燃料噴射管用鋼管和使用其的燃料噴射管的制作方法
【專利摘要】一種燃料噴射管用鋼管，其化學組成以質量％計為C:0.12～0.27％、Si:0.05～0.40％、Mn:0.3～2.0％、Al:0.005～0.060％、N:0.0020～0.0080％、Ti:0.005～0.015％、Nb:0.015～0.045％、Cr:0～1.0％、Mo:0～1.0％、Cu:0～0.5％、Ni:0～0.5％、V:0～0.15％、B：0～0.005％，余量為Fe和雜質，雜質中的Ca、P、S和O為Ca:0.001％以下、P:0.02％以下、S:0.01％以下、O:0.0040％以下，金相組織由回火馬氏體組織構成、或由回火馬氏體和回火貝氏體的混合組織構成，原奧氏體粒度編號為10.0以上，所述燃料噴射管用鋼管具有800MPa以上的拉伸強度TS，且臨界內壓為[0.3×TS×α](其中，α＝[(D/d)2?1]/[0.776×(D/d)2]、D:鋼管外徑(mm)、d:鋼管內徑(mm))以上。
【專利說明】
燃料噴射管用鋼管和使用其的燃料噴射管
技術領域
[0001 ]本發明涉及燃料噴射管用鋼管和使用其的燃料噴射管，特別是涉及具有800MPa以 上、優選900MPa以上的拉伸強度、耐內壓疲勞特性優異的燃料噴射管用鋼管和使用其的燃 料噴射管。
【背景技術】
[0002] 作為對將來能源枯竭的對策，促進節約能源的運動、資源的再利用運動和達成這 些目的的技術的開發盛行。特別是，近年來，作為世界性課題，為了防止地球的溫暖化，強烈 要求降低伴隨著燃料的燃燒的C0 2的排出量。
[0003] 作為C〇2的排出量少的內燃機，可以舉出汽車等中使用的柴油機。然而，柴油機雖 然C02的排出量少，但存在產生黑煙的問題。黑煙在相對于噴射的燃料而言氧氣不足的情況 下產生。即，燃料被部分熱分解從而引起脫氫反應，生成黑煙的前體物質，該前體物質再次 熱分解，進行聚集和合并，從而變為黑煙。擔心如此產生的黑煙引起大氣污染，對人體造成 不良影響。
[0004] 對于上述黑煙，通過提高向柴油機的燃燒室噴射燃料的噴射壓，可以降低其產生 量。然而，為此，燃料噴射中使用的鋼管要求高疲勞強度。對于這樣的燃料噴射管或燃料噴 射管用鋼，公開了下述技術。
[0005] 專利文獻1中公開了如下的柴油機的燃料噴射所用鋼管的制造方法:通過采用噴 丸處理對經過熱乳的無縫鋼管原材料的內表面進行研削?研磨，然后進行冷拔加工。如果 采用該制造方法，則可以使鋼管內表面的缺陷（凹凸、痂、微細裂紋等）的深度為0.10mm以 下，因此可以實現燃料噴射所用鋼管的高強度化。
[0006] 專利文獻2中公開了 ：至少于鋼管的自內表面起至深度20wii存在的非金屬夾雜物 的最大直徑為20mi以下、拉伸強度為500MPa以上的燃料噴射管用鋼管。
[0007] 專利文獻3中公開了 ：拉伸強度為900N/mm2以上、至少于鋼管的自內表面起至深度 20mi存在的非金屬夾雜物的最大直徑為20mi以下的燃料噴射管用鋼管。
[0008] 專利文獻3的發明中，使用通過S的降低、對澆注方法下工夫、Ca的降低等排除了A 系、B系、C系的粗大夾雜物的鋼材，制造鋼管坯，通過冷加工調整為目標直徑，然后淬火、回 火，從而實現了 900MPa以上的拉伸強度，實施例中實現了 260~285MPa的臨界內壓。
[0009] 現有技術文獻
[0010] 專利文獻
[0011] 專利文獻1:日本特開平9-57329號公報
[0012] 專利文獻2:國際公開2007/119734號
[0013] 專利文獻3:國際公開2009/008281號 [0014]非專利文獻
[0015]非專利文獻1:村上敬宜著、"金屬疲労一微小欠陥i介在物⑥影響"、第1版（1993 年）、養賢堂、p.18
【發明內容】
[0016] 發明要解決的問題
[0017] 利用專利文獻1公開的方法制造的燃料噴射所用鋼管雖然具有高強度，但是無法 得到與該鋼管材料的強度相應的疲勞壽命。如果鋼管材料的強度變高，則自然可以提高對 鋼管的內側施加的壓力。然而，對鋼管的內側施加壓力時，成為在鋼管內表面不產生由疲勞 所導致的破壞的界限的內壓（以下，稱為"臨界內壓"）不僅僅依賴于鋼管材料的強度。即，即 使提高鋼管材料的強度也無法得到期待值以上的臨界內壓。考慮到最終制品的可靠性等 時，疲勞壽命越長越優選，但若前述臨界內壓低，則由于基于高內壓的使用而使鋼管容易疲 勞，因此疲勞壽命也變短。
[0018] 專利文獻2和3公開的燃料噴射管用鋼管具有如下優點:疲勞壽命長，且可靠性高。 然而，專利文獻2公開的鋼管的臨界內壓為255MPa以下，專利文獻3中也為260~285MPa。最 近的趨勢中，特別是在汽車業界，要求進一步的高內壓化，期望開發出拉伸強度為SOOMPa以 上、且臨界內壓超過270MPa的燃料噴射管，特別期望開發出拉伸強度為900MPa以上、且臨界 內壓超過300MPa的燃料噴射管。需要說明的是，臨界內壓存在通常依賴于燃料噴射管的拉 伸強度而稍增加的傾向，但綜合考慮各種的因素，特別是對于SOOMPa以上的高強度燃料噴 射管，穩定地確保高的臨界內壓未必容易。
[0019] 本發明的目的在于，提供:具有800MPa以上、優選900MPa以上的拉伸強度(TS)、且 臨界內壓為0.3XTSXCI以上的高臨界內壓特性的可靠性高的燃料噴射管用鋼管和使用其 的燃料噴射管。其中，a如后述那樣為基于管內徑比而校正內壓與管內表面產生的應力的關 系發生變化的系數，管的外徑D相對于內徑d之比D/d為2~2.2的范圍時，a為0.97~1.02,即 大致為1。
[0020] 用于解決問題的方案
[0021] 本發明人等根據各種熱處理條件嘗試制作了使用高強度鋼管的燃料噴射管用鋼 管，考察了該臨界內壓和破損形態，結果獲得以下發現。
[0022] (a)使用試樣進行內壓疲勞試驗時，以變為高應力的內表面為起點，疲勞裂紋產生 和加劇，在到達外表面的同時導致破壞。此時，有在起點部中存在夾雜物的情況和不存在夾 雜物的情況。
[0023] (b)起點部中不存在夾雜物的情況下，在其中確認到被稱為小平面狀斷口的平坦 的斷口形態。其是在晶粒單元中產生的裂紋遍及其周圍的多個晶粒成分，以被稱為模式II 的剪切型加劇從而形成的。該小平面狀斷口生長直至臨界值時，加劇形態變化為被稱為模 式I的開口型，導致破損。小平面狀斷口的生長依賴于初期的裂紋發生的尺寸單位即原奧氏 體粒徑（以下，記作"原y粒徑"），原y粒徑大、即原y粒的粒度編號小時，被促進。這表明， 夾雜物即使不變為起點，原Y粒徑粗大時，基底組織的疲勞強度也降低。
[0024] (c)具體而言，通過將原Y粒的粒度編號設為10.0以上，在能夠附加直至300MPa的 內壓的內壓疲勞試驗中，重復數即使為1〇7次也不會產生破損。另一方面，對于粒度編號小 于10.0的細粒化不充分的鋼管，組織的疲勞強度降低，因此，即使夾雜物不變為起點，也確 認到臨界內壓降低的情況。
[0025] (d)為了在工業生產中穩定地得到原y粒的粒度編號變為10.0以上的細粒組織， 將鋼中的Ti和Nb的含量設為一定量以上是重要的。
[0026] (e)為了在工業上穩定地抑制硫化物系夾雜物(JIS G 0555的A組），作為脫氧劑使 用A1，將鋼中的sol. A1控制在適量范圍是適當的。
[0027] (f)夾雜物的抑制能夠較穩定地進行，但是Ti含量超過0.15%時，從進行了內壓疲 勞試驗的鋼管的斷口觀察，觀察到Ti為主要成分的薄膜狀的薄層架設直徑20mi以下的多個 A1 203系夾雜物的形態的復合夾雜物（以下，稱為Ti-Al復合夾雜物）。根據該觀察結果，表明 通過將Ti含量設為一定值以下，可以抑制Ti-Al復合夾雜物的形成，緩解內壓疲勞。
[0028] 需要說明的是，上述含Ti鋼的夾雜物所導致的問題由以下的參考實驗的結果闡 明。
[0029] <參考實驗1>
[0030] 首先，預先使用強度較低的鋼，進行內壓疲勞試驗。通過轉爐、連續鑄造制作具有 表1所示的化學成分的3種原材料A、B和C。將連續鑄造中澆注時的鑄造速度設為0.5m/分鐘、 鑄坯的截面積設為200000mm 2以上。將所得鋼片初乳加工成制管用鋼坯，利用曼內斯曼-芯 棒制管法進行穿孔乳制、拉伸乳制，利用張力減徑機定徑乳制制造管坯。然后，重復多次退 火和冷拔，進行縮徑直至規定的加工尺寸，然后進行正火處理。此時，正火處理在980°CX60 分鐘保持后空氣冷卻的條件下進行。然后，切斷成規定的長度，實施管端加工，作為內壓疲 勞試驗用噴射管制品試樣。拉伸強度如下:鋼A為718MPa，鋼B為685MPa，鋼C為723MPa。
[0031] [表1]
[0033] 試樣的尺寸如下：外徑6.35mm、內徑3.00mm、長度200mm。將該試樣各30個試樣分別 供于內壓疲勞試驗。疲勞試驗條件如下:將樣品的一側端面密封，從另一側端面在樣品內部 封入作為壓力介質的工作油，使封入部的內壓在最大300MPa至最小18MPa的范圍內反復變 動，并將內壓變動的頻率設為8Hz。
[0034] 進行了最大內壓設為300MPa的內壓疲勞試驗，結果總數中，直至重復數達到2 X 1〇6次為止在內表面裂紋產生并加劇，到達外表面，以泄漏的形態產生破損。
[0035] 對于破損了的全部樣品的泄漏發生部，露出斷口，用SEM觀察該起點部，測定夾雜 物的有無和其尺寸。夾雜物尺寸如下:通過圖像處理，測定其面積area和自內表面起的深度 方向（管半徑方向）的最大寬度c，算出/"area。需要說明的是，.farea采用面積area的平方 根和（V 10)*c中的任意小者的數值。該定義基于非專利文獻1記載的想法。
[0036]將所得結果示于表2。使用Ti含量高的鋼C的例子中，30個試樣中有14個試樣中與 內表面接觸的夾雜物成為起點，其尺寸以farea計大部分為6〇wii以下，但僅1個試樣中，其 尺寸以fafea計為liiwii。需要說明的是，這些夾雜物為Ti-Al復合夾雜物。另一方面，使用 Ti含量低的鋼A和B的例子中，全部試樣中，起點沒有確認到夾雜物，全部是內表面的基底組 織成為裂紋的起點。另外，破損壽命如下：鋼C中檢測到最大夾雜物的試樣中最短的為3.78 X 105次，除此之外的29個試樣中為4.7~8.0 X 105次。另一方面，鋼A和B的情況下，兩者沒有 顯著差別，為6.8~17.7 X 105次，明確地確認到Ti-Al復合夾雜物所導致的對內壓疲勞的影 響。而且，可以推定隨著Ti含量的增加，導致內壓疲勞的降低，使粗大的Ti-Al復合夾雜物析 出。
[0037][表 2]
[0040] *是指偏離本發明所限定的范圍。
[0041 ] <參考實驗2>
[0042]接著，使用具有900MPa以上的拉伸強度的鋼，進行基于最大340MPa的內壓的疲勞 試驗。通過轉爐、連續鑄造制作具有上述表1所示的化學成分的原材料B和C各3個試樣。將連 續鑄造中澆注時的鑄造速度設為〇.5m/分鐘、鑄坯的截面積設為200000mm2以上。由上述鋼 原材料制造制管用鋼坯，利用曼內斯曼-芯棒制管法進行穿孔乳制、拉伸乳制，通過張力減 徑機定徑乳制，熱制管成外徑34mm、壁厚4.5mm的尺寸。為了對該經過了熱精加工的管還進 行拉拔，首先，對管坯前端進行縮頸，涂布潤滑劑。接著，使用口模和芯棒進行拉拔加工，根 據需要進行軟化退火，緩慢將管徑縮小，精加工成外徑6.35mm、內徑3.0mm的鋼管。然后，實 施高頻加熱至l〇〇〇°C后進行水冷的淬火處理，然后進行在640 °C下保持10分鐘后自然冷卻 的回火處理，進行外內表面的氧化皮去除?平滑化處理。
[0043]之后，將各試樣切斷為長度200mm，實施管端加工，形成內壓疲勞試驗用噴射管試 驗片，實施內壓疲勞試驗。疲勞試驗如下:將試樣的一側端面密封，從另一側端面在試樣內 部封入作為壓力介質的工作油，使封入部的內壓在最大340MPa至最小18MPa的范圍內、以相 對于時間取正弦波的方式重復地變化。內壓變動的頻率設為8Hz。將結果示于表3。
[0044] [表3]
[0045] 表 3
[0047] *是指偏離本發明所限定的范圍。
[0048] 如表3所示那樣，使用Ti含量低的鋼B的例子中，全部3個試樣中，即便重復數為5.0 X106次也不會引起破損(泄漏）。另一方面，使用Ti含量高的鋼C的例子中，3試樣中的1個試 樣中，重復數為3.63X 105次時從管內表面產生疲勞破壞。對于產生了疲勞破壞的試樣，用 SEM觀察起點部，結果確認到Ti-Al復合夾雜物，其尺寸以farea計為33wii。由以上的實驗結 果也可知，使用Ti含量高的試樣時，有粗大的Ti-Al復合夾雜物析出，容易產生疲勞破壞的 傾向。
[0049] 本發明是基于上述發現而完成的，以下述燃料噴射管用鋼管和使用其的燃料噴射 管為主旨。
[0050] (1)-種燃料噴射管用鋼管，其化學組成以質量％計為：
[0051 ] C:0.12 ~0.27%、
[0052] Si:0.05 ~0.40%、
[0053] Mn:0.3 ~2.0%、
[0054] Al:0.005 ~0.060%、
[0055] N:0.0020 ~0.0080%、
[0056] Ti:0.005 ~0.015%、
[0057] Nb:0.015 ~0.045%、
[0058] Cr:0 ~1.0%、
[0059] Mo:0 ~1.0%、
[0060] Cu:0 ~0.5%、
[0061] Ni:0 ~0.5%、
[0062] V:〇 ~0.15%、
[0063] B:0 ~0.005%，
[0064] 余量為Fe和雜質，
[0065] 雜質中的Ca、P、S和0為：
[0066] Ca:0.001% 以下、
[0067] P:〇.〇2% 以下、
[0068] S:0.01% 以下、
[0069] 0:0.0040% 以下，
[0070] 金相組織由回火馬氏體組織構成、或由回火馬氏體和回火貝氏體的混合組織構 成，原奧氏體粒度編號為10.0以上，
[0071] 所述燃料噴射管用鋼管具有800MPa以上、優選為900MPa以上的拉伸強度，且臨界 內壓滿足下述式(i)。
[0072] IP 彡 〇.3XTSXa ? ? ? (i)
[0073] a = [(D/d)2-l]/[0.776X(D/d)2] ? ? ? (ii)
[0074] 其中，上述式（i)中的IP表示臨界內壓(MPa)，TS表示拉伸強度(MPa)，a為上述式 (ii)所示的值。另外，上述式（ii)中的D為燃料噴射管用鋼管的外徑(mm)，d為內徑(mm)。
[0075] (2)根據上述（1)所述的燃料噴射管用鋼管，其中，前述化學組成含有以質量％計 的選自
[0076] Cr:0.2 ~1.0%、
[0077] Mo:0.03 ~1.0%、
[0078] Cu:0.03 ~0.5%、
[0079] Ni:0.03 ~0.5%、
[0080] V:〇.〇2 ~0.15%、和 [0081 ] B:0.0003 ~0.005%
[0082] 中的1種以上。
[0083] (3)根據上述(1)或(2)所述的燃料噴射管用鋼管，其中，前述鋼管的外徑和內徑滿 足下述式(iii)。
[0084] D/d^l.5 ? ? ? (iii)
[0085]其中，上述式（iii)中的D為燃料噴射管用鋼管的外徑(mm)，d為內徑(mm) 〇
[0086] (4) -種燃料噴射管，其使用上述（1)至(3)中任一項所述的燃料噴射管用鋼管作 為原材料。
[0087] 發明的效果
[0088] 根據本發明，可以得到具有800MPa以上、優選900MPa以上的拉伸強度、且耐內壓疲 勞特性優異的燃料噴射管用鋼管。因此，本發明的燃料噴射管用鋼管可以特別適合作為汽 車用的燃料噴射管使用。
【具體實施方式】
[0089] 以下，對本發明的各特征進行詳細說明。
[0090] 1 ?化學組成
[0091] 各元素的限定理由如下述。需要說明的是，以下的說明中關于含量的"％"是指"質 量％ "。
[0092] C:0.12 ~0.27%
[0093] C是對廉價地提高鋼的強度有效的元素。為了確保期望的拉伸強度，必須將C含量 設為0.12%以上。然而，C含量超過0.27 %時，導致加工性降低。因此，將C含量設為0.12~ 0.27 %。C含量優選為0.13 %以上，更優選為0.14 %以上。另外，C含量優選為0.25 %以下，更 優選為0.23%以下。
[0094] Si:0.05 ~0.40%
[0095] Si是不僅具有脫氧作用、還具有提高鋼的淬透性且提高強度的作用的元素。為了 明確這些效果，必須將Si含量設為0.05%以上。然而，Si含量超過0.40 %時，導致韌性降低。 因此，將Si含量設為0.05~0.40% 含量優選為0.15%以上，優選為0.35%以下。
[0096] Mn:0.3~2.0%
[0097] Mn是不僅具有脫氧作用、還對提高鋼的淬透性且提高強度和韌性有效的元素。然 而，其含量小于〇. 3 %時，無法獲得充分的強度，另一方面，超過2.0 %時，產生MnS的粗大化， 熱乳時伸展，韌性反而降低。因此，將Mn含量設為0.3~2.0% Jn含量優選為0.4%以上，更 優選為0.5%以上。另外，Mn含量優選為1.7%以下，更優選為1.5%以下。
[0098] Al:0.005 ~0.060%
[0099] A1是在進行鋼的脫氧的方面有效的元素，而且是具有提高鋼的韌性和加工性的作 用的元素。為了獲得這些效果，必須含有0.005 %以上的A1。另一方面，A1含量超過0.060 % 時，容易產生夾雜物，特別是含有Ti的鋼中，產生Ti-Al復合夾雜物的可能性變高。因此，將 A1含量設為0.005~0.060% 含量優選為0.008%以上，更優選為0.010%以上。另外，A1 含量優選為0.050%以下，更優選為0.040%以下。需要說明的是，本發明中，A1含量是指酸 可溶性Al(sol.Al)的含量。
[0100] N:0.0020 ~0.0080%
[0101] N是以雜質的形式在鋼中不可避免地存在的元素。然而，本發明中，為了防止基于 TiN的釘扎效應(pinning effect)的晶粒粗大化，必須使0.0020%以上的N殘留。另一方面， N含量超過0.0080%時，大型的Ti-Al復合夾雜物產生的可能性變高。因此，將N含量設為 0.0020~0.0080% A含量優選為0.0025%以上，更優選為0.0027%以上。另外，N含量優選 為0.0065 %以下，更優選為0.0050 %以下。
[0102] Ti:0.005 ~0.015%
[0103] 對于Ti，由于以TiN等形式微細地析出，從而對防止晶粒的粗大化作出貢獻，因此 本發明中是必須的元素。為了獲得該效果，必須將Ti含量設為0.005%以上。另一方面，Ti含 量超過0.015%時，產生晶粒的細粒化效果飽和的傾向，且根據情況，有產生大型的Ti-Al復 合夾雜物的可能性。大型的Ti-Al復合夾雜物有導致非常高的內壓條件下的破損壽命降低 的擔心，認為其抑制特別是對于具有拉伸強度900MPa以上、臨界內壓為0.3 X TS X a以上的 高臨界內壓特性的燃料噴射管而言是重要的。因此，將Ti含量設為0.005~0.015% 含量 優選為〇. 006 %以上，更優選為0.007 %以上。另外，Ti含量優選為0.013 %以下，更優選為 0.012% 以下。
[0104] Nb:0.015 ~0.045%
[0105] Nb具有在鋼中以碳化物或碳氮化物的形式微細地分散、牢固地釘扎晶界的效果， 因此，在得到期望的細粒組織的方面在本發明中是必須的元素。另外，由于Nb的碳化物或碳 氮化物的微細分散而使鋼的強度和韌性提高。由于這些目的，因此必須含有0.015%以上的 Nb。另一方面，Nb含量超過0.045 %時，碳化物、碳氮化物粗大化，韌性反而降低。因此，將Nb 的含量設為0.015~0.045%。他含量優選為0.018%以上，更優選為0.020%以上。另外，Nb 含量優選為〇. 040 %以下，更優選為0.035 %以下。
[0106] Cr:0 ~1.0%
[0107] Cr是具有提高淬透性和耐摩耗性的效果的元素，因此可以根據需要而含有。然而， Cr含量超過1.0%時，韌性和冷加工性降低，因此將含有時的Cr含量設為1.0%以下。Cr含量 優選為0.8%以下。需要說明的是，想要得到上述效果時，將Cr含量優選設為0.2%以上，更 優選設為0.3 %以上。
[0108] Mo:0 ~1.0%
[0109] Mo由于提高淬透性、提高回火軟化阻力，因此是有利于確保高強度的元素。因此， 可以根據需要而含有Mo。然而，即便Mo含量超過1.0%其效果也飽和，而且導致合金成本增 大的結果。因此，將含有時的Mo含量設為1.0%以下。Mo含量優選為0.45%以下。需要說明的 是，想要得到上述效果時，將Mo含量優選設為0.03 %以上，更優選設為0.08 %以上。
[0110] Cu:0 ~0.5%
[0111] Cu是具有通過提高鋼的淬透性來提高強度和韌性的效果的元素。因此，可以根據 需要而含有Cu。然而，即便Cu含量超過0.5%其效果也飽和，而且結果導致合金成本上升。因 此，將含有時的Cu含量設為0.5 %以下。Cu含量優選設為0.40 %以下、更優選設為0.35 %以 下。需要說明的是，想要得到上述效果時，將Cu含量優選設為0.03%以上、更優選設為 0.05%以上。
[0112] Ni:0 ~0.5%
[0113] Ni是具有通過提高鋼的淬透性來提高強度和韌性的效果的元素。因此，可以根據 需要而含有Ni。然而，即便Ni含量超過0.5 %其效果也飽和，而且結果導致合金成本上升。因 此，將含有時的Ni含量設為0.5 %以下。Ni含量優選設為0.40 %以下、更優選設為0.35 %以 下。需要說明的是，想要得到上述效果時，將Ni含量優選設為0.03%以上、更優選設為 0.08%以上。
[0114] V:〇 ~0.15%
[0115] V是回火時以微細的碳化物(VC)的形式析出而提高回火軟化阻力、能夠進行高溫 回火、有利于鋼的高強度化和高韌性化的元素。因此，可以根據需要而含有V。然而，V含量超 過0.15%時反而導致韌性降低，因此將含有時的V含量設為0.15%以下。V含量優選設為 0.12%以下、更優選設為0.10%以下。需要說明的是，想要得到上述效果時，將V含量優選設 為0.02%以上、更優選設為0.04%以上。
[0116] B:0 ~0.005%
[0117] B是具有提高淬透性的作用的元素。因此，可以根據需要含有B。然而，B的含量超過 0.005%時韌性降低。因此，將含有時的B的含量設為0.005 %以下。B含量優選設為0.002% 以下。含有B而產生的淬透性提高作用即使為雜質水平的含量也可以得到，但為了更明顯地 獲得該效果，將B含量優選設為0.0003%以上。需要說明的是，為了有效發揮B的效果，優選 將鋼中的N通過Ti固定。
[0118] 本發明的燃料噴射管用鋼管具有由上述C至B的元素和余量Fe和雜質構成的化學 組成。
[0119] 此處"雜質"是指，工業上制造鋼時，由于礦石、廢料等原料、制造工序的各種因素 而混入的成分，在對本發明不造成不良影響的范圍內可以被允許。
[0120] 以下，對雜質中的Ca、P、S和0進行說明。
[0121] Ca:0.001% 以下
[0122] Ca具有使硅酸鹽系夾雜物(JIS G 0555的C組）聚集的作用，Ca含量超過0.001% 時，由于粗大的C系夾雜物的生成而使臨界內壓降低。因此，Ca含量設為0.001 %以下。Ca含 量優選設為〇. 0007 %以下、更優選設為0.0003 %以下。需要說明的是，如果是制鋼精煉的設 備且經歷長期地完全不進行Ca處理，則可以消除設備的Ca污染，因此可以將鋼中的Ca含量 實質上設為〇%。
[0123] P:〇.〇2% 以下
[0124] P是以雜質的形式在鋼中不可避免地存在的元素。其含量超過0.02%時，不僅導致 熱加工性降低，而且由于晶界偏析而使韌性明顯降低。因此，P含量必須設為0.02%以下。需 要說明的是，P的含量越低越理想，優選設為〇. 〇 15 %以下，更優選設為0.012 %以下。然而， 過度的降低會導致制造成本上升，因此其下限優選設為〇. 005%。
[0125] S:0.01% 以下
[0126] S與P同樣地是以雜質的形式在鋼中不可避免地存在的元素。其含量超過0.01 % 時，在晶界偏析，并且生成硫化物系夾雜物，容易導致疲勞強度降低。因此，S含量必須設為 0.01 %以下。需要說明的是，S的含量越低越理想，優選設為0.005 %以下，更優選設為 0.0035%以下。然而，過度的降低會導致制造成本上升，因此其下限優選設為0.0005%。
[0127] 0:0.0040% 以下
[0128] 0形成粗大的氧化物，容易產生其導致的臨界內壓降低。從這樣的觀點出發，0含量 必須設為〇. 0040 %以下。需要說明的是，0的含量越低越理想，優選設為0.0035 %以下，更優 選設為0.0025%以下，進一步優選設為0.0015%以下。然而，過度的降低會導致制造成本上 升，因此其下限優選設為0.0005%。
[0129] 2.金相組織
[0130] 本發明的燃料噴射管用鋼管的金相組織由回火馬氏體組織構成、或由回火馬氏體 和回火貝氏體的混合組織構成。組織中存在鐵素體?珠光體組織時，即便消除夾雜物起點 的破損，也會產生以局部硬度低的鐵素體相作為起點的破損，因此由宏觀的硬度和拉伸強 度得不到所期待的臨界內壓。另外，在不含回火馬氏體的組織或在鐵素體?珠光體組織中， 難以確保800MPa以上的拉伸強度、特別是900MPa以上的拉伸強度。
[0131]另外，如上述那樣，為了提高鋼管的疲勞強度，必須將原奧氏體粒度編號設為10.0 以上。這是由于，對于粒度編號小于10.0的細粒化不充分的鋼管，組織的疲勞強度降低，因 此，即使夾雜物不變為起點，臨界內壓也降低。需要說明的是，粒度編號基于ASTM E112的規 定。
[0132] 3.機械性質
[0133] 本發明的燃料噴射管用鋼管具有SOOMPa以上的拉伸強度，且臨界內壓滿足下述式 ⑴。
[0134] IP 彡 〇.3XTSXa ? ? ?⑴
[0135] a = [(D/d)2-l]/[0.776X(D/d)2] ? ? ? (ii)
[0136] 其中，上述式（i)中的IP表示臨界內壓(MPa)，TS表示拉伸強度(MPa)，a為上述式 (ii)所示的值。另外，上述式（ii)中的D為燃料噴射管用鋼管的外徑(mm)，d為內徑(mm) J是 基于管內徑比而校正內壓與管內表面產生的應力的關系發生變化的系數。
[0137] 將拉伸強度設為800MPa以上的理由是由于，拉伸強度小于800MPa時，對于單發所 作用的過大壓力，無法確保耐爆裂(破裂)性能。另外，通過臨界內壓滿足上述式(i)，可以確 保對破壞疲勞的安全性。需要說明的是，本發明中，臨界內壓是指，內壓疲勞試驗中將最低 內壓設為18MPa，施加相對于時間取正弦波的重復內壓變動，即便重復數為10 7次也不產生 破損(泄漏）的最高內壓(MPa)。優選將拉伸強度設為900MPa以上。
[0138] 4.尺寸
[0139] 對本發明的燃料噴射管用鋼管的尺寸，不設置特別限制。然而，一般來說，對于燃 料噴射管，為了減少使用時的內部的壓力變動，某種程度的容量是必要的。因此，本發明的 燃料噴射管用鋼管的內徑期望設為2.5mm以上，更期望設為3mm以上。另外，燃料噴射管必須 耐受高內壓，因此，鋼管的壁厚期望為1.5mm以上，更期望為2mm以上。另一方面，鋼管的外徑 過大時，彎曲加工等變困難。因此，鋼管的外徑期望為20mm以下，更期望為10mm以下。
[0140] 進而，為了耐受高內壓，期望鋼管的內徑越大而與其相應地增大壁厚。如果鋼管的 內徑恒定，則隨著壁厚變大，鋼管的外徑也變大。即，為了耐受高內壓，期望鋼管的內徑越大 而鋼管的外徑也增大。為了得到作為燃料噴射管用鋼管的充分的臨界內壓，鋼管的外徑和 內徑期望滿足下述式(iii)。
[0141] D/d^l .5 ? ? ? (iii)
[0142] 其中，上述式（iii)中的D為燃料噴射管用鋼管的外徑(mm)，d為內徑(mm)〇
[0143] 需要說明的是，更期望上述鋼管的外徑與內徑之比即D/d為2.0以上。另一方面，D/ d的上限沒有特別設置，該值過大時彎曲加工變困難，因此期望為3.0以下，更期望為2.8以 下。
[0144] 5 ?制造方法
[0145] 對本發明的燃料噴射管用鋼管的制造方法沒有特別限制，例如，由無縫鋼管制造 時，利用以下的方法預先準備抑制了夾雜物的鋼塊，利用曼內斯曼制管等方法由該鋼塊制 造管坯，通過冷加工，形成期望的尺寸形狀，然后進行熱處理，從而可以制造。
[0146] 為了抑制夾雜物的形成，優選如上述那樣調整化學組成，并且增大澆注時的鑄坯 的截面積。這是由于，澆注后，直至凝固為止的期間內大的夾雜物浮起。澆注時的鑄坯的截 面積期望為200000mm 2以上。進而，通過減慢鑄造速度，使輕的非金屬夾雜物以爐渣的方式 浮起，可以減少鋼中的非金屬夾雜物本身。例如，連續鑄造中，可以以澆注速度〇.5m/分鐘實 施。
[0147] 基于上述方法，有害的粗大夾雜物被去除，但根據鋼中的Ti含量而存在Ti-Al復合 夾雜物形成的情況。推定該Ti-Al復合夾雜物在凝固過程中形成。本發明中，通過適當控制 Ti含量，可以防止粗大的復合夾雜物的形成。
[0148] 由如此得到的鑄坯，例如利用初乳等方法準備制管用的鋼坯。然后，例如利用曼內 斯曼-芯棒式無縫管乳機制管法進行穿孔乳制、拉伸乳制，通過利用張力減徑機等的定徑乳 制精加工成規定的熱制管的尺寸。接著，重復多次冷拔加工，形成規定的冷精加工的尺寸。 冷拔時，在之前、或其中間進行應力去除退火，從而可以容易進行冷拔加工。另外，也可以使 用芯棒式無縫管乳機制管法等其他制管法。
[0149] 如此，進行了最終的冷拔加工后，為了使作為目標的燃料噴射管的機械特性充足， 通過進行淬火回火的熱處理，從而可以確保SOOMPa以上、優選900MPa以上的拉伸強度。
[0150] 淬火處理中，優選至少加熱至Ac3相變點以上的溫度并進行驟冷。這是由于，加熱 溫度低于Ac 3相變點時，奧氏體化變得不完全，結果淬火所引起的馬氏體形成變得不充分， 有無法得到期望的拉伸強度的可能性。另一方面，加熱溫度優選設為1050°C以下。這是由 于，加熱溫度高于1050°C時，容易產生丫粒的粗大化。加熱溫度更優選設為Ac 3相變點+30°C 以上。
[0151] 淬火時的加熱方法沒有特別限定，高溫長時間的加熱在非保護氣氛的情況下，在 鋼管表面生成的氧化皮變多，導致尺寸精度和表面性狀的降低，因此，在步進式加熱爐等爐 加熱的情況下，優選設為10~20分鐘左右的短時間的保持時間。從抑制氧化皮的觀點出發， 作為加熱氣氛，優選氧化能力低的氣氛或非氧化性的還原氣氛。
[0152] 如果采用高頻感應加熱方法或直接通電加熱方法作為加熱方式，則可以實現短時 間保持的加熱，可以將在鋼管表面產生的氧化皮抑制為最小，故優選。另外，通過加快加熱 速度，容易實現原Y粒的微細粒化，故有利。加熱速度優選設為25°C/s以上，更優選設為50 °C /s以上，進一步優選設為100 °C /s以上。
[0153] 對于淬火時的冷卻，為了穩定且確實得到期望的800MPa以上、優選900MPa以上的 拉伸強度，將500~800°C的溫度范圍內的冷卻速度優選設為50°C/s以上，更優選設為100 °C/s以上，進一步優選設為125°C/s以上。作為冷卻方法，優選使用水淬火等驟冷處理。
[0154] 驟冷而冷卻至常溫的鋼管在這樣的狀態下硬且脆，因此優選在AC1相變點以下的 溫度下進行回火。回火的溫度超過Acjg變點時，產生逆相變，因此，難以穩定且確實地得到 期望的特性。另一方面，回火溫度低于450°C時，回火容易變得不充分，有韌性和加工性變得 不充分的可能性。優選的回火溫度為600~650°C。回火溫度下的保持時間沒有特別限定，通 常為10~120分鐘左右。需要說明的是，回火后，可以適當利用矯直機等校正彎曲。
[0155] 另外，為了進一步得到高臨界內壓，可以在上述淬火回火后進行自緊處理。自緊處 理為通過使過大內壓作用從而使內表面附近部分塑性變形、產生壓縮殘留應力的處理。由 此，疲勞裂紋的加劇被抑制，可以得到更高的臨界內壓。自緊處理壓力為比爆裂壓力低的壓 力，推薦設為比上述臨界內壓的下限值0.3XTSXCI高的內壓。需要說明的是，特別是如果確 保900MPa以上的拉伸強度，則與其相應地可以得到高爆裂壓力，也可以提高自緊處理壓力， 因此對于利用自緊處理的臨界內壓提高可以獲得大的效果。
[0156] 本發明的燃料噴射管用鋼管例如可以在其兩端部分形成連接頭部從而形成高壓 燃料噴射管。
[0157] 以下，根據實施例更具體地說明本發明，但本發明不限定于這些實施例。
[0158] 實施例
[0159] 通過轉爐和連續鑄造制作具有表4所示的化學成分的13種鋼原材料。鋼No. 1~8使 用滿足本發明的鋼的化學組成的相關限定的鋼。另一方面，鋼No.9~13為了進行比較而使 用Ti和/或Nb量為本發明限定的范圍外的鋼。將連續鑄造中澆注時的鑄造速度均設為0.5m/ 分鐘、鑄還的截面積均設為200000mm 2以上。
[0160] [表 4]
[0162]由上述鋼原材料制造制管用鋼坯，利用曼內斯曼-芯棒制管法進行穿孔乳制、拉伸 乳制，通過張力減徑機定徑乳制熱制管為外徑34mm、壁厚4.5mm的尺寸。為了對該經過熱精 加工的管坯進行拉拔，首先對管坯前端進行縮頸，涂布潤滑劑。接著，使用口模和芯棒進行 拉拔加工，根據需要進行軟化退火，緩慢將管徑縮小，精加工成規定的尺寸。此時，關于試驗 No . 10、12和13，精加工成外徑8 . Omm、內徑4 . Omm的鋼管，對于其他試驗，精加工成外徑 6.35mm、內徑3.0mm的鋼管。然后，在表5所示的條件下進行淬火回火處理，進行外內表面的 氧化皮去除?平滑化處理。此時對于淬火處理，表5中的試驗No. 1~4、6~9、11和12中，以 100 °C/s的升溫速度高頻加熱至1000°C并驟冷(保持時間5s以下），試驗No . 5、10和13中，以 1000°C保持10分鐘后在水冷的條件下進行。回火處理在550~640°CX10分鐘保持后自然冷 卻的條件下進行。具體的回火溫度一并示于表5。
[0163][表 5]
[0165]關于所得鋼管，進行利用JIS Z 2241(2011)中規定的11號試驗片的拉伸試驗，求 出拉伸強度。另外，從各鋼管采集組織觀察用的試樣，對與管軸方向垂直的截面進行機械研 磨。用金剛砂紙和拋光輪研磨后，使用硝酸酒精腐蝕液，確認為回火馬氏體、或回火馬氏體 和回火貝氏體的混合組織。然后，再次進行拋光研磨，然后使用苦味醇腐蝕液，使觀察面內 的原Y晶界顯現。之后，依據ASTM E112,求出觀察面的原奧氏體晶粒度編號。
[0166] 內壓疲勞試驗如下：將各鋼管切斷成長度200mm，實施管端加工，形成內壓疲勞試 驗用噴射管試驗片。疲勞試驗如下:將試樣的一側端面密封，從另一側端面在試樣內部封入 作為壓力介質的工作油，使封入部的內壓在最大內壓至最小18MPa的范圍內、以相對于時間 取正弦波的方式重復變動。內壓變動的頻率設為8Hz。作為內壓疲勞試驗的結果，將即便重 復數為1〇 7次也不會引起破損(泄漏)的最大內壓作為臨界內壓進行評價。
[0167] 原y粒度、拉伸強度、臨界內壓的評價結果和0.3XTSXCI的計算值一并示于表5。 表5中，試驗No. 1~4、6~8為滿足本發明的限定的本發明例。另一方面，試驗No. 5為比較例， 雖然鋼的化學組成滿足本發明的限定，但是原奧氏體粒度編號在本發明的范圍外。另外，試 驗No. 9~13為鋼的化學組成在本發明的限定的范圍外的參考例或比較例。
[0168] 根據表5，原y粒度小于10.0的比較例的試驗No. 5和10~13中，從管內表面產生疲 勞破壞，為臨界內壓小于拉伸強度的〇.3a倍的水平。這表明，原Y粒度小、即為粗粒時，基底 組織的疲勞強度降低，因此，即便夾雜物不變為起點，臨界內壓也降低。另一方面，作為本發 明例的試驗No. 1~4、6~8以及作為參考例的試驗No. 9的任意者在最高壓力300MPa下重復 1〇7次也不會破壞，最高壓力為300MPa以上。這為大于拉伸強度的0.3a倍的水平。
[0169] 對于參考例的No. 9,為與表1的鋼C類似的成分，因此，如參考實驗1的表2所示那 樣，雖然為低幾率但仍可能存在粗大夾雜物。因此，即便在上述內壓疲勞試驗中為未斷裂， 若以更高的壓力對大量試驗片進行內壓疲勞試驗，則有壽命短于本發明例、發生破損的可 能性。這由前述參考實驗2的結果表明。
[0170] 產業上的可利用性
[0171] 根據本發明，可以得到具有SOOMPa以上、優選900MPa以上的拉伸強度、且耐內壓疲 勞特性優異的燃料噴射管用鋼管。因此，本發明的燃料噴射管用鋼管可以特別適合作為汽 車用的燃料噴射管使用。
【主權項】
1. 一種燃料噴射管用鋼管，其化學組成以質量％計為： C:0.12 ~0.27%、 Si:0.05 ~0.40%、 Μη:0·3 ~2.0%、 Α1:0·005 ~0.060%、 Ν:0.0020 ~0.0080%、 Ti:0.005 ~0.015%、 Nb:0.015 ~0.045%、 Cr:0 ~1.0%、 Mo:0 ~1.0%、 Cu:0 ~0.5%、 Ni:0 ~0.5%、 V:0 ~0.15%、 B:0 ~0.005%， 余量為Fe和雜質， 雜質中的Ca、P、S和0為： Ca:0.001% 以下、 Ρ:0·02% 以下、 S:0.01% 以下、 0:0.0040% 以下， 金相組織由回火馬氏體組織構成、或由回火馬氏體和回火貝氏體的混合組織構成，原 奧氏體粒度編號為10.0以上， 所述燃料噴射管用鋼管具有SOOMPa以上的拉伸強度，且臨界內壓滿足下述式(i): IP彡0.3XTSXa · · ·⑴ a=[(D/d)2-l]/[0.776X (D/d)2] · · · (ii) 其中，所述式（i)中的IP表示臨界內壓、單位為MPa，TS表示拉伸強度、單位為MPa，a為所 述式（ii)所示的值，另外，所述式（ii)中的D為燃料噴射管用鋼管的外徑、單位為mm，d為內 徑、單位為mm。2. 根據權利要求1所述的燃料噴射管用鋼管，其中，所述化學組成含有以質量％計的選 白 Cr:0.2 ~1.0%、 Μο:0·03 ~1.0%、 Cu:0.03 ~0.5%、 Ni:0.03 ~0.5%、 V:0.02 ~0.15%、和 Β:0·0003 ~0.005% 中的1種以上。3. 根據權利要求1或權利要求2所述的燃料噴射管用鋼管，其中，所述鋼管的外徑和內 徑滿足下述式(iii): D/d^l .5 · · · (iii) 其中，所述式(i i i)中的D為燃料噴射管用鋼管的外徑、單位為mm，d為內徑、單位為mm。4. 一種燃料噴射管，其使用權利要求1至權利要求3中任一項所述的燃料噴射管用鋼管 作為原材料。
【文檔編號】C21D9/08GK106029927SQ201580010459
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年2月23日
【發明人】增田辰也, 山崎亞美, 牧野泰三, 永尾勝則, 奧山耕
【申請人】臼井國際產業株式會社, 新日鐵住金株式會社