出品：科普中國

製作：Vivian（北京航空航天大學）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

小時候期待開學的原因之一，是又可以買(mai) 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圖庫

做一支圓珠筆，很難麽(me) ？

圓珠筆之所以能流暢地出墨，是因為(wei) 在書(shu) 寫(xie) 的過程中，圓珠筆頭的小球珠在與(yu) 紙張接觸時產(chan) 生的摩擦力作用下滾動，從(cong) 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(ge) 球珠嵌在球座體(ti) 的頂端，使球珠能夠平滑地轉動，且不容易從(cong) 球座體(ti) 中脫落。

然而，這樣一個(ge) 簡單的設計，對於(yu) 球珠的要求可不簡單。

圓珠筆頭（圖片來源：Veer圖庫）

圓珠筆頭的製造主要有三個(ge) 技術難點。首先，為(wei) 了保證平滑的書(shu) 寫(xie) 體(ti) 驗，球珠與(yu) 球座體(ti) 之間的配合至關(guan) 重要。球珠和球座體(ti) 之間的間隙大約為(wei) 5微米，若間隙過小，墨水便不能順滑流出；若間隙過大，則會(hui) 導致漏墨，甚至使球珠從(cong) 筆尖上脫落。

其次，在書(shu) 寫(xie) 的過程中，由於(yu) 筆尖球珠與(yu) 紙張不斷摩擦，球珠與(yu) 球座體(ti) 之間的間隙會(hui) 逐漸變大。久而久之，油墨容易從(cong) 縫隙中漏出來，影響書(shu) 寫(xie) 。

此外，圓珠筆尖有極高的加工精度和裝配精度。筆尖內(nei) 有高低不平的台階和引導墨水的導油槽，每個(ge) 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(ti) 用的材料性能提出了較高的要求。

圓珠筆筆頭內(nei) 部結構（圖片來源：參考文獻1）

尋找特種鋼材——“筆尖鋼”

製作圓珠筆球珠的材料經曆了不斷地發展，早期的鉛黃銅、鎳白銅由於(yu) 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(nei) 的不同規格材料可供使用，其中，不鏽鋼已成為(wei) 圓珠筆筆尖最常用的材料。

圓珠筆用的鋼材有一個(ge) 專(zhuan) 用名字——筆尖鋼。筆尖鋼需要有耐鏽蝕的性能，以抵抗長時間與(yu) 墨水接觸的過程中，溶劑等對球體(ti) 的腐蝕。

同時，為(wei) 了保證球體(ti) 與(yu) 球座體(ti) 之間的間隙穩定，筆尖鋼還需要具備耐磨損的性能。

在加工過程中，會(hui) 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(yu) 切削的性能。同時，易切削性能還體(ti) 現在切屑需細碎，如崩碎屑和C形屑，使廢屑易於(yu) 快速脫離工件，減少劃傷(shang) 表麵，以保證筆頭內(nei) 腔複雜結構的完整。

易於(yu) 排除的崩碎屑及C形屑（圖片來源：參考文獻5）

筆尖鋼屬於(yu) 易切削不鏽鋼，是一種特種鋼材，通過在鐵素體(ti) 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(wei) 該元素及其形成的夾雜物，既能在刀具與(yu) 鋼材之間起潤滑作用，又可以作為(wei) 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，在接觸麵上起潤滑作用；而硫元素可與(yu) 鋼中的錳元素形成硫化錳夾雜物，從(cong) 而阻斷了鋼材的連續性，使得切屑短小，易於(yu) 排除。此外，硫化錳在切削力作用下會(hui) 沿剪切平麵延展，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。

攻克“中國製造”筆尖鋼！

圓珠筆球體(ti) 的鋼材由碳、矽、錳、磷、銅、鎳等十餘(yu) 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，每種元素在什麽(me) 時間加入等，都會(hui) 對鋼材的性能產(chan) 生影響。

長期以來，筆尖鋼的化學組成及技術參數掌握在日本、瑞士等公司手中。

然而，即使沒有技術支持，項目難度大，我們(men) 還是攻克了這一技術，研發出了國產(chan) 筆尖鋼，並且在2017年實現了筆尖鋼國內(nei) 量產(chan) 。從(cong) 此，我國使用的筆尖鋼可以驕傲地寫(xie) 上“中國製造”的標誌。

圖片來源：veer圖庫

與(yu) 國外筆尖鋼的相比，我們(men) 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(you) 秀。

當我們(men) 使用圓珠筆時，可能並不會(hui) 意識到，如此纖小的筆尖竟需要科技攻關(guan) 來研發材料。我們(men) 不僅(jin) 需要認識金屬的微觀組織、細致入微地知曉其機理，還要通過不斷地積累數據、調整參數、設計工藝方法，才能製造出所需的特種鋼材。

我們(men) 甚至也不會(hui) 想到，小小的筆尖要經曆超過800米連續書(shu) 寫(xie) 不斷墨的嚴(yan) 格測試，才能達標出廠。

有時候我們(men) 覺得科學研究離我們(men) 很遠，殊不知它早已滲透生活的方方麵麵，隻待我們(men) 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(ti) 表麵潤滑膜及其對書(shu) 寫(xie) 性能的影響[J]. 潤滑與(yu) 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(zhuan) 用易切削不鏽鋼切削性能與(yu) 微觀組織的關(guan) 聯研究[D]. 浙江工業(ye) 大學, 2016.

（6）付文笙, 沈平, 楊乾坤, 張東(dong) , 楊樹峰, 付建勳. 基於(yu) 反向工程方法的易切削筆尖鋼關(guan) 鍵工藝參數的探索[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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