JP2017505380A - 貨幣用ニッケルめっき亜鉛合金 - Google Patents

Abstract

亜鉛などの融点が低めの金属母材を、ニッケルなどの融点が高めの金属層で被覆する。ニッケル層を割れのない圧印に好適なものとするために、突発的な熱誘導を用いてニッケル層を迅速に焼鈍する。誘導熱は限られるため、金属母材までの実質的な熱の伝導を起こさせずに金属層だけが加熱される。これによって、金属母材が実質的な溶融、変形または反りから保護され、金属母材は実質的に無傷で特性や形状の変化もないまま維持される。

Description

＝＝関連出願へのクロスリファレンス＝＝
本出願は、２０１４年１２月２０日にファイルされた米国仮特許出願第６１／９１９,３６４号の優先権の利益を主張するものであり、その開示内容全体を本明細書に援用する。

真の金本位制から離れて以来、政府造幣局の目標のひとつに、市場向けに低コストの通貨を提供することがある。たとえば硬貨の造幣時には、金属のコストを、硬貨の額面価格より低くすべきである。銅の価格がゆえに１セント硬貨の銅の価値が１セントを超えたとき、まだ価値が１セント未満であった亜鉛が、硬貨に使用できる材料となった。同様に、他の硬貨も現在、実際の価値または製造コストが、急激にそれぞれの額面上の通貨価値に近付いているか、あるいは超えてきている。銅とニッケルとを使用して、特性が現行貨幣の特性に合う好適な低コスト亜鉛貨幣を製造することは、政府造幣局にとってのコストの削減になり得る。しかしながら、今までに、亜鉛母材表面での好適な銀白または「白色の」仕上げの実現には、問題が多いことが明らかになっていた。

本開示は、金種が高めの米国硬貨で通常用いられている銀色の硬貨の代わりに亜鉛製品を用いる、貨幣用に銀白または「白色の」仕上げをするための方法および合金に関する。亜鉛母材の表面に単純なスズ仕上げを使用しようとしたところ、望ましくない摩耗の問題がいくつか明らかになった。鋼または銅の合金またはプライから圧穿される現行硬貨は一般に、表面にニッケルが施されているが、めっきしたニッケルを亜鉛の耐熱温度より高い温度まで焼鈍する必要があることから、ニッケルは低コストの亜鉛にめっき可能なコーティングではないというのが、従来の考えであった。焼鈍には、以後の圧印作業を可能にすることが求められ、そうでなければ、比較的脆いニッケルコーティングに割れが生じることになる。

誘導加熱源を用いて亜鉛母材に施しためっき後のニッケルコーティングを高速に焼鈍する機能は、ニッケルめっき面での以後の圧印作業を、めっきの割れや破損なく行うことを可能にする。誘導加熱は広範囲にわたる業界で焼鈍に用いられているが、一般に、焼鈍されている本体全体が焼鈍に好適な温度まで加熱される。これは、亜鉛の融点が低くニッケルの焼鈍温度のほうが高いニッケルめっき亜鉛系では不可能である。誘導焼鈍エネルギーは、主にニッケルに作用するか、エネルギーをニッケル表面のめっきまたは膜だけに優先的に伝えるように、周波数を調整できる。すぐに応用できる２つのことは、低融点の材料の表面に、これより高温への耐性が高い金属を焼鈍することと、高速でエネルギコストの低い誘導焼鈍を貨幣製品に直接応用することを含む。

図中、
図１は、図中の左から右にレベルを下げた誘導熱で処理した、３枚の硬貨円形を示す概略上面図である。 図２は、従来の圧印プロセスが成功した後の、図１の右側にある硬貨円形を示す上面図である。 図３は、図２の硬貨円形の外縁部分を示す拡大断面図である。 図４は、図３の硬貨円形の最右端部分をさらに拡大した図である。 図５は、銅めっき亜鉛貨幣地板に対してめっきがおよぼす影響が限られることを示す、電磁署名測定結果の一連のプロットである。 図６は、ＥＭＳ署名に対する焼鈍の影響が限られることを示す、電磁署名測定結果の図５と同様の一連のプロットである。 図７は、ニッケルめっき誘導焼鈍硬貨が相当な耐摩耗性を持つことを示す、多岐にわたるめっき仕上げのなされた多岐にわたる誘導焼鈍硬貨に対して実施された、一連の摩耗試験のプロットである。

以下の説明は、硬貨用に亜鉛母材表面のニッケルめっき層を誘導焼鈍することを包含する。本開示は、硬貨用や潜在的な他の用途向けに、亜鉛の表面に薄い金属層を使用できることを裏付けるものである。他の可能性として、硬貨用に亜鉛の表面にめっきされるレッドブロンズ、ホワイトブロンズ、イエローブロンズ、真鍮、さらには潜在的に、建築用途での亜鉛の表面におけるこれら同じ金属の膜があげられる。誘導熱を急速に爆発させるようにして印加することで、溶融温度が脆い金属層の焼鈍温度未満である金属母材の外側に形成された比較的薄くて脆い金属層に、より高い焼鈍温度を適用することが可能である。誘導加熱の時間が短いため、融点が低めの母材金属の薄い周辺層だけが影響される。

亜鉛は、コストが妥当で耐腐食性が高いことから、さまざまな用途に用いられている金属の代表である。これらの属性がゆえ、貨幣では約３０年間にわたって米国の１セント硬貨のベース金属として亜鉛の使用が促され、１セント硬貨はコスト効率の良い通貨となっている。１セント硬貨には、銅めっきの層が被覆されており、この硬貨の色と摩耗特性は、銅めっき層によるものである。他の多くの硬貨は、積層、めっきまたは純金属を用いて他の金属で仕上げられているが、亜鉛は、柔らかい銅を適切に焼鈍して銅表面層の割れや破断を生じることなく圧印プロセスで変形可能な１セント硬貨においてのみ、用途がある。

他の金属コーティングについては、亜鉛の融点が低めなのに比して、めっき表面層の焼鈍に必要な温度が高いことから、今日まで、亜鉛の表面に施すことはできなかった。一例として、ニッケルは鋼をベースにした硬貨へのめっきが可能であるが、これはニッケルに必要な華氏１０００度を超える焼鈍温度が銅ベースの層の融点未満であるからである。真鍮仕上げやブロンズ仕上げにも、比較的高い焼鈍温度が必要だという同様の問題がある。

最初の一組の実験で、硬貨の亜鉛ベースに悪影響をおよぼすことなく、ニッケルめっき層の焼鈍に非平衡加熱プロセスを用いるというコンセプトが実現可能であることが判明した。亜鉛は通常、酸性のめっき浴からめっきされるが、このめっき浴は通常、亜鉛とは相容しないため、銅めっきの層がニッケルめっき前の亜鉛用の保護層として用いられる。単純にするために、１セント硬貨の銅めっき円形を、ニッケルの成膜に使用した。これらの円形は、適当な形状と大きさに圧穿して圧縁し、厚さ約１０ミクロンまで銅をバレルめっきした亜鉛片(Ｊａｒｄｅｎ Ａｌｌｏｙ １９０)からなる。このプロセスは、米国の１セント硬貨円形の製造に用いられている製造シアン化銅めっき法である。

銅めっきした亜鉛硬貨円形または貨幣地板に、ニッケルめっき液を用いてさらにめっきをした。ニッケルめっきについては、５．８ミクロンと９．９ミクロンの２種類の厚さまで行った。各めっき厚につき約１０個のサンプル硬貨を誘導加熱装置で焼鈍した。誘導システムにて、３枚の硬貨を異なるエネルギー入力レベルまで焼鈍した。これらの硬貨の画像を、図１に示す。

目標は、破損のない良好な圧印表面を生みだしつつ、誘導焼鈍サンプルに圧印することである。図１の左側にある１枚目の硬貨は、誘導エネルギーの量が、多層めっきにおける亜鉛と、おそらくは銅のめっき層との両方を溶融させるのに十分(＞１０８３℃)であったことを示している。２枚目すなわち図１の中央の硬貨は、１枚目の硬貨よりも少ない誘導エネルギーを受け、亜鉛が実質的に軟化して下地となっている貨幣地板は流動できるが、めっき層は変化しないまま(１０８３℃＞Ｔ＞４１９℃）であることを示している。最後に、図１の右側にある３枚目の硬貨は、受けた誘導エネルギーの量が最も少なく、外端に沿って亜鉛がいくらか軟化しているが、硬貨がほぼその形状を保っていることを示している。３枚目の硬貨の一部は亜鉛の融点を超えたが、それは局所的であった。この硬貨の他の側には、知覚できる変形は全く認められなかった。

図１の右側にある最後のサンプルは、サンプルを圧印金型に合わせることができるようにするには十分に変形が限られていたため、圧印がなされた。図２は、最初の一組の試験において最小限の熱で処理したサンプルの圧印結果を示す。この硬貨では、圧印プロセスでニッケルめっき層の破断、割れまたはスプリットの兆候が認められない。その後、拡大下での断面評価用に硬貨を切断し、エポキシ樹脂で包埋して研磨した。

光学顕微鏡を使用して、切断した硬貨の顕微鏡検査を行い、断面の表面全体の画像を撮影した。これらの画像のうち２枚を、図３および図４に示す。図３は、硬貨右側の大ざっぱな拡大断面を示す。図４は、図３の切断硬貨の右端をさらに拡大した図であり、めっきと誘導焼鈍プロセスの両方で硬貨に生じたさまざまな層がはっきりと示されている。厚さ約１７．４μｍで右までの最も遠い層が、めっき後のニッケル外層である。そこから内側に、厚さ７．０μｍの銅層がある。比較的大きな亜鉛母材表面の最後の層すなわち第３の層は、銅と亜鉛との間の相互作用層である。この相互作用層すなわち金属間層は、８．１μｍと注目すべき厚さであるが、銅めっき全体を熱で破壊することもなければ、サンプルの圧印に悪影響をおよぼすこともなかった。

次の工程は、銅めっき亜鉛貨幣地板を実質的に変化させず、なおかつ傷のない状態にしたまま、それでも外側のニッケルめっき層を焼鈍するのに十分なエネルギーを与えて、誘導エネルギーをさらに下げる方向に調整できるか否かを見極めることであった。Ｅａｓｙｈｅａｔ ８３１０誘導加熱システムを使用して、２００枚の硬貨を試験した。誘導ヒーターには、４分の１インチの銅管で作られた直径約２インチのヘリカルコイルが取り付けられていた。このコイルは、管の直径と同じだけ間隔をあけて３巻き分の高さで、合計の高さが１インチをわずかに超えていた。

長さの短いアルミナ管を配置して、貨幣地板を誘導コイルと同心で平らに支持した。この貨幣地板は、コイルの底から上に約１／３のところに配置した。特定の電流および時間に合わせて制御を設定した。８３１０ユニットは、定格１０ｋＷである。すべてのサンプルに用いた周波数は、３３０ｋＨｚであった。電流設定は、１５０ミリ秒から１秒の範囲の時間で、３５０ａｍｐから６５０ａｍｐの間で可変とした。この誘導焼鈍プロセスで供給したエネルギーは、これらの１セント硬貨サイズの貨幣地板のみに対するものであり、重量および寸法の異なるサンプルを用いる場合は、調節する必要がある。

表１は、異なる誘導エネルギー設定が貨幣地板に対しておよぼす影響を特定するために実施した最初の試験を示す。まず、誘導焼鈍したサンプルを２つのプライヤーの間で曲げた。この試験は再現性に乏しいように見えたので、実際の圧印用にサンプルを節約するために試験を中止した。感温塗料を硬貨の表面に塗布した。この指標塗料は、３１６℃での反応を示すためのものであった。表から明らかなように、塗料は、いくつかの条件下で反応を示し(＋)、別の条件下では反応なし（−）、他の条件ではいくらかのレベルの反応または部分的な反応（０）を示した。

別の指標として、焼鈍温度が十分に高いすなわち亜鉛の融点を超えると、硬貨の端から開始してブリスタリングが起こると思われる。これらの観察結果から、相対エネルギーについていくつかの結論が引き出された。ブリスタリングを伴うものはいずれにしろ明らかに温度が高すぎた。そうすると、塗料の反応が、次に低い温度の指標となった。どのサンプルが圧印に有効であるのかはっきりしなかったため、この最初の研究からマトリックスを設定し、ブリスタリングが最小限のサンプル、ブリスタリングは生じないが塗料が反応するサンプル、塗料の反応も認められないサンプルを得ることを試みた。これらのサンプルを、表１にアスタリスク（＊）で示す。端では明らかに貨幣地板の中央より先に塗料が反応したことから、熱が端から内側に動いていることがわかる。

９．９ミクロンのニッケルめっきを施したサンプルのうちいくつかについても、同じ条件のいくつかで試験したところ、これよりも薄い５．８ミクロンのニッケルめっきを施したサンプルと同じように反応しているように見えた。圧印研究用のマトリックス試験は、各々アスタリスクで示した８つのサンプルと、５００Ａ｜４００ｍｓおよび５００Ａ｜４５０ｍｓのサンプルについて１６個のサンプルで構成した。圧印用の研究マトリックスを表２に示す。選択されたサンプルが斜めになっていることから、同様のエネルギーレベルを達成するのに電力と時間に想定されるトレードオフがわかる。「Ａ」の表示がなされたセルは、前の研究でブリスタリングが起こったことを示し、「Ｂ」の表示がなされたセルは、塗料の反応が認められたことを示し、「Ｃ」の表示がなされたセルは、塗料が部分的に反応したものである。９．９ミクロンでニッケルをめっきした表２のサンプルとともに、ニッケル厚５．８ミクロンの残りのサンプルも３５０Ａ｜７５０ｍｓおよび５００Ａ｜３５０ｍｓで焼鈍した。

いくつかの代表的なサンプルで実施した最初の試験は、圧印試験であった。表２のマトリックスのうち、圧印時に破損したサンプルだけは、誘導処理なしのサンプルと、５００Ａで３５０ｍｓ焼鈍したいくつかのサンプルを含んでいた。３５０Ａと４００Ａの両方で７５０ｍｓ焼鈍した、マトリックスからのサンプルは、加熱しすぎの作用を示した。これらのサンプルでは、３５０Ａのサンプルの場合にブリスタリングが認められ、これは依然として圧印可能であったが、製品という観点では許容できないものであり、４００Ａのサンプルの場合は、圧縁時に激しく変形した。

次に、いくつかのサンプルを圧印前に研磨したが、このとき研磨プロセスがニッケルを硬化させたり、そうでなければ焼鈍の作用を無効にしたりしないようにした。研磨プロセスによって結果に変化を生じることなく、硬貨を研磨して圧印した。

実施した他の試験には、焼鈍がＥＭＳに対しておよぼす影響を決定するためのＳｃａｎ Ｃｏｉｎ ＳＣ４０００マシンでの電磁署名(ＥＭＳ)の測定が含まれていた。最初の測定値は焼鈍前の硬貨で取得したものであるが、これを図５に示す。これらの測定結果は、全般的に、めっきがＥＭＳにおよぼす影響が最小限であることを示していた。図５において、「ＣＰＺ」は、米国１セント銅めっき亜鉛製造トークンをいい、９．９μｍ Ｎｉ／ＣＰＺは、９．９μｍのニッケルをめっきした「ＣＰＺ」トークンをいい、５．８μｍ Ｎｉ／ＣＰＺは、５．８μｍのニッケルをめっきした「ＣＰＺ」トークンをいう。図５は、スキャンごとにＥＭＳが比較的近くに集まっていることを示し、米国の１セント硬貨用に現行の形で製造されるトークンと比較して、ニッケルめっきによってＥＭＳにおよぶ影響が最小限であることがわかる。銅めっきをした円形にニッケルめっきを加えたため、スペクトルの１つに軽微な変化が見られる。この試験に続いて、図６に示すような焼鈍後の測定を実施した。図６のプロットが証明したように、焼鈍がＥＭＳ署名に対しておよぼす作用は、これらの初期の試験では検出できない。

この一連の実験での最終試験は、摩耗試験であった。標準化された試験ではないが、この試験は布帛／皮革材料および汗の代わりになる溶液と一緒に硬貨を瓶に入れて転がすものであり、実生活での硬貨の摩耗に極めて似ていると思われた。試験は、１０００時間実施した。実際の米国の製造現場からの代表的な硬貨、銅の上にホワイトブロンズをめっきした硬貨、「Ｄｕｒａ−Ｗｈｉｔｅ」硬貨、「Ｎｉ−Ｍｕｌｔｉ−Ｐｌｙ」硬貨、銅をめっきして、さらにその上にＮｉをめっきした亜鉛「ＣＰＺ」誘導焼鈍１セント硬貨（ニッケルめっき厚は５．８ｍｍと９．９ｍｍの両方）を、試験用に同じ摩耗瓶に入れた。硬貨の初期重量を測定し、２５０時間ごとにフォローアップ測定値を取って摩耗の兆候を探した。これらの摩耗試験の結果を図７に示す。グループ全体のうち、Ｎｉを施したＣＰＺ誘導焼鈍硬貨が最も重量の損失が少なかったことから、グループ内で最も摩耗していないことがわかる。これが、ニッケル仕上げをした硬貨を製造しようとする背後にある前提であり、意図したとおり実現可能であることが明らかに実証された。

代表的なプロセス
上記の実験に基づいて、本明細書に記載した汎用的なプロセスを、次のとおり概説する。

１．所望の硬貨または製品に適した厚さの亜鉛合金片材料を用いて開始する。

２．亜鉛板を圧穿して、製品に望ましいフォームファクターの貨幣地板を得る。

３．以後の加工時に亜鉛が反応するピンホールがないことが保証される厚さまで、亜鉛硬貨に銅をめっきする。

４．銅の層の上にニッケル仕上げ層をめっきして、所望の外観と耐久性を達成する。

５．(サンプルの重量／大きさに対してパラメーターを調整して)亜鉛の貨幣地板サンプルを良くない状態で溶融させることなくニッケルめっきを誘導焼鈍する。

６．ニッケルを研磨するか、そうでなければ表面処理して所望の仕上げを達成する。

７．この時点で、貨幣地板は完成し、圧印作業ができる状態になっている。

８．割れ、欠陥または破損なく、焼鈍した貨幣地板に圧印する。

上記のプロセスと関連する追加の動作パラメーターを、以下にあげておく。

誘導加熱への暴露時間：範囲：０．１〜２．５秒で、今までのところサンプルの大半で０．４〜０．６秒を使用しているが、おそらくこの時間範囲のどこで実施しても許容可能な結果を得られるであろう。誘導加熱を２．５秒より長く実施して、許容可能な結果を得ることもできるであろうが、これは機器のコストや加工時間などを増すことになる。

電圧：これは、材料の大きさ／焼鈍量に鑑みた誘導コイルのサイズと設計に極めて依存する。試験は２５０Ｖ(誘導コイル径が小さめ)という低電圧で行ったが、電流試験機は１０５０Ｖ(２５０Ｖ〜１５００Ｖの範囲)(誘導コイルの直径４インチ、奥行き２インチ)で稼働させた。使用する誘導コイルおよび機器のサイズと設計によっては、この範囲外でも許容可能な結果が得られる。カギになるのは、下にある金属めっきと母材に相当量の熱を伝達することなく、加工対象となる材料の表面に短時間で適切な量のエネルギーを伝達させることである。

周波数：電圧と同じで、機器の範囲は５０〜１５０ｋＨｚであるが、機器のサイズと設計によっては当該範囲外でも許容可能な結果を得られることがある。また、この機器での周波数は、自動計算であり、設定ではない。

めっき厚：
下層 銅９９＋％ 厚さ＝１〜２５ミクロン未満
上層 以下のいずれであっても、あるいは以下の複数を積層した組み合わせであってもよい
ニッケル ９９＋％ 厚さ＝１〜３５ミクロン
真鍮 亜鉛１〜５０％／残りが銅 厚さ＝１〜３５ミクロン
イエローブロンズ／レッドブロンズ スズ５〜２０％／残りが銅 厚さ＝１〜３５ミクロン
ホワイトブロンズ スズ８〜５０％／残りが銅 厚さ＝１〜３５ミクロン
ほとんどの試験は、５〜１５ミクロンの銅下地と、３〜１０ミクロンのニッケル上層でのものであった。

貨幣用の上記の誘導焼鈍ニッケルめっき亜鉛合金は、本発明の多くの可能な実施形態の単なる代表例にすぎず、かつ、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるものであることは、当業者であれば理解できよう。

Claims (14)

1. 第１の融点を有する金属母材と、
   前記金属母材上に適用された誘導焼鈍金属層と、を含み、前記誘導焼鈍金属層は、前記第１の融点よりも高い第２の融点を有し、前記金属母材は、前記誘導焼鈍金属層によって構造が実質的に変化しない、めっきが施された物品。
2. 前記金属母材は亜鉛を含み、前記誘導焼鈍金属層はニッケルめっき層を含む、請求項１に記載の物品。
3. 前記金属母材と前記誘導焼鈍金属層との間に設けられた銅の層をさらに含む、請求項２に記載の物品。
4. 前記誘導焼鈍金属層は、ニッケル、銅、レッドブロンズ、ホワイトブロンズ、イエローブロンズ、真鍮からなる群から選択される、請求項１に記載の物品。
5. 前記誘導焼鈍金属層は、実質的に亀裂や欠陥のない圧印表面部を含む、請求項１に記載の物品。
6. 前記物品は、通貨として用いられる硬貨を含む、請求項５に記載の物品。
7. 前記硬貨は、銀色を含む、請求項５に記載の物品。
8. 前記金属母材と前記誘導焼鈍金属層との間の銅層と、前記銅層と前記母材との間の相互作用層と、をさらに含む、請求項１に記載の物品。
9. 前記母材は亜鉛を含み、前記相互作用層は、前記亜鉛母材と前記銅層との間に、銅と亜鉛の層を含む、請求項８に記載の物品。
10. 融点が低めの金属母材を実質的に溶融または変形させることなく、前記融点が低めの金属母材上に融点が高めの金属層を焼鈍する方法であって、
    前記融点が低めの金属母材の溶融を実質的に回避すべく前記融点が高めの金属から前記融点が低めの金属母材への熱伝導を制限するために、前記融点が高めの金属の少なくとも一部を焼鈍するのに十分なあらかじめ定められた量の誘導熱で、前記融点が高めの金属層を加熱することを含む、方法。
11. 前記あらかじめ定められた量の誘導熱をあらかじめ定められた限られた時間のあいだ印加することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記融点が低めの母材は、銅の層が被覆された亜鉛母材を含み、前記融点が高めの金属層はニッケルを含み、前記方法は、前記亜鉛母材と前記銅層との間に相互作用層を形成することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 内側に亀裂を生じることなく前記融点が高めの金属層を圧印することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記圧印の前に前記融点が高めの金属層を研磨することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
    

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