Los objetivos de las pruebas de desgaste son como sigue : Evaluar el funcionamiento en el desgaste de las preformas de aluminio enchapadas/monedas contra las preformas de aluminio sólidas/monedas.

Evaluar el funcionamiento en el desgaste de las monedas de aluminio enchapadas con relación a la integridad del enchapado hacia el substrato después del acuñado .

Comparar el funcionamiento en el desgaste de las monedas de aluminio enchapadas contra las monedas de acero enchapadas .

Aparato para la prueba de desgaste y condiciones de prueba: Las pruebas del desgaste se hicieron en un tambor rotatorio con una protuberancia lisa que separa, tamborea, desliza las monedas una sobre la otra en cada revolución cuando gira el tambor. El contacto de moneda a moneda y el impacto son inevitables. Esto está diseñado para replicar el abuso de las monedas en circulación, (Véase la figura 11) . El diámetro del tambor es de 12 cm. La pared interna del tambor está recubierta con caucho y tela de algodón. La velocidad de rotación del tambor es fijada en 8 rpm.

Muestras: Se utilizaron diferentes monedas en circulación en la prueba de desgaste para comparación. Para una prueba de desgaste típica, 50 monedas fueron colocadas en el tambor, incluyendo 10 piezas de fichas de Ni/Al enchapadas de monocapas hechas de acuerdo con una modalidad de la presente descripción, 10 piezas de fichas de Ni-Cu-Ni sobre Al enchapadas, de capas múltiples, hechas de acuerdo con otra modalidad de la presente descripción, 10 piezas de fichas de Ni-Cu-Ni sobre acero, enchapadas, de capas múltiples, y 20 piezas de fichas de aluminio puro. Para que las fichas con núcleo de aluminio tengan suficiente peso para girar sobre sí mismas durante la prueba de desgaste, cada ficha de aluminio enchapada fue encolada cuidadosamente con la preforma de aluminio para fabricar una ficha de doble grosor que tiene una cara de aluminio puro y la otra cara de un acabado de aluminio enchapado. Las superficies de las muestras probadas fueron examinadas bajo el microscopio óptico cada 1 hora para evaluar el grado de daño por el desgaste.

Resultados y observaciones: La evaluación de la resistencia al desgaste de las muestras probadas estuvo basada en la severidad del daño superficial (por ejemplo la formación de muescas y ralladuras) durante la prueba de desgaste como se muestra en las figuras 12, 13, 14. Las muestras que muestran un número menor de muescas bajo las mismas condiciones de la prueba de desgaste se considera que tienen la mejor resistencia al desgaste. En la prueba inicial de 1 hora, no existió diferencia significativa en el daño superficial entre todas las muestras, especialmente las fichas de Ni/Al de monocapa (figura 12a) , las fichas de NiCuNi/Al de capas múltiples (figura 12b) , las fichas de aluminio puro (figura 12c) y las fichas de NiCuNi/acero, enchapadas, de capas múltiples (figura 12d) . Aunque las muescas parecen más profundas y más grandes sobre la superficie de la ficha de aluminio, no se observó ningún daño por desgaste significativo. Con un tiempo de prueba de desgaste más prolongado, la diferencia del daño superficial empezó a mostrarse entre las muestras, y particularmente las fichas de aluminio puro mostraron más daños superficiales, como se muestra en la figura 13 y la figura 14. Las otras 3 clases de materiales enchapados, es decir, las fichas de Ni/Al enchapadas de monocapa (Figuras 13a y 14a) y las fichas de NiCuNi/Al de capas múltiples, enchapadas (figuras 13b y 14b) muestran mejor resistencia al desgaste que las fichas de aluminio puro (figuras 13c y 14c) . Cuando se comparan con las fichas de NiCuNi/Al de capas múltiples, enchapadas, la resistencia al desgaste de las fichas de aluminio enchapadas es comparable y aceptable. Aunque las muescas son más profundas con las fichas de núcleo de aluminio después de 5 horas de las pruebas de desgaste, las monedas desgastadas de las preformas enchapadas todas se consideraron aceptables. Ningunas piezas desunidas o fragmentadas fueron observadas sobre las monedas de aluminio enchapadas, sugiriendo que la integridad del enchapado sobre el substrato de aluminio fue excelente y las monedas del enchapado de monocapa o de capas múltiples de los substratos de aluminio son aceptables para la circulación.

Resistencia a la corrosión El objetivo de la prueba de corrosión es evaluar si el enchapado todavía permanece intacto y proporciona una cobertura completa sin ninguna fractura durante el acuñado. Ya se sabe que el aluminio y sus aleaciones podrían reaccionar con la solución del hidróxido de sodio (NaOH) . Por lo tanto, el aluminio enchapado podría mostrar señales de corrosión tales como los productos de la reacción de las burbujas de gas cuando las preformas son sumergidas en la solución, si el enchapado tuviera cualquier fractura o ruptura sobre las monedas acuñadas. Además, existió una corrosión debida a la reacción del hidróxido de sodio con el aluminio, un compuesto blanco de hidróxido de aluminio podría aparecer en la fractura.

Prueba de la solución de NaOH: Las preformas y las monedas acuñadas fueron colocadas sobre un bastidor y se sumergieron completamente en una solución que contiene NaOH 1 M . Estas muestras fueron observadas y examinadas después de una hora, 4 horas, 8 horas y 24 horas. La tabla 6 muestra la observación y los resultados. Se concluyó que las monedas de aluminio enchapadas y las preformas hechas de acuerdo con una modalidad de la presente descripción son superiores y aceptables para las monedas en circulación .

Tabla 6: Comparación del funcionamiento de corrosión Modalidades adicionales El sumergimiento en cincato conduce a la creación de una capa muy delgada de cinc sobre el substrato de aluminio de acuerdo con la ecuación: 3Na2Zn02+2Al+2H20 -> 2NaAl02+3Zn+4NaOH El zinc es convertido rápidamente al óxido de cinc más estable el cual es insoluble en el agua Zn+¾02 ~ ZnO.

Esta capa de galvanización (cinc-óxido de cinc) , normalmente conocida erróneamente como la capa de cinc, puede ser controlada para la uniformidad del tamaño. La formación densa y compacta es deseada sobre el tamaño burdo y grande para evitar (o limitar) las porosidades que son las venas de ataque del ácido, o un baño de enchapado sin cianuro, neutral. Esta capa puede estar cubriendo completamente la parte de aluminio que va a ser enchapada para la protección.

La corriente activa para el tambor de enchapado antes de la entrada al primer baño de enchapado, ya sea ácido o básico (cianuro) es recomendada para asegurar (o ayudar) a la adhesión de la primera capa enchapada del metal al substrato de aluminio.

En una modalidad, el proceso es efectuado sin el uso de ácido nítrico en cualquier etapa de pre-tratamiento, previo al enchapado del aluminio con uno o más metal (es) . Aún sin el uso de ácido nítrico, los resultados han mostrado que se puede lograr una buena adhesión de las capas metálicas enchapadas al substrato de aluminio.

En una modalidad, después del enchapado de una o más capas del metal o de las aleaciones metálicas sobre el aluminio, se lleva a cabo el recocido, por ejemplo a 400 °C hasta 600 °C, o a 425 °C y 450 °C para crear una difusión metálica entre el aluminio, y otro metal depositado tal como el níquel, cobre, latón, o bronce, para mejorar la adhesión de los metales enchapados al substrato de aluminio .

En una modalidad, el pre-tratamiento del aluminio incluye, pero no está limitado necesariamente a las siguientes etapas: fabricar las partes de aluminio (por ejemplo las preformas de las monedas) limpiar por enjuague con agentes de limpieza y desengrasado (por ejemplo, Alklean 11) Enjuagar Atacar con ácido (sin ácido nítrico) (por ejemplo, Alklean AC-2) Enjuagar Desmanchar (sin ácido nítrico) (por ejemplo, Desmutter NF2) Enjuagar Primer sumergimiento en cincato Enjuagar Segunda separación del cincato (sin ácido nítrico) Enjuagar Segundo sumergimiento en cincato Enjuagar Segunda separación del cincato (sin ácido nítrico) Enjuagar Tercer sumergimiento en cincato Enjuagar Una o más operaciones de sumergimiento en cincato y separación adicionales también podrían ser efectuadas .

Introducir la corriente activa al primer baño de enchapado (sulfamato ácido níquel, o sulfato ácido níquel, o cianuro de cobre, o cobre neutral o básico) .

En una modalidad, después del pre-tratamiento del aluminio, se pueden efectuar las siguientes operaciones, preferentemente sin ningún baño de enchapado con cianuro. Por ejemplo, una operación de enchapado de monocapa o de capas múltiples podría ser preparada.

Mono-capa : Enchapado con sulfamato ácido níquel, o con sulfato ácido níquel, u otros enchapados sin cianuro (ácido, básico, o neutral) .

Enjuague Recocido posterior Capas múltiples: - Baño primario de níquel sulfamato ácido u otros baños de enchapado sin cianuro (ácido, básico, o neutral) .

Enjuague Activación catódica del níquel - Enjuague Sulfato de cobre ácido Enjuague Activación del enchapado de cobre Enjuague - Níquel sulfamato ácido o níquel sulfato ácido Enjuague Recocido posterior.

En una modalidad, después del pre- tratamiento del aluminio, las siguientes operaciones de enchapado pueden ser efectuadas en la presencia de los baños de enchapado de cianuro. Por ejemplo, se podría efectuar una operación de enchapado de monocapa o de capas múltiples.

Mono-capa : cianuro de cobre o cianuro-bronce o cianuro-latón Enjuague Recocido posterior Capas múltiples: cianuro de cobre o aleaciones de cobre o variaciones de los mismos con otros baños de material de enchapado de cianuro Enjuague Níquel sulfamato ácido o níquel sulfato ácido Enj uague - Recocido posterior.

APENDICE "A" Reporte sobre el Análisis de la Superficie de Aluminio Galvanizada dada por XPS Las fotografías después del primer galvanizado mostraron la presencia de partículas que tienen una estructura cristalina "fijada" a una superficie metálica. Después de la primera galvanización, se observa un conjunto de estas partículas sobre la superficie, lo cual puede conducir a decir que la superficie no es densa, pero después de la tercera galvanización, existen menos partículas sobre la superficie metálica, lo cual conduce a hablar acerca de una capa más densa.

La ecuación 3 Na2Zn02 + 2A1 + 2 H20 - 2 NaAl02 + 3 Zn + 4 NaOH es una ecuación estequiométrica que muestra como los componentes se balancean exactamente. La misma no explica el mecanismo por el cual Zn está sobre la superficie.

Las gráficas son trazadas a partir del resultado de una espectroscopia del foto-electrón de rayos X. Las muestras son identificadas como (20110128) 05, (20110128) 10, (20110128) 15.

Zn 27.75 % Al 3.20 % Oxígeno 69.05 %.

Muestra 10, después de la segunda galvanización Zn 27.9 % Al 0.35 % Oxígeno 71.68 % .

Muestra 15, después de la tercera galvanización Zn 27.34 % Al 0.23 % Oxígeno 72.43 %.

Los elementos del análisis de espectroscopia de foto-electrón de rayos X en la superficie (profundidad de 5 a 10 nanómetros) , muestra exactamente lo que está sobre la capa más externa y es exacta dentro del 0.5 %.

Los resultados anteriores conducen a los inventores a proponer este mecanismo que refleja que realmente se lleva a cabo para proporcionar una capa de cincato que permitió que los inventores enchapen el níquel sobre la parte superior.

Las preformas de aluminio fueron cubiertas con óxido de aluminio. Durante la primera galvanización, el óxido de aluminio fue disuelto por la solución del cincato y se expuso al aluminio activo. El óxido de cinc en la solución del cincato desplaza el aluminio activo, lo reemplaza y es fijado a la matriz de aluminio (de acuerdo con la ecuación anterior el óxido de aluminio sódico está ahora en solución) . Durante el desplazamiento, el ión de zinc (Zn++(OH)"2 como los hidróxidos de cinc o los complejos de cinc hidroxo tales como Zn(OH)"3, el Zn(OH)4" reemplaza el ión aluminio Al+++ .

Por su naturaleza, el cinc no puede existir como el cinc puro durante periodos prolongados. El cinc depositado recientemente es oxidado rápidamente y forma el óxido de cinc. En la presencia de un hidróxido, el óxido de cinc es formado, el cual se transforma a un complejo de cinc hidroxo con la solución de galvanización. Estas son las partículas hexagonales cristalinas (tanto el óxido de cinc como el cinc son hexagonales) observadas sobre la superficie de la preforma después de la primera galvanización.

Durante el retiro del cincato, el óxido de cinc es disuelto por el ácido, y parte del óxido de aluminio, que no se disolvió durante la primera galvanización, también es disuelto .

Después de la primera galvanización se tiene cinc activo y pocos sitios del aluminio activo.

Durante la segunda galvanización, o justo previo a la segunda galvanización (puesto que existe algún tiempo precioso del orden de los segundos) el cinc es oxidado al óxido de cinc, el cual se transforma a un compuesto de un complejo de cinc hidroxo con la solución de galvanización. (Todas las soluciones de galvanización tienen un agente promotor de la formación de complejos que promueve el hidróxido de cinc para combinarse con el hidróxido de hierro (y otros hidróxidos metálicos) para facilitar el desplazamiento del aluminio activo.

Durante la segunda galvanización, los sitios del aluminio activos son reemplazados por el cinc. Ahora existen menos sitios de aluminio. Esto es porque la presencia del aluminio se reduce desde 3.2 % hasta 0.35 % después de la primera galvanización. Este cinc es oxidado rápidamente para formar el óxido de cinc. En la presencia de un hidróxido en la solución de galvanización, el óxido de cinc es transformado a un complejo de cinc hidroxo que se combina con el hidróxido de hierro para hacer al complejo más eficiente para reaccionar en los sitios del aluminio activo.

Durante la separación una segunda vez por el ácido, el óxido de aluminio llega a convertirse en los sitios del aluminio activo y el óxido de cinc llega a ser el cinc activo .

Durante la tercera galvanización, el cinc es depositado y luego oxidado rápidamente para formar el óxido de cinc cuando es removido de la solución de galvanización. En la presencia de los hidróxidos en la tercera galvanización, el cinc/óxido de cinc en la forma del complejo de cinc hidroxo en la solución de galvanización reemplaza al aluminio en los sitios activos restantes del aluminio.

Esta es la razón por la cual se observan menos sitios de aluminio después de la tercera galvanización.

De la imagen de SEM obtenida después de la tercera galvanización, se observa que existieron muy pocas partículas de óxido, lo cual subraya el hecho de que, la superficie del aluminio está ahora cubierta con una capa delgada de cinc, y óxidos de cinc. Los sitios activos del aluminio son reducidos a una concentración atómica de 0.23 %.

La utilización del enchapado de níquel ácido después de la tercera capa de galvanizado puede prevenir (o mitigar) que la capa delgada de cinc se disuelva mientras que está en contacto con la solución de enchapado justo previo al enchapado con níquel.

En una modalidad, una solución de enchapado con níquel con un pH de 2.2 hasta 2.8 puede ser utilizada. En una modalidad, la solución de enchapado con níquel es una fórmula de enchapado con sulfamato de níquel .

En una modalidad, la corriente activa puede ser utilizada para llevar el tambor de enchapado al primer baño de enchapado ácido de modo que el depósito catódico se lleve a cabo previamente para minimizar la disolución de cinc.

En una modalidad, las aleaciones de aluminio tales como la serie lxxx de Al, la serie 2xxx de Al, la serie 3xxx de Al, la serie 4xxx de Al, la serie 5xxx de Al, la serie 6xxx de Al, la serie 7xxx de Al, la serie 8xxx de Al, y etcétera, pueden ser utilizadas.

En una modalidad, la triple galvanización también se puede aplicar a otros metales o aleaciones de metales, tales como el magnesio y sus aleaciones.

En una modalidad, los materiales de enchapado pueden ser el cobre, níquel, latón, bronce, aleación de cupro-níquel , u otro metal o aleación metálica.

En la descripción precedente, para propósitos de explicación, se describen numerosos detalles para proveer un entendimiento completo de las modalidades. Sin embargo, será evidente para un experto en el arte que estos detalles específicos no son requeridos.

Las modalidades descritas anteriormente están propuestas para que sean ejemplares solamente. Las alteraciones, modificaciones y variaciones pueden ser efectuadas a las modalidades particulares por aquellos expertos en el arte sin apartarse del alcance, el cual está definido solamente por las reivindicaciones anexas al presente .

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. Un método de tratamiento de un cospel que comprende aluminio o una aleación de aluminio, caracterizado porque comprende : proveer el cospel que comprende aluminio o una aleación de aluminio; depositar una primera capa de galvanización sobre el cospel por el sumergimiento en un cincato en un tambor de enchapado; retirar la primera capa de galvanización; depositar una segunda capa de galvanización sobre el cospel por el sumergimiento en un cincato en un tambor de enchapado; retirar la segunda capa de galvanización; depositar una tercera capa de galvanización sobre el cospel por el sumergimiento en un cincato en un tambor de enchapado; enchapar una o más capas del metal o de las aleaciones de metales sobre el cospel en la ausencia substancial de cianuro; y un recocido para crear una difusión metálica entre el cospel y una o más capas de enchapado para ayudar a la adhesión .

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque una o más capas del metal o de las aleaciones de metales comprenden níquel, y el enchapado de una o más capas, comprende exponer la tercera capa de galvanización a una solución de enchapado de sulfato o de sulfamato de níquel, sin cianuro, ácida.

3. El método de conformidad con e las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque el enchapado de una o más capas del metal o de las aleaciones de metales comprende el enchapado en tambor.

4. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el enchapado es efectuado sobre una superficie completa del cospel.

5. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque además comprende, previo al enchapado, aplicar una corriente activa a un tambor de enchapado para ayudar a la adhesión de una primera capa de enchapado al cospel.

6. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el recocido es efectuado a entre 400 y 600 °C.

7. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el recocido es efectuado a entre 425 y 450 °C.

8. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el sumergimiento es efectuado durante 10 hasta 120 segundos.

9. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el sumergimiento es efectuado durante 15 hasta 60 segundos.

10. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque además comprende, después de depositar la tercera capa de galvanización, retirar la tercera capa de galvanización, y depositar una cuarta capa de galvanización sobre el cospel por el sumergimiento en un cincato en un tambor de enchapado.

11. Un cospel recubierto, caracterizado porque se hace por el método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.

12. Un cospel caracterizado porque comprende aluminio o una de aleación de aluminio, y un recubrimiento enchapado, recocido, el recubrimiento enchapado, recocido comprende : una primera capa de galvanización aplicada por medio de la galvanización del aluminio o la aleación de aluminio en un tambor de enchapado, tal primera capa de galvanización ha sido retirada; una segunda capa de galvanización aplicada por medio de la galvanización de la primera capa de galvanización con el recubrimiento retirado en un tambor de enchapado, tal segunda capa de galvanización ha sido retirada; una tercera capa de galvanización aplicada por medio de la galvanización de la segunda capa de galvanización con el recubrimiento retirado, en un tambor de enchapado; y una capa de enchapado que comprende una o más capas de un metal o de aleaciones de metales aplicadas por medio de enchapado en la ausencia substancial de cianuro, y recocido para crear una difusión metálica entre al menos la tercera capa de galvanización y la capa de enchapado para ayudar a la adhesión.

13. El cospel de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la capa de enchapado comprende una o más capas del metal o de las aleaciones de metales aplicadas por medio de enchapado por medio de una solución de enchapado de sulfato o sulfamato de níquel, sin cianuro, ácida.

14. Un cospel caracterizado porque comprende aluminio o una aleación de aluminio, y un recubrimiento enchapado, recocido, el recubrimiento comprende una capa de galvanización triplete que tiene una densidad de más de aproximadamente 7.5 g/cm3, la capa de enchapado comprende una o más capas de un metal o de aleaciones de metales aplicadas por medio de enchapado en la ausencia substancial de cianuro, y recocido para crear una difusión metálica entre al menos la tercera capa de galvanización y la capa de enchapado para ayudar a la adhesión.

15. El cospel de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque la capa de enchapado comprende una o más capas de un metal o de aleaciones de metales aplicadas por medio de enchapado, por medio de una solución de enchapado de sulfato o sulfamato de níquel, sin cianuro, ácida.