一種圓珠筆筆托的表面改性方法與流程

本發明涉及圓珠筆制造技術領域，尤其涉及一種圓珠筆筆托的表面改性方法。

背景技術：

現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與紙面直接接觸產生的摩擦力，使圓珠在球座內滾動，帶出塑料筆芯內的油墨(墨水)，形成字跡。

圓珠筆的筆尖是由兩個核心部件組成：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)。圓珠是個純粹的圓球，但球座不是簡單的碗狀，而有著各種細小溝槽，加工過程非常復雜，對精度的要求也十分高。由于書寫時需要承受很大的壓力，筆尖的筆珠和筆托需要采用非常堅硬耐磨的材料制成。目前最常用的材料是不銹鋼和碳化鎢。后者的質量好，使用時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。

技術實現要素：

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

鑒于此，本發明實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，對所述筆珠進行表面初步清洗；S120，在表面清洗后的筆托表面進行表面深度清洗、拋光，并在清洗、拋光過程中進行超聲振蕩；S130，對表面深度清洗、拋光后的筆托進行離子注入，形成“釘扎層”，并在離子注入過程中進行超聲振蕩；S140，在所述釘扎層”之上，沉積膜層。

優選地，利用氣體離子源對所述筆珠表面進行表面清洗拋光。

進一步優選地，所述離子源為霍爾源。

優選地，在進行表面離子注入過程中，進行加熱處理。

優選地，所述離子注入的注入元素為金屬元素Ti、Cr、C、Co或Hf。

優選地，所述離子注入設備為金屬蒸氣真空弧MEVVA離子注入設備。

優選地，離子注入時的束流直徑為800mm。

優選地，沉積膜層時采用的是磁過濾陰極真空弧系統。

優選地，所述膜層為類金剛石DLC膜層。

優選地，所述膜層的厚度為0-3μm。

相對于現有技術，本發明實施例具有以下優勢：

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

(2)相比磁控濺射、電鍍沉積、電子束蒸發等沉積方法，磁過濾陰極真空弧設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，成膜時大顆粒減少，有利于提高薄膜硬度、耐磨性、致密性、膜基結合力等。

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

附圖說明

構成本發明實施例部分的附圖是用來提供對本發明實施例的進一步理解，并不構成對本發明的限制。

圖1為本發明實施例提供的圓珠筆筆芯結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種圓珠筆筆托表面改性的流程示意圖；

圖3為未進行表面處理的不銹鋼摩擦系數測試結果圖；

圖4為具有沉積DLC膜層的不銹鋼的摩擦系數測試結果圖；

圖5為碳化鎢摩擦系數測試結果圖。

附圖標記說明:

1—筆芯本體； 2—筆墨； 3—筆托； 4—筆珠；

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。應當理解為這些實施例僅僅是用于更詳細具體地說明，但并不意于限制本發明的保護范圍。

此外，還需要說明的是，本部分對本發明實驗中所使用到的材料以及試驗方法進行一般性的描述。雖然為實現本發明目的所使用的許多材料和操作方法是本領域公知的，但是本發明仍然在此作盡可能詳細描述。本領域技術人員清楚，在上下文中，如果未特別說明，本發明所用材料和操作方法是本領域公知的。

實施例一

圖1為本發明實施例提供的圓珠筆筆芯結構示意圖，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與紙面直接接觸產生摩擦力，使筆珠4在筆托3內滾動，帶出筆芯本體1內的筆墨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”進行初步清洗和深度清洗，然后進行離子注入，在基底亞表面形成了“釘扎層”，增加后續膜層與基底的結合力，最后進行沉積鍍膜，增強不銹鋼“筆托”的耐磨性，提高圓珠筆的使用壽命。圖2為本發明實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，對筆托進行表面初步清洗。

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

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

即對步驟S110處理的的筆托進行表面深度清洗、拋光。在一個示例中，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，對筆托表面進行深度清洗。具體地，將初步清洗后的筆托放置在真空室內的樣品臺上，然后通過氣體離子源對其表面進行清洗，即通過氣體濺射進行表面清洗，例如，通過霍爾源對不銹鋼鋼片表面進行清洗，即通過霍爾氣體離子源對筆托表面進行清洗。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。作為一種可選實施方式，處理時間為0-30min，優選為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，而且可以提高后續離子注入形成的“釘扎層”與筆托的結合力。

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

即對步驟S120處理后的筆托進行離子注入，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”，提高其表面后續沉積膜層與筆托基底的結合力。

在一個示例中，利用離子注入方法對表面清洗、拋光后的筆托進行離子注入，具體為進行金屬離子注入，在此過程中，離子注入設備優選為金屬蒸氣真空弧(Metal Valuume Vapor avc，MEVVA)離子注入設備。注入元素，在原則上，可注入所有導電金屬元素，優選為Ti、Cr、C、Co、Hf等元素。在一個可行實施方式中，離子注入時的束流強度為5-20mA，優選為10-15mA；離子注入時的劑量為1×10¹⁶-1×10¹⁸/cm²；注入能量為10-100KeV。優選地，離子注入時的注入深度為10-800nm。MEVVA離子注入設備進行離子注入時的束流面積大，其束流直徑可達800mm，因此可實現筆托大批量的處理，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離子注入設備在注入離子時，設備內的溫度可選擇，即可以實現高溫摻雜，也可以在常溫或低溫下摻雜。若為高溫摻雜，可在離子注入時，在樣品臺下設置加熱槽，或在真空室內設置加熱管，對筆托進行加熱，例如，筆托可在25℃～500℃范圍內進行離子注入，有利于離子向筆托深處擴散，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。

在一個示例中，采用磁過濾陰極真空弧(filtered cathodic vacuum arc，FCVA)系統在基底“釘扎層”表面，磁過濾沉積，同時通入反應氣體，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。在一個可行實施方式中，沉積條件為：沉積負壓為300V-800V，占空比20％-100％，進氣量200-300sccm，沉積時間為50-100min。

本實施例提供的提高圓珠筆筆托表面硬度，降低摩擦系數的方法，主要是利用磁過濾陰極真空弧系統進行沉積鍍膜，在筆托表面形成一硬度高、致密性高、膜層結合力強的薄膜，增強不銹鋼“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”，進一步增加了后續沉積膜層與基底的結合力，提高了薄膜的耐磨性，降低其摩擦系數。

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

需要說明的是，上述三種筆托均對其進行耐磨性實驗，并觀察其摩擦系數。上述三種筆托均與以未處理不銹鋼為基材的“筆珠”進行對磨，測其耐磨性能。其中，對磨實驗時的條件相同，比如，實驗設備相同、對磨時間相同等。下面以不銹鋼鋼片為例，詳細介紹，以不銹鋼為基材的“筆托”的表面改性方法。

實施例二

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

實施例三

利用實施例一提供的方法，對以不銹鋼鋼片進行表面改性處理，實施步驟如下：

S110，初步清洗：

在無水乙醇中對不銹鋼鋼片進行超聲清洗，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的樣品臺上，霍爾氣體離子源對不銹鋼鋼片進行表面清洗，同時樣品臺伴隨超聲振蕩。注入條件為：霍爾氣體離子源的束流為260mA，處理時間為26min。

S130，離子注入：

利用MEVVA離子注入設備對不銹鋼鋼片進行表面離子注入，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，磁過濾磁場強度為10mT，負壓為400V，占空比為35％，沉積時間為75min。

后續對上述處理后的不銹鋼鋼片進行耐磨性能測試，其摩擦系數具體測試結果如圖4所示。除此之外，還對其進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。

實施例四

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

由圖3-圖5可知，未處理的不銹鋼鋼片的摩擦系數最大，約為0.65，碳化鎢次之，約為0.38，經過沉積鍍膜的不銹鋼鋼片摩擦系數最小，約為0.09。經過沉積鍍膜處理后的不銹鋼鋼片其摩擦系數降低了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，換句話說，本發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，增強不銹鋼“筆托”的耐磨性，提高圓珠筆的使用壽命。

本實施例提供的提高圓珠筆筆托表面硬度，降低摩擦系數的方法，主要是利用磁過濾陰極真空弧系統進行沉積鍍膜，在筆托的表面形成硬度高、致密性高、膜層結合力強的薄膜，增強不銹鋼“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”，進一步增加了后續沉積膜層與基底的結合力，提高了薄膜的耐磨性，降低其摩擦系數。即本發明實施例提供的方法，通過離子注入和沉積鍍膜的相結合的方式，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。因其方法簡單、易操作，且成本低、效率高，非常適合工業化大批量生產。

需要說明的是，盡管本發明已進行了一定程度的描述，明顯地，在不脫離本發明的精神和范圍的條件下，可進行各個條件的適當變化。可以理解為本發明不限于所述實施方案，而歸于權利要求的范圍，其包括所述每個因素的等同替換。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。