揭秘 | 掃描電鏡下的圓珠筆芯球珠

2023-06-12

小小圓珠筆雖(sui)然普通(tong)，曾(ceng)經卻是一道橫亙在(zai)國(guo)人面前的難題(ti)。我們(men)曾(ceng)被嘲笑能造出(chu)航(hang)母來，而圓珠筆頭卻依賴進口。直到2016年太(tai)鋼集團(tuan)生產(chan)出(chu)高性能筆尖專用鋼材，我國(guo)才擺脫了(le)這(zhe)種尷尬局面。

圖1 下含(han)Fe樣品的截(jie)面形貌(mao)圖

圓珠筆的(de)制造需(xu)要掌握特種鋼(gang)材的(de)制造能力(li)(li)和較高的(de)微米級精細(xi)加工能力(li)(li)。需(xu)要確(que)保給筆尖穩定地供給墨(mo)水(shui)而(er)不露墨(mo)，防止中斷飛(fei)白(bai)，達到順暢書(shu)寫長久(jiu)耐用的(de)效(xiao)果。

那么(me)我們(men)日(ri)常使用(yong)的(de)(de)圓(yuan)珠筆和水性筆筆尖是什么(me)樣(yang)的(de)(de)構造呢？我們(men)隨機(ji)拆開了兩支筆芯(xin)，對(dui)其鑲嵌磨(mo)拋后，放到(dao)Axia ChemiSEM掃描電鏡(jing)下，去看看它們(men)內部結構有什么(me)差異。

圖(tu)2 子彈(dan)頭筆芯(xin)和針(zhen)管式筆芯(xin)的內(nei)部結構(gou)

圓珠(zhu)(zhu)筆(bi)(bi)其實是帶球珠(zhu)(zhu)筆(bi)(bi)的總稱，通常所說(shuo)的圓珠(zhu)(zhu)筆(bi)(bi)和水(shui)性筆(bi)(bi)，實際上都(dou)屬于(yu)圓珠(zhu)(zhu)筆(bi)(bi)這個類別，它們(men)都(dou)是利用滾(gun)珠(zhu)(zhu)的轉動達到(dao)書寫的目。如上圖2中(zhong)，左(zuo)圖為(wei)子(zi)彈頭筆(bi)(bi)芯，右圖為(wei)針管式筆(bi)(bi)芯，可以明顯(xian)看到(dao)兩者結構(gou)不同。

一般(ban)子彈頭筆(bi)芯(xin)是通(tong)過金屬切(qie)削將一根原棒切(qie)削成一個(ge)完(wan)整(zheng)的筆(bi)頭。這類圓珠筆頭(tou)設計一般包括書寫球(qiu)(qiu)珠和保持(chi)管或者稱球(qiu)(qiu)座體，保持(chi)管設有能收納自由旋轉球(qiu)(qiu)珠的球(qiu)(qiu)珠室和后部(bu)孔、引導孔。

筆頭(tou)長(chang)度較長(chang)，我們可(ke)以通過(guo)Axia ChemiSEM的智(zhi)能化大(da)面積(ji)成像，輕松得到筆頭(tou)的完(wan)整形(xing)貌(mao)，如下圖(tu)3。（注：球(qiu)座體(ti)(ti)內(nei)有(you)彈(dan)簧，制(zhi)樣過(guo)程中損失部(bu)分，部(bu)分較大(da)彈(dan)簧留在腔(qiang)體(ti)(ti)右側）

圖3 子彈(dan)頭筆芯大面(mian)積(ji)截面(mian)圖

而針管筆芯一般(ban)由非切削(xue)方(fang)式(shi)加工(gong)(gong)而成，在(zai)(zai)加工(gong)(gong)成筆頭之前，它(ta)是(shi)一根(gen)完整的(de)細管。通過精密儀器從N個方(fang)向在(zai)(zai)細管前端(duan)打(da)N個凹點，形(xing)成球珠的(de)碗座，如(ru)下圖(tu)4。

圖4 針(zhen)管(guan)式筆芯(xin)大面(mian)積(ji)截面(mian)圖(tu)

對(dui)此樣品截面(mian)的尺寸(cun)進行測(ce)量如圖5，球珠直徑在400μm以上，而其底(di)座(zuo)既要保(bao)證球珠穩(wen)定，又需保(bao)證球珠順暢滾動：球座(zuo)稍偏(pian)大些(xie)，球珠就掉出來了(le)；球座(zuo)偏(pian)小些(xie)，則球珠受到限制，無(wu)法(fa)流暢書(shu)寫。

圖5 筆(bi)芯尺(chi)寸(cun)測量圖

同(tong)時(shi)，通過Axia的多通道成(cheng)像和實時(shi)能譜功能，我們可以同(tong)時(shi)得(de)到(dao)材料形貌(mao)和成(cheng)分信(xin)息(xi)，得(de)到(dao)更(geng)全面的認識。下圖6為實時(shi)觀(guan)察的界面，通過雙(shuang)導航直觀(guan)找到(dao)筆(bi)芯樣(yang)品(pin)的位置，直觀(guan)得(de)到(dao)其形貌(mao)和成(cheng)分信(xin)息(xi)結果，如圖7所(suo)示。

圖6 Axia ChemiSEM 多通道同時成像界面

圖(tu)7 筆(bi)芯實時能譜面分布(bu)圖

球珠(zhu)要(yao)長期承受(shou)壓力和(he)摩擦，其(qi)材(cai)質需要(yao)堅固耐磨，性質穩定。市場上球珠(zhu)主流材(cai)質是碳(tan)化鎢和(he)特制(zhi)不銹鋼。通過實時能譜(pu)我(wo)們(men)看到這(zhe)兩只筆芯的球珠(zhu)材(cai)質均為碳(tan)化鎢。

小小的(de)圓珠(zhu)筆從進口到國(guo)產化的(de)發展，也揭示(shi)著我國(guo)制造正從粗放化走向精(jing)細化發展，不斷向產業(ye)升級(ji)邁進，不斷提高(gao)國(guo)際(ji)競(jing)爭(zheng)力。圓珠筆芯只(zhi)是一個小問題，相(xiang)信我(wo)們會不斷掙脫各類技術枷鎖，展(zhan)示出我(wo)國材料制(zhi)造及加工的技術底蘊，大步前行(xing)。

參考文獻

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[3]//www.sohu.com/a/657860891_121617550

//zhuanlan.zhihu.com/p/137574283

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