一種高強度高壓油管用鋼、高壓油管及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種鋼種及其制造方法，尤其涉及一種油管用鋼及其制造方法。
【背景技術】
[0002] 隨著世界能源危機和環境污染的加重，為了節約能源、降低排放，新型發動機 必須使用高壓共軌系統。在共軌燃油系統中，由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管， 通過對公共供油管內的油壓實現精確控制，使高壓油管壓力大小與發動機的轉速無關， 可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發動機轉速的變化，使發動機在所有轉速范圍內都能 獲得非常高的燃油壓力，這種噴油系統的壓力比傳統柴油機的要高出3倍，最高能達到 200MPa (而傳統柴油機噴油壓力在60-70MPa)。
[0003] 在整個液壓系統中，不斷提高的噴射壓力對高壓油管在使用過程中的承壓能力提 出了更高的要求。高壓油管負責輸送高壓柴油，在承受極高工作壓力的同時，還受液壓油反 復沖擊的交變循環應力，極易產生疲勞失效；同時高壓油管屬于典型的承受內高壓的管材， 內孔油壓在燃油管截面上形成的應力沿管壁厚度分布并不均勻，管壁內表面上的周向（切 向）應力、徑向應力均處于峰值水平。因此，起源于燃油管內孔表面的縱向開裂是高壓油管 可能的主要失效形式。為此，開發更高強度等級的材料是提升高壓油管承壓能力的有效途 徑。
[0004] 目前，歐洲各國普遍引用的IS08535-1《柴油發動機-高壓燃油噴射管用鋼管第一 部分：冷拔無縫單壁鋼管要求》標準中規定了 3個強度等級的高壓油管材料，對應國內牌號 16Mn、16MnV等，其制成的高壓油管可適用于160MPa以下的工作壓力。
[0005] 另外，公開號為CN104141097A，公開日為2014年11月12日，名稱了"一種高 壓油管用熱軋圓鋼及其制造方法"的中國專利文獻公開了一種高壓油管，其化學成分質 量百分比（wt% )為：C:0. 10-0. 17%，Si:0. 25-0. 45%，Μη:1· 30-1. 60%，P 彡 0· 020%， S ^ 0. 010 %, Cr:0. 20-0. 40 %, V:0. 05-0. 10 %, A1:0. 025-0. 050 %, Cu: ^ 0. 20 %, Ni < 0. 20%，其余為鐵和殘余的微量雜質。該利文獻中公開的油管用鋼的強度低于本技術 方案。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種高強度高壓油管用鋼，其在滿足屈服強度600MPa以 上的同時還具有優良的低溫韌性。
[0007] 為了實現上述目的，本發明提出了一種高強度高壓油管用鋼，其化學元素質量百 分比含量為：
[0008] C ：0. 11-0. 17% ；
[0009] Si :0.1-0. 5%;
[0010] Mn :1.2-1. 7%;
[0011] Al ：0. 01-0. 05% ；
[0012] Nb ：0. 01-0. 06% ；
[0013] V ：0. 02-0. 09% ；
[0014] Ti ：0. 001-0. 03% ；
[0015] Ca ：0. 001-0. 01% ；
[0016] 余量為Fe和其他不可避免的雜質。
[0017] 本發明所述的高強度高壓油管用鋼中的各化學元素的設計原理為：
[0018] C是提高鋼的強度的主要元素之一，其通過碳化物的形成能夠有效地提高鋼的強 度，且添加成本低。在本技術方案中，當C含量低于0.1 lwt. %時，無縫鋼管不能達到600MPa 以上的強度，但是當C含量高于0. 17%時，無縫鋼管的低溫沖擊性能會受到影響。因此，在 本發明需要將C元素的含量控制為0. 11~0. 17%。
[0019] Si在煉鋼過程中是作為還原劑和脫氧劑的，其在鋼中不形成碳化物，且其在鋼中 的固溶度較大，能夠強化鋼中的鐵素體以提高鋼的強度。然而在本技術方案中，一旦硅含量 超過0. 5%則會大大降低鋼管的韌性，尤其是鋼管的低溫沖擊韌性。因此，需要將Si含量控 制為0. 10~0. 5%。
[0020] Mn主要通過固溶強化來提高鋼的強度。增加 Mn含量能夠使鋼的相變溫度降低，減 小相變臨界冷卻速度，Mn含量達到1. 2%以上時，能夠顯著增大鋼的淬透性；不過，若Mn含 量超過1. 7%時，鋼的沖擊韌性隨之下降得較為顯著。故而在本技術方案中需要將Mn含量 設定為1. 2~1. 7%。
[0021] Al在鋼中具有脫氧作用且其有助于提高鋼的韌性和加工性。在本技術方案中，當 Al含量達到0. 01 %以上時，其提高鋼的韌性和加工性的效果較為顯著，但是當Al含量超過 0. 05%時，煉鋼難度顯著增加。本發明基于此而將Al含量控制在0. 01~0. 05%之間。
[0022] Nb是強碳氮化物形成元素，熱軋時可以推遲奧氏體再結晶而達到細化晶粒的作 用，在再加熱過程中，其可以阻礙奧氏體晶粒長大。在本技術方案中，當Nb含量多0. 01% 時，上述有益的添加效果比較明顯，不過當Nb含量超過0. 06 %時，鋼的韌性反而會有所降 低。因此，本發明應該將Nb含量設定為0.01~0.06%。
[0023] V是強碳化物的形成元素，其與碳的結合能力很強，其形成的細小彌散的VC質點 能夠起到彌散強化的作用，使鋼的強度明顯增加。如果V的含量小于0. 02%，其彌散強化作 用并不明顯，但是如果V的含量大于0.09%，則會導致鋼的韌性下降。為此，本技術方案控 制鋼中的V的含量為0.02~0.09%。
[0024] Ti也是強碳氮化物形成元素，其形成的TiN、TiC在均熱和再加熱過程中均可以細 化奧氏體晶粒。然而，若Ti含量太高，則易形成粗大的TiN。因此本發明將Ti含量控制為 0· 001-0. 03% 〇
[0025] Ca可以凈化鋼液，使夾雜物變性以控制硫化物的分布形態，從而達到獲得細小球 形、彌散均布的硫化物的目的。為了實現此目的，本發明控制Ca含量為0. 001~0. 01 %。
[0026] 本技術方案中不可避免的雜質主要是S、P、0、N元素。這些雜質元素易形成夾雜 物，形成的夾雜物一方面對材料的強度和韌性不利，另一方面容易導致冷加工時產生缺陷 以致斷裂，因此必須嚴格限制。
[0027] 因此，優選地，盡量控制 P 彡 0· 015%，O 彡 0· 003%，S 彡 0· 005%，N 彡 0· 004%。
[0028] 本發明所述的高強度高壓油管用鋼不含有Mo、Ni或稀土金屬等成本較高的添加 元素，其通過對化學成分的優化設計，結合后續合理的制造工藝，使得本發明所述的高壓油 管的強度高、低溫韌性好，并且成本低廉。
[0029] 進一步地，本發明所述的高強度高壓油管用鋼的微觀組織為含有位錯胞的鐵素體 +回火索氏體。
[0030] 位錯胞即為位錯形成的胞狀亞結構，上述微觀組織使得本發明鋼在達到位錯強化 效果的同時還具有高強度以及良好低溫韌性。位錯即為晶體晶格排列的錯位。冷加工變形 會使得金屬晶體內的位錯快速增殖，當位錯密度很高時，位錯纏結而形成類似細胞狀的亞 晶結構，即位錯胞，該技術術語為本領域內技術人員知曉的，故在此不再詳細描述。
[0031] 更進一步地，本發明所述的高強度高壓油管用鋼的微觀組織還具有彌散分布的Nb 的析出物、V的析出物、Ti的析出物的至少其中之一。
[0032] 更進一步地，所述Ti的析出物包括Ti (C，N)(即鈦的碳氮化物）。
[0033] 更進一步地，所述V的析出物包括VC。
[0034] 更進一步地，所述Nb的析出物包括Nb (C，N)(即鈮的碳氮化物）。
[0035] 本發明所述的高強度高壓油管用鋼的屈服強度彡600MPa，-20°C低溫沖擊功 彡34J，延伸率> 16%。
[0036] 本發明的另一目的在于提供一種高強度高壓油管，其為無縫鋼管，其采用本文所 述的高強度高壓油管用鋼制得。
[0037] 進一步地，本發明所述的高強度高壓油管的外徑為8-10mm，其較之現有高壓油管 的管徑小。
[0038] 更進一步地，本發明所述的高強度高壓油管的壁厚為I. 5-3mm。
[0039] 本發明的又一目的在于提供一種上述高強度高壓油管的制造方法，其包括步驟：
[0040] (1)制造管坯；
[0041] (2)將管坯加熱后均熱；
[0042] (3)熱穿孔和張力減徑，然后自然冷卻；
[0043] (4)酸洗、磷化和皂化；
[0044] (5)采用冷拔或冷軋的方式進行冷加工；
[0045] (6)去應力退火。
[0046] 進一步地，在所述步驟（1)中，將管坯加熱到1200°C -1260°C，均熱30-90min。
[0047] 進一步地，在所述步驟（5)中，進行若干個道次的冷加工；其中最后一個道次的冷 加工延伸系數為1. 6-2. 1，以保證鋼管在最終的去應力退火步驟前獲得足夠的加工硬化效 果，除此以外的其他道次的冷加工的延伸系數