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大國和鋼鐵大國，造得出高鐵和火箭，為何無法實現小小圓珠筆頭材料的完全自主研發和生產？現在，中國技術人員終于攻克了圓珠筆頭生產技術難關，將迎來中國圓珠筆頭國產化的新時代。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

圓珠筆作為現代社會的一種大眾書寫工具，如今在世界上應用極廣。英國一家報紙曾評選出101項改變世界的小發明，排在第9位的就是圓珠筆。

圓珠筆的發明可以追溯到19世紀80年代，一個叫約翰·勞德的美國人提出了關于圓珠筆的設計方案，并于1888年10月30日進行了專利登記。約翰·勞德發明的這種筆，已經具備了圓珠筆的基本要素，如筆尖帶有一個可以旋轉的圓珠，通過從墨水囊中不斷獲得墨水而進行書寫。盡管約翰·勞德發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·勞德的發明專利由于技術問題并沒有最終形成自己的圓珠筆品牌。

我們現在廣泛使用的圓珠筆是由匈牙利人約瑟夫·比羅于1938年發明的。由于編輯職業的緣故，比羅對舊式墨水筆的弊端熟記于心，再加上速干墨水的出現，讓他萌生了一個新創意，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迅速干燥了。比羅的兄弟是一位化學家，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了圓珠筆專利。之后，他們對圓珠筆進行多次改進，并先后向多個國家遞交專利申請。比羅發明的圓珠筆具備了現代圓珠筆的雛形，在一根灌滿速干墨水的管子頂端嵌裝上一粒滾珠，借助滾珠的轉動把墨水書寫在紙張上。

比羅的圓珠筆在高空中也有很好的書寫性能，因此受到英國皇家空軍的青睞。一時間，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。

圓珠筆雖說是一個小發明，但對人類文明的影響卻是非常深遠的。在阿根廷，為了紀念比羅在圓珠筆發明中的貢獻，人們把圓珠筆稱為“比羅筆”，并把比羅的生日9月29日設定為該國的“發明家節”。

美妙絕倫的“書寫點”

圓珠筆的“書寫點”為一個直徑為0.5～1.0毫米的圓珠。比羅發明的圓珠筆改進了自來水筆的吸管，并把筆尖改成小圓珠。由于小圓珠能夠任意轉動，因此可以把墨水均勻平滑地書寫在紙面上。為了適應圓珠筆“書寫點”的變革，比羅把筆芯設計成“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”是如何工作的呢？原來，人們在用圓珠筆進行書寫時，在大氣壓力與油墨重力的雙重作用下，分布在筆芯內的油墨便會流向筆頭的珠座體中，并黏附在“書寫點”（球珠）上。書寫時由于球珠的滾動而使油墨附著在紙面上，從而形成清晰、鮮艷、整潔的字跡。

由于圓珠筆的“書寫點”在書寫時需要承受很大的壓力，所以筆尖的球珠需要用堅硬耐磨的材料制成。最初推向市場的圓珠筆是十分昂貴的，這是因為作為書寫點的球珠成本很高。當時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，化學性質穩定。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主要部件。其中的球座體被譽為圓珠筆筆尖上的“皇冠”，一向是少數國家壟斷的核心機密。

球座體并不是一個簡單的與球珠相扣的連接體，而是具有精妙結構的功能體。在球座體的內部設置有五條引導墨水的溝槽，對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、墨水溝槽位必須搭配得天衣無縫。看來，要生產高品質的球座體，不僅需要超精密的加工設備和工藝，而且更重要的是需要制造筆頭的易切削的不銹鋼原材料。

現在，中國每年生產400多億支圓珠筆，是世界上最大的圓珠筆生產國。但長期以來，筆尖上的球座體核心機密都掌握在瑞士、日本等國家手中。無論是球座體生產設備還是原材料，中國都無法生產，長期以來一直依賴進口，每年需要用每噸12萬元的價格進口1000多噸生產筆尖的鋼材。

2011年，科技部啟動“制筆行業關鍵材料及制備技術研發與產業化”國家科技支撐計劃重點項目，目標是三年內通過技術攻關，給數百億支中國制筆安上“中國珠芯”。該項目分為三個子項目，即圓珠筆墨水的研發與產業化、筆頭線材及其裝備技術的研發與產業化以及筆頭與墨水匹配等瓶頸問題。技術人員經過大量的實驗室研究和中試試驗，獲取了一系列關鍵數據，掌握了筆頭用不銹鋼的特性和制筆行業對材料性能的要求。

近日，我國科學家成功研發出圓珠筆頭球座體所用的“超易切削鋼絲”，其工藝技術及產品實物質量達到國際先進水平，目前已實現量產并投放市場。屆時，中國的圓珠筆將實現真正的“國產化”。

【責任編輯】龐 云