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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　　出品：科普中国
　　制作：Vivian（北京航空航天大学）
　　监制：中国科学院计算机网络信息中心
　　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
　　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（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（图片来源：参考文献1）
　　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（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。
　　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：
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                                        2021-09-02