TECNICAS MEJORADAS PARA LA PRODUCCION DE BRONCE DORADO POR INTERDIFUSION DE ESTAÑO Y COBRE EN CONDICIONES CONTROLADAS.

Técnicas mejoradas para la producción de bronce dorado por interdifusión de estaño y cobre en condiciones controladas.

Artículo con aspecto de bronce dorado, sustrato de múltiples capas, procedimientos relacionados y utilizaciones de los mismos. Los procedimientos incluyen el recocido de un sustrato de múltiples capas a una temperatura de recocido durante un tiempo de permanencia. El sustrato de múltiples capas comprende un núcleo, contiguo a una capa de cobre y una subsiguiente capa de estaño. La temperatura de recocido y el tiempo de permanencia son controlados uno con respecto al otro para permitir la difusión de la capa de estaño dentro de la capa de cobre. El grosor de la capa de estaño está de acuerdo con el grosor de la capa de cobre, de tal manera que la capa de bronce externa interdifundida tiene un contenido de estaño entre 8% en peso y 15,8% en peso.

Técnicas mejoradas para la producción de bronce dorado por interdifusión de estaño y cobre en condiciones controladas

SECTOR TÉCNICO

El sector técnico de la invención se refiere de manera general a la producción de bronce, tal como bronce que tiene un aspecto dorado. Más particularmente, el sector técnico se refiere a la producción de una capa de aleación de bronce dorado aplicada sobre substratos.

ANTECEDENTES TÉCNICOS

El bronce se define habitualmente como aleación de cobre y estaño. No obstante, se pueden utilizar otros metales definiendo diferentes variantes de aleaciones de bronce, tales como bronce comercial (cobre, cinc), bronce de arquitectura (cobre, cinc, plomo) o bronce al aluminio (cobre, aluminio, níquel). El color del bronce depende de la composición de los diferentes materiales utilizados en la fabricación de la aleación. Por ejemplo, una aleación de bronce rica en cobre, puede tener un aspecto rojizo, mientras que una aleación de bronce rica en estaño puede tener un aspecto blanco plateado. El aspecto dorado del bronce es el resultado de una cierta composición metálica.

El bronce puede ser obtenido en forma de aleación sólida por pirometalurgia o como material dotado de recubrimiento. Como material dotado de recubrimiento, se obtiene tradicionalmente el bronce fabricado a base de cobre y estaño utilizando baños de recubrimiento de cianuro. El bronce puede ser depositado directamente como aleación si se utilizan productos químicos de cianuros. El producto se forma, por lo tanto, por co-depósito de cobre y estaño al tener lugar el recubrimiento. Más particularmente, se utilizan soluciones de recubrimiento de cianuro durante el recubrimiento electrolítico de piezas en bruto para la fabricación de monedas, para obtener una capa de aleación de bronce dorado. Por ejemplo, la patente U.S.A. No. 4.579.761 (Ruscoe y otros) describe un procedimiento para la fabricación de monedas, medallones y fichas y productos similares con un color dorado. El producto recibe un recubrimiento electrolítico en un baño de recubrimiento alcalino de cianuro de cobre-estaño siendo introducido a continuación en un horno de estabilización a una temperatura constante. Después de un tratamiento de limpieza adicional, Ruscoe y otros describen la obtención de un producto dotado de un recubrimiento de bronce con un

color dorado brillante.

La casi totalidad de procedimientos de recubrimiento de bronce que se disponen comercialmente utilizan soluciones de recubrimiento basadas en cianuros para obtener un acabado metálico de un color parecido al oro, dado que dichos procedimientos son relativamente simples y bien conocidos. No obstante, las soluciones de recubrimiento basadas en cianuros son tóxicas y esta toxicidad puede durar largo tiempo y puede presentar riesgos a la salud y a la seguridad de humanos, animales y peces más debajo de la fuente de vertidos y fugas no deseados. La eliminación de los desperdicios puede ser costosa y difícil dado que los productos químicos utilizados para la destrucción de cianuros pueden ser también tóxicos.

Se puede obtener bronce sin cianuro mediante procesos de recubrimiento que utilizan ciertas formulaciones comerciales, pero los resultados son habitualmente poco satisfactorios porque los productos dotados de recubrimiento tienden a proporcionar un color rojizo que se parece mucho al cobre, en vez del color dorado que se desea frecuentemente en la producción de un acabado de bronce. Las soluciones de recubrimiento sin cianuro tienden a ser inestables, costosas y difíciles de controlar para obtener resultados y color estables. Por lo tanto, el recubrimiento de bronces sin cianuro es poco aceptado constituyendo una técnica utilizada raramente, particularmente cuando el recubrimiento se lleva a cabo para grandes cantidades de productos industriales, tales como, piezas en bruto para monedas.

Además, a efectos de reducir los costes de acuñación, los metales puros tales como níquel, cobre o aluminio y aleaciones sólidas, tales como cuproníquel, latón de cartuchos o bronce al aluminio están siendo sustituidos gradualmente por monedas realizadas en un material menos costoso, tal como acero para el núcleo, dotado de un recubrimiento de níquel, cobre y bronce en una capa única, capa doble o capa triple, como capas externas que recubren el núcleo de acero. El acero para el núcleo es sustituido en algunos casos por cinc o cobre, o una aleación de bajo coste, tal como latón de cartuchos como variaciones del procedimiento. Las patentes U.S.A. No. 5.151.167 y No. 5.139.886 describen monedas dotadas de recubrimiento de níquel, cobre y a continuación níquel, así como un procedimiento para la fabricación de dichas monedas con utilización de soluciones de recubrimiento sin cianuro. Dichas patentes, dan a conocer que las monedas resultantes tienen una superficie regular exenta de caracteres superficiales, lo cual es habitualmente un problema asociado con el recubrimiento electrolítico de metales sucesivos seguido de una difusión por recocido. La utilización de una solución de recubrimiento sin cianuro ha sido descrita como factible en el

recubrimiento sucesivo de níquel, cobre y níquel. También se fabrica latón por un recubrimiento de cobre seguido de recubrimiento de cinc encima del cobre con soluciones de recubrimiento sin cianuro. El depósito sucesivo de cobre y cinc es seguido de la difusión de cinc en el cobre con elevada aportación de calor y elevada temperatura para obtener una aleación de latón. Este tipo de producción de aleaciones de latón sin cianuro se lleva a cabo comercialmente en la fabrica de moneda de Canadá ("Royal Canadian Mint."). No obstante, a diferencia del cinc en la difusión en el latón, el estaño no se difunde fácilmente en la matriz de cobre a causa del reducido punto de fusión del estaño. Por esta razón, la producción de bronce dorado con la combinación de cobre y estaño tiene varias distintas dificultades en comparación con la producción, a partir de cobre y cinc.

Un procedimiento general para el recubrimiento de diferentes aleaciones sin utilización de soluciones de cianuro se describe en la solicitud de Patente US publicada con el n° 26/2864 (McDaniel y otros). McDaniel y otros describen un procedimiento que incluye las etapas de aplicación electrolítica de una capa de un primer metal sobre un sustrato, aplicación electrolítica de una segunda capa de un segundo metal sobre la primera capa electrodepositada y calentando la combinación del sustrato para producir un acabado de aleación que incluye una aleación de bronce.

Se dan a conocer múltiples procedimientos de recubrimiento electrolítico para producir bronce dorado sin utilización de soluciones de cianuro en la solicitud de patente internacional publicada con el No. WO212/75572 (Nguyen y otros). Nguyen y otros dan a conocer un procedimiento de recubrimiento múltiple que incluye el recubrimiento de un sustrato con, como mínimo, una capa de cobre y una capa de estaño dotada de una cierta proporción de grosor relativo y estabilizando el sustrato dotado de recubrimiento a una temperatura gradualmente creciente para producir una capa de bronce externa interdifundida que tiene un aspecto dorado.

No obstante, sigue existiendo la necesidad de técnicas que proporcionen una producción mejorada en artículos que tengan un acabado de bronce dorado.

CARACTERÍSTICAS DE LA INVENCIÓN

La presente invención obedece a la necesidad que se ha mencionado de conseguir técnicas para una producción mejorada de bronce dorado. Eso debe comprender que el bronce dorado incluye cualquier bronce que tenga un color amarillo dorado parecido al oro, en otras

palabras un tono dorado o aspecto de oro.

En algunos aspectos, las técnicas que se describen comprenden un procedimiento para mejorar la disponibilidad de estaño para interdifusión con cobre para formar bronce dorado. El procedimiento de recubrimiento electrolítico múltiple perfeccionado, facilita la producción de bronce dorado por la difusión de estaño en cobre en condiciones controladas.

Se ha descubierto que en la fabricación de bronce dorado por recocido de un sustrato dotado de un recubrimiento de una capa de cobre y capas de estaño, la presencia de una capa de níquel entre el núcleo del sustrato y la capa de cobre puede conducir, en ciertas condiciones operativas, a que se consuma el estaño por formación de compuestos intermetálicos. Debido a la presencia de níquel, se forman fases dendríticas intermetálicas ternarias, que comprende níquel, estaño y cobre, en una zona próxima a la interfaz de las capas de níquel y cobre y extendiéndose hacia adentro de la capa rica en cobre. Este fenómeno reduce la disponibilidad de estaño en la capa...

1. Procedimiento para la fabricación de un artículo que tiene aspecto de bronce dorado, cuyo procedimiento comprende:

recocido de un sustrato de múltiples capas que comprende: un núcleo que tiene un área de contacto externa;

una capa de cobre aplicada como recubrimiento sobre el área de contacto externo del núcleo y que tiene un grosor de capa de cobre; y

una capa de estaño aplicada como recubrimiento sobre la capa de cobre;

en el que el área de contacto externa del núcleo no comprende níquel para impedir la formación de compuestos intermetálicos que comprenden estaño y níquel en las proximidades del área del contacto externa durante el recocido;

en el que el recocido es llevado a cabo a una temperatura de recocido durante un tiempo de permanencia en el recocido, siendo controlados la temperatura de recocido y el tiempo de permanencia en el recocido uno de acuerdo uno con el otro, para permitir la difusión de la capa de estaño dentro de la capa de cobre y producir un sustrato recocido que comprende una capa externa de bronce interdifundida que tiene aspecto dorado; y

en el que la capa de estaño es aplicada como recubrimiento con un grosor de la capa de estaño de acuerdo con el grosor de la capa de cobre, de manera que la capa de bronce externa interdifundida tiene un contenido de estaño comprendido aproximadamente entre 8% en peso y 15,8% en peso.

2. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que el grosor de la capa de estaño es tal que la capa de bronce externa interdifundida tiene un contenido de estaño comprendido aproximadamente entre 1% en peso y 15% en peso.

3. Procedimiento, según la reivindicación 2 ó 3, que comprende el control de la temperatura de recocido de acuerdo con diferentes niveles de temperatura para permitir que el sustrato de múltiples capas permanezca a cada nivel de temperatura durante un período del tiempo

de permanencia en el recocido.

4. Procedimiento, según la reivindicación 2 ó 3, que comprende el control de la temperatura de recocido para permitir que el sustrato de múltiples capas permanezca a un nivel de temperatura constante durante el tiempo de permanencia en el recocido.

5. Procedimiento, según la reivindicación 3 ó 4, en el que la temperatura de recocido se encuentra aproximadamente entre 425°C y 815°C.

6. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en el que el recocido comprende hacer pasar el sustrato de múltiples capas por una serie de zonas de calentamiento que funcionan a la temperatura de recocido controlada para el calentamiento del sustrato de múltiples capas a la temperatura de recocido correspondiente.

7. Procedimiento, según la reivindicación 6, en el que el recocido es llevado a cabo en un aparato de recocido que comprende la pluralidad de zonas de calentamiento.

8. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el recocido es llevado a cabo en un horno de recocido de retorta rotativa o en un horno de cinta transportadora.

9. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el tiempo de permanencia en el recocido está comprendido aproximadamente entre 1 minutos y 9 minutos.

1. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el tiempo de permanencia en el recocido está comprendido aproximadamente entre 2 minutos y 3 minutos.

11. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 1, en el que el recocido es llevado a cabo en una atmósfera de recocido que tiene una composición de recocido controlada.

12. Procedimiento, según la reivindicación 11, en el que la composición de recocido comprende como mínimo un componente para producir una atmósfera reductora.

13. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que comprende además:

efectuar el recubrimiento del núcleo con la capa de cobre para producir un sustrato con recubrimiento de cobre; y

producir el recubrimiento del sustrato recubierto de cobre con la capa delgada de estaño para producir el sustrato de múltiples capas.

14. Procedimiento, según la reivindicación 13, que comprende además:

atacar químicamente la capa de cobre con una solución ácida para producir una superficie con capa de cobre atacada antes del recubrimiento de la capa de estaño, de manera que queda favorecida la adherencia de la capa de estaño sobre la superficie de la capa de cobre atacada.

15. Procedimiento, según la reivindicación 13 ó 14, en el que el recubrimiento de la capa de cobre se lleva a cabo por recubrimiento electrolítico con una solución de recubrimiento electrolítico de cobre no ácida y en el que el recubrimiento de la capa de estaño se lleva a cabo por recubrimiento electrolítico con una solución de recubrimiento electrolítico de estaño que comprende una solución ácida, de cianuro, sin cianuro, neutra, básica o cualquier combinación de las mismas.

16. Procedimiento, según la reivindicación 15, en el que la solución de recubrimiento electrolítico de cobre no ácida es una solución sin cianuro y alcalina.

17. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en el que el grosor de la capa de cobre está comprendido entre 5 pm y 45 pm aproximadamente.

18. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, en el que el grosor de la capa de estaño está comprendido entre 1 pm y 7pm aproximadamente.

19. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en el que la capa de bronce externa interdifundida tiene un grosor comprendido entre 6 pm y 35 pm aproximadamente.

2. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, en el que la capa de cobre comprende una primera capa de cobre aplicada como recubrimiento, que tiene un primer grosor de capa de cobre y una segunda capa de cobre aplicada como recubrimiento contigua a la primera capa de cobre, y que tiene un segundo grosor de capa de cobre y en el que el grosor de la capa de cobre es la suma del primer y segundo grosores de capa de cobre.

21. Procedimiento, según la reivindicación 2, en el que el primer grosor de capa de cobre está comprendido entre 3 pm y 1 pm aproximadamente, y en el que el segundo grosor de capa de cobre está comprendido entre 1 pm y 35 pm aproximadamente.

22. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 21, en el que el sustrato de múltiples capas comprende además:

una capa metálica superior contigua a la capa de estaño, comprendiendo la capa metálica superior cobre y/o cinc y teniendo un grosor de capa superior.

23. Procedimiento, según la reivindicación 22, en el que el grosor de la capa superior es suficiente para permitir la difusión de la capa de estaño con la capa metálica superior para producir la capa de bronce externa interdifundida y para reducir o impedir la formación de acumulaciones de estaño sobre la superficie exterior durante el recocido.

24. Procedimiento, según la reivindicación 22 ó 23, en el que el grosor de la capa superior está comprendido entre ,1 pm y 4 pm, aproximadamente.

25. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24, en el que el sustrato de múltiples capas es una pieza en bruto para acuñación de monedas.

26. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 25, en el que el núcleo está compuesto de acero, aluminio, latón, cobre, aleaciones de los mismos o una combinación de los mismos.

27. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, en el que el área de contacto externa no comprende metal o compuesto metálico capaz de formar fases dendríticas intermetálicas en combinación con el estaño.

28. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, en el que el área de

contacto externa no comprende cromo, para evitar la formación de fases intermetálicas que comprenden cromo y estaño.

29. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 28, que comprende además:

enfriar con rapidez el sustrato recocido, para parar la interdifusión metálica para producir sustrato templado.

3. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 29, que comprende

además:

bruñido de la capa de bronce externa interdifundida del sustrato templado para eliminar cualesquiera compuestos superficiales no deseados y producir un sustrato bruñido que tiene aspecto dorado.

31. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende además:

limpieza y secado del sustrato bruñido para mostrar o incrementar el aspecto dorado del bronce.

32. Artículo con aspecto de bronce dorado que comprende: un núcleo que tiene un área externa de contacto;

una zona rosa contigua al área de contacto externa del núcleo y que comprende cobre y estaño inducidos por recocido e interdifundidos, teniendo la zona rosa un contenido de estaño por debajo de 8% en peso aproximadamente y no comprendiendo níquel para evitar que no existan fases intermetálicas que comprendan níquel y estaño; y

una zona de bronce dorado contigua a la zona rosa y que comprende cobre y estaño inducidos por recocido e interdifundidos, de manera que el estaño está completamente interdifundido con el cobre y se encuentra presente con una concentración de estaño comprendida aproximadamente entre 8% en peso y 15,8% en peso, teniendo la zona externa del bronce dorado una superficie externa con aspecto de bronce dorado libre de

acumulaciones de estaño.

33. Artículo con aspecto de bronce dorado, según la reivindicación 32, en el que la superficie externa de la zona de bronce dorado está bruñida y se encuentra libre de compuestos superficiales no deseados.

34. Artículo con aspecto de bronce dorado, según la reivindicación 32 ó 33, en el que la zona de bronce dorado y la zona rosa son producidas por recocido de dos capas de recubrimiento contiguas de (i) cobre y (ii) estaño, con una proporción de grosor estaño-cobre suficiente para producir la zona de bronce dorado con una concentración de estaño comprendida entre 8% en peso y 15,8% en peso aproximadamente.

35. Artículo con aspecto de bronce dorado, según la reivindicación 32 ó 33, en el que la zona de bronce dorado y la zona rosa son producidas por el recocido de una primera capa de cobre, una capa intermedia de estaño y una capa superior de cobre y/o cinc que tienen grosores respectivos suficientes para producir la zona de bronce dorado con una concentración de estaño comprendida entre 8% en peso y 15% en peso aproximadamente.

36. Artículo con aspecto de bronce dorado, según la reivindicación 35, en el que la capa superior de cobre y/o cinc tiene un grosor comprendido entre ,1 pm y ,8 pm aproximadamente.

37. Artículo con aspecto de bronce dorado, según cualquiera de las reivindicaciones 32 a 36, que comprende un contenido variable de estaño desde una interfaz entre el núcleo y la zona rosa a la superficie externa de la zona de bronce dorado.

38. Artículo con aspecto de bronce dorado, según la reivindicación 37, en el que el contenido variable de estaño aumenta desde la interfaz entre el núcleo y la zona rosa a la superficie externa de la zona de bronce dorado.

39. Artículo con aspecto de bronce dorado, según cualquiera de las reivindicaciones 32 a

38, en el que el núcleo comprende acero, aluminio, latón, cobre, aleaciones de los mismos o una combinación de los mismos.

4. Artículo con aspecto de bronce dorado, según cualquiera de las reivindicaciones 32 a

39, en el que la zona de bronce dorado comprende además cinc interdifundido con el cobre

y el estaño.

41. Artículo con aspecto de bronce dorado, según cualquiera de las reivindicaciones 32 a 4, que tiene la forma de una moneda, un disco, un objeto plano, o análogos.

42. Sustrato con múltiples capas para utilización en la producción de un artículo con aspecto de bronce dorado, comprendiendo el sustrato con múltiples capas:

un núcleo que tiene un área de contacto externa;

una capa de cobre aplicada como recubrimiento sobre el área de contacto externa del núcleo y que tiene un grosor de capa de cobre; y

una capa de estaño aplicada como recubrimiento sobre la capa de cobre;

en el que el área de contacto externa del núcleo no comprende níquel para impedir la formación de compuestos intermetálicos que comprenden estaño y níquel en las proximidades del área externa de contacto durante un tratamiento de recocido; y

en el que la capa de estaño tiene un grosor de capa de estaño de acuerdo con el grosor de la capa de cobre de manera que la capa de estaño y la capa de cobre se interdifunden en el tratamiento de recocido formando una capa de bronce que tiene un contenido de estaño comprendido entre 8% en peso y 15,8% en peso aproximadamente.

43. Sustrato con múltiples capas, según la reivindicación 42, que comprende además:

una capa metálica superior que comprende cobre y/o cinc aplicados como recubrimiento sobre la capa de estaño.

44. Utilización del procedimiento definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 31 para la producción de piezas en bruto para la acuñación de monedas.

45. Utilización del artículo con aspecto de bronce dorado, según cualquiera de las reivindicaciones 32 a 42, como material para la acuñación de monedas.

46. Utilización del sustrato de múltiples capas definido en las reivindicaciones 42 ó 43 para

producir un artículo con aspecto de bronce dorado mediante recocido.

47. Procedimiento para la fabricación de un artículo que tiene aspecto de bronce dorado, cuyo procedimiento comprende:

recocido de un sustrato de múltiples capas que comprende: un núcleo que tiene un área de contacto externa;

una capa de cobre aplicada como recubrimiento sobre el área de contacto externa del núcleo y que tiene un grosor de capa de cobre;

una capa de estaño aplicada como recubrimiento sobre la capa de cobre y que tiene un grosor de capa de estaño; y

una capa metálica superior aplicada como recubrimiento sobre la capa de estaño, comprendiendo la capa metálica superior cobre y/o cinc y teniendo un grosor de capa superior;

en el que el recocido es llevado a cabo a temperaturas crecientes de recocido durante un tiempo de permanencia en el recocido, siendo controlados las temperaturas de recocido y el tiempo de permanencia en el recocido de acuerdo uno con otro para permitir la difusión de la capa de estaño dentro de la capa de cobre y producir un sustrato recocido que comprende una capa de bronce externa interdifundida que tiene aspecto dorado; y

en el que el grosor de la capa de estaño y el grosor de la capa superior se seleccionan para permitir la difusión de la capa de estaño con la capa de cobre y la capa metálica superior para producir la capa de bronce externa interdifundida que tiene una concentración de estaño comprendida entre 8% en peso y 15,8% en peso aproximadamente, y para reducir o impedir la formación de acumulaciones de estaño durante el recocido.

48. Procedimiento para la producción de un artículo que tiene un aspecto de bronce rojo, cuyo procedimiento comprende:

recocido de un sustrato de múltiples capas que comprende:

un núcleo que tiene un área de contacto externa;

una capa de cobre aplicada como recubrimiento sobre el área de contacto externa del núcleo y que tiene un grosor de capa de cobre; y

una capa de estaño aplicada como recubrimiento sobre la capa de cobre;

en el que el área de contacto del núcleo no comprende níquel para impedir la formación de compuesto intermetálico que comprenda estaño y níquel en las proximidades del área de contacto externa durante el recocido;

en el que el recocido es llevado a cabo a una temperatura de recocido durante un tiempo de permanencia en el recocido, estando controlados la temperatura de recocido y el tiempo de permanencia en el recocido uno de acuerdo con otro para permitir la difusión de la capa de estaño en la capa de cobre y producir un sustrato recocido que comprende una capa de bronce externa interdifundida que tiene aspecto dorado; y

en el que la capa de estaño es aplicada como recubrimiento con un grosor de capa de estaño de acuerdo con el grosor de la capa de cobre de manera que la capa de bronce externa interdifundida tiene un contenido de estaño por debajo de 8% en peso aproximadamente.

49. Procedimiento, según la reivindicación 48, que comprende además una o varias etapas o características tal como se definen en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 31.

5. Artículo producido de acuerdo con el procedimiento de la reivindicación 49.