小小笔尖里的故事

一个1吨多重的钢锭,经过50多道工序的锤炼,加工成了直径只有2.3毫米的笔尖用钢,实现了一块钢的完美“塑形”,可以制成约300多万个圆珠笔头。

滴水折射太阳。小小笔尖里的研发故事,是全球不锈钢产业“巨头”——太原钢铁集团公司创新发展的一个缩影。

小小圆珠笔,吐墨书写,行云流水。笔尖看似简单,技术却很难。

中国有约3000家制笔企业、20多万从业人员,但生产的圆珠笔没有一支用的是“中国笔尖”,每年生产的三四百亿支圆珠笔笔尖上的球座体全部依赖进口。

基于此,有人发起“笔尖之问”:泱泱钢铁大国,为什么产不出属于自己的小小笔尖?

时间回溯到8年前。2011年,太钢与国内相关科研院所和制笔企业一起承担了国家级科研项目“制笔行业关键材料及制备技术研发与产业化”,太钢技术中心高级工程师王辉绵担纲笔尖钢材料研发负责人。

大学毕业后就从事技术工作,王辉绵和钢铁打了30年的交道。刚接到任务,他和团队成员怎么也无法将粗笨的钢铁与小小的笔尖联系起来。

“当时我国可以生产笔尖的球珠,但卡住球珠的球珠座却一直研制不出来。”王辉绵说,这个球珠座看似简单,里面结构却很复杂,笔尖里面有5条引导墨水的沟槽,加工精度都得达到千分之一毫米。而笔尖的开口厚度不到0.1毫米,需要恰到好处地卡住球珠,保证球珠笔头能在不同角度,连续书写800米以上。

团队成员车德会博士介绍说,“笔尖钢”的正式叫法是易切削不锈钢,这种钢既要能被加工设备“削铁如泥”,同时又不能“软烂如泥”。能否生产出合格的易切削不锈钢,微量特殊元素的最佳配比及精准添加是关键。但这项技术一直被国外企业垄断,属于他们的绝对机密。

“没有参考借鉴,一切都要从零开始。”太钢技术中心不锈钢二室主任张威说。笔尖钢的研发就是一个不断攻坚的过程。几年来,研发团队一直在苦心琢磨。一炉钢报废了,究竟是哪个环节出了问题,他们都会深入到生产一线,一个个疑点仔细核查,一个个细节紧紧盯住。

生活和生产,往往会相通。一个偶然的机会,“和面”的场景让王辉绵突发灵感,从而一举破解了长期困扰他们的配方难题。

在王辉绵眼里,钢水配比就好比“和面”,“面”要想和得软硬适中,就要加入“新料”。钢水里要加入微量元素“添加剂”,只要控制好配比,就能生产出融合均匀的“笔尖钢”。

从几百公斤的炼炉实验,到一两吨规模的小炉子,再到45吨和90吨的大炉子……功夫不负有心人,2016年9月,太钢宣布成功研发出可供应市场的笔尖钢材料,走出了一条不同于国外企业的技术路线。

太钢的笔尖钢投入市场后,国外笔尖钢价格应声而降,从每吨12万元一下子降到了9万元。刚开始,一些企业抱着“试试看”的想法订购了几十公斤,经过三个月生产周期,发现没问题后继续订购。而技术团队也没有闲着,他们跑加工车间,听市场反馈,遇到问题不断改进完善。

“笔尖钢全球需求稳定,我们的销量从最初的几十、几百公斤,增加到了几十吨。随着稳定性的不断提高,今年国内市场占有率有望达到5%左右,明年的目标是20%。”王辉绵说。

3年来,从填补国内空白到制定相关标准,再到成功研发新一代环保型新品,太钢笔尖钢走出了一条自主研发、具有低成本优势的创新之路,合作用户已涵盖80%以上的国内不锈钢笔尖专业生产企业。

笔尖钢的故事,正是太钢人坚持“闻新则喜、闻新则动、以新制胜”理念的生动写照。

太钢董事长高祥明说:“发扬笔尖钢攻坚精神,太钢持续研制了‘手撕钢’、高铁用钢、核电用钢、高端碳纤维等一大批‘高精尖特’产品,创新已成为企业发展的第一驱动力。”

由太钢牵头起草的《YB/T 4642-2018笔头用易切削不锈钢丝》行业标准正式实施,同时,太钢研发的新一代环保型笔头用不锈钢顺利通过测试。定“标准”,添新品,太钢笔头用不锈钢产品实现迭代升级。

“制笔行业关键材料制备技术研发与产业化”是国家“十二五”科技支撑计划,太钢作为主要参与企业,在大量基础性研究的基础上,于2016年研发成功国产笔头用不锈钢材料,填补了国内空白。以此为契机,太钢产销研团队紧紧围绕用户需求,不断超越自我,在工艺控制上持续加力,产品质量和保障能力快速提升,实现了稳定批量供货,合作用户涵盖80%以上国内不锈钢笔尖专业生产企业。

国外易切削钢的发展较早且迅速,1920年美国首次正式生产硫系易切削钢,后来英、苏、日、法等国也相继生产和使用,1937年美国一家研究所与内陆钢铁公司发表了铅易切削钢专利并生产出易切钢后,日本、德国才相继开始生产。

 从技术上讲,与普通不锈钢比较,最早的硫系易切削不锈钢为了获得好的切削性能,延伸率、断面收缩率和冲击韧性均有所下降,特别是由于夹杂物硫化锰的存在,使各向异性十分明显,横向塑性与韧性剧烈降低。而在冶金领域,钢材的性能改进最开始着手的便是改变合金元素成分,用其他元素来代替硫,进而改变钢材的组织,提高性能。

 1964年联邦德国首先研制成功钙易切钢,三年后引入日本。1969年日本金属材料技术研究所提出了第一项铅易切削钢专利,1972年日本发表铅脱氧调整的铅-硫复合易切钢专利。如今,全世界每年消耗易切削钢超过400万吨。 以日本为例,1940年开始生产和使用易切削钢,1960年仅为2.2万吨,1980年达82.2万吨,1990年代突破200万吨,平均年增长率都在10%左右。可见日本易切削钢的发展速度确实十分惊人。

 中国早期曾试用1Cr13Pb、2Cr14S、2Cr17MoS等不锈钢,后来又试制成功易切削不锈钢Y1Cr13。但我们的易切削材料的机械物理性能、切削性能和材质稳定性方面还比不上发达国家。例如美国采用Carpenter416不锈钢,日本生产的SF13和SF20T易切削不锈钢等多数进口材料仍明显优于国产材料,尤其是可切削性能,远远超越国产材料。目前,制笔材料中以日本产的SF20T易切削不锈钢性能最佳。