Sản xuất bởi: Science Popularization China
Sản xuất bởi: Vivian (Đại học Hàng không và Du hành vũ trụ Bắc Kinh)
Nhà sản xuất: Trung tâm thông tin mạng máy tính, Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc
Một trong những lý do khiến tôi mong chờ đến ngày tựu trường khi còn nhỏ là để có thể mua đồ dùng học tập mới. Nhiều người không biết rằng những đồ dùng văn phòng phẩm trông bình thường này thực chất lại sử dụng công nghệ đặc biệt.
Nguồn hình ảnh: veer gallery
Làm bút bi có khó không?
Lý do bút bi có thể phun mực trơn tru là vì trong quá trình viết, viên bi nhỏ ở đầu bút bi lăn dưới lực ma sát sinh ra khi tiếp xúc với giấy, từ đó đẩy mực trong lõi bút ra ngoài để tạo thành nét chữ viết tay.
Nói một cách đơn giản, cấu trúc của đầu bút bi là nhúng một viên bi vào phía trên của ổ bi để viên bi có thể quay trơn tru và không dễ rơi ra khỏi ổ bi.
Tuy nhiên, thiết kế đơn giản như vậy lại đặt ra yêu cầu rất lớn cho các quả bóng.
Đầu bút bi (Nguồn ảnh: Veer Gallery)
Có ba khó khăn kỹ thuật chính trong việc sản xuất đầu bút bi. Trước hết, để đảm bảo trải nghiệm viết mượt mà, sự vừa vặn giữa bi và bệ bút là rất quan trọng. Khoảng cách giữa quả bóng và đế bóng là khoảng 5 micron. Nếu khe hở quá nhỏ, mực không thể chảy ra dễ dàng; nếu khe hở quá lớn sẽ gây rò rỉ mực và thậm chí làm bi rơi ra khỏi đầu bút.
Thứ hai, trong quá trình viết, do sự ma sát liên tục giữa viên bi ở đầu bút và tờ giấy nên khoảng cách giữa viên bi và bệ bi sẽ dần dần tăng lên. Theo thời gian, mực sẽ dễ rỉ ra khỏi các khe hở, ảnh hưởng đến việc viết.
Ngoài ra, đầu bút bi có độ chính xác gia công và lắp ráp cực kỳ cao. Bên trong ngòi bút có các bậc không đều và rãnh dẫn dầu để dẫn mực. Độ chính xác gia công của mỗi rãnh dẫn dầu phải đạt 1 micron.
Tất cả các yếu tố trên đặt ra yêu cầu cao hơn về hiệu suất vật liệu của bi bút bi.
Cấu trúc bên trong của đầu bút bi (Nguồn ảnh: Tài liệu tham khảo 1)
Tìm kiếm thép đặc biệt - "thép đầu bút"
Các vật liệu dùng để làm bút bi đã trải qua quá trình phát triển liên tục. Đồng thau chì và đồng trắng niken ban đầu về cơ bản đã bị loại bỏ do khả năng chống ăn mòn kém. Có nhiều thông số kỹ thuật vật liệu khác nhau, bao gồm bi thép không gỉ, bi cacbua vonfram và bi gốm. Trong số đó, thép không gỉ đã trở thành vật liệu được sử dụng phổ biến nhất cho đầu bút bi.
Loại thép được sử dụng trong bút bi có tên gọi đặc biệt là thép ngòi bút. Thép ngòi bút cần phải chống gỉ để chống lại sự ăn mòn của ngòi bút do dung môi, v.v. gây ra trong quá trình tiếp xúc lâu dài với mực.
Đồng thời, để đảm bảo độ ổn định của khe hở giữa bi và đế bi, thép ngòi bút cũng cần có tính chất chống mài mòn.
Trong quá trình gia công, mũi khoan carbide được sử dụng với tốc độ cao 30.000 vòng/phút, sai số gia công không được vượt quá 3 micron, đòi hỏi thép ngòi phải có tính chất cắt tốt. Đồng thời, tính năng dễ cắt cũng được thể hiện ở chỗ phoi cần phải được đập vỡ thành những mảnh nhỏ, chẳng hạn như phoi vỡ và phoi hình chữ C, để phoi thải có thể dễ dàng và nhanh chóng tách ra khỏi phôi, giảm trầy xước trên bề mặt để đảm bảo tính toàn vẹn của cấu trúc phức tạp của khoang bên trong đầu bút.
Dễ dàng loại bỏ các mảnh vụn và mảnh vụn hình chữ C (Nguồn hình ảnh: Tài liệu tham khảo 5)
Thép đầu bút là một loại thép không gỉ có tính cắt gọt tự do, là một loại thép đặc biệt được tạo ra bằng cách thêm một lượng nhất định các nguyên tố có tính cắt gọt tự do như lưu huỳnh, chì, phốt pho, v.v. vào thép không gỉ ferritic.
Cơ chế hoạt động của phần tử cắt tự do có thể được tóm tắt như sau: phần tử và các tạp chất mà nó tạo thành, vừa có thể hoạt động như chất bôi trơn giữa dụng cụ và thép, vừa hoạt động như điểm tập trung ứng suất khiến phoi giòn.
Các thành phần khác nhau hoạt động theo những cách hơi khác nhau. Ví dụ, nguyên tố chì có dạng một chất duy nhất dưới dạng các hạt hình cầu. Dưới tác dụng của nhiệt ma sát sinh ra trong quá trình cắt, phần tử chì có điểm nóng chảy thấp hơn sẽ nóng chảy và kết tủa, đóng vai trò bôi trơn trên bề mặt tiếp xúc. Nguyên tố lưu huỳnh có thể tạo thành tạp chất mangan sulfua với nguyên tố mangan trong thép, do đó ngăn cản tính liên tục của thép, làm cho phoi ngắn và dễ loại bỏ. Ngoài ra, mangan sunfua sẽ kéo dài dọc theo mặt cắt dưới tác động của lực cắt, cuối cùng làm giảm lực cản ma sát.
Trong quá trình cắt, các thành phần cắt tự do và các tạp chất chúng tạo thành có thể hoạt động như chất bôi trơn giữa dụng cụ và vật liệu.
Chinh phục ngòi bút thép "Made in China"!
Thép của bút bi được cấu thành từ hơn mười nguyên tố bao gồm carbon, silic, mangan, phốt pho, đồng và niken, và hàm lượng của mỗi nguyên tố là khác nhau. Những nguyên tố nào được chọn, lượng sử dụng của từng nguyên tố, thời điểm thêm từng nguyên tố, v.v., đều sẽ ảnh hưởng đến tính chất của thép.
Trong một thời gian dài, thành phần hóa học và các thông số kỹ thuật của thép ngòi bút được kiểm soát bởi các công ty ở Nhật Bản, Thụy Sĩ và các quốc gia khác.
Tuy nhiên, mặc dù không có sự hỗ trợ về mặt kỹ thuật và dự án gặp nhiều khó khăn, chúng tôi vẫn làm chủ được công nghệ này, phát triển thép ngòi bút trong nước và đạt được sản xuất hàng loạt thép ngòi bút trong nước vào năm 2017. Từ nay, thép ngòi bút sử dụng ở nước ta có thể tự hào mang logo "Made in China".
Nguồn hình ảnh: veer gallery
So với thép ngòi bút của nước ngoài, thép ngòi bút của chúng tôi có thành phần nguyên tố tương tự nhưng hàm lượng khác nhau, nhưng hiệu suất vẫn tuyệt vời.
Khi sử dụng bút bi, chúng ta có thể không nhận ra rằng đầu bút nhỏ như vậy đòi hỏi những đột phá về công nghệ để phát triển vật liệu. Chúng ta không chỉ cần hiểu cấu trúc vi mô của kim loại và biết chi tiết về cơ chế của chúng mà còn cần liên tục thu thập dữ liệu, điều chỉnh các thông số và thiết kế phương pháp quy trình để sản xuất ra các loại thép đặc biệt theo yêu cầu.
Chúng tôi không bao giờ nghĩ rằng chiếc ngòi bút nhỏ bé này sẽ phải trải qua quá trình thử nghiệm nghiêm ngặt khi viết liên tục hơn 800 mét mà không bị mất mực trước khi đạt tiêu chuẩn và xuất xưởng.
Đôi khi chúng ta cảm thấy nghiên cứu khoa học còn quá xa vời, nhưng chúng ta không nhận ra rằng nó đã thấm nhuần vào mọi khía cạnh của cuộc sống, chỉ chờ chúng ta giải mã mà thôi.
Tài liệu tham khảo:
(1) Quách Hoành Xương, Tô Quyên, Hoàng Cương. Tiến độ nghiên cứu vật liệu đầu bút bằng thép không gỉ cắt tự do[J]. Làm bút Trung Quốc, 2020(01), 11-18.
(2) Su Juan, Du Huiling, Guo Hengchang. Lớp bôi trơn trên bề mặt bi đầu bút bằng thép không gỉ và ảnh hưởng của nó đến hiệu suất viết [J]. Bôi trơn và làm kín, 2019, 44, 5, 83-89.
(3) C. Furusho, H. Takabayashi. Thép không gỉ loại Ferrite dùng để cắt tự do, ví dụ như ổ trục của thiết bị chính xác, chứa cacbon, silic, mangan, phốt pho, lưu huỳnh, đồng, niken, crom, molypden, vanadi, vonfram và titan, theo tỷ lệ khối lượng quy định. Số hiệu đăng ký chính của Derwent: 2017-78270T.
(4) H. Wang, J. Li, J. Zhai, D. Che. Thép không gỉ dùng làm đầu bút bi, bao gồm crom, nitơ, chì, telua, vanadi, niobi, niken, đồng, oxy, cacbon, silic, mangan, phốt pho, lưu huỳnh, sắt và một số tạp chất không thể tránh khỏi. Số đăng ký chính của Derwent: 2017-582091.
(5) Hạ Minh Triết. Nghiên cứu mối tương quan giữa hiệu suất cắt và cấu trúc vi mô của thép không gỉ cắt tự do đặc biệt[D]. Đại học Công nghệ Chiết Giang, 2016.
(6) Fu Wensheng, Shen Ping, Yang Qiankun, Zhang Dong, Yang Shufeng, Fu Jianxun. Khảo sát các thông số quy trình chính của thép đầu bút cắt tự do dựa trên phương pháp kỹ thuật đảo ngược[J]. 2019, 41, 91-97.
(7) Q. Yang, P. Shen, D. Zhang, Y. Wu, J. Fu. Phân tích thành phần và tạp chất của thép làm ngòi bút bi. Tạp chí quốc tế về khoáng sản, luyện kim và vật liệu, 2018, 25, 420-428.
