總理惦記的圓珠筆頭造出來了，「筆尖鋼」技術到底有多難？

長期以來，筆頭材料中國都需要依賴進口。

出品| 網易新聞學院

作者| 常松，清華大學材料加工工程系博士

　　下面這些筆，你認識多少？用過哪種？

　　對於書寫的歷史，人類寫字、繪畫都離不開「筆」，而如今，相信99%的人日常使用的筆都只有一種——圓珠筆。

　　過去的一個月，航母下水、飛機上天……一個個足以讓評論區網友集體自干五的新聞爆出。從來沒有退出公眾視線的「中國製造」再度成為了熱詞。然而，不管你怎麼算，「圓珠筆」顯然不在「大國重器」的行列。

　　然鵝，在我們沒有航母、沒有大飛機的歲月中，其實我們的圓珠筆尖從材料到設備也都同樣以來進口，無法自…主…生…產！

筆中「原子彈」，筆界最後的偉大發明

　　它不像鉛筆那樣需要削，掉在地上會斷掉；也不像鋼筆那樣經常吸墨水，放久了還會幹，最重要的是，它足夠便宜，並方便攜帶。這個偉大的發明就是圓珠筆，堪稱是筆界最後的偉大發明。自它以後，再無超越，直到……「滑鼠」的發明。

　　廣義上說，凡是利用球珠滾動帶出書寫介質（墨水或油墨）形成字跡的書寫工具統稱為圓珠筆。一般由筆桿、筆套、筆芯和有關傳動裝置的零件所組成，其中筆芯是書寫的主要部件，「圓珠」就是圓珠筆的核心。球珠裝在球座體的頂端能圓滑轉動且不易脫落，油管和筆頭後端密接，構造上須不發生油墨或墨水倒流。

最早的圓珠筆是誰發明的呢？

　　應了那句老話「大師在民間」，發明研製出第一支圓珠筆的人是一位用筆的「老司機」——匈牙利某印刷廠名的校對員拉茲羅·約瑟夫·比克（Laszlo Josef Biro）。

　　1943年，為了解決筆尖劃壞稿紙、油墨太多不易乾的問題，比克找來一根圓管，裝上油質顏料，把筆尖改成鋼珠，於是，世界上第一枝圓珠筆誕生了。後來，比克將這項發明提供給英國皇家空軍。不久，英國的一家飛機製造廠就推出了首批商業化的圓珠筆。

　　當時，有位名叫雷諾的美國商人看到這種圓珠筆，立刻嗅到了金錢的味道，他認定這是前程無量的新產品。

　　當時正值第二次世界大戰尾聲，原子彈在美國製造成功！為了招徠顧客，「標題黨」的雷諾別出心裁地將他生產銷售的圓珠筆稱作「原子筆」。雷諾聲稱，他的原子筆可以在水下寫字，可以在北極使用，沒有油墨污染，而且方便攜帶。

　　小小一隻圓珠筆，就這樣在半個世界的時間裡霸佔了世界筆市場的絕大份額。

「進口筆頭出口筆」——兩頭在外的中國圓珠筆業

　　和任何一項民用製造業一樣，當今「世界工廠」毫無懸念地必然成了第一個圓珠筆生產國。

　　中國的制筆企業多達3000餘家，年產值超過150億元（出口總值約65億元），產品遠銷海內外多個國家和地區。其中圓珠筆的產量居世界第一位。中國已成為一個名副其實的世界制筆業的生產大國和出口大國。各種圓珠型筆類的年產量達400多億支，其中70%出口。

　　然而，我們並不是世界制筆強國，中國生產的圓珠筆頭用材料除了少數使用國產易切削鋼之外基本依靠進口特別是筆頭槌座體的生產，其所用材料——易切削不鏽鋼長期以來都依靠進口，設備和原材料始終掌握在發達國家。高檔圓珠筆性能質量的優良關鍵看書寫質量，而書寫質量的好壞取決於筆頭和油墨的質量。

　　圓珠筆頭的加工工藝流程是這樣的：盤圓線材-校直-切料-滾光-機加工-沖五星槽-清洗-放球珠-檢測-收口-壓珠-出料-成品檢驗。

　　除了加工工藝外對筆頭材料性能要求最高，為了使筆頭硬度高、書寫順暢、耐磨性及耐腐蝕性能優良，筆頭原材料的機械物理性能及高速切削性能提出很高的要求。

　　在中國每年生產幾十億支圓珠筆，其筆頭和珠芯的材料80%以上是依靠國外進口。其次加工筆頭和墨水的關鍵製造設備都是從瑞士、德國、日本進口的，每年用於採購這些產品的費用至少有2億美元。

　　在制筆行業，由於筆頭用易切削材料製備工藝精度極高，導致大部分筆頭用原材料不符合機械加工性能的要求。筆頭材料依靠國外進口的現象使其處於被動的地位，尤其是高檔圓珠筆的生產受發達國家牽制。

　　中國現己成為一個名副其實的世界制筆業的生產和出口大國，但並不是制筆強國，生產的圓珠筆大多屬中低檔類，其出口平均價格低，與國外的差距是相當驚人的。目前，國內各主要圓珠筆生產廠為了提升自身產品的形象，全國每年要進口近十億隻筆頭。

　　「進口筆頭出口筆」是我國制筆行業典型的寫照。

筆尖上的明珠——易切削不鏽鋼

　　顯然，按照「製造強國崛起」的劇情套路，接下來認識到問題嚴重，發奮走上自主研發道路的中國科研工作者就要開始趕超的逆襲了。

　　而這一次，中國制筆業的發力點就是筆尖的關鍵材料——易切削不鏽鋼。

　　圓珠筆頭（球座體）用材料一般有鉛黃銅、鎳白銅和易切削不鏽鋼，早期生產的筆頭多用鉛黃銅材料，目前圓珠筆筆頭加工大都使用易切削不鏽鋼材料。

　　國外易切削鋼的發展較早且迅速，1920年美國首次正式生產硫系易切削鋼，後來英、蘇、日、法等國也相繼生產和使用，1937年美國一家研究所與內陸鋼鐵公司發表了鉛易切削鋼專利並生產出易切鋼後，日本、德國才相繼開始生產。

　　從技術上講，與普通不鏽鋼比較，最早的硫系易切削不鏽鋼為了獲得好的切削性能，延伸率、斷面收縮率和衝擊韌性均有所下降，特別是由於夾雜物硫化錳的存在，使各向異性十分明顯，橫向塑性與韌性劇烈降低。而在冶金領域，鋼材的性能改進最開始著手的便是改變合金元素成分，用其他元素來代替硫，進而改變鋼材的組織，提高性能。

　　1964年聯邦德國首先研製成功鈣易切鋼，三年後引入日本。1969年日本金屬材料技術研究所提出了第一項鉛易切削鋼專利，1972年日本發表鉛脫氧調整的鉛-硫複合易切鋼專利。如今，全世界每年消耗易切削鋼超過400萬噸。 以日本為例，1940年開始生產和使用易切削鋼，1960年僅為2.2萬噸，1980年達82.2萬噸，1990年代突破200萬噸，平均年增長率都在10%左右。可見日本易切削鋼的發展速度確實十分驚人。

　　中國早期曾試用1Cr13Pb、2Cr14S、2Cr17MoS等不鏽鋼，後來又試製成功易切削不鏽鋼Y1Cr13。但我們的易切削材料的機械物理性能、切削性能和材質穩定性方面還比不上發達國家。例如美國採用Carpenter416不鏽鋼，日本生產的SF13和SF20T易切削不鏽鋼等多數進口材料仍明顯優於國產材料，尤其是可切削性能，遠遠超越國產材料。目前，制筆材料中以日本產的SF20T易切削不鏽鋼性能最佳。

國產「筆尖鋼」問世

　　筆頭關鍵部位的尺寸精度要求在兩個微米，表面粗糙度要求0.4微米，在筆頭最頂端的地方，厚度僅有0.3到0.4毫米。進行如此高精度的加工，既要容易切削，加工時還不能開裂。

　　太原鋼鐵集團成功研發並量產「筆尖鋼」為了達到這一要求，開始了研製工作。在今年，國產筆尖鋼終於出爐。此次經過國內製筆企業實驗室近千次的極限測試，用太鋼原料生產出來的筆芯出水均勻度、筆尖耐磨性基本穩定，產品質量與國外產品相當。

　　此前，進口國外的易切削不鏽鋼大概每噸需要12萬元人民幣。而符合標準的國內不鏽鋼線材每噸僅需約5-6萬元人民幣。之後，將打破國外企業對該種鋼材的壟斷，國內圓珠筆生產企業的製造成本會大幅下降。

　　據報道稱，經過五年不斷嘗試，我們終於在電子顯微鏡下，發現組織成分分布均勻的筆尖鋼，試驗在2016年9月取得成功。大規模鍊鋼十多次後，第一批切削性好的鋼材出爐了。這批直徑2.3毫米的不鏽鋼鋼絲，是為中國制筆業量身打造的「中國製造」的鋼材。

　　在鋼材研製的過程中，必須調整幾種合金元素的成分和含量，在不鏽鋼中，合金元素的細微變化都會帶來最終鋼材質量的波動。進口筆尖鋼的合金成分可以通過化學檢測得到，而鋼材的加工工藝卻是核心機密，只能不斷地積累數據、調整參數、設計工藝方法，最終得到理想的結果。

　　同時，就像是包餃子和面，添加如合金元素就必須在鋼水中加入「添加劑」。而由於對於鋼材組織均勻性的高度要求，添加劑的形態也必須做出調整。普通的添加劑都是塊狀，如果能把塊狀兒變細變薄，鋼水和添加劑就會融合的更加均勻，這樣就可以增強切削性。

　　在貝發筆業的測試實驗室，用太鋼原料生產出來的筆芯正在進行極限測試，在同一個角度下，每支筆芯都要連續不斷地書寫800米不出現斷線情況。而現在，一些筆頭企業已經開始使用中國製造的筆尖鋼。

小小圓珠筆尖，到底尷尬了誰？

　　「鋼鐵產能過剩卻生產不了圓珠筆尖」，總理一句話在網上炸開了鍋，甚至有網友開始盤點中國至今還沒有自主製造或是沒有達到世界強國水平的「小東西」，包括螺絲釘、刮鬍刀片、跑鞋減震底、避孕套……

　　然鵝，一位知乎網友的發帖稱「連圓珠筆尖都造不了，美國離世界製造強國有多遠？」

　　是的，你沒有看錯，就是美國——那個航母世界橫行，飛行器要降落火星的美國。

　　在圓珠筆用易切削不鏽鋼供應商中，基本上只有日本和瑞士；而製造圓珠筆頭的企業用的設備，是一種十分偏門的專用加工機床，主要來自於瑞士Mikron公司的24工位高精度加工機床。

我們是不會造，還是沒必要造？來算這樣兩筆賬：

　　對於筆尖材料來說，中國每一年400億支圓珠筆產量來說，大概需要多少鋼材呢？據中國制筆協會名譽副理事長陳三元介紹，一家鋼鐵廠一天的產量，可能就夠制筆行業消化一年。對鋼廠而言，這點利潤微不足道的，它沒有動力去搞研發生產。而制筆企業是一個以民營企業為主的薄利多銷的行業，利潤空間非常小，面對動輒上千萬的研發成本（科技部「制筆行業關鍵材料及製備技術研發與產業化」專項課題投入7000萬元）根本不會有企業有能力投資在筆尖材料的研發上。

　　對於加工設備來說，一台Micron的24工位筆頭生產設備，一分鐘可以生產280個筆頭，如果全年無休，中國年產的400億支筆頭需要多少台？260台，即使算上休息時間，也不會超過1000台。更要命的是，這種機器還很長壽而且技術更新慢，據說1997年的機器現在還能正常使用，壽命長達20年。算上這種折損，每一年需要更新多少台設備呢？50台左右。這樣狹小的一個市場，能容得下幾家生產企業？

　　在全球化的今天，沒有任何一個國家製造所有工業門類產業鏈上的所有產品，也沒有任何一個國家把無法製造所有產品當做一種缺陷。

　　而且，有一點必須清楚，「自己能造」和「自己造」是兩碼事，掌握核心技術才能在市場中佔據主動，而自主生產還是全球採購則要視具體的市場條件。據悉，我們研製成功易切削不鏽鋼線材以後，日本的鋼材供應商立刻將價格從每噸12.5萬元下調到9萬元左右。

　　更何況，人類技術的很多進步都是在「於無心處」插柳成蔭。在易切削不鏽鋼領域研究，關於合金元素對於不同基體的不鏽鋼的耐蝕性、耐磨性、切削性的技術積累，也不僅僅是在小小筆尖一個方面發揮作用。

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編輯| 於冉帝

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