DD153976A3 - Beschichtungsverfahren,insbesondere fuer rasierklingenschneiden,und danach hergestellte rasierklinge - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren fuer Feinschneiden, insbesondere Rasierklingenschneiden, und eine danach hergestellte Rasierklinge. Ziel der Erfindung ist die Herstellung v. Rasierklingen- u. anderen Feinstschneiden mit verbesserter Standfestigkeit durch hoehere Schneidenhaerte und besserer Haftfaehigkeit der Gleitschicht. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, mit dem eine Folge duenner, gleichmaessig dicker Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung und ohne scharfen Uebergang zwischen ihnen auf Substrate mit unterschiedlichem Neigungswinkel zum Target auftragbar ist. Erfindungsgemaess wird die in einer Plasmazerstaeubungsvorrichtung zunaechst aufgestaeubte Metallschicht vor allem im Bereich der Schneidkanten bis zu einem Mehrfachen der Solldicke aufgetragen und danach in einem inerten Plasma oder einem Plasma mit mindestens einer chemisch reaktionsfaehigen Komponente bis zur Solldicke abgetragen. Dabei wird die Schichtdicke homogenisiert und enthaelt im Oberflaechenbereich Atome der inerten bzw. reaktionsfaehigen Atmosphaere. Die danach hergestellte Rasierklinge enthaelt nahezu gleichmaessig dicke Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung ohne scharfen Uebergang. Anwendungsgebiet: Rasierklingen, Feinstschneiden.

Description

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(Eitel der Erfindung

Beschichtungsv erfahren j insbesondere für Rasierkling ensc !meiden, und danach, hergestellte .Rasierklinge

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindimg betrifft ein Beschichtungsverfahren für Fein-Schneidens, insbesondere Rasierklingenschneiden, und eine nach diesem Verfahren hergestellte, schneidenbeschichtete Rasierklinge. Der verfahrenstechnische Teil der !Erfindung isr darüber hinaus auch anwendbar bei der beschichtung von (jegenständen, deren Joegrenzungsflachen bei der gegenseitigen Berührung einen nach außen offenen Winkel einschließen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Es ist bekannt", die Schneiden von aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellten Rasierklingen zur Erhöhung der Standzeit bzw β zur Verbesserung der Schneidfähigkeit mit einzelnen Schien= ten oder auch mit einem System von Schichten zu versehen» Dabei kommt nach beispielsweise'genannten DID-OS 24-16 560 und US-PS 3 754 329 als letzte Schicht ein Kunststoff, in der Regel ein Fluorkohlenstoff polymer, zur Anwendung, wodurch eine gute Gleitfähigkeit der Klinge auf der Haut und damit eine sanfte Rasur erreicht werden solle Diese Gleitschicht kann unmittelbar auf dem Klingenwerkstoff oder auf eine als Haftvermittler wirkende Zwischenschicht aufgetragen werden.

Da teilweise die für die Rasierklingenherstellung aus wirtschaftlichen Gründen eingesetzten' Werkstoffe die notwendige Schneidenstabilität nicht erreichen können, ist es bekannt, auf die fertig geschliffene Rasierklingenschneide zunächst eine dünne j aber dichte Schicht eines harten Werkstoffes als Korrosions··

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schutz aufzutragen, durch den gleichzeitig die notwendige Härteder Seimeide erreicht und damit.deren Stabilität verbessert .wirde Durch die GB-PS 1 251 814 ist beispielsweise bekannt geworden, unmittelbar auf die Schneiden einer Rasierklinge durch Kathodenzerstäubung ein Metall, beispielsweise Chrom, aufzutragen* Diese Schicht wirkt als Korrosionsschutz für den darunter liegenden Werkstoff gegenüber den Medien Wasser und Rasierschaura und erhöht die Härte der Schneidkante«

Durch die US-PS 3 838 512 ist bekannt geworden, eine Stabilisierungsschicht aus einer metallischen Grundschicht, z»B_e aus Ghrom_s und einer darüberliegenden Verbindungsscnicht, z»B* aus Chromnitrid, aufzutragen» Das Auftragen des Schichtsystems erfolgt mittels Kathodenzerstäubung nacheinander von verschiedenen Targets» Dabei werden die Rasierklingen stapelvreise in eine Vakuumkammer eingebracht und mit ihren Schneiden auf'eine Targetelektrode ausgerichtet. Die Beschichtung erfolgt, indem in der Vakuumkammer bei "Unterdruck ein Plasma erzeugt und die Targetelektrode einige hundert Volt negativ gegen das Plasma vorgespannt wird, während alle anderen metallischen Einbauten der Vakuumkammer mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden sind* Als Variante wird vorgeschlagen, die Verbindungsschicht durch Zerstäuben von Metall in einer reaktionsfähigen Atmosphäre j beispielsweise in Stickstoff, aufzutragen. Dadurch werden die Hachteile des Einsatzes von zwei unterschiedlichen !Targets gemindert»

nachteilig bei den bekannten Beschichtungsverfahren ist, daß der Auftrag auf das Substrat an den Partien, die dem Target am nächsten liegen.,- am größten ist. Das bedeutet, daß die Schichtdicke an den weiter zurückliegenden Schneidenfacetten ständig abnimmt. Das kann dazu führen, daß die Schichtdicke am Auslauf der Beschichtung am Rasierklingenkörper vor allem bei Klingen aus Kohlenstoffstahl für einen sicheren Korrosionsschutz nicht mehr ausreicht, Soll die Schichtdicke an diesen Stellen dafür ausreichend sein, würde"sie an der Schneidkante eine solche Di~ mension annehmen·, daß die'Schneidengeometrie verloren geht»

Durch die US-PS 3 811 189 ist bekannt geworden, auf eine Rasier-

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Klingenschneide zunächst eine isolierende Hartstoffse nicht und auf diese eine Metallschicht aufzustäuben. Zur Vermeidung von Veränderungen der Geometrie der Schneidkante soll dann die Metallschicht im Schneide rib ereich wieder abgetragen werden, wobei die .Hartstoff schicht erhalten bleibt. Das nacheinander erfolgende Beschichten mit unterschiedlichen Werkstoffen erfor- ' dert einen hohen apparativen und verfahrenstechnischen Aufwand. Außerdem hat nach vorliegenden Erfahrungen die freiliegende Hartstoffschicht nur ungenügende Gebrauchseigenschaften, da sie nicht über ausreichende Gleitfähigkeit auf der Haut verfügt.

Allgemein ist noch festzustellen, daß das Aufstäuben der Verbindungsschicht in reaktiver Atmosphäre gegenüber dem Aufstäuben von verschiedenen Targets zwar Vorteile .hat, andererseits damit aber auch erhebliche Nachteile verbunden sind« Dor Beschüß des Targets mit reaktiven Ionen erzeugt nämlich am Target selbst eine modifizierte Deckschicht, die verursacht, daß bei vergleichbaren Zerstäubungsbedingungen die Wachstumsgeschwindigkeit der Verbindungsschicht nur ein Zehntel bis ein Drittel derjenigen der Metallschicht beträgt,'Aufgrund der dadurch notwendigen längeren Beschichtungszeit und der erhöhten Sekundärelek-» tronenausbeute der Deckschicht tritt an den Schneiden eine unerwünschte Temperaturerhöhung ein, die zu Härteverlusten fähren kann. Schließlich muß die Deckschicht· vom Target durch Zerstäuben in Edelgas abgetragen werden, bevor im nächsten Arbeitszyklus wieder eine reine Metallschicht abgeschieden v/erden kann. Das bedeutet Verluste an Zeit., Energie und Material im Produktionsbetrieb bei der Bearbeitung von Chargen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die im Einsatz unterschiedlicher Targets bzw. in Effektivitätsverlusten_ zu sehenden Nachteile bisher bekannter Beschichtungsverfahren weitgehend zu vermeiden und Rasierklingen- und andere Feinstschneiden mit.verbesserter Standfestigkeit durch höhere Schneidenhärte und besserer Haftfähigkeit der Gleitschicht und damit besserer Gleitfähigkeit herzustellen.

.Darlegung des Wesens der Erfindung

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dem ene Folge dünner, auch auf Bestäubungsflächen mit unterschiedlichem Neigungswinkel und geringfügig unterschiedlichem Abstand zum Target gleichmäßig„dicker Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung und ohne scharfen Übergang zwischen ihnen auf tragbar ist, wobei die hervortretenden Nachteile bekannter Beschichtungsverfahren- vermieden werden sollen, sawie die Schaffung einer Basierklinge mit verbesserter SchneidenbescMchtung.

Die Merkmale des erfindimgsgemäßen Verfahrens bestehen darin* daß eine aufgestäubte Metallschicht vor allem im Bereich· der Schneidkanten bis zu einem Mehrfachen der geforderten Schichtdicke aufgetragen wird und daß danach ein Abtragen in einem inerten Plasma mit mindestens einer chemisch reaktionsfähigen Komponente erfolgt, um neben der Abtragung eine chemische Verbindung der .reaktionsfähigen Komponente des Plasmas mit Atomen der Metallschicht zu erreichen. Als Metall wird Chrom und als reaktionsfähige Komponente Stichstoff, Kohlenstoff oder Sauerstoff verwendet. Das Aufstäuben der Metallschicht kann nach einer'Ve rfanrensvariante in einer Vakuumkammer und das Wieder abstäuben und' Anreichern der Metallschicht mit Fremdatomen in einer zweiten Vakuumkammer erfolgen, in welche das Substrat mittels Schleusen ohne Zwischenbelüftung überführt wird· Eine erfindungsgemäße Rasierklinge hat im Oberflächenbereich einer Metallschicht Atome eines anderen, vorzugsweise mit dem . Metall chemisch reagierenden Stoffes eingelagert bzw. in, chemischer Verbindung mit dem Metall vorliegen. Die Sicke der gesamten Beschichtung beträgt 20'bis 70 nm und die Dicke des modifizierten Oberflächenbereiches 20 nm, wobei die Schichtdickenabweichung auf den einzelnen Schneidenfacetten 50 Prozent, bezogen auf deren größte Abmessung, nicht überschreitet. Die reinmetallische Schicht und deren modifizierter Oberflächenbereich., gehen allmählich ineinander über.

AusführungsbeispieI

Die Erfindungwird nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung ist der Ablauf des zweiten Schrittes des Beschichtungsverf ahrens schematisch dargestellt.

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tigt, nach dem Vereinzeln einem Reinigungsprozeß unterworfen, gestapelt und als Stapel in die "Vakuumkammer der Bestäubungsverrichtung eingebracht. Diese enthält, wie bekannt_s in der Vakuumkaramer mindestens eine Targetelektrode mit dem Target des aufzustäubenden Werkstoffes, im speziellen Fall Chrom, die Einrichtung zur elektrisch isolierten Aufnahme des Klingenstapels und eine in den Saum zwischen Target und Klingenstapel einbringbare Blende, Dazu kommen Einrichtungen zur Erzeugung des Vakuums und der Betriebsspannung _s eine Gasversorgung und gegebenenfalls Hilfsmittel zur Unterstützung der Entladung_s wie Glühkathoden, Einrichtungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes a_eä.

Die Vakuumkammer wird zunächst auf etwa 10 ^J Pa evakuiert und

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dann ein Argondruck von etwa 5 x 10 pa in ihr eingestellt. Zur Reinigung des Targets wird ein Argonplasma gezündet und das Target bei in den Raum zwischen Target und Klingenstapel, eingebrachter Blende zerstäubt, so daß keine Auftragung auf die Klingenstapel erfolgt» Dabei ist das Target als Kathode geschaltet, während alle anderen metallischen Einbauten am positiven Pol der Stromversorgung anliegen und die Anode bilden* Nach der Targetreinigung wird bei entfernter Blende, aber sonst gleichen Bedingungen, auf die auf das Target ausgerichteten Rasierklingenschneiden eine Chromschicht aufgetragen*. Diese Chromschicht weist verfahrensbedingt auf dem näher zum Target liegenden Schneidenbereich eine größere Dicke auf als an den weiter zurückliegenden Schneidenfacetten.' Das ist auch darauf zurückzuführen, IaB die Aufstäubungsrate abhängig ist vom Neigungswinkel der zu beschichtenden Flächen zur Hauptrichtung des Stromes abgestäubten Targetmaterials und von dessen Dichte. Durch den Aufbau der Schneide aus Facetten mit unterschiedlichem Neigungswinkel ergibt sich j daß im unmittelbaren Bereich der Schneidkante der Einfallwinkel des Stromes abgestäubten Targetxsaterials am kleinsten und der Strom am dichtesten ist. Die Schicht wird daher im Schneidenbereich beispielsweise mit einer Dicke von 50 mn und an den äußeren Schneidenfacetten mit einer Dicke von 10 mn aufgetragen. ' ·

Iq. einem weiteren Verfahrensschritt wird in der Vakuumkammer

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ein Stickstoff druck von ca. 5x10 Pa eingestellt» Die Klingenstapel werden als. Kathode geschaltet, d.h. nunmehr mit dem

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negativem Pol der Stromversorgung verbunden, während die Targetelektrode und alle v/eiteren metallischen Einbauten in der Vakuumkammer als Anode geschaltet werden» Es wird ein Stickstoffplasma gezündet, wobei bei in den Raum zwischen Target und Klingenstapel eingebrachter Blende eine Abtragung der aufgebrachten Metallschicht erfolgt» Aus den im Zusammenhang mit der Auftra~ gung dargelegten Gründen erfolgt auch eine größere Abtragung im. Bereich der Schneidkante als an den weiter zurückliegenden Schneidenfacetten_β Das durch den Beschüß mit Stickstoffionen abgestäubte Metall kann aufgrund der Geometrie im Schneidenbereich den Rasierklingenstapel nur zu einem Teil verlassen, der andere Teil kondensiert auf den Schneidenfacetten.gegenüberliegender Hingen« Dadurch tritt die gewünschte Gleichmäßigkeit der Schichtdicke ein«,

Gleichzeitig wird erreicht, daß sich das aufgestäubte. Metall mit den Stickstoff ionen chemisch bindet und sich als Chromnitrid niederschlägtc Auf diese Weise ist es möglich» die verbleibende Chromschicht in einer Tiefe von 20 nm und auch mehr in Chroinnitrid umzuwandeln. . ·

Ein weiterer -Effekt besteht darin, daß energiereiche Stickstoffionen, ohne eine chemische Verbindung mit Chrom einzugehen, im keV-Bereich In eine Tiefe der Größenordnung von 10 nm in die Chromschicht eindringen und in dieser festigkeitsverbessernde Einlagerungen bilden. Dabei'entsteht zwischen den einzelnen Schichtungen ein allmählicher Übergang» da die Eindringtiefen nicht scharf begrenzt sind»

Der Ablauf dieses Verfahrensschrittes ist in der Zeichnung schematisch dargestellt» Darin sind die Rasierklingen 1 in einem Stapel angeordnet, der mit den durch Facetten 2; 3 mit unterschiedlichen' Winkeln gebildeten Schneiden auf das Target 4- ausgerichtet ist. Die mit hohem Energiegehalt auf die Rasierklingenschneiden auftreffenden Stickstoffionen 5 tragen aus der vorher aufgestäubten Chromschicht 6 Teile ab* die sich zumindest teilweise auf die Facetten 2; 3 ά©³? benachbarten Rasierklinge absetzen, wobei sich die Metallpartikel gleichzeitig mit dem Stickstoff hu Chromnitrid verbinden« Ein Teil der Stickstoff.io-

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neu dringt auch ohne chemische Verbindung mit dem Metall in dessen oberflächen-ereich ein und lagert sich in diesem ab. Durch diesen Vorgang erfolgt der vorher beschriebene Ausgleich der Dicke der Chromschicht und ihre Anreicherung mit Stickstoff.

Das Verfahren kann in der Weise durchgeführt werden, daß in einer Vakuumkammer die Beschichtung mit Chrom erfolgt_s und die Klingenstapel dann durch ein Schleusensystem ohne Zwischenbelüftung in eine zweite Vakuumkammer überführt werden, in der der zweite Verf ahrensschritt in reaktiver Stickstoffatmosphäre vorgenommen wird, in einer dritten Vakuumkammer, in die die Klingenstapel ebenfalls durch ein Schleusensystem eingebracht v/er- · den, kann dann weiter die Beschichtung mit einem Pluorkohlenstoffpolymer erfolgen.

Eine nach diesem Verfahren hergestellte Rasierklinge weist im Schneidenbereich eine Beschichtung mit über die gesamte Schneide nahezu gleichmäßiger Dicke auf. Die Beschichtung besteht vom Klingenwerkstoff ausgehend aus reinem Chrom, die obere Partie besteht zumindest teilweise aus Chromnitrid und enthält dazu noch Atome reinen Stickstoffes, wobei die Dicke der gesamten Schicht zwischen 20 nm und 70 ^m und die Dicke der mit Stickstoff angereicherten Schicht bis zu 20 nm beträgt. ü~ber den gesamten Schneidenbereich beträgt die Abweichung der Schichtdicke höchstens 50 Prozent, bezogen auf deren größte Abmessung. Charakteristisch ist, daß zwischen der Schicht reinen Chromes und dem mit Stickstoff angereicherten Oberflächenbereich ein allmählicher Übergang besteht, wodurch eine gute Verbindung zwischen beiden besteht. Die Schneide ist weiterhin mit einem Fluorkohlenstoff polymer, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, überzogen, wofür die mit Stickstoff angereicherte Schicht einen ausgezeichneten Haftgrund bildet. Diese Klinge zeichnet sich durch eine hohe Härte und Stabilität der Schneide aus und ver-r fügt über sehr gute Gleitfähigkeit als Voraussetzung für eine lange Gebrauchsfähigkeit und sanfte Rasur..

Weiterhin ist vorteilhaft, daß durch die Homogenisierung der Schichtdicke deren Schutzwirkung gegen Korrosion durch Wasser und Rasierschauni .besonders an deren übergang zum unbeschichteten Bereich bzw, zu anderen Beschichtungen· auf dem Rasierklin-

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genkörper verbessert wird und das dadurch auch die Herstellung korrosionsbeständiger Klingen ZoB.aus" Kohlenstoffstahl erleichtert wird. ...'-,.

Weiteres -Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Herstellung von Schneidwaren anderer Art und die 'Beschichtung von Kugeln» Rollen und ähnlich geformter Teile in Massenverfahren.

Claims (4)

1. '209113-9-

   Erfindungsanspruch: ..

   ¹L Be s chi chtung sv erf ahr en.für Rasie rkl ing ens c hn e iden, unt er Verwendung einer Plasmazerstäubungsvorrichtung, in welche . das zu beschichtende Substrat stapelweise mit parallel geordneten Schneiden auf ein Metalltarget ausgerichtet und nach einer Zerstäubungsreinigung in einer Edelgasentladung bei negativer TargeiTvorapannung beschichtet und diese Beschichtung danach im Bereich der Schneide bei negativer Substratvorspannung wieder abgetragen wird, gekennzeichnet dadurch, daß zum Erreichen beschichteter Schneiden die zunächst aufgestäubte Metallschicht vor allem im Bereich der Schneidkanten bis zu einem Mehrfachen der geforderten Schichtdicke aufgetragen wird und daß'die Abtragung in einem inerten Plasma mit mindestens einer chemisch reaktionsfähigen Komponente erfolgt, um neben der Abtragung eine chemische. Verbindung der reaktionsfähigen Komponente des Plasmas mit Atomen der Metallschicht zu erreichen. .
2. 2. Beschichtungsverfahren ,nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, '· äaß als Metall Chrom und als reaktionsfähige Komponente' Stickstoff, Kohlenstoff oder Sauerstoff verwendet wird.
3. 3. Beschichtungsverfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Aufstäuben der Metallschicht in einer Vakuumkammer und das Wiederabstäuben und Anreichern der Metallschicht mit Fremdatomen in einer zweiten Vakuumkammer erfolgt, in welche das Substrat mittels Schleusen ohne Zwischenbelüftung überführt wird.
4. 4-, Rasierklinge mit einer Beschichtung im Bereich der Schneide, hergestellt unter Anwendung des Verfahrens nach Punkt 1 bis 3» gekennzeichnet dadurch,' daß im Oberflächehbereich einer Metallschicht Atome eines anderen, vorzugsweise mit dem Metall chemisch reagierenden Stoffes eingelagert bzw* in chemischer Verbindung mit dem Metall vorliegen.

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   Rasierklinge nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Dicke der gesamten Stabilisierungsschicht 20 "bis 70 rnn beträgt und die dicke des modifizierten Oberflächenbereiches 20 mn,- wobei die Schichtdickenabweichung auf den einzelnen Schneidenfacetten 50 %., bezogen auf deren größte Abmessung _f nicht überschreitet.

   Rasierklinge nach Pimkt 4- bis 5» gekennzeichnet dadurch, daß die reinmetallische Schicht und deren modifizierter Oberflächenbereich allmählich ineinander übergehen.

   Hierzu 1 Seiie Zeichnungen