圓珠筆有多難造？你童年的書包里其實(shí)裝著高科技

遙遠(yuǎn)的雷音 2021-09-06

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原創(chuàng) Vivian 中國科普博覽 2021-09-02

小時候期待開學(xué)的原因之一，是又可以買新文具了。很多人不知道，看上去普普通通的文具，其實(shí)用到的技術(shù)并不普通。

Part.1

做一支圓珠筆，很難么？

圓珠筆之所以能流暢地出墨，是因?yàn)樵跁鴮懙倪^程中，圓珠筆頭的小球珠在與紙張接觸時產(chǎn)生的摩擦力作用下滾動，從而將筆芯中的油墨帶出，形成筆跡。

簡單來說，圓珠筆頭的構(gòu)造就是將一個球珠嵌在球座體的頂端，使球珠能夠平滑地轉(zhuǎn)動，且不容易從球座體中脫落。

然而，這樣一個簡單的設(shè)計，對于球珠的要求可不簡單。

圓珠筆頭的制造主要有三個技術(shù)難點(diǎn)。首先，為了保證平滑的書寫體驗(yàn)，球珠與球座體之間的配合至關(guān)重要。球珠和球座體之間的間隙大約為5微米，若間隙過小，墨水便不能順滑流出；若間隙過大，則會導(dǎo)致漏墨，甚至使球珠從筆尖上脫落。

其次，在書寫的過程中，由于筆尖球珠與紙張不斷摩擦，球珠與球座體之間的間隙會逐漸變大。久而久之，油墨容易從縫隙中漏出來，影響書寫。

此外，圓珠筆尖有極高的加工精度和裝配精度。筆尖內(nèi)有高低不平的臺階和引導(dǎo)墨水的導(dǎo)油槽，每個導(dǎo)油槽的加工精度都要求在1微米。

以上這些因素，都對圓珠筆球體用的材料性能提出了較高的要求。

圓珠筆筆頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

Part.2

尋找特種鋼材——“筆尖鋼”

制作圓珠筆球珠的材料經(jīng)歷了不斷地發(fā)展，早期的鉛黃銅、鎳白銅由于抗腐蝕性較差，目前已經(jīng)基本淘汰?，F(xiàn)有包括不銹鋼球珠、碳化鎢球珠和陶瓷球珠在內(nèi)的不同規(guī)格材料可供使用，其中，不銹鋼已成為圓珠筆筆尖最常用的材料。

圓珠筆用的鋼材有一個專用名字——筆尖鋼。筆尖鋼需要有耐銹蝕的性能，以抵抗長時間與墨水接觸的過程中，溶劑等對球體的腐蝕。

同時，為了保證球體與球座體之間的間隙穩(wěn)定，筆尖鋼還需要具備耐磨損的性能。

在加工過程中，會使用硬質(zhì)合金鉆頭以30000rpm的高轉(zhuǎn)速加工，且加工誤差不能超過3微米，這又要求筆尖鋼具備良好的易于切削的性能。同時，易切削性能還體現(xiàn)在切屑需細(xì)碎，如崩碎屑和C形屑，使廢屑易于快速脫離工件，減少劃傷表面，以保證筆頭內(nèi)腔復(fù)雜結(jié)構(gòu)的完整。

易于排除的崩碎屑及C形屑

（圖片來源：參考文獻(xiàn)5）

筆尖鋼屬于易切削不銹鋼，是一種特種鋼材，通過在鐵素體不銹鋼中加入一定量的易切削元素，例如硫、鉛、磷等制成。

易切削元素的作用機(jī)理可歸納為該元素及其形成的夾雜物，既能在刀具與鋼材之間起潤滑作用，又可以作為應(yīng)力集中點(diǎn)使切屑易碎。

其中，不同元素的作用方式又略有不同。例如，鉛元素呈球狀顆粒的單質(zhì)狀態(tài)，在切削時摩擦生熱下，熔點(diǎn)較低的鉛元素熔融析出，在接觸面上起潤滑作用；而硫元素可與鋼中的錳元素形成硫化錳夾雜物，從而阻斷了鋼材的連續(xù)性，使得切屑短小，易于排除。此外，硫化錳在切削力作用下會沿剪切平面延展，最終減小摩擦阻力。

在切削過程中，易切削元素及其形成的夾雜物能在刀具和材料間起潤滑作用。

Part.3

攻克“中國制造”筆尖鋼！

圓珠筆球體的鋼材由碳、硅、錳、磷、銅、鎳等十余種元素組成，每種元素的含量也不同。選擇哪些元素，每種元素使用多少，每種元素在什么時間加入等，都會對鋼材的性能產(chǎn)生影響。

長期以來，筆尖鋼的化學(xué)組成及技術(shù)參數(shù)掌握在日本、瑞士等公司手中。

然而，即使沒有技術(shù)支持，項(xiàng)目難度大，我們還是攻克了這一技術(shù)，研發(fā)出了國產(chǎn)筆尖鋼，并且在2017年實(shí)現(xiàn)了筆尖鋼國內(nèi)量產(chǎn)。從此，我國使用的筆尖鋼可以驕傲地寫上“中國制造”的標(biāo)志。

與國外筆尖鋼的相比，我們的筆尖鋼元素組成種類相似，含量不同，但使用性能上仍非常優(yōu)秀。

當(dāng)我們使用圓珠筆時，可能并不會意識到，如此纖小的筆尖竟需要科技攻關(guān)來研發(fā)材料。我們不僅需要認(rèn)識金屬的微觀組織、細(xì)致入微地知曉其機(jī)理，還要通過不斷地積累數(shù)據(jù)、調(diào)整參數(shù)、設(shè)計工藝方法，才能制造出所需的特種鋼材。

我們甚至也不會想到，小小的筆尖要經(jīng)歷超過800米連續(xù)書寫不斷墨的嚴(yán)格測試，才能達(dá)標(biāo)出廠。

有時候我們覺得科學(xué)研究離我們很遠(yuǎn)，殊不知它早已滲透生活的方方面面，只待我們?nèi)ソ獯a。

參考文獻(xiàn):

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出品：科普中國

制作：Vivian

作者單位：北京航空航天大學(xué)

監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

（本文中標(biāo)明來源的圖片已獲得授權(quán)）

文章僅代表作者觀點(diǎn)，不代表中國科普博覽立場

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