筆尖上的材料

李明洋

最近，一則關(guān)于圓珠筆的新聞登上了頭條。根據(jù)國內(nèi)外媒體的報(bào)道，中國終于成功研制出了自己的圓珠筆頭，在從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”的路途上又前進(jìn)了一小步。小小的圓珠筆頭居然如此受關(guān)注，更是讓李克強(qiáng)總理提出了“圓珠筆之問”，這讓我們不得不重新審視圓珠筆尖上的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。麻雀雖小，五臟俱全。筆尖雖小，卻也是人類不斷探索創(chuàng)新的縮影。

雖然圓珠筆的廣泛使用是在二戰(zhàn)結(jié)束之后，但其設(shè)計(jì)思路在那之前的半個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)了。1888年10月30日，來自美國馬薩諸塞州韋茅斯（Weymouth，Massachusetts）的約翰·勞德（John Jacob Loud，1844-1916）獲得了一項(xiàng)專利（見圖1）。勞德在專利中提出了一種新的書寫工具，通過彈簧按壓連桿及球珠實(shí)現(xiàn)墨水的流動(dòng)，從而達(dá)到書寫的目的。其優(yōu)點(diǎn)是可以在不平整的表面（木材、粗制的包裝紙等）做記號，且由于安裝了改進(jìn)的墨囊而無需經(jīng)常灌注墨水。

勞德并沒有給這一新的書寫工具命名，只是將其稱為“筆”，不過毫無疑問這就是后來利用球珠進(jìn)行書寫的各種筆的鼻祖。

當(dāng)然，從理念到實(shí)現(xiàn)的距離是很遙遠(yuǎn)的。勞德在專利中并沒有考慮“圓珠筆”各個(gè)部件的尺寸、材料、加工工藝，更沒有意識到墨水對于流暢書寫的重要性，甚至也沒有嘗試去制作這樣一支筆。于是這個(gè)想法就一直存在于專利之中，等待著能將其實(shí)現(xiàn)的發(fā)明家。

圓珠筆誕生：從專利到產(chǎn)品

進(jìn)入20世紀(jì)，自來水筆越來越普及，然而其缺陷也始終困擾著人們，特別是墨水滲漏的問題，尤其令人頭疼。世界各地的發(fā)明家們開始各自獨(dú)立地研制新的書寫工具，于是誕生了一系列相關(guān)的專利：1901年10月，德國人Anton J. Sheaffer注冊專利；1911年10月，Michael Braun注冊專利。1924年德累斯頓的交易博覽會（Dresden Trade Fair）上，G.L.Lorenz展示了一款Mungo牌圓珠筆。1934年，匈牙利人Dezso Ránki博士和鐵路工程師 d nHajdú也取得了他們獨(dú)立的專利。盡管專利如雨后春筍般涌出，但直到20世紀(jì)30年代，也沒有出現(xiàn)一支功能正常的圓珠筆。

上述這些“發(fā)明”總是有著各式各樣的問題，要么是油墨滲漏，要么是書寫時(shí)斷時(shí)續(xù)。而真正實(shí)現(xiàn)了圓珠筆構(gòu)想的發(fā)明家是另一位匈牙利人拉茲羅·比洛（LászlóJózsefBíró，1899-1985）（見圖2）。身為記者的他留意到印刷報(bào)紙所用的油墨具有速干的特性，便萌生了用來改進(jìn)常常漏水的自來水筆的想法。然而油墨對于自來水筆而言過于黏稠，根本無法通過毛細(xì)管直達(dá)紙面，于是拉茲羅·比洛就和他的哥哥、牙醫(yī)哲爾吉·比洛（Gy rgyBíró）一起研制出了圓珠筆，并于1931年6月帶著第一支圓珠筆參加了布達(dá)佩斯國際博覽會（Budapest International Fair）。他們還得到另一位發(fā)明家安道爾·高伊（Andor Goy）的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)支持。

不過好景不長，為了逃避納粹的迫害，身為猶太人的比洛兄弟于1938年離開匈牙利來到巴黎，并在這里取得法國專利。1943年他們又來到了阿根廷的布宜諾斯艾利斯。同年6月，他們的發(fā)明獲得了美國專利（見圖3）。根據(jù)專利中的圖紙可見，比洛圓珠筆的筆頭由球珠（ballpoint）和球座（socket）2部分構(gòu)成，二者的尺寸可以保證球珠能夠相對自由地滾動(dòng)。在重力作用下，油墨通過幾條較細(xì)的溝槽與球面相接觸，書寫時(shí)則隨著球珠的滾動(dòng)自動(dòng)向下輸送。這種設(shè)計(jì)既避免了油墨長時(shí)間與空氣接觸，也保證了書寫的流暢性和持續(xù)性。很快，比洛兄弟在布宜諾斯艾利斯成立了阿根廷圓珠筆公司（Bíró Pens of Argentina），生產(chǎn)名為Birome的圓珠筆（見圖4）。

所有的發(fā)明都不是一蹴而就的，但往往被人們所熟知卻只有那么一兩個(gè)人，而其他貢獻(xiàn)者就被歷史長河所淹沒。拉茲羅·比洛最終作為圓珠筆的發(fā)明者被人們所銘記。他去世后第2年，他的生日9月29日被阿根廷政府宣布為“發(fā)明家節(jié)”。而他們所使用的產(chǎn)品名birome乃至biro，在包括阿根廷在內(nèi)的很多國家已經(jīng)成為圓珠筆的代名詞。

新材料助力：筆珠從合金到陶瓷

制筆業(yè)的先行者為書寫者們打開了新世界的大門，不過這一美麗新世界要變得更加豐富，則離不開材料學(xué)的進(jìn)步和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展。

早期圓珠筆的筆珠使用的是普通的鋼材，長期與酸性油墨接觸，極易腐蝕，影響書寫效果和使用壽命。1957年，美國著名的制筆商派克公司（Parker）為Jotter系列圓珠筆推出T-ball替芯，率先使用碳化鎢作為筆珠。碳化鎢作為一種耐磨蝕、耐腐蝕、耐高溫氧化的高硬合金，天然適于作為筆珠材料。碳化鎢的維氏硬度1 400～1 800左右，熔點(diǎn)在2 800℃以上，是人類制出的硬度僅次于金剛石、而高于任何其他天然礦物的高硬材料。由于熔點(diǎn)極高，唯有用粉末冶金法方可制備。1923年，德國的卡爾·施勒特爾（KarlSchr ter）在碳化鎢粉末中加入10%～20%的鈷作為黏結(jié)劑，經(jīng)過制粉、混合、壓制、燒結(jié)等步驟，得到粉末冶金高硬合金。1926年德國的軍工巨頭克虜伯公司（Krupp）開始批量生產(chǎn)碳化鎢硬質(zhì)合金，商品名為“WIDIA”，意為“類金剛石”。

到20世紀(jì)50年代，粉末冶金法制備碳化鎢的技術(shù)和工藝流程已經(jīng)較為成熟。派克公司還曾利用粉末冶金技術(shù)制備銥金筆頭上所使用的銥粒。隨著派克公司的這一技術(shù)轉(zhuǎn)向，其他制筆商也紛紛效仿。法國的比克公司（Société Bic），1945年由馬塞爾·比克（Marcel Bich）和愛德華·比法爾（Edouard Buffard）在法國克利希市（Clichy）創(chuàng)立，1950年了購買拉茲羅·比洛的專利和生產(chǎn)授權(quán)，并推出了首款圓珠筆——水晶系列圓珠筆（Bic Cristal）。最初筆珠是用不銹鋼制作，1961年改用碳化鎢，一直延續(xù)至今，形成了完善而嚴(yán)格的工藝流程。首先通過粉末冶金法制得直徑1mm的毛坯球珠，并在爐中進(jìn)行硬化（harden）。接下來將球珠投入研磨拋光機(jī)（lapping machine），并加入潤滑劑和少量金剛石研磨膏（diamond dust paste），經(jīng)過長達(dá)5天的研磨，得到表面光滑、形狀標(biāo)準(zhǔn)的球珠（見圖5）。最后，通過篩選和檢測合格的球珠才被安裝到圓珠筆頭的球座上。

如今，隨著材料學(xué)的發(fā)展，特別是新型陶瓷材料的開發(fā)，筆尖上又出現(xiàn)了新的材料——氧化鋯增韌陶瓷（ZTC）。與碳化鎢相比，氧化鋯同樣是耐磨蝕、耐腐蝕、耐高溫的高硬材料，但其表面更為細(xì)膩，對球座碗口的磨損更小。且氧化鋯與墨水的浸潤度高、接觸角小，帶墨能力好。目前普遍用來生產(chǎn)陶瓷筆珠的材料是氧化釔作穩(wěn)定劑的四方氧化鋯多晶體（Y-TZP），一般含有1.75%～3.5%mol的氧化釔，其強(qiáng)度和斷裂韌性高達(dá)1.5GP和15MP/m2，性能優(yōu)良。在德國、瑞士、日本等制筆業(yè)發(fā)達(dá)國家，陶瓷筆珠已經(jīng)是高檔筆球珠的首選材料。在國家科學(xué)基金、“863”計(jì)劃和“973”計(jì)劃的持續(xù)資助下，清華大學(xué)黃勇、楊金龍、謝志鵬等自主研發(fā)了陶瓷水基膠態(tài)注射成型工藝，將水基漿料液滴在介質(zhì)中成球并固化，直接成型亞毫米級和毫米級致密陶瓷微珠。該項(xiàng)工藝獲2004年國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，也很快在河北邯鄲成立了中試基地，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。相信將來還會有性能更加優(yōu)良的材料被應(yīng)用在筆尖之上。

生產(chǎn)自動(dòng)化：從進(jìn)口到中國制造

作為與筆珠配套的部件，球座的材料和加工工藝同樣至關(guān)重要。在這一領(lǐng)域，瑞士米克朗集團(tuán)（Mikron Group）是毋庸置疑的專家。該公司位于瑞士盧加諾（Lugano），有著上百年機(jī)械加工與機(jī)器制造的歷史。公司初期主要生產(chǎn)齒輪切割機(jī)器及工具，見證了瑞士制表業(yè)由手工向機(jī)械化的轉(zhuǎn)型。二戰(zhàn)之后，米克朗的業(yè)務(wù)開始向其他領(lǐng)域拓展。此時(shí)恰逢制筆業(yè)在歐美攻城略地，自來水筆和圓珠筆的市場被激發(fā)，各大制筆商都在試圖提高產(chǎn)能以謀取更高的市場占有率。50年代末，瑞士阿爾伯機(jī)器廠（Albe Machine Factory，后被米克朗收購）適時(shí)地設(shè)計(jì)制造了自動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺（automatic indexing table），用于生產(chǎn)圓珠筆頭和裝配筆芯，極大地提高了生產(chǎn)效率（見圖6）。

各大制筆公司派克、威迪文（Waterman）、比百美（PaperMate）等都選擇Albe作為供應(yīng)商。隨著制筆業(yè)成本的持續(xù)降低，米克朗也在致力于研發(fā)更加高產(chǎn)的機(jī)器。從20個(gè)世紀(jì)末推出的PM-14、PM-20、PM-30等回轉(zhuǎn)工作臺式組合機(jī)床（rotary indexing machine），到如今從裁線、冷鐓、切削加工、清洗、裝配、檢測的整套流水線機(jī)器，米克朗的產(chǎn)品在制筆業(yè)扮演著越來越重要的角色（見圖7）。以筆頭生產(chǎn)為例，米克朗提供的有TR-42型裁線機(jī)（Wire cutting machine Mikron TR-42 WRI）、RP-32型冷鐓機(jī)（Cold heading press Mikron RP-32）、LX-24型24工位組合機(jī)床（Multistar LX-24），再配上清洗機(jī)，就構(gòu)成了筆頭生產(chǎn)的完整流程：首先制作筆頭毛坯，可以用切割法也可以用冷鐓法。接下來在多工位組合機(jī)床上完成各種及加工項(xiàng)目，包括鉆孔、擴(kuò)孔、鏜孔、沖槽、車倒角圓角、安放筆珠……等12道工序（見圖8）。最后經(jīng)過離心、清洗和檢測，筆頭就算完成，可以進(jìn)入筆芯裝配環(huán)節(jié)了。筆頭上的加工工序多而復(fù)雜，且精密度要求高，這對于筆頭材料也提出了較高的標(biāo)準(zhǔn)。早期使用較多的是銅頭，即鉛黃銅。銅頭的切削加工和冷加工性能良好，但其抗腐蝕和耐磨蝕性能一般，已逐漸被鎳白銅所取代。

易切削不銹鋼主要用于高檔筆產(chǎn)品，目前以日本研發(fā)的SF20T鋼材為最優(yōu)，國產(chǎn)鋼材有2014年貝發(fā)公司與太鋼聯(lián)合研發(fā)的TBPS-1、TBPS-2，已經(jīng)比較接近日本鋼材的性能。對于筆頭生產(chǎn)中最重要的設(shè)備LX-24組合機(jī)床，20世紀(jì)90年代，國內(nèi)多家制筆單位聯(lián)合，借鑒德國赫特公司（Hutt）的24工位鏈條傳動(dòng)（直線式）筆頭加工機(jī)床進(jìn)行了仿制，于1994年制出34工位自動(dòng)加工機(jī)床，后經(jīng)溫州亞一公司改進(jìn)，得到45工位自動(dòng)加工機(jī)床。2014年，真彩也在對米克朗LX-24的研究和改進(jìn)基礎(chǔ)上制成COREX高精度多工位筆頭加工機(jī)床。

現(xiàn)在，中國的制筆企業(yè)終于可以用國產(chǎn)的機(jī)床和國產(chǎn)的原材料，生產(chǎn)真正“中國制造”的筆尖。制筆業(yè)材料和設(shè)備的國產(chǎn)化，部分地要?dú)w功于“十二五”國家科技支撐計(jì)劃“制筆行業(yè)關(guān)鍵材料及制備技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目（見圖9）。2011年，圍繞圓珠筆墨水制造、筆頭材料及筆頭制造、筆頭與墨水匹配等關(guān)鍵技術(shù)問題，科技部提出該項(xiàng)目，為期3年，國撥經(jīng)費(fèi)控制額為6 000萬元。2015年項(xiàng)目通過驗(yàn)收，取得了包括上述材料和設(shè)備在內(nèi)的多項(xiàng)自主研發(fā)成果。小小筆尖上提出的問題，推動(dòng)了多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。

在之前筆者撰寫的“材料史話”系列文章中，曾經(jīng)介紹過恩格斯的一句話：“現(xiàn)代的軍艦不僅是現(xiàn)代大工業(yè)的產(chǎn)物，同時(shí)還是現(xiàn)代大工業(yè)的樣板，是浮在水上的工廠?！弊屑?xì)想來，其實(shí)無論大到航空母艦，小到圓珠筆尖，它們都是一個(gè)國家工業(yè)水平的寫照。有些朋友或許覺得在筆尖上投入金錢、人力和物力并不劃算，但筆者卻認(rèn)為，這是對“中國制造”的支持，是對中國“工業(yè)人”的投資，也是對“工匠精神”的肯定和提倡。