CN112375985A - 恶劣工况柴油用机超高压共轨燃油喷射系统针阀体用钢 - Google Patents

恶劣工况柴油用机超高压共轨燃油喷射系统针阀体用钢 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种恶劣工况柴油用机超高压共轨燃油喷射系统针阀体用钢，按重量百分比包括:C 0.3～0.5％,Si 0.8～1.2％,Mn 0.4～0.6％，S≤0.03％，P≤0.022％，Cr 5.0～6.0％，V 0.9～1.2％，Mo 0.35～0.4％，Ti 0.09～0.11％，N 0.020～0.050％，余量为Fe。该钢种具有较高的强度和硬度，具有更好的边界磨损性、磨粒磨损性和粘着磨损性，适合针阀偶件恶劣的工况。

Description

恶劣工况柴油用机超高压共轨燃油喷射系统针阀体用钢
技术领域
本发明涉及合金钢技术领域，尤其是涉及一种恶劣工况柴油用机超高压共轨燃油喷射系统针阀体用钢。
背景技术
柴油机共轨式燃油喷射技术于1986年发明以来经历了三代的发展，已经在电控、机械控制、材料加工等发明获得了较快的发展，目前该技术已成功的在国外以柴油发动机为动力的汽车上广泛使用，这是世界汽车工业为满足日益严格的废气排放标准的必然趋势。我国在该技术上起步稍晚，整个产业链合作较差，近几年一汽等大型国企开始加大投入，在设计、加工等方面取得了较大进步。
共轨系统集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。共轨式燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。它能够达到较高的喷射压力、实现喷射压力和喷油量的精确控制，而且能实现预喷射和后喷，从而优化喷油特性形状，降低柴油机噪声和大大减少废气的排放量。共轨系统与以前凸轮轴驱动的燃油喷射系统不同，共轨式燃油喷射系统将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开。用电磁阀控制的喷油器替代传统的机械式喷油器，燃油轨中的燃油压力由一个径向柱塞式高压泵产生，压力大小与发动机的转速无关。共轨系统能够在发动机的所有转速范围内获得非常高的燃油压力。燃油喷射压力是柴油发动机的重要指标，因为它联系着发动机的动力、油耗、排放等。共轨柴油喷射系统已将燃油喷射压力提高到200MPa以上，超高的液压将对共轨系统用材料提出新的要求。
针阀体是柴油机燃油喷射系统的关键部件之一,是工艺要求很高的精密部件。是燃油喷射系统三大精密偶件中工作状况最恶劣、可靠性最差、寿命最短的偶件，对整个柴油机的性能和寿命影响最大。针阀体工作时所处的工作条件是十分恶劣的,机械负荷和热负荷较高,加上加工质量、热处理工艺以及安装使用等因素的影响,使得喷油器的主要问题是工作可靠性差、使用寿命短,成为柴油机系统最容易失效的零件。
针阀在喷油器调压弹簧的弹力和燃油压力的作用下，进行着高频率的往复运动，使针阀的密封锥面对针阀体座面产生强烈的高频冲击。在此冲击过程中，针阀体的接触表面材料发生塑性变形、加工硬化、疲劳等一系列过程。同时，针阀与针阀体之间的导向工作面的配合间隙极小，在往复运动过程中有复杂的磨损过程。随着油品的不同和工况的变化，可能为边界磨损、磨粒磨损、粘着磨损等不同性质。共轨系统工作时，燃油在高压作用下通过针阀偶件内部高速进入燃烧室，对针阀偶件形成强烈冲刷，所以燃油的高速冲蚀磨损也是针阀偶件的主要磨损形式。另外，针阀偶件有一部分伸入到燃烧室，与燃烧气体直接接触，燃烧温度达到400℃以上，因此针阀偶件应该在此温度具有优良的高温性能。从材料角度，针阀偶件用钢应该具有良好的耐磨性能、耐冲击性能和耐高温性能。
我国目前广泛使用的第二代柴油机用共轨系统的针阀用钢广泛采用18CrNi8钢种，经过渗碳、氮等表面处理增加其耐磨性能。但是该钢种的高温性能较差，在高温阶段软化较严重，不适应目前国内的柴油机行业行业开始研发的第三代超高压共轨系统。第三代超高压共轨系统的燃油压力将达到200MPa以上，燃油雾化效果更好，燃烧效率更高，燃烧室温度也将达到400℃，这将对燃油喷射系统材料的使用提出更高的要求。对于共轨系统用钢技术，国内主要仿照国外厂家的材料使用路线，而基本没有自主进行的研发和技术积累。这使得我国的柴油机燃油喷射系统从设计到生产、使用都跟随国外技术，没有完全自主知识产权的柴油机生产，导致我国在柴油机技术上完全受制于国外，不利于我国的行业安全和国防安全。
因此，对柴油机用第三代超高压共轨系统用钢的研发有利于推动我国柴油机行业更好的发展，有利于摆脱我国在高端柴油机上受制于人的局面。基于此，发明一种柴油机用第三代超高压共轨燃油针阀体用钢，符合我国国情和柴油机行业发展的需要。
发明内容
本发明提出一种恶劣工况柴油用机超高压共轨燃油喷射系统针阀体用钢，该钢种具有较高的强度和硬度，具有更好的边界磨损性、磨粒磨损性和粘着磨损性，适合针阀偶件恶劣的工况。
本发明的一种技术方案是这样实现的：恶劣工况柴油用机超高压共轨燃油喷射系统针阀体用钢，按重量百分比包括:C 0.3～0.5％,Si 0.8～1.2％,Mn 0.4～0.6％，S≤0.03％，P≤0.022％，Cr 5.0～6.0％，V 0.9～1.2％，Mo 0.35～0.4％，Ti 0.09～0.11％，N0.020～0.050％，余量为Fe。
采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：本发明的针阀体用钢满足了第三代共轨柴油喷射系统的材料要求，适合超高压针阀体内部超过200MPa的液压，在此液压条件下针阀不会有明显塑性变形，本发明的耐高温性能能够满足第三代共轨柴油喷射系统的燃烧室温度达到400℃的工况要求，通过成分优化结合控温控轧，并提高终轧温度，以增加第二相粒子VN在奥氏体阶段的析出量和析出行为，令其在钉扎热变形时位错增殖和晶界移动，并细化奥氏体晶粒，从而使本发明具有优良的切削加工性能和良好的脆性裂解性能，同时塑性稳定性好且疲劳性能佳，特别适合针阀体用钢的生产。该钢种具有较高的强度和硬度，具有更好的边界磨损性、磨粒磨损性和粘着磨损性，适合针阀偶件恶劣的工况。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
柴油机用超高压共轨燃油喷射系统针阀体用钢，按重量百分比包括:C 0.3％,Si0.8％,Mn 0.4％，S0.0 3％，P 0.022％，Cr 5.0％，V 0.9％，Mo 0.35％，Ti 0.09％，N0.020％，余量为Fe。
一种柴油机用超高压共轨燃油喷射系统针阀体用钢的制造工艺，包含以下步骤：
步骤一、冶炼；在电弧炉中进行钢液初炼，相应吨位的钢包精炼，模铸或连铸；模铸时浇钢锭、钢锭开坯，连铸时为200×140mm2断面尺寸的合格坯；在容量与电炉相匹配的钢包精炼炉上，进行钢液的精炼，去除钢中的有害气体和夹杂物，钢包入座、测温、分析，调整氩气压力0.6MPa；经LF炉初脱氧后补加合金块搅拌6分钟，按以下重量百分比调整化学成分：C 0.3％,Si 0.8％,Mn 0.4％，S0.0 3％，P 0.022％，Cr 5.0％，V 0.9％，Mo 0.35％，Ti0.09％，N 0.020％，余量为Fe。
步骤二、铸造；模铸时浇铸钢锭，保持平稳的浇注速度以防止钢锭的成分偏析，连铸时钢包内高温钢液通过保护套管，浇进中间包，中间包过热度为20℃；中间包使用前完全清理、内表面为耐火涂层且不得有裂缝；中间包内的钢液经连铸结晶器，加电磁搅拌，以1m/min的拉速，浇注出200×425mm2断面尺寸的合格连铸坯，依据不同的方坯尺寸浇注速度为1.0m/min，合格连铸坯进缓冷坑缓冷或热送；
步骤三、加热炉加热工艺；采用轧钢机热加工轧制方法，先将合格的钢坯表面进行清理，再将其热加工轧制至成品钢棒；采用的是分段式步进加热方式，钢坯在预热段温度低于800℃，然后在I加热段为1000℃，保温后进入II加热段，II加热段温度为1160℃，保温后进入均热段，均热段温度为1170℃，保温后出炉轧制，加热总时间200min，方坯料阴阳面温差25℃钢坯出炉；
步骤四、控制轧制工艺；钢坯出炉后，高压水除磷去氧化皮，开轧温度1160℃，终轧温度950℃，吐丝温度为900℃；
步骤五、吐丝后上斯泰尔缓冷线控冷，冷却速度1.5℃/s，冷却到400℃以下集卷，自然冷却并打捆包装。
本发明钢生产的针阀体用钢的组织，测试了其力学性能，保证抗拉强度Rm：949.35MPa，延伸率A：≥22％，断面收缩率Z：25.65％，冲击功KV2：15.80J。本实施例满足第三代共轨柴油喷射系统的材料要求，适合超高压针阀体内部超过200MPa的液压，在此液压条件下针阀不会有明显塑性变形，本发明的耐高温性能能够满足燃烧室温度达到400℃的工况要求，具有优良的切削加工性能和良好的脆性裂解性能，同时塑性稳定性好且疲劳性能佳，特别适合针阀体用钢的生产。该钢种具有较高的强度和硬度，具有更好的边界磨损性、磨粒磨损性和粘着磨损性，适合针阀偶件恶劣的工况。
实施例二
柴油机用超高压共轨燃油喷射系统针阀体用钢，按重量百分比包括:C 0.5％,Si1.2％,Mn 0.6％，S0.01％，P 0.012％，Cr 6.0％，V1.2％，Mo 0.4％，Ti 0.11％，N.050％，余量为Fe。
一种柴油机用超高压共轨燃油喷射系统针阀体用钢的制造工艺，包含以下步骤：
步骤一、冶炼；在电弧炉中进行钢液初炼，相应吨位的钢包精炼，模铸或连铸；模铸时浇钢锭、钢锭开坯，连铸时为250×425mm2断面尺寸的合格坯；在容量与电炉相匹配的钢包精炼炉上，进行钢液的精炼，去除钢中的有害气体和夹杂物，钢包入座、测温、分析，调整氩气压力0.8MPa；经LF炉初脱氧后补加合金块搅拌9分钟，按以下重量百分比调整化学成分：C 0.5％,Si 1.2％,Mn 0.6％，S0.01％，P 0.012％，Cr 6.0％，V1.2％，Mo 0.4％，Ti0.11％，N.050％，余量为Fe。
步骤二、铸造；模铸时浇铸钢锭，保持平稳的浇注速度以防止钢锭的成分偏析，连铸时钢包内高温钢液通过保护套管，浇进中间包，中间包过热度为15-40℃；中间包使用前完全清理、内表面为耐火涂层且不得有裂缝；中间包内的钢液经连铸结晶器，加电磁搅拌，以1.2m/min的拉速，浇注出250×425mm2断面尺寸的合格连铸坯，依据不同的方坯尺寸浇注速度为1.60m/min，合格连铸坯进缓冷坑缓冷或热送；
步骤三、加热炉加热工艺；采用轧钢机热加工轧制方法，先将合格的钢坯表面进行清理，再将其热加工轧制至成品钢棒；采用的是分段式步进加热方式，钢坯在预热段温度低于800℃，然后在I加热段为1050℃，保温后进入II加热段，II加热段温度为1180℃，保温后进入均热段，均热段温度为1190℃，保温后出炉轧制，加热总时间220min，方坯料阴阳面温差25℃钢坯出炉；
步骤四、控制轧制工艺；钢坯出炉后，高压水除磷去氧化皮，开轧温度1115℃，终轧温度980℃，吐丝温度为900℃；
步骤五、吐丝后上斯泰尔缓冷线控冷，冷却速度1.5℃/s，冷却到400℃以下集卷，自然冷却并打捆包装。
本发明钢生产的针阀体用钢的组织，测试了其力学性能，保证抗拉强度Rm：980.90MPa，延伸率A：≥23.45％，断面收缩率Z：26.90％，冲击功KV2：≤15.60J。本实施例满足第三代共轨柴油喷射系统的材料要求，适合超高压针阀体内部超过200MPa的液压，在此液压条件下针阀不会有明显塑性变形，本发明的耐高温性能能够满足燃烧室温度达到400℃的工况要求，具有优良的切削加工性能和良好的脆性裂解性能，同时塑性稳定性好且疲劳性能佳，特别适合针阀体用钢的生产。该钢种具有较高的强度和硬度，具有更好的边界磨损性、磨粒磨损性和粘着磨损性，适合针阀偶件恶劣的工况。
实施例三
柴油机用超高压共轨燃油喷射系统针阀体用钢，按重量百分比包括:C 0.4％,Si0.9％,Mn 0.5％，S0.02％，P≤0.015％，Cr 5.5％，V 1.1％，Mo 0.355％，Ti 0.010％，N0.030％，余量为Fe。
一种柴油机用超高压共轨燃油喷射系统针阀体用钢的制造工艺，包含以下步骤：
步骤一、冶炼；在电弧炉中进行钢液初炼，相应吨位的钢包精炼，模铸或连铸；模铸时浇钢锭、钢锭开坯，连铸时为300×425mm2断面尺寸的合格坯；在容量与电炉相匹配的钢包精炼炉上，进行钢液的精炼，去除钢中的有害气体和夹杂物，钢包入座、测温、分析，调整氩气压力8MPa；经LF炉初脱氧后补加合金块搅拌9分钟，按以下重量百分比调整化学成分：C0.4％,Si 0.9％,Mn 0.5％，S0.02％，P≤0.015％，Cr 5.5％，V 1.1％，Mo 0.355％，Ti0.010％，N 0.030％，余量为Fe。
步骤二、铸造；模铸时浇铸钢锭，保持平稳的浇注速度以防止钢锭的成分偏析，连铸时钢包内高温钢液通过保护套管，浇进中间包，中间包过热度为15-40℃；中间包使用前完全清理、内表面为耐火涂层且不得有裂缝；中间包内的钢液经连铸结晶器，加电磁搅拌，以1.4m/min的拉速，浇注出300×425mm2断面尺寸的合格连铸坯，依据不同的方坯尺寸浇注速度为1.90m/min，合格连铸坯进缓冷坑缓冷或热送；
步骤三、加热炉加热工艺；采用轧钢机热加工轧制方法，先将合格的钢坯表面进行清理，再将其热加工轧制至成品钢棒；采用的是分段式步进加热方式，钢坯在预热段温度低于800℃，然后在I加热段为1040℃，保温后进入II加热段，II加热段温度为1180℃，保温后进入均热段，均热段温度为1190℃，保温后出炉轧制，加热总时间230min，方坯料阴阳面温差26℃钢坯出炉；
步骤四、控制轧制工艺；钢坯出炉后，高压水除磷去氧化皮，开轧温度1090℃，终轧温度880℃，吐丝温度为900℃；
步骤五、吐丝后上斯泰尔缓冷线控冷，冷却速度1.5℃/s，冷却到400℃以下集卷，自然冷却并打捆包装。
本发明钢生产的针阀体用钢的组织，测试了其力学性能，保证抗拉强度Rm：975.48MPa，延伸率A：≥21.62％，断面收缩率Z：26.60％，冲击功KV2：≤15.40J。本实施例满足第三代共轨柴油喷射系统的材料要求，适合超高压针阀体内部超过200MPa的液压，在此液压条件下针阀不会有明显塑性变形，本发明的耐高温性能能够满足燃烧室温度达到400℃的工况要求，具有优良的切削加工性能和良好的脆性裂解性能，同时塑性稳定性好且疲劳性能佳，特别适合针阀体用钢的生产。该钢种具有较高的强度和硬度，具有更好的边界磨损性、磨粒磨损性和粘着磨损性，适合针阀偶件恶劣的工况。
关于C：C是本发明钢种的主要强化元素。在本发明钢种中，C可以形成碳化物，增强钢种的耐磨性。但是，如果C加入过多，淬火组织将是高碳马氏体，塑性较差，不利于针阀体耐冲击的性能要求。同时C含量过高会形成大颗粒的碳化物，影响钢种的疲劳性能。因此本发明碳含量控制为0.2～0.6％。
关于Si：Si在钢中具有很强的固溶强化作用，能显著提高钢的强度和耐磨性，降低塑性和韧性。如果Si含量过多，发明钢种的脆性增大，影响其冲击、疲劳等性能，因此本发明Si含量应控制在0.6～1.3％。
关于Mn：Mn能够提高发明钢种强度，同时也明显提高钢种的淬透性。Mn含量过多，会降低钢铁的，相变温度，导致淬火组织中奥氏体过多，降低发明钢种的强度与耐磨性。因此，综合考虑各因素，本发明Mn含量为0.2～0.8％。
关于S：S为易切削元素。钢种含有适量的Mn元素，容易形成MnS夹杂物，能使钢中不易变形的氧化物夹杂被硫化物包裹而增加钢的切削加工性能。同时，MnS增加了铁素体的形核核心，从而细化铁素体珠光体组织。由于本钢种具有切削性能要求，因此对硫含量具有一定要求，但是考虑到硫化物夹杂对钢材性能的影响，硫含量不能太高。本钢种中处于综合考虑，硫含量为0.03～0.15％。
关于P：P能增加钢的脆性，尤其是低温脆性，对钢材低温冲击功影响较大，且P为易偏析元素，造成钢严重偏析，对本钢种的使用来说，应该控制越低越好，根据生产保障能力，控制P≤0.025％。
关于Cr：Cr是固溶强化元素，对钢种的高温性能贡献较大，提高高温下发明钢种的组织和性能稳定性。同时Cr是缩小γ相区的元素，如果Cr含量过多，钢种淬火后易出现铁素体组织。因此综合考虑，Cr含量为4.0～6.5％
关于V：在钢中形成碳化物和氮化物，可以形成弥散的析出物，提高强度。V在奥氏体中固溶温度较低，在热锻时保持溶解状态，而冷却时弥散沉淀析出急剧提高钢的强度，极大地提高钢种的耐磨性。同时V也可以固溶近基体金属，提高钢种的淬透性，同时也改善钢种的高温性能。处于性能考虑和经济性考虑，本发明V含量为0.8～1.3％。
关于Mo：Mo具固溶强化作用，能提高钢淬透性，同时Mo是使钢具有二次硬化的主要合金元素，现普遍认为这是回火时马氏体中析出Mo2C造成。Mo会提高钢脱碳氧化敏感性。此外，钼还可细化晶粒，减小回火脆性。经过综合考虑，本发明中Mo含量为0.30～0.45％。
关于Ti：在钢中形成碳化物和氮化物，Ti的碳氮化合物硬度较高有利于提高钢种的强度和耐磨性。本发明中，出于各种因素的综合考虑，Nb含量低于0.15％,Ti含量微0.08-0.12％。
关于N：在钢中与V、Ti、Al形成氮化物。N的添加，可增加V、Nb、Ti的析出量，增加沉淀强化和细化晶粒作用，对钢材冷变形后的强度控制具有举足轻重的作用。本发明中N含量为0.005-0.050％。
本发明的生产工艺有利于N从γ固溶体中脱溶并与钢中的V结合成VN；由于氮在α-Fe中的溶解度小于在γ-Fe中的溶解度，且由于受相变的激发而造成VN析出量的二个峰值，如果终轧温度低，由于VN的峰值析出，会造成VN分布不均匀，以及回复再结晶不充分而产生组织上的各向异性，所以终轧温度≥850℃；本发明钢通过控制低温浇铸、高温加热、高温轧制和高温终轧，获得了好的显微组织，组织为F+P、F比例≤5.0％；本发明钢通过成分优化、高温加热、高温轧制和高温终轧，控制了第二相粒子VN的析出时机和析出数量，细化了奥氏体晶粒，使奥氏体晶粒度达到9.0-9.5级；本发明可以实现各种规格针阀体用钢的生产，通过改善针阀体用钢用高碳非调质钢组织和晶粒度，使钢材组织和成分均匀，提高针阀体用钢的整体性能；本发明钢生产的针阀体用钢的组织，测试了其力学性能，保证抗拉强度Rm：900-1050MPa，延伸率A：≥20％，断面收缩率Z：20-30％，冲击功KV2：≤16J。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.恶劣工况柴油用机超高压共轨燃油喷射系统针阀体用钢，其特征在于，按重量百分比包括:C 0.3～0.5％,Si 0.8～1.2％,Mn 0.4～0.6％，S≤0.0 3％，P≤0.022％，Cr 5.0～6.0％，V 0.9～1.2％，Mo 0.35～0.4％，Ti 0.09～0.11％，N 0.020～0.050％，余量为Fe。
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