JP6485604B2 - 鉄道車輪の製造方法及び鉄道車輪 - Google Patents
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Description
Fn1=−5.0+exp(5.651−1.427×C−1.280×Si−0.7723×Mn−1.815×Cr−1.519×Al−7.798×V)・・・(1)
Fn2=0.515+exp(−24.816+24.121×C+1.210×Si+0.529×Mn+2.458×Cr−15.116×Al−5.116×V)・・・(2)
ここで、上記の式(1)及び式(2)における各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
初析セメンタイト量(本/100μm)=200μm×200μmの正方形視野の2本の対角線と交差する初析セメンタイトの本数の総和/(5.66×100μm) (A)
図1は、鉄道車輪の中心軸を含む断面図である。図1を参照して、鉄道車輪1は円盤状であり、ボス部2と、板部3とリム部4とを備える。ボス部2は円筒状であり、鉄道車輪1の中央部に配置される。ボス部2は貫通孔21を有する。貫通孔21の中心軸は、鉄道車輪1の中心軸と一致する。貫通孔21には、図示しない車軸が挿入される。ボス部2の厚さT2は、板部3の厚さT3よりも厚い。リム部4は、鉄道車輪1の外周の縁部に形成されている。リム部4は、踏面41と、フランジ42とを含む。踏面41は、フランジ42と繋がっている。鉄道車輪1の使用時において、踏面41及びフランジ42の表面はレール表面と接触する。リム部4の厚さT4は、板部3の厚さT3よりも厚い。板部3は、ボス部2とリム部4との間に配置される。板部3の内周縁部はボス部2とつながっており、板部3の外周縁部はリム部4とつながっている。板部3の厚さT3は、ボス部2の厚さT2及びリム部4の厚さT4よりも薄い。
図2は、西原式摩耗試験の結果に基づく、鉄道車輪のビッカース硬さと鉄道車輪の摩耗量との関係を示す図である。図2は次の実験により得られた。表1に示す化学組成を有するインゴットから、直径40mmの丸棒を製造した。
上述のとおり、鉄道車輪は、鉄道車輪の中間品に対して熱処理(踏面焼入れ)を実施して製造される。耐摩耗性は、鉄道車輪においてレールと接触し得る、踏面及びフランジに要求される。したがって、従来の鉄道車輪の製造工程中の中間品に対する熱処理においては、踏面直下の表層及びフランジの表層に微細なパーライト組織を形成するために、鉄道車輪の中間品のリム部の踏面及びフランジに対して冷却媒体(水、又は水と空気の混合流体)を噴き付けて、踏面及びフランジを急冷していた。一方、従来の熱処理では、鉄道車輪の踏面及びフランジ表面以外の表面(ボス部の表面、板部の表面及びリム部の側面)に対しては、冷却媒体を吹き付けず、放冷を実施していた。上述のとおり、耐摩耗性が要求されるのはリム部の踏面及びフランジ表面であり、鉄道車輪のうちの踏面及びフランジ表面以外の表面(ボス部表面、板部表面及びリム部の側面)には耐摩耗性が要求されないからである。
Fn1=−5.0+exp(5.651−1.427×C−1.280×Si−0.7723×Mn−1.815×Cr−1.519×Al−7.798×V)・・・(1)
Fn2=0.515+exp(−24.816+24.121×C+1.210×Si+0.529×Mn+2.458×Cr−15.116×Al−5.116×V)・・・(2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。なお、800〜500℃は、パーライト及び初析セメンタイトが生成する温度域である。
Fn1=−5.0+exp(5.651−1.427×C−1.280×Si−0.7723×Mn−1.815×Cr−1.519×Al−7.798×V)・・・(1)
Fn2=0.515+exp(−24.816+24.121×C+1.210×Si+0.529×Mn+2.458×Cr−15.116×Al−5.116×V)・・・(2)
ここで、上記の式(1)及び式(2)における各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
初析セメンタイト量(本/100μm)=200μm×200μmの正方形視野の2本の対角線と交差する初析セメンタイトの本数の総和/(5.66×100μm) (A)
本実施形態の鉄道車輪はたとえば、図1に示すとおり、ボス部2と、板部3と、踏面41及びフランジ42を含むリム部4を備えた形状を有する。本実施形態の鉄道車輪の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は、鋼の硬度を高め、耐摩耗性を高める。C含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、C含有量が高すぎれば、旧オーステナイト粒界に初析セメンタイトが析出し、鋼の延性、靭性及び疲労寿命が低下する。したがって、C含有量は0.80〜1.15%である。C含有量の好ましい下限は0.85%であり、さらに好ましくは0.86%であり、さらに好ましくは0.87%であり、さらに好ましくは0.90%である。C含有量の好ましい上限は1.05%であり、さらに好ましくは1.00%である。
シリコン(Si)は、不可避に含有される。つまり、Si含有量は0%超である。Siは、フェライトを固溶強化して鋼の硬度を高める。しかしながら、Si含有量が高すぎれば、初析セメンタイトが生成しやすくなる。Si含有量が高すぎればさらに、鋼の焼入れ性が高くなりすぎ、マルテンサイトが生成しやすくなる。さらに、鉄道車輪として使用中に、ブレーキとの間に発生する摩擦熱により焼きが入り、鋼の耐き裂性が低下する場合がある。したがって、Si含有量は1.00%以下である。Si含有量の好ましい上限は0.80%であり、さらに好ましくは0.65%であり、さらに好ましくは0.45%であり、さらに好ましくは0.35%である。Si含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.20%である。
マンガン(Mn)はフェライトを固溶強化して鋼の硬度を高める。Mnはさらに、MnSを形成し、鋼の被削性を高める。Mn含有量が低すぎれば、これらの効果は得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、鋼の焼入れ性が高くなりすぎ、マルテンサイトが生成しやすくなる。さらに、鉄道車輪として使用中に、ブレーキとの間に発生する摩擦熱により焼きが入り、鋼の耐き裂性が低下する場合がある。したがって、Mn含有量は0.10〜1.25%である。Mn含有量の好ましい下限は0.50%であり、さらに好ましくは0.60%であり、さらに好ましくは0.70%である。Mn含有量の好ましい上限は1.00%であり、さらに好ましくは0.82%である。
りん(P)は、不可避に含有される不純物である。つまり、P含有量は0%超である。Pは粒界に偏析して鋼の靭性を低下する。したがって、P含有量は0.050%以下である。P含有量の好ましい上限は0.030%であり、さらに好ましくは0.020%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、P含有量を過剰に低減しようとすれば、精錬コストが過剰に高くなる。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、P含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0005%である。
硫黄(S)は不可避に含有される。つまり、S含有量は0%超である。Sを積極的に含有させる場合、SはMnSを形成して鋼の被削性を高める。しかしながら、Sは鋼の靱性を低下する。したがって、S含有量は0.030%以下である。S含有量の好ましい上限は0.020%である。被削性向上の効果を得る場合のS含有量の好ましい下限は、0.001%であり、さらに好ましくは0.005%である。
アルミニウム(Al)は、C含有量が0.80%以上の本実施形態の鉄道車輪の化学組成において、初析セメンタイトの生成を抑制し、鋼の靱性を高める。Alはさらに、Nと結合してAlNを形成し、結晶粒を微細化する。結晶粒が微細化することにより、鋼の靭性が高まる。Al含有量が低すぎればこれらの効果が得られない。一方、Al含有量が高すぎれば、粗大な非金属介在物が増加して、鋼の靭性が低下する。したがって、Al含有量は0.025〜0.650%である。Al含有量の好ましい下限は0.030%であり、さらに好ましくは0.040%であり、さらに好ましくは0.050%である。Al含有量の好ましい上限は0.450%であり、さらに好ましくは0.350%であり、さらに好ましくは0.250%であり、さらに好ましくは0.115%である。本明細書でいうAl含有量は、酸可溶Al(sol.Al)の含有量を意味する。
窒素(N)は、Alと結合してAlNを形成し、結晶粒を微細化する。結晶粒が微細化することにより、鋼の靭性を高める。N含有量が低すぎればこの効果が得られない。一方、N含有量が高すぎれば、その効果が飽和する。したがって、N含有量は0.0030〜0.0200%である。N含有量の好ましい下限は、0.0035%であり、さらに好ましくは0.0040%である。N含有量の好ましい上限は、0.0100%であり、さらに好ましくは0.0080%である。
クロム(Cr)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Cr含有量は0%であってもよい。含有される場合、Crは、パーライトのラメラ間隔を減少させることにより、パーライトの硬度を顕著に増大させる。しかしながら、Cr含有量が高すぎれば、初析セメンタイトが生成しやすくなる。Cr含有量が高すぎればさらに、焼入れ性が高くなり、マルテンサイトが生成しやすくなる。したがって、Cr含有量は0〜0.60%である。Cr含有量の好ましい上限は0.30%であり、好ましくは0.25%であり、さらに好ましくは0.10%である。パーライトのラメラ間隔減少の効果を得る場合のCr含有量の好ましい下限は0.02%である。
バナジウム(V)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、V含有量は0%であってもよい。含有される場合、Vは、炭化物、窒化物、及び炭窒化物のいずれかを形成して、鋼を析出強化する。その結果、鉄道車輪の硬さが顕著に増大して、耐摩耗性をさらに高める。しかしながら、V含有量が高すぎれば、焼入れ性が高くなり、踏面焼入れ後の焼入れ層の厚さが過剰に増大する。したがって、V含有量は0〜0.12%である。V含有量の好ましい上限は0.09%である。V含有量の好ましい下限は0.02%であり、さらに好ましくは0.03%である。
上述の鉄道車輪の製造方法を説明する。本実施形態による鉄道車輪の製造方法は、熱処理工程を含む。熱処理工程は、加熱工程と、冷却工程とを備える。
加熱工程では、初めに上述の化学組成を有し、ボス部、板部及びリム部を備える鉄道車輪の粗形状を有する中間品を準備する。中間品はたとえば、次の方法で製造される。
加熱された中間品に対して、冷却工程を実施する。この冷却工程により、鉄道車輪の中間品のうち踏面直下の表層及びフランジの表層のミクロ組織を、耐摩耗性が高い微細パーライト組織とする。踏面直下の表層及びフランジの表層においては、微細パーライトの上層に焼入れ層(マルテンサイト及び/又はベイナイトからなる層)が多少生成しても構わない。この場合には、その後の工程で切削加工を行い焼入れ層を除去する。一方、中間品のうち踏面及びフランジ表面以外の表面では、ミクロ組織中に焼入れ層が生成するのを抑制する。そして、ミクロ組織を実質的にパーライト組織(パーライトが面積率で95%以上)とする。ここで、中間品のうち、踏面及びフランジ表面以外の表面とは、板部の表面、ボス部の表面、及び、リム部の踏面及びフランジ表面以外の表面を意味する。中間品のうち踏面及びフランジ表面以外の表面において、焼入れ層が生成するのを抑制するのは、中間品のうち、踏面及びフランジ表面以外の表面においては、生成した焼入れ層を切削加工することが困難なためである。
(A)中間品のうち踏面及びフランジ表面以外の表面、すなわちボス部表面、板部表面及びリム部側面(踏面及びフランジ表面以外のリム部表面)の800〜500℃における冷却速度がFn1℃/秒以下となるように、中間品を冷却する。
(B)中間品のうち、800〜500℃における冷却速度が最も遅くなる領域、すなわち、ボス部内部、板部内部及びリム部内部において冷却速度が最も遅くなる領域(以下、最遅領域という)での冷却速度がFn2℃/秒以上となるように、中間品を冷却する。
(C)中間品のうち踏面及びフランジ表面の800〜500℃における冷却速度がFn2℃/秒以上となるように、中間品を冷却する。
冷却工程後の中間品に対して、必要に応じて焼戻しを実施する。焼戻しは周知の温度及び時間で行えば足りる。焼戻し温度はAc1変態点以下である。焼戻し温度はたとえば、400〜600℃であり、焼戻し温度での保持時間はたとえば、60〜180分である。ただし、焼戻し温度及び保持時間はこれに限定されない。焼戻しは実施しなくてもよい。
熱処理工程(加熱工程及び冷却工程)後の中間品の踏面41の直下の表層及びフランジ42の表層には微細パーライトが形成されるものの、微細パーライトの上層には焼入れ層が形成される場合がある。鉄道車輪の使用において、焼入れ層の耐摩耗性は低い。そのため、本工程において、切削加工により踏面41の直下の表層及びフランジ42の表層の焼入れ層を除去する。切削加工は周知の方法で行えば足りる。
上述の製造方法により製造された鉄道車輪のミクロ組織は、次のとおりである。踏面直下の表層及びフランジの表層部分の組織は、パーライト組織である。初析セメンタイト量は、1.0本/100μm以下である。ボス部、板部、リム部のうちの踏面及びフランジ以外の部分のミクロ組織は、実質的にパーライトからなる。つまり、面積率の95%以上がパーライトである。さらに、初析セメンタイト量は、1.0本/100μm以下である。
初析セメンタイト量(本/100μm)=200μm×200μmの正方形視野の2本の対角線と交差する初析セメンタイトの本数の総和/(5.66×100μm) (A)
鋼番号1〜鋼番号18の直径40mmの丸棒から、直径25mm、長さ100mmのジョミニ試験片を作製した。具体的には、旋盤加工により、直径40mmの丸棒を直径25mmの棒鋼とした。その後、100mmの長さで丸棒を切断して、ジョミニ試験片を作製した。
水冷端からの各距離におけるミクロ組織観察は、次の方法で実施した。ジョミニ試験片の水冷端からの各距離にて、HRC測定を行ったサンプル側面の測定面を観察面として、機械研磨により鏡面仕上げした後、観察面をピクリン酸と水酸化ナトリウムとの混合液で腐食した。腐食後の観察面内の任意の1視野(200μm×200μm)に対して、500倍の光学顕微鏡を用いて写真画像を生成した。観察面において、旧オーステナイト粒界に生成した初析セメンタイトは黒色を呈するため、初析セメンタイトの生成有無が特定できた。
上記のジョミニ試験片を用いて、ジョミニ式一端焼入れ試験では再現できない、低冷速での連続冷却試験を実施した。熱処理には富士電波工機製のフォーマスタ試験機を使用した。鋼番号1〜鋼番号18の直径40mmの丸棒から、直径3mm、長さ10mmの試験片を各鋼番号につき1個ずつ用意した。試験片を950℃で5分間均熱した。その後、一定の冷却速度1.0℃/秒で冷却した。冷却後の試験片に対して、上述の方法により、初析セメンタイト量(本/100μm)を算出した。
結果を表4に示す。表4中において、水冷端からの距離に対応した欄の「●」印は、その距離における組織が焼入れ層(マルテンサイト及び/又はベイナイト)であったことを示す。また、水冷端からの距離に対応した欄の「○」印は、その距離における組織が実質的にパーライトからなり(面積率で95%以上がパーライトであり)、マルテンサイト又はベイナイトが確認されず、初析セメンタイトも確認されなかったことを示す。水冷端からの距離に対応した欄の「数値」は、組織が実質的にパーライトからなり(面積率で95%以上がパーライトであり)、その距離における初析セメンタイトの100μmあたりの本数を示す。また、表4中の各鋼番号においては、冷却速度(℃/秒)が式(1)で定義されるFn1以下であり、式(2)で定義されるFn2以上である範囲をグレーで色づけした。表4を参照して、グレーで色づけされた冷却速度の範囲では、焼入れ層が生成せず、かつ、初析セメンタイト量が1.0本/100μm以下であった。
冷却後の各試験番号(9−1〜9−4)の丸棒の中央部から、ミクロ組織観察用のサンプルを採取した。サンプルの観察面は、丸棒の中心軸に対して垂直な面とした。機械研磨により観察面を鏡面仕上げした後、観察面をピクリン酸と水酸化ナトリウムとの混合液で腐食した。腐食後の観察面内の任意の1視野(200μm×200μm)に対して、500倍の光学顕微鏡を用いて写真画像を生成した。観察面において、旧オーステナイト粒界に生成した初析セメンタイトは黒色を呈するため、初析セメンタイトの生成有無が特定できた。また、実施例1と同じ方法により、パーライト面積率を求めた。その結果、いずれの試験番号においても、パーライト面積率が95%以上であった。
各試験番号(9−1〜9−4)の丸棒から、シャルピー試験片(10mm×10mm×55mm)を作製した。シャルピー試験片の中心軸は、丸棒の中心軸と一致した。シャルピー試験片を用いて、JIS Z 2242(2005)に準拠したシャルピー衝撃試験を室温(25℃)にて実施した。
試験結果を表5に示す。表5を参照して、冷却速度がFn2以上(3.4)の場合(鋼番号9−1)、初析セメンタイト量は1.0本/100μm以下であった。そのため、シャルピー衝撃値が20.0J/cm2以上と高く、十分な靱性が得られた。一方、冷却速度がFn2未満の場合(鋼番号9−2〜9−4)、シャルピー衝撃値は20.0J/cm2未満と低かった。
2 ボス部
3 板部
4 リム部
10 冷却装置
Claims (5)
- 質量%で、
C:0.80〜1.15%、
Si:1.00%以下、
Mn:0.10〜1.25%、
P:0.050%以下、
S:0.030%以下、
Al:0.025〜0.650%、
N:0.0030〜0.0200%、
Cr:0〜0.60%、及び、
V:0〜0.12%、
を含有し、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有し、
ボス部と、
踏面及びフランジを含むリム部と、
前記ボス部と前記リム部との間に配置される板部とを備える、鉄道車輪の中間品をAcm変態点以上に加熱する加熱工程と、
加熱された前記中間品を冷却する冷却工程とを備え、
前記冷却工程では、前記中間品において前記踏面及びフランジ表面以外の表面の800〜500℃における冷却速度が式(1)で定義されるFn1℃/秒以下であり、前記中間品において冷却速度が最も遅くなる領域での800〜500℃における冷却速度が式(2)で定義されるFn2℃/秒以上であり、前記踏面及びフランジ表面での800〜500℃における冷却速度がFn2℃/秒以上となるように、前記中間品を冷却して、
前記ボス部のミクロ組織において、パーライトの面積率は95%以上であり、式(A)で定義される初析セメンタイト量は1.0本/100μm以下であり、
前記板部のミクロ組織において、パーライトの面積率は95%以上であり、式(A)で定義される初析セメンタイト量は1.0本/100μm以下であり、
前記リム部のミクロ組織において、パーライトの面積率は95%以上であり、式(A)で定義される初析セメンタイト量は1.0本/100μm以下である前記鉄道車輪を製造する、
鉄道車輪の製造方法。
Fn1=−5.0+exp(5.651−1.427×C−1.280×Si−0.7723×Mn−1.815×Cr−1.519×Al−7.798×V)・・・(1)
Fn2=0.515+exp(−24.816+24.121×C+1.210×Si+0.529×Mn+2.458×Cr−15.116×Al−5.116×V)・・・(2)
初析セメンタイト量(本/100μm)=200μm×200μmの正方形視野の2本の対角線と交差する初析セメンタイトの本数の総和/(5.66×100μm) (A)
ここで、上記の式(1)及び式(2)における各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。 - 請求項1に記載の鉄道車輪の製造方法であって、
前記冷却工程ではさらに、前記踏面及びフランジ表面での800〜500℃における冷却速度がFn2℃/秒以上かつ5℃/秒以上であり、200℃/秒以下となるように、前記中間品を冷却する、
鉄道車輪の製造方法。 - 請求項1又は請求項2に記載の鉄道車輪の製造方法であって、
前記化学組成は、
Cr:0.02〜0.60%、及び、
V:0.02〜0.12%、
からなる群から選択される1種以上を含有する、
鉄道車輪の製造方法。 - 質量%で、
C:0.80〜1.15%、
Si:1.00%以下、
Mn:0.10〜1.25%、
P:0.050%以下、
S:0.030%以下、
Al:0.025〜0.650%、
N:0.0030〜0.0200%、
Cr:0〜0.60%、及び、
V:0〜0.12%、
を含有し、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有し、
ボス部と、
踏面及びフランジを含むリム部と、
前記ボス部と前記リム部との間に配置される板部とを備え、
前記ボス部のミクロ組織において、パーライトの面積率は95%以上であり、式(A)で定義される初析セメンタイト量は1.0本/100μm以下であり、
前記板部のミクロ組織において、パーライトの面積率は95%以上であり、式(A)で定義される初析セメンタイト量は1.0本/100μm以下であり、
前記リム部のミクロ組織において、パーライトの面積率は95%以上であり、式(A)で定義される初析セメンタイト量は1.0本/100μm以下である、
鉄道車輪。
初析セメンタイト量(本/100μm)=200μm×200μmの正方形視野の2本の対角線と交差する初析セメンタイトの本数の総和/(5.66×100μm) (A) - 請求項4に記載の鉄道車輪であって、
前記化学組成は、
Cr:0.02〜0.60%、及び、
V:0.02〜0.12%、
からなる群から選択される1種以上を含有する、
鉄道車輪。
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