揭秘 | 扫描电镜下的圆珠笔芯球珠

2023-06-12

小小圆珠笔虽然普通，曾经却是一道横亘在国人面前的难题。我们曾被嘲笑能造出航母来，而圆珠笔头却依赖进口。直到2016年太钢集团生产出高性能笔尖专用钢材，我国才摆脱了这种尴尬局面。

图1 下含Fe样品的截面形貌图

圆珠笔的制造需要掌握特种钢材的制造能力和较高的微米级精细加工能力。需要确保给笔尖稳定地供给墨水而不露墨，防止中断飞白，达到顺畅书写长久耐用的效果。

那么我们日常使用的圆珠笔和水性笔笔尖是什么样的构造呢？我们随机拆开了两支笔芯，对其镶嵌磨抛后，放到Axia ChemiSEM扫描电镜下，去看看它们内部结构有什么差异。

图2 子弹头笔芯和针管式笔芯的内部结构

圆珠笔其实是带球珠笔的总称，通常所说的圆珠笔和水性笔，实际上都属于圆珠笔这个类别，它们都是利用滚珠的转动达到书写的目。如上图2中，左图为子弹头笔芯，右图为针管式笔芯，可以明显看到两者结构不同。

一般子弹头笔芯是通过金属切削将一根原棒切削成一个完整的笔头。这类圆珠笔头设计一般包括书写球珠和保持管或者称球座体，保持管设有能收纳自由旋转球珠的球珠室和后部孔、引导孔。

笔头长度较长，我们可以通过Axia ChemiSEM的智能化大面积成像，轻松得到笔头的完整形貌，如下图3。（注：球座体内有弹簧，制样过程中损失部分，部分较大弹簧留在腔体右侧）

图3 子弹头笔芯大面积截面图

而针管笔芯一般由非切削方式加工而成，在加工成笔头之前，它是一根完整的细管。通过精密仪器从N个方向在细管前端打N个凹点，形成球珠的碗座，如下图4。

图4 针管式笔芯大面积截面图

对此样品截面的尺寸进行测量如图5，球珠直径在400μm以上，而其底座既要保证球珠稳定，又需保证球珠顺畅滚动：球座稍偏大些，球珠就掉出来了；球座偏小些，则球珠受到限制，无法流畅书写。

图5 笔芯尺寸测量图

同时，通过Axia的多通道成像和实时能谱功能，我们可以同时得到材料形貌和成分信息，得到更全面的认识。下图6为实时观察的界面，通过双导航直观找到笔芯样品的位置，直观得到其形貌和成分信息结果，如图7所示。

图6 Axia ChemiSEM 多通道同时成像界面

图7 笔芯实时能谱面分布图

球珠要长期承受压力和摩擦，其材质需要坚固耐磨，性质稳定。市场上球珠主流材质是碳化钨和特制不锈钢。通过实时能谱我们看到这两只笔芯的球珠材质均为碳化钨。

小小的圆珠笔从进口到国产化的发展，也揭示着我国制造正从粗放化走向精细化发展，不断向产业升级迈进，不断提高国际竞争力。圆珠笔芯只是一个小问题，相信我们会不断挣脱各类技术枷锁，展示出我国材料制造及加工的技术底蕴，大步前行。

参考文献

[1]洪鸿. 圆珠笔芯技术解决折射中国制造困境与希望[J]. 先锋队, 2017(3Z):2.

[2]石井佳秀. 圆珠笔头、圆珠笔芯、圆珠笔以及圆珠笔头的制造方法.

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

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