CN101421428B - 燃料喷射管用无缝钢管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种材料强度高、且不发生疲劳破坏的临界内压较高、疲劳寿命长、可靠性高的燃料喷射管用无缝钢管。以质量％计，该燃料喷射管用无缝钢管含有C：0.12～0.27％、Si：0.05～0.40％以及Mn：0.8～2.0％，剩余部分由Fe和其它杂质构成，在杂质中Ca为0.001％以下、P为0.02％以下、S为0.01％以下；其抗拉强度为500N/mm2以上，其特征在于，至少存在于自钢管内表面起至20μm处的深度中的非金属夹杂物的最大直径为20μm以下。该钢管还可含有以下的1种或2种以上：Cr：1％以下、Mo：1％以下、Ti：0.04％以下、Nb：0.04％以下、以及V：0.1％以下。

Description

燃料喷射管用无缝钢管
技术领域
本发明涉及一种为将燃料喷射到燃烧室而使用的钢管，更具体涉及一种用于向柴油发动机的燃烧室供给燃料液滴的燃料喷射管用的钢管。
背景技术
作为应对将来能源枯竭的对策，目前正盛行促进节能运动、资源再利用运动以及开发为达到这些目的技术。特别是近年来，作为世界性的努力方向，为了防止地球温暖化而强烈要求降低伴随着燃料燃烧而产生的CO2的排出量。
作为CO2排出量较少的内燃机，可列举汽车等上使用的柴油发动机。但是，在柴油发动机上CO2排出量是较少的，但另一面也存在产生黑烟的问题。黑烟是在氧气相对于所喷射的燃料不足的情况下发生的。即，因燃料发生部分热分解而引起脱氢反应的发生，生成了黑烟的先驱物，该先驱物再次发生热分解、凝聚、结合，由此形成为黑烟。这样发生的黑烟将引起大气污染，会对人体造成负面影响。
通过提高燃料对柴油发动机的燃烧室的喷射压力，可降低上述黑烟的发生量。但是，为此要求燃料喷射上使用的钢管具有较高的疲劳强度。关于获得这样燃料喷射上使用的钢管的制造方法，目前已经公开了如下所示的发明。
在专利文献1中公开了如下的用于柴油发动机燃料喷射的钢管的制造方法：在通过对经过热轧的无缝钢管基材的内表面进行喷丸处理来进行研削、研磨之后，再进行冷拔加工。若采用该制造方法，则可使钢管内表面的缺陷(凹凸、鳞状折叠及细微裂纹等)深度在0.10mm以下，因此，可实现燃料喷射上使用的钢管的高强度化。
专利文献1：日本特开平9-57329号公报
采用上述专利文献1中公开的方法而制造出的用于燃料喷射的钢管虽具有较高的强度，但无法获得与其钢管材料的强度相应的疲劳寿命。若钢管材料的强度较高，固然可提高施加于钢管内侧的压力，但对钢管内侧施加压力时不使钢管内表面因疲劳而受到破坏的临界的内压(以下称为“临界内压”)不仅仅与钢管材料的强度相关。即，即使钢管材料的强度很高也无法获得期待之上的临界内压。若考虑到最终产品的可靠性等，疲劳寿命越长越好，但若上述临界内压较低，则经过在较高的内压下的使用后，容易使钢管发生疲劳，因而也会使疲劳寿命变短。
发明内容
本发明的课题是提供一种通过提高材料强度的同时确保较高的临界内压，可实现延长疲劳寿命且可靠性高的燃料喷射管用无缝钢管。
为了解决上述课题，本发明人对钢管材料的抗拉强度与钢管的临界内压之间的关系进行了详细的调查。首先，准备多个材料组成发生变化且抗拉强度不同的钢管，对拉伸试验与临界内压之间的关系进行调查。并且，也对进行临界内压调查时受到疲劳破坏的钢管的破损部进行了调查。
根据上述调查结果可知，当钢管材料的抗拉强度小于500N/mm2时，在由具有大致相同抗拉强度的材料构成的钢管中，即使临界内压不同，也获得相同的破损形态；而当钢管材料的抗拉强度为500N/mm2以上时，即使是由具有大致相同抗拉强度的材料构成的钢管，也会随临界内压的大小的不同而破损形态不同。
即，当钢管材料的抗拉强度为500N/mm2以上时，临界内压比较大的钢管获得了与抗拉强度小于500N/mm2时相同的破损形态，但在临界内压比较小的钢管中，以存在于内表面附近上的夹杂物作为起点而发生破坏，因此，若抑制了该夹杂物的发生，则可提高临界内压。
本发明是基于以上见解而开发完成的，其技术方案涉及下述(1)所述的燃料喷射管用无缝钢管。
(1)一种燃料喷射管用无缝钢管，以质量％计，该燃料喷射管用无缝钢管含有C：0.12～0.27％、Si：0.05～0.40％以及Mn：0.8～2.0％、剩余部分由Fe和其它杂质构成，在杂质中Ca为0.001％以下、P为0.02％以下以及S为0.01％以下，其抗拉强度为500N/mm2以上，其特征在于，至少存在于自钢管内表面起至20μm处的深度中的非金属夹杂物的最大直径为20μm以下。
上述(1)所述的燃料喷射管用无缝钢管，替代Fe的一部分，优选含有以下的1种或2种以上：Cr：1％以下、Mo：1％以下、Ti：0.04％以下、Nb：0.04％以下以及V：0.1％以下。
本发明的钢管非常适合于应用到例如向柴油发动机的燃烧室供给燃料的用途上。若使用该钢管，则可进一步提高燃料施加给燃烧室的喷射压力，因此，可以减少CO2的排出的同时，也能降低黑烟的排出量。
具体实施方式
本发明的燃料喷射管用无缝钢管是指，其内表面反复承受由喷射燃料产生的压力的钢管。有时钢管内表面会在短时间内受到非常高的压力、或者长时间受到较高的压力的作用，且该压力还发生变动。因此，受到其冲击的材料发生疲劳的程度非常大。本发明的燃料喷射管用无缝钢管即使应用于这样的用途上时也可具有充分的耐疲劳特性。
作为使用本发明的燃料喷射管用无缝钢管的例子，可列举配设于从采用蓄压式燃料喷射系统的柴油发动机中的燃料泵到共轨之间、从共轨到喷射喷嘴之间的引导燃料的钢管。
在柴油发动机中，为了抑制如上所述黑烟的发生，需要以非常高的压力进行燃料喷射，因而燃料喷射管用无缝钢管的内表面必须能承受该压力。本发明的钢管是作为用于施加较高内压的柴油发动机的燃料喷射管用无缝钢管而开发出来的，但是理所应当也可用作直喷型汽油发动机等的燃料喷射用钢管等。
本发明的燃料喷射管用无缝钢管需要使其钢管材料的抗拉强度为500N/mm2以上。如上所述，燃料喷射管用无缝钢管受到了高内压的作用，因而钢管材料必须具有一定以上的抗拉强度。规定本发明的燃料喷射管用无缝钢管的抗拉强度为500N/mm2以上的理由是，该值是可充分承受由高压化的燃料施加于钢管内侧的压力的抗拉强度，并且疲劳破坏的破损形态以500N/mm2的抗拉强度为界呈现出不同的情况。
关于上述破损形态，在下述的实施例的栏中列举具体例而进行详述，但在抗拉强度为500N/mm2以上的情况下，当抗拉强度大致相同时，临界内压的大小取决于破损形态。在破损形态是以夹杂物作为起点的情况下，临界内压不比抗拉强度大。在本发明中，通过满足其它要件，可使临界内压比抗拉强度大。
本发明的燃料喷射管用无缝钢管需要使存在于钢管内表面附近的非金属夹杂物的最大直径为20μm以下。非金属夹杂物是指在JIS G0202的“钢铁用语”中的3131上进行定义的夹杂物。非金属夹杂物的析出取决于钢管的组成、制造方法，沿用了JIS G 0555中规定的钢的非金属夹杂物的显微镜试验方法，在切出钢管截面进行研磨后，可使用光学显微镜对研磨面进行观察来确认其有无析出。
并且，在本发明的燃料喷射管用无缝钢管中，在多数析出的非金属夹杂物当中，大的非金属夹杂物的直径即最大直径必须是20μm以下。这是因为若非金属夹杂物的最大直径超过20μm，则会改变疲劳破坏的形态，其最大直径超过20μm的非金属夹杂物成为疲劳破坏的起点，疲劳强度即临界内压下降。
非金属夹杂物未必限于以球状形态存在。为此，对非金属夹杂物的最大直径定义为，将夹杂物的相当于长径的长度设为L，将相当于短径的长度设为S，则最大直径＝(L+S)/2。另外，关于非金属夹杂物的最大直径，只要至少存在于从承受较高压力的钢管的内表面起至20μm处的深度中的非金属夹杂物的最大直径为20μm以下即可，在除此之外的部分中，即使非金属夹杂物的最大直径超过20μm也不成为疲劳破坏的起点。
为了使A系夹杂物的最大直径变小，只要使钢管中含有的S以质量％计为0.01％以下即可。为了使B系夹杂物的最大直径变小，只要使浇铸时的铸坯截面积变大即可。在浇铸后到凝固的期间中较大的夹杂物上浮。浇铸时的铸坯截面积最好为200,000mm2以上。
为了使C系夹杂物的最大直径变小，只要降低钢管中含有Ca的含有量即可。因此，使本发明的燃料喷射用钢管中含有的Ca为以质量％计0.001％以下。由于Ca具有凝聚C系夹杂物的作用，因此通过限制Ca的含有量可使C系夹杂物无法变大，从而可防止C系夹杂物的不良影响。
另外，无论是A系、B系还是C系，通过将铸造速度设为较慢(例如可在连续铸造中以浇铸速度0.5m/分钟来实施)，可使较轻的非金属夹杂物作为渣(slag)而上浮起来，从而减少钢中的非金属夹杂物本身。
本发明的燃料喷射管用无缝钢管含有C、Si以及Mn。以下，对本发明的燃料喷射管用无缝钢管中含有的这些元素的作用以及含有量的限定理由进行说明。另外，有关含有量的％均指质量％。
C：0.12～0.27％
为了提高钢管材料的强度优选含有C。为了提高强度，需要将C的含有量设为0.12％以上。但是，若C的含有量超过0.27％时，则会使加工性降低而难以成形为钢管。C的含有量更优选为0.12～0.2％。
Si：0.05～0.40％
为了使钢管材料进行脱氧而优选含有Si。为了可靠地提高脱氧的效果，需要将Si的含有量设为0.05％以上。但是，若Si的含有量超过0.40％时，有时会造成韧性的降低。
Mn：0.8～2.0％
为了提高钢管材料的强度优选含有Mn。为了提高强度，需要将Mn的含有量设为0.8％以上。但是，若Mn的含有量超过2.0％时，有时会助长偏析，使韧性变差。
作为本发明的钢管之一，除上述成分以外，剩余部分由Fe和杂质构成。但是，需要如上所述地使杂质中的Ca为0.001％以下，而且必须对P以及S进行下述的规定。
P：0.02％以下；S：0.01％以下
因为P以及S均是会对热加工性以及韧性造成不良影响的杂质元素，所以P以及S的含有量越低越好。若P含有量以及S含有量分别超过0.02％、0.01％时，则会使热加工性以及韧性明显变差。
作为本发明的钢管之二，除了上述成分以外，还含有下述成分的1种或2种以上。
Cr：1％以下
对于Cr，不需要积极地含有，但它具有提高淬硬性和耐磨损性的效果而最好含有。为了获得这些效果，优选Cr含有量为0.3％以上。但是，若Cr含有量超过1％时，则会大量发生贝氏体而使其韧性降低。
Mo：1％以下
对于Mo，不需要积极地含有，但它具有提高淬硬性的效果，并且还能有效改善韧性而最好含有。为了获得这些效果，优选含有0.03％以上的Mo。但是，若Mo含有量超过1％时，则会大量发生贝氏体而使其韧性降低。
Ti：0.04％以下
Ti不需要积极地含有，但它具有提高强度和韧性的效果而最好含有。为了获得这些效果，优选Ti含有量为0.005％以上。但是，若Ti含有量超过0.04％时，在钢管中会形成氮化合物的夹杂物，而使韧性降低。另外，更优选Ti含有量在0.01～0.04％。
Nb：0.04％以下
Nb也不需要积极地含有，但它具有提高强度和韧性的效果而最好含有。为了获得这些效果，优选Nb含有量为0.005％以上。但是，若Nb含有量超过0.04％时，则在钢管中会形成氮化合物的夹杂物，而使韧性降低。另外，更优选Nb含有量为0.01～0.04％。
V：0.1％以下
对于V，也不需要积极的含有，但它具有提高强度的效果而最好含有。为了获得这些效果，优选V含有量为0.01％以上。但是，若V含有量超过0.1％时，会使韧性降低。
实施例
为了确认本发明的效果，制作了具有表1所示的化学组成的10个试验材料。各试验材料按表2所示的浇铸速度、浇铸时的铸坯截面积进行连续铸造，在经过曼内斯曼穿孔轧制、芯棒式无缝管轧机的延伸轧制以及张力减径机的定径轧制后，热加工制造出尺寸为外径34mm、内径25mm的钢管。为了拉拔经过这样热加工制造的管坯，首先将管坯前端收口，并涂敷润滑剂。接着，使用模(die)和顶头进行拉拔加工，使其管径慢慢缩小，并对管内表面进行切削、研磨，其后实施作为精加工工序的缩径加工，而制成为外径6.4mm、内径3.0mm的钢管。并且，作为最终工序，将这些钢管装入温度控制为1000℃的退火炉中保持20分钟，其后再进行自然冷却的热处理。
Figure GSB00000276438500091
Figure GSB00000276438500101
切取上述各试验材料的一部分作为样本，将该样本加工成作为JIS中11号试验片规定的拉伸试验的试验片大小，从而进行了拉伸试验。另外，对于该样本，使用光学显微镜观察存在于自钢管内表面起至深度为20μm的范围内的部分，调查了所析出的夹杂物。
表2表示各试验材料的抗拉强度和夹杂物的最大直径。表2的各编号与表1的各编号相对应。试验材料No.1、3、5分别比试验材料No.2、4、6合有更多的Ca。从表2中可得知，试验材料No.1与No.2、No.3与No.4、No.5与No.6的抗拉强度大致相同，但Ca含有量多的试验材料No.1、3、5的C系夹杂物的最大直径分别比试验材料No.2、4、6的大。另外，试验材料No.9的A系夹杂物的最大直径较大，试验材料No.10的B系夹杂物的最大直径较大。
进而，对各试验材料进行向钢管内侧施加压力的疲劳试验。在疲劳试验中，将最低内压设为18MPa，按随时间成正弦波的载荷条件来施加压力，以重复次数达到107次也不发生破坏的最大内压作为临界内压。并且，使用光学显微镜对发生破坏的试验材料确认其发生破坏的部分的状态。
表2表示各试验材料的临界内压和破坏状态。在此表中，Ca含有量多的试验材料No.1、3、5的临界内压分别比试验材料No.2、4、6的临界内压低。并且，其破坏状态分别是从最受压力的钢管内表面开始发生疲劳破坏的，但是，与试验材料No.2、4、6不同，在试验材料No.1、3、5中以存在于自钢管的内表面到深度20μm的范围内的C系夹杂物作为起点而发生破坏。另外，在试验材料No.9中以存在于自钢管的内表面到深度20μm的范围内的A系夹杂物作为起点，在试验材料10中同样以存在于自钢管的内表面到深度20μm的范围内的B系夹杂物作为起点分别发生疲劳破坏。
根据以上的试验结果可知，在具有大致相同的抗拉强度的试验材料中，通过将非金属夹杂物的最大直径抑制变小，可防止发生以夹杂物作为起点的疲劳破坏，并可提高临界内压。
工业上的可利用性
在本发明的燃料喷射管用无缝钢管中可防止发生以存在于其内表面附近的非金属夹杂物作为起点的疲劳破坏，因而可提高临界内压。因此，若将该燃料喷射管用无缝钢管用于将燃料供给到柴油发动机的燃烧室的钢管上，则即使是燃料对燃烧室的喷射压力非常高也不会发生疲劳。

Claims (2)

1.一种燃料喷射管用无缝钢管，以质量％计，该燃料喷射管用无缝钢管含有C：0.12～0.27％、Si：0.05～0.40％以及Mn：0.8～2.0％，剩余部分由Fe和其它杂质构成，在杂质中Ca为0.001％以下、P为0.02％以下、S为0.01％以下；其抗拉强度为500N/mm2以上，其特征在于，至少存在于自钢管内表面起至20μm处的深度中的非金属夹杂物的最大直径为20μm以下。
2.根据权利要求1所述的燃料喷射管用无缝钢管，替代Fe的一部分，含有以下的1种或2种以上：Cr：1％以下、Mo：1％以下、Ti：0.04％以下、Nb：0.04％以下、以及V：0.1％以下。
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