一、研究的背景与问题
我国是世界上最大的圆珠笔生产国和消费国，年产圆珠笔约150亿支，但作为原材料的高端圆珠笔头用易切削不锈钢材料曾长期依赖进口，属于典型的“卡脖子”材料。近年来，随着各国加强保护环境和爱护健康方面的倡导，人体可能直接接触的消费品均对铅含量提出了限量要求，如美国HR4040（美国生效消费品安全改进法案）、欧盟REACH法令、我国文具最新要求（GB21027-2020学生用品的安全通用要求），其中对铅（Pb）含量要求低于90ppm。与人体可能直接接触使用的消费品无铅化从趋势变为硬性标准。
为响应国际国内对笔头用不锈钢材料的环保要求，更多的关注环保，守护健康，开发环保无铅的圆珠笔头用不锈钢产品是我们义不容辞的责任。做好一颗看似普通的圆珠笔头，实则需要高精密尺寸、高切削性能、高耐蚀性能、高书写性能等多方面的要求，这些影响到消费者切身使用体验的关键点主要集中在圆珠笔头这种超易切削不锈钢材料上。从一段12mm长的实心不锈钢丝制作成结构复杂精密的圆珠笔头完全依靠切削加工，去除金属体积高达50%（笔头剖面及细节如图1所示），同时要满足高切削速度（20000转/分）和高加工精度（2μm）。所以若简单的去掉传统圆珠笔头用不锈钢材料中利于切削的铅元素会显著增加材料的切削加工难度，造成生产出来的圆珠笔头产品尺寸不稳定、机床加工刀具快速磨损，甚至无法加工等问题。而对于制作一个环保型圆珠笔头来说，切削加工是最基本要求，还需要满足环保生产、尺寸精密、顺畅书写、墨水匹配及安全无害的应用等多方面要求（图2）。
图1 圆珠笔头剖面结构及端部细节
图2 环保型圆珠笔头不锈钢要满足的各项效果
太钢在2016年参加了“十三五”国家重点研发计划中的制笔项目，承担新一代环保型无铅圆珠笔头用不锈钢的研制、产业化应用及示范生产线建设的任务。通过自主创新，设计开发出了一种兼具优异切削性能和耐蚀性能的新一代环保型无铅笔头用超易切削不锈钢，并提前超额完成了项目要求环保、切削及市场化应用等指标。
二、解决问题的思路与技术方案
项目提出了基于多元素耦合提高易切削性能的技术思想，采用一种可入药的环保元素替代铅元素作为辅助切削助剂的无铅成分设计思路，解决传统圆珠笔头用不锈钢不环保的问题，先期采用中间实验室，小型试验轧机等加工设备进行初步摸索基本数据。进行基础工作的研究，找准各项关键的冶炼、轧制指标水平，为规模化生产线提供重要依据。
在研究结果推向工业化生产过程中，创新的采用纯净铁水、纯净合金为原料，避免采用废钢原料和常规低品位合金冶炼可能带入外来有害物质造成的质量负面影响，该技术方案确保了成分的环保性。纯净原料经过千吨级产能的大容量转炉吹炼，再经过特殊的精炼手段获得需要的钢水，浇铸成坯，冶炼工艺示意图如图3所示。坯料再经过多重表面处理和多重冷热加工确保高表面质量和优异的组织性能，获得高质量的圆珠笔头用不锈钢产品。
图3 太钢环保型圆珠笔头用不锈钢的冶炼工艺
三、主要创新性成果
项目设计开发出了兼具优异切削性能和耐蚀性能的一种无铅型新一代环保型笔头用易切削不锈钢，通过多家权威第三方机构测试，有害元素铅的含量均未检出，该环保性能指标达到国际领先水平。
1、开发出了精准合金化工艺技术，解决了替代元素在钢中分布不均匀和收得率低的技术难题，设计了多元素的优化配比，并实现成分精准控制，替代元素冶炼收得率达60%，尚未见高于此数据的公开报道，处于行业领先水平。
2、设计了环保型圆珠笔头用不锈钢因含有特殊的易切削元素，采用常规工艺加工难度大，成材率低。项目开发了特殊的热、冷加工和热处理工艺控制材料组织性能技术，保证了钢丝高易切削性能，加工机床切削刀具寿命与进口材料水平相当。同时，解决了圆珠笔头用不锈钢制造过程表面易开裂的技术难题，大幅提高了生产成材率至常规不锈钢水平，其中热轧成材率稳定在95%以上，处于行业领先水平。
四、应用情况与效果
太钢环保无铅圆珠笔头用不锈钢与进口材料加工的圆珠笔头细节对比如图4所示，图4（左）为圆珠笔头加工前锥面纹理对比无差别，笔头后尾外圆及内孔加工面精度及粗糙度相当。图4（右）为加工300万颗笔头后的加工刀具对比情况，采用太钢材料与采用进口材料的加工刀具的磨损情况相当，实物质量达国际先进水平，优于部分进口材料和其他国产材料。该环保型无铅圆珠笔头用不锈钢较传统圆珠笔头用不锈钢的切削速度最高可提升20%，显著提升了笔头加工的生产效率。
图4太钢环保圆珠笔头用钢与进口钢材制作笔头（左）及工具（右）对比
通过多年试验及应用测试，取得成功后，太钢环保无铅圆珠笔头用不锈钢被国内多家知名文具企业采用，销量快速上涨，近年来销量增长情况如图5所示，2021年太钢圆珠笔头用不锈钢市场占有率达到40%，居国产材料市场占有率第一。
图5 太钢环保型圆珠笔头用钢国内市场占比
项目还获得相关授权发明专利11项，其中环保圆珠笔头用钢丝专利获得第二十五届全国发明展览会金奖，形成了一整套关键核心技术，使我国笔头用易切削不锈钢的生产和应用跻身世界一流水平。该项目的实施，解决了我国笔头用钢的“卡脖子”难题，为总理的“圆珠笔之问”交出了一份满意的答卷。
