ボールペンを作るのはどれくらい難しいですか？子供の頃のランドセルには実はハイテクが入っていた

制作：中国科学普及協会

制作者: Vivian (北京航空航天大学)

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

子どもの頃、新学期が始まるのを楽しみにしていた理由の一つは、新しい文房具が買えるからでした。普通に見える文房具に、実は素晴らしい技術が使われていることを知らない人も多いでしょう。

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ボールペンを作るのは難しいですか？

ボールペンがスムーズにインクを出せるのは、筆記時にボールペンの先端にある小さなボールが紙と接触した際に生じる摩擦によって転がり、ペン芯の中のインクが出て筆跡が形成されるからです。

ボールペンのペン先の構造を簡単に説明すると、ボールシートの上部にボールを埋め込むことで、ボールがスムーズに回転し、ボールシートから落ちにくくなるというものです。

しかし、このようなシンプルなデザインはボールに大きな負担をかけます。

ボールペンのペン先（写真提供：Veer Gallery）

ボールペンのペン先の製造には、主に 3 つの技術的な難しさがあります。まず、スムーズな書き心地を実現するためには、ボールとシートのフィットが重要です。ボールとボールシートの隙間は約5ミクロンです。隙間が小さすぎるとインクがスムーズに流れ出ません。隙間が大きすぎるとインクが漏れたり、ボールがペン先から落ちたりする原因になります。

第二に、筆記プロセス中、ペン先のボールと紙の間の摩擦が常に発生するため、ボールとボールシートの間の隙間が徐々に大きくなります。時間が経つと隙間からインクが漏れやすくなり、書き心地に影響が出ます。

また、ボールペン先端の加工精度、組み立て精度も極めて高いです。ペン先内部にはインクを導くための凹凸の段差と油案内溝があります。各オイルガイド溝の加工精度は1ミクロンが要求されます。

上記のすべての要因により、ボールペンのボールの材料性能に対する要求は高くなります。

ボールペンのペン先の内部構造（画像出典：参考1）

特殊鋼「ペン先鋼」を探す

ボールペンの材料は継続的に開発されてきました。初期の鉛黄銅とニッケル白銅は、耐食性が低いため、基本的に排除されました。ステンレスボール、タングステンカーバイドボール、セラミックボールなど、さまざまな仕様の材料が用意されています。その中でも、ステンレスはボールペンのペン先に最も多く使われる素材となっています。

ボールペンに使われる鋼には、ペン先鋼という特別な名前があります。ペン先鋼は、インクとの長期接触による溶剤等によるボールの腐食に耐えるため、錆びにくい材質である必要があります。

同時に、ボールとボールシート間の隙間の安定性を確保するために、ペン先鋼にも耐摩耗性が必要です。

加工時には超硬ドリルを毎分30,000回転の高速で使用し、加工誤差は3ミクロンを超えてはならないため、ペン先鋼には優れた切削性が求められます。同時に、切りやすい性能は、チップを破砕チップやC字型チップなどの小さな破片に分割する必要があるという事実にも反映されており、これにより、廃棄チップをワークピースから簡単かつ迅速に分離でき、表面の傷を減らして、ペン先の内部空洞の複雑な構造の完全性を確保できます。

簡単に取り除ける欠けやC字型の欠け（画像出典：参考資料5）

ペン先鋼は快削ステンレス鋼の一種で、フェライト系ステンレス鋼に硫黄、鉛、リンなどの快削元素を一定量添加して作られた特殊鋼です。

快削元素の作用メカニズムは、元素とそれが形成する介在物として要約できます。これらは、工具と鋼の間の潤滑剤として機能し、応力集中点として機能して、切りくずを脆くします。

要素によって動作が若干異なります。例えば、鉛元素は球状粒子の形をした単一物質の形をしています。切削時に発生する摩擦熱により、融点の低い鉛元素が溶けて析出し、接触面の潤滑の役割を果たします。硫黄元素は鋼中のマンガン元素と硫化マンガン介在物を形成し、鋼の連続性を阻害し、切りくずを短くして除去しやすくします。さらに、マンガンは切削力の作用によりせん断面に沿って広がり、最終的に摩擦抵抗を低減します。

切削プロセス中、快削要素とそれによって形成される介在物は、工具と材料の間の潤滑剤として機能します。

「Made in China」のペン先鋼を征服せよ！

ボールペンの鋼は、炭素、ケイ素、マンガン、リン、銅、ニッケルなど10種類以上の元素で構成されており、それぞれの元素の含有量が異なります。どの元素を選択するか、各元素をどれだけ使用するか、各元素をいつ追加するかなど、すべてが鋼の特性に影響を与えます。

長い間、ペン先鋼の化学組成と技術的パラメータは、日本、スイス、その他の国の企業によって管理されてきました。

しかし、技術的なサポートがなく、プロジェクトが困難であったにもかかわらず、私たちはこの技術を習得し、国産のペン先鋼を開発し、2017年にペン先鋼の国内量産化を達成しました。今後、我が国で使用されるペン先鋼には、「Made in China」のロゴを誇らしげに表示することができます。

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外国のペン先鋼と比較すると、当社のペン先鋼は元素組成タイプは類似していますが、含有量が異なりますが、それでも性能は優れています。

ボールペンを使うときには、こんなに小さなペン先を作るには素材開発など技術的なブレークスルーが必要だとは気づかないかもしれません。必要な特殊鋼を製造するためには、金属の微細構造を理解し、そのメカニズムを詳細に知るだけでなく、継続的にデータを蓄積し、パラメータを調整し、プロセス方法を設計する必要があります。

この極小のペン先が、基準を満たして工場から出荷されるまでに、インクが漏れることなく 800 メートル以上連続して書き続けるという厳しいテストを受けなければならないとは、私たちは想像もしていませんでした。

時々、私たちは科学研究が自分たちから遠く離れているように感じますが、それがすでに生活のあらゆる側面に浸透していて、私たちがそれを解読するのを待っているだけだということに気づいていません。

参考文献:

(1)郭恒昌、蘇娟、黄剛。快削性ステンレスペン先材料の研究進捗[J]。中国ペンメイキング、2020(01)、11-18。

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(3) 古庄 C.、高林 英.精密機器のベアリングなどに用いられるフェライト系快削ステンレス鋼は、炭素、ケイ素、マンガン、リン、硫黄、銅、ニッケル、クロム、モリブデン、バナジウム、タングステン、チタンを所定の質量比で含有しています。ダーウェント一次登録番号: 2017-78270T。

(4) H. Wang、J. Li、J. Zhai、D. Che.ボールペン先用ステンレス鋼。クロム、窒素、鉛、テルル、バナジウム、ニオブ、ニッケル、銅、酸素、炭素、ケイ素、マンガン、リン、硫黄、残部鉄および不可避的不純物から構成されています。ダーウェント一次登録番号: 2017-582091。

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