BRPI0710722A2

BRPI0710722A2 - tubulação em aço como tubulação de injeção de combustìvel

Info

Publication number: BRPI0710722A2
Application number: BRPI0710722-6A
Authority: BR
Inventors: Kikuo Asada; Osamu Endo; Katsunori Nagao; Keisuke Hitoshio
Original assignee: Sumitomo Metal Ind; Usui Kokusai Sangyo Kk
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2012-01-31
Also published as: RU2008144690A; EP2022866A1; CN101421428B; RU2407819C2; CN101421428A; BRPI0710722B1; US20090078341A1; EP2022866B1; JP5033345B2; EP2022866A4; KR20080110668A; ES2668358T3; US8147623B2; JP2007284711A; WO2007119734A1

Abstract

TUBULAçãO EM AçO COMO TUBULAçãO DE INJEçãO DE COMBUSTìVE L. A presente invenção tem por objetivo fornecer uma tubulação em aço como tubulação de injeção de combustível com material de alta resistência, alto limite de pressão interna livre de falha por fadiga, prolongada resistência à fadiga, e alta confiabilidade. A dita tubulação em aço como tubulação de injeção de combustível de 500 N/m^ 2^ ou maior resistência a tensão compreendendo, por massa, C: 0,12 a 0,27%, Si: 0,05 a 0,40%, e Mn: 0,8 a 2,0%, e o balanço sendo com Fe e impurezas, o teor de Ca, P e S nas impurezas sendo: Ca: 0,001% ou menos, P: 0,02% ou menos, e S 0,01% ou menos, respectivamente, caracterizado pelo diâmetro máximo das inclusões não metálicas apresentar, pelo menos numa região que se estende da superfície interna da tubulação em aço até uma profundidade de 20 <109>m, 20 <109>m ou menos. Além disso, esta tubulação em aço pode conter, no lugar de uma porção de Fe, pelo menos um selecionado entre Cr: 1% ou menos, Mo: 1% ou menos; Ti: 0,04% ou menos, Nb: 0,04% ou menos, e V: 0,1% ou menos.

Description

"TUBULAÇÃO EM AÇO COMO TUBULAÇÃO DE INJEÇÃO DE COMBUSTÍVE L"

Campo Técnico

A presente invenção relaciona-se a um tubo de aço usado para injetar combustível em uma câ mara de combustão, e mais em particular a um tubo de aço como um tubo de injeção de combustível para fornecer gotas de combustível nas câ maras de combustão de motores diesel.

Fundamentos da Arte

Medidas para se prevenir a futura depleção de recursos de energia estão sendo feitas intensivamente inclusive movimentos para promover economia de energia e reciclagem de recursos, e o desenvolvimento de tecnologia de permitir esses movimentos.

Nos últimos anos, um esforço intenso tem sido feito no mundo inteiro para diminuir as emissões de CO2 que ocorrem na combustão de combustível para prevenir o aquecimento global.

Os exemplos de motores de combustão interna com baixas emissões de CO2 incluem motores diesel usados em automóveis. Contudo, embora as emissões de CO2 sejam baixas, o motor diesel tem um problema de emissão de fumaça preta. A fumaça preta ocorre quando não há bastante oxigênio no combustível que é injetado. Isto é, uma reação de desidrogenação ocorre devido a decomposição térmica parcial do combustível, produzindo um precursor da fumaça preta. Este precursor decompõe-se termicamente novamente, e aglomera e coalesce, resultando em fumaça preta. Esta fumaça preta causa a poluição do ar e adversamente afeta o corpo humano.

A elevação da pressão de injeção do combustível injetado no motor diesel na câ mara de combustão pode reduzir a fumaça preta. Contudo, isto necessita que o tubo de aço usado para a injeção de combustível tenha alta resistência à fadiga. Os exemplos das invenções relacionadas ao método para produzir um tubo de aço para este tipo de injeção de combustível inclui o seguinte.

O documento de patente 1 revela um método para produzir um tubo de aço para injeção de combustível em motores diesel onde a superfície interior de um material de tubo de aço sem costura laminado quente é girado e polido com jato de areia, e logo submetido a estiragem a frio. A utilização deste método de produção reduz a profundidade de defeitos (irregularidade, escamas, fendas muito pequenas, etc.) na superfície interna do tubo de aço dentro de 0,10 mm, e por isso aumenta a resistência do tubo de aço usado para injeção de combustível.

O documento de patente 1 citado é JP H0957329A.

Embora o tubo de aço de injeção de combustível produzido pelo método revelado no documento de patente 1 tenha alta resistência, o tempo de vida de fadiga não se relaciona com a resistência do tubo de aço. O aumento da resistência do material de tubo de aço permite aumentar a carga de pressão do lado interno do tubo de aço. Contudo, a resistência do material do tubo de aço não é o único parâmetro que determina a pressão interna (aqui referido como "limite de pressão interna") que serve como um limite abaixo do qual nenhum falha de fadiga ocorre quando a pressão é aplicada ao lado interno do tubo de aço. Em outras palavras, o limite de pressão interna desejado ou mais alto não pode ser obtido somente aumentando a resistência do material do tubo de aço. O tempo de vida de fadiga é preferivelmente tão longo quanto possível considerando a confiabilidade do produto final, mas se o limite de pressão interna for baixo, então o tubo de aço estará sujeito à fadiga em aplicações de altas pressões internas, resultando em um tempo de vida de fadiga encurtado.

Revelação da Invenção

Problemas a Serem Resolvidos pela Invenção

Um objetivo da presente invenção é fornecer um tubo em aço altamente confiável como tubo de injeção de combustível com o tempo de vida de fadiga prolongado aperfeiçoando a resistência do material enquanto mantém o limite de pressão interna alto.

Meios de Resolver os Problemas

Para resolver os problemas acima mencionados, os presentes inventores fizeram um estudo detalhado da relação entre a resistência elá stica do material do tubo de aço e o limite de pressão interna do tubo de aço. Especificamente, preparamos uma pluralidade de tubos de aço com composições materiais variadas e assim variamos as resistências elá sticas, para examinar a relação entre a resistência elá stica e o limite de pressão interna. Durante o exame do limite de pressão interna, alguns tubos de aço sofreram falha de fadiga, e também examinamos as porções danificadas.

Os resultados do exame revelaram isto quando os tubos de aço compostos de materiais com substancialmente a mesma resistência elá stica que é abaixo de 500 N/mm2 têm limites de pressão interna diferentes, então o dano toma a mesma forma, ao passo que quando os tubos de aço compostos com materiais com substancialmente a mesma resistência elá stica que é igual a ou mais alta do que 500 N/mm2 tem limites de pressão interna diferentes, então o dano toma formas diferentes dependendo do grau do limite de pressão interna.

Mais especificamente, quando a resistência elá stica do material do tubo de aço é 500 N/mm2 ou mais alto, um tubo de aço com o limite de pressão interna relativamente grande tem o dano em uma forma semelhante à forma do dano encontrado quando a resistência elá stica é abaixo de 500 N/mm2. Para um tubo de aço com o limite de pressão interno relativamente pequeno, a avaria origina-se nas inclusões presentes na vizinhança da superfície interna do tubo de aço, que indica que o limite de pressão interna pode ser aumentado suprimindo essas inclusões.

A presente invenção foi concluída com base no acima mencionado - achados descritos, e é resumida por um tubo de aço como um tubo de injeção de combustível descrito como se segue (1).

(1) Um tubo de aço como um tubo de injeção de combustível de 500 N/mm2 ou resistência elá stica mais alta compreendido de, em massa, C: 0,12 a 0,27 %, Si: 0,05 a 0,40 %, e Mn: 0,8 a 2,0%, e o balanço sendo de Fe e impurezas, os teores de P, Ca e S nas impurezas sendo de Ca: 0,001% ou7 menos, P: 0,02% ou menos, e S: 0,01% ou menos, respectivamente, caracterizado pelo diâmetro má ximo das presentes inclusões não metá licas em pelo menos uma região que se estende da superfície interna do tubo de aço a uma profundidade de 20 μm são 20 μm ou menos.

O tubo de aço como um tubo de injeção de combustível descrito em (1) preferivelmente contém, no lugar de uma porção de Fe, pelo menos um selecionado entre Cr: 1 % ou menos, Mo: 1 % ou menos, Ti: 0,04 % ou menos, Nb: 0,04 % ou menos, e V: 0,1 % ou menos.

Efeito da Invenção

O tubo de aço da presente invenção encontra aplicações na provisão de combustível nas câmaras de combustão de motores diesel. A utilização deste tubo de aço permite aumentar a pressão de injeção do combustível nas câmaras de combustão, por meio disso permitindo uma redução de emissões de fumaça preta reduzindo as emissões de CCh.

O Melhor Modo para Executar a Invenção

Como aqui usado, o tubo de aço como um tubo de injeção de combustível refere-se a um tubo de aço que é submetido à aplicação repetida de pressão na superfície interna devido à injeção do combustível. Em alguns casos, a pressão extremamente alta aplica-se a superfície interna por um tempo curto, enquanto em outros casos a alta pressão se aplica constantemente à superfície interna, com graus ocasionalmente flutuantes. Os impactos associados causam fadiga extremamente grande ao material. O tubo de aço como um tubo de injeção de combustível da presente invenção tem propriedades de fadiga capazes de resistir suficientemente até a essas aplicações pressurizadas.

Os exemplos de aplicações do tubo de aço como um tubo de injeção de combustível da presente invenção inclui motores diesel que empregam um sistema de injeção de combustível do tipo de acumulação de pressão, onde o tubo de aço é unido à bomba de combustível ao carril comum e dali ao bocal de injeção, para guiar o combustível através deste.

Como descrito a cima, em motores diesel, o combustível deve ser injetado em pressão extremamente alta para suprimir as emissões de fumaça preta, e por isso a superfície interna do tubo de aço como um tubo de injeção de combustível deve ser capaz de resistir a esta pressão. Será prontamente apreciado que enquanto o tubo de aço da presente invenção foi desenvolvido para tubos de injeção de combustível usados em motores diesel, que são submetidos à alta pressão interna, o tubo de aço também pode ser usado para a injeção de combustível em motores de gasolina do tipo de injeção direta.

O tubo de aço como um tubo de injeção de combustível da presente invenção necessita que o seu material de tubo de aço tenha uma resistência elá stica de 500 N/mm2 ou mais alta. Como descrito a cima, desde que o tubo de aço como um tubo de injeção de combustível é submetido à alta pressão interna, o material de tubo de aço deve ter um nível substancial de resistência elástica. A resistência elástica do tubo de aço como um tubo de injeção de combustível da presente invençã o é estabelecida em 500 N/mm2 ou mais alta porque a resistência elá stica neste valor é capaz de suficientemente reter a pressão aplicada no lado interno do tubo de aço do combustível pressurizado, e devido a resistência elástica de 500 N/mm2 serve como um limite ou abaixo que a forma de dano de modificações de falha de fadiga.

A forma do dano será descrita detalhadamente com referência a exemplos específicos na seção de exemplos descrita abaixo. Quando os tubos de aço têm substancialmente a mesma resistência elá stica que é igual a ou mais alta do que 500 N/mm2, o grau do limite de pressão interna varia dependendo da forma do dano. No caso onde a forma do dano se origina em uma inclusão, o limite de pressão interna não aumenta relativamente à resistência elá stica. A presente invenção pode aumentar o limite de pressão interna relativamente à resistência elá stica satisfazendo outras exigências.

No tubo de aço como um tubo de injeção de combustível da presente invenção, o diâmetro máximo de inclusões não metálicas na proximidade da superfície interna do tubo de aço deve estar dentro de 20 μm. O termo inclusão não metá lica é uma inclusão definida por 3131 no "Glossary of Terms Used in Iron and Steel" de JIS G0202. A precipitação da inclusão não metá lica é determinada pela composição do tubo de aço e o método de produção, e a presença de precipitação pode ser confirmada pelo método do ensaio microscopio da inclusão não metálica no aço especificado em JIS G 05555 depois de cortar o tubo de aço para obter uma seção transversal e poli-lo, a superfície polida é observada com um microscópio óíco.

No tubo de aço como um tubo de injeção de combustível da presente invenção, o diâ metro má ximo, que é o diâ metro da maior inclusão não metá Iica entre as numerosas inclusões não metá licas precipitadas, deve ser 20 μm ou menos.

Isto é porque quando este diâ metro má ximo excede 20 μm, a forma das modificações de falha de fadiga para que a inclusão não metá Iica com o diâ metro má ximo que excede 20 μτη fique no ponto de partida da falha de fadiga, que diminui a resistência de fadiga, em outras palavras, o limite de pressão interna.

Desde que as inclusões não metálicas não são sempre na forma esférica, o diâ metro má ximo das inclusões não metá licas é definido como (L + S)/2 onde L denota o comprimento da inclusão equivalente ao diâ metro longitudinal, e S denota o comprimento da inclusão equivalente ao diâ metro mais curto. O diâmetro má ximo das inclusões não metá licas deve ser 20 μτη ou menos em pelo menos uma região que se estende da superfície interna do tubo de aço, que é submetido à alta pressão, a uma profundidade de 20 μτη. Fora da região, uma inclusão não metá Iica com um diâ metro má ximo que excede 20 μτη não se tornará o ponto de partida da falha de fadiga.

Para reduzir o diâ metro má ximo de inclusões do tipo A, S contido no tubo de aço pode ser estabelecido em 0,01 % ou menos em massa. Para reduzir o diâ metro má ximo de inclusões do tipo B, a á rea de seção transversal da parte que é fundida pode ser aumentada. Isto é porque durante a fundição antes da solidificação, grandes inclusões são retiradas. A á rea de seção transversal da peça fundida é preferivelmente 200000 mm2 ou mais.

Para reduzir o diâ metro má ximo de inclusões tipo C, o teor de Ca no tubo de aço pode ser diminuído. Com esta finalidade, O teor de Ca no tubo de aço como um tubo de injeção de combustível da presente invenção é 0,001 % ou menos em massa. Desde que Ca tem o efeito de coagular as inclusões do tipo C, a restrição do teor de Ca impede que as inclusões do tipo C aumentem, o que ajuda a evitar os efeitos adversos das inclusões do tipo C.

Mesmo que um tipo A, tipo B, ou tipo C seja considerado, a redução da velocidade de arremesso (p. ex., para fundição contínua, uma velocidade de fundição de 0,5 m/minuto) suspende as inclusões não metá licas de peso leve como escória no aço para que as párias inclusões não metá licas possam ser reduzidas no aço.

O tubo de aço como um tubo de injeção de combustível da presente invenção contém C, Si, e Mn. O seguinte descreve a operação e razão da limitação do teor desses elementos no tubo de aço como um tubo de injeção de combustível da presente invenção. Na descrição seguinte, "%" para teor de componente significa "% em massa".

C: 0,12 a 0,27%

C é preferível para melhorar a resistência do material do tubo de aço. A melhoria da resistência necessita um teor de C de 0,12 % ou mais. Contudo, quando o teor de C excede 0,27 %, a capacidade de ser manuseado declina e a moldagem do tubo de aço se torna difícil. O teor de C é mais preferivelmente 0,12 a 0,2 %.

Si: 0,05 a 0,40 %

Si é preferível para desoxidar o material de tubo de aço. Para assegurar o efeito desoxidante é necessá rio um teor de Si de 0,05 % ou mais.

Contudo, quando o teor de Si excede 0,40 %, a dureza pode se deteriorar

Mn: 0,8 a 2,0 %

O Mn é preferível para melhorar a resistência do material do tubo de aço. A melhoria da resistência necessita de um teor de Mn de 0,8 % ou mais. Contudo, um teor de Mn de 2,0 % excessivo promove a segregação e à s vezes causa que a dureza se deteriore.

A composição de um tubo de aço da presente invenção também inclui balanço Fe e impurezas além dos elementos precedentes. Contudo, Ca nas impurezas deve ser de 0,001 % ou menos, como descrito a cima, e P e S devem ser restringidos como descrito abaixo.

P: 0.02 % ou menos, 5-0.01 % ou menos

Tanto P como S são elementos de impureza que adversamente afetam capacidade de manuseio a quente e a dureza, e por isso o teor de P e o teor de S são preferivelmente tão baixos quanto possíveis no aço. Quando o teor de P excede 0,02 % ou o teor de S excede 0,01 %, a deterioração da capacidade de manuseio a quente e a dureza é notá vel.

Outro tubo de aço da presente invenção contém pelo menos um selecionado dos componentes descritos abaixo além do precedente dos componentes anteriores.

Cr: 1 % ou menos

O Cr não é essencial mas preferível por causa dos seus efeitos de melhorar a resistência de abrasão e temperabilidade. Para obter esses efeitos, os teores de Cr são preferivelmente 0,3 % ou mais. Contudo, quando o teor de Cr excede 1 %, a bainita é gerada em grandes quantidades e a dureza deteriora-se.

Mo: 1 % ou menos

Semelhantemente Mo não é essencial mas preferível por causa dos seus efeitos de melhoria da dureza bem como a temperabilidade. Para se obter esses efeitos, o teor de Mo é preferivelmente 0,03 % ou mais. Contudo, quando o teor de Mo excede 1 %, a bainita é gerada em grandes quantidades e a dureza deteriora-se.

Ti: 0,04 % ou menos

Ti não é essencial mas preferível por causa dos seus efeitos de melhorar a resistência e dureza. Para obter esses efeitos, o teor de Ti é preferivelmente 0,005 % ou mais. Contudo, quando o teor de Ti excede 0,04 %, forma inclusões de compostos de nitrogênio no tubo de aço, e a dureza deteriora-se. O teor de Ti é mais preferivelmente 0,01 a 0,04 %.

Nb: 0,04 % ou menos

Nb não é essencial mas preferível por causa dos seus efeitos de melhorar a resistência e dureza. Para obter esses efeitos, o teor de Nb é preferivelmente 0,005 % ou mais. Contudo, quando o teor de Nb excede 0,04 %, forma inclusões de compostos de nitrogênio no tubo de aço, e a dureza deteriora-se. O teor de Nb é mais preferivelmente 0,01 a 0,04 %.

V = 0.1 % ou menos V não é essencial mas preferível por causa dos seus efeitos de melhorar a resistência. Para obter este efeito, o teor de V é preferivelmente 0,01 % ou mais. Contudo, quando o teor de V excede 0,1 %, a dureza deteriora-se.

Exemplos

Para confirmar os efeitos da presente invenção, dez peças de teste com as composições químicas mostradas na Tabela 1 foram produzidas. Cada peça de teste foi continuamente fundida em uma respectiva velocidade de fundição e com uma respectiva á rea de seção transversal de fundição mostrada na Tabela 2, e submetido a laminação e perfuração de Mannesmann, laminação de alongamento que passa um moinho, e dimensionado por um redutor elá stico, assim formando a quente um tubo de 34 mm de diâ metro externo e 25 mm de diâ metro interno. Para estirar este tubo formado a quente, a extremidade do tubo foi primeiro pendurada e coberta com lubrificante. O tubo então foi estirado usando um molde e um obturador, o diâmetro do tubo foi gradualmente reduzido, a superfície interna do tubo foi girada e polida, e o processo de redução do diâ metro foi conduzido como um processo de acabamento para produzir um tubo de aço de 6,4 mm de diâ metro externo e 3,0 mm de diâmetro interno. Então, como um processo final, o tratamento com calor foi executado tal que esses tubos de aço foram transferidos para um forno de recozimento mantido em uma temperatura de 1000°C, mantido lá durante 20 minutos, e então deixado descansar para esfriar.

Tabela 1

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Tabela 1 (continuação)

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Tabela 2

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Tabela 2 (continuação)

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Parte de cada peça de teste foi cortada como uma amostra, que foi processada a um tamanho de peça de teste estipulado como peça de teste No. 11 em JIS e submetida ao teste elá stico. Esta amostra observada sob um microscquo áico em uma região correspondente a uma região que se estende do tubo de aço superfície interna a uma profundidade de 20 μm, e as inclusões precipitadas foram examinadas.

Tabela 2 mostra as resistências elá sticas das peças de ensaio e o diâ metro má ximo das inclusões. Os números na Tabela 2 correspondem à queles na Tabela 1. As peças de ensaio numeradas 1, 3, e 5 contêm mais Ca do que as peças de teste numeradas 2, 4 e 6, respectivamente. A Tabela 2 mostra que enquanto as peças numeradas 1 e 2, 3 e 4, e 5 e 6 têm substancialmente as mesmas resistências elásticas, o diâmetro máximo das inclusões do tipo C são maiores nas peças numeradas 1, 3, e 5, que têm maiores teores de Ca, do que nas peças de teste numeradas 2, 4, e 6, respectivamente. Além disso, o diâ metro má ximo de uma inclusão do tipo A são maiores na peçe numerada 9, e o diâmetro máximo das inclusões do tipo B é maior na peçe numerada 10.

Cada peça de teste foi submetida a um teste de fadiga onde a pressão foi aplicada no lado interno do tubo de aço. No teste de fadiga, a pressão interna mínima foi 18 MPa, a aplicação da pressão foi tal que a carga seguiu a forma de uma onda de seno com o tempo, e a pressão interna má xima na qual nenhuma avaria foi observada contra IO7 vezes de repetição foi assumida o limite de pressão interna. Quando uma avaria ocorreu, a peça quebrada foi observada sob um microscópio áico.

Tabela 2 mostra os limites de pressão internos das peças de teste e as condições de avaria. Também neste caso, o limite de pressão interna é menor nas peças de teste numeradas 1, 3, e 5, que têm maior teor de Ca, do que nas peças de teste numeradas 2, 4, e 6, respectivamente. Para as condições de quebra, a falha de fadiga ocorreu na superfície interna de cada tubo de aço, que foi submetido à pressão mais alta. Contudo, nas peças de teste numeradas 1, 3, e 5, diferentemente das peças de teste numeradas 2, 4, e 6, a avaria origina-se nas inclusões presentes do tipo C em uma região que se estende da superfície interna de cada tubo de aço a uma profundidade de 20 μm. Também, na peça de teste numerada 9, a falha de fadiga origina-se em umas inclusões do tipo A presente em uma região que se estende da superfície interna do tubo de aço à profundidade de 20 μm. Do mesmo modo, na peça de teste numerada 10, a falha de fadiga origina-se nas inclusões presentes do tipo B em uma região que se estende da superfície interna do tubo de aço a uma profundidade de 20 μm.

Como é claro a partir dos resultados de teste acima mencionados, entre as peças de teste com substancialmente a mesma resistência elá stica, aqueles que minimizam o diâ metro má ximo das inclusões não metá licas podem evitar o falha de fadiga que se origina nas inclusões não metá licas, por meio disso elevando o limite de pressão interna.

Aplicabilidade Industrial

O tubo de aço como um tubo de injeção de combustível da presente invenção evita falhas de fadiga que se originam nas inclusões não metálicas presentes na proximidade da superfície interna do tubo de aço, e por isso aumenta o limite de pressão interna. Por isso, a aplicação deste tubo de aço a um tubo de injeção de combustível para fornecer combustível nas câmaras de combustão de motores diesel minimizará a fadiga até em pressões de injeção de combustível substancialmente alta em câ mara de combustão.

Claims

1. Tubulação em aço como tubulação de injeção de combustível de 500 N/m2 ou resistência a tensão mais alta compreendendo em massa, C: 0,12 a 0,27%, Si: 0,05 a 0,40%, e Mn: 0,8 a 2,0%, e o balanço sendo com Fe e impurezas, o teor de Ca, P e S nas impurezas sendo: Ca: 0,001% ou menos, P: 0,02% ou menos, e S 0,01% ou menos, respectivamente, CARACTERIZADA pelo diâmetro máximo das inclusões não metálicas apresentar, pelo menos numa região que se estende da superfície interna da tubulação em aço até uma profundidade de 20 μm, 20 μm ou menos.

2. Tubulação em aço como tubulação de injeção de combustível de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA por ainda compreender, no lugar de uma porção de Fe, pelo menos um selecionado entre Cr: 1% ou menos, Mo: 1% ou menos; Ti: 0,04% ou menos, Nb: 0,04% ou menos, e V: 0,1% ou menos.