Цинкование алюминия

Цинкование алюминия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[0001] Данная заявка претендует на преимущество приоритета по заявке на патент США с временным номером 61/534,334, поданной 13 сентября 2011 года, и по заявке на патент США с временным номером 61/534,654, поданной 14 сентября 2011 года, включенных в настоящую заявку во всей полноте посредством ссылки.

Область техники

[0002] Настоящее изобретение в широком смысле относится к области покрытия алюминия. Более конкретно настоящее изобретение относится к цинкованию алюминия в качестве предварительного покрытия.

Предшествующий уровень техники

[0003] Несмотря на то что большая часть данного описания относится к покрытию монет, это всего лишь один из примеров основы.

[0004] Несмотря на то что большая часть данного описания относится к покрытию алюминия, подразумевается покрытие алюминия или сплавов алюминия.

[0005] Существует растущий спрос на альтернативные бюджетные материалы для чеканки монет, которые смогут сохранить и/или улучшить характеристики безопасности и которые будут достаточно прочными при денежном обращении. Алюминий является одним из наиболее перспективных кандидатов в качестве материала основы благодаря своей доступности, низкой стоимости, небольшой массе и отличным физическим и химическим свойствам. Несмотря на то что алюминий используется в качестве материала для монет во многих странах, данные монеты показали слабую износостойкость и очень низкую прочность при обращении. Некоторые алюминиевые монеты становятся темными и подвергаются коррозии вскоре после выпуска в обращение. Данные корродированные монеты загрязняют личные вещи потребителей. В дальнейшем предполагается, что покрытие алюминиевой основы металлом(-ами) обеспечит алюминиевой основе повышенную износостойкость и повышенную прочность.

[0006] Хорошо известно, что процесс гальванического покрытия алюминия является гораздо более сложным, чем покрытие других металлов, таких как сталь или сплавы меди. Одной из основных проблем в покрытии алюминия является трудоемкость достижения хорошей адгезии покрытия, особенно при нанесении гальванопокрытия в барабане. Это связано с тем, что пленка оксида алюминия имеет тенденцию к немедленному образованию на поверхности алюминия, когда поверхность подвергается воздействию воздуха или воды. Данная оксидная пленка является вредной для процесса нанесения покрытия, так как она действует в качестве барьера, предотвращающего прямое металлическое соединение между покрытием и алюминиевой основой, что приводит к плохой адгезии между покрытием и основой. Для решения проблемы плохой адгезии были разработаны специальные предварительные методы обработки, например травление для удаления оксида, анодирование для создания шероховатой поверхности, и предварительное покрытие методом осаждения для покрытия окисленной поверхности, в том числе химическое никелирование и цинкование, при котором получают иммерсионное осаждение цинка.

[0007] В различных простых способах цинкования, например таких, как описано в ASTM В253-87 «Получение алюминиевых сплавов для гальванического покрытия», различные этапы, включая иммерсионный раствор для цинкования, содержащий такие элементы, как цинк, медь, никель, и комплексообразователи цианида и тартрата, необходимы для различных алюминиевых сплавов, что приводит к нестабильной адгезии между покрытием и основой. Например, рекомендуются различные иммерсионные растворы цинка и процедуры, в то время как гидроксид натрия и оксид цинка в основном применяют с различными добавками при различных условиях. После завершения этапа цинкования как путем однократного, так и путем двукратного цинкования применяют другие способы предварительного покрытия. Данные способы включают, например, нанесение тонкого слоя цианида меди, тонкого слоя нейтрального никеля и химическое никелирование и т.д.

[0008] В патенте США № 6,692,630 Morin et al. (Morin) раскрывается двухстадийное предварительное цинкование для покрытия алюминиевых частей способом нанесения гальванопокрытия в небольшом барабане. Morin описывает способ цинкования, сходный со способом, описанным в ссылке ASTM В253-87. Согласно Morin улучшение с точки зрения улучшенной адгезии связано с добавлением цианида калия, который действует в качестве комплексообразующего агента и активатора раствора в процессе цинкования. Более того, какой бы ни был взят металл для покрытия алюминия, например медное покрытие, покрытие из медного сплава (латуни или бронзы), или никелевое покрытие, нанесение тонкого подслоя меди особо подчеркивается и рассматривается как необходимость для адгезии согласно Morin. Тонкий слой меди наносят согласно Morin методом электролитического осаждения в ванне, содержащей цианид меди.

[0009] В материалах для чеканки безцианидная технология покрытия, как описано в патентах США №№5,151,167 Truong et al. ("Truong1") и 5,139,886 Truong et al. ("Truong2"), хорошо воспринята во многих странах и является коммерчески доступной. Монеты, отчеканенные с помощью бесцианидной технологии и технологии многослойного покрытия, уже находятся в обращении во многих странах и зарекомендовали себя как прочные, безопасные и экономически конкурентоспособные. В структуре монеты с многослойным покрытием, никелевый, медный и затем еще один никелевый слой наносят на низкоуглеродную сталь с применением автоматического погружения и управляемого компьютером процесса, который осуществляется без цианида.

Краткое описание изобретения

[0010] Варианты осуществления изобретения, описанные в настоящей заявке, относятся к трехкратному цинкованию алюминия (например, монет) в качестве предварительной обработки для покрытия алюминия или сплавов алюминия. Покрытие может включать один или более металлов или металлический сплав, и нанесение покрытия возможно осуществлять без применения цианида.

[0011] В первом аспекте настоящее изобретение обеспечивает способ обработки алюминия или алюминиевого сплава. Способ включает: получение основы из алюминия или алюминиевого сплава; нанесение первого слоя цинкования путем иммерсионного цинкования; удаление первого слоя цинкования, нанесение второго слоя цинкования путем иммерсионного цинкования; удаление второго слоя цинкования; и нанесение третьего слоя цинкования на основу путем иммерсионного цинкования.

[0012] После нанесения третьего слоя цинкования способ может включать покрытие основы. Покрытие возможно осуществлять фактически без применения цианида. Покрытие может включать применение цианида.

[0013] Покрытие может включать нанесение покрытия в барабане. Покрытие может включать покрытие одним или более слоями металла или металлических сплавов. Покрытие возможно осуществлять по всей поверхности основы. До покрытия способ может включать подведение тока к барабану для нанесения покрытий для способствования адгезии первого слоя покрытия к основе.

[0014] После покрытия способ может включать отжиг для создания металлической диффузии между основой и слоями покрытия для способствования адгезии. Отжиг возможно осуществлять при температуре от 400 до 600°C. Отжиг возможно осуществлять при температуре от 425 до 450°C.

[0015] Погружение возможно осуществлять в течение 10-120 секунд. Погружение возможно осуществлять в течение 15-60 секунд.

[0016] Основа может представлять собой заготовку монеты.

[0017] Способ может дополнительно включать после нанесения третьего слоя цинкования удаление третьего слоя цинкования и нанесение четвертого слоя цинкования на основу путем иммерсионного цинкования.

[0018] В другом аспекте настоящее изобретение обеспечивает алюминий или сплав алюминия, имеющий покрытие. Процесс покрытия включает нанесение первого слоя цинкования с помощью цинкования алюминия или сплава алюминия, при этом первый слой цинкования удаляют; нанесения второго слоя цинкования с помощью цинкования первого удаленного слоя, при этом второй слой цинкования удаляют; и нанесение третьего слоя цинкования с помощью цинкования удаленного второго слоя.

[0019] Еще в одном аспекте настоящее изобретение обеспечивает алюминиевую основу или основу из сплава алюминия, имеющую покрытие. Покрытие включает слой трехкратного цинкования, имеющий плотность более чем около 7,5 г/см³.

[0020] Другие аспекты и отличия настоящего изобретения станут очевидными специалисту в данной области техники после рассмотрения следующего описания конкретных вариантов осуществления изобретения в сочетании с прилагаемыми фигурами.

Краткое описание фигур

[0021] Варианты осуществления настоящего изобретения будут теперь описаны посредством только примера со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых:

[0022] Фигуры 1A-B представляют собой блок-схемы, иллюстрирующие способы гальванического покрытия алюминия без использования цианида в соответствии с описанием;

[0023] Фигуры 2а и 2б иллюстрируют морфологию поверхности слоя цинкования, полученного путем однократного иммерсионного цинкования;

[0024] Фигуры 2в и 2г иллюстрируют морфологию поверхности слоя цинкования, полученного путем двукратного иммерсионного цинкования;

[0025] Фигуры 2д и 2е иллюстрируют морфологию поверхности слоя цинкования, полученного путем трехкратного иммерсионного цинкования;

[0026] Фигура 3а представляет собой РЭМ (растровый электронный микроскоп) изображение слоя цинкования, полученного путем однократного иммерсионного цинкования, полученное при большом увеличении;

[0027] Фигура 3б представляет собой РЭМ изображение слоя цинкования, полученного путем двукратного иммерсионного цинкования, полученное при большом увеличении;

[0028] Фигура 3в представляет собой РЭМ изображение слоя цинкования, полученного путем трехкратного иммерсионного цинкования, полученное при большом увеличении;

[0029] Фигуры 4а и 4б иллюстрируют морфологию поверхности алюминиевой основы после удаления слоя(ев) цинкования;

[0030] Фигуры 5a-5г иллюстрируют морфологию поверхности слоя цинкования, полученного при различной длительности иммерсионного цинкования;

[0031] Фигура 6 представляет собой оптическое сечение никелевого покрытия на алюминиевой основе, полученного в результате трехкратного цинкования;

[0032] Фигура 7а представляет собой РЭМ изображение никелевого покрытия на алюминиевой основе, полученного в результате трехкратного цинкования, при большом увеличении;

[0033] Фигура 7б графически иллюстрирует результат ЭРС (энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия) никелевого покрытия на алюминиевой основе, полученного в результате трехкратного цинкования;

[0034] Фигуры 8а-8в иллюстрируют оптические сечения поверхности раздела Al/Ni никелевого покрытия на алюминиевой основе при различных температурах отжига;

[0035] Фигура 9 представляет собой бинарную фазовую диаграмму Al-Ni;

[0036] Фигуры 10а и 10б представляют собой фотографии монет, отчеканенных из алюминиевых заготовок с нанесенным покрытием;

[0037] Фигура 11 иллюстрирует аппарат для испытания на износ;

[0038] Фигуры 12а-12г представляют собой оптические изображения монет, которые подвергали испытанию на износ;

[0039] Фигуры 13а-13г представляют собой оптические изображения монет, которые подвергали испытанию на износ;

[0040] Фигуры 14а-14г представляют собой оптические изображения монет, которые подвергали испытанию на износ;

[0041] Фигура 15 графически иллюстрирует проводимость алюминиевой основы с покрытием, полученным путем однослойного никелирования;

[0042] Фигура 16 графически иллюстрирует проводимость алюминиевой основы с покрытием, полученным путем многослойного покрытия никель-медь и покрытия никель-медь-никель;

[0043] Фигура 17 графически иллюстрирует сравнение структур различных покрытий на алюминиевой основе;

[0044] Фигура 18 графически иллюстрирует свойства проводимости алюминиевой основы с многослойным покрытием Ni₂Cu₉Ni₅ после отжига при различных температурах;

[0045] Фигура 19 графически иллюстрирует свойства проводимости алюминиевой основы с многослойным покрытием Ni₅Cu₁₀Ni₆ после отжига при различных температурах;

[0046] Фигура 20 графически иллюстрирует свойства проводимости алюминиевой основы с многослойным покрытием Ni₅Cu₁₂Ni₃ после отжига при различных температурах; и

[0047] Фигура 21 графически иллюстрирует свойства проводимости алюминиевой основы с однослойным покрытием Ni₅Cu₁₂Ni₃ после отжига при различных температурах;

Подробное описание изобретения

[0048] В основном варианты осуществления изобретения, описанные в настоящей заявке, относятся к по меньшей мере трехкратному цинкованию алюминия (например, монеты) в качестве предварительной обработки перед покрытием. Покрытие может включать один или более металлов или металлический сплав, и покрытие возможно осуществлять без применения цианида.

[0049] Один из вариантов осуществления изобретения иллюстрируется на Фигуре 1А, которая демонстрирует блок-схему обработки алюминия или алюминиевого сплава (10). Алюминий или алюминиевый сплав подвергают трехкратному цинкованию путем первого погружения алюминия или алюминиевого сплава (10) в раствор для цинкования (12). Полученный в результате слой цинкования удаляют (14) с раствором для удаления цинкования. Этапы погружения и удаления (12, 14) повторяют по меньшей мере однократно, и полученный в результате материал погружают в окончательный иммерсионный раствор для цинкования (16), из, в общей сложности, по меньшей мере трех иммерсионных растворов для цинкования, получая в результате обработанный алюминий или алюминиевый сплав (18).

[0050] Иммерсионное цинкование приводит к созданию очень тонкого слоя цинка на алюминиевой основе согласно уравнению:

[0051] 3Na₂ZnO₂+2Al+2H₂O→2NaAlO₂+3Zn+4NaOH.

[0052] Цинк быстро переходит в более стабильное состояние оксида цинка, который нерастворим в воде в соответствии с уравнением:

Zn+½O₂→ZnO.

[0053] Данный слой цинка - оксида цинка - известен как «слой цинкования», «цинкатный слой» или «цинкатный осадок». Слой цинкования возможно регулировать по однородности размера. Плотное и компактное образование является более предпочтительным, чем шероховатое и большого размера для того, чтобы избежать (или ограничить) пористые участки, которые являются участками атаки кислотной или нейтральной ванны для нанесения гальванического покрытия без цианида.

[0054] Термин «цинкование» относится к погружению основы в цинкатный раствор, которое в результате обеспечивает образование слоя цинкования. «Двукратное цинкование» относится к цинкованию основы, удалению слоя цинкования с основы с применением раствора для удаления и цинкованию основы со снятым слоем цинкования, таким образом, что имеют место два этапа цинкования. «Трехкратное цинкование» также относится к способу, включающему три этапа цинкования и два этапа удаления цинкования.

[0055] Цинкатные растворы, также упоминаемые как растворы для цинкования, являются известными в данной области техники. Раствор для цинкования включает гидроксид натрия и оксид цинка, хлорид цинка или оба. Модификации данного раствора для цинкования могут включать добавление комплексообразующего агента, такого как цианид или тартат; добавление других металлов, таких как медь, никель или железо. Конкретные растворы для цинкования, которые применяют в способах согласно настоящему изобретению, могут не включать цианид. В качестве примеров растворов цинкования можно привести растворы, описанные в ASTM В253-87 («Стандартное руководство по подготовке алюминиевых сплавов для гальванического покрытия») и патенте США №6,656,606 («Алюминиевые детали, покрытые с помощью гальванического покрытия, и способ получения» Louis Charles Morin et al.).

[0056] Растворы для удаления цинкования, также упоминаемые как растворы для удаления, представляют собой кислотные растворы, удаляющие покрытие цинкования с основы. Одним из примеров раствора для удаления цинкования является 50 об. % раствор азотной кислоты. Другие примеры растворов для удаления цинкования не включают азотную кислоту и могут быть неиспаряющимися.

[0057] Обработанный алюминий или алюминиевый сплав (18) возможно применять в качестве материала для заготовок для монет. Материал для заготовок для монет может впоследствии включать в структуру многослойное покрытие на поверхности слоя цинкования, с последующим отжигом целой заготовки для монет. Предполагается, что трехкратное цинкование способствует адгезии металлического(их) гальванического(их) покрытия(й) к основе из алюминия или алюминиевого сплава.

[0058] Фигура 1Б демонстрирует блок-схему, иллюстрирующую другой вариант осуществления обработки алюминия или алюминиевого сплава (10ʹ) без применения цианида. Вариант осуществления изобретения, проиллюстрированный на Фигуре 1Б, включает этапы, проиллюстрированные на Фигуре 1А, а также дополнительные этапы, описанные ниже. Еще один вариант осуществления изобретения, проиллюстрированный на Фигуре 1В, далее описан более подробно.

[0059] Очистка в щелочном растворе (20): алюминий или алюминиевый сплав (10ʹ) очищали в щелочном растворе (20). Раствор, полученный из Alklean 11™ (Cl) (Atotech, Берлин, Германия) (45 г/л), является высокоэффективным щелочным очистителем для быстрого удаления масла, жира и почвенных отложений с алюминиевых сплавов. Температура ванны находится в диапазоне 50-89°C, время выдержки 1-10 мин.

[0060] Кислотное травление (22): очищенный алюминий или алюминиевый сплав подвергали кислотному травлению (22). Раствор готовили из Alklean АС-2™ (50 мл/л) (Atotech, Берлин, Германия). Раствор применяли для очистки и удаления оксидного слоя, который быстро образуется на поверхности алюминия при контакте с воздухом или водой. Данное мягкое травление обеспечивает равномерное травление, которое легко модифицируется с помощью корректировок температуры и концентрации. Температура ванны находится в диапазоне 13-38°C, а время погружения составляет от 30 секунд до 2 минут.

[0061] Очищение (24): алюминий или алюминиевый сплав после кислотного травления погружали в раствор очистителя (24). Раствор очистителя готовили из Desmutter NF 2™ (90 г/л) (Atotech, Берлин, Германия) и в растворе отсутствует азотная кислота. Целью данного этапа является удаление нерастворимых остатков (загрязнений), оставшихся после предыдущего этапа травления, для того чтобы обеспечить равномерную богатую алюминием поверхность с тонким окисленным слоем для иммерсионного цинкования. Загрязнение в основном представляет собой остатки, которые остаются прилипшими к поверхности алюминия, так как они не растворимы в растворе для кислотного травления. Desmutter NF 2 быстро растворяет нежелательные загрязнения и является намного менее агрессивными по отношению к алюминиевым основам, чем способы обработки азотной кислотой. Рабочая температура находится в диапазоне 18-35°C, а время погружения составляет от 30 секунд до 3 минут.

[0062] Иммерсионное цинкование (12ʹ): очищенный алюминий или алюминиевый сплав погружали в цинкатный раствор (12ʹ). Цель иммерсионного цинкования заключается в применении барьерного слоя для предотвращения (или ограничения) повторного окисления активной поверхности алюминия. Погружение в цинкатный раствор вызывает растворение алюминия и осаждение тонкого слоя цинка:

[0063] 3Na₂ZnO₂+2Al+2H₂O→2NaAlO₂+3Zn+4NaOH.

[0064] Как обсуждалось ранее, данный цинк превращается в оксид цинка и образует слой цинкования (т.е. слой из цинка и оксида цинка).

[0065] Раствор для иммерсионного цинкования получали из Alumseal NCY-X2™ (240 мл/л) (Atotech, Берлин, Германия), который представляет собой безцианидный раствор, разработанный специально для облегчения покрытия алюминиевых сплавов металлическими осадками. Alumseal NCY-X2 обеспечивает тонкий, плотный слой цинкования, который в дальнейшем возможно покрыть медью, никелем, химическим никелированием и другими металлами. Рабочая температура находится в диапазоне 18-43°C, а время погружения составляет от 15 до 120 секунд.

[0066] Удаление цинкования (14ʹ): с алюминия или алюминиевого сплава, покрытого с помощью цинкования, удаляют слой цинкования (14ʹ) с помощью раствора для удаления. При двукратном иммерсионном цинковании необходимо осуществить два этапа цинкования. После осуществления первого цинкования первый слой цинкования удаляют. Данный этап удаляет поверхностные загрязнения и оставляет равномерно белую поверхность. Некоторое количество слоя цинкования сохраняется, что обеспечивает лучшую адгезию цинка к Al основе. После удаления первого слоя цинкования наносят второй слой цинкования. Данный второй слой цинкования обеспечивает более плотный слой цинкования. Второй слой цинкования также удаляют перед третьим погружением в раствор для цинкования.

[0067] Новый раствор для удаления цинкатного слоя готовили из Activator BD (50 г/л) (Atotech, Берлин, Германия) и H₂SO₄ (1,5 об. %). Рабочие температуры находятся в диапазоне 21-26°C, а время погружения составляет от 30 секунд до 3 минут.

[0068] Третье иммерсионное цинкование (16ʹ): удаленный второй слой цинкования погружают в раствор для цинкования (16ʹ). Раствор получали из Alumseal NCY-X2™ (240 мл/л) (Atotech, Берлин, Германия), который представляет собой бесцианидный раствор, разработанный специально для облегчения покрытия алюминиевых сплавов металлическими осадками. Alumseal NCY-X2 обеспечивает тонкий, плотный слой цинкования, который в дальнейшем возможно покрыть медью, никелем, химическим никелированием и другими металлами. Рабочая температура находится в диапазоне 18-43°C, а время погружения составляет от 15 до 120 секунд.

[0069] Тройной слой цинкования является более тонким, более плотным, имеет меньший размер зерна, и/или характеризуется лучшим покрытием поверхности основы по сравнению с двойным слоем цинкования. В конкретных примерах тройной слой цинкования может составлять менее 100 нм. В других примерах тройной слой цинкования может составлять менее 70 нм. В других примерах тройной слой цинкования может составлять менее 20 нм. В конкретных примерах тройной слой цинкования имеет толщину около 20 нм, и тройной слой цинкования имеет массу более чем 15 мкг/см², то есть его плотность больше чем приблизительно 15×10^-6 г / 20×10^-7 см³ = 7,5 г/см³. В других конкретных примерах тройной слой цинкования имеет толщину около 70 нм, и тройной слой цинкования имеет массу более чем 50 мкг/см², т.е. плотность больше чем приблизительно 50×10^-6 г / 70×10^-7 см³ = 7,14 г/см³.

[0070] Технологические разработки после цинкования

[0071] Авторы настоящего изобретения предприняли попытку применить химическое никелирование в щелочной среде, которое имело меньшее корродирующее воздействие на слой цинкования, чем химическое никелирование в кислотной среде, с целью покрыть алюминиевый сплав тонким адгезионным слоем никеля, и затем применить химическое никелирование в кислотной среде с целью сформировать более толстый слой защитных покрытий. Применение химического никелирования в кислотной среде обеспечивает дополнительную защиту алюминия перед гальваническим покрытием медью или никелем. Однако в процессе чеканки было обнаружено, что покрытие, полученное химическим никелированием, не обеспечивает достаточную способность воспринимать чеканку, так как оно было хрупким и не являлось достаточно ковким для деформации материала при чеканке монет. Кроме того, покрытие, полученное химическим никелированием, не обеспечивало достаточной адгезии.

[0072] Технологические разработки, обеспечивающие варианты осуществления изобретения, описанные в настоящей заявке

[0073] Авторы настоящего изобретения обнаружили, что трехкратное цинкование обеспечивает превосходное соединение между цинкованной алюминиевой основой и верхним(и) нанесенным(и) слоем(ями), и необходимость наносить тонкий слой меди с помощью ванны, содержащей цианид, отсутствует.

[0074] Трехкратное цинкование не может предотвратить расслаивание и отшелушивание (или ограничить расслаивание или отшелушивание) многослойного покрытия или однослойного покрытия на поверхности алюминия после цинкования. В одном из вариантов осуществления изобретения четвертый этап цинкования не влияет на адгезию следующего металлического слоя, нанесенного на поверхность алюминия после цинкования. Четвертое цинкование не может быть экономически целесообразным и является необязательным. В другом варианте осуществления изобретения возможно включить дополнительные этапы цинкования (пятый этап цинкования, шестой этап цинкования), но данные дополнительные этапы являются необязательными.

[0075] Обширный углубленный научный анализ того, каким образом слой цинкования обеспечивает необходимую основу для рассеянного интерметаллического слоя, обеспечивающего превосходное связывание алюминиевой основы с первым слоем покрытия, приведен в Приложении А. Работа с применением РЭМ-ЭРС демонстрирует, что слой цинкования представляет собой плотный однородный слой из цинка-оксида цинка, который покрывает поверхность алюминия, что обеспечивает превосходную адгезию металлов, нанесенных на алюминиевую основу.

[0076] Цинк быстро превращается в оксид цинка по причине того, что цинк является реакционно-способным и легко окисляется до оксида цинка. Слой оксида цинка является более стабильным, а слой из цинка-оксида цинка (т.е. слой цинкования) обеспечивает лучшую защиту алюминиевой основы. Наличие кислорода в очень тонком слое цинка, возникающее при цинковании, находится за пределами способности обнаружения методом ЭРС. При трехкратном цинковании содержание цинка-оксида цинка и значительно меньшее алюминия, четко определено с помощью РФЭС (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия). Полное покрытие слоем цинкования обеспечивает лучшую защиту алюминиевой основы.

[0077] Третий этап цинкования обеспечивает однородный плотный слой цинкования, данный этап обеспечивает слой, защищающий алюминий от окисления, прямой атаки и растворения алюминиевой основы, приводящих к плохой или слабой адгезии первого металла покрытия к алюминиевой основе. Соответственно кислотный, не цианидный, сульфамат никеля, возможно применять для непосредственного покрытия другого металла, например алюминия никелем, с превосходной адгезией, например, для целей чеканки. Для дополнительного усиления превентивного растворения слоя цинкования возможно подводить ток к барабану для нанесения покрытий, непосредственно перед погружением барабана для нанесения покрытий в электролитическую ванну для нанесения первого металла.

[0078] Два этапа цинкования, раскрытые в Morin, являются недостаточными для хорошей адгезии при применениях в чеканке. Фактически, попытка повторить и получить удовлетворительную заготовку монеты для чеканки монет, следуя способу двукратного цинкования по Morin, авторы настоящего изобретения терпели повторяющиеся неудачи по причине отслаивания последующих нанесенных слоев. Получение заготовок монет согласно Morin оканчивалось неудачей, когда авторы изобретения применяли бесцианидные кислотные электролитические ванны или когда после цинкования применяли химическое никелирование.

[0079] В одном из вариантов осуществления изобретения для предварительной обработки алюминия применяют способ трехкратного цинкования без азотной кислоты. Цианистые растворы для покрытия не требуются. Трехкратное иммерсионное цинкование образует более однородный и плотный слой цинкования, а также улучшает адгезию нанесенных металлов. Было обнаружено, что слой цинкования представляет собой более стабильную форму слоя оксида цинка в соответствии с РФЭС анализом, проведенным после цинкования. Трехкратное цинкование позволяет применять раствор кислотного никеля (сульфамата или сульфата) в качестве следующего этапа, с последующим применением кислотной меди. Хотя это не рекомендуется по соображениям безопасности, многослойные покрытия также возможно наносить путем сочетания цианида меди и кислотного никеля.

[0080] Кислотная медь приводиться в целях недопущения использования цианидов, но медные сплавы или цианиды меди также возможно применять. Другие слои металлического покрытия возможно наносить поверх меди по желанию.

[0081] В одном из вариантов осуществления изобретения способ дополнительно включает последующую обработку отжигом для дополнительного усиления связывания покрытия с основой, для рекристаллизации микроструктуры медного и никелевого слоев покрытия, а также для удаления газов, захваченных в результате процесса нанесения покрытия. Данный способ последующей обработки отжигом также снимает внутреннее напряжение, которое формируется во время процесса нанесения покрытия. В зависимости от температуры и времени отжига между алюминиевой основой и никелевым покрытием может также образовываться промежуточный диффузный слой. Толщина диффузионного слоя зависит от температуры отжига и времени отжига, что может быть очень полезным для связывания и адгезии между покрытием и подложкой. Кроме того, авторы настоящего изобретения обнаружили, что путем регулирования температуры последующего отжига возможно получить уникальные электромагнитные признаки многослойного покрытия алюминиевой системы благодаря нескольким факторам, таким как присутствие никеля, меди, диффузных слоев, полученных после отжига, и управляемое микроструктурирование медного и никелевого покрытий при отжиге.

[0082] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения после завершения нанесения электролитического тонкого слоя сульфамата никеля другие металлические слои, например латуни, бронзы, серебра и т.д., могут быть нанесены с помощью гальванических растворов, содержащих кислотные, щелочные, цианидные, нецианидные, нейтральные или слабоосновные растворы для нанесения гальванического покрытия. Предпочтительно нанесение покрытия осуществляют с помощью нецианидного раствора для нанесения гальванического покрытия.

[0083] Примеры

[0084] Для разработки и оптимизации ключевых параметров, таких как предварительная очистка, время и толщина цинкования, нанесение электролитического тонкого слоя сульфамата никеля, температура отжига, а также время отжига и т.д. проводят ряд экспериментов.

[0085] Нанесение покрытия на алюминиевые заготовки в барабане.

[0086] При нанесении покрытия в барабане алюминиевые заготовки загружают, крутят и переворачивают в процессе нанесения покрытия при различных условиях. Два вида алюминиевых сплавов, а именно Al 5052 и Al 3003, применяют в качестве материалов основы для заготовок. Блок-схема, иллюстрирующая примерный способ гальванического покрытия алюминия, приведена на Фигуре 1В. Как упоминалось ранее, заготовки получают в ходе нескольких этапов, включая: прокатку (26), резку (28), кипячение (30) и предварительную полировку (32). Перед испытанием(ями) покрытия образцы предварительно полируют в 25-галонном (95 л) барабане с 18 унциями (0,53 л) FM403TM (Oaklite, Стоу, штат Огайо, США) и малым количеством среды в течение 20 минут, а затем дважды промывают в холодной воде и полностью высушивают полотенцем. После этого заготовки загружают в барабан для нанесения покрытия, а затем подвергают ряду процессов предварительной обработки и покрытия, в том числе: очистке в щелочном растворе (20ʺ), кислотному травлению (22ʺ), трехкратному иммерсионному цинкованию (то есть иммерсионному цинкованию (12ʺ) и удалению слоя цинкования (14ʺ), повторению, с последующим: иммерсионным цинкованием (16ʺ)); нанесением электролитического тонкого слоя сульфамата никеля (34), например, с применением процесса сульфаматного никелирования; процессом катодной активации никеля (36); меднением (38) и никелированием верхнего слоя (40) (согласно Фигуре 1В). Два этапа промывки применяют между каждой стадией процесса, при которой применяется деионизированная вода. Продолжительность покрытия никелем и медью зависит от желаемой толщины металлических слоев. После того как нанесение тонкого слоя никеля (34) заканчивают, 10 заготовок быстро извлекают из барабана для различных испытаний: на адгезию, шероховатость поверхности и морфологию. Если адгезия покрытия тонкого слоя никеля приемлема, остальные заготовки в барабане промывают деионизированной водой, активируют в 10%-ном растворе H₂SO₄ и далее осуществляют нанесение покрытия из меди. После завершения покрытия медью еще 10 заготовок извлекают из барабана для таких же испытаний. Если внешний вид и адгезия медных слоев хорошие, оставшиеся заготовки в барабане покрывают (38) верхним слоем никеля в той же ванне для никелирования. Заготовки с никелированным верхним слоем могут быть далее подвергнуты отжигу (42), полировке (44) и электролитическому покрытию тонкого слоя металла (46) с целью получения обработанных заготовок из алюминия или алюминиевого сплава (18ʺ), как показано на Фигуре. 1В.

[0087] Сперва авторы настоящего изобретения пытаются воспроизвести условия покрытия алюминия, опубликованные в литературе, то есть традиционная практика, с применением предварительной обработки путем двукратного цинкования; двукратное цинкование с последующим химическим никелированием в барабане для нанесения покрытий. Результаты испытаний адгезии для всех этих попыток неудовлетворительные, и покрытия разрушаются либо после нанесения покрытия либо после соударения монет.

[0088] Таблица 1 демонстрирует результаты трех испытаний покрытий, нанесенных в барабане на алюминиевые заготовки монет из Al 5052 с применением данного способа, в том числе трехкратного цинкования. Количество загруженных заготовок для всех трех испытаний составляет 150 штук. Показано, что тонкие слои никеля имеют очень хорошую адгезию для всех трех испытаний покрытий, нанесенных в барабане, при применении трехкратного иммерсионного цинкования и нанесении электролитического тонкого слоя сульфамата никеля. Результаты также показывают, что применение катодной активации в разбавленной серной кислоте (5-10 об. % H₂SO₄) полезно перед нанесением медного покрытия для способствования адгезии меди к тонкому слою никеля. Как показано в Таблице 2, очень хорошая адгезия многослойного покрытия из тонкого слоя никеля, меди и верхнего слоя никеля, также достигается в ходе испытания покрытий, нанесенных в барабане на алюминиевые заготовки из Al 3003. Доказано, что трехкратное иммерсионное цинкование и нанесение электролитического тонкого слоя сульфамата никеля является эффективным при покрытии различных алюминиевых основ, а трехкратное иммерсионное цинкование обеспечивает повышенную адгезию покрытия к основе как в формате монослоя никеля, так и в формате многослойного никель-медь-никелевого покрытия. Ни химическое никелирование, ни нанесение тонкого цианистого слоя не является необходимым при покрытии алюминиевых основ.

Таблица 1. Условия нанесения покрытий в барабане на алюминиевые заготовки 23,47 мм (заготовки из Al 5052, 150 штук) [с: секунды, мин: минуты].

Таблица 2. Условия нанесения покрытий в барабане на алюминиевые заготовки из Al 3003-Н19

[0089] Для оценки и подтверждения возможности применения способа в соответствии с вариантом осуществления изобретения для большого количества загружаемых заготовок монет и дальнейшей оптимизации способа также выполняют дополнительные испытания нанесения покрытий в барабане на алюминиевые заготовки с большими количествами загружаемых заготовок, используя алюминиевые заготовки из Al 5052 (Таблица 3). В Примере 6 испытания покрытия условия покрытия в основном такие же, как в Примере 1, кроме большего количества загружаемых заготовок. В испытании покрытия Примера 7 увеличивают не только количество загружаемых заготовок, но также значительно увеличивают продолжительность очистки в щелочном растворе, а также увеличивают продолжительность кислотного травления, очистки, цинкования, удаления цинкования. Важно отметить, что превосходная адгезия тонкого слоя никеля к алюминиевой основе достигается в обоих случаях, что указывает на то, что трехкратное иммерсионное цинкование и нанесение электролитического тонкого сло