易切削不锈钢笔头材料研究进展

郭亨长，苏娟，黄刚

1.上海晨光文具股份有限公司 中国轻工业制笔工程技术重点实验室，上海市 201406 2.武汉科技大学理学院 冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室，湖北省武汉市 430081

1 前言

圆珠笔是一种采用圆形球珠在球座体内滚动带出书写介质形成字迹的书写工具，其核心部件包含笔头、书写介质和尾塞油等。常见的笔头结构如图1所示，主要由球珠和球座体两部分组成，是决定书写性能的关键因素之一。

图1 圆珠笔笔头内部结构Fig.1 Internal structure of ball-point pen tip

球珠是一种微型圆球体，对其硬度、圆度、耐腐蚀性及表面粗糙度都有特定要求，通常业内碳化钨球珠和陶瓷球珠较为常见。碳化钨性能最为优越，其硬度高、耐腐蚀性和耐磨性好、表面粗糙度低，应用于笔头获得均匀出墨，书写性能良好。碳化钨球珠通常采用粉末冶金技术制造，它是由难熔金属硬质化合物和粘结金属经成形、烧结等特殊的加工工艺后形成的碳化钨基合金[1,2]。此外，采用氧化锆胶态注射成型技术制备的陶瓷球珠，力学性能良好，与球座体配合良好、间隙稳定，对球座体磨损小，制造出的笔芯划线均匀、书写流畅舒适，但因与墨水匹配容易出现书写打滑和线迹断墨现象，尚不能完全取代碳化钨材料[3～5]。球珠制造技术和原材料均已经实现了完全国产化。

传统的球座体材料一般有铅黄铜和镍白铜，随着中性与水性墨水圆珠笔的流行与普及，对圆珠笔球座体材料的耐磨损和耐腐蚀要求越来越高，不锈钢材料成为主流。如图1所示，球座体根据结构和功能的不同分为球座、中孔、小孔和油槽四部分，分别实现安装球珠，储存墨水、传输墨水等功能，为书写介质提供流通渠道，其结构复杂、精度高，对材料性能要求高[6,7]。球座体的制造过程首先将线材切割成小圆柱体，再经过笔头机进行钻孔、车外圆、倒角、冲槽、收口等一系列工艺加工制作完成[8]，因此笔头加工效率依赖于不锈钢材料的易切削性能。

2 易切削不锈钢材料的发展和分类

易切削钢有近百年的发展历程，易切削不锈钢是在其基础上发展起来的。按金相组织不同，易切削不锈钢可分为奥氏体、马氏体和铁素体三类。奥氏体型不锈钢硬度低韧性高，加工硬化率高，车削表面粗糙易皴裂，不适合小零件精密加工[9]；马氏体型不锈钢硬度大脆性高，切削困难，也不适合用于笔尖生产[10]；铁素体型不锈钢强度和硬度很低，韧性好，但经过冷拉拔加工变形，韧性显著下降，切削性得到改善，适合圆珠笔头的制造。

易切削不锈钢是通过在钢中加入一种或多种易切削元素和抗腐蚀元素，制成具有优良切削性能的不锈钢合金[11,12]。在切削加工过程中，易切削元素及其形成的夹杂物成为易切削相，既割裂了金属基体组织的连续性，又能起到润滑作用，而且能够作为应力集中源使切屑易碎，提高工件表面的光洁度，改善切削性能[13,14]。表1是一些重要的易切削元素的物理和化学性质。经过长期发展，开发出的易切削不锈钢品种繁多，按元素大致分为以下几类。

表1 易切削元素的性质[15]Table 1 Properties of free-cutting elements

2.1 硫系易切削不锈钢

硫在钢中与锰形成硫化锰（MnS）夹杂，MnS相偏软，容易变形和断裂。此夹杂物能够阻断基体金属的连续性，在切削过程中使切削卷曲半径小，易断易排除，从而减少刀具磨损，降低加工表面的粗糙度。研究还发现硫化物宽度大于4 μm，长宽（L/W）比较小而呈纺锤状或椭圆形对改善可切削性更有利，若尺寸过小，不利于改善切削性能。硫系易切削不锈钢是最早发展起来的，便于生产且廉价，其产量位居世界易切削钢之首[16]。根据钢中含硫量的差异，分为低硫钢（≤0.025%）、中硫钢（0.04%～0.09%）和高硫钢（0.1%～0.3%）。

2.2 铅系易切削不锈钢

铅的化学性质稳定，在易切削钢中为球状颗粒单质，由于铅熔点低，在切削过程中因切削热和应力作用，能够熔融析出在接触面上起到润滑作用。铅系不锈钢切削性能极佳，力学性能与耐腐蚀性能均优于硫系，减少了刀具磨损，使切屑细碎，一般在钢加入0.05%的铅就能大幅的提高其切削性[17]。然而，Pb属于重金属，在冶炼生产中会对人体和周围环境造成污染，从环保角度考虑，铅系易切削钢的发展存在局限性。

2.3 钙、钛系易切削不锈钢

利用金属钙、硅-钙合金或金属钛（Ti）等脱氧剂替代铝脱氧，脱氧后会在不锈钢中形成低熔点钙系氧化物或复杂的钛化合物。当进行高速切削时，钙系氧化物会软化并在切削刃面上形成积屑瘤，钛氧化物和硬质合金刀具中的TiC有类似的原子结构和物理性能，粘附性较强，能在刀具表面上堆积形成一层覆盖膜，可以防止切屑与刀具的接触，减少刀具的磨损，改善切削性能。但是钙、钛加入对切削性的有利影响只在高速切削时（用硬质合金刀具）才能表现出来，如果要提高钢在中低速切削条件下的可切削性，则必须与硫、硒或铅等复合加入[18]。

2.4 硒、碲系易切削不锈钢[19,20]

硒（Se）元素与硫元素作用相似，以硒的锰硫化物形态存在于钢中，硒的锰硫化物以椭圆形或圆球形分布在钢中，可以起到减少摩擦的作用。硫硒化物与硒化物还能以氧化物为核心而结晶，起到对硬质氧化物的包裹作用，显著降低甚至消除尖晶石等硬质对刀具的磨损，有利于提高刀具寿命。但是人体若硒摄入过量会中毒，所以硒添加方案会逐渐被放弃。

碲（Te）与硫是同一族化学元素，在钢中可以代硫做易切削元素，一般加入 0.04%～0.10%，可以单独加入，也可以与其他易切削元素一起加入到钢中生成碲化锰等复合夹杂物，使得切削时的阻力和切削热显著降低，而且利于排屑，改善加工面粗糙度，其改善切削性的效果高于硒。

2.5 铋系易切削不锈钢

铋（Bi）元素与铅元素的物化属性相近，在钢中的作用相似。铋元素比重小于铅，以细小颗粒分布于钢中，或者附存于硫化物周围，在金相组织中的宏观偏析少。日本神户公司研究发现，添加铅含量一半的铋，可以达到相同甚至更优的切削性能[21]。更重要的是铋环保无毒，可以取代铅生产环保性易切削材料。

2.6 复合易切削不锈钢

为了达到进一步提高切削性能和满足其他综合机械性能的目的，可将易切削元素以多元复合方式加入钢中。常有硫-磷、硫-铅、硫-碲(硒)、硫-磷-铅-碲、钙-硫等复合添加方案，其中以硫-铅、硫-磷-铅-碲复合易切削钢切削性能最佳，被称为“超易切削钢”[22]。此类钢一般为低碳钢或超低碳钢，用于自动机床加工的各种小型精密零件，所以此类“超易切削钢”不锈钢最适合用于圆珠笔头的生产。

3 笔头用超易切削不锈钢材料的性能要求

圆珠笔球座体需经过十多道工序的微孔高速切削加工（8000～20000 rpm），微结构加工精度要求在3 μm以内，制成笔芯要求满足400 m以上的划线检测合格，笔头不能出现开裂、腐蚀和明显磨损[23]。例如0.5mm型号的笔头在书写过程，球座体磨损量超过25 μm将影响笔芯正常使用。为达到高档圆珠笔头球座体加工及书写要求，超易切削不锈钢丝的制备需要满足以下几个方面的要求：

（1）超易切削性能。笔头成型历经十多道高转速切削加工工艺，精度要求高，因此材料需要具备超易切削性能，如切削加工过程中产生自润滑性能，可以降低硬质非金属夹杂物或析出相，减少刀具磨损。切削过程要求产生的切屑呈颗粒状，易断易排出，避免形成长条连续带状物碎屑堵塞笔头出墨通道。

（2）良好的耐腐蚀性能。笔头球座体内腔长期与墨水接触，要求材料能抵抗墨水及有机醇溶剂的腐蚀，避免生锈以及长时间存放产生的电化学腐蚀。

（3）良好的耐磨损性能。笔头球座体碗口内置碳化钨球珠，书写过程中球珠与球座体在墨水腐蚀环境中不停相互摩擦，易产生磨损，所以材料要有良好的耐磨性。

（4）机械性能均匀稳定。笔头加工通常采用刀具切削加工，细长的不锈钢圆柱体材料承受较高的冲击载荷，需要有良好的韧性。因此要求在线材横截面上的硬度均匀一致，而且在纵向上材料要具有足够好的机械性能一致性。

（5）材料内部无缺陷。材料内部无疏松、裂纹、缩孔等缺陷，否则会增加笔头加工的尺寸误差、甚至出现开裂或者造成切削刀具折断和磨损。

（6）安全环保性能。随着环保和健康要求的不断提高，要求减小甚至消除材料生产、使用和处置过程中可能存在的铅污染等问题。

4 笔头用超易切削不锈钢材料的发展

4.1 笔头用含铅超易切削不锈钢材料的发展

国内对易切削不锈钢的研究起步较晚，早期赵文斌等人在易切削机理和钢种开发方面做了大量的研究和探索[24～28]，并在机械、仪表等领域得到应用。但那些材料的机械物理性能、切削性能和材质稳定性方面不适合于圆珠笔头制造，因此长期以来，我国制笔行业高档圆珠笔球座体材料依靠进口。国际主流材料是日本下村特殊精工株式会社生产的 SF20T和日本秋山特殊精钢株式会社生产的ASK-3200超易切削铁素体不锈钢线材（其原料均来着日本大同特钢的DSR6F）[23,29]。其中，SF20T使用最为广泛，这一特殊不锈钢在 20Cr-2Mo 成分的基础上复合添加了S、Pb和Te元素的铁素体型不锈钢，切削性能和材质稳定性都比较优越，化学成分见表2。

表2 SF20T的化学成分（wt%）[30]Table 2 Chemical composition of SF20T（wt%）

王永嘉[31]对SF20T的显微硬度和微观组织进行了仔细研究。表3所示为其横断面上不同位置的硬度值，差异非常小，说明该材料组织均匀，性能稳定。图2所示为SF20T中主要存在的易切削相，分别为深灰色MnS相以及白色的Pb、Te或它们的复合夹杂物金相。MnS在横断面上分布均匀，呈近似球状或纺锤状，统计测量其平均尺寸为4.5 μm，多数处于 3～5 μm之间，Pb、Te或它们的复合夹杂物金相比较小，有的附在MnS周围，有的为分散点状，在纵向截面上两种夹杂物均被拉长呈细条状或断续链状，它们共同作用，极大的提升了材料的易切削性，并有效保护刀具。

为了改变中国制笔行业笔头材料长期依靠进口的窘境，在国家“十二五”科技支撑计划、“十三五”国家重点研发计划以及企业自主投入等项目的大力支持下，国内钢铁企业、制笔企业与研究院校对笔头用钢展开攻关并取得一定成果。2015年江苏启东荣盛铜业有限公司在超易切削不锈钢研制取得了突破[32]。2016年北京首钢吉泰安新材料公司宣布成功研发出含铅超易切削不锈钢线材[33]。2017年太原钢铁集团正式对外公开，历时5年攻关，取得重大突破，生产出切削性好的直径2.3 mm不锈钢钢丝材料[34]。三家企业所制备的易切削不锈钢材料均成功应用于国内知名制笔厂家，性能与进口产品水平相当。

表3 SF20T横截面不同位置的显微硬度(HV0.5)[31]Table 3 Hardness of SF20T(HV0.5) in different positions

图2 SF20T易切削不锈钢横向（a）纵向（b）背散射SEM图像[31]Fig.2 SF20T free-cutting stainless steel lateral (a) and longitudinal (b) backscatter SEM image[31]

图3为首钢吉泰安新材料公司笔头材料与日本SF20T材料纵向截面上MnS夹杂物的对比照片，由图可见，吉泰安材料的MnS形貌与SF20T的比较相似，均呈现点链状结构特征，宽度达到4 μm以上，保证了材料优异的切削性能。

这些成果标志着我国向笔头用易切削不锈钢材料的自主研发和生产迈出了关键的一步，对于打破国外长期垄断，促进我国制笔行业健康发展具有重要意义。

4.2 新型无铅超易切削不锈钢材料国内外最新研究进展

铅元素在生产过程中产生的蒸汽会危害人体健康，严重污染环境，有些国家已明令禁止生产含铅易切削钢，因此新型无铅环保超易切削不锈钢成为笔头材料的发展方向。铋与铅的物化属性相近，在钢中作用相似，并且添加铅含量一半的铋，可以达到相同甚至更优异的切削性能[21]，因此以铋代铅成为首选方案。

日本大同特钢对低Pb和无Pb易切削不锈钢进行了长期研发，在DSR6F钢材（即SF20T的原材料）的基础上，使用易切削元素Bi替代Pb，成功开发了性能优异的无铅超易切削不锈钢材料，形成新产品SF20E[35,36]，其化学成分如表4所示。

国内钢铁企业在成功开发笔头用含铅超易切削不锈钢材料的基础上，采用以铋代铅技术，成功研制了无铅环保超易切削不锈钢线材TBPS-E[37]、SGFE[38]和QSR92E[39]三种型号，不仅无铅环保，同时还具有优异的可加工性。国产超易切削不锈钢材料SGFE、TBPS-E和QSR92E的化学成分见表4所示。

图4为国产QSR92E与日本SF20E材料纵向截面上易切削相MnS和Bi、Te夹杂物的对比照片。图4a为SF20E易切削夹杂物相的分布，图4b为QSR92E易切削相MnS呈现点链状分布情况，宽度达到4 μm以上；白色点状物为含Bi或Te的易切削相在MnS边缘或者基体上分布，保证了该材料具有和SF20E相当的切削性能。从MnS和Bi/Te易切削相分布看，两种材料切削性能比较接近。

图3 首钢公司材料（a）与日本SF20T（b）材料的MnSFig.3 The MnS in China Shougang material (a) and Japan SF20T material(b)

表4 SF20E、SGFE、TBPS-E 和QSR92E的化学成分（wt%）Table 4 Chemical composition of SF20E、SGFE、TBPS-E and QSR92E（wt%）

图4日本SF20E（a）与国产QSR92E（b）的夹杂物Fig.4 The inclusions in Japan SF20E (a) and China Rongsheng (b)

5 总结

随着我国制笔行业的发展，圆珠笔制造的关键材料的研发，历经了铅黄铜、镍白铜和易切削不锈钢三个发展阶段。高档圆珠笔笔头制造全部采用超易切削不锈钢，因为要求高，生产制造难度大。经过国内制笔企业、钢铁企业和科研机构的共同努力，已经打破国外垄断，成功研发出笔头用超易切削不锈钢材料，尤其是新型环保超易切削不锈钢材料，更是达到了国际先进水平，为我国从制笔大国向制笔强国的发展奠定了坚实的基础。