JP7410973B2 - 鉄道車輪の再生用溶接部材およびこれを用いた鉄道車輪の再生方法 - Google Patents
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Description
図3(a)は、既存の鉄道車輪の金属組織であるパーライト(pearlite)金属組織を示す写真であり、図3(b)は、マルテンサイト(martensite)とベイナイト(bainite)の金属組織が混在していることを示す写真である。両金属組織の差は、主に化学記号Fe3Cで表すセメンタイト(cementite)と呼ばれる鉄と炭素化合物(炭化物)の形態に始まる。炭化物は、マルテンサイト(martensite)が混在しているベイナイト組織(b)では粒状に分散しているが、パーライト組織(a)では板状の層状に配列されていることが分かる。
また、本発明による鉄道車輪の再生方法によれば、損傷が発生した鉄道車輪を元の大きさに肉盛させ、表面硬化層を形成し、第2溶接部材の組成を変更し、予熱処理と後熱処理のプロセスを調整して、既存のパーライト金属組織をベイナイト金属組織に変更させることにより、再生された鉄道車輪の損傷発生を最小化できるというメリットがある。
以下、図面を参照して、本発明を詳しく説明する。
図4を参照すれば、本発明による鉄道車輪の再生方法は、鉄道車輪肉盛ステップS200と、表面硬化層形成ステップS300とを含む。
前記第1溶接部材が前記摩耗した鉄道車輪の炭素含有量より少ない量の炭素を添加する場合、溶接中の摩耗した鉄道車輪への炭素の注入を防ぐことができるというメリットがある。もし、前記第1溶接部材が炭素を0.05重量%未満で含む場合には、強度が低下する問題点があり、前記第1溶接部材が炭素を0.15重量%超過で含む場合には、溶接中に車輪に炭素が注入されることがあり、脆性が生じる問題点がある。
前記第1溶接部材が前記摩耗した鉄道車輪のシリコン含有量より少ない量のシリコンを添加する場合、溶接の作業性を高め、ビーズ(bead、溶接作業で母材と溶接棒が溶けて生じた帯状の長めの波形の溶着痕)の形状、大きさ、連続性を良くすることができる。もし、前記第1溶接部材がシリコンを0.2重量%未満で含む場合には、硬度が低下する問題点があり、前記第1溶接部材がシリコンを1.0重量%超過で含む場合には、作業性の低下およびビーズの形状、大きさ、連続性が良くない問題点がある。
前記第1溶接部材が前記摩耗した鉄道車輪のマンガン含有量より過剰のマンガンを添加する場合、溶接時、ビーズの形状を広げるようにして溶接が緻密に行われるようにできる。もし、前記第1溶接部材がマンガンを1.0重量%未満で含む場合には、脱酸剤として作用できない問題点があり、前記第1溶接部材がマンガンを2.0重量%超過で含む場合には、ビーズが広がらない問題点がある。
前記第1溶接部材が前記摩耗した鉄道車輪のクロム含有量より過剰に添加する場合には、溶接された車輪の強度を高めることができる。この時、車輪自体の場合、高い炭素含有量が強度を高めるのに対し、溶材の場合、低炭素で設計されるので、強度を高めるために、クロムを過剰に添加することができる。もし、前記第1溶接部材がクロムを0.6重量%未満で含む場合には、溶接された車輪の強度が低下する問題点があり、前記第1溶接部材がクロムを1.2重量%超過で含む場合には、むしろ強度が低下する問題点がある。
前記表面硬化層形成ステップS300は、前記鉄道車輪肉盛ステップS200で肉盛された鉄道車輪を第2溶接部材で溶接して表面硬化層を形成するステップである。具体的には、前記鉄道車輪肉盛ステップS200で大きさが肉付けされた鉄道車輪に、前記第2溶接部材で表面を硬化して鉄道のレールよりは硬度が低く、既存に再生された鉄道車輪よりは硬度が高い表面硬化層を形成するステップである。
前記第2溶接部材が前記第1溶接部材の炭素含有量より多い量の炭素を添加する場合、硬度が高くて車輪の表面を硬化することができる。もし、前記第2溶接部材が炭素を0.1重量%未満で含む場合には、強度が低下する問題点があり、前記第2溶接部材が炭素を0.25重量%超過で含む場合には、脆性が生じる問題点がある。
前記第2溶接部材が前記摩耗した鉄道車輪のシリコン含有量より少ない量のシリコンを添加する場合、溶接の作業性を高め、ビーズの形状、大きさ、連続性を良くすることができる。もし、前記第2溶接部材がシリコンを1.0重量%未満で含む場合には、硬度が低下する問題点があり、前記第2溶接部材がシリコンを2.0重量%超過で含む場合には、作業性の低下およびビーズの形状、大きさ、連続性が良くない問題点がある。
前記第2溶接部材が前記摩耗した鉄道車輪のマンガン含有量より多量のマンガンを添加する場合、溶接時、ビーズの形状を広げるようにして溶接が緻密に行われるようにできる。前記第2溶接部材がマンガンを2.2重量%未満で含む場合には、脱酸剤として作用できない問題点があり、前記第2溶接部材がマンガンを3.3重量%超過で含む場合には、ビーズが広がらない問題点がある。
前記第2溶接部材がニッケルを含むことにより、溶接された鉄道車輪の強度および硬度が向上できる。
前記第2溶接部材が前記摩耗した鉄道車輪のクロム含有量より過剰に添加する場合には、溶接された車輪の強度を高めることができる。この時、車輪自体の場合、高い炭素含有量が強度を高めるのに対し、溶材の場合、低炭素で設計されるので、強度を高めるために、クロムを過剰に添加することができる。もし、前記第2溶接部材がクロムを0.85重量%未満で含む場合には、溶接された車輪の強度が低下する問題点がある。クロム含有量が2.45重量%を超える場合、クロムの高い価格によって費用が上昇する問題点がある。
モリブデン(Mo)は、ベイナイト組織生成のための臨界冷却速度を減少させ、析出硬化に寄与する。前記第2溶接部材がモリブデン(Mo)を0.01重量%未満で含む場合には、溶接時、瞬間的に3000℃に近づく場合に、高温での耐摩耗性が十分でない問題点があり、前記第2溶接部材がモリブデンを0.4重量%超過で含む場合には、モリブデンの高い価格によって費用が上昇する問題点がある。
チタン(Ti)は、析出硬化に寄与し、粒子サイズを微細化する機能をするもので、0.01重量%未満で含む場合、析出硬化および粒子サイズ微細化の効果が大きくなく、0.05重量%を超える場合、析出硬化の効果が大きくないだけでなく、チタン(Ti)の高い価格によって費用が上昇する問題点がある。
バナジウム(V)は、析出硬化に寄与するために圧延鉄鋼製品に添加される成分であり、0.03重量%未満で含む場合、強度向上の効果を得ることができず、0.10重量%を超える場合、析出硬化の効果が大きくないだけでなく、バナジウム(V)の高い価格によって費用が上昇する問題点がある。
ニオブ(Nb)は、結晶粒の微細化と再結晶の温度を高めることにより、強度を増加させる機能をする。前記ニオブ(Nb)を0.01重量%未満で含む場合、強度向上の効果を得ることができず、0.10重量%を超える場合、結晶粒の微細化および強度向上の効果が大きくないだけでなく、ニオブ(Nb)の高い価格によって費用が上昇する問題点がある。
前記第2溶接部材の組成をこのように変更することにより、鉄道車輪の鉄鋼組織をパーライト(pearlite)組織からベイナイト(bainite)組織に変化させることができ、これにより、スポーリング(spalling)およびシェリング(shelling)のような鉄道車両の車輪の損傷を防止することができる。
もし、前記鉄道車輪の予熱を250℃未満の温度で行う場合には、溶融接合が容易な効果および溶接後の残留応力の軽減効果が低下し、溶接後、亀裂などの不良が発生する問題点があり、前記鉄道車輪の予熱を300℃を超える温度で行う場合には、前記範囲内での予熱による効果を十分に得ることができるため、温度を上昇させるための費用が増加する問題点がある。
<実施例1>
ステップ1:直径が820mm、フランジ(Flange)が23mmの場合であり、炭素(C)0.66重量%、シリコン(Si)0.22重量%、マンガン(Mn)0.72重量%、不可避不純物および残部鉄を組成とする摩耗した鉄道車輪を、溶接トーチに垂直となるように装着した。前記摩耗した鉄道車輪の亀裂の有無および摩耗量を検査して溶接を行えるか否かと、溶接を行う程度を決定した。
ステップ1:他の条件は実施例1と同一であり、前記摩耗した鉄道車輪は、炭素(C)0.7重量%、シリコン(Si)0.25重量%、マンガン(Mn)0.7重量%、クロム(Cr)0.17重量%、不可避不純物および残部鉄を含む組成であり、第1溶接部材は、炭素(C)0.77重量%、シリコン(Si)0.5重量%、マンガン(Mn)1.1重量%、クロム(Cr)0.9重量%、不可避不純物および残部鉄を含む組成として、実験を行った。
ステップ1:他の条件は実施例1と同一であり、前記摩耗した鉄道車輪は、炭素(C)0.06重量%、シリコン(Si)0.4重量%、マンガン(Mn)1.0重量%、クロム(Cr)0.8重量%、不可避不純物および残部鉄を含む組成として、実験を行った。
ステップ1:他の条件は実施例1と同一であり、第1溶接部材が炭素(C)0.09重量%、シリコン(Si)0.8重量%、マンガン(Mn)1.5重量%、クロム(Cr)1.0重量%、不可避不純物および残部鉄を含む組成として、実験を行った。
前記実施例1で製造された摩耗した鉄道車輪の再生過程を観察し、その結果を図5~図7に示した。
図1に示すように、摩耗した鉄道車輪は、長期間レールとの接触によって相当量の摩耗が発生した状態である。
このように、前記実施例の再生方法により車輪が再生されることを確認することができた。
Claims (5)
- 摩耗した鉄道車輪を再生するために前記摩耗した鉄道車輪を肉盛した後、前記肉盛された鉄道車輪を溶接して表面硬化層を形成するのに用いられる溶接部材において、
前記溶接部材が、炭素(C)0.1~0.25重量%、シリコン(Si)1.0~2.0重量%、マンガン(Mn)2.2~3.3重量%、ニッケル(Ni)0.45~0.65重量%、クロム(Cr)0.85~2.45重量%、モリブデン(Mo)0.01~0.4重量%、チタン(Ti)0.01~0.05重量%、バナジウム(V)0.03~0.10重量%、ニオブ(Nb)0.01~0.10重量%、不可避不純物および残部鉄からなることを特徴とする鉄道車輪の再生用溶接部材。 - 摩耗した鉄道車輪を第1溶接部材で溶接して肉盛する鉄道車輪肉盛ステップと、
前記肉盛された鉄道車輪を第2溶接部材で溶接して表面硬化層を形成する表面硬化層形成ステップと、を含み、
前記第1溶接部材が、炭素0.05~0.15重量%、シリコン0.2~1.0重量%、マンガン1.0~2.0重量%、クロム0.6~1.2重量%、不可避不純物および残部鉄からなり、
前記第2溶接部材が、炭素(C)0.1~0.25重量%、シリコン(Si)1.0~2.0重量%、マンガン(Mn)2.2~3.3重量%、ニッケル(Ni)0.45~0.65重量%、クロム(Cr)0.85~2.45重量%、モリブデン(Mo)0.01~0.4重量%、チタン(Ti)0.01~0.05重量%、バナジウム(V)0.03~0.10重量%、ニオブ(Nb)0.01~0.10重量%、不可避不純物および残部鉄からなり、
前記鉄道車輪が、貨車、客車、都市鉄道および地下鉄のいずれか1つの車輪であり、
前記鉄道車輪肉盛ステップの前に、前記摩耗した鉄道車輪を予熱する鉄道車輪予熱ステップ、をさらに含み、
前記鉄道車輪予熱ステップが、250~300℃の温度範囲で行われ、
前記表面硬化層形成ステップの後、前記溶接された車輪を後熱処理する鉄道車輪後熱処理ステップ、をさらに含み、
前記鉄道車輪後熱処理ステップが、240~260℃の温度範囲で4時間行われ、
前記鉄道車輪後熱処理ステップが、
240~260℃の温度範囲で4時間後熱処理を行った後、260℃の温度で時間あたり40℃の速度で4時間徐々に冷却して100℃まで冷却させるステップと、
大気上で100℃以下の温度を維持しながら徐々に冷却させるステップと、をさらに含むことを特徴とする鉄道車輪の再生方法。 - 前記鉄道車輪肉盛ステップおよび前記表面硬化層形成ステップにおける前記溶接が、ガスシールド溶接、オープンアーク溶接、サブマージドアーク溶接および自動溶接のいずれか1つの方法で行われることを特徴とする請求項2に記載の鉄道車輪の再生方法。
- 前記鉄道車輪後熱処理ステップの後、前記後熱処理が行われた車輪を切削加工または研削加工する鉄道車輪加工ステップ、をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の鉄道車輪の再生方法。
- 前記切削加工または研削加工が、CNC旋盤機械(CNC turning)を用いて行われることを特徴とする請求項4に記載の鉄道車輪の再生方法。
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