СТАЛЬНАЯ ТРУБКА В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВОПРОВОДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
STEEL TUBE AS FUEL INJECTION PIPE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к стальной трубке, используемой для впрыскивания топлива в камеру сгорания, и, более конкретно, к стальной трубке в качестве топливопровода высокого давления для подачи распыленного топлива в камеры сгорания дизельных двигателей.
Уровень техники
2
Интенсивно предпринимаются меры предотвращения будущего истощения энергетических ресурсов, в том числе действия, способствующие экономии энергии и повторному использованию ресурсов, и технологические разработки, чтобы эти действия осуществить. В недавние годы во всем мире прилагаются значительные усилия к снижению выбросов СО, возникающих при сгорании топлива, чтобы предотвратить глобальное потепление.
2
2
Примеры двигателей внутреннего сгорания с низкими уровнями выбросов СО включают дизельные двигатели, применяемые на автомобилях. Однако, даже если уровни выбросов СО низки, дизельный двигатель связан с проблемой дымности выхлопа, вызванной неполным сгоранием топлива. Дымность выхлопа, вызванная неполным сгоранием топлива, имеет место, когда недостаточно кислорода для впрыснутого топлива. То есть происходит реакция дегидрирования вследствие частичного термического разложения топлива, образующая прекурсор образования черного дыма. Этот прекурсор опять термически разлагается, и продукты агломерируются и слипаются, образуя черный дым. Этот черный дым создает загрязнение воздуха и вредно влияет на организм человека.
Повышение давления впрыска при впрыскивании топлива в камеру сгорания дизельного двигателя может снизить уровень дымности выхлопа. Однако для этого требуется, чтобы стальная трубка, применяемая для впрыскивания топлива, имела высокую усталостную прочность. Примеры изобретений, касающихся способа получения стальной трубки для такого типа топливопроводов высокого давления, включают следующее.
Патентный документ 1 раскрывает способ получения стальной трубки для впрыска топлива в дизельных двигателях, где внутренняя поверхность материала горячекатаной бесшовной стальной трубки обтачивается и полируется с использованием дробеструйной обработки, и затем подвергается холодному волочению. Применение этого способа получения уменьшает глубину дефектов (неравномерностей, корок, крошечных трещин и т.д.) на внутренней поверхности стальной трубки до уровня в пределах 0,10 мм, и поэтому повышает прочность стальной трубки, применяемой для впрыска топлива.
[Патентный документ 1] Патент JP Н09-57329А
Хотя стальная трубка для впрыска топлива, полученная описанным в патентном документе 1 способом, имеет высокую прочность, усталостная долговечность не соответствует прочности стальной трубки. Повышение прочности материала стальной трубки позволяет увеличить сжимающую нагрузку на внутреннюю поверхность стальной трубки. Однако прочность материала стальной трубки не является единственным параметром, который определяет внутреннее давление (далее называемое как «предел внутреннего давления»), которое представляет собой предел, ниже которого не происходит усталостное разрушение, когда к внутренней стороне стальной трубки прилагается давление. Другими словами, желательный или более высокий предел внутреннего давления не может быть достигнут просто увеличением прочности материала стальной трубки. Усталостная долговечность предпочтительно является настолько длительной, насколько возможно, с точки зрения надежности конечного продукта, но если предел внутреннего давления низок, то стальная трубка будет подвергаться усталостному разрушению при использовании в условиях высокого внутреннего давления, приводя к сокращению усталостной долговечности.
Раскрытие изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
Целью настоящего изобретения является представление высоконадежной стальной трубки в качестве топливопровода высокого давления с увеличенной усталостной долговечностью путем увеличения прочности материала, в то же время с сохранением высокого предела внутреннего давления.
Средство решения проблем
Для разрешения вышеупомянутых проблем авторы настоящего изобретения провели подробное исследование взаимосвязи между прочностью на растяжение материала стальной трубки и пределом внутреннего давления стальной трубки. Более конкретно, авторы изобретения приготовили множество стальных трубок с различными составами материала и тем самым различными значениями прочности на растяжение, чтобы выявить взаимосвязь между прочностью на растяжение и пределом внутреннего давления. Во время испытаний предела внутреннего давления некоторые из стальных трубок подверглись усталостному разрушению, и авторы изобретения также исследовали разрушенные части.
2
2
Результаты испытания показали, что, когда стальные трубки, состоящие из материалов по существу с одинаковой прочностью на растяжение, которая составляет ниже 500 Н/мм, имеют различные пределы внутреннего давления, то повреждение имеет одинаковый характер, в то время как, когда стальные трубки, состоящие из материалов по существу с одинаковой прочностью на растяжение, которая равна или превышает 500 Н/мм, имеют различные пределы внутреннего давления, то разрушение принимает различные формы в зависимости от уровня предела внутреннего давления.
2
2
Более конкретно, когда прочность на растяжение материала стальной трубки составляет 500 Н/мм или выше, стальная трубка с относительно высоким пределом внутреннего давления имеет повреждение в форме, подобной форме повреждения, встречающейся, когда прочность на растяжение составляет ниже 500 Н/мм. Для стальной трубки с относительно малым пределом внутреннего давления разрушение обусловливается включениями, присутствующими вблизи внутренней поверхности стальной трубки, что показывает, что предел внутреннего давления может быть повышен путем устранения этих включений.
Настоящее изобретение было выполнено на основе вышеописанных обнаруженных фактов, и привело в итоге к стальной трубке в качестве топливопровода высокого давления, описанной в следующем абзаце (1).
2
(1) Стальная трубка в качестве топливопровода высокого давления с прочностью на растяжение 500 Н/мм или выше, включающая, по массе, С: от 0,12 до 0,27%, Si: от 0,05 до 0,40%, и Mn: от 0,8 до 2,0%, с остальным количеством, приходящимся на Fe и примеси, с содержанием Ca, P и S в примесях, составляющим Са: 0,001% или менее, Р: 0,02% или менее, и S: 0,01% или менее, соответственно, отличающаяся тем, что максимальный диаметр неметаллических включений, присутствующих по меньшей мере в зоне, расположенной до глубины 20 мкм от внутренней поверхности стальной трубки, составляет 20 мкм или менее.
Стальная трубка в качестве топливопровода высокого давления, описанная в абзаце (1), предпочтительно содержит, вместо части Fe, по меньшей мере, один элемент, выбранный среди Cr: 1% или менее, Mo: 1% или менее, Ti: 0,04% или менее, Nb: 0,04% или менее, и V: 0,1% или менее.
Результат изобретения
2
Стальная трубка согласно настоящему изобретению находит применение в подаче топлива в камеры сгорания дизельных двигателей. Применение этой стальной трубки позволяет увеличить давление впрыска топлива в камеры сгорания, тем самым обеспечивая снижение дымности выхлопа, вызванной неполным сгоранием топлива, в то же время уменьшая выбросы СО.
Наилучший вариант осуществления изобретения
Как применяемый здесь, термин «стальная трубка в качестве топливопровода высокого давления» имеет отношение к стальной трубке, которая подвергается повторяющимся воздействиям давления на внутреннюю поверхность вследствие впрыскивания топлива. В некоторых случаях на внутреннюю поверхность в течение короткого времени действует предельно высокое давление, тогда как в других случаях высокое давление непрерывно воздействует на внутреннюю поверхность с периодическими колебаниями величины. Связанные с этим сильные толчки вызывают чрезвычайно сильное усталостное нагружение материала. Стальная трубка в качестве топливопровода высокого давления согласно настоящему изобретению имеет усталостные характеристики, способные в достаточной мере противостоять даже этим условиям применения при высоком давлении.
Примеры вариантов применения стальной трубки в качестве топливопровода высокого давления согласно настоящему изобретению включают дизельные двигатели, использующие систему впрыска топлива типа аккумулятора давления, где топливный насос стальной трубкой соединяется с общей топливной магистралью и поэтому с впрыскивающей форсункой, чтобы пропускать через нее топливо.
Как описано выше, в дизельных двигателях топливо должно впрыскиваться при предельно высоком давлении для подавления дымности выхлопа, вызванной неполным сгоранием топлива, и поэтому внутренняя поверхность стальной трубки в качестве топливопровода высокого давления должна быть способна выдерживать это давление. Будет без труда понятно, что, в то время как стальная трубка согласно настоящему изобретению была разработана для топливопроводов высокого давления, используемых в дизельных двигателях, которые подвергаются воздействию высокого внутреннего давления, стальная трубка может быть также применена для впрыска топлива в бензиновых двигателях с прямым впрыском.
2
2
2
Стальная трубка в качестве топливопровода высокого давления согласно настоящему изобретению требует, чтобы материал его стальной трубки имел прочность на растяжение 500 Н/мм или больше. Как описано выше, поскольку стальная трубка в качестве топливопровода высокого давления подвергается воздействию высокого внутреннего давления, материал стальной трубки должен иметь значительный уровень прочности на растяжение. Прочность на растяжение стальной трубки в качестве топливопровода высокого давления согласно настоящему изобретению регулируется на уровень 500 Н/мм или больше, так как прочность на растяжение при таком значении способна в достаточной степени удерживать давление, приложенное сжатым топливом к внутренней стороне стальной трубки, и поскольку величина прочности на растяжение на уровне 500 Н/мм представляет собой предел, выше или ниже которого изменяется характер повреждения вследствие усталостного разрушения.
2
Характер повреждения будет описан подробно с привлечением конкретных примеров в нижеописанном разделе примеров. Когда стальные трубки имеют по существу одинаковую прочность на растяжение, которая равна или превышает 500 Н/мм, величина предела внутреннего давления варьирует в зависимости от характера повреждения. В случае, когда характер повреждения обусловливается включением, предел внутреннего давления не возрастает пропорционально прочности на растяжение. Настоящее изобретение может повысить предел внутреннего давления пропорционально прочности на растяжение путем удовлетворения других требований.
В стальной трубке в качестве топливопровода высокого давления согласно настоящему изобретению максимальный диаметр неметаллических включений вблизи внутренней поверхности стальной трубки должен быть в пределах 20 мкм. Термин «неметаллическое включение» представляет включение, определенное пунктом 3131 в “Glossary of Terms Used in Iron and Steel” («Глоссария Терминов, Применяемых в Испытаниях Изделий из Железа и Стали») согласно Японскому промышленному стандарту JIS G0202. Выкристаллизовывание неметаллического включения определяется составом стальной трубки и способом производства, и наличие выкристаллизовывания может быть подтверждено методом микроскопического исследования неметаллических включений в стали, сформулированным в Японском промышленном стандарте JIS G 0555; после разрезания стальной трубки для получения поперечного сечения и полировки его отполированную поверхность исследуют с помощью оптического микроскопа.
В стальной трубке в качестве топливопровода высокого давления согласно настоящему изобретению максимальный диаметр самого крупного неметаллического включения среди многочисленных выкристаллизованных неметаллических включений должен составлять 20 мкм или меньше. Это обусловлено тем, что, когда максимальный диаметр превышает 20 мкм, характер усталостного разрушения изменяется так, что неметаллическое включение с максимальным диаметром, превышающим 20 мкм, становится исходной точкой для усталостного разрушения, которая снижает усталостную прочность, другими словами, предел внутреннего давления.
Поскольку неметаллические включения не всегда имеют сферическую форму, максимальный диаметр неметаллических включений определяется как (L+S)/2, где L обозначает длину включения, эквивалентную диаметру в продольном направлении, и S обозначает длину включения, эквивалентную более короткому диаметру. Максимальный диаметр неметаллических включений должен составлять 20 мкм или менее, по меньшей мере, в зоне, простирающейся от внутренней поверхности стальной трубки, которая подвергается воздействию высокого давления, на глубину до 20 мкм. За пределами зоны неметаллическое включение с максимальным диаметром, превышающим 20 мкм, не становится исходной точкой для усталостного разрушения.
2
Чтобы снизить максимальный диаметр включений типа А, содержание серы (S) в стальной трубке должно быть отрегулировано до уровня 0,01% по массе или менее. Чтобы уменьшить максимальный диаметр включений типа В, может быть увеличена площадь поперечного сечения изготовляемой отливки. Это обусловливается тем, что во время разливки перед отверждением крупные включения всплывают наверх. Площадь поперечного сечения отлитой заготовки составляет 200000 мм или больше.
Чтобы снизить максимальный диаметр включений типа С, может быть уменьшено содержание кальция (Са) в стальной трубке. Для этой цели содержание Са в стальной трубке в качестве топливопровода высокого давления согласно настоящему изобретению составляет 0,001% по массе или менее. Поскольку Са имеет свойство коагулировать включения типа С, ограничение содержания Са предотвращает укрупнение включений типа С, что помогает избежать вредного влияния от включений типа С.
Независимо от того, касается ли это типа А, типа В или типа С, уменьшение скорости разливки (например, для непрерывного литья скорость разливки составляет 0,5 м/минуту) собирает легковесные неметаллические включения в виде шлака на стали, так что может быть снижено количество самих неметаллических включений в стали.
Стальная трубка в качестве топливопровода высокого давления согласно настоящему изобретению содержит С, Si и Mn. Ниже описывается назначение и обоснование ограничения содержания этих элементов в стальной трубке в качестве топливопровода высокого давления согласно настоящему изобретению. В нижеследующем описании «%» для содержания компонента означает «процентов по массе».
С: от 0,12 до 0,27%
Углерод (С) присутствует предпочтительно для улучшения прочности материала стальной трубки. Повышение прочности требует содержания С на уровне 0,12% или более. Однако, когда содержание С превышает 0,27%, ухудшается обрабатываемость, и формование стальной трубки становится затруднительным. Содержание С более предпочтительно составляет от 0,12 до 0,2%.
Si: от 0,05 до 0,40%
Кремний (Si) присутствует предпочтительно для раскисления материала стальной трубки. Обеспечение эффекта раскисления требует содержания Si на уровне 0,05% или более. Однако, когда содержание Si превышает 0,40%, может ухудшиться ударная вязкость.
Mn: от 0,8 до 2,0%
Марганец (Mn) присутствует предпочтительно для улучшения прочности материала стальной трубки. Повышение прочности требует содержания Mn на уровне 0,8% или более. Однако содержание Mn, превышающее 2,0%, способствует ликвации и иногда вызывает ухудшение ударной вязкости.
Состав одной стальной трубки согласно настоящему изобретению, в дополнение к вышеназванным элементам, также включает в качестве остального количества железо (Fe) и примеси. Однако кальций (Са) в примесях должен составлять 0,001% или менее, как описано выше, и фосфор (Р) и сера (S) должны быть ограничены, как описано ниже.
Р: 0,02% или менее; S: 0,01% или менее
Как Р, так и S представляют собой примесные элементы, которые оказывают вредное влияние на обрабатываемость в горячем состоянии и ударную вязкость, и поэтому содержание Р и содержание S в стали предпочтительно являются настолько низкими, насколько возможно. Когда содержание Р превышает 0,02%, или содержание S превышает 0,01%, становится заметным ухудшение обрабатываемости и ударной вязкости.
Еще одна стальная трубка согласно настоящему изобретению содержит, по меньшей мере, один компонент, выбранный из описанных ниже, в дополнение к вышеупомянутым компонентам.
Cr: 1% или менее
Хром (Cr) не является существенно важным, но предпочтителен ввиду его влияния на улучшение закаливаемости и сопротивления истиранию. Для достижения этого влияния содержание Cr предпочтительно составляет 0,3% или более. Однако, когда содержание Cr превышает 1%, в больших количествах формируется бейнит и ухудшается ударная вязкость.
Mo: 1% или менее
Подобным образом, молибден (Mo) не является существенно важным, но предпочтителен ввиду его влияния на улучшение ударной вязкости, а также закаливаемости. Для достижения этого влияния содержание Mo предпочтительно составляет 0,03% или более. Однако, когда содержание Mo превышает 1%, в больших количествах формируется бейнит и ухудшается ударная вязкость.
Ti: 0,04% или менее
Титан (Ti) не является существенно важным, но предпочтителен благодаря его влиянию на улучшение прочности и ударной вязкости. Для достижения этого влияния содержание Ti предпочтительно составляет 0,005% или более. Однако, когда содержание Ti превышает 0,04%, в стальной трубке формируются включения азотных соединений, и ухудшается ударная вязкость. Более предпочтительно содержание Ti составляет от 0,01 до 0,04%.
Nb: 0,04% или менее
Ниобий (Nb) не является существенно важным, но предпочтителен благодаря его влиянию на улучшение прочности и ударной вязкости. Для достижения этого влияния содержание Nb предпочтительно составляет 0,005% или более. Однако, когда содержание Nb превышает 0,04%, в стальной трубке формируются включения азотных соединений, и ухудшается ударная вязкость. Более предпочтительно содержание Nb составляет от 0,01 до 0,04%.
V: 0,1% или менее
Ванадий (V) не является существенно важным, но предпочтителен благодаря его влиянию на улучшение прочности. Для достижения этого влияния содержание V предпочтительно составляет 0,01% или более. Однако, когда содержание V превышает 0,1%, ухудшается ударная вязкость.
ПРИМЕРЫ
Для подтверждения результативности настоящего изобретения были приготовлены десять испытательных образцов с химическими составами, показанными в Таблице 1. Каждый испытательный образец был получен непрерывным литьем при соответствующей скорости разливки и соответствующей площадью поперечного сечения отливки, показанными в Таблице 2, и подвергнут прошивке на стане поперечной прокатки согласно процессу Маннесманна и прокатке, прокатке с вытяжкой на стане для прокатки бесшовных труб на оправке, и правке с помощью приспособления для снятия напряжений, таким образом, путем горячего формования трубки с наружным диаметром 34 мм и внутренним диаметром 25 мм. Для вытягивания этой горячеформованной трубки конец трубки сначала подвергли обжимке и покрыли смазочным средством. Затем трубку вытянули с использованием волочильной доски и калибр-пробки, с постепенным уменьшением диаметра трубки, и внутреннюю поверхность трубки проточили и прошлифовали, и обработку с сокращением диаметра провели как процесс конечной отделки для получения стальной трубки с наружным диаметром 6,4 мм и внутренним диаметром 3,0 мм. Затем, в качестве финальной стадии процесса, провели термическую обработку таким образом, что эти стальные трубки перенесли в печь для отжига с температурой, поддерживаемой на уровне 1000°С, выдержали там в течение 20 мин и затем оставили для охлаждения.
Таблица 1
Испытательный образец №12
Химические составы (массовых процентов, остальное: Fe и примеси
Примечания
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
Ti
Nb
V
Ca
0,17
0,31
1,38
0,014
0,005
0,06
0,01
0,020
-
0,07
0,0027
Сравнительный
0,17
0,31
1,38
0,014
0,005
0,06
0,01
0,020
-
0,07
0,0003
Согласно изобретению
3
0,18
0,30
1,40
0,013
0,006
0,08
0,02
0,007
-
0,08
0,0032
Сравнительный
4
0,18
0,30
1,40
0,013
0,006
0,08
0,02
0,007
-
0,08
0,0008
Согласно изобретению
5
0,19
0,32
1,36
0,016
0,006
0,05
0,19
0,018
0,033
0,06
0,0027
Сравнительный
6
0,19
0,32
1,36
0,016
0,006
0,05
0,19
0,018
0,033
0,06
0,0001
Согласно изобретению
7
0,11
0,19
0,61
0,009
0,002
0,02
-
-
-
-
0,0030
Сравнительный
8
0,11
0,23
0,64
0,015
0,005
0,01
-
-
-
-
0,0035
Согласно изобретению
9
0,19
0,25
1,31
0,011
0,013
0,04
0,19
0,020
0,033
0,06
0,0002
Сравнительный
10
0,19
0,25
1,31
0,011
0,013
0,04
0,19
0,020
0,033
0,06
0,0012
Согласно изобретению
Часть каждого испытательного куска отрезали в качестве образца, который обработали для получения испытательной детали с размером, обозначенным как испытательный образец №11 в Японском промышленном стандарте, и подвергли испытанию на растяжение. Этот образец наблюдали через оптический микроскоп в области, соответствующей зоне, расположенной от внутренней поверхности стальной трубки до глубины в 20 мкм, и исследовали выкристаллизованные включения.
Таблица 2 показывает значения прочности на растяжение испытательных образцов и максимальный диаметр включений. Номера в Таблице 2 соответствуют таковым в Таблице 1. Испытательные образцы, пронумерованные как 1, 3 и 5, содержат больше кальция (Са), чем испытательные образцы под номерами 2, 4 и 6 соответственно. Таблица 2 показывает, что, в то время как образцы под номерами 1 и 2, 3 и 4, и 5 и 6 имеют по существу одинаковые значения прочности на растяжение, максимальные диаметры включений типа С являются большими в образцах под номерами 1, 3 и 5, которые имеют более высокое содержание Са, чем в испытательных образцах под номерами 2, 4 и 6 соответственно. Далее, максимальные диаметры включений типа А являются большими в образце под номером 9 и максимальные диаметры включений типа В являются большими в образце под номером 10.
7
Каждый испытательный образец подвергли испытанию на усталость, где давление было приложено к внутренней стороне стальной трубки. В испытании на усталость минимальное внутреннее давление составляло 18 МПа, приложение давления было таким, что нагрузка варьировала в форме синусоидальной волны с течением времени, и максимальное внутреннее давление, при котором не наблюдалось разрушение в течение 10 повторяющихся циклов, было принято как предел внутреннего давления. Когда происходило разрушение, разрушенную деталь рассматривали под оптическим микроскопом.
Таблица 2 показывает пределы внутреннего давления испытательных образцов и условия разрушения. В этом случае также предел внутреннего давления является более низким для испытательных образцов под номерами 1, 3 и 5, которые имеют более высокие значения содержания кальция (Са), чем в испытательных образцах под номерами 2, 4 и 6 соответственно. Что касается условий разрушения, то усталостное разрушение происходит с внутренней поверхности каждой стальной трубки, которая была подвергнута воздействию самого высокого давления. Однако в испытательных образцах под номерами 1, 3 и 5, в отличие от испытательных образцов под номерами 2, 4 и 6, разрушение обусловливается включениями типа С, присутствующими в зоне, расположенной от внутренней поверхности каждой стальной трубки до глубины в 20 мкм. Кроме того, в испытательном образце под номером 9 усталостное разрушение происходит от включений типа А, присутствующих в зоне, расположенной от внутренней поверхности стальной трубки до глубины в 20 мкм. Подобным образом, в испытательном образце под номером 10 усталостное разрушение происходит от включений типа В, присутствующих в зоне, расположенной от внутренней поверхности стальной трубки до глубины в 20 мкм.
Как ясно из вышеописанных результатов испытаний, среди испытательных образцов по существу с одинаковой прочностью на растяжение те из них, в которых сведен к минимуму максимальный диаметр неметаллических включений, могут избегать усталостного разрушения, обусловленного неметаллическими включениями, тем самым повышая предел внутреннего давления.
Промышленная применимость
Стальная трубка в качестве топливопровода высокого давления согласно настоящему изобретению предотвращает усталостное разрушение, которое обусловливается неметаллическими включениями, присутствующими вблизи внутренней поверхности стальной трубки, и поэтому повышает предел внутреннего давления. Поэтому применение такой стальной трубки в качестве топливопровода высокого давления для подачи топлива в камеры сгорания дизельных двигателей будет сводить к минимуму усталостные явления даже в значительной степени высоком давлении впрыска топлива в камеру сгорания.