C36000 注塑模具铜芯失效分析

2024-01-05简思聪谢咏馨

材料研究与应用 2023年6期

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。