高压油管用钢、高压油管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度钢材料、钢管及其制备方法，特别是涉及一种油管用钢、钢管及其制备方法，应用于高压共轨燃油系统的高压油管设备以及工程机械结构钢管设备技术领域。

背景技术

我国每年有超百万台的中重型发动机的需求，随着世界能源危机和环境污染的加重,为了节约能源、降低排放,新型发动机必须使用高压共轨系统。共轨技术具有显著的燃油经济性和低排放特性。在共轨燃油系统中，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管,通过对公共供油管内的油压实现精确控制,使高压油管压力大小与发动机的转速无关,可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，使发动机在所有转速范围内都能获得非常高的燃油压力,这种喷油系统的压力比传统柴油机的要高出3倍，最高能达到200MPa，而传统柴油机喷油压力在60-70Mpa，压力大，雾化好，燃烧充分，从而提高了动力性，最终达到省油的目的。

目前，欧洲各国普遍引用的ISO8535-2016《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6个强度等级的高压油管材料，其1-4强度等级的屈服强度分别为205、220、355、430MPa,对应国内牌号16Mn、16MnV等，参见表6，其制成的高压油管可适用于160MPa以下的工作压力。但5-6强度等级的屈服强度分别为670、770MPa,分别对应于180MPa、200MPa的喷油工作压力，这种高等级高压油管目前国外相关生产技术严格保密，无法获得有关资料，而国内尚无厂家具有成熟的生产方案。

专利CN201410210420.2公开了一种高压油管用热轧圆钢及其制造方法，其化学成分质量百分比(wt％)为：C:0.10-0.17％，Si:0.25-0.45％，Mn:1.30-1.60％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr:0.20-0.40％，V:0.05-0.10％，Al:0.025-0.050％，Cu:≤0.20％，Ni≤0.20％，其余为铁和残余的微量杂质，参见表6。该利文献没有公开无缝钢管的制造方法。

专利CN200810242971.1公开了一种工艺简单、生产成本低的高压油管的生产工艺，包括如下步骤：将所需使用的管坯料进行酸洗、磷化和润滑，然后进行冷拨，对冷拨得到的管料进行中间热处理，中间热处理的温度控制在760±20℃，直至冷拨后的管料符合所需的规格要求；最后对管料再进行920±10℃的正火处理得到所需的成品。使用本发明所述的生产方法。由于正火有效消除了冷拔工序产生的加工硬化效应，所得油管的屈服强度一般都小于400MPa，不能适用200MPa级共轨高压油管的对高强度的要求。

专利CN201510275354.1公开了一种高强度高压油管用钢、高压油管及其制造方法，参见表6，需要对管料进行多道次的冷加工变形，其中最后一个道次的冷加工延伸系数达1.6-2.1，变形过程中钢管容易开裂，严重降低产品的成材率；另外，要求最后一道次加热后水雾冷却以获得贝氏体组织，冷却速度为5-30℃/s，对设备精度的要求很高，冷速难于控制，一般生产厂家不具备生产条件。

专利201610054373.6公开了一种柴油机高压喷油管用钢、高压喷油管及其制造方法，可用于制造160MPa以上的高压喷油管，其化学成分要求过于严格，炼钢过程难以控制，生产过程不具备可操作性，并且其实施例不能满足ISO 8535关于5-6强度等级的要求，参见表6。

专利201610493295.X公开了一种相变强化冷加工高强度钢、钢管及钢管的制造方法，参见表6，其屈服强度可达890MPa,适用生产直径20-457的高强度钢管。但由于组织为回火马氏体，不适合用于生产小孔径的高压油管。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种高压油管用钢、高压油管及其制备方法，能制造一种屈服强度670MPa以上的高等级高强度钢，应用于高压燃油喷射管用高压油管以及工程机械结构用管领域，以满足ISO8535-2016标准中规定了5-6强度等级的要求，并且该无缝钢管的可制造性好，性价比高。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高压油管用钢，其材料组分的化学元素质量百分配比为：

C：0.11-0.17％；Si：0.1-0.5％；Mn：1.2-1.7％；Al：0.01-0.05％；Nb：0.01-0.06％；V：0.02-0.09％；Mo：0.05-0.2％；B：0.0005-0.003；Ti：≤0.03％；Cr：≤0.2％；Ni：≤0.2％；Cu：≤0.3％；Ca：0.001-0.01％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；并且化学成分满足关系式4＜(B×Mo)/(C×Mn)×10⁴＜12，关系式各元素符号代表对应元素成分作为材料组分的质量。本发明高压油管用钢的不可避免的杂质主要是S、P、O、N元素。

本发明所述的高压油管中的各化学元素的设计原理为：

C：马氏体形成元素，是提高钢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，且添加成本低。当C含量低于0.11wt.％时，无缝钢管不能达到670MPa以上的强度，但是当C含量高于0.17wt.％时，无缝钢管的低温冲击性能会受到影响。在本发明的技术方案中需要将C元素的含量控制为0.11～0.17wt.％。

Si：在炼钢过程中是作为还原剂和脱氧剂的，其在钢中不形成碳化物，且其在钢中的固溶度较大，能够强化钢中的铁素体以提高钢的强度。然而，一旦硅含量超过0.5wt.％时则会大大降低钢管的韧性，尤其是钢管的低温冲击韧性。因此，应该将Si含量控制为0.10～0.5wt.％。

Mn：马氏体形成元素，主要通过固溶强化来提高钢的强度。增加Mn含量能够使钢的相变温度降低，减小相变临界冷却速度，Mn含量达到1.2wt.％以上时，能够显著增大钢的淬透性；不过，若Mn含量超过1.7wt.％时，钢的冲击韧性随之下降得较为显著。故而在本技术方案中需要将Mn含量设定为1.2～1.7wt.％。

Al：在钢中具有脱氧作用且其有助于提高钢的韧性和加工性。当Al含量达到0.01wt.％以上时，其提高钢的韧性和加工性的效果较为显著，但是当Al含量超过0.05wt.％时，炼钢难度显著增加。本发明基于此而将Al含量控制在0.01～0.05wt.％之间。

Nb：强碳氮化物形成元素，热轧时可以推迟奥氏体再结晶而达到细化晶粒，在再加热过程中，可以阻碍奥氏体晶粒长大，当Nb含量≥0.01wt.％时，这一添加效果比较明显，不过当Nb含量＞0.06wt.％时，钢的韧性反而会有所降低。因此，在本发明的技术方案中应该将Nb含量设定为0.01～0.06wt.％。

V：强碳化物的形成元素，其与碳的结合能力很强，形成的细小弥散的VC质点能够起到弥散强化的作用，使钢的强度明显增加。如果V的含量小于0.02wt.％时，弥散强化作用并不明显，但是如果V的含量大于0.09wt.％时，钢的韧性下降，为此，控制钢中的V的含量为0.02～0.09wt.％。

Ti：强碳氮化物形成元素，形成TiN、TiC在均热和再加热过程中均可以细化奥氏体晶粒；若含量太高，易形成粗大的TiN，达不到添加的目的。按重量百分比，宜采用含量≤0.03wt.％。

Mo：贝氏体形成元素，在钢中有固溶强化和提高钢的淬透性的作用。当Mo含量达到0.05wt.％时，才会具有显著的固溶强化和提高淬透性的效果，考虑到成本因素，宜采用含量0.05～0.2wt.％。

Cr：是中强碳化物的形成元素。钢中的Cr的一部分置换成铁形成合金渗碳体，以提高其稳定性，另一部分则溶于铁素体中起到固溶强化作用，提高铁素体的强度和硬度。与此同时，Cr也是提高钢的淬透性的主要元素。考虑添加成本的因素，将本发明中的Cr控制为≤0.2wt.％。

Cu：可以增强钢的韧性，即便是含量较少的Cu也能获得相应的效果，如果Cu含量超过0.3wt.％时，对钢的热加工性会产生较大影响，即使添加复合元素也不能保证钢管的热加工性，因此，在本发明的技术方案中需要将Cu含量控制为≤0.3wt.％。

Ni：既是可以提高钢的强度和淬透性的元素，又是可以提高钢的韧性的元素。综合钢的成本因素考虑，在本发明的技术方案中，将Ni含量控制在≤0.2wt.％的范围之内，才能与其他元素配合可达到理想的强化作用并同时提高钢的韧性。

B：贝氏体形成元素，传统提高合金淬透性元素，存在于碳氮化物中，或者作为B单质存在于晶界中，具有强化晶界的效果，有效提高材料的综合性能。若含量过高，沿晶界析出硼化物，降低材料的韧性，宜采用含量0.0005-0.003。

Ca:净化钢液，使夹杂物变性以控制硫化物分布形态，达到获得细小球形、弥散均布的硫化物的目的，按重量百分比，宜采用含量0.001～0.01wt.％。

为了获得理想形变能力的低碳位错型马氏体组织，本发明化学成分要求满足关系式4<(B×Mo)/(C×Mn)×10⁴<12。P、S、O、N是本发明高压油管用钢的材料要严格控制的有害元素，他们易形成夹杂物，一方面对材料的强度和韧性不利，另一方面，容易导致冷加工时产生缺陷以致断裂，因此必须严格限制，尽量控制P≤0.010wt.％，O≤0.003wt.％，S≤0.003wt.％，N≤0.004wt.％。

本发明所述的高压油管合金元素含量低，产品的生产成本低，其通过对化学成分的优化设计，结合合理的制造工艺，使得本发明所述的高压油管的强度高、低温韧性好，并且成本低廉。

本发明上述高压油管用钢的材料微观组织优选为铁素体、弥散分布的碳化物和回火索氏体的混合组织。

一种利用本发明高压油管用钢制造的高压油管，采用所述高压油管用钢作为管坯钢材，制造高压油管，其油管壁厚为1.5-5.5mm；其油管外径为5-19mm。

一种利用本发明高压油管用钢制备高压油管的方法，包括如下步骤：

a.采用所述高压油管用钢作为管坯钢材，将管坯钢材加热后进行均热处理，得到管坯；优选将管坯钢材加热到1200-1260℃后，然后优选均热30-90min，进行均热处理；

b.将在所述步骤a中制备的管坯进行热穿孔，再通过张力减径机，对管坯进行减径、减壁厚，获得屈服强度不小于420MPa的热轧态母管，在对完成对热轧态母管轧制加工后，将热轧态母管进行自然冷却，得到所需钢管；

c.对在所述步骤b中制备的钢管再进行酸洗、磷化、皂化处理，得到洁净的钢管；

d.将在所述步骤c中制备的洁净的钢管进行冷加工至成品钢管尺寸，得到成品钢管；优选采用冷拔或冷轧的方式对洁净的钢管进行冷加工，制备成品钢管，采用冷拔或冷轧的方式将钢管加工至规定的尺寸后回火处理，是为了降低冷加工过程中所产生的应力，使钢管产品的性能达到理想的水平；优选在钢管的每道次冷加工后进行750-820℃的空冷的中间软化退火热处理，优选控制钢管的每道次冷加工的延伸系数≤2.0，以在保证钢管生产效率的同时，避免在冷加工后钢管产生开裂等缺陷；优选在钢管的最后一道软化退火热处理温度为760-800℃，然后对钢管进行水淬处理工艺，使成品钢管获得铁素体和马氏体的混合组织，达到马氏体强化的效果；优选控制钢管的最后一道次冷加工延伸系数在1.1-1.4范围内，以保证钢管在最终热处理前获得足够的应变硬化的效果，如果冷加工延伸系数过低就达不到应变强化的效果，而如果太高，则在相变强化的复合作用下钢管很容易开裂；优选控制冷加工后的成品钢管尺寸为壁厚为1.5-5.5mm，外径优选为5-19mm；

e.将在所述步骤d中制备的成品钢管进行回火处理，最终得到成品高压油管。高压油管的制造进行回火处理时，优选控制回火温度为500-650℃，回火保温时间优选为30-90min，优选回火后对成品钢管进行空冷。

回火处理的加热温度过高，或者保温时间过长均会导致钢管在冷加工过程中产生的高密度位错消失，发生回复和再结晶，同时马氏体完全分解，使得钢管的强度显著下降。然而，加热温度过低既不能使马氏体充分分解，又不能使冷加工过程产生的残余应力消除，将导致材料的低温韧性不能达到使用要求。在此，将本发明所述的高压油管的制造方法中的回火处理温度设定为500-650℃，并且控制保温时间为30-90min。

本发明在所述步骤e中最终制备的高压油管用钢的材料微观组织优选为铁素体、弥散分布的碳化物和回火索氏体的混合组织。本发明高压油管的制造方法，在最后一道次冷加工之前，不采用复杂的热处理冷却方式，而是通过简单经济的水淬处理以获得马氏体相变强化的效果，使得在较低的冷加工变形下就可获得足够的形变强化的效果，从而在回火热处理条件下来保存冷加工过程中获得的高密度位错，在达到位错强化效果的同时获得马氏体相变强化的效果，继而使得冷变形钢管具有高强度以及良好低温韧性。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明高压油管由于采用了上述技术方案，使得其具备高的强度以及良好的韧性，其屈服强度≥670MPa，抗拉强度≥750MPa，延伸率＞10％；可以满足ISO8535-2016标准中规定了5-6强度等级的要求；

2.本发明高压油管合金含量少，生产成本低；同时，本发明所述的高压油管的制造方法通过控制每道次冷加工的软化处理温度以及延伸系数，不但保证了制造钢管的生产效率，还有效地避免了钢管的开裂。

附图说明

图1是本发明实施例一高压油管材料的微观组织形貌图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

本发明实施例1～实施例7

本发明实施例1-7所述高压油管材料采用下述方法制得，其中钢管的化学元素质量百分配比如表1所示，A1-A7对应本发明实施例1-7，B1-B4对应对比例1-4。

实施例1～实施例7制备了一种高压油管，采用高压油管用钢，其材料组分的化学元素质量百分配比为：

C：0.11-0.17％；Si：0.1-0.5％；Mn：1.2-1.7％；Al：0.01-0.05％；Nb：0.01-0.06％；V：0.02-0.09％；Mo：0.05-0.2％；B：0.0005-0.003；Ti：≤0.03％；Cr：≤0.2％；Ni：≤0.2％；Cu：≤0.3％；Ca：0.001-0.01％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；并且化学成分满足关系式4＜(B×Mo)/(C×Mn)×10⁴＜12，关系式各元素符号代表对应元素成分作为材料组分的质量。本发明高压油管用钢的不可避免的杂质主要是S、P、O、N元素。

表1.本发明实施例A1-A7以及对比例B1-B4的化学元素的质量百分配比

(wt.％，余量为Fe和其他不可避免的杂质)

一种利用本发明实施例A1～A7高压油管用钢制备高压油管的方法，包括如下步骤：

a.将钢中的化学元素质量百分配比如表1所示，冶炼并制成高压油管用钢，采用所述高压油管用钢作为管坯钢材，并将管坯钢材加热后进行均热处理，采用环形加热炉将管坯加热至1200℃-1260℃，均热30-90min，得到管坯；

b.采用立式锥形热穿孔机，将在所述步骤a中制备的管坯进行热穿孔，再通过三辊张力减径机，对管坯进行减径、减壁厚，热轧管的力学性能见表2，获得屈服强度不小于420MPa的热轧态母管，在对完成对热轧态母管轧制加工后，将热轧态母管进行自然冷却，得到所需钢管；

c.对在所述步骤b中制备的钢管再进行酸洗、磷化、皂化处理，得到洁净的钢管；

d.采用冷拔或冷轧的方式，将在所述步骤c中制备的洁净的钢管进行冷加工至成品钢管尺寸，得到成品钢管；然后将钢管加工至规定的尺寸后回火处理，降低了冷加工过程中所产生的应力，使钢管产品的性能达到理想的水平；在钢管的每道次冷加工后进行750-820℃的空冷的中间软化退火热处理，控制钢管的每道次冷加工的延伸系数为1.1-1.4，以在保证钢管生产效率的同时，避免在冷加工后钢管产生开裂等缺陷；在钢管的最后一道软化退火热处理温度为760-800℃，然后对钢管进行水淬处理工艺，使成品钢管获得铁素体和马氏体的混合组织，达到马氏体强化的效果；本发明的各实施例采用延伸系数为1.1-1.4，以保证钢管在最终热处理前获得足够的应变硬化的效果，如果冷加工延伸系数过低就达不到应变强化的效果，而如果太高，则在相变强化的复合作用下钢管很容易开裂；控制冷加工后的成品钢管尺寸为壁厚为1.5-5.5mm，外径优选为5-19mm；

e.将在所述步骤d中制备的成品钢管进行回火处理，控制回火温度为500-650℃，回火保温时间为30-90min，回火后对成品钢管进行空冷，最终得到成品高压油管，最终组织为铁素体、弥散分布的碳化物和回火索氏体的混合组织，见图1之实施例A1的组织。

在在所述步骤d之前，还能采用适当的中间热处理工艺来进一步地提升钢管的冷加工性能。

对比实验分析

实施例1-6和对比例1-4中的具体工艺参数及实施效果参见表2。表2示出了实施例A1～A7和对比例B1～B4中的热轧态的力学性能，表3给出钢材各步骤的工艺参数。对比例的材料制备方法步骤与本发明步骤基本相同。

表2实施例1-6和对比例1-4中的热轧管的力学性能

表3.实施例1-6和对比例1-4制备钢材各步骤的工艺参数的对比

表4为最后一道次软化处理水淬后以及变形后力学性能的变化，从中可知，水淬后屈服强度和热轧态相当，但抗拉强度明显提高，马氏体强化效果非常明显；在随后的最后一道延伸变形中，1.1-1.4的延伸系数使得钢管的屈服强度和抗拉强度显著提升，产生的应变强化和马氏体强化的效果十分显著。

表4.实施例1-6和对比例1-4制备方法最后一道次软化处理水淬后及变形后力学性能对比

总之，ISO8535-2016标准中规定了5-6强度等级的要求，强度等级5要求屈服强度≥670MPa，抗拉强度≥750MPa，延伸率＞10％；强度等级6要求屈服强度≥770MPa，抗拉强度≥850MPa，延伸率＞8％。所获得的本发明上述实施例的无缝钢管的综合力学性能参数如表5所示，结合表1-5可以看出，由于实施例A1-A7中的各无缝钢管具有本发明的技术方案所规定的化学元素质量百分配比，并且其均按照本发明所提供的制造方法进行加工生产。实施例A1-A7中的高压油管的屈服强度均大于670MPa，由此可见，本发明所述的高压油管由于采用了上述技术方案，可以满足ISO8535-2016标准中规定了5-6强度等级的要求。

然而，由于对比例B1-B4中的各无缝钢管中的某些化学元素质量百分配比已经超过了本发明的技术方案所限定的范围，因此，这些无缝钢管的综合力学性能中的至少一项并不符合5-6强度等级高压油管的标准。

表5.实施例1-6和对比例1-4制备方法制备的无缝钢管的综合力学性能参数对比

总之，本发明所述的钢管的化学成分和现有方案完全不同，由表6可知，本发明的技术方案通过合理的成分设计+合理的冷加工工艺+优化的热处理方式，尤其是最后一道次通过应变强化和马氏体强化产生了显著的复合强化效果，再通过适当的去应力回火获得了强度高、延伸率好的无缝钢管，产品工艺简单，性价比高，此类无缝钢管尤其适用于制造ISO8535-2016标准中规定了高强度等级要求的高压油管。

表6.本发明化学成分与现有技术的成分的比较(wt％)

总之，相比享有技术，本发明所述的高压油管的制造方法，在最后一道次冷加工之前，不采用复杂的热处理冷却方式，而是通过简单经济的水淬处理以获得马氏体相变强化的效果，使得在较低的冷加工变形下就可获得足够的形变强化的效果，从而在回火热处理条件下来保存冷加工过程中获得的高密度位错，在达到位错强化效果的同时获得马氏体相变强化的效果，继而使得冷变形钢管具有高强度以及良好低温韧性。本发明所述的高压油管由于采用了上述技术方案，使得其具备高的强度以及良好的韧性，其屈服强度≥670MPa，抗拉强度≥750MPa，延伸率＞10％。可以满足ISO8535-2016标准中规定了5-6强度等级的要求。此外，本发明所述的高压油管合金含量少，生产成本低。同时，本发明所述的高压油管的制造方法通过控制每道次冷加工的软化处理温度以及延伸系数，不但保证了制造钢管的生产效率，还有效地避免了钢管的开裂。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明高压油管用钢、高压油管及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。