JP2001206002A - 鉄道車両用車軸とその製造方法 - Google Patents
鉄道車両用車軸とその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高周波焼入れ車軸より安価で、従来の在来線
車両用車軸よりフレッティング疲労強度の高い鉄道車両
用車軸とその製造方法を提供する。 【解決手段】 質量％で、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％を含有し、０．２％耐力が７０
０〜１２００ＭＰａで、下記式を満足する加工硬化指数
Ｎ（単位：無次元）を有する鋼からなり、はめ合い部と
フィレット部の双方の表層部に押圧加工で形成された硬
化層を有する車軸。この車軸は、上記化学組成の鋼を熱
間鍛造し、焼入れ焼戻し処理し、その後、はめ合い部と
フィレット部の双方の表面にローラによる押圧加工を行
うことにより得られる。 Ｎ＜（σｙ−２００）／２５００ 但し、σｙ：０．２％耐力（単位：ＭＰａ）
車両用車軸よりフレッティング疲労強度の高い鉄道車両
用車軸とその製造方法を提供する。 【解決手段】 質量％で、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％を含有し、０．２％耐力が７０
０〜１２００ＭＰａで、下記式を満足する加工硬化指数
Ｎ（単位：無次元）を有する鋼からなり、はめ合い部と
フィレット部の双方の表層部に押圧加工で形成された硬
化層を有する車軸。この車軸は、上記化学組成の鋼を熱
間鍛造し、焼入れ焼戻し処理し、その後、はめ合い部と
フィレット部の双方の表面にローラによる押圧加工を行
うことにより得られる。 Ｎ＜（σｙ−２００）／２５００ 但し、σｙ：０．２％耐力（単位：ＭＰａ）
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、疲労強度に優れた
鉄道車両用車軸とその製造方法に関する。
鉄道車両用車軸とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】鉄道車両用車軸は、その折損が極めて重
大な事故につながるため、高い信頼性が要求される。特
に、車輪やブレーキディスクあるいは歯車等が嵌合され
る部分（以後、はめ合い部という）では、高い負荷応力
の繰返しと車輪など相手部材との微小な相対すべりとを
原因とするフレッティング疲労が生じ、疲労強度が大幅
に低下することが知られている。
大な事故につながるため、高い信頼性が要求される。特
に、車輪やブレーキディスクあるいは歯車等が嵌合され
る部分（以後、はめ合い部という）では、高い負荷応力
の繰返しと車輪など相手部材との微小な相対すべりとを
原因とするフレッティング疲労が生じ、疲労強度が大幅
に低下することが知られている。
【０００３】ところで、鉄道車両用車軸は、一般に、新
幹線車両用車軸と在来線車両用車軸に分類される。
幹線車両用車軸と在来線車両用車軸に分類される。
【０００４】新幹線車両用車軸には、高速化により増大
する負荷荷重への対応と軽量化の追求といった厳しい条
件のもとで、より信頼性の高い車軸が要求され、炭素鋼
や低合金鋼に高周波焼入れを施したフレッティング疲労
強度の高い車軸が開発されている。
する負荷荷重への対応と軽量化の追求といった厳しい条
件のもとで、より信頼性の高い車軸が要求され、炭素鋼
や低合金鋼に高周波焼入れを施したフレッティング疲労
強度の高い車軸が開発されている。
【０００５】一方、在来線車両用車軸には、新幹線車両
用車軸のように高いフレッティング疲労強度は要求され
ないため、炭素鋼を焼きならしまたは焼入れ焼戻しの熱
処理を施した車軸が使用されてきた。
用車軸のように高いフレッティング疲労強度は要求され
ないため、炭素鋼を焼きならしまたは焼入れ焼戻しの熱
処理を施した車軸が使用されてきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、最近、在来
線車両用車軸においても、従来に比べ、高いフレッティ
ング疲労強度を有する車軸が要求されている。例えば、
新幹線車両用車軸のように、高周波焼入れを施すことに
よって、車軸表面に圧縮の残留応力を形成してフレッテ
ィング疲労強度を向上させることができる。但し、高周
波焼入れ処理は処理コストが高いという欠点がある。
線車両用車軸においても、従来に比べ、高いフレッティ
ング疲労強度を有する車軸が要求されている。例えば、
新幹線車両用車軸のように、高周波焼入れを施すことに
よって、車軸表面に圧縮の残留応力を形成してフレッテ
ィング疲労強度を向上させることができる。但し、高周
波焼入れ処理は処理コストが高いという欠点がある。
【０００７】本発明の課題は、在来線車両用車軸を対象
として、高周波焼入れ車軸より安価で、従来の在来線車
両用車軸よりフレッティング疲労強度の高い鉄道車両用
車軸を提供することにある。
として、高周波焼入れ車軸より安価で、従来の在来線車
両用車軸よりフレッティング疲労強度の高い鉄道車両用
車軸を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、高周波焼
入れより安価で比較的簡便に車軸表面に圧縮残留応力を
付与させる方法として、車軸表面への押圧加工に着目
し、この押圧加工による圧縮残留応力の効果的な形成の
観点から車軸材料ならびに押圧加工条件を詳細に検討
し、以下の知見を得た。
入れより安価で比較的簡便に車軸表面に圧縮残留応力を
付与させる方法として、車軸表面への押圧加工に着目
し、この押圧加工による圧縮残留応力の効果的な形成の
観点から車軸材料ならびに押圧加工条件を詳細に検討
し、以下の知見を得た。
【０００９】（ａ）車軸表面に形成される圧縮残留応力
は、車軸に用いる鋼の機械的特性、すなわち、０．２％
耐力と加工硬化特性のバランスが影響する。
は、車軸に用いる鋼の機械的特性、すなわち、０．２％
耐力と加工硬化特性のバランスが影響する。
【００１０】（ｂ）加工硬化指数が小さいほど圧縮残留
応力が大きくなるが、圧縮残留応力の絶対値が０．２％
耐力を超えると、圧縮残留応力は飽和する。圧縮残留応
力が飽和し始める加工硬化指数Ｎｕ（単位：無次元）
は、下記（１）式で表される。
応力が大きくなるが、圧縮残留応力の絶対値が０．２％
耐力を超えると、圧縮残留応力は飽和する。圧縮残留応
力が飽和し始める加工硬化指数Ｎｕ（単位：無次元）
は、下記（１）式で表される。
【００１１】 Ｎｕ＝（σｙ−２００）／２５００ （１） 但し、σｙ：０．２％耐力（単位：ＭＰａ） （ｃ）０．２％耐力が７００〜１２００ＭＰａで、加工
硬化指数が上記（１）式で規定されるＮｕ未満となる機
械的特性を有する鋼に、ローラによる押圧加工を施すこ
とにより、車軸表層部に硬化層が形成され適正な圧縮残
留応力が得られる。
硬化指数が上記（１）式で規定されるＮｕ未満となる機
械的特性を有する鋼に、ローラによる押圧加工を施すこ
とにより、車軸表層部に硬化層が形成され適正な圧縮残
留応力が得られる。
【００１２】（ｄ）車軸のはめ合い部ならびにフィレッ
ト部に適正深さの硬化層を形成することにより、フレッ
ティング疲労強度が高くなる。
ト部に適正深さの硬化層を形成することにより、フレッ
ティング疲労強度が高くなる。
【００１３】本発明は、上記知見に基づいて完成された
もので、その要旨は以下の通りである。
もので、その要旨は以下の通りである。
【００１４】（１）質量％で、Ｃ：０．３０〜０．４８
％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０
％、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．１５〜０．３
０％、Ｎｉ：０〜２．４％を含有し、０．２％耐力が７
００〜１２００ＭＰａで、下記式を満足する加工硬化指
数Ｎ（単位：無次元）を有する鋼からなる車軸であっ
て、該車軸のはめ合い部とフィレット部の双方の表層部
に硬化層を有することを特徴とする鉄道車両用車軸。
％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０
％、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．１５〜０．３
０％、Ｎｉ：０〜２．４％を含有し、０．２％耐力が７
００〜１２００ＭＰａで、下記式を満足する加工硬化指
数Ｎ（単位：無次元）を有する鋼からなる車軸であっ
て、該車軸のはめ合い部とフィレット部の双方の表層部
に硬化層を有することを特徴とする鉄道車両用車軸。
【００１５】Ｎ＜（σｙ−２００）／２５００
但し、σｙ：０．２％耐力（単位：ＭＰａ） （２）前記硬化層が、押圧加工で形成されたものである
ことを特徴とする上記（１）項に記載の鉄道車両用車
軸。
但し、σｙ：０．２％耐力（単位：ＭＰａ） （２）前記硬化層が、押圧加工で形成されたものである
ことを特徴とする上記（１）項に記載の鉄道車両用車
軸。
【００１６】（３）前記はめ合い部における硬化層の深
さが、はめ合い部の直径の０．０２倍以上、０．１０倍
以下で、前記フィレット部における硬化層の深さが、フ
ィレット部の直径の０．０５倍以上、０．１０倍以下で
あることを特徴とする上記（１）項または（２）項に記
載の鉄道車両用車軸。
さが、はめ合い部の直径の０．０２倍以上、０．１０倍
以下で、前記フィレット部における硬化層の深さが、フ
ィレット部の直径の０．０５倍以上、０．１０倍以下で
あることを特徴とする上記（１）項または（２）項に記
載の鉄道車両用車軸。
【００１７】（４）熱間鍛造により所定の形状に成形し
た後、焼入れ焼戻し処理を行い、その後、はめ合い部と
フィレット部の双方の表面にローラによる冷間押圧加工
を行い、硬化層を形成することを特徴とする上記（１）
項ないし（３）項のいずれかに記載の鉄道車両用車軸の
製造方法。
た後、焼入れ焼戻し処理を行い、その後、はめ合い部と
フィレット部の双方の表面にローラによる冷間押圧加工
を行い、硬化層を形成することを特徴とする上記（１）
項ないし（３）項のいずれかに記載の鉄道車両用車軸の
製造方法。
【００１８】（５）ローラは、ローラ先端半径が１ｍｍ
以上２０ｍｍ以下であることを特徴とする上記（４）項
に記載の鉄道車両用車軸の製造方法。
以上２０ｍｍ以下であることを特徴とする上記（４）項
に記載の鉄道車両用車軸の製造方法。
【００１９】なお、上記（１）〜（３）項で、硬化層と
は、その硬度が車軸中心部の硬度の１．１倍以上の部分
を指す。
は、その硬度が車軸中心部の硬度の１．１倍以上の部分
を指す。
【００２０】
【発明の実施の形態】本発明に係る鉄道車両用車軸およ
びその製造方法の実施の形態を詳細に説明する。
びその製造方法の実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】最初に、鋼の化学組成ならびに機械的性質
の限定理由を説明する。なお、以下に記す成分元素の％
表示は質量％を意味する。また、フレッティング疲労強
度を単に疲労強度とも言う。
の限定理由を説明する。なお、以下に記す成分元素の％
表示は質量％を意味する。また、フレッティング疲労強
度を単に疲労強度とも言う。
【００２２】（ａ）Ｃ：０．３０〜０．４８％ Ｃは母材の強度を高める元素であり、鋼中のＣ含有量が
高くなるほど車軸の疲労強度は増加する。Ｃ含有量が
０．３０％未満では疲労強度が不十分であり、Ｃ含有量
が０．４８％を超えると靭性が低下する。したがって、
Ｃ含有量は０．３０％以上、０．４８％以下とする。好
ましくは、０．３５％以上、０．４５％以下である。
高くなるほど車軸の疲労強度は増加する。Ｃ含有量が
０．３０％未満では疲労強度が不十分であり、Ｃ含有量
が０．４８％を超えると靭性が低下する。したがって、
Ｃ含有量は０．３０％以上、０．４８％以下とする。好
ましくは、０．３５％以上、０．４５％以下である。
【００２３】（ｂ）Ｓｉ：０．０５〜１．０％ Ｓｉは脱酸元素として不可欠であり、また、疲労強度の
向上に有効な元素である。十分な脱酸を行うためには、
脱酸後の鋼中のＳｉ含有量は０．０５％以上必要であ
る。しかし、１．０％を超えると靭性が著しく低下する
ため１．０％を上限とする。好ましくは、０．１０％以
上０．６％以下である。
向上に有効な元素である。十分な脱酸を行うためには、
脱酸後の鋼中のＳｉ含有量は０．０５％以上必要であ
る。しかし、１．０％を超えると靭性が著しく低下する
ため１．０％を上限とする。好ましくは、０．１０％以
上０．６％以下である。
【００２４】（ｃ）Ｍｎ：０．５〜２．０％ Ｍｎは焼入れ性を高めるのに必要な元素であり、少なく
とも０．５％を含有する必要がある。しかし、過剰に含
有してもその効果は飽和するとともに靭性が低下するの
で２．０％を上限とする。好ましくは、０．６％以上
１．５％以下である。
とも０．５％を含有する必要がある。しかし、過剰に含
有してもその効果は飽和するとともに靭性が低下するの
で２．０％を上限とする。好ましくは、０．６％以上
１．５％以下である。
【００２５】（ｄ）Ｃｒ：０．５〜１．５％ Ｃｒは焼入れ性を高めるのに効果的な元素であり、車軸
内部まで一様な強度を得るためには、少なくとも０．５
％以上を含有する必要がある。但し、過剰に含有する
と、靭性が低下するため、１．５％を上限とする。好ま
しくは、０．７％以上１．２％以下である。
内部まで一様な強度を得るためには、少なくとも０．５
％以上を含有する必要がある。但し、過剰に含有する
と、靭性が低下するため、１．５％を上限とする。好ま
しくは、０．７％以上１．２％以下である。
【００２６】（ｅ）Ｍｏ：０．１５〜０．３０％ Ｍｏは焼入性を高めるのに効果的であるとともに、母材
の強度を高める作用が強い元素である。車軸内部まで一
様な強度を得るためには、少なくとも０．１５％以上必
要である。Ｍｏの含有量が多いほど強度が上昇するが、
０．３０％を超えると靭性が低下するため、０．３０％
を上限とする。好ましくは、０．２０％以上０．３０％
以下である。
の強度を高める作用が強い元素である。車軸内部まで一
様な強度を得るためには、少なくとも０．１５％以上必
要である。Ｍｏの含有量が多いほど強度が上昇するが、
０．３０％を超えると靭性が低下するため、０．３０％
を上限とする。好ましくは、０．２０％以上０．３０％
以下である。
【００２７】（ｆ）Ｎｉ：０〜２．４％ Ｎｉは母材の強度を高めるのに効果的な元素であるが、
添加しなくても疲労強度が確保できる場合は添加しなく
てもよい。２．４％を越えて添加しても、疲労強度はほ
ぼ飽和するとともに焼戻し脆化するので、添加する場合
は上限を２．４％とする。
添加しなくても疲労強度が確保できる場合は添加しなく
てもよい。２．４％を越えて添加しても、疲労強度はほ
ぼ飽和するとともに焼戻し脆化するので、添加する場合
は上限を２．４％とする。
【００２８】その他の合金成分として、必要に応じて組
織の微細化や介在物の形状制御を目的として、Al、Ca、
Ti、Nb、Ｖなどの合金元素を、例えば合計で０．１％以
下微量添加させてもよい。
織の微細化や介在物の形状制御を目的として、Al、Ca、
Ti、Nb、Ｖなどの合金元素を、例えば合計で０．１％以
下微量添加させてもよい。
【００２９】（ｇ）機械的性質 ０．２％耐力：０．２％耐力が高いほど、車軸表面に形
成される圧縮残留応力を高めることができる。０．２％
耐力が７００ＭＰａ未満では圧縮残留応力の形成が不十
分であり、１２００ＰＭａを超えると靭性が低下し切欠
感受性が高くなる。したがって、０．２％耐力は７００
ＭＰａ以上、１２００ＭＰａ以下とする。好ましくは、
８００〜１１００ＭＰａである。
成される圧縮残留応力を高めることができる。０．２％
耐力が７００ＭＰａ未満では圧縮残留応力の形成が不十
分であり、１２００ＰＭａを超えると靭性が低下し切欠
感受性が高くなる。したがって、０．２％耐力は７００
ＭＰａ以上、１２００ＭＰａ以下とする。好ましくは、
８００〜１１００ＭＰａである。
【００３０】加工硬化指数 ：加工硬化指数が小さいほ
ど、車軸表面に形成される圧縮残留応力を高めることが
できる。加工硬化指数が下記（１）式で規定されるＮｕ
以上では、圧縮残留応力の形成が不十分となる。したが
って、加工硬化指数は（１）式で規定されるＮｕ未満と
する。
ど、車軸表面に形成される圧縮残留応力を高めることが
できる。加工硬化指数が下記（１）式で規定されるＮｕ
以上では、圧縮残留応力の形成が不十分となる。したが
って、加工硬化指数は（１）式で規定されるＮｕ未満と
する。
【００３１】 Ｎｕ＝（σｙ−２００）／２５００ （１） 但し、σｙ：０．２％耐力（ＭＰａ） 次に硬化層を説明する。
【００３２】図１は、本発明に係る車軸の実施態様例を
模式的に示す断面図である。符号１は車軸、２ははめ合
い部、３はフィレット部、４は非はめ合い部、５は硬化
層である。ここで、はめ合い部２とは、車輪やブレーキ
デスクあるいは歯車などが嵌合される部分を指し、フィ
レット部３とは、はめ合い部２と非はめ合い部４との境
界の段差部分を指す。
模式的に示す断面図である。符号１は車軸、２ははめ合
い部、３はフィレット部、４は非はめ合い部、５は硬化
層である。ここで、はめ合い部２とは、車輪やブレーキ
デスクあるいは歯車などが嵌合される部分を指し、フィ
レット部３とは、はめ合い部２と非はめ合い部４との境
界の段差部分を指す。
【００３３】図１に示すように、はめ合い部２とフィレ
ット部３とは、それぞれの表層部に例えばローラの押圧
加工により形成された硬化層５を有している。この硬化
層には、ローラの押圧加工で圧縮残留応力が形成され、
この圧縮残留応力の形成によりき裂の発生と進展が抑制
され疲労強度が向上する。硬化層の深さが浅いと、き裂
の進展に対する疲労強度が充分でなく、深すぎると、車
軸表面の圧縮残留応力が低下するため、疲労強度が低下
する。したがって、硬化層の深さは、はめ合い部では、
はめ合い部の直径の０．０２倍以上、０．１０倍以下
で、フィレット部では、フィレット部の直径の０．０５
倍以上、０．１０倍以下とするのがよい。ここで、はめ
合い部またはフィレット部の直径とは、はめ合い部、フ
ィレット部のそれぞれの位置における直径を指す。
ット部３とは、それぞれの表層部に例えばローラの押圧
加工により形成された硬化層５を有している。この硬化
層には、ローラの押圧加工で圧縮残留応力が形成され、
この圧縮残留応力の形成によりき裂の発生と進展が抑制
され疲労強度が向上する。硬化層の深さが浅いと、き裂
の進展に対する疲労強度が充分でなく、深すぎると、車
軸表面の圧縮残留応力が低下するため、疲労強度が低下
する。したがって、硬化層の深さは、はめ合い部では、
はめ合い部の直径の０．０２倍以上、０．１０倍以下
で、フィレット部では、フィレット部の直径の０．０５
倍以上、０．１０倍以下とするのがよい。ここで、はめ
合い部またはフィレット部の直径とは、はめ合い部、フ
ィレット部のそれぞれの位置における直径を指す。
【００３４】次に、本発明の製造方法について説明す
る。
る。
【００３５】本発明で規定する成分範囲の鋼を溶製し、
熱間鍛造にて車軸形状に成形した後、焼入れ焼戻し処理
を行い、０．２％耐力が７００〜１２００ＭＰａで、下
記式を満足する加工硬化指数Ｎを有する鋼を得る。
熱間鍛造にて車軸形状に成形した後、焼入れ焼戻し処理
を行い、０．２％耐力が７００〜１２００ＭＰａで、下
記式を満足する加工硬化指数Ｎを有する鋼を得る。
【００３６】Ｎ＜（σｙ−２００）／２５００ 但し、σｙ：０．２％耐力（単位：ＭＰａ） 熱間鍛造方法は、公知公用の方法で行うことができ、通
常、１０００〜１２００℃の温度域で鍛造が行われる。
常、１０００〜１２００℃の温度域で鍛造が行われる。
【００３７】焼入れ焼戻し処理は、焼入れ前の加熱温度
をＡc３変態点〜９５０℃とし、焼戻し温度を４５０〜
６７５℃の範囲とするのが望ましい。上記成分範囲の中
心値の鋼の場合、Ａc３変態点は８００℃程度である。
焼戻し温度を４５０℃以下とすると、十分な靭性と伸び
が得られず、６７５℃以上とすると、十分な引張強度が
得られないことがある。
をＡc３変態点〜９５０℃とし、焼戻し温度を４５０〜
６７５℃の範囲とするのが望ましい。上記成分範囲の中
心値の鋼の場合、Ａc３変態点は８００℃程度である。
焼戻し温度を４５０℃以下とすると、十分な靭性と伸び
が得られず、６７５℃以上とすると、十分な引張強度が
得られないことがある。
【００３８】上記焼入れ焼戻し処理の後、ローラによる
押圧加工を冷間状態で行う。
押圧加工を冷間状態で行う。
【００３９】この押圧加工は、図１に示すはめ合い部２
とフィレット部３の双方の領域を対象に行う。少なくと
も、フレッティング疲労によって疲労強度が低下するは
め合い部と応力集中が生じるフィレット部とに押圧加工
を施すことにより車軸の疲労強度を高めることができ
る。なお、はめ合い部とフィレット部の他に非はめ合い
部にも押圧加工を施してもよい。
とフィレット部３の双方の領域を対象に行う。少なくと
も、フレッティング疲労によって疲労強度が低下するは
め合い部と応力集中が生じるフィレット部とに押圧加工
を施すことにより車軸の疲労強度を高めることができ
る。なお、はめ合い部とフィレット部の他に非はめ合い
部にも押圧加工を施してもよい。
【００４０】図２は、押圧加工に用いるローラ形状例を
模式的に示す外観図である。符号１１はローラ、１２は
ローラ先端部を示す。
模式的に示す外観図である。符号１１はローラ、１２は
ローラ先端部を示す。
【００４１】ローラによる押圧加工は、ローラ１１を回
転させながらローラ先端部１２を車軸表面に押圧して行
われるが、ローラ先端半径Ｒは１〜２０ｍｍとするのが
望ましい。Ｒが１ｍｍ未満では加工時間が長くなり生産
性が低下する。Ｒが２０ｍｍを超えると押圧荷重が過大
となり実用的でない。
転させながらローラ先端部１２を車軸表面に押圧して行
われるが、ローラ先端半径Ｒは１〜２０ｍｍとするのが
望ましい。Ｒが１ｍｍ未満では加工時間が長くなり生産
性が低下する。Ｒが２０ｍｍを超えると押圧荷重が過大
となり実用的でない。
【００４２】押圧加工時のローラと車軸表面とのヘルツ
圧は、１０００〜５０００ＭＰａとするのが望ましい。
ヘルツ圧が１０００ＭＰａ未満では、押圧加工により形
成される硬化層が浅くなり、圧縮残留応力が小さくな
る。ヘルツ圧を５０００ＭＰａより大きくしても、圧縮
残留応力は飽和する。
圧は、１０００〜５０００ＭＰａとするのが望ましい。
ヘルツ圧が１０００ＭＰａ未満では、押圧加工により形
成される硬化層が浅くなり、圧縮残留応力が小さくな
る。ヘルツ圧を５０００ＭＰａより大きくしても、圧縮
残留応力は飽和する。
【００４３】ローラ回転速度は、２００〜５００ｒｐ
ｍ、ローラの車軸長手方向へのローラ１回転当たりの送
り量は、０．１〜０．５ｍｍとするのが望ましい。ロー
ラ回転速度や送り量が過小だと生産性が悪化し、過大で
は車軸表面が発熱して軟化する。
ｍ、ローラの車軸長手方向へのローラ１回転当たりの送
り量は、０．１〜０．５ｍｍとするのが望ましい。ロー
ラ回転速度や送り量が過小だと生産性が悪化し、過大で
は車軸表面が発熱して軟化する。
【００４４】なお、実施形態の説明では、硬化層を形成
する手段として、ローラによる押圧加工の例を示した
が、その他の手段としてショットピーニングを挙げるこ
とができる。
する手段として、ローラによる押圧加工の例を示した
が、その他の手段としてショットピーニングを挙げるこ
とができる。
【００４５】
【実施例】（本発明例）車軸の疲労強度を評価するた
め、非はめ合い部の両端にはめ合い部を有する模擬車軸
（以下、車軸という）を製作した。
め、非はめ合い部の両端にはめ合い部を有する模擬車軸
（以下、車軸という）を製作した。
【００４６】表１に、上記車軸に供した鋼の化学組成を
示す。
示す。
【００４７】
【表１】
【００４８】上記化学成分の鋼を溶製し、熱間鍛造にて
丸棒状に粗成形した後、８５０℃で焼入れ、５５０℃に
て焼戻しを順次行った。次に機械加工を行い、はめ合い
部直径が１６０ｍｍ、非はめ合い部直径が１３０ｍｍの
車軸とした。なお、フィレット部の直径は、最大径部で
１６０ｍｍ、最小径部で１３０ｍｍであった。
丸棒状に粗成形した後、８５０℃で焼入れ、５５０℃に
て焼戻しを順次行った。次に機械加工を行い、はめ合い
部直径が１６０ｍｍ、非はめ合い部直径が１３０ｍｍの
車軸とした。なお、フィレット部の直径は、最大径部で
１６０ｍｍ、最小径部で１３０ｍｍであった。
【００４９】表２に熱処理後の機械的性質を示す。
【００５０】
【表２】
【００５１】表２に示すように、熱処理後の鋼は、０．
２％耐力が１０５０ＭＰａ、加工硬化指数Ｎが０．２０
であった。なお、（１）式で規定されるＮｕは０．３４
となった。
２％耐力が１０５０ＭＰａ、加工硬化指数Ｎが０．２０
であった。なお、（１）式で規定されるＮｕは０．３４
となった。
【００５２】機械加工後、冷間にてローラによる押圧加
工を行った。押圧加工は、ローラ先端半径Ｒが１２ｍｍ
のローラを用い、ローラ回転数が４５０ｒｐｍ、送り量
が０．３ｍｍ／ｒｅｖの条件で、ヘルツ圧を３０００Ｍ
Ｐａとなるように押付け荷重を設定し、はめ合い部、フ
ィレット部および非はめ合い部の全領域を対象に行っ
た。押圧加工により、はめ合い部、フィレット部および
非はめ合い部では、いずれも深さ１２ｍｍの硬化層が形
成された。また、これらの硬化層には、いずれも最大で
６００ＭＰａの圧縮残留応力が生じていた。なお、残留
応力は、Ｘ線法にて測定した。 （比較例）比較例として、以下の４種類の車軸を製作し
た。比較例１は、表３に示す成分の鋼に焼均し処理を施
した車軸で、ローラによる押圧加工は未実施である。比
較例２は、ローラによる押圧加工を実施しない以外は本
発明例１と同様の条件で製作した車軸である。比較例３
は、表３に示す成分の鋼に焼均し処理を施し、更にロー
ラによる押圧加工を実施して、はめ合い部、フィレット
部および非はめ合い部に深さ１４ｍｍの硬化層を形成し
た車軸である。比較例４は、機械的性質が本発明の範囲
外となるように焼入れ焼戻し条件を変更した以外は本発
明例１と同じ条件で製作した車軸である。
工を行った。押圧加工は、ローラ先端半径Ｒが１２ｍｍ
のローラを用い、ローラ回転数が４５０ｒｐｍ、送り量
が０．３ｍｍ／ｒｅｖの条件で、ヘルツ圧を３０００Ｍ
Ｐａとなるように押付け荷重を設定し、はめ合い部、フ
ィレット部および非はめ合い部の全領域を対象に行っ
た。押圧加工により、はめ合い部、フィレット部および
非はめ合い部では、いずれも深さ１２ｍｍの硬化層が形
成された。また、これらの硬化層には、いずれも最大で
６００ＭＰａの圧縮残留応力が生じていた。なお、残留
応力は、Ｘ線法にて測定した。 （比較例）比較例として、以下の４種類の車軸を製作し
た。比較例１は、表３に示す成分の鋼に焼均し処理を施
した車軸で、ローラによる押圧加工は未実施である。比
較例２は、ローラによる押圧加工を実施しない以外は本
発明例１と同様の条件で製作した車軸である。比較例３
は、表３に示す成分の鋼に焼均し処理を施し、更にロー
ラによる押圧加工を実施して、はめ合い部、フィレット
部および非はめ合い部に深さ１４ｍｍの硬化層を形成し
た車軸である。比較例４は、機械的性質が本発明の範囲
外となるように焼入れ焼戻し条件を変更した以外は本発
明例１と同じ条件で製作した車軸である。
【００５３】
【表３】
【００５４】表４に比較例１,３,および４の熱処理後の
機械的性質を示す。
機械的性質を示す。
【００５５】
【表４】
【００５６】表４に示すように、比較例１と３は、０．
２％耐力が本発明で規定された範囲外で、比較例４は、
加工硬化指数が本発明で規定された範囲外となった。な
お、比較例２の機械的性質は表２と同じである。
２％耐力が本発明で規定された範囲外で、比較例４は、
加工硬化指数が本発明で規定された範囲外となった。な
お、比較例２の機械的性質は表２と同じである。
【００５７】上記本発明例および比較例１〜４の車軸を
対象に、回転曲げ疲労試験を行った。この回転曲げ疲労
試験は、片側に車輪を圧入した状態の片持ち回転曲げに
て、曲げ公称応力（曲げモーメント／はめ合い部の断面
係数）を種々変更する方法で行い、繰り返し曲げ回数が
２×１０７ 以上となる最大の曲げ公称応力を疲労限度
とした。
対象に、回転曲げ疲労試験を行った。この回転曲げ疲労
試験は、片側に車輪を圧入した状態の片持ち回転曲げに
て、曲げ公称応力（曲げモーメント／はめ合い部の断面
係数）を種々変更する方法で行い、繰り返し曲げ回数が
２×１０７ 以上となる最大の曲げ公称応力を疲労限度
とした。
【００５８】表５に回転曲げ疲労試験で得られた疲労限
度を示す。
度を示す。
【００５９】
【表５】
【００６０】同表に示すように、本発明例は、比較例１
〜４に比べ、優れた疲労強度が得られることが判った。
〜４に比べ、優れた疲労強度が得られることが判った。
【００６１】
【発明の効果】本発明によれば、処理コストが嵩む高周
波焼入れ処理を行うことなく、従来の在来線車両用車軸
よりフレッティング疲労強度に優れた鉄道車両用車軸を
提供することができる。
波焼入れ処理を行うことなく、従来の在来線車両用車軸
よりフレッティング疲労強度に優れた鉄道車両用車軸を
提供することができる。
【図１】本発明に係る車軸の実施態様例を模式的に示す
断面図である。
断面図である。
【図２】押圧加工に用いるローラ形状例を模式的に示す
外観図である。
外観図である。
１：車軸、２：はめ合い部、３：フィレット部、４：非
はめ合い部、５：硬化層、１１：ローラ、１２：ローラ
先端部。
はめ合い部、５：硬化層、１１：ローラ、１２：ローラ
先端部。
Claims (5)
- 【請求項１】 質量％で、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％を含有し、０．２％耐力が７０
０〜１２００ＭＰａで、下記式を満足する加工硬化指数
Ｎ（単位：無次元）を有する鋼からなる車軸であって、
該車軸のはめ合い部とフィレット部の双方の表層部に硬
化層を有することを特徴とする鉄道車両用車軸。 Ｎ＜（σｙ−２００）／２５００ 但し、σｙ：０．２％耐力（単位：ＭＰａ） - 【請求項２】 前記硬化層が、押圧加工で形成されたも
のであることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用
車軸。 - 【請求項３】 前記はめ合い部における硬化層の深さ
が、はめ合い部の直径の０．０２倍以上、０．１０倍以
下で、前記フィレット部における硬化層の深さが、フィ
レット部の直径の０．０５倍以上、０．１０倍以下であ
ることを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両
用車軸。 - 【請求項４】 熱間鍛造により所定の形状に成形した
後、焼入れ焼戻し処理を行い、その後、はめ合い部とフ
ィレット部の双方の表面にローラによる冷間押圧加工を
行い、硬化層を形成することを特徴とする請求項１ない
し３のいずれかに記載の鉄道車両用車軸の製造方法。 - 【請求項５】 ローラは、ローラ先端半径が１ｍｍ以上
２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の
鉄道車両用車軸の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000017532A JP3709758B2 (ja) | 2000-01-26 | 2000-01-26 | 鉄道車両用車軸とその製造方法 |
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|---|---|---|---|
| JP2000017532A JP3709758B2 (ja) | 2000-01-26 | 2000-01-26 | 鉄道車両用車軸とその製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001206002A true JP2001206002A (ja) | 2001-07-31 |
| JP3709758B2 JP3709758B2 (ja) | 2005-10-26 |
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|---|---|---|---|
| JP2000017532A Expired - Fee Related JP3709758B2 (ja) | 2000-01-26 | 2000-01-26 | 鉄道車両用車軸とその製造方法 |
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| JP (1) | JP3709758B2 (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1769940A2 (de) * | 2005-09-28 | 2007-04-04 | Bochumer Verein Verkehrstechnik GmbH | Laufradwelle mit mindestens einem darauf festsitzenden Laufrad für Schienenfahrzeuge |
| JP2011511214A (ja) * | 2007-11-30 | 2011-04-07 | ベー アンド エミ ド ブラジル ソシエダッド アノニマ | 鉄道車両用の継目無管からの車軸、および鉄道車両用の継目無鋼管からの車軸を製造するための方法 |
| CN103707012A (zh) * | 2013-12-19 | 2014-04-09 | 苏州尊元纺织有限公司 | 一种纺织罗拉制造工艺 |
| CN106062228A (zh) * | 2014-02-26 | 2016-10-26 | 新日铁住金株式会社 | 铁道用车轴 |
| WO2017033818A1 (ja) * | 2015-08-24 | 2017-03-02 | 新日鐵住金株式会社 | 鉄道用車軸 |
| WO2019194274A1 (ja) * | 2018-04-04 | 2019-10-10 | 日本製鉄株式会社 | 鉄道用車軸 |
| WO2019194273A1 (ja) * | 2018-04-04 | 2019-10-10 | 日本製鉄株式会社 | 鉄道用車軸 |
| AT525536B1 (de) * | 2022-04-27 | 2023-05-15 | Siemens Mobility Austria Gmbh | Welle |
| US12000028B2 (en) | 2015-08-24 | 2024-06-04 | Nippon Steel Corporation | Rail vehicle axle |
-
2000
- 2000-01-26 JP JP2000017532A patent/JP3709758B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| EP1769940A3 (de) * | 2005-09-28 | 2010-02-17 | Bochumer Verein Verkehrstechnik GmbH | Laufradwelle mit mindestens einem darauf festsitzenden Laufrad für Schienenfahrzeuge |
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| WO2019194273A1 (ja) * | 2018-04-04 | 2019-10-10 | 日本製鉄株式会社 | 鉄道用車軸 |
| CN112218966A (zh) * | 2018-04-04 | 2021-01-12 | 日本制铁株式会社 | 铁路用车轴 |
| JPWO2019194273A1 (ja) * | 2018-04-04 | 2021-04-15 | 日本製鉄株式会社 | 鉄道用車軸 |
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| EP3778967A4 (en) * | 2018-04-04 | 2021-09-15 | Nippon Steel Corporation | RAIL AXIS |
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