JP3297793B2 - 鉄道用車軸およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車輪とのはめ合部
において高疲労強度を示す鉄道用車軸およびその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道用車軸は、車両の重量を支えかつ駆
動力およびブレーキ力を伝達する機能を有する台車にお
ける最重要部品である。車軸の損傷は直接的に重大事故
に結びつくので高い信頼性が要求される。とくに車輪が
嵌合される部分（以後、“はめ合部”という）では車軸
と相手部材（車輪）との微小な相対すべりを原因とする
フレッティング疲労が生じ疲労強度が大幅に低下する。
この問題に対処する方法を提案した代表例として、車軸
に低温焼入れ処理を施すとはめ合部の疲労限度が著しく
向上するとする文献（西岡、西川、小松：日本機械学会
論文集,38(1972),p.933）がある。

【０００３】一般の鉄道用車軸には、表面焼入れを行う
ことなくキルド鋼を鍛造したJIS E4502-SFA 55あるいは
JIS E 4502-SFA 60がそのまま用いられる。しかし、新
幹線用車軸や機関車用車軸のようにより高い信頼性が要
求される台車の車軸は、上記したように、ＪＩＳ機械構
造用鋼Ｓ３８Ｃを素材として表面に高周波焼入れを施
し、疲労強度を向上させる対策がとられている（手塚：
鉄道技術,43(1986),p.205）。

【０００４】近年、新幹線のさらなる高速化、例えば東
海道新幹線の現在の営業速度２７０ｋｍ／ｈを、最高で
４５０ｋｍ／ｈに向上する計画が提案されている。走行
時には、車両重量から成る静荷重のみならず走行時の振
動、加速度による動荷重が車軸に負荷されるため、車軸
に負荷される荷重は走行速度とともに大きくなる。この
ため現行の耐久性を維持するためには、車軸の軸径を大
きくしはめ合部に発生する応力を低減する必要がある。

【０００５】しかし、軸径増加は軸の重量増加により動
荷重が増加するため、車軸に負荷される荷重はさらに大
きくなり、結果としてはめ合部に発生する応力は増加す
る。したがって、高速化に対応するためには、車軸材料
または表面処理方法を改良しはめ合部の疲労強度を向上
させることが必要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、車軸
材料および表面処理方法を改善し、現行車軸以上のはめ
合部の疲労強度を有する車軸およびその製造方法を提供
することにある。具体的には、現行の疲労強度（２２０
ＭＰａ以上）を２０％向上させた疲労強度２６５ＭＰａ
以上とすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は下記（１）およ
び（２）の鉄道用車軸およびその製造方法を要旨とす
る。

【０００８】 （１）重量％で、Ｃ：０．３〜０．４８％、Ｓｉ：０．
０５〜１％、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｃｒ：０．５〜１．
５％、Ｍｏ：０．１５〜０．３％、Ｎｉ：０〜２．４％
を含む鋼からなり、表面から内部にかけて焼戻しマルテ
ンサイトまたはベイナイトの領域を有する車軸であっ
て、車輪が嵌合される表面部においてはビッカース硬さ
４００以上である有効硬化層深さが１〜４．５ｍｍの範
囲にあり、その内部に焼戻しマルテンサイトまたはベイ
ナイトの領域を有することを特徴とする高疲労強度の鉄
道用車軸。 （２）熱間鍛造により所定の形状にし、焼入焼戻し処理
を行った後に、はめ合部に高周波焼入れ、または高周波
焼入れに引き続いて低温焼戻しを施す上記（１）に記載
する高疲労強度の鉄道用車軸の製造方法。上記（１）に
おいて、鋼は上記の合金元素以外にＡｌ、Ｃａ、Ｔｉ、
Ｎｂ等の微量元素を含んでもよい。

【０００９】はめ合部は、車輪が車軸に接触する部分お
よびその軸方向外側十数ｍｍづつの両側の車軸表面部を
含む範囲とする。

【００１０】“ビッカース硬さ４００以上である有効硬
化層深さが１〜４．５ｍｍ”とは、表面からビッカース
硬さ４００となる位置までの距離が、１〜４．５ｍｍで
あることを指す。ビッカース硬さ測定は試験荷重１ｋｇ
ｆでの硬さ（ＨＶ１）とする。ビッカース硬さ４００以
上の硬さを有する表層部を以後の説明において単に“硬
化層”という場合がある。

【００１１】それより内部の焼戻しマルテンサイトまた
はベイナイトの領域は、ビッカース硬さ４００以上の硬
化層と接していてもいなくてもよい。ビッカース４００
以上の硬化層よりやや内部の、より硬さの低い高周波焼
入れ部分（高周波焼入れの裾の部分）に接して存在する
ほうが普通である。また、車軸の中心まで上記の焼戻し
マルテンサイトまたはベイナイトになっている必要はな
い。

【００１２】この焼戻しマルテンサイトまたはベイナイ
トは、上記の高周波焼入れに先だって焼入焼戻しを行っ
て生じた組織が、表層近傍に効果が限定される高周波焼
入れによって変化せずに残存した内部の領域を指す。こ
の焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトの領域は、後
記する高周波焼入れ後の低温焼戻しよりも高い温度で十
分焼戻されているので、十分な靭性を有し、かつ炭化物
は均一微細分散しているので引張強さも確保されてい
る。

【００１３】なお、ベイナイトも焼戻されているがベイ
ナイトの場合は、焼戻しによって大部分の炭化物を析出
するマルテンサイトと異なり“焼戻しベイナイト”と言
わないのが普通であり、本説明においても同様とする。

【００１４】上記（２）において“高周波焼入れに引き
続いて低温焼戻しを施す”というのは、高周波焼入れに
引き続いて１５０〜３００℃での低温焼戻しを行うこと
を意味する。

【００１５】つぎに本発明の技術的背景について説明す
る。

【００１６】すでに知られているように、はめ合部の疲
労強度は表面の硬さおよび残留応力に依存する。さらに
今回、丸棒試験片を用いた基礎的な高周波焼入れ試験に
より、つぎのことを定性的に確認した。

【００１７】（ａ）高周波焼入れによる硬化層の表面圧
縮残留応力は、母材の成分に依存し母材強度とともに高
くなる傾向にある。

【００１８】（ｂ）この圧縮残留応力は、さらに高周波
焼入れ後の硬化層のなかの最高硬さにも依存し、この最
高硬さが高いほど高くなる。しかし、むやみに硬さを高
くすると焼割れを発生するので最高硬さおよび有効硬化
層深さを適正な範囲にする必要がある。

【００１９】これらの確認事項に基づき、材料の化学組
成を調整することにより、母材強度および有効硬化層深
さを適正に設定することを目的に疲労強度に及ぼす成分
の影響を定量的に評価した。

【００２０】表１は、試験に用いた供試鋼の化学組成を
示す一覧表である。

【００２１】

【表１】

【００２２】同表の化学組成は、焼入焼戻し処理（８５
０℃焼入れ４８０℃焼戻し）後の引張強さが９８０ＭＰ
ａ級となるように、現行のＳ３８Ｃに対しＣｒおよびＭ
ｏを増量したものをベースにした。これらの鋼の不純物
のうちＰは０．０１８〜０．０２８％、Ｓは０．０１〜
０．０２４％の範囲にあった。これらの鋼を熱間鍛造
し、さらに焼入焼戻し処理を行い、試験片を採取してつ
ぎの試験に供した。

【００２３】図１（ａ）は、試験に用いた小型の模擬車
軸（軸直径４０ｍｍ）の形状をあらわす図面である。こ
の試験片について、数回の試行により有効硬化層深さを
３ｍｍとする条件（シングルショット方式：電流２００
〜２５０Ａ、電圧８００〜９００Ｖ、加熱時間１０〜２
０ｓｅｃ、冷却遅延時間０〜５秒、冷却時間１０〜２０
ｓｅｃ）を設定し、高周波焼入れを実施した。

【００２４】図１（ｂ）は、この模擬車軸と組み合わせ
る模擬車輪の形状をあらわす断面図および側面図であ
る。

【００２５】図２は、車軸への車輪のはめ合部の疲労試
験の試験装置を示す図面である。同図に示すように、疲
労試験は、片持ち回転曲げにて行った。

【００２６】図３は、この疲労試験結果をまとめ、合金
元素ごとに疲労強度に及ぼす影響を示した図面である。
ここで疲労強度とは、１×１０⁸ 回の回転曲げ後にはめ
合部の表面に長さ０．１ｍｍ以上のき裂（磁粉探傷にて
検出できる限界のき裂に相当）が生じない限界の応力振
幅とした。

【００２７】本発明はこれらの試験結果に基づき、本発
明の効果を上記の試験装置を用いて確認したうえで完成
されたものである。

【００２８】

【発明の実施の形態】つぎに本発明の限定理由について
以下に述べる。以下、［％］はいずれも重量％を示すも
のとする。

【００２９】１．化学組成 まず、鋼の化学組成の限定理由を説明する（図３参
照）。

【００３０】Ｃ：０．３〜０．４８％ Ｃは母材の強度を高めるとともに高周波焼入れによる表
面の硬さを向上させる元素であり、図３に示すように、
Ｃの増加とともに疲労強度は単調に増加する。そこで疲
労強度が２６５ＭＰａを超える０．３％を下限とする。
またＣが過剰な場合には、表面の硬さが高くなりすぎて
研削ができなくなるとともに、焼入れ時あるいは研削時
に割れが発生する可能性がある。上記の調査では、図３
に示すように０．５０％にて高周波焼入れにより焼き割
れが発生したため０．４８％を上限とする。

【００３１】Ｓｉ：０．０５〜１％ Ｓｉは脱酸元素としても、また疲労強度を向上させるう
えでも有効である。十分脱酸を行うためには、脱酸後凝
固した鋼中にＳｉが０．０５％以上は残存していなけれ
ばならない。しかし１％を超えても疲労強度は向上せ
ず、むしろ靭性が著しく低下するため１％を上限とす
る。

【００３２】Ｍｎ： ０．５〜２％ Ｍｎは焼入性を高めるのに必要な元素であるので、少な
くとも０．５％を含有しなければならない。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も劣化
するので２％を上限とする。

【００３３】Ｃｒ：０．５〜１．５％ Ｃｒは焼入性を高めるのに効果的な元素である。図３に
示すように０．５％以上にて疲労強度の目標を達成でき
るから、０．５％を下限とする。しかしながら１．５％
を超えて過剰に含有すると、高周波焼入れの際、硬化層
が過大になり所定の残留応力が得られず疲労強度が低下
するので、０．５〜１．５％とする。

【００３４】Ｍｏ：０．１５〜０．３％ Ｍｏは焼入性を高めるのに効果的な元素であるととも
に、母材の強度を高める作用が強い元素である。図３に
示すように疲労強度はＭｏ量とともに増加するため、疲
労強度２６５ＭＰａを超える含有量０．１５％を下限と
する。また過剰に含むと、Ｃｒと同様な理由により疲労
強度は低下し、０．３％程度で目標値２６５ＭＰａを下
回るので０．３％を上限とする。

【００３５】Ｎｉ：０〜２．４％ Ｎｉは添加しなくてもよい。Ｎｉは母材の強度を高める
のに効果的な元素であるが、高価であり、焼戻し脆
化を促進し、また、Ｎｉを添加しなくても疲労強度の
目標を達成できるからである。Ｎｉの増量につれて疲労
強度は向上するが、２．４％でほぼ飽和しているので
２．４％を上限とする。

【００３６】その他の合金成分として、組織の微細化、
介在物の形状制御を目的としてＡｌ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｎｂ
等の合金元素を微量含有させることによりより一層の性
能の向上を図ってもよい。

【００３７】２．硬化層および組織 はめ合部の硬化層以外の車軸の表面から内部にかけては
焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトの組織を有する
ものとする。これは、引張強さ９８０ＭＰａを満足した
うえで十分な靭性を確保するためである。この組織が車
軸の中心まで存在している必要はなく、内部はフェライ
トとパーライトの混合組織であってもよい。靭性が要求
されるのは表面付近であり、また軸中心まで焼戻しマル
テンサイトまたはベイナイトでなくても車軸として引張
強さ９８０ＭＰａ級を満足することができるからであ
る。

【００３８】はめ合部においてはビッカース硬さ４００
以上の有効硬化層深さを１〜４．５ｍｍの範囲とする。
有効硬化層深さが１ｍｍ未満では疲労強度が十分向上し
ないからであり、一方、４．５ｍｍを超えると遅れ破壊
などを発生する危険性が増大するので、有効硬化層深さ
の範囲は１〜４．５ｍｍとする。

【００３９】はめ合部の硬化層の内側において、焼戻し
マルテンサイトまたはベイナイトの領域を有するのは、
車軸が十分な強度および靭性を確保するのに必要だから
である。この組織は後記する高周波焼入れを行う前は、
硬化層にも存在していたものである。高周波焼入れの
際、これら組織中に分散していた微細な炭化物は短時間
のうちに固溶し硬化層の硬さをビッカース硬さで４００
以上とすることを補助する。

【００４０】この組織は、前記したようにビッカース硬
さ４００以上の硬化層に接しないで、より硬さの低い、
より内部の高周波焼入れされた部分と接していてもよ
い。また、車軸の中心までこの組織である必要はない。
強度および靭性が問題となるのは、ほとんど例外なく表
面〜表面から数十ｍｍの範囲に限定されるからである。

【００４１】３．圧縮残留応力 圧縮残留応力については、とくに限定しない。上記の化
学組成を後記する製造条件で製造して有効硬化層深さ１
〜４．５ｍｍの範囲としたとき、圧縮残留応力の最大値
は１２００〜１０００ＭＰａとなり、残留応力が圧縮と
なる表面からの距離は、０〜３ｍｍとなる。はめ合部の
疲労強度の向上に、この圧縮残留応力が大きな働きをす
るが、有効硬化層深さが上記の範囲を満足すれば、圧縮
残留応力の確保も保証されるのである。

【００４２】４．製造方法 上記した成分範囲の鋼を溶製し、車軸形状に熱間鍛造に
より粗成形した後、調質処理（焼入焼戻し）を施す。焼
入れ前の加熱温度はＡｃ₃ 点〜９５０℃とするのが望ま
しい。上記の合金元素の中心値の鋼の場合のＡｃ₃ 点は
８００℃程度である。焼戻しは４５０〜６７５℃の範囲
とすることが望ましい。４５０℃未満では十分な靭性を
確保しにくく、また６７５℃を超えると上記したＣｒ炭
化物やＭｏ炭化物が凝集粗大化して、高周波焼入れの際
に十分固溶しなくなるので６７５℃以下とすることが望
ましい。

【００４３】この後、仕上げしろ約１ｍｍ（直径）を残
して高周波焼入れ前半仕上げ研削を行ったほうがよい。
上記の焼入焼戻しにより表面に脱炭層が生成する場合が
あり、そのときは高周波焼入れによって必要な硬さを得
にくいからである。

【００４４】高周波焼入れは誘導加熱（周波数３ｋＨ
ｚ）コイルにより急速加熱後、水噴射により急冷する。
このときの高周波加熱条件は、前記した条件：シングル
ショット方式、電流２００〜２５０Ａ、電圧８００〜９
００Ｖ、加熱時間１０〜２０ｓｅｃ、冷却遅延時間０〜
５秒、冷却時間１０〜２０ｓｅｃの範囲でおこなうこと
が望ましい。

【００４５】この後、２００℃程度の低温で焼戻しを行
う場合もある。

【００４６】高周波焼入後、仕上げ研削を行い、車輪に
圧入し使用に供する。

【００４７】

【実施例】つぎに実施例により本発明の効果を説明す
る。

【００４８】表２は本発明の実施および比較に用いた鋼
の化学組成を示す一覧表である。

【００４９】

【表２】

【００５０】これらの鋼を１５０ｋｇ真空電気溶解炉に
て溶解し、鋼塊に鋳込み、熱間鍛造により、図１に示す
模擬車軸の形状に厚さ１５ｍｍの余肉をつけた丸棒形状
（８０ｍｍφ）にした。これらの鋼の不純物のうちＰは
０．０１８〜０．０２８％、Ｓは０．０１〜０．０２４
％の範囲にあった。

【００５１】その後、調質処理（８５０℃焼入れ−４５
０℃焼戻し）を施し、仕上げしろ約１ｍｍ（直径）を残
して高周波焼入れ前半仕上げ研削を行った。焼入焼戻し
処理の結果、はめ合部以外では表面から１５ｍｍまでが
焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトの組織であり、
はめ合部では硬化層に接する部分から、当然のことであ
るが１５ｍｍまでが同じ組織であった。。

【００５２】高周波焼入れは誘導加熱（周波数３ｋＨ
ｚ）コイルにより急速加熱後、水噴射により急冷し、約
２００℃にて焼戻しを行った。なお、誘導加熱条件は、
有効硬化層深さ（ＨＶ４００以上の硬さを示す深さ）が
約２．５ｍｍとなるよう各鋼ごとに調整した。高周波焼
入れ後、仕上げ研削を行い、図１（ｂ）の車輪に相当す
るボスに圧入した。この試験体を図２に示す試験装置に
装着して疲労試験を行った。

【００５３】疲労試験は１×１０⁸ 回の回転曲げ後にボ
スを抜き取り、はめ合部表面のき裂を観察することによ
り行った。疲労強度は、前記した試験と同様にはめ合部
に表面の長さ０．１ｍｍ以上のき裂（磁粉探傷にて検出
できる限界のき裂に相当）が生じない限界の応力振幅と
した。

【００５４】この試験の結果を表２に示す。なお、表２
においては、「有効硬化層深さ」を「ビッカース硬さ４
００以上の硬化層」と記載した。

【００５５】表２によれば、本発明例はいずれも疲労強
度２６５ＭＰａ以上を達成しているのに対して、比較例
はいずれも目標性能を達成していない。すなわち、試験
番号１１はＣが低いために、１３はＭｎが低いために、
１４はＣｒが低いために、また１６はＭｏが低いため
に、いずれも目標性能を達成することができない。逆に
試験番号１２はＣが高いために高周波焼入れにおいて焼
き割れを発生し、また１５および１７はそれぞれＣｒお
よびＭｏが過剰であるために、高周波焼入れにおいて必
要な有効硬化層深さとすることができずに目標とする疲
労強度を達成することができなかった。

【００５６】本発明例においてはじめて、車軸と車輪の
はめ合部の疲労強度を現行の疲労強度より２０％以上高
いものが得られることは明白である。

【００５７】

【発明の効果】本発明に係る車軸およびその製造方法に
より、高度の安全性が要求される高速鉄道用車軸のはめ
合部の疲労強度を現行のものより２０％以上向上させる
ことができる。輸送手段の基幹をなす高速鉄道のより速
い走行の成否を左右する重要な技術を提供するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は模擬車軸の形状を表す。（ｂ）は模擬
車輪の断面図および側面図を表す。

【図２】車軸と車輪のはめ合部の疲労試験装置を表す。

【図３】各種元素のはめ合部の疲労強度に及ぼす影響を
表す。

【符号の説明】

１…模擬車軸 ２…模擬車輪

フロントページの続き (72)発明者 磯村 修二郎 大阪府大阪市此花区島屋５丁目１番109 号住友金属工業株式会社関西製造所製鋼 品事業所内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60 C21D 9/00 C21D 9/28

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．３〜０．４８％、Ｓ
   ｉ：０．０５〜１％、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｃｒ：０．
   ５〜１．５％、Ｍｏ：０．１５〜０．３％、Ｎｉ：０〜
   ２．４％を含む鋼からなり、表面から内部にかけて焼戻
   しマルテンサイトまたはベイナイトの領域を有する車軸
   であって、車輪が嵌合される表面部においてはビッカー
   ス硬さ４００以上である有効硬化層深さが１〜４．５ｍ
   ｍの範囲にあり、その内部に焼戻しマルテンサイトまた
   はベイナイトの領域を有することを特徴とする高疲労強
   度の鉄道用車軸。
2. 【請求項２】熱間鍛造により所定の形状にし、焼入焼戻
   し処理を行った後に、車輪が嵌合される部分に高周波焼
   入れ、または高周波焼入れに引き続いて低温焼戻しを施
   すことを特徴とする請求項１に記載する高疲労強度の鉄
   道用車軸の製造方法。