Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Cr-Mo-Stahl mit einer hohen
Korrosionsbeständigkeit zur Herstellung von Rasierklingen, Rasierklingen sowie
ein Verfahren zur Herstellung von Rasierklingen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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Üblicherweise wurde zur Herstellung von Rasierklingen Stahl mit einem hohen
Kohlenstoffanteil von 1,2 Gewichts-% Kohlenstoff und 0,4 Gewichts-%
Chrom verwendet. Nach einer Wärmebehandlung hat dieses Material eine
hohe Härte und kann der Rasierklinge eine hohe Schneidqualität verleihen, hat
jedoch den Nachteil einer schlechten Korrosionsbeständigkeit und rostet
leicht.
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Jeder Rasierer wird üblicherweise in einer mehr oder weniger feuchten
Umgebung benutzt. Wenn er benutzt wird, wird er in Kontakt mit korrosiven
Substanzen wie den Bestandteilen von Schweiß, Seife und Rasierschaum
gebracht. Darüberhinaus fördern die Natur des Wassers, welches beim
Rasieren benutzt wird, und die Temperatur an dem Ort, an dem der Rasierer
benutzt wird, das Rosten der Rasierklingen. Die Rasierklinge aus Stahl mit
hohem Kohlenstoffanteil war vornehmlich für eine hohe Schneidqualität
gedacht und konnte üblicherweise einer wiederholten Verwendung unter den
obengenannten Bedingungen nicht standhalten.
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Daher wird allgemein 13Cr martensitischer nichtrostender Stahl als
rostbeständiges Material zur Herstellung von Rasierklingen mit hoher
Schneidqualität verwendet.
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Martensitischer nichtrostender Stahl, der 0,6 bis
0,7 Gewichts-% Kohlenstoff und 12 bis 13 Gewichts-% Chrom enthält, ist der
am häufigsten verwendete nichtrostende Stahl zur Herstellung von
Rasierklingen. Dieses Material hat eine Härte von etwa HV 620 bis 650 im
wärmebehandelten Zustand und ist aufgrund der in dem Material enthaltenen
13 Gewichts-% Cr gegenüber Stahl mit hohem Kohlenstoffanteil in bezug auf
das Rosten und den Korrosionswiderstand überlegen.
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Dieses Material ist zwar nicht vollständig von dem Problem des Rostens
befreit, jedoch wird zur Herstellung von Rasierklingen gemäß allgemeiner
Praxis eine Beschichtung beispielsweise aus Platin, Chrom oder Chromnitrid
(CrN) auf die Oberfläche des Materials durch Sputtern aufgetragen, um den
Korrosionswiderstand zu erhöhen. Nachweislich verbessert diese Schicht die
Korrosionsbeständigkeit. Sie kann jedoch nicht verhindern, daß durch
interkristalline Korrosion und durch Rost, der zwischen der Beschichtung und
dem Grundmaterial auftritt, die Lebensdauer der aus dem Material
hergestellten Rasierklingen in unerwünschter Weise verkürzt ist. Außerdem
erfordert das Aufbringen der Beschichtung zusätzliche Gerätschaften und
verursacht zusätzliche Kosten.
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Die DE-OS 1 533 380 offenbart die Verwendung eines korrosionsbeständigen
Stahls zur Herstellung von Rasierklingen. Der Stahl enthält neben Eisen 0,32
bis 0,44 Gewichts-% Kohlenstoff, 11 bis 16 Gewichts-% Chrom, 0,2 bis 0,5
Gewichts-% Silizium und 0,2 bis 0,5 Gewichts-% Mangan. Der
Martensitgehalt beträgt wenigstens 75 Gewichts-% und die Vickers-Härte
(HV) wenigstens 500 (ermittelt bei einer Belastung von 0,5 kg), wenn das
Material bei einer Temperatur zwischen 1080ºC und 1135ºC austenitisiert,
durch Kühlen bei einer Temperatur zwischen -25ºC und -50ºC gehärtet und
getempert worden ist. Das Material ist für die Herstellung eines
Rasierklingenbandes auf einem "Bandrasierer" ausgelegt. Der Bandrasierer hat
ein Magazin, in dem das Band in Form einer Rolle gehalten wird und von dem
das Band Stück für Stück abgewickelt werden kann, um ein Stück des Bandes
nachzuführen, durch das nach Abwickeln eine neue Klinge gebildet wird.
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Obwohl dieser Stahl mit wenig Kohlenstoff und viel Chrom ausreichend
korrosionsbeständig und fest genug ist, um ihn auf einer Rolle aufzuwickeln,
ist seine Härte im wärmebehandelten Zustand dennoch zu
gering, um die Herstellung einer Rasierklinge mit einer hohen Schneidqualität
zu ermöglichen. Eine anders Material für Rasierklingen ist in der GB-A-1 279
482 offenbart, das neben Eisen und Verunreinigungen mit wenigstens 40
Karbidkörnern pro 100 um² in der ferritischen Matrix 0,2 bis 1,5 % C,
5-20 % Cr, 0-4 % Ni, 0-4 % Mo, 0-4 % Mn, 0-4 % Cu, 0-4 % Co, 0-3 % W,
0-2 % V, 0-3 % Si, 0-1 % Ti, Ta, Nb, B, Be enthält.
Zusammenfassung der Erfindung
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Davon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Material für Rasierklingen bereitzustellen, welches einen ausreichend hohen
Härtegrad nach einer Wärmebehandlung und eine ausreichend hohe
Korrosionsbeständigkeit ohne korrosionsschützende Oberflächenbehandlungen
aufweist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rasierklinge zu
schaffen, die sowohl einen hohen Korrosionswiderstand als auch eine hohe
Schneidqualität aufweist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
anzugeben, mit dem Rasierklingen mit hoher Korrosionsbeständigkeit und
hoher Schneidqualität einfach und ökonomisch hergestellt werden können.
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Erfindungsgemäß wird ein Stahl mit hoher Korrosionsbeständigkeit
vorgeschlagen, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen mehr als
0,45 Gewichts-% und weniger als 0,55 Gewichts-% Kohlenstoff, 0,4-1,0
Gewichts-% Silizium, 0,5-1,0 Gewichts-% Mangan, 12-14 Gewichts-% Chrom
und 1,0-1,6 Gewichts-% Molybdän enthält und im geglühten Zustand eine
Dichte von Karbidpartikeln zwischen 100 und 150 Teilchen pro 100 um²
(Quadratmikrometer) aufweist.
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Der Stahl enthält bezogen auf das Gewicht vorzugsweise nicht mehr als 0,48
Gewichts-% und weniger als 0,52 Gewichts-% Kohlenstoff, Silizium zwischen
0,45 und 6,0 Gewichts-%, Mangan zwischen 0,70 und 0,85 Gewichts-%,
Chrom zwischen 13 und 14 Gewichts-% und Molybdän zwischen 1,15 und
1,45 Gewichts-%.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine
Rasierklinge mit hoher Korrosionsbeständigkeit vorgeschlagen, die aus einem
Stahl hergestellt worden ist, der neben Eisen und unvermeidbaren
Verunreinigungen bezogen auf das Gewicht mehr als 0,45 Gewichts-% und
weniger als 0,55 Gewichts-% Kohlenstoff, 0,4-1,0 Gewichts-% Silizium, 0,5-
1,0 Gewichts-% Mangan, 12-14 Gewichts-% Chrom und 1,0-1,6 Gewichts-%
Molybdän enthält, wobei die Rasierklinge eine Vickers-Härte von mindestens
620 hat und die endbearbeitete Rasierklinge eine Dichte von Karbidpartikeln
zwischen 10 und 45 Teilchen pro 100 um² aufweist.
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Vorzugsweise weist die Rasierklinge wenigstens auf einem Teil ihrer
Oberfläche eine Beschichtung aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Silikon
auf. Die Klinge hat vorzugsweise einen verbleibenden, von der Oberfläche
schrittweise zur Mitte eines Querschnitts abnehmenden Austenitgehalt,
welcher an der Oberfläche zwischen 24 und 32 % und in einem Abstand von
50 um (Mikrometer) von der Oberfläche zwischen 6 und 14 % beträgt. Der
kontrolliert verbleibende austenitische Gehalt der Rasierklinge stellt die
Korrosionsbeständigkeit an der Oberfläche sowie die Schärfe der Schneidkante
sicher, während die Abnahme des Austenits ein gleichförmiges Schleifen
ermöglicht.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
von Rasierklingen mit hoher Korrosionsbeständigkeit vorgeschlagen, bei dem
ein Stahlstreifen, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen mehr
als 0,45 Gewichts-% und weniger als 0,55 Gewichts-% Kohlenstoff, 0,4-1,0
Gewichts-% Silizium, 0,5-1,0 Gewichts-% Mangan, 12-14 Gewichts-% Chrom
und 1,2-1,6 Gewichts-% Molybdän enthält und im geglühten Zustand eine
Dichte von Karbidpartikeln zwischen 100 und 150 Teilchen pro 100 m²
aufweist, bei einer Temperatur zwischen 1075ºC und 1120ºC kontinuierlich
austenitisiert wird, zur Härtung bei einer Temperatur zwischen -60ºC und
-80ºC gekühlt wird und bei einer Temperatur zwischen 250ºC und 400ºC
getempert wird, so daß sich eine Vickers-Härte von wenigstens 620 einstellt.
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Der erfindungsgemäße Stahl ist bezüglich der Härte zumindest vergleichbar
mit einem Stahl im wärmebehandelten Zustand, der 0,6 bis 0,7 % Kohlenstoff
und 12 bis 13 % Chrom enthält und allgemein zur Herstellung von
Rasierklingen verwendet wird, und ist diesem in bezug auf die
Korrosionsbeständigkeit bei weitem überlegen. Da keine vor Rost schützenden
Oberflächenbehandlungen notwendig sind, erlaubt der Stahl eine
wirtschaftliche Herstellung von Rasierklingen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt keinerlei spezielle
Oberflächenbehandlung, wie sie zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von
Rasierklingen bis heute verwendet worden ist. Somit sind die
erfindungsgemäßen Rasierklingen frei von jeglicher Beschichtung,
beispielsweise aus Chrom oder Platin, welche häufig zu Problemen
beispielsweise in Form von Korrosion zwischen der Beschichtung und dem
Stahl und in Form einer stumpfen Schneidkante, die durch die Beschichtung
an der Rasierklinge verursacht wird, geführt hat. Somit hat die
erfindungsgemäße Rasierklinge eine lange Lebensdauer und eine scharfe
Schneidkante, welche eine hohe Schneidqualität sicherstellt.
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Der erfindungsgemäße Stahl weist einen geringeren Kohlenstoffgehalt als der
üblicherweise verwendete Stahl auf und ist daher zur Herstellung von
Rasierklingen einfacher zu stanzen, schleifen oder anderweitig zu bearbeiten.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung und der dazugehörigen Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der Figuren
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Fig. 1 zeigt die Härtekurve und den Rest-Austenitgehalt des Stahls in
Abhängigkeit von der Härtetemperatur,
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Fig. 2 zeigt die Härte nach dem Tempern eines C-2 Stahls in
Abhängigkeit von der Austenitisierungstemperatur,
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Fig. 3 zeigt den Restaustenit-Gehalt entlang der Dicke einer
Rasierklinge,
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Fig. 4 enthält von einem Elektronenmikroskop bei 1000-facher
Vergrößerung aufgenommene Fotos, welche die Verteilung der
Karbide in einem konventionellen F-2 Stahl und einem
erfindungsgemäßen C-2 Stahl im geglühten Zustand zeigen, und
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Fig. 5 enthält von einem Elektronenmikroskop bei 4000-facher
Vergrößerung aufgenommene Fotos, welche die Mikrostruktur der
Schneidkante von Rasierklingen zeigen, die einerseits aus
konventionellem F-2 Stahl und andererseits aus dem
erfindungsgemäßen C-2 Stahl hergestellt worden sind.
Detaillierte Beschreibung der Erfndung
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Der Stahl enthält neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen bezogen
auf das Gewicht mehr als 0,45 Gewichts-% und weniger als 0,55 Gewichts-%
Kohlenstoff, 0,4 bis 1,0 Gewichts-% Silizium, 0,5 bis 1,0 Gewichts-%
Mangan, 12 bis 14 Gewichts-% Chrom und 1,0 bis 1,6 Gewichts-%
Molybdän.
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Das Element Kohlenstoff ist wesentlich für die Härte des Stahls im
wärmebehandelten Zustand, jedoch wird mit steigendem Kohlenstoffgehalt die
Korrosionsbeständigkeit verringert. Durch Versuche wurde der bestmögliche
Kohlenstoffgehalt ermittelt, welcher zu einer Vickers-Härte von wenigstens
620 bei einer Belastung von 0,5 kg des gehärteten und getemperten Stahls
führt, während ebenso die Anteile der anderen Elemente (hauptsächlich
Chrom) in Betracht gezogen wurden. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß
mehr als 0,45 % Kohlenstoff wesentlich für die obengenannte Härte ist. Es
wurde ebenso herausgefunden, daß ein Anteil von 0,55 % Kohlenstoff und
mehr die Korrosionsbeständigkeit des Stahls verringert und eine
Oberflächenbehandlung notwendig macht, wie sie zur Kompensation der
verringerten Korrosionsbeständigkeit bei Stahl mit 0,65 % Kohlenstoff und
13 % Chrom üblicherweise angewandt wird. Daher enthält der
erfindungsgemäße Stahl mehr als 0,45 %, aber weniger als 0,55 %
Kohlenstoff. Zu den herausragenden Eigenschaften des erfindungsgemäßen
Stahls ist zu zählen, daß er eine durch den Kohlenstoffgehalt bewirkte
gegenüber den derzeit erhältlichen nichtrostenden Stählen erhöhte
Korrosionsbeständigkeit aufweist und trotzdem im wärmebehandelten Zustand
eine ausreichend hohe Härte aufweist, die auf die im folgenden näher
beschriebene Karbiddichte zurückzuführen ist.
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Silizium wird üblicherweise geschmolzenem Stahl als reduzierendes Mittel
beigegeben. Es hilft darüberhinaus, die Ausscheidung von Karbiden im Stahl
zu verzögern und macht den Stahl weich, wenn er bei geringer Temperatur
getempert wird.
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Nach Ausbilden der Schneidkante werden Rasierklingen üblicherweise mit
Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Silikon beschichtet, wodurch die Klinge
weicher zur Haut wird, und dabei auf eine Temperatur von 350ºC bis 400ºC
erhitzt. Dabei ist Silizium das wirksamste Element, um eine Verringerung der
Härte des Stahls infolge der Wärmebehandlung beim Aufbringen der
Kunststoffbeschichtung zu vermeiden. Diesbezüglich ist es wesentlich,
wenigstens 0,4 % Silizium vorzusehen, damit der Stahl eine Vickers-Härte von
wenigstens 620 beibehält.
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Silizium geht jedoch mit dem Stahl eine feste Lösung ein, durch die der Stahl
versprödet und die Kaltverformbarkeit verringert wird. Es führt ebenso zu
nicht-metallischen Einschlüssen, wie beispielsweise SiO&sub2;. Die Zugabe von
zuviel Silizium erschwert somit die Ausbildung einer geeigneten Schneidkante
oder aber führt zu einem leichten Ausbrechen an der Schneidkante. Aufgrund
dieser Umstände wurde herausgefunden, daß die Zugabe von mehr als 1,0 %
Silizium unerwünscht ist. Somit enthält der erfindungsgemäße Stahl zwischen
0,4 und 1,0 % Silizium.
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Mangan ist ebenfalls ein reduzierendes Mittel. Es geht mit Stahl eine feste
Lösung ein und bildet darüberhinaus Mangansulfit und Mangansilikat als
nichtmetallische Einschlüsse. Die durch das Silizium geformten harten Einschlüsse
müssen aus dem Stahl entfernt werden, da sie auch bei einer Kaltbearbeitung
des Stahls mit hohen Kräften unverändert bleiben und letztlich die Ausbildung
einer geeigneten Schneidkante auf der Rasierklinge verhindern sowie die
Eigenschaften der Schneidkante in unerwünschter Weise beeinflussen.
Andererseits wirken sich Mangansulfide und Mangan-silikate nicht nachteilig
auf den Herstellungsprozeß bzw. die Eigenschaften einer Rasierklinge aus, da
sie ausreichend weich sind, so daß sie sich durch eine Kaltbearbeitung zu
einer sehr geringen Wandstärke umformen lassen.
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Daraus ist zu schließen, daß jede und alle unvermeidbaren nicht-metallischen
Einschlüsse in Form von weichen Einschlüssen vorliegen müssen, wie sie
beispielsweise durch Mangan geformt werden. Wenigstens 0,5 % Mangan
sind notwendig, um bei dem oben definierten Siliziumgehalt Mangansilikat zu
bilden. Ein Überschuß an Mangan muß jedoch vermieden werden, da dadurch
die Warmformbarkeit von Stahl verringert wird. Daher enthält der
erfindungsgemäße Stahl 0,5 bis 1,0 % Mangan.
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Chrom ist eines der wichtigsten Elemente für die Rost- und
Korrosionsbeständigung von Stahl. Wenigstens 12 % Chrom sind zur
Ausbildung eines ausreichend passiven Films notwendig, der den
erfindungsgemäßen Stahl widerstandsfähig gegenüber Korrosion macht. Die
Verwendung von zuviel Chrom muß jedoch vermieden werden, da die
Ausbildung seiner Karbide bei der zum Austenitisieren des Stahls verwendeten
Temperatur zu einer Verringerung des Kohlenstoffgehalts im Stahl und somit
seiner Härte im wärmebehandelten Zustand führt. Die von dem
erfindungsgemäßen Stahl zu erzielende Härte im wärmebehandelten Zustand
kann nur dann erreicht werden, wenn weniger als 14 % Chrom enthalten sind.
Somit enthält der erfindungsgemäße Stahl zwischen 12 und 14 % Chrom.
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Molybdän wird als wirksamstes Element zur Vermeidung von Lochfraß
verwendet, der ansonsten durch den passiven Film zerstörende Halogenionen
(insbesondere Chlor) verursacht wird. Die experimentell gefundene Beziehung
zwischen der zugegebenen Menge an Molybdän und das Potential, bei dem
derartige Korrosion verhindert werden kann, zeigt, daß notwendigerweise
wenigstens 1,0 % Molybdän zugegeben werden müssen, um mit der Zugabe
von Molybdän einen merklichen Effekt zu erzielen. Die Zugabe von Molybdän
führt darüberhinaus zu einem weiteren Vorteil. Molybdän enthaltender Stahl
kann zur Erzielung seiner maximalen Härte bei einer höheren Temperatur
gehärtet werden, als solcher, der kein Molybdän enthält, da Molybdän eine
feste Lösung mit Chromkarbiden bildet und die Ausbildung einer festen
Lösung von Karbiden bei der Temperatur, bei der Stahl austenitisiert wird,
verhindert. Die Verwendung von zuviel Molybdän führt jedoch zu einer
Verhärtung von Karbiden und zu einer Verfestigung der festen Lösung im
Stahl, durch die die Warmformbarkeit verringert wird. In Anbetracht dieser
Umstände wurde die bestmögliche Obergrenze für den Molybdängehalt in dem
erfindungsgemäßen Stahl bei 1,6 % festgelegt. Somit enthält der
erfindungsgemäße Stahl 1,0 bis 1,6 % Molybdän.
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Die eben beschriebene chemische Zusammensetzung von Stahl ist jedoch
nicht der einzige Faktor, welcher die Härte im wärmebehandelten Zustand
beeinflußt. Es gibt darüberhinaus einen weiteren Faktor, nämlich die
Mikrostruktur des Stahls im geglühten Zustand, welcher einen kritischen
Einfluß auf seine Härte hat.
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Die durch das Härten erzielte Härte eines Stahls hängt von der Karbidmenge
ab, welche bei der Austenitisierungstemperatur in fester Lösung gebildet. Ist
diese Menge des ausgebildeten Karbids zu gering, so verhindert der Mangel an
Kohlenstoff in dem Stahl, daß der Stahl auf eine ausreichend hohe Härte
aufgehärtet werden kann. Ist die Menge des ausgebildeten Karbids zu groß, so
verhindert der Restaustenitgehalt, daß der Stahl auf eine hohe Härte
aufgehärtet werden kann. Da das in dem erfindungsgemäßen Stahl gebildete
Karbid in der Zusammensetzung M&sub2;&sub3;C&sub8;, wobei M entweder Cr oder Fe oder
Mo ist, kann die Ausbildung einer zu geringen Menge an Karbid auch
bedeuten, daß ein Mangel an Chrom besteht, der zu einer ungenügenden
Korrosionsbeständigkeit des Stahls führt.
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Somit ist die Ausbildung einer geeigneten Menge von Karbid, welche weder zu
groß noch zu klein ist, wesentlich für die Herstellung eines Stahls, welcher
sowohl eine hohe Korrosionsbeständigkeit als auch eine ausreichende Härte im
gehärteten Zustand aufweist. Da der zur Herstellung von Rasierklingen
verwendete Stahlstreifen in einem Durchlaufofen gehärtet wird, ist es
darüberhinaus notwendig, daß die Ausbildung einer ausreichenden Menge von
in fester Lösung enthaltenen Karbids innerhalb eines kurzen Zeitintervals
stattfindet.
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Die Bewertung der Faktoren, welche maßgeblichen Einfluß auf die Erfüllung
der Anforderungen haben, hat gezeigt, daß die Karbiddichte im geglühten
Stahl der wichtigste Faktor ist. Wenn die Karbiddichte in einem Stahl geringer
als 100 Teilchen pro 100 um² ist, so sind die Karbidpartikel zu grob, um
infolge einer ausreichenden Reaktion eine feste Lösung zu bilden, so daß der
Stahl den Mangel einer unzureichenden Härte aufweist. Falls die Dichte von
Karbidpartikeln mehr als 150 Teilchen pro 100 um² beträgt, so ist die Anzahl
der Karbidpartikel so hoch, daß ein extrem hoher Anteil eine feste Lösung
eingeht. Dies kann zu einer Vielzahl von Problemen führen, einschließlich einer
Verringerung der Härte des Stahls aufgrund der Zunahme des
Restaustenitgehalts, der Kornvergrößerung und der Ausbildung von
Dehnungen durch übermäßige Ausdehnung aufgrund von einer uneinheitlichen
festen Lösung oder martensitischen Umwandlung.
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Daher weist der erfindungsgemäße Stahl im geglühten Zustand eine Dichte
von Karbidpartikeln zwischen 100 und 150 Teilchen pro 100 um² auf, da sich
herausgestellt hat, daß dies der bestmögliche Bereich zur Herstellung eines
Stahlstreifens mit einer Vickers-Härte von 620 bis 670 und einer ausreichend
hohen Korrosionsbeständigkeit ist, wenn der Stahl in einem Durchlaufofen
gehärtet und getempert worden ist. Der bestmögliche Bereich der Dichte der
Karbidpartikel läßt sich durch eine entsprechende Kontrolle der Kaltwalz- und
Glühbedingungen erreichen. Genauer gesagt läßt er sich durch eine
entsprechende Kontrolle der beim Glühen verwendeten Aufheizrate und
Temperatur erreichen. Beispielsweise ist es ausreichend, einen Stahl, dessen
Kohlenstoff aufgrund des Warmwalzens vollständig in fester Lösung enthalten
ist, bei einer Aufheizrate von wenigstens 15ºC pro Stunde auf eine
Temperatur von 800ºC bis 840ºC in einem Durchlauf-Glüh-Ofen zu
erwärmen, dann über die Länge eines geeigneten Zeitintervalls auf dieser
Temperatur zu halten und anschließend ihn in dem Ofen abzukühlen.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen Rasierklinge erfolgt durch
Wärmebehandlung eines Stahlstreifens, der die voranstehend beschriebene
spezifische Zusammensetzung und im geglühten Zustand eine Dichte von
Karbidpartikeln zwischen 100 und 150 Teilchen pro um² aufweist. Der Stahl
wird zuerst bei einer Temperatur zwischen 1075ºC und 1120ºC
austernitisiert. In diesem Temperaturintervall ist es möglich, den Überschuß
von Karbiden, welche keine feste Lösung bilden, und die Kornvergrößerung zu
vermeiden. Das autenitisierte Material wird sofort in Luft gekühlt und
nachfolgend einer Tiefsttemperaturkühlung bei einer Temperatur zwischen
-60ºC und -80ºC unterzogen. Diese Tiefsttemperaturkühlung ist für die
Auflösung des Restaustenits von Bedeutung und stellt darüberhinaus sicher,
daß der Stahl im gehärteten Zustand eine ausreichend hohe Härte aufweist.
Daraufhin wird der Stahl bei einer Temperatur zwischen 250ºC und 400ºC
getempert, so daß sich eine Vickers-Härte von wenigstens 620 einstellt.
Beträgt die Temperatur zum Tempern weniger als 250ºC, so ist der Stahl
nicht fest genug; übersteigt die Temperatur 400ºC, so kann der Stahl
schwerlich eine Vickers-Härte von wenigstens 620 aufweisen. Das
abgeschreckte und getemperte Material hat eine Dichte von Karbidpartikeln
zwischen 10 und 45 Teilchen pro 100 um², so daß es sowohl eine Vickers-
Härte von über 620 als auch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist.
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Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf die die Härte und die
strukturellen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls und der
erfindungsgemäßen Rasierklinge veranschaulichenden Zeichnungen. Figur 1
zeigt die Härte (HV), welche der erfindungsgemäße Stahl nach dem Härten
aufweist, und den restaustenitischen Gehalt (%) in Abhängigkeit von der
Austenitisierungstemperatur. Es ist offensichtlich, daß der gehärtete Stahl bei
einer speziellen Austenitisierungstemperatur von 1090º C eine Vickers-Härte
von ca. 780 aufweist, und daß der Restaustenitgehalt unter 30 % liegt. Ein
Stahlmaterial mit einer derart hohen Härte im gehärteten Zustand führt, wie
die Figur 2 zeigt, zu einem endbearbeiteten Produkt mit einer Vickers-Härte
von wenigstens 620 oder gar 640, falls der Stahl bei einer
Austenitisierungstemperatur von 1090ºC gehärtet worden ist. Dieser hohe
Härtegrad ist ausreichend hoch, um eine hohe Schneidqualität der
erfindungsgemäßen Rasierklinge sicherzustellen.
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Wie der Figur 3 zu entnehmen ist, wird es durch das erfindungsgemäße
Verfahren möglich, zwischen den Oberflächen des Stahlstreifens und seinem
inneren Bereich, der in einem Abstand von 50 um unterhalb der Oberfläche
angeordnet ist (der Bereich ist in der gleichen Entfernung zu den jeweiligen
sich gegenüberliegenden Oberflächen einer 0,1 mm starken Rasierklinge
angeordnet), einen merklichen Unterschied im jeweiligen Restaustenitgehalt zu
erhalten. Die Oberflächen des Streifens enthalten einen großen
Restaustenitgehalt, welcher zur Korrosionsbeständigkeit der Rasierklinge
beiträgt, während der in Querschnittsansicht mittlere Bereich des Streifens
einen geringen Restaustenitgehalt aufweist, welcher zur Ausbildung einer
ausreichend harten Schneidkante eine gleichmäßige Schleifbarkeit des
Streifens sicherstellt. Die hohe Korrosionsbeständigkeit der
Rasierklingenoberflächen werden zur Verdeutlichung im folgenden anhand von
Ergebnissen von Salz-Sprühnebelprüfungen und Rasiertests beschrieben.
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Insbesondere hat die erfindungsgemäße Rasierklinge einen Restaustenitgehalt
von 24 bis 32 % an ihren Oberflächen und von 6 bis 14 % in einer Tiefe von
50 um unterhalb der Oberflächen, in der die Schneidkante ausgebildet wird.
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Die Rasierklinge ist vorzugsweise mit einer Beschichtung aus
Polytetrafluorethylen oder Silikon beschichtet, welche die Reibung verringert
und die Klinge gegenüber der Haut sanfter macht. Diese Beschichtung wird
aufgesintert, wobei das Sintern üblicherweise bei einer Temperatur von 350ºC
bis 400ºC durchgeführt wird. Obwohl dies üblicherweise der
Temperaturbereich ist, bei dem Stahl getempert wird und sich seine Härte
verringert, wird die erfindungsgemäße Rasierklinge nicht nennenswert durch
die beim Aufsintern der Beschichtung aufgebrachte Wärme beeinflußt, so daß
beim Aufsintern der Beschichtung keine nennenswerte Verringerung der Härte
erfolgt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von bestimmten Beispielen
ausführlicher beschrieben.
Beispiele
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Stähle unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, wie sie in Tabelle 1
aufgelistet sind, wurden vorbereitet. Bei den in Tabelle 1 gezeigten
Zusammensetzungen sind A bis E erfindungsgemäße Stähle, während F ein
typischer, derzeit zur Herstellung von Rasierklingen verwendeter Stahl ist,
welcher als 0,67C-13Cr Stahl bekannt ist.
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Die Ausgangsmaterialien zur Herstellung jedes Stahls wurden in einem
Lichtbogenofen geschmolzen und der geschmolzene Stahl wurde in eine
Blockform gegossen. Der Block wurde daraufhin zu einem Streifen einer
Stärke von 1,0 bis 2,0 mm warmgewalzt, wobei die Karbide vollständig in
eine feste Lösung überführt wurden. Der Streifen wurde dann wiederholt
geglüht und kaltgewalzt, bis sich an dem Streifen eine Stärke von 0,1 mm
einstellte.
Tabelle 1
Chemische Zusammensetzung (gew %)
Stahl
Bemerkungen
Gleichgewicht
Erfindungsgemäßer Stahl
Herkömmlicher Stahl
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Drei Proben von Streifen mit unterschiedlicher Dichte von Karbidpartikeln
wurden aus jedem Streifen der Stähle A bis F durch eine angepaßte
Kombination von kontinuierlichem und chargenweisem Glühen und Variation
des Kaltumformunggrades hergestellt. Diese Proben wurden zur Bewertung
der Härte und der Korrosionsbeständigkeit vorbereitet.
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Jede Probe wurde unter den gleichen Bedingungen wärmebehandelt, wie sie
bei der erfindungsgemäßen Herstellung der Rasierklingen durchgeführt wird.
Die Wärmebehandlung bestand aus einem Härten bei 1.100ºC für die Dauer
von 40 Sekunden, der eine Luftkühlung folgte, einer 10minütigen
Tiefsttemperaturkühlung bei -78ºC und einem 30minütigen Tempern bei
350ºC. Die Härte der wärmebehandelten Proben wurde gemessen. Zur
Ermittlung der Korrosionsbeständigkeit jeder Probe wurde eine Salz-
Sprühnebelprüfung durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 gezeigt.
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Die drei aus jedem der Stähle A bis F hergestellten und unterschiedliche
Dichten von Karbidpartikeln aufweisende Proben sind in Tabelle 2 als Proben
mit den Nummern 1 bis 3 gekennzeichnet. Obwohl die Stähle A bis E in bezug
auf ihre chemische Zusammensetzung innerhalb des Bereichs der Erfindung
liegen, liegt lediglich die Probe Nummer 2 in bezug auf die Dichte von
Karbidpartikeln des geglühten Stahls in dem Bereich der Erfindung. Probe
Nummer 2 weist im geglühten Zustand eine Dichte von Karbidpartikeln auf,
die innerhalb des Bereichs von 100 bis 150 Partikeln pro 100 um² liegt,
während die Proben Nummern 1 und 3 nicht in diesem Bereich liegen und
daher als Vergleich gekennzeichnet sind. Die Probe Nummer 2 des
herkömmlichen Stahls F weist ebenso im geglühten Zustand eine Dichte von
Karbidpartikeln auf, die innerhalb des charakteristischen Bereichs für den
erfindungsgemäßen Stahl liegt. Die Probe F'-2 entspricht in ihrer chemischen
Zusammensetzung und Dichte von Karbidpartikeln im geglühten Zustand der
Probe F-2, jedoch unterscheidet sie sich von dieser durch eine durch Sputtern
auf die Oberfläche aufgebrachte Chromschicht.
Tabelle 2
Stahl
probe Nr.
Dichte von Karbidpartikeln im Glühzustand (Teilchen/100 um²)
*Härte im wärmebehandelten Zustand (HV)
Anzahl von Roststellen nach der Salz-Sprühnebelprüfung
Anzahl der Roststellen nach dem Rasiertest
Bemerkungen
Vergleich
Erfindung
konventionell
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Bedingungen der Wärmebehandlung: Härten: 1100ºC x 40 Sek. gefolgt von Luft-Kühlung
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Tiefsttemperaturkühlung: -78ºC x Min.
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Tempern: 350ºC x 30 Min.
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**F'-2 ist gleich mit F-2, jedoch umfaßt die Probe darüberhinaus eine durch Sputtern aufgebrachte Chromschicht.
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Wie den zu jeder Probe Nummer 2 gezeigten Ergebnissen zu entnehmen ist,
kann eine Härte im Bereich von 620 bis 670 Vickers-Einheiten bereits durch
einen Stahl erzeugt werden, der im geglühten Zustand eine Dichte von
Karbidpartikeln aufweist, die in einem Bereich von wenigstens 100 Partikeln
pro 100 um² liegt. Es kann weiterhin festgestellt werden, daß der
erfindungsgemäße Stahl im wärmebehandelten Zustand eine ausreichend hohe
Härte aufweist, welche auf die entsprechend kontrollierte Dichte von
Karbidpartikeln im geglühten Zustand zurückzuführen ist, obwohl der
Kohlenstoffgehalt geringer als derjenige von konventionellem Stahl ist. Stahl
mit einer zu hohen Dichte von Karbidpartikeln im geglühten Zustand (vgl.
Probe Nummer 3) weist eine unerwünscht geringe Härte im
wärmebehandelten Zustand als Ergebnis der Stabilisierung des Restaustenits
durch übermäßige Ausbildung einer festen Lösung auf.
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Bei der Salz-Sprühnebelprüfung wurde jedes wärmebehandelte und als
Quadrat mit einer Kantenlänge von 50 mm ausgebildete Probestück über drei
Stunden mit einer 5 %igen natriumchlorid wässrigen Lösung bei einer
Temperatur von 30ºC besprüht. Die Anzahl der gefundenen Roststellen, falls
vorhanden, wurde als Maß für die Korrosionsbeständigkeit gewertet. Die in
Tabelle 2 gezeigten Ergebnisse bestätigen die überlegene
Korrosionsbeständigkeit des erfindungsgemäßen Stahls gegenüber dem konventionellen
Stahl F-2, da kein oder im wesentlichen kein Rostfleck auf irgendeinem der
erfindungsgemäßen Proben gefunden wurde. Die mit einer durch Sputtern
aufgebrachten Oberflächenschicht aus Chrom versehene Probe Nummer F'-2
zeigte gegenüber der Probe Nummer F-2 ohne Beschichtung eine beachtlich
verbesserte Korrosionsbeständigkeit, jedoch blieb diese verbesserte
Korrosionsbeständigkeit gegenüber derjenigen der erfindungsgemäßen Proben
weit zurück. Die als Vergleich gezeigten Probestücke, welche in bezug auf die
Dichte von Karbidpartikeln im geglühten Zustand von dem erfindungsgemäßen
Bereich abweichen, wiesen ebenfalls eine gute Korrosionsbeständigkeit auf,
jedoch war, wie bereits erwähnt worden ist, die nach der Wärmebehandlung
erzielte Härte zu gering für eine Rasierklinge mit einer hohen Schneidqualität.
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Die erfindungsgemäßen Proben A-2, B-2, C-2, D-2 und E-2 und die Proben F-2
und F'-2 aus konventionellem Stahl wurden jeweils unter den folgenden
Bedingungen zur Herstellung einer doppelschneidigen Rasierklinge
wärmebehandelt:
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Bedingungen der Wärmebehandlung:
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Austenitisierungstemperatur: 1090ºC
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Haltezeit für das Austenitisieren: 40 Sekunden
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Temperatur der Tiefsttemperaturkühlung: -70ºC
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Temperatur zum Aufsintern einer PTFE-
Beschichtung nach vorherigem Tempern: 350ºC
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Jede Rasierklinge wurde in einem Rasiertest verwendet. Die Tests wurden
über die Dauer von einer Woche durchgeführt, wobei jede Rasierklinge jeden
Tag benutzt wurde. Die Ergebnisse des Tests sind ebenfalls in Tabelle 2
gezeigt. In der Nähe der Schneidkante der Rasierklinge, die aus der Probe F-2
gefertigt worden war, wurden acht Roststellen gefunden, während vier
Roststellen an der aus der Probe F'-2 hergestellten und mit einer durch
Sputtern aufgetragenen Schicht aus Chrom versehenen Schneidkante
gefunden wurden. Demgegenüber wurde weder auf der außen liegenden
Schneidkante irgendeiner der aus dem erfindungsgemäßen Stahl gefertigten
Rasierklingen ein Rostfleck o. dergl. noch auf der anderen Schneidkante, die
üblicherweise den Klingenhalter berührt, irgendeine Korrosion gefunden,
obwohl bei keiner der erfindungsgemäßen Rasierklingen eine Rost schützende
Oberflächenbehandlung durchgeführt worden war.
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Die Verwendung des erfindungsgemäßen Stahls ermöglicht eine
wirtschaftliche Herstellung von Rasierklingen durch einen vereinfachten
Herstellungsprozeß, welcher keinen Passivierungsschritt und keine vor Rost
schützende Ölbehandlung umfaßt. Bei den erfindungsgemäßen Rasierklingen
kann auf eine Oberflächenbehandlung verzichtet werden, bei der die
Schneidkante durch eine Chrom-, Chrom-Platin- oder Chrom-Nitrid-Schicht
geschützt wird. Die voraussichtlich zwischen der Schicht und dem Substrat
auftretende Korrosion ist bis heute ein ernstes Problem. Auch wenn die
Beschichtung üblicherweise eine Dicke von 100 bis 500 Å, erfährt eine
Schneidkante mit hoher Wahrscheinlichkeit dadurch einen Verlust an Schärfe.
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Die erfindungsgemäßen Rasierklingen ohne eine derartige Beschichtung haben
eine scharfe Schneidkante und weisen eine hohe Schneidqualität auf.
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Die Figur 2 zeigt die Härte der Probe C-2 nach Tempern bei einer Temperatur
vom 350ºC in bezug auf die Härte-(Austenitisierungs)Temperatur. Es ist zu
entnehmen, daß eine Vickers-Härte von wenigstens 620 erzielt wird, sogar
dann, wenn das Probestück bei einer Temperatur vom 350ºC getempert
worden ist. Diese Ergebnisse bestätigen, daß die erfindungsgemäßen
Rasierklingen auch nach einer Oberflächenbehandlung beispielsweise mit PTFE
eine Vickers-Härte von wenigstens 620 und somit eine hohe Schneidqualität
und eine lange Lebensdauer aufweisen.
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Die in Figur 4 gezeigten Fotos dokumentieren die Verteilung der Karbidpartikel
in konventionellem Stahl F-2 (0,67 % C) und dem erfindungsgemäßen Stahl
C-2 (0,50 % C) im wärmebehandelten Zustand bei einer Vergrößerung von
1000. Die in Figur 5 gezeigten Fotos dokumentieren die Gefügeausbildung der
Schneidkanten von Rasierklingen, die aus demselben Stahl, also F-2 bzw. C-2,
hergestellt worden sind bei einer Vergrößerung von 4000. Ein Auszählen der
in Figur 5 gezeigten Fotos ergab für die aus dem erfindungsgemäßen Stahl
hergestellte Rasierklinge eine Anzahl von 16 Karbidpartikeln pro 100 um² und
für die aus dem konventionellen Stahl hergestellte Rasierklinge eine Anzahl
von 39 Karbidpartikeln pro 100 um². Die geringere Dichte von Karbidpartikeln
der erfindungsgemäßen Rasierklinge sorgt für einen höheren Widerstand
gPgen Rosten, da das Entstehen von Korrosion zwischen den Karbiden und
dem Stahl weniger wahrscheinlich ist.
Ansprüche:
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1. Stahl mit hoher Korrosionsbeständigkeit, der neben Eisen und
unvermeidbaren Verunreinigungen bezogen auf das Gewicht mehr als
0,45 % und weniger als 0,55 % Kohlenstoff, 0,4-1,0 % Silizium,
0,5-1,0 % Mangan, 12-14 % Chrom und 1,0-1,6 % Molybdän enthält
und im geglühten Zustand eine Dichte von Karbidpartikeln zwischen 100
und 150 Teilchen pro 100 um² (Quadratmikrometer) aufweist.
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2. Stahl nach Anspruch 1, in dem Kohlenstoff mit mehr als 0,48 % und
weniger als 0,52 %, Silizium zwischen 0,45 und 6,0 %, Mangan
zwischen 0,70 und 0,85 %, Chrom zwischen 13 und 14 % und
Molybdän zwischen 1,15 und 1,45 % enthalten sind.
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3. Rasierklinge mit hoher Korrosionsbeständigkeit, die aus einem Stahl
hergestellt worden ist, der neben Eisen und unvermeidbaren
Verunreinigungen bezogen auf das Gewicht mehr als 0,45 % und
weniger als 0,55 % Kohlenstoff, 0,4-1,0 % Silizium, 0,5-1,0 % Mangan,
12-14 % Chrom und 1,0-1,6 % Molybdän enthält, wobei die Rasierklinge
eine Vickers-Härte von mindestens 620 hat und die endbearbeitete
Rasierklinge eine Dichte von Karbidpartikeln zwischen 10 und 45
Teilchen pro 100 um² aufweist.
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4. Rasierklinge gemäß Anspruch 3, die darüberhinaus wenigstens auf einem
Teil ihrer Oberfläche eine Beschichtung aus Polytetrafluorethylen oder
Silikon aufweist.
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5. Rasierklinge nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Stahl einen
verbleibenden, und von der Oberfläche schrittweise abnehmenden
Austenitgehalt hat, welcher an der Oberfläche zwischen 24 und 32 %
und in einem Abstand von 50 um (Mikrometer) von der Oberfläche
zwischen 6 und 14 % beträgt.
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6. Ein Verfahren zur Herstellung von Rasierklingen mit hoher
Korrosionsbeständigkeit, bei dem ein Stahlstreifen, der neben Eisen und
unvermeidbaren Verunreinigungen bezogen auf das Gewicht mehr als
0,45 % und weniger als 0,55 % Kohlenstoff, 0,4-1,0 % Silizium,
0,5-1,0 % Mangan, 12-14 % Chrom und 1,2-1,6 % Molybdän enthält
und im geglühten Zustand eine Dichte von Karbidpartikeln zwischen 100
und 150 Teilchen pro 100 um² (Quadratmikrometer) aufweist, bei einer
Temperatur zwischen 1075ºC und 1120ºC kontinuierlich austenitisiert
wird,
zur Härtung bei einer Temperatur zwischen -60ºC und -80ºC gekühlt
wird und bei einer Temperatur zwischen 250ºC und 400ºC getempert
wird, so daß sich eine Vickers-Härte von wenigstens 620 einstellt.