C36000 注塑模具铜芯失效分析

简思聪,谢咏馨

（广东省科学院工业分析检测中心，广东 广州 510650）

0 引言

铅加入到铜锌合金中铸造而成的铅黄铜具有良好的力学性能、铸造性能和切削加工性能［1］，但近年来省内外铅黄铜断裂失效的事故时有发生［2-6］。沈国军［7］研究了HPb57-3 铅黄铜阀门的开裂原因发现，该合金杂质元素含量较多、机械设计不合理等因素导致铅黄铜发生断裂。冯红武［8］等研究发现，由于大量铅聚集在晶界处而导致材料的塑性降低，断口位置观察到的缩孔和疏松引起的应力集中，从而发生了脆性断裂。由于C36000 铅黄铜具有优良的切削加工性能及良好的导热性能、耐磨性、力学性能［9-12］，某厂家使用C36000 铅黄铜作为注塑模具铜芯，但在使用过程中发现铜芯在加工未成形时出现断裂。为寻找出铜芯失效的原因，提高产品的合格率，本文采用宏观检查、化学成分、微观形貌、力学性能等分析手段对铜芯进行了开裂原因分析［13-16］。

1 试样宏观形貌

试样材质为C36000 铅黄铜，铜芯部分经车床加工制成，表面无处理。。铜芯注塑前预热至100 ℃，然后将其放入模具内再注塑PEEK 材料包裹，模具温度为200 ℃、注塑温度为390—400 ℃。

图1 为某模具厂注塑铜芯样品的宏观形貌。从图1 可见，试样断裂部位为车加工的直角拐弯处。

图1 铜芯样品照片Figure 1 Copper core sample photos

2 结果及分析

2.1 化学成分分析

参考美国ASTM 标准对C36000 铅黄铜规定的主要元素，采用国标GB/T5121.1-2008、GB/T10046-2018和GB/T5121.27-2008定义的方法，对失效件A 和正常件的铜芯样品进行化学成分分析，结果列于表1。由表1 可知，失效件A 和正常件中Cu 和Pb 含量均低于ASTM 标准要求的范围值。当合金中的铅含量超过2%时易出现偏析，与董显明等［17］人的研究结论一致。

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

2.2 金相分析

选取断裂失效件A 和正常件铜芯材料相应部位制备金相试样进行观察，金相组织如图2所示。从图2可见，失效件A 和正常件的金相组织极其相似，晶粒细小，由α+β′两相组成，其中α相呈亮色、β′相呈暗色。

图2 失效件A 及正常件的光学金相Figure 2 Optical metallography of failed part A and normal parts

2.3 硬度分析

依据国标GB/T 4340.1-2009，采用HXD-100TMC 硬度仪对铜芯样品失效件A 和正常件进行维氏硬度测试，其中载荷为100 g、加载时间为15 s，结果列于表2。由表2 可知，失效件A 的硬度为115HV0.1、正常件硬度为104 HV0.1，失效件A 的硬度高于正常件。

表2 铜芯样品硬度HV0.1测试值Table 2 Test value of hardness HV0.1 of copper core sample

2.4 断口形貌分析

断口失效样品A 的断口扫描电镜照片如图3 所示。从图3 可见：断口呈现典型的冰糖粒状形貌，沿晶界出现裂纹和微裂纹，属于脆性断裂；背散射电子照片中白亮处为元素序数大的Pb 相颗粒，表明Pb元素分布欠均匀，某些部位产生Pb 元素偏聚；对点1和点2 的EDS 能谱分析发现，点1 处除含有Cu、Zn和少量Pb 元素外还存在少量Al 元素，而点2 处主要含Cu 和Zn 元素。

图3 失效样品A 的断口扫描电镜照片及EDS 能谱曲线Figure 3 Scanning electron microscopy and EDS spectral curves of fracture A

断口失效样品B 的断口扫描电镜照片如图4 所示。从图4 可见：低倍照片显示断口中间出现一条明显的裂纹，断口呈现典型的冰糖粒状形貌，并且沿晶界出现裂纹和微裂纹，属于脆性断裂；背散射电子照片中白亮处为元素序数大的Pb 相颗粒，表明Pb元素分布欠均匀，晶界部位易出现Pb 元素偏聚；对点1 和点2 的EDS 能谱分析发现，点1 处除Cu、Zn和少量Pb 元素外还存在少量Al 元素，而点2 处除Cu、Pb 外还含有大量的Fe 元素。

图4 失效样品断口B 的扫描电镜照片及EDS 能谱曲线Figure 4 Scanning electron microscopy of fracture A and EDS spectral curves

2.5 结构分析

对铜芯样品的结构进行了改进，在拐弯处设计了弧度，这样可以减少残余应力集中而不易产生断裂。图5 为结构优化示意图。优化后的结构设计，减少了残余应力，对材料加工过程中容易出现的因结构原因导致的断裂情况有一定的帮助。

3 结论

（1）C36000 铜芯样品的Cu 和Pb 含量均低于ASTM 标准要求的范围值，扫描电镜EDS 微区成分分析表明Pb 元素分布不均匀，晶界部位出现Pb 元素偏聚，同时含有杂质元素Al。

（2）C36000 铜芯样品的金相组织由α+β′两相组成，β′相比α相硬脆。

（3）由于原材料加工工艺存在问题，导致Pb 元素分布不均匀，某些部位产生偏聚，弱化了晶界强度，再加上铜芯样品车加工拐弯处的残余应力集中严重，易在此处产生裂纹而发生断裂，断口呈典型的冰糖粒状形貌，沿晶界出现裂纹和微裂纹，属于脆性断裂。

通过对铅黄铜的断裂失效分析，找到了断裂的主要原因，为此类铅黄铜制造技术监督提供参考作用。对铅黄铜制造进行监督时，应该加强其化学成分的检测。辅助硬度测试时，发现硬度过高时应重点排查。对材料的微观组织进行分析，观察是否出现偏聚的情况，出现裂纹应及时更换。