Стальная труба для топливопровода высокого давления и использующий ее топливопровод высокого давления
Владельцы патента RU 2650466:
НИППОН СТИЛ ЭНД СУМИТОМО МЕТАЛ КОРПОРЕЙШН (JP)
УСУЙ КОКУСАЙ САНГИО КАЙСЯ, ЛТД. (JP)
Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения высокой надежности стальная труба для топливопровода высокого давления имеет следующий химический состав, мас.%: С от 0,12 до 0,27, Si от 0,05 до 0,40, Mn от 0,3 до 2,0, Al от 0,005 до 0,060, N от 0,0020 до 0,0080, Ti от 0,005 до 0,015, Nb от 0,015 до 0,045, Cr от 0 до 1,0, Mo от 0 до 1,0, Cu от 0 до 0,5, Ni от 0 до 0,5, V от 0 до 0,15, B от 0 до 0,005, Fe и примеси остальное, причем содержание Ca, P, S и O в примесях составляет, мас.%: Ca 0,001 или меньше, P 0,02 или меньше, S 0,01 или меньше, О 0,0040 или меньше, а также имеет микроструктуру металла, состоящую из отпущенной мартенситной структуры или из смешанной структуры мартенсита отпуска и отпущенного бейнита, в которой номер размера предшествующего аустенитного зерна составляет 10,0 или больше, причем стальная труба имеет прочность при растяжении TS 800 МПа или более, а ее критическое внутреннее давление составляет [0,3 × TS × α] или больше, где α=[(D/d)2-1]/[0,776 × (D/d)2], D: наружный диаметр стальной трубы (мм) и d: внутренний диаметр стальной трубы (мм). 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001]
Настоящее изобретение относится к стальной трубе для топливопровода высокого давления, а также к использующему ее трубопроводу высокого давления. В частности, настоящее изобретение относится к стальной трубе для топливопровода высокого давления, имеющей прочность при растяжении 800 МПа или более, предпочтительно 900 МПа или более, и обладающей превосходным сопротивлением усталости под действием внутреннего давления, а также к использующему ее трубопроводу высокого давления.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002]
В качестве контрмер против исчерпания энергии в будущем импульс получило движение за экономию энергии, за повторно используемые ресурсы и за разработку технологий для достижения этих целей. В последние годы, в частности, существует высокий спрос на снижение выбросов CO2 при сжигании топлива с тем, чтобы предотвратить в результате международных усилий глобальное потепление.
[0003]
Двигатели внутреннего сгорания с низким выбросом CO2 включают в себя дизельные двигатели, используемые в автомобилях и подобном. Однако в то время, как они выбрасывают меньшее количество CO2, дизельные двигатели страдают проблемой образования черного дыма. Черный дым образуется из-за недостатка кислорода относительно впрыскиваемого топлива. В частности, часть топлива термически разлагается, что вызывает дегидрогенизацию с образованием прекурсора черного дыма, и этот прекурсор снова термически разлагается и агломерируется и объединяется, образуя черный дым. Черный дым, образующийся таким образом, вызывает загрязнение воздуха и вызывает беспокойство в плане его отрицательного воздействия на человеческий организм.
[0004]
Количество образующегося описанного выше черного дыма может быть уменьшено путем увеличения давления впрыска топлива в камеры сгорания дизельного двигателя. Однако для этой цели стальная труба, используемая для впрыска топлива, должна иметь высокий предел усталости. Для такой топливопровода высокого давления или стальной трубы для топливопровода высокого давления были раскрыты следующие методики.
[0005]
Патентный документ 1 раскрывает способ производства стальной трубы, используемой для впрыска топлива в дизельном двигателе, в которой внутренняя поверхность исходного материала бесшовной стальной трубы, подвергнутого горячей прокатке, шлифуется с помощью дробеструйной обработки, и исходный материал после этого подвергается холодному волочению. Патентный документ 1 описывает, что при использовании этого способа производства возможно сделать глубины дефектов на внутренней поверхности стальной трубы (например, шероховатостей, трещин, волосных трещин и т.п.) 0,10 мм или меньше, достигая высокой прочности стальной трубы, используемой для впрыска топлива.
[0006]
Патентный документ 2 раскрывает стальную трубу для топливопровода высокого давления, в которой максимальный диаметр неметаллических включений, существующих до глубины 20 мкм от внутренней поверхности стальной трубы, составляет 20 мкм или меньше, и стальная труба имеет прочность при растяжении 500 МПа или более.
[0007]
Патентный документ 3 раскрывает стальную трубу для топливопровода высокого давления, имеющую прочность при растяжении 900 Н/мм2 или выше, в которой максимальный диаметр неметаллических включений, существующих до глубины 20 мкм от внутренней поверхности стальной трубы, составляет 20 мкм или меньше.
[0008]
Изобретение, описанное в Патентном документе 3, достигает прочности при растяжении 900 МПа или выше за счет производства материала стальной трубы с использованием стальных материалов, из которых грубые включения типа А, типа B и типа C удаляются посредством уменьшения количества S (серы), использования нового способа литья, уменьшения количества Ca (кальция) и подобного, регулировки диаметра материала стальной трубы к намеченному диаметру с помощью холодной прокатки, и после этого выполнения закалки и отпуска. В примерах достигаются критические внутренние давления от 260 до 285 МПа.
СПИСОК ДОКУМЕНТОВ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
[0009]
Патентный документ 1: JP9-57329A
Патентный документ 2: WO 2007/119734
Патентный документ 3: WO 2009/008281
НЕПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ
[0010]
Непатентный документ 1: Y. Murakami, «Kinzoku Hirou - Bishou Kekkan to Kaizaibutsu no Eikyou (in Japanese)» («Metal Fatigue - The Effect of Minute Defects and Inclusions»), First Edition (1993), Yokendo, p. 18
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ
[0011]
Стальная труба, используемая для впрыска топлива, произведенная с помощью способа, раскрытого в Патентном документе 1, имеет высокую прочность, но не может предложить усталостную стойкость, соответствующую прочности ее материала стальной трубы. Само собой разумеется, что более высокая прочность стального материала трубы позволяет прикладывать более высокое давление к внутренней части стальной трубы. Однако в случае приложения давления к внутренней части стальной трубы, предельное внутреннее давление, при котором не происходит никакого разрушения на внутренней поверхности стальной трубе из-за усталости (в дальнейшем называемое критическим внутренним давлением) зависит не только от прочности материала стальной трубы. Другими словами, даже если прочность материала стальной трубы увеличивается, не может быть достигнуто критическое внутреннее давление более ожидаемого. Рассматривая надежность конечного продукта и подобного, чем более долгий срок службы обеспечивает усталостная стойкость, тем более это предпочтительно, но чем ниже критическое внутреннее давление, тем ниже становится усталостная стойкость, потому что в стальной трубе накапливается усталость при использовании в условиях высоких внутренних давлений.
[0012]
Стальные трубы для топливопровода высокого давления, раскрытые в Патентных документах 2 и 3, характеризуются длительным сроком службы благодаря высокой усталостной стойкости и высокой надежностью. Однако критическое внутреннее давление стальной трубы, раскрытой в Патентном документе 2, составляет 255 МПа или меньше, и от 260 до 285 МПа в Патентном документе 3. В частности, в автомобильной промышленности последние тенденции требуют еще более высоких внутренних давлений, и имеется желание разработки трубопроводов высокого давления, имеющих прочность при растяжении 800 МПа или более, а также критическое внутреннее давление больше чем 270 МПа, и особенно желательна разработка трубопроводов высокого давления, имеющих прочность при растяжении 900 МПа или более, а также критическое внутреннее давление больше чем 300 МПа. Следует отметить, что в большинстве случаев критическое внутреннее давление имеет тенденцию слегка увеличиваться в зависимости от прочности при растяжении топливопровода высокого давления, но считается, что оно зависит от различных факторов, и вовсе необязательно, что высокое критическое внутреннее давление будет устойчиво гарантировано для топливопровода высокого давления с высокой прочностью, равной 800 МПа или выше.
[0013]
Задачей настоящего изобретения является предложить стальную трубу для топливопровода высокого давления, обладающую высокой надежностью, имеющую прочность при растяжении (TS) 800 МПа или более, предпочтительно 900 МПа или более, и такие свойства высокого критического внутреннего давления, чтобы ее критическое внутреннее давление составляло 0,3 × TS × α или больше, а также трубопроводу высокого давления, включающему в себя эту стальную трубу. Следует отметить, что α, как будет описано позже, представляет собой коэффициент для коррекции изменений в соотношении между внутренним давлением и напряжением, возникающим на внутренней поверхности трубы в соответствии с соотношением внутреннего диаметра трубы, и имеет значение от 0,97 до 1,02, то есть приблизительно 1, когда значение D/d, представляющее собой отношение наружного диаметра D к внутреннему диаметру d трубы, находится в диапазоне от 2 до 2,2.
СРЕДСТВА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ
[0014]
Авторы настоящего изобретения прототипировали стальные трубы для топливопровода высокого давления, используя высокопрочные стальные трубы при различных условиях термической обработки, и исследовали критические внутренние давления и режимы разрушения стальных труб, выявив в результате следующие закономерности.
[0015]
(a) Когда на образце выполняется тест на сопротивление усталости от внутреннего давления, усталостная трещина, появляется и распространяется от внутренней поверхности образца, имеющего высокое напряжение, в качестве исходной точки, и разрушение происходит, как только усталостная трещина достигает наружной поверхности образца. В это время включения в исходной части в некоторых случаях присутствуют, и отсутствуют в других случаях.
[0016]
(b) Когда включения в исходной части отсутствуют, наблюдается режим плоского поверхностного разрушения, называемой поверхностью излома с фасетками скола. Эта поверхность формируется путем распространения трещины, инициируемой на одном зерне, на несколько зерен вокруг в режиме деформации под действием боковых сдвигов, называемом Режимом II. Когда эта поверхность фасеточного разрушения вырастает до ее критического уровня, режим ее распространения изменяется на режим разрушения раскрытием, называемый Режимом I, что приводит к разрушению. Рост поверхности фазеточного разрушения зависит от диаметра предшествующего аустенитного зерна (в дальнейшем называемого диаметром предшествующего γ-зерна), который является размерной единицей развития первоначальной трещины, и этот рост ускоряется, когда диаметр предшествующего γ-зерна становится большим, а именно когда номер размера зерна предшествующих γ-зерен является малым. Это означает, что большой диаметр предшествующего γ-зерна приводит к уменьшению предела усталости матричной структуры, даже когда включения не служат в качестве исходной точки разрушения.
[0017]
(c) В частности, при увеличении номера размера зерна предшествующих γ-зерен до 10,0 или больше никакого разрушения не произошло во время теста на сопротивление усталости от внутреннего давления, в котором прикладывалось внутреннее давление до 300 МПа, даже когда количество повторений достигло 107. В отличие от этого, для стальной трубы, которая была подвергнута недостаточному измельчению зерна и имела номер размера зерна меньше чем 10,0, была обнаружена ситуация, в которой критическое внутреннее давление уменьшалось, даже когда включения не служили в качестве исходной точки, потому что предел усталости микроструктуры металла уменьшался.
[0018]
(d) Для того, чтобы устойчиво получить в промышленном производстве тонкозернистую микроструктуру металла, включающую предшествующие γ-зерна с номером размером зерна 10,0 или больше, важно установить содержание Ti и Nb в стали не меньше определенных количеств.
(e) Для того, чтобы устойчиво подавить включения на основе сульфида (Группы А в японском промышленном стандарте JIS G 0555) в промышленном масштабе, подходящим является использование Al (алюминия) в качестве раскислителя и контролирование растворимого Al в стали в пределах соответствующего диапазона.
[0020]
(f) Хотя подавление включений может быть достигнуто относительно стабильно, когда содержание Ti превышает 0,15 мас.%, посредством наблюдения поверхности излома стальной трубы, подвергнутой тесту на сопротивление усталости от внутреннего давления, наблюдались композитные включения, включающие в себя множество включений на основе Al2O3, имеющих диаметры 20 мкм или меньше, которые соединяются тонкими пленочными слоями, содержащими титан в качестве главного компонента (в дальнейшем называемые включениями композита Ti-Al). В результате этого наблюдения стало понятно, что установка содержания Ti на определенном уровне или меньше позволяет подавлять формирование включений композита Ti-Al так, чтобы уменьшить усталость от внутреннего давления.
[0021]
Следует отметить, что описанные выше проблемы из-за включений в титансодержащей стали были прояснены в результате следующих справочных экспериментов.
[0022]
<Справочный эксперимент 1>
Сначала, в качестве предварительного теста, проводилось испытание на сопротивление усталости от внутреннего давления с использованием стали, имеющей относительно низкую прочность. Три вида исходных материалов A, B, и C, имеющих химические составы, показанные в Таблице 1, были изготовлены с использованием конвертера и непрерывной разливки. При непрерывной разливке скорость литья была установлена равной 0,5 м/мин, а площадь поперечного сечения отливки была установлена равной 200000 мм2 или больше. Полученный сляб был подвергнут обжиму на блюминговом стане в заготовку для создания трубы, и сама труба была произведена путем подвергания заготовки прошивной прокатке и удлинительной прокатке в процессе изготовления трубы на оправке Маннесмана, а также прокатке для калибровки диаметра на редукционно-растяжном стане. Затем отжиг и холодное волочение были повторены несколько раз для того, чтобы подвергнуть трубу радиальному сжатию до предопределенного конечного размера, и после этого была выполнена нормализующая обработка. В это время нормализующая обработка выполнялась в условиях воздушного охлаждения после выдержки при температуре 980°C в течение 60 мин. Затем труба была нарезана на части предопределенной длины, их концы были обработаны, и из них были изготовлены образцы продукта инжекционной трубы введения для теста на сопротивление усталости от внутреннего давления. Прочность при растяжении стали A была равна 718 МПа, стали B - 685 МПа, и стали C - 723 МПа.
[0023]
[Таблица 1]
| Сталь | Химический состав (в мас.%, остаток: железо и примеси) | ||||||||||||||||
| C | Si | Mn | Al | N | Ti | Nb | Cr | Mo | Cu | Ni | V | Ca | P | S | O | ||
| A | 0,15 | 0,22 | 0,51 | 0,015 | 0,0030 | 0,008 |
0,022 | 0,76 | 0,30 | - | - | - | 0,0001 | 0,011 | 0,0012 | 0,0012 | |
| B | 0,20 | 0,31 | 1,42 | 0,037 | 0,0032 | 0,010 |
0,031 | 0,06 | 0,18 | 0,02 | 0,02 | 0,06 | 0,0001 | 0,014 | 0,0030 | 0,0010 | |
| C | 0,21 | 0,33 | 1,43 | 0,017 | 0,0044 | 0,020 | * | 0,035 | 0,05 | 0,18 | 0,02 | 0,03 | 0,06 | 0,0001 | 0,014 | 0,0040 | 0,0012 |
* означает, что условия не удовлетворяют определению настоящего изобретения.
[0024]
Размеры образцов были следующими: наружный диаметр 6,35 мм, внутренний диаметр 3,00 мм, и длина 200 мм. Для каждого образца в тесте на сопротивление усталости от внутреннего давления использовались 30 образцов. Условия теста на сопротивление усталости были такими, что один конец образца запечатывался, внутренняя часть образца заполнялась с другого конца гидравлической текучей средой в качестве носителя давления, и внутреннее давление заполненной части многократно колебалось внутри диапазона от максимума 300 МПа до минимума 18 МПа. Частота колебаний внутреннего давления была установлена равной 8 Гц.
[0025]
В результате теста на сопротивление усталости от внутреннего давления с максимальным внутренним давлением 300 МПа во всех образцах возникла трещина и распространилась на внутренней поверхности прежде, чем количество повторений достигло 2×106 циклов, и разрушение произошло в результате достижения трещиной наружной поверхности и протечки.
[0026]
Для всех разрушившихся образцов поверхность разрушения, вызвавшего утечку, была вскрыта, и исходная часть той части, в которой произошла утечка, наблюдалась с использованием сканирующего электронного микроскопа, и при этом идентифицировалось присутствие/отсутствие включений, а также измерялись размеры включений. Размеры включений вычислялись в единицах квадратного корня из площади (√площадь) путем измерения посредством обработки изображения площади включений и максимальной ширины c внутренней поверхности в направлении глубины (в радиальном направлении трубы). Следует отметить, что в качестве значения (√площадь) использовалось меньшее численное значение из квадратного корня из площади и (√l0)-c. Это определение основано на концепции, описанной в Непатентном документе 1.
[0027]
Полученные результаты показаны в Таблице 2. В примере, использующем сталь C, имеющую высокое содержание титана, в 14 из этих 30 образцов включения непосредственно под внутренней поверхностью служили в качестве исходной точки, и большинство их размеров было 60 мкм или меньше в единицах √площадь, за исключением одного образца, в котором размер составил 111 мкм в единицах √площадь. Эти включения были включениями композита Ti-Al. С другой стороны, в примерах, использующих стали A и B, имеющие низкое содержание титана, во всех образцах не было никаких включений в исходной точке трещины, и во всех случаях исходной точкой служила матричная структура на внутренней поверхности. В этой связи самый короткий срок службы до разрушения составил 3,78×105 циклов для образца из стали C, в котором были обнаружены максимальные включения, в то время как у других 29 образцов срок службы до разрушения составил от 4,7 до 8,0×105 циклов. С другой стороны, не было никаких значительных различий в сроке службы до разрушения между сталями A и B, который составил от 6,8 до 17,7×105 циклов, и таким образом влияние композитных включений Ti-Al на усталость от внутреннего давления является очевидной. Таким образом, можно считать, что увеличение содержания титана вызывает осаждение грубых включений композита Ti-Al, что приводит к уменьшению усталости от внутреннего давления.
[0028]
[Таблица 2]
| Размер включений √площадь (мкм) | Количество образцов | ||
| A | B | C* | |
| Отсутствуют | 30 | 30 | 16 |
| Менее 10 | 0 | 0 | 0 |
| 10 или больше, но меньше чем 20 | 0 | 0 | 0 |
| 20 или больше, но меньше чем 30 | 0 | 0 | 4 |
| 30 или больше, но меньше чем 40 | 0 | 0 | 6 |
| 40 или больше, но меньше чем 50 | 0 | 0 | 2 |
| 50 или больше, но меньше чем 60 | 0 | 0 | 1 |
| 60 или больше, но меньше чем 70 | 0 | 0 | 0 |
| 70 или больше, но меньше чем 80 | 0 | 0 | 0 |
| 80 или больше, но меньше чем 90 | 0 | 0 | 0 |
| 90 или больше, но меньше чем 100 | 0 | 0 | 0 |
| 100 или больше, но меньше чем 110 | 0 | 0 | 0 |
| 110 или больше, но меньше чем 120 | 0 | 0 | 1 |
| 120 или больше | 0 | 0 | 0 |
* означает, что условия не удовлетворяют определению настоящего изобретения.
[0029]
<Справочный эксперимент 2>
Далее тест на сопротивление усталости с максимальным внутренним давлением 340 МПа проводился с использованием стали, имеющей прочность при растяжении 900 МПа или выше. Три образца исходных материалов B и C, имеющих химический состав, показанный в вышеприведенной Таблице 1, были изготовлены с использованием конвертера и непрерывной разливки. При непрерывной разливке скорость литья была установлена равной 0,5 м/мин, а площадь поперечного сечения отливки была установлена равной 200000 мм2 или больше. Заготовка для создания трубы была произведена из описанного выше стального исходного материала, подвергнута прошивной прокатке и удлинительной прокатке в процессе изготовления трубы на оправке Маннесмана, а также горячей прокатке для калибровки диаметра на редукционно-растяжном стане с тем, чтобы она имела наружный диаметр 34 мм и толщину стенки 4,5 мм. Для вытягивания этой горячей трубы сначала была выполнена предохранительная оковка на ее переднем конце, и был нанесен смазочный материал. После этого вытяжка была выполнена с использованием обжима и прошивки, смягчающий отжиг был выполнен по мере необходимости, и диаметр трубы постепенно уменьшался для того, чтобы получить стальную трубу, имеющую наружный диаметр 6,35 мм и внутренний диаметр 3,0 мм. Затем эта стальная труба была подвергнута закалке с помощью высокочастотного нагрева до температуры 1000°C и охлаждения водой, после чего она была подвергнута отпуску путем выдержки при температуре 640°C в течение 10 мин и охлаждения, и процессы удаления окалины и чистовой обработки были выполнены на внешних и внутренних поверхностях стальной трубы.
[0030]
После этого каждый образец был нарезан на части длиной 200 мм, их концы были обработаны, и они были подвергнуты тесту на сопротивление усталости от внутреннего давления в качестве образцов инжекционной трубы для теста на сопротивление усталости от внутреннего давления. Тест на сопротивление усталости от внутреннего давления является тестом, выполняемым путем заполнения внутренней части образца с одного его конца гидравлическим маслом в качестве носителя давления при запечатанном другом конце, и многократных колебаний внутреннего давления заполненной части в диапазоне от максимума в 340 МПа до минимума в 18 МПа таким образом, чтобы внутреннее давление изменялось по синусоидальному закону с течением времени. Частота колебаний внутреннего давления была установлена равной 8 Гц. Результаты показаны в Таблице 3.
[0031]
[Таблица 3]
| Сталь | Образец | Количество повторений | Результат |
| B | B-1 | 5,0×106 | Трещины отсутствуют |
| B-2 | 5,0×106 | Трещины отсутствуют | |
| B-3 | 5,0×106 | Трещины отсутствуют | |
| C* | C-1 | 3,63×105 | Усталостные трещины от внутренней поверхности трубы |
| C-2 | 5,0×106 | Трещины отсутствуют | |
| C-3 | 5,0×106 | Трещины отсутствуют |
* означает, что условия не удовлетворяют определению настоящего изобретения.
[0032]
Как показано в Таблице 3, в примере, использующем сталь B, имеющую низкое содержание Ti, во всех трех образцах не произошло никакого разрушения (утечки), даже когда количество повторений достигло 5,0×106 циклов. В противоположность этому, в примере, использующем сталь C, имеющую высокое содержание Ti, в одном из трех образцов усталостное разрушение произошло от внутренней поверхности трубы, когда количество повторений достигло 3,63×105 циклов. В результате наблюдения части возникновения усталостного разрушения в образце с использованием сканирующего электронного микроскопа были обнаружены включения композита Ti-Al, размер которых составил 33 мкм в единицах √площадь. Также из описанных выше результатов эксперимента становится понятно, что существуют тенденции к выделению грубых включений композита Ti-Al и соответственно к усталостному разрушению при использовании образца, имеющего высокое содержание титана.
[0033]
Настоящее изобретение сделано на основе описанных выше находок, и включает в себя следующую стальную трубу для топливопровода высокого давления, а также использующий ее трубопровод высокого давления.
[0034]
(1) Стальная труба для топливопровода высокого давления, имеющая следующий химический состав, мас.%:
C: от 0,12 до 0,27
Si: от 0,05 до 0,40
Mn: от 0,3 до 2,0
Al: от 0,005 до 0,060
N: от 0,0020 до 0,0080
Ti: от 0,005 до 0,015
Nb: от 0,015 до 0,045
Cr: от 0 до 1,0
Mo: от 0 до 1,0
Cu: от 0 до 0,5
Ni: от 0 до 0,5
V: от 0 до 0,15
B: от 0 до 0,005
с остатком, состоящим из Fe и примесей, причем содержание Ca, P, S и O в примесях составляет:
Ca: 0,001 мас.% или меньше,
P: 0,02 мас.% или меньше,
S: 0,01 мас.% или меньше, и
O: 0,0040 мас.% или меньше,
а также имеющая микроструктуру металла, состоящую из структуры мартенсита отпуска, или из смешанной структуры мартенсита отпуска и отпущенного бейнита, в которой номер размера предшествующего аустенитного зерна составляет 10,0 или больше, причем
стальная труба имеет прочность при растяжении 800 МПа или выше, предпочтительно 900 МПа или выше, а также критическое внутреннее давление, удовлетворяющее следующему соотношению (i):
IP ≥ 0,3 × TS × α... (i)
α=[(D/d)2-1]/[0,776 × (D/d)2]... (ii)
где в вышеприведенном соотношении (i) IP обозначает критическое внутреннее давление (МПа), TS обозначает прочность при растяжении (МПа), а α представляет собой значение, соответствующее вышеприведенном соотношении (ii), и где в вышеприведенном соотношение (ii) D обозначает наружный диаметр (мм) стальной трубы для топливопровода высокого давления, а d обозначает внутренний диаметр (мм) стальной трубы для топливопровода высокого давления.
[0035]
(2) Стальная труба для топливопровода высокого давления в соответствии с вышеприведенным пунктом (1), в которой химический состав содержит также один или более элементов, выбираемых из, мас.%:
Cr: от 0,2 до 1,0
Mo: от 0,03 до 1,0
Cu: от 0,03 до 0,5
Ni: от 0,03 до 0,5
V: от 0,02 до 0,15
B: от 0,0003 до 0,005.
[0036]
(3) Стальная труба для топливопровода высокого давления в соответствии с вышеприведенным пунктом (1) или (2),
в которой
наружный диаметр и внутренний диаметр стальной трубы удовлетворяют следующему соотношению (iii):
D/d ≥ 1,5 (iii)
где D обозначает наружный диаметр (мм) стальной трубы для топливопровода высокого давления, а d обозначает внутренний диаметр (мм) стальной трубы для топливопровода высокого давления.
[0037]
(4) Трубопровод высокого давления, использующий в качестве исходного материала стальную трубу для топливопровода высокого давления в соответствии с любым из вышеприведенных пунктов (1) - (3).
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0038]
В соответствии с настоящим изобретением возможно получить стальную трубу для топливопровода высокого давления, которая имеет прочность при растяжении 800 МПа или выше, предпочтительно 900 МПа или выше, и которая обладает превосходным сопротивлением усталости от внутреннего давления. Следовательно, стальная труба для топливопровода высокого давления в соответствии с настоящим изобретением может применяться в качестве топливопровода высокого давления для автомобилей.
ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0039]
Далее будет подробно описано каждое из требований настоящего изобретения.
[0040]
1. Химический состав
Причины для ограничения содержания элементов описываются ниже. В следующем объяснении символ «%» для содержания каждого элемента означает «мас.%».
[0041]
C: от 0,12 мас.% до 0,27 мас.%
C (углерод) представляет собой элемент, который является эффективным для увеличения прочности стали с небольшими затратами. Для того, чтобы гарантировать желаемую прочность при растяжении, необходимо установить содержание C равным 0,12 мас.% или больше. Однако содержание C более 0,27 мас.% приводит к ухудшению обрабатываемости. Следовательно, содержание C устанавливается равным от 0,12 мас.% до 0,27 мас.%. Содержание C предпочтительно составляет 0,13 мас.% или больше, более предпочтительно 0,14 мас.% или больше. В дополнение к этому, содержание C предпочтительно составляет 0,25 мас.% или меньше, более предпочтительно 0,23 мас.% или меньше.
[0042]
Si: от 0,05 мас.% до 0,40 мас.%
Si (кремний) является элементом, который имеет не только функцию раскисления, но также и функцию увеличения прокаливаемости стали для улучшения прочности стали. Для того, чтобы гарантировать эти эффекты, необходимо установить содержание Si равным 0,05 мас.% или больше. Однако содержание Si более 0,40 мас.% приводит к уменьшению ударной вязкости. Следовательно, содержание Si устанавливается равным от 0,05 мас.% до 0,40 мас.%. Содержание Si предпочтительно составляет 0,15 мас.% или больше, и предпочтительно 0,35 мас.% или меньше.
[0043]
Mn: от 0,3 мас.% до 2,0 мас.%
Mn (марганец) является элементом, который не только имеет функцию раскисления, но также является эффективным для увеличения прокаливаемости стали для того, чтобы улучшить прочность и ударную вязкость стали. Однако содержание Mn менее 0,3 мас.% не может обеспечить достаточную прочность, а с другой стороны содержание Mn более 2,0 мас.% заставляет MnS укрупняться, и иногда удлиняться и расширяться при горячей прокатке, что приводит к уменьшению ударной вязкости. По этой причине содержание Mn устанавливается равным от 0,3 мас.% до 2,0 мас.%. Содержание Mn предпочтительно составляет 0,4 мас.% или больше, более предпочтительно 0,5 мас.% или больше. В дополнение к этому, содержание Mn предпочтительно составляет 1,7 мас.% или меньше, более предпочтительно 1,5 мас.% или меньше.
[0044]
Al: от 0,005 мас.% до 0,060 мас.%
Al (алюминий) является элементом, который эффективен при раскислении стали и имеет функцию увеличения ударной вязкости и обрабатываемости стали. Для того, чтобы получить эти эффекты, необходимо установить содержание Al равным 0,005 мас.% или больше. С другой стороны, когда содержание Al становится больше, чем 0,060 мас.%, легко образуются включения, и в частности в случае стали, содержащей Ti, увеличивается риск образования включений композита Ti-Al. Следовательно, содержание Al устанавливается равным от 0,005 мас.% до 0,060 мас.%. Содержание Al предпочтительно составляет 0,008 мас.% или больше, более предпочтительно 0,010 мас.% или больше. В дополнение к этому, содержание Al предпочтительно составляет 0,050 мас.% или меньше, более предпочтительно 0,040 мас.% или меньше. В настоящем изобретении содержание Al означает содержание растворимого в кислоте Al (растворимого Al).
[0045]
N: от 0,0020 мас.% до 0,0080 мас.%
N (азот) является элементом, который неизбежно содержится в стали в качестве примеси. Однако в настоящем изобретении необходимо сделать содержание азота равным 0,0020 мас.% или больше с целью препятствования укрупнению зерен за счет скрепляющего эффекта TiN. С другой стороны, содержание N более чем 0,0080 мас.% увеличивает риск образования больших композитных включений Ti-Al. Следовательно, содержание N устанавливается равным от 0,0020 мас.% до 0,0080 мас.%. Содержание N предпочтительно составляет 0,0025 мас.% или больше, более предпочтительно 0,0027 мас.% или больше. В дополнение к этому, содержание N предпочтительно составляет 0,0065 мас.% или меньше, более предпочтительно 0,0050 мас.% или меньше.
[0046]
Ti: от 0,005 мас.% до 0,015 мас.%
Ti (титан) является существенным элементом в настоящем изобретении, потому что Ti способствует предотвращению укрупнения зерен за счет осаждения мелкодисперсных включений в форме TiN и т.п. Для того, чтобы получить этот эффект, необходимо установить содержание Ti равным 0,005 мас.% или больше. С другой стороны, когда содержание Ti становится больше чем 0,015 мас.%, эффект измельчения зерен имеет тенденцию к насыщению, и в некоторых случаях могут образовываться большие композитные включения Ti-Al. Большие композитные включения Ti-Al могут привести к уменьшению срока службы до разрушения при таких условиях, когда внутреннее давление является очень высоким, и подавление образования больших композитных включений Ti-Al рассматривается как важное, особенно для топливопровода высокого давления , имеющей прочность при растяжении 900 МПа или выше, а также такие высококритичные свойства внутреннего давления, что ее критическое внутреннее давление составляет 0,3 × TS × α или больше. Следовательно, содержание Ti устанавливается равным от 0,005 мас.% до 0,015 мас.%. Содержание Ti предпочтительно составляет 0,006 мас.% или больше, более предпочтительно 0,007 мас.% или больше. В дополнение к этому, содержание Ti предпочтительно составляет 0,013 мас.% или меньше, более предпочтительно 0,012 мас.% или меньше.
[0047]
Nb: от 0,015 мас.% до 0,045 мас.%
Nb (ниобий) представляет собой элемент, который является существенным в настоящем изобретении для получения желаемой мелкозернистой микроструктуры, потому что Nb мелко диспергируется в стали в виде карбида или карбонитрида и имеет эффект устойчивого закрепления границ кристаллических зерен. В дополнение к этому, тонкая дисперсия карбида Nb или карбонитрида Nb улучшает прочность и ударную вязкость стали. Для достижения вышеописанной цели необходимо, чтобы содержание Nb составляло 0,015 мас.% или больше. С другой стороны, содержание Nb больше чем 0,045 мас.% заставляет карбид и карбонитрид укрупняться, что приводит к уменьшению ударной вязкости. Следовательно, содержание Nb устанавливается равным от 0,015 мас.% до 0,045 мас.%. Содержание Nb предпочтительно составляет 0,018 мас.% или больше, более предпочтительно 0,020 мас.% или больше. В дополнение к этому, содержание Nb предпочтительно составляет 0,040 мас.% или меньше, более предпочтительно 0,035 мас.% или меньше.
[0048]
Cr: от 0 мас.% до 1,0 мас.%
Cr (хром) является элементом, который имеет эффект улучшения прокаливаемости и сопротивления износу, и поэтому Cr может содержаться по мере необходимости. Однако содержание Cr устанавливается равным 1,0 мас.% или меньше, если он вообще содержится, потому что содержание Cr более 1,0 мас.% уменьшает ударную вязкость и обрабатываемость при холодной прокатке. Содержание Cr предпочтительно составляет 0,8 мас.% или меньше. Для того, чтобы получить вышеупомянутый эффект, содержание Cr предпочтительно устанавливается равным 0,2 мас.% или больше, более предпочтительно 0,3 мас.% или больше.
[0049]
Mo: от 0 мас.% до 1,0 мас.%
Mo (молибден) является элементом, который способствует обеспечению высокой прочности, потому что Mo улучшает прокаливаемость и увеличивает устойчивость к размягчению при отпуске. По этой причине Mo может содержаться по мере необходимости. Однако если содержание Mo составляет больше чем 1,0 мас.%, эффект Mo насыщается, что приводит к увеличению стоимости сплава. Следовательно, содержание Mo устанавливается равным 1,0 мас.% или меньше, если он вообще содержится. Содержание молибдена предпочтительно составляет 0,45 мас.% или меньше. Для того, чтобы получить вышеупомянутый эффект, содержание молибдена предпочтительно устанавливается равным 0,03 мас.% или больше, более предпочтительно 0,08 мас.% или больше.
[0050]
Cu: от 0 мас.% до 0,5 мас.%;
Cu (медь) является элементом, который имеет эффект увеличения прокаливаемости стали для того, чтобы улучшить прочность и ударную вязкость стали. По этой причине Cu может содержаться по мере необходимости. Однако если содержание Cu составляет больше чем 0,5 мас.%, эффект Cu насыщается, что приводит в результате к повышению стоимости сплава. Следовательно, содержание Cu устанавливается равным 0,5 мас.% или меньше, если она вообще содержится. Содержание Cu предпочтительно устанавливается равным 0,40 мас.% или меньше, более предпочтительно 0,35 мас.% или меньше. Для того, чтобы получить вышеупомянутый эффект, содержание меди предпочтительно устанавливается равным 0,03 мас.% или больше, более предпочтительно 0,05 мас.% или больше.
[0051]
Ni: от 0 мас.% до 0,5 мас.%
Ni (никель) является элементом, который имеет эффект увеличения прокаливаемости для того, чтобы улучшить прочность и ударную вязкость стали. По этой причине Ni может содержаться по мере необходимости. Однако если содержание Ni составляет больше чем 0,5 мас.%, эффект Ni насыщается, что приводит в результате к повышению стоимости сплава. Следовательно, содержание Ni устанавливается равным 0,5 мас.% или меньше, если он вообще содержится. Содержание Ni предпочтительно устанавливается равным 0,40 мас.% или меньше, более предпочтительно 0,35 мас.% или меньше. Для того, чтобы получить вышеупомянутый эффект, содержание никеля предпочтительно устанавливается равным 0,03 мас.% или больше, более предпочтительно 0,08 мас.% или больше.
[0052]
V: от 0 мас.% до 0,15 мас.%
V (ванадий) представляет собой элемент, который осаждается как тонкий карбид (VC) при отпуске, увеличивая устойчивость к размягчению при отпуске, позволяя выполнять высокотемпературный отпуск, что в свою очередь способствует увеличению прочности и ударной вязкости стали. По этой причине V может содержаться по мере необходимости. Однако содержание V устанавливается равным 0,15 мас.% или меньше, если он вообще содержится, потому что содержание V более 0,15 мас.% приводит к уменьшению ударной вязкости. Содержание V предпочтительно устанавливается равным 0,12 мас.% или меньше, более предпочтительно 0,10 мас.% или меньше. Для того, чтобы получить вышеупомянутый эффект, содержание ванадия предпочтительно устанавливается равным 0,02 мас.% или больше, более предпочтительно 0,04 мас.% или больше.
[0053]
B: от 0 мас.% до 0,005 мас.%
B (бор) представляет собой элемент, который имеет функцию увеличения прокаливаемости. По этой причине бор может содержаться по мере необходимости. Однако содержание бора более 0,005 мас.% приводит к уменьшению ударной вязкости. Следовательно, содержание бора устанавливается равным 0,005 мас.% или меньше, если он вообще содержится. Содержание бора предпочтительно устанавливается равным 0,002 мас.% или меньше. Функция улучшения прокаливаемости благодаря содержанию бора может быть получена при его содержании на уровне примеси, но для того, чтобы получить более заметный эффект, содержание бора предпочтительно устанавливается равным 0,0003 мас.% или больше. Следует отметить, что для того, чтобы эффективно использовать эффект бора, азот в стали предпочтительно должен быть связан титаном.
[0054]
Стальная труба для топливопровода высокого давления в соответствии с настоящим изобретением имеет химический состав, состоящий из вышеупомянутых элементов от C до B, и остаток из Fe и примесей.
[0055]
Термин «примеси» в настоящем документе означает компоненты, которые примешиваются к стали при промышленном производстве стали благодаря различным факторам, включая сырье, такое как руда и лом, а также производственный процесс, и могут содержаться в стали в допустимых диапазонах концентраций, в которых они не оказывают никакого отрицательного воздействия на настоящее изобретение.
[0056]
Далее будет описано содержание в примесях Ca, P, С и O.
[0057]
Ca: 0,001 мас.% или меньше
Ca (кальций) выполняет функцию агломерирования включений на основе силикатов (Группа C в японском промышленном стандарте JIS G 0555), и содержание Ca более 0,001 мас.% приводит к уменьшению критического внутреннего давления, потому что образуются грубые включения типа C. Следовательно, содержание Ca устанавливается равным 0,001 мас.% или меньше. Содержание Ca предпочтительно устанавливается равным 0,0007 мас.% или меньше, более предпочтительно 0,0003 мас.% или меньше. Следует отметить, что если в оборудовании, имеющем отношение к производству и улучшению стали, вообще не проводится никакой кальциевой обработки в течение длительного периода времени, загрязнение оборудования кальцием может быть устранено, и таким образом возможно сделать содержание Ca в стали по существу равным 0 мас.%.
[0058]
P: 0,02 мас.% или меньше
Фосфор является элементом, который неизбежно содержится в стали в качестве примеси. Содержание P больше чем 0,02 мас.% не только приводит к уменьшению обрабатываемости в горячем состоянии, но также вызывает зернограничную сегрегацию, тем самым значительно уменьшая ударную вязкость. Следовательно, необходимо устанавливать содержание P равным 0,02 мас.% или меньше. Чем ниже содержание P, тем лучше, и содержание P предпочтительно устанавливается равным 0,015 мас.% или меньше, более предпочтительно 0,012 мас.% или меньше. Однако нижний предел содержания P предпочтительно устанавливается равным 0,005 мас.%, потому что чрезмерное уменьшение содержания P приводит к увеличению производственных затрат.
[0059]
S: 0,01 мас.% или меньше
S (сера) является элементом, который, как и P, неизбежно присутствует в стали как примесь. Содержание серы более 0,01 мас.% заставляет серу сегрегироваться на границах зерна и вызывает образование включений на основе сульфида, что приводит к уменьшению предела усталости. Следовательно, необходимо устанавливать содержание серы равным 0,01 мас.% или меньше. Чем ниже содержание серы, тем лучше, и содержание серы предпочтительно устанавливается равным 0,005 мас.% или меньше, более предпочтительно 0,0035 мас.% или меньше. Однако нижний предел содержания серы предпочтительно устанавливается равным 0,0005 мас.%, потому что чрезмерное уменьшение содержания серы приводит к увеличению производственных затрат.
[0060]
O: 0,0040 мас.% или меньше
Кислород образует грубые оксиды, которые могут вызвать уменьшение критического внутреннего давления. С этой точки зрения необходимо устанавливать содержание O равным 0,0040 мас.% или меньше. Чем ниже содержание O, тем лучше, и содержание O предпочтительно устанавливается равным 0,0035 мас.% или меньше, более предпочтительно 0,0025 мас.% или меньше, еще более предпочтительно 0,0015 мас.% или меньше. Однако нижний предел содержания кислорода предпочтительно устанавливается равным 0,0005 мас.%, потому что чрезмерное уменьшение содержания кислорода приводит к увеличению производственных затрат.
[0061]
2. Микроструктура металла
Микроструктура металла стальной трубы для топливопровода высокого давления в соответствии с настоящим изобретением состоит из отпущенной мартенситной структуры или смешанной структуры мартенсита отпуска и отпущенного бейнита. Присутствие микроструктуры феррит-перлит в микроструктуре металла вызывает разрушение в ферритной фазе, имеющей низкую твердость, служащую локально исходной точкой, даже когда разрушение в исходной точке включений устранено, и таким образом ожидаемое критическое внутреннее давление, основанное на макроскопических твердости и прочности при растяжении, не может быть получено. В дополнение к этому, для микроструктуры металла, не содержащей мартенсита отпуска или микроструктуры феррит-перлит, трудно гарантировать прочность при растяжении 800 МПа или выше, в особенности прочность при растяжении 900 МПа или выше.
[0062]
В дополнение к этому, как было описано выше, для того, чтобы улучшить предел усталости стальной трубы, необходимо задать номер размера предшествующего аустенитного зерна 10,0 или больше. Причина этого заключается в том, что в стальной трубе, которая была подвергнута недостаточному измельчению зерна, чтобы иметь номер размера зерна меньше чем 10,0, предел усталости микроструктуры металла уменьшается, и таким образом уменьшается критическое внутреннее давление стали, даже когда включения не служат в качестве исходной точки. Следует отметить, что описанные здесь номера размера зерна определяются по стандарту ASTM E112.
[0063]
3. Механические свойства
Стальная труба для топливопровода высокого давления в соответствии с настоящим изобретением имеет прочность при растяжении 800 МПа или выше, а ее критическое внутреннее давление удовлетворяет следующему соотношению (i):
IP ≥ 0,3 × TS × α... (i)
α=[(D/d)2-1]/[0,776 × (D/d)2]... (ii)
где в вышеприведенном соотношении (i) IP обозначает критическое внутреннее давление (МПа), TS обозначает прочность при растяжении (МПа), и α обозначает значение, выражаемое вышеприведенным соотношением (ii). В дополнение к этому, D в вышеупомянутому соотношении (ii) обозначает наружный диаметр (мм) стальной трубы для топливопровода высокого давления , а d обозначает внутренний диаметр (мм) стальной трубы для топливопровода высокого давления, α представляет собой коэффициент для коррекции изменений в соотношении между внутренним давлением и напряжением, возникающим на внутренней поверхности трубы в соответствии с соотношением внутреннего диаметра трубы.
[0064]
Причина задания прочности при растяжении на уровне 800 МПа или более заключается в том, что прочность при растяжении меньше чем 800 МПа не может гарантировать устойчивость к разрыву при однократном приложении избыточного давления. В дополнение к этому, критическое внутреннее давление, удовлетворяющее вышеупомянутому соотношению (i), позволяет гарантировать безопасность от усталостного разрушения. Термин «критическое внутреннее давление» в настоящем изобретении означает максимальное внутреннее давление (МПа), при котором не происходит никакого разрушения (утечки) после 107 циклов периодически повторяющихся колебаний внутреннего давления, которое синусоидально изменяется во времени в тесте на сопротивление усталости от внутреннего давления с минимальным внутренним давлением, составляющим 18 МПа. Прочность при растяжении предпочтительно устанавливается равной 900 МПа или выше.
[0065]
4. Размер
Размеры стальной трубы для топливопровода высокого давления в соответствии с настоящим изобретением специально не ограничиваются. Однако топливопровод высокого давления обычно должен иметь определенный объем для того, чтобы уменьшить колебания внутреннего давления при использовании. По этой причине желательно, чтобы стальная труба для топливопровода высокого давления в соответствии с настоящим изобретением имела внутренний диаметр 2,5 мм или больше, более желательно 3 мм или больше. В дополнение к этому, топливопровод высокого давления должен выдерживать высокое внутреннее давление, и желательно, чтобы толщина стенки стальной трубы составляла 1,5 мм или больше, более желательно 2 мм или больше. С другой стороны, чрезмерно большой наружный диаметр стальной трубы делает ее сгибание и т.п. затруднительным. По этой причине желательно, чтобы наружный диаметр стальной трубы составлял 20 мм или меньше, более желательно 10 мм или меньше.
[0066]
Кроме того, для того, чтобы выдерживать высокое внутреннее давление, желательно делать толщину стенки больше для большего внутреннего диаметра стальной трубы. При постоянном внутреннем диаметре стальной трубы наружный диаметр стальной трубы делается больше при увеличении толщины стенки. Другими словами, для того, чтобы выдерживать высокое внутреннее давление, желательно делать наружный диаметр стальной трубы увеличивающимся с увеличением внутреннего диаметра этой стальной трубы. Для того, чтобы получить достаточное критическое внутреннее давление для стальной трубы для топливопровода высокого давления желательно, чтобы наружный диаметр и внутренний диаметр стальной трубы удовлетворяли следующему соотношению (iii):
D/d ≥ 1,5 (iii)
где в вышеприведенном соотношении (iii) D обозначает наружный диаметр (мм) стальной трубы для топливопровода высокого давления, а d обозначает внутренний диаметр (мм) стальной трубы для топливопровода высокого давления.
[0067]
Более желательно, чтобы величина D/d, которая является отношением наружного диаметра к внутреннему диаметру вышеупомянутой стальной трубы, составляла 2,0 или больше. С другой стороны, верхний предел величины D/d специально не предусматривается, но желательно, чтобы он составлял 3,0 или меньше, более желательно 2,8 или меньше, потому что чрезмерно большое значение D/d делает сгибание трубы затруднительным.
[0068]
5. Способ производства
Нет никаких специальных ограничений на способы для производства стальной трубы для топливопровода высокого давления в соответствии с настоящим изобретением, и, например, в случае использования бесшовной стальной трубы для производства можно произвести стальную трубу путем подготовки слитка металла, в котором образование включений заранее подавляется с помощью следующего способа, производства трубы из этого слитка металла с помощью такой методики, как процесс Маннесмана для создания трубы, придания желаемого размера и желаемой формы этой трубе с помощью холодной прокатки, и выполнения после этого термической обработки.
[0069]
Для того, чтобы подавить образование включений, предпочтительно отрегулировать химический состав, как описано выше, а также увеличить площадь поперечного сечения сляба при отливке. Смысл этого заключается в том, что после литья большие включения всплывают вплоть до кристаллизации. Желательно, чтобы площадь поперечного сечения отливки при литье составляла 200000 мм2 или больше. Кроме того, возможно напрямую уменьшить количество неметаллических включений в стали путем уменьшения скорости литья для того, чтобы заставить легкие неметаллические включения всплывать в виде шлака. Например, непрерывная разливка может выполняться со скоростью литья 0,5 м/мин.
[0070]
На основе вышеописанного способа вредные грубые включения удаляются, но включения композита Ti-Al могут сформироваться в зависимости от содержания титана в стали. Предполагается, что включения композита Ti-Al формируются в ходе отверждения. В настоящем изобретении возможно предотвратить формирование грубых включений композита за счет подходящего управления содержанием титана.
[0071]
Из отливки, полученной таким образом, готовится заготовка для создания трубы, например с помощью такого способа, как обжатие на блюминговом стане. Затем, например, эта заготовка подвергается прошивной прокатке и растягивающей прокатке в процессе изготовления трубы на оправке Маннесмана, а также горячей прокатке для калибровки диаметра до предопределенной величины на редукционно-растяжном стане и т.п. После этого холодное волочение повторяется несколько раз для придания предопределенного размера окончательной обработки в холодном состоянии. Холодное волочение может быть легко выполнено путем выполнения отжига для снятия напряжений до или во время холодного волочения. В дополнение к этому, возможно использовать другие процессы изготовления трубы, такие как процесс изготовления трубы на автоматическом стане для прокатки труб на оправке.
[0072]
После выполнения финального холодного волочения таким образом, чтобы получить намеченные механические свойства топливопровода высокого давления, выполняются термобработки закалки и отпуска, которые могут гарантировать прочность при растяжении 800 МПа или выше, предпочтительно 900 МПа или выше.
[0073]
При закалке предпочтительно выполнять нагревание по меньшей мере до температуры точки превращения Ac3 или больше, и быстрое охлаждение. Причина для этого заключается в том, что температура нагрева, меньшая чем температура точки превращения Ac3, приводит к неполной аустенизации и к недостаточному образованию мартенсита после закалки, что может препятствовать получению желаемой прочности при растяжении. С другой стороны, предпочтительно устанавливать температуру нагрева равной 1050°C или меньше. Причина этого заключается в том, что температура нагрева больше чем 1050°C легко огрубляет γ-зерна. Более предпочтительно температура нагрева устанавливается равной температуре точки превращения Ac3+30°C или больше.
[0074]
Способ нагрева при закалке специально не ограничивается, но нагревание при высокой температуре и в течение долгого времени, если оно только не выполняется в защитной атмосфере, вызывает образование большого количества окалины на поверхности стальной трубы, что приводит к уменьшению размерной точности и к ухудшению текстуры поверхности. Следовательно, предпочтительно делать продолжительность выдержки короткой, приблизительно от 10 до 20 мин в случае нагрева в печи с шагающим подом и т.п. С точки зрения подавления образования окалины предпочтительно использовать в качестве нагревающей атмосферы атмосферу, имеющую низкий кислородный потенциал, или восстановительную атмосферу, которая является неокисляющей.
[0075]
Предпочтительно использовать в качестве способа нагрева способ высокочастотного индукционного нагрева или способ непосредственного нагрева сопротивлением, потому что тем самым достигается нагревание с выдержкой в течение короткого промежутка времени, позволяющее свести образование окалины на поверхности стальной трубы к минимуму. В дополнение к этому, такой способ нагрева обеспечивает преимущество, потому что он облегчает измельчение зерна предшествующих γ-зерен за счет увеличения скорости нагревания. Скорость нагревания предпочтительно устанавливается равной 25°C/с или больше, более предпочтительно 50°C/с или больше, и еще более предпочтительно 100°C/с или больше.
[0076]
Что касается охлаждения при закалке, для того, чтобы устойчиво и надежно получить желаемую прочность при растяжении 800 МПа или выше, предпочтительно 900 МПа или выше, скорость охлаждения в диапазоне температур от 500°C до 800°C предпочтительно устанавливается равной 50°C/с или больше, более предпочтительно 100°C/с или больше, и еще более предпочтительно 125°C/с или больше. В качестве способа охлаждения предпочтительно используется быстрое охлаждение, такое как закалка водой.
[0077]
Стальная труба, подвергнутая быстрому охлаждению до нормальной температуры, сама по себе является твердой и хрупкой, и таким образом предпочтительно подвергать ее отпуску при температуре точки превращения Ac1 или меньше. Температура отпуска большая, чем температура точки превращения Ac1, вызывает обратное превращение, которое затрудняет устойчивое и надежное получение желаемых характеристик. С другой стороны, температура отпуска менее 450°C делает отпуск недостаточным, что может привести к недостаточной ударной вязкости и к ухудшению обрабатываемости. Предпочтительная температура отпуска составляет от 600°C до 650°C. Время выдержки при температуре отпуска специально не ограничивается, и обычно составляет приблизительно от 10 до 120 мин. После выполнения отпуска изгибы могут быть выпрямлены с помощью правильного станка по мере необходимости.
[0078]
В дополнение к этому, для того, чтобы получить еще более высокое критическое внутреннее давление, после описанных выше закалки и отпуска может быть выполнен автофреттинг. Автофреттинг представляет собой обработку для создания сжимающего остаточного напряжения путем приложения избыточного внутреннего давления так, чтобы подвергнуть область вблизи от внутренней поверхности частичной пластической деформации. Эта обработка подавляет распространение усталостной трещины, в результате чего может быть получено еще более высокое критическое внутреннее давление. Рекомендуется задавать давление при автофреттинге так, чтобы оно было ниже, чем давление разрыва, и выше, чем описанное выше значение нижнего предела критического внутреннего давления, равное 0,3 × TS × α. Следует отметить, в частности, что когда обеспечивается прочность при растяжении 900 МПа или выше, соответственно может быть получено высокое давление разрыва, и давление при автофреттинге также может быть увеличено, что оказывает большое влияние на улучшение критического внутреннего давления посредством обработки автофреттинга.
[0079]
Стальная труба для топливопровода высокого давления в соответствии с настоящим изобретением может быть превращена в трубопровод высокого давления путем, например, формирования соединительных головок на обоих ее концах.
[0080]
Далее настоящее изобретение объясняется более конкретно со ссылками на примеры; однако настоящее изобретение не ограничивается этими примерами.
ПРИМЕР
[0081]
С использованием конвертера и непрерывной разливки было изготовлено 13 видов исходных стальных материалов, имеющих химические составы, показанные в Таблице 4. Для сталей № 1-8 использовались стали, удовлетворяющие определению химического состава стали в соответствии с настоящим изобретением. С другой стороны, для сталей № 9-13 в целях сравнения использовались стали, имеющие количество Ti и/или Nb вне диапазона, определенного в настоящем изобретении. При непрерывной разливке каждой стали скорость литья была установлена равной 0,5 м/мин, а площадь поперечного сечения отливки была установлена равной 200000 мм2 или больше.
[0082]
[Таблица 4]
| Сталь № | Химический состав (в мас.%, остаток: железо и примеси) | ||||||||||||||||||
| C | Si | Mn | Al | N | Ti | Nb | Cr | Mo | Cu | Ni | V | B | Ca | P | S | O | |||
| 1 | 0,15 | 0,22 | 0,51 | 0,015 | 0,0030 | 0,008 |
0,022 |
0,76 | 0,30 | - | - | - | - | 0,0001 | 0,011 | 0,0012 | 0,0012 | ||
| 2 | 0,23 | 0,23 | 1,55 | 0,025 | 0,0028 | 0,013 |
0,034 |
- | - | - | - | - | - | 0,0002 | 0,009 | 0,0015 | 0,0014 | ||
| 3 | 0,21 | 0,28 | 1,39 | 0,022 | 0,0038 | 0,012 |
0,029 |
- | 0,24 | - | - | 0,07 | - | 0,0002 | 0,010 | 0,0025 | 0,0011 | ||
| 4 | 0,20 | 0,31 | 1,42 | 0,023 | 0,0032 | 0,010 |
0,031 |
0,06 | 0,18 | - | - | 0,06 | - | - | 0,014 | 0,0030 | 0,0010 | ||
| 5 | 0,20 | 0,31 | 1,42 | 0,023 | 0,0032 | 0,010 |
0,031 |
0,06 | 0,18 | - | - | 0,06 | - | - | 0,014 | 0,0030 | 0,0012 | ||
| 6 | 0,18 | 0,23 | 1,33 | 0,024 | 0,0033 | 0,013 |
0,025 |
0,25 | - | - | - | - | - | - | 0,011 | 0,0015 | 0,0013 | ||
| 7 | 0,20 | 0,29 | 1,40 | 0,020 | 0,0046 | 0,011 |
0,030 |
- | - | 0,28 | 0,33 | - | - | 0,0002 | 0,012 | 0,0030 | 0,0015 | ||
| 8 | 0,22 | 0,21 | 1,45 | 0,022 | 0,0034 | 0,010 |
0,031 |
- | - | - | - | - | 0,0014 | 0,0001 | 0,011 | 0,0018 | 0,0012 | ||
| 9 | 0,21 | 0,33 | 1,43 | 0,017 | 0,0044 | 0,020 | * | 0,035 |
0,05 | 0,18 | - | - | 0,06 | - | 0,0001 | 0,014 | 0,0040 | 0,0012 | |
| 10 | 0,17 | 0,31 | 1,38 | 0,025 | 0,0041 | - | * | - | * | - | - | - | - | - | - | 0,0001 | 0,014 | 0,0050 | 0,0012 |
| 11 | 0,21 | 0,26 | 1,40 | 0,025 | 0,0030 | 0,003 | * | 0,013 | * | 0,11 | 0,12 | - | - | 0,05 | - | - | 0,013 | 0,0012 | 0,0017 |
| 12 | 0,18 | 0,30 | 1,40 | 0,026 | 0,0045 | 0,007 |
- | * | 0,08 | 0,02 | - | - | 0,08 | - | 0,0001 | 0,013 | 0,0060 | 0,0010 | |
| 13 | 0,19 | 0,32 | 1,36 | 0,024 | 0,0040 | 0,018 | * | 0,033 |
0,05 | 0,19 | - | - | 0,06 | - | 0,0001 | 0,016 | 0,0060 | 0,0012 |
* означает, что условия не удовлетворяют определению настоящего изобретения.
[0083]
Заготовка для создания трубы была произведена из описанного выше стального исходного материала, подвергнута прошивной прокатке и растягивающей прокатке в процессе изготовления трубы на оправке Маннесмана, а также горячей прокатке для калибровки диаметра на редукционно-растяжном стане с тем, чтобы она имела наружный диаметр 34 мм и толщину стенки 4,5 мм. Для вытягивания этой горячей трубы сначала была выполнена предохранительная оковка на ее переднем конце, и был нанесен смазочный материал. После этого было выполнено вытягивание с использованием обжимки и прошивки, смягчающий отжиг был выполнен по мере необходимости, и диаметр трубы постепенно уменьшался для того, чтобы получить стальную трубу, имеющую предопределенные размеры. При этом в тестах № 10, 12 и 13 стальные трубы обрабатывались начисто так, чтобы они имели наружный диаметр 8,0 мм и внутренний диаметр 4,0 мм, а в других тестах стальные трубы обрабатывались начисто так, чтобы они имели наружный диаметр 6,35 мм и внутренний диаметр 3,0 мм. После этого закалка и отпуск выполнялись при условиях, показанных в Таблице 5, и процессы удаления окалины и чистовой обработки выполнялись на внешних и внутренних поверхностях этих стальных труб. При этом закалка в тестах № 1-4, 6-9, 11 и 12 в Таблице 5 выполнялась при условиях высокочастотного нагрева до температуры 1000°C со скоростью увеличения температуры 100°C/с и быстрого охлаждения (для времени выдержки 5 с или меньше), а в тестах № 5, 10 и 13 - путем выдержки при температуре 1000°C в течение 10 мин и охлаждения водой. Отпуск выполнялся путем выдержки при температуре от 550°C до 640°C в течение 10 мин и последующего остывания. Конкретные температуры отпуска также показаны в Таблице 5.
[0084]
[Таблица 5]
| Тест № | Сталь № | Закалка | Отпуск | Номер размера предшествующего γ-зерна | Прочность при растяжении (МПа) | Критическое внутреннее давление (МПа) | 0,3TSα (МПа) |
Характерные признаки разрушения | |||||
| Температура (°C) | Способ нагрева† | Темпера-тура (°C) | Время (мин) | ||||||||||
| 1 |
1 |
1000 | (IH)→WQ | 640 | 10 | 10,7 |
972 | >300 | 292 | Трещины отсутствуют | Пример в соответствии с настоящим изобретением | ||
| 2 |
2 |
1000 | (IH)→WQ | 600 | 10 | 11,0 |
960 | >300 | 288 | Трещины отсутствуют | |||
| 3 |
3 |
1000 | (IH)→WQ | 640 | 10 | 11,4 |
968 | >300 | 291 | Трещины отсутствуют | |||
| 4 |
4 |
1000 | (IH)→WQ | 640 | 10 | 11,2 |
975 | >300 | 293 | Трещины отсутствуют | |||
| 5 |
5 |
1000 | (Печь)→WQ | 550 | 10 | 9,6 | * | 955 | 272 | 287 | Усталостные трещины от внутренней поверхности трубы | Сравни-тельный пример | |
| 6 |
6 |
1000 | (IH)→WQ | 640 | 10 | 11,2 |
966 | >300 | 290 | Трещины отсутствуют | Пример в соответствии с настоящим изобретением | ||
| 7 |
7 |
1000 | (IH)→WQ | 600 | 10 | 11,0 |
983 | >300 | 295 | Трещины отсутствуют | |||
| 8 |
8 |
1000 | (IH)→WQ | 600 | 10 | 10,9 |
963 | >300 | 289 | Трещины отсутствуют | |||
| 9 |
9 |
* | 1000 | (IH)→WQ | 640 | 10 | 11,5 |
978 | >300 | 294 | Трещины отсутствуют | Справочный пример | |
| 10 |
10 |
* | 1000 | (Печь)→WQ | 550 | 10 | 8,5 | * | 945 | 265 | 274 | Усталостные трещины от внутренней поверхности трубы | Сравни-тельный пример |
| 11 |
11 |
* | 1000 | (IH)→WQ | 600 | 10 | 9,7 | * | 955 | 270 | 287 | Усталостные трещины от внутренней поверхности трубы | |
| 12 |
12 |
* | 1000 | (IH)→WQ | 625 | 10 | 9,7 | * | 923 | 240 | 268 | Усталостные трещины от внутренней поверхности трубы | |
| 13 |
13 |
* | 1000 | (Печь)→WQ | 550 | 10 | 9,4 | * | 994 | 265 | 288 | Усталостные трещины от внутренней поверхности трубы |
* означает, что условия не удовлетворяют определению настоящего изобретения.
† «(IH)→WQ» означает быстрое охлаждение после высокочастотного нагрева, а «(Печь)→WQ» означает быстрое охлаждение после 10 мин выдержки в печи.
[0085]
На полученных стальных трубах проводилось испытание на растяжение с использованием тестового образца № 11, определенного в японском промышленном стандарте JIS Z 2241 (2011), для определения прочности при растяжении. В дополнение к этому, образец для наблюдения микроструктуры металла был взят из каждой стальной трубы, и его поперечное сечение, перпендикулярное к направлению оси трубы, было подвергнуто механическому полированию. После полирования с использованием наждачной бумаги и полировального круга, с использованием травильного реагента Ниталь было подтверждено, что образец имеет мартенсит отпуска или смешанную структуру, сформированную из мартенсита отпуска и отпущенного бейнита. Затем, после повторного полирования, с использованием травильного реагента пикраль были проявлены кристаллические границы предшествующих γ-зерен на наблюдаемой поверхности. После этого номер размера предшествующего аустенитного кристаллического зерна на наблюдаемой поверхности был определен в соответствии со стандартом ASTM E112.
[0086]
В тесте на сопротивление усталости от внутреннего давления каждая стальная труба была обрезана так, чтобы она имела длину 200 мм, и подвергнута обработке ее концов для того, чтобы превратить ее в образец инжекционной трубы для теста на сопротивление усталости от внутреннего давления. Тест на сопротивление усталости от внутреннего давления является тестом, выполняемым путем заполнения внутренней части образца с одного его конца гидравлическим маслом в качестве носителя давления при запечатанном другом конце, и многократных колебаний внутреннего давления заполненной части в диапазоне от максимального внутреннего давления до минимума в 18 МПа таким образом, чтобы внутреннее давление изменялось по синусоидальному закону с течением времени. Частота колебаний внутреннего давления была установлена равной 8 Гц. Критическое внутреннее давление оценивалось как максимальное внутреннее давление, при котором еще не происходит никакого разрушения (утечки), даже когда количество повторений достигает 107 циклов в результате теста на сопротивление усталости от внутреннего давления.
[0087]
Результаты оценки номера размера предшествующих γ-зерен, прочности при растяжении, критического внутреннего давления, а также вычисления значений 0,3 × TS × α также показаны в Таблице 5. В Таблице 5 тесты № 1-4 и 6-8 представляют собой примерные варианты осуществления настоящего изобретения, которые удовлетворяют определению настоящего изобретения. В противоположность этому, тест № 5 является сравнительным примером, в котором химический состав стали удовлетворяет определению настоящего изобретения, но номер размера предшествующего аустенитного зерна стали не соответствует диапазону, определенному в настоящем изобретении. В дополнение к этому, тесты № 9-13 представляют собой справочные примеры или сравнительные примеры, в которых химические составы сталей не соответствуют диапазону, определенному в настоящем изобретении.
[0088]
Из Таблицы 5 видно, что в тестах № 5 и 10-13, являющихся сравнительными примерами, в которых номер размера предшествующего аустенитного зерна был меньше чем 10,0, усталостное разрушение возникло от внутренней поверхности трубы, и таким образом критические внутренние давления были ниже, чем 0,3 × TS × α. Это означает, что малые номера размеров предшествующего аустенитного зерна, а именно грубые зерна, вызывают уменьшение предела усталости матричной структуры, который уменьшает критическое внутреннее давление, даже когда включения не служат в качестве исходной точки. В противоположность этому, во всех тестах № 1-4 и 6-8, являющихся примерными вариантами осуществления настоящего изобретения, и в тесте № 9, являющемся справочным примером, никакого разрушения не произошло даже после 107 циклов при максимальном давлении 300 МПа, и таким образом максимальные давления составили 300 МПа или выше. Соответственно эти максимальные давления находились на уровнях более высоких, чем 0,3 × TS × α.
[0089]
Что касается теста № 9, являющегося справочным примером, поскольку он имеет состав, подобный составу стали C в Таблице 1, в нем существуют грубые включения, как показано в Таблице 2 в Справочном эксперименте 1, хотя вероятность их образования является низкой. По этой причине, хотя никакого разрушения не произошло в описанном выше тесте на сопротивление усталости от внутреннего давления, если тест на сопротивление усталости от внутреннего давления будет проводиться на большом количестве образцов при еще более высоких давлениях, образцы для испытания могут быть разрушены за более короткое время, чем в примерных вариантах осуществления настоящего изобретения. Это очевидно из результатов упомянутого выше Справочного эксперимента 2.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0090]
В соответствии с настоящим изобретением возможно получить стальную трубу для топливопровода высокого давления, которая имеет прочность при растяжении 800 МПа или выше, предпочтительно 900 МПа или выше, и которая обладает превосходным сопротивлением усталости от внутреннего давления. Следовательно, стальная труба для топливопровода высокого давления в соответствии с настоящим изобретением может применяться в качестве топливопровода высокого давления для автомобилей.
1. Стальная труба для топливопровода высокого давления, содержащая следующий химический состав, мас.%:
C: от 0,12 до 0,27
Si: от 0,05 до 0,40
Mn: от 0,3 до 2,0
Al: от 0,005 до 0,060
N: от 0,0020 до 0,0080
Ti: от 0,005 до 0,015
Nb: от 0,015 до 0,045
Cr: от 0 до 1,0
Mo: от 0 до 1,0
Cu: от 0 до 0,5
Ni: от 0 до 0,5
V: от 0 до 0,15
B: от 0 до 0,005
Fe и примеси - остальное, причем примеси содержат:
Ca: 0,001 или меньше
P: 0,02 или меньше
S: 0,01 или меньше
О: 0,0040 или меньше
и имеющая микроструктуру, состоящую из структуры мартенсита отпуска или из смешанной структуры мартенсита отпуска и отпущенного бейнита, в которой номер размера предшествующего аустенитного зерна составляет 10,0 или больше, причем
стальная труба имеет прочность при растяжении 800 МПа или более и критическое внутреннее давление, удовлетворяющее следующему соотношению (i):
IP ≥ 0,3 × TS × α... (i),
α=[(D/d)2-1]/[0,776 × (D/d)2]... (ii), где
IP - критическое внутреннее давление (МПа),
TS - прочность при растяжении (МПа),
α - коэффициент для коррекции изменений в соотношении между внутренним давлением и напряжением, возникающим на внутренней поверхности трубы,
D - наружный диаметр (мм) стальной трубы,
d - внутренний диаметр (мм) стальной трубы.
2. Стальная труба по п. 1, которая дополнительно содержит один или более элементов, выбираемых из, мас.%:
Cr: от 0,2 до 1,0
Mo: от 0,03 до 1,0
Cu: от 0,03 до 0,5
Ni: от 0,03 до 0,5
V: от 0,02 до 0,15
B: от 0,0003 до 0,005.
3. Стальная труба по п. 1 или 2, в которой
наружный диаметр D (мм) и внутренний диаметр d (мм) стальной трубы удовлетворяют следующему соотношению (iii):
D/d ≥ 1,5 (iii).
4. Применение трубы для трубопровода высокого давления по любому из пп. 1-3 в качестве исходного материала для топливопровода высокого давления.
