嵌有发光颗粒的金属材料的制作方法

文档序号:5280059阅读:303来源:国知局
专利名称:嵌有发光颗粒的金属材料的制作方法
技术领域
本发明一般地涉及金属材料,更具体地涉及将发光元素嵌入金属物体,包括铸币中。
背景技术
金属部件,例如车辆部件、医疗器件、硬币等经常被伪造。该非法实施是普遍的,并且对于正品部件的制造商,且最重要是对于消费者具有负面的经济影响。通过对金属进行掺杂向金属部件中加入安全性元素通常限于加入可以经受浇铸和其他高温工艺的其他金属元素。因为对于组成具有严格的规范以实现其他所需特性,例如强度或者耐磨性,所以用于高价值部件,例如飞机部件或铸币的许多金属和合金限制在组成的可用的变化性中。或者,用于金属部件的可用技术,例如涂料和涂层、蚀刻条形码或者其他外部安全性元素是易于去除或者破坏的。一些金属部件(例如飞机部件)的制备具有非常严格的误差要求,并经过电镀以保证光滑表面用于延长故障之间的平均时间。可以在电镀过程中对无机颗粒(例如,碳化硅颗粒、氮化硼颗粒、金刚石颗粒等)进行共沉积以增加沉积的层的耐磨性。此外,可在电沉积的层中加入具有润滑特性的颗粒,例如石墨或者特氟隆,以延长金属部件的寿命。

发明内容
还未开发的用于鉴定目的的一种保护金属部件的安全的方法是镀金属层。镀金属的层通常是光致密的,因此不是很适合运载光安全性材料(在某些条件下可光学检测的材料)。金属镀覆工艺也无助于相异材料,例如光安全性材料的共沉积。本发明的实施方式描述了一些方法,该方法将光安全性元素结合到经过此类精整的物品中,所述光安全元素提供安全性、防伪造性和/或对于名牌保护。使用金属基质包封发光颗粒使得能够更好地与下方表面发生粘合,这延长了墨、涂料或者清漆上的光学特征的寿命。此外,由于可以将安全性材料结合到整个现有的制备工艺中,可以无需在清漆等中施加安全性材料的额外的程序性步骤。本发明的实施方式的一个新的贡献是在金属基质中结合无机防伪特征。本发明的实施方式的另一个新的贡献是在电沉积的不同阶段改变安全性元素的能力,这提供了在特定部件的不同磨损阶段检测不同安全性元素的能力。本发明的实施方式的另一个新的贡献是用不同时间的间歇停顿控制镀覆滚筒,以加强颗粒的嵌入,因为此类翻转可以容易地使得沉积的颗粒从金属层离开。在具有涂料、墨以及其他类似的局部表面处理的金属表面上结合鉴定特征的缺点在于,安全特征可以简单地去除,因而可能要求特 征具有耐久性。本发明的实施方式的一个优点是,使得鉴定特征基本是与金属涂层一起构建的,只要沉积的复合金属涂层是可见的(对于大多数部件,是部件的寿命),则所述鉴定特征保持完好无损。因为陶瓷颗粒比电解过程中共沉积的金属基质坚硬得多,所以复合层还导致本发明的实施方式使得金属部件更具有耐磨性。


图1显示了金属基材(例如,金属垫圈)在镀覆之后的发射扫描图。图2显示了金属基材在镀覆之前的发射扫描图。图3显示了具有嵌入的磷光体颗粒的镀覆的金属基材的SEM图,其中浅色区是磷光体材料。图4显示了硬币基材在镀覆之前和之后的发射光谱图。图5显示了实验3中的金属基材的荧光发射扫描图。图6所示是本发明的实施方式。图7所示是本发明的实施方式。图8所示是根据本发明实施方式的滚筒镀覆系统。图9所示是根据本发明实施方式的浸镀系统。图10所示是根据本发明实施方式的无电镀系统。图11所示是根据本发明实施方式的鉴定方法。图12A所示是具有镀覆的金属层的基材的例子,所述镀覆的金属层分布有深嵌到所述镀覆的金属层下部中的发光颗粒。图12B所示是具有镀覆的金属层的基材的例子,所述镀覆的金属层分布有嵌入到所述镀覆的金属层的表面上或者表面附近的发光颗粒。图12C所示是具有镀覆的金属层的基材的例子,在整个镀覆的层中分布有发光颗粒。
具体实施例方式在电镀(也称作电沉积)过程中,金属阳极(要镀覆的金属)和阴极与外部直流电源(最常见为整流器)连接。电源的正极与阳极相连,负极与阴极(即,其上要进行镀覆的基材)相连。将阳极和阴极都置于含有要镀覆的所需金属盐溶液的电镀浴中。当打开外部电源时,来自浴溶液的金属阳离子在阴极表面上经受电还原(到零价态),以形成金属镀覆层(例如,Ni+2->Ni+0)。同时,零价态金属(包括阳极)经受电氧化,产生金属离子,起了补充电镀浴的作用(例如,Ni+0—>Ni+2)0相对地,来自镀覆溶液的另外的金属离子加入到刚通过相同机制镀覆的金属位点。因为在金属物体的表面上存在电镀过程,金属离子通过金属键结合到基材的表面上,所述金属键在数量级上强于作为墨、涂料或者清漆施涂到金属基材的涂层。所述涂层没有在镀覆材料的原子和要镀覆的金属基材的原子之间产生金属键。因此在本文所述的本发明的实施方式中,电镀在金属基 材上的金属层产生了与作为墨、涂料或清漆或者任意其他类似的组成沉积到金属基材上的涂层结构不同的物体。从而,金属基材上的电镀的金属层限定了不同于具有墨、涂料或清漆或者任意其他类似组成沉积于其上的金属基材的结构。
本文所述的本发明的实施方式中,通过在基材上沉积一层或多层具有嵌入颗粒,例如无机颗粒的金属层形成了鉴定元素,其中所述嵌入颗粒配置成将接收到的入射能(激发能)从一种波长转变为另一种波长,例如从第一紫外波长转变为第二紫外波长、从紫外波长转变为可见波长、从红外波长转变为可见波长,从第一红外波长转变为第二红外波长等(尽管也可以将颗粒配置成发射与激发能相同能量的波长)。例如,金属层可以含有嵌入的分布的含有镧基稀土掺杂的磷光体的无机晶体颗粒,所述含有镧基稀土掺杂的磷光体将一种波长的能量转变为另一种波长的能量,使得所述无机晶体颗粒通过接收特定能量源变为激发态,产生能量转移,发出特定波长的光子作为能量转化过程的副产物。此类材料包含常用的上变频体和下变频体,例如稀土氧化物、氧硫化物、氟化物等。陶瓷复合材料领域的技术人员理解这些固态颗粒如何起到能量转化装置的作用。作为本发明的实施方式应用的一个例子,由于伪造、较差的工艺或者质量控制不足所导致的金属组件的故障可能会质疑是制造商的责任。根据本发明的实施方式的鉴定机制可以对金属组件进行检测并确定其真实性,这可以免除或者指出制造商的责任。现如今,由于目前市场中大量伪造部件的普遍存在,导致许多制造商的责任增加。此外,通过将本文所揭示的发光颗粒包含在镀覆到铸币上的金属层中,实现了多种金额硬币货币的快速测定和鉴定,从而阻止了世界硬币货币的防伪量的不断增加。可以对硬币(例如娱乐场所的老虎机、服务和休闲自动售货行业、纪念铸币、著名的纪念章以及电路板和硅芯片工业等中使用的硬币)采用本发明的实施方式的鉴定机制。当使得上变频体、下变频体以及荧光磷光体适当地沉积到本文所述的镀覆层时,它们都可以用合适的分析设备进行检测和测定。图11显示了根据本发明实施方式的鉴定系统和方法1100的一个例子。光源1101向具有一层或多层含前述颗粒(或者本文所述任意其他发光颗粒或者它们的等价体)的金属基材1102发射一定波长的能量1110 (例如,光),然后所述金属基材1102发射被光学检测器1103检测到的一定波长的能量。可以将颗粒配置成发射一种或多种所需波长的能量,其可以在不同波长作为激发能。可以采用信号处理器1104和可任选的显示器1105对检测到的信号进行分析,用于进行鉴定测定。根据本发明的实施方式,本文描述了某些镀覆技术,例如浸镀(参见图9)、挂镀、筒镀(参见图8)以及无电镀(参见图10)。无论使用哪种镀覆方法,在镀覆层的鉴定方法中成功使用光学材料要求对粒径、镀覆化学性质以及镀覆条件进行谨慎选择,以形成含光学材料的均匀镀覆层。如下文所述,引起磷光体材料过快沉积的条件会导致磷光体材料嵌入到不透光镀覆层的下方,从而阻碍了用于鉴定所必需的光学信号。相反地,具有磷光体富集表面层的镀覆层的沉积会导致良好的光学特性,但是会因为磨损或者尝试去除表面镀覆以削弱鉴定元素而受到影响。导致磷光体材料缓慢结合的镀覆条件会导致结合的磷光体的量不足,进而使得用于合适的鉴定目的的光学信号强度不足。本文揭示的特性使得用于鉴定目的将合适尺寸的颗粒结合到此类基材中的结合速率最优化。在本发明的实施方式中,可以将金属层沉积到基材上,使得发光颗粒在镀覆的金属基质(本文也称作金属层或者镀覆的金属层)中具有均匀的分布。所述颗粒的均匀分布是有益的,因为其使得能够在镀覆的产品的整个使用周期对发光磷光体的发光进行检测,并因此对产品的真实性进行检测。图 12A显示了具有镀覆的金属层1203的镀覆的基材1201的例子,所述镀覆的金属层1203分布有发光颗粒1202,其中基本上大部分或者全部的颗粒1202深嵌入镀覆的金属层1203的下部,因此来自光源1101的照明光1110不能穿透金属基质1203与发光颗粒1202相互作用(激发发光颗粒1202),这最终阻止了检测1103到从朝向层1203下部存在的颗粒1202发射的能量。图12B显示了具有镀覆的金属层1203的镀覆的基材1201的例子,所述镀覆的金属层1203分布有发光颗粒1202,其中基本上大部分或者全部的颗粒1202嵌入在镀覆的金属层1203的表面上或者附近。这使得能够检测1103到从颗粒1202发射的能量,但是镀覆的部件随时间发生磨损之后,颗粒1202会随着镀覆的金属层1203发生磨损,这会阻碍产品的鉴定。图12C所示是具有镀覆的金属层1203的镀覆的基材1201的例子,所述镀覆的金属层1203在整个镀覆的层1203中充分或者有效地分布有发光颗粒1202。结果,在镀覆的产品的整个使用寿命中,包括当镀覆的金属层1203发生磨损时,随着表面金属层1203磨损,设置在更靠近基材1201的镀覆的金属层1203中的颗粒1202暴露,从而只要存在任意镀覆的层1203,就能对产品进行鉴定。本文所揭示的镀覆方法形成了如图12C所示的所需的发光颗粒的分布,如图3的代表性截面SEM图所验证,显示了嵌有磷光体颗粒的镀覆的金属基材,其中浅色区是磷光体材料。在本文所述的本发明的实施方式中,当形成电镀层时,分散在镀覆溶液中的发光颗粒在整个金属基质中进行物理分布,所述颗粒需要到达阴极表面以固定到镀覆的金属层中,因此首先需要从浴溶液传输到阴极表面。此外,颗粒与阴极表面接触越久,则结合到镀覆的金属基质中的可能性越大,这最终提升了金属层中的颗粒负载率。用于安全应用的发光颗粒的特性与前述用于耐磨性或者润滑性的颗粒的特性有明显的不同。例如,碳化娃、氮化硼以及钻石的密度分别在3.2g/cm3、2.lg/cm3以及3.5g/cm3左右。类似地,特氟隆和石墨的密度都在2.2g/cm3左右。这些材料的密度明显小于一般的发光安全颗粒的密度。例如,基于稀土掺杂的氧化钇的磷光体的密度大于5.0g/cm3,基于稀土掺杂的氧化钆的密度大于7.4g/cm3。在部件中,由于具有耐磨性的发光安全颗粒与润滑颗粒之间的密度差,导致前述建立的用于使得那些密度较小的材料结合到金属层中的方法对于此类安全性材料的效果非常差。假定颗粒密度大于浴溶液的密度,则在一小段时间内,颗粒会沉淀到电镀浴的底部,从而不能达到阴极表面进行结合。克服该问题的一个方法是通过机械搅拌或者其他方法对浴溶液进行搅动。但是,过多的搅动使得颗粒的共沉积减少,因为在颗粒形成在阴极表面之前就被扫除了。此外,由于本发明的实施方式中所用的发光颗粒的密度明显大于用于电镀过程的传统材料(参见对于此类颗粒密度的前述讨论),它们明显需要更多的搅动从而留在电镀浴的悬浮液中。搅动速度的增加表示溶液中的颗粒具有较高的速度,因此在阴极表面上的平均停留时间较短。这导致颗粒停留在阴极表面上的时间长到使得它们足以结合到金属基质中的可能性较低,最终降低了镀覆的金属层中的颗粒含量。具体地,对于通过例如图8所示的筒镀方法进行镀覆的金属部件,这产生了一个问题,会在下文中进一步讨论。对于筒镀,将要镀覆的物体(例如,硬币坯)放置于筒形密封室中,该筒形密封室通常以恒速滚动以保证在物体的所有表面进行均匀镀覆。当尝试使用已建立的滚筒镀覆技术/方法将发光安全性颗粒结合到物体中时,作为滚筒的恒速滚动(进而镀覆的物体的恒速运动)的 结果,使得结合到金属层中的发光颗粒的水平低于所需水平。要镀覆的部件的此类恒速运动与悬浮液中颗粒速度的联合作用使得颗粒在阴极表面上的平均停留时间急剧减少。因为降低镀覆溶液的机械搅动是不合乎希望的(使得发光颗粒的密度上升),发现通过间歇地暂停镀覆滚筒的滚动,可以实现较高的颗粒-阴极停留时间,这使得电镀的层中的颗粒负载率较高。此外,可以通过改变镀覆滚筒静止的时间量(参见表I中的实验讨论和结果),将镀覆的金属层的颗粒负载率控制在所需的水平。例如,如本文进一步讨论,使得滚筒的滚动暂停4秒会导致金属层中颗粒负载低于使得滚筒的滚动暂停16秒的金属层中颗粒负载。还可以通过改变滚筒的滚动速率来控制该作用,例如,相比于以小于30或40转每分钟(rpm)的恒定速率滚动的镀覆滚筒,以30或40rpm的速率恒速滚动的镀覆滚筒会在金属层中得到较低的颗粒负载。此外,可以结合间歇暂停滚筒转动和改变滚筒的转动速率这两个概念,以实现高度密集的发光颗粒在整个镀覆的金属层中的所需的负载率。作为结果,本发明的实施方式可以在翻转过程中结合所述变量,以实现所需的沉积效果。图8显示了在金属物体807 (例如,金属部件,金属垫圈、铸币等)上电镀嵌有发光颗粒(例如,上变频磷光体或者本文中所述任意其他此类颗粒或者它们的等价体)的金属层的系统和方法800。在第一个实施例(本文也称作“实施例1”)中,将(例如,约90g)上变频磷光体颗粒加入到(例如,约9L)氰化铜电解溶液中,所述氰化铜电解溶液可购自例如Technic股份有限公司。可以将所得到的镀覆溶液801加热(到例如约150° F)。可以通过机械叶轮(未示出)或者搅拌条或者循环泵804对镀覆溶液801进行搅动,使得上变频磷光体颗粒维持较好地悬浮在镀覆溶液801中。浸没在镀覆溶液801中的铜阳极802可以与电源803的正极导线连接。可以清洗金属物体807(例如,低碳钢、不锈钢、铜、黄铜、钛或者青铜)并放置于镀覆筒806中,所述镀覆筒806可以与电源803的另一根导线连接。可以记录物体807的尺寸以确定要镀覆的金属的适当的面积。例如,铜垫圈807的面积可以是1.25平方英寸。为了以25a.s.f.(安培/英尺2)镀覆十个铜垫圈807,可以设定电源803以传输2.2安培的电流。一旦对溶液801施加电压,开始镀覆过程。此外,可以对通常以30rpm转动的镀覆筒806进行改进,以通过对其马达805的控制使其以不同的速度和/或间歇间隔进行转动。例如,筒806可以转动4秒停顿16秒(也可以采用其他可选的间隔循环,例如转动16秒,停止转动64秒)。该方法改`进使得当通过电镀施涂的铜在颗粒周围固定时,磷光体颗粒更好地粘结到金属基材807的表面。如果镀覆筒806允许连续滚动(S卩,没有间歇性基准的停顿),则大部分的磷光体颗粒会从物体807上移除,会使得电镀的表面中的磷光体的总含量最小(如果没有完全去除的话)。在该条件下一段时间(例如,60分钟)之后,可以完成该过程。对于不同过程(分别用磷光体颗粒镀覆不锈钢、青铜、钢、铜、钛和黄铜),收集物体807在所述镀覆实施例之前和之后的发射光谱图。在HoribaFluoroLog-3荧光分光光度计上收集(例如系统1100的)发射光谱。图2显示了在镀覆过程之前的所述发射光谱图,清楚地显示检测器1103没有检测到响应光源1101的能量1110激发的信号。图1显示每次镀覆工艺之后的所述发射光谱图(显示在显示器1103上),清楚地显示成功地对每个具有嵌入磷光体颗粒的金属层进行镀覆,因为各自显示了由检测器1103检测到的响应光源1101的发光1110的发射能量。再次参见图8,在另一个实施例中,可以将约90克的UV-红磷光体(购自Nemoto&Co有限公司)加入到约9升的铜/锌氰化物电解溶液中(购自Technic股份有限公司)。可以将所得溶液801的温度提升到约165° F。可以通过机械叶轮或者搅拌器或者泵804对溶液801进行搅动,使得下变频磷光体颗粒维持令人满意悬浮。浸没在镀覆溶液801中的黄铜阳极802可以与电源803的正极导线连接。可以清洗青铜垫圈807并放置于镀覆筒806中。可以记录垫圈的尺寸以确定要镀覆的金属的适当的面积。在该实施例中,青铜垫圈807的面积是1.25英寸2。为了以25a.s.f.镀覆十个青铜垫圈807,可以设定电源803以传输2.2安培的电流。一旦对溶液801施加电压,开始镀覆过程。在该实施例中,筒806可以转动4秒停顿16秒(也可以采用其他可选的间隔循环,例如转动16秒,暂停转动64秒)。该方法改进使得当通过电镀施涂的黄铜在颗粒周围固定时,磷光体颗粒更好地粘结到金属基材的表面。在该条件下约60分钟之后,停止镀覆。为了分析镀覆的垫圈807,收集镀覆之前的空白垫圈和镀覆之后的垫圈的荧光光谱。在海洋光学USB4000 (Ocean OpticsUSB4000)分光计(1103、1104)上得到(例如系统1100的)荧光光谱,照明1110由手持式短波UV灯1101 (购自Entela MineralLight (英特拉矿物质光)公司,型号UVGL-58)提供。如图5所示,镀覆的垫圈的光谱记录1105与磷光体源的光谱记录一致,而镀覆之前的空白垫圈没有显示出明显的荧光。进行一系列的实验以测定本文所述电解电镀过程的实施方式的最优参数。参见图8,通过实施例1制备初始无任何安全性磷光体的氰化铜电解镀覆溶液801。每次实验中对50个(例如,直径17毫米(mm),厚2mm的)硬币坯807进行镀覆。测试的变量(参数)包括:(I)镀覆溶液801中的磷光体负载或浓度(5、10和15g/L) ;(2)筒806的翻转速率以及翻转的任意间歇或者暂停(30rpm恒定翻转无暂停,4秒翻转(30rpm)/16秒暂停以及16秒翻转(30rpm) /64秒暂停);和(3)电源803的电流密度(10、20和30a.s.f.)。对于所有的实施例,操作方法800,使得硬币 坯807上得到的镀覆厚度在30 μ m和50 μ m之间。尽管对于本文所揭示的其他发光颗粒及其等价体可以得到类似的结果,但是对于这些实验,使用上变频IR至绿色的稀土氧硫化物磷光体。在与第一个实施例类似的条件下收集(例如装置1103,1104的)发射光谱并进行整合。每一次实验(两侧,即如图6所示,具有嵌入的发光颗粒603、605的所述金属层602、604可以在金属基材601的所有侧面上发生沉积)的一系列10个硬币807的平均信号强度(被1103检测到的响应来自光源1101的照明或者激发1110的嵌入颗粒发射的能量)记录于表I。表I
权利要求
1.一种将嵌有发光颗粒的金属层沉积到金属基材上的方法,其包括以下步骤: 使得发光颗粒与金属材料混合以形成镀覆溶液; 将金属基材插入所述镀覆溶液中;以及 进行镀覆过程,用金属层涂覆金属基材,其中所述金属层嵌有发光颗粒。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述镀覆过程是无电镀过程。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述镀覆过程是浸镀过程。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述镀覆过程是电镀过程。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述电镀过程包含滚筒,当插入到镀覆溶液中时,所述滚筒中含有金属基材。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述电镀过程包括在将金属层电镀到金属基材上时,以恒定基准转动筒。
7.如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述电镀过程包括在将金属层电镀到金属基材上时,以间歇性基准转动筒。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述间歇性基准是使得筒转动一段或多段时间,所述一段或多段时间少于筒没有发生转动的时间。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于,所述一段或多段时间分别是每一段筒没有发生转动的时间的约25%。
10.一种对金属物体进行鉴定的方法,该方法包括: 用包含第一波长的能量激发金属物体; 检测是否有响应由所述包含第一波长的能量激发,从金属物体发射出包含第二波长的能量;以及 如果检测到包含第二波长的能量,则确定所述金属物体是真的。
11.如权利要求10所述的方法,其特征在于,所述金属物体包含嵌有发光颗粒的电镀的金属层,所述发光颗粒配置成当被包含第一波长的能量激发时发射包含第二波长的能量。
12.如权利要求11所述的方法,其特征在于,该方法还包括:如果没有检测到包含第二波长的能量,则所述金属物体不是真的。
13.如权利要求12所述的方法,其特征在于,所述金属基材是可流通的硬币。
14.一种金属基材,该金属基材上包含电镀的金属层,所述电镀的金属层嵌有发光颗粒。
15.如权利要求14所述的金属基材,其特征在于,所述嵌入的发光颗粒具有配置成当被包含第一波长的能量激发时发射包含第二波长的能量的组成。
16.如权利要求15所述的金属基材,其特征在于,所述电镀的金属层具有这样的组成,其中所述嵌入的发光颗粒分布在基本整个电镀的金属层中。
17.如权利要求14所述的金属基材,其特征在于,所述电镀的金属层选自下组:镍、镍-磷、铜、黄铜、金、银和钼。
18.如权利要求17所述的金属基材,其特征在于,所述金属基材选自下组:铜、黄铜、青铜、低碳钢、不锈钢和钛。
19.如权利要求14所述的金属基材,其特征在于,所述金属基材是可流通硬币。
20.如权利要求14所述的金属基材,其特征在于,该金属基材包含另一电镀的金属层,所述电镀的金属层嵌有的发光 颗粒的组成不同于前述嵌入的发光颗粒。
全文摘要
通过在金属基材上沉积嵌有颗粒的金属层来形成鉴定元素,其中所述嵌入的颗粒配置成将能量从一种波长转化成另一种波长。所述嵌入的颗粒可以是上变频体、下变频体或者荧光磷光体,当沉积在金属层中时,其可以由分析设备进行检测和测定。所述金属基材可以包括铸币。
文档编号C25D17/16GK103080376SQ201180028587
公开日2013年5月1日 申请日期2011年6月10日 优先权日2010年6月10日
发明者J·L·康罗伊, P·B·佛施, J·A·谢勒 申请人:奥森迪克斯公司, 皇家铸造有限公司
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