Wie schwierig ist es, einen Kugelschreiber herzustellen? Ihre Schultasche aus Kindertagen enthielt tatsächlich Hightech

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Vivian (Universität für Luft- und Raumfahrt Peking)

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Einer der Gründe, warum ich mich als Kind auf den Schulanfang freute, war, dass ich mir neue Schreibwaren kaufen konnte. Viele Menschen wissen nicht, dass in gewöhnlich aussehenden Schreibwaren tatsächlich außergewöhnliche Technologie steckt.

Bildquelle: Veer Gallery

Ist es schwierig, einen Kugelschreiber herzustellen?

Der Grund für die gleichmäßige Tintenabgabe von Kugelschreibern liegt darin, dass beim Schreiben die kleine Kugel an der Spitze des Kugelschreibers durch die Reibung, die beim Kontakt mit dem Papier entsteht, rollt und so die Tinte im Stiftkern herausbekommt, um die Handschrift zu formen.

Einfach ausgedrückt besteht die Struktur einer Kugelschreiberspitze darin, dass oben in der Kugelaufnahme eine Kugel eingebettet ist, sodass sich die Kugel reibungslos drehen kann und nicht so leicht aus der Kugelaufnahme fällt.

Allerdings stellt eine solch einfache Konstruktion hohe Anforderungen an die Kugeln.

Kugelschreiberspitze (Fotoquelle: Veer Gallery)

Bei der Herstellung von Kugelschreiberspitzen gibt es drei wesentliche technische Schwierigkeiten. Um ein reibungsloses Schreiberlebnis zu gewährleisten, ist zunächst die Passung zwischen Kugel und Sitz entscheidend. Der Spalt zwischen Kugel und Kugelsitz beträgt ca. 5 Mikrometer. Wenn der Spalt zu klein ist, kann die Tinte nicht gleichmäßig herausfließen. Wenn der Abstand zu groß ist, kann es zu einem Auslaufen der Tinte kommen und sogar dazu, dass die Kugel von der Stiftspitze fällt.

Zweitens wird sich während des Schreibvorgangs aufgrund der ständigen Reibung zwischen der Kugel an der Spitze des Stifts und dem Papier der Abstand zwischen der Kugel und dem Kugelsitz allmählich vergrößern. Mit der Zeit tritt leicht Tinte aus den Zwischenräumen aus und beeinträchtigt das Schreiben.

Darüber hinaus weist die Kugelschreiberspitze eine extrem hohe Verarbeitungsgenauigkeit und Montagegenauigkeit auf. Im Inneren der Feder befinden sich unebene Stufen und Ölführungsrillen zur Führung der Tinte. Die Verarbeitungsgenauigkeit jeder Ölführungsnut muss 1 Mikrometer betragen.

Alle oben genannten Faktoren stellen höhere Anforderungen an die Materialleistung von Kugelschreiberkugeln.

Innerer Aufbau einer Kugelschreiberspitze (Bildquelle: Referenz 1)

Suche nach Spezialstahl - „Stiftspitzenstahl“

Die Materialien zur Herstellung von Kugelschreibern haben sich kontinuierlich weiterentwickelt. Frühere Bleimessing- und Nickelweißkupfersorten wurden aufgrund ihrer mangelnden Korrosionsbeständigkeit grundsätzlich eliminiert. Es sind verschiedene Materialspezifikationen verfügbar, darunter Kugeln aus Edelstahl, Wolframkarbid und Keramikkugeln. Unter diesen ist Edelstahl das am häufigsten verwendete Material für Kugelschreiberspitzen geworden.

Der in Kugelschreibern verwendete Stahl hat einen besonderen Namen: Federstahl. Der Stahl der Feder muss rostbeständig sein, um einer Korrosion der Kugel durch Lösungsmittel usw. bei längerem Kontakt mit Tinte vorzubeugen.

Um gleichzeitig die Stabilität des Spalts zwischen Kugel und Kugelsitz zu gewährleisten, muss der Federstahl auch über verschleißfeste Eigenschaften verfügen.

Bei der Bearbeitung wird ein Hartmetallbohrer mit einer hohen Drehzahl von 30.000 U/min verwendet, der Bearbeitungsfehler darf 3 Mikrometer nicht überschreiten, was gute Schneideigenschaften des Federstahls voraussetzt. Gleichzeitig spiegelt sich die leichte Schneidleistung auch darin wider, dass die Späne in kleine Stücke zerbrochen werden müssen, beispielsweise in gebrochene Späne und C-förmige Späne, sodass die Abfallspäne leicht und schnell vom Werkstück getrennt werden können, wodurch Kratzer auf der Oberfläche reduziert werden und die Integrität der komplexen Struktur des inneren Hohlraums der Stiftspitze gewährleistet wird.

Leicht entfernbare Späne und C-förmige Späne (Bildquelle: Referenz 5)

Stiftspitzenstahl ist eine Art Automatenstahl, ein Spezialstahl, der durch Zugabe einer bestimmten Menge an Automatenelementen wie Schwefel, Blei, Phosphor usw. zu ferritischem Edelstahl hergestellt wird.

Der Wirkungsmechanismus des Automatenelements lässt sich als das Element und die von ihm gebildeten Einschlüsse zusammenfassen, die sowohl als Schmiermittel zwischen dem Werkzeug und dem Stahl als auch als Spannungskonzentrationspunkt wirken können, um die Späne spröde zu machen.

Verschiedene Elemente funktionieren auf leicht unterschiedliche Weise. Beispielsweise liegt das Bleielement als Einzelsubstanz in Form kugelförmiger Partikel vor. Durch die beim Schneiden entstehende Reibungswärme schmilzt das Bleielement mit dem niedrigeren Schmelzpunkt und scheidet sich ab, wodurch es auf der Kontaktfläche eine Schmierfunktion übernimmt. Das Schwefelelement kann mit dem Manganelement im Stahl Mangansulfideinschlüsse bilden und dadurch die Kontinuität des Stahls blockieren, wodurch die Späne kurz und leicht zu entfernen werden. Darüber hinaus breitet sich Mangansulfid unter der Einwirkung der Schnittkraft entlang der Scherebene aus, was letztlich den Reibungswiderstand verringert.

Während des Schneidvorgangs können die frei schneidenden Elemente und die von ihnen gebildeten Einschlüsse als Schmiermittel zwischen Werkzeug und Material wirken.

Erobern Sie den Federstahl „Made in China“!

Der Stahl eines Kugelschreibers besteht aus mehr als zehn Elementen, darunter Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor, Kupfer und Nickel, und der Gehalt jedes Elements ist unterschiedlich. Welche Elemente ausgewählt werden, wie viel von jedem Element verwendet wird, wann jedes Element hinzugefügt wird usw. – all dies hat Auswirkungen auf die Eigenschaften des Stahls.

Die chemische Zusammensetzung und die technischen Parameter von Federstahl wurden lange Zeit von Unternehmen in Japan, der Schweiz und anderen Ländern kontrolliert.

Obwohl es keine technische Unterstützung gab und das Projekt schwierig war, gelang es uns dennoch, diese Technologie zu meistern, heimischen Federstahl zu entwickeln und 2017 mit der heimischen Massenproduktion von Federstahl zu beginnen. Von nun an kann der in unserem Land verwendete Stiftspitzenstahl stolz das Logo „Made in China“ tragen.

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Im Vergleich zu Federstählen aus anderen Ländern weisen unsere Federstähle ähnliche Elementzusammensetzungen, jedoch unterschiedliche Gehalte auf, ihre Leistung ist jedoch immer noch ausgezeichnet.

Wenn wir einen Kugelschreiber verwenden, sind wir uns möglicherweise nicht darüber im Klaren, dass für die Entwicklung der Materialien einer so winzigen Stiftspitze technologische Durchbrüche erforderlich sind. Wir müssen nicht nur die Mikrostruktur der Metalle verstehen und ihre Mechanismen im Detail kennen, sondern auch ständig Daten sammeln, Parameter anpassen und Prozessmethoden entwickeln, um die benötigten Spezialstähle herzustellen.

Wir hätten nie gedacht, dass die winzige Feder strengen Tests unterzogen werden müsste, bei denen über 800 Meter ununterbrochenes Schreiben ohne Tintenverlust erforderlich wären, bevor sie den Standards entspricht und das Werk verlassen kann.

Manchmal haben wir das Gefühl, dass die wissenschaftliche Forschung weit weg von uns ist, aber wir erkennen nicht, dass sie bereits jeden Aspekt des Lebens durchdrungen hat und nur darauf wartet, von uns entschlüsselt zu werden.

Quellen:

(1) Guo Hengchang, Su Juan, Huang Gang. Forschungsfortschritt bei freischneidbaren Stiftspitzenmaterialien aus rostfreiem Stahl[J]. Chinesische Stiftherstellung, 2020(01), 11-18.

(2) Su Juan, Du Huiling, Guo Hengchang. Schmierfilm auf der Oberfläche einer Kugelschreiberspitze aus Edelstahl und sein Einfluss auf die Schreibleistung [J]. Schmierung und Abdichtung, 2019, 44, 5, 83-89.

(3) C. Furusho, H. Takabayashi. Ferritischer Automatenstahl, beispielsweise für Lager von Präzisionsgeräten, enthält Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Kupfer, Nickel, Chrom, Molybdän, Vanadium, Wolfram und Titan in einem bestimmten Massenverhältnis. Derwent-Primärzugangsnummer: 2017-78270T.

(4) H. Wang, J. Li, J. Zhai, D. Che. Edelstahl für Kugelschreiberspitzen, bestehend aus Chrom, Stickstoff, Blei, Tellur, Vanadium, Niob, Nickel, Kupfer, Sauerstoff, Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Rest Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen. Derwent-Primärzugangsnummer: 2017-582091.

(5) Xia Mingzhe. Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Schneidleistung und Mikrostruktur von speziellem Automatenstahl[D]. Technische Universität Zhejiang, 2016.

(6) Fu Wensheng, Shen Ping, Yang Qiankun, Zhang Dong, Yang Shufeng, Fu Jianxun. Untersuchung der wichtigsten Prozessparameter von freischneidendem Stiftspitzenstahl basierend auf der Reverse-Engineering-Methode [J]. 2019, 41, 91-97.

(7) Q. Yang, P. Shen, D. Zhang, Y. Wu, J. Fu. Analyse der Zusammensetzung und Einschlüsse von Kugelschreiberspitzenstahl. Internationales Journal für Mineralien, Metallurgie und Materialien, 2018, 25, 420-428.