JP6530069B2 - 燃料噴射管用鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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Description
500〜900MPaの引張強度を有すると共に、降伏比が0.50〜0.85であり、
下記(i)式を満足する限界内圧を有し、
前記鋼管を、管軸方向に半割切断した後の、管内面における周方向残留応力が−20MPa以下である、
燃料噴射管用鋼管。
IP≧0.41×TS×α ・・・(i)
α=[(D/d)2−1]/[0.776×(D/d)2] ・・・(ii)
但し、上記(i)式中のIPは鋼管の限界内圧(MPa)、TSは鋼管の引張強度(MPa)を意味し、αは上記(ii)式で表される値である。また、上記(ii)式中のDは鋼管の外径(mm)、dは内径(mm)である。
C:0.12〜0.27%、
Si:0.05〜0.50%、
Mn:0.3〜2.0%、
Al:0.005〜0.060%、
N:0.0020〜0.0080%、
Ti:0.005〜0.040%、
Nb:0.015〜0.045%、
Cr:0〜1.0%、
Mo:0〜1.0%、
Cu:0〜0.5%、
Ni:0〜0.5%、
V:0〜0.15%、
B:0〜0.005%、
残部:Feおよび不純物であり、
不純物中のCa、P、SおよびOは、
Ca:0.001%以下、
P:0.02%以下、
S:0.01%以下、
O:0.0040%以下である、
上記(1)に記載の燃料噴射管用鋼管。
Ti:0.005〜0.015%
を含有する、
上記(2)に記載の燃料噴射管用鋼管。
Cr:0.2〜1.0%、
Mo:0.03〜1.0%、
Cu:0.03〜0.5%、
Ni:0.03〜0.5%、
V:0.02〜0.15%、および
B:0.0003〜0.005%
から選択される1種以上を含有する、
上記(2)または(3)に記載の燃料噴射管用鋼管。
上記(1)から(4)までのいずれかに記載の燃料噴射管用鋼管。
D/d≧1.5 ・・・(iii)
但し、上記(iii)式中のDは鋼管の外径(mm)、dは内径(mm)である。
500〜900MPaの引張強度を有すると共に、降伏比が0.50〜0.85である鋼管素材に対して、
450MPa以下であり、かつ、下記(iv)式を満足する自緊処理内圧で自緊処理を施す、燃料噴射管用鋼管の製造方法。
IP≧0.41×TS×α ・・・(i)
α=[(D/d)2−1]/[0.776×(D/d)2] ・・・(ii)
PAF<0.44×TS×(1+YR) ・・・(iv)
但し、上記(i)式中のIPは鋼管の限界内圧(MPa)、TSは鋼管素材の引張強度(MPa)を意味し、αは上記(ii)式で表される値である。また、上記(ii)式中のDは鋼管の外径(mm)、dは内径(mm)である。さらに、上記(iv)式中のPAFは自緊処理内圧(MPa)、TSは鋼管素材の引張強度(MPa)、YRは鋼管素材の降伏比である。
C:0.12〜0.27%、
Si:0.05〜0.50%、
Mn:0.3〜2.0%、
Al:0.005〜0.060%、
N:0.0020〜0.0080%、
Ti:0.005〜0.040%、
Nb:0.015〜0.045%、
Cr:0〜1.0%、
Mo:0〜1.0%、
Cu:0〜0.5%、
Ni:0〜0.5%、
V:0〜0.15%、
B:0〜0.005%、
残部:Feおよび不純物であり、
不純物中のCa、P、SおよびOは、
Ca:0.001%以下、
P:0.02%以下、
S:0.01%以下、
O:0.0040%以下である、
上記(6)に記載の燃料噴射管用鋼管の製造方法。
Ti:0.005〜0.015%
を含有する、
上記(7)に記載の燃料噴射管用鋼管の製造方法。
Cr:0.2〜1.0%、
Mo:0.03〜1.0%、
Cu:0.03〜0.5%、
Ni:0.03〜0.5%、
V:0.02〜0.15%、および
B:0.0003〜0.005%
から選択される1種以上を含有する、
上記(7)または(8)に記載の燃料噴射管用鋼管の製造方法。
上記(6)から(9)までのいずれかに記載の燃料噴射管用鋼管の製造方法。
D/d≧1.5 ・・・(iii)
但し、上記(iii)式中のDは鋼管の外径(mm)、dは内径(mm)である。
本発明に係る燃料噴射管用鋼管は、500〜900MPaの引張強度を有すると共に、降伏比が0.50〜0.85である。
IP≧0.41×TS×α ・・・(i)
α=[(D/d)2−1]/[0.776×(D/d)2] ・・・(ii)
但し、上記(i)式中のIPは鋼管の限界内圧(MPa)、TSは鋼管の引張強度(MPa)を意味し、αは上記(ii)式で表される値である。また、上記(ii)式中のDは鋼管の外径(mm)、dは内径(mm)である。αは管の外径と内径との比によって内圧と管内面の発生応力との関係が変化することを補正する係数である。
本発明に係る鋼管およびその素材となる鋼管素材の化学組成については、上記の引張強度および降伏比の条件を満たすものである限り、特に制限は設けない。例えば、化学組成を、質量%で、C:0.12〜0.27%、Si:0.05〜0.50%、Mn:0.3〜2.0%、Al:0.005〜0.060%、N:0.0020〜0.0080%、Ti:0.005〜0.040%、Nb:0.015〜0.045%、Cr:0〜1.0%、Mo:0〜1.0%、Cu:0〜0.5%、Ni:0〜0.5%、V:0〜0.15%、B:0〜0.005%、残部:Feおよび不純物であり、不純物中のCa、P、SおよびOは、Ca:0.001%以下、P:0.02%以下、S:0.01%以下、O:0.0040%以下とすることが好ましい。
Cは、安価に鋼の強度を高めるのに有効な元素である。所望の引張強度を確保するためにはC含有量を0.12%以上とすることが好ましい。しかし、C含有量が0.27%を超えると、加工性の低下を招くおそれがある。したがって、C含有量は0.12〜0.27%とすることが好ましい。C含有量は0.13%以上であるのがより好ましく、0.14%以上であるのがさらに好ましい。また、C含有量は0.25%以下であるのがより好ましく、0.23%以下であるのがさらに好ましい。
Siは、脱酸作用を有するだけでなく、鋼の強度を向上させる作用を有する元素である。これらの効果を確実にするためには、Si含有量を0.05%以上とすることが好ましい。しかし、Si含有量が0.50%を超えると、靱性の低下を招くおそれがある。したがって、Si含有量は0.05〜0.50%とすることが好ましい。Si含有量は0.15%以上であるのがより好ましく、0.35%以下であるのがより好ましい。
Mnは、脱酸作用を有するだけでなく、鋼の強度と靱性とを向上させるのに有効な元素である。しかし、その含有量が0.3%未満では十分な強度が得られず、一方、2.0%を超えるとMnSの粗大化が生じて、熱間圧延時に展伸し、かえって靱性が低下するおそれがある。このため、Mn含有量は0.3〜2.0%とすることが好ましい。Mn含有量は0.4%以上であるのがより好ましく、0.5%以上であるのがさらに好ましい。また、Mn含有量は1.7%以下であるのがより好ましく、1.5%以下であるのがさらに好ましい。
Alは、鋼の脱酸を行う上で有効な元素であり、また鋼の靱性および加工性を高める作用を有する元素である。これらの効果を得るには0.005%以上のAlを含有することが好ましい。一方、Al含有量が0.060%を超えると、介在物が発生しやすくなり、特にTiを含有する鋼においては、Ti−Al複合介在物が生じるおそれが高くなる。したがって、Al含有量は0.005〜0.060%とすることが好ましい。Al含有量は0.008%以上であるのがより好ましく、0.010%以上であるのがさらに好ましい。また、Al含有量は0.050%以下であるのがより好ましく、0.040%以下であるのがさらに好ましい。なお、本発明において、Al含有量は、酸可溶性Al(sol.Al)の含有量を意味する。
Nは、不純物として鋼中に不可避的に存在する元素である。しかしながら本発明では、TiNのピニング効果(pinning effect)による結晶粒粗大化防止を目的として、0.0020%以上のNを残存させることが好ましい。一方、N含有量が0.0080%を超えると大型のTi−Al複合介在物が生じるおそれが高くなる。したがって、N含有量は0.0020〜0.0080%とすることが好ましい。N含有量は0.0025%以上であるのがより好ましく、0.0027%以上であるのがさらに好ましい。また、N含有量は0.0065%以下であるのがより好ましく、0.0050%以下であるのがさらに好ましい。
Tiは、TiN等の形で微細に析出することで、結晶粒の粗大化防止に貢献するため、Ti含有量を0.005%以上とすることが好ましい。一方、Ti含有量が0.040%を超えると窒素化合物の介在物が鋼管中に形成され、靱性が低下するおそれがある。したがって、Ti含有量は0.005〜0.040%とすることが好ましい。
Nbは、鋼中で炭化物または炭窒化物として微細に分散し、結晶粒界を強くピン止めする効果を有する。また、Nbの炭化物または炭窒化物の微細分散により、鋼の強度および靱性が向上する。これらの目的のため、0.015%以上のNbを含有させることが好ましい。一方、Nb含有量が0.045%を超えると、炭化物、炭窒化物が粗大化し、かえって靱性が低下するおそれがある。したがって、Nbの含有量は0.015〜0.045%とすることが好ましい。Nb含有量は0.018%以上であるのがより好ましく、0.020%以上であるのがさらに好ましい。また、Nb含有量は0.040%以下であるのがより好ましく、0.035%以下であるのがさらに好ましい。
Crは、強度および耐摩耗性を向上させる効果を有する元素である。しかし、Cr含有量が1.0%を超えると靱性および冷間加工性が低下するおそれがある。したがって、Cr含有量は1.0%以下とするのが好ましく、0.8%以下とするのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、Cr含有量を0.2%以上とすることが好ましく、0.3%以上とすることがより好ましい。
Moは、固溶または炭化物の析出により高強度確保に寄与する元素である。しかし、Mo含有量が1.0%を超えてもその効果は飽和する上に、合金コストが嵩む結果となる。したがって、Mo含有量は1.0%以下とするのが好ましく、0.45%以下とするのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、Mo含有量を0.03%以上とすることが好ましく、0.08%以上とすることがより好ましい。
Cuは、鋼の強度および靱性を向上させる効果を有する元素である。しかし、Cu含有量が0.5%を超えてもその効果は飽和する上に、合金コストの上昇を招く結果となる。したがって、Cu含有量は0.5%以下とするのが好ましく、0.40%以下とするのがより好ましく、0.35%以下とするのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、Cu含有量を0.03%以上とすることが好ましく、0.05%以上とすることがより好ましい。
Niは、鋼の強度および靱性を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ni含有量が0.5%を超えてもその効果は飽和する上に、合金コストの上昇を招く結果となる。したがって、Ni含有量は0.5%以下とするのが好ましく、0.40%以下とするのがより好ましく、0.35%以下とするのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、Ni含有量を0.03%以上とすることが好ましく、0.08%以上とすることがより好ましい。
Vは、炭化物または炭窒化物を形成し、鋼の高強度化および高靱性化に寄与する元素である。しかし、V含有量が0.15%を超えるとかえって靱性の低下を招くおそれがある。したがって、V含有量は0.15%以下とするのが好ましく、0.12%以下とするのがより好ましく、0.10%以下とするのがさらに好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、V含有量を0.02%以上とすることが好ましく、0.04%以上とすることがより好ましい。
Bは粒界強化元素として靱性向上に寄与する。しかし、Bの含有量が0.005%を超えるとかえって靱性が低下するおそれがある。したがって、Bの含有量は0.005%以下とするのが好ましく、0.002%以下とするのがより好ましい。Bを含有させることによる焼入れ性向上作用は、不純物レベルの含有量であっても得られるが、より顕著にその効果を得るには、B含有量を0.0003%以上とすることが好ましい。なお、Bの効果を有効に活用するためには、鋼中のNがTiにより固定されていることが好ましい。
Caは、シリケート系介在物(JIS G 0555のグループC)を凝集させる作用があり、Ca含有量が0.001%を超えると粗大なC系介在物の生成により限界内圧が低下するおそれがある。したがって、Ca含有量は0.001%以下とすることが好ましく、0.0007%以下とすることがより好ましく、0.0003%以下とすることがさらに好ましい。なお、製鋼精錬に係る設備で長期にわたり全くCa処理を行わなければ、設備のCa汚染を解消することができるため、鋼中のCa含有量を実質的に0%とすることが可能である。
Pは、不純物として鋼中に不可避的に存在する元素である。その含有量が0.02%を超えると、熱間加工性の低下を招くだけでなく、粒界偏析により靱性を著しく低下させるおそれがある。したがって、P含有量は、0.02%以下とすることが好ましい。なお、Pの含有量は、低ければ低いほど望ましく、0.015%以下とするのがより好ましく、0.012%以下とするのがさらに好ましい。しかし、過度の低下は、製造コスト上昇を招くため、その下限は、0.005%とするのが好ましい。
Sは、Pと同様に不純物として鋼中に不可避的に存在する元素である。その含有量が0.01%を超えると粒界に偏析するとともに、硫化物系の介在物を生成して疲労強度の低下を招きやすい。したがって、S含有量は、0.01%以下とすることが好ましい。なお、Sの含有量は、低ければ低いほど望ましく、0.005%以下とするのがより好ましく、0.0035%以下とするのがさらに好ましい。しかし、過度の低下は、製造コスト上昇を招くため、その下限は、0.0005%とするのが好ましい。
Oは、粗大な酸化物を形成し、それに起因する限界内圧の低下を生じやすくする。このような観点からO含有量は0.0040%以下とすることが好ましい。なお、Oの含有量は、低ければ低いほど望ましく、0.0035%以下とするのがより好ましく、0.0025%以下とするのがさらに好ましく、0.0015%以下とするのが一層好ましい。しかし、過度の低下は、製造コスト上昇を招くため、その下限は、0.0005%とするのが好ましい。
本発明に係る燃料噴射管用鋼管の金属組織については特に規定しないが、フェライト、パーライト、ベイナイトから選択される1種以上からなるものであることが好ましい。なお、金属組織中にマルテンサイトが含まれていてもよいが、マルテンサイトが主体の組織では、鋼管素材の降伏比を0.85以下にすることが難しくなる。一方、残留オーステナイトは、鋼管素材の降伏比を低下させる作用があるので、残留オーステナイトが含まれていてもよい。
本発明に係る燃料噴射管用鋼管の寸法については特に制限は設けない。しかしながら、一般的に燃料噴射管は使用時における内部の圧力変動を少なくするために、ある程度の容量が必要となる。そのため、鋼管の内径は2.5mm以上であることが望ましく、3mm以上であることがより望ましい。また、燃料噴射管は高い内圧に耐える必要があるため、鋼管の肉厚は1.5mm以上であることが望ましく、2mm以上であることがより望ましい。一方、鋼管の外径が大きすぎる場合、曲げ加工等が困難になる。そのため、鋼管の外径は20mm以下であることが望ましく、10mm以下であることがより望ましい。
D/d≧1.5 ・・・(iii)
但し、上記(iii)式中のDは鋼管の外径(mm)、dは内径(mm)である。
本発明に係る燃料噴射管用鋼管の製造方法については特に制限は設けないが、例えば、500〜900MPaの引張強度を有すると共に、降伏比が0.50〜0.85である鋼管素材に対して自緊処理を施すことによって製造することが可能である。
PAF<0.44×TS×(1+YR) ・・・(iv)
但し、上記(iv)式中のPAFは自緊処理内圧(MPa)、TSは鋼管素材の引張強度(MPa)、YRは鋼管素材の降伏比である。
本発明で用いられる鋼管素材の製造方法について特に制限はないが、例えば、継目無鋼管から製造する場合、以下の方法で予め介在物を抑制した鋼塊を準備し、その鋼塊からマンネスマン製管等の手法で素管を製造し、冷間加工により所望の寸法形状にした後、熱処理をすることによって、製造することができる。
表1に示す化学成分を有する5種の鋼No.1〜5を、転炉および連続鋳造によって製作した。連続鋳造では鋳込み時の鋳造速度を0.5m/minとし、鋳片の断面積を200,000mm2以上とした。上記の鋼から製管用ビレットを製造し、マンネスマン−マンドレル製管法で穿孔圧延、延伸圧延を行い、ストレッチレデューサー定径圧延により、外径34mm、肉厚4.5mmの寸法に熱間製管した。この熱間仕上げされた素管を抽伸するために、まず素管先端を口絞りし、潤滑剤を塗布した。続いて、ダイスおよびプラグを用いて引抜加工を行い、必要に応じて軟化焼鈍を行い、徐々に管径を縮小し、外径6.35mm、内径3.0mmの鋼管に仕上げた。
・走査法:側傾法、η一定法(PSPC法)
・X線応力測定装置:株式会社リガク製PSPC−RSF
・特性X線:Crkα
・測定回折面:α−Fe211
・入射スリット:シングルコリメータ、直径0.3mm
・入射角(ψ):0°、12.9°、18.5°、22.8°、26.6°、30°、33.3°、36.3°、39.3°
・入射角(ψ):ψP軸揺動 ±3°
・回折角決定法:半価幅法
・応力定数(K):−318MPa/°
鋼管素材の降伏比を下げるための製造条件として、焼準温度に着目して検討を行った。表3に示す化学組成を有する鋼No.6および7を、実施例1と同じ方法で鋼管に仕上げた後、それぞれの鋼管に対して、1000℃および920℃の2種類の異なる温度条件で焼準処理を行った。
次に、Ti含有量が、疲労き裂の発生に与える影響を調査するための参考実験を行った。表5に示す化学成分を有する3種の素材A、BおよびCを転炉、連続鋳造によって製作した。連続鋳造では鋳込み時の鋳造速度を0.5m/minとし、鋳片の断面積を200,000mm2以上とした。得られた鋼片を分塊圧延して製管用ビレットに加工し、マンネスマン−マンドレル製管法で穿孔圧延、延伸圧延を行い、ストレッチレデューサー定径圧延で素管を製造した。そして、焼鈍と冷間引抜きとを複数回繰返し所定の仕上げ寸法まで縮径した後、焼準処理を行った。この時、焼準処理は980℃×60min保持後空冷の条件で行った。そして所定の長さに切断し、管端加工を施し、内圧疲労試験用噴射管製品試料とした。引張強度は鋼Aが718MPa、鋼Bが685MPa、鋼Cが723MPaであった。なお、本参考実験は、Ti含有量と疲労き裂の発生状況との関係を調査することが目的であるため、効率的に多数の試験ができるよう、あえて自緊処理は行わなかった。
Claims (6)
- 燃料噴射管用の鋼管であって、
内径が2.5mm以上、外径が20mm以下、肉厚が1.5mm以上であり、
500〜900MPaの引張強度を有すると共に、降伏比が0.50〜0.85であり、
下記(i)式を満足する限界内圧を有し、
外径と内径との比が下記(iii)式を満足し、
前記鋼管を、管軸方向に半割切断した後の、管内面における周方向残留応力が−20MPa以下であり、
前記鋼管の化学組成が、質量%で、
C:0.12〜0.27%、
Si:0.05〜0.50%、
Mn:0.3〜2.0%、
Al:0.005〜0.060%、
N:0.0020〜0.0080%、
Ti:0.005〜0.040%、
Nb:0.015〜0.045%、
Cr:0〜1.0%、
Mo:0〜1.0%、
Cu:0〜0.5%、
Ni:0〜0.5%、
V:0〜0.15%、
B:0〜0.005%、
残部:Feおよび不純物であり、
不純物中のCa、P、SおよびOは、
Ca:0.001%以下、
P:0.02%以下、
S:0.01%以下、
O:0.0040%以下である、
燃料噴射管用鋼管。
IP≧0.41×TS×α ・・・(i)
α=[(D/d)2−1]/[0.776×(D/d)2] ・・・(ii)
D/d≧1.5 ・・・(iii)
但し、上記(i)式中のIPは鋼管の限界内圧(MPa)、TSは鋼管の引張強度(MPa)を意味し、αは上記(ii)式で表される値である。また、上記(ii)式および(iii)式中のDは鋼管の外径(mm)、dは内径(mm)である。 - 前記化学組成が、質量%で、
Ti:0.005〜0.015%
を含有する、
請求項1に記載の燃料噴射管用鋼管。 - 前記化学組成が、質量%で、
Cr:0.2〜1.0%、
Mo:0.03〜1.0%、
Cu:0.03〜0.5%、
Ni:0.03〜0.5%、
V:0.02〜0.15%、および
B:0.0003〜0.005%
から選択される1種以上を含有する、
請求項1または請求項2に記載の燃料噴射管用鋼管。 - 下記(i)式を満足する限界内圧を有する鋼管を製造する方法であって、
内径が2.5mm以上、外径が20mm以下、肉厚が1.5mm以上であり、
外径と内径との比が下記(iii)式を満足し、
500〜900MPaの引張強度を有すると共に、降伏比が0.50〜0.85であり、
化学組成が、質量%で、
C:0.12〜0.27%、
Si:0.05〜0.50%、
Mn:0.3〜2.0%、
Al:0.005〜0.060%、
N:0.0020〜0.0080%、
Ti:0.005〜0.040%、
Nb:0.015〜0.045%、
Cr:0〜1.0%、
Mo:0〜1.0%、
Cu:0〜0.5%、
Ni:0〜0.5%、
V:0〜0.15%、
B:0〜0.005%、
残部:Feおよび不純物であり、
不純物中のCa、P、SおよびOは、
Ca:0.001%以下、
P:0.02%以下、
S:0.01%以下、
O:0.0040%以下である鋼管素材に対して、
450MPa以下であり、かつ、下記(iv)式を満足する自緊処理内圧で自緊処理を施す、燃料噴射管用鋼管の製造方法。
IP≧0.41×TS×α ・・・(i)
α=[(D/d)2−1]/[0.776×(D/d)2] ・・・(ii)
D/d≧1.5 ・・・(iii)
PAF<0.44×TS×(1+YR) ・・・(iv)
但し、上記(i)式中のIPは鋼管の限界内圧(MPa)、TSは鋼管の引張強度(MPa)を意味し、αは上記(ii)式で表される値である。また、上記(ii)式および(iii)式中のDは鋼管の外径(mm)、dは内径(mm)である。さらに、上記(iv)式中のPAFは自緊処理内圧(MPa)、TSは鋼管素材の引張強度(MPa)、YRは鋼管素材の降伏比である。 - 前記化学組成が、質量%で、
Ti:0.005〜0.015%
を含有する、
請求項4に記載の燃料噴射管用鋼管の製造方法。 - 前記化学組成が、質量%で、
Cr:0.2〜1.0%、
Mo:0.03〜1.0%、
Cu:0.03〜0.5%、
Ni:0.03〜0.5%、
V:0.02〜0.15%、および
B:0.0003〜0.005%
から選択される1種以上を含有する、
請求項4または請求項5に記載の燃料噴射管用鋼管の製造方法。
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