DE2362895A1 - Schneidwerkzeug und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Schneidwerkzeug und verfahren zu dessen herstellung

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Description

Die Herstellung von Schneidwerkzeugen durch Schärfen eines Metallstückes ist eine alte Technik. Typischerweise wird das Werkzeug aus einem kristallinen Metall hergestellt, das in die erwünschte Form gebracht wird, worauf dann eine Kante zu einer verminderten Dicke geschliffen wird.
Es wurde erkannt, daß die Eigenschaften und damit die Brauchbarkeit des Blattes durch die Form der Kanten und durch die Eigen-· schäften der Substanz, aus der das Blatt hergestellt wurde, bestimmt werden. Diese Eigenschaften hängen allgemein von der Bearbeitung des Metalles und seiner chemischen Zusammensetzung ab,
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Wissenschaftliche Forscher haben demonstriert, daß es möglich ist, feste, amorphe Metalle für bestimmte Legierungszusammensetzungen zu erhalten, und wenn hier der Ausdruck "amorph" verwendet wird, bedevtet er "fest amorph". Eine amorphe Substanz ist allgemein als eine nichtkristalline oder glasartige Substanz gekennzeichnet. Bei der Unterscheidung einer amorphen Substanz von einer kristallinen Substanz werden allgemein zweckmäßig Beugungsmessungen verwendet.
Ein amorphes Metall ergibt ein Beugungsprofil, das langsam mit dem Beugungswinkel variiert und qualitativ ähnlich dem Beugungsprofil einer Flüssigkeit oder von gewöhnlichem Fensterglas ist. Beispielsweise ist Fig. 1 der erste Peak der Beugungsintensität
1 als eine Funktion des Beugungswinkels 2 θ für amorphes Fe.-Ni .-^-Β,, wie man ihn mit einem Röntgenstrahlen-Beugungsmesser mit MoK ^C -Strahlung erhält. Ein solches Beugungsbild ist typisch für amorphe Metalle. Andererseits zeigt Fig. 2 die Beugungsintensität I als eine Funktion des Beugungswinkels 2 θ für polykristallines Fe40Ni4 P1^6 über dem gleichen Bereich von
2 Θ. Diese schneller variierende Intensität ist typisch für kristalline Materialien.
Diese amorphen Metalle befinden sich in einem metastabilen Zustand. Beim Erhitzen auf eine ausreichend hohe Temperatur kristallisieren sie unter Entwicklung einer Kristallisationswärme, und das Beugungsprofil ändert sich von einem solchen mit glasartigen oder amorphen Eigenschaften zu einem mit kristallinen Eigenschaften.
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Außerdem kann zweckmäßig Obertragungs-Elektronenmikrografie und Elektronenbeugung verwendet werden, um zwischen dem amorphen und dem kristallinen Zustand zu unterscheiden.
Es ist möglich, ein Metall zu produzieren, das ein zweiphasiges Gemisch des amorphen und des kristallinen Zustandes ist. Die relativen Anteile können von vollständig kristallin bis vollständig amorph variieren. Ein amorphes Metall, wie es hier verwendet wird, bezeichnet ein Metall, das primär amorph ist, aber auch einen kleinen Anteil des vorhandenen Materials als eingeschlossene Kristallite haben kann.
Für eine geeignete Zusammensetzung ergibt ein geeignetes Bearbeiten ein Metall im amorphen Zustand. Ein typisches Verfahren ist jenes, die geschmolzene Legierung sich in Berührung mit einem festen Metallsubstrat, wie Kupfer oder Aluminium, dünn ausbreiten zu lassen, so daß das geschmolzene Metall seine Wärme an das Substrat verliert.
Wenn die Legierung bis zu einer Dicke von etwa 0,005 cm (etwa 0,002 Zoll) ausgebreitet wird, erhält man Kühlgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10 °C/sec. Siehe beispielsweise R. C. Ruhl, Mat. Sei. & Eng. 1, Seite 313 (1967), wo die Abhängigkeit von Kühlgeschwindigkeiten von den Bedingungen einer Verarbeitung des geschmolzenen Metalles diskutiert ist. Für eine Legierung geeigneter Zusammensetzung und für eine ausreichend hohe Kühlgeschwindigkeit ergibt ein solches Verfahren ein amorphes Metall. Jedes - Verfahren, das eine geeignet hohe Kühlgeschwindigkeit liefert, kann verwendet werden. Erläuternde Beispiele von Verfahren,
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die benutzt werden können, um die amorphen Metalle herzustellen, sind die rotierenden Doppelwalzen, die von H. S. Chen und C. E. Miller, ReV. Sei. Instrum., 41, Seite 1237 (1970) beschrieben sind, und die Methode mit rotierendem Zylinder, die von F. Pond Jr. und R. Maddin, Trans. Met. Soc, AIME 245, Seite 2475 (1969) beschrieben ist.
Stattdessen kann eine Niederschlagsmethode verwendet werden, um. ein amorphes Metall zu produzieren. Zwei solcher Methoden sind
Bedampfen und Zerstäuh-ung. Beim Bedampfen wird das niederzuschlagende Metall in ein Hochvakuum gegeben und auf eine Temperatur erhitzt, bei der der Dampfdruck des Metalles wenigstens 10 mm Hg beträgt. Dieser Dampf wird dann auf ausreichend kalten Oberflächen, die dem Dampf ausgesetzt sind, zum festen Zustand konden siert. Bei der Metallzerstäubung werden das niederzuschlagende Metall und das Substrat, auf dem das Metall niedergeschlagen werden soll, in ein Teilvakuum gegeben, gewöhnlich in der Größenordnung von 1 mm Hg. Ein hohes Potential wird zwischen einer Elektrode und dem niederzuschlagenden Metall angelegt, und die durch das hohe Potential erzeugten gasförmigen Ionen treffen auf die Oberfläche des Metalles, mit ausreichender Energie, um zu bewirken, daß Atome aus dem Metall in die Dampfphase eintreten. Diese Atome kondensieren dann auf den dampf-ausgesetzten Oberflächen zum festen Zustand. Sowohl das Bedampfen als auch die Metallzerstäubung sind im einzelnen in Handbook of Thin Film Technology, L. I. Maissei und R. Glang, McGraw Hill, 1970, beschrieben. In ähnlicher Weise kann chemisches (nichtelektrisches) oder elektrisches Niederschlagen einer geeigneten Legxerungszusammensetzung
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aus einer Lösung zu einer amorphen Legierung führen.
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, Schneidwerkzeuge zu bekommen, die aus einem amorphen Metall begehen oder mit einem solchen überzogen sind. Weitere Ziele und Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung offenbar.
Eine Klasse von Schneidwerkzeugen, die von besonderem Interesse ist, enthält typischerweise Sicherheitsrasierklingen. Ein Streifen oder Bogen aus einem amorphen Metall mit einer Dicke von etwa 0,025 bis 0,125 mm kann so geschärft werden, daß man eine Rasierklinge erhält, Eine weitere Behandlung, wie die Aufbringung eines kristallinen oder amorphen Metallüberzuges durch Metallzerstäubung oder die Aufbringung eines Fluorkohlenstoffüberzuges kann angewendet werden, um fertige Klingen zu produzieren.
Es wurde nun gefunden, daß amorphe Metalle ausnehmend gut geeig·· net sind für die Verwendung für Rasierklingen, da Zusammensetzungen mit großer Härte, Streckbarkeit, hoher Elastizitätsgrenze und guter Korrosionsbeständigkeit ausgewählt werden können. Ausserdem sind diese amorphen Metalle homogener als gewöhnliche kristalline Materialien, für die Abmessungscharakteristik der geschärften Kante einer Rasierklinge. Größere Härte und bessere Korrosionsbeständigkeit als bei den derzeit verwendeten Klingen aus rostfreiem Stahl können erreicht werden..
Streifen, aus denen die Klingen gemacht werden, können nach irgendeiner von verschiedenen Methoden erhalten werden. Am zweckmäßigsten
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ist das Abschrecken eines kontinuierlichen Streifens aus der Schmelze, wie beispielsweise durch Verwendung eines.Paares rotierender Walzen oder durch Aufspritzen des geschmolzenen Metalles auf die Außenseite eines sich schnell drehenden Zylinders.
Außerdem können Rasierklingen hergestellt werden, die aus geschärften Klingen aus" kristallinem oder amorphem Metall mit einem auf der Kantenspitze, beispielsweise durch Metallzerstäubung, niedergeschlagenen amorphen Metallfilm bestehen.
Weiterhin kann eine Klinge durch Schärfen hergestellt werden, nachdem der amorphe Metallüberzug auf einem kristallinen Substrat, beispielsweise durch Metallzerstäubung oder Bedampfen, aufgebracht wurde,
Schneidblätter, wie gewöhnliche Messer, können auch mit einem amorphen Metallüberzug, beispielsweise durch Metallzerstäubung oder Elektroablagerung, hergestellt v/erden, um die Eigenschaften der Oberfläche zu verbessern.
Andere Schneidblätter als Raslerklingen können auch durch Schärfen eines amorphen Metallstreifens oder -bogens gewonnen werden. Außerdem könnte auch eine Sandwichkonstruktion, worin das amorphe Metall zwischen zwei Schichten eines weicheren Materials gehalten wird, benutzt werden, um Schneidblätter herzustellen.
Es wurde gefunden, daß Metallegierungen, die teilweise amorph sind, manchmal auch die erwünschten Eigenschaften großer Härte,
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großer Festigkeit, hoher Elastizitätsgrenze und großer Streckbarkeit besitzen, welche man mit dem vollständig amorphen Zustand erreichen kann. Diese Legierungen können aus verschiedenen möglichen Gründen ein Gemisch des amorphen und kristallinen Zustands sein. Die Zusammensetzung kann eine solche sein, die bei erhältlichen Abschreckgeschwindigkeiten oder Niederschlags™ parametern keine insgesamt amorphe Substanz ergibt, oder es kann eine relativ niedrige Abschreckgeschwindigkeit verwendet worden sein, oder es kann ein Teil der Probe bei einer Hitzebehandlung der Probe erneut kristallisiert haben. Ein typisches Röntgenstrahlenbeugungsbild für ein solches amorph-kristallines Gemisch ist in Fig. 3 gezeigt. Es ist eine überlagerung oder Summierung eines amorphen Beugungsbildes mit einem kristalinen Beugungsbild. Die Auflösung der beiden Beugungsbilder und die Messung der relativen integrierten Intensitäten zeigt die ungefähren relativen Prozentsätze der beiden Strukturen. Außerdem kann auch übertragungs-Elektronenmikrografie und Elektronenbeugung benutzt werden, um den Prozentsatz jeder Phase zu schätzen. Außerdem ist die gemessene Kristallisationswärme proportional zu dem amorphen Anteil.
Die oben beschriebenen Gegenstände können aus einem solchen amorphkristallinen Gemisch hergestellt werden, worin die kristalline Fraktion oder der kristalline Anteil weniger als 50% beträgt.
In der Zeichnung erläutert Fig. 1 die Beugungsintensität eines amorphen Fe,QNi P .Bg-Metalles,
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Fig. 2 die Beugungsintensität eines kristallinen Fe4oNi4oPi4B6~" Metalles, und
Fig. 3 ist ein RöntgenstrahlenbeugungsbiId für eine teilweise kristalline Metallegierung von Ni77P14BgAl3.
Nach der vorliegenden Erfindung kan-n ein amorpher Metallstreifen unter Bildung von Rasierklingen ausgezeichneter Kanteneigenschaften, nämlich hoher Beständigkeit gegen mechanische Verletzung und überlegener Korrosionsbeständigkeit, geschärft werden. Bei der Herstellung kann beispielsweise ein amorpher Metallstreifen, der 0,05 mm dick und etwa 6 mm breit ist, an einer Kante geschärft und dann auf Längen von etwa 4,5 cm (1,75 Zoll) zerschnitten werden. Stattdessen können auch Streifen größerer Breite an beiden Kanten geschärft werden.
Es können Streifen zahlreicher verschiedener Legierungszusammensetzungen für Rasierklingen verwendet werden. Die bevorzugten Legierungen bestehen hauptsächlich aus Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom, Vanadin und Gemischen hiervon. Legierungen, die nach der Erfindung besonderes Interesse besitzen, sind £ne der allgemeinen Formel
M3X , worin M irgendeine Kombination von Ni, Fe, Co, Cr und/oder a b
V sein kann, X Elemente, wie P, B, C, Si, Al, Sb, Sn, In, Ge und/ oder Be bedeutet und "a" und "b" die Atomprozente bedeuten, wobei "a" allgemein im Bereich von 90 bis 65 Atomprozenten und "b" im Bereich von 10 bis 35 Atomprozenten liegt. Vorzugsweise variiert "a" von etwa 84 bis 73 Atomprozenten, während "b" von etwa 16 bis 27 Atomprozenten variiert.
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Beispiele einiger der bevorzugten Zusammensetzungen sind
Ni75P16B6A13; Ni5OFe28Pl4B6A12? Cr24Pe24Ni30Pl4B4C2Si2?
Fe38Cr38Pl5C4B2Al3; Fe4ONi4OP14B6 Und Fe3OC°2OCr28Pl4B6Al2·
Die normalerweise in Stählen verwendeten Legierungselemente,
wie Mo, Mn, Ti, W und Cu, können auch in diesen Zusammensetzungen als Teilersatz für eines der Metalle Ni, Fe, Cr, Co und V
eingeschlossen werden. Beim Ersatz der letzteren durch die ersteren wird vorzugsweise nicht mehr als etwa 1/3 der letzteren Metalle in Atomprozenten durch die ersteren ersetzt.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, ein
Metallsubstrat mit einer amorphen Metallschicht, wie beispielsweise durch Metallzerstäubung eines dünnen Filmes (etwa 50 bis
300 8 dick) aus einem Metall, das zu wenigstens 50% amorph ist, auf der Kante einer bereits geschärften amorphen oder kristallinen Rasierklinge zu überziehen. Die allgemeinen Zusammensetzungen solcher Überzugslegierungen sind im wesentlichene jene, die oben in Verbindung mit den amorphen Streifen aufgeführt wurden. Bevorzugte Überzugszusairanensetzungen sind beispielsweise
Cr8OP15B5' Fe2OCr6OP2O? Cr65Ni10P15Si10 Und Cr77Pl3B5SV
Noch eine andere Ausführungsform besteht im Niederschlagen eines amorphen Überzuges der oben allgemein aufgeführten Zusammensetzungen auf verschiedenen Messerschmiedewaren. Beispielsweise kann
eine Zusammensetzung, wie Ni80P20 elektrisch auf einem geformten Gegenstand, wie einem Messer, niedergeschlagen werden, oder statt-
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dessen kann eine Zusammensetzung, wie Crg-Ni.-P B5,darauf durch Metallzerstäubung aufgebracht werden.
Durch die folgenden Beispiele wird die Erfindung weiter erläutert. Diese Beispiele beschreiben jedoch im einzelnen bestimmte bevorzugte Verfahrensbedingungen und/oder Materialien und/oder Mengenverhältnisse und dienen vorwiegend zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung, nicht aber zu deren Beschränkung. Teile sind als Atomprozentteile ausgedrückt, wenn nichts anderes ausdrücklich angegeben ist.
Beispiel 1
Eine geschmolzene Legierung der Zusammensetzung Ni48Fe30P14BgAl2 einer Temperatur von 1050°C wird unter Verwendung der rotierenden Doppelwalzenapparatur, die von Chen und Miller in Rev. Sei.
Instrum. 41, Seite 1237 (1970) beschrieben ist, zum amorphen Zu-
stand abgeschreckt. Ein Argondruck von 0,56 kg/cm (8 psi) wird verwendet, um das geschmolzene Metall durch eine öffnung von 0,25 mm (0,010 Zoll) im Boden einer gesinterten Kieselsäureröhre in den Spalt der beiden Doppelwalzen mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Länge von 7,5 cm zu spritzen, welche sich auf Raumtemperatur befinden und mit etwa 1400 U/min rotieren. Eine Kraft von etwa 450 kg (100 Pfund) wird angewendet, um die Walzen gegeneinander zu drücken. Das geschmolzene Metall wird so zu einem Band mit einer Dicke von 0,05 mm aus amorphem Metall der gleichen Zusammensetzung abgeschreckt. Die Kante des Bandes wird so abgeschert, daß man eine gerade Kante erhält, und eine Schneidkante
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wird an der abgescherten Kante des Streifens in beim Schärfen von Rasierklingen üblicher Weise geschliffen und gewetzt. Bei dem Schärfen wird Vorsorge getroffen, daß kein Teil des Metallstreifens eine Temperatur oberhalb 34O°C erreicht. Die Streifen werden auf die erwünschte Länge für die einzelnen Klingen zerschnitten. Die Klinge kann in dieser Form schon verwendet werden. Sie kann aber nach dem Schärfen noch weiter behandelt werden, wie durch Niederschlagen eines amorphen oder kristallinen Metallfilmes von etwa 150 8 auf der Schneidkante. Dieser überzug kann durch Metallzerstäubung oder Bedampfen aufgebracht werden, wie in dem oben erwähnten Artikel von Maissei und Glang beschrieben ist. Auch kann ein Fluorkohlenstoffüberzug aufgebracht werden, wie in der USA-Patentschrift 3 071 856 beschrieben ist, wobei wieder-um dafür Sorge getragen wird, daß eine übermäßige Temperatur vermieden wird, die eine Kristallisation des amorphen Metalles verursachen würde.
Beispiel 2
Ein Streifen von 0,1 mm Dicke aus rostfreiem Stahl wird geschliffen und gewetzt, um eine Rasierklinge mit einer üblichen scharfen Kante zu produzieren. Eine Legierung der Zusammensetzung Cr-g1» 4B5Si3 wird durch Zerstäubung auf der Kante der Klinge aufgebracht, welche auf einer Temperatur unter 1000C in der in Kapitel 4 des Artikels von Maissei und Glang beschriebenen Weise gehalten wird, so daß man einen Metallfilm dieser Legierungszusammensetzung erhält, welcher zu mehr als 50% amorph ist und eine mittlere Dicke von 200 8 an der Kante der Klinge besitzt. Ein Fluor-
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kohlenstoffüberzug wird auf der Klinge aufgebracht, wie in Bei spiel 3 der USA-Patentschrift 3 071 856 beschrieben ist.
Ein ähnliches Verfahren wurde für eine Klinge mit einer Dicke von 0,05 mm aus amorphem Ni5O Fe28Pl4B6A12 befol9t·
In ähnlicher TTeise wurde CrJ-QNi1OP14BfTSi. durch Metallzerstäubung auf einem anderen geschliffenen rostfreien Stahl und Klingen au? amorphem Nic-JFe^pP-, 4Bfi^? aufgebracht, die dann mit einem Fluorkohlenstoff überzogen wurden.
Beispiele 3 bis 8
Nach dem Verfahren des Beispiels 1 wurden für die Herstellung von RasLerklingen geeignete amorphe Streifen aus den in Tabelle I aufgeführten Legierungen hergestellt. Wie angegeben, wurden einige Beispiele mit einem überzug versehen.
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Tabelle I
Bsj>_, Legierungen (Atom-%)
3 Fe39Ni39P16B4Si2
5 Fe3ONi2OCr28P14B6A12 6 Fe38Cr38P15C4B2A13 7 Ni75P16B6SilAl2
-_.CootP, ,B,A1. 40 36 14 6 4
überzug (wenn überhaupt)
Cr8OPl5B5 (Metal!zerstäubung)
Cr65Ni10P15S110 (Metallzerstäubung)und danach mit PoIytetrafluoralkylen überzogen
Cr80P15B5 (Metallzerstäubung) und danach mit Polytetrafluoräthylen überzogen
Cr8OP15B5 fMetai-lzerstäubun9) und danach mit Polytetrafluorethylen überzogen
Cr (Metallzerstäubung)
Beispiel 9
Ein Messer aus rostfreiem Stahl mit einer hochpolierten Fläche wurde durch Waschen mit Trichloräthylen gereinigt und getrocknet. Ein amorpher Film aus Cr8-P15B5 wurde durch Metallzerstäubung auf der gesamten Klinge aufgebracht. Die Filmdicke betrug lOOO 8 . Man erhielt so einen relativ zähen und dauerhaften,; zerstörungsbeständigen Überzug.
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Claims (4)

  1. Patentansprüche
    .J Schneidwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem zu wenigstens 50% amorphen Metall besteht oder einen darauf niedergeschlagenen, zu wenigstens 50% amorphen Metallfilm aufweist.
  2. 2. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in der Form einer Rasierklinge vorliegt.
  3. 3. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe Metall vorherrschend aus Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom, Vanadin oder Gemischen hiervon besteht.
  4. 4. Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeuges nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man
    (a) ein geschmolzenes Metall unter Ausbildung eines zu wenigstens 50% amorphen Metallstreifens abschreckt oder abkühlt,
    (b) das Metall in die erwünschte Form des Schneidwerkzeuges bringt und
    (c) an dem Schneidwerkzeug eine Schneidkante schMrft und/oder
    daß man auf dem Schneidwerkzeug einen zu wenigstens 5O% amorphen Metallfilm niederschlägt.
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    Leerseite
DE2362895A 1972-12-20 1973-12-18 Schneidklinge Expired DE2362895C2 (de)

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