中国圆珠笔产量世界第一,真的造不出“笔尖钢”?

subtitle 了不起的中国制造08-08 06:33 跟贴 25248 条
在制笔行业,由于笔头用易切削材料制备工艺精度极高,导致大部分笔头用原材料不符合机械加工性能的要求,长期以来,笔头材料中国都需要依赖进口。通过对不同基体的不锈钢的耐蚀性、耐磨性、切削性等一系列技术的研究,国产“笔尖钢”问世。

出品| 网易新闻

作者| 常松,清华大学材料学院博士

下面这些笔,你认识多少?用过哪种?

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人类写字、绘画都离不开“笔”,而如今,相信99%的人日常使用的笔都只有一种——圆珠笔。

过去的一段时间内,航母下水、飞机上天……一个个足以让评论区网友集体自干五的新闻爆出。然而,不管你怎么算,“圆珠笔”显然不在“大国重器”的行列。

其实,在中国没有航母、没有大飞机的岁月中,其实我们的圆珠笔尖从材料到设备也都同样以来进口,无法自…主…生…产!

笔中“原子弹”,笔界最后的伟大发明

它不像铅笔那样需要削,掉在地上会断掉,也不像钢笔那样经常吸墨水,放久了还会干,最重要的是,它足够便宜,并方便携带——这个伟大的发明就是圆珠笔,堪称是笔界最后的伟大发明。自它以后,再无超越,直到……“鼠标”的出现。

广义上说,凡是利用球珠滚动带出书写介质(墨水或油墨)形成字迹的书写工具统称为圆珠笔。一般由笔杆、笔套、笔芯和有关传动装置的零件所组成,其中笔芯是书写的主要部件,“圆珠”就是圆珠笔的核心。球珠装在球座体的顶端能圆滑转动且不易脱落,油管和笔头后端密接,构造上须不发生油墨或墨水倒流。

最早的圆珠笔是谁发明的呢?

应了那句老话“大师在民间”,发明研制出第一支圆珠笔的人是一位用笔的“老司机”——匈牙利某印刷厂名的校对员拉兹罗·约瑟夫·比克(Laszlo Josef Biro)。

1943年,为了解决笔尖划坏稿纸、油墨太多不易干的问题,比克找来一根圆管,装上油质颜料,把笔尖改成钢珠,于是,世界上第一支圆珠笔诞生了。后来,比克将这项发明提供给英国皇家空军。不久,英国的一家飞机制造厂就推出了首批商业化的圆珠笔。有位名叫雷诺的美国商人看到这种圆珠笔,立刻嗅到了金钱的味道,他认定这是前程无量的新产品。

当时正值第二次世界大战尾声,原子弹在美国制造成功!为了招徕顾客,“标题党”的雷诺别出心裁地将他生产销售的圆珠笔称作“原子笔”。雷诺声称,他的原子笔可以在水下写字,可以在北极使用,没有油墨污染,而且方便携带。

小小一只圆珠笔,就这样在半个世纪的时间里霸占了世界笔市场的绝大份额。

“进口笔头出口笔”——两头在外的中国圆珠笔业

和任何一项民用制造业一样,当今“世界工厂”毫无悬念地必然成了一个圆珠笔生产国。

中国的制笔企业多达3000余家,年产值超过150亿元(出口总值约65亿元),产品远销海内外多个国家和地区,其中圆珠笔的产量居世界第一位,各种圆珠型笔类的年产量达400多亿支,其中70%出口。

然而,我们并不是世界制笔强国,中国生产的圆珠笔头用材料除了少数使用国产易切削钢之外基本依靠进口特别是笔头球座体的生产,其所用材料——易切削不锈钢长期以来都依靠进口,设备和原材料始终掌握在发达国家。高档圆珠笔性能质量的优良关键看书写质量,而书写质量的好坏取决于笔头和油墨的质量。

圆珠笔头的加工工艺流程是这样的:盘圆线材-校直-切料-滚光-机加工-冲五星槽-清洗-放球珠-检测-收口-压珠-出料-成品检验。

除了加工工艺外对笔头材料性能要求最高,为了使笔头硬度高、书写顺畅、耐磨性及耐腐蚀性能优良,笔头原材料的机械物理性能及高速切削性能提出很高的要求。

在中国每年生产几十亿支圆珠笔,其笔头和珠芯的材料80%以上是依靠国外进口。其次加工笔头和墨水的关键制造设备都是从瑞士、德国、日本进口的,每年用于采购这些产品的费用至少有2亿美元。

在制笔行业,由于笔头用易切削材料制备工艺精度极高,导致大部分笔头用原材料不符合机械加工性能的要求。笔头材料依靠国外进口的现象使其处于被动的地位,尤其是高档圆珠笔的生产受发达国家牵制。

中国现已成为一个名副其实的世界制笔大国和出口大国,但并不是制笔强国,生产的圆珠笔大多属中低档类,其出口平均价格低,与国外的差距是相当惊人的。目前,国内各主要圆珠笔生产厂为了提升自身产品的形象,全国每年要进口近十亿只笔头。

“进口笔头出口笔”是我国制笔行业典型的写照。

笔尖上的明珠——易切削不锈钢

显然,按照“制造强国崛起”的剧情套路,接下来认识到问题严重,发奋走上自主研发道路的中国科研工作者就要开始赶超逆袭了。

而这一次,中国制笔业的发力点就是笔尖的关键材料——易切削不锈钢。

圆珠笔头(球座体)用材料一般有铅黄铜、镍白铜和易切削不锈钢,早期生产的笔头多用铅黄铜材料,目前圆珠笔笔头加工大都使用易切削不锈钢材料。

国外易切削钢的发展较早且迅速,1920年美国首次正式生产硫系易切削钢,后来英、苏、日、法等国也相继生产和使用,1937年美国一家研究所与内陆钢铁公司发表了铅易切削钢专利并生产出易切钢后,日本、德国才相继开始生产。

从技术上讲,与普通不锈钢比较,最早的硫系易切削不锈钢为了获得好的切削性能,延伸率、断面收缩率和冲击韧性均有所下降,特别是由于夹杂物硫化锰的存在,使各向异性十分明显,横向塑性与韧性剧烈降低。而在冶金领域,钢材的性能改进最开始着手的便是改变合金元素成分,用其他元素来代替硫,进而改变钢材的组织,提高性能。

1964年联邦德国首先研制成功钙易切钢,三年后引入日本。1969年日本金属材料技术研究所提出了第一项铅易切削钢专利,1972年日本发表铅脱氧调整的铅-硫复合易切钢专利。如今,全世界每年消耗易切削钢超过400万吨。 以日本为例,1940年开始生产和使用易切削钢,1960年仅为2.2万吨,1980年达82.2万吨,1990年代突破200万吨,平均年增长率都在10%左右。可见日本易切削钢的发展速度确实十分惊人。

中国早期曾试用1Cr13Pb、2Cr14S、2Cr17MoS等不锈钢,后来又试制成功易切削不锈钢Y1Cr13。但我们的易切削材料的机械物理性能、切削性能和材质稳定性方面还比不上发达国家。例如美国采用Carpenter416不锈钢,日本生产的SF13和SF20T易切削不锈钢等多数进口材料仍明显优于国产材料,尤其是可切削性能,远远超越国产材料。目前,制笔材料中以日本产的SF20T易切削不锈钢性能最佳。

国产“笔尖钢”问世

笔头关键部位的尺寸精度要求在两个微米,表面粗糙度要求0.4微米,在笔头最顶端的地方,厚度仅有0.3到0.4毫米。进行如此高精度的加工,既要容易切削,加工时还不能开裂。

在2017年,国产笔尖钢终于出炉。此次经过国内制笔企业实验室近千次的极限测试,用太钢原料生产出来的笔芯出水均匀度、笔尖耐磨性基本稳定,产品质量与国外产品相当。

此前,进口国外的易切削不锈钢大概每吨需要12万元人民币,而符合标准的国内不锈钢线材每吨仅需约5-6万元人民币。之后,打破国外企业对该种钢材的垄断,国内圆珠笔生产企业的制造成本会大幅下降。

据报道称,经过五年不断尝试,我们终于在电子显微镜下,发现组织成分分布均匀的笔尖钢,试验在2016年9月取得成功。大规模炼钢十多次后,第一批切削性好的钢材出炉了。这批直径2.3毫米的不锈钢钢丝,是为中国制笔业量身打造的“中国制造”的钢材。

在钢材研制的过程中,必须调整几种合金元素的成分和含量,在不锈钢中,合金元素的细微变化都会带来最终钢材质量的波动。进口笔尖钢的合金成分可以通过化学检测得到,而钢材的加工工艺却是核心机密,只能不断地积累数据、调整参数、设计工艺方法,最终得到理想的结果。

同时,就像是包饺子和面,添加如合金元素就必须在钢水中加入“添加剂”。而由于对于钢材组织均匀性的高度要求,添加剂的形态也必须做出调整。普通的添加剂都是块状,如果能把块状儿变细变薄,钢水和添加剂就会融合的更加均匀,这样就可以增强切削性。

在贝发笔业的测试实验室,用太钢原料生产出来的笔芯正在进行极限测试,在同一个角度下,每支笔芯都要连续不断地书写800米不出现断线情况。而现在,一些笔头企业已经开始使用中国制造的笔尖钢。

小小圆珠笔尖,到底尴尬了谁?

“钢铁产能过剩却生产不了圆珠笔尖”,总理一句话在网上炸开了锅,甚至有网友开始盘点中国至今还没有自主制造或是没有达到世界强国水平的“小东西”,包括螺丝钉、刮胡刀片、跑鞋减震底、避孕套……

然而,一位知乎网友的发帖称“连圆珠笔尖都造不了,美国离世界制造强国有多远?”

是的,你没有看错,就是美国——那个航母世界横行,飞行器要降落火星的美国。

在圆珠笔用易切削不锈钢供应商中,基本上只有日本和瑞士;而制造圆珠笔头的企业用的设备,是一种十分偏门的专用加工机床,主要来自于瑞士Mikron公司的24工位高精度加工机床。

我们是不会造,还是没必要造?来算这样两笔账:

对于笔尖材料来说,中国每一年400亿支圆珠笔产量,大概需要多少钢材呢?据中国制笔协会名誉副理事长陈三元介绍,一家钢铁厂一天的产量,可能就够制笔行业消化一年。对钢厂而言,这点利润微不足道的,它没有动力去搞研发生产。而制笔企业是一个以民营企业为主的薄利多销的行业,利润空间非常小,面对动辄上千万的研发成本(科技部“制笔行业关键材料及制备技术研发与产业化”专项课题投入7000万元)根本不会有企业有能力投资在笔尖材料的研发上。

对于加工设备来说,一台Micron的24工位笔头生产设备,一分钟可以生产280个笔头,如果全年无休,中国年产的400亿支笔头需要多少台?260台,即使算上休息时间,也不会超过1000台。更要命的是,这种机器还很长寿而且技术更新慢,据说1997年的机器现在还能正常使用,寿命长达20年。算上这种折损,每一年需要更新多少台设备呢?50台左右。这样狭小的一个市场,能容得下几家生产企业?

在全球化的今天,没有任何一个国家制造所有工业门类产业链上的所有产品,也没有任何一个国家把无法制造所有产品当做一种缺陷。

而且,有一点必须清楚,“自己能造”和“自己造”是两码事,掌握核心技术才能在市场中占据主动,而自主生产还是全球采购则要视具体的市场条件。据悉,我们研制成功易切削不锈钢线材以后,日本的钢材供应商立刻将价格从每吨12.5万元下调到9万元左右。

更何况,人类技术的很多进步都是在“于无心处”插柳成荫。在易切削不锈钢领域研究,关于合金元素对于不同基体的不锈钢的耐蚀性、耐磨性、切削性的技术积累,也不仅仅是在小小笔尖一个方面发挥作用。

作为世界上认知度最高的标签,中国制造(Made in China)正寻求战略升级。「了不起的中国制造」专栏,力邀行业权威、资深玩家,呈现他们眼中的中国创新之路。

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编辑| 于冉帝

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