Brevet FR2122604A1 — publié le 19720901

La présente invention concerne un procédé pour améliorer les caractéristiques des tranchants,tels que les tranchants des lames de rasoirs, et les lames de rasoirs obtenues par ce procédé. Bien que l'invention soit décrite ci-après en considérant le cas particulier des lames de rasoirs, il doit être compris que le procédé peut être utilisé aussi pour drautres tranchants de lames métalliques, tels que les itranchants d'instruments chirurgicaux ou autres. Y L'invention a pour objet un procédé pour améliorer les caractéristiques d'un tr.anchant en soumettant le tranchant à un traitement d'implantation d'ions. La technique d'implantation- d'ions est connue. Brièvement, l'équipement utilisé comporte une source d'ions, un accélérateur, un aimant analyseur et une chambre d'implantation. Par le procédé selon l'invention, une ou plusieurs lames de rasoirs, habituellement un empilage de lames de rasoirs, sont placées dans une chambre et les tranchants sont soumis à l'irradiation par un faisceau d'ions de grande énergie provenant de la source d'ions. Les ions pénètrent dans la matière du tranchant et modifient les propriétés de cette matière. Il a été constaté ,conformément à 1'invention.que l'implantation d'ions peut être utilisée, en particulier (I) pour améliorer la dureté des tranchants, (II) pour améliorer l'adhérence des revêtements métalliques et non métalliques sur les tranchants, et (III) pour améliorer la résistance à la corrosion de la matière des tranchants. Pour obtenir toutes ces améliorations, il est nécessaire d'utiliser des espèces appropriées d'ions pour l'implantation et d'utiliser une énergie des ions et une dose d'ions appropriées, la dose d'ions étant le nombre total d'ions implantés par unité de surface. L'énergie des ions détermine la profondeur de pénétration des ions dans la matière, la pénétration augmentant avec l'augmentation de l'énergie, et la dose détermine le nombre d'ions implantés. Des ions convenables pour obtenir ces effets sont décrits ci-après. Lés valeurs optimales des autres paramètres- du traitement, c'est-à-dire l'énergie des ions et la dose d'ions,peuvent être facilement déterminées pour chaque cas particulier par des essais courants. Les tranchants sont de préférence soumis au traitement d'implantation des ions après leur affûtage et il doit être pris soin que l'énergie des ions et/ou la durée d'irradiation ne soient pas suffisamment élevées pour endommager matériellement les tranchants par érosion ou pour surchauffer la matière des tranchants. Des améliorations cf~ 72 02142 2122604 2 utiles des caractéristiques des tranchants peuvent cependant être obtenues pratiquement dans tous les cas sans risque d'érosion ou de surchauffage. (I) Dureté des tranchants. 5 D'une façon générale, la durée de vie utile, par exemple d*une lame de rasoir, augmente avec la dureté de la matière formant le tranchant, les autres conditions étant les mêmes. Le tranchant conserve d'autant mieux sa configuration à l'état affûté quand la matière a une plus grande dureté, du moment que la dureté n'est pas accompagnée d'une fragilité élevée de façon 10 indésirable. Si cette fragilité existe, l'utilisation du tranchant a tendance à provoquer la séparation par rupture de parties du tranchant au lieu de provoquer une usure ou une déformation de la configuration résultant de l'affûtage. deux classes d'ions pouvant être utilisés pour améliorer la dureté des trari-15 chants en acier, (a) des ions d'éléments non métalliques pouvant former le composé avèc des éléments métalliques présents dans l'acier: par exemple H, B, C, N, 0, Si, P et S, et (b) des ions d'éléments métalliques pouvant ou ne pouvant pas former des alliages ou des composés avec les éléments présents dans l'acier, par exemple des éléments formeurs énergiques de carbures, tels 20 que Ti, V, Cr, Fe, Zr, Mo, Hf, Ta et W, et d'autres métaux de transition, tels que Co, Ni, Cu, Re, Os, Ir, Pt et Au. lières de l'énergie des ions et de la dose d'ions peuvent conduire à une augmentation de la dureté, accompagnée d'une augmentation indésirable de la 25 fragilité, et il a été constaté,conformément à 11 invention,que cela est dû à des ions implantés avec une concentration dépassant un seuil à une profondeur particulière de la surface du substrat. Cette situation peut en général être évitée en utilisant une dose plus faible d'ions pour l'ion particulier. Par exemple, pour les ions azote, cette concentration de seuil correspond à un 30 rapport ions azote implantés/atomes du substrat compris entre 50 et 1Ô07<>. Il a été constaté,conformément à 1'invent ion ..qu'il existe Avec les ions des deux classes, des combinaisons particu- Des doses^d'ions convenables sont en général d'au moins • / 2 10 ions/cm . 72 02142 "3 2122604 Une pile de lames de rasoirs en acier affûtées est placée dans la chambre d'implantation d'un appareil pour l'implantation d'ions. Les lames sont montées dans un support pour que chaque lame chevauche sur la lame située au-dessus d'environ 0,125 mm. Le support est placé dans la 5 chambre d'implantation pour qu'un côté du biseau du tranchant soit face au faisceau d'ions. La pression est ensuite abaissée dans l'appareil à une valeur d'environ 10 ^ torr. Un faisceau d'ions à implanter ayant l'énergie voulue est fourni par une source d'ions, et il est analysé par passage à travers le centre des pièces polaires de l'aimant. Ce faisceau d'ions traverse un tube de 10 projection et les ions frappent directement les bords des lames, le nombre d'ions arrivant sur les lames étant étroitement contrôlé. Quand la dose voulue a été reçue, la chambre d'implantation est isolée par une vanne écran du faisceau d'ions et les lames avec les ions implantés sont enlevées après l'admission d'air dans la chambre. 15 Les lames en acier inoxydable et en acier au carbone considérées dans les exemples suivants sont formées respectivement d'un acier inoxydable classique contenant 12,5 à 13,5% de Cr et 0,6 à 0,7% de C et d'un acier au carbone classique contenant 1,15 à 1,3% de C. La dureté des tranchants avant et après le traitement 20 est déterminée par un essai d'empreinte qui, en principe, est similaire à la détermination de la dureté par empreinte standard, qui est la longueur de l'empreinte faite par un appareil d'essai à diamant,pressé dans la matière essayée, inversement proportionnelle à la dureté de la matière. L'amélioration, quand elle existe, de la dureté des tranchants après le traitement d'implantation 25 d'ions, est indiquée par le pourcentage de décroissance de la longueur de 1'empreinte par comparaison à celle des lames non traitées. En raison de la nature de cet essai d'empreinte, des décroissances faibles de la longueur résultantes (c'est-à-dire des décroissances de plus de 2,5%) peuvent représenter un accroissement appréciable de la dureté du tranchant (des décroissances 30 de moins de 2,5% sont habituellement sans signification). EXEMPLES 1 à 15 Ces exemples concernent 1'implantation d1 ions azote dans des lames en acier inoxydable. 72 02142 4 2122604 10 15 Exemples 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Energie des ions keV 75 80 80 80 150 150 150 150 150 150 250 250 250 250 250 Dose d'ions ions/cm Diminution "L de la longueur de 1'empreinte 6 x 1017 13,0 1 x 1016 0 5 x 1015 0 1 x ! LO15 0 5,5 x 1017 9,4 2,75 x 10 7 7,1 1,1 x io17 7,1 3, 6 x 1016 5,2 7,2 x 1015 0 3,6 x 1015 5,2 3, 6 x 1017 5,9 1,4 x 1017 5,3 3,6 x 1016 2,9 7,2 x 1015 0 3, 6 x 1015 0 20 EXEMPLES 16 à 22 Ces exemples concernent l'implantation d'ions azote dans des lames en acier au carbone. 25 Exemples Energie des ions keV Dose d'ions ions/cm Diminution % de la longueur de l'empreinte 16 80 1 x 1016 4,2 17 80 1 x 1015 2,6 30 18 150 5,5 x 1017 6,7 19 150 2,75 x 1017 2,8 20 150 1,1 x 1017 2,6 21 150 3,6 x 10^"* 0 22 250 1,4 x ÎO^"7 3,4 72 02142 5 2122604 EXEMPLE 23 Cet exemple concerne l'implantation d'ions oxygène dans des lames en acier inoxydable. Energie des ions keV 15 Dose d'ions ions/cm 1,6 x 10 17 Diminution % de la longueur de l'empreint; 4,5 EXEMPLE 24 10 Cet exemple concerne l'implantation d'ions titane dans des lames en acier inoxydable. 15 Energie des ions keV 250 Dose d'ions ions/cm 2 x 10 ,16 Diminution % de la longueur de l'empreinte 7,6 EXEMPLES 25 et 26 Ces exemples concernent l'implantation d'ions nickel dans des lames en acier inoxydable. 20 Exemples 25 26 Energie des ions keV 200 400 Dose d'igns ions/cm 3,7 x 10 6,2 x 10 16 16 Diminution % de la longueur de 1'empreinte 6,5 6,5 25 Des tranchants de lames en acier ayant reçu des revêtements en couches minces de métaux tels que Cr, Pt, W, Ti et Al, et des mélanges et des alliages de deux ou plus de deux de ces métaux,peuvent aussi être durcis par implantation d'ions. N'importe lesquels des ions des groupes (a) et (b) indiqués ci-dessus peuvent être utilisés. L'énergie des ions doit être telle 30 que les ions implantés restent en majorité dans la couche de métal de revêtement. 15 2 Des doses d'ions convenables sont en général d'au moins 10 ions/cm . Les exemples suivants illustrent des conditions convenables pour l'implantation d'ions dans des lames de rasoirs portant des revêtements. 72 02142 2122604 EXEMPLE 27 Cet exemple concerne l'implantation d'ions oxygène dans des lames en acier inoxydable ayant reçu par pulvérisation ionique un revêtement d'aluminium d'une épaisseur de 40 nm, de façon que les ions restent en majorité 5 dans la couche de revêtement. Energie des ions keV 15 Dose d'igns ions/cm 1,6 x 10 17 Diminution % de la longueur de l'empreinte 7,4 10 EXEMPLE 28 Cet exemple concerne l'implantation d'ions azote dans des lames en acier inoxydable ayant reçu par pulvérisation ionique un revêtement de titane d'une épaisseur de 100 nm, de façon que les ions restent en majorité dans la couche de revêtement. 15 Energie des ions keV 100 Dose d ' içjns ions/cm 1,1 x 10 17 Diminution % de la longueur de l'empreinte 5,7 (Il)Adhérence des revêtements. 20 II a été constaté que l'adhérence des revêtements métal liques et des revêtements en composés métalliques, tels que les oxydes de métaux sur les tranchants peut être améliorée par implantation d'ions ayant des énergies telles que les ions pénètrent dans l'interface support-revêtement. Les revêtements en question sont par exemple en W, Ta, Ti, Au, V, Mo, Pt ou 25 A^O^. Ils peuvent être formés sur les tranchants par n'importe quel procédé donnant un revêtement mince uniforme, par exemple par pulvérisation ionique. Il existe deux classes d'ions pouvant être utilisés pour obtenir cette augmentation de l'adhérence du revêtement :(a) les ions des gaz inertes tels que He, Ne, A, Kr et. Xe, et (b) les ions d'éléments capables de réagir avec la matière 30 du support et/ou avec la matière du revêtement, par exemple les ions Cr. Comme il a été indiqué ci-dessus, l'énergie des ions doit être telle qu'une proportion substantielle des ions implantés pénètre dans l'interface support-revêtement; les énergies convenables pour les ions dépendent,bien entendu de l'espèce d'ions et de la riature des matières du 35 revêtement et du support. La dose d'ions nécessaire est normalement d'au moins 14 , 2 10 ions/cm . 72 02142 7 2122604 Les exemples suivants illustrent les conditions convenables pour l'implantation des ions pour obtenir une augmentation de l'adhérence des revêtements du type considéré. Suivant ces exemples, les lames portant le revêtement sont 5 utilisées pour un essai de rasage standard, certaines des lames ayant été soumises à l'implantation d'ions, et d'autres n'ayant pas été soumises à ce traitement, et le degré de perte de revêtement est estimé par examen microscopique avec grossissement 500 sur une échelle de 1 à 10 sur laquelle 10 = perte complète du revêtement et 1 = pas de perte. 10 EXEMPLES 29 à 33 Ces exemples concernent des lames en acier inoxydable portant différents revêtements formés par pulvérisation ionique et soumises à 15 2 une implantation d'ions argon de 5 x 10 ions/cmj en utilisant des énergies 15 d'ions telles que la distribution de pointe des ions implantés se trouve au-delà de 1'interface, entre le revêtement formé par pulvérisation ionique et la surface de la lame. Ex. Matière Epaisseur Energie des Degré de perte Degré de perte de du revê du revê ions A keV de revêtement revêtement d'une 20 tement tement d'une lame sans lame avec implan nm implantation d'argon tation d'argon 29 W 50 200 7 3 30 Ta 100 300 6 4 31 Ti 50 100 3 1 25 32 Au 40 200 4 3 33 V 100 200 7 2 EXEMPLES 34 à 37 Ces exemples concernent l'implantation d'ions Cr dans 30 des lames en acier inoxydable,portant différents revêtements formés par pulvérisation ionique, de façon qu'une proportion substantielle des ions implantés pénètre au-delà de l'interface support-revêtement. 35 Ex. Matière du revêtement 34 35 36 37 AI2°3 w Mo Pt Epaisseur Energie des Dose d'ions du revê- ions Cr keV Cr ions/cnr tement nm 50 35 40 25 125 340 150 150 2 x 10 1 x 1.0 5 x 10 5 x 10 15 16 \ ,15 15 Degré de perte Degré de perte de revêtement de revêtement sans implanta- avec implantation de Cr tion de Cr 6 9 5 6 4 2 2,5 2 72 02142 2122604 Il a été constaté aussi que l'adhérence des revêtements en polymères sur les tranchants peut être améliorée par implantation dans le support d'ions d'éléments pouvant réagir avec la matière du support et/ou avec le polymère appliqué consécutivement. Le revêtement en polymère peut 5 être formé directement sur le tranchant en acier ou sur un revêtement mince de métal ou d'un composé métallique préalablement appliqué sur le tranchant, des exemples de revêtements en métaux et en composés métalliques ayant été mentionnés ci-dessus. Le polymère le plus couramment utilisé pour former le revêtement sur les tranchants des lames de rasoirs est le polytétrafluor-10 éthylène et des ions convenables pour augmenter l'adhérence des revêtements en polytétrafluoréthylène sont les ions de Cr et F. L'énergie des ions doit être telle qu'une proportion O substantielle des ions implantés se trouve dans une épaisseur de 100 A de la ! 15 surface du support. La dose nécessaire d'ions est normalement d'au moins m15 • / 2 10 ions/cm . Les exemples suivants illustrent des conditions convenables pour 1'implantation d'ions pour obtenir une augmentation de l'adhérence 20 des revêtements en polytétrafluoréthylène. Pour ces exemples, l'adhérence du polymère est déterminée de la façon décrite pour les exemples 29 à 37. EXEMPLES 38 à 41 25 Ces exemples concernent l'implantation d'ions Cr ou F dans des lames en acier inoxydable ayant reçu par pulvérisation ionique des revêtements de W ou de Mo, des revêtements de polytétrafluoréthylène étant ensuite formés sur les tranchants. Les énergies des ions pour ces essais sont O telles que la majorité des ions soit implantée dans une épaisseur de 100 A 30 de la surface du support. Exemples Lame Ion implanté Energie des ions keV 38 Acier au carbone Cr 10 39 Acier inoxydable Cr 30 avec 50 nm de revêtement de W 40 Acier inoxydable Cr 10 avec 50 nm de revêtement de Mo 41 Acier inoxydable avec 50 nm de revêtement de Mo F 10 NO Dose d'ions Degré moyen de Degré moyen de CD ions/cm perte de polymère perte de polymère K> sans implantation avec implantation — . -C* K> 5 x 1015 3,6 2,9 5 x 1015 10 5,5 5 x 1015 4,9 3,9 5 x 10 15 5,5 3,0 K> K> NJ O O -fc» 72 02142 10 2122604 (III) Résistance à la corrosion. Il a été constaté que la résistance à la corrosion des tranchants en acier, plus particulièrement des lames de rasoirs en acier au carbone, peut Être améliorée par implantation d'ions d'éléments pouvant 5 communiquer de la résistance à la corrosion quand ils sont incorporés en tant quréléments d'alliages dans des aciers au carbone, par exemple par implantation d'ions Cr, Ta, Mo, W, Au et Pt. Les énergies convenables des ions sont déterminées sensiblement par les mêmes facteurs que ceux considérés en (I) ci-10 dessus, la dose nécessaire d'ions étant normalement d'au moins lO*""* ions/cm^. nables de l'implantation d'ions pour obtenir une amélioration de la résistance à la corrosion des lames en acier au carbone. 15 essais de rasage standard, certaines sans avoir été soumises à l'implantation d'ions et d'autres après l'implantation d'ions, et le degré de corrosion des tranchants et des facettes est déterminé sur une échelle de 1 à 10 par examen microscopique avec grossissement 500. Sur cette échelle 1 = pas de corrosion et 10 = 100% de corrosion. 20 EXEMPLES 42 et 43 Ces exemples concernent l'implantation d'ions Cr dans des lames en acier au carbone. Ex. Energie des /Dose d'ions Degré moyen de Degré moyen de ions keV ions/cm2 corrosion sans corrosion avec 25 implantation implantation Les exemples suivants illustrent des conditions conve- Suivant ces exemples, les lames sont utilisées pour des 42 250 plus de 125 400 ,16 9 6,5 43 30 plus de 280 plus de 200 4 2 Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes 35 sans que l'on sorte de son cadre. 72 02142 IX 2122604 REVENDICATIONS 1. Procédé pour améliorer les propriétés d'un tranchant en acier, caractérisé en ce que le tranchant est soumis à un traitement d'implantation d'ions. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par 5 l'implantation d'ions dans le tranchant avec des ions d'un élément non métallique pouvant former un composé avec un élément métallique présent dans l'acier, afin que la dureté du tranchant soit augmentée.. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ions implantés sont choisis dans le groupe constitué par H, B, C, N, O, Si, 10 P et S. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'implantation d'ions dans le tranchant avec des ions d'un élément métallique afin que la dureté du tranchant soit augmentée. . 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que 15 l'élément métallique est un élément formeur énergique de carbure. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ions implantés sont choisis dans le groupe constitué par Ti, V, Cr, Fe, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta et W. 7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que 20 les ions implantés sont choisis dans le groupe constitué par Co, Ni, Cu, Re, Os, Ir, Pt et Au. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tranchant est revêtu d'une couche mince d'au moins un métal et le tranchant est soumis à l'implantation, soit d'ions d'un élément non métallique pouvant 25 former un composé avec le métal du revêtement, soit d'ions d'un élément métallique, l'énergie des ions étant telle que la majorité des ions implantés reste dans la couche de revêtement, afin que la dureté du tranchant soit augmentée. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le revêtement est formé par un élément du groupe constitué par Cr, Pt, W, Ti 30 et Al, soit par un alliage ou un mélange de deux ou plus de deux de ces éléments. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que les ions implantés sont n'importe lesquels de ceux spécifiés dans les revendications 3, 5, 6 et 7. 35 11. Procédé selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisé 15 2 en ce que la dose d'ions est au moins de 10 ions/cm . 72 02142 12 2122604 12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par la formation d'une couche de revêtement d'un métal ou d'un composé métallique, et l'implantation dans le tranchant d'ions d'un gaz inerte, l'énergie des ions étant telle qu'une proportion substantielle des ions implantés pénètre dans 5 l'interface support-revêtement afin que l'adhérence du revêtement au support soit augmentée. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les ions implantés sont des ions A. 14. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par la 10 formation sur le tranchant d'un revêtement en couche mince en métal ou én composé métallique et l'implantation dans le tranchant d'ions d'un élément capable de réagir, soit avec la matière du support, soit avec la matière du revêtement, soit avec les deux, l'énergie des ions étant telle qu'une proportion substantielle des ions implantés pénètre dans l'interface support-revêtement, 15 afin que l'adhérence du revêtement au support soit augmentée. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que les ions implantés sont des ions Cr. 16. Procédé selon l'une des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que le revêtement est formé, soit d'un élément du groupe constitué par W, 20 Ta, Ti, Au, V, Mo et Pt, soit de Al 0^ 17. Procédé selon l'une des revendications 12 à 16,caractérisé ^ ^ 2 en ce que la dose d'ions est au moins de 10 ions/cm . 18. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'implantation dans le tranchant d'ions d'un élément pouvant réagir, soit avec 25 la matière du support, soit avec un polymère devant être déposé sur le tranchant, soit avec les deux, l'énergie des ions étant telle qu'une proportion substan- O tielle des ions implantés se trouve dans une épaisseur de 100 A de la surface du support, le tranchant recevant ensuite le revêtement de polymère, afin que l'adhérence du revêtement de polymère au support soit augmentée. 30 19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que le revêtement est formé de polytétrafluoréthylène et les ions implantés sont, soit des ions Cr, soit des ions F. 20. Procédé selon l'une des revendications 18 et 19, caractérisé en ce qu'un revêtement mince, soit en métal, soit en composé 35 métallique, est présent sur le tranchant, avant l'implantation des ions. 72 02142 13 2122604 21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que le revêtement est formé, soit d'un des éléments du groupe constitué par W, Ta, Ti, Au, V, Mo et Pt, soit de Al^O-j. 22. Procédé selon l'une des revendications 18 à 21, caractérisé 15 2 5 en ce que la dose d'ions est au moins de 10 ions/cm . 23. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tranchant est soumis à 1'implantation.d'ions d'un élément pouvant communiquer de la résistance à la corrosion quand il est incorporé comme élément d'alliage dans l'acier, afin que la résistance à la corrosion de la matière du tranchant 10 soit augmentée. 24. Procédé selon la revendication. 20, caractérisé en ce que les ions implantés sont choisis dans le groupe constitué par Cr, Ta, Mo, W, Au et Pt. 25. Procédé selon l'une des revendications 23 et 24, 15 2 15 caractérisé en ce que la dose d'ions est au moins de 10 ions/cm . 26. Lames de rasoirs, caractérisées en ce qu'elles ont été traitées par le procédé tel que spécifié dans l'une des revendications I à 25.