笔尖钢，不止于笔尖_风闻

马氏体-2022-04-02 16:17

2022-04-02

我国是制笔大国，每年圆珠笔产量400多亿支，但笔尖钢却长期依赖进口。在国家科研计划的支撑下，2015-2017年，国内江苏启东荣盛铜业有限公司、北京首钢吉泰安新材料公司和太原钢铁集团三家企业先后突破笔尖钢生产工艺，产品成功应用于国内知名制笔厂家，性能与进口产品水平相当，未来有望完全替代进口。这成为我国钢铁行业突破高端关键材料的典型案例，鼓舞着被“卡脖子”问题困扰的国人。

然而，质疑的声音也不绝于耳。圆珠笔，谈不上有多大的战略价值，并非关键的高科技“卡脖子”领域。与国内10亿吨的钢铁年产量相比，每年数千吨的笔尖钢需求量实在是微不足道，哪怕按照市场方式以10多万一吨的高价进口，也不会影响每年超万亿的国内钢铁市场。于是，花几千万经费去突破笔尖钢，就变成了典型的“政治任务”，是舍本逐末地投入无关紧要的领域，却无视芯片、航空发动机等被真正“卡脖子”的战略性领域。

事实真的如此吗？

那么，我们先要搞清楚，笔尖钢到底是什么钢。

首先要明确，笔尖钢是做笔头球座的（也就是笔头的金属“子弹头”），而不是笔头那颗珠子。

笔尖钢只是俗称，其专业称呼是“笔头用易切削不锈钢丝”，说明它具有两种关键特性：“不锈”和“易切削”。不锈就是要抵抗腐蚀而始终光亮如新；易切削是指它要经过十多道工序的微孔高速切削加工（8000～20000 rpm）才能被制成圆珠笔球座体，微结构加工精度要求在3 μm以内。由它制成的笔芯要求满足400m以上的划线检测合格，笔头不能出现开裂、腐蚀和明显磨损，例如0.5mm型号的笔头在书写过程，球座体磨损量超过25 μm将影响笔芯正常使用。

一种能够用每分钟上万转的机床加工到微米级精度的钢材、一种耐磨耐腐蚀的钢材，怎么看都不像只能用在圆珠笔这种“低端”场合。

以主要的进口笔尖钢品种——日本下村特殊精工株式会社生产的 SF20T、SF20F钢（稍后再介绍两者的区别）为例，在下村特殊精工的官网上，是这样介绍这两种钢的特征和的代表性用途的：

文具用品，显然就是指圆珠笔。

在医疗器械领域的应用，是利用这类钢的耐腐蚀性、耐磨性和易切削加工性，制成医疗器械中的精密零件。医疗器械，众所周知，是我国产业升级进程中的痛点之一。

至于这个“HDD”，它与电脑前的各位、与现代社会的关系，甚至比圆珠笔还要密切，因为它的全称是硬盘驱动器（Hard Disk Drive），其中马达的一些精密零件，就是由“笔尖钢”加工而成的，这也是因为“笔尖钢”具有优异的电磁性能。

当一种钢材被用于医疗器械、电子产品时，你还会觉得它只有“低端”应用吗？

事实上，“笔尖钢”绝对称得上是不锈钢中的隐形王者之一，具有不锈钢中几乎最好的切削加工性能(上图黄色高亮标注)，被称为“超易切削钢”，接近于以容易切削著称的黄铜，同时具有极佳的耐腐蚀性。

在笔头成型的高转速切削加工过程中，这种钢材具有自润滑性能，减少刀具磨损；切削产生的切屑呈颗粒状，易断易排出，避免形成长条连续带状物碎屑堵塞笔头出墨通道。这类超易切削不锈钢，做成笔尖不过是牛刀小试，它们更广阔的舞台，是被加工成微型轴、微型螺丝等精密零件，用于各类精密设备中。

（上图为普通钢材切削产生的切屑，不容易断裂脱落，显然会影响精密加工）

“笔尖钢”超易切削的特性，首先来源于它特殊的元素组成。

在一般钢材中，硫是有害的元素，会导致钢材变脆，要千方百计地脱除钢中的硫。但在“笔尖钢”中，反而利用硫的这种特性，通过加入一定量的（>0.2%）的硫，与钢中的锰形成微米尺寸的硫化锰夹杂物，打断了钢材微观结构的连续性，使得切削过程中钢屑更容易断裂脱落，从而减少刀具磨损，降低加工表面的粗糙度。与硫同族的元素碲（Te）也常与硫一起被添加，形成锰的硫碲化物，促进夹杂颗粒物长大到微米尺寸。

另外，其中还含有其他钢材很少添加的元素——铅。铅在钢中以球状颗粒单质形态存在（加入量0.1%~0.3%），由于铅熔点低，在切削过程中因切削热和应力作用，在接触面上熔融，起到润滑作用。

不光笔尖钢是这样，其他各类易切削钢的成分设计思路也大抵如此。

日本SF20T钢样的背散射电子扫描电子显微镜（SEM）照片，亮度与原子序数正相关，硫化锰颗粒（含有原子序数比铁低的硫）颜色发黑，而含铅或碲的颗粒（原子序数远高于铁）发亮。

太钢的钢样的二次电子SEM照片，亮度与样品的表面形貌有关，越凸起的地方越亮。对于经过切割、打磨、抛光的钢样截面，相互镶嵌的多边形代表钢基体的铁素体晶粒，带有凹陷感的黑色部位是外加颗粒物留下的凹坑，尺寸约数微米。从这张照片可以更直观地看出颗粒物对钢铁基体的割裂作用。

然而，铅是一种有毒的元素，在钢材的冶炼和加工过程中会对工人和环境造成毒害；圆珠笔是一种用完就扔的消耗品，含铅的笔尖钢混在普通垃圾中，可能造成环境污染；欧盟提出了RoHS指令（在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令），要求在欧盟销售的电子电气设备整机和零部件中，铅含量不超过1000ppm（也就是0.1%），用于电子产品的“笔尖钢”等易切削钢的铅含量显然超标了。因此，国际上又开发了低铅乃至无铅的超易切削不锈钢，用铋（Bi）来代替铅作为易切削元素，如日本下村特殊精工开发了与前述SF20T性能类似但不含铅的SF20F钢。

下村特殊精工的这两种钢，都是在其母公司——日本大同特钢的DSR6F易切削不锈钢基础上，进一步添加硫、铅、铋等易切削元素得到的。太钢的含铅钢成分与之类似。它们都是基于Cr20Mo2型不锈钢开发的超易切削不锈钢，其中含铬约20%、钼约2%，赋予钢材良好的耐腐蚀性和强度（铬在不锈钢表面形成钝化膜，钼提高钝化膜的稳定性），碳含量则很低以避免形成硬的碳化物（日本钢材的碳含量标识为0.01%，我国的标准中标记为≤0.03%，上图），这样的元素组成让这类钢具有铁素体组织。

一般我们接触的不锈钢，多为奥氏体或马氏体不锈钢，前者较软、韧性好而无磁性，典型如不锈钢锅碗瓢盆；后者硬而脆且有磁性，典型如不锈钢刀具。铁素体不锈钢的力学性能介于两者之间，从而能够兼顾笔尖钢强度和韧性的要求，在加工和使用时要保持形状不变形，又要能始终紧紧“抱”住球珠而不开裂。再加入硫、铅、铋等元素，让钢材变得更脆，从而提高易切削性。

普通钢材的冶炼过程追求的是钢水的纯净性，即尽量减少杂质元素和夹杂物的含量。但以笔尖钢为代表的易切削钢却反其道而行之，故意加入普通钢材中不要的元素，形成大量均匀分布的夹杂物。夹杂物的控制是易切削钢的核心技术难关之一。

突破成分设计和冶炼工艺难关后，后续的轧制和加工过程仍旧困难重重。

在太钢不锈钢线材厂内，方形的钢坯经开坯轧机不同孔的往复轧制，变成截面尺寸更小的圆形钢坯。

经过高速线材轧机的轧制，粗壮的钢坯就变成了五六毫米粗的钢丝。除了缩小钢材的直径，轧制过程还让钢丝内部经历充分变形而细化晶粒，使其中的颗粒物在横截面上均匀分布而沿纵向成链状分布，提高材料的易切削性。然而，硫元素会导致钢材在高温下变脆，稍有不慎，钢坯就会在轧制过程中开裂。易切削钢的热轧，同样不简单。

接下来，经过多道次拉拔（在拉力的作用下将较粗的钢丝从直径更细的拉丝模孔拉出），变成一两毫米直径的笔尖用不锈钢丝，钢材的组织和性能也得到进一步优化。

在两次拉拔之间，进行连续式光亮退火，即在氢气、氮气混合气（由氨气分解得到）保护下把钢丝加热到1000℃左右，消除钢丝的加工硬化现象，以利于下一道拉拔。氢气的还原作用避免了钢丝表面氧化，使得退火过后的钢丝表面锃亮，故名光亮退火。退火之后要急速冷却，避免钢中的碳析出为坚硬的碳化铬。（上图为光亮退火炉出口氢气燃烧的火焰，用于封闭炉口，维持内部的还原性气氛）

最后，对钢丝进行一道轻微的拉拔，达到最终的精确尺寸，获得良好的表面光洁度，满足强度和切削性能的要求。每一道次拉拔，力道都要精确掌握，力道小了，变形不充分；力道大了，可能拉断钢丝。同时，还要确保钢丝各处的尺寸均匀、性能一致，表面不能有划伤。每一个工艺参数的背后，都是无数次试验、无数批报废的试验品、无数资金和心血的投入。

网上流传着一个说法，“太钢炼出一炉笔尖钢，就满足了全球一年的需要，把国外厂家都搞破产”。事实上，这已经被查证是某个网民随口编的段子。

本文中，日本钢材的信息都是我从下村特殊精工的官网上截图下来的，生产笔尖钢的日本企业显然活得好好的。

每支笔的笔尖虽小，但是上百亿支笔的年产量就需要千吨级的笔尖钢，还要加上其他精密加工用途的用量（前文提高到的医疗器械、硬盘驱动器），太钢炼一炉笔尖钢也就几十吨的量，网上的传言显然不靠谱。目前我国仍需大量进口笔尖钢。在2019年的采访中，太钢负责笔尖钢研制的技术人员表示，在生产的一致性、稳定性方面，太钢与拥有深厚经验积累的日本企业之间仍然存在差距，太钢也正在投入下一代笔尖钢的研发竞赛中。

当然，中国实现笔尖钢国产化后，日本笔尖钢降价四分之一也是事实。按照原来每吨价格超过10万、年进口量1000吨来计算，每年可以为我国制笔行业省下至少2000多万元，对于行业总利润不过10亿元左右的我国制笔业来说（2019年规模以上制笔企业总利润9.3亿元），已经不是一笔小数目了。这一方面说明突破关键材料对我国经济和工业的巨大支撑作用；另一方面，也赤裸裸地展现了发达国家通过垄断高端材料等产业链关键环节所获得的高额利润。

全球每年数千吨的笔尖钢需求，只占据了日本大同特钢和下村特殊精工等企业几周的产能，作为国际顶尖的高端特殊钢生产商，它们在不锈钢、易切削钢、合金钢和工具钢等领域都具有很强的实力。能够在笔尖钢方面把日本钢企挑落神坛，是我国钢铁行业的重大突破，但我们也应认识到，在很多关键材料领域，仍然任重道远。

根据海关数据，2019年我国易切削钢冷成形或冷加工条、杆（商品编码72151000）进口数量为3.1万吨，进口金额为5000万美元；出口数量为6800吨，出口金额为630万美元。从进出口数量和单价对比上看，我国在高端易切削钢上的差距是显而易见的。日本在易切削钢领域仍然有很强的实力，不过也要看到我们正取得飞速进步：我又查了2022年的最新数据，进口2.5万吨、5490万美元，出口2.7万吨、3350万美元，进出口差距已大幅缩小。

当今的工业分工已经高度细化，国外跨国公司可以在全世界配置产业链，但我们若要想摆脱“组装厂”的低端定位，建立起独立自主的先进产业体系和自己主导的国际分工体系，就必须突破从市场垄断、专利壁垒、技术封锁中闯出一条路来。

除了航空发动机、芯片等广为人知的“明星”产品，还有很多种技术含量很高但仅在特定领域有少量需求的特殊产品亟待攻克。在这些细分领域，发达工业国家往往有几十上百年的积累，有很多居于领先地位的隐形冠军企业；而我们在新中国成立以来的快速工业化进程中，因为有太多重大的、广泛的工业问题要解决，只能先集中精力投入国防和工业最急需的、见效最快的领域，难免会在一些细分领域存在投入不够、积累不足乃至空白的情况。这样的比较可能会让我们陷入“中国vs全世界”的悲观境地，但在我们逐渐向全球产业链最高峰攀登的过程中，容易攻克的关卡大多已被解决，剩下就必然是难啃的硬骨头，也必然是发达国家固守产业高地、限制我们发展的重要抓手。我们别无选择，唯有全面突破，解决大部分关系材料和核心部件的“卡脖子”问题。

所以，回到最开始的问题，笔尖钢的研发有意义吗？

如果把目光仅仅局限在生产圆珠笔上，笔尖钢的战略价值当然是很有限的。但是请不要忘记，笔尖钢所代表的，是超易切削不锈钢，是在很多精密加工场合不可或缺的关键材料。只不过，“笔尖钢”的名号因为广泛的报道而为人们所熟知，而它更多的同类正在我们看不见的地方默默工作。开发笔尖钢已属不易，在其他要求更严苛的场合使用的钢材难道能凭空研发出来吗？通过笔尖钢所积累的超易切削不锈钢研发生产技术和经验，今天用在圆珠笔上，明天可以造福于国产医疗器械和电子产品，或许后天，就能成为一款战略性精密仪表上那个不可或缺的零件。

我想，这就是“完整的工业体系”的含义。由点连线带面，每一次单项技术的突破，都可以带动产业链上下游的发展，也能够“触类旁通”地横向拓展到其他领域。无数次纵横交错，才能织就一张坚强严密的大网，为大国重器扫清各种看得见、看不见、预想得到、预想不到的技术障碍。

当我们振奋于国产航母下水服役、大火箭一飞冲天的时候，当我们呼唤着国产航空发动机和先进芯片的时候，也请不要忘记为那些看似不起眼的技术突破鼓掌。正是无数的它们，筑就了工业体系的牢固基石。

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