以及電鍍錫層厚度在約ΙΟμπι至約5.0μπι之間的范圍的錫層。所述至少一個銅層可以包括在芯與錫層之間的一個或多個銅層并且還可以包括在錫層上方的外部銅層。所述至少一個銅層可以是用于在一定退火條件下形成金黃色青銅的銅層厚度在約3.0 μπι至約45.0 μπι之間的一個銅層。所述至少一個銅層還可以包括用于在一定退火條件下形成金黃色青銅的以下銅層:具有約3.0 μπι至約10.0 μπι之間，優(yōu)選約5 μπι的第一銅層厚度的第一銅層；以及具有約10 μπι至約35 μπι之間的第二銅層厚度的第二銅層。有利地，如上所述，可以使用堿性鍍銅溶液來鍍第一銅層，尤其在芯和/或接觸區(qū)由可腐蝕的材料制成的情況下，可以使用酸性鍍銅溶液來鍍第二銅層?？梢藻兊谝汇~層以為所得到的鍍覆基體提供所需EMS性能以為該工藝的后續(xù)步驟提供方便。
[0125]本發(fā)明可以有助于根據(jù)鍍銅與錫的相對厚度來改進(jìn)控制青銅合金的成分。
[0126]在另一方面中，可以結(jié)合控制退火爐中的退火停留時間來對銅鍍層與錫層的相對厚度(圖1中的步驟15)進(jìn)行控制。圖7示意性地示出了與結(jié)果A、B和C相對應(yīng)的在三個不同退火停留時間期間退火的三種鍍覆基體。首先，每個基體鍍覆有銅層和錫層?？蛇x地，每個基體可以鍍覆有具有低含量的鎳或不包含鎳的觸擊電鍍層。在退火停留時間和退火溫度適當(dāng)?shù)那闆r下并且在存在正確比例的足夠的銅與錫以獲得具有約8% wt至約15.8% wt的范圍的錫的青銅合金的情況下，擴(kuò)散層為具有不同銅與錫的合金比率的呈金黃色的單一青銅區(qū)域(圖7中的B)。根據(jù)退火條件和觸擊電鍍層的性質(zhì)，觸擊電鍍層可以參與形成具有不同錫與銅的比率的單一青銅區(qū)域。在銅未完全與錫相互擴(kuò)散的情況下可以存在殘留銅層，并且因此擴(kuò)散層包括從粉色區(qū)域至金黃色青銅區(qū)域的過渡區(qū)域(圖7中的A)。在停留時間較短的情況下和在與銅相比較不存在足夠的錫的情況下，表面上形成的合金可以為微淺黃色，并且一些殘留銅可能尚未與錫形成合金(圖7中的C)。
[0127]在另一方面中，所述方法包括在足夠的退火停留時間期間對多層基體進(jìn)行退火以制造包括退火誘導(dǎo)相互擴(kuò)散的銅與錫的金黃色青銅層。可以實現(xiàn)退火溫度、退火停留時間(與擴(kuò)散速率有關(guān))與銅層和錫層的組合厚度的平衡以形成呈適當(dāng)?shù)慕瘘S色而不在退火基體的外表面上產(chǎn)生殘留錫熔池。
[0128]在另一方面中，退火可以在退火爐中進(jìn)行。應(yīng)該理解的是，退火爐包括在熱處理時允許金屬層之間的擴(kuò)散的任意爐?？蛇x地，退火爐可以包括多個加熱區(qū)，在退火爐中設(shè)置或控制退火溫度以便于錫擴(kuò)散到銅中以制造金黃色青銅。可以使用不同的退火溫度控制來調(diào)節(jié)可用于加熱的能量，這導(dǎo)致限定的加熱區(qū)具有不同溫度水平。在每個加熱區(qū)中，可以設(shè)計退火溫度控制使得基體在退火溫度水平下退火足夠的退火停留時間以適當(dāng)?shù)財U(kuò)散。例如，可以控制退火溫度使得退火溫度從第一加熱區(qū)至最后一個加熱區(qū)逐漸升高。所述逐漸升高可以以線性方式或以逐步的方式進(jìn)行?；蛘撸梢詫⑼嘶饻囟瓤刂瞥蓮牡谝患訜釁^(qū)至最后一個加熱區(qū)基本恒定?？蛇x地，相鄰加熱區(qū)中的退火溫度可以相同或不同。在一個實施例中，退火爐可以包括退火溫度分別為425 0C、550 0C、675 °C、725 °C、815 °C的五個加熱區(qū)?？蛇x地，退火爐可以包括其中退火溫度從425 °C線性升高至815 0C的多個加熱區(qū)?？蛇x地，退火爐可以包括其中退火溫度被設(shè)置或控制成基本保持恒定并且在每個加熱區(qū)中在425°C至810°C的范圍內(nèi)的多個加熱區(qū)。
[0129]在另一方面，退火爐可以包括帶式輸送機或旋轉(zhuǎn)甑式退火爐。帶式輸送機或旋轉(zhuǎn)甑式退火爐還可以被設(shè)置或控制成可以被設(shè)置成恒定輸送速度或旋轉(zhuǎn)速度的輸送速度或旋轉(zhuǎn)速度?？蛇x地，輸送機或甑式爐可以被設(shè)置或控制成恒定輸送速度或旋轉(zhuǎn)速度。退火爐還可以包括強制輸送系統(tǒng)以確保均勻的熱傳導(dǎo)和分布。可選地，退火爐還可以包括布置在最后一個加熱區(qū)的出口處并與輸送機或甑式爐連接的淬火裝置以進(jìn)行瞬時驟然淬火并在擴(kuò)散到所需的金黃色時停止?？蛇x地，本方法可以包括可替選的冷卻方案例如使用水冷帶式輸送機或甑式爐以確保在干燥條件下間接冷卻輸送的坯。
[0130]在一些方面中，旋轉(zhuǎn)甑式退火爐可以優(yōu)選地用于進(jìn)行退火步驟，這是因為多層基體通過旋轉(zhuǎn)而搖動使得基體的整個外表面置于退火條件，從而便于獲得具有基本上均勻的金黃色外觀的青銅。
[0131]在另一方面中，可以優(yōu)選地對退火氣氛組成進(jìn)行控制，這是因為退火氣氛組成可以影響可用的錫向氧化錫或錫與氧化錫組合物的轉(zhuǎn)變，這進(jìn)而可以影響成品的拋光(如圖1的步驟16)的有效性。
[0132]例如，退火氣氛組成可以優(yōu)選為包括例如4和N2 (H2的比率高達(dá)20% )的混合氣體的還原保護(hù)性環(huán)境。更一般地，退火氣氛可以包括產(chǎn)生還原保護(hù)性環(huán)境的各種組成。還原保護(hù)性環(huán)境可以優(yōu)選用于在退火期間促進(jìn)制造具有明亮的金黃色外觀的退火基體并減少或防止氧化。保護(hù)性氣氛還可以為放熱保護(hù)性氣氛或吸熱保護(hù)性氣氛。退火爐可選地可以具有包括大氣、氮、或者氮和氫的混合物的受控退火氣氛成分。
[0133]本發(fā)明還提供了使用包括多個加熱區(qū)的退火爐的方法，其中，至少可以設(shè)置或控制以下三個參數(shù)以使得能夠形成金黃色青銅:相對于鍍銅厚度的鍍錫厚度、退火溫度和退火停留時間。所述方法還包括控制例如退火氣氛組成。
[0134]在另一方面中，所述方法還可以包括對通過擴(kuò)散形成的青銅進(jìn)行拋光以去除可能在退火步驟期間形成的氧化物的步驟。殘留錫氧化物或其他金屬雜質(zhì)氧化物的存在可能會在例如造幣坯的進(jìn)一步鑄造期間引起問題。拋光步驟可以包括磨光外部青銅層的外表面以使青銅的明亮閃耀的金黃色顯露出來。
[0135]應(yīng)該注意，由于電鍍期間的狗骨效應(yīng)，基體例如造幣坯中心處的電鍍層的厚度與基體的邊緣處的電鍍層的厚度不同。獲得厚度從中心至邊緣的基本上恒定的擴(kuò)散外青銅層是主要挑戰(zhàn)。
[0136]在另一方面中，所述方法可以包括在錫層上鍍覆頂部金屬層(本文中也被稱作頂部閃光層)以在退火步驟期間與可用的錫相互擴(kuò)散。頂部金屬層可以為用于參與形成外部青銅合金層的銅層或鋅層。鍍覆頂金屬層可以有利地有助于形成厚度從制品的中心至邊緣基本上恒定的青銅層。
[0137]參考圖9至圖12，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以向錫層上鍍覆由銅或鋅形成的頂部金屬層以減少或消除可以在一定退火條件下退火之后留在青銅層上的錫殘留熔池。使用頂部金屬層可以使在退火步驟期間的退火條件的操作窗口和錫鍍層與銅鍍層的可能的厚度比例范圍加寬。在其中鍍覆多層坯(基體)通過退火爐的加熱區(qū)的退火期間，使錫層和銅層涉及兩個競爭的物理現(xiàn)象一一熔融和擴(kuò)散。所述競爭開始于鍍覆坯的退火溫度升高至錫的熔融溫度即231.15°C。在該溫度下，大部分的錫層已經(jīng)擴(kuò)散到銅層中。然而，當(dāng)退火溫度高于231.15°C時，錫層的尚未擴(kuò)散的剩余錫可以熔融并凝結(jié)以在相互擴(kuò)散的銅層上形成錫液滴。當(dāng)離開加熱區(qū)后冷卻時，液滴固化并作為外部青銅層的外表面上的殘留錫熔池留下。即使這些熔池可能很小，但這些熔池是可見的并且不能在后續(xù)拋光和清潔步驟期間被去除。實際上，對外青銅層的外表面的錫熔池進(jìn)行打磨以去除錫熔池會是具有挑戰(zhàn)性且低效的。
[0138]參照圖9，通過在恒定退火溫度700°C下對金屬基體進(jìn)行退火20分鐘退火停留時間，基體已經(jīng)預(yù)先鍍覆有23微米堿性銅層和3微米錫層。殘留錫熔池留在坯的青銅表面上。
[0139]有利的是，鍍覆另外的頂部銅層可以減少或防止在退火期間在外部青銅表面上形成熔融錫。實際上，銅具有比錫高的熔點(1085°C)。因此，一方面，頂部銅層可以提供可用于在錫層之內(nèi)擴(kuò)散的銅原子。另一方面，頂部銅層在退火條件下仍為固態(tài)并且可以容納熔融剩余錫層，從而最大限度減少了錫液滴的形成。
[0140]圖10示出了以與圖9示出的坯完全相同的條件進(jìn)行退火的包括0.3微米頂部銅層的鍍銅-錫-銅坯的一個實施例。因為錫層完全擴(kuò)散到銅層中用于形成外部青銅合金層，所以消除了坯的外青銅表面的殘留錫熔池。另外，頂部銅鍍層的存在可以使得形成的外部青銅層能夠獲得增大的厚度。例如，通過增加頂部閃光層，錫鍍層的厚度可以從約3μπι增加至約4 μπι，從而形成比圖9中獲得的青銅層厚的青銅層，同時減少或防止錫熔池的形成。
[0141]通過減少或去除芯的外接觸區(qū)的鎳并增加由銅或鋅形成的頂部金屬層，本方法提供了增加用于形成金黃色青銅合金的錫的可用性的解決方法。實際上，通過本方法減少或防止了可用的錫在形成金屬間枝晶相或錫熔池的不期望的消耗。
[0142]根據(jù)本方法的各種實施方案，可以按照下面的方案來在坯(基體)上制造金黃色青銅層。
[0143]應(yīng)該理解的是，上面所述的方法的各個步驟可以與多個附加清潔、清洗和/或干燥步驟相關(guān)聯(lián)。
[0144]示例性方案
[0145]方案I
[0146]I)對低碳鋼坯進(jìn)行徹底清潔、酸洗和蝕刻清潔；
[0147]2)通過使用堿性銅溶液直接向低碳鋼坯上電鍍銅(Cu)層；
[0148]3)在先前的堿性鍍銅坯上電鍍錫(Sn)。錫厚度取決于所需青銅層的厚度在約
1.0 μ m至約5.0 μ m的范圍內(nèi)；
[0149]4)接著向先前鍍覆的Sn/Cu上鍍覆非常薄的銅鍍層。該頂部閃光薄銅層為約0.2 μπι至約0.8 μπι，鍍覆該頂部閃光薄銅層是為了減少或消除殘留錫熔池并在退火時實現(xiàn)均勻的表面顏色；獲得多層坯；
[0150]5)在一定的退火條件組下對多層坯進(jìn)行退火(在退火爐中的還原氣氛下550°C至750 °C達(dá)20至80分鐘);
[0151]6)接著對經(jīng)退火的坯進(jìn)行適當(dāng)冷卻；以及
[0152]7)對冷卻的坯進(jìn)行拋光以制造準(zhǔn)備觸擊電鍍(RTS)的坯。
[0153]方案2
[0154]I)對低碳鋼坯進(jìn)行徹底清潔、酸洗和蝕刻清潔；
[0155]2)通過使用堿性銅溶液直接向低碳鋼坯上電鍍銅層；
[0156]3)在先前的堿性鍍銅坯上電鍍錫。錫厚度取決于所需青銅層的厚度在約1.0 μπι至約5.0 μπι的范圍內(nèi)；
[0157]4)接著向先前鍍覆的Sn/Cu上鍍覆非常薄的鋅鍍層。該薄鋅層為約0.2 μ m至約0.8 μπι，鍍覆該薄鋅層是為了減少或消除殘留錫熔池并在退火時實現(xiàn)均勻的表面顏色；獲得多層坯；
[0158]5)在一定的退火條件組下對多層坯進(jìn)行退火(在退火爐中的還原氣氛下550°C至750°C達(dá)20至80分鐘)以形成Sn、Zn和Cu的三元青銅；
[0159]6)接著對經(jīng)退火的坯進(jìn)行適當(dāng)冷卻；以及
[0160]7)對冷卻的坯進(jìn)行拋光以制造準(zhǔn)備觸擊電鍍(RTS)的坯。
[0161]方案3
[0162]I)對低碳鋼坯進(jìn)行徹底清潔、