DE3047888A1

DE3047888A1 - "schneidwerkzeug, verfahren zu seiner herstellung und seine verwendung"

Info

Publication number: DE3047888A1
Application number: DE19803047888
Authority: DE
Inventors: Knut Dr. 2081 Appen-Etz Enke
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1980-12-19
Publication date: 1982-07-15
Also published as: DE3047888C2

Description

"Schneidwerzeug, Verfahren zu seiner Herstellung und
seine Verwendung" Die Erfindung bezieht sich auf ein Schneidwerkzeug mit einem Kohlenstoff enthaltenden ueberzug auf der Werkzeugoberfläche.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieses WerKzeuges sowie seine Verwendung.
Zu den Schneidwerkzeugen sind Werkzeuge zum Aus-, Ab-, Gesamt-, Be-.-, Tsin-, Nach- und Teileschneiden zu rechnen, außerdem Werkzeuge zum Lochen oder Vorlochen, Austlinecen, Abgraten oder Stechen sowie Sägen zum Bearbeiten von Holz, Metall oder Kunststoff und Scherwer#zeuge, die aus unterschiedlichen, miteinander zusammenwirkenden Scher elementen bestehen, was beispielsweise für Schermesser in ele#-trischen Rasierapparaten gilt, die vorzugsweise mit Scherfolien oder Scherplatten zusammenwirKen.
Es ist beKannt, daß SchneidwerKzeuge, insbesondere an ihren Schneidkanten, während des Gebrauches sowohl Korrodierenden als auch beträchtlichen mechanischen Kräften unterworfen sind, andererseits aber nur im zugeschärften Zustand optimal funKtionstüchtig sind. Darüberhinaus ist es wiinschenswert, die FunKtionstüchtigKeit von Schneidwerkzeugen auch in Hinsicht auf ein leichtes Arbeiten mit ihnen so optimal wie möglich zu machen. Wenn der Reibungswiderstand zwischen dem SchneidwerKzeug und dem mit ihm zu bearbeitenden WerKstoff verringert werden Kann, ergeben sich Arbeitserleichterungen in Form von Kraft- und Energieeinsparung Um den Verschleiß bei SchneidwerKzeugen wie z.B. Rasier- Klingen an den Schneiden herabzusetzen, sind zahlreiche Maßnahmen getroffen worden.
Es ist beKannt, für diese ZwecKe eine Beschichtung aus einem Korrosionsbeständigen Metall, wie Gold, Rhodium oder Chrom, durch Aufdampfen oder Aufsprühen auf die zugeschärfte Kante einer Rasierrlinge aufzubringen oder aber sowohl den SchneidenKörper als auch die Schneide einer RasierKlinge mit MetallKombinationen, z.B. aus NicKel/Chrom oder NicKel/flhodium zu überziehen. Edelmetalle haben sich dabei nicht als zufriedenstellend erwiesen, da sie dazu neigen, sich unter den während der Rasur auftretenden ScheuorKrä-#ftcn von der dnrunterlicntln SchneidKante abzulösen.
Weiterhin ist es beKannt, die Rasur erleichternden k'luor-Kohlenstoff auf den Klingen-Kanten auszuhärten, indem die RasierKlingen erhöhten Temperaturen von beispielsweise etwa 288 bis 4270C ausgesetzt werden. Diese Temperaturen haben jedoch einen erweichenden Einfluß auf das darunterliegende Klingenmaterial, wodurch die Rasiereigenschaften der Klingen nachteilig beeinflußt werden. Im Fall von RasierKlingen muß daher der Metallfilm neben seiner KorrosionsbeständigKeit auch eine beträchtliche Hatte bei den FluorKohlenstoff-Sintertemperaturen beibehalten, auch wenn der darunterliegende Stahl erweicht; auch muß er Adhäsions-Verträglichreit sowohl mit dem darunterliegenden Stahl als auch mit dem über ihm befindlichen Polymerisat-Überzug besitzen, so daß alle Schichten während der gesamten Gebrauchsdauer der Klinge fest miteinander verbunden bleiben; andererseits darf der Metallfilm Keinen nachteiligen Einfluß auf die Rasiereigenschaften haben.
Dies alles sind FaKtoren, die industrielle Fertigungsprozesse Komplizieren.
Zur Verbesserung der KorrosionsbeständigKeit von Stahl-RasierKlingen ist es aus der DE-AS 20 37 454 beKannt, an den SchneidKanten der RasierKlingen überzüge einer binären Legierung auf Edelmetallbasis mit einem der Metalle Chrom, Mangan, Molybdän, Niob, Tantal, Titan, Wolfram oder Vanadium und auf diesen Legierungsüberzidgen eine die Rasur begünstigende DecKschicht aus Fluortohlenstoffpolymeren anzubringen.
Abgesehen davon, daß Edelmetalle teuer sind, ist das beKannte Verfahren ebenfalls arbeitsaufwendig, da wegen des Mehrschichtenaufbaues mehrere Prozeßschritte angewendet werden müssen, und obwohl diese RasierKlingen bereits eine verbesserte KorrosionsbeständigKeit und im Bereich der Legierungsüberzüge auch eine größere Härte als nicht-oberflächenvergütete RasierKlingen aufweisen, ist ihre Lebensdauer nicht zufriedenstellend; nach relativ Kurzer Benutzungszeit sind sie stumpf und müssen ausgewechselt werden.
Dr Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, SchneidwerKzeuge zu schaffen, die nicht nur einem besonders geringen mechanischen Verschleiß unterliegen, sondern auch ein Kraft und Energie sparendes Arbeiten ermöglichen und darüberhinaus besonders wirtschaftlich herzustellen sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Überzug eine auf der WerKzeugoberfläche festhaftend angebrachte 10 nm bis 10 /um dicKe Schicht aus Kohlenstoff mit diamantähnlicher StruKtur ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Überzug und der WerKzeugoberfläche eine die Haftung des Überzuges verbessernde Zwischenschicht angebracht, die vorzugsweise eine ähnliche GitterstruKtur hat, wie der Überzug.
Die Zwischenschicht Kann aus Silicium oder Siliciumdioxid bestehen. Hiermit ist der Vorteil verbunden, daß die HaftfestigKeit des Überzuges an der Wer#zeugoberfläche erheblich verbessert werden Kann, z. B. wenn das WerKzeug aus Stahl besteht.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird Keine Zwischenschicht zwischen dem Überzug und der Wertzeugaberflache angewendet, sondern die erK-zeugoberfläche, auf der der Überzug angebracht ist, ist angeätzt.
Nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist das SchneidwerKzeug insbesondere ein RasierwerKzeug oder eine Säge.
Zur Herstellung des Kohlenstoff enthaltenden Überzuges auf der WerKzeugoberfläche wird ein Verfahren angewendet, bei dem der Überzug in einem plasmaaKtivierten Abscheidiingsprozeß aus der Gasphase (chemical vapour deposition) bei einer Temperatur unter 2000C, vorzugsweise bei Zimmertemperatur, auf die zu überziehende WerKzeugoberfläche aufgebracht wird, derart, daß dem WerKzeug eine eleKtrische Vorspannung (Gleichspannung oder Wechselspannung) bis zu einigen KV, vorzugsweise 100 V, erteilt wird, daß die Gasatmosphäre, aus der der Überzug abgeschieden wird, gasförmige Kohlenwasserstoffe enthält und daß bei einem DrucK von 10 2 bis 103 Pa abgeschieden wird.
Dadurch, daß die Abscheidung des Überzuges bei einer Temperatur unter 2000C, vorzugsweise bei Zimmertemperatur, erfolgen Kann, ergibt sich der Vorteil, daß das Material des WerKzeuges, auf dem der Überzug angebracht werden soll, in seinen mechanischen Eigenschaften nicht nachteilig beeinflußt wird. Dies gilt insbesondere für Stahl.
Wird die Abscheidung in einem Hochfrequenzfeld vorgenommen, ergeben sich mehrere Vorteile: einmal ist die ReproduzierbarKeit des Abscheidungsprozesses größer, zum anderen ist es mit dieser Verfahrensweise möglich, dicKere Schichten abzuscheiden als unter Gleichspannung.
Nach weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens werden als Kohlenwasserstoffe Acetylen oder Äthylen eingesetzt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird die mit dem Uberzug zu verschcndc WerKzeugoberfläche vor Anbringen des Überzuges angeätzt, vorzugsweise mittels Kathodenzerstäubung mit Edelgas, insbesondere Argon.
Das Anätzen der mit dem Überzug zu versehen WerKzeugoberfläche und das Anbringen des Überzuges erfolgt vorzugsweise in ein und derselben Vorrichtung derart, daß das Gas, aus dem der Überzug abgeschieden werden soll, zum gleichen ZeitpunKt in die Vorrichtung eingeleitet wird, wie der Zustrom des Gases, mit dem angeätzt wurde, gedrosselt wird.
Dio eVerwendung eines SchneidwerKzeuges gemaß der Erfindung Kann mit Vorteil in eleKtrischen Rasierapparaten erfolgen, bei denen Schermesser mit einem weiteren Teil zusammenwirKen wie Scherfolien oder Scherplatten, um eine Schneidwirkung ausüben zu Können.
Für diesen AnwendungszwecK ist besonders hervorzuheben, daß sowohl das Schermesser als auch die Scherfolie oder die Scherplatte als GegenstücK zum Schermesser mit dem Überzug in Form einer Schicht aus Kohlenstoff mit diamantähnlicher StruKtur versehen werden Können, da beide Teile dem Verschleiß bei einem Rasierprozeß ausgesetzt sind. Es ist jedoch auch ausreichend, wenn nur einer der als SchneidwerKze-ug zusammenwirKenden Teile, also z.B.
nur die Scherfolie odfr nur die Schc#piatte, mit dem Überzug gemäß der Erfindung versehen wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit einem Überzug aus Kohlenstoff mit diamantähnlicher StruKtur versehene SchneidwerKzeuge länger als die beKannten SchneidwerKzeuge, insbesondere RasierKlingen, gebrauchsfähig bleiben. Versuche mit Rasier-Klingen, wie sie im Friseurhandwers zum Haareschneiden verwendet werden, haben ergeben, daß eine mit Kohlenstoff beschichtete Klinge länger als die fünffache Zeit gegenüber sonst angewendeten Klingen eingesetzt werden Konnte.
Das bedeutet also, daß eine Klinge, die gemeinhin nach 2 Tagen ausgewechselt werden mußte, erst nach Knapp 2 Wochen ersetzt zu werden braucht.
Ein weiterer mit der Erfindung erzielt er Vorteil besteht darin, daß es möglich ist, insbesondere Stahl bei einer so niedrigen Temperatur mit einem vergütenden Überzug zu versehen, bei der sein Kristallines Gefüge nicht gestört wird, eine Nachbehandlung also nicht erforderlichwird.
Ein weiterer Vorteil sind die nicht unbeträchtlichen Kosteneinsparungen, denn die SchneidwerKzeuge gemäß der Erfindung können etwa zu den gleichen, eher niedrigeren, Kosten wie die beKannten SchneidwerKzeuge gefertigt werden, haben aber durch die längere Standzeit der Kohlenstoffschicht eine erheblich längere Lebensdauer.
Diese Vorteile ergeben sich sinngemäß für alle Arten von Schneidw#'rKzeug##, z.B. also auch fijr die Messer odfr die Scherfolien bzw. Scherplatten von eleKtrisch betriebenen Rasierapparten.
Bei der Vergütung von Sägen mit einem Überzug aus einer Kohlenstoffschicht mit diamantähnlicher StruKtur gemäß der Erfindung ergeben sich die Vorteile einer Arbeitserleichterung durch Kraft- und Energieersparnis durch den niedrigen Gleitreibungstoeffizienten; das Klemmen beim Sägen wird start vermindert.
Ureter normalen atmosphärischen Bedingungen (bei piner relativen Luftfeuchte von 50 bis 90 04) weisen die Überzuge Gloitreibungstoeffizionten /u von 0,08 bis 0,2 auf.
Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der wrfindung beschriebpn und ihre WirKungsweise erläutert.
Alle in der Beschreibung enthaltenen MerKmale und Maßnahmen Können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein.
Fig. 1 ze# schematisch einen mit einem Überzug gemäß der Erfindung beschichteten Teil einer Rasierklinge.
Auf einer RasierKlinge 1 aus stahl wurde eine Kohlenstoffschicht 3 diamantahnlicher Struktur und einer Schichtdicke von e 1 /um angebracht. Die Abscheidung erfolgte in an sich btwKannter Weise aus der Gasphase durch einen plasmaaKtivierten Abscheidungsprozeß, wobei dem zu beschichtenden WerKstücK eine Vorspannung von 100 V Wechselspannung mit einer Frequenz von # 27 MHz erteilt wurde.
Das WerkstücK ist dabei auf einer EleKtrode in einer Konventionellen HochvaKuumapparatur, wie sie z.B. auch für HF-Kathodenzerstäubungsverfahren angewendet wird, angeordnet. Nach Evakuieren bis in den Hochvakuumbereich (1,33 . 10-4 Pa) wird die Anlage mit den für den Abscheidungsprozeß erforderlichen Gasen beschickt.
Es ist einmal erforderlich, für die Bildung der Schicht Kohlenstoff in der Gasphase zu haben, zum anderen muß aber auch Energie mittels Ionen übertragen werden.
Es Kann im Prinzip so vorgegangen werden, daß die Beschichtung mit energiereichen Kohlenstoffionen, z.B. mit einem MoleKularstrahl einer höheren Energie, ausgeführt wird.
Für die industrielle Praxis ist es jedoch wirtschaftlicher, Gase zu verwenden, die nach Aufspaltung im Plasma einmal Kohlenstoff liefern und zum anderen energiereiche Ionen. Bei dem vorliegenden ausführungsbeispiel wurde als Kohlenstoff lieferndes Gas Äth,rlen mit einem Druck von ca. 1,3 Pa angewendet. Die zur Abscheidung notwendige Anregung des Gases wurde durch Anlegen einer Hochirequenzspannung an die das Werkstiick tragende Elektrode erreicht. Die G-eichstromvorspannung am Werkstück betrug dabei ca. 100 V.
Bei dem Verfahren, nach welchem die Schichten gemäß der Erfindung präpariert wurden, handelt es sich um ein bekanntes Verfahren, das z.B. in den Arbeiten von D.S. Whitmell und R. Williamson in Thin Solid Films 35 (197#), Seite 255 oder von L. Holland und ',.M. Ojha in Thin Solid Films 38 (1976), L 17 beschrieben wurde.
Als Ausführungsbeispiel wurde die Abscheidung eines Überzuges gemäß der Erfindung auf einer Rasierklinge aus Stahl beschrieben.
Überraschenderweise hat sich bei Versuchen gezeigt, daß bei der Beschichtung von Stahl auf eine Haftzwischenschicht verzichtet werden kann, wenn dem Verfahrensschritt der Kohlenstoffbeschichtung ein Ätzschritt mittels Kathodenzerstäubung mit #elgsen vorgeschaltet wird. Als Edelgas kommt vorzugsweise Argon in Betracht. Der Druck für den Ätzprozeß betrug 0,05 Pa. Die Haftung war bei einem höheren Ätzdruck schlechter, was auf Redeposition von aus der Werkzeugoberfläche herausgeätzten Teilchen zurückgeführt werden könnte. Da die Stahloberfläche durch den Ätzprozeß nicht nur intensiv von haftungsmindernden Oxid- und Schmutzschichten befreit, sondern auch chemisch äußerst reaktiv wird, muß unter allen Umständen darauf geachtet werden, daß der Übergang vom Ätzen mittels K'#thodenze#'#t:Iubung mit Edelgas ur Kohlenstoffbeschichtung mit einem Kohlenwassersto#fgas kontinuierlich erfolgt. Das bedeutet, das während des gesamten Prozesses die Gasentladung aufrechterhalten werden muß. Das ist für den Fachmann leicht dadurch zu bewerkstelligen, csß die Ventile für die Edelgas und Kohlenwasserstoffgaszufuhr gleichzeitig zu- bzw. aufgedreht werden, wobei der Arbeitsgasdruck im Pezipienten annähernd konstant bleiben sollte. Wird die Entladung dadurch zum Verlöschen gebracht, daß erst de Gaszufuhr des Edelgases vollständig gedrosselt wird, bevor das Kohlenwasserstoffgas eingelassen wird, besteht die Gefahr, daß sich die frisch gereinigte Stahloberfläche innerhalb von Minuten durch Bestandteile des Restgasen aus dem Rezipienten mit einer die Haftung der in der Folge aufzubringenden Kohlenstoffschicht mindernden Schicht belegt (es ist anzunehmen, daß es sich hierbei um ein Oxid handelt).
Zur Verbesserung der Haftung der Kohlenstoffschicht an der Werkzeugoberfläche kann es sich jedoch empfehlen, eine Zwischenschicht zwischen der zu beschichtenden Werkzeugoberfläche und dem Überzug anzubringen.
Diese Zwischenschicht kann z.B. eine ähnliche Gitterstruktur wie der Überzug haben, es haben sich jedoch auch amorphe Hartstoffe als die Haftung begünstigendes Material für die Zwischenschicht bewährt.
Auf Stahl wurden bei Versuchen, die zur' Erfindung geführt haben, als die Haftung erhöhende Schichten sowohl Silicium-und Siliciumdioxidschichten aber auch Titanoxicarbidschichten einer Schichtdicke von # 50 nm angebracht. Die Beschichtung kann nach den aus der Dünnschicht-Technologie bekannten Verfahren, z.B. durch Kathodenzerstäubrng, erfolgen.

Claims

Patentansprüche ~~~~~~~~~~~~~~~ 1. Schneidwerkzeug mit einem Kohlenstoff enthaltenden erzug auf der Werkzeugoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug eine auf der Werkzeugoberf]äche festhaftend angebrachte 10 rim bis 10 /um dicke Schicht nus Kohlenstoff mit diamantähnlicher Struktur ist.
2. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Überzug und der Werkzeugoberfläche eine die Haftung des Überzuges verbessernde Zwischenschicht angebracht ist, die vorzugsweise eine ähnliche Gitterstruktur hat wie der Überzug.
3. Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Silicium oder Siliciumdioxid einer Schichtdicke im Bereich von 10 bis 100 nm besteht.
4. Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einem quasi amorphen Hartstoff, vorzugsweise Titanoxicarbid, besteht.
5. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugoberfläche, auf der der Überzug angebracht ist, angeätzt ist.
6. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein ?<asierwer#zeug ist.
7. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Säge ist.
8. Verfahren zur Herstellung des Schneidwerkzeuges nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug in einem plasmaaktivierten Abscheidungsprozeß aus der Gasphase (chemical vapour deposition) bei einer Temperatur unter ?OO°C, vorzugsweisc bei Zimmertemperatur, auf die zu Uberziehende Werkzeugoberfläche aufgebracht wird, derart, daß dem Werkzeug eine elektrische Vorspannung (Gleichspannung oder Wechselspannung) bis zu einigen kV, vorzugsweise 100 V, erteilt wird, daß die Gasatmosphäre, aus der der Überzug abgeschieden wird, gasförmige Kohlenwasserstoffe enthält und daß bei einem Druck im Bereich von 10 2 bis 103 Pa abgeschieden wird.
9. Verfahren zur Herstellung des Schneidwerkzeuges nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch Kathodenzerstäubung angebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenwasserstoff Acetylen eingesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, -daß als Kohlenwasserstoff Äthylen eingesetzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Überzug zu versehende Werkzeugoberfläche vor Anbringen des Überzuges angeätzt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Kathodenzerstäubung angeätzt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß mit Edelgas, vorzugsweise Argon, angeätzt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Anätzen der mit dem Überzug zu versehenden 5tierkzeugoberfläche und das Anbringen des Überzuges in ein und derselben Vorrichtung derart erfolgt, daß das Gas, aus dem der Überzug abgeschieden werden soll, zum gleichen Zeitpunkt in die Vorrichtung eingeleitet wird, wie der Zustrom des Gases, mit dem angeätzt wurde, gedrosselt wird.
16. Verwendung eines aus untereinander zusammenwirkenden Scherelementen bestehenden Schneidwerkzeuges gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einem elektrischen Rasierapparat.