圆珠笔有多难造？你童年的书包里其实装着高科技

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撰文 | Vivian（北京航空航天大学）小时候期待开学的原因之一，是又可以买新文具了。很多人不知道，看上去普普通通的文具，其实用到的技术并不普通。
图片来源：veer图库

Part.1

                       做一支圆珠笔，很难么？
圆珠笔之所以能流畅地出墨，是因为在书写的过程中，圆珠笔头的小球珠在与纸张接触时产生的摩擦力作用下滚动，从而将笔芯中的油墨带出，形成笔迹。
简单来说，圆珠笔头的构造就是将一个球珠嵌在球座体的顶端，使球珠能够平滑地转动，且不容易从球座体中脱落。
然而，这样一个简单的设计，对于球珠的要求可不简单。
圆珠笔头丨图片来源：Veer图库
圆珠笔头的制造主要有三个技术难点。首先，为了保证平滑的书写体验，球珠与球座体之间的配合至关重要。球珠和球座体之间的间隙大约为5微米，若间隙过小，墨水便不能顺滑流出；若间隙过大，则会导致漏墨，甚至使球珠从笔尖上脱落。
其次，在书写的过程中，由于笔尖球珠与纸张不断摩擦，球珠与球座体之间的间隙会逐渐变大。久而久之，油墨容易从缝隙中漏出来，影响书写。
此外，圆珠笔尖有极高的加工精度和装配精度。笔尖内有高低不平的台阶和引导墨水的导油槽，每个导油槽的加工精度都要求在1微米。
以上这些因素，都对圆珠笔球体用的材料性能提出了较高的要求。
圆珠笔笔头内部结构丨图片来源：参考文献[1]

Part.2

                       寻找特种钢材——“笔尖钢”
制作圆珠笔球珠的材料经历了不断地发展，早期的铅黄铜、镍白铜由于抗腐蚀性较差，目前已经基本淘汰。现有包括不锈钢球珠、碳化钨球珠和陶瓷球珠在内的不同规格材料可供使用，其中，不锈钢已成为圆珠笔笔尖最常用的材料。
圆珠笔用的钢材有一个专用名字——笔尖钢。笔尖钢需要有耐锈蚀的性能，以抵抗长时间与墨水接触的过程中，溶剂等对球体的腐蚀。
同时，为了保证球体与球座体之间的间隙稳定，笔尖钢还需要具备耐磨损的性能。
在加工过程中，会使用硬质合金钻头以30000rpm的高转速加工，且加工误差不能超过3微米，这又要求笔尖钢具备良好的易于切削的性能。同时，易切削性能还体现在切屑需细碎，如崩碎屑和C形屑，使废屑易于快速脱离工件，减少划伤表面，以保证笔头内腔复杂结构的完整。
易于排除的崩碎屑及C形屑丨图片来源：参考文献[5]
笔尖钢属于易切削不锈钢，是一种特种钢材，通过在铁素体不锈钢中加入一定量的易切削元素，例如硫、铅、磷等制成。
易切削元素的作用机理可归纳为该元素及其形成的夹杂物，既能在刀具与钢材之间起润滑作用，又可以作为应力集中点使切屑易碎。
其中，不同元素的作用方式又略有不同。例如，铅元素呈球状颗粒的单质状态，在切削时摩擦生热下，熔点较低的铅元素熔融析出，在接触面上起润滑作用；而硫元素可与钢中的锰元素形成硫化锰夹杂物，从而阻断了钢材的连续性，使得切屑短小，易于排除。此外，硫化锰在切削力作用下会沿剪切平面延展，最终减小摩擦阻力。
在切削过程中，易切削元素及其形成的夹杂物能在刀具和材料间起润滑作用。

Part.3

                         攻克“中国制造”笔尖钢！
圆珠笔球体的钢材由碳、硅、锰、磷、铜、镍等十余种元素组成，每种元素的含量也不同。选择哪些元素，每种元素使用多少，每种元素在什么时间加入等，都会对钢材的性能产生影响。
长期以来，笔尖钢的化学组成及技术参数掌握在日本、瑞士等公司手中。
然而，即使没有技术支持，项目难度大，我们还是攻克了这一技术，研发出了国产笔尖钢，并且在2017年实现了笔尖钢国内量产。从此，我国使用的笔尖钢可以骄傲地写上“中国制造”的标志。
图片来源：veer图库
与国外笔尖钢的相比，我们的笔尖钢元素组成种类相似，含量不同，但使用性能上仍非常优秀。
当我们使用圆珠笔时，可能并不会意识到，如此纤小的笔尖竟需要科技攻关来研发材料。我们不仅需要认识金属的微观组织、细致入微地知晓其机理，还要通过不断地积累数据、调整参数、设计工艺方法，才能制造出所需的特种钢材。
我们甚至也不会想到，小小的笔尖要经历超过800米连续书写不断墨的严格测试，才能达标出厂。
有时候我们觉得科学研究离我们很远，殊不知它早已渗透生活的方方面面，只待我们去解码。

参考文献

[1] 郭亨长，苏娟，黄刚. 易切削不锈钢笔头材料研究进展[J]. 中国制笔, 2020(01), 11-18.[2] 苏娟, 杜慧玲, 郭亨长. 不锈钢基笔头球座体表面润滑膜及其对书写性能的影响[J]. 润滑与密封, 2019, 44, 5, 83-89.[3] C. Furusho, H. Takabayashi. Ferrite type free cutting stainless steel for e.g. bearing of precision equipment, contains carbon, silicon, manganese, phosphorus, sulfur, copper, nickel, chromium, molybdenum, vanadium, tungsten, and titanium, in specified mass ratio. Derwent Primary Accession Number: 2017-78270T.[4] H. Wang, J. Li, J. Zhai, D. Che. Stainless steel for ballpoint pen tip, comprises chromium, nitrogen, lead, tellurium, vanadium, niobium, nickel, copper, oxygen, carbon, silicon, manganese, phosphorus, sulfur, balance iron and unavoidable impurities. Derwent Primary Accession Number: 2017-582091.[5] 夏明哲. 专用易切削不锈钢切削性能与微观组织的关联研究[D]. 浙江工业大学, 2016.[6] 付文笙, 沈平, 杨乾坤, 张东, 杨树峰, 付建勋. 基于反向工程方法的易切削笔尖钢关键工艺参数的探索[J]. 2019, 41, 91-97.[7] Q. Yang, P. Shen, D. Zhang, Y. Wu, J. Fu. Analysis on composition and inclusions of ballpoint pen tip steel. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 2018, 25, 420-428.

本文经授权转载自微信公众号“中国科普博览”本文中标明来源的图片已获得授权。出品：科普中国；制作：Vivian；监制：中国科学院计算机网络信息中心

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