JPWO2020166637A1 - 燃料噴射管用鋼管およびそれを用いた燃料噴射管 - Google Patents
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Abstract
鋼管の化学組成が、質量%で、C:0.17〜0.27%、Si:0.05〜0.40%、Mn:0.30〜2.00%、P:0.020%以下、S:0.0100%以下、O:0.0040%以下、Ca:0.0010%以下、Al:0.005〜0.060%、N:0.0020〜0.0080%、Ti:0.005〜0.015%、Nb:0.015〜0.045%、Cr:0〜1.00%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜0.50%、Ni:0〜0.50%、V:0〜0.15%、残部:Feおよび不純物であり、金属組織が実質的に焼戻しマルテンサイト、または焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトからなり、旧オーステナイト粒度番号が9.0以上であり、硬さが350〜460HV1であり、鋼管の長手方向に垂直な断面において観察される介在物の面積の平方根の最大値をan(n=1〜20)とした際に、anの最大値amaxが30.0μm以下であり、かつanの平均値aavがamaxの40%以上である、燃料噴射管用鋼管。
Description
本発明は、燃料噴射管用鋼管およびそれを用いた燃料噴射管に関する。
将来的なエネルギーの枯渇への対策として、省エネルギーを促す運動、資源のリサイクル運動およびこれらの目的を達成する技術の開発が盛んに行われている。特に近年は、世界的な取り組みとして地球の温暖化を防止するために燃料の燃焼に伴うCO2の排出量を低減させることが強く求められている。
CO2の排出量の少ない内燃機関として、自動車などに用いられるディーゼルエンジンが挙げられる。しかし、ディーゼルエンジンには、CO2の排出量が少ない反面、黒煙が発生するという問題がある。黒煙は、噴射された燃料に対し酸素が不足した場合に発生する。すなわち、燃料が部分的に熱分解されることにより脱水素反応が起こり、黒煙の前駆物質が生成して、この前駆物質が再び熱分解し、凝集および合体することにより黒煙となる。こうして発生した黒煙は大気汚染を引き起こし、人体に悪影響を及ぼすことが危惧される。
上記の黒煙は、ディーゼルエンジンの燃焼室への燃料の噴射圧を高めることにより、その発生量を低減することができる。しかし、そのためには、燃料噴射に用いる鋼管には高い疲労強度が求められる。このような燃料噴射管または燃料噴射管用鋼管について、下記の技術が開示されている。
特許文献1には、熱間圧延したシームレス鋼管素材の内面をショットブラスト処理により、研削・研磨を行った後に、冷間引抜き加工を行うディーゼルエンジンの燃料噴射に用いる鋼管の製造方法が開示されている。この製造方法を採用すれば、鋼管内面の疵(凹凸、ヘゲ、微細クラックなど)の深さを0.10mm以下にできるので、燃料噴射に用いる鋼管の高強度化が図れるとされている。
特許文献2には、少なくとも鋼管の内表面から20μmまでの深さに存在する非金属介在物の最大径が20μm以下であり、引張強度が500MPa以上の燃料噴射管用鋼管が開示されている。
特許文献3には、引張強度が900N/mm2以上であって、少なくとも鋼管の内表面から20μmまでの深さに存在する非金属介在物の最大径が20μm以下である燃料噴射管用鋼管が開示されている。
特許文献3の発明は、Sの低減、鋳込み方法の工夫、Caの低減等によりA系、B系、C系の粗大介在物を排除した鋼材を用いて素管鋼管を製造し、冷間加工によって目的とする径に調整した後、焼入れ、焼戻しによって900MPa以上の引張強度を実現するものであり、実施例では260〜285MPaの限界内圧を実現している。
特許文献4には、800MPa以上、好ましくは900MPa以上の引張強度を有し、耐内圧疲労特性に優れる燃料噴射管用鋼管およびそれを用いた燃料噴射管が開示されている。
中山英介、宮原光雄、岡村一男、富士本博紀、福井清之、「超小型試験片による自動車用薄板スポット溶接継手の疲労強度予測」、材料、2004年10月、第53巻、第10号、p.1136−1142
邦武立郎、熱処理、41(2001)、p.164
特許文献1に開示された方法で製造された燃料噴射に用いる鋼管は、高い強度を持つものの、その鋼管材料の強度に見合った疲労寿命を得ることができない。鋼管材料の強度が高くなれば、当然に、鋼管の内側にかかる圧力を高くすることができる。しかし、鋼管の内側に圧力を加えた場合に、鋼管内面に疲労による破壊が発生することのない限界となる内圧(以下、「限界内圧」という。)は、鋼管材料の強度のみには依存しない。すなわち、鋼管材料の強度を大きくしても期待以上の限界内圧は得られない。高い内圧による使用によって鋼管が疲労しやすいため疲労寿命も短くなる。
特許文献2および3に開示された燃料噴射管用鋼管は、疲労寿命が長く、かつ信頼性が高いという特長を有する。しかしながら、特許文献2に開示される鋼管の限界内圧は255MPa以下であり、特許文献3においても260〜285MPaである。特に自動車業界においてはさらなる高内圧化が要求されており、引張強度が800MPa以上であって、限界内圧が270MPa超の燃料噴射管、特に望ましくは、引張強度が900MPa以上であって、限界内圧が300MPa超の燃料噴射管の開発が要望されている。なお、限界内圧は、一般に燃料噴射管の引張強度に依存して僅かに増加する傾向にあるものの、各種の要因が絡むと考えられ、特に800MPa以上の高強度燃料噴射管においては安定して高い限界内圧を確保することは、必ずしも容易ではない。
特許文献4に開示された燃料噴射管用鋼管は、800MPa以上、好ましくは900MPa以上の引張強度(TS)を有し、高い限界内圧特性を有するため、極めて信頼性が高い。しかしながら、近年、燃料噴射管用鋼管には、1100MPa以上といったさらなる高強度化が要求されている。
そこで、本発明者らが特許文献4に開示された燃料噴射管用鋼管をベースに、高強度化を行ったところ、内圧疲労試験の107回の繰返しに対応した限界内圧は良好であったが、回転曲げ疲労試験による107回の時間強度に対し109回の時間強度が低下することが分かった。
回転曲げ疲労試験は、燃料噴射管が搭載される車両の走行中の振動に起因して生じる疲労損傷を評価するために行ったものである。その負荷応力の回数は極めて多く、109回に達することがある。よって、回転曲げ疲労強度、特に超高サイクル領域における疲労強度は、燃料噴射管の要求特性としては限界内圧に次いで重要である。
ここで、時間強度とは特定の繰返し数において破壊しない限界の応力を指し、疲労強度とは任意の繰返し数における時間強度の総称である。なお、内圧疲労については、現状の技術においては、内圧の繰返しが振動に起因する繰返しよりも少ないため、超高サイクル領域における疲労強度のニーズが高くない。
しかしながら、将来、燃料噴射管が極めて長期間使用されるようになれば超高サイクル領域における限界内圧確保が必要になる。内圧疲労試験は試験周波数を上げることが困難なので、上記した回転曲げ疲労試験は、超高サイクル領域で限界内圧が変化するかどうか判断する目安になり得る。より高い信頼性を確保するためには、超高サイクル領域における回転曲げ疲労強度の改善が要求される。
本発明は上記の課題を解決し、高い強度を有するとともに、超高サイクル領域において高い疲労強度を有する燃料噴射管用鋼管およびそれを用いた燃料噴射管を提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の燃料噴射管用鋼管およびそれを用いた燃料噴射管を要旨とする。
(1)燃料噴射管用の鋼管であって、
前記鋼管の化学組成が、質量%で、
C:0.17〜0.27%、
Si:0.05〜0.40%、
Mn:0.30〜2.00%、
P:0.020%以下、
S:0.0100%以下、
O:0.0040%以下、
Ca:0.0010%以下、
Al:0.005〜0.060%、
N:0.0020〜0.0080%、
Ti:0.005〜0.015%、
Nb:0.015〜0.045%、
Cr:0〜1.00%、
Mo:0〜1.00%、
Cu:0〜0.50%、
Ni:0〜0.50%、
V:0〜0.15%、
残部:Feおよび不純物であり、
前記鋼管の肉厚中央部における金属組織が、焼戻しマルテンサイト、または焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトを含み、かつ焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの合計面積率が95%以上であり、
焼戻しマルテンサイト、または焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの旧オーステナイト粒度番号が9.0以上であり、
前記鋼管の肉厚中央部における硬さが、350〜460HV1であり、
前記鋼管の長手方向に垂直な断面から、面積が0.4mm2の任意の視野を20か所選択し、各視野において観察される介在物の面積の平方根の最大値をそれぞれan(n=1〜20)とした際に、anの最大値amaxが30.0μm以下であり、かつanの平均値aavがamaxの40%以上である、
燃料噴射管用鋼管。
前記鋼管の化学組成が、質量%で、
C:0.17〜0.27%、
Si:0.05〜0.40%、
Mn:0.30〜2.00%、
P:0.020%以下、
S:0.0100%以下、
O:0.0040%以下、
Ca:0.0010%以下、
Al:0.005〜0.060%、
N:0.0020〜0.0080%、
Ti:0.005〜0.015%、
Nb:0.015〜0.045%、
Cr:0〜1.00%、
Mo:0〜1.00%、
Cu:0〜0.50%、
Ni:0〜0.50%、
V:0〜0.15%、
残部:Feおよび不純物であり、
前記鋼管の肉厚中央部における金属組織が、焼戻しマルテンサイト、または焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトを含み、かつ焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの合計面積率が95%以上であり、
焼戻しマルテンサイト、または焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの旧オーステナイト粒度番号が9.0以上であり、
前記鋼管の肉厚中央部における硬さが、350〜460HV1であり、
前記鋼管の長手方向に垂直な断面から、面積が0.4mm2の任意の視野を20か所選択し、各視野において観察される介在物の面積の平方根の最大値をそれぞれan(n=1〜20)とした際に、anの最大値amaxが30.0μm以下であり、かつanの平均値aavがamaxの40%以上である、
燃料噴射管用鋼管。
(2)前記鋼管の化学組成が、質量%で、
Cr:0.03〜1.00%、
Mo:0.03〜1.00%、
Cu:0.01〜0.50%、
Ni:0.01〜0.50%、および
V:0.02〜0.15%、
から選択される1種以上を含有する、
上記(1)に記載の燃料噴射管用鋼管。
Cr:0.03〜1.00%、
Mo:0.03〜1.00%、
Cu:0.01〜0.50%、
Ni:0.01〜0.50%、および
V:0.02〜0.15%、
から選択される1種以上を含有する、
上記(1)に記載の燃料噴射管用鋼管。
(3)上記(1)または(2)に記載の燃料噴射管用鋼管を用いた燃料噴射管。
本発明によれば、1100MPa以上の引張強さを有すると共に、超高サイクル領域において高い疲労強度を有する燃料噴射管用鋼管を得ることが可能となる。
本発明者らが上記課題を解決するために検討を重ねた結果、以下の知見を得るに至った。
所定の強度を確保するためには、金属組織を実質的に焼戻しマルテンサイト単相、または焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトからなる複相組織とし、かつそれらの結晶粒径を低減することにより、硬さを上げる必要がある。
一方、硬さが過剰となると、超高サイクル領域における疲労強度が顕著に低下することが分かった。そのため、鋼の硬さを所定の範囲内に制御する必要がある。
さらに、疲労試験における繰返し数が107回程度の高サイクル領域においては、疲労強度は概ね硬さに依存するが、繰返し数が109回程度の超高サイクル領域においては、鋼中に存在する粗大介在物と水素との影響が顕在化することが分かった。
すなわち、超高サイクル領域における疲労強度を向上させるためには、粗大介在物および水素の影響を抑制する必要がある。そして、粗大介在物の寸法を低減するとともに、これにトラップされる水素を低減させることで、超高サイクル領域における疲労強度が改善できることを見出した。
本発明は上記知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
1.化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
C:0.17〜0.27%
Cは、安価に鋼の強度を高めるのに有効な元素である。所望の引張強さを確保するためにはC含有量を0.17%以上とすることが必要である。しかし、C含有量が0.27%を超えると、加工性の低下を招く。したがって、C含有量は0.17〜0.27%とする。C含有量は0.20%以上であるのが好ましい。また、C含有量は0.25%以下であるのが好ましく、0.23%以下であるのがより好ましい。
Cは、安価に鋼の強度を高めるのに有効な元素である。所望の引張強さを確保するためにはC含有量を0.17%以上とすることが必要である。しかし、C含有量が0.27%を超えると、加工性の低下を招く。したがって、C含有量は0.17〜0.27%とする。C含有量は0.20%以上であるのが好ましい。また、C含有量は0.25%以下であるのが好ましく、0.23%以下であるのがより好ましい。
Si:0.05〜0.40%
Siは、脱酸作用を有するだけでなく、鋼の焼入れ性を高めて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%以上とすることが必要である。しかし、Si含有量が0.40%を超えると、靭性の低下を招く。したがって、Si含有量は0.05〜0.40%とする。Si含有量は0.15%以上であるのが好ましく、0.35%以下であるのが好ましい。
Siは、脱酸作用を有するだけでなく、鋼の焼入れ性を高めて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%以上とすることが必要である。しかし、Si含有量が0.40%を超えると、靭性の低下を招く。したがって、Si含有量は0.05〜0.40%とする。Si含有量は0.15%以上であるのが好ましく、0.35%以下であるのが好ましい。
Mn:0.30〜2.00%
Mnは、脱酸作用を有するだけでなく、鋼の焼入れ性を高めて強度と靭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0.30%未満では十分な強度が得られず、一方、2.00%を超えるとMnSの粗大化が生じて、熱間圧延時に展伸し、かえって靭性が低下する。このため、Mn含有量は0.30〜2.00%とする。Mn含有量は0.40%以上であるのが好ましく、0.50%以上であるのがより好ましい。また、Mn含有量は1.70%以下であるのが好ましく、1.50%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、鋼の焼入れ性を高めて強度と靭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0.30%未満では十分な強度が得られず、一方、2.00%を超えるとMnSの粗大化が生じて、熱間圧延時に展伸し、かえって靭性が低下する。このため、Mn含有量は0.30〜2.00%とする。Mn含有量は0.40%以上であるのが好ましく、0.50%以上であるのがより好ましい。また、Mn含有量は1.70%以下であるのが好ましく、1.50%以下であるのがより好ましい。
P:0.020%以下
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0.020%を超えると、熱間加工性の低下を招くだけでなく、粒界偏析により靭性を著しく低下させる。したがって、P含有量は、0.020%以下とする必要がある。なお、Pの含有量は、低ければ低いほど望ましく、0.015%以下とするのが好ましく、0.012%以下とするのがより好ましい。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。
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0.020%を超えると、熱間加工性の低下を招くだけでなく、粒界偏析により靭性を著しく低下させる。したがって、P含有量は、0.020%以下とする必要がある。なお、Pの含有量は、低ければ低いほど望ましく、0.015%以下とするのが好ましく、0.012%以下とするのがより好ましい。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:0.0100%以下
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0.0100%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、0.0100%以下とする必要がある。なお、Sの含有量は、低ければ低いほど望ましく、0.0050%以下とするのが好ましく、0.0035%以下とするのがより好ましい。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。
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0.0100%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、0.0100%以下とする必要がある。なお、Sの含有量は、低ければ低いほど望ましく、0.0050%以下とするのが好ましく、0.0035%以下とするのがより好ましい。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:0.0040%以下
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%以下とする必要がある。なお、Oの含有量は、低ければ低いほど望ましく、0.0035%以下とするのが好ましく、0.0025%以下とするのがより好ましく、0.0015%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%以下とする必要がある。なお、Oの含有量は、低ければ低いほど望ましく、0.0035%以下とするのが好ましく、0.0025%以下とするのがより好ましく、0.0015%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。
Ca:0.0010%以下
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0.0010%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。したがってCa含有量は0.0010%以下とする。Ca含有量は0.0007%以下とすることが好ましく、0.0003%以下とすることがより好ましい。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。
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0.0010%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。したがってCa含有量は0.0010%以下とする。Ca含有量は0.0007%以下とすることが好ましく、0.0003%以下とすることがより好ましい。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。
Al:0.005〜0.060%
Alは、鋼の脱酸を行う上で有効な元素であり、また鋼の靭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を含有する必要がある。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。Al含有量は0.008%以上であるのが好ましく、0.010%以上であるのがより好ましい。また、Al含有量は0.050%以下であるのが好ましく、0.040%以下であるのがより好ましい。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。
Alは、鋼の脱酸を行う上で有効な元素であり、また鋼の靭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を含有する必要がある。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。Al含有量は0.008%以上であるのが好ましく、0.010%以上であるのがより好ましい。また、Al含有量は0.050%以下であるのが好ましく、0.040%以下であるのがより好ましい。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:0.0020〜0.0080%
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を残存させる必要がある。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。N含有量は0.0025%以上であるのが好ましく、0.0027%以上であるのがより好ましい。また、N含有量は0.0065%以下であるのが好ましく、0.0050%以下であるのがより好ましい。
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を残存させる必要がある。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。N含有量は0.0025%以上であるのが好ましく、0.0027%以上であるのがより好ましい。また、N含有量は0.0065%以下であるのが好ましく、0.0050%以下であるのがより好ましい。
Ti:0.005〜0.015%
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元素である。その効果を得るためには、Ti含有量を0.005%以上とする必要がある。
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元素である。その効果を得るためには、Ti含有量を0.005%以上とする必要がある。
ここで、試料を用いて内圧疲労試験を行うと、高応力となる内表面を起点に疲労き裂が発生および進展し、外表面に達すると同時に破壊に至る。この時、起点部には介在物が存在する場合と存在しない場合とがある。
起点部に介在物が存在しない場合、そこにはファセット状破面と呼ばれる平坦な破面形態が認められる。これは結晶粒単位で発生したき裂がその周囲の数結晶粒分にわたり、モードIIと呼ばれる剪断型で進展して形成されたものである。このファセット状破面が臨界値まで成長するとモードIと呼ばれる開口型に進展形態が変化し、破損に至る。ファセット状破面の成長は、初期のき裂発生の寸法単位である旧オーステナイト粒径(以下、「旧γ粒径」と表記する。)に依存し、旧γ粒径が大きいと促進される。これは介在物が起点とならなくても、旧γ粒径が粗大であると、基地組織の疲労強度は低下することを意味する。
Ti含有量が高い場合において、内圧疲労試験を行った鋼管の破面観察から直径20μm以下の複数のAl2O3系介在物をTiが主成分のフィルム状の薄い層が架橋する形態の複合介在物(以下、Ti−Al複合介在物という。)が観察された。特に、Ti含有量が0.015%を超えると、大型のTi−Al複合介在物が生じるおそれがある。大型のTi−Al複合介在物は、非常に高い内圧条件下での破損寿命の低下を招くおそれがある。したがって、Ti含有量は0.015%以下とする必要がある。
旧γ粒の粗大化を防止するために、Ti含有量は0.006%以上であるのが好ましく、0.007%以上であるのがより好ましい。また、Ti−Al複合介在物の形成を防止する観点からは、Ti含有量は0.013%以下であるのが好ましく、0.012%以下であるのがより好ましい。
Nb:0.015〜0.045%
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ことで、組織の微細化に寄与し、限界内圧を向上させる効果を有する。また、Nbの炭化物または炭窒化物の微細分散により、鋼の靭性が向上する。これらの目的のため、0.015%以上のNbを含有させる必要がある。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、かえって靭性が低下する。したがって、Nbの含有量は0.015〜0.045%とする。Nb含有量は0.018%以上であるのが好ましく、0.020%以上であるのがより好ましい。また、Nb含有量は0.040%以下であるのが好ましく、0.035%以下であるのがより好ましい。
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ことで、組織の微細化に寄与し、限界内圧を向上させる効果を有する。また、Nbの炭化物または炭窒化物の微細分散により、鋼の靭性が向上する。これらの目的のため、0.015%以上のNbを含有させる必要がある。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、かえって靭性が低下する。したがって、Nbの含有量は0.015〜0.045%とする。Nb含有量は0.018%以上であるのが好ましく、0.020%以上であるのがより好ましい。また、Nb含有量は0.040%以下であるのが好ましく、0.035%以下であるのがより好ましい。
Cr:0〜1.00%
Crは、焼入れ性および耐摩耗性を向上させる効果を有する元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかし、Cr含有量が1.00%を超えると靭性および冷間加工性が低下するため、含有させる場合のCr含有量は1.00%以下とする。Cr含有量は0.80%以下であるのが好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、Cr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く、0.20%以上とすることがさらに好ましく、0.30%以上とすることがさらに好ましい。
Crは、焼入れ性および耐摩耗性を向上させる効果を有する元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかし、Cr含有量が1.00%を超えると靭性および冷間加工性が低下するため、含有させる場合のCr含有量は1.00%以下とする。Cr含有量は0.80%以下であるのが好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、Cr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く、0.20%以上とすることがさらに好ましく、0.30%以上とすることがさらに好ましい。
Mo:0〜1.00%
Moは、焼入れ性を向上させ、焼戻し軟化抵抗を高めるため、高強度確保に寄与する元素である。そのため、必要に応じてMoを含有させてもよい。しかし、Mo含有量が1.00%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、含有させる場合のMo含有量は1.00%以下とする。Mo含有量は0.45%以下であるのが好ましい。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。
Moは、焼入れ性を向上させ、焼戻し軟化抵抗を高めるため、高強度確保に寄与する元素である。そのため、必要に応じてMoを含有させてもよい。しかし、Mo含有量が1.00%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、含有させる場合のMo含有量は1.00%以下とする。Mo含有量は0.45%以下であるのが好ましい。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:0〜0.50%
Cuは、鋼の焼入れ性を高めることで強度および靭性を向上させる効果を有する元素である。そのため、必要に応じてCuを含有させてもよい。しかし、Cu含有量が0.50%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、含有させる場合のCu含有量は0.50%以下とする。Cu含有量は0.40%以下とするのが好ましく、0.35%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、Cu含有量を0.01%以上とすることが好ましく、0.02%以上とすることがより好ましく、0.05%以上とすることがさらに好ましい。
Cuは、鋼の焼入れ性を高めることで強度および靭性を向上させる効果を有する元素である。そのため、必要に応じてCuを含有させてもよい。しかし、Cu含有量が0.50%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、含有させる場合のCu含有量は0.50%以下とする。Cu含有量は0.40%以下とするのが好ましく、0.35%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、Cu含有量を0.01%以上とすることが好ましく、0.02%以上とすることがより好ましく、0.05%以上とすることがさらに好ましい。
Ni:0〜0.50%
Niは、鋼の焼入れ性を高めることで強度および靭性を向上させる効果を有する元素である。そのため、必要に応じてNiを含有させてもよい。しかし、Ni含有量が0.50%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、含有させる場合のNi含有量は0.50%以下とする。Ni含有量は0.40%以下とするのが好ましく、0.35%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、Ni含有量を0.01%以上とすることが好ましく、0.02%以上とすることがより好ましく、0.05%以上とすることがさらに好ましい。
Niは、鋼の焼入れ性を高めることで強度および靭性を向上させる効果を有する元素である。そのため、必要に応じてNiを含有させてもよい。しかし、Ni含有量が0.50%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、含有させる場合のNi含有量は0.50%以下とする。Ni含有量は0.40%以下とするのが好ましく、0.35%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、Ni含有量を0.01%以上とすることが好ましく、0.02%以上とすることがより好ましく、0.05%以上とすることがさらに好ましい。
V:0〜0.15%
Vは、焼戻し時に微細な炭化物(VC)として析出して、焼戻し軟化抵抗を高め、高温焼戻しを可能とし、鋼の高強度化および高靭性化に寄与する元素である。そのため、必要に応じてVを含有させてもよい。しかし、V含有量が0.15%を超えるとかえって靭性の低下を招くため含有させる場合のV含有量は0.15%以下とする。V含有量は0.12%以下とするのが好ましく、0.10%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、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。
Vは、焼戻し時に微細な炭化物(VC)として析出して、焼戻し軟化抵抗を高め、高温焼戻しを可能とし、鋼の高強度化および高靭性化に寄与する元素である。そのため、必要に応じてVを含有させてもよい。しかし、V含有量が0.15%を超えるとかえって靭性の低下を招くため含有させる場合のV含有量は0.15%以下とする。V含有量は0.12%以下とするのが好ましく、0.10%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、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。
本発明の燃料噴射管用鋼管の化学組成において、残部はFeおよび不純物である。ここで「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
2.金属組織
本発明に係る燃料噴射管用鋼管の肉厚中央部における金属組織は、実質的に焼戻しマルテンサイト組織または焼戻しマルテンサイトと焼戻しベイナイトとの混合組織からなるものである。具体的には、上記金属組織は、焼戻しマルテンサイト、または焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトを含み、かつ焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの合計面積率が95%以上である。
本発明に係る燃料噴射管用鋼管の肉厚中央部における金属組織は、実質的に焼戻しマルテンサイト組織または焼戻しマルテンサイトと焼戻しベイナイトとの混合組織からなるものである。具体的には、上記金属組織は、焼戻しマルテンサイト、または焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトを含み、かつ焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの合計面積率が95%以上である。
組織中にフェライト・パーライト組織が存在すると、介在物起点の破損が解消されたとしても、局所的に硬さの低いフェライト相を起点として破損が生じるため、巨視的な硬さおよび引張強さから期待される限界内圧が得られない。また、焼戻しマルテンサイトを含まない組織またはフェライト・パーライト組織では高い引張強さを確保することが困難になる。
また、疲労強度を向上させるためには、組織を微細化する必要があり、具体的には、旧オーステナイト粒度番号を9.0以上とする必要がある。粒度番号が9.0未満の細粒化が不十分な鋼管では、組織の疲労強度が低下するため、介在物が起点とならなくても限界内圧が低下するためである。旧オーステナイト粒度番号は10.0以上であるのが好ましい。なお、粒度番号は、ASTM E112の規定によるものである。
さらに、超高サイクル領域における疲労強度を向上させるためには、酸化物等の介在物の寸法を低減するとともに、これにトラップされる水素を低減させる必要がある。本発明者らが種々の材料を用いて調査を行った結果、介在物の粒径のばらつきを小さくすることで、焼戻し等の加熱処理において効率的に介在物にトラップされる水素を低減でき、超高サイクル領域における疲労強度低下を抑制できることを見出した。
また、従来から言われているように最も粗大な介在物の寸法を低減すれば高サイクル領域の疲労強度を向上できることから、粗大な介在物の形成の防止と、介在物の粒径のばらつき低減の組み合わせによって、超高サイクル領域における疲労強度を向上させることができる。
本発明においては、以下の条件を満足するよう、介在物の寸法を制御するものとする。まず、鋼管の長手方向に垂直な断面から、面積が0.4mm2の任意の視野を20か所選択する。そして、20か所の視野において光学顕微鏡を用いて介在物の観察を行い、それぞれの視野において観察される介在物の面積を測定する。そして、20か所の各視野における介在物の面積の平方根の最大値をそれぞれan(n=1〜20)とする。この時に、anの最大値amaxを30.0μm以下とし、かつanの平均値aavがamaxの40%以上とする。
厳密な機構については解明には至っていないが、鋼中に存在する介在物の寸法が上記規定を満足することによって、焼戻し等の加熱処理において効率的に介在物にトラップされる水素を低減でき、疲労破壊の起点になり得る粗大介在物の量も低減されることから、超高サイクル領域における疲労強度を向上しているものと推測される。
3.機械的性質
本発明に係る燃料噴射管用鋼管の肉厚中央部における硬さは、350〜460HV1である。上記硬さが350HV1未満では、十分な強度および限界内圧を得ることができない。一方、上記硬さが460HV1を超えると、疲労強度が顕著に低下する。なお、「HV1」は、試験力を9.8N(1kgf)として、ビッカース硬さ試験を実施した場合の「硬さ記号」を意味する(JIS Z 2244:2009を参照)。
本発明に係る燃料噴射管用鋼管の肉厚中央部における硬さは、350〜460HV1である。上記硬さが350HV1未満では、十分な強度および限界内圧を得ることができない。一方、上記硬さが460HV1を超えると、疲労強度が顕著に低下する。なお、「HV1」は、試験力を9.8N(1kgf)として、ビッカース硬さ試験を実施した場合の「硬さ記号」を意味する(JIS Z 2244:2009を参照)。
肉厚中央部における硬さが350HV1以上となることによって、1100MPa以上の引張強さと350MPa以上の限界内圧とが得られる。限界内圧が350MPa以上となることによって、破壊疲労に対する安全性を確保することが可能になる。1200MPa以上の引張強さを得たい場合には、上記硬さは400HV1以上であることが好ましい。
なお、本発明において、限界内圧とは、内圧疲労試験において最低内圧を18MPaとして、時間に対して正弦波をとる繰返し内圧変動を与え、繰返し数が107回になっても破損(リーク)が生じない最高内圧(MPa)を意味する。具体的には、縦軸を最大内圧とし、横軸を破損繰返し数としたS−N線図上で、破損が生じた最大内圧の最小値と、107回になっても破損しなかった最大値の中間値を限界内圧とする。
4.寸法
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、本発明に係る燃料噴射管用鋼管の内径は2.5mm以上であることが望ましく、3.0mm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、2.0mm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。
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、本発明に係る燃料噴射管用鋼管の内径は2.5mm以上であることが望ましく、3.0mm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、2.0mm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。
さらに、高い内圧に耐えるためには、鋼管の内径が大きいほどそれに応じて肉厚を大きくすることが望ましい。鋼管の内径が一定であれば、肉厚が大きくなるに従い、鋼管の外径も大きくなる。すなわち、高い内圧に耐えるためには、鋼管の内径が大きいほど鋼管の外径も大きくすることが望ましい。燃料噴射管用鋼管として十分な限界内圧を得るためには、鋼管の外径および内径は下記(i)式を満足することが望ましい。
D/d≧1.5 ・・・(i)
但し、上記(i)式中のDは燃料噴射管用鋼管の外径(mm)、dは内径(mm)である。
D/d≧1.5 ・・・(i)
但し、上記(i)式中のDは燃料噴射管用鋼管の外径(mm)、dは内径(mm)である。
なお、上記の鋼管の外径および内径の比であるD/dは2.0以上であることがより望ましい。一方、D/dの上限は特に設けないが、その値が過大であると曲げ加工が困難になることから、3.0以下であることが望ましく、2.8以下であることがより望ましい。
5.製造方法
本発明に係る燃料噴射管用鋼管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。
本発明に係る燃料噴射管用鋼管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。
介在物の形成を抑制するためには、上述のように化学組成を調整すると共に、鋳込み時の鋳片の断面積を大きくすることが好ましい。鋳込み後、凝固するまでの間に大きな介在物は浮上するからである。鋳込み時の鋳片の断面積は200,000mm2以上であることが望ましい。さらに、鋳造速度を遅くすることにより、軽い非金属介在物をスラグとして浮上させて鋼中の非金属介在物そのものを減少させることができる。例えば、連続鋳造においては鋳込み速度0.3〜0.7m/minで実施できる。
また、介在物の浮上分離を促進するため、タンディッシュヒータ等を採用することで、鋳込み温度を制御することが好ましい。この際のタンディッシュ内の溶鋼保持温度は、1540℃以上とすることが好ましい。溶鋼段階でこれらの方法に基づき粗大な介在物を除去することで、本発明の規定を満足するよう、介在物の寸法を制御することが可能となる。
このようにして得られた鋳片から、例えば分塊圧延等の方法で製管用のビレットを準備する。そして、例えば、マンネスマン−マンドレルミ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等による定径圧延で所定の熱間製管の寸法に仕上げる。次いで、冷間引抜加工を数回繰り返して、所定の冷間仕上げの寸法とする。冷間引抜きにあたっては、その前に、またはその中間で応力除去焼鈍を行うことで冷間引抜加工を容易にすることができる。また、プラグミル製管法等、他の製管法を用いることも可能である。
このようにして、最終の冷間引抜加工を行った後、目的とする燃料噴射管としての機械特性を充足させるため、焼入れおよび焼戻しの熱処理を行う。
焼入れ処理においては、少なくともAc3変態点+30℃以上の温度に加熱、急冷を行うのが好ましい。加熱温度がAc3変態点+30℃未満では、オーステナイト化が不完全となる結果、焼入れによるマルテンサイト形成が不十分となり、所望の引張強さを得ることができないおそれがあるためである。一方、加熱温度は、1150℃以下とすることが好ましい。加熱温度が1150℃を上回るとγ粒の粗大化が生じやすくなるためである。加熱温度は、1000℃以上とすることがより好ましい。
Ac3変態点は、非特許文献2に記載の下記式に従って算出する。
Ac3(℃)=912−230.5C+31.6Si−20.4Mn−39.8Cu−18.1Ni−14.8Cr+16.8Mo
但し、上記式中の元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合には0を代入するものとする。
Ac3(℃)=912−230.5C+31.6Si−20.4Mn−39.8Cu−18.1Ni−14.8Cr+16.8Mo
但し、上記式中の元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合には0を代入するものとする。
焼入れ時の加熱方法は、特に限定されるものではないが、高温長時間の加熱は、保護雰囲気でない場合においては、鋼管表面に生成するスケールが多くなり、寸法精度および表面性状の低下に繋がる。また、加熱速度が遅くなると、旧γ粒径を微細化することが困難となる。したがって、ウォーキングビーム炉等、炉加熱での加熱は好ましくない。
加熱方式として高周波誘導加熱方法または直接通電加熱方法を採用すれば、短時間保持の加熱を実現することができ、鋼管表面に発生するスケールを最小に抑制することが可能となるため好ましい。また、加熱速度を大きくすることで旧γ粒の微細粒化を実現しやすくなるので有利である。加熱速度は、25℃/s以上とするのが好ましく、50℃/s以上とするのがより好ましく、100℃/s以上とするのがさらに好ましい。スケール抑制の観点からは、加熱雰囲気として、酸素ポテンシャルの低い雰囲気または非酸化性の還元雰囲気が好ましい。
焼入れ時の冷却については、所望の強度を安定かつ確実に得るために、500〜800℃の温度範囲における冷却速度を50℃/s以上とすることが好ましく、100℃/s以上とすることがより好ましく、125℃/s以上とすることがさらに好ましい。冷却方法としては、水焼入れ等の急冷処理を用いるのが好ましい。
急冷されて常温まで冷却された鋼管は、そのままの状態では硬くて脆いため、焼戻しするのが好ましい。但し、焼戻しの温度が450℃を超えると、硬さの低下が著しく、所望の強度を得ることが困難になる。一方、焼戻し温度が250℃未満では焼戻しが不十分となりやすく、靭性および加工性が不十分になるおそれがある上に、介在物にトラップされた水素の低減が不十分となる。したがって、焼戻し温度は250〜450℃とすることが好ましく、300〜420℃とすることがさらに好ましい。焼戻し温度での保持時間は特に限定されるものではないが、通常は10〜120min程度である。なお、焼戻しの後、適宜ストレートナー等で曲がりを矯正してもよい。
本発明の燃料噴射管用鋼管は、例えばその両端部分に接続頭部を形成することで、高圧燃料噴射管とすることができる。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表1に示す化学成分を有する13種の鋼素材を製造した。表2に示すように、鋼Dを用いた試験No.9を除く鋼素材については、転炉および連続鋳造により製造し、試験No.9についてはラボ溶解炉によって製造した。
試験No.9以外については、いずれも、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。また、そのうち試験No.8(鋼C)を除く鋼素材については、タンディッシュヒータを使用し、溶鋼温度を1540℃以上に保持した。試験No.8(鋼C)については、タンディッシュヒータを使用しなかった。
上記鋼素材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8.0mm、内径4.0mmの鋼管に仕上げた。
そして、表2に示す条件で焼入れ焼戻し処理を行い、外内表面のスケール除去・平滑化処理を行った。この時焼入れ処理は、表2中の試験No.1〜9および12〜20では100℃/sの昇温速度で1100℃まで高周波加熱し、50℃/s以上で急冷(保持時間5s以下)し、試験No.10および11では、それぞれ1000℃および1100℃で10min保持した後、50℃/s以上で水冷する条件で行った。焼戻し処理は、150〜640℃で10min保持後放冷の条件で行った。具体的な焼戻し温度は表2に併記する。
得られた鋼管に関して、JIS Z 2241(2011)に規定の11号試験片による引張試験を行い、引張強さを求めた。なお、鋼管に十分な長さの直管部がない場合は、非特許文献1に示されるような薄肉ダンベル形状の小型試験片を切り出して引張試験を行ってもよい。
また、各鋼管から組織観察用の試料を採取し、管軸方向に垂直な断面を機械研磨した。エメリーペーパーとバフで研磨後、ナイタール腐食液を用いて、実質的に焼戻しマルテンサイト単相または焼戻しマルテンサイトと焼戻しベイナイトとの混合組織であることを確認した。すなわち、いずれの組織においても、焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの合計面積率が95%以上であった。
そして、再度バフ研磨した後、ピクラール腐食液を用いて、観察面内の旧γ結晶粒界を現出させた。その後、ASTM E112に準拠して、観察面の旧オーステナイト結晶粒度番号を求めた。なお、旧オーステナイト結晶粒度番号は焼戻しによっては変化しないので、鋼種と焼入れ条件が同じ試験No.1〜5については試験No.4の測定値を、試験No.6および7については試験No.6の測定値を代表値とした。
また、以下の手順に従い、介在物の観察を行った。まず、得られた鋼管の長手方向に垂直な断面から、面積が0.4mm2の任意の視野を20か所選択した。そして、20か所の視野において光学顕微鏡を用いて介在物の観察を行い、それぞれの視野において観察される介在物の面積を測定した。そして、20か所の各視野における介在物の面積の平方根の最大値をそれぞれan(n=1〜20)とし、anの最大値amaxおよび平均値aavを求め、aav/amaxの値を算出した。
次に、鋼管の肉厚中央部において、JIS Z 2244(2009)に基づくビッカース硬さの測定を行った。試験力は9.8N(1kgf)とした。
内圧疲労試験は、以下の手順により実施した。まず、各鋼管を長さ200mmに切断し、管端加工を施し、内圧疲労試験用噴射管試験片とした。疲労試験は、試料の片側端面をシールし、もう片側端面より試料内部に圧力媒体として作動油を封入し、封入部の内圧を最大内圧から最小18MPaの範囲で、時間に対して正弦波をとるように繰返し変動させるものである。内圧変動の周波数は8Hzとした。内圧疲労試験の結果として繰返し数が107回になっても破損(リーク)が起こらない最大内圧を限界内圧として評価した。
さらに、図1に示す形状の試験片を作製し、回転曲げ疲労試験を以下の手順で行った。具体的には、長さ100mmの直管形状の試料を切り出し、中央部にR7mmの切欠きを設け、切欠き底の直径を5mmとした。回転曲げ疲労試験は、片持ち回転曲げ疲労試験機を用いて行った。すなわち、試料の片端をモーターの回転軸に固定し、もう片端に軸受を介して重錘を吊るす方式にて、疲労試験を行った。
環境は室温・大気中とし、試験応力については、重錘から計算される公称応力に、ひずみゲージで実測して得た応力集中係数を乗じて設定した。試験周波数は52Hzである。数段階の試験応力にて疲労試験を行い、破断または1×109回で破断しなかった場合は、そこで打切りとした。
疲労試験結果より、1×107回および1×109回に対する時間強度を以下の手順で求めた。すなわち、時間強度の繰返し数より短寿命で破断したデータのうち、最も低い試験応力(最小破断応力)と、時間強度の繰返し数の時点で未破断であったデータのうち、最も高い試験応力(最大未破断応力)を求めた。最小破断応力が最大未破断応力より低い場合は、両者の平均値の応力、最小破断応力が最大未破断応力より高い場合は最小破断応力を、時間強度とした。そして、超高サイクル領域における疲労強度低下の指標として、1×109回に対する時間強度を、1×107回に対する時間強度で除した値を採用した。
それらの結果を表2に併記する。
表2に示すように、本発明の規定を満足する試験No.3、4、6および12〜16では、高い限界内圧と優れた疲労特性を有することが分かる。これに対して、試験No.1、2、5、7〜11および17〜20は、本発明の規定のいずれかを満足しない比較例である。
具体的には、試験No.1および2では、焼戻し温度が高く、硬さが低下したため、限界内圧も劣る結果となった。一方、試験No.5および7では、焼戻し温度が低く、硬さが過剰であり、介在物にトラップされた水素が多く存在したため、超高サイクル領域における疲労特性が劣化する結果となった。
また、試験No.8では、タンディッシュヒータによる鋳込み温度の制御を行わず、試験No.9ではラボ溶解炉を用い、十分に介在物の除去を行わなかった。そのため、amaxまたはaav/amaxが規定から外れ、すなわち、粗大介在物が存在し、これに水素がトラップされた状態であった。その結果、超高サイクル領域における疲労特性が劣化する結果となった。試験No.10および11では、旧γ粒径が大きくなったため、限界内圧が劣る結果となった。
さらに、試験No.17では、C含有量が低すぎるため、硬さが低く、限界内圧も劣る結果となった。試験No.18では、Ti含有量が高すぎるため、粗大なTi−Al複合介在物が生じやすくなり、amaxが規定から外れ、限界内圧および超高サイクル領域における疲労特性のいずれもが劣化する結果となった。そして、試験No.19では、TiおよびNbの含有量がいずれも低く、試験No.20では、Nbを含まなかったため、いずれも旧γ粒径が大きくなり、限界内圧が劣る結果となった。
本発明によれば、1100MPa以上の引張強さを有すると共に、超高サイクル領域において高い疲労強度を有する燃料噴射管用鋼管を得ることが可能となる。したがって、本発明に係る燃料噴射管用鋼管は、特に自動車用の燃料噴射管として好適に用いることができる。
Claims (3)
- 燃料噴射管用の鋼管であって、
前記鋼管の化学組成が、質量%で、
C:0.17〜0.27%、
Si:0.05〜0.40%、
Mn:0.30〜2.00%、
P:0.020%以下、
S:0.0100%以下、
O:0.0040%以下、
Ca:0.0010%以下、
Al:0.005〜0.060%、
N:0.0020〜0.0080%、
Ti:0.005〜0.015%、
Nb:0.015〜0.045%、
Cr:0〜1.00%、
Mo:0〜1.00%、
Cu:0〜0.50%、
Ni:0〜0.50%、
V:0〜0.15%、
残部:Feおよび不純物であり、
前記鋼管の肉厚中央部における金属組織が、焼戻しマルテンサイト、または焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトを含み、かつ焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの合計面積率が95%以上であり、
焼戻しマルテンサイト、または焼戻しマルテンサイトおよび焼戻しベイナイトの旧オーステナイト粒度番号が9.0以上であり、
前記鋼管の肉厚中央部における硬さが、350〜460HV1であり、
前記鋼管の長手方向に垂直な断面から、面積が0.4mm2の任意の視野を20か所選択し、各視野において観察される介在物の面積の平方根の最大値をそれぞれan(n=1〜20)とした際に、anの最大値amaxが30.0μm以下であり、かつanの平均値aavがamaxの40%以上である、
燃料噴射管用鋼管。 - 前記鋼管の化学組成が、質量%で、
Cr:0.03〜1.00%、
Mo:0.03〜1.00%、
Cu:0.01〜0.50%、
Ni:0.01〜0.50%、および
V:0.02〜0.15%、
から選択される1種以上を含有する、
請求項1に記載の燃料噴射管用鋼管。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料噴射管用鋼管を用いた燃料噴射管。
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