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技術(shù)文章

揭秘 | 掃描電鏡下的圓珠筆芯球珠

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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。

 

 

 

 

 

 

 

 

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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(jī)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。

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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(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))

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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(diǎn),形成球珠的碗座,如下圖4。

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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。

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圖5 筆芯尺寸測量圖

 

同時,通過Axia的多通道成像和實(shí)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(shí)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。

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圖6 Axia ChemiSEM 多通道同時成像界面

 

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圖7 筆芯實(shí)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(jiān)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(shí)時能譜我們看到這兩只筆芯的球珠材質(zhì)均為碳化鎢。
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(yùn),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(duì), 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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