圓珠筆有多難造？你童年的書包裡其實裝著高科技
小時候期待開學的原因之一，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，其實用到的技術並不普通。
圖片來源：veer相簿
Part.1
做一支圓珠筆，很難麼？
圓珠筆之所以能流暢地出墨，是因為在書寫的過程中，圓珠筆頭的小球珠在與紙張接觸時產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動，且不容易從球座體中脫落。
然而，這樣一個簡單的設計，對於球珠的要求可不簡單。
圓珠筆頭（圖片來源：Veer相簿）
圓珠筆頭的製造主要有三個技術難點
。首先，為了保證平滑的書寫體驗，球珠與球座體之間的配合至關重要。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，則會導致漏墨，甚至使球珠從筆尖上脫落。
其次，在書寫的過程中，由於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。筆尖內有高低不平的臺階和引導墨水的導油槽，每個導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效能提出了較高的要求。
圓珠筆筆頭內部結構（圖片來源：參考文獻1）
Part.2
尋找特種鋼材——“筆尖鋼”
製作圓珠筆球珠的材料經歷了不斷地發展，早期的鉛黃銅、鎳白銅由於抗腐蝕性較差，目前已經基本淘汰。現有包括不鏽鋼球珠、碳化鎢球珠和陶瓷球珠在內的不同規格材料可供使用，其中，
不鏽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
耐鏽蝕的效能
，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定，筆尖鋼還需要具備
耐磨損的效能。
在加工過程中，會使用硬質合金鑽頭以30000rpm的高轉速加工，且加工誤差不能超過3微米，這又要求筆尖鋼具備良好的
易於切削的效能
。同時，易切削效能還體現在切屑需細碎，如崩碎屑和C形屑，使廢屑易於快速脫離工件，減少劃傷表面，以保證筆頭內腔複雜結構的完整。
易於排除的崩碎屑及C形屑（圖片來源：參考文獻5）
筆尖鋼屬於易切削不鏽鋼，是一種特種鋼材，透過在鐵素體不鏽鋼中加入一定量的易切削元素，例如硫、鉛、磷等製成。
易切削元素的作用機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，又可以作為應力集中點使切屑易碎。
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狀態，在切削時摩擦生熱下，熔點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性，使得切屑短小，易於排除。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“中國製造”筆尖鋼！
圓珠筆球體的鋼材由碳、矽、錳、磷、銅、鎳等十餘種元素組成，每種元素的含量也不同。選擇哪些元素，每種元素使用多少，每種元素在什麼時間加入等，都會對鋼材的效能產生影響。
長期以來，筆尖鋼的化學組成及技術引數掌握在日本、瑞士等公司手中。
然而，
即使沒有技術支援，專案難度大，我們還是攻克了這一技術，研發出了國產筆尖鋼，並且在2017年實現了筆尖鋼國內量產。從此，我國使用的筆尖鋼可以驕傲地寫上“中國製造”的標誌。
圖片來源：veer相簿
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，但使用效能上仍非常優秀。
當我們使用圓珠筆時，可能並不會意識到，如此纖小的筆尖竟需要科技攻關來研發材料。我們不僅需要認識金屬的微觀組織、細緻入微地知曉其機理，還要透過不斷地積累資料、調整引數、設計工藝方法，才能製造出所需的特種鋼材。
我們甚至也不會想到，小小的筆尖要經歷超過800米連續書寫不斷墨的嚴格測試，才能達標出廠。
有時候我們覺得科學研究離我們很遠，殊不知它早已滲透生活的方方面面，只待我們去解碼。
參考文獻:
（1）郭亨長，蘇娟，黃剛。 易切削不鏽鋼筆頭材料研究進展［J］。 中國製筆， 2020（01）， 11-18。
（2）蘇娟， 杜慧玲， 郭亨長。 不鏽鋼基筆頭球座體表面潤滑膜及其對書寫效能的影響［J］。 潤滑與密封， 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。 專用易切削不鏽鋼切削效能與微觀組織的關聯研究［D］。 浙江工業大學， 2016。
（6）付文笙， 沈平， 楊乾坤， 張東， 楊樹峰， 付建勳。 基於反向工程方法的易切削筆尖鋼關鍵工藝引數的探索［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。
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