論球珠對球座體的磨損現(xiàn)象

趙毅，劉亮

杭州鼎申新材料科技有限公司 浙江省杭州市 311500

上篇文章(中國制筆2021年第1 期：《筆用碳化鎢球珠參數(shù)分析》)主要介紹了球珠的各項參數(shù)與其對應(yīng)的參數(shù)要求，并闡述了每一項技術(shù)指標(biāo)的變化對書寫效果所產(chǎn)生的一定影響。本文將延續(xù)對球珠的介紹，進(jìn)一步分析球珠對筆頭的磨損現(xiàn)象與影響球珠磨損筆頭的一些關(guān)鍵性因素。

事實上，筆用球珠中幾乎所有的技術(shù)指標(biāo)，包括表面粗糙度、材料顆粒度、耐腐蝕性和硬度等等，最終都是轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛑閷η蜃w的磨損而影響書寫質(zhì)量的，之所以控制上述這些球珠特性，最終目的也是為了減少球珠對球座體的磨損。無論何種原因造成的球座體磨損都會出現(xiàn)書寫斷線、劃線長度不達(dá)標(biāo)等現(xiàn)象，希望通過本文的介紹可以讓大家對球珠有更深一步的認(rèn)知，推動球珠與筆頭廠家之間更具深度的研究與合作。

1.金屬磨損的本質(zhì)

相互接觸的物體發(fā)生相對運動，在接觸面產(chǎn)生逆向于運動方向的阻力，從而造成物體表面和形狀的變化即為磨損。從原理上講，磨損現(xiàn)象可分為磨粒磨損、粘附磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損等四種類型。例如球珠在拋光過程中屬于磨粒磨損，剎車片的磨損屬于粘附磨損，而球珠在球座體中的運動是粘附磨損和腐蝕磨損的共同作用。

所有的磨損現(xiàn)象在本質(zhì)上都是物體表面的細(xì)小顆粒受力分離而形成磨屑，且摩擦力越大磨損現(xiàn)象越嚴(yán)重。由于碳化鎢球珠的硬度在維氏1800 左右，而不銹鋼材料的硬度在維氏500 以下，因此筆頭中所發(fā)生的磨損現(xiàn)象基本上可視為球珠對球座體的磨損。在這個前提下，本文討論的內(nèi)容將忽略球座體對球珠的磨損，也不討論球座體被磨損過程中產(chǎn)生的磨粒對自身的進(jìn)一步影響。

維氏硬度測量方法被廣泛用于硬質(zhì)合金行業(yè)，將具有規(guī)定角度的正四棱錐體金剛石壓頭用一定的力壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后，卸下實驗壓力，測量試樣表面壓痕的對角線長度。維氏硬度數(shù)值（HV）就是試驗力(F)除以壓痕表面積所得的商。

根據(jù)金屬磨損特性曲線（如圖1）可以看出磨損過程大致分為三個階段：①.oa 曲線是跑合（磨合）階段，此時物體表面成尖峰狀態(tài)，磨損速度較快，但可以通過拋光的方式將尖峰磨平以降低磨損率。②.ab 曲線是穩(wěn)定階段，此時磨損率最低，磨損速度主要由材料的顆粒度決定。一般描述某物體的磨損或耐磨性能，主要依據(jù)就是穩(wěn)定磨損階段的磨損率。③.bc 曲線為劇烈磨損階段，當(dāng)總磨損量超出一定范圍后造成物體表面嚴(yán)重?fù)p傷、潤滑性下降等現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇了磨損速度[1]。

圖1 金屬磨損特性曲線

從這個角度分析，可以看出影響球珠對球座體磨損快慢的幾個因素：1.前期主要受球珠表面粗糙度影響，在不考慮潤滑性的情況下，表面越光滑，磨損率越低；2.后期主要受球珠原材料顆粒度的影響，顆粒越小磨損率越低；3.在整個磨損的過程中始終受到潤滑效果的影響。且在不考慮墨水特性的情況下，潤滑效果的好壞可以由出墨量大小替代。

由于材料顆粒也是通過改變球珠表面粗糙度和潤滑效果的方式，間接的決定了球珠對筆頭的磨損。所以本文將重點分析影響球珠表面粗糙度和潤滑效果的一些因素，同時對材料顆粒的分析也將貫穿本文。

2.球珠表面粗糙度的影響因素

表面粗糙度是指工件表面存在的較小間距和微小谷峰的不平度，現(xiàn)實中不存在絕對光滑的物體。如圖2 所示，任何物體在放大足夠倍數(shù)時，都會呈現(xiàn)相應(yīng)的表面輪廓。在跑合階段的磨損主要受表面粗糙度影響，而原材料的顆粒度和拋光方式共同決定了最終球面的粗糙度效果。

圖 2 物體的微觀表面

2.1 材料顆粒度對球珠表面的影響

筆用球珠采用粉末冶金的方式制作而成，顧名思義，原材料都是各種金屬粉末。其中碳化鎢為主要原材料，鈷、鎳等其它若干種金屬粉末也起到重要的作用。一般來講，原材料的顆粒度越小成品表面拋光的效果越好，原材料顆粒度較大的情況下，單純的磨粒拋光是無法徹底改善粗糙度的。鼎申球珠從原材料顆粒上講可以大致分為三種：1.碳化鈦油性球珠；2.碳化鎢中性球珠；3.鎢-鈦合金中油球珠。表1 中顯示了鼎申球珠所使用的材料顆粒度大小，并同時采用粒度為1μm 的金剛石磨料進(jìn)行拋光所得到的球體表面粗糙度大小。

表1 相同拋光方式下不同原材料的粗糙度對比

使用泰勒粗糙度測量儀對球珠進(jìn)行粗糙度檢測，并抽取十粒球珠的粗糙度數(shù)值平均數(shù)得到上述表格的結(jié)果，可以分析出原材料的粒度越大，相同的拋光方式下球珠的表面越粗糙。事實上，即便采用更細(xì)的研磨磨粒，鈦基球珠的光潔度也無法繼續(xù)得到提升。結(jié)合國標(biāo)中對中性、水性球珠的參數(shù)要求為Ra ≤0.012μm，可以看出鈦基球珠并不適合中性、水性等黏稠度較低的墨水，但可用于油性圓珠筆墨水。因此，對中性、水性市場鼎申球珠均采用0.8μm的超細(xì)顆粒粉末；印度中油市場則以鎢-鈦合金混合材料為主；油性市場則以粗顆粒的碳化鈦球珠為主。

2.2 拋光方式對球珠表面的影響

金屬球體的拋光方式一般選擇V型槽研磨拋光，屬于上述磨損類型中的磨粒磨損。研磨原理如圖3所示，下磨具以角速度ω 繞Z 軸旋轉(zhuǎn)，與此同時被加工的球體以角速度ω1 繞Z1 軸自轉(zhuǎn)，球坯自轉(zhuǎn)軸與水平空間的夾角θ 為球坯的自轉(zhuǎn)角，同時上磨具給予球坯一定的壓力。當(dāng)球形度不高時，磨具與球坯的接觸點會不斷改變，因此研磨拋光的軌跡可以均勻的覆蓋球坯表面，直至得到球形度高、粗糙度合格的成品球[2]。

圖3 V 型研磨拋光基本原理

但是每種球珠的性質(zhì)不同，針對不同材料不能局限于傳統(tǒng)的研磨方式。碳化鎢球珠的表面能高，研磨介質(zhì)和磨料的附著性較強，且碳化鎢球珠密度較高，在研磨中的自轉(zhuǎn)性好，因此采用傳統(tǒng)的V 型槽拋光即可。但是鈦基球珠和陶瓷球的表面能低，磨料附著性差，且由于密度較低，球坯自轉(zhuǎn)性差，使用傳統(tǒng)V 型槽研磨易造成表面粗糙度不均勻的問題，因此可采用偏心V 型槽研磨方式進(jìn)行拋光。如圖4 所示，偏心V 槽可以改變球體的自轉(zhuǎn)角度，加大球體研磨時的自轉(zhuǎn)性，因此適合鈦合金、陶瓷球珠等密度較小、表面能較低的材料。

圖4 偏心V 型槽研磨

隨著工業(yè)制造水平的不斷提升，越來越多的拋光方式已經(jīng)應(yīng)用到各行各業(yè)，比較典型的有磁流體拋光（MFP）、化學(xué)機械拋光（CMP）和超聲震動拋光（UVP）等等[3]。

3.潤滑條件的影響因素

潤滑劑可以減少物體相互運動時產(chǎn)生的摩擦力，進(jìn)而降低磨損的速度，在書寫過程中墨水即起到了潤滑的作用。不同墨水能夠起到的潤滑效果也不同，這與墨水特性有直接的關(guān)系，但從球珠的角度來講，能夠改變潤滑效果的方式只有改變出墨量的大小，因此球珠對潤滑效果的影響可以視為球珠對出墨量的影響。圓珠筆的工作原理之一就是球珠通過表面微孔帶出墨水，并將粘附在球珠表面的墨水轉(zhuǎn)移到紙張上[4]?？梢钥闯?，球珠的表面微孔和墨水對球珠的粘附性（球珠親墨性）是至關(guān)重要的兩點。

3.1 球體表面微孔的影響因素

球體表面微孔組織可以被視為微儲墨池，在相互運動過程中形成潤滑膜，從而降低磨損速度。眾所周知，球珠表面越粗糙微孔越大，出墨量也就越大。在研磨拋光過程中，載荷重量、磨粒粒徑以及研磨時間等對微孔的形成都有著明顯的影響，為了得到合適的球珠表面微孔，應(yīng)當(dāng)對上述因素加以控制[5]。而在檢驗成品球體表面微孔時，應(yīng)重點關(guān)注微孔單位面積密度、孔徑大小以及分布的均勻性。

3.1.1 拋光工藝影響微孔單位面積密度。拋光時由于球珠自轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性，會導(dǎo)致接觸軌跡無法遍及全部球面，造成微孔單位面積密度的不一致，進(jìn)而影響出墨量的穩(wěn)定性。若在顯微鏡下觀察，可發(fā)現(xiàn)單個球珠的表面同時存在光滑和粗糙部分。因此在生產(chǎn)過程中應(yīng)當(dāng)選擇合適的拋光方式，在檢驗過程中要大量抽查球體表面粗糙度是否均勻，而不是依靠粗糙度儀進(jìn)行簡單的數(shù)值測量。

3.1.2 不同粒徑的磨粒得到的微孔大小具有明顯區(qū)別。圖5-7 是500 倍顯微鏡下鼎申中性球珠、中油球珠和油性球珠微孔分布照片。可以明顯看出油性球珠表面微孔最大，中油次之，中性球珠表面微孔最小。需要提出的是中性球珠并非越光滑越好，雖然行標(biāo)中提出的標(biāo)準(zhǔn)是Ra ≤0.012μm，但實際上根據(jù)鼎申實驗室的測試顯示，當(dāng)球珠表面粗糙度小于0.006μm 時，由于帶墨性差，書寫品質(zhì)并不能得到保證。表2 是鼎申的不同型號球珠在不同磨粒下得到的微孔數(shù)據(jù)，由于DS-8 鈦基球珠的微孔較大，高倍顯微鏡下無法測量微孔體積分?jǐn)?shù)。

圖5 DS-5 中性球珠

圖6 DS-6 中油球珠

圖7 DS-8 油性球珠

表2 不同型號球珠的表面組織結(jié)構(gòu)

3.1.3 微孔分布的均勻性對出墨穩(wěn)定也有影響。為了保證表面粗糙的球珠微孔分布的更加均勻，鼎申球珠在生產(chǎn)過程中采用獨有的先拋光后打毛的工藝，解決了傳統(tǒng)V 型槽工藝在生產(chǎn)中易造成微孔分布不均勻的缺陷。

3.2 球珠的親墨性

球珠的親墨性能與材料本身特性有著直接的關(guān)系，所謂親墨性能是指金屬表面對墨水的親潤性大小，親潤性大則墨水可以更好的依附在球珠表面，形成潤滑膜。一般金屬材料的表面能較大，對墨水的親潤性較好，相比而言普通陶瓷材料的表面能較小，對墨水的親潤性較差。因此，雖然陶瓷材料在顆粒大小以及耐腐蝕方面相比碳化鎢具有更優(yōu)異的效果，但事實上制筆行業(yè)中使用陶瓷球珠的并不多。

4.結(jié)語

問題時，必須要把這些因素進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。例如球珠表面粗糙度好會降低對球座體的直接磨損，但同時帶墨能力差了又會導(dǎo)致潤滑性差，繼而加劇磨損情況?；蛟S正是這種矛盾的關(guān)系才引得無數(shù)工匠和科研人員為之著迷和奉獻(xiàn)。