JP2002256383A - 鉄道車輪用合金 - Google Patents

鉄道車輪用合金

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋳鋼製鉄道用車輪の耐摩耗性及び耐熱亀裂性
を向上する。 【解決手段】 特に鉄道車輪製造に適する鋼合金は、重
量基準で、炭素０.６７〜０.７７%、マンガン０.７０〜
０.８５%、ケイ素０.６５〜０.８５%、リン０.０２５%
以下、硫黄０.０２５%以下、クロム０.１８〜０.２５
%、モリブデン０.０８〜０.１２%及び本質的に残部鉄を
含む。他の低炭素合金は、重量基準で、炭素０.１６〜
０.４５%、マンガン０.９０〜１.１０%、ケイ素０.５０
〜０.７０%、リン０.０３５%以下、硫黄０.０３５%以
下、ニッケル１.０〜１.５%、クロム０.４０〜０.６０
%、モリブデン０.４０〜０.６０%及び本質的に残部鉄を
含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車輪用合金、
特に、鋳鋼製鉄道車輪に使用される鉄道車輪用合金に属
する。
【０００２】
【従来の技術】鋳鋼製鉄道車輪には、十分な耐摩耗性と
共に、熱亀裂（熱クラック）に対する適切な抵抗性を付
与しながら硬化（焼入れ）によって適切な耐摩耗性を付
与できる合金鋼を用いることが望ましい。例えばクロ
ム、マンガン及びモリブデン等の合金化元素を添加し
て、鋼の機械的強度を改善できる。しかしながら、所望
量の合金添加物によって改善する特性の劣化を均衡させ
ると共に、コスト上昇を最小化するように慎重に合金添
加物を選定しなければならない。
【０００３】加熱面の亀裂に伴う部分剥離又は消失を表
す「熱機械的シェリング」及び熱膨張又は熱収縮に伴う
亀裂欠損を表す「熱機械的スポーリング」は、運行中の
鉄道車輪に見られるトレッド（踏み面）損傷の２つの主
原因である。トレッド損傷を受けた車輪は早期に使用不
能のレベルとなる。熱機械的シェリング現象は、石炭、
鉱石及び穀物の重積載輸送を行いこの種の欠陥を助長す
る環境で車輪を使用する場合にも一般的に発生する。こ
の現象に付随する寄与要因は、鉄道車両が貨物を積載
し、急勾配であり山岳地域で長い勾配を運行するときに
生じる高外力を含む。車両の積載による通常力は、理想
的には線路の車輪設計に対する許容可能な最大値であ
る。トレッド表層材料は、スポーリングによって脆いマ
ルテンサイト相に変態する。線路上の車輪の滑動はマル
テンサイト相への材料変態の原因となる。現在の合金の
開発は、熱機械的酷使又は線路上の車輪の滑動によって
生じる破損を減少し又は除去することを目的とする。
【０００４】熱機械的シェリングの３つの要因によっ
て、トレッド損傷が発生する。トレッド損傷の機械的欠
陥はころがり接触疲労である。車輪の転動により、累積
する機能不全を発生する周期的な応力が与えられる。機
械的抵抗制動によって発生する熱成分によって車輪に熱
応力が加えられるばかりでなく、高温で材料強度が低下
するため機械的負荷に対向する材料の機械的強度も減少
する。累積する機能不全の最終成分は、高温持続時間で
ある。車輪の高温時間が長いほど、亀裂を開始し増加さ
せる負荷周期回数が益々増大する。
【０００５】本発明の好適な合金は鋳鋼製鉄道車輪だけ
でなく、鍛造工程を含む鉄道車輪の製造法の他の形態に
も利用できることは理解されよう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、鉄
道車輪の製造に特に適する合金を提供することを目的と
する。また、本発明は、改良された硬度、耐摩耗性及び
耐熱亀裂性を有する鋳鋼製鉄道用車輪の製造に特に適す
る合金を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明による鋼製鉄道車
輪用合金は、重量基準で、炭素０.６７〜０.７７%と、
マンガン０.７０〜０.８５%と、ケイ素０.６５〜０.８
５%と、リン０.０５%又はそれ未満と、硫黄０.０５%又
はそれ未満と、クロム０.１４〜０.２５%と、モリブデ
ン０.０８〜０.１４%と、本質的に残部鉄とを含む。本
発明による他の実施の形態では、重量基準で、炭素０.
６７〜０.７７%と、マンガン０.６０〜０.８５%と、ケ
イ素０.３６〜０.６０%と、リン０.０３５%又はそれ未
満以下と、硫黄０.０３５%又はそれ未満と、ニッケル
０.４０〜０.６０%と、モリブデン０.２５〜０.４０%
と、本質的に残部鉄とを含む。更に、本発明による別の
実施の形態では、重量基準で、炭素０.１６〜０.４５%
と、マンガン０.９０〜１.１０%と、ケイ素０.５０〜
０.７０%と、リン０.０３５%以下と、硫黄０.０３５%以
下と、ニッケル１.０〜１.５%と、モリブデン０.４０〜
０.６０%と、クロム０.４０〜０.６０%と、本質的に残
部鉄とを含む。
【０００８】熱機械的シェリングの影響に対し、２つの
特殊な合金が開発された。第１の合金は、強制的な重積
載運送に有効なクロム−ケイ素−モリブデン合金であ
る。モリブデン及びクロムは、鋼の高温特性を向上す
る。高温特性を改善することによって、疲労亀裂が発生
する最低温度を高くして、トレッド材料が臨界温度を超
える時間を減少させる。疲労と高温持続時間の２つの要
素を減少させることにより、トレッド面で殆ど亀裂を発
生させず進行させない。全３種の合金元素によって、鋼
の収率及び引張強度を向上する。このことは、通常の運
転状態で車輪が転動する間、高温で起こる亀裂のその後
の進行を減少できることを意味する。また、モリブデン
及びクロム合金は、耐摩耗性を向上して、通常運転時の
車輪の寿命を延長する。
【０００９】熱機械的シェリングを対象とする第２の合
金は、ニッケル−モリブデン合金である。モリブデン
は、第１の合金と同様に、高温特性、強度及び耐摩耗性
を向上する作用がある。ニッケルの添加によって、 破
損靭性及び鋼の鉄組織強度を増加する。これらの改良
は、鋼内部の亀裂発生及び進行の防止を助長する。
【００１０】転動と滑動との複合によって表面にあばた
状の窪みが発生する表面疲労現象である「ピッチング」
は、レール上の車輪の滑動に伴って発生する。レールと
の接触領域を構成する材料は、滑り摩擦によって変態温
度以上の約８７１℃（１６００°F）に加熱され、車輪
の停止時又は回転時に車輪の嵩熱容量により急冷され
る。形成されるマルテンサイトは脆く、その後の通常の
転動荷重下で亀裂が生じる。この亀裂は、スポーリング
と呼ばれるトレッドのピッチングとなる。
【００１１】スポーリングによるトレッドの損傷を低減
するため一連の合金が開発された。この合金は、材料特
性を維持するために添加される合金添加物を有する低炭
素鋼である。添付の化学組成表を参照されたい。スポー
リング問題に対する本解決法は、マルテンサイトの形成
を抑制し又は減少するのではなく、その代わり、マルテ
ンサイトの特性を改善し、マルテンサイトと基質鋼との
間の特性不等質を減少するものである。低炭素マルテン
サイトは、あまり硬くなくあまり脆くなく高温で形成さ
れ、スポーリング過程に関連するピッチングを制限し又
は抑制する。炭素含有量の減少によって、材料強度及び
耐摩耗性を大きく低下させる。このような低下を打ち消
すため、ニッケル、クロム及びモリブデンが添加され
る。これらの合金添加材によって、前記同様の作用を生
じる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下の実施例１〜５に記載の合金
による鉄道車輪を鋳造して、種々の実地性能試験を行っ
た。
【００１３】実施例１ 重量基準で、炭素０.６７〜０.７０%、マンガン０.７０
〜０.８５%、ケイ素０.６５〜０.８５%、リン０.０２５
%以下、硫黄０.０２５%以下、クロム０.１８〜０.２５
%、モリブデン０.０８〜０.１２%及び残部鉄から成る合
金組成により鉄道車輪を鋳造した。
【００１４】実施例２ 重量基準で、炭素０.６７〜０.７７%、マンガン０.６０
〜０.８５%、ケイ素０.３６〜０.６０%、リン０.０３５
%以下、硫黄０.０３５%以下、ニッケル０.４０〜０.６
０%、モリブデン０.２５〜０.４０%及び残部鉄の合金組
成により鉄道車輪を鋳造した。
【００１５】実施例３ 重量基準で、炭素０.１６〜０.２５%、マンガン０.９０
〜１.１０%、ケイ素０.５０〜０.７０%、リン０.０３５
%以下、硫黄０.０３５%以下、ニッケル１.０〜１.５%、
モリブデン０.４０〜０.６０%、クロム０.４０〜０.６
０%及び残部鉄から成る合金組成により鉄道車輪を鋳造
した。
【００１６】実施例４ 重量基準で、炭素０.２６〜０.３５%、マンガン０.９０
〜１.１０%、ケイ素０.５０〜０.７０%、リン０.０３５
%以下、硫黄０.０３５%以下、ニッケル１.０〜１.５%、
モリブデン０.４０〜０.６０%、クロム０.４０〜０.６
０%及び残部鉄から成る合金組成により鉄道車輪を鋳造
した。
【００１７】実施例５ 重量基準で、炭素０.３６〜０.４５%、マンガン０.９０
〜１.１０%、ケイ素０.５０〜０.７０%、リン０.０３５
%以下、硫黄０.０３５%以下、ニッケル１.０〜１.５%、
モリブデン０.４０〜０.６０%、クロム０.４０〜０.６
０%及び残部鉄から成る合金組成により鉄道車輪を鋳造
した。
【００１８】製造した車輪の厳密な性能試験によって、
満足な結果が得られた。
【００１９】実際、重量基準で、炭素０.６７〜０.７７
%、マンガン０.６０〜０.８５%、ケイ素０.１５%以上、
リン０.０５%以下、硫黄０.０５%以下、極微量のクロム
及びモリブデン並びに残部鉄の通常合金鋼から成る車輪
の対照群と比較したとき、以下の性能比較特性が得られ
た。約４４０,０００km（２７５,０００マイル）の通常
の貨物輸送後、シェリングのため対照群組成の車輪５０
%は取り外されたが、本発明による好適な合金では、１
５%だけ取り外された。
【００２０】前記実地試験結果及び実験室支援試験に基
づいて、本発明による合金は、通常の炭素鋼よりトレッ
ドの耐シェリング性を有することが判明した。実際、通
常の貨物輸送では、本発明による鋳鋼の車輪の走行距離
性能は、６４０,０００km（４００,０００マイル）に達
することが判明した。
フロントページの続き (72)発明者 リチャード・エイ・ピロン アメリカ合衆国60152イリノイ州マレンゴ、 ウォールナット・レーン763

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 重量基準で、炭素０.６７〜０.７７%
    と、マンガン０.７０〜０.８５%と、ケイ素０.６５〜
    ０.８５%と、リン０.０５%以下と、硫黄０.０５%以下
    と、クロム０.１４〜０.２５%と、モリブデン０.０８〜
    ０.１４%と、本質的に残部鉄とを含むことを特徴とする
    鋼製鉄道車輪用合金。
  2. 【請求項２】 付随的な不純物を含む請求項１に記載の
    鋼製鉄道車輪用合金。
  3. 【請求項３】 重量基準で、炭素０.６７〜０.７７%
    と、マンガン０.６０〜０.８５%と、ケイ素０.３６〜
    ０.６０%と、リン０.０３５%以下と、硫黄０.０３５%以
    下と、ニッケル０.４０〜０.６０%と、モリブデン０.２
    ５〜０.４０%と、本質的に残部鉄とを含むことを特徴と
    する鋼製鉄道車輪用合金。
  4. 【請求項４】 付随的な不純物を含む請求項３に記載の
    鋼製鉄道車輪用合金。
  5. 【請求項５】 重量基準で、炭素０.１６〜０.４５%
    と、マンガン０.９０〜１.１０%と、ケイ素０.５０〜
    ０.７０%と、リン０.０３５%以下と、硫黄０.０３５%以
    下と、ニッケル１.０〜１.５%と、モリブデン０.４０〜
    ０.６０%と、クロム０.４０〜０.６０%と、本質的に残
    部鉄とを含むことを特徴とする鋼製鉄道車輪用合金。
  6. 【請求項６】 付随的な不純物を含む請求項５に記載の
    鋼製鉄道車輪用合金。
JP2002057794A 2001-03-05 2002-03-04 鉄道車輪用合金 Expired - Lifetime JP3618322B2 (ja)

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