JP2005041417A - 鉄道用部材とその表面処理方法及び鉄道用部材の表面処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磨耗を減少させて安全性と乗り心地を改善し保守コストを減少させることができる鉄道用部材とその表面処理方法及びその表面処理装置を提供する。
【解決手段】 鉄道用部材１は、摩擦抵抗を受ける接触面１ａが表面処理された鉄道用車輪や鉄道用レールなどである。硬化処理層２は、鉄道用部材１の接触面１ａを浸炭処理や窒化処理などによって硬化処理した部分であり、ショットピーニング処理面３は硬化処理層２の表面をショットピーニング処理した部分である。摩擦緩和層４は、摩擦抵抗を緩和する部分であり、ショットピーニング処理後の硬化処理層２の表面に二硫化モリブデンなどの摩擦緩和粒子４ａを多数投射して形成されているため、硬化処理層２と摩擦緩和粒子４ａとの密着性が向上する。その結果、車輪のフランジ面やレールの内側頭頂面の摩擦抵抗を減少させ高面圧、高滑り条件下における磨耗を低減し、きしみ割れを防止することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、摩擦抵抗を受ける接触面が表面処理された鉄道用部材と、摩擦抵抗を受ける接触面を表面処理する鉄道用部材の表面処理方法及びその表面処理装置に関する。

図１４は、鉄道車両が急曲線を通過するときの鉄道用車輪と鉄道用レールとの状態を示す平面図である。図１５は、図１４のXV部分を拡大して示す正面図である。
図１４及び図１５に示す車輪Ｗは、レールＲと回転接触する鉄道用部材であり、レールＲの頭頂面Ｒ₁と接触して摩擦抵抗を受ける踏面Ｗ₁と、鉄道車両が急曲線を通過するときに外軌側のレールＲの内側頭頂面Ｒ₂と接触して摩擦抵抗を受けるフランジ面Ｗ₂とを備えている。レールＲは、車輪Ｗを案内する鉄道用部材であり、車輪Ｗを直接支持する頭頂面（頭部上面）Ｒ₁と、この頭頂面Ｒ₁と連続する内側頭頂面Ｒ₂とを備えている。

このような鉄道用車輪や鉄道用レールは、鉄道の基幹部品であるため、これらの材料には安全性と保守コストの削減とが求められている。図１４及び図１５に示すように、矢印方向に鉄道車両が急曲線を通過すると、車輪Ｗのフランジ面Ｗ₂とレールＲの内側頭頂面Ｒ₂との間に横圧Ｑが作用してこれらが激しく高面圧で高滑り接触を起こす。このため、フランジ面Ｗ₂及び内側頭頂面Ｒ₂は、磨耗の激しい場所となり、このような磨耗が進行すると車輪Ｗの踏面Ｗ₁及びレールＲの頭頂面Ｒ₁の形状が変化し、安全性や乗り心地が低下するとともに保守コストが増加する。このため、従来の鉄道用車輪では、レールの頭頂面と接触する踏面をガス浸炭焼き入れ処理した後に焼戻し処理している（例えば、特許文献１参照）。また、従来の鉄道用レールでは、車輪と接触する頭頂面を高温に加熱して熱処理した後に、オーステナイト域温度から所定の冷却速度で所定の温度まで冷却しその後放冷することによって製造されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平5-42801号公報（段落番号0006〜0007及び図３）

特開平9-316598号公報（段落番号0033〜0038）

従来の鉄道用車輪では、フランジ面Ｗ₂に焼き入れを行うと車輪Ｗの大きさ及び冷却速度などの原因によって、安定的にフランジ面Ｗ₂を焼き入れすることが困難であった。また、従来の鉄道用レールでは、製品製造時に頭頂面Ｒ₁を焼き入れ処理しているが磨耗やきしみ割れなどの発生が問題となっている。このため、従来の鉄道用車輪や鉄道用レールでは、形状の変化を防止するため定期的に削正して形状を整えているが作業回数が増えると保守コストが増大し運営上問題となる。特に、鉄道用車輪の場合には台車から取り外す作業が必要であるため削正作業に手間がかかるという問題があった。

この発明の課題は、磨耗を減少させて安全性と乗り心地を改善し保守コストを減少させることができる鉄道用部材とその表面処理方法及びその表面処理装置を提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、摩擦抵抗を受ける接触面（１ａ；Ｒ₂；Ｗ₂）が表面処理された鉄道用部材であって、前記接触面にショットピーニング処理面（３）が形成されていることを特徴とする鉄道用部材（１；Ｒ；Ｗ）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の鉄道用部材において、前記ショットピーニング処理面に摩擦緩和層（４）が形成されていることを特徴とする鉄道用部材である。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の鉄道用部材において、前記接触面の硬化処理層（２）の表面に前記ショットピーニング処理面が形成されていることを特徴とする鉄道用部材である。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の鉄道用部材において、鉄道用車輪（Ｗ）のフランジ面（Ｗ₂）又は鉄道用レール（Ｒ）の内側頭頂面（Ｒ₂）に前記ショットピーニング処理面が形成されていることを特徴としている鉄道用部材である。

請求項５の発明は、摩擦抵抗を受ける接触面（１ａ；Ｗ₂；Ｒ₂）を表面処理する鉄道用部材（１；Ｗ；Ｒ）の表面処理方法であって、前記接触面にショット粒子（３ａ）を投射してショットピーニング処理面（３）を形成するショットピーニング処理工程（＃１２０）を含むことを特徴とする鉄道用部材の表面処理方法である。

請求項６の発明は、請求項５に記載の鉄道用部材の表面処理方法において、前記ショットピーニング処理面に摩擦緩和粒子（４ａ）を投射して摩擦緩和層（４）を形成する摩擦緩和処理工程（＃１３０）を含むことを特徴とする鉄道用部材の表面処理方法である。

請求項７の発明は、摩擦抵抗を受ける接触面（Ｗ₂；Ｒ₂）を表面処理する鉄道用部材（Ｗ；Ｒ）の表面処理方法であって、前記接触面にショット粒子（３ａ）及び摩擦緩和粒子（４ａ）を投射してショットピーニング処理面（３）を形成するとともに、このショットピーニング処理面に摩擦緩和層（４）を形成するショットピーニング処理工程（＃１４０）を含むことを特徴とする鉄道用部材の表面処理方法である。

請求項８の発明は、請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載の鉄道用部材の表面処理方法において、前記ショットピーニング処理工程は、前記接触面の硬化処理層（２）の表面に前記ショットピーニング処理面を形成する工程であることを特徴とする鉄道用部材の表面処理方法である。

請求項９の発明は、請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載の鉄道用部材の表面処理方法において、前記ショットピーニング処理工程は、鉄道用車輪（Ｗ）のフランジ面（Ｗ₂）又は鉄道用レール（Ｒ）の内側頭頂面（Ｒ₂）に前記ショットピーニング処理面を形成する工程であることを特徴とする鉄道用部材の表面処理方法である。

請求項１０の発明は、摩擦抵抗を受ける接触面（Ｗ₂；Ｒ₂）を表面処理する鉄道用部材（Ｗ；Ｒ）の表面処理装置であって、前記接触面にショット粒子（３ａ）を投射してショットピーニング処理面（３）を形成するショットピーニング処理装置（７；９；１１；１４）を備えることを特徴とする鉄道用部材の表面処理装置（５；１０）である。

請求項１１の発明は、請求項１０に記載の鉄道用部材の表面処理装置において、前記ショットピーニング処理面に摩擦緩和粒子（４ａ）を投射して摩擦緩和層（４）を形成する摩擦緩和処理装置（８；１２）を備えることを特徴とする鉄道用部材の表面処理装置である。

請求項１２の発明は、請求項１１に記載の鉄道用部材の表面処理装置において、前記ショットピーニング処理装置は、前記鉄道用部材（Ｗ）を回転させた状態で前記接触面（Ｗ₂）を表面処理するときに回転方向（Ａ）に対して上流側に配置されており、前記摩擦緩和処理装置は、回転方向に対して下流側に配置されていることを特徴とする鉄道用部材の表面処理装置である。

請求項１３の発明は、請求項１１に記載の鉄道用部材の表面処理装置において、前記ショットピーニング処理装置は、前記鉄道用部材（Ｒ）に沿って移動した状態で前記接触面（Ｒ₂）を表面処理するときに移動方向（Ｂ）に対して前側に配置されており、前記摩擦緩和処理装置は、移動方向に対して後側に配置されていることを特徴とする鉄道用部材の表面処理装置（５）である。

請求項１４の発明は、摩擦抵抗を受ける接触面（Ｗ₂；Ｒ₂）を表面処理する鉄道用部材（Ｗ；Ｒ）の表面処理装置であって、前記接触面にショット粒子（３ａ）及び摩擦緩和粒子（４ａ）を投射してショットピーニング処理面（３）を形成するとともに、このショットピーニング処理面に摩擦緩和層（４）を形成するショットピーニング処理装置（９；１１）を備えることを特徴とする鉄道用部材の表面処理装置である。

請求項１５の発明は、請求項１０又は請求項１４に記載の鉄道用部材の表面処理装置において、前記ショットピーニング処理装置は、前記鉄道用部材（Ｗ）を回転させた状態又は前記鉄道用部材（Ｒ）に沿って移動した状態で前記接触面に前記ショットピーニング処理面を形成することを特徴とする鉄道用部材の表面処理装置である。

請求項１６の発明は、請求項１０から請求項１５までのいずれか１項に記載の鉄道用部材の表面処理装置において、前記ショットピーニング処理装置は、前記接触面の硬化処理層（４）の表面に前記ショットピーニング処理面を形成することを特徴とする鉄道用部材の表面処理装置である。

請求項１７の発明は、請求項１０から請求項１６までのいずれか１項に記載の鉄道用部材の表面処理装置において、前記ショットピーニング処理装置は、鉄道用車輪（Ｗ）のフランジ面（Ｗ₂）又は鉄道用レール（Ｒ）の内側頭頂面（Ｒ₂）に前記ショットピーニング処理面を形成することを特徴とする鉄道用部材の表面処理装置である。

この発明によると、磨耗を減少させて安全性と乗り心地を改善し保守コストを減少させることができる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材を模式的に示す部分断面図であり、図１（Ａ）は表面処理前の状態を示す部分断面図であり、図１（Ｂ）は表面処理後の状態を示す部分断面図である。
鉄道用部材１は、摩擦抵抗を受ける接触面１ａが表面処理された鉄道用車輪や鉄道用レールなどの基幹部品である。接触面１ａは、他の鉄道用部材の被接触面との間の相対運動により摩擦抵抗を受ける部分であり、図１４及び図１５に示すように、急曲線のレールＲの内側頭頂面Ｒ₂や、この内側頭頂面Ｒ₂と回転接触する車輪Ｗのフランジ面Ｗ₂などである。接触面１ａには、図１（Ｂ）に示すように、硬化処理層２と、ショットピーニング処理面３と、摩擦緩和層４とが形成されている。

硬化処理層２は、鉄道用部材１の接触面１ａを硬化処理して形成した部分である。硬化処理層２は、例えば、鉄道用部材１（母材）をＡ₃変態の起きる温度以上の浸炭性雰囲気中で加熱して表面の炭素量を高める浸炭処理や、浸炭と窒化とが同時に起こる環境中で鉄道用部材１をＡ₃変態の起きる温度以上で加熱し表面層の炭素と窒素量とを同時に高める浸炭窒化処理や、鉄道用部材１の表面層に窒素を拡散浸透させて硬質の窒化層を形成させる窒化処理などによって形成される。

ショットピーニング処理面３は、硬化処理層２の表面をショットピーニング処理して形成した部分である。ショットピーニング処理面３は、例えば、硬化処理層２の硬さよりも硬さが大きく（硬さが400HV以上）粒子径が20μm〜400μm程度の粒子を速度50m/s〜1000m/sで硬化処理層２の表面に多数投射して形成される。このような粒子としては、Al₂O₃，Zr₂O₃，SiC，SiNなどのセラミックス粒子又はSKH(ハイス又は高速度鋼）、WC-Co(超硬合金)、鋳鋼、鉄鋼などの硬質粒子を使用することが好ましい。

摩擦緩和層４は、摩擦抵抗を緩和する部分である。摩擦緩和層４は、摩擦係数を略一定範囲内に低減する摩擦緩和材（摩擦低減材）によって形成される。摩擦緩和層４は、例えば、ショットピーニング処理後の硬化処理層２の表面の固さよりも硬さが小さく、摩擦係数を上げないような材質であって、大きさが2μm〜50μm程度の固体潤滑剤や軟質粒子を速度50m/s〜1000m/sでショットピーニング処理面３の表面に多数投射して形成される。このような固体潤滑剤としては、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ボロンナイトライド又はグラファイト（黒鉛）などを使用することが好ましく、軟質粒子としてはアルミニウム、スズ、ニッケル又はチタンなどを使用することが好ましい。

次に、この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材の表面処理方法を説明する。
図２は、この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材の表面処理方法の工程図である。図３は、この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材の表面処理方法を説明するための模式図であり、図３（Ａ）は表面処理前の断面図であり、図３（Ｂ）は表面硬化処理工程後の断面図であり、図３（Ｃ）はショットピーニング処理工程中の断面図であり、図３（Ｄ）は摩擦緩和処理工程中の断面図であり、図３（Ｅ）は表面処理後の断面図である。

表面処理工程＃１００は、摩擦抵抗を受ける接触面１ａを表面処理する工程であり、図２に示すように表面硬化処理工程＃１１０と、ショットピーニング処理工程（第１ショットピーニング処理工程）＃１２０と、摩擦緩和処理工程（第２ショットピーニング処理工程）＃１３０とを含む。表面硬化処理工程＃１１０は、接触面１ａを硬化処理する工程であり、この表面硬化処理工程＃１１０では図３（Ａ）（Ｂ）に示すように浸炭処理、浸炭窒化処理又は窒化処理などによって接触面１ａに硬化処理層２が形成される。ショットピーニング処理工程＃１２０は、硬化処理層２の表面にショット粒子３ａを投射してショットピーニング処理面３を形成する冷間加工法による表面硬化処理工程である。このショットピーニング処理工程＃１２０では、図３（Ｃ）に示すように、セラミックス粒子又は硬質粒子などからなるショット粒子３ａを硬化処理層２の表面に多数投射し適度な表面粗さを与えて凹部を形成する。摩擦緩和処理工程＃１３０は、ショットピーニング処理面３に摩擦抵抗を緩和する摩擦緩和粒子４ａを投射して摩擦緩和層４を形成する工程である。この摩擦緩和処理工程＃１３０では、図３（Ｄ）に示すように適度な表面粗さが与えられたショットピーニング処理面３に、固体潤滑剤や軟質粒子などからなる摩擦緩和粒子４ａを多数投射して、ショットピーニング処理面３と摩擦緩和粒子４ａとを密着させ摩擦緩和層４を形成する。

この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材とその表面処理方法には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、鉄道用部材１の摩擦抵抗を受ける接触面１ａにショットピーニング処理面３が形成されている。その結果、接触面１ａが押し伸ばされて塑性変形し圧縮応力が残留するため硬さが上昇し、鉄道用部材１の疲れ寿命が向上して傷の発生を防止することができる。特に、従来の鉄道用車輪のように車輪全体を焼き入れなどによって熱処理する場合に比べて、接触面１ａを簡単に短時間で表面処理することができる。

(2) この第１実施形態では、ショットピーニング処理面３に摩擦緩和層４が形成されている。このため、適度な表面粗さが与えられたショットピーニング処理面３上に摩擦緩和粒子４ａを投射することによって、硬化処理層２と摩擦緩和粒子４ａとの密着性を向上させることができる。また、ショット時に発生する熱によってショットピーニング処理面３の表面に化学物層の生成をある程度期待することができる。その結果、図１４及び図１５に示すような車輪Ｗのフランジ面Ｗ₂やレールＲの内側頭頂面Ｒ₂に適用することによって、摩擦抵抗を減少させ高面圧、高滑り条件下における磨耗を低減し、きしみ割れを防止することができる。また、従来の鉄道用レールの製造時に必要であった熱処理工程を省略することが期待できるとともに、車輪ＷやレールＲの寿命が延びるため低コスト化を図ることができる。

(3) この第１実施形態では、接触面１ａの硬化処理層２の表面にショットピーニング処理面３が形成されている。その結果、浸炭処理、浸炭窒化処理又は窒化処理などの表面硬化処理によって鉄道用部材１の硬さや圧縮残留応力が上昇するため、鉄道用部材１の耐摩耗性を向上させることができるとともに、相乗効果としてフランジ面の耐摩耗性を向上させることができる。

（第２実施形態）
図４は、この発明の第２実施形態に係る鉄道用部材の表面処理方法の工程図である。図５は、この発明の第２実施形態に係る鉄道用部材の表面処理方法を説明するための模式図であり、図５（Ａ）は表面処理前の断面図であり、図５（Ｂ）は表面硬化処理工程後の断面図であり、図５（Ｃ）はショットピーニング処理工程中の断面図であり、図５（Ｄ）は表面処理後の断面図である。なお、図２及び図３に示す部分と同一の部分については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。

図４に示すショットピーニング処理工程＃１４０は、図５（Ｃ）（Ｄ）に示すように、接触面１ａにショット粒子３ａ及び摩擦緩和粒子４ａを投射してショットピーニング処理面３を形成するとともに、このショットピーニング処理面３に摩擦緩和層４を形成する工程である。この第２実施形態では、第１実施形態の効果に加えて、ショット粒子３ａと摩擦緩和粒子４ａとを同時に接触面１ａに投射してショットピーニング処理面３及び摩擦緩和層４を略同時に形成することができる。このため、処理時間の短縮化を図ることができるとともに、ショットピーニング処理面３に密着した摩擦緩和粒子４ａにショット粒子３ａが衝突したときには、この衝突によって発生する衝撃力によってショットピーニング処理面３に摩擦緩和粒子４ａを浸透させることが期待できる。

（第３実施形態）
図６は、この発明の第３実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置の正面図である。図７は、この発明の第３実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置の側面図であり、図７（Ａ）はショットピーニング処理装置の側面図であり、図７（Ｂ）は摩擦緩和処理装置の側面図である。
表面処理装置５は、摩擦抵抗を受けるフランジ面Ｗ₂を表面処理する装置である。図６及び図７に示す表面処理装置５は、図１４に示すような一対の車輪Ｗのそれぞれに対応して配置されており、以下では一方の側の表面処理について説明し、他方の側の表面処理については説明を省略する。表面処理装置５は、図６に示すように、回転装置６と、ショットピーニング処理装置（第１ショットピーニング処理装置）７と、摩擦緩和処理装置（第２ショットピーニング処理装置）８とを備えている。

回転装置６は、車輪Ｗを回転させる装置であり、回転体６ａ，６ｂと、回転駆動部６ｃと、昇降駆動部６ｄとを備えている。回転体６ａ，６ｂは、車輪Ｗと回転接触するローラであり、レールＲの端部Ｒ₃と端部Ｒ₄との間のレール分断部Ｒ₅に配置されている。回転駆動部６ｃは、回転体６ａ，６ｂの外周面を車輪Ｗの踏面Ｗ₁に接触させた状態でこれらの回転体６ａ，６ｂを回転駆動させる装置である。昇降駆動部６ｄは、回転体６ａ，６ｂを昇降駆動させる装置であり、車輪Ｗを表面処理するときには回転体６ａ，６ｂを上昇させて踏面Ｗ₁に接触させ、車輪Ｗの表面処理を終了したときには回転体６ａ，６ｂを下降させて踏面Ｗ₁から離間させる。

ショットピーニング処理装置７は、フランジ面Ｗ₂にショット粒子３ａを投射してショットピーニング処理面３を形成する装置であり、図６に示すように車輪Ｗを回転させた状態でフランジ面Ｗ₂を表面処理するときに回転方向（Ａ方向）に対して上流側に配置されている。ショットピーニング処理装置７は、図６及び図７（Ａ）に示すように、噴射部７ａと、供給管路７ｂと、回収部７ｃと、回収管路７ｄとを備えている。噴射部７ａは、ショット粒子３ａを噴射するノズルであり、フランジ面Ｗ₂と間隔をあけて対向するように回収部７ｃ内に配置されている。供給管路７ｂは、ショット粒子３ａを噴射部７ａに供給する配管であり、ショット粒子３ａを収容する図示しない収容部から噴射部７ａまで圧縮空気によってショット粒子３ａを供給する。回収部７ｃは、噴射部７ａから噴射してフランジ面Ｗ₂に衝突した後のショット粒子３ａを受け止めて収容する部分であり、先端開口部がフランジ面Ｗ₂と密着するような形状に形成されておりフランジ面Ｗ₂を覆うように車輪Ｗと密着する。回収管路７ｄは、回収部７ｃ内のショット粒子３ａを回収する配管であり、回収部７ｃから図示しない収容部にショット粒子３ａを吸引し戻す。

摩擦緩和処理装置８は、ショットピーニング処理面３に摩擦緩和粒子４ａを投射して摩擦緩和層４を形成する装置であり、図６に示すように車輪Ｗの回転方向に対して下流側に配置されている。摩擦緩和処理装置８は、ショットピーニング処理装置７と略同一構造であり、図７（Ｂ）に示すようにショットピーニング処理装置７側の部分と対応する部分については対応する符号を付して詳細な説明を省略する。

次に、この発明の第３実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置の動作を説明する。
図６及び図７に示すように、フランジ面Ｗ₂を表面処理する場合には、レールＲに沿って車輪Ｗが転がりながら移動してレール分断部Ｒ₅に位置したときに、回転装置６を動作させる。その結果、昇降駆動部６ｄが回転体６ａ，６ｂを上昇させて車輪Ｗと接触させるとともに、この状態で回転駆動部６ｃが回転体６ａ，６ｂを回転させて車輪ＷをＡ方向に回転させる。次に、ショットピーニング処理装置７及び摩擦緩和処理装置８が退避位置から駆動を開始して、回収部７ｃ，８ｃの先端開口部がフランジ面Ｗ₂と密着する。回転装置６が車輪Ｗを回転させた状態でショットピーニング処理装置７が供給管路７ｂから噴射部７ａにショット粒子３ａを供給すると、図７（Ａ）に示すように噴射部７ａからフランジ面Ｗ₂にショット粒子３ａが投射されてショットピーニング処理面３が形成される。

摩擦緩和処理装置８が供給管路８ｂから噴射部８ａに摩擦緩和粒子４ａを供給すると、図７（Ｂ）に示すように噴射部８ａからショットピーニング処理面３に摩擦緩和粒子４ａが投射されて摩擦緩和層４が形成される。フランジ面Ｗ₂で反射して回収部７ｃ内に回収されたショット粒子３ａは回収管路７ｄを通じて吸引され回収されるとともに、ショットピーニング処理面３に密着せずに回収部８ｃ内に回収された摩擦緩和粒子４ａは回収管路８ｄを通じて吸引され回収される。フランジ面Ｗ₂の表面処理を終了する場合には、回転駆動部６ｃが回転体６ａ，６ｂの回転を停止させて昇降駆動部６ｄが回転体６ａ，６ｂを下降させると、車輪Ｗが回転体６ａ，６ｂから離間する。そして、表面処理後の車輪ＷがレールＲに沿って転がりながら移動してレール分断部Ｒ₅から離れると、次の車輪Ｗがレール分断部Ｒ₅に位置し同様の表面処理動作が繰り返される。

この発明の第３実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第３実施形態では、ショットピーニング処理装置７がフランジ面Ｗ₂にショット粒子３ａを投射してショットピーニング処理面３を形成する。その結果、フランジ面Ｗ₂の硬さが上昇するため、鉄道車両が急曲線を通過するときにフランジ面Ｗ₂と内側頭頂面Ｒ₂とが激しく接触しても、フランジ面Ｗ₂に傷が発生するのを可能な限り防止することができる。

(2) この第３実施形態では、摩擦緩和処理装置８がショットピーニング処理面３に摩擦緩和粒子４ａを投射して摩擦緩和層４を形成する。その結果、フランジ面Ｗ₂が受ける摩擦抵抗が緩和されるため、鉄道車両が急曲線を通過するときにフランジ面Ｗ₂と内側頭頂面Ｒ₂とが激しく接触しても、フランジ面Ｗ₂が磨耗するのを低減することができる。例えば、規定の走行距離を列車が走行した後に電車区などの車両基地で車両を停車させて表面処理をすることができる。また、従来の鉄道用車輪のように踏面Ｗ₁の形状の変化を防止するために、車輪Ｗを定期的に削正して踏面Ｗ₁の形状を整える大規模な作業が必要なくなるため、保守コストを低減することができる。

(3) この第３実施形態では、車輪Ｗを回転させた状態でフランジ面Ｗ₂を表面処理するときにショットピーニング処理装置７が回転方向に対して上流側に配置されており、摩擦緩和処理装置８が回転方向に対して下流側に配置されている。その結果、従来の鉄道用車輪のように車輪Ｗ全体を焼き入れしたり車輪Ｗを部分的に浸炭処理や窒化処理したりする必要がなくなるため、車輪Ｗを回転させながらフランジ面Ｗ₂を短時間に連続して表面処理することができる。

（第４実施形態）
図８は、この発明の第４実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置の正面図である。以下では、図６に示す部分と同一の部分については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
図８に示すショットピーニング処理装置９は、フランジ面Ｗ₂にショット粒子３ａ及び摩擦緩和粒子４ａを投射してショットピーニング処理面３を形成するとともに、このショットピーニング処理面３に摩擦緩和層４を形成する。ショットピーニング処理装置９は、図８に示すように、混合状態のショット粒子３ａ及び摩擦緩和粒子４ａをフランジ面Ｗ₂に同時に噴射する噴射部９ａと、ショット粒子３ａ及び摩擦緩和粒子４ａを噴射部９ａに供給する噴射管路９ｂと、噴射後のショット粒子３ａ及び摩擦緩和粒子４ａを受け止めて回収する回収部９ｃと、ショット粒子３ａ及び摩擦緩和粒子４ａを回収部９ｃから吸引する回収管路９ｄとを備えている。この第４実施形態では、第３実施形態の効果に加えて、車輪Ｗを回転させた状態でショット粒子３ａ及び摩擦緩和粒子４ａをフランジ面Ｗ₂に同時に投射して、ショットピーニング処理面３及び摩擦緩和層４を略同時に形成することができる。

（第５実施形態）
図９は、この発明の第５実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置の平面図である。図１０は、この発明の第５実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置の側面図であり、図１０（Ａ）はショットピーニング処理装置の側面図であり、図１０（Ｂ）は摩擦緩和処理装置の側面図である。
表面処理装置１０は、摩擦抵抗を受ける内側頭頂面Ｒ₂を表面処理する装置である。図９及び図１０に示す表面処理装置１０は、図１４に示すような一対のレールＲのそれぞれに対応して配置されており、以下では一方の側の表面処理について説明し、他方の側の表面処理については説明を省略する。表面処理装置１０は、図９及び図１０に示すように、ショットピーニング処理装置１１と、摩擦緩和処理装置１２と、仕切部材１３とを備えている。表面処理装置１０は、原動機又は人力によって走行する保線作業車などに搭載されており、内側頭頂面Ｒ₂と接触した状態でレールＲの長さ方向に沿って移動する。

ショットピーニング処理装置１１は、レールＲに沿って移動した状態で内側頭頂面Ｒ₂を表面処理するときに移動方向（Ｂ方向）に対して前側に配置されている。ショットピーニング処理装置１１は、図６及び図７（Ａ）に示すショットピーニング処理装置７と近似した構造であり、図１０（Ａ）に示すようにショットピーニング処理装置７側の部分と対応する部分については対応する符号を付して詳細な説明を省略する。摩擦緩和処理装置１２は、移動方向に対して後側に配置されており、ショットピーニング処理装置１１と一体に取り付けられている。摩擦緩和処理装置１２は、図７（Ｂ）に示す摩擦緩和処理装置８と近似した構造であり、図１０（Ｂ）に示すように摩擦緩和処理装置８側の部分と対応する部分については対応する符号を付して詳細な説明を省略する。仕切部材１３は、ショットピーニング処理装置１１と摩擦緩和処理装置１２とを仕切る仕切板であり、図９に示すように、回収部１１ｃ内のショット粒子３ａと回収部１２ｃ内の摩擦緩和粒子４ａとが混合しないように、回収部１１ｃと回収部１２ｃとを仕切る。

次に、この発明の第５実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置の動作を説明する。
図９及び図１０に示すように、表面処理装置１０が退避位置から駆動を開始すると、回収部１１ｃ，１２ｃの先端開口部が内側頭頂面Ｒ₂に密着して、レールＲの長さ方向に沿って表面処理装置１０がＢ方向に移動する。レールＲに沿って表面処理装置１０を移動させた状態で移動方向に対して前側のショットピーニング処理装置１１が供給管路１１ｂから噴射部１１ａにショット粒子３ａを供給すると、図９（Ａ）に示すように噴射部１１ａから内側頭頂面Ｒ₂にショット粒子３ａが投射されてショットピーニング処理面３が形成される。次に、移動方向に対して後側の摩擦緩和処理装置１２が供給管路１２ｂから噴射部１２ａに摩擦緩和粒子４ａを供給すると、図７（Ｂ）に示すように噴射部１２ａからショットピーニング処理面３に摩擦緩和粒子４ａが投射されて摩擦緩和層４が形成される。回収部１１ｃ，１２ｃ内に回収されたショット粒子３ａ及び摩擦緩和粒子４ａは、それぞれ回収管路１１ｄ，１２ｄを通じて吸引され回収される。

この発明の第５実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第５実施形態では、ショットピーニング処理装置１１が内側頭頂面Ｒ₂にショット粒子３ａを投射してショットピーニング処理面３を形成するため、鉄道車両が急曲線を通過するときに発生する内側頭頂面Ｒ₂の傷を低減することができる。また、この第５実施形態では、摩擦緩和処理装置１２がショットピーニング処理面３に摩擦緩和粒子４ａを投射して摩擦緩和層４を形成するため、鉄道車両が急曲線を通過するときに発生する内側頭頂面Ｒ₂の磨耗を低減することができる。

(2) この第５実施形態では、レールＲに沿って移動させた状態で内側頭頂面Ｒ₂を表面処理するときにショットピーニング処理装置１１が移動方向に対して前側に配置されており、摩擦緩和処理装置１２が移動方向に対して後側に配置されている。その結果、レールＲに沿って表面処理装置１０を移動させながらショットピーニング処理面３及び摩擦緩和層４を内側頭頂面Ｒ₂に連続して形成することができるため、内側頭頂面Ｒ₂を簡単に表面処理することができる。

（第６実施形態）
図１１は、この発明の第６実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置の平面図である。
図１１に示すショットピーニング処理装置１４は、内側頭頂面Ｒ₂にショット粒子３ａ及び摩擦緩和粒子４ａを投射してショットピーニング処理面３を形成するとともに、このショットピーニング処理面３に摩擦緩和層４を形成する。ショットピーニング処理装置１４は、図８に示すショットピーニング処理装置９と近似した構造であり、図１１に示すようにショットピーニング処理装置９と対応する部分については対応する符号を付して詳細な説明を省略する。この第６実施形態では、第５実施形態の効果に加えて、表面処理装置１０をレールＲの長さ方向に沿って移動させながらショット粒子３ａと摩擦緩和粒子４ａとを同時に投射して、ショットピーニング処理面３及び摩擦緩和層４を略同時に形成することができる。

次に、この発明の実施例について説明する。
図１２は、この発明の実施例に係る車輪試験片及びレール試験片の磨耗量を示すグラフである。図１３は、この発明の実施例に係る車輪試験片及びレール試験片の摩擦係数の時間変化を示すグラフである。なお、図１２に示す縦軸は磨耗量(g)であり、図１３に示す縦軸は摩擦係数であり横軸は時間(s)である。

（試験片）
実施例１は、ショットピーニング処理された車輪試験片であり、比較例１はショットピーニング処理されていない車輪試験片である。実施例１については、50μm程度のアルミナ粒子を150m/s程度で30秒程度投射してショットピーニング処理面を形成した後に、10μm程度の二硫化モリブデン粒子を150m/s程度で30秒程度投射してショットピーニング処理面上に摩擦緩和層を形成した。車輪試験片は、現在使用されている実際の車輪の組成及び硬さと同じにするために、組成が炭素0.60〜0.75重量％、ケイ素0.15〜0.35重量％、マンガン0.50〜0.90重量％の炭素鋼であり、硬さが300〜320HV程度に調整されたものを使用した。比較例２，３はショットピーニング処理されていないレール試験片である。レール試験片は、車輪試験片と同様に、急曲線部に敷設され現在使用されている実際のレールの組成及び硬さと同じにするために、急曲線部の実際のレールの頭頂面から切り出したものを使用した。このレール試験片は、組成が炭素0.72〜0.82重量％、ケイ素0.10〜0.55重量％、マンガン0.70〜1.10重量％の炭素鋼であり、硬さが400HV程度に調整されたものを使用した。車輪試験片及びレール試験片は、直径30mm×厚さ8mmの円筒状であり、車輪試験片及びレール試験片の中央部には磨耗試験機に取り付けるために直径16mmの貫通孔が形成されている。

（試験方法）
急曲線における車輪のフランジ面とレールの内側頭頂面との接触を模擬するために、２円筒西原式転がり磨耗試験機によってすべり率を９％（車輪試験片が９％多く回転する）、面圧を0.9GPaに設定して、レール試験片を５万回回転させて試験を終了した。試験は、ショットピーニング処理していない車輪試験片（比較例１）とショットピーニング処理していないレール試験片（比較例２）とを接触させた場合と、ショットピーニング処理した車輪試験片（実施例１）とショットピーニング処理していないレール試験片（比較例３）とを接触させた場合について実施した。そして、実施例１及び比較例１〜３の試験終了時の磨耗量を比較した。また、試験中に実施例１及び比較例１に加わるトルク(τ)を磨耗試験機から検出して、摩擦係数(μ)＝トルク(τ(kgf・cm))／荷重(Ｗ(kgf))／試験片の半径(cm)により摩擦係数(μ)の変化を測定した。ここで、荷重(Ｗ)は、車輪試験片とレール試験片とを加圧接触させたときに加えた荷重である。

（試験結果）
実施例１は、図１２に示すように、比較例１に比べて磨耗量が減少しておりショットピーニング処理の効果が確認された。また、比較例３は、図１２に示すように、比較例２に比べて磨耗量が減少しており、レール側をショットピーニング処理せずに車輪側のみショットピーニング処理した場合についてもレール側の磨耗を低減できる効果が確認された。図１３に示すように、ショットピーニング処理した場合には、ショットピーニング処理しない場合に比べて摩擦係数が非常に低い値で推移し、車輪試験片及びレール試験片の接触領域の摩擦係数が低いことが確認された。

（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、鉄道用部材１として鉄道用車輪及び鉄道用レールを例に挙げて説明したが、相対運動によって摩擦抵抗を受けるパンタグラフのピン及びピンブッシュなどの他の鉄道用部材についてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、鉄道用車輪又は鉄道用レールのいずれか一方を表面処理した場合を例に挙げて説明したが、これらの両方を表面処理することもできる。さらに、この実施形態では、車輪Ｗのフランジ面Ｗ₂又はレールＲの内側頭頂面Ｒ₂を接触面１ａの例に挙げて説明したが、これらの箇所とは別に又はこれらの箇所とともに踏面Ｗ₁又は頭頂面Ｒ₁を表面処理することもできる。

(2) この第１実施形態及び第２実施形態では、硬化処理層２の表面にショットピーニング処理面３を形成する場合を例に挙げて説明したが、表面硬化処理工程＃１１０を省略して鉄道用部材１の接触面１ａに直接ショットピーニング処理面３を形成することもできる。また、この第３実施形態〜第５実施形態では、車輪Ｗのフランジ面Ｗ₂又はレールＲの内側頭頂面Ｒ₂にショットピーニング処理面３を形成する場合を例に挙げて説明したが、フランジ面Ｗ₂又は内側頭頂面Ｒ₂に浸炭処理や熱処理などによって硬化処理層２を形成した後にショットピーニング処理面３を形成することもできる。

この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材を模式的に示す部分断面図であり、（Ａ）は表面処理前の状態を示す部分断面図であり、（Ｂ）は表面処理後の状態を示す部分断面図である。 この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材の表面処理方法の工程図である。 この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材の表面処理方法を説明するための模式図であり、（Ａ）は表面処理前の断面図であり、（Ｂ）は表面硬化処理工程後の断面図であり、（Ｃ）はショットピーニング処理工程中の断面図であり、（Ｄ）は摩擦緩和処理工程中の断面図であり、（Ｅ）は表面処理後の断面図である。 この発明の第２実施形態に係る鉄道用部材の表面処理方法の工程図である。 この発明の第２実施形態に係る鉄道用部材の表面処理方法を説明するための模式図であり、（Ａ）は表面処理前の断面図であり、図５（Ｂ）は表面硬化処理工程後の断面図であり、（Ｃ）はショットピーニング処理工程中の断面図であり、（Ｄ）は表面処理後の断面図である。 この発明の第３実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置の正面図である。 この発明の第３実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置の側面図であり、（Ａ）はショットピーニング処理装置の側面図であり、（Ｂ）は摩擦緩和処理装置の側面図である。 この発明の第４実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置の正面図である。 この発明の第５実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置の平面図である。 この発明の第５実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置の側面図であり、（Ａ）はショットピーニング処理装置の側面図であり、（Ｂ）は摩擦緩和処理装置の側面図である。 この発明の第６実施形態に係る鉄道用部材の表面処理装置における平面図である。 この発明の実施例に係る車輪試験片及びレール試験片の磨耗量を示すグラフである。 この発明の実施例に係る車輪試験片及びレール試験片の摩擦係数の時間変化を示すグラフである。 鉄道車両が急曲線を通過するときの鉄道用車輪と鉄道用レールとの状態を示す平面図である。 図１４のXV部分を拡大して示す正面図である。

符号の説明

１ 鉄道用部材
１ａ 接触面
２ 硬化処理層
３ ショットピーニング処理面
３ａ ショット粒子
４ 摩擦緩和層
４ａ 摩擦緩和粒子
５ 表面処理装置
６ 回転装置
７ ショットピーニング処理装置
８ 摩擦緩和処理装置
９ ショットピーニング処理装置
１０ 表面処理装置
１１ ショットピーニング処理装置
１２ 摩擦緩和処理装置
１４ ショットピーニング処理装置
Ｗ 車輪（鉄道用部材）
Ｗ₁ 踏面
Ｗ₂ フランジ面（接触面）
Ｒ レール（鉄道用部材）
Ｒ₁ 頭頂面
Ｒ₂ 内側頭頂面（接触面）
Ａ 回転方向
Ｂ 移動方向

Claims (17)

1. 摩擦抵抗を受ける接触面が表面処理された鉄道用部材であって、
   前記接触面にショットピーニング処理面が形成されていること、
   を特徴とする鉄道用部材。
2. 請求項１に記載の鉄道用部材において、
   前記ショットピーニング処理面に摩擦緩和層が形成されていること、
   を特徴とする鉄道用部材。
3. 請求項１又は請求項２に記載の鉄道用部材において、
   前記接触面の硬化処理層の表面に前記ショットピーニング処理面が形成されていること、
   を特徴とする鉄道用部材。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の鉄道用部材において、
   鉄道用車輪のフランジ面又は鉄道用レールの内側頭頂面に前記ショットピーニング処理面が形成されていること、
   を特徴とする鉄道用部材。
5. 摩擦抵抗を受ける接触面を表面処理する鉄道用部材の表面処理方法であって、
   前記接触面にショット粒子を投射してショットピーニング処理面を形成するショットピーニング処理工程を含むこと、
   を特徴とする鉄道用部材の表面処理方法。
6. 請求項５に記載の鉄道用部材の表面処理方法において、
   前記ショットピーニング処理面に摩擦緩和粒子を投射して摩擦緩和層を形成する摩擦緩和処理工程を含むこと、
   を特徴とする鉄道用部材の表面処理方法。
7. 摩擦抵抗を受ける接触面を表面処理する鉄道用部材の表面処理方法であって、
   前記接触面にショット粒子及び摩擦緩和粒子を投射してショットピーニング処理面を形成するとともに、このショットピーニング処理面に摩擦緩和層を形成するショットピーニング処理工程を含むこと、
   を特徴とする鉄道用部材の表面処理方法。
8. 請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載の鉄道用部材の表面処理方法において、
   前記ショットピーニング処理工程は、前記接触面の硬化処理層の表面に前記ショットピーニング処理面を形成する工程であること、
   を特徴とする鉄道用部材の表面処理方法。
9. 請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載の鉄道用部材の表面処理方法において、
   前記ショットピーニング処理工程は、鉄道用車輪のフランジ面又は鉄道用レールの内側頭頂面に前記ショットピーニング処理面を形成する工程であること、
   を特徴とする鉄道用部材の表面処理方法。
10. 摩擦抵抗を受ける接触面を表面処理する鉄道用部材の表面処理装置であって、
    前記接触面にショット粒子を投射してショットピーニング処理面を形成するショットピーニング処理装置を備えること、
    を特徴とする鉄道用部材の表面処理装置。
11. 請求項１０に記載の鉄道用部材の表面処理装置において、
    前記ショットピーニング処理面に摩擦緩和粒子を投射して摩擦緩和層を形成する摩擦緩和処理装置を備えること、
    を特徴とする鉄道用部材の表面処理装置。
12. 請求項１１に記載の鉄道用部材の表面処理装置において、
    前記ショットピーニング処理装置は、前記鉄道用部材を回転させた状態で前記接触面を表面処理するときに回転方向に対して上流側に配置されており、
    前記摩擦緩和処理装置は、回転方向に対して下流側に配置されていること、
    を特徴とする鉄道用部材の表面処理装置。
13. 請求項１１に記載の鉄道用部材の表面処理装置において、
    前記ショットピーニング処理装置は、前記鉄道用部材に沿って移動した状態で前記接触面を表面処理するときに移動方向に対して前側に配置されており、
    前記摩擦緩和処理装置は、移動方向に対して後側に配置されていること、
    を特徴とする鉄道用部材の表面処理装置。
14. 摩擦抵抗を受ける接触面を表面処理する鉄道用部材の表面処理装置であって、
    前記接触面にショット粒子及び摩擦緩和粒子を投射してショットピーニング処理面を形成するとともに、このショットピーニング処理面に摩擦緩和層を形成するショットピーニング処理装置を備えること、
    を特徴とする鉄道用部材の表面処理装置。
15. 請求項１０又は請求項１４に記載の鉄道用部材の表面処理装置において、
    前記ショットピーニング処理装置は、前記鉄道用部材を回転させた状態又は前記鉄道用部材に沿って移動した状態で前記接触面に前記ショットピーニング処理面を形成すること、
    を特徴とする鉄道用部材の表面処理装置。
16. 請求項１０から請求項１５までのいずれか１項に記載の鉄道用部材の表面処理装置において、
    前記ショットピーニング処理装置は、前記接触面の硬化処理層の表面に前記ショットピーニング処理面を形成すること、
    を特徴とする鉄道用部材の表面処理装置。
17. 請求項１０から請求項１６までのいずれか１項に記載の鉄道用部材の表面処理装置において、
    前記ショットピーニング処理装置は、鉄道用車輪のフランジ面又は鉄道用レールの内側頭頂面に前記ショットピーニング処理面を形成すること、
    を特徴とする鉄道用部材の表面処理装置。
    
    

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