氧化锆陶瓷笔珠的性能测试

    席小庆，杨金龙，曾科
清华大学材料系新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京100084

    杨景
邯郸勇龙邦大新材料有限公司，河北省056000

    本文通过扫描电子显微镜(SEM)观察了笔珠用氧化锆陶瓷(3Y-TZP)和碳化钨合金(WC)的显微形貌，采用CS400接触角仪测试了不同笔珠材料与油墨(墨水)的亲和性能，并对铜合金、不锈钢等笔座上所装配的陶瓷笔珠进行了划线检测。结果表明氧化锆陶瓷笔珠结构致密、晶粒均匀细小，且对油墨(墨水)亲和性能优良，书写划线长度达到国标要求的2～4倍。

    近二十年来，我国圆珠笔制造行业取得举世瞩目的发展，生产规模和出口量已跃居世界第一。圆珠笔书写性能的好坏主要取决于笔头和油墨的质量，笔头质量包括笔头本身的结构以及球座、球珠与油墨(墨水)的配合。笔珠作为笔头的重要组成部分，其选材和配合性能却很少被讨论。氧化锆陶瓷是近年发展起来的高性能新型陶瓷材料，其力学和化学性能优良。随着我国高技术陶瓷产业的迅速发展，陶瓷笔珠的加工技术已经取得突破。目前，邯郸勇龙公司的陶瓷笔珠加工精度达到+0．00imm，圆度公差<0．2um，表面光洁度Ra<12nm，完全达到笔珠的精度要求，是目前认为最有可能替代碳化钨笔珠的新型材料。本文根据笔珠材料的性能要求，对氧化锆陶瓷和碳化钨合金材料进行了对比测试分析。

一、笔珠材料的显微结构分析

    碳化钨合金是目前应用最广的笔珠材料。碳化钨笔珠采用粉末冶金技术制造，是由难熔金属硬质化合物与粘结金属经烧结形成的以碳化钨为基体的合金，其金相组织为碳化钨相和粘结相。纯氧化锆(Zr02)存在三种晶型，由于在不同温度区域相互转化时伴随有一定的体积变化，因此并无太多的二工程实用价值。四方氧化锆多晶体(TZP)是一种四方相氧化锆单相材料。3Y-TZP陶瓷是以氧化钇作为稳定剂的四方氧化锆多晶体，稳定剂Y203的含量在1．75—3．5％(moL)之间，其强度和断裂韧性分别高达l.5GP和15MP·ml／2，是目前陶瓷材料中室温力学性能最高的一种，素有陶瓷钢之称。已广泛应用于苛刻负载条件和严酷工业环境下，因此也被认为是替代碳化钨笔珠的最佳材料。

    图1是邯郸勇龙公司所生产氧化锆陶瓷(3Y-TZP)笔珠的断面和表面显微照片，图2是上海某公司生产的碳化钨合金笔珠的断面显微照片。

    由图--2照片可以看出，氧化锆陶瓷(3Y-TZP)显微结构均匀致密，均为细小等釉状晶粒，晶粒大小全部在0．3～0．5um之间。图一2中可以观察到碳化钨晶粒被粘结相所充填和包围，晶粒大小不均，较大的片状晶粒达到3．0—5．0μm。

    由于氧化锆陶瓷晶粒较碳化钨材料细小均匀，加工后的球珠表面可以达到很高的表面光洁度，对于笔座碗口磨损小。同时，氧化锆陶瓷还具有绝缘性能
好、无磁性的特点，可以避免笔珠滚动摩擦所产生的电化学腐蚀，有效减少笔座的损伤。因此氧化锆陶瓷笔珠便于保持碗口间隙的稳定，能够达到书写长久，划线均匀，手感细腻的目的。

二、笔珠材料与油墨(墨水)的亲和性能测试

    圆珠笔书写时，笔珠受到切向摩擦力的作用在球座中滚动，粘附、携带油墨(墨水)转移到纸张表面完成书写过程。油墨(墨水)与所接触的零部件良好的配合是书写连续、出墨均匀的前提。根据流体力学中有关输运条件的描述，要使运动的固体表面和液体迅速达到平衡，需要液固之间有较好的亲和性。

    在油墨(墨水)、笔珠、空气的交界处，沿固体壁与液体接触的表面做一切面，此切面与液体内部的固体壁所夹的角度。为固、液材料的接触角。如图一3所示。当。为锐角时，液体浸润固体，当。为钝角时液体不浸润固体。浸润-与否决定于液体与固体的性质，浸润性越好，液体在固体表面的亲和性能越好，液体越容易附着于固体表面。本文采用CS400接触角仪器在室温下对不同球珠材料和墨水(油墨)的接触角进行了测量，同时测试的还有另外两种具有良好力学性能和化学稳定性的陶瓷材料，以供对比参考，结果见表--1。

   从表一l可以看出，陶瓷材料与油墨或墨水的接触角均小于碳化钨合金，这是由于材料本身的性质所决定的。其中氧化锆陶瓷与油墨(墨水)的接触角最小，因此油墨(墨水)对氧化锆陶瓷笔珠的附着性能最好，书写时最容易带出油墨，达到书写顺畅，出墨均匀的效果。

    三、氧化锆陶瓷笔珠的书写性能检测

    铅黄铜、镍白铜、不锈钢是目前最常用的笔座材料，本文采用邯郸勇龙公司生产的0．5mm陶瓷笔珠与不同材质笔座进行了装配，并在国家制笔检测中心进行了划线检测，表一2是各种笔头的实际划线长度。

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│      │    │    检测结果(m)                                                                       │
│  笔座│墨水│                                                                                      │
│      │    ├───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┤
│      │    │    1 │    2 │    3 │    4 │    5 │    6 │    7 │    8 │    9 │    10│平均值│
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│铅黄铜│中性│564   │593   │575   │569   │671   │627   │577   │568   │589   │666   │  600 │
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│      │中性│2211  │2183  │2175  │2166  │2219  │2194  │2237  │2208  │2216  │2235  │2204  │
│镍白铜│    │      │      │      │      │      │      │      │      │      │      │      │
│      ├──┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤
│      │水性│1313  │1274  │1181  │1243  │1195  │1301  │1186  │1207  │1215  │1217  │1233  │
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│不锈钢│中性│2031  │2069  │2087  │2117  │2102  │2048  │2093  │2101  │2027  │2111  │  2079│
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    从表一2可以看出，各种材质笔座与氧化锆陶瓷笔珠配合，划线长度均得

到明显提高。铅黄铜具有良好的机械加工性能，价格低廉，但存在应力腐蚀的缺点，与陶瓷笔珠配合的中性笔，平均划线长度达到600m，完全复合国标的要求。镍白铜与陶瓷笔珠装配的笔头划线长度达到2200m，成为替代价格较高的不锈钢笔头的最佳选择。氧化锆陶瓷笔珠不仅可以应用于不同材质的笔座，而且适用用于各种油墨(墨水)，因此氧化锆陶瓷笔珠具有普适性。

四、结论

    l、氧化锆陶瓷笔珠显微结构致密，晶粒细小均匀，表面加工精度高，对笔座磨损小，笔座间隙稳定，划线均匀，书写长久；

    2、氧化锆陶瓷笔珠与油墨(墨水)的亲和性能最好，书写时容易带出油墨，书写顺畅，出墨均匀；

    3、经与不同笔座材料配合测试，氧化锆陶瓷笔珠的划线长度明显优于传统材质，且对各种材质的笔座和油膜（墨水）具有普适性。

2006年08月31日