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口。直到2016年太鋼集團生產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Fe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加工能力。需要確保給筆尖穩定地供給墨水而不露墨，防止中斷飛白，達到順暢書寫長久耐用的效果。

那么我們日常使用的圓珠筆和水性筆筆尖是什么樣的構造呢？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，去看看它們內部結構有什么差異。

圖2 子彈頭筆芯和針管式筆芯的內部結構

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動達到書寫的目。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構不同。

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。這類圓珠筆頭設計一般包括書寫球珠和保持管或者稱球座體，保持管設有能收納自由旋轉球珠的球珠室和后部孔、引導孔。

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：球座體內有彈簧，制樣過程中損失部分，部分較大彈簧留在腔體右側）

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，它是一根完整的細管。通過精密儀器從N個方向在細管前端打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，得到更全面的認識。下圖6為實時觀察的界面，通過雙導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，其材質需要堅固耐磨，性質穩定。市場上球珠主流材質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均為碳化鎢。

小小的圓珠筆從進口到國產化的發展，也揭示著我國制造正從粗放化走向精細化發展，不斷向產業升級邁進，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枷鎖，展示出我國材料制造及加工的技術底蘊，大步前行。

參考文獻

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[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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