DE2644511A1

DE2644511A1 - CUTTING TOOL AND ITS MANUFACTURING

Info

Publication number: DE2644511A1
Application number: DE19762644511
Authority: DE
Inventors: Sen James Jackson Byrd
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1975-10-02
Filing date: 1976-10-01
Publication date: 1977-04-14
Also published as: JPS5244481A; FR2326698B3; SE7610850L; FR2326698A1

Description

Patentanwälte! Dr. Ing. Welter AbltzPatent attorneys! Dr. Ing. Welter Abltz

Dr. Dieter F. M ο rf ¹- Oktober 1976 Dr. Dieter F. M ο rf ¹ - October 1976

Dr. Hans-A. Brauns IP-OO99 Dr. Hans-A. Braun's IP-OO99

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E.I. DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY 10th and Market Streets, Wilmington, Del. I9898, V.St.A.EGG. DU PONT DE NEMORS AND COMPANY 10th and Market Streets, Wilmington, Del. I9898, V.St.A.

Schneidwerkzeug und seine HerstellungCutting tool and its manufacture

Diamant-Schneidwerkzeuge werden seit vielen Jahren zur Herstellung ultrafeiner Schnitte benutzt. Man bevorzugt solche Messer gegenüber aus einem harten Metall oder Glas hergestellten auf Grund der Zugänglichkeit des Diamanten für ein Schleifen unter Ausbildung einer absolut geraden, dauerhaften Schneide von aussergewöhnlicher Schärfe. Ein Verfahren zur Herstellung solcher Messer ist in US-PS 3 060 781 beschrieben.Diamond cutting tools have been used in manufacturing for many years ultra-fine cuts are used. Such knives are preferred over those made of a hard metal or glass Due to the accessibility of the diamond for grinding with the formation of an absolutely straight, permanent cutting edge of extraordinary sharpness. One method of making such knives is described in U.S. Patent 3,060,781.

Trotz der extremen Schärfe solcher Messer haben die mit ihnen gebildeten, dünnen Schnitte oft anomale Charakteristiken, die durch Zusammenpressung des Schnittes während seines Schneidens verursacht zu werden scheinen. Es wird angenommen, dass ungeachtet eines sauberen Schneidens des Schnittes durch das vordere Messerteil die getrennten Schnitteile während des Voranschreitens des vorderen Messerteils durch, den Schnitt an den Freiflächen der Schneide kleben. Die Zusammenpressung des Schnitts wird nicht durch den Druck verursacht, den das schneidende, vordere Messerteil auf den Schnitt ausübt, sondern viel-Despite the extreme sharpness of such knives, the thin cuts made with them often have anomalous characteristics that appear to be caused by compression of the cut during its cutting. It is believed that regardless a clean cutting of the cut by the front knife part, the separated cut parts as the advance progresses of the front part of the knife, glue the cut to the free areas of the cutting edge. The compression of the The cut is not caused by the pressure that the cutting, front part of the knife exerts on the cut, but rather

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mehr durch die Reibung, welcher der Schnitt durch die Freiflächen des Schneidwerkzeugs während dessen Hindurchgehens durch den Schnitt ausgesetzt ist. Wenn dies zutrifft, würde eine Schmierung der Freiflächen des Schneidwerkzeugs die Zusammenpressungen in dem Schnitt herabsetzen, wenn nicht eliminieren. more because of the friction caused by the cut through the free surfaces of the cutting tool as it passes through exposed by the cut. If so, lubrication of the flanks of the cutting tool would reduce the compressions reduce if not eliminate in the cut.

Diamanten jedoch sind durch viele Flüssigkeiten nicht gut benetzbar. Diamanten sind speziell hydrophob und durch Wasser nicht gut benetzbar. Es ist zwar in der Mikrotomtechnik gebräuchlich, der Diamantschneide benachbart eine mit Wasser gefüllte Sammelwanne vorzusehen, so dass die abgetrennten Schnitte von dem Diamantmesser wegschwimmen und somit leicht eingesammelt werden können, aber das in dieser Sammelwanne vorgesehene Wasser ergibt oft keine Schmierung des Diamanten. Es wurde nunmehr gefunden, dass der Diamant geschmiert wird und Zusammenpressung verschwindet oder zumindest auf einen akzeptablen Wert herabgesetzt wird, wenn man die Oberfläche des Diamanten mit einem Material beschichtet, das von einer erwünschten Schmier- oder Gleitflüssigkeit, z. B. Wasser, benetzt wird.However, diamonds are not easily wettable by many liquids. Diamonds are especially hydrophobic and cannot be easily wetted by water. Although it is common in microtome technology, To provide a water-filled collecting trough adjacent to the diamond cutting edge, so that the separated Cuts float away from the diamond knife and can therefore be easily collected, but in this collecting tray provided water often does not provide lubrication to the diamond. It has now been found that the diamond is lubricated and compression disappears or at least is reduced to an acceptable level when the surface is touched of the diamond coated with a material that is of a desired lubricating or sliding liquid, e.g. B. water, wetted will.

Die Technik des Beschichtens von Schneiden mit einer Vielfalt von Materialien ist weit entwickelt. Sie ist aber fast ausschliesslich auf die Erzeugung von verbesserten Metallschneidwerkzeugen, speziell Rasierklingen, gerichtet. Während man hierzu eine Vielfalt von Techniken und eine Vielfalt von Beschichtungen hat, ist der Grund des Beschichtens fast allgemein die Aufbringung eines schneidenverfestigenden Materials auf die Schneidoberfläche der Rasierklinge. Eine Ausnahme hiervon stellt natürlich ein Versuch dar, die Gleithemmung des Rasiergerätes durch Beschichten der Klinge mit einem Fluorkohl enstoffpolymeren zu verkleinern.The technique of coating cutting edges with a variety of materials is well developed. But it is almost exclusively directed to the production of improved metal cutting tools, especially razor blades. While one a variety of techniques and a variety of coatings almost generally, the purpose of coating is to apply a blade strengthening material onto the cutting surface of the razor blade. An exception to this is, of course, an attempt to prevent the Shaving device by coating the blade with a fluorocarbon polymer.

Diamanten als solche sind schon mit einer Vielfalt von Materialien beschichtet worden, einschliesslich Metallen, aber der Grund hierfür ist allgemein die Ausbildung eines Substra-As such, diamonds come with a variety of materials has been coated, including metals, but the reason for this is generally the formation of a substrate

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tes, das die Bindung des Diamanten an eine Schleifscheibe
erlaubt. Als Beispiel sie auf die US-PS 3 585 013 verwiesen. Der Diamant wird bei einem solchen Prozess vollständig mit einem recht weichen Metall eingekapselt, das während der
Schleifstufe unter Freilegung der Diamantsehneide abgerieben wird.tes that the bond of the diamond to a grinding wheel
permitted. See US Pat. No. 3,585,013 as an example. In such a process, the diamond is completely encapsulated with a rather soft metal, which during the
Grinding stage is rubbed off exposing the diamond chord.

Keine dieser Arbeitsweisen ist auf eine Verbesserung der Benetzbarkeit des Diamanten - wie von der vorliegenden Erfindung angesprochen - gerichtet.Neither of these procedures is aimed at improving wettability of the diamond - as addressed by the present invention - directed.

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Schneidwerkzeug gerichtet, das ein Diamantkörperteil mit länglicher - einer eine im
Vergleich zur Dicke merkliche Länge besitzende Form aufweisenden - Schneide mit einer Dicke von unter 0,05 Mikron und auf dem vorderen Teil und den Freiflächen der Schneide
eine Metallschicht aufweist, wobei die Schicht eine Dicke
zwischen etwa 0,002 und 0,01 Mikron hat.The present invention is directed to a cutting tool having a diamond body part with an elongated - one in
Shape having a noticeable length compared to the thickness - cutting edge with a thickness of less than 0.05 microns and on the front part and the flanks of the cutting edge
comprises a metal layer, the layer having a thickness
is between about 0.002 and 0.01 microns.

Das Metall ist vorzugsweise ein hydrophiles Metall, insbesondere Platin und/oder Wolfram. Die Metallschicht hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von etwa 0,0035 bis 0,005 Mikron.The metal is preferably a hydrophilic metal, in particular platinum and / or tungsten. The metal layer preferably has a thickness in the range of about 0.0035 to 0.005 microns.

Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Herstellung des vorstehenden Schneidwerkzeugs zur Verfügung, bei dem man die Oberfläche der Schneide durch Einwirkenlassen einer elektrischen Hochdruck-Entladung auf die Schneide reinigt und den
vorderen Teil und die Freiflächen der Schneide durch Vakuumbedampfung mit etwa 0,002 bis 0,01 Mikron eines Metalls auf die Schneide beschichtet.The invention further provides a method of manufacturing the above cutting tool, in which the surface of the cutting edge is cleaned by applying a high pressure electric discharge to the cutting edge and the
The front part and the flanks of the cutting edge are coated by vacuum evaporation with about 0.002 to 0.01 microns of a metal on the cutting edge.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird in der Reinigungsstufe die Oberfläche der Schneide zuerst chemisch gereinigt und die Schneide dann einer Plasma-fieinigung unterworfen und bei der Beschichtung der Oberfläche der Schneide etwa 0,0035 bis 0,005 Mikron eines hydrophilen Metalls auf die Schneidenoberfläche abgeschieden.According to a preferred embodiment, in the cleaning stage the surface of the cutting edge is first chemically cleaned and the cutting edge is then subjected to a plasma cleaning and in coating the surface of the cutting edge, about 0.0035 to 0.005 microns of a hydrophilic metal on the cutting edge surface deposited.

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Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird bei dem Verfahren die Schneidenoberfläche mit einem Metall aus der Gruppe Platin und Wolfram und deren Kombinationen vakuumbedampft.According to a particularly preferred embodiment, the Process the cutting surface with a metal from the group of platinum and tungsten and their combinations vacuum-deposited.

Die Erfindung ist nachfolgend an Hand der Zeichnung beschrieben, in der zeigt:The invention is described below with reference to the drawing, which shows:

Fig. 1 einen vergrösserten Querschnitt einer verbesserten Schneide gemäss der Erfindung undFig. 1 is an enlarged cross-section of an improved Cutting edge according to the invention and

Fig. 2 schematisch eine zur praktischen Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung geeignete Vorrichtung.Fig. 2 shows schematically one for the practical implementation of the method according to the invention suitable device.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist das Diamant-Schneidwerkzeug 11 ein Diamant-Körperteil 12 auf, das in einem Metallschaft 13 gehaltert ist. Die Arbeitsweise zur Vereinigung von Diamant mit Metall ist vertraut und speziell in US-PS 3 192 620 beschrieben. Weiter ist die Arbeitsweise zur Schärfung solcher Schneidwerkzeuge bis zu dem Punkt, an dem die Schneide eine Dicke von unter 0,05 Mikron hat, in der schon genannten US-PS 3 060 781 beschrieben.As shown in FIG. 1, the diamond cutting tool 11 has a diamond body part 12 that is contained in a metal shaft 13 is held. The procedure for combining diamond with metal is familiar and is specifically described in U.S. Patent 3,192,620. Next is the procedure for sharpening such cutting tools to the point where the cutting edge is a Thickness of less than 0.05 microns is described in the aforementioned US Pat. No. 3,060,781.

Das in Fig. 1 gezeigte, spezielle Schneidwerkzeug ist gemäss der Erfindung durch Auftragen einer dünnen Schicht 14 eines Metalls auf den vorderen Teil und die Freiflächen der Diamant-Schneide verbessert. Die Beschichtung hat, wie oben beschrieben, die Aufgabe, auf dem Diamant einen Überzug zu bilden, der von dem jeweils gewünschten Gleitmittel benetzt wird» Die Wahl des Gleit- oder Schmiermittels liegt beim Anwender des Schneidwerkzeugs. Normalerweise arbeitet man mit Wasser, aber man. kann auch entsprechend den Forderungen des jeweiligen Falles jede andere Flüssigkeit, wie ein organisches Lösungsmittel, wählen. Bei der nachfolgenden Beschreibung ist die Verwendung von Wasser als schmierender Flüssigkeit unterstellt, was aber nur der einfacheren Beschreibung der Erfindung dient, die hierdurch nicht beschränkt ist. Wenn als Schmierflüssigkeit Wasser verwendet wird, soll das für das BeschichtungsmaterialThe special cutting tool shown in Fig. 1 is according to the invention by applying a thin layer 14 one Metal on the front part and the free surfaces of the diamond cutting edge. As described above, the coating has the task of forming a coating on the diamond that is wetted by the lubricant required in each case »The choice of Sliding or lubricating agent lies with the user of the cutting tool. You normally work with water, but you do. any other liquid, such as an organic solvent, can also be used, depending on the requirements of the respective case, Select. In the following description, the use of water as a lubricating liquid is assumed, but what only serves to simplify the description of the invention, which is not restricted thereby. When used as a lubricant Water is used, that should be for the coating material

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gewählte Metall hydrophil sein. Beispiele für zweckentsprechende Metalle sind Platin und Wolfram und Kombinationen derselben.chosen metal to be hydrophilic. Examples of suitable metals are platinum and tungsten and combinations thereof.

Die Dicke der auf den Diamant aufgebrachten Überzugsschicht soll im Bereich von etwa 0,002 bis 0,01 Mikron, vorzugsweise etwa 0,0035 bis 0,005 Mikron liegen. Eei einer Schicht von mehr als etwa 0,01 Mikron Dicke nimmt die Schneide die Charakteristik des Metalls an, und die für Diamanten charakteristische Härte und Schärfe gehen verloren. Bei einer Schicht von unter etwa 0,002 Mikron Dicke hat die Schicht eine Neigung, in sehr kurzer Zeit (d. h. in der Grössenordnung von Stunden) Abhebung bzw. Abblättern zu unterliegen, was durch die Trennkräfte bewirkt zu werden scheint, welche dochtartig zwischen der Überzugsschicht und dem Diamant vordringende Wassermoleküle ausüben. Eine ausreichende Erklärung hierfür ist nicht verfügbar, aber es hat sich gezeigt, dass eine Abtrennung der Beschichtung von dem Diamanten auftritt, wenn die Beschichtung dünner als 0,002 Mikron ist.The thickness of the coating layer applied to the diamond should be in the range of about 0.002 to 0.01 microns, preferably about 0.0035 to 0.005 microns. A layer more than about 0.01 micron thick will cause the cutting edge to take on the characteristic of the metal and the hardness characteristic of diamonds and sharpness are lost. If the layer is less than about 0.002 microns thick, the layer has a tendency to be very short Time (i.e. in the order of hours) withdrawal or withdrawal To be subject to peeling, which appears to be caused by the separation forces which wick-like between the coating layer and exercise water molecules penetrating the diamond. A sufficient explanation for this is not available, but it has It has been shown that separation of the coating from the diamond occurs when the coating is thinner than 0.002 Micron is.

Die Arbeitsweise zur Aufbringung der Überzugsschicht auf den Diamanten ist recht einfach. Die Oberfläche der Schneide muss sauber sein. Man unterwirft hierzu im allgemeinen die Oberfläche der Schneide einer elektrischen Hochdruckentladung, vorzugsweise im Glimmentladungsbereich, wodurch die Diamantoberfläche durch Ionenbeschuss gereinigt wird. Der Diamant kann hierzu in eine Vorrichtung in Art der in Fig. 2 gezeigten eingegeben werden. Man gibt das Diamant-Schneidwerkzeug 11 hierbei in eine Vakuumzelle 15, die von einem Sturz 16 und einer Unterlage 1? gebildet wird. Der Diamant wird auf einem Halter 18 in der Zelle angeordnet· Der Druck in der Zelle wird mit einer nicht eingezeichneten Vakuumpumpe auf etwa 100 Mikron Hg reduziert. Dann wird zwischen zwei Elektroden 19, 20, die von einer herkömmlichen, nicht eingezeichneten Stromquelle gespeist werden, eine elektrische Entladung erzeugt. Die bei dieser Entladung erzeugten Ionen prallen auf die Oberfläche des Diamanten unter wirksamer Reinigung derselben auf. Die Elektroden können aus allen zweckentsprechenden Materialien, wie rostfreiem Stahl, hergestellt sein;The procedure for applying the coating layer to the Diamond is pretty simple. The surface of the cutting edge must be clean. The surface is generally subjected to this the cutting edge of an electrical high pressure discharge, preferably in the glow discharge area, whereby the diamond surface passes through Ion bombardment is cleaned. The diamond can do this in a Device in the manner shown in Fig. 2 can be entered. The diamond cutting tool 11 is placed in a vacuum cell 15 by a lintel 16 and a pad 1? educated will. The diamond is placed on a holder 18 in the cell. The pressure in the cell is indicated with a not shown Vacuum pump reduced to about 100 microns Hg. Then between two electrodes 19, 20, which are of a conventional, not shown power source are fed, an electrical discharge is generated. The ions generated by this discharge impinge on the surface of the diamond, effectively cleaning the same. The electrodes can be made of any suitable Materials such as stainless steel;

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die Arbeitsweise zur Reinigung der Oberfläche von Materialien durch Ionenbeschuss ist an sich vertraut.the procedure for cleaning the surface of materials by ion bombardment is inherently familiar.

Noch bessere Ergebnisse werden erhalten, wenn man den Diamant vor der Reinigung der Oberfläche mit einer elektrischen Hochdruck-Entladung zuerst chemisch reinigt. Die Arbeitsweise zur chemischen Reinigung von Materialien ist an sich vertraut. Nach einer zweckentsprechenden Arbeitsweise wird der DiamantEven better results are obtained if the diamond is subjected to a high-pressure electric discharge before cleaning the surface dry clean first. The procedure for chemical cleaning of materials is inherently familiar. After an appropriate working method, the diamond

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zuerst 6 Tage in einer Alconox—'-Lösung getränkt, dann mehrere Minuten in Wasser gespült und hierauf mehrere Minuten in Alkohol, danach mehrere Minuten in Xylol, hierauf mehrere Minuten in Alkohol, dann mehrere Minuten in Chloroform und schliesslich mehrere Minuten in Äther getaucht. Nach dieser chemischen Reinigung wird der Diamant dem Ionenbeschuss unterworfen.■ φ
first soaked in an Alconox solution for 6 days, then rinsed in water for several minutes and then immersed in alcohol for several minutes, then in xylene for several minutes, then in alcohol for several minutes, then in chloroform for several minutes and finally in ether for several minutes. After this chemical cleaning, the diamond is subjected to ion bombardment.

In der nächsten Verfahrensstufe wird die Oberfläche des Diamanten mit der Metallschicht überzogen. Das Metall kann hierzu auf die Diamant-Schneide durch Vakuumabscheidung oder -bedampfung aufgebracht werden. Nach einem Weg hierzu wird der Druck in dem Vakuumbehälter weiter auf den zweckentsprechenden Arbeitsbereich, d. h. etwa 0,03 Mikron Hg, vermindert und das auf die Schneidenoberfläche aufzubringende Metall erhitzt, um seinen Dampfdruck zu erhöhen. Die Bedingungen hierbei hängen von der Art des benötigten Metallüberzugs ab und sind dem Fachmann vertraut. Ein bequemer Weg besteht im Einsatz eines Schiffchens, das das aufzubringende Metall enthält. Nach einer anderen zweckbequemen, in Fig. 2 erläuterten Methode, sieht man zwischen zwei Fadenhaltern 21, 22 einen Faden 23 aus dem aufzubringenden Metall vor, der durch Hindurchleiten eines Stroms durch Fadenhalter und Faden von einer herkömmlichen, nicht eingezeichneten Stromquelle her erhitzt wird. Die Temperatur, auf die der Faden gebracht wird, und die Zeit, während der an den Vakuumbehälter das hohe Vakuum angelegt wird, müssen so gelenkt werden, dass auf der Schneide mindestens 0,002 Mikron Metall'und nicht mehr als etwa 0,01 Mikron Metall abgeschieden werden»The next stage of the process is the surface of the diamond covered with the metal layer. For this purpose, the metal can be applied to the diamond cutting edge by vacuum deposition or vapor deposition be applied. According to one way of doing this, the pressure in the vacuum container is further increased to the appropriate level Work area, d. H. about 0.03 microns Hg, and heated the metal to be applied to the cutting edge surface to to increase its vapor pressure. The conditions here depend on the type of metal coating required and are the Expert familiar. A convenient way is to use a boat that contains the metal to be deposited. To Another convenient method, explained in FIG. 2, shows a thread 23 between two thread holders 21, 22 the metal to be applied before, which by passing a Current is heated through thread holder and thread from a conventional, not shown power source. The temperature, to which the thread is brought and the time during which the high vacuum is applied to the vacuum container be directed so that at least 0.002 microns of metal and no more than about 0.01 microns of metal are deposited on the cutting edge will"

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Da das auf den Diamant aufzubringende Metall in der Vakuumzelle zweckniässig schon vor der Reinigungsstufe vorgesehen wird, soll das Metall einen genügend niedrigen Dampfdruck haben, damit es nicht während der Reinigungsstufe verdampft und den Diamant beschichtet.Because the metal to be applied to the diamond is in the vacuum cell is expediently provided before the cleaning stage, the metal should have a sufficiently low vapor pressure so that it does not evaporate during the cleaning stage and the Diamond coated.

Wolframbeschichtete Diamanten können erzeugt werden, indem man einen Wolfram-Faden von 5,0 bis 7,5 cm Länge und 0,762 mm (0,030 Zoll) Durchmesser vorlegt. Wolframplatinbeschichtete Diamanten sind herstellbar, indem man den gleichen Wolframfaden wie zuvor einsetzt, der mit einem Platindraht von 0,203 mm (0,008 Zoll) Durchmesser und 3 bis 4 cm Länge umwickelt ist. In Beispielen wurde jeder Faden in einer Entfernung von bis zu 10 cm von der Schneide des Diamanten angeordnet und der Druck in der Vakuumzelle auf 0,03 Mikron vermindert. Durch den Faden wurde 3 Minuten ein Strom von 40 A geleitet und der Strom dann für 2 Minuten auf 45 A erhöht. Dann wurde der Druck in dem Vakuumsturz auf Atmosphärendruck gebracht und der Diamant entnommen. Hit beiden Messern wurden vor und nach dieser Behandlung Schnitte angefertigt. Eine Untersuchung unter dem Elektronenmikroskop ergab bei den vor der Behandlung angefertigten Schnitten Zusammenpressung, bei den nachher hergestellten dagegen nicht.Tungsten coated diamonds can be produced by a tungsten filament 5.0 to 7.5 cm long and 0.762 mm (0.030 inch) diameter. Tungsten Platinum Coated Diamonds can be made by using the same tungsten thread as before, the one with a platinum wire from 0.203 mm (0.008 in) diameter and 3 to 4 cm in length is. In examples, each thread was placed at a distance of up to 10 cm from the edge of the diamond and the Pressure in the vacuum cell reduced to 0.03 microns. A current of 40 A was passed through the thread for 3 minutes and the Current then increased to 45 A for 2 minutes. Then there was the pressure in the vacuum fall to atmospheric pressure and the diamond taken. Both knives were hit before and after this treatment Made cuts. Examination under an electron microscope revealed that those made before treatment Cuts compression, but not the ones made afterwards.

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Claims

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Claims

Cutting tool with a diamond body part with an elongated cutting edge less than 0.5 microns thick, characterized by a layer of a metal on the front part and on the flanks of the cutting edge, the layer having a thickness in the range of about 0.002 to 0.01 microns.

Method for producing a tool according to claim 1, characterized in that the cutting edge is exposed to a high-pressure electrical discharge and the front part and vacuum evaporation of about 0.002 to 0.01 microns of a metal onto the flats of the cutting edge Cutting edge covered.

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