(57)【要約】  最大２重量％のマンガンと、残りの亜鉛とを含む合金は、貨幣およびトークンの用途のみならず、電気的および電子的な用途における低コストの亜鉛の使い道を拡げる。少量のマンガンの添加は、亜鉛およびその合金の導電率の低下に大きな影響を持ち得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
最大２重量％のマンガンと、残りの亜鉛とを含む、合金。
【請求項２】
１２〜２５％ＩＡＣＳの範囲の電気伝導率をさらに含む、請求項１に記載の合金。
【請求項３】
前記マンガンは、０．０１重量％から２重量％の前記合金を含む、請求項１に記載の合金。
【請求項４】
０．１重量％から１．２重量％の範囲の銅をさらに含む、請求項１に記載の合金。
【請求項５】
チタンをさらに含む、請求項１に記載の合金。
【請求項６】
銅、アルミニウム、マグネシウム、チタン、カドミウム、クロム、鉄、アンチモンからなる群のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載の合金。
【請求項７】
硬貨またはトークンに形成されている、請求項１に記載の合金。
【請求項８】
ヒューズに形成されている、請求項１に記載の合金。
【請求項９】
圧延工程によって変化した鋳放しＩＡＣＳ導電率を有する、請求項１に記載の合金。
【請求項１０】
前記合金の上にめっき層をさらに含む、請求項１に記載の合金。
【請求項１１】
前記マンガンは、０．０５％から１％の前記合金を含む、請求項１に記載の合金。
【請求項１２】
前記マンガンは、０．０１％から１％の前記合金を含む、請求項１に記載の合金。
【請求項１３】
０．００１重量％から０．６０重量％の量でアルミニウムをさらに含む、請求項１に記載の合金。
【請求項１４】
０．０００１重量％から０．５０重量％の量でマグネシウムをさらに含む、請求項１に記載の合金。
【請求項１５】
０．０５０重量％から１．０重量％の量でチタンをさらに含む、請求項１に記載の合金。
【請求項１６】
０．０００１重量％から０．５０重量％の量でクロムをさらに含む．請求項１に記載の合金。
【請求項１７】
０．０００１重量％から０．５０重量％の量で鉄をさらに含む、請求項１に記載の合金。
【請求項１８】
０．０００１重量％から０．５０重量％の量でアンチモンをさらに含む、請求項１に記載の合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願へのクロスリファレンス
本出願は、２０１３年８月２７日にファイルされた米国仮特許出願第６１／８７０，４８５号の利益および優先権を主張し、その内容全体が本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
貨幣市場、電気市場、電子市場では、各々特有の特性を持つ様々な金属が用いられている。これらの市場で長年提供されている製品に、圧延亜鉛製品およびダイカスト亜鉛製品がある。現在市場に流通している様々な卑金属亜鉛合金は、電気伝導率の実測値が、実質的に純粋な銅を導電率１００％の基準（１００％ＩＡＣＳ）として用いるInternational Annealed Copper Standard（ＩＡＣＳ）で約２５％から３０％ＩＡＣＳの範囲である。このような従来の亜鉛合金の電気伝導率値は、ある特有の電気特性が達成されるとはいえ、貨幣市場、電気市場、電子市場における亜鉛合金のさらに広範にわたる利用を制限していた。
【０００３】
貨幣市場では、金属の電気伝導率と透過率によって、セキュリティ目的で用いられる特有の電磁的特徴が提供される。この電磁的特徴は、自動販売機業界および銀行業界の両方で用いられる硬貨識別システムにセキュリティ源を加えるものとなる。この業界で用いられるより一般的な金属および合金、たとえば低炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、銅、真鍮、青銅、白銅、アルミニウム青銅、アルミニウムは、電気伝導率が１５％ＩＡＣＳ以下であるか２５％ＩＡＣＳを上回るかのいずれかである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
新たな貨幣製品または再設計された貨幣製品に対するセキュリティ上の選択肢を増やすための特有の範囲の電磁的特徴がコスト効率のよい金属または合金によって得られる、約１５％から２５％ＩＡＣＳの範囲がある。また、電磁的特徴を既存の貨幣製品と全く同じにできる一層コスト効率のよい亜鉛金属または合金の選択肢は、現在の硬貨識別パラメーターを維持したまま、貨幣市場に一層経済的な解決策を提供できる。
【０００５】
電気市場および電子市場では、材料の電気伝導率の有効範囲が他の特性とあいまって、その材料の利用を制限する場合がある。この有効範囲を拡大することで、既存の使用法での製造しやすさおよび／または製造コストを改善でき、その材料の用途の範囲も拡大できる。現在、圧延亜鉛合金は、自動車用ヒューズ市場において用いられているだけでなく、電磁干渉および無線周波干渉からの遮蔽用やカウンターポイズ接地用でも使用されており、いずれも亜鉛合金の従来の電気伝導率の特性範囲を利用している。圧延亜鉛製品の電気伝導率の現在の有効範囲を拡大すれば、こうした既存の市場で新たな使い方ができるようになるだけでなく、この業界内での別の用途での亜鉛合金の利用範囲も拡大されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
貨幣利益を得ようとして硬貨が破壊および操作されるのを防ぐために、硬貨は本来、それぞれの額面金額より原価を低くすべきものである。亜鉛ベースの合金は、材料そのものが持つ価値がゆえに、それより原価の高い金属より破壊されにくい貨幣を製造するための低原価の卑金属を提供する。
【０００７】
硬貨は、硬貨のデザイン上の特徴、色、大きさ、重さ、形状をはじめとする多くの方法によって、本物として識別可能であるが、それぞれに特有の電磁特性によって識別されることが次第に増えている。これによって、機械での迅速かつ正確な認証が可能になる。これらの特性は、卑金属に固有のものであるか、卑金属とめっきまたはコーティングを施した表面、卑金属とクラッド材料および／またはバイメタル貨系（バイカラー貨）のインクルージョンの組み合わせによって生じるものである。
【０００８】
従来の亜鉛合金よりも電気伝導率が低いため、さらに広くさらに特有の範囲の電磁特性を提供する、一群の新規な亜鉛合金が開発されている。これによって、硬貨における現在のセキュリティ面での選択の幅が広がる。
【０００９】
この亜鉛合金の導電率の新たな範囲が持つ別の利点に、電気市場および電子市場での用途向けに導電率を制御可能な一連の合金がある。この合金は、圧延製品として製造されてもよいし、様々な用途向けの従来のダイカストプロセスで製造されてもよい。
【００１０】
上述したように、現在の圧延亜鉛合金条およびダイカスト亜鉛材料は、導電率の範囲が約２５％から３０％ＩＡＣＳに限られている。このため、貨幣市場と電気市場および電子市場の両方で、その用途が制限されている。本明細書に記載の合金は、圧延亜鉛製品およびダイカスト亜鉛製品の導電率の有効範囲と電磁的特徴を拡大し、現在の市場での利用範囲および新たな市場に向けた用途の拡大を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、マンガンを亜鉛に加えることによる、亜鉛ベースの合金の電気伝導率に対する影響を示すグラフである。
【図２】図２は、マンガンおよび追加の合金化剤を加えることによる、亜鉛ベースの合金の電気伝導率に対する拡大された影響を示す、図１と類似のグラフである。
【図３】図３は、本明細書に記載されるようにして配合されて他の５種類の一般的な貨幣材料と比較された２種類の亜鉛−マンガン合金の電磁的特徴を示す、硬貨選別機から導かれる一連のプロットである。
【図４】図４は、亜鉛−マンガン合金を用いて構成されたヒューズ線を有するブレードヒューズの概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
亜鉛の電気伝導率を低下させるために重量範囲で０．０１〜２．０パーセントのマンガンを含有する、一群の新規な亜鉛ベースの合金が製造されている。これらの合金は、特有の特性を示し、最も顕著なのは、線条として製造される一般的な亜鉛および亜鉛合金よりも低い電気伝導率である。試験した最初の合金は、亜鉛とマンガンの単純な二元組成物であり、その後、他の元素を含有する合金を試験した。すなわち、亜鉛と上述した重量範囲のマンガンとの合金を、０．１重量％〜１．２重量％の量の銅、０．００１重量％〜０．６０重量％の量のアルミニウム、０．０５０重量％〜１．０重量％の量のチタン、０．０００１重量％〜０．０５０重量％の量のマグネシウム、０．０００１重量％〜０．５０重量％の量のカドミウム、０．０００１重量％〜０．５０重量％の量のクロム、０．０００１重量％〜０．５０重量％の量の鉄、０．０００１重量％〜０．５０重量％の量のアンチモンなどの安定剤と組み合わせた。安定とは、亜鉛マンガン合金が、時間が経過して温度条件が変動しても実質的に一定のＩＡＣＳ導電率を維持する機能をいう。変動は、どのようなものであっても「ドリフト」と呼ばれる。
【００１３】
たとえば、マンガンが０．０５重量％〜２重量％で残りが亜鉛である亜鉛マンガン合金に、約０．１重量％〜１．２重量％の量の銅を硬度増加物質として添加できる。チタン、マグネシウム、カドミウム、クロムは、亜鉛マンガン合金の結晶粒を微細化し、導電率のドリフトに耐える金属間化合物を形成する結晶粒微細化剤として機能する。
【００１４】
チタンは、亜鉛マンガン合金における結晶粒微細化剤として機能するだけでなく、鋳放し状態にある亜鉛合金のＩＡＣＳ導電率を低下させる。さらに、合金にチタンを加えることで、マンガンがどのような濃度であっても導電率のドリフトが低減される。チタンの有用な重量範囲は、合金の０．０５重量％〜１重量％である。
【００１５】
試験を行ったところ、これらの新規な合金の導電率はＩＡＣＳの試験結果でＩＡＣＳ１２％〜２５％の範囲になることが示されている。繰り返すが、亜鉛合金は通常ＩＡＣＳが２５％〜３０％の範囲にある。合金の導電率は、亜鉛・マンガン合金系の中に一群の電子的特徴を作り出すための圧延、熱処理、めっきの作業を生むプロセスに基づいて、二次的な影響とともに制御可能である。この導電率の範囲は、一般的な金属からなる通常の市販合金と比較すると特有である。
【００１６】
少量のマンガンを用いて亜鉛ベースの合金の導電率を大幅に調節する機能には、多くの潜在的な用途がある。この合金の特有の導電率空間によって、まず２つの潜在的な用途が提供される。１つ目は、特有の電磁的特徴（ＥＭＳ）を持つ貨幣の製造時における用途である。選別または販売のための硬貨は、多岐にわたる基準によって装置内で識別されることが多い。こうした基準の第一は、明らかにはっきりしており、大きさや重量など通常は同じにすることが容易な物理的パラメーターである。ただし、１以上のめっき層を含んでもよいし含まなくてもよい卑金属からなる硬貨の電磁的特徴は、特有のものである可能性がある。
【００１７】
後に改めて説明するように、この新規な群の低導電率合金の第２の用途は、ヒューズの保護値（所定の故障点におけるアンペア数）が導電率と幾何学形状とによって制御される電子部品市場およびヒューズ市場の中にある。一般に、ヒューズは特定の合金で設計された後、最終的なヒューズ値を制御するために幾何学形状が変更される。低アンペア制御用のヒューズを製造できると望ましいこともあるが、これは、小さな幾何学断面を高信頼度で作製する機能がゆえに複雑になる。導電率を５０％下げた合金は、ヒューズ業界内での製造性を高めることができるであろう。
【００１８】
このように制御された導電率の鍵となる要素は、亜鉛に含まれるマンガンの量に左右されるが、その空間を最も良く制御するために、可能性のある潜在的な合金の全範囲を探る必要がある場合がある。マンガンが０〜２重量％で残りが亜鉛である合金、好ましくはマンガンが０〜１重量％で残りが亜鉛である合金は、導電率が過去に達成されていない範囲になることが見いだされている。この亜鉛−マンガン合金に銅を加えると、０．１〜１．２重量パーセントの範囲で硬度増加物質として機能する。この添加によって、亜鉛中のマンガン含有量による導電率の調整に対する有害作用を伴わずに、硬度が増す。このような亜鉛−マンガン合金の硬度および／または強度を増すグループに入る元素としては、銅、チタン、マグネシウム、アルミニウム、クロム、鉄、アンチモンおよび／またはカドミウムがあげられる。これらの元素も、ＩＡＣＳドリフトを防ぐための安定剤として作用する。
【００１９】
亜鉛とマンガンの鋳造合金は、特定の初期導電率を呈する。圧延してコイルにすると、導電率はＩＡＣＳ基準で約３％から４％高まる。低めの金属温度で圧延するために圧延工程を調整することで、導電率の上昇を約１％から２％ＩＡＣＳまで最小限に抑えることができる。低めのアニーリング温度も、圧延合金の導電率低下に影響することがある。
【００２０】
図１に示すように、マンガンが０．０％から１．０％の範囲にある亜鉛とマンガンのバイナリー合金は、広範囲にわたる導電率を生じる。マンガンの添加は、導電率を下げる傾向にある。しかしながら、圧延作業やめっき作業などの加工条件に変動があると、異なるマンガン濃度で、ある範囲の導電率が生じることがある。図１におけるプロットの下側の境界が鋳放し合金の導電率を示すのに対し、プロットの上側の境界は、約５％ＩＡＣＳのドリフトを生じる華氏約２２０度でのエージング工程後の合金の導電率を示す。亜鉛の導電率に対する顕著な影響は、マンガンが０．０１重量％であるあたりから見られはじめ、マンガンが０．０５重量％ではっきりと認められる。これらの合金は、約０．０１％から最大２％のマンガンと残りの亜鉛とを含有し、より好ましくは、マンガンが０．０５％からマンガンが最大で２％と残りの亜鉛とを含有する。導電率に対する一層望ましい影響は、マンガンが０．０５重量％から１．０重量％と残りが亜鉛のときに達成できる。もちろん、これらの亜鉛−マンガン合金のいずれにも、上述したものなどの追加の安定剤を加えることが可能である。
【００２１】
上述したように、亜鉛−マンガンのバイナリー合金に安定剤を導入して、亜鉛−マンガン合金の電気伝導率をさらに調節することが可能である。図２において観察されるように、たとえば、上述した安定剤のうち２種類を添加することで亜鉛およびマンガンとの四元合金を形成し、導電率の範囲をさらに大きくすることができる。本例では、本明細書に記載の範囲で、本明細書に記載したような亜鉛−マンガン合金に、銅およびチタンを加えた。合金加工条件を変化させて、潜在的な導電率範囲をさらに拡大することが可能である。下側の境界曲線は、ここでも鋳放し合金の導電率を示し、上側の境界は、様々な加工パラメーターおよび合金化剤に基づく合金の導電率を示す。
【００２２】
材料の導電率は、材料の電磁的特徴（ＥＭＳ）の多くのパラメーターにおける強力なドライバーである。スルーアロイ（through-alloy）硬貨またはめっき硬貨用に卑合金の導電率を調節すると硬貨のＥＭＳに影響し、硬貨を他の硬貨またはスラグと区別するのに使用可能な特有のシグナルに向けてドライブすることになる。
【００２３】
代表的な２種類の亜鉛−マンガン合金からブランクを製造し、一般的なトークンダイを用いて鋳貨した。これらのブランクを業界で一般的な硬貨選別機（ScanCoin 4000）に通し、データを、アルミニウム、青銅、白銅、ステンレス鋼材料および低炭素鋼など、貨幣の製造に用いられている他の一般的な卑合金またはスルーアロイ材料と比較した。出力データを図３に示す。これらの変数のうちの１つでも他の材料と異なる、あるいは硬貨の寸法が他の材料と異なりさえすれば、その製品は特有のものであるとみなされる。２つ以上の特徴が異なれば、貨幣製品の安全性が高まる。これらの亜鉛−マンガンベースの合金は、貨幣市場で用いられている、一般に使用される大半の金属と比較して、特有の電磁的特徴を生じることができる。図３のプロットにて丸で囲んだシグナルは、セキュリティ目的で貨幣を区別するのに使用可能な異なるＥＭＳの特徴を強調している。
【００２４】
上述したように、これらの導電率を低下させた合金の第２の用途は、低電圧ブレードヒューズの所定の故障点におけるアンペア数など、構成部品の保護値が導電率および幾何学形状によって制御されることの多い電子部品市場およびヒューズ市場の中にある。ヒューズなどの電子的な構成部品は、特定の合金で設計された後、必要な最終抵抗または導電率値を制御するために幾何学形状が変更されることになる。低アンペア制御に用いられるヒューズの場合、用いられる標準的な亜鉛合金に固有の導電率がゆえに必要な幾何学断面によって、製造性が複雑になる。
【００２５】
ヒューズ１０の概略的な一例を、図４に示す。図中、ブレードの２本の電気リード１２、１４が、これよりも断面積の細い素子１８によって接続されている。素子１８および／またはヒューズ１０全体は、本明細書に記載のどのような亜鉛−マンガン合金からも作製できる。亜鉛−マンガン合金の電気抵抗が高めであるため、素子１８の断面積を大きくして、これよりも小さな従来のヒューズ素子と同じ抵抗を生じることができる。ヒューズ１０および／または素子１８の金属の導電率を下げると、ヒューズの素子の断面積を大きくして、製造時に一助となり得る定格電流を維持することが可能である。また、素子の断面積を大きくすると、性能の一貫性および信頼性を向上させることもできる。
【００２６】
上述した低導電率および特有の電磁的特徴の亜鉛合金は、本発明の多くの可能な実施形態の単なる代表例であり、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるものであることは、当業者であれば自明であろう。
【図３】
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【図４】
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【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
2016529403.tif 000007
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