更多個后續銅層的芯。
[0107]另一方面，所述方法包括在鍍銅基體上錫鍍層。錫層可以是多層基體的經受退火的外層。還應該理解的是，錫層可以包括構成整體錫層的兩個或更多個鄰接的錫鍍層。下面將更多地關于錫層進行進一步討論。
[0108]另一方面，錫層可以不是多層基體的外層。例如，可以在錫層的頂部上鍍覆另外的金屬層，該金屬層可以被稱作頂部閃光層(本文中也被稱作頂部金屬層)。頂部閃光層可以由銅和/或鋅構成。因此，可以用錫層鍍覆鍍銅基體，然后可以在錫層上鍍覆頂部閃光層。
[0109]參照圖1，所述方法可以包括在由金屬卷材形成的造幣坯上順序沉積銅和錫的步驟。圖1中示出的步驟I至步驟14可以用于制造多層基體。所述方法可以包括在造幣坯上電鍍觸擊電鍍金屬層(strike metallic layer)(步驟7)，觸擊電鍍金屬層可以由非镲金屬或其中鎳不能消耗錫以形成金屬間化合物的金屬組成。觸擊電鍍層可以形成其上鍍覆有銅層的接觸區。或者，觸擊電鍍層可以為銅層。接著在步驟15中使具有銅層和錫層的多層基體經受退火。接著可以執行另外的步驟例如拋光和其他后退火步驟以制造成品。
[0110]仍然參照圖1，進行步驟2至步驟8以獲得清潔的坯，之后進行步驟9中的銅的電鍍。接著在步驟12中鍍錫。在每個鍍覆步驟之后，優選地應如步驟8、步驟10和步驟13清洗經鍍覆的坯。可以如步驟11蝕刻銅層以在步驟12的電鍍期間促使并有助于將錫粘附在銅上。接著在步驟15中在退火溫度下對多層基體進行熱處理以使錫能夠擴散到銅中從而在坯上形成經相互擴散的外部青銅層。接著在步驟16中對坯進行拋光，在步驟17中將坯干燥。在清潔并拋光之后，通過步驟15的擴散獲得的鍍覆青銅呈精致明亮的金黃色或暗黃色。如下面進一步描述的，可以使用與上述步驟相結合的受控條件來促使銅錫合金平衡以制造金黃色青銅。
[0111]已知電鍍銅溶液包括酸性鍍銅溶液、非酸性鍍銅溶液、氰化物鍍銅溶液、無氰化物鍍銅溶液、中性鍍銅溶液或弱堿性鍍銅溶液。通常酸性電鍍銅溶液和氰化物電鍍銅溶液因其效率和低成本所以是優選的。然而，氰化物電鍍溶液包含在一定條件下可能有毒的氰化物陰離子CN—。另外，基體芯的待鍍銅的外接觸區可以由作為在酸性條件下可腐蝕的合金的鋼制成。為應對基體被腐蝕的風險，一些鍍覆方法包括在進行酸性鍍銅之前在鋼基體上鍍覆保護金屬例如鎳的觸擊電鍍層。或者，本方法的一些實施使用非酸性、無氰化物電鍍溶液用于直接向基體芯的外接觸區上鍍銅。可選地，電鍍銅溶液可以為堿性電鍍銅溶液。可選地，本方法可以包括:使用堿性電鍍溶液在基體芯上鍍覆第一銅層；以及使用酸性電鍍溶液鍍覆第二銅層以提高有效性和效率。有利地，第一銅層可以用作防止基體芯的任何腐蝕風險的保護觸擊電鍍層。非酸性、無氰化物電鍍銅溶液的使用使得能夠不在基體芯上電鍍包含金屬例如鎳的金屬觸擊電鍍層，該金屬觸擊電鍍層可能是昂貴的并且可能干擾錫向銅中擴散以形成金黃色青銅合金的過程。
[0112]更準確地說，已經發現(參見下面的實施例)，銅層與錫層之間的擴散受芯的與銅鍍層鄰接的外接觸區中镲的存在的限制。更準確地說，退火時，在一定退火條件下在內部富銅區域之內和外部接觸區附近可以形成枝晶狀的包括錫和鎳的金屬間化合物，尤其在銅鍍層不足夠厚的情況下。這些金屬間枝晶相主要由錫、銅和鎳組成，表明在退火期間顯著量的錫可以與鎳和銅相互擴散以形成這樣的金屬間化合物而不是與銅一起參與形成α相青銅合金。在擴散過程中并在一定退火條件下，錫層的經活化且可移動的錫原子可以擴散到銅層中，并且同時，一些經活化且可移動的鎳原子可以通過銅層與芯的外接觸區之間的界面擴散到銅鍍層中。令人驚訝的是，如從下面的實施例和實驗可知，在中間銅層不夠厚的情況下當鎳原子與錫原子在擴散界面處相遇時似乎優先促使鎳原子迀移。鎳原子被錫原子強烈地隔離并且在包括鎳和銅的組合物中溶解度很高。因此，包括錫和鎳的金屬間化合物可以隔離并因此消耗原本應與銅相互擴散以形成青銅的相當量的錫。甚至在低溫下或者甚至在室溫下錫與鎳擴散的動力學和熱力學也可以有利于錫與鎳之間的擴散。
[0113]參照圖2，青銅合金的相圖表明了取決于溫度和銅與錫的比例青銅可以以許多組合物的組合存在。如圖2的相圖中圈起的區域中所強調的，為了形成具有耐用且均勻的金黃色的青銅層，需要單一 α相Cu-Sn合金。為了獲得單一 α相Cu-Sn合金，應向基體的接觸區上鍍覆適當厚度的錫層和銅層。另外，如圖2的相圖中所表明的，可以控制各種退火條件(退火溫度、退火停留時間和退火氣氛組成)通過提高錫在α相中的溶解度并減少其中錫含量高于其在α相中的最大溶解度(約15.8% wt)的第二相使得增加量的錫參與形成α相Cu-Sn合金。此外，本文中所描述的各種技術促使減少未在α相Cu-Sn合金中使用的、以青銅外表面上的殘留錫熔池形式和/或在表面下的金屬間枝晶相或三元相之內的錫。
[0114]仍然參照圖2，為了獲得類似金黃色的青銅，所述方法包括鍍覆足夠厚度的錫層以在退后之后獲得錫含量為約8% wt至約15.8% wt的青銅層。隨著錫濃度的增加存在從金黃色色調起的轉變:當錫濃度大于約15.8% wt時顏色朝著錫的淺“發白”金屬顏色轉變，這是因為可能在擴散青銅層中形成了不需要的富錫相例如β相。當合金中的錫含量在低于約8% wt時，顏色為偏粉的金黃色。
[0115]參照圖5和圖6的相圖，在一定組成和溫度下可以在三元系統(Cu、Sn、Ni)之中形成不同的金屬間化合物。根據本方法，通過減少芯的外部接觸區中的鎳含量或去除芯的外部接觸區中的鎳可以減少或避免形成包括錫和鎳的金屬間化合物以減少或防止用于除了在基體上形成金黃色青銅層的其他用途的錫的消耗。
[0116]增加用于形成具有所需的合金成分的錫的可利用率可能具有挑戰性的，尤其是因為根據退火條件和芯的外部接觸區的成分形成金屬間化合物可以進一步消耗錫。因此，在本方法的一方面中，芯的接觸區具有含量足夠低的鎳以減少或防止形成包括錫和鎳的金屬間化合物，從而增加退火擴散之后形成的青銅層的厚度。這也促使更寬的操作參數例如金屬層厚度、退火溫度和退火停留時間的窗口。
[0117]應該理解的是，足夠低量的鎳包括在芯的接觸區中的分散形式或作為基體芯上的非常薄的層的以下量的鎳:使得能夠形成錫濃度為約8% wt至約15.8% wt的青銅合金而不干擾錫與銅的擴散和/或形成包括錫和鎳的金屬間相。另外，在一定退火條件下使用鋼基體芯，在芯上鍍覆足夠薄的鎳層可以促使鋼芯與鎳之間的良好的擴散，這可能有利于鍍層的粘附。可選的鎳層足夠薄而不會干擾錫的擴散，因為例如鎳可能已經擴散到鋼中。應該注意的是，在芯上未鍍觸擊電鍍層的情況下或者在觸擊電鍍層的厚度不足以避免鋼被腐蝕的情況下，在錫和/或接觸區為可腐蝕的時，則使用非酸性鍍銅溶液以在接觸區鍍覆后續銅層。
[0118]應該理解的是，基體芯的接觸區可以不僅包括足夠低的量的鎳，而且還可以包括足夠低的量的任意消耗錫的化合物以減少或防止形成包括錫的金屬間相。例如，還可以從基體的接觸區排除鉻。
[0119]在一些方面中，退火之后，鍍覆在基體上的多層已經發展成包括擴散層的退火層。根據一定退火條件，退火層可以為完整的退火層，根據另一些退火條件，退火層可以包括與基體的芯鄰接的殘留銅層以及與殘留銅層鄰接的擴散層。在另一些方面，根據一定退火條件，擴散層可以為具有貫穿該區域的約8% wt與約15.8% wt之間、優選地約10% wt與約15% wt之間的錫含量的單一金黃色青銅區域。或者，根據另一些退火條件，擴散層可以包括外部金黃色青銅區域和多個過渡區域，在所述多個過度區域中錫含量可以在金黃色青銅區域外表面附近的高錫含量(約15.8% wt)至基體芯的界面附近的低錫含量范圍變化。例如，擴散層可以包括:可以與芯鄰接的具有約8% wt以下的錫含量的富銅區域(本文中也被稱作粉色區域)；以及與富銅區域鄰接的金黃色青銅區域，富銅區域和金黃色青銅區域均包括退火誘導相互擴散的銅與錫，其中錫含量從芯到金黃色青銅區的外表面增大。
[0120]在另一方面中，根據退火條件，可能存在銅層厚度與錫層厚度之間的有利的比率。為了在退火之后獲得具有約8% wt與約15.8% wt之間的錫含量的青銅層，可以控制待鍍覆的銅層與錫層的相對厚度。理論上，可以使用任意厚度的銅層。在造幣坯領域中，優選地銅層被鍍覆約20μηι與約25μηι之間的厚度。然而，仍然在造幣還領域中，銅層厚度可以薄至10 μ m，厚至30 μ m。更一般地，應該注意的是，待鍍覆的銅層的厚度與鍍層的總厚度和退火層的所需厚度有關。出于經濟原因，可以控制錫層厚度使得其與銅層厚度相容以形成作為基本上二元Cu-Sn合金的完全擴散層。更準確地，可以將錫層的厚度設置成使得退火層僅包括具有所需厚度的金黃色青銅區域，并且其中錫含量在約8% wt與約15.8% wt之間，優選地在約10% wt與約15% wt之間。
[0121]參照圖2和圖4，可以設置錫層厚度與銅層厚度的比率以增加金黃色青銅合金的形成。理論上，如果錫被鍍成相對于銅層太薄的厚度，則形成的青銅層可以呈粉紅色，這是因為沒有足夠的錫擴散到銅中使得在一定退火條件下形成了“紅色青銅”(本文中也被稱作富銅區域)。例如，在一定退火條件下，設置小于約1.3 μ m/10 μ m的厚度比T (Sn) /T (Cu)可能導致獲得可以趨于具有較低錫含量例如錫含量至多約6% wt的擴散層。另外，如果銅層的厚度不足夠或錫層的厚度超過，則在一定退火條件下，青銅形成為內部相互擴散層，而過量的錫可以在擴散層外表面上形成錫熔池。圖3示出了退火之后留在擴散層的外表面上的殘留錫恪池。例如，在一定退火條件下，大于約3.0 μ m/10 μ m的厚度比T (Sn)/T (Cu)可能導致獲得可能趨于具有殘留錫熔池的較高錫含量例如錫含量至少為約14% wt的擴散層。應該注意的是如下面的實施例所示，可以根據不同厚度比T(Sn)/T(Cu)來設置退火條件以獲得擴散的金黃色青銅區域。
[0122]圖4示出了根據本方法的鍍覆有1.5 μπι的錫并在750°C下退火25分鐘的造幣坯的成功結果。獲得了具有高錫組成且沒有表面錫熔池的金黃色青銅坯。圖8示出了該同一坯的截面，其中可以容易地觀察到多個層。
[0123]在另一方面中，可以設置并控制爐中的退火停留時間和退火溫度以增加金黃色青銅合金的形成。適當的退火停留時間使得在退火溫度下錫能夠充分完全擴散(如圖1的步驟15)，從而在多層基體上形成經相互擴散的外部青銅層。可選地，退火停留時間根據所需的擴散層的厚度可以在10分鐘至90分鐘或在20分鐘至50分鐘的范圍內。應該理解的是，退火停留時間的精度可以設置或控制為5分鐘左右。
[0124]例如，本方法包括:向低碳鋼基體上電鍍至少一個銅層；