材料組織對切削加工圓珠筆頭的質量影響

車德會，王斌，王輝綿，譚國華

（1.太原鋼鐵（集團）有限公司 先進不銹鋼材料國家重點實驗室 太原 030003；2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司 技術中心 太原 030003）

1.前言

圓珠筆起源于上世紀40年代，后由西方傳入中國，研發早期圓珠筆要比鋼筆昂貴。直至上世紀90年代，我國一直跟隨著國際制筆的潮流，制筆用材料和設備均可以自主生產。從上世紀90年代至今，國際材料技術和數控設備能力突飛猛進，性能更加優異的精細化圓珠筆產品給人們帶來了更優異的使用體驗，而我國在該領域與國際先進水平也拉開了的差距，也恰恰是這些年的圓珠筆技術的快速發展，使其成為我們日常生活和工作中最常用的一種筆類產品，但其中核心部件仍采用進口材料。圓珠筆頭看起來很不起眼，但在制筆廠關于它的檢驗項目多達幾十項，內部結構的尺寸精度均在微米級水平，對材料的要求極為苛刻。太鋼在2017年研發成功了圓珠筆頭用易切削不銹鋼材料，2018年6月又研制出新型環保的無鉛易切削不銹鋼材料。開發過程中進行了大量的試驗試制，掌握了一系列關鍵技術。本文針對新型環保無鉛不銹鋼材料的組織狀態進行多批次實驗，闡明了材料組織狀態與圓珠筆頭質量之間的關系。

2.材料與方法

2.1 材料

制作圓珠筆頭所使用的材料為太鋼新型環保筆頭用鋼絲產品，直徑為Φ2.29mm，鋼號為TBPS-E。本文所述材料均為同一爐鋼材試制。其成分含有重量百分比約20%的鉻元素和接近2%的鉬元素，體現了新型環保圓珠筆頭材料優異的抗腐蝕性能[1]。

2.2 加工方法

該鋼絲采用軋制盤條經過多道次拉拔加工，制成φ2.29mm的成品鋼絲。拉拔加工共采用4種試驗工藝，參數如表1所示，確定熱處理時間，考察熱處理溫度對材料組織的影響。為控制合適的成品鋼絲力學性能及使用性能，在成品鋼絲前進行退火，然后經拉拔獲得成品鋼絲。

表1 不同熱處理工藝參數

采用上述成品鋼絲在高速數控機床MIKRON LX-24 機器上加工筆頭，加工筆頭的型號為670，規格為0.7mm 球珠。

3 分析及討論

3.1 組織分析

將筆頭絲材切斷成單個筆頭坯料，先將筆頭坯料沿縱向熱鑲嵌在樹脂料中，采用砂輪機研磨至中心位置并拋光，采用鹽酸氯化鐵溶液對材料進行侵蝕。并對4 個不同工藝的材料進行金相觀察，金相照片如圖1所示。從圖中可以看出，工藝1 生產的鋼絲組織存在少部分未再結晶的長條狀晶粒，工藝2 較工藝1 再結晶明顯轉好，但工藝2 的組織仍存在少量晶粒未再結晶，工藝3 和工藝4 生產的鋼絲組織表現為再結晶完全，但工藝4 中少量晶粒較工藝3 出現長大情況，均勻性略差于工藝3。

圖1 不同工藝鋼絲金相組織照片

3.2 圓珠筆頭的質量分析

采用上面不同工藝生產的材料均可在筆頭機床上加工為成品圓珠筆頭，但抽檢不同工藝生產的圓珠筆頭時，發現工藝1 材料生產的圓珠筆頭錐面部位有肉眼難以察覺的微小變形，需采用10 倍的放大鏡可以細致觀察，如圖2（上）所示。根據經驗判斷，工藝1 生產的圓珠筆頭存在打孔偏心問題，圓珠筆頭內腔加工后偏向一側，在錐面相對薄壁的一側發生微量的、向外側隆起的變形，而合格筆頭的前錐面平直無變形。采用容易出現偏孔的材料持續加工會造成切削刀具使用壽命縮短，制作的筆芯可能會造成不同方向的書寫出墨量不均勻等問題。

圖2 不同工藝材料生產的筆頭外觀（10X）

圖2（下）為工藝3 生產的圓珠筆頭，抽檢均為合格品，未發現存在打孔偏心的問題，加工過程刀具損耗較小，筆頭的各項書寫性能合格。采用試驗工藝2 和工藝4 生產少量筆頭，抽檢也均為合格產品，未發生打孔偏心的筆頭。但從金相組織觀察，工藝2處于完全再結晶的邊緣，抗波動性差，易出現問題，而工藝4 的部分晶粒開始長大，組織也不均勻，況且溫度高生產過程能耗也高。而工藝3 的組織顯示再結晶完全，晶粒均勻，理論上力學性能也更均勻。

3.3 打孔偏心筆頭分析

筆頭采用鑲嵌的辦法，然后磨光至縱剖面的一半位置，光學顯微鏡進行觀察圓珠筆頭前錐面的尖端，發現前錐面內外加工面的最短距離在兩側存在偏差。圖3為典型的照片，圖中可見一側的內外切削面最短距離為80μm，一側為180μm，造成后續加工沖導油槽的工序受力偏離中心，薄壁一側在沖槽力的作用下發生屈服，導致外部可見變形，以及錐部可能掉珠、后續影響書寫角度等問題。

圖3 偏孔筆頭剖面照片

抽檢4個打孔偏心的筆頭剖解測量，數據如表2所示。其中薄側內外距離為內外切削面的最短距離小的數值，厚側內外距離為內外切削面的最短距離大的數值，偏離軸心距離通過公式Δd=（B-A）/2cosθ計算，其中θ=15°。從表2數據可以判斷偏離軸心測量距離在21.2μm～57.5μm之間，但考慮所示位置是否為最大偏心截面問題，推斷最大偏心距離約為60μm。

表2 筆頭剖解測量偏移數據結果

3.4 原因分析

通過對筆頭坯料的測量，發現少量坯料存在微量彎曲的現象，因此在鑲嵌樣品時并排排列的兩個坯料之間的縫隙存在中間與兩端大小不一的現象（見圖4）。這足以證明筆頭坯料存在彎曲。測試結果如圖4所示，兩個樣品左側端部間距為96μm，中間則變寬，間距為168μm，右側端部為112μm。從表面看似乎造成筆頭加工過程中打孔偏心的原因是坯料彎曲，其實真正的原因是材料的再結晶不完全，組織不均勻，該種組織狀態為非正常成品組織。當硬態鋼絲在退火時溫度和時間的不合適導致的再結晶不完全[2]時，中心部存在殘余應力，屈服強度較高[3]，在盤成盤卷后再開卷矯直過程，因材料內部的未再結晶晶粒應力影響，矯直后發生微量回彈導致切割后的筆頭坯料微量彎曲。也正是材料內部的未再結晶晶粒的應力影響，導致加工刀具的周邊的加工量和抗力不均勻，造成了加工軌跡的偏移。

圖4 相鄰兩顆筆頭坯料間距變化情況

4.結 論

通過上述測量分析發現，在固定的熱處理時間內，圓珠筆頭用鋼絲材料在860～920℃范圍內熱處理，得到的鋼絲在加工圓珠筆頭時可獲得質 量合格的圓珠筆頭，但從組織狀態看，優選工藝為890℃。而在830℃下熱處理后得到的鋼絲在加工圓珠筆頭后出現偏孔問題，分析偏孔問題成因與鋼絲的制作工藝相關。本文也證明，采用太鋼自主研發的特有生產裝備路線結合本文的優選工藝生產的新型環保圓珠筆頭用材料滿足圓珠筆頭加工要求，制作的圓珠筆頭通過了圓珠筆芯全部的檢測項目，目前該材料已經批量投放市場，獲得了用戶好評，不僅實現了該種材料的國產化，還進一步提升了該種材料的應用性能。