ورق روغنی کششی، نیمه‌کششی و فوق‌کششی یعنی چه؟ راهنمای انتخاب ساده

مقدمه

ورق نورد سرد (Cold Rolled Steel Sheet) که در بازار فولاد ایران به «ورق روغنی» معروف است، به دلیل سطح صاف، یکنواختی ضخامت و ابعاد دقیق، مادهٔ اولیهٔ اصلی صنایع مختلف از خودروسازی تا تولید لوازم خانگی و تابلوهای برق به شمار می‌رود. با وجود ظاهر یکدست، تمام ورق‌های روغنی رفتار مکانیکی یکسانی ندارند. هنگام عملیات پرس‌کاری، برش‌کاری و خم‌کاری، تفاوت در قابلیت شکل‌پذیری (Formability) ورق می‌تواند مرز میان تولید یک قطعهٔ بی‌نقص یا شکست و پارگی آن باشد.

در ادبیات بازار و استانداردهای متالورژی، اصطلاحات ورق روغنی معمولی، نیمه‌کششی، کششی و فوق‌کششی معرف درجهٔ نرمی، انعطاف‌پذیری و ظرفیت کشش ورق در قالب‌های پرسی است. این گریدها در استاندارد آلمانی (DIN 1623) با شناسه‌های St12 تا St14 و در استاندارد اروپایی (EN 10130) با شناسه‌های DC01 تا DC07 تعریف می‌شوند. شناخت دقیق این مفاهیم از تحمیل هزینه‌های ناشی از ضایعات قطعات پرسی یا خرید متریال گران‌تر از نیاز واقعی جلوگیری می‌کند.

 قابلیت کشش در ورق روغنی به چه معناست؟

فرایند کشش عمیق (Deep Drawing) یکی از روش‌های اصلی شکل‌دهی فلزات است که طی آن، یک ورق تخت فولادی به وسیلهٔ سنبه و ماتریس، بدون تغییر محسوس در ضخامت یا ایجاد پارگی، به قطعه‌ای توخالی و سه‌بعدی تبدیل می‌شود. توانایی یک ورق در تحمل این فشار بدون ایجاد ترک و چروکیدگی، «قابلیت کشش» نام دارد.

سه عامل کلیدی در متالورژی ورق‌های سرد، رفتار کششی آن‌ها را مشخص می‌کند:

1. درصد کربن (Carbon Content): هرچه میزان کربن در آلیاژ فولاد کمتر باشد، سختی ذاتی فلز کاهش یافته و انعطاف‌پذیری آن بیشتر می‌شود؛ برای نمونه، سقف کربن در گرید DC01 برابر ۰٫۱۲ درصد و در گرید DC06 تنها ۰٫۰۲ درصد است.

2. درصد ازدیاد طول نسبی (Elongation - A80): بیانگر میزان کش‌آمدن ورق پیش از لحظهٔ گسیختگی و پارگی است؛ این مقدار در استاندارد اروپایی برای گریدهای مختلف، از حداقل ۲۸ درصد تا 44 درصد تغییر می‌کند.

3.ضریب ناهمسانگردی پلاستیک (Plastic Strain Ratio – r-value (r90)): نشان‌دهندهٔ مقاومت ورق در برابر نازک‌شدن موضعی در جهت ضخامت حین تغییر شکل است. مقادیر بالاتر این ضریب، که در گریدهای کششی‌تر تا ۲٫۱ نیز می‌رسد، مانع از پاره‌شدن ورق در عمق قالب می‌شود.   این ضریب در واقع نشانگر درصد کرنش در جهت عرض به کرنش در جهت ضخامت میباشد، هر چه این مقدار بالا باشد مقاومت ورق در تغییر ضخامت بیشتر شده و ورق کرنش را بیشتر در جهت عرض جذب ‌می‌کند.

 

4. ضریب کرنش سختی n-value

 این ضریب نشانه توانایی فلز در توزیع یکنواخت تنش و مقاومت در برابر باریک‌شدگی موضعی (گلویی‌شدن) حین شکل‌دهی کششی است. هرچه این ضریب بالاتر باشد، ورق قابلیت کشش عمیق و اتساع بهتری دارد و بدون پارگی، فرم‌های پیچیده‌تری به خود می‌گیرد.

 

بر مبنای این پارامترها و استانداردهای پرکاربرد نظیر استاندارد آلمانی (DIN 1623) و استاندارد اروپایی (EN 10130)، ورق‌های روغنی دسته‌بندی می‌شوند.

 معرفی گریدهای ورق روغنی بر پایهٔ قابلیت فرم‌پذیری

ورق‌های روغنی بر اساس رفتار مکانیکی و ظرفیت شکل‌دهی، در چهار دستهٔ اصلی عرضه می‌شوند. هر گرید برای سطح مشخصی از پیچیدگی پرس‌کاری طراحی شده است و انتخاب آن باید متناسب با نیاز فنی قطعه باشد.

ورق روغنی معمولی (Commercial Quality)

•  شناسهٔ استاندارد: St12 در استاندارد آلمانی؛ DC01 در استاندارد اروپایی.

•   ویژگی‌های مکانیکی: این ورق دارای بالاترین استحکام تسلیم (Yield Strength) تا 280 مگاپاسکال و کمترین درصد ازدیاد طول (حداقل 28 درصد) در میان گریدهای روغنی است.

مطابق استاندارد EN 10130:  زمانی که ضخامت ورق بین 0.7 و 0.5 باشد، نقطه تسلیم تا 20 مگاپاسگال افزایش و الانگیشن تا 2 واحد کم می‌شود. زمانی که ضخامت از 0.5 کمتر باشد، تنش تسلیم تا 40 مگاپاسگال افزایش و الانگیشن تا 4 واحد کم می‌شود .

• رفتار و کاربرد: برای شکل‌دهی‌های ساده، برش و خم‌کاری‌های با زاویهٔ باز بسیار کارآمد و اقتصادی است. این ورق برای قالب‌های پرسی عمیق ساخته نشده و در صورت کشش شدید ترک می‌خورد. تولید درهای فلزی، کانال‌های انتقال هوا، بدنهٔ تابلوهای برق، مبلمان اداری و پایه‌های سازه‌ای عمده‌ترین موارد مصرف این متریال هستند.

ورق روغنی نیمه‌کششی (Drawing Quality)

• شناسهٔ استاندارد: St13 در استاندارد آلمانی؛ DC03 در استاندارد اروپایی.

•  ویژگی‌های مکانیکی: درصد کربن در این گرید کمتر از St12 است. استحکام تسلیم آن حداکثر ۲۴۰ مگاپاسکال، ازدیاد طول آن حداقل ۳۴ درصد و r-90  آن حداقل ۱٫۳ است.

•  رفتار و کاربرد: این گرید قابلیت فرم‌دهی و پرس‌کاری با عمق متوسط را داراست. قطعاتی که نیاز به مقداری انحنا دارند، بدون خطر ترکیدگی با این ورق ساخته می‌شوند. محفظهٔ فیلترهای روغن، بدنهٔ بیرونی یخچال و ماشین لباسشویی و اتصالات پرسی با پیچیدگی متوسط از موارد پرکاربرد آن به شمار می‌روند.

ورق روغنی کششی (Deep Drawing Quality)

•  شناسهٔ استاندارد: St14 در استاندارد آلمانی؛ DC04 در استاندارد اروپایی.

•  ویژگی‌های مکانیکی: فولادی آرام‌شده با آلومینیوم (Aluminum-Killed Steel) با درصد کربن بسیار پایین که استحکام تسلیم حداکثر ۲۱۰ مگاپاسکال، ازدیاد طول حداقل ۳۸ درصد و ضریب ناهمسانگردی حداقل ۱٫۶  و  n-90 بالاتر از 0.18 را ثبت می‌کند.

•  رفتار و کاربرد: مقاومت بالایی در برابر نازک‌شدگی نامتقارن دارد و به‌آسانی در قالب‌های عمیق تغییر شکل می‌دهد. این گرید مادهٔ اصلی در پرس‌کاری بدنهٔ خودرو شامل گلگیرها، سقف، درها و همچنین باک‌های بنزین و پوستهٔ آبگرمکن‌ها و کپسول‌های گاز است.

ورق روغنی فوق‌کششی (Extra Deep Drawing Quality)

•  شناسهٔ استاندارد: St15 و St16 (یا DC05 و DC06)   و DC07 در استانداردهای آلمانی و اروپایی.

•  ویژگی‌های مکانیکی: میزان کربن به حداقل ممکن (حداکثر ۰٫۰۶ درصد در DC05 و ۰٫۰۲ درصد در DC06)  و 0.01 در DC07 می‌رسد و اغلب در دستهٔ فولادهای بدون عناصر بین‌نشین (Interstitial-Free Steel - IF) قرار می‌گیرد. استحکام تسلیم این گریدها به ترتیب حداکثر ۱۸۰ و ۱۷۰ و 150 مگاپاسکال و ازدیاد طول آن‌ها حداقل ۴۰ و ۴۱  و 44 درصد و همچنین دارای r-90 به ترتیب بالاتر از 1.9، 2.1 و 2.5 و همچنین n-90  بالاتر از 0.2، 0.22 و 0.23 است.

•   رفتار و کاربرد: این ورق‌ها برای قطعاتی به کار می‌روند که دارای زوایای بسیار تند، عمق کشش چندمرحله‌ای و فرم‌های نامتقارن هستند و با گریدهای پایین‌تر دچار پارگی در حین کشش می‌شوند.

 جدول مقایسهٔ فنی گریدهای ورق روغنی

جدول زیر مقایسهٔ فنی گریدهای رایج ورق روغنی را بر اساس داده‌های استاندارد اروپایی (EN 10130) نشان می‌دهد:

نام رایج و صنعتی	استاندارد آلمان (DIN 1623)	استاندارد اروپا (EN 10130)	حداکثر استحکام تسلیم (مگاپاسکال)	حداقل ازدیاد طول (A80)	پیچیدگی عملیات پرس‌کاری
معمولی	St12	DC01	۲۸۰	۲۸٪	خم‌کاری ساده و برش
نیمه‌کششی	St13	DC03	۲۴۰	۳۴٪	کشش و فرم‌دهی کم‌عمق
کششی	St14	DC04	۲۱۰	۳۸٪	کشش عمیق و قطعات پیچیده
فوق‌کششی	St15 / St16	DC05 / DC07/DC06/	۱۸۰ / ۱۷۰	۴۰٪ تا ۴۱٪	کشش چندمرحله‌ای و هندسه‌های پیچیده

لازم به ذکر است فولادهای روغنی تولید شده بسته به فرآیند تولید و گرید آن می تواند تحت تاثیر فرآیند Aging قرار گرفته و خواص آن تغییر کند (کاهش الانگیشن و ایجاد عیب چین سطحی ناشی از باند لودرز) لذا مطابق استانداردهای مربوطه، محصولات تولید شده دارای زمان تضمین خواص مکانیکی  است که مقدار آن در جداول زیر درج شده است.

نام فولاد (Steel designation / name)	شماره فولاد (Steel number)	طبقه‌بندی بر اساس EN 10020 (Classification)	کیفیت سطح (Surface quality)	عدم ایجاد خطوط کرنش کششی / خطوط لودرز (Absence of stretcher strain marks)
DC01	1.0330	فولاد کیفی غیرآلیاژی (Non-alloy quality steel)	A	-
DC03	1.0347	فولاد کیفی غیرآلیاژی (Non-alloy quality steel)	A, B	3 ماه (برای کیفیت سطح B) / 3 months
DC04	1.0338	فولاد کیفی غیرآلیاژی (Non-alloy quality steel)	A, B	6 ماه (برای کیفیت سطح B) / 6 months
DC05	1.0312	فولاد کیفی غیرآلیاژی (Non-alloy quality steel)	A, B	6 ماه (برای کیفیت سطح B) / 6 months
DC06	1.0873	فولاد پایه / غیرآلیاژی کیفیت ویژه (Base steel / non-alloy special quality)	A, B	بدون محدودیت زمانی / بدون تشکیل خطوط کششی (قید شده در استاندارد) / 6 ماه