JPWO2019194273A1 - 鉄道用車軸 - Google Patents
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Abstract
Description
各々が直径DWを有する円柱であり、鉄道用車輪が圧入される、一対のはめ合い部と、
前記一対のはめ合い部の間に配置され、前記直径DWよりも小さい直径DAを有する円柱である中央平行部とを備え、
前記はめ合い部は、
前記鉄道用車軸の中心軸方向において、前記はめ合い部の中央位置よりも前記中央平行部に近い内側端と、
前記鉄道用車軸の中心軸方向において、前記はめ合い部の中央位置よりも前記中央平行部から遠い外側端と、
前記はめ合い部の表層に形成されているはめ合い部硬化層と、
前記はめ合い部硬化層よりも内部の母材部とを含み、
前記中央平行部は、
前記中央平行部の表層に形成されている中央平行部硬化層と、
前記中央平行部硬化層よりも内部の前記母材部とを含み、
前記母材部の化学組成は、質量%で、
C:0.30〜0.42%、
Si:0.10〜0.50%、
Mn:0.40〜1.20%、
P:0.020%以下、
S:0.040%以下、
N:0.0200%以下、
O:0.0040%以下、
Ca:0〜0.0010%、
Cr:0〜0.30%、
Mo:0〜0.10%、
Cu:0〜0.30%、
Ni:0〜0.30%、
Al:0〜0.100%、
V:0〜0.060%、
Ti:0〜0.020%、
Nb:0〜0.030%、
B:0〜0.0050%、及び、
残部がFe及び不純物、からなり、
前記はめ合い部の前記直径DWの、前記中央平行部の前記直径DAに対する比であるDW/DAは、1.10〜1.30であり、
前記はめ合い部の前記内側端から前記外側端に向かって前記中心軸方向に5mmの位置におけるはめ合い部硬化層の深さCWは2.5mm〜0.10×DWmmであり、
前記はめ合い部硬化層の深さCWの、前記中央平行部の前記硬化層の深さCAに対する比であるCW/CAは0.34〜0.93である。
各々が直径DWを有する円柱であり、鉄道用車輪が圧入される、一対のはめ合い部と、
前記一対のはめ合い部の間に配置され、前記直径DWよりも小さい直径DAを有する円柱である中央平行部とを備え、
前記はめ合い部は、
前記鉄道用車軸の中心軸方向において、前記はめ合い部の中央位置よりも前記中央平行部に近い内側端と、
前記鉄道用車軸の中心軸方向において、前記はめ合い部の中央位置よりも前記中央平行部から遠い外側端と、
前記はめ合い部の表層に形成されているはめ合い部硬化層と、
前記はめ合い部硬化層よりも内部の母材部とを含み、
前記中央平行部は、
前記中央平行部の表層に形成されている中央平行部硬化層と、
前記中央平行部硬化層よりも内部の前記母材部とを含み、
前記母材部の化学組成は、質量%で、
C:0.30〜0.42%、
Si:0.10〜0.50%、
Mn:0.40〜1.20%、
P:0.020%以下、
S:0.040%以下、
N:0.0200%以下、
O:0.0040%以下、
Ca:0〜0.0010%、
Cr:0〜0.30%、
Mo:0〜0.10%、
Cu:0〜0.30%、
Ni:0〜0.30%、
Al:0〜0.100%、
V:0〜0.060%、
Ti:0〜0.020%、
Nb:0〜0.030%、
B:0〜0.0050%、及び、
残部がFe及び不純物、からなり、
前記はめ合い部の前記直径DWの、前記中央平行部の前記直径DAに対する比であるDW/DAは、1.10〜1.30であり、
前記はめ合い部の前記内側端から前記外側端に向かって前記中心軸方向に5mmの位置におけるはめ合い部硬化層の深さCWは2.5mm〜0.10×DWmmであり、
前記はめ合い部硬化層の深さCWの、前記中央平行部の前記硬化層の深さCAに対する比であるCW/CAは0.34〜0.93である。
前記母材部の前記化学組成は、質量%で、
Cr:0.05〜0.30%、
Mo:0.01〜0.10%、
Cu:0.01〜0.30%、及び、
Ni:0.01〜0.30%からなる群から選択される1元素又は2元素以上を含有する。
前記母材部の前記化学組成は、質量%で、
Al:0.005〜0.100%を含有する。
前記母材部の前記化学組成は、質量%で、
V:0.005〜0.060%、
Ti:0.002〜0.020%、及び、
Nb:0.002〜0.030%からなる群から選択される1元素又は2元素以上を含有する。
前記母材部の前記化学組成は、質量%で、
B:0.0003〜0.0050%を含有する。
図1は、本実施形態による鉄道用車軸の側面図である。図1を参照して、本実施形態の鉄道用車軸1は、一対のはめ合い部2A及び2Dと、中央平行部3とを備える。一対のはめ合い部2A及び2Dの各々は、直径DWを有する円柱である。はめ合い部2A及び2Dの中心軸は、鉄道用車軸1の中心軸C1と一致する。鉄道用車軸1の中心軸C1は、鉄道用車軸1の長手方向に延びている。以降の説明では、鉄道用車軸1の「中心軸C1方向」は、鉄道用車軸1の「長手方向」と同義である。
一対のはめ合い部2の母材部BMの化学組成、及び、中央平行部3の母材部3Bの化学組成は、次の元素を含有する。ここで、鉄道用車軸1の中心軸C1に垂直な断面において、鉄道用車軸1の表面と中心軸C1とを結ぶ線分を半径Rと定義する。このとき、母材部BMの化学組成は、はめ合い部2のR/2位置、及び、中央平行部3のR/2位置での化学組成を意味する。以下、元素に関する%は、特に断りがない限り、質量%を意味する。
炭素(C)は、鋼の硬さを高める。Cはさらに、高周波焼入れによる硬化層の硬さを高める。C含有量が0.30%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、母材部及び硬化層の硬さが低下する。そのため、はめ合い部2におけるはめ合い部硬化層2Hの圧縮残留応力が低下する。この場合、鉄道用車軸1のはめ合い部2における疲労限度が得られない。一方、C含有量が0.42%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、高周波焼入れ時に焼割れが生じる場合がある。C含有量が0.42%を超えればさらに、中央平行部3における疲労限度が得られない場合がある。したがって、C含有量は0.30〜0.42%である。C含有量の好ましい下限は0.31%であり、さらに好ましくは0.32%であり、さらに好ましくは0.33%であり、さらに好ましくは0.34%である。C含有量の好ましい上限は0.41%であり、さらに好ましくは0.40%である。
シリコン(Si)は鋼を脱酸する。Siはさらに、鋼の焼戻し軟化抵抗を高め、中央平行部3における疲労限度を高める。Si含有量が0.10%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、これらの効果が十分に得られない。一方、Si含有量が0.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、高周波焼入れ時に焼割れが生じる場合がある。Si含有量が0.50%を超えればさらに、中央平行部3における疲労限度が得られない場合がある。したがって、Si含有量は0.10〜0.50%である。Si含有量の好ましい下限は0.20%であり、さらに好ましくは0.12%であり、さらに好ましくは0.15%であり、さらに好ましくは0.17%であり、さらに好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.23%であり、さらに好ましくは0.25%である。Si含有量の好ましい上限は0.45%であり、さらに好ましくは0.42%であり、さらに好ましくは0.39%であり、さらに好ましくは0.37%であり、さらに好ましくは0.35%であり、さらに好ましくは0.33%である。
マンガン(Mn)は鋼の焼入れ性を高め、高周波焼入れによるはめ合い部硬化層2H及び中央平行部硬化層3Hを厚くする。Mn含有量が0.40%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、中央平行部3の硬化層3Hが薄くなりすぎる場合がある。この場合、中央平行部3における疲労限度が十分に得られない。一方、Mn含有量が1.20%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、高周波焼入れによって形成されるはめ合い部硬化層2Hが厚くなりすぎる場合がある。この場合、はめ合い部硬化層2Hの圧縮残留応力が低下し、はめ合い部2における疲労限度が十分に得られない。したがって、Mn含有量は0.40〜1.20%である。Mn含有量の好ましい下限は0.45%であり、さらに好ましくは0.50%であり、さらに好ましくは0.55%であり、さらに好ましくは0.60%であり、さらに好ましくは0.65%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1.10%であり、さらに好ましくは1.05%であり、さらに好ましくは1.00%であり、さらに好ましくは0.95%であり、さらに好ましくは0.90%である。
燐(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疲労限度を低下させる。P含有量が0.020%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鉄道用車軸1の疲労強度が低下する。したがって、P含有量は0.020%以下である。P含有量の好ましい上限は0.018%であり、さらに好ましくは0.016%であり、さらに好ましくは0.015%であり、さらに好ましくは0.014%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含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、P含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。
硫黄(S)は不可避に含有される不純物である。つまり、S含有量は0%超である。SはMnと結合してMnSを生成する。MnSは鋼の疲労強度を低下する。S含有量が0.040%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、MnSに応力が集中し、中央平行部3の疲労限度が低下する。したがって、S含有量は0.040%以下である。S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%であり、さらに好ましくは0.015%であり、さらに好ましくは0.010%である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、S含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、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0.002%である。
窒素(N)は不可避的に含有される。すなわち、N含有量は0%超である。NはAl等と結合して微細な窒化物を形成し、結晶粒を微細化する。しかしながら、N含有量が高すぎれば、粗大な窒化物が形成され、鋼の疲労限度が低下する。N含有量が0.0200%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鉄道用車軸1の疲労強度が低下する。したがって、N含有量は0.0200%以下である。N含有量の好ましい上限は0.0150%であり、さらに好ましくは0.0120%であり、さらに好ましくは0.0100%であり、さらに好ましくは0.0090%であり、さらに好ましくは0.0080%であり、さらに好ましくは0.0070%である。上記効果をより有効に得るための、N含有量の好ましい下限は0.0010%であり、さらに好ましくは0.0020%であり、さらに好ましくは0.0030%である。
酸素(O)は不可避に含有される不純物である。すなわち、O含有量は0%超である。Oは粗大な酸化物を生成し、疲労破壊の起点となる場合がある。O含有量が0.0040%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、中央平行部3における疲労限度が低下する。したがって、O含有量は0.0040%以下である。O含有量の好ましい上限は0.0030%であり、さらに好ましくは0.0025%であり、さらに好ましくは0.0020%であり、さらに好ましくは0.0015%である。O含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、O含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、O含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0002%であり、さらに好ましくは0.0005%である。
カルシウム(Ca)は不純物である。Caは含有されなくてもよい。すなわち、Ca含有量は0%であってもよい。Caはシリケート系介在物(JIS G 0555(2003)に規定されるグループC)を凝集させ、鋼の疲労限度を低下する。Ca含有量が0.0010%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、シリケート系介在物が疲労破壊の起点となり、中央平行部3における疲労限度が低下する。したがって、Ca含有量は0〜0.0010%である。Ca含有量の好ましい上限は0.0006%であり、さらに好ましくは0.0004%であり、さらに好ましくは0.0003%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は鋼の焼入れ性を高め、高周波焼入れによるはめ合い部硬化層2H及び中央平行部3Hの硬さを高める。Crが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Cr含有量が0.30%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、高周波焼入れによって形成されるはめ合い部硬化層2Hが厚くなりすぎる場合がある。この場合、はめ合い部硬化層2Hの圧縮残留応力が低下し、はめ合い部2における十分な疲労限度が得られない。したがって、Cr含有量は0〜0.30%である。Cr含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.06%であり、さらに好ましくは0.07%であり、さらに好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.09%であり、さらに好ましくは0.10%である。Cr含有量の好ましい上限は0.27%であり、さらに好ましくは0.25%であり、さらに好ましくは0.23%であり、さらに好ましくは0.21%であり、さらに好ましくは0.20%である。
モリブデン(Mo)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Mo含有量は0%であってもよい。含有される場合、Moは鋼の強度を高める。Moが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Mo含有量が0.10%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が飽和する。Mo含有量が0.10%を超えればさらに、製造コストが過剰に高まる。したがって、Mo含有量は0〜0.10%である。Mo含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。Mo含有量の好ましい上限は0.09%であり、さらに好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.08%未満であり、さらに好ましくは0.07%であり、さらに好ましくは0.06%であり、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.04%である。
銅(Cu)は、任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Cu含有量は0%であってもよい。Cuが含有される場合、Cuは鋼の強度を高める。Cuが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Cu含有量が0.30%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Cu含有量は0〜0.30%である。Cu含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。Cu含有量の好ましい上限は0.25%であり、さらに好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.15%であり、さらに好ましくは0.10%であり、さらに好ましくは0.05%である。
ニッケル(Ni)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ni含有量は0%であってもよい。Niが含有される場合、Niは鋼の強度を高める。Niが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ni含有量が0.30%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が飽和する。したがって、Ni含有量は0〜0.30%である。Ni含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.04%である。Ni含有量の好ましい上限は0.25%であり、さらに好ましくは0.20%未満であり、さらに好ましくは0.15%であり、さらに好ましくは0.10%である。
アルミニウム(Al)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Al含有量は0%であってもよい。Alが含有される場合、Alは鋼を脱酸する。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。その結果、鋼の靭性が高まる。Alが少しでも含有されれば、これらの効果がある程度得られる。しかしながら、Al含有量が0.100%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な酸化物系介在物が生成され、鉄道用車軸1の疲労限度が低下する。したがって、Al含有量は0〜0.100%である。Al含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.007%であり、さらに好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.015%であり、さらに好ましくは0.020%である。Al含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.060%であり、さらに好ましくは0.050%であり、さらに好ましくは0.045%であり、さらに好ましくは0.040%である。本明細書において、Al含有量は、酸可溶Al(sol.Al)の含有量を意味する。
バナジウム(V)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、V含有量は0%であってもよい。Vが含有される場合、VはNやCと結合してV(C、N)を形成する。この場合、結晶粒を微細化し、鋼の強度を高める。Vが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、V含有量が0.060%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼の靭性が低下する。したがって、V含有量は0〜0.060%である。V含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.008%であり、さらに好ましくは0.010%である。V含有量の好ましい上限は0.055%であり、さらに好ましくは0.050%であり、さらに好ましくは0.045%であり、さらに好ましくは0.040%である。
チタン(Ti)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ti含有量は0%であってもよい。Tiが含有される場合、TiはNと結合して微細なTiNを生成する。TiNは鋼の強度を高める。TiNはさらに、結晶粒を微細化し、鋼の疲労限度を高める。Tiが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ti含有量が0.020%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、TiN析出物がき裂の経路となり、鋼の靭性が低下する。したがって、Ti含有量は0〜0.020%である。Ti含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.002%であり、さらに好ましくは0.003%である。Ti含有量の好ましい上限は0.018%であり、さらに好ましくは0.015%であり、さらに好ましくは0.013%であり、さらに好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.007%である。
ニオブ(Nb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Nb含有量は0%であってもよい。Nbが含有される場合、NbはNやCと結合してNb(C、N)を形成する。この場合、Nb(C、N)は結晶粒を微細化し、鋼の強度、及び、靱性を高める。Nbが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Nb含有量が0.030%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼中で生成した炭化物、及び/又は、炭窒化物が粗大化する場合がある。この場合、かえって鋼の靱性が低下する。したがって、Nb含有量は0〜0.030%である。Nb含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.002%であり、さらに好ましくは0.003%であり、さらに好ましくは0.005%である。Nb含有量の好ましい上限は0.029%であり、さらに好ましくは0.027%であり、さらに好ましくは0.025%であり、さらに好ましくは0.020%である。
ボロン(B)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、B含有量は0%であってもよい。Bが含有される場合、Bは鋼の焼入れ性を高める。Bが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。一方、B含有量が0.0050%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼の靱性が低下する。したがって、B含有量は0〜0.0050%である。B含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.0007%である。B含有量の好ましい上限は0.0040%であり、さらに好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0020%である。
好ましくは、本実施形態による鉄道用車軸1の母材部BMのミクロ組織は、フェライト及びパーライト組織を主体とする。本明細書において「フェライト及びパーライト組織を主体」とは、ミクロ組織中のフェライトとパーライトとの総面積率が70%以上であることを意味する。本実施形態による鉄道用車軸1の母材部BMのミクロ組織の残部は、たとえば、マルテンサイト、ベイナイト、及び、残留オーステナイトからなる群から選択される1種以上である。なお、本明細書において、マルテンサイトは、焼戻しマルテンサイトも含む。本明細書において、ベイナイトは、焼戻しベイナイトも含む。
本実施形態による鉄道用車軸1において、上述のとおり、はめ合い部2の直径をDW(mm)と定義し、中央平行部3の直径をDA(mm)と定義する。この場合、はめ合い部2の直径DWの、中央平行部3の直径DAに対する比であるDW/DAが、1.10〜1.30である。
[はめ合い部硬化層2Hの深さCWについて]
本実施形態による鉄道用車軸1では、一対のはめ合い部2の各々において、はめ合い部2の内側端2INから外側端2OUに向かって中心軸方向に5mmの位置におけるはめ合い部硬化層2Hの深さCWが2.5mm〜0.10×DW(mm)である。なお、本明細書において「硬化層の深さ」とは、JIS G 0559(2008)で規定される有効硬化層深さを意味する。具体的には、本明細書におけるはめ合い部硬化層2Hの有効硬化層深さとは、はめ合い部2の表面から限界硬さの位置までの径方向の距離(mm)を意味する。本明細書における中央平行部硬化層3Hの有効硬化層深さとは、中央平行部3の表面から限界硬さの位置までの径方向の距離(mm)を意味する。本明細書において、有効硬化層の限界硬さは、JIS G 0559(2008)に基づいて、C含有量が0.33%以上、0.43%未満の成分の材料に規定されるビッカース硬さで400HVと定義する。したがって、本明細書において、限界硬さはビッカース硬さで400HVである。
本実施形態による鉄道用車軸1は、はめ合い部硬化層2Hの深さCWの、中央平行部の硬化層3Hの深さCAに対する比であるCW/CAが0.34〜0.93である。
はめ合い部硬化層2Hの深さCWは、次のとおりに定義される。具体的に、図1〜3を参照して、鉄道用車軸1のうち、はめ合い部2A又は2Dの内側端2INから外側端2OUに向かって、中心軸方向(長手方向)に5mmの位置を1点特定する。特定した位置において、中心軸C1と垂直に切断して切断面を形成する。この切断面を有し、はめ合い部2の表層部分を含むサンプルを採取する。上述の切断面を測定面とする。
中央平行部硬化層3Hの深さCAは、次のとおりに定義される。鉄道用車軸1のうち、中央平行部3を特定する。上述のとおり、中央平行部3は、鉄道用車軸1のうち、一対のはめ合い部2の間に配置され、はめ合い部2の直径DWよりも小さい直径を有する円柱である。なお、はめ合い部2の直径DWよりも小さい直径を有する円柱が複数ある場合、中心軸方向の長さが最も長い円柱を、中央平行部3と定義する。
本実施形態の鉄道用車軸1は図1の構成に限定されない。たとえば、図6又は図7に示すとおり、一対の鉄道用車輪用はめ合い部2の間に、1又は複数のはめ合い部6が配置されていてもよい。はめ合い部6はたとえば、図示しない動力源の歯車(ギア)等が圧入されたり、ブレーキディスクが圧入されたりする。つまり、はめ合い部6は、鉄道用車輪以外の母材が圧入される。この場合、中央平行部3は、上述のとおり、中心軸方向の長さが最も長い円柱を、中央平行部3と定義する。
本実施形態による鉄道用車軸1の製造方法の一例を説明する。
高周波焼入れ処理では、高周波加熱によって、粗製品の表層部分をAc3変態点よりも高い温度にした後、急冷する。急冷方法はたとえば、水冷である。
[疲労試験]
図12は本実施例における鉄道用車軸1の疲労試験装置の模式図である。図12を参照して、各試験番号の鉄道用車軸1の片側のはめ合い部2Aに、車輪に相当する治具200を圧入した。車輪に相当する治具200を固定した。これにより、鉄道用車軸1を片持ち梁状態にした。鉄道用車軸1のうち、固定されているはめ合い部2Dの内側端2INから700mm内側(図11及び図12中の点P)位置に、鉄道用車軸1の中心軸C1方向に垂直な向きで繰返し負荷を与える平面曲げ疲労試験を実施した。試験機として、鷺宮製作所製電気油圧サーボ型疲労試験機(荷重容量500kN)を用いた。
続いて、図11を参照して、疲労試験後の各試験番号の鉄道用車軸1の車輪を圧入した側のはめ合い部2Aについて、はめ合い部硬化層の深さCWを上述の方法で求めた。はめ合い部2Aの内側端2INから外側端2OUに向かって、中心軸方向(長手方向)に5mmの位置PWを特定した。位置PWにおいて、鉄道用車軸1の中心軸C1と垂直に切断して切断面を形成した。この切断面を有し、はめ合い部2の表層部分を含むサンプルを採取した。上述の切断面において、ビッカース硬さ試験を実施した。具体的には、切断面において、はめ合い部2の表面から鉄道用車軸1の径方向(深さ方向)に、荷重を2.9Nとし、0.1mmピッチでJIS Z 2244(2009)に準拠したビッカース硬さ試験を実施して、ビッカース硬さ(HV)を測定した。ビッカース硬さ試験により得られた硬さ推移曲線に基づいて、鉄道用車軸1の表面から、限界硬さ(400HV)までの距離を求めた。得られた距離を、はめ合い部硬化層深さCWと定義した。得られたはめ合い部硬化層深さCWを表2に示す。
各試験番号の鉄道用車軸1の中央平行部3を、中心軸C1方向に等間隔に4個の区分3A〜3Dに分割した。区分3Aにおける、中央平行部硬化層3Hの深さCAAを次の方法で求めた。図4を参照して、区分3Aにおいて、鉄道用車軸1の中心軸C1方向と、中央平行部3の径方向とを含む面で切断した。切断面を鏡面に研磨した後、ナイタール腐食液に10秒程度浸漬して、エッチングによるミクロ組織の現出を行った。エッチングした切断面を目視で確認し、切断面のうち、中央平行部硬化層3Hが最も薄い位置を特定した。特定した位置において、はめ合い部硬化層2Hの深さCWと同じ方法により、鉄道用車軸1の表面から、限界硬さまでの距離を求めた。求めた限界硬さまでの距離を中央平行部硬化層3Hの深さCAA(mm)と定義した。
各試験番号の鉄道用車軸1の中央平行部3の中心軸C1方向に垂直な断面のR/2位置から、ミクロ組織観察用のサンプルを5つ採取した。中心軸C1に垂直な断面を観察面とした。各サンプルの観察面を鏡面に研磨した後、ナイタール腐食液に10秒程度浸漬して、エッチングによるミクロ組織の現出を行った。エッチングした観察面を、光学顕微鏡にて観察した。1視野あたり40000μm2(倍率500倍)とし、各サンプルにつき1視野(つまり5つのサンプルを用いて合計5視野)を観察した。各視野において、コントラストに基づいて、フェライト及びパーライトを特定した。各視野でのフェライト及びパーライトの総面積と、各視野の面積(40000μm2)とに基づいて、各視野のフェライト及びパーライトの総面積率を求めた。各視野で求めた、フェライト及びパーライトの総面積率の算術平均値を、フェライト及びパーライトの総面積率(%)と定義した。
表1及び表2を参照して、試験番号1〜3、及び、9〜20、及び30〜34の化学組成は適切であり、直径比DW/DA、はめ合い部硬化層の深さCW(mm)、硬化層深さ比CW/CAがいずれも本実施形態の範囲を満たした。その結果、はめ合い部疲労限度比及び中央平行部疲労限度比がいずれも1.00以上になり、優れた疲労限度を示した。
Claims (5)
- 鉄道用車軸であって、
各々が直径DWを有する円柱であり、鉄道用車輪が圧入される、一対のはめ合い部と、
前記一対のはめ合い部の間に配置され、前記直径DWよりも小さい直径DAを有する円柱である中央平行部とを備え、
前記はめ合い部は、
前記鉄道用車軸の中心軸方向において、前記はめ合い部の中央位置よりも前記中央平行部に近い内側端と、
前記鉄道用車軸の中心軸方向において、前記はめ合い部の中央位置よりも前記中央平行部から遠い外側端と、
前記はめ合い部の表層に形成されているはめ合い部硬化層と、
前記はめ合い部硬化層よりも内部の母材部とを含み、
前記中央平行部は、
前記中央平行部の表層に形成されている中央平行部硬化層と、
前記中央平行部硬化層よりも内部の前記母材部とを含み、
前記母材部の化学組成は、質量%で、
C:0.30〜0.42%、
Si:0.10〜0.50%、
Mn:0.40〜1.20%、
P:0.020%以下、
S:0.040%以下、
N:0.0200%以下、
O:0.0040%以下、
Ca:0〜0.0010%、
Cr:0〜0.30%、
Mo:0〜0.10%、
Cu:0〜0.30%、
Ni:0〜0.30%、
Al:0〜0.100%、
V:0〜0.060%、
Ti:0〜0.020%、
Nb:0〜0.030%、
B:0〜0.0050%、及び、
残部がFe及び不純物、からなり、
前記はめ合い部の前記直径DWの、前記中央平行部の前記直径DAに対する比であるDW/DAは、1.10〜1.30であり、
前記はめ合い部の前記内側端から前記外側端に向かって前記中心軸方向に5mmの位置におけるはめ合い部硬化層の深さCWは2.5mm〜0.10×DWmmであり、
前記はめ合い部硬化層の深さCWの、前記中央平行部の前記硬化層の深さCAに対する比であるCW/CAは0.34〜0.93である、
鉄道用車軸。 - 請求項1に記載の鉄道用車軸であって、
前記母材部の前記化学組成は、質量%で、
Cr:0.05〜0.30%、
Mo:0.01〜0.10%、
Cu:0.01〜0.30%、及び、
Ni:0.01〜0.30%からなる群から選択される1元素又は2元素以上を含有する、
鉄道用車軸。 - 請求項1又は請求項2に記載の鉄道用車軸であって、
前記母材部の前記化学組成は、質量%で、
Al:0.005〜0.100%を含有する、
鉄道用車軸。 - 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の鉄道用車軸であって、
前記母材部の前記化学組成は、質量%で、
V:0.005〜0.060%、
Ti:0.002〜0.020%、及び、
Nb:0.002〜0.030%からなる群から選択される1元素又は2元素以上を含有する、
鉄道用車軸。 - 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の鉄道用車軸であって、
前記母材部の前記化学組成は、質量%で、
B:0.0003〜0.0050%を含有する、
鉄道用車軸。
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