CN106756858B - 一种圆珠笔笔珠的表面改性方法 - Google Patents

一种圆珠笔笔珠的表面改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种圆珠笔笔珠的表面改性方法，包括：对笔珠进行表面初步清洗；在表面清洗后的笔珠表面进行表面深度清洗、抛光，并在清洗、抛光过程中进行超声振荡；对表面深度清洗、抛光后的笔珠进行离子注入，并在离子注入过程中进行超声振荡。本发明提供的方法，主要是利用MEVVA离子注入设备在笔珠表面注入高能金属离子或者非金属离子，实现笔珠表面强化，增强不锈钢“笔珠”的耐磨性，提高圆珠笔的使用寿命。通过离子注入能够明显提高笔珠表面硬度，降低笔珠的滚动摩擦力，能得到比碳化钨更低的摩擦系数。且MEVVA离子注入设备束流直径可达800mm，因此可实现笔珠大批量的处理，成本低，效率高。

Description

一种圆珠笔笔珠的表面改性方法
技术领域
本发明涉及圆珠笔制造技术领域，尤其涉及一种圆珠笔笔珠的表面改性方法。
背景技术
中国人是世界上最早发明纸张并在其上采用笔墨书写文字的国家。我们的祖先发明了毛笔和纸张，成为中国传统文化的一个重要组成部分。然而，当今我们经常使用的书写工笔—圆珠笔，来源于国外。
现有的圆珠笔的工作原理：在大气的压力和油墨的重力的双重作用下，笔芯里的油墨流向笔头的球座里，黏附在球珠上。圆珠笔的书写原理，是利用圆珠在书写时与纸面直接接触产生的摩擦力，使圆珠在球座内滚动，带出塑料笔芯内的油墨(墨水)，形成字迹。
圆珠笔头上的“圆珠”，目前仍然需要进口。中国造不了圆珠笔的笔尖，笔尖是由两个核心部件组成：金属圆珠、和锥形的金属底座(也可称之为球座或笔托)。圆珠是个纯粹的圆球，但球座不是简单的碗状，而有着各种细小沟槽，加工过程非常复杂，对精度的要求也十分高。由于书写时需要承受很大的压力，笔尖的圆珠需要采用非常坚硬耐磨的材料制成。目前最常用的材料是不锈钢和碳化钨。后者的质量好，使用时间再长写起来都也很流畅，但碳化钨硬度太高加工起来很困难，加工成本很高。不锈钢相对于碳化钨而言硬度低、不耐磨，圆珠笔的寿命而大大降低。
本发明就是针对国家缺少实用性圆珠笔珠生产核心技术的现状，提出一种实用性圆珠笔球的研制方法，弥补我们在生产实用性圆珠笔球上的空白，为国家节约外汇，造福中国老百姓。
发明内容
本发明采用离子注入技术对已加工好的不锈钢“笔珠”进行改性，使其硬度增大，耐磨损，达到现有国外进口圆珠笔珠所应有的性能和参数。
鉴于此，本发明实施例提供了一种圆珠笔笔珠的表面改性方法，包括以下步骤：S110，对所述笔珠进行表面初步清洗；S120，在表面清洗后的笔珠表面进行表面深度清洗、抛光，并在清洗、抛光过程中进行超声振荡；S130，对表面深度清洗、抛光后的笔珠进行离子注入，并在离子注入过程中进行超声振荡。
优选地，利用气体离子源对所述笔珠表面进行表面清洗抛光。
进一步优选地，所述离子源为霍尔源。
优选地，在进行表面离子注入过程中，进行加热处理。
优选地，所述离子注入的注入元素为金属元素Ti、Cr、C、Co或Hf。
优选地，所述离子注入设备为金属蒸气真空弧MEVVA离子注入设备。
优选地，离子注入时的束流强度为5-20mA；离子注入时的剂量为1×1016-1×1018/cm2；注入能量为10-100KeV。
优选地，离子注入时的注入深度为10-800nm。
优选地，离子注入时的束流直径为800mm。
相对于现有技术，本发明实施例具有以下优势：
(1)通过离子注入能够明显提高笔珠表面硬度，降低笔珠的滚动摩擦力，能得到比碳化钨更低的摩擦系数。
(2)MEVVA离子注入设备掺杂金属或碳离子的浓度不受固溶度饱和的限制，可达到常规方法无法实现的掺杂浓度。
(3)用MEVVA离子注入技术原则上可注入所有的金属元素。
(4)MEVVA注入离子在笔珠的深度和浓度分布可精确控制。
(5)MEVVA注入离子时笔珠的温度可选择，既可高温掺杂，又可在常温或低温下掺杂。
(6)MEVVA离子注入技术对笔珠可实现大批量处理，成本低、效率高。
附图说明
构成本发明实施例部分的附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明实施例提供的圆珠笔笔芯结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种圆珠笔笔珠表面改性的流程示意图；
图3为圆珠笔笔珠耐磨性性能实验示意图；
图4为未进行表面改性的不锈钢“笔珠”与不锈钢钢片对磨后，笔珠表面光学形貌图；
图5为不锈钢“笔珠”C离子注入改性后与不锈钢钢片对磨后，笔珠表面光学形貌示意图；
图6为碳化钨笔珠与不锈钢钢片对磨后，笔珠表面光学形貌示意图。
附图标记说明:
1—笔芯本体； 2—笔墨； 3—笔托； 4—笔珠；
5—球磨机； 6—不锈钢钢片。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明，但并不意于限制本发明的保护范围。
此外，还需要说明的是，本部分对本发明实验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
实施例一
图1为本发明实施例提供的圆珠笔笔芯结构示意图，如图1所示，圆珠笔的笔芯包括笔芯本体1、笔墨2、笔托3及笔珠4，在使用书写过程中，笔珠4与纸面直接接触产生摩擦力，使笔珠4在笔托3内滚动，带出笔芯本体1内的笔墨3，形成字迹。但不锈钢硬度低，不耐磨，使得“笔珠”以不锈钢为基材的圆珠笔寿命不高，本实施例提供了一种圆珠笔笔珠的表面改性方法，首先对以不锈钢为基材的“笔珠”进行初步清洗和深度清洗，然后进行离子注入，增强不锈钢“笔珠”的耐磨性，提高圆珠笔的使用寿命。图2为本发明实施例提供的一种圆珠笔笔珠表面改性的流程示意图，如图2所述，所述方法包括以下步骤：
S110，对笔珠进行表面初步清洗。
在一个示例中，为去除笔珠表面的油污，对笔珠表面进行初步清洗，可选地，在有机溶剂中对其进行超声清洗，例如，在无水乙醇或丙酮中对其进行超声清洗。
S120，在表面清洗后的笔珠表面进行表面深度清洗、抛光，并在清洗、抛光过程中进行超声振荡。
在一个示例中，为去除笔珠表面的灰尘、大颗粒以及步骤S110中未去除的残余油污，对笔珠表面进行深度清洗。具体地，将初步清洗后的笔珠放置在真空室内的样品台上，然后通过气体离子源对其表面进行清洗，即通过气体溅射进行表面清洗，例如，通过霍尔源对笔珠表面进行清洗，即通过霍尔气体离子源对笔珠表面进行清洗。需要说明的是，为笔珠清洗的彻底性，在清洗过程中，需要样品台伴随超声振荡，以保障笔珠各部分都能得到清洗。作为一种可选实施方式，处理时间为0-30min，优选为20-30min。在处理过程中，气体离子源束流为200-300mA。深度清洗，不但能去除笔珠表面的杂物，还起到了抛光作用，使其表面更光滑，降低摩擦系数，而且可以提高后续离子注入形成的膜层与笔珠的结合力。
S130，对表面清洗、抛光后的笔珠进行离子注入，并在离子注入过程中进行超声振荡。
具体地，利用高能金属离子或者非金属离子对笔珠进行表面注入，实现表面强化，提高笔珠表面硬度，降低摩擦系数。
在一个示例中，利用离子注入方法对表面清洗、抛光后的笔珠进行离子注入，具体为进行金属离子注入，在此过程中，离子注入设备优选为金属蒸气真空弧(Metal ValueVapor avc，MEVVA)离子注入设备。注入元素，在原则上，可注入所有导电金属元素，优选为Ti、Cr、C、Co、Hf等元素。在一个可行实施方式中，离子注入时的束流强度为5-20mA，优选为10-15mA；离子注入时的剂量为1×1016-1×1018/cm2；注入能量为10-100KeV。优选地，离子注入时的注入深度为10-800nm。MEVVA离子注入设备进行离子注入时的束流面积大，其束流直径可达800mm，因此可实现笔珠大批量的处理，成本低，效率高。
需要说明的是，为笔珠离子注入的均匀性及全面性，需要在样品台伴随超声振荡，以保障笔珠各部分都能注入元素。
另外，MEVVA离子注入设备在注入离子时，笔珠的温度可选择，即可以实现高温掺杂，也可以在常温或低温下掺杂。若为高温掺杂，可在离子注入时，在样品台下设置加热槽，或在真空室内设置加热管，对笔珠进行加热，例如，笔珠可在25℃～500℃范围内进行离子注入，有利于离子向笔珠深处扩散，使其耐磨性能更好，圆珠笔的使用寿命更长。
本实施例提供的提高圆珠笔笔珠表面硬度，降低摩擦系数的方法，主要是利用MEVVA离子注入设备在笔珠表面注入高能金属离子或者非金属离子，实现笔珠表面强化，增强不锈钢“笔珠”的耐磨性，提高圆珠笔的使用寿命。MEVVA离子注入设备掺杂金属离子或碳离子的浓度不受固溶度饱和的限制，可达到常规方法无法实现的掺杂浓度，且注入的离子在笔珠的深度和浓度分布也可精确控制，除此之外，因其在进行离子注入时的束流面积大，其束流直径可达800mm，因此可实现笔珠大批量的处理，成本低，效率高。
为更好的体现利用本发明提供的技术方案，笔珠能获得更好耐磨性能，对未进行离子注入的笔珠、离子注入的笔珠及以碳化钨为基材的“笔珠”进行性能比较，其中，未进行离子注入的笔珠和进行离子注入的笔珠均以不锈钢为基材。
需要说明的是，上述三种笔珠均对其进行耐磨性实验，并观察其实验后笔珠表面光学形貌，以及质量磨损情况。图3为圆珠笔笔珠耐磨性性能实验示意图，如图3所示，实验装置为球磨机5，在实验过程中，笔珠4固定，不锈钢钢片6随转盘不停旋转，上述三种笔珠均与未处理的不锈钢钢片进行对磨，测其耐磨性能。其中，对磨实验时的条件相同，比如，对磨时间相同。
实施例二
选取不锈钢为基材的“笔珠”，标记为Ball1，不对其进行表面改性，将其与未处理的不锈钢钢片进行对磨，测其耐磨性能，然后与离子注入的笔珠及以碳化钨为基材的“笔珠”进行性能比较，结果如表1所示。其中，图4为未进行表面改性的不锈钢“笔珠”与不锈钢钢片对磨后，笔珠表面放大400倍后的光学形貌图。
实施例三
选取不锈钢为基材的“笔珠”，标记为Ball2，利用实施例一提供的方法，对其进行表面改性处理，实施步骤如下：
S110，初步清洗：
在无水乙醇中对笔珠进行超声清洗，初步去除笔珠表面油污。
S120，深度清洗、抛光：
将初步清洗后的笔珠放入真空室内的样品台上，霍尔气体离子源对笔珠进行表面清洗，同时样品台伴随超声振荡。注入条件为：霍尔气体离子源的束流为260mA，处理时间为26min。
S130，离子注入：
利用MEVVA离子注入设备对笔珠进行表面离子注入，具体注入元素为C元素，注入能量为60KeV，注入剂量为1×1017/cm2。
后续对上述处理后的笔珠进行耐磨性能测试和分析，然后与未离子注入的笔珠及以碳化钨为基材的“笔珠”进行性能比较，结果如表1所示。其中，图5为不锈钢“笔珠”C离子注入改性后与不锈钢钢片对磨后，笔珠表面放大400倍后的光学形貌示意图。
实施例四
选取碳化钨为基材的“笔珠”，标记为Ball3，不对其进行表面改性，将其与未处理的不锈钢钢片进行对磨，测其耐磨性能，然后与未离子注入的笔珠及离子注入的笔珠进行性能比较，结果如表1所示。其中，图6为碳化钨笔珠与不锈钢钢片对磨后，笔珠表面放大400倍后的光学形貌示意图。
表1
由图4-图6，并结合表1可知，未处理的不锈钢“笔珠”Ball1磨损最严重，以碳化钨为基材的Ball3“笔珠”次之，经过离子注入的不锈钢“笔珠”Ball2磨损最轻。经过离子注入处理后的不锈钢“笔珠”其耐磨性提高了3倍多，是以碳化钨为基材的“笔珠”耐磨性的2倍。即，经过本发明提供的表面改性方法，能非常显著的提高以不锈钢为基材的“笔珠”的硬度，增强不锈钢“笔珠”的耐磨性，提高圆珠笔的使用寿命。
本实施例提供的提高圆珠笔笔珠表面改性方法，主要是利用MEVVA离子注入设备在笔珠表面注入高能金属离子或者非金属离子，实现笔珠表面强化，增强不锈钢“笔珠”的耐磨性，提高圆珠笔的使用寿命。通过离子注入能够明显提高笔珠表面硬度，降低笔珠的滚动摩擦力，能得到比碳化钨更低的摩擦系数，能弥补我们在生产实用性圆珠笔球上的空白，为国家节约外汇，造福中国老百姓且MEVVA离子注入设备束流直径可达800mm，因此可实现笔珠大批量的处理，成本低，效率高，非常适合工业化大批量生产。
需要说明的是，尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解为本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种圆珠笔笔珠的表面改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
S110，对所述笔珠进行表面初步清洗；
S120，在表面清洗后的笔珠表面进行表面深度清洗、抛光，并在清洗、抛光过程中进行超声振荡，过程中样品台伴随超声振荡；
S130，对表面深度清洗、抛光后的笔珠进行离子注入，并在离子注入过程中进行超声振荡，过程中样品台伴随超声振荡；
所述离子注入设备为金属蒸气真空弧MEVVA离子注入设备；
所述笔珠材质包括不锈钢；
所述离子注入过程中，离子注入的元素包括金属元素Ti、Cr、C、Co或Hf；注入时的束流直径为800mm；离子注入时的束流强度为5-20mA；离子注入时的剂量为1×1016-1×1018/cm2；注入能量为10-100KeV。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用气体离子源对所述笔珠表面进行表面清洗抛光。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述离子源为霍尔源。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行表面离子注入过程中，进行加热处理。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，离子注入时的注入深度为10-800nm。
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