СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦВЕТНЫХ БРИТВЕННЫХ ЛЕЗВИЙ
METHOD OF COLOURED RAZOR BLADES MANUFACTURING

Данное изобретение относится к бритвенным лезвиям и способам их изготовления, в частности к цветным бритвенным лезвиям.
Обычно бритвенные лезвия изготавливают из подходящего металлического листового материала, такого как нержавеющая сталь, который разрезается в длину на желаемую ширину и подвергается термообработке для закалки металла. Операция закалки производится в высокотемпературной печи, где металл может подвергаться температурному воздействию свыше 1100°С в течение времени до 10 секунд с последующим охлаждением.
После закалки на лезвии формируется режущая кромка. Режущая кромка обычно имеет клиновидную форму с завершающим заостренным концом, имеющим радиус меньше, чем примерно 1000 ангстрем, например около 200-300 ангстрем.
На режущую кромку могут быть нанесены различные покрытия. Например, для улучшения прочности, сопротивления коррозии и бреющей способности для режущей кромки или завершающего заостренного конца часто применяются твердые покрытия, такие как алмаз, аморфный алмаз, углеродный алмазоподобный материал, нитриды, карбиды, оксиды керамик. Для улучшения сцепления между подложной (обычно нержавеющей) сталью и твердыми покрытиями могут применяться промежуточные слои из материалов, содержащих ниобий или хром. Для уменьшения трения может использоваться политетрафторэтиленовый внешний слой.
Важно, чтобы нанесение этих покрытий и выполнение любых других операций по обработке после закаливания осуществлялось при достаточно низкотемпературных условиях, чтобы закаленная и заточенная сталь не была отпущена. Если сталь отпущена, она теряет свою твердость и может не работать должным образом во время использования.
Примеры структур режущей кромки лезвия бритвы и процессов производства описаны в патентах США №№5,295,305, 5,232,568, 4,933,058, 5,032,243, 5,497,550, 5,940,975, 5,669,144, а также ЕР 0591334 и PCT/US92/03330, которые включены в список принятых во внимание источников.
Настоящее изобретение представляет бритвенные лезвия, которые включают цветное оксидное покрытие, т.е. оксидный слой, имеющий цветовое отличие от цвета основного материала лезвия, и способ изготовления таких лезвий. Термин "цветной", как он используется здесь, включает все цвета, в том числе черный и белый. Цветное покрытие обеспечивает желаемый эстетический эффект, не оказывая отрицательного влияния на работу или физические свойства лезвия. Цвет бритвенных лезвий может сочетаться по цвету с цветом корпуса картриджа бритвы, или ручки, или других элементов бритвенной системы. В некоторых вариантах предпочтительного выполнения покрытие нанесено, по существу, на всю поверхность лезвия, что улучшает эстетический эффект и упрощает производство. Оксидные покрытия долговечны, проявляют превосходное сцепление с материалом лезвия и могут изготавливаться единообразно и относительно недорого.
Одним из объектов изобретения является бритвенное лезвие для использования в системе мокрого бритья, включающее в себя лезвие, изготовленное из металлического листового материала и имеющее заостренную режущую кромку, и цветное покрытие, нанесенное, по крайней мере, на часть лезвия.
Изобретение также описывает способ получения цветных покрытий. Например, в одном из случаев изобретение описывает способ, при котором материал лезвия подвергается закалке и окисляется во время этого процесса, чтобы на материале лезвия образовалось оксидное покрытие. Метод также включает охлаждение материала лезвия после операции окисления для того, чтобы инициировать мартенситное преобразование материала лезвия, и формование бритвенного лезвия из закаленного материала лезвия, причем оксидное покрытие обеспечивает бритвенное лезвие цветным покрытием. Предпочтительные варианты осуществления способа не оказывают отрицательного влияния на конечные свойства лезвия.
3
-6
-6
Некоторые варианты осуществления способа могут включать один или более следующих признаков. Операция окисления происходит после аустенизации материала лезвия. Операцию окисления осуществляют при температуре от 500 до 800°С. Операция закаливания включает снижение температуры материала лезвия от свыше 1100°С во время аустенизации до менее 800°С до операции окисления. Аустенизация материала лезвия и операция окисления осуществляются в отдельных камерах, выполненных с возможностью независимого друг от друга регулирования параметров среды в камерах. Способ дополнительно включает возможность регулирования параметров среды, в которой осуществляется операция окисления. Например, такое регулирование параметров среды, в которой осуществляется операция окисления, ведут с использованием камеры, в которую вводят один или более газов. Газы выбираются из группы, состоящей из кислорода, смесей кислорода и азота, оксида азота, диоксида азота, озона (О), водяных паров и их комбинаций. Обычно предпочтение отдается камере, в которой осуществляется аустенизация, достаточно свободной от кислорода так, что, когда начинается операция окисления, материал лезвия, по существу, не содержит оксидов. Под выражением "по существу не содержит оксидов" подразумевается то, что у материала лезвия достаточно мало оксида на поверхности, поскольку сталь, входя в зону окисления, вступает в контакт с кислородом и между водородом, кислородом и поверхностью нержавеющей стали происходит общая реакция окисления. В отдельных вариантах выполнения камера, в которой осуществляется аустенизация, по существе свободна от кислорода, т.е. содержит менее чем 500×10 кислорода, предпочтительно менее чем 100×10 кислорода.
В некоторых вариантах осуществления способа операция формования включает заточку материала лезвия для создания режущей кромки. Операция формования может также включать разделение разрезанного в длину материала лезвия на части, имеющие, по существу, такую же длину, как и бритвенное лезвие.
Для улучшения качества бритья режущей кромки способ дополнительно может включать нанесение покрытия на режущую кромку. Покрытие может быть выбрано, например, из группы, состоящей из материалов, содержащих хром, материалов, содержащих ниобий, алмазные покрытия, алмазоподобные покрытия, нитриды, карбиды, оксиды и теломеры.
Другим объектом изобретения является система для мокрого бритья, которая содержит бритву, включая лезвие, изготовленное из металлического листового материала и имеющее заточенную режущую кромку, причем лезвие имеет цветное покрытие, нанесенное, по крайней мере, на часть лезвия. Лезвие может включать любое из рассмотренных выше признаков.
Термин "цветной", как он использован здесь, относится к покрытию, имеющему цвет, который отличается от цвета материала подложки до окисления.
Более подробно варианты выполнения изобретения представлены в сопроводительных чертежах и в описании, приведенном ниже. Другие свойства и преимущества изобретения будут очевидны из описания и чертежей, а также из формулы изобретения.
Фиг.1 - вид сверху, а фиг.1А - вид сбоку закрепленного в держателе бритвенного лезвия.
Фиг.2 - изображение в аксонометрии бритвенной системы, включая бритвенное лезвие на фиг.1.
Фиг.3 - технологическая карта, показывающая операции процесса изготовления бритвенного лезвия согласно одному из вариантов изобретения.
Фиг.4 - температурный профиль печи для закалки.
Фиг.5 - схематический вид сбоку зоны окисления.
Фиг.5А - схематический вид поперечного сечения распылителя, взятый вдоль линии А-А на фиг.5.
Фиг.5В - вид сбоку распылителя, показанного на фиг.5А.
Фиг.5С - фронтальный вид выходной заслонки, используемой в зоне окисления, показанной на фиг.5.
Как можно видеть на фиг.1 и фиг.1А, бритвенное лезвие 10 включает основу из нержавеющей стали, которая обычно имеет толщину примерно от 0,003 до 0,004 дюймов. Нержавеющая сталь закалена до ее мартенситной фазы. Лезвие 10 имеет режущую кромку 14 (иногда именуемую "конечной кромкой" лезвия), которая заточена до заостренного конца 16. Предпочтительно, чтобы заостренный конец имел радиус менее 1000 ангстрем, предпочтительно от 200 до 400 ангстрем, измеренный с помощью сканирующего электронного микроскопа. Обычно заостренный конец 16 имеет профиль с боковыми гранями под углом между 15 и 30 градусами, например около 19 градусов, измеренным на расстоянии 40 мкм от заостренного конца.
Лезвие 10 включает очень тонкое, например от 300 до 10000 ангстрем, цветное покрытие. Это покрытие не видно на фиг.1 и фиг.1А из-за масштаба этих фигур. Цветное покрытие образовано оксидом на стальной поверхности лезвия, как рассматривается ниже, так, чтобы обеспечить желаемый цвет окончательно обработанного лезвия, а также выдержать другие операции по обработке лезвия без отрицательного изменения цвета или другого повреждения или ухудшения.
Как можно видеть на фиг.2, лезвие 10 может быть использовано в бритвенной системе 110, которая включает ручку 112 и съемный картридж 114. Картридж 114 включает корпус 116, который несет три лезвия 10, ограждение 120 и головку 122. Каждое лезвие 10 припаяно к держателю 11, и лезвия 10 и их держатели 11 установлены подвижно, как описано, например, в патенте США №5,9183,69, который включен в список источников. Картридж 114 также включает соединительный элемент 124, на двух кронштейнах 128 которого шарнирно установлен корпус 116.
Как рассматривалось выше, цвет лезвия может сочетаться с цветом корпуса или ручки, или части корпуса или ручки, для того чтобы создать привлекательный и характерный эстетический эффект. Например, цвет оксидного покрытия может быть таким же и/или контрастным, или дополнительным к цвету(ам) корпуса и/или ручки. Цвет оксидного покрытия может также сочетаться с цветом части картриджа, выполненной из эластомера, например, ограждения.
Лезвие 10 может быть использовано в других типах бритв, например бритв, имеющих одно, два, или три, или более лезвий, или двухсторонние лезвия. Лезвие 10 может быть использовано в бритвах, которые не имеют съемных лезвий или шарнирных головок. Картридж может быть либо съемным, либо постоянно прикрепленным к ручке бритвы.
Пригодный процесс образования цветного оксидного покрытия и изготовления бритвенного лезвия схематично показан на фиг.3. Сначала лист стали лезвия, разрезают в длину на полоски и полоски перфорируют для облегчения обращения во время последующей обработки. При желании могут быть выполнены другие предваряющие закалку операции, такие как рилевка.
Когда желаемая последовательность операций до закалки завершена, материал лезвия подвергают процессу закалки, который включает аустенизацию нержавеющей стали. Типичный температурный профиль процесса закалки, который осуществляют в туннельной печи, показан на фиг.4. Материал лезвия быстро изменяет температуру по линейному закону до высокой температуры, например около 1160°С, выдерживается при этой температуре определенное время, в течение которого происходит аустенизация нержавеющей стали, и затем его быстро охлаждают. Формирующий Газ (например, включающий водород и азот) течет в этой высокотемпературной печи во время аустенизации. Состав и расход Формирующего Газа регулируются для того, чтобы не происходило окисление и содержание любого природного оксида уменьшалось. Предпочтительно использовать Формирующий Газ, включающий водород для предотвращения окисления и сокращения содержания любого природного оксида и азот, поскольку инертный газ снижает концентрацию водорода в целом. Например, в некоторых вариантах выполнения Формирующий Газ может включать от 50 до 100% водорода и от 0 до 50% азота и его расход может составлять от 7 до 38 л/мин.
После аустенизации полоски проходят через зону окисления, в которой цветной оксидный слой появляется на поверхности стали лезвия. Формирующий Газ течет из печи закалки в зону окисления. Окисляющий Газ (например, включающий кислород) включается в состав Формирующего Газа при желаемой температуре в зоне окисления (температуре, при которой полоски достигли температуры, пригодной для окисления) и приводит в действие процесс окисления. Кислород может подаваться в форме сухого воздуха. Зона окисления и условия, при которых происходит окисление, (например, соотношение водорода и кислорода) детально рассматриваются ниже. После выхода из зоны окисления материал лезвия быстро охлаждают, в результате чего происходит мартенситное преобразование нержавеющей стали. Охлаждение не оказывает отрицательное влияние на цвет оксидного покрытия.
Описанный процесс может быть добавлен к существующему процессу закалки стали для лезвия часто с минимальными изменениями для существующего процесса. Например, в одном из существующих процессов закалки стали для лезвия использует высокотемпературную печь (выше 1100°С), содержащую проточную среду Формирующего Газа. Через эту высокотемпературную печь пропускают две параллельные непрерывные полоски лезвий из нержавеющей стали, каждую при скорости 36,6 м/мин (120 фут/мин). Эта высокотемпературная обработка используется для аустенизации полосок нержавеющей стали. Рядом с выходом высокотемпературной печи расположена охлаждаемая водой закрытая кожухом труба (также называемая муфельной трубой с водяным охлаждением). Эта часть используется для того, чтобы начать процесс охлаждения полосок для лезвий из нержавеющей стали. Сразу за зоной водяного охлаждения полоски для лезвий из нержавеющей стали пропускают через ряд охлаждающих блоков с водяным охлаждением. Блоки охлаждения инициируют мартенситное преобразование стали. Для образования цветного оксидного покрытия этот существующий процесс можно модифицировать, заменив муфельную трубу с водяным охлаждением, расположенную между высокотемпературной печью и охлаждающими блоками, на зону окисления, упомянутую выше. Также предпочтительно модифицировать температурный профиль печи, чтобы полоски выходили из печи при температуре менее 800°С, более предпочтительно - от 400 до 750°С, например около 600-700°С.
Пригодная зона окисления схематично показана на фиг.5. Зоной окисления может быть, например, труба из инконеля, присоединенная к трубопроводу, используемому в высокотемпературной печи линии закалки. Как видно на фиг.5, в одном из вариантов выполнения система газового распыления - распылитель 200 установлен примерно в 2,9 см от входа в трубу 202 и имеет такие размеры, что увеличивает длину трубы на 5,1 см. В этом случае распылитель имеет общее число впускных каналов (отверстий) для газа, равное 16 (не показаны), и спроектирован таким образом, что газ, впрыскиваемый через распылитель (стрелки на фиг.5А), будет равномерно попадать на полоски из нержавеющей стали. Газ подается в распылитель через пару впускных труб 201, 203. Газоразделительная перегородка 204 может быть установлена так, чтобы две полоски лезвия из нержавеющей стали были отделены друг от друга, благодаря чему состав газа с каждой стороны перегородки можно задавать независимо. Перегородка 204 может определять границы двух камер (полостей) 210, 212, как показано на фиг.5А. В этом случае, газоразделительная перегородка может, например, начинаться в 0,3 см от входа в зону окисления и увеличивать длину трубы на 10,2 см. При желании, газоразделительная перегородка 204 может быть выполнена вдоль всей зоны окисления так, чтобы не происходило перемешивание газовых потоков, подаваемых через впускные трубы 201, 203, что позволяет независимо регулировать газовый состав с обеих сторон газоразделительной перегородки внутри камер (210 и 212). Газовый распылитель спроектирован так, что возможно управление двойным потоком газа, позволяющее обрабатывать две полоски одновременно, используя одну и ту же печь. Расход газа может контролироваться с использованием расходомера газа. Выход каждой камеры зоны окисления может быть выполнен при помощи фланца и двух стальных деталей 218, которые определяют прорезь 219 и таким образом действуют как выходной шлюз 220 (фиг.5С). Ширина прорези может быть, например, от 0,1 до 0,2 см. Этот выходной шлюз предотвращает какой-либо обратный поток окружающего воздуха в зону окисления, а также способствует лучшему перемешиванию газов внутри зоны окисления. Как было рассмотрено выше, сразу после зоны окисления полоски лезвий из нержавеющей стали протягивают черед ряд блоков 206 охлаждения с водяным охлаждением. Блоки охлаждения инициируют мартенситное преобразование стали.
Желаемый цвет обычно достигается за счет управления толщиной и составом оксидного покрытия. Толщина и состав цветного оксидного покрытия будут зависеть от нескольких параметров. Например, толщина оксидного покрытия будет зависеть от температуры полоски из нержавеющей стали при подаче Окисляющего Газа и соотношения водорода и кислорода в смеси Формирующего Газа и Окисляющего Газа в зоне окисления. Состав или стехиометрический состав оксидного покрытия будет зависеть от аналогичных факторов, а также от структуры и состава покрытия полосок. Обычно при более низкой температуре и скорости потока газа получается золотой цвет, а при более высокой температуре и скорости потока газа получаются цвета от фиолетового до синего. В некоторых вариантах выполнения пропорциональное соотношение водорода и кислорода составляет от 100:1 до 500:1. Когда соотношение водорода и кислорода для данного типа материала лезвия находится в пределах среднего значения данного диапазона, можно получить эстетический темно-синий окрашенный оксид. Увеличение относительного количества кислорода приведет к светло-синему и светло-сине-зеленому цвету, тогда как уменьшение относительного количества кислорода приведет к фиолетовому и затем к золотому цвету.
Скорость, при которой материал проходит сквозь зону окисления, и длина зоны окисления также оказывают влияние на окрашивание. Например, показатели пригодной скорости могут составлять от 15 до 40 м/мин.
В некоторых случаях может возникнуть необходимость отрегулировать параметры процесса закалки и/или процесса окисления для того, чтобы получить совместимый конечный продукт. Температурой полоски, когда она входит в зону окисления, можно управлять посредством регулирования температуры последних зон в печи для закалки и/или использования нагревательных элементов в зоне окисления. За счет увеличения температуры полоски, когда она входит в зону окисления, увеличивается толщина оксидного покрытия, получаемого в зоне окисления. Когда процесс осуществляется в самых обычных печах, температура полоски, когда она входит в зону окисления, может регулироваться только в самом начале процесса. Поскольку состав Окисляющего Газа в зоне окисления можно быстро отрегулировать, как правило, используют именно этот параметр, чтобы корректировать варианты материала полоски и точно регулировать цвет оксидного покрытия. Установление точной температуры последних зон в печи для закалки и точный состав Окисляющего Газа, среди прочих факторов, выбираются на основе желаемого цвета, размера, формы, состава и скорости стальной полоски.
Все вышеописанные процессы обеспечивают образование декоративной оксидной пленки на стали лезвия во время процесса закалки, после аустенизации и до мартенситного преобразования. Если вместо этого сталь лезвия была бы окрашена до процесса закалки, интенсивность цвета, как правило, ослабевала бы во время стандартного процесса закалки. Если бы процесс термального оксидного окрашивания применялся после мартенситного преобразования, он бы, как правило, разрушил мартенситные свойства полоски из нержавеющей стали. Процесс, описанный выше, как правило, обеспечивает получение хорошо сцепляемых защитных оксидов, при этом позволяет осуществлять превосходный контроль цвета, не оказывая отрицательного влияния на металлургические свойства закаленных полосок для лезвий из нержавеющей стали.
После процесса закалки материал лезвия затачивается для создания режущей кромки, показанной на фиг.1, и полоска материала лезвия разбивается на лезвия желаемой длины. Затем лезвия могут быть приварены, например, используя лазерную сварку, к держателю 11 (фиг.2), если такой держатель будет использоваться.
Помимо цветного покрытия бритвенное лезвие может включать другие признаки, такие как покрытия, улучшающие работу, и слои, которые могут быть нанесены между операциями заточки и сварки.
Например, режущая кромка может быть покрыта одним или несколькими покрытиями, как рассматривалось выше в разделе уровень техники. Подходящие для покрытия режущей кромки материалы включают, но не ограничиваются, следующие.
Подходящие материалы для промежуточного слоя включают материалы, содержащие ниобий и хром. Конкретный промежуточный слой выполнен из ниобия и имеет толщину примерно от 100 до 500 ангстрем. В заявке PCT/US92/03330 описано использование промежуточного слоя из ниобия.
Подходящие материалы для твердого покрытия включают материалы, содержащие углерод (например, алмаз, аморфный алмаз или алмазоподобный материал), нитриды (например, нитрид бора, нитрид ниобия или нитрид титана), карбиды (например, карбид кремния), оксиды (например, оксид алюминия, оксид циркония) и другие керамические материалы. Кремний, содержащийся в твердых покрытиях, может быть легирован другими элементами, такими как вольфрам, титан или хром путем включения этих добавок, например, в мишень во время нанесения путем распыления. Материалы для твердого покрытия могут также включать водород, например гидрогенизированные алмазоподобные материалы. Слои алмазоподобных материалов и способы их осаждения описаны в патенте США №5,232,568.
Подходящие слои внешнего покрытия включают материалы, содержащие хром, например хром или сплавы хрома, которые совместимы с политетрафторэтиленом, например CrPt. Конкретным внешним слоем является хром, имеющий толщину примерно 100-500 ангстрем.
Подходящие наружные слои включают политетрафторэтилен, иногда именуемый теломером. Конкретным политетрафторэтиленовым материалом является Krytox LW 1200, выпускаемый компанией DuPont. Этот материал является негорючим и устойчивым сухим смазочным материалом, который состоит из маленьких частиц, дающих устойчивые дисперсии. Он поставляется в виде 20% по массе водной дисперсии твердых веществ и может наноситься путем погружения, распыления или кистью, и может впоследствии быть высушен воздухом, или путем нанесения расплава. Слой предпочтительно имеет толщину от 100 до 5000 ангстрем, например от 1500 до 4000 ангстрем. При условии, что сплошное покрытие достигнуто, уменьшенная толщина покрытия из теломера может обеспечить улучшенный результат бритья с первого раза. Патенты США №5,263,256 и №5,985,459, которые приведены здесь в списке источников, описывают способы, которые могут быть использованы для уменьшения толщины наносимого слоя теломера.
Например, заостренный конец лезвия может включать промежуточный слой из ниобия, слой твердого покрытия из алмазоподобного материала, сверху слой из хрома и наружный слой покрытия из политетрафторэтилена Krytox LW 1200.
Следующие приведенные примеры предназначены для иллюстрации и не являются ограничивающими сущность изобретения.
Пример
Полоски материала лезвия из нержавеющей стали подвергались термообработке в высокотемпературной печи с температурными профилями закалки, показанными на фиг.4. Выход высокотемпературной печи оборудован зоной окисления, показанной на фиг.5. Температурный профиль высокотемпературной печи, а также газовая среда высокотемпературной печи регулировались. Температура в высокотемпературной печи была установлена равной 1160°С.
Чтобы получить темно-синий цвет (минимальный коэффициент отражения толстого слоя в пределах 640 нм и 660 нм) температура в последней подогреваемой зоне (высокотемпературной) печи для аустенизации была понижена до 740°С. Температура на входе в подогреваемую зону, обычно устанавливаемая в пределах 1000°С, была увеличена до 1145°С для того, чтобы дольше поддерживалась желаемая более высокая температура внутри печи для получения нужной степени аустенизации. Зона окисления была прикреплена непосредственно к выходу высокотемпературной печи (включая высокотемпературный прокладочный материал). Охлаждающие блоки с водяным охлаждением (температура воды поддерживалась равной 32°С) были размещены вплотную к выходу зоны окисления. Скорость потока Формирующего Газа на входе высокотемпературной печи была установлена равной 18,9 л/мин (40 стандартных кубических футов в час). Окисляющий Газ как смесь воздуха (0,45 л/мин) и азота (2,0 л/мин) подавался со стороны входа зоны окисления. Две полоски лезвия из нержавеющей стали протягивались через печь со скоростью 36,6 м/мин (120 фут/мин). Скорость потока воздуха либо повышалась, либо понижалась, чтобы "отрегулировать" получение желаемого оксидного цвета.
Чтобы получить другие цвета, температура в последней зоне высокотемпературной печи повышалась и понижалась. Чтобы точно отрегулировать как желаемый цвет, так и равномерное распределение цвета, скорость потока воздуха также изменялась. Полученный цвет менялся, начиная с более низкой температуры и/или более низкой скорости потока воздуха и увеличения температуры и/или скорости потока воздуха следующим образом: "соломенный" (светло-золотой), до золотого, до розовато-золотого, до темно-синего (фиолетового), до синего, до светло-синего. При более низкой температуре и скорости потока воздуха (температура установлена равной 700°С, скорость потока воздуха равной 0,30 л/мин) были получены "золотые цвета". При более высокой температуре и скорости потока воздуха (температура установлена равной 740°С, скорость потока воздуха равной 0,45 л/мин) были получены "синие цвета".