笔尖钢到底是什么钢？钢是怎么做到的？
wujiai
|不过，也有质疑的声音。 圆珠笔没有太大的战略价值，也不是重点的高科技“卡壳”领域。 与国内每年10亿吨的钢铁产量相比，每年数千吨的笔尖钢需求实在是微不足道。 即便按照市场方式以每吨10万吨以上的高价进口，也不会影响国内每年超万亿的钢铁产量。 市场。 因此，花费数千万美元突破钢笔笔尖就成了典型的“政治使命”。 它以牺牲他人为代价投资于不相关的领域，而忽视了芯片、航空航天发动机等真正“陷入困境”的战略领域。
这是真的吗？
所以，我们首先要弄清楚钢笔尖钢是什么钢。
首先必须明确，笔尖钢是用于笔尖球座（即笔尖的金属“子弹”），而不是笔尖珠子。
笔尖钢只是一个俗称，其专业名称为“笔尖用易切割不锈钢丝”，说明它具有“不锈”和“易切割”两个关键特性。 不锈钢必须耐腐蚀，保持光亮如新； 易切削是指必须经过十多道微孔高速切削（8000~20000转/分钟）的工序，才能制成圆珠笔球座体。 显微组织加工精度要求在3μm以内。 用其制成的笔芯要求通过400m以上的划线测试，笔尖不得有裂纹、腐蚀或明显磨损。 例如0.5mm的笔尖在书写过程中，球座体的磨损超过25μm，就会影响笔芯的正常性能。 使用。
一种可以用每分钟几万转的机床进行微米级精度加工的钢材，而且是一种耐磨耐腐蚀的钢材，看起来不像只能用在“低端”情况下，例如圆珠笔。
以进口笔尖钢的主要类型——日本下村特殊精工株式会社生产的SF20T和SF20F钢（两者的区别后面介绍）为例。 下村特种精工的官方网站上，对这两种钢材是这样介绍的。 特点及代表性用途：
文具用品显然指的是圆珠笔。
在医疗器械领域的应用是利用该类钢的耐蚀性、耐磨性和易切削加工性来制造医疗器械中的精密零件。 众所周知，医疗器械是我国产业升级过程中的痛点之一。
至于这个“HDD”，它与电脑前的每个人以及现代社会的关系比圆珠笔还要密切，因为它的全称是Hard Disk Drive，而电机的一些精密部件是由“笔尖”是由“笔尖钢”制成的，这也是因为“笔尖钢”具有优异的电磁性能。
当一种钢材用于医疗设备、电子产品时，您还认为它只有“低端”应用吗？
事实上，“笔尖钢”绝对称得上是不锈钢中的隐形王者之一。 它几乎具有不锈钢中最好的切削性能（上图中以黄色突出显示）。 被称为“超易切削钢”，接近以易切削着称的黄铜，也具有优异的耐腐蚀性。
在笔尖成型的高速切削过程中，该钢具有自润滑性能，减少刀具磨损； 切割产生的切屑呈颗粒状，易于破碎和排出，防止形成长的连续条状碎屑，堵塞笔尖通道的墨水排出。 用这种超易切割的不锈钢制作笔尖只是一个小测试。 其更广阔的舞台是加工成微型轴、微型螺丝等精密零件，应用于各种精密设备中。
（上图为普通钢材切削产生的切屑，不易折断、脱落，明显会影响精密加工）
“笔尖钢”的超易切削特性首先来自于其特殊的元素成分。
在一般钢材中，硫是一种有害元素，会导致钢材变脆。 然而，在“笔尖钢”中，却利用了硫的这一特性。 通过添加一定量（>0.2%）的硫，与钢中的锰形成微米级的硫化锰夹杂物，破坏钢的显微组织。 连续性使得切削过程中钢屑更容易断裂和脱落，从而减少刀具磨损，降低加工表面的粗糙度。 它还经常与硫一起添加，形成碲化硫锰，促进夹杂物颗粒生长至微米尺寸。
此外，它还含有一种其他钢中很少添加的元素——铅。 铅在钢中以球形颗粒存在（添加量为0.1%~0.3%）。 由于铅的熔点较低，在切削过程中由于切削热和应力的作用，在接触面上熔化，起到润滑作用。
这不仅适用于笔尖钢，也适用于其他类型易切削钢的成分设计。
日本SF20T钢样品的背散射电子扫描电子显微镜（SEM）照片。 亮度与原子序数呈正相关。 硫化锰颗粒（含有原子序数比铁低的硫）呈黑色，而含有铅或碲（原子序数比铁高得多）的颗粒则闪闪发光。
太钢钢样的二次电子SEM照片，亮度与样品表面形貌有关，越凸的地方越亮。 对于切割、研磨和抛光的钢样品横截面，彼此嵌入的多边形代表钢基体的铁素体晶粒。 有凹陷感的黑色部分是添加颗粒留下的凹坑，大小约为几微米。 从这张照片中，我们可以更直观地看到颗粒物对钢基体的劈裂作用。
但铅是一种有毒元素，在钢铁冶炼和加工过程中会对工人和环境造成中毒； 圆珠笔是使用后就扔掉的消耗品，普通垃圾中混入的含铅笔尖钢可能会造成环境污染； 欧盟提出了RoHS指令（限制在电子电气设备中使用某些有害物质），要求在欧盟销售的完整电子电气设备及零部件中的铅含量不超过（即0.1 %）。 电子产品中使用的“笔尖钢”等易切削钢的铅含量明显超过法定限量。 因此，国际上开发了低铅甚至无铅超易切削不锈钢。 作为易切削元件，例如日本下村特殊精工开发了SF20F钢，其性能与前述SF20T相似，但不含铅。
下村特殊精工生产的这两种钢材均以其母公司日本大同特殊钢的DSR6F易切削不锈钢为基础，进一步添加了硫、铅、铋等易切削元素。 太钢的含铅钢成分也类似。 都是在优质不锈钢的基础上开发的超易切削不锈钢。 其中碳含量很低，避免形成硬质碳化物（日本钢的碳含量标注为0.01%，我国标准标注为≤0.03%，如上图），这个元素成分给出了这个钢的类型为铁素体结构。
一般我们接触到的不锈钢大多是奥氏体或马氏体不锈钢。 前者柔软、坚韧、无磁性，典型如不锈钢锅碗瓢盆； 后者硬、脆且有磁性，通常如不锈钢刀。 铁素体不锈钢的机械性能介于两者之间，这样可以兼顾笔尖钢的强度和韧性要求。 它在加工和使用过程中必须保持其形状不变形，并且必须始终紧紧地“抱住”球而不受任何应力。 开裂。 添加硫、铅、铋等元素，使钢更脆，从而改善其切削加工性。
。 但以笔尖钢为代表的易切削钢却反其道而行之，刻意添加普通钢中不必要的元素，形成大量均匀分布的夹杂物。 夹杂物的控制是易切削钢的核心技术难点之一。
在突破成分设计和冶炼工艺难点后，后续的轧制和加工工艺仍然充满困难。
在太钢不锈钢线材厂易切削钢，方钢坯通过钢坯轧机的不同孔往复轧制成截面更小的圆钢坯。
，粗钢坯就变成了五到六毫米粗的钢丝。 轧制过程除了减小钢材的直径外，还使钢丝内部发生充分的变形，细化晶粒，使颗粒在截面上均匀分布，并沿纵向呈链状分布。 ，提高材料的切削加工性。 然而，硫会使钢在高温下变脆，如果不小心，钢坯在轧制过程中就会破裂。 易切削钢的热轧也并不简单。
接下来，（较粗的钢丝在拉力的作用下，从较细直径的拉丝模孔中拉出），就成为直径一两毫米的笔尖用不锈钢丝，其结构和性能钢材进一步优化。
在两次拉拔之间，进行连续光亮退火，即将钢丝在氢气和氮气的混合物（由氨分解而得）的保护下加热到1000℃左右。 氢气的还原作用避免了钢丝表面的氧化，使退火后的钢丝表面发亮，故名光亮退火。 退火后必须快速冷却，以防止钢中的碳析出形成硬质碳化铬。 （上图为光亮退火炉出口处的氢气燃烧火焰，用于密封炉口，维持炉内还原气氛）
最后，对线材进行轻微的拉拔处理，以达到最终的精确尺寸并达到满足强度和切削性能要求的良好表面光洁度。 每次拉动时必须精确控制力。 力太小，变形不足； 如果用力过大，电线可能会断裂。 同时，还要保证钢丝各处尺寸和性能均匀，表面不能被划伤。 每一个工艺参数的背后都是无数次的试验，无数批次的报废试验品，以及无数的金钱和精力的投入。
网上流传着这样一种说法，“太钢生产的一炉笔尖钢，可以满足全世界一年的需要，可以让所有国外厂商破产”。 事实上，经核实，这是网友开的玩笑。
本文我是从下村特精工官网截取的日本钢材信息。 生产笔尖钢的日本公司显然表现不错。
虽然每支笔的笔尖很小，但每年生产数百亿笔需要千吨笔尖钢，再加上其他精密加工用途（上面提到的医疗设备和硬盘）的用量，太钢有一座笔尖炉钢铁只能冶炼几十吨，所以网上的传言显然不靠谱。 目前，我国仍需要大量进口笔尖钢。 2019年，太钢负责笔尖钢开发的技术人员接受采访时表示，在生产一致性和稳定性方面，太钢与经验积累深厚的日本企业还有差距，太钢也在投入。 在竞争中开发出新一代钢笔尖。
当然，这也是事实，中国实现笔尖钢国产化后，日本钢笔尖钢的价格下降了四分之一。 按每吨10万元以上的原价和每年1000吨的进口量计算，每年至少可为我国制笔行业节省2000万元以上。 对于我国制笔行业来说，行业利润总额只有10亿元左右（2019年规模以上制笔企业全年利润总额9.3亿元），已经不是一笔小数目了。 一方面，这说明关键材料的突破对于我国经济和工业的巨大支撑作用； 另一方面，也赤裸裸地展现了发达国家通过垄断高端材料等产业链关键环节获取的高额利润。
全球每年数千吨笔尖钢的需求仅占据日本大同特殊钢、下村特殊精工等公司几周的产能。 作为全球顶尖的高端特殊钢生产商，主营不锈钢、易切削钢、合金钢和工具。 钢铁等领域拥有雄厚实力。 能够在笔尖钢上推翻日本钢铁企业，是我国钢铁工业的重大突破，但我们也应该认识到，在很多关键材料领域还有很长的路要走。
据海关数据显示，2019年，我国进口易切削钢冷弯或冷加工棒材（商品编码）3.1万吨，进口价值5000万美元； 出口量6800吨，出口额630万美元。 从进出口数量和单价对比来看，我国高端易切削钢差距明显。 日本在易切削钢领域还是有很强的实力，但也要看到我们进步很快：我查了2022年的最新数据，进口2.5万吨，5490万美元，出口2.7万吨，3350万美元以美元计算，进出口差距明显缩小。
今天的产业分工已经高度细化。 外国跨国公司可以在全球范围内配置产业链。 但要想摆脱“组装厂”的低端定位，建立起自主主导的先进产业体系和国际分工体系，就必须突破市场垄断、专利壁垒和技术封锁，找到出路。
除了航空发动机、芯片等大家熟知的“明星”产品外，还有很多技术含量高但只在特定领域有少量需求的特殊产品需要攻克。 在这些细分领域，发达工业国家往往有几十年、�**倌甑幕郏环α煜鹊囊喂诰笠担� 而在新中国成立以来我们快速的工业化进程中，由于有太多重大、广泛的工业问题需要解决，我们只能把重点放在国防和工业上最迫切需要、最有效的领域。 难免出现一些细分领域投入不足、积累不足甚至空白的情况。 这样的比较或许会让我们陷入“中国vs全世界”的悲观境地，但随着我们逐渐爬上全球产业链的顶端，大部分容易克服的�**家丫饩隽耍Ｏ碌囊捕冀饩隽恕Ｒ欢ê苣丫捉馈� 这个硬坚果也一定是发达国家死守工业高地、限制我们发展的重要抓手。 我们别无选择，只能全面突破，解决大部分相关材料和核心部件的“卡壳”问题。
那么，回到最初的问题，钢笔尖钢的研发有意义吗？
如果只专注于圆珠笔的生产，笔尖钢的战略价值当然会非常有限。 但请不要忘记，笔尖钢代表的是超易切削不锈钢，是许多精密加工场合中不可或缺的关键材料。 然而，“笔尖钢”这个名字却因广泛的报道而家喻户晓，而更多的同类则在我们看不到的地方默默地工作着。 开发笔尖钢并不容易。 其他要求更高场合使用的钢材是否可以凭空开发出来？ 通过笔尖钢积累的超易切削不锈钢研发生产技术和经验，今天应用在圆珠笔上，明天可以造福国内医疗器械和电子产品。 或许后天，它们就能成为战略精密仪器中不可或缺的存在。 零件。
我想这就是“完整的工业体系”的含义。 点点滴滴、点点滴滴，每一项单一技术的突破，都可以带动产业链上下游的发展，也可以以“平行方式”横向拓展到其他领域。 只有通过无数次的纵横交错，才能编织出一张坚固而严密的网络，为大国使用武器扫清各种看得见的、看不见的、可预见的、意想不到的技术�**�
当我们受到鼓舞时，当我们呼吁和平时，请不要忘记为那些看似不起眼的技术突破鼓掌。 无数的企业为工业体系奠定了坚实的基础。