Korrosionsbeständiges Schneidwerkzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft korrosionsbeständige Schneidwerkzeuge, insbesondere Schneidwerkzeuge aus gehärtetem Stahl, wie z. B. Rasierklingen, die sehr gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen, sowie eine grosse Härte der Schneide und eine Struktur, die frei von schädlichen Carbidkörnern ist, besitzen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung dieser Werkzeuge. Die Härte dieser Werkzeuge liegt normalerweise im gehärteten Zustand lüber einem Wert von VPN 800 (Vickers Härte bei 0,5 kg Belastung) und nach Tempern einer Temperatur von bis zu 400 C kann die Härte im Bereich von VPN 650 bis VPN 800 liegen, wobei der Wert von der beim Tempern angewandten Temperatur abhängig ist.
Bisher bekannte korrosionsbeständige Schneidwerkzeuge, wie z. B. Rasierklingen, wurden aus stark chromhaltigen Stählen hergestellt, die einen hohen oder einen mittleren Kohlenstoffgehalt aufwiesen, und die von einer Temperatur von über 1000 0C ausgehend, gehärtet wurden. Als Beispiel hiefür seien Stähle genannt, die 13-14 Oio Chrom, 0,9-1,1 O/o Kohlenstoff (Typ A) sowie 13-14 O/o Chrom und 0,5-0,7 O/o Kohlenstoff (Typ B) enthalten. Der Rest besteht im wesentlichen zur Gänze aus Eisen, wobei gegebenenfalls geringere Zusätze an weiteren Elementen, wie z. B. Mangan, Kupfer, Molybdän und Kobalt vorliegen. Die aus diesen Stählen hergestellten Werkzeuge erwiesen sich in vieler Hinsicht als nicht vollständig befriedigend.
Die Stähle des Typs A erhalten, wenn sie auf eine Härte von Nahe bei VPN 800 gehärtet werden, eine Struktur, die eine grosse Zahl grober Carbidkörnern, einer Grösse im Bereich von 3-30 Mikron (maximale lineare Ausdehnung) aufweisen, wobei diese Körner es unmöglich machen, eine glatte Schneide zu erzeugen, denn diese Körner werden während des Schleifens der Schneide leicht ausgebrochen, wodurch der Rand oder die Schneide eine abgescheuerte oder rauhe Kontur und Oberfläche erhält.
Ausserdem ist die Korrosionsbeständigkeit dieser Stähle ziemlich mässig. Stähle des Typs B hauben weniger grobe Carbidkörner und eine etwas bessere Korrosionsbeständigkeit als die Stähle des vorhin genannten Typs, aber die maximale Härte, die durch Härten dieser Stähle erzielt wird, ist geringer, als diejenige des Typs A und durch diesen Umstand wird die Dauerhaftigkeit der Schneide der aus diesem Stahl hergestellten Werkzeuge ungünstig beeinflusst.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung war es, ein korrosionsbeständiges Schneidwerkzeug, beispielsweise eine Rasierklinge, herzustellen, wobei dieses Schneidwerkzeug eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit in Kombination mit einer verbesserten Schärfe der Schneide und einer glatteren Schneide aufweist sowie eine verbesserte Anlassfestigkeit besitzt.
Die Zeichnung zeigt, ein Diagramm, in dem der Kohlenstoffgehalt, die Summe aus dem Chronigehalt, einer Hälfte des Molybdängehalts und einem Viertel des Wolframgehalts angegeben ist. Diese Summe wird im Diagramm als Y bezeichnet.
Gegenstand der Erfindung ist ein korrosions beständiges Schneidewerkzeug, insbesondere eine Rasierklinge, das eine grosse Härte der Schneide aufweist und sich dadurch auszeichnet, dass die Klinge aus einem Stahl besteht, der Chrom und Kohlenstoff enthält, wobei das Gewichtsverhältnis von Chrom und Kohlenstoff unter 30:
1 liegt, und dass der Kohlenstoffgehalt und die Summe aus dem Chromgehalt und der Hälfte eines allfälligen Molybdängehaltes und eines Viertels eines allfälligen Wolframgehaltes so gross sind, wie dies bei der durch die Verbindungslinie der Punkte ABCDEFA beschriebenen Fläche im beiliegenden Diagramm der Fall ist, wobei der allfällige MolybdJängehalt höchstens 1,5 Gew.-O/o und der allfällige Wolframgehalt höchstens 3,0 Gew.-O/o beträgt.
Vorzugsweise enthält das erfindungsgemässe Schneidewerkzeug ausserdem bis zu 1Gew.-O/o eines oder mehrerer der Elemente Nickel, Kobalt, Kupfer, Niob, Tantal, Titan, Vanadin, Zirkon, Bor und Beryllium, wobei der Summenwert des Gehaltes sämtlicher dieser Elemente maximal 1Gew.-O/o beträgt und wobei der Stahl ausserdem gegebenenfalls noch bis zu 0,8 Gew.-O/o Silicium und bis zu 1,0 Gew.-O/o Mangan enthält.
Die erfindungsgemässen Schneidwerkzeuge, insbesondere Rasierklingen, bestehen aus einem härtbaren Stahl, der eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit und in gehärtetem Zustand und vorzugsweise eine Härte von über VPN 800 besitzt und nach dem Anlassen auf bis zu 400 C eine Härte im Bereich von VPN 650-800 aufweist, wobei diese Härte von der Anlasstemperatur abhängig ist. Der Stahl besitzt auch eine gute Bearbeitbarkeit, wie z. B. ausserordentlich gute Kaltwalzeigenschaften.
Der Wolframgehalt des Stahles, kann beispielsweise 0,3 lo betragen, wesentlicher ist jedoch, dass die Mengen an Kohlenstoff sowie die Summe der Mengen an Chrom, der Hälfte der Menge an Molybdän und des Viertels der Menge an Wolfram so ausgewählt werden, dass die Legierung innerhalb des Vieleckes liegt, das durch die Punkte A, B, C, D, E, F und A in der anliegenden Zeichnung beschrieben wird, wobei die Summe in der Zeichnung als Y bezeichnet wird. Wenn daher ein geringer Gehalt an Kohlenstoff gewählt wird, dann hat es sich herausgestellt, dass der Chromgehalt, und für den Fall, dass Molybdän und/oder Wolfram anwesend ist, die Summe aus dem Chromgehalt und einer Hälfte des Molybdängehalts sowie eines Viertels des Wolframgehalts in der Regel ebenfalls tief liegen soll.
Die Grenzbedingungen, die durch die Verbindungslinien der Punkte A, B, C, D, E, F, A beschriebenen Fläche bestimmt sind, sind die folgenden: A 9.0/0.3; B 10.0/0.3; C 12.0/0.4; D 12.0/0.5; E 10.0/0.5; und F 9.0/0,4.
Der Kohlenstoffgehalt muss innerhalb des Bereiches 0,30-0,50 O/o liegen, wie aus dem Diagramm ersichtlich ist. Normalerweise soll der Kohlenstoffgehalt höchstens 0,45 O/o betragen, d. h. er soll vorzugsweise innerhalb des engeren Bereiches von 0,35-0,45 O/o liegen. Ausserdem soll der Chromgehalt in der Regel innerhalb des Bereiches von 0,5-10,8 0/o gewählt werden, und er soll vorzugsweise 9,5-10,5 O/o betragen. Es hat sich herausgestellt, dass hervorragend gute Ergebnisse erhalten werden, wenn das Verhältnis von Chrom zu Kohlenstoff innerhalb des Bereiches von 20- 28 liegt.
Es isl
1 1 ausserdem vorteilhaft, wenn die Summe der Gehalte an Chrom, der Hälfte des Gehaltes an Molybdän und eines Viertels des Gehaltes an Wolfram innerhalb des Bereiches von 9,5-11,25 /o liegt. Die Gehalte an Molybdän und Wolfram sollen normalerweise höchstens 1,25 O/o, bzw. höchstens 2,5 0/0 betragen, d. h. sie sollen im Bereich von 0,3-1,25 0/0, bzw. im Bereich von 0,6-2,5 O/o liegen. Der Siliciumgehalt soll vorzugsweise im Bereich von 0,2-0,7 /o liegen und der Mangangehalt soll gleicherweise im Bereich von 0,2-0,7 0/0 liegen.
Die Mengen an jedem der Elemente der Gruppe, die aus Nickel, Kobalt, Kupfer, Niob, Tantal, Titan, Vanadin, Zirkon, Bor und Beryllium besteht, soll normalerweise nicht über 0,5 O/o liegen und es ist auch vorteilhaft, wenn die Summe an allen diesen zuletzt genannten Elementen nicht über 0,5 O/o liegt.
Die Stähle, die bisher zur Herstellung von Schneidwerkzeugen, wie z. B. Rasierklingen, verwendet wurden, wiesen eine nicht aufeinander abgestimmte Zusammensetzung auf, was bedeutet, dass ihre Gehalte an Kohlenstoff und Chrom über den Wert lagen, die sinnvoll wären, wenn der Stahl mit Hitze behandelt wird. So wurde der Überschuss an Kohlenstoff und Chrom in den Carbidkörnern im gehärteten Stahl gefunden, während das Grundgerüst einen wesentlich geringeren Kohlenstoff- und Chromgehalt aufwies, als dies aus der chemischen Zusammensetzung des Stahls zu ersehen war.
Die erfindungsgemässe Zusammensetzung soll so aufeinander abgestimmt sein, dass die Werte, die bei der Analyse des Stahls erhalten werden, und das Grundgerüst im wesentlichen gleich sind. Einer der Vorteile, der im erfindungsgemässen Stahl erreicht wird, ist derjenige, dass die Zusammensetzung der Matrix nach der Härtung praktisch konstant bleibt, unabhängig von den Änderungen in den Härtungsbedingungen. Dies bedeutet auch, dass die Korrosionsbeständigkeit unver ändert bleibt, und dass der Stahl gegenüber VeränderunF gen in den Bedingungen der Hitzebehandlung nicht empfindlich ist. Ein weiterer Vorteil im Vergleich zu bisher verwendeten korrosionsbeständigen Stählen liegt in dem geringeren Chromgehalt, der auch bezüglich der Kosten des Produktes von Bedeutung ist.
Die Härte des gehärteten Stahls hängt unter anderem vom Kohlenstoffgehalt des Stahles ab. Wenn jedoch die Ms-Temperatur des Stahls, d. h. die Temperatur bei der die Umwandlung von Austenit in Martensit beginnt, durch die Zugabe von üblichen Mengen an Legierungselementen auf ein solches Mass herabgesetzt wird, dass nach der Härtung des Stahls praktisch keine Selbst Temperung des Martensit auftritt, kann eine Härte von über VPN 800 schon dann erreicht werden, wenn der Kohlenstoffgehalt so gering ist, wie etwa 0,3.
Wenn andererseits die M8-Temperatur durch die Zugabe von zu grossen Mengen an Legierungselementen zu dem Stahl zu stark herabgesetzt wird, dann wandelt sich der Austenit nur teilweise in Martensit um, was dazu führt, dass die Härte nicht ausreichend hoch ist, auch dann nicht, wenn eine Martensit erzeugende Tieftemperaturkühlung angewandt wird. Die bisher zur Herstellung von korrosionsbeständigen Schneidwerkzeugen, wie z. B. Rasierklingen, verwendeten Stähle hatten keine Zusammensetzungen, die entsprechend aufeinander abgestimmt waren, und durch diesen Umstand war die maximale Härte, die bei diesen Stählen erreicht werden konnte, beträchtlich geringer, als die gewünschte Härte.
Ausserdem war es auch nicht möglich, mit Hilfe dieser Stähle eine einheitliche Zusammensetzung im Grundgerüst zu erreichen, während dies im Grundgerüst der erfindungsgemässen Stähle der Fall ist.
Deshalb führt die Anwesenheit von grossen Mengen Carbidkörnern in den bisher bekannten Stählen zu Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung um die Körner, wodurch wieder die maximale Härte, die nach dem Härtungsvorgang erzielbar ist, herabgesetzt wird.
Die hervorragenden Eigenschaften, die bei den erfindungsgemässen Stählen im Vergleich zu bisher für Schneidwerkzeuge verwendeten korrosionsbeständigen Stählen erzielt wurden, werden in der Folge anhand von Beispielen noch mehr veranschaulicht.
Die Struktur des kaltgewalzten Stahles ist für die Herstellung von sehr guten Schneiden sehr wichtig, So ist die Anwesenheit von groben Carbidkörnern deshalb sehr nachteiilg, das diese, wie bereits früher erwähnt wurde, leicht während des Schleifens der Schneide ausbrechen und dadurch eine abgescheuerte bzw. unregelmässige Kontur und Oberfläche entsteht. In dem unten angegebenen Beispiel stellen der Stahl A und der Stahl B bisher für Rasierklingen angewandte Stähle dar, während die Stähle C 1 und C 2 Beispiele für erfindungsgemässe Stähle sind.
C O/o Si O/o Mn O/o Cr O/o Mo O/o Carbidkörner pro mm2 die gröber als 5 Mikron sind A 0,95 0,32 0,91 13,4 - 671 B 0,58 0,36 0,42 13,9 - 16 C1 0,38 0,41 0,41 10,6 - 0 C2 0,42 0,34 0,38 10,0 0,87 0
Die Härte der korrosionsbeständigen Chromstähle hängt von der bei der Härtung angewandten Temperatur, der Abkühlung, ausgehend von der Härtungstemperatur, und der Anlasstemperatur ab. Bei Stählen;
die im Gegensatz zu den erfindungsgemässen Stählen keine aufeinander abgestimmte Zusammensetzung aufweisen, tritt für eine bestimmte Härtungszeit und ein bestimmtes Kühlverfahren eine Härtungstemperatur auf, bei der eine maximale Härte erreicht wird. Durch nachfolgendes Anlassen auf 100-150 "C ist es möglich, diese Härte etwas zu erhöhen.
Bei den folgenden Beispielen, bei welchen die Stähle A und B bisher für Rasierklingen verwendete Stähle darstellen und die Stähle C 1, C2 und C 3 erfindungsgemässe Stähle darstellen, wird die maximale Härte dadurch erreicht, dass man eine Härtungszeit von 40 Sekunden, ein Abkühlen von der Härtungstemperatur auf Zimmertemperatur und sodann auf -70 CC und ein darauffolgendes Anlassen bei 100 "C in siedendem Wasser vornimmt.
C O/o Si O/o Mn O/o Cr O/o Mo O/o W O/o Maximale Härte
VPN A 0,95 0,32 0,91 13,4 - - 820 B 0,58 0,36 0,42 13,9 - - 790 C1 0,38 0,41 0,41 10,6 - - 845 C2 0,42 0,34 0,38 10,0 0,87 - 840 C3 0 > 45 0,32 0,43 9,7 0,63 0,63 855
Die grosse Härte der erfindungsgemässen Stähle erleichtert das Schärfen der Schneide, verbessert die Schneide und trägt auch zu einer Erhöhung leder Lebensdauer der Schneide bei, insbesondere wenn die Schneiden, wie dies manchmal üblich ist,
bei einer relativ tiefen Temperatur, d. h. bis zu 200 0C und insbesondere bis zu 150 C, mit einem Material be- schichtet werden, das die Schneideigenschaften günstig beeinflusst. Die erfindungsgemässen Stähle weisen trotz des relativ geringen Gehaltes an Chrom und anderen korrosionsverhindernden Elementen, wie z. B. Molybdän und Wolfram, eine ausserordentlich hohe Korrosionsbeständigkeit auf.
Ein Vergleich der Korrosionsgeschwindigkeit in 0,5 0/obiger Essigsäure, der unter Verwendung ader vorhin erwähnten Stähle A und B sowie unter Verwendung der erfindungsgemässen Stähle C 1, C 2, und C 3 ausgeführt wird, wird in der unten angegebenen Tabelle veranschaulicht. Alle diese Stähle wurden gehärtet und zur Erreichung der maximalen Härte angelassen.
Korrosionsgeschwindigkeit in mm/Jahr A 98 B 5,0 C1 4,2 C2 4,0 C3 4,6
Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, dass die Stähle C 1, C 2 und C 3 wesentlich korrosionsbeständiger sind als der Stahl A und dass sie etwa der Korrosionsbeständigkeit des Stahles B entsprechen, obwohl die erfindungsgemässen Stähle einen geringeren Gehalt an Legierungselementen aufweisen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Schneidwerkzeugen, wie z. B. Rasierklingen aus erfindungsgemässen Stählen. Der Stahl wird dabei in Streifenform kaltgewalzt, bis er die gewünschte geringe Dicke aufweist, d. h. eine Dicke von 0,05-0,5 mm, und danach kann eine Formgebung vorgenommen werden, beispielsweise ein Stanzen.
Der kaltgewalzte Stahlstreifen wird dann auf hohe Härte gehärtet, indem man ihn auf eine Temperatur im Bereich von 1050-1125 0C, vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 1100 C erhitzt, und ihn sodann auf Zimmertemperatur oder eine nocht tiefere Temperatur abkühlt, beispielsweise auf eine Temperatur im Bereich von -20 "C bis -120 CC. Nach der Härtung und einem gegebenenfalls nachfolgenden Anlassen in einem Bereich von 75-125 "C, beispielsweise auf eine Anlasstemperatur von etwa 100 CC, kann eine Härte im Bereich von über VPN 800 erreicht werden und die Schneiden werden dann geformt bzw.
geschärft, beispielsweise indem man sie einer Schleifbehandlung oder einem ähnlichen Arbeitsvorgang unterwirft. Schliesslich kann das Material während eines begrenzten Zeitraumes angelassen werden, beispielsweise während etwa einer Minute oder während einer Zeit von einer bis mehreren Stunden bei einer Temperatur von bis zu 400 C, beispielsweise bei einer Temperatur von 150 C. Die Härte des Stahls beträgt nach diesem endgültigen Anlassen mindestens VPN 650 und liegt, in Abhängigkeit von der Anlasstemperatur im Bereich von VPN 650-800.
Alle hierin angegebenen Prozentsätze beziehen sich auf Gewichtsprozente.