一种柴油机高压喷油管用钢、高压喷油管及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钢，具体涉及一种一种柴油机高压喷油管用钢、高压喷油管及其 制造方法。
【背景技术】
[0002] 高压精密钢管主要用于高功率密度发动机，通过开发喷射压力不断提高的高压燃 油喷射系统，不仅提高了柴油机的性能，同时减少了有害物的排放，满足了不断严格的环境 法规要求。满足欧m、IV排放标准的高压油管的工作压力分别达到160MPa和180ΜΡ &<32015年 为我国柴油发动机开始执行国IV标准（相当于欧IV排放标准），柴油发动机排放标准由国 111提尚到国IV标准，其颗粒排放物下降80%，NOx排放下降30%;提尚喷油压力大幅提尚柴油 机燃烧效率，节油3-5%。高压喷油管产品是符合绿色发展战略的高技术产品。
[0003]近年来，柴油发动机的直接喷射技术在柴油机技术的发展中得到快速推广。目前， 欧洲各国普遍引用的IS08535-2011《柴油发动机高压燃油喷射管用钢管，第一部分:冷拔无 缝单壁钢管要求》标准中规定了4个强度等级的高压油管材料，我国机械行业标准JB/T 8120.1-2011《压燃式发动机高压油管用钢管第1部分:单壁冷拉无缝钢管技术条件》等 效于IS08535-2006版标准，给出高压油管的钢材可选用德国牌号St52.4的钢材，接近国内 牌号16Mn、16MnV等，但是这种材料可用于制造160MPa以下的工作压力的冷拔高压油管。 160MPa以上工作压力的喷油管材料需要新开发。由于钢管的高频振动压力负荷，动态应力 很高，喷油管要承受很高的脉动内压，对喷射油管的材料性能和管子内表面的微观形态要 求很高。材料性能指标上需要通过优化制造工艺过程，同时收紧合金成份的限值范围，提高 材料的强度和延伸率。通过采用复合添加微合金元素使金相组织细化，既提高强度又增大 延伸率。为了提高管路的寿命尽可能降低早期失效的可能性，不仅要考虑试验得出的平均 疲劳强度，还必须顾及试验结果的分散带宽。160MPa级工作压力以上高压喷油管通常需要 采用冷拔去应力退火工艺。为满足高压油管油量允差一般控制在0.5%以内，钢管内径尺寸 公差控制在±〇.〇25mm范围内。内表面质量需要达到IS08535-2011标准中的Q级以上指标， 即考察钢管横截面内表面凹陷、杂质、划痕等缺陷深度0.02mm~0.05mm，数量不超过5个，。为 满足的柴油机高压油管的工作脉冲油压疲劳性能和稳定性，需要测定该工作压力下，脉冲 疲劳循环次数超过1〇〇〇万次。因此理论上，喷油管的工作压力需要设计在疲劳极限以下，同 时钢管的强度设计开发需要在工作压力基础上加上安全系数。
[0004] 材料的屈服强度和疲劳极限之间有一定的关系，一般来说，材料的屈服强度越高， 疲劳强度也越高。国内现有经验一般要求高压油管的名义工作压力为材料屈服强度的0.3~ 0.5倍，即屈服强度/工作压力=2~3.3;而国外的经验则是要求高压油管的名义工作压力为 材料爆破压力的〇. 25~0.4倍，转换成国内要求是屈服强度/工作压力=1.5~2.4。
[0005] 材料表面粗糙度愈小，应力集中愈小，疲劳强度也愈高。钢管冷拔加工坯料尺寸过 大、内表面出现的褶皱越多，产生表面缺陷的可能性也越大，这些原因都会导致疲劳性能下 降。冶金缺陷是指材料中的非金属夹杂物、气泡、元素的偏析等等。存在于表面的夹杂物是 应力集中源，会导致夹杂物与基体界面之间过早地产生疲劳裂纹，使钢管失效。
[0006] 基于上述需要对钢管的以下指标加以限制，才能满足高压钢管的疲劳寿命指标要 求：（1)钢中含有的杂质控制严格，成分范围控制窄，并严格控制材料的夹杂物水平；（2)喷 油工作压力提高钢管的屈服强度需要提高，并对屈服强度加以控制在一定值以上的有限范 围内，冋时塑性指标和冲击初性指标保证一定??围内；（3)尚广品表面质量控制和钢官的内 外表面出现凹陷、杂质、划痕等严格的数量，IS08535标准中的Q级以上。（4)产品的内径尺寸 精度控制高，±〇.〇25mm范围内。
[0007][0008]
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于:提供一种高强度的柴油机高压喷油嘴用钢，可用于制造160MP 以上的高压喷油管。
[0010] 为实现上述的目的，本发明提出了一种柴油机高压喷油管用钢，其化学元素质量 百分比含量为： C: 0.18 -0.20%； Si : 0.20 -0.30%； Μη：1.40~1.60%； S< 0.003%； P< 0.010%； Nb:0.015-0.025%； V:0.02-0.04%； A1:0.02-0.03%； Ti:0.02-0.03%； Ca <0.002%； N<0.003%； H<0.0002%； 0<0.0005%； 余量为Fe和其他不可避免的杂质。
[0011] 本发明所述的高强度高压油管用钢中的各化学元素的设计原理为： C:是提高钢的强度的主要元素之一，其通过碳化物的形成能够有效地提高钢的强度， 但是不能过高和过低。随着碳含量的减少铁素体含量增加强度和加工硬化率降低，塑性升 高，因而变形抗力降低，临界压缩比升高。在保证强度的基础上，降低碳含量有利于改善钢 的强韧性和冷加工性能。钢管冷拔加工存在临界拉拔延伸率，延伸率达到临界值之后会发 生包申格效应(Bauschinger)。既拉拔力下降。随着碳含量的降低，拉拔力降低的幅度变大， 且开始下降所需的临界拉拔延伸率降低。超过临界拉拔延伸率，由于加工硬化率增大，拉拔 力又重新上升。因此，最佳拉拔延伸率受碳含量的影响，应该在保证强度的条件下选取鲍辛 格效应较大，而加工硬化率没有明显上升的阶段。
[0012] 包申格效应:金属材料经过预先加载产生少量塑性变形(残余应变为1%~2%)，卸 载后再同向加载，规定残余应力(弹性极限或屈服强度)增加;反向加载，规定残余应力降低 (特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零)的现象，称为包申格效应。
[0013] 为了保证最终拉拔钢管的成品拉伸性能的一致性和窄波动范围，需要将C含量限 定在0.18~0.20 wt%范围内。保证无缝钢管屈服强度大于640MPa，并且强度波动范围在+ 50MPa以内。
[0014] Si :在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，尤其是在镇静钢需要添加0.15-0.30wt%范围的Si含量，但是冷拔精密钢管Si含量较低时影响不明显，高会引起韧性-脆性 转化温度升高，同时影响冷拔加工性能，所以本发明钢含有〇. 20-0.30wt%较低的硅含量。
[0015] Μη:在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，并且提高钢的强度和硬度，提高 钢的淬性，改善钢的热加工性能。此外，Μη含量由低到高增加，精密钢管韧性-脆性转化温度 先降低后升高的变化趋势。本发明钢Μη含量控制在1.40~1.60wt%范围。
[0016] A1:在钢中具有强烈的脱氧作用，同时A1N析出粒子可以阻碍因 Μη含量高引起的奥 氏体晶粒长大现象，起到细化奥氏体作用，并且起到防止Ν的时效的负面作用，因而有助于 提高钢的韧性和加工性，同时酸溶Α1含量在0.02wt%左右时钢中的夹杂物含量处在最低的 水平。由于酸不溶铝Al 2〇3类夹杂物对钢管的疲劳寿命危害较大，需要严格控制A1的含量。因 此本发明例规定了 0.02~0.03wt%含量范围，酸溶铝与酸不溶铝A12〇3的含量比值控制在〉 0.91〇
[0017] Ti:在钢中是强碳氮化物形成元素，其形成的TiN、TiC均可以细化奥氏体晶粒，从 而提高坯料强度，但是TiN也会对钢管的抗疲劳性能产生重大影响，因此需要严格限制Ti: 0.02-0.03 wt%。
[0018] Nb、V:为微合金元素，有固溶强化作用，析出粒子可以起到析出强化作用，同阻碍 晶粒长大起到细化晶粒，但是过多析出形成弥散分布的氮化物或碳氮化物，引起冷乳精密 光亮钢管的韧性-脆性转化温度上升，需要控制含量范围有效利用真正达到细化晶粒作用。 本发明例以下限含量控制达到析出强化和细化晶粒作用，Nb含量0.015~0.025wt%; V含量 0.02 ~0.04wt%。
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