CN107923021B - 铁道用车轴 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有优异的疲劳极限以及切口系数的铁道用车轴。基于本实施方式的铁道用车轴具有如下的化学组成：以质量％计含有C：0.20～0.35％、Si：0.20～0.65％，Mn：0.40～1.20％、P：0.020％以下、S：0.020％以下、Sn：0.07～0.40％、N：0.0200％以下、Cu：0～0.30％、Ni：0～0.30％、Cr：0～0.30％、Mo：0～0.08％、Al：0～0.100％、V：0～0.060％、以及Ti：0～0.020％，余量为Fe以及杂质，满足式(1)以及式(2)。0.58≤C+Si/8+Mn/5+Cu/10+Cr/4+V≤0.67(1)Si+0.9Cr≥0.50(2)其中，式(1)以及式(2)中的各元素符号中代入对应元素的含量(质量％)。

Description

铁道用车轴
技术领域
本发明涉及铁道用车轴。
背景技术
铁道用车轴支撑车辆的重量。铁道用车轴进而在每次车辆通过曲线状的轨道(曲线通过)时由于车轮与轨道的接触而受到水平方向的力。即，车轮每旋转一次，铁道用车轴都会重复受到旋转弯曲应力。并且，曲线通过时，该弯曲应力的振幅变大。
对这样的铁道用车轴要求高疲劳极限。特别是，车轴在其结构上需要设置与车轮、齿轮、轴承的配合部。已知配合部受到由微动疲劳导致的损伤。此外，担心在非配合部，在由通常的疲劳导致的损伤的基础上产生由飞石、腐蚀导致的损伤、坑以及由此导致的疲劳极限降低。
日本特开平6-33219号公报(专利文献1)、日本特开平10-8204号公报(专利文献2)、日本特开平10-8202号公报(专利文献3)、日本特开平11-279696号公报(专利文献4)、日本特开2001-206002号公报(专利文献5)、日本特开2000-73140号公报(专利文献6)提出了疲劳极限优异的铁道用车轴。
专利文献1公开了如下事项。该文献的铁道用车轴进行离子氮化处理。其结果，车轴之中，与车轮的配合部具有10～20μm的由Fe4N(γ)相形成的表面化合物层和在其正下方的最高硬度以Hv计为280以上的扩散层。专利文献1中记载了由此得到疲劳极限高的车轴。
专利文献2以及专利文献3公开了以下的事项。这些文献中所公开的铁道用车轴以质量％计包含C：0.3～0.48％、Si：0.05～1％、Mn：0.5～2％、Cr：0.5～1.5％、Mo：0.15～0.3％、Ni：0～2.4％。该车轴之中，在嵌合车轮的表面部，维氏硬度为400以上的有效硬化层深度为1～4.5mm的范围，在其的内部存在马氏体或贝氏体的区域。专利文献2以及3中记载了上述铁道用车轴具有高疲劳极限。
专利文献4公开了以下事项。该文献中所公开的铁道用车轴以质量％计包含C：0.3～0.48％、Si：0.05～1％、Mn：0.5～2％、Cr：0.5～1.5％、Mo：0.15～0.3％、以及Ni：0～2.4％。该车轴的配合部具有维氏硬度为400以上的硬化层，在其内部具有回火马氏体或贝氏体的区域。在该车轴中，硬化层的深度为5.0mm以上，并且为配合部直径的10％以下。专利文献4中记载了上述铁道用车轴具有高微动疲劳极限。
专利文献5公开了以下事项。该文献中所公开的铁道用车轴以质量％计含有C：0.30～0.48％、Si：0.05～1.0％、Mn：0.5～2.0％、Cr：0.5～1.5％、Mo：0.15～0.30％，Ni：0～2.4％。上述车轴的0.2％条件屈服强度为700～1200MPa。进而，上述车轴的配合部与凸缘部这两者的表层部具有通过挤压加工或喷丸而形成的硬化层。专利文献5中记载了上述铁道用车轴具有高微动疲劳极限。
专利文献6公开了以下事项。该文献中所公开的铁道用车轴以质量％计包含C：0.3～0.48％、Si：0.05～1％、Mn：0.5～2％、Cr：0～1.5％、Mo：0～0.3％、Ni：0～2.4％。该车轴的配合端部与其的周边区域具有维氏硬度为400以上的硬化层。硬化层的厚度(K)相对于配合部直径(D)的比(K/D)为0.005～0.05。硬化层的上侧部分含有0.02～2％的B。专利文献6中记载了上述铁道用车轴具有优异的疲劳极限。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平6-33219号公报
专利文献2:日本特开平10-8204号公报
专利文献3:日本特开平10-8202号公报
专利文献4:日本特开平11-279696号公报
专利文献5:日本特开2001-206002号公报
专利文献6:日本特开2000-73140号公报
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1～6所公开的铁道用车轴中，实施离子氮化或高频淬火而形成硬化层。该硬化层提高与车轮的配合部中的微动疲劳极限。因此，可以使配合部的直径接近至与非配合部的直径相近的尺寸。
但是，对于铁道用车轴，也存在不实施高频淬火而实施正火的情况。实施正火而制造的铁道用车轴不具有硬化层。因此，提高配合部的微动疲劳极限的效果小。但是，通过使配合部的直径大于非配合部的直径，可以避免由微动导致的损伤。然而，即使是这样的铁道用车轴，也在非配合部处要求高疲劳极限。
为了提高车轴的非配合部的疲劳极限，优选可以抑制裂纹的产生并且也可以抑制裂纹的加剧。将在使用平滑试验片的旋转弯曲疲劳试验中所得到的疲劳极限定义为“平滑疲劳极限”σp。进而，将在使用切口试验片的旋转弯曲试验中所得到的疲劳极限定义为“切口疲劳极限”σn。平滑疲劳极限σp以及切口疲劳极限σn越高，车轴的非配合部的疲劳极限变得越高。
进而，将用以下的式子定义的系数定义为切口系数。
切口系数＝平滑疲劳极限σp/切口疲劳极限σn
切口系数越低，由切口导致的疲劳极限降低越小。切口系数越低，意味着对于飞石、擦伤、腐蚀坑等实际的车轴使用中所假想的意外事项，其安全性越高。因此，欧洲的设计标准EN13103：2001(Railway Applications Wheelsets and bogies-Non-powered axles-Design Method，20～23页)中以切口系数为基准确定必要安全率。因此，铁道用车轴要求高疲劳极限和低切口系数。上述专利文献1～6中对于疲劳极限进行了研究。然而，未对作为安全性的指标的切口系数进行研究。
本发明的目的在于提供具有优异的疲劳极限以及切口系数的铁道用车轴。
用于解决问题的方案
本发明的铁道用车轴具有如下的化学组成：以质量％计含有C：0.20～0.35％、Si：0.20～0.65％、Mn：0.40～1.20％、P：0.020％以下、S：0.020％以下、Sn：0.07～0.40％、N：0.0200％以下、Cu：0～0.30％、Ni：0～0.30％、Cr：0～0.30％、Mo：0～0.08％、Al：0～0.100％、V：0～0.060％以及Ti：0～0.020％，余量为Fe以及杂质，满足式(1)以及式(2)。
0.58≤C+Si/8+Mn/5+Cu/10+Cr/4+V≤0.67(1)
Si+0.9Cr≥0.50(2)
其中，式(1)以及式(2)中的各元素符号中代入对应元素的含量(质量％)。
发明的效果
基于本发明的铁道用车轴具有优异的疲劳极限以及切口系数。
附图说明
图1为示出在满足本发明的除Sn以外的化学组成(仅含有必需元素)的铁道用车轴中的、Sn含量与平滑疲劳极限以及切口疲劳极限的关系的图。
图2为示出满足本发明的除Sn以外的化学组成(含有必需元素以及任意元素)的铁道用车轴中的、Sn含量与平滑疲劳极限以及切口疲劳极限的关系的图。
图3为示出满足本发明的除Sn以外的化学组成的铁道用车轴中的、Sn含量和切口系数的关系的图。
图4为在实施例中制造的具有车轴形状的粗制品的侧面图。
图5为实施例中使用的平滑试验片的侧面图。
图6为用于说明实施例中的铁道用车轴中的平滑试验片以及拉伸试验片的采取位置的图。
图7为图6中的VII-VII线处的截面图。
图8为实施例中使用的切口试验片的环状切口部分的截面图。
具体实施方式
本发明人等对于铁道用车轴的疲劳极限以及切口系数进行了调查以及研究。其结果，本发明人等得到了以下的见解。
(A)疲劳极限(平滑疲劳极限σp以及切口疲劳极限σn)以及切口系数受到拉伸强度的影响。拉伸强度受到钢中的C、Si、Mn、Cu、Cr、V含量的影响。
定义F1＝C+Si/8+Mn/5+Cu/10+Cr/4+V。F1若不足0.58，则铁道用车轴的拉伸强度不足590MPa。此时，不能得到高疲劳极限(平滑疲劳极限σp以及切口疲劳极限σn)。另一方面，F1若超过0.67，则拉伸强度TS超过650MPa。此时，切口系数变得过高。F1为0.58～0.67时，拉伸强度变为590～650MPa。因此，可得到优异的疲劳极限以及切口系数。
(B)C含量越低，平滑疲劳极限σp变得越高。作为其理由，考虑以下事项。C含量越高，在钢的显微组织中，铁素体所占的体积率(以下，称为铁素体分率)变得越低。铁素体分率若变低，则钢整体的硬度(平均硬度)与铁素体的硬度之差变大。此时，相比于平均硬度，铁素体处容易产生裂纹。另一方面，C含量若变低，则铁素体率变高。此时，钢整体的平均硬度与铁素体硬度之差变小。因此，相比于平均硬度，铁素体处不易产生裂纹。根据以上分析，C含量若低，则平滑疲劳极限σp变高。
C含量若为0.35％以下，则铁素体分率充分地变高，拉伸强度若为590MPa以上，则平滑疲劳极限σp为250MPa以上，通过含有后述的Sn，平滑疲劳极限σp进一步提高。
(C)如上所述，切口系数越低，由切口导致的疲劳极限的降低越小。因此，铁道用车轴应对意外事项的安全性变高。然而，切口疲劳极限受切口底部产生的裂纹是否加剧支配。因此，铁素体分率变得过高时，在与珠光体相相比硬度比较低的铁素体相中裂纹容易加剧。因此，若提高铁素体分率，则虽然平滑疲劳极限变高，但切口疲劳极限变低。其结果，存在作为两者的比的切口系数变高的可能性。因此，本实施方式中，含有满足式(2)的Cr以及Si。
Si+0.9Cr≥0.50 (2)
在此，式(2)中的各元素符号中代入对应元素的含量(质量％)。
Cr以及Si通过固溶强化而提高铁素体的强度。因此，在铁素体内会抑制裂纹加剧。定义F2＝Si+0.9Cr。F2为铁素体强度的指标。F2若为0.50以上，则铁素体强度充分提高。因此，铁素体分率即便高，也可以避免切口疲劳极限的降低，将切口系数抑制为较低。具体而言，可以使切口系数为1.47以下。
(D)相对于满足(A)～(C)的铁道用车轴进一步含有Sn。此时，平滑疲劳极限以及切口疲劳极限进一步提高。另一方面，Sn的含有会稍微提高作为铁道用车轴的其它机械性质的拉伸强度。然而，含有Sn所带来的拉伸强度的上升率比疲劳极限的上升率小。因此，通过含有Sn，可以维持或稍微提高拉伸强度等机械性质，并且进一步提高平滑疲劳强度以及切口疲劳强度。
图1以及图2为示出在满足本发明的除Sn以外的化学组成并且满足式(1)以及式(2)的铁道用车轴中的、Sn含量与平滑疲劳极限以及切口疲劳极限的关系的图。图1为使用仅含有本发明的除Sn以外的必需元素的铁道用车轴的结果。图2为使用含有本发明的除Sn以外的必需元素以及任意元素的铁道用车轴的结果。图3为示出在满足本发明的除Sn以外的化学组成并且满足式(1)以及式(2)的铁道用车轴中的、Sn含量与切口系数的关系的图。图1～图3是基于由后述的实施例得到的结果而制成的。
图1以及图2中的“◆”标记表示切口疲劳极限(MPa)，“■”标记表示平滑疲劳极限(MPa)。图1以及图2中的实线的基准线REFp表示不含Sn的铁道用车轴的平滑疲劳极限(MPa)。图1以及图2中的虚线的基准线REFn表示不含Sn的铁道用车轴的切口疲劳极限(MPa)。
图3中的“○”标记表示满足本发明的除Sn以外的化学组成(仅必需元素)并且满足式(1)以及式(2)的铁道用车轴的切口系数。“●”标记表示满足本发明的除Sn以外的化学组成(含有必需元素以及任意元素)并且满足式(1)以及式(2)的铁道用车轴的切口系数。
参照图1以及图2，在铁道用车轴的除Sn以外的化学组成为本发明的范围内并且满足式(1)以及式(2)的情况下，Sn含量若为0.07％以上，则与Sn含量为0％的切口疲劳极限REFn(MPa)以及平滑疲劳极限REFp(MPa)相比切口疲劳极限以及平滑疲劳极限变高。进而伴随Sn含量的增加，切口疲劳极限以及平滑疲劳极限上升。
另一方面，参照图3，在铁道用车轴的除Sn以外的化学组成为本发明的范围内并且满足式(1)以及式(2)的情况下，Sn含量若为0.40％以下，则切口系数维持在1.47以下。然而，Sn含量超过0.40％时，切口系数急剧上升，超过1.47。
因此，Sn含量若为0.07～0.40％，则可以得到优异的平滑疲劳极限、切口疲劳极限并且维持优异的切口系数。具体而言，平滑疲劳极限超过270MPa，切口疲劳极限超过195MPa。
基于以上的见解而完成的本实施方式的铁道用车轴具有如下的化学组成：以质量％计含有C：0.20～0.35％、Si：0.20～0.65％，Mn：0.40～1.20％、P：0.020％以下、S：0.020％以下、Sn：0.07～0.40％、N：0.0200％以下、Cu：0～0.30％、Ni：0～0.30％、Cr：0～0.30％、Mo：0～0.08％、Al：0～0.100％、V：0～0.060％、以及Ti：0～0.020％，余量为Fe以及杂质，满足式(1)以及式(2)。
0.58≤C+Si/8+Mn/5+Cu/10+Cr/4+V≤0.67(1)
Si+0.9Cr≥0.50(2)
在此，式(1)以及式(2)中的各元素符号中代入对应元素的含量(质量％)。
上述化学组成也可以含有选自由Cu：0.01～0.30％、Ni：0.01～0.30％、Cr：大于0.10％且为0.30％以下、以及Mo：0.005～0.08％组成的组中的1种或2种以上。此外，上述化学组成也可以含有选自由Al：0.005～0.100％、V：0.005～0.060％以及Ti：0.002～0.020％组成的组中的1种或2种以上。
以下，对于基于本发明的铁道用车轴进行详细叙述。
[化学组成]
基于本发明的铁道用车轴的化学组成含有以下的元素。
C：0.20～0.35％
碳(C)提高钢的强度。C含量若过低，则不能得到该效果。另一方面，C含量若过高，则铁素体分率降低。铁素体分率若降低，则平滑疲劳极限σp降低。因此，C含量为0.20～0.35％。C含量的优选下限为0.25％，进一步优选为0.30％。C含量的优选上限为0.34％，进一步优选为0.33％。
Si：0.20～0.65％
硅(Si)使钢脱氧。Si进一步使铁素体固溶强化。其结果，切口系数降低。Si含量若过低，则不能得到该效果。另一方面，Si含量若过高，则韧性降低。因此，Si含量为0.20～0.65％。Si含量的优选下限为0.25％，进一步优选为0.30％，进一步优选为0.35％。Si含量的优选上限为0.60％，进一步优选为0.55％，进一步优选为0.50％，进一步优选为0.48％。
Mn：0.40～1.20％
锰(Mn)提高钢的强度。Mn含量若过低，则不能得到该效果。另一方面，Mn含量若过高，则钢的韧性降低。因此，Mn含量为0.40～1.20％。Mn含量的优选下限为0.50％，进一步优选为0.60％，进一步优选为0.70％。Mn含量的优选上限为1.15％，进一步优选为1.10％，进一步优选为1.05％。
P：0.020％以下
磷(P)为杂质。P在晶界偏析而使钢的疲劳极限降低。因此，P含量为0.020％以下。P含量的优选上限为0.018％，进一步优选为0.015％。P含量优选尽可能低。
S：0.020％以下
硫(S)为杂质。S与Mn结合而生成硫化物，降低钢的疲劳极限。因此，S含量为0.020％以下。S含量的优选上限为0.015％，进一步优选为0.010％。S含量优选尽可能低。
Sn：0.07～0.40％
锡(Sn)固溶而提高铁素体相的强度，提高平滑疲劳极限以及切口疲劳极限。Sn含量若过低则不能得到该效果。另一方面，Sn含量若过高，则韧性降低。Sn含量若过高则切口系数还会变得过高。因此，Sn含量为0.07～0.40％。Sn含量的优选下限为0.08％，进一步优选为0.09％。Sn含量的优选上限为0.35％，进一步优选为0.30％。
N：0.0200％以下
氮(N)不可避免地含有。N形成微细的氮化物(例如AlN)，使晶粒微细化。然而，N含量若过高，则形成粗大的氮化物，钢的疲劳极限降低。因此，N含量为0.0200％以下。N含量的优选上限为0.0150％，进一步优选为0.0100％，进一步优选为0.0070％。
基于本发明的铁道用车轴的化学组成的余量为Fe以及杂质。在此，杂质是指工业上制造钢材时从作为原料的矿石、废料或从制造环境等混入的物质，在不对本发明的铁道用车轴产生不良影响的范围内是允许的。
基于本发明的铁道用车轴的化学组成可以含有选自由Cu、Ni、Cr以及Mo组成的组中的1种或2种以上代替Fe的一部分。这些元素为任意元素，均会提高钢的强度。
Cu：0～0.30％
铜(Cu)为任意元素，也可以不含有。在含有的情况下，Cu提高钢的强度。然而，Cu含量若过高，则热加工性降低。因此，Cu含量为0～0.30％。为了更有效地得到上述效果的Cu含量的优选下限为0.01％，进一步优选为0.02％。Cu含量的优选上限为0.20％，进一步优选为0.10％，进一步优选为0.05％。
Ni：0～0.30％
镍(Ni)为任意元素，也可以不含有。在含有的情况下，Ni提高钢的强度。然而，Ni含量若过高，则上述效果饱和，进而，成本变高。因此，Ni含量为0～0.30％。为了更有效地得到上述效果的Ni含量的优选下限为0.01％，进一步优选为0.02％，进一步优选为0.04％。Ni含量的优选上限为不足0.20％，进一步优选为0.15％，进一步优选为0.10％。
Cr：0～0.30％
铬(Cr)为任意元素，也可以不含有。在含有的情况下，Cr固溶强化铁素体。其结果，切口系数降低。然而，Cr含量若过高，则钢的韧性降低。因此，Cr含量为0～0.30％。为了更有效地得到上述效果的Cr含量的优选下限为高于0.10％，进一步优选为0.15％，进一步优选为0.20％。Cr含量的优选上限为不足0.30％，进一步优选为0.29％，进一步优选为0.28％。
Mo：0～0.08％
钼(Mo)为任意元素，也可以不含有。在含有的情况下，Mo提高钢的强度。然而，Mo含量若过高，则珠光体中的层状渗碳体的形态产生混乱，疲劳极限降低。因此，Mo含量为0～0.08％。为了更有效地得到上述效果的Mo含量的优选下限为0.005％，进一步优选为0.01％。Mo含量的优选上限为不足0.08％，进一步优选为0.06％，进一步优选为0.04％。
基于本实施方式的铁道用车轴的化学组成可以含有选自由Al、V以及Ti组成的组中的1种或2种以上代替Fe的一部分。这些元素为任意元素，均使晶粒微细化。
Al：0～0.100％
铝(Al)为任意元素，也可以不含有。在含有的情况下，Al使钢脱氧。Al进而与N结合形成AlN，使晶粒微细化。其结果，钢的韧性提高。然而，Al含量若过高，则产生粗大的氧化物系夹杂物，钢的疲劳极限降低。因此，Al含量为0～0.100％。为了更有效地得到上述效果的Al含量的优选下限为0.005％，进一步优选为0.010％，进一步优选为0.015％。Al含量的优选上限为0.080％，进一步优选为0.060％，进一步优选为0.050％。在本说明书中，Al含量为酸可溶Al(sol.Al)的含量。
V：0～0.060％
钒(V)为任意元素，也可以不含有。在含有的情况下，V与N、C结合而形成V(C、N)，使晶粒微细化，提高钢的强度。然而，V含量若过高，则钢的韧性降低。因此，V含量为0～0.060％。为了更有效地得到上述效果的V含量的优选下限为0.005％。V含量的优选上限为0.030％，进一步优选为0.020％，进一步优选为0.010％。
Ti：0～0.020％
钛(Ti)为任意元素，也可以不含有。在含有的情况下，Ti与N结合而形成微细的TiN，使铁素体析出强化。TiN进而使晶粒微细化。其结果，Ti提高平滑疲劳极限以及切口疲劳极限。进而，得到优异的切口系数。需要说明的是，微细的TiN不易成为裂纹的产生位点。然而，Ti含量若过高，则过量生成TiN。此时，TiN成为裂纹的路径，裂纹变得容易加剧。因此，切口系数变大。因此，Ti含量为0～0.020％。为了更有效地得到上述效果的Ti含量的优选下限为0.002％，进一步优选为0.003％。Ti含量的优选上限为0.015％，进一步优选为0.010％，进一步优选为0.007％。Ti含量若为0.007％以下，则切口系数显著降低。
[关于式(1)]
本发明的铁道用车轴的化学组成进一步满足式(1)。
0.58≤C+Si/8+Mn/5+Cu/10+Cr/4+V≤0.67(1)
式(1)中的元素符号中代入对应元素的含量(质量％)。
定义F1＝C+Si/8+Mn/5+Cu/10+Cr/4+V。F1若过低，则铁道用车轴的拉伸强度TS变得不足590MPa。此时，疲劳极限变低。具体而言，平滑疲劳极限σp和/或切口疲劳极限σn变低。
另一方面，F1若过高，则拉伸强度TS超过650MPa。拉伸强度TS若变高，则平滑疲劳极限σp以及切口疲劳极限σn也变高。然而，伴随拉伸强度TS的上升的切口疲劳极限σn的上升程度小于平滑疲劳极限σp的上升程度。因此，拉伸强度TS超过650MPa时，切口系数变得过高。
F1若为0.58～0.67，则铁道用车轴的拉伸强度TS成为590MPa～650MPa，成为适当的范围。因此，疲劳极限以及切口系数也成为适当的值。
F1的优选下限为高于0.58，进一步优选为0.60，进一步优选为0.61，进一步优选为0.62。F1的优选上限为不足0.67，进一步优选为0.66，进一步优选为0.65。
[关于式(2)]
本发明的铁道用车轴的化学组成进而满足式(2)。
Si+0.9Cr≥0.50 (2)
式(2)中的各元素符号中代入对应元素的含量(质量％)。
如上所述，Si以及Cr提高钢中的铁素体强度。因此，Si以及Cr抑制裂纹的加剧。其结果，切口系数变低。需要说明的是，Si以及Cr不易对钢中的铁素体分率产生影响。
定义F2＝Si+0.9Cr。F2若过低，则切口系数变得过高，裂纹容易加剧。F2若为0.50以上，则切口系数变为1.47以下，会抑制由切口导致的疲劳极限降低。
F2的优选下限为高于0.50，进一步优选为0.55，进一步优选为0.60。
[制造方法]
说明基于本实施方式的铁道用车轴的制造方法的一个例子。
制造具有上述化学组成的钢水。使用钢水制造钢锭。对钢锭实施热锻造，制作具有车轴形状的粗制品。对所制造的粗制品实施正火。具体而言，在高于Ac1相变点的热处理温度下保持粗制品，之后进行放置冷却。在正火后可以在不足Ac1点的热处理温度下实施回火。
实施上述的热处理之后，对粗制品实施机械加工，制作铁道用车轴。
实施例
制造各种化学组成的铁道用车轴，对拉伸强度以及疲劳极限进行调查。
[试验方法]
制造具有表1中示出的化学组成的钢水。
[表1]
表1中的“F1”栏中记载了对应的试验编号的化学组成中的F1值。“F2”栏中记载了对应的试验编号的化学组成中的F2值。
[铁道用车轴的制造]
由试验编号1～23的钢水制造钢锭。将钢锭加热至1250℃之后，进行热锻造，制造图4中示出的具有车轴形状的粗制品1。粗制品1的长度为2200mm。粗制品1具备2个轮座2和中央平行部3。各轮座2的宽度为165mm，直径为200mm。如图4所示，各轮座2的端部与粗制品1的端部之间的距离为266mm，自一侧的轮座2的端部至另一侧的轮座2的端部为止的距离为1338mm。中央平行部3配置在2个轮座2之间，直径为174mm。
对各试验编号的粗制品实施正火。正火的热处理温度为高于各试验编号的钢的Ac1相变点的880℃。正火后，对粗制品实施机械加工，制造具备直径194mm的轮座与直径168mm的中央平行部的铁道用车轴。自各试验编号的铁道用车轴采取下面的疲劳试验片。
[平滑试验片的制作]
自各试验编号的铁道用车轴制作图5中示出的形状的平滑试验片。如图6以及图7所示，平滑试验片40的采取位置为铁道用车轴10的中央平行部30的表面附近(平滑试验片的中心轴对应距铁道用车轴10的表面8mm深度位置)，采取方向设定为使得平滑试验片40的长度方向与铁道用车轴10的长度方向一致。基于图5，平滑试验片的横截形状(与轴线垂直的截面)为圆。平滑试验片的平行部的直径为10mm，夹持部的直径为15mm。其它的尺寸如图5所记载的那样。
[切口试验片的制作]
自各试验编号的铁道用车轴制作切口试验片。试验片的采取位置以及采取方向与所述的平滑试验片的采取位置以及采取方向相同。并且，切口试验片的整体形状与图5的平滑试验片相同。切口试验片中进一步在平行部的中央部形成图8中示出的深度0.1mm、切口底部曲率半径0.04mm的环状切口。
[旋转弯曲疲劳极限试验]
对各试验编号的平滑试验片以及切口试验片实施小野式旋转弯曲疲劳试验。对于在小野式旋转弯曲疲劳试验中的试验数，各试验编号中平滑、切口试验片分别各设6片。试验时的转速设为3600rpm，在常温(25℃)、大气中实施试验。在至重复数1.0×107次为止也不断裂的情况下，于该时刻停止试验，判断为未断裂。疲劳极限的判定基于ISO12107：2003(E)(Metallic materials-Fatigue testing-Statistical planning and analysis ofdata，19页)中所记载的修正阶梯法(修正ステアケース法)来进行。本方法中的应力的阶差为10MPa，对若断裂则降低阶差程度的应力、若未断裂则提高阶差程度的应力而得到的结果进行统计处理，求出相当于50％破坏概率的疲劳极限。作为如此而得到的疲劳极限，定义平滑疲劳极限σp、切口疲劳极限σn(单位为MPa)。需要说明的是，切口疲劳极限σn利用将弯曲力矩除以切口底部的横截面(直径9.8mm的圆形)的截面系数而求出的公称应力来评价。
[拉伸试验]
自各试验编号的铁道用车轴利用机械加工制作棒状的拉伸试验片。如图7所示，拉伸试验片50自铁道用车轴10的中央平行部30的R/2位置(车轴的横截面中，将车轴的中心轴与外周面之间2等分的直径84mm位置)采取。拉伸试验片的长度方向与车轴的长度方向平行。使用所采取的拉伸试验片，在常温(25℃)、大气中实施拉伸试验，求出拉伸强度TS(MPa)。
[试验结果]
在表2中示出试验结果。
[表2]
表2
表2中的“TS”栏中记载了各试验编号的拉伸强度(MPa)。“σp”栏中记载了平滑疲劳极限(MPa)。“σn”栏中记载了切口疲劳极限(MPa)。“σp/σn”栏中记载了切口系数。
参照表1以及表2，试验编号1、9、10、13～15、20以及21的化学组成是适当的，含有适当量的Sn，F1满足式(1)，F2满足式(2)。因此，拉伸强度为590～650MPa。进而，平滑疲劳极限σp超过270MPa，并且切口疲劳极限σn超过195MPa。进而，切口系数σp/σn为1.47以下。
另一方面，试验编号2～4的化学组成中，虽然F1以及F2满足式(1)以及式(2)，但不含有Sn。因此，拉伸强度为590～650MPa，虽然切口系数σp/σn为1.47以下，但平滑疲劳极限σp以及切口疲劳极限σn低于试验编号1。具体而言，平滑疲劳极限σp虽然为250MPa以上，但为270MPa以下。此外，切口疲劳极限σn虽然为170MPa以上，但为195MPa以下。
试验编号5的化学组成不含Sn并且F2不满足式(2)。因此，切口疲劳极限与试验编号2～4相比更低，不足170MPa，切口系数σp/σn超过1.47。
试验编号6的化学组成不含Sn，并且F1不足式(1)的下限。因此，拉伸强度不足590MPa，与试验编号1～4相比低。进而，平滑疲劳极限σp为270MPa以下。
试验编号7的化学组成不含Sn，并且F1超过式(1)的上限。因此，拉伸强度超过650MPa，切口系数σp/σn超过1.47。
试验编号8以及12中，Sn含量过低。因此，平滑疲劳极限σp以及切口疲劳极限σn过低。具体而言，平滑疲劳极限σp为270MPa以下，切口疲劳极限σn为190MPa以下。
试验编号11以及16中，Sn含量过高。因此，切口系数σp/σn超过1.47。
试验编号17以及22中，F1低于式(1)的下限。因此，拉伸强度不足590MPa。进而，平滑疲劳极限σp以及切口疲劳极限σn过低。平滑疲劳极限σp为270MPa以下，切口疲劳极限σn为190MPa以下。
试验编号18以及23中，F2低于式(2)的下限。因此，虽然平滑疲劳极限σp以及切口疲劳极限σn是适当的，但切口系数σp/σn超过1.47。
试验编号19中，F1超过式(1)的上限。因此，拉伸强度超过650MPa，切口系数σp/σn超过1.47。
以上，说明了本发明的实施方式。然而，上述的实施方式只不过是用于实施本发明的例示。因此，本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内可以对上述的实施方式进行适宜变更并实施。

Claims (3)

1.一种铁道用车轴，其特征在于，具有如下的化学组成：以质量％计含有C：0.20～0.35％、Si：0.20～0.65％、Mn：0.40～1.20％、P：0.020％以下、S：0.020％以下、Sn：0.07～0.40％、N：0.0200％以下、Cu：0～0.30％、Ni：0～0.30％、Cr：0～0.30％、Mo：0～0.08％、Al：0～0.100％、V：0～0.060％以及Ti：0～0.020％，余量为Fe以及杂质，满足式(1)以及式(2)，且拉伸强度为590～650MPa，
0.58≤C+Si/8+Mn/5+Cu/10+Cr/4+V≤0.67 (1)
Si+0.9Cr≥0.50 (2)
其中，式(1)以及式(2)中的各元素符号中代入对应元素的质量％含量。
2.根据权利要求1所述的铁道用车轴，其特征在于，所述化学组成含有选自由Cu：0.01～0.30％、Ni：0.01～0.30％、Cr：大于0.10％且为0.30％以下以及Mo：0.005～0.08％组成的组中的1种或2种以上。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的铁道用车轴，其特征在于，所述化学组成含有选自由Al：0.005～0.100％、V：0.005～0.060％以及Ti：0.002～0.020％组成的组中的1种或2种以上。
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