專利名稱：鍍鎳、銅及鎳的硬幣及制造該硬幣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電鍍硬幣坯件、硬幣及類似制品如佩章的制造方法。具體來說，本發(fā)明涉及鍍鎳硬幣坯件和硬幣，但本發(fā)明可用來生產(chǎn)外表層為銅的硬幣。
硬幣向來用鍍鎳的鋼來制造，但在鍍層未完全覆蓋鋼的針孔處，存在著發(fā)展成銹點的可能。針孔可因鎳鍍層中的表面現(xiàn)象而產(chǎn)生，或者可因鋼表面上的微孔而產(chǎn)生。
精壓時，壓模將金屬拉伸，尤其在硬幣的邊緣上。由于這種拉伸，針孔得以擴展，暴露出鋼。鍍層中的裂紋也可能在邊緣處發(fā)展。這兩種現(xiàn)象中的任何一者，都會引起銹蝕。
倘若鍍層中存在微孔，而且這些微孔在電鍍過程中被跨鍍(即鍍層未將微孔填滿，僅在表面上將孔蓋住)，則所截留的空氣可在精壓過程中冒出微孔，產(chǎn)生起泡。這是造幣時的一個嚴重問題。據(jù)知，有些造幣廠家以小鋼丸撞擊金屬，試圖將起泡和針孔問題減至最小程度。
精壓時暴露出來的另一個問題被稱為“點狀爆裂(starbursts)”。鍍鎳過程中，鎳層上會產(chǎn)生一些尖峰。精壓時，這些疵點會被軋掉或壓偏。此種磨擦作用會擦傷壓模表面。
本發(fā)明的目的是，提供電鍍硬幣坯件和硬幣，并提供在克服上述問題方面比目前作法有顯著改進的此類硬幣坯件和硬幣制造方法。
在本發(fā)明的較佳實施方案中，我們采用多層鍍層，即在鋼上鍍以鎳/銅/鎳。由于鐵由一層銅保護，而銅在電化序中的電位為+0.34V，它與電位為-0.44V的鐵和電位為-0.25V的鎳相比，具正電位，故而鐵就不太可能被氧化。此外，由于采用三層體系，某一層中所存在的微孔就不大可能貫通所有三層，使鐵裸露。如果鋼表面有微孔存在，微孔就有可能被三層中的至少一層所覆蓋。即使只鍍鎳/銅，以銅為表層，也能獲得本發(fā)明的某些優(yōu)點。
電鍍包括銅和鎳的多層體系，已知供例如電鍍汽車保險杠之用。舉例來說，授權(quán)日為1983年11月29日的美國專利US4，418，125述及了相繼鍍以鎳、鎘、銅、鎳及鉻諸鍍層的鋼。此外，加拿大專利CA369，046(1936年8月15日授權(quán))也公開了先鍍一層鎳，繼而鍍銅，再鍍鎳，從而銅會直觀表明拋光是否不當(dāng)。隨著鎳、銅和鎳相繼各層在硬幣上的應(yīng)用，出現(xiàn)一些問題，這些問題在汽車保險杠制造中，至少未以同樣的程度遇到過。最嚴重的問題之一，是起泡問題。如前所述，這是由于在微孔所截留氣體上的跨鍍層經(jīng)精壓時的加壓所致。這種跨鍍，尤其可能因多層電鍍而產(chǎn)生。另一個問題是造幣時出現(xiàn)的嚴重機械變形和拉伸的問題。
因此，本發(fā)明的另一目的是，提供一種能在精壓過程中將各問題減到最小程度的多層電鍍操作方法。
本發(fā)明優(yōu)選提供一種制備硬幣坯件、硬幣或類似制品的方法，該方法包括a)清理黑色金屬坯體，使其表面上基本不存在氧化物、油類或污垢;
b)在所述坯體上電鍍一層預(yù)鍍鎳層;
c)在預(yù)鍍鎳層上電鍍一層銅，起始時用低電流密度鍍此銅層，接著以最大電流密度鍍此銅層，以將微孔上的跨鍍減到最小程度，或者避免跨鍍產(chǎn)生;
d)優(yōu)選在銅層上電鍍一層鎳表層，起始時以低電流密度鍍此鎳層，接著以最大電流密度鍍此鎳層，以將微孔上的跨鍍減到最小程度，或者避免跨鍍產(chǎn)生;
e)以中等溫度將銅退火，以提高其可延壓性而不致產(chǎn)生起泡，此步驟或在鍍表層鎳之前進行，或在鍍表層鎳之后進行;
f)在最終產(chǎn)品為硬幣時，則在精壓工序中進行壓制，不讓會使黑色金屬裸露的微孔或裂紋發(fā)展。
本發(fā)明還包括由該方法制得的硬幣和硬幣坯件。


了本發(fā)明的一種較佳實施方案。其中，圖1為橫截面示意圖，示出鍍銅開始時以低電流密度，接著又以最大電流密度鍍銅時，銅分子層的沉積情況;圖2為供對比用的橫截面圖，示出一開始即以高電流密度鍍銅時，可能發(fā)生的情況，其中，a為高電流密度促使在孔邊緣處枝狀生長，b為隨著鍍銅沉積加快，在孔邊緣處跨鍍的可能性。
現(xiàn)在，我們要來更詳細地討論一下本發(fā)明的較佳實施方案。
按本發(fā)明制造硬幣，由清理鋼或其它黑色金屬坯體開始進行。這些坯體為圓片狀代幣，其直徑約為厚度的十二倍。
圓形坯體或具其它幾何形狀的坯體，用低碳鋼帶切割而成，鋼帶含碳量低于0.02%，以0.01%或更小的含量為佳。然后，使之形成邊狀，得到光滑的圓周邊緣，以便在電鍍時避免硌傷或劃傷，在以適當(dāng)噸位模壓硬幣時有助于形成良好的硬幣側(cè)緣平面。
然后，在700-900℃無氧氣氛中，使坯件退火并緩慢冷卻。在緩慢冷卻的條件，我們能夠得到大約40 R30T的硬度(該標記和下面類似的標記均表示用30kg基準壓力，以1/16英寸小球測量的洛氏表面硬度)。不經(jīng)退火，則發(fā)現(xiàn)鋼表面在強浸蝕時易被氧化。在氫氣氛中進行退火，有助于除去鋼表面上的氧化物。
爾后，將坯件裝入旋轉(zhuǎn)式鍍桶中。此步加工中所用的坯件個數(shù)可從90變到200，依其大小而定。工藝過程說明中所給出的所有數(shù)字均指平均裝載量為100個坯件。
電鍍前，用標準清理操作來準備坯件，以供電鍍之用。這可包括下列步驟中任何一種步驟式全部步驟用特定的堿性洗滌劑洗滌坯件、淋洗、溶劑除油、電解清理，以及在去離子水中漂洗。
傳統(tǒng)的方法是先用堿性溶液清理，再用酸浸蝕液來清理，此方法被認為可改善對鎳或其它鍍層的結(jié)合力。我們已發(fā)現(xiàn)，將這兩步顛倒一下是有益的。我們先用酸浸蝕，緊接著迅速用稀氫氧化鈉溶液洗滌，以緩沖酸。我們發(fā)現(xiàn)，用傳統(tǒng)的清理方法，即使在電鍍之前只經(jīng)過一段短時間，也還會發(fā)生一點氧化。我們發(fā)現(xiàn)，顛倒次序即可使氧化大大減少。
浸蝕液可為10%鹽酸溶液，用它在55℃下浸漬30秒。該溶液在上面提及的滾桶中使用，該桶在清理、強浸蝕和漂洗時，以每分鐘10轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。漂洗在弱堿性洗滌液中進行，以便將酸中和。適宜的漂洗液含有足量的氫氧化鈉，以使溶液的pH值為9.0。
第二步驟是預(yù)鍍鎳，以沉積一層約為硬幣最終重量0.8-1.2%的鎳層。預(yù)鍍鎳所用的鎳應(yīng)當(dāng)是低硫鎳，也即暗鎳，而不是被稱為光亮鎳的鎳。預(yù)鍍鎳的適宜條件在下列實施例Ⅰ中加以說明。
實施例1
將坯件快速鍍以預(yù)鍍鎳層。鍍液優(yōu)先選用硫酸鎳型瓦特槽液，因為它對鋼的腐蝕性要比伍德預(yù)鍍鎳槽液要小。適宜的預(yù)鍍鎳槽液組成和操作參數(shù)均列于表1中。
表1硫酸鎳 300g/l氯化鎳 90g/l硼酸 45g/lpH 1-2溫度 60℃電流密度 8 ASF所用的潤濕劑為市售商品，由M& T化學(xué)品公司生產(chǎn)。其用量0.1%(體積)。此電鍍步驟產(chǎn)生非常多孔的沉積層。
一般來說，對于5美分規(guī)格坯件一桶載量，預(yù)鍍1%鎳所需的時間約為30分鐘，暗鎳沉積層厚度約為0.005mm(見表5)。
然后，將滾桶和鍍件在冷水槽(cold drag-out water tank)中漂洗去除帶出的鍍液進而用熱水漂洗，最后用冷的去離水漂洗。
第三步驟是要鍍一層銅。所鍍的銅約構(gòu)成硬幣最終重量的4-7%，最好約為6%。每個表面上鍍層的厚度約為20-30μm。
我們優(yōu)先選用酸性鍍銅液來鍍銅。雖然使用氰化物鍍銅液時能量效率要高些，但用酸性鍍銅液時可采用較高的電流密度，從而可節(jié)省時間，彌補能量效率較低之弊還有余。此外，氰化物鍍液用起來還有危險，而且倘若處理不當(dāng)，廢液處置可造成環(huán)境問題。
我們發(fā)現(xiàn)，鍍銅以約為最大電流1/6至1/4的低電流開始，然后將電流增至最大，這是有益的。這對于將跨鍍及隨之發(fā)生的起泡減至最小程度或避免跨鍍及隨之而發(fā)生的起泡來說，是至關(guān)重要的。因此，鍍銅應(yīng)當(dāng)以1.2-1.8ASF的電流密度開始進行，起始階段的時間約為15-20分鐘。然后，將電流密度增至約6-7ASF來使銅鍍層完善。
銅鍍層應(yīng)當(dāng)具有均勻的光潔度，為最后的鍍層打下良好的基礎(chǔ)。因此，電解液中可包含有限量的潤濕劑、載體(carrier)及光亮劑。各種市售作用劑中的任何一種作用劑均可使用。市售作用劑中的大多數(shù)都具專賣性質(zhì)，故而只能以商品名來表示?？捎米鳚櫇駝⑤d體及光亮劑的物質(zhì)，其例子有Barrel CuBath B-76整平劑(也可用作光亮劑)及Barrel CuBath B-76載體(兩者均由Sel-Rex Oxy Metal Industries公司出產(chǎn))，或者Deca-Lume D-1-R、D-2-R及D-3-R(由M & T Chemicals公司出產(chǎn))。如前所述，潤溫劑可以是Y-17(M & T Chemicals公司出產(chǎn))。
關(guān)于一定厚度所需電鍍時間的具體數(shù)值，可用下列比例關(guān)系進行理論計算電化當(dāng)量元素 價數(shù)變化 g/f mg/c g/A·h1 63.55 .6585 2.371Cu 2 31.78 .3293 1.186Ni 2 29.36 .3042 1.095(g/f克/法拉第;mg/c毫克/庫倫;
g/A·h克/安培小時)下列實施例Ⅱ?qū)⒃敿氷U明鍍銅操作。
實施例Ⅱ接下列進行鍍銅。鍍銅通過將鍍桶浸入酸性電鍍液并使之在其中轉(zhuǎn)動來進行。鍍銅液的組成和工作參數(shù)列于表2(作為典型)。
表2硫酸銅 255g/l銅(以金屬計) 56g/l硫酸 57g/l氯離子 70ppmpH 1.0溫度 24℃電流密度 6-7ASF陽極 含磷的銅這是一種由Sel-Rex Oxy Metal Industries公司出售的商業(yè)專賣電鍍體系。該公司推薦，CuBath B-76添補劑混合物根據(jù)安培小時(A·K)數(shù)，以1立方厘米/安培小時的速率添加。該混合物中載體對整平劑的比例為8∶1。
其它的商品化酸性鍍銅體系也可用，并且已經(jīng)用過。
我們的鍍銅方法不同于正規(guī)的電鍍操作，不同之處在于，電鍍以低電流密度，例如以最大電流密度的1/5起始，歷時約15分鐘(1.2-1.4ASF)。經(jīng)上述暫短時間之后，將最大電流密度用于鍍桶內(nèi)所載的另件上，歷時約4小時，以形成的約6%(重量)的鍍層(見表5)。
如圖1所示，起始時的低電流密度可使銅鍍層追隨鋼或鎳底層上的微孔輪廓。這就避免了微孔上的跨鍍，因為這種跨鍍本身又會在以后退火時使細小的起泡得以形成。圖1中，畫有斜影線的鋼質(zhì)芯體標作10，鎳預(yù)鍍層11畫有豎影線，起始時形成的銅分子層12畫有黑點。
因此，起初的薄電沉積膜層將裂隙、麻點劃痕減至最小程度，并有助于將電鍍表面整平。
我們的工作已表明，當(dāng)省略初始時的低電流密度步驟，就有很大可能產(chǎn)生小起泡。
除此之外，酸性鍍銅液還含有潤溫劑和整平劑，其效能因很慢的電鍍操作過程而被促進并增強。
如果一開始就用最大電流密度，則如圖2所示，微孔邊緣處電流密度就比較大，較大的電流密度促使邊緣上鍍層迅速增厚。最后，微孔孔口被封閉，從而在微孔的微穴上方形成了產(chǎn)生起泡的部位。這種起泡可由于氫或溶液被截留引起，并在退火時變得更顯著。在圖2(a)中(示出芯體10a和預(yù)鍍鎳層11a，相似于圖中的10和11)，我們以示意圖說明，高電流密度怎樣在電鍍開始時促使銅層12a在微孔邊緣上生長枝晶。圖2(b)示出由于銅鍍層12b在微孔邊緣上沉積得比較快而產(chǎn)生跨鍍的最終狀態(tài)。
通常，對于5美分大小坯件的一鍍桶裝載來說，沉積6%銅所需的時間約為4小時，而銅層沉積厚度約為0.034mm(見表5)。
爾后，將裝有被鍍件的滾鍍桶在冷水槽中漂洗、進而用熱水漂洗，最后用冷去離子水漂洗約30秒以除去鍍件上帶出的鍍液。
當(dāng)冷水漂洗隨熱水漂洗之后進行時，產(chǎn)生某種“抽吸作用”。顯微組織范圍的尺寸收縮變化，有助于將電鍍液從微孔中排出，從而防止銹蝕和出現(xiàn)銹點。
正如本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員所周知，光亮劑、載體或整平劑，以及潤濕劑，其用量控制得當(dāng)，是至關(guān)重要的。每加侖鍍液起初加有40ml的8∶1添補劑混合物，例如前面提及的CuBath B-76。以1/2立方厘米每安培小時的速率來添補添加劑，可使包含于添補劑混合物中的各添加劑如整平劑、應(yīng)力消減劑、晶粒細化劑及載體添加劑，在鍍液中保持平衡，并保持適當(dāng)?shù)暮俊?br> 現(xiàn)在，我們可以進行最后的鍍鎳步驟，或者我們可以中斷電鍍程序而進行中間退火步驟。進行退火步驟是為了消除較厚銅層中的鍍層應(yīng)力，除去所截留的氫，并除去表面上的有機組分，這些有機組分是銅電鍍液中的各添加劑，而且它們在隨后的鍍鎳過程中可引起起泡。退火步驟可在精壓步驟之前，使晶粒結(jié)構(gòu)細化。該步驟還有助于將微孔封閉。
如果要將鍍過銅的坯件退火，則退火應(yīng)在還原性氣氛，例如氫中進行，以便抑制氧化，甚或減少氧化。退火應(yīng)當(dāng)在500-600℃的溫度下進行。以前的做法是加熱到更高的溫度，試圖使鎳與鋼熔合。這種更高的溫應(yīng)予避免，在這種溫度下會產(chǎn)生起泡。退火后的鍍銅坯件應(yīng)具有約35-40 R30T的硬度。
這一額外的中間退火步驟可用來達到多種目的。首先，它可除去截留于銅鍍層和鎳鍍層中的氫。由于銅沉積層相當(dāng)厚，所以應(yīng)當(dāng)在進行下一步電鍍之前，除去電鍍過程中所截留的任何氫。其次，銅沉積層還具有很大的應(yīng)力，而熱處理會有助釋放和消除應(yīng)力，從而防止模壓時急劇變形所致的開裂。眾所周知，退火還能改善銅的晶粒結(jié)構(gòu)，并使之在冷加工時更具韌性。最后，它可除去銅表面上的有機物，改善銅與鎳之間的結(jié)合，并有利于消除起泡。鍍銅液中的有機材料，是保證鍍銅過程中覆蓋良好和麻點減少所必需的。然而，在鍍銅結(jié)束時，這些有機物不再有用，而且應(yīng)當(dāng)在鍍鎳之前除去。如此制得的造幣材料已被證明不存在起泡。
作為選擇，可在鍍完最后的鎳層之后，先在200℃和400℃之間溫度下，在有還原性氣氛存在時進行退火，再在至少為530℃的溫度進行退火。
下一個步驟是鍍最后一層鎳。該鍍層應(yīng)當(dāng)占硬幣重量的1-1.5%，或者使各表面上的測量厚度約增加4-8μm。電鍍過程中，最好采用光亮劑，以便產(chǎn)生光滑、光亮的最終鍍層。同樣，鎳也以低電流密度來開始鍍覆，但所用電流密度約為0.5-0.7ASF，約為最大電流密度的1/6-1/4。低電流密度用在起始的15-20分鐘時間內(nèi)，隨后以3-4ASF的最大電流密度電鍍100-120分鐘?？梢韵嘈?，這種使用低電流密度的措施，連用前述以低溫起始的退火，有助于所鍍鍍層與其基底間的良好結(jié)合，也有助于將跨鍍減到最小程度，其理由如前所述。鍍鎳坯件的硬度約為45-50 R30T。
鎳鍍層的電鍍條件由實施例Ⅲ來舉例說明。
實施例Ⅲ如果我們決定，立即繼續(xù)鍍外層鍍鎳層，則我們要首先將滾鍍桶浸入10%硫酸溶液中，并使之在室溫下轉(zhuǎn)動30秒中，然后將滾鍍桶放入最后的氨基磺酸鹽型鍍鎳液中。
鍍鎳液的組成和工作參數(shù)列于表3。
表3氨基磺酸鎳 77g/l氯化鎳 6g/l硼酸 37.5g/lpH 3.8溫度 50℃電流密度 3-4 ASF這是一種商品化的鍍鎳體系，由M & T Chemicals公司出產(chǎn)。
需要時可添加抗麻點劑Y-17(也由M & T化學(xué)品公司出產(chǎn))，添加量為0.15%(體積)?？商砑邮惺鄣恼絼┖凸饬羷缘玫讲煌墓饬炼?。我們發(fā)現(xiàn)，每安培小時添加0.125ml Niproteg W光亮劑和每安培小時添加0.03ml Niproteg載體，是令人滿意的。其它的市售光亮劑和載體也可使用。
此外，至關(guān)重要的是，我們以最大電流密度1/5的低流密度(0.6-0.8ASF)來開始最后一步鍍鎳過程，歷時約15分鐘，然后以3-4ASF的最大電流密度進行電鍍，歷時2小時，以形成約1.5%(重量)的鎳鍍層。
這種二步鍍鎳過程遵循著同鍍銅一樣的道理。此外，我們還發(fā)現(xiàn)，這種分步調(diào)節(jié)電流密度的方法對減少或消除起泡來說，是非常重要的然后，將滾鍍桶在冷水槽中洗滌帶出的鍍液。進而用熱水洗滌，最后用含異丙醇的去離子水洗滌。
通常，對于5美分大小坯件的一桶裝載來說，鍍1.5%鎳面層所需的時間約為2小時，鎳層沉積厚度約為0.008mm(見表5)。
倘若坯件還未曾進行過作為鍍銅和鍍鎳之間中間步驟的退火處理，則坯料最后在有還原性氣氛存在時，于200℃-400℃之間的溫度下退火40分鐘，緊接著在最低為530℃的溫度下退火20分鐘。低溫退火有助于將所截留的氫除去，而高溫退火則除去最后鍍層中的應(yīng)力，改變所鍍銅的晶粒結(jié)構(gòu)，并有助于銅和鎳之間的相當(dāng)程度結(jié)合。最后，將電鍍坯件加以清理并模壓或精壓，也即，在170，000-200，000p.s.i.量級的沖擊力下用精壓模進行壓制，在表面上形成相應(yīng)的圖案，并使也緣成形，形成輪緣，有時還形成細齒狀也緣。
很大部分按本發(fā)明制造的硬幣都無缺陷，而且即使在正常使用條件下，例如使用過程中接觸鹽水或酸性汗，都仍保維無缺陷。
下列實施例Ⅳ和Ⅴ中均使用上述規(guī)程。
實施例Ⅳ表4實施例Ⅳ(a) 5美分規(guī)格坯件直徑 厚度 電流密度 時間mm mm ASF 分鐘鋼 20.920 1.3761%預(yù)鍍鎳 20.938 1.392 86%銅 21.008 1.431 1.2 156-7 2401.5%鎳 21.030 1.445 0.6 153-4 129實施例Ⅳ(b) 10美分規(guī)格坯件直徑 厚度 電流密度 時間mm mm ASF 分鐘鋼 17.530 0.9601%預(yù)鍍鎳 17.548 0.976 8 206%銅 17.608 1.015 1.2 156-7 210
1.5%鎳 17.620 1.020 0.6 153-4 102實施例Ⅳ(c) 25美分規(guī)格坯件直徑 厚度 電流密度 時間mm mm ASF 分鐘鋼 23.499 1.2241%預(yù)鍍鎳 23.508 2.240 8 286%銅 23.573 1.279 1.2 156-7 2251.5%鎳 23.589 2.288 0.6 153-4 122實施例Ⅴ表5標準裝載量＝100個坯件實施例Ⅴ(a) 5美分規(guī)格厚度 以8ASF鍍1% 厚度 鍍6%銅 厚度 鍍1.5%mm 預(yù)鍍鎳所需的時間 mm 所需的時間 mm 鎳所需時間
0.005 28分 0.038 3時48分* 0.0084 2時9分*實施例Ⅴ(b) 10美分規(guī)格厚度 以8ASF鍍1% 厚度 鍍6%銅 厚度 鍍1.5%mm 預(yù)鍍鎳所需的時間 mm 所需的時間 mm 鎳所需時間0.0036 20分 0.030 3時* 0.0069 1時42分*實施例Ⅴ(c) 25美分規(guī)格厚度 以8ASF鍍1% 厚度 鍍6%銅 厚度 鍍1.5%mm 預(yù)鍍鎳所需的時間 mm 所需的時間 mm 鎳所需時間0.0048 28分 0.037 3時42分* 0.0082 2時58分*所有時間值均已用算術(shù)法計算過。厚度以總平均值形式列出。
＊注二級電流密度所需的電鍍時間已合在一起。
已在以本發(fā)明方法制備的壓制輔幣(以“鍍Ni-Cu-Ni的”表示)和由Sherritt Gordon礦業(yè)有限公司銷售、據(jù)信是按加拿大專利CA1，105，210(1981年7月21日授予)與CA1，198，073，(1985年12月27日授予)制造的市售鍍鎳壓制輔幣(以“鍍鎳的”)上進行過對比試驗。
1.潮濕箱試驗將壓制輔幣浸于人工汗液中，從輔幣表面上除去所有的剩余水分，并將輔幣在95%相對溫度、室溫的潮濕箱中放置72小時。在所用的評定方法中，1為優(yōu)，5為差，詳細的區(qū)分如下列表6所示。
表6相應(yīng)于表面腐蝕程度的評分評分 腐蝕程度1 無2 極微(輕微發(fā)霧)3 輕度(稍失光澤,變黃;腐蝕前期)4 中等(顯著發(fā)霧及/或有褐色銹點)5 嚴重(有明顯褐色、紅色或黑色銹點)所得結(jié)果列于表7。
表7種類 鍍Ni-Cu-Ni的 鍍鎳的5美分規(guī)格 90%評為1 75%評為15%評為2 20%評為25%評為3 5%評為310美分規(guī)格 95%評為1 80%評為12.5%評為2 10%評為2
2.5%評為3 5%評為35%評為425美分規(guī)格 95評為1 90%評為15評為2 10%評為22.腐蝕點試驗將壓制輔幣在2%NaCl中浸泡4小時，浸入溶液2小時后，將輔幣翻過來。我們應(yīng)當(dāng)注意到，在Ni-Cu-Ni鍍層體系上未見銹蝕。
結(jié)果列于表8。
表8種類 鍍Ni-Cu-Ni的 鍍鎳的5美分規(guī)格 80%評為1 90%評為118%評為2 10%評為42%評為310美分規(guī)格 84%評為1 85%評為114%評為2 15%評為42%評為325美分規(guī)格 82%評為1 75%評為113%評為2 5%評為35%評為3 20評為4我們從未在Ni-Cu-Ni輔幣上見到過任何橙色或紅色銹點。評分3表示在輪緣處有一些帶淡黃色的點腐蝕。另一方面，在鍍鎳的輔幣上，尤其在輪緣周圍，可見到紅黑色或橙黑色斑點。
3.磨損劃傷試驗在輔幣上進行8小時周期的標準磨損擦傷試驗。試驗周期結(jié)束時用目視法觀察硬幣。結(jié)果示于表9。
鍍Ni-Cu-Ni的輔幣比鍍Ni的輔幣耐磨性更大。由于Ni-Cu-Ni表面磨損較少，故而硬幣看起來更亮些，而鍍鎳硬幣顯得無光澤。
表9種類 鍍Ni-Cu-Ni的 鍍鎳的*平均硬度 耐磨性 平均硬度 耐磨性R30T 評分 R30T 評分5美分規(guī)格 54.87 1 58.85 310美分規(guī)格 46.45 1 48.09 325美分規(guī)格 50.98 1 56.48 3＊精壓前坯件未經(jīng)退火必須注意的是，鍍有本發(fā)明Ni-Cu-Ni體系的硬幣，硬度比被試驗的鍍鎳硬幣約小10%，但其耐磨性好得多。因此，可以料到，鍍Ni-Cu-Ni的硬幣在流通中含遠比市售的鍍鎳硬幣更加經(jīng)受得住機械損傷。
這種優(yōu)越特性的理論解釋是，鍍鎳硬幣的單層鎳金屬晶粒結(jié)構(gòu)單一，為枝晶狀，比鍍Ni-Cu-Ni硬幣的多層復(fù)合更易硌傷;鍍Ni-Cu-Ni的硬幣由于多層復(fù)合，故而不同層的晶粒結(jié)構(gòu)和大小也不相同，所以更能經(jīng)得住機械損傷、磨損和擦傷所致的透損。
除了由上面所概述的對比試驗可見的優(yōu)點之外，本發(fā)明還有一些其它優(yōu)點，其中包括(a)用低碳鋼芯體制造并用市售電鍍液相繼鍍以鎳、銅和鎳的硬幣坯件可制成光亮精飾的硬幣，其外觀極佳，耐變色性和耐腐蝕性優(yōu)良。
(b)該體系制得的硬幣，與優(yōu)質(zhì)鎳(99%以上)硬幣、銅鎳合金硬幣、430不銹鋼硬幣及其它商業(yè)上鍍鎳的硬幣或色鎳硬幣相比，具有優(yōu)良的耐磨性和抗擦傷性。
(c)用該方法制得的硬幣，一般具有0.8-1.5%的鎳底層、4-7%的銅中間層和1-2%的鎳表層。因此，材料成本節(jié)省。Ni-Cu-Ni體系估定成本約為所試驗鍍鎳硬幣材料成本的60-66%。
(d)該體系比單金屬層更耐蝕和小孔腐蝕。
(e)該體系具有靈活性，因為人們可在鍍完鋼層后結(jié)束工藝過程，以制造具有銅色澤的硬幣，也可以進一步鍍鎳表面來制造白色硬幣。
(f)全部使用酸性鍍液不會發(fā)生問題，并可消除酸性鍍鎳液和堿性氰化物鍍鎳液混合所致的危險性。Ni-Cu-Ni體系比常用的氰化物體系對環(huán)境保護更有益。優(yōu)先選用的酸性鍍銅液可方便地中和再排出。而堿性氰化物鍍液則需將氰化物分解成毒性較小的物質(zhì)，然后才排放到正規(guī)的廢水處理設(shè)施中去。
(g)乙級電流密度電鍍操作在電鍍銅相和最后電鍍鎳相時采用。電鍍一開始，使用很低的電流密度，即最大電流密度的1/5，持續(xù)一小段時間，譬如15-30分鐘，過了這段起始時間后，接著使用高電流密度，即最大電流密度。這種乙級操作產(chǎn)生的層間結(jié)全比一開始就以最大電流密度的正規(guī)電鍍操作優(yōu)良。
這種操作有助不同金屬材料之間的分子間結(jié)合和鍍滿微孔。結(jié)果，還將跨鍍和起泡減到最小程度。
這種開始時的慢速電鍍可形成緊密而良好的物理結(jié)合，而不需進行有時用來誘發(fā)金屬金相擴散達到結(jié)合目的的高溫?zé)崽幚怼Ｋ裕@種操作導(dǎo)致節(jié)能，而且還進而減少加工時間，并由于在某些情況下，有可能不再需要熱處理而降低坯件制造成本。
(h)該方法中，進行退火所用的熱處理溫度不高，而且不趨近于相變溫度或晶體結(jié)構(gòu)從體心立方鐵素體變到面心立方奧氏體的溫度。這說明，該工藝與依靠高溫、熱擴散并從而依靠高溫度梯度的各種工藝相比，前者能夠輕而易舉地制造40R30T的低硬度幣坯，而后者由溫度梯度高而難以使幣坯硬度平均低于45-50R30T。
(i)高韌性的軟質(zhì)銅中間層便于材料在精壓時流變。模壓硬幣只需相當(dāng)小的力，從而壓模壽必定延長。Ni-Cu-Ni在模壓硬幣過程中流變性比Ni好，這要歸因于銅層，因為它比單一鎳層柔韌得多。事實上，實驗室試驗已表明，鎳層越厚，也即鎳所占的百分比越高，就越早在壓模上見到劃傷痕跡，也即壓模壽命就越低。
(j)薄鎳表層厚約0.005mm，相對于較其厚6-8倍的鎳層來說，更具韌性，厚鎳層在沒有銅底層的情況下，是形成良好覆蓋和保護所必需的。此事實本身又已以證明是有利于最大程度減少消除精壓過程中被稱為“星狀爆裂”的現(xiàn)象。硬鎳層上有著相當(dāng)磨蝕性的枝晶尖峰。鎳的磨蝕性使精壓模表面產(chǎn)生劃傷，并使之損壞。另一方面，薄鎳層的枝晶尖峰較短，相對來說，磨蝕性較小。
(k)Ni-Cu-Ni鍍層體系(的鍍覆速度)要比鎳鍍層體系約快2倍。為得到1%鎳、4-7%銅和1-1.5%鎳的鍍層厚度，所需的實驗室電鍍時間為5.25-6小時(不計洗滌時間)，而獲得6%鍍鎳層則約需11-12小時。
(l)多層鍍層的性質(zhì)使整個體系在鎳與銅之間的電偶作用和電動勢電位方面更少活性。試驗結(jié)果已表明，多層體系與單一鎳層體系相比，不太促進腐蝕。
(m)鋼表面上帶有鎳-銅-鎳的結(jié)構(gòu)比鋼表面上帶鎳的結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)起來更經(jīng)濟，而且能更好防止腐蝕，因為較厚較貴的鎳只形成白色面層，而不太貴的銅則對鋼起著保護作用。
權(quán)利要求
1.制造硬幣坯件或類似制品的方法，其中包括(a)清理黑色金屬坯體，使其表面上基本不存在氧化物；(b)在所述坯體上電鍍一層預(yù)鍍鎳層；(c)在預(yù)鍍鎳層上先以低電流密度，再以最大電流密度，電鍍一層銅，以使黑色金屬坯體表面微孔上的跨鍍減到最小程度或者避免此種跨鍍。
2.制造硬幣坯件或類似制品的方法，其中包括(a)清理黑色金屬坯體，使其表面上基本不存在氧化物;(b)在所述坯體上電鍍一層預(yù)鍍鎳層;(c)在預(yù)鍍鎳層上先以低電流密度，再以最大電流密度，電鍍一層銅，以使黑色金屬坯體表面微孔上的跨鍍減到最小程度或者避免此種跨鍍;(d)在銅層上先以低電流密度，再以最大電流密度，電鍍鎳表層，以使黑色金屬坯體表面微孔上的跨鍍減到最小程度，或者避免此種跨鍍。
3.權(quán)利要求2所述的硬幣制造方法，其中包括，在精壓操作中壓制電鍍過的坯件而不產(chǎn)生裂紋或微孔致使黑色金屬裸露的步驟。
4.權(quán)利要求1、2或3中所述的方法，其中在清理時使用稀酸液來除去氧化物，緊接著進行緩沖洗滌。
5.權(quán)利要求1、2或3中所述的方法，其中鎳預(yù)鍍層所用的鎳為暗鎳。
6.權(quán)利要求1、2或3中所述的方法，其中銅用酸性鍍液來鍍覆。
7.權(quán)利要求1、2或3中所述的方法，其中鍍銅用的低電流密度約為1.2-1.5ASF。
8.權(quán)利要求1、2或3中所述的方法，其中鍍銅用的低電流密度約為1.2-1.8ASF，最大電流密度約為6-7ASF。
9.權(quán)利要求2或3中所述的方法，其中鍍表層鎳用的低電流密度約為0.5-0.7ASF。
10.權(quán)利要求1、2或3中所述的方法，其中鍍表層鎳用的低電流密度約為0.5-0.7ASF，鍍表層鎳用的最大電流密度約為3-4ASF。
11.權(quán)利要求1、2或3中所述的方法，其中鎳預(yù)鍍層約為硬幣最終重量的0.8-1.2%，銅鍍層約為硬幣最終重量的4-7%。
12.權(quán)利要求2或3中所述的方法，其中鎳預(yù)鍍層約為硬幣最終重量的0.8-1.2%，銅鍍層約為硬幣最終重量的4-7%，同時鎳表面層約為硬幣最終重量的1-1.5%。
13.權(quán)利要求1、2或3中所述的方法，其中在鍍銅后和鍍鎳表層之前，在500-600℃溫度和有還原性氣氛存在下，對硬幣坯件進行退火。
14.權(quán)利要求1、2或3中所述的方法，其中在鍍表面鎳后，在200-400℃溫度和有還原性氣氛存在下，對硬幣坯件進行退火，以便加速除去所截留的氫，隨后在至少530℃的溫度下進行退火，以消除應(yīng)力，改善銅的晶粒結(jié)構(gòu)，并增強銅與鎳之間的結(jié)合。
15.硬幣坯件或類似制品，其包括一個具微孔的黑色金屬坯體，所述坯體鍍有一層預(yù)鍍鎳，隨后鍍有一層約為硬幣最終重量4-7%但不跨鍍所述微孔的銅層，所述銅層經(jīng)中溫退火提高了韌性，精壓時不會產(chǎn)生起泡。
16.硬幣坯件或類似制品，其包括一個具微孔的黑色金屬坯體，所述坯體鍍有一層預(yù)鍍鎳，隨后鍍有一層約為硬幣最終重量4-7%但不跨鍍所述微孔的銅層，所述銅層經(jīng)中溫退火提高了韌性，精壓時不會產(chǎn)生起泡，而且所述硬幣坯件鍍有一層約為硬幣最終重量1-1.5%的表層鎳。
17.硬幣或類似制品，其包括一個具微孔的黑色金屬坯體，所述坯體鍍有一層預(yù)鍍鎳，隨后鍍有一層約為硬幣最終重量4-7%但不跨鍍所述微孔的銅，所述銅層經(jīng)中溫退火提高了精壓時的韌性，不會產(chǎn)生起泡，而且所述硬幣坯件鍍有一層約為硬幣最終重量1-.5%的表層鎳，所述鍍層經(jīng)在精壓操作中壓制后不產(chǎn)生或保持會使黑色金屬裸露的裂紋或微孔。
18.權(quán)利要求15、16或17中所述的硬幣坯件或硬幣，其中鎳預(yù)鍍液中不含光亮劑，但鎳表層鍍液中含有光亮劑。
19.權(quán)利要求15、16或17中所述的硬幣坯件或硬幣，其中退火狀態(tài)鍍銅坯件的硬度在35-40 R30T的范圍之內(nèi)。
20.權(quán)利要求16或17中所述的硬幣坯件或硬幣，其中退火狀態(tài)鎳表層的硬度在45-50 R30T的范圍之內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明克服了電鍍硬幣坯件及類似制品生產(chǎn)過程中所出現(xiàn)諸如針孔和起泡之類問題。黑色金屬坯體經(jīng)預(yù)鍍鎳后，先以低電流密度，再以最大電流密度鍍銅，以將跨鍍減至最小程度。最好再鍍一層鎳表層，以低電流密度起始，隨后以最大電流密度鍍覆。在鍍最終一層鎳之前或之后進行退火。本發(fā)明還涉及所制得的硬幣坯件和硬幣。
文檔編號C25D5/50GK1057496SQ91104008
公開日1992年1月1日 申請日期1991年6月21日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月21日
發(fā)明者黑尤C·特龍, 瑪麗亞·迪蕾 申請人:加拿大皇家造幣廠