数控圆珠机(圆珠笔如今有3国可造，难度相当于造航母，为何我国坚持要钻研？)

Posted 2023-05-27

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数控圆珠机(圆珠笔如今有3国可造，难度相当于造航母，为何我国坚持要钻研？)

改革开放40年，我国已迅速成长为世界上唯一拥有全部工业门类的工业大国。可在很多公知口中连小小的圆珠笔芯我国都制作不了，每年需要进口近400亿支。这是真的吗？

小小笔尖球，与众大不同

1943年，来自匈牙利的拉迪斯洛·比罗兄弟生产第一款商品化圆珠笔——Biro圆珠笔。多年来经过美国、法国、日本等国企业的改良，圆珠笔已经取代钢笔成为人们最主要的书写工具。

圆珠笔作为我们日常工作学习的必备用品，看似简单，实则内藏玄机。区别于毛笔、钢笔等传统书写工具，圆珠笔最明显的特征便是它的笔头，即笔尖圆珠。

这枚小小的笔尖圆珠不仅要防止墨水干燥凝结，还要利用与书写表面的摩擦力自由旋转，进而将墨水流畅连续的书写到纸面上。这就决定了圆珠笔尖制作的工艺要求。

其一，圆珠需要恰当地嵌合在笔尖内部的卡座里面。

通过研究圆珠笔内部结构可知，圆珠需要能在卡座内实现360度自由旋转，同时又不能从笔尖处脱出。这就决定了圆珠笔头的内部结构的复杂和制造工艺精密。

圆珠笔笔嘴口部直径为2.5毫米，常规球珠直径分为0.5、0.7或1毫米三种。而在笔尖防止圆珠脱出的“碗口”部位，其厚度不能超过0.1毫米。

各个零配件尺寸极小且配件间需要严密装配。

圆珠笔尖的结构除却球珠和卡座之外，笔头在与墨水仓的连接处还装配有弹簧进行先期引流。

在座体0.3-0.4毫米的空间内还需雕刻出5条沟槽为墨水再度导流，确保球珠可以均匀地涂抹墨水。

由此可见，因为圆珠笔尖的尺寸和内部结构，导致其制作工艺要求极高，一个小小的圆珠笔头往往需要20多道工序才能完成制作。

这便要求加工机床需以2微米，即头发宽度的二十分之一，为单位对笔头内部结构进行精细加工。

其二，圆珠材质需要坚固耐磨。

因为笔尖圆珠长期承受来自墨水和书写表面的双重压力，并需要经受很多摩擦。这就需要圆珠材质坚固耐磨，性质稳定。目前市场上，圆珠的主流材质是碳化钨和特制不锈钢。

综合以上两点，看起来平平无奇的圆珠笔头绝对是“别有洞天”。生产小小的圆珠笔芯不仅要求制造企业有微米级精细加工的能力，同时需要掌握新材料的研发和生产能力。

而之所以会出现我国文具企业每年进口大量圆珠笔头的现状，是因为我国在精细加工能力和新材料研制上的短板限制了圆珠笔的自主生产。

其中尤以笔尖钢这一材料的研发对产能的限制最大。

炼钢千千万，品质不入流

根据2021年国家工信部披露的数据，2020年我国钢铁材料产量依然达到惊人的32.7亿吨，我国钢产量稳居世界第一。

去年全年我国生产钢材13.3亿吨，粗钢10.5亿吨。值得注意的是全年出口钢材5367.1万吨，较19年下降16.5%；钢材进口量反而增加到2023.3亿吨，大幅增长了64.4%。

可能有人会问：明明中国已经成为全球头号产钢大国，为什么还要进口这么多外国钢材？这便与我国钢铁产品数量多而品质低劣，企业数量多，但水平低下的现实有关。

尽管以宝钢、河钢为代表的中国钢企在2020年度世界十大钢企中占据半壁江山，但我国钢企盈利能力远低于欧美日韩等国的钢铁企业。

据中国钢协公布的数据，2020年中国钢企平均销售利润率仅为4.4%，而日韩等国的钢企平均利润率均在5%-9%之间。结合我国钢企员工更多的现状，表明在人均产出和工艺上国外钢企明显优于我国。

而在钢企员工的待遇上国内国外同样差距显著。如日本的神户制钢普通工人的月工资就能达到47万日元，折合人民币2.6万元，而2020年国内钢企员工平均月工资不足7000元人民币。

造成如此情况的原因是我国产钢多以附加值较低的低级钢材为主。如神户特钢这样的欧美日韩钢企，凭借经验和技术优势，早已实现了产业升级，特种钢才是欧美日韩钢企的主要产品。

所谓特种钢指的是合金钢，便是在锻造钢材时在钢水中加入一种或多种微量元素进行混合煅烧。利用这种方法企业可以烧制出具有不同结构，拥有特殊性质的特殊钢材。

这些有特殊物理、化学或工艺性能的特种钢广泛应用在机械加工、精密仪器制造、电子元器件等领域。然而因为工艺和研发上投入的不足，我国钢企能生产的特种钢有限，处于“国际供应链的最下游”。

据统计我国特种钢产量每年约有7000万吨，领先世界，但出口额仅占全球3%。就是因为我国特种钢品质低，水平差只能满足国内部分需求，没有国际竞争力。

甚至在世界钢材市场还出现了颇为讽刺的进出口循环，即中国钢企向日韩出口低端钢，日韩钢企将其重新煅烧为特种钢并出口欧美和我国，欧美企业再将之加工制成精细零件出口给中国进行最后组装。

依照日本钢铁企业联盟的说法，2020年我们要从日本进口近600多万吨的特种钢。进口数量近些年均以超过10%的速度上涨。

我国忍受着巨大的环境污染，以低廉的价格对外出口钢材，再用远超收益的价格进口特种钢和金属配件。如此一来不仅令我国企业，更令我国受到了国际贸易“新剪刀差”的多层盘剥。

上文中提及的笔尖钢——特制不锈钢即属于我国尚未攻克的“特种钢”。

虽然我国早在1948年就建立了第一个圆珠笔厂家上海丰华圆珠笔厂，但是受困于原材料需要进口，产能受限，我国圆珠笔产业始终发展缓慢。

国内诸多钢企研究多年，均未能攻克“圆珠笔珠”的煅烧配方之谜。因此我国文具企业每年不得不以1500万美元的价格从瑞士和日本两国高价进口圆珠笔头或笔尖钢。

为了实现我国企业的产业升级并扭转我国特种钢材“受制于人”的尴尬情况，中央政府在2011年就启动了圆珠笔产品核心部件和原料国产化的项目。

在六千万人民币专项资金和众多研究所的协助之下，我国在墨水和精细加工工艺上取得不少突破，并在2015年通过“十二五”计划的项目验收。但在笔尖钢生产上我国企业缺乏突破性进展。

2016年在山西太原召开鼓励企业实现产业升级的会议上，总理号召国内钢铁企业研究更具利润和市场潜力的模具钢，也就是特种钢，逐步淘汰利润薄弱、内卷不断的落后产能。

难若造航母，太钢终制成

通过上文叙述，我们了解到圆珠笔头的制作涉及到精细加工和新合金新材料的研制这两个方面。某种意义上说从零开始摸索圆珠笔头的制造难度和研制航母不相上下。

其一，都需要极为精细的加工工艺。圆珠笔头的精细加工自然无需多言。航空母舰上如船舶发动机、螺旋桨叶片、战机升降台等关键模块都需要精细加工。

我们单以螺旋桨为例。为了有效增加船舰的航速，减少螺旋桨在水下旋转中的动力流失，螺旋桨表面会有很多弧度。

每一处弧度都是无数次实验的结果，螺旋桨表面的弧度都有严格的设计。航母的螺旋桨叶片有数米长，弧度的打磨误差不能超过20微米，较圆珠笔头更加严格。

其二，都需要先进的材料科学。

不仅仅是笔尖圆珠的材料需要坚固耐磨，航空母舰的舰体，特别是甲板的材质绝非寻常不锈钢就能胜任。单说航空母舰甲板用钢，其屈从度需要达到850Mpa,而普通民用船钢材仅有250Mpa。

这里说的屈从度指的是钢材承受冲击后恢复原状的弹性极限。因为要长期起降数十吨重的飞机，航母甲板需要承担巨量的压力并迅速恢复原状。这就决定了航母甲板钢材要有较好的弹性。

航母的船体用钢一直是美俄等国军工工业的核心机密，根本不愿外泄。我国鞍钢也是通过多年的技术攻关才成为全球第三个锻造高档船体结构板的钢铁企业，让我国航母用上中国甲板。

而笔尖圆珠材料之所以长期未被我国钢企攻克，除了难如造航母的技术外，同时也有圆珠原材料市场规模小的现实原因。

2020年我国对外出口圆珠笔57.5亿支，世界第一，仅进口了1.92亿支。

同时人口众多的我国消费了世界最多的圆珠笔。可以说掌握了中国圆珠笔珠企业就控制了整个世界的圆珠笔供应。

所以上文中每年进口笔尖钢的1500万美元可以等同于全球笔尖钢的市场总额，笔尖钢市场规模小，综合盈利能力有限。这也是现今仅有瑞士、日本和中国这三个国家完全掌握其制造工艺的原因。

面临如此的艰困处境，太原钢铁集团挺身而出，主动承接研制笔尖钢的研发工作。之所以敢于承接这样的“鸡肋”，是因为太钢实乃我国特种钢领域的龙头企业。

尽管在企业规模和钢材产量上，太钢都排在宝钢、河钢和鞍钢之后，但是在特种钢领域太钢常年占据国内第一的宝座。

太钢出产的钢材以高端的火车轮轴钢、合金模具钢、军工钢等高附加值特种钢材为主，有着丰富的特种钢材研制经验。

太钢方面的项目负责人，集团高级工程师王辉绵在回忆当年的攻关经历时表示：2011年刚刚接到集团任务时，他们就把开发新型特种钢作为破解这一难题的最优解。

通过检验进口笔尖钢的化学成分，攻关团队掌握了添加的元素种类，但是对投放时机和计量缺乏了解。对任何钢铁企业而言，煅烧特种钢时添加微量元素的时机、顺序和计量都是绝对的商业机密。

整个过程稍有差池就会造成整批钢材内部结构和性能特质的根本不同。为了达成目标，王辉绵团队只能用最原始的办法——实验。在接下来的数年中，王辉绵团队都在失败与沮丧之中艰难摸索。

攻关团队针对配方一项项地进行不同配比的实验，为了平衡钢材各项技术指标王辉绵反反复复进行不下百次的煅烧。

我们以笔尖钢的坚固耐磨的特性为例。王辉绵团队为了达成这一特性在煅烧钢材时加入不少企业的“保密配方。然而因为加入添加剂的方式不正确，导致出品钢材过于坚硬，甚至无法切割加工。

为了破解这一难题，攻关团队尝试了多种办法。他们时而调整添加微量元素的钢水温度，他们时而调整添加剂的物理形态。

最后终于摸索出将粉末状的添加剂与特定温度下钢水相融合的办法，这才平衡钢材坚固耐磨和便于加工切割的特性。

都说“功夫不负有心人”，经过5年艰苦研究的王辉绵团队成功钻研出锻造笔尖钢的配方和煅烧工艺。

经过多次的大规模试生产，国产的高性能笔尖钢在2017年成功面世。太钢在收获众多国内订单的同时，也为中国弥补该领域的空白。中国成为继日本和瑞士之后第三个掌握笔尖钢生产的国家。

挣脱“卡脖子”，升级始前行

单纯从经济利益的角度讲，笔尖钢研发有小题大做，牛刀杀鸡之嫌。但倘若我们打开格局，拉高视野便会发现，攻克小小“笔尖钢”是我国实现产业升级和摆脱关键领域“卡脖子”事业的开始。

近些年来，华为和中兴等高科技企业被美国政府肆意制裁。一切都是源于美国在尖端电子芯片的制造领域享有技术霸权，可以对全世界的芯片及制造领域实现“卡脖子”。

忽视研发，满足现状，奉行做不如买的拿来主义。如此等同于将企业，甚至是国家的命运双手递到他人手里，怎么能不随意任由他人拿捏？所以我国开始了轰轰烈烈的技术自给化运动。

立项研发笔尖钢，实现圆珠笔关键零件国产化只是一个开始，国家此举其实有着深刻而长远的思考。

一来，促进我国文具产业发展。

实现笔尖钢的国产化，极大地解放我国文具企业的生产力。同时由于国产笔尖钢价格低廉，为了保住市场份额，日本和瑞士的钢材企业纷纷下调了对我国出口钢材的价格。

日本的一家企业就将每吨笔尖钢的售价从12.5万美金/吨降为9万美金/吨。此举大大增强我国文具企业及相关企业的利润空间。凡此种种均为我国文具企业的全面爆发创造有利的条件。

二来，促进我国材料科学的发展。

新材料科学是国际公认的下一个“蓝海产业”。得益于材料科学的发展，如曲面屏幕、折叠屏手机等高科技产品得以跨出实验室，走向消费者。

太钢在笔尖钢领域的创新和收获将鼓励其他“夕阳”企业放弃“内卷式”的低效竞争，转而加大研发投资。

此举既有利于我国企业掌握新兴领域的关键技术，同时也能帮助更多“夕阳产业”的企业早日实现产业升级，消化过剩产能。

如在国家这一系列政策的激励下，太钢在攻克笔尖钢之后又再接再厉地研发国产的“手撕钢”。

这种“手撕钢”钢材厚度仅为0.015至0.02毫米。这种钢在航天航空，计算机制造和精密仪器等领域被广泛使用。过去我国只能进口，太钢此举再度为我国解决一个“卡脖子”难题。

三来，促进了我国精密检测设备和精密加工产业的发展。

圆珠笔的国产化运动涉及到很多精细加工和精密检测，过去我国在这一领域有诸多空白。借着这股东风，我国精制加工和部分精密检测设备领域也得到突破性的发展和提升。

不得不说高端数控机床同样是我国又一“卡脖子”领域。截止到2020年我国的高端数控机床国产自给率仅为10%，每年需要从美国、德国、日本，甚至台湾地区大量进口。

精密检测仪器领域对外依存度也非常高，如坐标测量仪、质谱仪、液相色谱仪等检测仪器我国产品长期处于低端水平，国内科研需要主要依靠进口。以上领域都是我们未来需要突破的方向。

由此可见，一个领域的技术突破往往可以实现产业间的连锁反应，促进更多产业的发展。唯有掌握核心技术，方可掌控自己的命运和发展轨迹！