微電機外殼用鍍鋅鋼板沖壓成型性能試驗研究

黃珍媛，蘇達權*，魏婉珠，謝佳娜，陳敏生

(1. 華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510641；2. 揭陽市匯寶昌電器有限公司，廣東 揭陽 522000)

0 引 言

微電機外殼為異形對稱件，零件尺寸小，拉深高度大，沖壓特征結構復雜且材料薄，在拉深過程中極易出現破裂起皺等缺陷，因此對成型材料提出了較高的要求。鍍鋅鋼板除具有鋼的材料性能外，還具有較好的耐蝕性，因此被廣泛用于微電機外殼零件的制造。

目前關于鍍鋅鋼板的研究主要集中在其焊接性能上，關于其材料性能僅有少數學者做了研究，如李飛鵬等[1]通過對比實驗，對日本新日鐵、川崎和中國寶鋼生產的鍍鋅鋼板進行了成型性能、耐腐蝕性等研究，為汽車零件合理選用鍍鋅鋼板提供了依據；龔紅英等[2]通過正交分析法，對熱鍍鋅鋼板拉深成型性能的主要工藝參數進行了研究和優化，從工藝方面提高了材料的成型性能，但兩者都主要是應用在汽車零部件上，而專門針對微電機外殼用鍍鋅鋼板材料性能研究的文獻并不多。

本文將對SECD和DX53D兩種常見用于微電機外殼的鍍鋅鋼板進行單向拉伸試驗，深入研究和了解鍍鋅鋼板材料的拉伸成型性能，提高微電機外殼多道次拉伸成型質量。

1 試驗方案

試驗板料為0.6 mm厚的SECD鍍鋅鋼板和2.3 mm厚的DX53D鍍鋅鋼板，按照標準繪制的狗骨拉伸試樣(見圖1)，為了研究材料的各向異性，分別沿軸線與軋制方向成0°， 45°和90°的方向，利用線切割各獲取3個試樣。在試驗前先對試樣一側表面均勻噴涂黑白漆，形成在拉伸過程中用于識別位置變化的散斑。單向拉伸試驗裝置圖如圖2所示。

圖1 拉伸試樣(a)尺寸與(b)剖面圖

該單向拉伸試驗依照GB/T 228.1—2010試驗標準[3]進行，采用的拉伸機為島津AG-X萬能材料試驗機。試驗時的拉伸速度為2 mm·min-1，電腦采集拉伸機傳感器的應力數據和DIC單目相機傳輸的應變數據，應力數據采集的時間間隔為0.01 s，應變數據采集的時間間隔為1 s。

圖2 單向拉伸試驗裝置

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能分析

通過單向拉伸試驗后，SECD斷裂的試樣如圖3所示，由圖3中的斷口放大圖可知，斷口方向與最大正應力方向夾角為45°，呈現切斷型斷裂，是典型的韌性斷裂。

圖3 SECD鍍鋅鋼板斷裂試樣

處理實驗數據獲得如表1所示的SECD鍍鋅鋼板力學性能參數。由表1可知：SECD鍍鋅鋼板的屈服強度為170 MPa，抗拉強度為295 MPa，延伸率為52%，屈強比為0.58。屈強比小，延伸率較大，說明SECD鍍鋅鋼板塑性較好，易發生塑性變形，不易發生斷裂，適用于拉伸成型。

表1 SECD鍍鋅鋼板力學性能參數

選取各組試樣中與平均值最接近的試驗數據繪制如圖4所示的工程應力應變曲線。由圖4可知，SECD鍍鋅鋼板在達到屈服強度后曲線變化趨勢平緩，應力隨應變增加的變化緩慢，沒有明顯的屈服現象，是較為理想的彈塑性材料。

圖4 SECD工程應力應變曲線

DX53D斷裂的試樣如圖5所示，由圖5中的斷裂處放大圖可知：斷口與SECD鍍鋅鋼板不同，斷口處有明顯的塑性形變，呈現正斷型斷裂，屬于韌性斷裂。

圖5 DX53D鍍鋅鋼板斷裂試樣

DX53D鍍鋅鋼板的屈服強度為122 MPa，抗拉強度為231 MPa，延伸率為58%，屈強比為0.53，屈強比較低，延伸率較大，說明DX53D鍍鋅鋼板塑性較好，易發生塑性變形，不易發生斷裂，適用于制造變形性能要求較高的深沖產品。

選取各組試樣中與平均值最接近的試驗數據繪制如圖6所示的工程應力應變曲線。由圖6可知，DX53D鍍鋅鋼板在達到屈服強度后曲線變化趨勢逐漸平緩，應力隨應變增加的變化越來越緩慢，沒有明顯的屈服現象，是較為理想的彈塑性材料。

圖6 DX53D工程應力應變曲線

SECD鍍鋅鋼板的屈強比為0.58， DX53D鍍鋅鋼板的屈強比為0.53，說明DX53D的流動性更強，更易變形。

2.2 硬化特性分析

在單向拉伸試驗中，隨著應變的增大，材料會經過抵抗變形能力增強的強化階段，這個現象稱為應變硬化。在實際加工中，隨著變形加劇，材料也會出現強度和硬度提高，塑性下降的現象，即加工硬化。所以硬化指數n是評判材料成型性能的重要指標之一，對沖壓成型質量有著重要的影響。n值越大，材料的變形均勻性越高，極限變形程度越大，越有利于成型。

一般金屬在常溫下的應力應變曲線都符合Hollomon關系式：

σ=Kεn，

(1)

式中：σ為應力，MPa；

ε為應變；

K為強度系數，MPa；

n為硬化指數。

硬化指數n和強化系數K可以通過擬合得到，SECD鍍鋅鋼板的硬化指數和強度系數如表2所示。

表2 SECD鍍鋅鋼板的硬化指數和強度系數

考慮到材料的各向異性，以軋制方向為0°時的數據為準，可得SECD鍍鋅鋼板的硬化指數n為0.207，強度系數K為490 MPa。常用的沖壓材料還包括不銹鋼、銅合金和鋁合金等，一般不銹鋼的硬化指數n>0.4，銅合金的硬化指數n=0.21～0.53，包含鍍鋅鋼板在內的普通鋼板的硬化指數n=0.20～0.23，相較而言，鍍鋅鋼板的硬化能力適中且更具經濟性。SECD鍍鋅鋼板的硬化指數在與不同軋制方向上存在一定的差異，說明SECD鍍鋅鋼板具有各向異性。

DX53D鍍鋅鋼板的硬化指數和強度系數如表3所示。

表3 DX53D鍍鋅鋼板的硬化指數和強度系數

DX53D鍍鋅鋼板的硬化指數n為0.293，強度系數K為418 MPa。SECD鍍鋅鋼板的硬化指數n為0.207， DX53D更易發生硬化，更有利于成型。DX53D鍍鋅鋼板的硬化指數在與板料軋制方向成0°和90°兩個不同方向上大小相近，與45°方向有明顯差異，說明DX53D鍍鋅鋼板具有各向異性。

2.3 各向異性分析

厚向異性系數r是用于表征板料沖壓性能的重要參數，也叫塑性應變比，軸線與軋制方向呈不同角度的試驗，其厚向異性系數也不同，其計算公式如(2)所示。

(2)

式中：εw為寬度方向應變；

εt為厚度方向應變；

b為試樣拉伸后的寬度，mm；

b0為試樣初始寬度，mm；

t為試樣拉伸后的厚度，mm；

t0為試樣初始厚度，mm。

(3)

式中：r0為0°方向厚向異性系數；

r45為45°方向厚向異性系數；

r90為90°方向厚向異性系數。

用于表征材料在平面內的變形平均程度的指標被稱為板平面方向各向異性Δr， Δr越大，說明板平面上方向性差異越大，越易出現凸耳現象，拉伸成型質量越差，其計算公式如(4)所示。

(4)

SECD鍍鋅鋼板的各向異性系數如表4所示。

表4 SECD鍍鋅鋼板各向異性系數

SECD鍍鋅鋼板在各方向上的厚向異性系數差異表示其具有一定的各向異性。SECD鍍鋅鋼板的板厚方向各向異性系數為1.84，不銹鋼的板厚方向各向異性系數為1.16～1.24，銅合金的板厚方向各向異性系數為1.05，鋁合金的板厚方向各向異性系數為0.60～0.80之間[4]，相較而言，SECD鍍鋅鋼板的板厚方向各向異性系數更大，表明其在厚度方向上更不易發生變形，不易發生減薄和破裂。SECD鍍鋅鋼板的板平面方向各向異性系數為0.23，不銹鋼的板平面方向各向異性系數為0.74～1.34，銅合金的板平面方向各向異性系數為-0.14[5]，相較而言，SECD鍍鋅鋼板的板平面方向各向異性系數較小，表明其在沖壓過程中各個方向上的變形均勻，不易出現凸耳現象。

DX53D鍍鋅鋼板的各向異性系數如表5所示。

表5 DX53D鍍鋅鋼板各向異性系數

DX53D鍍鋅鋼板的板厚方向各向異性系數為1.72，而SECD鍍鋅鋼板為1.84，說明在拉伸過程中SECD鍍鋅鋼板在厚度方向上更不易發生變形，而DX53D鍍鋅鋼板更易出現減薄或增厚的現象；DX53D鍍鋅鋼板的板平面方向各向異性系數為0.07，而SECD鍍鋅鋼板為0.23，說明在拉伸過程中DX53D鍍鋅鋼板的平面方向變形更加均勻一致，不易發生凸耳現象。在實際生產過程中，SECD鍍鋅鋼板被應用于級進拉伸，DX53D鍍鋅鋼板被應用于變薄拉伸，符合以上對兩種鍍鋅鋼板的成型性能分析。

3 結 論

本文針對0.6 mm的SECD鍍鋅鋼板和2.3 mm的DX53D鍍鋅鋼板，開展單向拉伸試驗，研究了兩種鍍鋅鋼板的基礎力學性能、硬化特性和各向異性等，得到以下結論。

(1) SECD和DX53D兩種鍍鋅鋼板的屈強比均小于1， SECD的屈強比為0.58， DX53D的屈強比為0.53，且延伸率均大于50%，說明兩種鍍鋅鋼板都具有良好的塑性，在拉伸過程中易發生變形，不易發生斷裂，適用于微電機外殼的多道次沖壓成型。

(2) SECD和DX53D兩種鍍鋅鋼板的硬化指數分別為0.207和0.293，板厚方向各向異性系數為分別為1.84和1.72，板平面方向各向異性系數分別為0.23和0.07，兩種鍍鋅鋼板與其他常用沖壓材料相比，硬化能力適中，厚度方向抗變形能力強，平面方向變形均勻，更適用于深拉伸。

(3) 在實際生產中，SECD鍍鋅鋼板常用于級進拉深，DX53D鍍鋅鋼板常用于變薄拉伸，與試驗和分析結果一致。