ES2655612T3

ES2655612T3 - Materiales metálicos con partículas luminiscentes incrustadas

Info

Publication number: ES2655612T3
Application number: ES11728732.6T
Authority: ES
Inventors: Jeffrey L. Conroy; Philip B Forshee; James A. Shearer
Original assignee: Royal Mint Ltd
Current assignee: Royal Mint Ltd
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2018-02-20
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: EP2580374B1; PH12016501949A1; AU2011264736A1; DK2580374T3; BR112012031134A2; US20160032477A1; PH12016501949B1; MX337379B; RS56730B1; PL2580374T3; MX2012014361A; PT2580374T; RU2013100159A; US9567688B2; AU2011264736B2; WO2011156676A2; CA2801418A1; US20140302234A1; US20170106627A1; US20170107637A1

Abstract

Un método para depositar una capa metálica que tiene partículas luminiscentes incrustadas sobre un sustrato metálico, que comprende: mezclar las partículas luminiscentes con un material metálico para producir una solución de chapado; insertar el sustrato metálico en la solución de recubrimiento; y realizar un proceso de recubrimiento para recubrir el sustrato metálico con la capa metálica, en el que la capa metálica contiene partículas luminiscentes incrustadas, en el que el proceso de chapado es un proceso de galvanoplastia y caracterizado porque el proceso de galvanoplastia incluye un barril giratorio en el que está contenido el sustrato metálico cuando se inserta en la solución de recubrimiento; en el que las partículas luminiscentes dispersadas en la solución de chapado se distribuyen físicamente a lo largo de la totalidad de la matriz metálica a medida que se forma la capa a la que se le realizó galvanoplastia.

Description

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DESCRIPCION

Materiales metálicos con partículas luminiscentes incrustadas Campo técnico

Esta invención se relaciona en general con materiales metálicos, y más particularmente a la incrustación de elementos luminiscentes en un objeto metálico, que incluye la acuñación.

Antecedentes

Las partes metálicas, como piezas de automóviles, dispositivos médicos, monedas, etc., son falsificadas regularmente. Esta práctica ilegal es generalizada y tiene un impacto económico negativo en los productores de las partes originales y, lo que es más importante, en los consumidores. Agregar un elemento de seguridad a las partes metálicas mediante el dopado del metal generalmente se limita a la adición de otros elementos metálicos que pueden sobrevivir a la fundición y otros procesos de alta temperatura. Muchos metales y aleaciones usadas en piezas de alto valor, como partes de aeronaves o monedas, están limitados en su variabilidad disponible de la composición, debido a las estrictas especificaciones de las composiciones para lograr otras propiedades requeridas, tales como resistencia o resistencia al desgaste. Alternativamente, las tecnologías disponibles para partes metálicas, tales como pinturas y recubrimientos, códigos de barras grabados u otros elementos de seguridad externos, se eliminan o desfiguran fácilmente.

Algunas partes metálicas (por ejemplo, partes de aviones) se fabrican con tolerancias muy ajustadas y se les hace galvanoplastia para garantizar una superficie lisa durante un tiempo medio prolongado entre fallas. Las partículas inorgánicas (por ejemplo, partículas de carburo de silicio, partículas de nitruro de boro, partículas de diamante, etc.) se pueden codepositar durante el proceso de galvanoplastia para aumentar la capacidad de la capa depositada de volverse más resistentes al desgaste. Además, las partículas con características de lubricación, como grafito o teflón, se pueden agregar en una capa con galvanoplastia para extender la vida útil de una parte metálica.

El documento US 5834065 describe artículos chapados compuestos que tienen propiedades emisoras de luz.

Resumen

Un método de aseguramiento de una parte metálica que no se ha explotado con fines de autenticación es chapar con una capa metálica. Las capas metálicas son típicamente ópticamente densas y, por lo tanto, no son muy adecuadas para transportar materiales de seguridad ópticos (materiales que son ópticamente detectables bajo ciertas condiciones). Los procesos de chapado metálico tampoco son propicios para la codeposición de un material diferente, tal como un material de seguridad óptica. Las realizaciones de la presente invención describen procesos para incorporar elementos de seguridad ópticos que proporcionan protección de seguridad, antifalsificación y/o protección del nombre comercial para objetos que están sujetos a este tipo de acabado. El uso de una matriz metálica para envolver las partículas luminiscentes permite una mejor adhesión a la superficie subyacente, lo que extiende la vida útil de la característica óptica sobre la de una tinta, pintura o barniz. Además, dado que los materiales de seguridad pueden incorporarse a un proceso de fabricación general existente, puede no ser necesario un paso de proceso adicional para aplicar un material de seguridad en un barniz, etc.

Se proporciona un método para depositar una capa metálica que tiene partículas luminiscentes incrustadas sobre un sustrato metálico, que comprende mezclar las partículas luminiscentes con un material metálico para producir una solución de chapado; insertar el sustrato metálico en la solución de chapado; y realizar un proceso de chapado para recubrir el sustrato metálico con la capa metálica, en el que la capa metálica contiene partículas luminiscentes incrustadas, en el que el proceso de chapado es un proceso de galvanoplastia, y en el que el proceso de galvanoplastia incluye un barril giratorio en el que se contiene el sustrato metálico cuando se inserta en la solución de chapado; en el que las partículas luminiscentes dispersadas en la solución de chapado se distribuyen físicamente a lo largo de la totalidad de la matriz metálica a medida que se forma la capa a la que se le realizó galvanoplastia.

También se proporciona un sustrato metálico que comprende una capa metálica a la que se le realizó galvanoplastia sobre el sustrato metálico, la capa metálica a la que se le realizó galvanoplastia que contiene partículas luminiscentes incrustadas, la capa metálica a la que se le realizó galvanoplastia que contiene partículas luminiscentes que se han depositado sobre el sustrato metálico por un método como se describió anteriormente, en el que la capa metálica a la que se le realizó galvanoplastia metal tiene una composición en la que las partículas luminiscentes incrustadas se distribuyen por toda la capa metálica a la que se le realizó galvanoplastia.

Un atributo de las realizaciones de la presente invención es incorporar una característica anti-falsificación inorgánica dentro de una matriz metálica. Otro atributo de las realizaciones de la presente invención es la capacidad de cambiar elementos de seguridad en diferentes etapas de galvanoplastia, que proporcionan la capacidad de detectar diferentes elementos de seguridad en diversas etapas de desgaste de una parte particular. Otro atributo de las realizaciones de la presente invención es un control de un barril de chapado con paradas intermitentes de tiempos variables para mejorar la incrustación de partículas, ya que dicha rotación puede desalojar fácilmente las partículas depositadas de la capa metálica.

La incorporación de una característica de autenticación en superficies metálicas con pinturas, tintas y otros tratamientos superficiales tópicos similares tiene una desventaja de que permiten una eliminación simple de las características de seguridad donde puede requerirse la durabilidad de la característica. Una ventaja de las realizaciones de la presente invención permite que la característica de autentificación se construya esencialmente 5 junto con el recubrimiento metálico y permanezca intacta siempre que el recubrimiento metálico compuesto depositado sea visible, que, en su mayor parte, puede ser la vida útil de la parte. Las realizaciones de la presente invención también permiten que una parte metálica sea más resistente al desgaste debido a la capa compuesta, ya que las partículas cerámicas son mucho más duras que la matriz metálica que se codeposita durante la electrólisis.

Breve descripción de los dibujos

10 La Figura 1 muestra los barridos de emisión de sustratos metálicos (por ejemplo, arandelas metálicas) después del chapado.

La Figura 2 muestra los barridos de emisión de sustratos metálicos antes del chapado.

La Figura 3 muestra una imagen SEM de un sustrato metálico chapado con partículas de fósforo incrustadas, en el que las especificaciones de color claro son material de fósforo.

15 La Figura 4 muestra los espectros de emisión de un sustrato de moneda antes y después del chapado.

La Figura 5 muestra barridos de emisión de fluorescencia de sustratos metálicos en el Experimento 3.

La Figura 6 ilustra realizaciones de la presente invención.

La Figura 7 ilustra realizaciones de la presente invención.

La Figura 8 ilustra un sistema de chapado de barril de acuerdo con las realizaciones de la presente invención.

20 La Figura 9 ilustra un sistema de chapado por inmersión.

La Figura 10 ilustra un sistema de chapado no electrolítico.

La Figura 11 ilustra un proceso de autenticación de acuerdo con realizaciones de la presente invención.

La Figura 12A ilustra un ejemplo de un sustrato con una capa metálica chapada que contiene una distribución de partículas luminiscentes profundamente incrustadas en una porción inferior de la capa metálica chapada.

25 La Figura 12B ilustra un ejemplo de un sustrato con una capa metálica chapada que contiene una distribución de partículas luminiscentes incrustadas en o cerca de la superficie de la capa metálica chapada.

La Figura 12C ilustra un ejemplo de un sustrato con una capa metálica chapada que contiene una distribución de partículas luminiscentes a través de la capa chapada.

Descripción detallada

30 En un proceso de galvanoplastia (también llamado electrodeposición), un ánodo metálico (metal para ser chapado) y un cátodo se conectan a un suministro externo de corriente directa, más comúnmente, un rectificador. El terminal positivo del suministro está conectado al ánodo y el terminal negativo está conectado al cátodo (es decir, el sustrato sobre el que se desea el chapado). Tanto el ánodo como el cátodo se colocan en el baño de chapado que contiene una solución de la sal metálica deseada que va a ser chapada. Cuando se conecta la fuente de alimentación externa, 35 los cationes metálicos de la solución de baño sufren una reducción electrónica (a su estado de valencia cero) en la superficie del cátodo para formar la capa plateada metálica (por ejemplo, Ni+2 —>Ni+0). Al mismo tiempo, el metal de valencia cero, que comprende el ánodo, se somete a una oxidación electrónica mediante la cual se generan iones metálicos, que sirven para reponer el baño de chapado (por ejemplo, Ni+0 --> Ni+2). En consecuencia, los iones metálicos adicionales de la solución de chapado se agregan al sitio metálico que acaba de ser chapado por el mismo 40 mecanismo.

Debido a que el proceso de galvanoplastia ocurre en las superficies de los objetos metálicos, el ion metálico se incorpora a la superficie del sustrato a través de uniones metálicas, que es de magnitudes más fuertes que un recubrimiento aplicado como tinta, pintura o barniz al sustrato metálico. Dichos recubrimiento no crean enlaces metálicos entre los átomos del material de chapado y los átomos del sustrato metálico que se está chapando. Por lo 45 tanto, en realizaciones de la presente invención divulgadas aquí, una capa metálica a la que se le realizo galvanoplastia sobre un sustrato metálico crea un objeto que es estructuralmente diferente de un recubrimiento que se deposita sobre un sustrato metálico como una tinta, pintura o barniz o cualquier otra composición similar. Por lo tanto, una capa metálica a la que se le realizo galvanoplastia sobre un sustrato metálico define una estructura que es diferente a un sustrato metálico con una tinta, pintura o barniz, o cualquier otra composición similar, depositada sobre la misma.

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Las realizaciones de la presente invención divulgan aquí la formación de un elemento de autenticación por deposición sobre un sustrato de una o más capas metálicas con partículas incrustadas, tales como partículas inorgánicas, en la que las partículas incrustadas están configuradas para convertir la energía incidente recibida (excitación) de una longitud de onda a otra, como una primera longitud de onda ultravioleta a una segunda longitud de onda ultravioleta, una longitud de onda ultravioleta a una longitud de onda visible, una longitud de onda infrarroja a una longitud de onda visible, una primera longitud de onda infrarroja a una segunda longitud de onda infrarroja, etc. (aunque las partículas pueden configurarse para emitir la misma longitud de onda de energía que la energía de excitación). Por ejemplo, una capa metálica puede contener partículas de cristal inorgánico distribuidas incrustadas compuestas por fósforos dopados de tierras raras en base a lantánidos que convierten energía de una longitud de onda a otra longitud de onda, por lo que las partículas de cristal inorgánico se ponen en estado excitado al recibir una fuente de energía particular que crea una transferencia de energía que emite fotones de una longitud de onda particular como un subproducto del proceso de conversión de energía. Esta categoría de materiales incluye convertidores ascendentes y convertidores descendentes comunes, tales como óxidos de tierras raras, oxisulfuros, fluoruros, etc. Los expertos en la técnica de materiales compuestos de cerámica entienden cómo estas partículas en estado sólido funcionan como dispositivos de conversión de energía.

Como una aplicación de ejemplo de las realizaciones de la presente invención, se puede poner en tela de juicio la responsabilidad de un fabricante debido a la falla de un componente metálico en la falsificación, artesanía deficiente o control de calidad inadecuado. Un mecanismo de identificación de acuerdo con las realizaciones de la presente invención permite la detección y determinación de la autenticidad del componente metálico, lo que puede exonerar o indicar la responsabilidad de dicho fabricante. En la actualidad, muchos fabricantes han experimentado una mayor responsabilidad debido a la enorme cantidad de piezas falsificadas que son comunes en el mercado actual.

Además, mediante la inclusión de las partículas luminiscentes divulgadas aquí dentro de una capa metálica chapada en acuñación, permite la rápida determinación y autenticación de una multitud de monedas de monedas nominales que se denominan con el fin de frustrar la creciente cantidad de antifalsificación de la moneda de la moneda mundial. Un mecanismo de identificación de acuerdo con las realizaciones de la presente invención se puede aplicar a monedas, tales como aquellas usadas por los casinos para máquinas tragamonedas, las industrias de servicios y recreación, monedas conmemorativas, medallas de prestigio, industrias de tableros de circuitos y de chips de silicio, por nombrar unos pocos.

Los convertidores ascendentes, los convertidores descendentes y los fósforos fosforescentes pueden detectarse y medirse con el equipo analítico apropiado cuando se depositan apropiadamente en una capa de chapado como se describió aquí. La Figura 11 ilustra un ejemplo de un sistema de autenticación y un proceso 1100 de acuerdo con las realizaciones de la presente invención. Una fuente 1101 de iluminación emite longitudes de onda de energía (por ejemplo, luz) 1110 en un sustrato 1102 metálico con una o más capas que tienen las partículas mencionadas anteriormente (o cualquier otra partícula luminiscente divulgada aquí o sus equivalentes), que luego emite energía a una longitud de onda detectada por un detector 1103 óptico. Las partículas pueden configurarse para emitir una o más longitudes de onda de energía deseadas, que pueden estar a una longitud de onda diferente de la energía de excitación. Se puede usar un procesador 1104 de señal y una pantalla 1105 opcional para analizar las señales detectadas y para realizar una determinación de autenticación.

Hay ciertas técnicas de chapado, tales como chapado por inmersión (véase la Figura 9), chapado en bastidor, chapado de barril (véase la Figura 8), y chapado no electrolítico (véase la Figura 10), que se describen aquí. Independientemente del método de chapado usado, una utilización exitosa de materiales ópticos como un método de autenticación en una capa de chapado implica una selección cuidadosa de los tamaños de partícula, la química de chapado, y las condiciones de chapado para llegar a una capa de chapado homogénea que contiene los materiales ópticos. Como se discute adicionalmente aquí, las condiciones que causarían que los materiales de fósforo se depositen demasiado rápido pueden conducir a incrustar los materiales de fósforo bajo una capa de chapado ópticamente opaca, bloqueando así la señal óptica requerida, necesaria para la autenticación. Por el contrario, la deposición de las capas de chapado con capas superficiales ricas en fósforo puede dar como resultado una característica ópticamente buena, pero se vería comprometida por el desgaste o los intentos de eliminar el chapado superficial para atenuar el elemento de autenticación. Las condiciones de chapado que conducirían a una incorporación lenta de materiales de fosforo pueden conducir a cantidades inadecuadas de incorporación de fósforo, nuevamente con una fuerza de señal óptica inadecuada para propósitos de autenticación adecuados. Aquí se divulgan características que dan como resultado ratas de incorporación óptimas de partículas de tamaño apropiado para la autenticación de estos sustratos.

En realizaciones de la presente invención, las capas metálicas pueden depositarse sobre el sustrato para que posean una distribución uniforme de partículas luminiscentes en la matriz metálica chapada (también denominada aquí capa metálica o capa metálica chapada). Esta distribución uniforme de partículas es ventajosa en la medida en que permite la detección de emisiones, y por lo tanto de la autenticidad del producto, a partir de los fósforos luminiscentes durante todo el ciclo de vida del producto chapado. La Figura 12A ilustra un ejemplo de un sustrato 1201 chapado con una capa 1203 metálica chapada que contiene una distribución de partículas 1202 luminiscentes, donde una mayoría sustancial, o todas, de las partículas 1202 están profundamente incrustadas en una porción inferior de la capa 1203 metálica chapada, y como tal, la luz 1110 de iluminación de la fuente 1101 no podrá penetrar en la matriz 1203 metálica para interactuar con (excitar) las partículas 1202 luminiscentes, lo que excluye finalmente la detección 1103 de la

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energía emitida desde las partículas 1202 presentes hacia la porción inferior de la capa 1203. La Figura 12B ilustra un ejemplo de un sustrato 1201 chapado con una capa 1203 metálica chapada que contiene una distribución de partículas 1202 luminiscentes donde una mayoría sustancial, o todas, de las partículas 1202 están incrustadas en o cerca de la superficie de la capa 1203 metálica chapada. Esto permite la detección 1103 de la energía emitida desde las partículas 1202; sin embargo, tras el desgaste de la pieza chapada a lo largo del tiempo, las partículas 1202 se desgastarán junto con la capa 1203 metálica chapada, lo que impedirá la autenticación del producto. La Figura 12C ilustra un ejemplo de un sustrato 1201 chapado con una capa 1203 metálica chapada que contiene una distribución de partículas 1202 luminiscentes de manera sustancial o de manera efectiva a través de la capa 1203 chapada. Como un resultado, a lo largo del ciclo de vida del producto chapado, que incluye el desgaste de la capa 1203 metálica chapada, las partículas 1202 dispuestas en la capa 1203 metálica chapada más cerca del sustrato 1201 quedarán expuestas a medida que la capa 1203 metálica superficial se desgasta, que permite de este modo la autenticación del producto siempre y cuando esté presente cualquiera de la capa 1203 chapada. Los métodos de recubrimiento divulgados aquí producen una distribución deseable de partículas luminiscentes como se ilustra en la Figura 12C, como se verifica en la imagen representativa de SEM de corte transversal de la Figura 3, que muestra dicho sustrato metálico chapado con partículas de fósforo incrustadas, en la que las especificaciones de color claro son material de fósforo.

En realizaciones de la presente invención divulgadas aquí en las que las partículas luminiscentes dispersas en la solución de chapado se distribuyen físicamente a lo largo de la totalidad de la matriz metálica a medida que se forma esta capa a la que se le realizo galvanoplastia, tales partículas deben llegar a la superficie del cátodo para acumularse en el capa metálica chapada y por lo tanto, primero tiene que ser transportadas desde la solución de baño a la superficie del cátodo. Además, cuanto más tiempo una partícula está en contacto con la superficie del cátodo, es más probable que se incorpore en la matriz metálica chapada, lo que finalmente da lugar a mayores ratas de carga de partículas en la capa metálica.

Las propiedades de las partículas luminiscentes usadas para aplicaciones de seguridad son bastante diferentes a aquellas de las partículas mencionadas anteriormente que se usan para resistencia al desgaste o lubricación. Por ejemplo, las densidades de carburo de silicio, nitruro de boro y diamante son aproximadamente 3.2 g/cm3, 2.1 g/cm3y 3.5 g/cm3, respectivamente. De manera similar, las densidades de teflón y grafito son ambas aproximadamente 2.2 g/cm3. Estos materiales son significativamente menos densos que el de una partícula de seguridad luminiscente típica. Por ejemplo, los fósforos en base a óxido de itrio dopado con tierras raras tienen densidades superiores a 5.0 g/cm3, y los fósforos en base a óxido de gadolinio dopado con tierras raras tienen densidades superiores a 7.4 g/ cm3. En parte, debido a las diferencias en densidades entre las partículas de seguridad luminiscentes y la resistencia al desgaste y las partículas de lubricación, los métodos previamente establecidos para incorporar estos materiales menos densos en una capa metálica son en gran medida inefectivos para los materiales de seguridad de este tipo.

Dado que la densidad de las partículas es mayor que la de la solución de baño, en un corto período de tiempo, las partículas se depositarán en el fondo del baño de chapado y, por lo tanto, no estarán disponibles para la incorporación de la superficie del cátodo. Un enfoque para superar este problema es agitar la solución de baño mediante agitación mecánica u otros medios. Sin embargo, demasiada agitación conduce a una disminución de la codeposición de partículas, porque las partículas son arrastradas desde la superficie del cátodo antes de que se acumulen. Además, dado que las partículas luminiscentes usadas en las realizaciones de la presente invención son significativamente más densas que los materiales convencionales usados en los procesos de galvanoplastia (véase la discusión anterior sobre las densidades de tales partículas), éstas requieren significativamente más agitación con el fin de permanecer en suspensión en el baño de chapado. Un aumento en la velocidad de agitación indica que las partículas poseerán una velocidad más alta dentro de la solución y, por lo tanto, un menor tiempo promedio de residencia en la superficie del cátodo. Esto da como resultado una menor probabilidad de que las partículas descansen sobre la superficie del cátodo el tiempo suficiente para que se incorporen en la matriz metálica y, finalmente, un contenido de partículas más bajo en la capa metálica chapada.

Esto presenta un problema en particular para las partes metálicas que están chapadas por métodos de recubrimiento de barril, tal como se ilustra en la Figura 8 y se discute adicionalmente más adelante. Para el recubrimiento de barril, los objetos que se van a chapar (por ejemplo, monedas en bruto) se colocan en un recinto en forma de barril, que tradicionalmente se gira constantemente para asegurar un chapado uniforme en todas las superficies de los objetos. Cuando se intenta incorporar partículas de seguridad luminiscentes en objetos usando técnicas/métodos de chapado de barril establecidos, se incorpora un nivel inferior al deseado de las partículas luminiscentes en la capa metálica como un resultado de la rotación constante del barril y, por lo tanto, el movimiento constante de los objetos chapados. Este movimiento constante de las piezas que se chapean junto con la velocidad de las partículas en suspensión sirve para disminuir drásticamente el tiempo promedio de residencia de las partículas en la superficie del cátodo. Ya que no es deseable disminuir la agitación mecánica de la solución de chapado, dada la alta densidad de las partículas luminiscentes, se descubrió que pausando intermitentemente la rotación del barril de chapado se lograba un mayor tiempo de residencia del cátodo de partículas, lo que resulta en mayores ratas de carga de partículas en la capa a la que se le realizo galvanoplastia. Además, la rata de carga de partículas de la capa metálica chapada se puede controlar a un nivel deseable cambiando la cantidad de tiempo que el barril de chapado está en reposo (véase la discusión experimental y los resultados en la Tabla 1). Por ejemplo, como se discute adicionalmente aquí, detener la rotación del barril durante 4 segundos puede resultar en una menor carga de partículas en la capa metálica que al pausar la rotación del barril durante 16 segundos.

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También es posible controlar este efecto cambiando la rata a la que gira el cilindro, por ejemplo, un barril de chapado que gira constantemente a una rata de 30 o 40 revoluciones por minuto (rpm) dará una menor carga de partículas en la capa metálica en comparación con un barril de chapado que gira a una rata constante que es menor que estas ratas. Además, estos dos conceptos de pausa intermitente de la rotación del barril y cambio de la rata de rotación del barril se pueden combinar para lograr una rata de carga deseada de las partículas luminiscentes altamente densas en toda la capa metálica chapada. Como un resultado, las realizaciones de la presente invención pueden incorporar tales variables en el proceso de rotación para lograr los efectos de deposición deseados.

La Figura 8 ilustra un sistema y proceso 800 para realizar galvanoplastia una capa metálica con partículas luminiscentes incrustadas (por ejemplo, un fósforo de conversión ascendente o cualquiera de las otras partículas divulgadas aquí o sus equivalentes) en objetos 807 metálicos (por ejemplo, partes metálicas, arandelas metálicas, acuñación, etc.). En un primer ejemplo (al que se hace referencia también como "Ejemplo 1"), se añaden partículas de fósforo de conversión ascendente (por ejemplo, aproximadamente 90 g) a una solución electrolítica de cianuro de cobre (por ejemplo, aproximadamente 9 L), comercialmente disponible de Technic, Inc. La solución 801 de recubrimiento resultante se puede calentar (por ejemplo, aproximadamente a 150°F). La solución 801 de chapado puede agitarse mediante un impulso mecánico (no mostrado) o una barra de agitación o bomba 804 de recirculación para mantener las partículas de fósforo de conversión ascendente en una mejor suspensión en la solución 801 de chapado. Los ánodos 802 de cobre sumergidos en la solución 801 de chapado pueden acoplarse a una punta positiva de una fuente 803 de alimentación. Los objetos 807 metálicos (por ejemplo, acero suave, acero inoxidable, cobre, latón, titanio o bronce) pueden limpiarse y colocarse en un barril 806 de chapado, que puede conectarse a la otra punta de la fuente 803 de alimentación. Las dimensiones de los objetos 807 se pueden registrar para determinar el área apropiada metálica que se va a chapar. Por ejemplo, el área de una arandela 807 de cobre puede ser de 1.25 pulgada2. Para chapar diez arandelas 807 de cobre a 25 a.s.f. (amps/pie2), la fuente 803 de alimentación se puede configurar para suministrar 2.2 amperios de corriente. Una vez que la solución 804 se energiza, comienza el proceso de chapado. Además, el barril 806 de chapado, que típicamente puede girar a 30 rpm, puede modificarse para girar a diferentes velocidades y/o en intervalos intermitentes a través de controles a su motor 805. Por ejemplo, el barril 806 puede girarse durante 4 segundos y se detuvo durante 16 segundos (se pueden usar otros ciclos intermitentes alternativos, tales como girar durante 16 s y pausar la rotación durante 64 s). Esta modificación del proceso permite que las partículas de fósforo se adhieran mejor a la superficie del sustrato 807 metálico a medida que el cobre que se aplica a través de la galvanoplastia se acumula alrededor de las partículas. Si se permitiera que el barril 806 de chapado girara continuamente (es decir, sin detenerse de manera intermitente), la mayoría de las partículas de fósforo se desalojarían de los objetos 807, y el contenido global de las partículas de fósforo en las superficies chapadas se puede minimizar, si no eliminar completamente. Después de un período de tiempo (por ejemplo, 60 minutos) bajo estas condiciones, el proceso puede completarse. Los espectros de emisión de los objetos 807 antes y después de tales ejemplos de chapado se recogieron para diferentes procesos, en los que acero inoxidable, bronce, acero, cobre, titanio y latón se chaparon por separado con partículas de fósforo. Los espectros de emisión se recogieron (tal como con un sistema 1100) en un espectrofluorómetro Horiba FluoroLog-3. La Figura 2 muestra gráficas de tales espectros de emisión antes del proceso de chapado que indican claramente que no hay señales detectadas por el detector 1103 en respuesta a la excitación con energía 1110 por una fuente 1101 de iluminación. La Figura 1 muestra gráficas (que pueden mostrarse en una pantalla 1103) de tales espectros de emisión después de cada uno de los procesos de chapado, que indican claramente chapados exitosos de cada una de las capas metálicas con las partículas de fósforo incrustadas, ya que cada una exhibió una emisión de energía detectada por el detector 1103 en respuesta a la iluminación 1110 por la fuente 1101.

Con referencia nuevamente a la Figura 8, en otro ejemplo, se pueden agregar aproximadamente 90 gramos de fósforo UV-Red (disponible comercialmente de Nemoto & Co., LTD) a aproximadamente 9 litros de solución electrolítica de cianuro de cobre/zinc disponible comercialmente de Technic, Inc. La temperatura de la solución 801 resultante se puede llevar a aproximadamente 165°F. La solución 801 puede agitarse mediante un impulso o agitador mecánico o una bomba 804 para mantener las partículas de fósforo de conversión descendente en una suspensión satisfactoria. Ánodos 802 de latón sumergidos en la solución 801 de chapado se pueden acoplar a la punta positiva de la fuente 803 de alimentación. Las arandelas 807 de bronce se pueden limpiar y colocar en un barril 806 de chapado. Las dimensiones de las arandelas se pueden registrar para determinar el área adecuada del metal que se va a chapar. En este ejemplo, el área de una arandela 807 de bronce era 1.25 pulgada2. Para chapar diez arandelas 807 de bronce a 25 a.s.f., la fuente 803 de alimentación se puede configurar para suministrar 2.2 amperios de corriente. Una vez que la solución 801 se energiza, comienza el proceso de chapado. En este ejemplo, el barril 806 puede rotar durante 4 segundos y detenerse durante 16 segundos (se pueden usar otros ciclos intermitentes alternativos, tal como girar durante 16 s y pausar la rotación durante 64 s). Esta modificación del proceso permite que las partículas de fósforo se adhieran mejor a la superficie del sustrato metálico ya que el latón que se aplica a través de la galvanoplastia se está acumulando alrededor de las partículas. Después de aproximadamente 60 minutos bajo estas condiciones, el enchapado se detiene. Para el análisis de las arandelas 807 chapadas, se recogieron los espectros de fluorescencia de una arandela en blanco antes del chapado y una arandela posterior al chapado. Los espectros de fluorescencia se obtuvieron (tal como con un sistema 1100) en un espectrómetro Ocean Optics USB4000 (1103, 1104), mientras que la iluminación 1110 se suministró mediante una lámpara 1101 UV de onda corta portátil (comercialmente disponible de Entela MineralLight, No. de Modelo de Lámpara UVGL- 58). Como se muestra en la Figura 5, el registro 1105 de espectros de la arandela chapada fue consistente con el del fósforo en bruto, mientras que la arandela en blanco antes del chapado no mostró una fluorescencia apreciable.

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Se llevó a cabo una serie de experimentos para determinar los parámetros óptimos para las realizaciones de los procesos de chapado electrolítico divulgados aquí. Con referencia a la Figura 8, se preparó inicialmente una solución 801 de chapado electrolítico de cianuro de cobre por el Ejemplo 1 sin ningún fósforo de seguridad. Se chaparon cincuenta monedas 807 en blanco (por ejemplo, 17 milímetros (mm) de diámetro, 2 mm de espesor) en cada experimento. Las variables (parámetros) probadas incluyeron: (1) carga o concentración de fósforo en la solución 801 de chapado (5, 10 y 15 g/L); (2) rata de rotación del barril 806 y cualquier intermitencia o pausa de rotación (caída constante de 30 rpm sin pausa de la rotación, 4 segundos de caída (a 30 rpm)/16 segundos de pausa de la rotación, y 16 segundos de caída (en 30 rpm)/64 segundos de pausa de rotación); y (3) densidad de corriente (10, 20 y 30 a.s.f.) de la fuente de alimentación 803. Para todos los ejemplos, el proceso 800 se realizó para obtener un espesor de chapado en las monedas 807 en blanco entre 30 mm y 50 mm. Para estos experimentos, se usó un fósforo oxisulfuro de tierras raras de conversión ascendente, de IR a verde aunque se obtendrían resultados similares para las otras partículas luminiscentes divulgadas aquí y sus equivalentes. Los espectros de emisión se recogieron e integraron (tal como con los dispositivos 1103, 1104) bajo condiciones similares a las del primer ejemplo. La intensidad de señal promedio (energía 1103 detectada como emitida por las partículas incrustadas en respuesta a la iluminación o excitación 1110 de una fuente 1101) para una serie de 10 monedas 807 para cada experimento (ambos lados, es decir, como se muestra en la Figura 6, tales capas 602, 604 metálicas con partículas 603, 605 luminiscentes integradas pueden depositarse en todos los lados de un sustrato 601 metálico) se informa en la Tabla 1.

Tabla 1

Experimento No.: Carga de fósforo (g/L) Densidad actual (a.s.f.) Rata de rotación/Intermitencia Intensidad de señal (10 monedas promedio)

1: 0 30 Constante 0

2: 5 30 16 s/64s 1549

3: 10 30 16 s/64s 2429

4: 15 30 Constante 56

5: 15 30 4s/16s 194

6: 15 10 16 s/64s 2085

7: 15 20 16 s/64s 3419

8: 15 30 16 s/64s 4201

Lo que estos experimentos indican es que aunque la carga de fósforo en la solución de chapado y la densidad de corriente tiene un efecto sobre la intensidad de la señal, se obtiene un efecto mayor que resulta del uso del proceso de rotación intermitente. En todos los experimentos, la uniformidad y el brillo del acabado metálico en las monedas en blanco superaron los criterios aceptables. Este no es un resultado esperado, ya que un proceso de rotación constante típicamente conduciría a un mejor chapado de los objetos.

Para comparación, la Figura 9 ilustra un proceso y sistema 900 de chapado por inmersión o gradilla, similar al proceso y sistema 800, con los elementos 901-904 y 907 etiquetados configurados y usados de manera similar a los elementos 801-804 y 807 etiquetados, aunque sin usar un barril 806 giratorio.

Para comparación, la Figura 10 ilustra un sistema y proceso 1000 para chapado no electrolítico de una capa metálica con partículas luminiscentes incrustadas (por ejemplo, un fósforo de conversión ascendente o cualquiera de tales otras partículas divulgadas aquí o sus equivalentes) sobre los objetos 1002. Como un ejemplo no limitante, se pueden agregar sulfato de níquel (II) (10.5 gramos (g)), hipofosfito de sodio (12 g), ácido láctico (10 mililitros (mL)), ácido propiónico (1.5 mL), acetato de plomo (II) (3 partes por millón (ppm)), y partículas de fósforo de conversión ascendente (por ejemplo, IR-Blue) (2 g) a aproximadamente 500 mL de agua destilada para producir una solución 1001 de chapado. En su lugar, pueden usarse otros materiales equivalentes. La solución 1001 de recubrimiento puede agitarse mediante un agitador 1004 magnético y una barra 1003 de agitación magnética (por ejemplo, a aproximadamente 170 revoluciones por minuto (rpm)) para mantener una suspensión satisfactoria de las partículas de fósforo en la solución 1001. El agitador magnético puede incorporar una placa 1004 de calentamiento para calentar la solución 1001. A la solución 1001 se pueden añadir 1002 objetos metálicos para ser chapados (por ejemplo, monedas en blanco de acero recubiertas de níquel (sustratos)); después de sumergirse en la solución 1001 (por ejemplo, durante aproximadamente 2 horas), los objetos 1002 se retiran y se pueden lavar con agua destilada. Para el ejemplo indicado, se realizó un análisis (tal como con un sistema 1100) en un espectrofluorómetro Horiba FluoroLog-3, la Figura 4 muestra los espectros de emisión del sustrato 1002 de la moneda antes y después del chapado. Antes del proceso de chapado no había energía emitida por el sustrato de moneda 1002 en respuesta a la excitación por una fuente 1101 de energía (iluminación), mientras que una respuesta de energía significativa se muestra en el gráfico debido a la energía emitida por las partículas de fósforo de conversión ascendente incrustadas en el capa metálica chapada sobre el sustrato 1002 de monedas, que indica un proceso de chapado exitoso de las partículas de fósforo incrustadas.

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Algunas realizaciones de la presente invención aplican múltiples capas metálicas a las que se les realizó galvanoplastia a un sustrato metálico donde cada capa contiene partículas que emiten a diferentes longitudes de onda de las partículas en las otras capas, lo que permite determinar una cantidad de desgaste de acuerdo con la longitud de onda de luz que se detecta. Cualquiera de los procesos divulgados aquí se puede usar para depositar tales múltiples capas.

Por ejemplo, con referencia a la Figura 7, una parte 701 metálica (sustrato) puede contener dos o más capas 702, 704 metálicas (por ejemplo, níquel) separadas (por ejemplo, cada 10 pm de espesor) con partículas 703, 705 inorgánicas (por ejemplo, fósforo) incrustadas que emiten energías a dos o más longitudes de onda diferentes cuando se excitan apropiadamente. Una capa 702 superficial más externa puede contener partículas 703 que emiten energía a una primera longitud de onda (por ejemplo, 480 nm). Una segunda capa 704 puede contener partículas 705 que emiten energía a una segunda longitud de onda (por ejemplo, 545 nm). Inicialmente, la capa 702 superficial más externa emitiría su energía de 480 nm hasta que la primera capa 702 superficial de 10 pm esté suficientemente desgastada, que permite que la segunda capa 704 de 10 pm emita energía a 545 nm cuando se excita apropiadamente. Cuando esta capa 704 está suficientemente desgastada, revelará el sustrato 701 (o, alternativamente, otras capas metálicas con partículas adicionales incrustadas). Lo anterior puede indicar a un usuario que la parte metálica debe ser reemplazada o revestida. Por ejemplo, un usuario puede desear reemplazar o revestir una parte cuando puede ser excitada con una energía que hace que se detecte la longitud de onda de 545 nm de energía. Dichas realizaciones de la presente invención no están limitadas a estos espesores de capa, longitudes de onda, y/o números de capas particulares.

Se han descrito un número de realizaciones de la invención. Sin embargo, se entenderá que se pueden hacer diferentes modificaciones sin apartarse del alcance de la invención como se definió en las reivindicaciones. Por ejemplo, los periodos de rotación de barril pueden comprender cualquier variación de los periodos de tiempo donde el barril se rota y el barril no se rota, y tales periodos de rotación y pausa de la rotación pueden ser rotaciones del barril a diferentes velocidades entre sí. Por ejemplo, pausar la rotación puede ser sustituido con velocidades de rotación más lentas, que incluyen velocidades muy lentas, para lograr las variables de posición deseadas. Por consiguiente, otras realizaciones están dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un método para depositar una capa metálica que tiene partículas luminiscentes incrustadas sobre un sustrato metálico, que comprende:

mezclar las partículas luminiscentes con un material metálico para producir una solución de chapado; insertar el sustrato metálico en la solución de recubrimiento; y

realizar un proceso de recubrimiento para recubrir el sustrato metálico con la capa metálica, en el que la capa metálica contiene partículas luminiscentes incrustadas, en el que el proceso de chapado es un proceso de galvanoplastia y caracterizado porque el proceso de galvanoplastia incluye un barril giratorio en el que está contenido el sustrato metálico cuando se inserta en la solución de recubrimiento;

en el que las partículas luminiscentes dispersadas en la solución de chapado se distribuyen físicamente a lo largo de la totalidad de la matriz metálica a medida que se forma la capa a la que se le realizó galvanoplastia.
2. El método como se recitó en la reivindicación 1, en el que el proceso de galvanoplastia comprende rotar el barril en una base intermitente mientras que la capa metálica se le realiza galvanoplastia sobre el sustrato metálico.
3. El método como se recitó en la reivindicación 2, en el que la base intermitente es una rotación del barril durante uno o más períodos de tiempo que son menores que los periodos de tiempo en que el barril no rota.
4. El método como se recitó en la reivindicación 3, en el que el uno o más períodos de tiempo son cada uno aproximadamente 25% de cada uno de los períodos de tiempo en los que el barril no rota.
5. El método como se recitó en la reivindicación 1, en el que las partículas luminiscentes son seleccionadas de fósforos en base a óxido de itrio dopado con tierras raras que tienen una densidad superior a 5.0 g/cm3 y fósforos en base a óxido de gadolinio de tierras raras que tienen densidades superiores a 7.4 g/cm3.
6. El método de la reivindicación 1, en el que las partículas luminiscentes incrustadas se depositan en todos los lados del sustrato metálico.
7. Un sustrato metálico que comprende una capa metálica a la que se le realizó galvanoplastia sobre el sustrato metálico, la capa metálica a la que se le realizó galvanoplastia que contiene partículas luminiscentes incrustadas, la capa metálica a la que se le realizó galvanoplastia que contiene partículas luminiscentes que se han depositado sobre el sustrato metálico mediante un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la capa metálica a la que se le realizó galvanoplastia tiene una composición en la que las partículas luminiscentes incrustadas se distribuyen a lo largo de la capa metálica a la que se le realizó galvanoplastia.
8. El sustrato metálico de la reivindicación 7, en el que las partículas luminiscentes incrustadas tienen una composición configurada para emitir energía que comprende una segunda longitud de onda cuando se excita mediante energía que comprende una primera longitud de onda.
9. El sustrato metálico de la reivindicación 8, en el que la capa metálica a la que se le realizó galvanoplastia se selecciona del grupo que consiste en níquel, níquel-fósforo, cobre, latón, oro, plata y platino.
10. El sustrato metálico de la reivindicación 9, en el que el sustrato metálico se selecciona del grupo que consiste en cobre, latón, bronce, acero suave, acero inoxidable y titanio.
11. El sustrato metálico de la reivindicación 9, en el que el sustrato metálico es una moneda negociable.
12. El sustrato metálico de la reivindicación 7, que comprende otra capa metálica a la que se le realizó galvanoplastia que contiene partículas luminiscentes incrustadas de una composición diferente a las partículas luminiscentes incrustadas anteriores.