Стальная труба для топливопровода высокого давления и использующий ее топливопровод высокого давления

Стальная труба для топливопровода высокого давления и использующий ее топливопровод высокого давления

Реферат

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