一、研究的背景與問題

我國是世界上最大的圓珠筆生產(chǎn)國和消費(fèi)國，年產(chǎn)圓珠筆約150億支，但作為原材料的高端圓珠筆頭用易切削不銹鋼材料曾長期依賴進(jìn)口，屬于典型的“卡脖子”材料。近年來，隨著各國加強(qiáng)保護(hù)環(huán)境和愛護(hù)健康方面的倡導(dǎo)，人體可能直接接觸的消費(fèi)品均對鉛含量提出了限量要求，如美國HR4040（美國生效消費(fèi)品安全改進(jìn)法案）、歐盟REACH法令、我國文具最新要求（GB21027-2020學(xué)生用品的安全通用要求），其中對鉛（Pb）含量要求低于90ppm。與人體可能直接接觸使用的消費(fèi)品無鉛化從趨勢變?yōu)橛残詷?biāo)準(zhǔn)。

為響應(yīng)國際國內(nèi)對筆頭用不銹鋼材料的環(huán)保要求，更多的關(guān)注環(huán)保，守護(hù)健康，開發(fā)環(huán)保無鉛的圓珠筆頭用不銹鋼產(chǎn)品是我們義不容辭的責(zé)任。做好一顆看似普通的圓珠筆頭，實(shí)則需要高精密尺寸、高切削性能、高耐蝕性能、高書寫性能等多方面的要求，這些影響到消費(fèi)者切身使用體驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)主要集中在圓珠筆頭這種超易切削不銹鋼材料上。從一段12mm長的實(shí)心不銹鋼絲制作成結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密的圓珠筆頭完全依靠切削加工，去除金屬體積高達(dá)50%（筆頭剖面及細(xì)節(jié)如圖1所示），同時要滿足高切削速度（20000轉(zhuǎn)/分）和高加工精度（2μm）。所以若簡單的去掉傳統(tǒng)圓珠筆頭用不銹鋼材料中利于切削的鉛元素會顯著增加材料的切削加工難度，造成生產(chǎn)出來的圓珠筆頭產(chǎn)品尺寸不穩(wěn)定、機(jī)床加工刀具快速磨損，甚至無法加工等問題。而對于制作一個環(huán)保型圓珠筆頭來說，切削加工是最基本要求，還需要滿足環(huán)保生產(chǎn)、尺寸精密、順暢書寫、墨水匹配及安全無害的應(yīng)用等多方面要求（圖2）。

圖1 圓珠筆頭剖面結(jié)構(gòu)及端部細(xì)節(jié)

圖2 環(huán)保型圓珠筆頭不銹鋼要滿足的各項(xiàng)效果

太鋼在2016年參加了“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃中的制筆項(xiàng)目，承擔(dān)新一代環(huán)保型無鉛圓珠筆頭用不銹鋼的研制、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用及示范生產(chǎn)線建設(shè)的任務(wù)。通過自主創(chuàng)新，設(shè)計開發(fā)出了一種兼具優(yōu)異切削性能和耐蝕性能的新一代環(huán)保型無鉛筆頭用超易切削不銹鋼，并提前超額完成了項(xiàng)目要求環(huán)保、切削及市場化應(yīng)用等指標(biāo)。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

項(xiàng)目提出了基于多元素耦合提高易切削性能的技術(shù)思想，采用一種可入藥的環(huán)保元素替代鉛元素作為輔助切削助劑的無鉛成分設(shè)計思路，解決傳統(tǒng)圓珠筆頭用不銹鋼不環(huán)保的問題，先期采用中間實(shí)驗(yàn)室，小型試驗(yàn)軋機(jī)等加工設(shè)備進(jìn)行初步摸索基本數(shù)據(jù)。進(jìn)行基礎(chǔ)工作的研究，找準(zhǔn)各項(xiàng)關(guān)鍵的冶煉、軋制指標(biāo)水平，為規(guī)?；a(chǎn)線提供重要依據(jù)。

在研究結(jié)果推向工業(yè)化生產(chǎn)過程中，創(chuàng)新的采用純凈鐵水、純凈合金為原料，避免采用廢鋼原料和常規(guī)低品位合金冶煉可能帶入外來有害物質(zhì)造成的質(zhì)量負(fù)面影響，該技術(shù)方案確保了成分的環(huán)保性。純凈原料經(jīng)過千噸級產(chǎn)能的大容量轉(zhuǎn)爐吹煉，再經(jīng)過特殊的精煉手段獲得需要的鋼水，澆鑄成坯，冶煉工藝示意圖如圖3所示。坯料再經(jīng)過多重表面處理和多重冷熱加工確保高表面質(zhì)量和優(yōu)異的組織性能，獲得高質(zhì)量的圓珠筆頭用不銹鋼產(chǎn)品。

圖3 太鋼環(huán)保型圓珠筆頭用不銹鋼的冶煉工藝

三、主要創(chuàng)新性成果

項(xiàng)目設(shè)計開發(fā)出了兼具優(yōu)異切削性能和耐蝕性能的一種無鉛型新一代環(huán)保型筆頭用易切削不銹鋼，通過多家權(quán)威第三方機(jī)構(gòu)測試，有害元素鉛的含量均未檢出，該環(huán)保性能指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

1、開發(fā)出了精準(zhǔn)合金化工藝技術(shù)，解決了替代元素在鋼中分布不均勻和收得率低的技術(shù)難題，設(shè)計了多元素的優(yōu)化配比，并實(shí)現(xiàn)成分精準(zhǔn)控制，替代元素冶煉收得率達(dá)60%，尚未見高于此數(shù)據(jù)的公開報道，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。

2、設(shè)計了環(huán)保型圓珠筆頭用不銹鋼因含有特殊的易切削元素，采用常規(guī)工藝加工難度大，成材率低。項(xiàng)目開發(fā)了特殊的熱、冷加工和熱處理工藝控制材料組織性能技術(shù)，保證了鋼絲高易切削性能，加工機(jī)床切削刀具壽命與進(jìn)口材料水平相當(dāng)。同時，解決了圓珠筆頭用不銹鋼制造過程表面易開裂的技術(shù)難題，大幅提高了生產(chǎn)成材率至常規(guī)不銹鋼水平，其中熱軋成材率穩(wěn)定在95%以上，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。

四、應(yīng)用情況與效果

太鋼環(huán)保無鉛圓珠筆頭用不銹鋼與進(jìn)口材料加工的圓珠筆頭細(xì)節(jié)對比如圖4所示，圖4（左）為圓珠筆頭加工前錐面紋理對比無差別，筆頭后尾外圓及內(nèi)孔加工面精度及粗糙度相當(dāng)。圖4（右）為加工300萬顆筆頭后的加工刀具對比情況，采用太鋼材料與采用進(jìn)口材料的加工刀具的磨損情況相當(dāng)，實(shí)物質(zhì)量達(dá)國際先進(jìn)水平，優(yōu)于部分進(jìn)口材料和其他國產(chǎn)材料。該環(huán)保型無鉛圓珠筆頭用不銹鋼較傳統(tǒng)圓珠筆頭用不銹鋼的切削速度最高可提升20%，顯著提升了筆頭加工的生產(chǎn)效率。

圖4太鋼環(huán)保圓珠筆頭用鋼與進(jìn)口鋼材制作筆頭（左）及工具（右）對比

通過多年試驗(yàn)及應(yīng)用測試，取得成功后，太鋼環(huán)保無鉛圓珠筆頭用不銹鋼被國內(nèi)多家知名文具企業(yè)采用，銷量快速上漲，近年來銷量增長情況如圖5所示，2021年太鋼圓珠筆頭用不銹鋼市場占有率達(dá)到40%，居國產(chǎn)材料市場占有率第一。

圖5 太鋼環(huán)保型圓珠筆頭用鋼國內(nèi)市場占比

項(xiàng)目還獲得相關(guān)授權(quán)發(fā)明專利11項(xiàng)，其中環(huán)保圓珠筆頭用鋼絲專利獲得第二十五屆全國發(fā)明展覽會金獎，形成了一整套關(guān)鍵核心技術(shù)，使我國筆頭用易切削不銹鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用躋身世界一流水平。該項(xiàng)目的實(shí)施，解決了我國筆頭用鋼的“卡脖子”難題，為總理的“圓珠筆之問”交出了一份滿意的答卷。