CN118103538A - 铁道车轮 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种轮毂部的韧性优异的铁道车轮。本公开的铁道车轮包括轮辋部、具有贯通孔的轮毂部、以及板部。铁道车轮的化学组成以质量％计为C：大于0.80％且为1.35％以下、Si：1.00％以下、Mn：0.10％～1.50％、P：0％～0.050％、S：0％～0.030％、N：0.0200％以下，并且余量为Fe和杂质。在沿着贯通孔的中心轴线方向将轮毂部于包含中心轴线的面切断时的轮毂部的截面中，在将利用如下线段划分的15mm×15mm的区域定义为矩形区域时，轮毂部的截面中的各矩形区域的平均C浓度为1.40质量％以下，所述线段为：与中心轴线平行且从贯通孔的内周面沿着铁道车轮的径向以15mm的间距排列的多个轴向线段，以及，与中心轴线垂直且从轮毂部的形成有贯通孔的开口的表面沿着中心轴线方向以15mm的间距排列的多个径向线段。
Description
技术领域
本公开涉及一种铁道车轮。
背景技术
铁道车辆在构成铁路的轨道上行驶。铁道车辆具备多个铁道车轮。铁道车轮支承车辆，与轨道接触地在轨道上旋转的同时进行移动。铁道车轮由于与轨道的接触而磨损。最近，以铁道输送的高效率化为目的，正在推进对铁道车辆的装载重量的增加和铁道车辆的高速化。其结果，要求铁道车轮的耐磨损性的提高。
在日本特开2004－315928号公报(专利文献1)中提出提高铁道车轮的耐磨损性的技术。
专利文献1所公开的铁道车辆用车轮是一种由含有如下化学成分的钢构成的一体型的铁道车辆用车轮，该化学成分以质量％计含有C：0.85％～1.20％、Si：0.10％～2.00％、Mn：0.05％～2.00％，根据需要还含有预定量的Cr、Mo、V、Nb、B、Co、Cu、Ni、Ti、Mg、Ca、Al、Zr及N中的一种或两种以上且余量为Fe及其他不可避免的杂质，其中，车轮的踏面和/或凸缘面的至少局部是珠光体组织。在专利文献1中记载为铁道车辆用车轮的寿命依赖于踏面和凸缘面的磨损量(专利文献1的段落[0002])，还依赖于伴随着在高速铁道上施加制动时的发热量的增大而产生的踏面和凸缘面上的龟裂。而且，记载为通过铁道车辆用车轮具有上述结构，从而能够抑制踏面和凸缘面的磨损和热龟裂。在专利文献1中，通过使用提高了C含量的过共析钢来提高铁道车轮的耐磨损性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004－315928号公报
专利文献2：国际公开第2020/067520号
专利文献3：国际公开第2020/067506号
发明内容
发明要解决的问题
另外，与铁道车辆的装载重量相应的负载首先施加于铁道用车轴。之后，负载经由作为铁道用车轴与铁道车轮的接触部分的轮毂部向铁道车轮传递。对铁道车轮的轮毂部施加较大的负载。因此，对铁道车轮的轮毂部要求优异的韧性。
但是，在以往的研究中，未对轮毂部的韧性进行研究。其原因在于，一直认为在铁道车轮中与轨道接触的轮辋部的耐磨损性的提高很重要。在上述的专利文献1中也未对轮毂部的韧性进行研究。因此，即使利用专利文献1所公开的技术，也存在在轮毂部无法得到优异的韧性的可能性。
像上述的专利文献1所记载的那样，通过使用提高了C含量的过共析钢，从而能够提高铁道车轮的耐磨损性。但是，若使用C含量较高的过共析钢，则存在轮毂部的韧性下降的隐患。因此，寻求一种即使C含量高到大于0.80％轮毂部的韧性也优异的铁道车轮。
在国际公开第2020/067520号(专利文献2)和国际公开第2020/067506号(专利文献3)中提出了即使C含量高到0.80％以上也能提高铁道车轮的韧性的技术。在专利文献2和专利文献3中，通过减少先共析渗碳体或控制先共析渗碳体的形态来提高铁道车轮的韧性。
专利文献2所公开的铁道车轮包括轮辋部、轮毂部以及板部，该板部配置于轮辋部和轮毂部之间，与轮辋部和轮毂部相连。专利文献2的铁道车轮的化学组成以质量％计为C：0.80％～1.15％、Si：0.45％以下、Mn：0.10％～0.85％、P：0.050％以下、S：0.030％以下、Al：0.200％～1.500％、N：0.0200％以下、Nb：0.005％～0.050％、Cr：0％～0.25％、V：0％～0.12％，并且余量为Fe和杂质。在专利文献2的铁道车轮的轮辋部、轮毂部及板部中的至少轮辋部和板部的微观组织中，用式(1)定义的先共析渗碳体量为2.00根/100μm以下。
先共析渗碳体量(根/100μm)＝与200μm×200μm的正方形视场的两条对角线交叉的先共析渗碳体的根数的总和/(5.66×100μm)×100···(1)
专利文献3所公开的铁道车轮包括轮辋部、轮毂部以及板部，该板部配置于轮辋部和轮毂部之间，与轮辋部和轮毂部相连。专利文献3的铁道车轮的化学组成以质量％计为C：0.80％～1.60％、Si：1.00％以下、Mn：0.10％～1.25％、P：0.050％以下、S：0.030％以下、Al：0.010％～0.650％、N：0.0030％～0.0200％、Cr：0％～0.60％、V：0％～0.12％，并且余量为Fe和杂质。在专利文献3的铁道车轮的板部的微观组织中，珠光体的面积率为85.0％以上，先共析渗碳体的面积率为0.90％～15.00％，先共析渗碳体的最大宽度为1.80μm以下。
若使用专利文献2和专利文献3所公开的技术，则能够提高铁道车轮的韧性。但是，在专利文献2和专利文献3中未着眼于轮毂部。因此，若在专利文献2和专利文献3所公开的技术的基础上能够提出进一步提高轮毂部的韧性的技术，则较为理想。
本公开的目的在于提供一种即使C含量高到大于0.80％，轮毂部的韧性也优异的铁道车轮。
用于解决问题的方案
本公开的铁道车轮包括：
轮辋部；
轮毂部，其具有贯通孔；以及
板部，其配置于所述轮辋部和所述轮毂部之间，与所述轮辋部和所述轮毂部相连，
所述铁道车轮的化学组成以质量％计为
C：大于0.80％且为1.35％以下、
Si：1.00％以下、
Mn：0.10％～1.50％、
P：0％～0.050％、
S：0％～0.030％、
N：0.0200％以下、
Al：0％～1.500％、
Cu：0％～0.50％、
Ni：0％～0.50％、
Cr：0％～0.50％、
V：0％～0.12％、
Ti：0％～0.010％、
Mo：0％～0.20％、
Nb：0％～0.050％，并且
余量为Fe和杂质，
在沿着所述贯通孔的中心轴线方向将所述轮毂部于包含所述中心轴线的面切断时的所述轮毂部的截面中，
在将利用如下线段划分的15mm×15mm的区域定义为矩形区域时，所述轮毂部的所述截面中的各矩形区域的平均C浓度为1.40质量％以下，
所述线段为：与所述中心轴线平行且从所述贯通孔的内周面沿着所述铁道车轮的径向以15mm的间距排列的多个轴向线段，以及，与所述中心轴线垂直且从所述轮毂部的形成有所述贯通孔的开口的表面沿着所述中心轴线方向以15mm的间距排列的多个径向线段。
发明的效果
对于本公开的铁道车轮，即使C含量高到大于0.80％，轮毂部的韧性也优异。
附图说明
图1是本实施方式的铁道车轮的包含中心轴线的剖视图。
图2是在图1所示的铁道车轮的截面中的轮毂部截面中表示EPMA的测量区域的划分的示意图。
图3是表示C浓度与夏比冲击值的关系的图。
图4是表示铁道车轮的制造工序的示意图。
图5是用于说明EPMA的测量视场的配置方法的轮毂部的剖视图。
图6是表示冲裁部体积率恰当的情况下的铁道车轮的制造工序的示意图。
图7是表示冲裁部体积率过小的情况下的铁道车轮的制造工序的示意图。
具体实施方式
[铁道车轮的结构]
图1是本实施方式的铁道车轮1的包含中心轴线的剖视图。参照图1，铁道车轮1为圆盘状，包括轮毂部2、板部3以及轮辋部4。轮毂部2为圆筒状，在铁道车轮1的径向(与中心轴线垂直的方向)上配置于中央部。轮毂部2具有贯通孔21。轮毂部2的内周面22形成贯通孔21。贯通孔21的中心轴线与铁道车轮1的中心轴线一致。在贯通孔21插入未图示的铁道用车轴。在本说明书中，将贯通孔21和铁道车轮1的中心轴线方向也简称为中心轴线方向。将与铁道车轮1的中心轴线垂直的方向称为铁道车轮1的径向。在本说明书中，将铁道车轮1的径向也简称为径向。
轮毂部2具有贯通孔21。轮毂部2还具有形成贯通孔21的内周面22、凸缘侧表面23以及踏面侧表面24。凸缘侧表面23与内周面22相连，形成有贯通孔21的开口。踏面侧表面24配置于与凸缘侧表面23相反的那一侧，与内周面22相连，形成有贯通孔21的开口。轮毂部2的厚度T2比板部3的厚度T3厚。
轮辋部4形成于铁道车轮1的外周的边缘部。轮辋部4包含踏面41和凸缘部42。踏面41与凸缘部42相连。在使用铁道车轮1时，踏面41和凸缘部42与轨道表面接触。轮辋部4的厚度T4比板部3的厚度T3厚。
板部3配置于轮毂部2和轮辋部4之间，与轮毂部2和轮辋部4相连。具体而言，板部3的内周缘部与轮毂部2相连，板部3的外周缘部与轮辋部4相连。板部3的厚度T3比轮毂部2的厚度T2和轮辋部4的厚度T4薄。
[本公开的铁道车轮的技术思想]
本发明人为了提高轮毂部2的韧性而从化学的观点进行了研究。将轮毂部2于包含铁道车轮1的中心轴线且与中心轴线平行的面切断，得到了轮毂部2的截面。对于观察面使用电子探针显微分析仪(EPMA)测量了主要的元素的浓度。在轮毂部2的截面内的任意的多个部位进行了基于EPMA的测量。图2是在图1所示的铁道车轮1的截面中的轮毂部2的截面中表示EPMA的测量区域的划分的示意图。参照图2，利用如下线段将轮毂部2的截面划分为15mm×15mm的多个矩形区域P，所述线段为：与贯通孔21的中心轴线平行且从贯通孔21的内周面22沿着径向以15mm的间距排列的多个轴向线段，以及，与贯通孔21的中心轴线垂直且从凸缘侧表面23沿着贯通孔21的中心轴线方向以15mm的间距排列的多个径向线段。而且，使用EPMA测量各矩形区域P内的主要的元素的浓度，求出各矩形区域P内的平均浓度。其结果为，明确了在轮毂部2内C浓度有偏差的状况。
在多个矩形区域P中的、大部分矩形区域P中，矩形区域P内的平均C浓度为1.40质量％以下。但是，在多个矩形区域P中包含C浓度较高的矩形区域P。在C浓度较高的情况下，1个矩形区域P内的平均C浓度大于1.40质量％。
通过本发明人的EPMA的测量试验，首次明确了以下的内容。在铁道车轮1的轮毂部2内，C浓度并不一定恒定，存在局部较高的情况。并且，即便是整体具有C含量为1.35％以下的化学组成的铁道车轮1，也存在如下情况：在轮毂部2中，在局部，C浓度大于1.40质量％。
因此，本发明人对在局部C浓度大于1.40质量％的情况下韧性如何变化进行了调查。具体而言，使用具有表1所示的化学组成的钢水通过铸锭法来制造了铸块。在此，为了再现C浓度的偏差，使各钢材编号的C浓度发生变化。另外，表1中的空栏意味着对应的元素含量在实施方式所规定的位数中为0％。换言之，意味着对应的元素含量在实施方式所规定的位数的下一位的数字不可确定或者实施方式所规定的位数的下一位的数字在四舍五入的情况下为0％。另外，四舍五入是指规定的位数的下一位的数字(尾数)如果小于5则舍去，如果为5以上则进位。
在将具有表1所示的化学组成的铸块加热到1250℃之后进行热锻造，制造宽度45mm、高度45mm、长度100mm以上的方棒状钢材。对得到的方棒状钢材进行模拟铁道车轮1的轮毂部2的制造条件的热处理。具体而言，从方棒状钢材各提取4根宽度12mm、高度12mm、长度70mm的方棒状原材料。方棒状原材料是避开从方棒状钢材的中心轴线起半径4mm的范围提取的。方棒状原材料的长度方向与方棒状钢材的长度方向平行。对方棒状原材料实施以下的热处理。热处理使用富士电波工机制的热循环试验机。将方棒状原材料在850℃～950℃下保持5分钟～10分钟。接着，模拟轮毂部2的冷却过程，在从750℃到550℃的平均冷却速度为0.10℃/s～0.20℃/s以下的条件下进行冷却。
【表1】
表@
为了评价钢材编号1～10的钢材的韧性，求出夏比冲击值。具体而言，从各钢材编号的方棒状原材料的与长度方向垂直的截面中的中心位置提取依照JIS Z 2242(2005)的U形槽口试验片。U形槽口试验片的与长度方向垂直的截面设为10mm×10mm的正方形，U形槽口试验片的长度方向的长度设为55mm。U形槽口试验片的长度方向与方棒状原材料的长度方向平行。在U形槽口试验片的长度中央位置(也就是长度55mm的中央位置)形成有U形槽口。将槽口深度设为2mm，将槽口底半径设为1mm。依照JIS Z 2242(2005)实施室温大气中的夏比冲击试验。按照各钢材编号针对4个U形槽口试验片求出夏比冲击值(J/cm2)，将这些值的平均值作为该钢材编号的夏比冲击值(J/cm2)。将结果表示于表2和图3。
【表2】
表2
参照表2和图3得知，C浓度大于1.40质量％的钢材的夏比冲击值(J/cm2)比C浓度为1.40质量％以下的钢材的夏比冲击值(J/cm2)低。也就是说，在C浓度有偏差而在局部C浓度大于1.40质量％的情况下，C浓度大于1.40质量％的部分的韧性比C浓度为1.40质量％以下的部分的韧性低。因此，可以说多个矩形区域P中的、C浓度较高的矩形区域P与其周边相比较韧性较低。
因此，本发明人认为，如果抑制轮毂部2内的C浓度的偏差，将各矩形区域P内的平均C浓度控制为1.40质量％以下，则能够进一步提高轮毂部2的韧性。
基于以上的见解而完成的本实施方式的铁道车轮1具有以下的结构。
[1]
一种铁道车轮，其中，
该铁道车轮包括：
轮辋部；
轮毂部，其具有贯通孔；以及
板部，其配置于所述轮辋部和所述轮毂部之间，与所述轮辋部和所述轮毂部相连，
所述铁道车轮的化学组成以质量％计为
C：大于0.80％且为1.35％以下、
Si：1.00％以下、
Mn：0.10％～1.50％、
P：0％～0.050％、
S：0％～0.030％、
N：0.0200％以下、
Al：0％～1.500％、
Cu：0％～0.50％、
Ni：0％～0.50％、
Cr：0％～0.50％、
V：0％～0.12％、
Ti：0％～0.010％、
Mo：0％～0.20％、
Nb：0％～0.050％，并且
余量为Fe和杂质，
在沿着所述贯通孔的中心轴线方向将所述轮毂部于包含所述中心轴线的面切断时的所述轮毂部的截面中，
在将利用如下线段划分的15mm×15mm的区域定义为矩形区域时，所述轮毂部的所述截面中的各矩形区域的平均C浓度为1.40质量％以下，
所述线段为：与所述中心轴线平行且从所述贯通孔的内周面沿着所述铁道车轮的径向以15mm的间距排列的多个轴向线段，以及，与所述中心轴线垂直且从所述轮毂部的形成有所述贯通孔的开口的表面沿着所述中心轴线方向以15mm的间距排列的多个径向线段。
[2]
根据[1]所述的铁道车轮，其中，
所述化学组成含有从由
P：0.001％～0.050％、
S：0.001％～0.030％、
Al：0.001％～1.500％、
Cu：0.01％～0.50％、
Ni：0.01％～0.50％、
Cr：0.01％～0.50％、
V：0.01％～0.12％、
Ti：0.001％～0.010％、
Mo：0.01％～0.20％、以及
Nb：0.010％～0.050％组成的组中选择的1种以上的元素。
以下，详细说明本实施方式的铁道车轮1。在本说明书中，只要没有特别的告知，关于元素的“％”就是指质量％。
图4是表示铁道车轮1的制造工序的示意图。铁道车轮1的制造工序的一例如下。制造圆盘状的铁道车轮用钢材5。对圆盘状的铁道车轮用钢材5在厚度方向上进行1次或多次热锻造，制造具有铁道车轮1的外形的中间品7。根据需要，也可以在热锻造之后实施热轧(车轮轧制)。通过冲裁加工而除去锻造后的中间品7的中心轴线部分71以供车轴能够贯通。由此，成形铁道车轮形状的中间品8。对成形的中间品8实施热处理(踏面淬火)。在踏面淬火中，在对中间品8进行了加热之后向轮辋部4的踏面41和凸缘部42喷射冷却液，使中间品8的踏面41和凸缘部42骤冷。由此，在踏面41的表层部分的基体组织生成耐磨损性较高的微细珠光体。但是，在踏面淬火后的踏面41的表层部分中的、微细珠光体的上层形成有由马氏体构成的(或者由马氏体和贝氏体构成的)淬透层。在使用铁道车轮1的过程中，淬透层易于磨损。因此，在踏面淬火之后通过切削加工而除去在踏面41的最表层形成的淬透层。通过以上的工序来制造铁道车轮1。
[铁道车轮的化学组成]
如图1所示，本实施方式的铁道车轮1包括：轮辋部4；轮毂部2，其具有贯通孔21；以及板部3，其配置于轮辋部4和轮毂部2之间，与轮辋部4和轮毂部2相连。本实施方式的铁道车轮1的化学组成含有以下的元素。
C：大于0.80％且为1.35％以下
碳(C)提高钢的硬度，提高铁道车轮1的耐磨损性。若C含量为0.80％以下，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也得不到该效果。另一方面，若C含量大于1.35％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，铁道车轮1的韧性也下降。因而，C含量为大于0.80％且为1.35％以下。C含量的下限优选为0.83％，更优选为0.85％，进一步优选为0.87％，更进一步优选为0.90％。C含量的上限优选为1.30％，更优选为1.25％，进一步优选为1.20％，更进一步优选为1.10％，再进一步优选为1.05％，再进一步优选为1.00％。
Si：1.00％以下
不可避免地含有硅(Si)。也就是说，Si含量大于0％。Si对铁素体进行固溶强化而提高钢的硬度。但是，若Si含量大于1.00％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，铁道车轮1的韧性也下降。而且，若Si含量大于1.00％，则钢的淬透性变得过高，易于生成马氏体。在该情况下，在踏面淬火时形成于踏面上的淬透层的厚度增大。其结果为，切削量增大而成品率下降。而且，若Si含量大于1.00％，则在使用铁道车轮1的过程中由于在其与制动器之间产生的摩擦热而对轮辋部4产生烧伤(日文：焼き)。在该情况下，存在钢的耐裂性下降的情况。因而，Si含量为1.00％以下。Si含量的上限优选为0.90％，更优选为0.80％，进一步优选为0.70％，更进一步优选为0.60％，再进一步优选为0.50％。Si含量的下限没有特别的限制。但是，Si含量的过度的减少会提高制造成本。因而，Si含量的下限优选为0.01％，更优选为0.05％。在提高钢的硬度的观点上，Si含量的下限更优选为0.10％，进一步优选为0.15％。
Mn：0.10％～1.50％
锰(Mn)对铁素体进行固溶强化而提高钢的硬度。Mn进而形成MnS，提高钢的切削性。若Mn含量小于0.10％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也得不到这些效果。另一方面，若Mn含量大于1.50％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，钢的淬透性也变得过高。在该情况下，淬透层的厚度增大，制造工序时的成品率下降。并且，在使用铁道车轮1时，由于在其与制动器之间产生的摩擦热而对轮辋部4产生烧伤。在该情况下，存在钢的耐裂性下降的情况。因而，Mn含量为0.10％～1.50％。Mn含量的下限优选为0.50％，更优选为0.60％，进一步优选为0.70％。Mn含量的上限优选为1.40％，更优选为1.30％，进一步优选为1.20％，更进一步优选为1.10％，再进一步优选为1.00％，再进一步优选为0.95％，再进一步优选为0.90％。
P：0％～0.050％
磷(P)是杂质。P偏析到晶界而降低钢的韧性。因而，P含量为0.050％以下。P含量的上限优选为0.030％，更优选为0.020％。P含量优选为尽量低。P含量也可以为0％。但是，P含量的过度的减少会提高制造成本。因而，在考虑到通常的工业生产的情况下，P含量的下限优选为0.001％，更优选为0.002％。
S：0％～0.030％
硫(S)是杂质。S形成MnS，提高钢的切削性。另一方面，若S含量过高，则钢的韧性下降。因而，S含量为0.030％以下。S含量的上限优选为0.020％。S含量优选为尽量低。S含量也可以为0％。但是，S含量的过度的减少会提高制造成本。因而，在考虑到通常的工业生产的情况下，S含量的下限优选为0.001％，更优选为0.002％，进一步优选为0.005％。
N：0.0200％以下
氮(N)是不可避免地含有的杂质。也就是说，N含量大于0％。若N含量大于0.0200％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，AlN也粗大化，降低钢的韧性。因而，N含量为0.0200％以下。N含量的上限优选为0.0180％，更优选为0.0150％，进一步优选为0.0130％，更进一步优选为0.0100％，再进一步优选为0.0080％。N含量优选为尽量低。但是，N含量的过度的减少会提高制造成本。因而，考虑到通常的工业生产，N含量的下限优选为0.0010％，更优选为0.0030％，进一步优选为0.0050％。
本实施方式的铁道车轮1的化学组成的余量为Fe和杂质。在此，杂质是指，在工业上制造上述铁道车轮1时从作为原料的矿石、废料或者制造环境等混入的物质，并且是在不对本实施方式的铁道车轮1产生不良影响的范围内被容许的物质。除了上述的杂质以外的杂质例如是O。O含量例如为0.0070％以下。
[关于任意元素]
本实施方式的铁道车轮1的化学组成也可以还含有从由Al、Cu、Ni、Cr、V、Ti、Mo以及Nb组成的组中选择的1种以上的元素来代替Fe的一部分。
Al：0％～1.500％
铝(Al)是任意元素，也可以不含有。也就是说，Al含量也可以为0％。在含有的情况下，Al与N结合，形成AlN，使晶粒微细化。通过使晶粒微细化，从而钢的韧性得到提高。但是，若Al含量大于1.500％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也是粗大的非金属夹杂物增加而钢的韧性和疲劳强度下降。因而，Al含量为0％～1.500％。Al含量的下限优选为大于0％，更优选为0.001％，进一步优选为0.005％，更进一步优选为0.010％，再进一步优选为0.020％，再进一步优选为0.030％。Al含量的上限优选为1.200％，更优选为1.000％，进一步优选为0.800％，再进一步优选为0.650％。在本说明书中所说的Al含量是指酸溶Al(sol.Al)的含量。
Cu：0％～0.50％
铜(Cu)是任意元素，也可以不含有。也就是说，Cu含量也可以为0％。在含有的情况下，Cu通过固溶强化而提高钢的硬度。其结果为，铁道车轮1的耐磨损性得到提高。但是，若Cu含量大于0.50％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，钢的热加工性也下降。因而，Cu含量为0％～0.50％。Cu含量的下限优选为大于0％，更优选为0.01％，进一步优选为0.02％，再进一步优选为0.05％，再进一步优选为0.10％。Cu含量的上限优选为0.45％，更优选为0.40％，再进一步优选为0.35％，再进一步优选为0.30％，再进一步优选为0.25％。
Ni：0％～0.50％
镍(Ni)是任意元素，也可以不含有。也就是说，Ni含量也可以为0％。在含有的情况下，Ni提高钢的韧性。但是，若Ni含量大于0.50％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也是淬透性过度升高，踏面淬火后的淬透层的厚度过度增大。因而，Ni含量为0％～0.50％。Ni含量的下限优选为大于0％，更优选为0.01％，进一步优选为0.05％。Ni含量的上限优选为0.45％，更优选为0.40％，进一步优选为0.35％，更进一步优选为0.30％，再进一步优选为0.25％，再进一步优选为0.20％。
Cr：0％～0.50％
铬(Cr)是任意元素，也可以不含有。也就是说，Cr含量也可以为0％。在含有的情况下，Cr缩小珠光体的层间间隔。由此，珠光体的硬度显著增大。但是，若Cr含量大于0.50％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也是淬透性过度升高，踏面淬火后的淬透层的厚度过度增大。因而，Cr含量为0％～0.50％。Cr含量的下限优选为大于0％，更优选为0.01％，进一步优选为0.02％，再进一步优选为0.03％，再进一步优选为0.05％。Cr含量的上限优选为0.45％，更优选为0.40％，进一步优选为0.35％，再进一步优选为0.30％，再进一步优选为0.25％，再进一步优选为0.20％。
V：0％～0.12％
钒(V)是任意元素，也可以不含有。也就是说，V含量也可以为0％。在含有的情况下，V形成碳化物、氮化物以及碳氮化物中的任一者，将钢(具体而言是钢中的铁素体)析出强化。其结果为，铁道车轮1的硬度增大，耐磨损性得到提高。但是，若V含量大于0.12％，则淬透性升高，踏面淬火后的淬透层的厚度过度增大。因而，V含量为0％～0.12％。V含量的下限优选为大于0％，更优选为0.01％，进一步优选为0.02％，更进一步优选为0.03％。V含量的上限优选为0.11％，更优选为0.10％，进一步优选为0.08％。
Ti：0％～0.010％
钛(Ti)是任意元素，也可以不含有。也就是说，Ti含量也可以为0％。在含有的情况下，Ti形成碳化物、氮化物以及碳氮化物中的任一者，将钢(具体而言是钢中的铁素体)析出强化。其结果为，铁道车轮1的硬度增大，耐磨损性得到提高。但是，若Ti含量大于0.010％，则淬透性升高，踏面淬火后的淬透层的厚度过度增大。因而，Ti含量为0％～0.010％。Ti含量的下限优选为大于0％，更优选为0.001％，进一步优选为0.002％，更进一步优选为0.003％。Ti含量的上限优选为0.008％，更优选为0.007％，进一步优选为0.005％。
Mo：0％～0.20％
钼(Mo)是任意元素，也可以不含有。也就是说，Mo含量也可以为0％。在含有的情况下，Mo提高钢的硬度。其结果为，铁道车轮1的耐磨损性得到提高。但是，若Mo含量大于0.20％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也是淬透性过度升高，踏面淬火后的淬透层的厚度过度增大。因而，Mo含量为0％～0.20％。Mo含量的下限优选为大于0％，更优选为0.01％，进一步优选为0.05％。Mo含量的上限优选为0.18％，更优选为0.15％，进一步优选为0.12％，更进一步优选为0.10％，再进一步优选为0.05％。
Nb：0％～0.050％
铌(Nb)是任意元素，也可以不含有。也就是说，Nb含量也可以为0％。在含有的情况下，Nb在铁道车轮1的制造工序中的踏面淬火用的加热时与C结合而生成微细的NbC。微细的NbC作为钉扎颗粒发挥功能，抑制加热时的奥氏体的粗大化。因此，旧奥氏体晶粒维持着微细的状态，抑制了钢的淬透性。其结果为，抑制铁道车轮1的制造工序中的淬透层的生成。Nb还抑制旧奥氏体晶粒的粗大化，从而也能提高钢材的韧性。另一方面，若Nb含量大于0.050％，则即使其他的元素含量在本实施方式的范围内，也是NbC粗大化而钢材的韧性反而下降。因而，Nb含量为0％～0.050％。Nb含量的下限优选为大于0％，更优选为0.010％，进一步优选为0.020％。Nb含量的上限优选为0.030％，更优选为0.020％。
[轮毂部的C浓度的偏差]
本实施方式的铁道车轮1的轮毂部2内的C浓度的偏差较小。具体而言，在沿着贯通孔21的中心轴线方向将轮毂部2于包含中心轴线的面切断时的轮毂部2的截面中，在将利用如下线段划分的15mm×15mm的区域定义为矩形区域P时，轮毂部2的截面中的各矩形区域P的平均C浓度为1.40质量％以下，所述线段为：与中心轴线平行且从贯通孔21的内周面22沿着径向以15mm的间距排列的多个轴向线段，以及，与中心轴线垂直且从轮毂部2的形成有贯通孔21的开口的表面沿着中心轴线方向以15mm的间距排列的多个径向线段。在本实施方式的铁道车轮1中，在轮毂部2内不存在平均C浓度大于1.40质量％的15mm×15mm的矩形区域。因此，在轮毂部2内整个区域韧性较高。其结果为，本实施方式的铁道车轮1的轮毂部2的韧性优异。
利用以下的方法来测量轮毂部2内的C浓度的偏差。用包含铁道车轮1的中心轴线且与中心轴线平行的面切断而得到轮毂部2的截面。通过机械研磨或者离子铣削等对由于切断而呈现的轮毂部2的截面进行研磨，得到平滑的观察面。使用EPMA对观察面测量C浓度。EPMA的测量视场设为15mm×15mm的矩形。图5是用于说明EPMA的测量视场的配置方法的轮毂部2的剖视图。参照图5，在轮毂部2的截面中，利用多个轴向线段L1和多个径向线段L2划分轮毂部2。轴向线段L1与铁道车轮1的中心轴线平行，从贯通孔21的内周面22沿着径向以15mm间距排列。径向线段L2与铁道车轮1的中心轴线垂直，从轮毂部2的形成有贯通孔21的开口的表面沿着中心轴线方向以15mm间距排列。在图5中，径向线段L2从踏面侧表面24排列。但是，径向线段L2也可以从凸缘侧表面23排列。将利用轴向线段L1和径向线段L2划分的15mm×15mm的区域定义为矩形区域P。利用EPMA求出各矩形区域P的平均C浓度，判断C浓度的偏差。参照图5，在包含轮毂部2的外周的矩形区域P中存在矩形区域P的整个区域不包含轮毂部2的情况。在该情况下，在轮毂部2在矩形区域P内的占有面积为50％以上的情况下，作为测量对象。另外，在本说明书中，轮毂部2是指在沿着铁道车轮1的中心轴线方向用包含中心轴线的面切断铁道车轮1后的截面中从内周面22到铁道车轮1的外周上的与平行于铁道车轮1的中心轴线的直线交叉的两点间的直线距离成为轮毂部2的厚度T2的一半为止的区域。在图5中，将铁道车轮1的外周上的与平行于铁道车轮1的中心轴线的直线交叉的两点分别表示为交点A和交点B。参照图5，轮毂部2是指在沿着铁道车轮1的中心轴线方向用包含中心轴线的面切断铁道车轮1后的截面中从内周面22到交点A-B间的直线距离成为轮毂部2的厚度T2的一半为止的区域。在成为测量对象的全部矩形区域P中，若矩形区域P内的平均C浓度为1.40质量％以下，则判断为轮毂部2内的C浓度的偏差较小。
EPMA在以下的条件下测量。
加速电压：15.0kV
照射电流：0.50μA
时间：50ms
射束直径：20μm
矩形区域P：15mm×15mm
1个矩形区域P内的测量点数：500×500点
测量间隔：纵向方向和横向方向均为30.0μm
在1个矩形区域P内进行500×500点的测量，将全部测量点的C浓度的算术平均值作为1个矩形区域P内的平均C浓度。
[铁道车轮的微观组织]
对于本实施方式的铁道车轮1的轮辋部4、板部3以及轮毂部2的微观组织，期望的是珠光体按照面积率计为75％以上，也可以是实质上由珠光体构成的微观组织。在此，“实质上由珠光体构成”是指在微观组织中珠光体的面积率为95％以上。但是，根据化学组成和热处理条件，有时混合有按照面积率的合计计为25％以下的、从由先共析渗碳体、先共析铁素体、贝氏体以及马氏体组成的组中选择的一种以上。因而，本实施方式的铁道车轮1的轮辋部4、板部3以及轮毂部2的微观组织也可以是从由先共析渗碳体、先共析铁素体、贝氏体以及马氏体组成的组中选择的一种以上按照面积率的合计计为0％～25％且余量为珠光体的微观组织。
利用以下的方法求出珠光体的面积率。从铁道车轮1的轮辋部4的厚度方向的中央位置、板部3的厚度方向的中央位置以及轮毂部2的厚度方向的中央位置分别提取样品。通过机械研磨对各样品的观察面进行镜面精加工。之后，利用硝酸酒精溶液(硝酸和酒精的混合液)腐蚀观察面。对于腐蚀后的观察面内的任意的1个视场(200μm×200μm)，使用500倍的光学显微镜生成照片图像。淬透层(马氏体和/或贝氏体)、先共析渗碳体及先共析铁素体和珠光体的对比度不同。因而，基于对比度来确定观察面中的淬透层和珠光体。基于确定的珠光体的总面积和观察面的面积而求出珠光体的面积率。
像以上那样，在本实施方式的铁道车轮1中，化学组成中的各元素含量在本实施方式的范围内，而且在沿着贯通孔21的中心轴线方向将轮毂部2于包含中心轴线的面切断时的轮毂部2的截面中，在将利用如下线段划分的15mm×15mm的区域定义为矩形区域P时，轮毂部2的截面中的各矩形区域P的平均C浓度为1.40质量％以下，所述线段为：与中心轴线平行且从贯通孔21的内周面22沿着径向以15mm的间距排列的多个轴向线段L1，以及，与中心轴线垂直且从轮毂部2的形成有贯通孔21的开口的表面沿着中心轴线方向以15mm的间距排列的多个径向线段L2。因此，轮毂部2的韧性优异。
[铁道车轮的制造方法]
说明制造上述的铁道车轮1的方法的一例。本制造方法包含原材料制造工序、成形工序、热处理工序以及切削加工工序。在原材料制造工序中，制造铁道车轮用钢材5。在成形工序中，通过热加工从铁道车轮用钢材5成形车轮形状的中间品8。在热处理工序中，对成形的中间品8实施热处理(踏面淬火)。在切削加工工序中，通过切削加工从热处理后的中间品8的踏面41等除去淬透层，做成铁道车轮1。以下，说明各工序。
[原材料制造工序]
在原材料制造工序中，在使用电炉或转炉等熔炼了具有上述的化学组成的钢水之后进行铸造，做成铸造件(铸片或铸块)。既可以连续铸造来制造铸片，也可以利用铸模浇铸来制造铸块。
对铸片或铸块进行热加工，制造期望的尺寸的铁道车轮用钢材5。热加工例如是热锻造、热轧等。在通过热轧来制造铁道车轮用钢材5的情况下，例如利用以下的方法来制造铁道车轮用钢材5。在热轧中，例如使用初轧机。利用初轧机对原材料实施初轧，制造铁道车轮用钢材5。在初轧机的下游设置有连续轧机的情况下，可以进一步使用连续轧机对初轧后的钢材实施热轧，制造尺寸更小的铁道车轮用钢材5。在连续轧机中，具有一对水平辊的水平机架和具有一对垂直辊的垂直机架交替地排列成一列。热轧中的加热炉的加热温度没有特别的限定，例如为1100℃～1350℃。通过以上的制造工序来制造铁道车轮用钢材5。
另外，铁道车轮用钢材5也可以是铸造件(铸片或铸块)。铁道车轮用钢材5也可以通过将圆柱状的铸造件与轴向垂直地切成轮状而获得。也就是说，也可以省略上述的热加工。通过以上的工序来制造作为铁道车轮1的原材料的铁道车轮用钢材5。铁道车轮用钢材5例如是圆柱状的原材料。
[成形工序]
在成形工序中，使用准备好的铁道车轮用钢材5并通过热加工来成形车轮形状的中间品8。中间品8具有车轮形状，因此包括轮毂部2、板部3以及包含踏面41和凸缘部42的轮辋部4。热加工例如是热锻造、热轧(车轮轧制)等。作为一例，如果是以下的成形工序，则能够减小轮毂部2内的C浓度的偏差。
图4是表示铁道车轮1的制造工序的示意图。参照图4，通过对铁道车轮用钢材5进行热锻造来制造圆盘形状的中间品6。通过对圆盘形状的中间品6进一步进行热锻造来制造具有车轮的外形的中间品7。根据需要，也可以在热锻造之后实施热轧(车轮轧制)。之后，通过冲裁加工而除去具有车轮的外形的中间品7的中心轴线部分71。由此，制造具有车轮的形状的中间品8。
本发明人得出这样的见解：通过调整相对于铁道车轮用钢材5的体积而言的、具有车轮的外形的中间品7的中心轴线部分71(以下称为中心轴线部分71)的体积，从而能够抑制轮毂部2的C浓度的偏差。其理由虽不确定，但例如考虑到以下的事项。
在本说明书中，将相对于铁道车轮用钢材5的体积而言的、中心轴线部分71的体积称为冲裁部体积率。冲裁部体积率用以下的式(i)来定义。
(D712×T71)/(D52×T5)(i)
在式(i)中，将中心轴线部分71的直径(cm)代入到D71，将中心轴线部分71的厚度(cm)代入到T71，将铁道车轮用钢材5的直径(cm)代入到D5，将铁道车轮用钢材5的厚度(cm)代入到T5。
图6是表示冲裁部体积率恰当的情况下的铁道车轮1的制造工序的示意图。参照图6，铁道车轮用钢材5的中心轴线部分通过热加工而被压扁，沿着铁道车轮用钢材5的径向延伸扩展。在冲裁部体积率恰当的情况下，中心轴线部分71的体积相对于铁道车轮用钢材5的体积而言足够大。在该情况下，轮毂部2由于热加工而产生的应变较少。
图7是表示冲裁部体积率过小的情况下的铁道车轮1的制造工序的示意图。参照图7，在冲裁部体积率过小的情况下，中心轴线部分71的体积相对于铁道车轮用钢材5的体积而言过小。在该情况下，与冲裁部体积率恰当的情况相比较承受更强的压下，因此轮毂部2由于热加工而产生的应变较多。认为在产生了应变的区域中C浓度产生局部的偏差。
本发明人对冲裁部体积率和轮毂部2的C浓度的偏差进行了研究。具体而言，制造使冲裁部体积率发生了变化的铁道车轮1，调查C浓度是否有偏差。其结果为得知，像后述的实施例所记载的那样，若冲裁部体积率为0.07％以上，则能够将轮毂部2的C浓度的偏差抑制到1.40质量％以下。也就是说，通过将冲裁部体积率设为0.07％以上，从而能够抑制轮毂部2的应变，能够抑制C浓度的偏差。
像以上那样，在本公开的铁道车轮1的制造方法中，将热加工时的冲裁部体积率调整到0.07％以上。由此，能够抑制轮毂部2的应变，抑制轮毂部2的C浓度的偏差。由此，铁道车轮1的韧性得到提高。
热加工时的铁道车轮用钢材5的优选的加热温度为1220℃以上。热加工后的中间品的冷却方法没有特别的限定。既可以是自然冷却，也可以是水冷。
[热处理工序]
在热处理工序中，对成形的车轮形状的中间品8实施踏面淬火。具体而言，将成形工序(热锻造或热轧)后的中间品8再次加热到Acm相变点以上(再次加热处理)。在加热之后对中间品8的踏面41和凸缘部42进行骤冷(踏面淬火)。例如喷射冷却介质对踏面41和凸缘部42进行骤冷。冷却介质例如是空气、雾、喷雾，只要能获得与期望的组织相符的冷却速度，就没有特别的限定。另外，在踏面淬火时，不对板部3和轮毂部2进行水冷而是自然冷却。
在上述说明中，对中间品8进行再次加热，但也可以对热加工后的中间品8直接(不进行再次加热)实施踏面淬火。
根据需要对踏面淬火后的中间品8实施回火。只要以众所周知的温度和时间进行回火即可。回火温度例如为400℃～600℃。
[切削加工工序]
像上述那样，在热处理后的中间品8的踏面41的表层形成有微细珠光体，在其上层形成有淬透层。在使用铁道车轮1时，由于淬透层的耐磨损性较低，因此通过切削加工而除去淬透层。只要利用众所周知的方法进行切削加工即可。
通过以上的工序来制造本实施方式的铁道车轮1。在本实施方式的铁道车轮1中，化学组成中的各元素含量在本实施方式的范围内，而且在沿着贯通孔21的中心轴线方向将轮毂部2于包含中心轴线的面切断时的轮毂部2的截面中，在将利用如下线段划分的15mm×15mm的区域定义为矩形区域P时，轮毂部2的截面中的各矩形区域P的平均C浓度为1.40质量％以下，所述线段为：与中心轴线平行且从贯通孔21的内周面22沿着径向以15mm的间距排列的多个轴向线段L1，以及，与中心轴线垂直且从轮毂部2的形成有贯通孔21的开口的表面沿着中心轴线方向以15mm的间距排列的多个径向线段L2。因此，轮毂部2的韧性优异。
【实施例】
调查了相对于冲裁部体积率而言的、轮毂部的C浓度的偏差。具体而言，制造C：1.15％、Si：0.30％、Mn：0.80％、P：0.010％、S：0.010％、N：0.0040％、Al：0.500％、Cr：0.10％并且余量为Fe和杂质的钢水。模拟铁道车轮的制造工序的原材料制造工序，使用上述钢水并通过铸锭法来制造铸块(直径46cm、厚度50cm的圆柱状钢材)。在将铸块加热到1250℃之后进行1次热锻造，制造直径87cm、厚度14cm的圆盘状的中间品。进而再进行1次锻造，制造具有直径97cm、轮辋部的厚度(T4)15cm、轮辋部的宽度9cm、板部的厚度(T3)5cm、板部的宽度26cm、轮毂部的厚度(T2)7cm、轮毂部的宽度20cm的铁道车轮的外形的中间品。制造将冲裁部体积率设为0.20％或0.05％且具有铁道车轮的外形的中间品，调查轮毂部2的C浓度是否有偏差。
对使冲裁部体积率发生了变化的、具有铁道车轮的外形的中间品实施踏面淬火和淬透层的切削加工，制造铁道车轮。沿着贯通孔的中心轴线方向用包含中心轴线的面切断得到的铁道车轮。然后，通过机械研磨对轮毂部2的截面进行研磨，得到平滑的观察面。利用与铁道车轮的中心轴线平行且从贯通孔的内周面沿着径向以15mm间距排列的多个轴向线段和与铁道车轮的中心轴线垂直且从轮毂部的形成有贯通孔的开口的表面沿着中心轴线方向以15mm间距排列的多个径向线段划分轮毂部2的截面。将划分出的15mm×15mm的区域定义为矩形区域P。利用EPMA测量各矩形区域P内的平均C浓度。EPMA的测量条件像上述的“轮毂部的C浓度的偏差”中记载的那样。将得到的平均C浓度中的最高的C浓度表示于表3的“最大C浓度(质量％)”这栏。
【表3】
表3
[夏比冲击试验]
为了调查C浓度与韧性的关系，进行了夏比冲击试验。制作表4所示的化学组成的钢材。结合表3的最大C浓度，调整了C含量。钢材的形状设为直径20mm、长度125mm的圆棒。
【表4】
表4
为了评价试验编号1和试验编号2的钢材的韧性，求出了夏比冲击值。具体而言，从各钢材编号的钢材的与长度方向垂直的截面中的中心位置提取依照JIS Z 2242(2005)的U形槽口试验片。U形槽口试验片的与长度方向垂直的截面设为10mm×10mm的正方形，U形槽口试验片的长度方向的长度设为55mm。U形槽口试验片的长度方向与钢材的长度方向平行。在U形槽口试验片的长度中央位置(也就是长度55mm的中央位置)形成了U形槽口。将槽口深度设为2mm，将槽口底半径设为1mm。依照JIS Z 2242(2005)实施室温大气中的夏比冲击试验。按照各试验编号对4个U形槽口试验片求出夏比冲击值(J/cm2)，将这些值的平均值作为该试验编号的夏比冲击值(J/cm2)。将结果表示于表5。
【表5】
表5
[评价结果]
参照表5，在试验编号1中，热锻造的冲裁部体积率为0.07％以上。因此，抑制了轮毂部的C浓度的偏差。具体而言，在沿着贯通孔的中心轴线方向将轮毂部于包含中心轴线的面切断时的轮毂部的截面中，在将利用如下线段划分的15mm×15mm的区域定义为矩形区域P时，轮毂部的截面中的各矩形区域P的平均C浓度为1.40质量％以下，所述线段为：与中心轴线平行且从贯通孔的内周面沿着径向以15mm的间距排列的多个轴向线段，以及，与中心轴线垂直且从轮毂部的形成有贯通孔的开口的表面沿着中心轴线方向以15mm的间距排列的多个径向线段。并且，C浓度为1.40质量％以下的情况下的夏比冲击值为12.0(J/cm2)以上。也就是说，在试验编号1的铁道车轮中，由于轮毂部内的各矩形区域P内的平均C浓度为1.40质量％以下，因此在轮毂部内的整个区域夏比冲击值为12.0(J/cm2)以上。因而，在试验编号1的条件下制造的铁道车轮的轮毂部具有优异的韧性。
另一方面，在试验编号2中，热锻造的冲裁部体积率小于0.07％。因此，没能抑制轮毂部的C浓度的偏差。具体而言，在沿着贯通孔的中心轴线方向将轮毂部于包含中心轴线的面切断时的轮毂部的截面中，在将利用如下线段划分的15mm×15mm的区域定义为矩形区域P时，轮毂部的截面中的矩形区域P中包含平均C浓度大于1.40质量％的矩形区域P，所述线段为：与中心轴线平行且从贯通孔的内周面沿着径向以15mm的间距排列的多个轴向线段，以及，与中心轴线垂直且从轮毂部的形成有贯通孔的开口的表面沿着中心轴线方向以15mm的间距排列的多个径向线段。并且，C浓度大于1.40质量％的情况下的夏比冲击值小于12.0(J/cm2)。也就是说，在平均C浓度大于1.40质量％的矩形区域P中，夏比冲击值小于12.0(J/cm2)。因而，在试验编号2的条件下制造的铁道车轮的轮毂部不具有优异的韧性。
以上，说明了本公开的实施方式。但是，上述的实施方式只不过是用于实施本公开的例示。因而，本公开并不限定于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内对上述的实施方式适当地进行变更来实施。
附图标记说明
1、铁道车轮；2、轮毂部；3、板部；4、轮辋部；21、贯通孔；22、内周面；23、凸缘侧表面；24、踏面侧表面；41、踏面；42、凸缘部；L1、轴向线段；L2、径向线段。
Claims (2)
1.一种铁道车轮，其中，
该铁道车轮包括：
轮辋部；
轮毂部，其具有贯通孔；以及
板部，其配置于所述轮辋部和所述轮毂部之间，与所述轮辋部和所述轮毂部相连，
所述铁道车轮的化学组成以质量％计为C：大于0.80％且为1.35％以下、
Si：1.00％以下、
Mn：0.10％～1.50％、
P：0％～0.050％、
S：0％～0.030％、
N：0.0200％以下、
Al：0％～1.500％、
Cu：0％～0.50％、
Ni：0％～0.50％、
Cr：0％～0.50％、
V：0％～0.12％、
Ti：0％～0.010％、
Mo：0％～0.20％、
Nb：0％～0.050％，并且
余量为Fe和杂质，
在沿着所述贯通孔的中心轴线方向将所述轮毂部于包含所述中心轴线的面切断时的所述轮毂部的截面中，
在将利用如下线段划分的15mm×15mm的区域定义为矩形区域时，所述轮毂部的所述截面中的各矩形区域的平均C浓度为1.40质量％以下，
所述线段为：与所述中心轴线平行且从所述贯通孔的内周面沿着所述铁道车轮的径向以15mm的间距排列的多个轴向线段，以及，与所述中心轴线垂直且从所述轮毂部的形成有所述贯通孔的开口的表面沿着所述中心轴线方向以15mm的间距排列的多个径向线段。
2.根据权利要求1所述的铁道车轮，其中，
所述化学组成含有从由
P：0.001％～0.050％、
S：0.001％～0.030％、
Al：0.001％～1.500％、
Cu：0.01％～0.50％、
Ni：0.01％～0.50％、
Cr：0.01％～0.50％、
V：0.01％～0.12％、
Ti：0.001％～0.010％、
Mo：0.01％～0.20％、以及
Nb：0.010％～0.050％组成的组中选择的1种以上的元素。
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