JP2019524992A - 高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪及びその製造方法では、炭素０．１０〜０．４０％、ケイ素１．００〜２．００％、マンガン１．００〜２．５０％、銅０．２０〜１．００％、ホウ素０．０００１〜０．０３５％、ニッケル０．１０〜１．００％、リン≦０．０２０％、硫黄≦０．０２０％を含み、残部は鉄及び不可避的残留元素である。１．５０％≦Ｓｉ＋Ｎｉ≦３．００％、１．５０％≦Ｍｎ＋Ｎｉ＋Ｃｕ≦３．００％である。熱処理プロセスは、オーステナイト化加熱、水冷却、４００℃での焼き戻し処理を含む。

Description

本発明は、鋼の化学組成設計及び車輪製造の分野に関し、具体的には、高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪及びその製造方法、並びに鉄道輸送の他の部品及び類似の部品の鋼の設計と製造方法に関する。

「高速、高荷重及び低騒音」は、世界鉄道輸送の主要な発展方向である。車輪は鉄道輸送の「靴」であり、最も重要な走行部品の１つであり、運行の安全性に直接影響を与える。列車の通常運行中に、車輪は車両の全部の荷重を負い、摩耗及び転がり接触疲労（ＲＣＦ）によって損傷され、同時に、それは線路、制輪子、車軸、及び周囲の媒体と非常に複雑な作用関係を有し、動的な交互に変化するストレス状態にあり、特に車輪と線路、及び車輪と制輪子（ディスクブレーキを除く）は、２対の、常に存在する、無視できない摩擦ペアである。緊急状況又は特殊道路での運行中に、ブレーキの熱的損傷や擦り傷が非常に著しく、熱疲労が生じ、車輪の安全性や使用寿命にも影響を及ぼす。

鉄道輸送では、車輪が基本的な強度を満たす場合、安全性や信頼性を確保するために、特に車輪の靭性指数に注意を払う。貨物輸送用車輪の摩耗や転がり接触疲労（ＲＣＦ）による損傷が大きく、踏面ブレーキのため、熱疲労損傷も大きく、剥離、剥落、リム割れなどの欠陥が生じる。旅客輸送用車輪については、車輪の靭性及び低温靭性により一層注意を払う。旅客輸送は、ディスクブレーキを使用するため、ブレーキ熱疲労が減少する。

現在、中国の国内外での鉄道輸送用車輪鋼は、例えば、中国車輪規格ＧＢ／Ｔ８６０１、ＴＢ／Ｔ２８１７、欧州車輪規格ＥＮ１３２６２、日本車輪規格ＪＲＳとＪＩＳ Ｂ５４０２、及び北米車輪規格ＡＡＲ Ｍ１０７などにより、中高炭素鋼又は中高炭素マイクロ合金化鋼であり、その金属組織はパーライト−フェライト組織である。ＣＬ６０鋼車輪は、中国の現在の鉄道輸送車両（旅客輸送及び貨物輸送）に主に使用されている圧延鋼の車輪鋼である。ＢＺ−Ｌは、中国の現在の鉄道輸送車両（貨物輸送）に主に使用されている鋳鋼の車輪鋼である。両者の金属組織はパーライト−フェライト組織である。

車輪の各部分の名称を図１に示す。ＣＬ６０鋼の主な技術的指標の要件を表１に示す。

製造中は、車輪材料が優れており、鋼中の有害ガス及び有害な残留元素の含有量が低いことを保証することが必要である。車輪が高温にある状態で、リムの踏面が水の噴射で強化冷却されて、リムの強度及び硬度が向上する。スポーク板部及び車輪ハブは、焼ならし熱処理と同等であり、リムの強度と靭性の整合性が高く、スポーク板部に高靭性がある。最終的に、車輪は優れた総合的な機械的特性とサービス性能を有する。

パーライト−少量フェライト車輪鋼では、フェライトは、材料の軟質相であり、良好な靭性と低い降伏強度を有する。その柔らかさのために、転がり接触疲労（ＲＣＦ）に対する耐性が低い。一般に、フェライト含有量が高いほど、鋼の衝撃靱性は良好である。フェライトと比較して、パーライトは、強度が高く、靭性が低いため、衝撃性能が劣る。鉄道輸送の発展方向は高速かつ高荷重であり、運行中に車輪への負荷は大幅に増加する。既存のパーライト−少量フェライト材料の車輪は、運行とサービス中にますます多くの問題が表れ、主に以下の欠点が存在している。
（１）リム降伏強度は低く、一般的には６００ＭＰａを超えない。車輪の走行中に車輪と軌道との転がり接触応力が大きく、時には車輪鋼の降伏強度を超えるので、走行過程で塑性変形が発生して、踏面の副表面の塑性変形を生じる。また、介在物やセメンタイトなどの脆い相が鋼中に存在するため、リムにはマイクロクラックが発生しやすい。これらのマイクロクラックは、車輪の走行中に転がり接触疲労により、剥離やリム割れなどの欠陥を引き起こす。
（２）鋼の炭素含有量が高く、耐熱損傷性が低い。踏面ブレーキが使用されるときに又は車輪がスライドするときに擦り傷が発生した場合、車輪は局部的に鋼のオーステナイト化温度に昇温し、その後急冷してマルテンサイトを生成する。このように熱疲労が繰り返されて、ブレーキ熱クラックが形成され、剥落や大割れなどの欠陥が発生する。
（３）車輪鋼の焼入性が悪い。車輪リムは、一定の硬度勾配を有し、不均一な硬度により、輪縁の摩耗や円周のひずみなどの欠陥が発生しやすい。

ベイナイト鋼の相変態に関する研究の発展とブレークスルーに伴い、特に炭化物フリーベイナイト鋼の理論と応用研究により、高強度と高靭性の良好な整合が達成される。炭化物フリーベイナイト鋼は、理想的な微細組織構造を有し、優れた機械的性質を有する。その微細組織構造は、炭化物フリーベイナイトであり、即ち、ナノスケールのラス状の過飽和フェライトである。中間は、ナノスケールの薄膜状炭素リッチ残留オーステナイトである。それにより、鋼の強度と靭性が向上し、特に、鋼の降伏強度、衝撃靭性及び破壊靱性が向上し、鋼の切欠き感受性が低下する。従って、ベイナイト鋼車輪は、車輪の転がり接触疲労（ＲＣＦ）に対する耐性が効果的に向上し、車輪の剥離や剥落などの現象が低減され、車輪の安全性及び使用性能が向上する。ベイナイト鋼車輪の炭素含有量が低いため、車輪の熱疲労性能が向上し、リムのヒートクラックが防止され、車輪の旋盤加工回数及び旋盤加工量が減少され、リム金属の使用効率が向上し、車輪の使用寿命が延びる。

２００６年７月１２日に公開されたＣＮ１８００４２７Ａ号（公開番号）の中国特許「鉄道車両車輪用ベイナイト鋼」に開示された鋼の化学組成範囲（ｗｔ％）は、炭素Ｃ：０．０８〜０．４５％、ケイ素Ｓｉ：０．６０〜２．１０％、マンガンＭｎ：０．６０〜２．１０％、モリブデンＭｏ：０．０８〜０．６０％、ニッケルＮｉ：０．００〜２．１０％、クロムＣｒ：＜０．２５％、バナジウムＶ：０．００〜０．２０％、銅Ｃｕ：０．００〜１．００％である。そのベイナイト鋼の典型的な組織は、炭化物フリーベイナイトであり、優れた靭性、低い切欠き感受性、良好な耐ヒートクラック性を有する。Ｍｏ元素の添加により、鋼の焼入性を高めることができるが、大断面の車輪の場合、生産管理が困難でコストが高い。

ブリティッシュ・スチールの特許ＣＮ１０５９２３９Ｃには、ベイナイト鋼及びその生産プロセスが開示されている。その鋼の化学組成範囲（ｗｔ％）は、炭素Ｃ：０．０５〜０．５０％、ケイ素Ｓｉ及び／又はアルミニウムＡｌ：１．００〜３．００％、マンガンＭｎ：０．５０〜２．５０％、クロムＣｒ：０．２５〜２．５０％である。そのベイナイト鋼の典型的な組織は、炭化物フリーベイナイトであり、高い耐摩耗性及び転がり接触疲労耐性を有する。そのタイプの鋼は、良好な靭性を有するが、鋼レールの断面が比較的簡単であり、２０℃での衝撃靭性が高くなく、鋼のコストが高い。

本発明の目的は、Ｃ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｂ系の化学組成を採用し、Ｍｏ、Ｖ及びＣｒなどの合金元素を特に添加せず、リムの典型的な組織を炭化物フリーベイナイトにする高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪を提供することである。

本発明は、車輪に良好な総合的な機械的特性を与え、生産を制御しやすい高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法を更に提供する。

本発明による高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪は、重量パーセントで、
炭素Ｃ：０．１０〜０．４０％、ケイ素Ｓｉ：１．００〜２．００％、マンガンＭｎ：１．００〜２．５０％、
銅Ｃｕ：０．２０〜１．００％、ホウ素Ｂ：０．０００１〜０．０３５％、ニッケルＮｉ：０．１０〜１．００％、
リンＰ≦０．０２０％、硫黄Ｓ≦０．０２０％を含み、
残部は鉄及び不可避的残留元素であり、
１．５０％≦Ｓｉ＋Ｎｉ≦３．００％、１．５０％≦Ｍｎ＋Ｎｉ＋Ｃｕ≦３．００％である。

ＳｉとＮｉの合計含有量が１．５％未満である場合、鋼に炭化物が形成しやすく、良好な靭性を有する炭化物フリーベイナイト組織の取得に不利となる。鋼にはＣｕが含有されるため、Ｃｕ誘起のヒートクラックが発生しやすい。ＳｉとＮｉの合計含有量が３．０％を超えた場合、元素の作用を効果的に発揮することができず、コストも上昇する。

好ましくは、前記高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪は、重量パーセントで、
炭素Ｃ：０．１５〜０．２５％、ケイ素Ｓｉ：１．４０〜１．８０％、マンガンＭｎ：１．４０〜２．００％、
銅Ｃｕ：０．２０〜０．８０％、ホウ素Ｂ：０．０００３〜０．００５％、ニッケルＮｉ：０．１０〜０．６０％、
リンＰ≦０．０２０％、硫黄Ｓ≦０．０２０％を含み、残部は鉄及び残留元素であり、
且つ１．５０％≦Ｓｉ＋Ｎｉ≦３．００％、１．５０％≦Ｍｎ＋Ｎｉ＋Ｃｕ≦３．００％である。

さらに好ましくは、前記高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪は、重量パーセントで、
炭素Ｃ：０．１８％、ケイ素Ｓｉ：１．６３％、マンガンＭｎ：１．９５％、銅Ｃｕ：０．２１％、ホウ素Ｂ：０．００１％、ニッケルＮｉ：０．１８％、リンＰ：０．０１２％、硫黄Ｓ：０．００８％を含み、残部は鉄及び不可避的残留元素である。

前記ベイナイト鋼車輪の微細組織については、リム踏面下から４０ｍｍ以内の金属組織は炭化物フリーベイナイト組織であり、即ち、ナノスケールのラス状の過飽和フェライトであり、ラス状の過飽和フェライトの中間はナノスケールの薄膜状炭素リッチ残留オーステナイトであり、残留オーステナイトの体積パーセントは４％〜１５％である。リムの微細構造は、過飽和フェライト及び炭素リッチ残留オーステナイトにより構成された複相構造であり、そのサイズはナノスケールであり、前記ナノスケールは１ｎｍ〜９９９ｎｍの長さである。

本発明による車輪は、貨車の車輪及び客車の車輪、並びに鉄道輸送の他の部品及び類似の部品の生産に適用できる。

本発明による高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法は、製錬、精錬、成形及び熱処理プロセスを含む。製錬、精錬及び成形のプロセスでは、従来技術を使用する。熱処理プロセスでは、
成形された車輪をオーステナイト化温度に加熱し、リム踏面を水の噴射で４００℃以下に強化冷却し、焼き戻し処理する。前記オーステナイト化温度に加熱するについて、具体的には、８６０〜９３０℃に加熱し、２．０〜２．５時間保温する。前記焼き戻し処理では、車輪を４００℃未満の中低温で３０分以上焼き戻しして、焼き戻し後に室温に空冷し、又は、リム踏面を水の噴射で４００℃以下に強化冷却し、室温に空冷し、その間、スポーク板部、車輪ハブの残留熱によって自己焼き戻しを行う。

熱処理プロセスでは、成形後の高温の残留熱により、成形された車輪のリム踏面を直接水の噴射で４００℃以下に強化冷却し、焼き戻しで処理することもできる。前記焼き戻し処理では、車輪を４００℃未満の中低温で３０分以上焼き戻しして、焼き戻し後に室温に空冷し、又は、リム踏面を水の噴射で４００℃以下に強化冷却し、室温に空冷し、その間、スポーク板部、車輪ハブの残留熱によって自己焼き戻しを行う。

熱処理プロセスでは、車輪を成形した後、車輪を４００℃以下に空冷し、焼き戻しで処理することもできる。焼き戻し処理では、車輪を４００℃未満の中低温で３０分以上焼き戻しして、焼き戻し後に室温に空冷し、又は、４００℃以下に空冷し、室温に空冷し、その間、スポーク板部、車輪ハブの残留熱によって自己焼き戻しを行う。

具体的には、前記熱処理工程は、以下のいずれかの方法である。
車輪をオーステナイト化温度に加熱し、リム踏面を水の噴射で４００℃以下に強化冷却し、室温に空冷し、その間、スポーク板部、車輪ハブの残留熱によって自己焼き戻しを行う。
車輪をオーステナイト化温度に加熱し、リム踏面を噴水で４００℃以下に強化冷却し、４００℃未満の中低温で３０分以上焼き戻しして、焼き戻し後に室温に空冷する。

前記オーステナイト化温度に加熱するについて、具体的には、８６０〜９３０℃に加熱し、２．０〜２．５時間保温する。

または、車輪成形後の高温の残留熱を用いて、リム踏面を水の噴射で４００℃以下に強化冷却し、室温に空冷し、その間、スポーク板部、車輪ハブの残留熱によって自己焼き戻しを行う。
または、車輪成形後の高温の残留熱を用いて、リム踏面を水の噴射で４００℃以下に強化冷却し、４００℃未満の中低温で３０分以上焼き戻しして、焼き戻し後に室温に空冷する。
または、車輪を成形した後、車輪を４００℃以下に空冷してから、成形残留熱により自己焼き戻しを行う。
または、車輪を成形した後、車輪を４００℃以下に空冷してから、４００℃未満の中低温で３０分以上焼き戻しして、焼き戻し後に室温に空冷する。

本発明における各元素の作用は以下のとおりである。
Ｃ含有量については、次のとおりである。Ｃは、鋼中の基本元素であり、隙間固溶硬化及び析出強化の効果が強い。炭素含有量の増加に伴い、鋼の強度が向上し、靭性が低下する。炭素は、フェライトよりもオーステナイト中の溶解度がはるかに大きく、有効なオーステナイト安定化元素である。鋼中の炭化物の体積分率は炭素含有量に正比例する。炭化物フリーベイナイト組織を得るために、材料の硬度がさらに向上し、特に、材料の降伏強度が向上するように、過冷却オーステナイト及び過飽和フェライトに固溶された一定のＣ含有量を確保する必要がある。Ｃ含有量が０．４０％を超えると、セメンタイトの析出が起こり、鋼の靭性が低下し、Ｃ含有量が０．１０％未満である場合、フェライトの過飽和度が低下し、鋼の強度が低下するため、炭素含有量の合理的な範囲は０．１０〜０．４０％であることが好ましい。

Ｓｉ含有量については、以下のとおりである。Ｓｉは、鋼中の基本合金元素であり、一般的に使用される脱酸剤であり、その原子半径は鉄原子の半径より小さく、オーステナイトとフェライトに対する固溶強化の効果が強く、オーステナイトの剪断強度が向上する。Ｓｉは、非炭化物形成元素であり、セメンタイトの析出を阻止し、ベイナイト−フェライトの間に炭素リッチオーステナイト薄膜及び（Ｍ−Ａ）島状組織の形成を促進し、炭化物フリーベイナイト鋼を得るための主要元素である。Ｓｉはまた、セメンタイトの析出を阻止し、過冷オーステナイトの分解による炭化物の析出を防止することもできる。３００℃〜４００℃での焼き戻し中に、セメンタイトの析出は完全に抑制され、オーステナイトの熱安定性及び機械的安定性が向上する。鋼中のＳｉ含有量が２．００％を超えると、初析フェライトの析出傾向が増加し、鋼の強度と靭性が低下し、Ｓｉ含有量が１．００％未満である場合、鋼中にセメンタイトが析出しやすく、炭化物フリーベイナイト組織が得られにくいため、Ｓｉ含有量を１．００〜２．００％に制御する必要がある。

Ｍｎ含有量については、以下のとおりである。Ｍｎは、鋼中のオーステナイトの安定性を向上させ、鋼の焼入性を高め、ベイナイトの焼入性及びベイナイト鋼の強度を著しく向上させる効果を有する。Ｍｎは、リンの拡散係数を増加させ、リンの粒界への偏析を促進し、鋼の脆性及び焼き戻し脆性を増加させることができる。Ｍｎ含有量が１．００％未満である場合、鋼の焼入性が悪く、炭化物フリーベイナイトの取得に不利となり、Ｍｎ含有量が２．５０％を超えると、鋼の焼入性が著しく向上するが、Ｐの拡散傾向が著しく増大し、鋼の靭性が低下するため、Ｍｎ含有量を１．００〜２．５０％に制御する必要がある。

Ｃｕ含有量については、以下のとおりである。銅も非炭化物形成元素であり、オーステナイトの形成を促進することができる。銅は、鋼中の溶解度が大きく変化し、固溶強化及び分散強化の効果を有し、降伏強度及び引張強度を向上させることができる。同時に、銅は、鋼の耐食性を向上させることができる。銅の融点が低いため、圧延加熱時にビレットの表面が酸化され、粒界に低融点の液化が生じ、鋼表面に亀裂が生じやすい。この有害な影響は、適切な合金化及び製造プロセスの最適化によって防止することができる。Ｃｕ含有量が０．２０％未満である場合、鋼の耐食性が悪く、Ｃｕ含有量が１．００％を超えると、鋼表面に亀裂が生じやすいため、Ｃｕ含有量を０．２０〜１．００％に制御する必要がある。

Ｂ含有量については、以下のとおりである。Ｂは、オーステナイト化中にフェライトが粒界で最も核形成しやすいので、鋼の焼入性を向上させる。Ｂは粒界に吸着するために、欠陥が充填され、粒界エネルギーが低下し、新相の核生成が困難となり、オーステナイトの安定性が向上し、焼入性が向上する。しかしながら、Ｂの偏析状態が異なると、その効果も異なる。粒界の欠陥が充填された後に、さらに多くのＢ非平衡偏析が存在すると、粒界で「Ｂ相」析出物が形成され、粒界エネルギーが増大し、同時に、「Ｂ相」が新相の核となり、核形成速度の増加を促進し、焼入性が低下する。即ち、明らかな「Ｂ相」の析出は焼入性に悪影響に及ぼす。また、多量の「Ｂ相」の析出は、鋼を脆くして機械的性質を劣化させる。鋼中のＢ含有量が０．０３５％を超えると、大量の「Ｂ相」が生成され、焼入性が低下する。Ｂ含有量が０．０００１％未満である場合、粒界エネルギーを低下させる効果が限られ、焼入性が不十分となるため、Ｂ含有量を０．０００１〜０．０３５％に制御する必要がある。

Ｎｉ含有量については、以下のとおりである。Ｎｉは、非炭化物形成元素であり、ベイナイト変態中の炭化物の析出を抑制することができるので、ベイナイトフェライトのラス間に安定したオーステナイト薄膜が形成され、炭化物フリーベイナイト組織の形成に有利である。Ｎｉは、鋼の強度及び靭性を向上させることができ、高い衝撃靭性を得るために不可欠な合金元素であり、衝撃靭性転移温度を低下させる。ＮｉとＣｕは、全率固溶体を形成し、Ｃｕの融点を上昇させ、Ｃｕの有害な影響を低減することができる。Ｎｉ含有量が０．１０％未満である場合、炭化物フリーベイナイトの形成に不利となり、Ｃｕによる亀裂などの有害な影響の低減に不利となり、Ｎｉ含有量が１．００％を超えると、鋼の強度と靭性への寄与率が大きく低下し、生産コストが上昇するため、Ｎｉ含有量を０．１０〜１．００％に制御する必要がある。

Ｐ含有量については、以下のとおりである。中高炭素鋼では、Ｐが粒界に偏析しやすいので、粒界が弱くなり、鋼の強度及び靭性が低下する。有害な元素として、Ｐ≦０．０２０％の場合、性能への大きい悪影響がない。

Ｓ含有量については、以下のとおりである。Ｓは粒界に偏析しやすく、他の元素と介在物を形成しやすく、鋼の強度及び靭性が低下する。有害な元素として、Ｓ≦０．０２０％の場合、性能への大きい悪影響がない。

本発明は、化学組成をＣ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｂ系に設計し、Ｍｏ、Ｖ及びＣｒなどの合金元素を特別に添加しないで、先進的な製造及び熱処理プロセスと技術を使用することによって、リムの典型的な組織を炭化物フリーベイナイト、即ち、ナノスケールのラス状の過飽和フェライトにする。中間はナノスケールの薄膜状炭素リッチ残余オーステナイトである。残余オーステナイトは４％〜１５％ある。車輪は、強度と靭性が優れ、切欠き感受性が低いなどの特徴を有する。Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒなどの合金元素を特別に添加しないで、Ｍｏの一部を置換する少量のＢを添加することにより、このタイプの鋼は、より合理的な焼入性、より容易な生産制御、より低いコストを得ることができる。また、先進的な熱処理プロセスによって、このタイプの鋼は良好な総合的な機械的特性を得ることもできる。Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒなどの合金元素を特別に添加しないで、鋼のコストが大幅に削減される。先進的な熱処理プロセスにより、このタイプの鋼は、良好な総合的な機械的特性や、容易な生産制御を得ることができる。さらに、Ｎｉの添加により、このタイプの鋼はより高い２０℃衝撃靭性を有する。

本発明は主にＳｉ、Ｎｉ及びＣｕなどの非炭化物形成元素を利用して、フェライト中の炭素の活性を向上させ、炭化物の析出を遅らせ、抑制し、多組成複合強化を実現し、炭化物フリーベイナイト組織構造を容易に実現する。Ｍｎ元素の優れたオーステナイト安定化効果により、鋼の焼入性が増加し、鋼の強度が向上する。熱処理プロセスの設計により、リム踏面を水の噴射で強化冷却することで、車輪リムは、炭化物フリーベイナイト組織、又は炭化物フリーベイナイト組織を主要部とする複合組織を取得し、残留熱で自己焼き戻しするか又は中低温で焼き戻しして、車輪の組織安定性及び車輪の総合的な機械的特性がさらに改善される。同時に、Ｃｕ元素の優れた固溶強化及び析出強化の特性により、靭性指数が低下することなく、強度及び靭性がさらに向上する。また、Ｎｉ、Ｃｕ元素の耐食性により、車輪の大気腐食耐性が実現され、車輪の使用寿命が延びる。

上記合金組成の設計及び製造プロセスにより、車輪リムは炭化物フリーベイナイト組織構造を得る。スポーク板部及び車輪ハブは、粒状ベイナイト及び過飽和フェライト組織構造を主要部とする金属組織構造を得る。

従来技術と比較して、本発明により製造されたベイナイト鋼車輪は、ＣＬ６０車輪と比較して、リムの強度と靭性の整合性が著しく向上する。それにより、安全性が保証される前提で、車輪の降伏強度、靭性及び低温靭性が効果的に向上し、車輪の転がり接触疲労（ＲＣＦ）耐性が向上し、車輪の耐ヒートクラック性が向上し、車輪の耐食性が向上し、車輪の切欠き感受性が低下し、車輪の使用中の剥離や剥落の可能性が低減され、車輪踏面の均一な摩耗及び少ない旋盤加工が実現され、車輪リム金属の仕様効率が向上し、車輪の使用寿命及び総合的な利益が改善され、一定の経済的及び社会的利益がある。

車輪の各部分の名称を示す図である。 １は車輪ハブ穴、２はリム外側面、３はリム、４はリム内側面、５はスポーク板部、６は車輪ハブ、７は踏面である。 実施例１のリム１００× 光学金属組織図である。 実施例１のリム５００× 光学金属組織図である。 実施例２のリム１００× 光学金属組織図である。 実施例２のリム５００× 光学金属組織図である。 実施例２のリム５００× 染色金属組織図である。 実施例２のリムの透過電子顕微鏡組織図である。 実施例２の鋼の連続冷却変態曲線（ＣＣＴ曲線）である。 実施例３のリム１００× 光学金属組織図である。 実施例３のリム５００× 光学金属組織図である。 実施例２の車輪及びＣＬ６０車輪の摩擦摩耗試験における摩擦係数と回転数との間の関係の比較である。 実施例２の車輪及びＣＬ６０車輪の摩擦摩耗試験後の試料の表面変形組織である。

実施例１、２、３における車輪鋼の化学組成の重量パーセントを表２に示す。実施例１、２、３はいずれも、電気炉製錬を用い、ＬＦ＋ＲＨ精錬真空脱ガス後に直接φ３８０ｍｍの丸ビレットを連続鋳造し、鋼塊切断、加熱及び輾圧圧延、熱処理、仕上げ加工を行った後に、直径が８４０ｍｍの貨車輪又は９１５ｍｍの客車輪などを形成した。

＜実施例１＞
高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪は、下記の表２に示す重量パーセントの元素を含有する。

高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法は、以下のステップを含む：表２の実施例１のような化学組成を有する溶鋼を、電気炉製鋼工程、ＬＦ炉精錬工程、ＲＨ真空処理工程、丸ビレット連続鋳造工程、鋼塊切断圧延工程、熱処理工程、加工、完成品検査工程を経て、車輪を形成した。前記熱処理工程では、８６０〜９３０℃に加熱し２．０〜２．５時間保温し、リム踏面を水噴射の制御によって冷却し、２２０℃で４．５〜５．０時間焼き戻し処理し、室温に冷却した。

図２ａ、図２ｂに示すように、本実施例で製造された車輪リムの金属組織は炭化物フリーベイナイト組織である。本実施例の車輪の機械性能を表３に示す。車輪実物の強度と靭性の整合性はＣＬ６０車輪よりも優れている。

＜実施例２＞
高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪は、下記の表２に示す重量パーセントの元素を有する。

高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法は、以下のステップを含む：
表２の実施例２のような化学組成を有する溶鋼を、製鋼工程、精錬工程真空脱ガス工程、丸ビレット連続鋳造工程、鋼塊切断工程、鍛造圧延工程、熱処理工程、加工、及び完成品検査工程を経て、車輪を形成した。前記熱処理工程では、８６０〜９３０℃に加熱し２．０〜２．５時間保温し、リム踏面を水噴射の制御によって冷却し、２８０℃で４．５〜５．０時間焼き戻し処理し、室温に冷却した。

図３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに示すように、本実施例で製造された車輪リムの金属組織は主に炭化物フリーベイナイトである。本実施例の車輪の機械性能を表３に示す。車輪実物の強度と靭性の整合性はＣＬ６０車輪よりも優れている。

＜実施例３＞
表２の実施例３のような化学組成を有する溶鋼を、製鋼工程、精錬工程真空脱ガス工程、丸ビレット連続鋳造工程、鋼塊切断工程、鍛造圧延工程、熱処理工程、加工、及び完成品検査工程を経て、車輪を形成した。前記熱処理工程では、８６０〜９３０℃に加熱し２．０〜２．５時間保温し、リム踏面を噴水の制御によって冷却し、３２０℃で４．５〜５．０時間焼き戻し処理した。

図５ａ、５ｂに示すように、本実施例で製造された車輪リムの金属組織は、主に炭化物フリーベイナイトである。本実施例の車輪の機械性能を表３に示す。車輪実物の強度と靭性の整合性はＣＬ６０車輪よりも優れている。

Claims (10)

1. 高強度、高靭性、耐ヒートクラック性の鉄道輸送用のベイナイト鋼車輪であって、重量パーセントで、
   炭素Ｃ：０．１０〜０．４０％、ケイ素Ｓｉ：１．００〜２．００％、マンガンＭｎ：１．００〜２．５０％、
   銅Ｃｕ：０．２０〜１．００％、ホウ素Ｂ：０．０００１〜０．０３５％、ニッケルＮｉ：０．１０〜１．００％、
   リンＰ≦０．０２０％、硫黄Ｓ≦０．０２０％を含み、
   残部は鉄及び不可避的残留元素であり、
   且つ、１．５０％≦Ｓｉ＋Ｎｉ≦３．００％、１．５０％≦Ｍｎ＋Ｎｉ＋Ｃｕ≦３．００％である、ことを特徴とする高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪。
2. 前記高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪は、重量パーセントで、
   炭素Ｃ：０．１５〜０．２５％、ケイ素Ｓｉ：１．４０〜１．８０％、マンガンＭｎ：１．４０〜２．００％、
   銅Ｃｕ：０．２０〜０．８０％、ホウ素Ｂ：０．０００３〜０．００５％、ニッケルＮｉ：０．１０〜０．６０％、
   リンＰ≦０．０２０％、硫黄Ｓ≦０．０２０％を含み、
   残部は鉄及び残留元素であり、
   且つ、１．５０％≦Ｓｉ＋Ｎｉ≦３．００％、１．５０％≦Ｍｎ＋Ｎｉ＋Ｃｕ≦３．００％である、ことを特徴とする請求項１に記載の高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪。
3. 前記高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪は、重量パーセントで、炭素Ｃ：０．１８％、ケイ素Ｓｉ：１．６３％、マンガンＭｎ：１．９５％、銅Ｃｕ：０．２１％、ホウ素Ｂ：０．００１％、ニッケルＮｉ：０．１８％、リンＰ：０．０１２％、硫黄Ｓ：０．００８％を含み、残部は鉄及び不可避的残留元素である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪。
4. 前記ベイナイト鋼車輪のリム踏面下から４０ｍｍ以内の金属組織は炭化物フリーベイナイト組織であり、即ち、ナノスケールのラス状の過飽和フェライトであり、ラス状の過飽和フェライトの中間はナノスケールの薄膜状炭素リッチ残留オーステナイトであり、残留オーステナイトの体積パーセントは４％〜１５％である、ことを特徴とする請求項請求項１又は２に記載の高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪。
5. 車輪のリムの微細構造は、過飽和フェライト及び炭素リッチ残留オーステナイトにより構成された複相構造であり、そのサイズはナノスケールであり、前記ナノスケールは１〜９９９ｎｍである、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪。
6. 製錬、精錬、成形及び熱処理プロセスを含み、前記熱処理プロセスでは、成形された車輪をオーステナイト化温度に加熱し、リム踏面を噴水で４００℃以下に強化冷却し、焼き戻し処理する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法。
7. 前記オーステナイト化温度に加熱するについて、具体的には、８６０〜９３０℃に加熱し、２．０〜２．５時間保温する、ことを特徴とする請求項６に記載の高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法。
8. 前記焼き戻し処理では、車輪を４００℃未満の中低温で３０分以上焼き戻しして、焼き戻し後に室温に空冷し、又は、リム踏面を水噴射で４００℃以下に強化冷却し、室温に空冷し、その間、残留熱によって自己焼き戻しを行う、ことを特徴とする請求項６又は７に記載の高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法。
9. 熱処理プロセスでは、成形後の高温の残留熱により、成形された車輪のリム踏面を直接水噴射で４００℃以下に強化冷却し、焼き戻しで処理する、ことを特徴とする請求項６に記載の高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法。
10. 熱処理プロセスでは、車輪を成形した後、車輪を４００℃以下に空冷し、焼き戻しで処理する、ことを特徴とする請求項６に記載の高強度、高靭性、耐ヒートクラック性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法。