揭秘 | 掃描電鏡下的圓珠筆芯球珠

來源：北京歐波同光學(xué)技術(shù)有限公司 2023年06月12日 16:44

小小圓珠筆雖然普通，曾經(jīng)卻是一道橫亙在國人面前的難題。我們曾被嘲笑能造出航母來，而圓珠筆頭卻依賴進(jìn)口。直到2016年太鋼集團(tuán)生產(chǎn)出高性能筆尖專用鋼材，我國才擺脫了這種尷尬局面。

圖1 下含F(xiàn)e樣品的截面形貌圖

圓珠筆的制造需要掌握特種鋼材的制造能力和較高的微米級精細(xì)加工能力。需要確保給筆尖穩(wěn)定地供給墨水而不露墨，防止中斷飛白，達(dá)到順暢書寫長久耐用的效果。

那么我們?nèi)粘Ｊ褂玫膱A珠筆和水性筆筆尖是什么樣的構(gòu)造呢？我們隨機拆開了兩支筆芯，對其鑲嵌磨拋后，放到Axia ChemiSEM掃描電鏡下，去看看它們內(nèi)部結(jié)構(gòu)有什么差異。

圖2 子彈頭筆芯和針管式筆芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圓珠筆其實是帶球珠筆的總稱，通常所說的圓珠筆和水性筆，實際上都屬于圓珠筆這個類別，它們都是利用滾珠的轉(zhuǎn)動達(dá)到書寫的目。如上圖2中，左圖為子彈頭筆芯，右圖為針管式筆芯，可以明顯看到兩者結(jié)構(gòu)不同。

一般子彈頭筆芯是通過金屬切削將一根原棒切削成一個完整的筆頭。這類圓珠筆頭設(shè)計一般包括書寫球珠和保持管或者稱球座體，保持管設(shè)有能收納自由旋轉(zhuǎn)球珠的球珠室和后部孔、引導(dǎo)孔。

筆頭長度較長，我們可以通過Axia ChemiSEM的智能化大面積成像，輕松得到筆頭的完整形貌，如下圖3。（注：球座體內(nèi)有彈簧，制樣過程中損失部分，部分較大彈簧留在腔體右側(cè)）

圖3 子彈頭筆芯大面積截面圖

而針管筆芯一般由非切削方式加工而成，在加工成筆頭之前，它是一根完整的細(xì)管。通過精密儀器從N個方向在細(xì)管前端打N個凹點，形成球珠的碗座，如下圖4。

圖4 針管式筆芯大面積截面圖

對此樣品截面的尺寸進(jìn)行測量如圖5，球珠直徑在400μm以上，而其底座既要保證球珠穩(wěn)定，又需保證球珠順暢滾動：球座稍偏大些，球珠就掉出來了；球座偏小些，則球珠受到限制，無法流暢書寫。

圖5 筆芯尺寸測量圖

同時，通過Axia的多通道成像和實時能譜功能，我們可以同時得到材料形貌和成分信息，得到更全面的認(rèn)識。下圖6為實時觀察的界面，通過雙導(dǎo)航直觀找到筆芯樣品的位置，直觀得到其形貌和成分信息結(jié)果，如圖7所示。

圖6 Axia ChemiSEM 多通道同時成像界面

圖7 筆芯實時能譜面分布圖

球珠要長期承受壓力和摩擦，其材質(zhì)需要堅固耐磨，性質(zhì)穩(wěn)定。市場上球珠主流材質(zhì)是碳化鎢和特制不銹鋼。通過實時能譜我們看到這兩只筆芯的球珠材質(zhì)均為碳化鎢。

小小的圓珠筆從進(jìn)口到國產(chǎn)化的發(fā)展，也揭示著我國制造正從粗放化走向精細(xì)化發(fā)展，不斷向產(chǎn)業(yè)升級邁進(jìn)，不斷提高國際競爭力。圓珠筆芯只是一個小問題，相信我們會不斷掙脫各類技術(shù)枷鎖，展示出我國材料制造及加工的技術(shù)底蘊，大步前行。

參考文獻(xiàn)

[1]洪鴻. 圓珠筆芯技術(shù)解決折射中國制造困境與希望[J]. 先鋒隊, 2017(3Z):2.

[2]石井佳秀. 圓珠筆頭、圓珠筆芯、圓珠筆以及圓珠筆頭的制造方法.

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

https://zhuanlan.zhihu.com/p/137574283

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