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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schneidklinge und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Schneidklinge weist ein metallisches Substrat mit einer ersten Schneidfläche und einer zweiten Schneidfläche auf, die eine Schneidkante einschließen, wobei auf dem Substrat eine DLC-Hartstoffschicht als Deckschicht abgeschieden ist und wobei die Deckschicht eine Härte von mindestens 30 GPa und eine Rauheit von maximal 0,15 µm Ra bei einer Schichtdicke von 1 bis 5 µm aufweist.
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Gemäß dem Stand der Technik gibt es zahlreiche Erfindungen welche zum Ziel haben, die Schneidleistung von Messer, Schneiden, Scheren oder ähnlichen Werkzeugen durch Beschichtungen zu optimieren. Alle der folgend aufgeführten Dokumente sind jedoch nicht oder nur eingeschränkt auf Haushaltsschneiden aus herkömmlichen nichtrostenden Edelstählen gemäß DIN EN 10020 (Juli 2000) anwendbar.
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So beschreibt die
EP 2 495 081 B1 ein Schneidwerkzeug mit einer Beschichtung aus feinkristallinem Diamant. Diese wird in einem Heißdraht-CVD-Verfahren aufgebracht bei typischen Substrattemperaturen zwischen 600°C bis 900°C. Das Substrat besteht hierbei aus temperaturbeständigen Werkstoffen, wie Titan, Nickel, Niob, Wolfram, Hartmetallen oder Keramiken. Diese Temperaturen liegen deutlich über der Anlasstemperatur von Edelstählen. Ein Wechsel des Werkstoffs auf einen der genannten würde darüber hinaus zu einer deutlichen Kostensteigerung für Haushaltsmesser führen.
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Die
US 6,289,593 B1 beschreibt eine Rasierklinge mit einer DLC-Schicht und einer Kantenverrundung kleiner als 1200 Angström (entspricht 0,12µm) und einer Schichtstärke von mindestens 400 bis 2000 Ängström (entspricht 0,04µm bis 0,2µm). Solch kleinen Kantenverrundungen und geringen Schichtstärken sind jedoch nicht ausreichend, um die Schneidhaltigkeit eines Haushaltsmessers wesentlich zu steigern. Dies liegt an den raueren Einsatzbedingungen und der Handhabung eines Haushaltsmessers im Vergleich zu einer Rasierklinge.
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In der
DE 10 2019 200 681 A1 wird ein mehrlagiges Schneidwerkzeug aufgeführt, bei der die mittlere Schicht aus hybridisiertem Kohlenstoff besteht, welche die Schneidkante ausbildet. Da sich die Schichtstärke solcher Schichten im Mikrometer-Bereich befindet, ist aus fertigungstechnologischer Sicht eine kostengünstige Umsetzung nicht möglich. Hierbei müsste die Schneidkante mikrometergenau freigeschliffen werden, was einen hohen Aufwand bedeutet. Bei der Applikation größerer Schichtstärken über thermisches Spritzen besteht der Nachteil in der Reduktion der Korrosionsbeständigkeit typischer Messerwerkstoffe aus Edelstahl. Darüber hinaus ist die Herstellung eines solchen beschriebenen mehrlagigen Aufbaus für Konsumgüter und insbesondere für Messer mit komplexen Geometrien nicht ökonomisch möglich.
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EP 3 683 332 A1 beschreibt ebenfalls eine Beschichtung aus hybridisiertem Kohlenstoff auf einem Trägersubstrat, welche aber im Unterschied zur
DE 10 2019 200 681 A1 eine dreidimensionale Strukturierung aufweist. Diese Strukturierung kann durch eine Maskierung erreicht werden, was aber sehr aufwendig ist. Eine nachträgliche Laserbearbeitung hat neben dem Zusatzaufwand den Nachteil, dass die Korrosionsbeständigkeit eines Edelstahl-Substrates aufgrund des thermischen Energieeintrags herabgesetzt werden würde.
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In der
DE 10 2004 052 068 B4 wird ein Schneidwerkzeug mit einer Trägerschicht aus Metall und einer zweiten Schicht aus diamantartigen Kohlenstoff beschrieben. Hierbei ist lediglich die maximale Kantenverrundung, nicht jedoch die Schichtstärke definiert. Beide Parameter sind jedoch essentiell für eine gute initiale Schärfe als auch für die möglichst lange Aufrechterhaltung der Schneidleistung.
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In
EP 2 714 964 B1 wird ein Holzbearbeitungswerkzeug genannt mit einer definierten Schichtstärke und Schneidkantenverrundung. Sofern die hier beanspruchte Gleitschicht jedoch weggelassen wird, was für eine kostengünstige Lösung essentiell ist, würde dies in anderen Schichtstärken als auch Kantenverrundungen resultieren. Somit soll ein kostenintensives Mehrschichtsystem, bestehend aus Gleitschicht und Funktionsschicht, welches in einem zweistufigen Prozess beschichtet wird, vermieden werden. Des Weiteren beschreibt die Druckschrift einen Grundkörper aus Hartmetall, HSS, Keramik oder einem Cermet, was für Haushaltsmesser keinen geeigneten Werkstoff darstellt.
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DE 10 2015 101 782 B4 beschreibt eine Gleitschicht aufgebracht auf eine DLC-Schicht. Hierbei wird ein DLC-, PLC- oder Gr-Schicht beschrieben welche zu keiner Reduktion der Rauheit führt bzw. die gesteigerte Rauheit der DLC-Grundschicht nicht eliminiert. Des Weiteren widerstrebt die Affinität von Lebensmitteln zu kohlenstoffhaltigen Schichten einer leichten Reinigbarkeit. Zusätzlich würde ein weiterer PVD- oder CVD-Prozess hohe Kosten verursachen und vermutlich zu einer steigenden Schneidkantenverrundung und somit zu einer reduzierten Schärfe führen.
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EP 1 915 472 B1 beschreibt ebenfalls einen mehrlagigen Aufbau aus einer harten tetraedischen Kohlenstoffzwischenschicht und einer weicheren amorphen Kohlenstoffdeckschicht. Die Nachteile in Bezug auf den Schichtauftrag als auch des Schichtmaterials an sich entsprechen der vorig angeführten Patentschrift.
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Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gemäß dem Stand der Technik bestehenden Nachteile zu eliminieren und eine Schneidklinge bereitzustellen, die sowohl im Anlieferzustand scharf ist, als auch bei zunehmender Belastung die Schärfe bzw. Schneidleistung möglichst lang aufrechterhält. Dies soll auf alle gängigen Messerformen anwendbar sein. Zudem soll das Beschichtungssystem bzw. die Applikation der Beschichtung das Messer und dessen Werkstoff nicht negativ beeinflussen. Darüber hinaus soll das Messer mit haushaltsüblichen Mitteln einfach zu reinigen sein, was eine definierte Oberflächenstruktur erforderlich macht.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Herstellung einer Schneidklinge mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Schneidklinge mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer Schneidklinge bereitgestellt, bei dem auf einem Substrat mit einer ersten Schneidenfläche und einer zweiten Schneidenfläche, die eine Schneidkante einschließen, mittels physikalischer Dampfphasenabscheidung (PVD) eine DLC-Hartstoffschicht als Deckschicht abgeschieden wird, wobei die DLC-Hartstoffschicht eine Härte von mindestens 30 GPa und eine Rauheit von maximal 0,15 µm Ra bei einer Schichtdicke von 1 bis 5 µm aufweist. Die entsprechende Rauheit kann durch Filtermethoden erzielt werden. Eine solche Filtermethode wird in der
EP3143177B1 genauer ausgeführt. Beim Beschichtungsprozess wird der Kohlenstoff per Lichtbogen in den Plasma-Aggregatzustand überführt. Dieses Plasma besteht aus Mikro- und Makropartikeln. Durch entsprechende Parameterwahl des Impulses in Bezug auf Strom und Dauer sowie das Anlegen eines elektrostatischen Feldes, werden die Makropartikel vom Substrat wegbewegt. Somit kann eine harte verschleißbeständige und glatte Oberfläche erzeugt werden.
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Eine Alternative zu angepassten Filtern wäre eine Schichtabscheidung über ein HiPIMS-Verfahren. Bei der HiPIMS-Technologie handelt es sich um eine spezielle Magnetron-Sputtering-Technologie mit leistungsstarken Pulsen. Mit Sputtering werden glatte Beschichtungen mit reduzierter Reibung erzeugt. Die hohe Leistungsdichte an der Kathode erzeugt ionisierte Atome, die für harte, hochverdichtete Beschichtungen mit hoher Verschleißfestigkeit sorgen. Die HiPIMS-Technologie ist hochgradig anpassbar und bietet volle Kontrolle über Leistung, Strom, Spannungs-Tastverhältnis und Puls-Ein- und Ausschaltzeit. Ein besonderer Vorteil der HiPIMS-Technologie ist die Möglichkeit der Abscheidung von ta-C.
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Die Hartstoffschicht dient der Verschleißbeständigkeit der Schneide, um eine lang anhaltende Schärfe aufrechtzuerhalten. Durch eine Oberflächenstruktur der Schneidklinge mit der angegebenen Rauheit, wird die Reinigung des Endproduktes auch mit haushaltsüblichen Mitteln ermöglicht.
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Im Unterschied zu herkömmlichen Lösungen zeigt die Erfindung eine vorteilhafte Lösung auf, welche sowohl eine ausreichende anfängliche Schärfe gewährleistet, als auch eine langanhaltende Schneidhaltigkeit sicherstellt.
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Es ist bevorzugt, dass die DLC-Hartstoffschicht amorphen Kohlenstoff, insbesondere tetraedrisch amorphen Kohlenstoff enthält oder hieraus besteht. Vorteilhaft an einer taC DLC Schicht ist die herausragende Härte und somit deren Verschleißfestigkeit. Darüber hinaus sind weitere Hartstoffschichten denkbar, welche im PVD-, PECVD-, CVD-Verfahren oder über thermisches Spritzen appliziert werden.
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Es ist bevorzugt, dass die mindestens eine DLC-Hartstoffschicht mit einer Dicke im Bereich von 2 bis 4 µm und bevorzugt von 2,5 bis 3,5 µm auf dem Substrat abgeschieden wird. Hierdurch wird eine gute Verschleißbeständigkeit erreicht.
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Es ist bevorzugt, dass das Material des metallischen Substrats ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Stahl, Keramik, Hartmetall und Kombinationen hiervon, insbesondere einem Edelstahl. Ein bevorzugtes Substrat sind nichtrostende Edelstähle mit mindestens 10,5% Chrom und höchstens 1,2% Kohlenstoff, bevorzugt mehr als 12% Chrom und weniger als 0,8% Kohlenstoff, besonders bevorzugt mehr als 14% Chrom und 0,4-0,6% Kohlenstoff. Besonders bevorzugt ist ein Edelstahl mit dem Stahlschlüssel 1.4116, 1.4125, 1.4031, 1.4028, 1.4021, 1.4034, 1.4122 oder 1.4006. Weitere geeignete Stahlschlüssel sind www.edelstahl-rostfrei.de/fileadmin/user_upload/ISER/images/publikationen/Dok_Martensite_final.pdf zu entnehmen.
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Um einen einfachen Beschichtungsauftrag zu ermöglichen kann der Auftrag der DLC-Schicht oder einer anderen geeigneten Schicht beidseitig auf der Schneidkante bzw. an der Schneide aufgebracht werden.
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Es ist bevorzugt, dass zwischen Substrat und DLC-Hartstoffschicht eine Haftvermittelschicht abgeschieden wird. Die Haftvermittlerschicht enthält oder besteht bevorzugt aus Chrom, Titan oder Mischungen oder Legierungen hiervon.
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Der Auftrag der Beschichtung bzw. der komplette Beschichtungsprozess sollte bei einem Edelstahlsubstrat unterhalb 250°C, bevorzugt unterhalb 220°C, besonders bevorzugt unterhalb 200°C stattfinden.
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Erfindungsgemäß wird ebenso eine Schneidklinge bereitgestellt, die ein metallisches Substrat mit einer ersten Schneidenfläche und einer zweiten Schneidenfläche, die eine Schneidkante einschließen, wobei auf dem Substrat eine DLC-Hartstoffschicht als Deckschicht abgeschieden ist. Die DLC-Hartstoffschicht weist dabei eine Härte von mindestens 30 GPa und eine Rauheit von maximal 0,15 µm Ra bei einer Schichtdicke von 1 bis 5 µm auf.
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Es ist bevorzugt, dass die DLC-Hartstoffschicht amorphen Kohlenstoff, insbesondere tetraedrisch amorphen Kohlenstoff enthält oder hieraus besteht.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die mindestens eine DLC-Hartstoffschicht eine Härte von 35 GPa, bevorzugt mindestens 40 GPa aufweist.
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Es ist bevorzugt, dass die mindestens eine DLC-Hartstoffschicht eine Dicke im Bereich von 2 bis 4 µm und bevorzugt von 2,5 bis 3,5 µm aufweist. Hierdurch wird eine gute Verschleißbeständigkeit erreicht.
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Eine gute Schichthaftung zum Substrat bzw. zur Schneide ist ebenfalls von großer Bedeutung. Diese sollte zwischen HF1 und HF3 betragen, bevorzugt zwischen HF1 und HF2, besonders bevorzugt HF1. Zur Optimierung der Schichthaftung der DLC-Schicht zum Substrat kann darüber hinaus eine Haftvermittlerschicht eingesetzt werden.
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Es ist bevorzugt, dass der Winkel zwischen erster Schneidenfläche und zweiter Schneidenfläche im Bereich von 15° bis 40°, bevorzugt von 20° bis 35° und besonders bevorzugt von 25° bis 32° beträgt. Somit können geringe Kräfte zum Trennen von Schneidgütern ermöglicht werden.
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Zum Erzielen einer ausreichenden initialen Schärfe ist die Verrundung der Schneidkante kleiner gleich 6µm, bevorzugt von 1,5 bis 5µm, besonders bevorzugt von 2 bis 4µm zu wählen. Diese Einschränkung hat den Vorteil eine ausreichende anfängliche Schärfe für den Gebrauch zu besitzen
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Es ist bevorzugt, dass zwischen Substrat und DLC-Hartstoffschicht eine Haftvermittelschicht abgeschieden ist. Die Haftvermittlerschicht enthält oder besteht bevorzugt aus Chrom, Titan oder Mischungen oder Legierungen hiervon.
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Anhand der nachfolgenden Figuren und des Beispiels soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
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Es zeigen
- 1 eine Schnittdarstellung einer ersten erfindungsgemäßen Schneidklinge
- 2 eine Schnittdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Schneidklinge mit Haftvermittlerschicht
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Schneidklinge 1 dargestellt. Die Schneidklinge 1 besteht dabei aus einem Substrat 2, wobei die erste Schneidfläche 3, die zweite Schneidenfläche 4 sowie die Schneidkante 5 eine Beschichtung aus einer DLC-Hartstoffschicht 6 aufweist.
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In 2 ist eine weitere erfindungsgemäße Schneidklinge 1 dargestellt. Die Schneidklinge 1 besteht dabei aus einem Substrat 2, wobei die erste Schneidfläche 3, die zweite Schneidenfläche 4 sowie die Schneidkante 5 mit einer Haftvermittlerschicht 7 versehen ist, auf der eine Beschichtung aus einer DLC-Hartstoffschicht 6 abgeschieden ist.
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Beispiel
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Zunächst wird die Rohklinge aus dem gewählten Werkstoff gefertigt. Dies kann herstellungsbedingt bei einem Bandstahlmesser als Zuschnitt erfolgen (per Laser, Stanzen, o.Ä.) oder aber bei einer geschmiedeten Klinge durch Zuschnitt und Ausschmieden. Bevorzugt besteht das Klingenmaterial aus einem martensitischen korrosionsbeständigem Stahl, wie dem Werkstoff 1.4116 bzw. X50CrMoV15, welcher eine gute Kombination aus Härte und Korrosionsbeständigkeit bietet. Darüber hinaus sind auch andere Stahllegierungen prinzipiell geeignet.
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Als nächster Prozessschritt erfolgt das Vergüten der Klinge. Hierbei wird die Klinge in einem Härteprozess gehärtet und nachfolgend ein oder mehrmals angelassen. Dieser zweistufige Prozess dient der Steigerung der Verschleißbeständigkeit und nachfolgend der Optimierung der Zähigkeit. Prozesse dergestalt sind in der Industrie weit verbreitet. Zur Erzielung einer gleichmäßigen und feinen Korngröße kann unter Umständen noch ein Normalglühen vorgelagert sein.
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Die gehärtete Rohklinge wird als nächstes in einem meist mehrstufigen Prozess schleifend bzw. polierend bearbeitet. Hiermit wird die Endkontur in Bezug auf Maßhaltigkeit erreicht, eine ansprechende Optik erzeugt und die Korrosionsbeständigkeit verbessert.
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Einer der letzten Arbeitsgänge ist das Anbringen bzw. Anschleifen der Schneide. Der Schneidenwinkel liegt typischerweise in einer Größenordnung von 15° bis 40°, bevorzugt von 20° bis 35°, besonders bevorzugt von 25° bis 32°. Für die initiale Schärfe ist darüber hinaus die Schneidkantenverrundung entscheidend. Diese sollte einen Verrundungsradius kleiner 6µm, bevorzugt kleiner 5µm, besonders bevorzugt kleiner 4µm sein.
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Nachfolgend erfolgt der DLC-Schicht-Auftrag. In der Regel ist eine Vorreinigung (Nasschemisch, Ultraschall, etc.) erforderlich, sowie gegebenenfalls eine Plasmafeinreinigung in der PVD-Anlage zur Aktivierung der Oberfläche vor dem eigentlichen DLC-Schichtauftrag in selbiger Anlage. Bevorzugt ist hierbei eine tetraedisch amorphe Schicht zu wählen, welche eine herausragende Verschleißbeständigkeit besitzt. Die Härte dieser Schicht sollte mindestens 30 GPa betragen. Zur Haftungsverbesserung kann eine Haftvermittlerschicht erforderlich sein, welche aus Chrom oder Titan besteht bzw. diese enthält.
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Die Schichtstärke sollte in einer Größenordnung von 1 bis 5µm appliziert werden, bevorzugt von 2 bis 4 µm, besonders bevorzugt von 2,5 bis 3,5µm. Eine gute Schichthaftung zum Substrat bzw. zur Schneide ist ebenfalls von großer Bedeutung. Die Schichthaftung sollte zwischen HF1 und HF3 betragen, bevorzugt zwischen HF1 und HF2, besonders bevorzugt HF1-geprüft nach DIN 4856.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2495081 B1 [0003]
- US 6289593 B1 [0004]
- DE 102019200681 A1 [0005, 0006]
- EP 3683332 A1 [0006]
- DE 102004052068 B4 [0007]
- EP 2714964 B1 [0008]
- DE 102015101782 B4 [0009]
- EP 1915472 B1 [0010]
- EP 3143177 B1 [0013]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 10020 (Juli 2000 [0002]
- www.edelstahl-rostfrei.de/fileadmin/user_upload/ISER/images/publikationen/Dok_Martensite_final.pdf [0019]