C36000 注塑模具銅芯失效分析

簡思聰,謝詠馨

（廣東省科學(xué)院工業(yè)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(xué)性能、鑄造性能和切削加工性能［1］，但近年來省內(nèi)外鉛黃銅斷裂失效的事故時有發(fā)生［2-6］。沈國軍［7］研究了HPb57-3 鉛黃銅閥門的開裂原因發(fā)現(xiàn)，該合金雜質(zhì)元素含量較多、機(jī)械設(shè)計不合理等因素導(dǎo)致鉛黃銅發(fā)生斷裂。馮紅武［8］等研究發(fā)現(xiàn)，由于大量鉛聚集在晶界處而導(dǎo)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(yīng)力集中，從而發(fā)生了脆性斷裂。由于C36000 鉛黃銅具有優(yōu)良的切削加工性能及良好的導(dǎo)熱性能、耐磨性、力學(xué)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(fā)現(xiàn)銅芯在加工未成形時出現(xiàn)斷裂。為尋找出銅芯失效的原因，提高產(chǎn)品的合格率，本文采用宏觀檢查、化學(xué)成分、微觀形貌、力學(xué)性能等分析手段對銅芯進(jìn)行了開裂原因分析［13-16］。

1 試樣宏觀形貌

試樣材質(zhì)為C36000 鉛黃銅，銅芯部分經(jīng)車床加工制成，表面無處理。。銅芯注塑前預(yù)熱至100 ℃，然后將其放入模具內(nèi)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F(xiàn)igure 1 Copper core sample photos

2 結(jié)果及分析

2.1 化學(xué)成分分析

參考美國ASTM 標(biāo)準(zhǔn)對C36000 鉛黃銅規(guī)定的主要元素，采用國標(biāo)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(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)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(biāo)準(zhǔn)要求的范圍值。當(dāng)合金中的鉛含量超過2%時易出現(xiàn)偏析，與董顯明等［17］人的研究結(jié)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(yīng)部位制備金相試樣進(jìn)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(xì)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(xué)金相Figure 2 Optical metallography of failed part A and normal parts

2.3 硬度分析

依據(jù)國標(biāo)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(jìn)行維氏硬度測試，其中載荷為100 g、加載時間為15 s，結(jié)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(xiàn)典型的冰糖粒狀形貌，沿晶界出現(xiàn)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(shù)大的Pb 相顆粒，表明Pb元素分布欠均勻，某些部位產(chǎn)生Pb 元素偏聚；對點(diǎn)1和點(diǎn)2 的EDS 能譜分析發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)1 處除含有Cu、Zn和少量Pb 元素外還存在少量Al 元素，而點(diǎn)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(xiàn)一條明顯的裂紋，斷口呈現(xiàn)典型的冰糖粒狀形貌，并且沿晶界出現(xiàn)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(shù)大的Pb 相顆粒，表明Pb元素分布欠均勻，晶界部位易出現(xiàn)Pb 元素偏聚；對點(diǎn)1 和點(diǎn)2 的EDS 能譜分析發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)1 處除Cu、Zn和少量Pb 元素外還存在少量Al 元素，而點(diǎn)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(jié)構(gòu)分析

對銅芯樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在拐彎處設(shè)計了弧度，這樣可以減少殘余應(yīng)力集中而不易產(chǎn)生斷裂。圖5 為結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少了殘余應(yīng)力，對材料加工過程中容易出現(xiàn)的因結(jié)構(gòu)原因?qū)е碌臄嗔亚闆r有一定的幫助。

3 結(jié)論

（1）C36000 銅芯樣品的Cu 和Pb 含量均低于ASTM 標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍值，掃描電鏡EDS 微區(qū)成分分析表明Pb 元素分布不均勻，晶界部位出現(xiàn)Pb 元素偏聚，同時含有雜質(zhì)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(dǎo)致Pb 元素分布不均勻，某些部位產(chǎn)生偏聚，弱化了晶界強(qiáng)度，再加上銅芯樣品車加工拐彎處的殘余應(yīng)力集中嚴(yán)重，易在此處產(chǎn)生裂紋而發(fā)生斷裂，斷口呈典型的冰糖粒狀形貌，沿晶界出現(xiàn)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(shù)監(jiān)督提供參考作用。對鉛黃銅制造進(jìn)行監(jiān)督時，應(yīng)該加強(qiáng)其化學(xué)成分的檢測。輔助硬度測試時，發(fā)現(xiàn)硬度過高時應(yīng)重點(diǎn)排查。對材料的微觀組織進(jìn)行分析，觀察是否出現(xiàn)偏聚的情況，出現(xiàn)裂紋應(yīng)及時更換。