筆用碳化鎢球珠參數分析

劉亮，趙毅

杭州鼎申新材料科技有限公司 浙江省 杭州市 311500

關鍵字：筆用球珠；球珠參數；書寫性能

球珠、墨水、筆頭是書寫用筆中最核心的三個零部件，其各自的性能以及彼此之間的配合關系都直接影響成品筆的書寫效果。了解每一個核心部件的特性和這些配合原理，才能在選擇材料時做到游刃有余。合理的選擇零部件不僅可以保證產品質量的穩定性，也有助于降低材料成本。球珠在整筆中占據的成本幾乎可以忽略，但在書寫手感、劃線長度等質量方面卻影響很大，因此合理的選擇球珠型號，對制筆企業而言是十分關鍵的。杭州鼎申新材料科技有限公司是一家專注于筆用球珠研發、制造的生產型企業，本文將結合杭州鼎申新材料科技有限公司球珠（以下簡稱“鼎申球珠”）二十年的生產研發經驗，對筆用球珠的技術參數進行簡略分析，對球珠性能與書寫性能之間的關系展開討論，希望有助于制筆行業企業更進一步的了解筆用球珠。

筆用球珠的種類很多，其中以碳化鎢材料為主，占據球珠總量的70%左右，另有一些不銹鋼球珠及陶瓷球珠，約占總量的30%[1]，但這兩種材料的球珠依然存在部分尚未解決的技術問題，因此本文將重點介紹碳化鎢球珠。

一.筆用球珠的技術參數簡述

現行筆用球珠的行業標準是由中國輕工聯合會提出，部分相關企業起草的QB/T 4433—2012《圓珠筆用碳化鎢球珠》（以下簡稱行標），于2013年6月1日正式實施。此標準詳細描述了筆用碳化鎢球珠的參數要求和檢驗方式，為球珠制造商提供了規范的檢驗標準。隨著加工工藝和客戶需求的逐步提升，在實際生產中球珠制造商更多的是要參考企業內部生產標準，而企業標準的參數要求應該高于國標和行標。表1 是行標中的部分技術參數要求。

該表格中主要分為尺寸（直徑和圓度）、硬度、表面光潔度、金相組織和殘次比例等幾部分內容，涉及微觀與宏觀角度的分析。其中最容易理解最受客戶重視的是尺寸、表面和殘次比三個方面，本文也將圍繞這三塊內容進行著重討論，同時引入對球珠金相組織的分析。

二．球珠直徑、圓度、硬度的分析

(一)球珠直徑

行標中球珠直徑的允許誤差分為同批次和不同批次，同批次允許范圍是-0.5～0μm，不同批次允許范圍是-2～0μm。在實際生產中，我們通過研磨和拋光兩種方式將毛坯球體加工成尺寸一定、表面光滑的成品球珠。該過程使用的是立式研磨機，研磨磨盤尺寸越大的設備可同時加工的球珠數量越多。以鼎申0.5mm DS-5 中性球珠為例，使用直徑為600mm 的磨盤時可一次性研磨200 萬～300 萬粒球珠（見圖1）。而常規的直徑為400mm 磨盤最多可研磨80 萬粒，這些球珠的直徑誤差基本上在±0.1μm 之間，即所謂的同一批次，因此使用尺寸更大的研磨設備是生產廠家的一種選擇趨勢。而不同批次的球珠直徑誤差相對較大，但嚴格按照操作規定的情況下控制在-0.5μm～0μm 之間也是不難的。

表1 行業標準《圓珠筆用碳化鎢球珠》的部分參數要求

圖1 600mm 立式研磨機

(二)球珠圓度

球珠圓度是許多使用者比較重視的問題，實際上由于研磨過程是球珠進行無序的滾動摩擦，成品球珠的圓度相對還是非常高的。行標中并未對球珠圓度的測量做出詳細說明，僅提及到需使用分辨率不低于0.01μm 的圓度儀或具有同等性能的實驗設備，并給出圓度要求≤0.4μm。實際測量球珠圓度的困難點在于傳統圓度儀所需的樣品尺寸較大，而筆用球珠直徑多為0.2mm～1.4mm 之間，無法滿足一般圓度儀的要求。但生產過程中可以將圓度問題轉化為球珠直徑的問題，如果圓度偏差較大，在高精度的球珠篩選機上是完全可以被檢測出的，這點在下述表面殘次比例的分析中將做重點描述。

(三)碳化鎢球珠硬度

碳化鎢球珠通過粉末冶金的制作工藝加工而成，具有較高的硬度，一般在維氏1400 以上。原材料的顆粒度和燒結工藝都會對球珠硬度造成很大的影響，鈦合金相比于鎢合金具有更高的硬度，采用高壓燒結工藝的球珠也比傳統的真空燒結球珠硬度更高。一般認為球珠硬度和耐磨性存在直接聯系，其實不完全正確，球珠硬度高低對書寫性能不存在明顯關系，采用硬度高的球珠筆頭耐磨性不一定好。

硬度是指材料抵抗局部變形的能力，硬度高低與材料的成分和結構有關。硬質合金的硬度一般采用維氏硬度測定法，將正四棱錐體的金剛石壓頭用試驗力壓入試樣表面，保持規定時間后卸除試驗力，根據試樣表面壓痕的對角線長度測量材料硬度。球珠在書寫過程中對筆頭的磨損其實與硬度無關，而取決于三個方面：

1.球珠的帶墨性能：墨水在球珠與筆頭的摩擦中起到潤滑作用，如果球珠與墨水的親潤性較差，造成潤滑作用不明顯，則會加速球珠對筆頭的磨損。相反，良好的親墨性會加大潤滑效果，則在一定程度上降低對筆頭的磨損。需要強調的是親潤效果并不能單純的看出墨量大小，而是指墨水依附于球珠表面的能力。

2.球珠粉末原材料的顆粒大?。涸牧项w粒越大，對筆頭的磨損越明顯。例如鼎申DS-8 鈦合金油性球珠采用中顆粒的碳化鈦粉末，球珠硬度在維氏1800 以上；DS-5 碳化鎢中性球珠采用超細碳化鎢粉末作為原材料，球珠硬度介于維氏1600-1800。雖然鈦合金球珠的硬度較高，但其對筆頭的磨損卻更大，因此我們一般建議配合潤滑效果更好的油性墨水使用。

3.球珠光潔度：球珠表面光潔度對筆頭的磨損是一個矛盾現象。光滑的球珠表面對筆頭磨損固然會降低，但同時也會造成帶墨量小，反而增加對筆頭的磨損。因此即便是中性/水性墨水也要配合光潔度Ra ≥0.012 的球珠，并非球珠越光滑越好。事實上許多廠家會通過球珠表面的粗糙程度控制出墨量大小，此時務必要考慮到磨損筆頭的問題。

三．金相檢測與顯微組織的分析

金相是指合金內部中具有相同化學成分和物理性質并以界面相互分開、均勻分布的成分，在金相顯微鏡（見圖2）下觀測到的內部結構稱為金相組織。金相檢測是判斷球珠性能的重要手段，每一批球珠在研磨拋光前進行金相分析，可以提前預判球珠的耐磨性、耐腐蝕性以及拋光時表面光潔度可達到的預期效果。

在行標中對金相檢測結果提出了三點要求，即達到A04、B04、C04的標準[2]。其中A04 指孔隙度在0～10μm 范圍內的比例不超過0.06%，B04 指孔隙度在10μm～25μm 范圍內的比例不超過0.06%，C04 指游離碳的存在比例不超過0.06%。這個標準其實相對寬松，因為孔隙和游離碳的存在會導致球珠拋光效果較差，且會降低合金的耐腐蝕能力。尤其是中性/水性球珠要求的表面光潔度較高，孔隙和游離碳會造成球珠表面存在麻點進而影響帶墨量的一致性。

鼎申球珠自2012年采用高壓燒結工藝后就對球珠金相檢測的標準進行了升級，所有檢測項目必須達到A00、B00、C00的標準(見圖3)，即不存在空隙和游離碳，以確保光潔度要求較高的球珠具有統一的表面標準。

顯微組織同樣是分析硬質合金性能的一種重要方式：α 相與β 相粒度越細，組織分布越均勻，表明球珠的致密性也更高（見圖4），會具有較好的耐磨性能；η 相與鈷池的存在則與球珠的耐腐蝕能力有著直接的關系。

圖3 DS-5 中性球珠 - 金相分析

圖4 DS-5 中性球珠 - 晶粒分布

因此碳化鎢球珠的生產過程中必須對上述顯微組織進行嚴格的檢測與分析，以防止某一批次因工藝控制不到位而發生質量問題。表2 是硬質合金中各相意義的描述[3]。

表2 各相符號的意義

制筆企業一般通過成品筆的實際使用效果來判定球珠的耐磨和耐腐蝕能力，而球珠制造商必須通過原理分析，在產品出廠前就斷定球珠的各項使用性能，唯有這樣才會盡可能的減少質量事故發生。

四．球珠表面光潔度的分析

球珠表面光潔度對出墨量有著顯著的影響，在一定情況下也影響著筆頭的磨損程度，行標中對表面光潔度的定義分為四個級別，具體內容見表1 的5.4 表面粗糙度一欄。正常情況下，低黏度墨水配合光滑的球珠表面，高黏度墨水配合粗糙的球珠表面，因此中性、水性球珠一般使用Ra0.012 的表面，油性、中油使用Ra0.025 或Ra0.050 的表面。

在實際生產中，具體的數值其實無法真正表明球珠表面的光潔程度，這是因為目前為止還沒有一款合適的光潔度測量儀可以準確檢測直徑如此小的球體表面。因此行標中給出的檢測方法是目視檢查和對比檢查，即在顯微鏡下進行目測并與標準的球珠表面進行對比。需要指出的是中性、水性球珠的表面比較光滑，在高倍顯微鏡下會產生強烈的反光現象，反而無法觀察球體表面，因此一般使用的是放大100 倍的體式顯微鏡。不過目前鼎申球珠已突破技術限制，可使用500 倍的光學顯微鏡進行表面觀察，在一定程度上緩解了員工的操作難度。但尋求一種更先進、直觀的球體表面光潔度檢測設備依然是我們球珠制造商的前進方向。

五．表面殘次比例的分析

硬質合金內部的空隙和孔洞是難以完全避免的，在研磨拋光后，內部孔洞就會變成表面孔洞或裂縫，這些殘次品都會在一定程度上影響書寫的質量，因此如何盡可能的減少表面殘次的比例也是筆用球珠一項重要的檢驗標準。在行標中對裂縫珠和孔洞珠都做出了數量限制，其中裂縫珠要求1500 粒中不允許存在，孔洞珠要求在1500 粒中存在數量小于等于2 粒。但根據鼎申內部檢驗標準，這個數量限制已經有了極大的提高（見表3），并且豐富了球珠表面殘次品的內容。

表3 鼎申企標-成品球珠表面殘次檢驗標準

生產中控制球體表面殘次比例主要依靠兩方面，一個是盡可能的減少毛坯球珠中內部氣孔的產生，另一個就是依靠相關設備對成品或半成品球珠進行嚴格的篩選。毛坯球體中氣孔的產生是多方面造成的，混合料制備以及壓制過程中容易造成少量的空氣在燒結體內集中而形成孔洞[4]，如果工藝控制不夠完善，那么孔洞的比例會有明顯增加，對后續的篩選過程造成極大的麻煩。但工藝控制尚不能徹底解決所有問題，筆用球珠的生產數量非常龐大，以鼎申球珠為例，目前日產量在5000 萬粒左右，這其中一定會有部分殘次品的出現，那么篩選過程就是品質把關中最關鍵的一環。

常規的篩選方式是使用高精度的雙軸式球珠篩選機（見圖5），將表面問題轉化為直徑問題。無論裂縫、孔洞或其它類型的殘次品，在某一固定位置的直徑會小于正常尺寸，因此球珠在滾軸中自轉時會因為尺寸較小而被剔除。本文提到球珠圓度的檢測也是通過直徑大小來判定的，橢圓球珠也是屬于表面殘次的一種。但此種篩選原理對滾軸的加工精度有較高的要求，且車間溫濕度必須嚴格控制，否則篩選效果會明顯降低。2018年5月我公司與中國計量大學合作的項目《計量型掃描電子顯微鏡標準裝置的研究》正式啟動，希望通過超精密自動調平隔振技術對球珠的篩選進行升級，有望在未來引入工廠。

圖5 雙軸式球珠篩選機

六．結語

了解碳化鎢球珠的性能對制筆企業有著重要的意義，不同的碳化鎢比例或者球珠有磁性無磁性等等，會對成品筆的使用效果影響深遠。以目前較流行的水性圓珠筆為例，新型的無磁球珠耐腐蝕能力有所提高，更適合水性專用。但無磁球珠的帶墨性能相對較差，容易造成出墨量小而發生斷線或加大球珠對筆頭的磨損，因此選擇球珠不能只看某一方面的性能，而是要多層次的分析做出合理的選擇。