C36000 注塑模具銅芯失效分析

簡思聰,謝詠馨

（廣東省科學院工業分析檢測中心，廣東 廣州 510650）

0 引言

鉛加入到銅鋅合金中鑄造而成的鉛黃銅具有良好的力學性能、鑄造性能和切削加工性能［1］，但近年來省內外鉛黃銅斷裂失效的事故時有發生［2-6］。沈國軍［7］研究了HPb57-3 鉛黃銅閥門的開裂原因發現，該合金雜質元素含量較多、機械設計不合理等因素導致鉛黃銅發生斷裂。馮紅武［8］等研究發現，由于大量鉛聚集在晶界處而導致材料的塑性降低，斷口位置觀察到的縮孔和疏松引起的應力集中，從而發生了脆性斷裂。由于C36000 鉛黃銅具有優良的切削加工性能及良好的導熱性能、耐磨性、力學性能［9-12］，某廠家使用C36000 鉛黃銅作為注塑模具銅芯，但在使用過程中發現銅芯在加工未成形時出現斷裂。為尋找出銅芯失效的原因，提高產品的合格率，本文采用宏觀檢查、化學成分、微觀形貌、力學性能等分析手段對銅芯進行了開裂原因分析［13-16］。

1 試樣宏觀形貌

試樣材質為C36000 鉛黃銅，銅芯部分經車床加工制成，表面無處理。。銅芯注塑前預熱至100 ℃，然后將其放入模具內再注塑PEEK 材料包裹，模具溫度為200 ℃、注塑溫度為390—400 ℃。

圖1 為某模具廠注塑銅芯樣品的宏觀形貌。從圖1 可見，試樣斷裂部位為車加工的直角拐彎處。

圖1 銅芯樣品照片Figure 1 Copper core sample photos

2 結果及分析

2.1 化學成分分析

參考美國ASTM 標準對C36000 鉛黃銅規定的主要元素，采用國標GB/T5121.1-2008、GB/T10046-2018和GB/T5121.27-2008定義的方法，對失效件A 和正常件的銅芯樣品進行化學成分分析，結果列于表1。由表1 可知，失效件A 和正常件中Cu 和Pb 含量均低于ASTM 標準要求的范圍值。當合金中的鉛含量超過2%時易出現偏析，與董顯明等［17］人的研究結論一致。

表1 C36000 銅芯材料成分分析Table 1 Analysis of chemical compositions of C36000 copper core

2.2 金相分析

選取斷裂失效件A 和正常件銅芯材料相應部位制備金相試樣進行觀察，金相組織如圖2所示。從圖2可見，失效件A 和正常件的金相組織極其相似，晶粒細小，由α+β′兩相組成，其中α相呈亮色、β′相呈暗色。

圖2 失效件A 及正常件的光學金相Figure 2 Optical metallography of failed part A and normal parts

2.3 硬度分析

依據國標GB/T 4340.1-2009，采用HXD-100TMC 硬度儀對銅芯樣品失效件A 和正常件進行維氏硬度測試，其中載荷為100 g、加載時間為15 s，結果列于表2。由表2 可知，失效件A 的硬度為115HV0.1、正常件硬度為104 HV0.1，失效件A 的硬度高于正常件。

表2 銅芯樣品硬度HV0.1測試值Table 2 Test value of hardness HV0.1 of copper core sample

2.4 斷口形貌分析

斷口失效樣品A 的斷口掃描電鏡照片如圖3 所示。從圖3 可見：斷口呈現典型的冰糖粒狀形貌，沿晶界出現裂紋和微裂紋，屬于脆性斷裂；背散射電子照片中白亮處為元素序數大的Pb 相顆粒，表明Pb元素分布欠均勻，某些部位產生Pb 元素偏聚；對點1和點2 的EDS 能譜分析發現，點1 處除含有Cu、Zn和少量Pb 元素外還存在少量Al 元素，而點2 處主要含Cu 和Zn 元素。

圖3 失效樣品A 的斷口掃描電鏡照片及EDS 能譜曲線Figure 3 Scanning electron microscopy and EDS spectral curves of fracture A

斷口失效樣品B 的斷口掃描電鏡照片如圖4 所示。從圖4 可見：低倍照片顯示斷口中間出現一條明顯的裂紋，斷口呈現典型的冰糖粒狀形貌，并且沿晶界出現裂紋和微裂紋，屬于脆性斷裂；背散射電子照片中白亮處為元素序數大的Pb 相顆粒，表明Pb元素分布欠均勻，晶界部位易出現Pb 元素偏聚；對點1 和點2 的EDS 能譜分析發現，點1 處除Cu、Zn和少量Pb 元素外還存在少量Al 元素，而點2 處除Cu、Pb 外還含有大量的Fe 元素。

圖4 失效樣品斷口B 的掃描電鏡照片及EDS 能譜曲線Figure 4 Scanning electron microscopy of fracture A and EDS spectral curves

2.5 結構分析

對銅芯樣品的結構進行了改進，在拐彎處設計了弧度，這樣可以減少殘余應力集中而不易產生斷裂。圖5 為結構優化示意圖。優化后的結構設計，減少了殘余應力，對材料加工過程中容易出現的因結構原因導致的斷裂情況有一定的幫助。

3 結論

（1）C36000 銅芯樣品的Cu 和Pb 含量均低于ASTM 標準要求的范圍值，掃描電鏡EDS 微區成分分析表明Pb 元素分布不均勻，晶界部位出現Pb 元素偏聚，同時含有雜質元素Al。

（2）C36000 銅芯樣品的金相組織由α+β′兩相組成，β′相比α相硬脆。

（3）由于原材料加工工藝存在問題，導致Pb 元素分布不均勻，某些部位產生偏聚，弱化了晶界強度，再加上銅芯樣品車加工拐彎處的殘余應力集中嚴重，易在此處產生裂紋而發生斷裂，斷口呈典型的冰糖粒狀形貌，沿晶界出現裂紋和微裂紋，屬于脆性斷裂。

通過對鉛黃銅的斷裂失效分析，找到了斷裂的主要原因，為此類鉛黃銅制造技術監督提供參考作用。對鉛黃銅制造進行監督時，應該加強其化學成分的檢測。輔助硬度測試時，發現硬度過高時應重點排查。對材料的微觀組織進行分析，觀察是否出現偏聚的情況，出現裂紋應及時更換。