CN110760749A - 一种汽车发动机高压油管用无缝钢管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种汽车发动机高压油管用无缝钢管及其制造方法，其成分质量百分比为：C：0.09‑0.17％；Si：0.08‑0.5％；Mn：1.2‑1.8％；Al：0.02‑0.06％；Nb：0.02‑0.10％；V：0.02‑0.08％；Ni：0.05‑0.4％；Cu：0.03‑0.15％；S≤0.015％；P≤0.025％；O＜0.002％；N＜0.008％；Al/N≥2，0.15＞V+Nb＞0.08；其余为Fe和其他不可避免的杂质。本发明汽车发动机高压油管用无缝钢管具有较高的强度和良好的塑性和韧性，同时具有较高的抗冷镦开裂的性能；其抗拉强度＞700MPa，屈服强度＞580MPa，延伸率＞20％，500MPa水压测试下不爆破；冷墩变形量＞50％的变形条件下不发生开裂。

Description

一种汽车发动机高压油管用无缝钢管及其制造方法
技术领域
本发明涉及钢管制造技术，特别涉及一种汽车发动机高压油管用无缝钢管及其制造方法。
背景技术
随着我国汽车销量和汽车保有量的不断增加，汽车对环境的污染加剧，国家为了治理雾霾，强制推行卡车排放要达到国4标准，这就要求发动机使用的高压油管能承压180-200MPa，对钢管提出更高的性能和质量要求。
发动机用油管是在高压脉冲的条件下工作，工作温度大概在200℃左右，要求钢管在工作温度下具有良好的耐脉冲疲劳性能和耐时效性。同时，在高压油管的制造过程中又需要进行墩头、冷弯等操作，这就要求钢管具有很高的屈服点，在工艺性能方面，应具有足够的塑性储备、良好的冷镦性能。卡车在行驶过程中如果出现故障，途中往往无法修复，所以钢管应具有良好的可靠性。
中国专利公开号CN104862591A公开了“一种高强度高压油管用钢、高压油管及其制造方法”，涉及一种高压油管用钢及其制造方法。该发明专利主要通过C、Mn元素添加V、Ti、Nb等元素提高强度，同时有稀土元素的添加，旨在获得一种具有较高的强度，且具有低温韧性，未考虑到高压油管在使用过程中要求具备的耐高压脉冲疲劳性能和其加工过程中要求具备的冷镦性能，且其对生产条件要求较高，在实现生产的过程中具有一定的难度。
中国专利公布号CN107747035A公开了“高压油管用钢、高压油管及其制备方法”，其为一种生产条件较容易实现的高压油管及其制备方法，但其涉及的高压油管用钢的化学成分中添加了Mo、B等成本较高的合金元素，同时要求4＜(B×Mo)/(C×Mn)×104＜12对Mo、B和C、Mn的元素配比有较严苛的要求，炼钢难度大为增加，且没有考虑到高压油管加工过程中对钢管的冷镦性能的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽车发动机高压油管用无缝钢管及其制造方法，该汽车发动机高压油管用无缝钢管具有较高的强度和良好的塑性和韧性，同时具有较高的抗冷镦开裂的性能；其抗拉强度＞700MPa，屈服强度＞580MPa，延伸率＞20％，500MPa水压测试下不爆破；冷墩变形量＞50％的变形条件下不发生开裂。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种汽车发动机高压油管用无缝钢管，其成分质量百分比为：
C：0.09-0.17％；
Si：0.08-0.5％；
Mn：1.2-1.8％；
Al：0.02-0.06％；
Nb：0.02-0.10％；
V：0.02-0.08％；
Ni：0.05-0.4％；
Cu：0.03-0.15％；
S≤0.015％；
P≤0.025％；
O＜0.002％；
N＜0.008％；
Al/N≥2，0.15＞V+Nb＞0.08；
其余为Fe和其他不可避免的杂质。
优选的，所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管的微观组织为晶粒度＞9级的铁素体加索氏体组织和弥散分布的MX组织。
优选的，所述汽车发动机高压油管用无缝钢管的抗拉强度＞700MPa，屈服强度＞580MPa，延伸率＞20％，500MPa水压测试下不爆破；冷墩变形量＞50％的变形条件下不发生开裂。
优选的，所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管的壁厚为1-6mm，外径5-12mm，壁径比＞0.28。
在本发明所述无缝钢管的成分设计中：
C：C元素是提高钢的强度的主要元素之一，其通过碳化物的形成能够有效地提高钢的强度，且添加成本低，在本发明中C作为提高强度的主要元素添加。当C含量低于0.09wt.％时，无缝钢管不能达到700MPa以上的抗拉强度，但是当C含量高于0.17wt.％时，无缝钢管的塑性降低，同时强度过高容易引起冷加工过程中的拉拔开裂和成品冷镦开裂的倾向。因此，在本发明的技术方案中需要将C元素的含量控制为0.09～0.17wt.％，更进一步地控制C元素的控制含量为0.11-1.5wt.％。
Si：Si元素在炼钢过程中是作为还原剂和脱氧剂而添加的，其在钢中不形成碳化物，且其在钢中的固溶度较大，能够强化钢中的铁素体以提高钢的强度，但硅含量若超过0.5wt.％时则会降低钢管塑性，同时考虑到成品的冷镦性能，要尽量降低Si元素的含量。因此，应该将Si含量控制为0.1～0.5wt.％，更进一步地控制Si元素的含量为0.1-0.4wt.％。
Mn：Mn是重要的合金化元素和弱碳化物的形成元素。Mn主要通过固溶强化来提高钢的强度。增加Mn含量能够使钢的相变温度降低，减小淬火临界冷却速度，Mn含量达到1.2wt.％以上时，能够显著增大钢的淬透性；不过，若Mn含量超过1.8wt.％时，钢的塑性和冲击韧性随之下降得较为显著，对成品钢管的冷镦性能影响较大。故而在本技术方案中需要将Mn含量设定为1.2～1.8wt.％。
Al：Al在钢中具有脱氧作用且其有助于提高钢的韧性和加工性，同时Al元素与N结合形成AlN，AlN质点的钉扎作用在钢中起细化晶粒的作用。当Al含量达到0.02wt.％以上时，其提高钢的韧性和加工性的效果较为显著，但是当Al含量超过0.060wt.％时，钢中会出现裂纹的倾向增大。本发明基于此而将Al含量控制在0.02～0.060wt.％之间。
Nb：Nb的作用是提高钢的韧性。当Nb含量≥0.02wt.％时，这一添加效果比较明显，不过当Nb含量＞0.07wt.％时，钢的韧性反而会有所降低。因此，在本发明的技术方案中应该将Nb含量设定为0.02～0.10wt.％。
V：V是强碳化物的形成元素，其与碳的结合能力很强，形成的细小弥散的VC质点能够起到弥散强化的作用，使钢的强度明显增加。如果V的含量小于0.02wt.％时，弥散强化作用并不明显，但是如果V的含量大于0.06wt.％时，对钢的加工性能也会产生影响，为此，控制钢中的V的含量为0.02～0.08wt.％
Ni：Ni既是可以提高钢的强度和淬透性的元素，又是可以提高钢的韧性的元素。综合钢的成本因素考虑，在本发明的技术方案中，将Ni含量控制在0.05～0.4wt.％的范围之内，才能与其他元素配合可达到理想的强化作用并同时提高钢的韧性。
Cu：Cu可以增强钢的韧性，即便是含量较少的Cu也能获得相应的效果，如果Cu含量超过0.50wt.％时，对钢的热加工性会产生较大影响，即使添加复合元素也不能保证钢管的热加工性，因此，在本发明的技术方案中需要将Cu含量控制为0.03～0.150wt.％。
本发明所述无缝钢管的成分设计不含有B、Mo或稀土金属等成本较高的添加元素，其通过对化学成分的优化设计，结合合理的制造工艺，使得本发明所述的发动机高压油管用管的强度高、且具有良好的脉冲疲劳性能和抗冷镦开裂性能，且成本低廉。
本发明所述无缝钢管的抗拉强度＞700MPa，屈服强度＞580MPa，延伸率＞20％，500MPa水压测试下不爆破；冷墩变形量＞50％的变形条件下不发生开裂。
进一步地，本发明所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管的壁厚为1-6mm，外径5-12mm，壁径比＞0.28。
本发明所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管的微观组织为晶粒度＞9级的铁素体加索氏体组织和弥散分布的MX组织。
本发明所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管的制造方法，其包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按上述成分冶炼并铸造成管坯；
2)将管坯加热到1200℃-1280℃，均热20-30min；
3)热穿孔，穿孔温度为1180-1250℃，穿孔顶头采用内喷水的冷却方式；
4)连轧，然后通过再加热炉加热后张力减径机对钢管进行减径减壁厚加工；
5)钢管在冷床上自然冷却；
6)酸洗、磷化皂化；
7)钢管采用冷拔方式至成品尺寸，冷拔的相邻道次之间采取去应力退火；
8)成品热处理
高温回火，采用氮气+氢气的保护气氛，氢气含量＞25％；加热温度650-720℃，保温时间10-30min。
优选的，在步骤7)中，冷拔过程中每道次的延伸系数为1.3-2.0。
优选的，在步骤7)中，退火工艺为：退火温度500-700℃，保温30-60min。
优选的，在步骤7)中，冷拔至钢管外径＜9mm后，每道次冷拔延伸系数＜1.6；当冷拔延伸系数＜1.5时在两道次间采用连续拉拔的方式以达到提高强度的目的。
优选的，步骤7)中，在冷拔的过程中采用冷拔油作为润滑介质，减少拉拔内模和钢管内壁的摩擦力，消除内表线性缺陷，保证了钢管最终冷镦性能。
在本发明无缝钢管制造方法中：
本发明不采用复杂的淬火+回火的热处理方式，而是通过简单经济的高温回火的处理方式来获得具有高强度、高塑性同时抗冷镦开裂性能的无缝钢管，这样不仅简化了上述无缝钢管的制造方法的工艺步骤，还避免了淬火工序变形量大而导致无缝钢管不能满足高压油管用管产品的高尺寸精度的要求。
步骤2)中，将管坯加热到1200℃-1280℃，均热20-30min，低于此加热温度和保温时间导致钢管热加工热塑性不足，温度过高，保温时间过长导致组织长大严重。
步骤5)中钢管在冷床上自然冷却，而不是采用现有技术常用的加速冷却装置，保证合金元素的充分固溶。
在步骤7)中，冷拔过程中每道次冷加工的延伸系数为1.3-2.0；每道次的冷加工之间采用500-700℃保温30-60min的退火工艺消除加工应力，对钢管进行软化，在拉拔至钢管外径＜9mm后，每道次冷拔延伸系数＜1.6，当冷拔延伸系数＜1.5时可在两道次间采用连续拉拔的方式以达到提高强度的目的。
在步骤7)中，在冷拔的过程中采用高附着力冷拔油作为润滑介质，减少拉拔内模和钢管内壁的摩擦力，消除内表线性缺陷，保证了钢管最终冷镦性能。
在步骤8)中，高温回火的加热温度是650-720℃，保温时间10-30min，高温回火气氛为氮气+氢气的保护气氛，配比本发明的成分设计，在此温度下热处理可保证MX析出物充分析出，且不发生长大，以细小弥散的形式析出，保证产品的高强度和高塑性。
另外，本发明所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管具有高的壁径比，内表质量达到ISO8535-1《柴油发动机-高压燃油喷射管用钢管第一部分：冷拔无缝单壁钢管要求》标准中规定的Q级以上的的要求，具有高的耐脉冲疲劳和抗冷镦开裂的性能。
此外，本发明所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管主要通过Mn、及少量的V、Nb、Ni元素复合添加来提高钢的强度，通过多道次的冷拔工艺来达到成品的尺寸，同时通过冷加工强化，形成高密度的位错结构来保证C、Mn、Ni元素的强化作用。又通过合理控制最终的热处理温度和保温时间，保证钢中V、Nb等元素形成细小弥散的MX相分布于晶粒内部，来保证产品的韧性，同时多质点的钉扎作用防止产生位错滑移降低钢的强度。
同时，通过合理控制钢中V和Vb元素的总和，来防止钢种产生片层状的V、Nb的碳氮化合物，从而影响钢的韧性和抗脉冲疲劳的性能。通过控制Al/N的比例，既保证钢的充分脱氧，有保证形成充分细小AlN质点，进行位错的钉扎，保证钢的强度和韧性。
具体实施方式
下面将根据具体实施例对本发明做进一步说明，但是具体实施例和相关说明并不构成对于本发明的技术方案的不当限定。
实施例A1-A10和对比例B1-B6
按照下列步骤制造本发明所述的汽车高压油管用无缝钢管A1-A10以及对比例B1-B6，其包括步骤如下：
1)冶炼、铸造并制成管坯，并将钢中的化学元素质量百分配比如表1所示；
2)采用环形加热炉将管坯加热至1200℃-1280℃，均热20-30min；
3)采用立式锥形热穿孔机进行热穿孔，穿孔温度1200-1280℃，通过三辊张力减径机对管坯进行减径减壁厚；
4)连轧，然后通过再加热炉加热后张力减径机对钢管进行减径减壁厚加工；
5)在冷床采用自然冷却，不采用加速冷却装置。
6)酸洗、磷化皂化；
7)采用加冷拔油的方式进行冷拔至成品尺寸，冷拔每道次的延伸系数为1.3-2.0，每道次的冷拔之间采用500-700℃保温30-60min的退火工艺消除加工应力，在拉拔至钢管外径＜9mm后，每道次冷拔延伸系数＜1.6，当冷拔延伸系数＜1.5时，壁厚1-6mm，外径6-12mm；
8)成品热处理，采用高温回火的热处理方式来达到要求的成品强度和塑性；高温回火采用氮气+氢气的保护气氛，其中氢气含量＞25％，加热温度是650-720℃，保温时间10-30min。
表1列出了本发明实施例A1-A10以及对比例B1-B6的化学元素的质量百分配比，其余量为Fe和其他不可避免的杂质。
表2示出了实施例A1～A10和对比例B1～B5中的各步骤的工艺参数。
表1 单位：wt.％
C Si Mn Cu Al Nb V X<sub>总</sub> Ni Al/N C
A1 0.09 0.10 1.3 0.08 0.035 0.05 0.06 0.07 0.12 2.6 0.09
A2 0.12 0.3 1.4 0.10 0.045 0.03 0.05 0.09 0.18 2.8 0.12
A3 0.11 0.2 1.45 0.11 0.025 0.03 0.03 0.08 0.19 3 0.11
A4 0.13 0.4 1.5 0.12 0.03 0.07 0.04 0.10 0.21 2.6 0.13
A5 0.15 0.5 1.5 0.11 0.032 0.04 0.05 0.11 0.23 2.9 0.15
A6 0.16 0.2 1.65 0.10 0.038 0.05 0.05 0.08 0.25 2.8 0.16
A7 0.17 0.3 1.7 0.13 0.041 0.06 0.03 0.09 0.19 2.7 0.17
A8 0.11 0.08 1.3 0.14 0.036 0.04 0.06 0.10 0.26 3.5 0.11
A9 0.12 0.25 1.25 0.10 0.02 0.05 0.04 0.11 0.23 2.8 0.12
A10 0.13 0.35 1.3 0.09 0.06 0.06 0.06 0.08 0.20 2.9 0.13
B1 0.11 0.25 1.5 0.16 0.042 0.06 <u>0.12</u> 0.10 0.22 2.3 0.11
B2 0.13 0.3 1.55 0.18 0.046 0.04 0.06 0.09 0.30 <u>1.5</u> 0.13
B3 <u>0.07</u> 0.4 1.48 0.21 0.037 0.05 0.04 0.08 0.28 2.8 <u>0.07</u>
B4 0.12 <u>0.6</u> 1.62 0.19 0.033 0.04 0.04 0.09 0.26 3.0 0.12
B5 0.14 0.20 1.3 0.16 0.028 0.05 <u>0.03</u> <u>0.06</u> 0.29 2.6 0.14
B6 0.16 0.28 1.47 0.23 0.031 0.05 0.05 0.09 0.21 2.7 0.16
注：X总=V%+Nb%
表2
Figure BDA0001746393090000091
将上述实施例和对比例中的无缝钢管进行性能测试，具体评价指标上述实施例和对比例中的无缝钢管是否合格的汽车发动机高压油管用无缝钢管的标准如下：1)抗拉强度≥700MPa，2)屈服强度≥580MPa，3)延伸率≥25％，4)500MPa下水压测试不爆破，5)冷镦变形量大于50％的条件下不开裂，则为合格，否则为不合格，所获得的实施例和对比例中的无缝钢管的综合力学性能参数如表3所示。
表3
Figure BDA0001746393090000101
结合表1、表2和表3可以看出，由于实施例A1-A10中的各无缝钢管具有本发明的技术方案所规定的化学元素质量百分配比，并且其均按照本发明所提供的制造方法进行加工生产。实施例A1-A10中的汽车发动机高压油管用无缝钢管的抗拉强度≥700MPa，屈服强度≥580MPa，延伸率≥25％，500MPa下水压测试不爆破，冷镦变形量大于50％的条件下不开裂。
对比例B1-B6中的各无缝钢管中的某些化学元素质量百分配比已经超过了本发明的技术方案所限定的范围，或者加工工艺未按照本发明提供的制造方法进行加工生产，因此，这些无缝钢管的综合力学性能中的至少一项并不符合高压油管用无缝钢管的标准。
由上述表格所示的内容可知，本发明的技术方案通过合理的成分设计+合理的冷加工工艺+优化的热处理方式，获得了抗拉强度大，延伸率好，抗脉冲疲劳和抗冷镦开裂的发动机高压油管用无缝钢管。
要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种汽车发动机高压油管用无缝钢管，其成分质量百分比为：
C：0.09-0.17％；
Si：0.08-0.5％；
Mn：1.2-1.8％；
Al：0.02-0.06％；
Nb：0.02-0.10％；
V：0.02-0.08％；
Ni：0.05-0.4％；
Cu：0.03-0.15％；
S≤0.015％；
P≤0.025％；
O＜0.002％；
N＜0.008％；
Al/N≥2，0.15＞V+Nb＞0.08；
其余为Fe和其他不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管，其特征在于，所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管的微观组织为晶粒度＞9级的铁素体加索氏体组织和弥散分布的MX组织。
3.如权利要求1或2所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管，其特征在于，所述汽车发动机高压油管用无缝钢管的抗拉强度＞700MPa，屈服强度＞580MPa，延伸率＞20％，500MPa水压测试下不爆破；冷墩变形量＞50％的变形条件下不发生开裂。
4.如权利要求1或2或3所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管，其特征在于，所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管的壁厚为1-6mm，外径5-12mm，壁径比＞0.28。
5.如权利要求1～4中任何一项所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管的制造方法，其特征是，包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按权利要求1所述的成分冶炼并铸造成管坯；
2)将管坯加热到1200℃-1280℃，均热20-30min；
3)热穿孔，穿孔温度为1180-1250℃，穿孔顶头采用内喷水的冷却方式；
4)连轧，然后通过再加热炉加热后张力减径机对钢管进行减径减壁厚加工；
5)钢管在冷床上自然冷却；
6)酸洗、磷化皂化；
7)钢管采用冷拔方式至成品尺寸，冷拔的相邻道次之间采取去应力退火；
8)成品热处理
高温回火，采用氮气+氢气的保护气氛，氢气含量＞25％，加热温度650-720℃，保温时间10-30min。
6.如权利要求5所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管的制造方法，其特征是，在步骤7)中，冷拔过程中每道次的延伸系数为1.3-2.0。
7.如权利要求5所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管的制造方法，其特征是，在步骤7)中，退火工艺为：退火温度500-700℃，保温30-60min。
8.如权利要求5所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管的制造方法，其特征是，在步骤7)中，冷拔至钢管外径＜9mm后，每道次冷拔延伸系数＜1.6；当冷拔延伸系数＜1.5时在两道次间采用连续拉拔的方式以达到提高强度的目的。
9.如权利要求5所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管的制造方法，其特征是，步骤7)中，在冷拔的过程中采用冷拔油作为润滑介质。
10.如权利要求5所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管，其特征在于，所述的汽车发动机高压油管用无缝钢管的壁厚为1-6mm，外径5-12mm，壁径比＞0.28。
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