揭秘 | 掃描電鏡下的圓珠筆芯球珠

2023-06-12

小小圓珠筆雖然普通，曾經(jīng)卻是一道橫亙?cè)趪?guó)人面前的難題。我們?cè)怀靶δ茉斐龊侥竵恚鴪A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(guó)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(jí)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(zhǎng)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(jī)拆開了兩支筆芯，對(duì)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(shí)是帶球珠筆的總稱，通常所說的圓珠筆和水性筆，實(shí)際上都屬于圓珠筆這個(gè)類別，它們都是利用滾珠的轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)完整的筆頭。這類圓珠筆頭設(shè)計(jì)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(zhǎng)度較長(zhǎng)，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(gè)方向在細(xì)管前端打N個(gè)凹點(diǎn)，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(duì)此樣品截面的尺寸進(jìn)行測(cè)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(dòng)：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(cè)量圖

同時(shí)，通過Axia的多通道成像和實(shí)時(shí)能譜功能，我們可以同時(shí)得到材料形貌和成分信息，得到更全面的認(rèn)識(shí)。下圖6為實(shí)時(shí)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(shí)成像界面

圖7 筆芯實(shí)時(shí)能譜面分布圖

球珠要長(zhǎng)期承受壓力和摩擦，其材質(zhì)需要堅(jiān)固耐磨，性質(zhì)穩(wěn)定。市場(chǎng)上球珠主流材質(zhì)是碳化鎢和特制不銹鋼。通過實(shí)時(shí)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(guó)產(chǎn)化的發(fā)展，也揭示著我國(guó)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(jí)邁進(jìn)，不斷提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。圓珠筆芯只是一個(gè)小問題，相信我們會(huì)不斷掙脫各類技術(shù)枷鎖，展示出我國(guó)材料制造及加工的技術(shù)底蘊(yùn)，大步前行。

參考文獻(xiàn)

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

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