论球珠对球座体的磨损现象

赵毅，刘亮

杭州鼎申新材料科技有限公司 浙江省杭州市 311500

上篇文章(中国制笔2021年第1 期：《笔用碳化钨球珠参数分析》)主要介绍了球珠的各项参数与其对应的参数要求，并阐述了每一项技术指标的变化对书写效果所产生的一定影响。本文将延续对球珠的介绍，进一步分析球珠对笔头的磨损现象与影响球珠磨损笔头的一些关键性因素。

事实上，笔用球珠中几乎所有的技术指标，包括表面粗糙度、材料颗粒度、耐腐蚀性和硬度等等，最终都是转变为球珠对球座体的磨损而影响书写质量的，之所以控制上述这些球珠特性，最终目的也是为了减少球珠对球座体的磨损。无论何种原因造成的球座体磨损都会出现书写断线、划线长度不达标等现象，希望通过本文的介绍可以让大家对球珠有更深一步的认知，推动球珠与笔头厂家之间更具深度的研究与合作。

1.金属磨损的本质

相互接触的物体发生相对运动，在接触面产生逆向于运动方向的阻力，从而造成物体表面和形状的变化即为磨损。从原理上讲，磨损现象可分为磨粒磨损、粘附磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等四种类型。例如球珠在抛光过程中属于磨粒磨损，刹车片的磨损属于粘附磨损，而球珠在球座体中的运动是粘附磨损和腐蚀磨损的共同作用。

所有的磨损现象在本质上都是物体表面的细小颗粒受力分离而形成磨屑，且摩擦力越大磨损现象越严重。由于碳化钨球珠的硬度在维氏1800 左右，而不锈钢材料的硬度在维氏500 以下，因此笔头中所发生的磨损现象基本上可视为球珠对球座体的磨损。在这个前提下，本文讨论的内容将忽略球座体对球珠的磨损，也不讨论球座体被磨损过程中产生的磨粒对自身的进一步影响。

维氏硬度测量方法被广泛用于硬质合金行业，将具有规定角度的正四棱锥体金刚石压头用一定的力压入试样表面，保持规定时间后，卸下实验压力，测量试样表面压痕的对角线长度。维氏硬度数值（HV）就是试验力(F)除以压痕表面积所得的商。

根据金属磨损特性曲线（如图1）可以看出磨损过程大致分为三个阶段：①.oa 曲线是跑合（磨合）阶段，此时物体表面成尖峰状态，磨损速度较快，但可以通过抛光的方式将尖峰磨平以降低磨损率。②.ab 曲线是稳定阶段，此时磨损率最低，磨损速度主要由材料的颗粒度决定。一般描述某物体的磨损或耐磨性能，主要依据就是稳定磨损阶段的磨损率。③.bc 曲线为剧烈磨损阶段，当总磨损量超出一定范围后造成物体表面严重损伤、润滑性下降等现象，进一步加剧了磨损速度[1]。

图1 金属磨损特性曲线

从这个角度分析，可以看出影响球珠对球座体磨损快慢的几个因素：1.前期主要受球珠表面粗糙度影响，在不考虑润滑性的情况下，表面越光滑，磨损率越低；2.后期主要受球珠原材料颗粒度的影响，颗粒越小磨损率越低；3.在整个磨损的过程中始终受到润滑效果的影响。且在不考虑墨水特性的情况下，润滑效果的好坏可以由出墨量大小替代。

由于材料颗粒也是通过改变球珠表面粗糙度和润滑效果的方式，间接的决定了球珠对笔头的磨损。所以本文将重点分析影响球珠表面粗糙度和润滑效果的一些因素，同时对材料颗粒的分析也将贯穿本文。

2.球珠表面粗糙度的影响因素

表面粗糙度是指工件表面存在的较小间距和微小谷峰的不平度，现实中不存在绝对光滑的物体。如图2 所示，任何物体在放大足够倍数时，都会呈现相应的表面轮廓。在跑合阶段的磨损主要受表面粗糙度影响，而原材料的颗粒度和抛光方式共同决定了最终球面的粗糙度效果。

图 2 物体的微观表面

2.1 材料颗粒度对球珠表面的影响

笔用球珠采用粉末冶金的方式制作而成，顾名思义，原材料都是各种金属粉末。其中碳化钨为主要原材料，钴、镍等其它若干种金属粉末也起到重要的作用。一般来讲，原材料的颗粒度越小成品表面抛光的效果越好，原材料颗粒度较大的情况下，单纯的磨粒抛光是无法彻底改善粗糙度的。鼎申球珠从原材料颗粒上讲可以大致分为三种：1.碳化钛油性球珠；2.碳化钨中性球珠；3.钨-钛合金中油球珠。表1 中显示了鼎申球珠所使用的材料颗粒度大小，并同时采用粒度为1μm 的金刚石磨料进行抛光所得到的球体表面粗糙度大小。

表1 相同抛光方式下不同原材料的粗糙度对比

使用泰勒粗糙度测量仪对球珠进行粗糙度检测，并抽取十粒球珠的粗糙度数值平均数得到上述表格的结果，可以分析出原材料的粒度越大，相同的抛光方式下球珠的表面越粗糙。事实上，即便采用更细的研磨磨粒，钛基球珠的光洁度也无法继续得到提升。结合国标中对中性、水性球珠的参数要求为Ra ≤0.012μm，可以看出钛基球珠并不适合中性、水性等黏稠度较低的墨水，但可用于油性圆珠笔墨水。因此，对中性、水性市场鼎申球珠均采用0.8μm的超细颗粒粉末；印度中油市场则以钨-钛合金混合材料为主；油性市场则以粗颗粒的碳化钛球珠为主。

2.2 抛光方式对球珠表面的影响

金属球体的抛光方式一般选择V型槽研磨抛光，属于上述磨损类型中的磨粒磨损。研磨原理如图3所示，下磨具以角速度ω 绕Z 轴旋转，与此同时被加工的球体以角速度ω1 绕Z1 轴自转，球坯自转轴与水平空间的夹角θ 为球坯的自转角，同时上磨具给予球坯一定的压力。当球形度不高时，磨具与球坯的接触点会不断改变，因此研磨抛光的轨迹可以均匀的覆盖球坯表面，直至得到球形度高、粗糙度合格的成品球[2]。

图3 V 型研磨抛光基本原理

但是每种球珠的性质不同，针对不同材料不能局限于传统的研磨方式。碳化钨球珠的表面能高，研磨介质和磨料的附着性较强，且碳化钨球珠密度较高，在研磨中的自转性好，因此采用传统的V 型槽抛光即可。但是钛基球珠和陶瓷球的表面能低，磨料附着性差，且由于密度较低，球坯自转性差，使用传统V 型槽研磨易造成表面粗糙度不均匀的问题，因此可采用偏心V 型槽研磨方式进行抛光。如图4 所示，偏心V 槽可以改变球体的自转角度，加大球体研磨时的自转性，因此适合钛合金、陶瓷球珠等密度较小、表面能较低的材料。

图4 偏心V 型槽研磨

随着工业制造水平的不断提升，越来越多的抛光方式已经应用到各行各业，比较典型的有磁流体抛光（MFP）、化学机械抛光（CMP）和超声震动抛光（UVP）等等[3]。

3.润滑条件的影响因素

润滑剂可以减少物体相互运动时产生的摩擦力，进而降低磨损的速度，在书写过程中墨水即起到了润滑的作用。不同墨水能够起到的润滑效果也不同，这与墨水特性有直接的关系，但从球珠的角度来讲，能够改变润滑效果的方式只有改变出墨量的大小，因此球珠对润滑效果的影响可以视为球珠对出墨量的影响。圆珠笔的工作原理之一就是球珠通过表面微孔带出墨水，并将粘附在球珠表面的墨水转移到纸张上[4]。可以看出，球珠的表面微孔和墨水对球珠的粘附性（球珠亲墨性）是至关重要的两点。

3.1 球体表面微孔的影响因素

球体表面微孔组织可以被视为微储墨池，在相互运动过程中形成润滑膜，从而降低磨损速度。众所周知，球珠表面越粗糙微孔越大，出墨量也就越大。在研磨抛光过程中，载荷重量、磨粒粒径以及研磨时间等对微孔的形成都有着明显的影响，为了得到合适的球珠表面微孔，应当对上述因素加以控制[5]。而在检验成品球体表面微孔时，应重点关注微孔单位面积密度、孔径大小以及分布的均匀性。

3.1.1 抛光工艺影响微孔单位面积密度。抛光时由于球珠自转的不稳定性，会导致接触轨迹无法遍及全部球面，造成微孔单位面积密度的不一致，进而影响出墨量的稳定性。若在显微镜下观察，可发现单个球珠的表面同时存在光滑和粗糙部分。因此在生产过程中应当选择合适的抛光方式，在检验过程中要大量抽查球体表面粗糙度是否均匀，而不是依靠粗糙度仪进行简单的数值测量。

3.1.2 不同粒径的磨粒得到的微孔大小具有明显区别。图5-7 是500 倍显微镜下鼎申中性球珠、中油球珠和油性球珠微孔分布照片。可以明显看出油性球珠表面微孔最大，中油次之，中性球珠表面微孔最小。需要提出的是中性球珠并非越光滑越好，虽然行标中提出的标准是Ra ≤0.012μm，但实际上根据鼎申实验室的测试显示，当球珠表面粗糙度小于0.006μm 时，由于带墨性差，书写品质并不能得到保证。表2 是鼎申的不同型号球珠在不同磨粒下得到的微孔数据，由于DS-8 钛基球珠的微孔较大，高倍显微镜下无法测量微孔体积分数。

图5 DS-5 中性球珠

图6 DS-6 中油球珠

图7 DS-8 油性球珠

表2 不同型号球珠的表面组织结构

3.1.3 微孔分布的均匀性对出墨稳定也有影响。为了保证表面粗糙的球珠微孔分布的更加均匀，鼎申球珠在生产过程中采用独有的先抛光后打毛的工艺，解决了传统V 型槽工艺在生产中易造成微孔分布不均匀的缺陷。

3.2 球珠的亲墨性

球珠的亲墨性能与材料本身特性有着直接的关系，所谓亲墨性能是指金属表面对墨水的亲润性大小，亲润性大则墨水可以更好的依附在球珠表面，形成润滑膜。一般金属材料的表面能较大，对墨水的亲润性较好，相比而言普通陶瓷材料的表面能较小，对墨水的亲润性较差。因此，虽然陶瓷材料在颗粒大小以及耐腐蚀方面相比碳化钨具有更优异的效果，但事实上制笔行业中使用陶瓷球珠的并不多。

4.结语

问题时，必须要把这些因素进行统筹考虑。例如球珠表面粗糙度好会降低对球座体的直接磨损，但同时带墨能力差了又会导致润滑性差，继而加剧磨损情况。或许正是这种矛盾的关系才引得无数工匠和科研人员为之着迷和奉献。