本發(fā)明涉及圓珠筆制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種圓珠筆筆托的表面改性方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的圓珠筆的工作原理：在大氣的壓力和油墨的重力的雙重作用下，筆芯里的油墨流向筆頭的球座里，黏附在球珠上。圓珠筆的書寫原理，是利用圓珠在書寫時(shí)與紙面直接接觸產(chǎn)生的摩擦力，使圓珠在球座內(nèi)滾動(dòng)，帶出塑料筆芯內(nèi)的油墨(墨水)，形成字跡。

圓珠筆的筆尖是由兩個(gè)核心部件組成：金屬圓珠(也可稱之為筆珠)、和錐形的金屬底座(也可稱之為球座或筆托)。圓珠是個(gè)純粹的圓球，但球座不是簡單的碗狀，而有著各種細(xì)小溝槽，加工過程非常復(fù)雜，對精度的要求也十分高。由于書寫時(shí)需要承受很大的壓力，筆尖的筆珠和筆托需要采用非常堅(jiān)硬耐磨的材料制成。目前最常用的材料是不銹鋼和碳化鎢。后者的質(zhì)量好，使用時(shí)間再長寫起來都也很流暢，但碳化鎢硬度太高加工起來很困難，加工成本很高。不銹鋼相對于碳化鎢而言硬度低、不耐磨，圓珠筆的壽命而大大降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，需要對不銹鋼進(jìn)行表面改性，其硬度增大，耐磨損，達(dá)到或超過以碳化鎢為基材的“筆托”性能和參數(shù)，提高使利用不銹鋼為基材作“筆托”的圓珠筆壽命，同時(shí)還能降低圓珠筆的成本。

鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種圓珠筆筆托的表面改性方法，包括以下步驟：S110，對所述筆珠進(jìn)行表面初步清洗；S120，在表面清洗后的筆托表面進(jìn)行表面深度清洗、拋光，并在清洗、拋光過程中進(jìn)行超聲振蕩；S130，對表面深度清洗、拋光后的筆托進(jìn)行離子注入，形成“釘扎層”，并在離子注入過程中進(jìn)行超聲振蕩；S140，在所述釘扎層”之上，沉積膜層。

優(yōu)選地，利用氣體離子源對所述筆珠表面進(jìn)行表面清洗拋光。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述離子源為霍爾源。

優(yōu)選地，在進(jìn)行表面離子注入過程中，進(jìn)行加熱處理。

優(yōu)選地，所述離子注入的注入元素為金屬元素Ti、Cr、C、Co或Hf。

優(yōu)選地，所述離子注入設(shè)備為金屬蒸氣真空弧MEVVA離子注入設(shè)備。

優(yōu)選地，離子注入時(shí)的束流直徑為800mm。

優(yōu)選地，沉積膜層時(shí)采用的是磁過濾陰極真空弧系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述膜層為類金剛石DLC膜層。

優(yōu)選地，所述膜層的厚度為0-3μm。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明實(shí)施例具有以下優(yōu)勢：

(1)利用離子注入技術(shù)在基底亞表面形成了一層有效的“釘扎層”，后續(xù)膜層能夠與“釘扎層”非常好的結(jié)合，相比與磁控濺射、多弧離子鍍以及化學(xué)氣相沉積等方法，本發(fā)明制備的膜層與基底的結(jié)合力更優(yōu)越。

(2)相比磁控濺射、電鍍沉積、電子束蒸發(fā)等沉積方法，磁過濾陰極真空弧設(shè)備原子離化率非常高，大約在95％以上。這樣，由于原子離化率高，可使等離子體密度增加，成膜時(shí)大顆粒減少，有利于提高薄膜硬度、耐磨性、致密性、膜基結(jié)合力等。

(3)通過調(diào)整等離子輸運(yùn)路程能夠制備超高硬度，超耐磨的類金剛石膜層，本技術(shù)能夠制備超厚純類金剛石DLC膜層的膜層厚度可達(dá)20微米，該膜層硬度大于80Gpa。

附圖說明

構(gòu)成本發(fā)明實(shí)施例部分的附圖是用來提供對本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的圓珠筆筆芯結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種圓珠筆筆托表面改性的流程示意圖；

圖3為未進(jìn)行表面處理的不銹鋼摩擦系數(shù)測試結(jié)果圖；

圖4為具有沉積DLC膜層的不銹鋼的摩擦系數(shù)測試結(jié)果圖；

圖5為碳化鎢摩擦系數(shù)測試結(jié)果圖。

附圖標(biāo)記說明:

1—筆芯本體； 2—筆墨； 3—筆托； 4—筆珠；

具體實(shí)施方式

下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解為這些實(shí)施例僅僅是用于更詳細(xì)具體地說明，但并不意于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

此外，還需要說明的是，本部分對本發(fā)明實(shí)驗(yàn)中所使用到的材料以及試驗(yàn)方法進(jìn)行一般性的描述。雖然為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的所使用的許多材料和操作方法是本領(lǐng)域公知的，但是本發(fā)明仍然在此作盡可能詳細(xì)描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，在上下文中，如果未特別說明，本發(fā)明所用材料和操作方法是本領(lǐng)域公知的。

實(shí)施例一

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的圓珠筆筆芯結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，圓珠筆的筆芯包括筆芯本體1、筆墨2、筆托3及筆珠4，在使用書寫過程中，筆珠4與紙面直接接觸產(chǎn)生摩擦力，使筆珠4在筆托3內(nèi)滾動(dòng)，帶出筆芯本體1內(nèi)的筆墨3，形成字跡。但不銹鋼硬度低，不耐磨，使得“筆托”以不銹鋼為基材的圓珠筆壽命不高，本實(shí)施例提供了一種圓珠筆筆托的表面改性方法，首先對以不銹鋼為基材的“筆托”進(jìn)行初步清洗和深度清洗，然后進(jìn)行離子注入，在基底亞表面形成了“釘扎層”，增加后續(xù)膜層與基底的結(jié)合力，最后進(jìn)行沉積鍍膜，增強(qiáng)不銹鋼“筆托”的耐磨性，提高圓珠筆的使用壽命。圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種圓珠筆筆托表面改性的流程示意圖，如圖2所述，所述方法包括以下步驟：

S110，對筆托進(jìn)行表面初步清洗。

在一個(gè)示例中，為去除筆托表面的油污，對筆托進(jìn)行初步清洗，可選地，在有機(jī)溶劑中對其進(jìn)行超聲清洗，例如，在無水乙醇或丙酮中對其進(jìn)行超聲清洗。

S120，在表面清洗后的筆托表面進(jìn)行表面深度清洗、拋光，并在清洗、拋光過程中進(jìn)行超聲振蕩。

即對步驟S110處理的的筆托進(jìn)行表面深度清洗、拋光。在一個(gè)示例中，為去除筆托表面的灰塵、大顆粒以及步驟S110中未去除的殘余油污，對筆托表面進(jìn)行深度清洗。具體地，將初步清洗后的筆托放置在真空室內(nèi)的樣品臺(tái)上，然后通過氣體離子源對其表面進(jìn)行清洗，即通過氣體濺射進(jìn)行表面清洗，例如，通過霍爾源對不銹鋼鋼片表面進(jìn)行清洗，即通過霍爾氣體離子源對筆托表面進(jìn)行清洗。需要說明的是，為筆托清洗的徹底性，在清洗過程中，需要樣品臺(tái)伴隨超聲振蕩，以保障筆托各部分都能得到清洗。作為一種可選實(shí)施方式，處理時(shí)間為0-30min，優(yōu)選為20-30min。在處理過程中，氣體離子源束流為200-300mA。深度清洗，不但能去除筆托表面的雜物，還起到了拋光作用，使其表面更光滑，降低摩擦系數(shù)，而且可以提高后續(xù)離子注入形成的“釘扎層”與筆托的結(jié)合力。

S130，對表面清洗、拋光后的筆托進(jìn)行離子注入，形成“釘扎層”，并在離子注入過程中進(jìn)行超聲振蕩。

即對步驟S120處理后的筆托進(jìn)行離子注入，具體地，利用高能金屬離子或者非金屬離子注入筆托基底，形成“釘扎層”，提高其表面后續(xù)沉積膜層與筆托基底的結(jié)合力。

在一個(gè)示例中，利用離子注入方法對表面清洗、拋光后的筆托進(jìn)行離子注入，具體為進(jìn)行金屬離子注入，在此過程中，離子注入設(shè)備優(yōu)選為金屬蒸氣真空弧(Metal Valuume Vapor avc，MEVVA)離子注入設(shè)備。注入元素，在原則上，可注入所有導(dǎo)電金屬元素，優(yōu)選為Ti、Cr、C、Co、Hf等元素。在一個(gè)可行實(shí)施方式中，離子注入時(shí)的束流強(qiáng)度為5-20mA，優(yōu)選為10-15mA；離子注入時(shí)的劑量為1×10¹⁶-1×10¹⁸/cm²；注入能量為10-100KeV。優(yōu)選地，離子注入時(shí)的注入深度為10-800nm。MEVVA離子注入設(shè)備進(jìn)行離子注入時(shí)的束流面積大，其束流直徑可達(dá)800mm，因此可實(shí)現(xiàn)筆托大批量的處理，成本低，效率高。

需要說明的是，為筆托離子注入的均勻性及全面性，需要在樣品臺(tái)伴隨超聲振蕩，以保障筆托各部分都能注入元素。

另外，MEVVA離子注入設(shè)備在注入離子時(shí)，設(shè)備內(nèi)的溫度可選擇，即可以實(shí)現(xiàn)高溫?fù)诫s，也可以在常溫或低溫下?lián)诫s。若為高溫?fù)诫s，可在離子注入時(shí)，在樣品臺(tái)下設(shè)置加熱槽，或在真空室內(nèi)設(shè)置加熱管，對筆托進(jìn)行加熱，例如，筆托可在25℃～500℃范圍內(nèi)進(jìn)行離子注入，有利于離子向筆托深處擴(kuò)散，使其耐磨性能更好，圓珠筆的使用壽命更長。

S140，在所述“釘扎層”之上，沉積膜層。

在一個(gè)示例中，采用磁過濾陰極真空弧(filtered cathodic vacuum arc，F(xiàn)CVA)系統(tǒng)在基底“釘扎層”表面，磁過濾沉積，同時(shí)通入反應(yīng)氣體，得到耐磨膜層。在本步驟中，可選地，膜層為類金剛石DLC薄膜，且DLC薄膜的厚度為0-3μm。在一個(gè)可行實(shí)施方式中，沉積條件為：沉積負(fù)壓為300V-800V，占空比20％-100％，進(jìn)氣量200-300sccm，沉積時(shí)間為50-100min。

本實(shí)施例提供的提高圓珠筆筆托表面硬度，降低摩擦系數(shù)的方法，主要是利用磁過濾陰極真空弧系統(tǒng)進(jìn)行沉積鍍膜，在筆托表面形成一硬度高、致密性高、膜層結(jié)合力強(qiáng)的薄膜，增強(qiáng)不銹鋼“筆托”的耐磨性，提高圓珠筆的使用壽命。除此之外，因在沉積鍍膜前，利用離子注入方法，在基材的亞表面形成了“釘扎層”，進(jìn)一步增加了后續(xù)沉積膜層與基底的結(jié)合力，提高了薄膜的耐磨性，降低其摩擦系數(shù)。

為更好的體現(xiàn)利用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，筆托能獲得更好耐磨性能，對未進(jìn)行表面改性的筆托、沉積膜層的筆托及以碳化鎢為基材的“筆托”進(jìn)行性能比較。

需要說明的是，上述三種筆托均對其進(jìn)行耐磨性實(shí)驗(yàn)，并觀察其摩擦系數(shù)。上述三種筆托均與以未處理不銹鋼為基材的“筆珠”進(jìn)行對磨，測其耐磨性能。其中，對磨實(shí)驗(yàn)時(shí)的條件相同，比如，實(shí)驗(yàn)設(shè)備相同、對磨時(shí)間相同等。下面以不銹鋼鋼片為例，詳細(xì)介紹，以不銹鋼為基材的“筆托”的表面改性方法。

實(shí)施例二

選取不銹鋼鋼片，不對其進(jìn)行表面改性，將其與未處理的不銹鋼鋼片進(jìn)行對磨，測其耐磨性能，其摩擦系數(shù)具體測試結(jié)果如圖3所示。

實(shí)施例三

利用實(shí)施例一提供的方法，對以不銹鋼鋼片進(jìn)行表面改性處理，實(shí)施步驟如下：

S110，初步清洗：

在無水乙醇中對不銹鋼鋼片進(jìn)行超聲清洗，初步去除筆珠表面油污。

S120，深度清洗、拋光：

將初步清洗后的不銹鋼鋼片放入真空室內(nèi)的樣品臺(tái)上，霍爾氣體離子源對不銹鋼鋼片進(jìn)行表面清洗，同時(shí)樣品臺(tái)伴隨超聲振蕩。注入條件為：霍爾氣體離子源的束流為260mA，處理時(shí)間為26min。

S130，離子注入：

利用MEVVA離子注入設(shè)備對不銹鋼鋼片進(jìn)行表面離子注入，具體注入元素為Ti元素，注入能量為80KeV，注入劑量為6×10¹⁶/cm²。

S140，沉積膜層：

利用180度磁過濾彎管在步驟S130處理后的不銹鋼鋼片上沉積DLC薄膜，沉積過程中，通入乙炔氣體，沉積弧源為純度99％的Ti弧源，C陰極起弧電流為110A，磁過濾磁場強(qiáng)度為10mT，負(fù)壓為400V，占空比為35％，沉積時(shí)間為75min。

后續(xù)對上述處理后的不銹鋼鋼片進(jìn)行耐磨性能測試，其摩擦系數(shù)具體測試結(jié)果如圖4所示。除此之外，還對其進(jìn)行厚度測量和硬度測試，測的處理后的得到膜層厚度為20微米，硬度大于80Gpa。

實(shí)施例四

選取碳化鎢基材，不對其進(jìn)行表面改性，將其與未處理的不銹鋼鋼片進(jìn)行對磨，測其耐磨性能，其摩擦系數(shù)具體測試結(jié)果如圖5所示。

由圖3-圖5可知，未處理的不銹鋼鋼片的摩擦系數(shù)最大，約為0.65，碳化鎢次之，約為0.38，經(jīng)過沉積鍍膜的不銹鋼鋼片摩擦系數(shù)最小，約為0.09。經(jīng)過沉積鍍膜處理后的不銹鋼鋼片其摩擦系數(shù)降低了6倍多，即其耐磨性提高了6倍多，且是碳化鎢基材耐磨性的4倍。即，本發(fā)明提供的表面改性方法，顯著降低了以不銹鋼為基材的“筆托”的摩擦系數(shù)，換句話說，本發(fā)明提供的表面改性方法能非常顯著的提高以不銹鋼為基材的“筆托”的硬度，增強(qiáng)不銹鋼“筆托”的耐磨性，提高圓珠筆的使用壽命。

本實(shí)施例提供的提高圓珠筆筆托表面硬度，降低摩擦系數(shù)的方法，主要是利用磁過濾陰極真空弧系統(tǒng)進(jìn)行沉積鍍膜，在筆托的表面形成硬度高、致密性高、膜層結(jié)合力強(qiáng)的薄膜，增強(qiáng)不銹鋼“筆托”的耐磨性，提高圓珠筆的使用壽命。除此之外，因在沉積鍍膜前，利用離子注入方法，在基材的亞表面形成了“釘扎層”，進(jìn)一步增加了后續(xù)沉積膜層與基底的結(jié)合力，提高了薄膜的耐磨性，降低其摩擦系數(shù)。即本發(fā)明實(shí)施例提供的方法，通過離子注入和沉積鍍膜的相結(jié)合的方式，明顯提供了圓珠筆筆托的表面硬度，能得到比碳化鎢更低的摩擦系數(shù)。因其方法簡單、易操作，且成本低、效率高，非常適合工業(yè)化大批量生產(chǎn)。

需要說明的是，盡管本發(fā)明已進(jìn)行了一定程度的描述，明顯地，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可進(jìn)行各個(gè)條件的適當(dāng)變化?？梢岳斫鉃楸景l(fā)明不限于所述實(shí)施方案，而歸于權(quán)利要求的范圍，其包括所述每個(gè)因素的等同替換。

以上所述的具體實(shí)施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。