圓珠筆尖上的“黑科技”

蘇更林

人們也許還記得一年多以前曾引起熱議的“圓珠筆之問”：中國作為世界制造業(yè)大國和鋼鐵大國，造得出高鐵和火箭，為何無法實(shí)現(xiàn)小小圓珠筆頭材料的完全自主研發(fā)和生產(chǎn)？現(xiàn)在，中國技術(shù)人員終于攻克了圓珠筆頭生產(chǎn)技術(shù)難關(guān)，將迎來中國圓珠筆頭國產(chǎn)化的新時(shí)代。那么，圓珠筆尖上有什么不得不說的“黑科技”呢？

改變世界的圓珠筆

圓珠筆作為現(xiàn)代社會(huì)的一種大眾書寫工具，如今在世界上應(yīng)用極廣。英國一家報(bào)紙?jiān)u(píng)選出101項(xiàng)改變世界的小發(fā)明，排在第9位的就是圓珠筆。

圓珠筆的發(fā)明可以追溯到19世紀(jì)80年代，一個(gè)叫約翰·勞德的美國人提出了關(guān)于圓珠筆的設(shè)計(jì)方案，并于1888年10月30日進(jìn)行了專利登記。約翰·勞德發(fā)明的這種筆，已經(jīng)具備了圓珠筆的基本要素，如筆尖帶有一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的圓珠，通過從墨水囊中不斷獲得墨水而進(jìn)行書寫。盡管約翰·勞德發(fā)明的這種圓珠筆在皮革上比較好用，但是仍然存在漏墨水的弊端。約翰·勞德的發(fā)明專利由于技術(shù)問題并沒有最終形成自己的圓珠筆品牌。

我們現(xiàn)在廣泛使用的圓珠筆是由匈牙利人約瑟夫·比羅于1938年發(fā)明的。由于編輯職業(yè)的緣故，比羅對(duì)舊式墨水筆的弊端熟記于心，再加上速干墨水的出現(xiàn)，讓他萌生了一個(gè)新創(chuàng)意，那就是在自來水筆膽管里裝上這種特殊的墨水，這樣寫出來的字就會(huì)迅速干燥了。比羅的兄弟是一位化學(xué)家，他幫助比羅解決了圓珠筆墨水的最佳黏稠度問題。比羅由此制作出了第一支名為“油溶筆”的圓珠筆。1938年6月15日，比羅兄弟倆在英國申請(qǐng)了圓珠筆專利。之后，他們對(duì)圓珠筆進(jìn)行多次改進(jìn)，并先后向多個(gè)國家遞交專利申請(qǐng)。比羅發(fā)明的圓珠筆具備了現(xiàn)代圓珠筆的雛形，在一根灌滿速干墨水的管子頂端嵌裝上一粒滾珠，借助滾珠的轉(zhuǎn)動(dòng)把墨水書寫在紙張上。

比羅的圓珠筆在高空也有很好的書寫性能，因此受到英國皇家空軍的青睞。一時(shí)間，比羅的名字在英國廣泛傳播，并成為圓珠筆的代名詞。1944年，美國商人雷諾茲購買了比羅的圓珠筆專利，并很快建立了“雷諾茲”圓珠筆品牌。從此，圓珠筆開始在全世界普及流行。

圓珠筆雖說是一個(gè)小發(fā)明，但對(duì)人類文明的影響卻是非常深遠(yuǎn)的。在阿根廷，為了紀(jì)念比羅在圓珠筆發(fā)明中的貢獻(xiàn)，人們把圓珠筆稱為“比羅筆”，并把比羅的生日9月29日設(shè)定為該國的“發(fā)明家節(jié)”。

美妙絕倫的“書寫點(diǎn)”

圓珠筆的“書寫點(diǎn)”為一個(gè)直徑為0.5～1.0毫米的圓珠。比羅發(fā)明的圓珠筆改進(jìn)了自來水筆的吸管，并把筆尖改成小圓珠。由于小圓珠能夠任意轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可以把墨水均勻平滑地書寫在紙面上。為了適應(yīng)圓珠筆“書寫點(diǎn)”的變革，比羅把筆芯設(shè)計(jì)成“螺旋狀”，從而通過控制氣壓來控制墨水的流量。

那么，圓珠筆的“書寫點(diǎn)”是如何工作的呢？原來，人們?cè)谟脠A珠筆進(jìn)行書寫時(shí)，在大氣壓力與油墨重力的雙重作用下，分布在筆芯內(nèi)的油墨便會(huì)流向筆頭的珠座體中，并黏附在“書寫點(diǎn)”（球珠）上。書寫時(shí)由于球珠的滾動(dòng)而使油墨附著在紙面上，從而形成清晰、整潔的字跡。

由于圓珠筆的“書寫點(diǎn)”在書寫時(shí)需要承受很大的壓力，所以筆尖的球珠需要用堅(jiān)硬耐磨的材料制成。最初推向市場的圓珠筆是十分昂貴的，這是因?yàn)樽鳛闀鴮扅c(diǎn)的球珠成本很高。當(dāng)時(shí)的球珠是用鉻和鋼的合金制成的，具有很好的耐壓耐磨性能。后來，碳化鎢成為球珠制造的常用材料。碳化鎢硬度與金剛石相近，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。用碳化鎢制成的球珠具有更長的壽命，書寫起來也更加流暢。

圓珠筆筆尖上的“皇冠”

圓珠筆的筆頭包括球座體和球珠兩個(gè)主要部件。其中的球座體被譽(yù)為圓珠筆筆尖上的“皇冠”，一向是少數(shù)國家壟斷的核心機(jī)密。

球座體并不是一個(gè)簡單的與球珠相扣的連接體，而是具有精妙結(jié)構(gòu)的功能體。在球座體的內(nèi)部設(shè)置有五條引導(dǎo)墨水的溝槽，對(duì)加工工藝的要求極其苛刻，加工誤差不能超過0.003毫米。筆尖的開口口徑不到0.1毫米，還要考慮到書寫角度和壓力，與球珠、墨水溝槽位必須配合得天衣無縫?？磥恚a(chǎn)高品質(zhì)的球座體，不僅需要超精密的加工設(shè)備和工藝，而且更重要的是需要制造筆頭的易切削的不銹鋼原材料。

現(xiàn)在，中國每年生產(chǎn)400多億支圓珠筆，是世界上最大的圓珠筆生產(chǎn)國。但長期以來，筆尖上的球座體核心機(jī)密都掌握在瑞士、日本等國家手中。無論是球座體生產(chǎn)設(shè)備還是原材料，中國都無法生產(chǎn)，長期以來一直依賴進(jìn)口，每年需要用每噸12萬元的價(jià)格進(jìn)口1000多噸生產(chǎn)筆尖的鋼材。

2011年，科技部啟動(dòng)“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”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目，目標(biāo)是三年內(nèi)通過技術(shù)攻關(guān)，給數(shù)百億支中國制筆安上“中國珠芯”。該項(xiàng)目分為三個(gè)子項(xiàng)目，即圓珠筆墨水的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化、筆頭線材及其裝備技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化以及筆頭與墨水匹配等瓶頸問題。技術(shù)人員經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)室研究和中試試驗(yàn)，獲取了一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)，掌握了筆頭用不銹鋼的特性和制筆行業(yè)對(duì)材料性能的要求。

近日，我國科學(xué)家成功研發(fā)出圓珠筆頭球座體所用的“超易切削鋼絲”，其工藝技術(shù)及產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量達(dá)到國際先進(jìn)水平，目前已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并投放市場?，F(xiàn)在，中國的圓珠筆已實(shí)現(xiàn)真正的“國產(chǎn)化”。

（選自《百科知識(shí)》2017年06期）