JP3329263B2 - 鉄道車両用車軸と製造方法 - Google Patents
鉄道車両用車軸と製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高疲労強度の鉄道
車両用車軸と製造方法に関する。
車両用車軸と製造方法に関する。
【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
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おり、その対策が必要とな
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
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おり、その対策が必要とな
る。
【０００３】ところで、一般の鉄道車両用車軸には、炭
素鋼が焼入れしないで用いられる。しかし、１９６０年
代の新幹線車両の導入にあっては、高速化による負荷荷
重の増大と軽量化といった厳しい条件のもとで、より高
い信頼性の車軸が要求され、炭素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、使
用されてきた。
素鋼が焼入れしないで用いられる。しかし、１９６０年
代の新幹線車両の導入にあっては、高速化による負荷荷
重の増大と軽量化といった厳しい条件のもとで、より高
い信頼性の車軸が要求され、炭素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、使
用されてきた。
【０００４】近年、新幹線のさらなる高速化が計画さ
れ、技術開発が進んでいる。車軸に負荷される荷重は走
行速度とともに増大するため、高速化に対応したフレッ
ティング疲労強度のより高い車軸が求められている。
れ、技術開発が進んでいる。車軸に負荷される荷重は走
行速度とともに増大するため、高速化に対応したフレッ
ティング疲労強度のより高い車軸が求められている。
【０００５】本出願人は、特開平１０−８２０２号公報
で、Si、Cr、Mo等を含んだ低合金鋼に高周波焼入れを施
した車軸を提示した。この車軸は、はめ合い部に薄い硬
化層を形成することに特徴がある。
で、Si、Cr、Mo等を含んだ低合金鋼に高周波焼入れを施
した車軸を提示した。この車軸は、はめ合い部に薄い硬
化層を形成することに特徴がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本出願人は、上記公報
に提示した手段で、疲労強度の高い車軸を得た。しかし
ながら、車両の更なる高速化および安全性の追求に対応
して、一段と優れた疲労強度特性を有する車軸が望まれ
ている。そこで、本出願人は、上記公報に提示したよう
に「はめ合い部に薄い硬化層を形成する」ことでなく、
「はめ合い部に厚い硬化層を形成する」ことによる疲労
強度の向上を想到した。
に提示した手段で、疲労強度の高い車軸を得た。しかし
ながら、車両の更なる高速化および安全性の追求に対応
して、一段と優れた疲労強度特性を有する車軸が望まれ
ている。そこで、本出願人は、上記公報に提示したよう
に「はめ合い部に薄い硬化層を形成する」ことでなく、
「はめ合い部に厚い硬化層を形成する」ことによる疲労
強度の向上を想到した。
【０００７】本発明の目的は、はめ合い部に厚い硬化層
を形成することにより、現行車軸以上のフレッティング
疲労強度を有する鉄道車両用車軸と製造方法を提供する
ことにある。
を形成することにより、現行車軸以上のフレッティング
疲労強度を有する鉄道車両用車軸と製造方法を提供する
ことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、車軸表面
への圧縮残留応力の効果的な形成の観点から、上記公報
で提示した成分を有する低合金鋼の車軸試作試験をおこ
ない、下記の(a) 〜(d) がフレッティング疲労強度の向
上に有効であることを確認した。
への圧縮残留応力の効果的な形成の観点から、上記公報
で提示した成分を有する低合金鋼の車軸試作試験をおこ
ない、下記の(a) 〜(d) がフレッティング疲労強度の向
上に有効であることを確認した。
【０００９】(a) はめ合い部において、ビッカース硬さ
が４００以上の硬化層を形成し、その深さを５．０ｍｍ
以上はめ合い部直径の１０％以下とする。 (b) 非はめ合い部表面の硬化層と非硬化層との境界部近
傍領域に塑性加工層を形成する。塑性加工層の深さは、
１ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましい。 (c) 高周波焼入れ前のフィレット部段差を適正な範囲に
する。 (d) 塑性加工層の形成は、ローラを冷間押圧することに
よりおこなう。そのローラの先端半径は１ｍｍ以上２０
ｍｍ以下が好ましい。
が４００以上の硬化層を形成し、その深さを５．０ｍｍ
以上はめ合い部直径の１０％以下とする。 (b) 非はめ合い部表面の硬化層と非硬化層との境界部近
傍領域に塑性加工層を形成する。塑性加工層の深さは、
１ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましい。 (c) 高周波焼入れ前のフィレット部段差を適正な範囲に
する。 (d) 塑性加工層の形成は、ローラを冷間押圧することに
よりおこなう。そのローラの先端半径は１ｍｍ以上２０
ｍｍ以下が好ましい。
【００１０】本発明は、上記知見に基づくもので、その
要旨は以下の通りである。 (1) 重量％で、Ｃ：0.3 〜0.48％、Si：0.05〜1 ％、M
n：0.5 〜2 ％、Cr：0.5 〜1.5 ％、Mo：0.15％〜0.3
％および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
域を有し、はめ合い部においてはビッカース硬さが４０
０以上である硬化層を有し、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車軸において、
該硬化層の深さが５．０ｍｍ以上はめ合い部直径の１０
％以下であることを特徴とする鉄道車両用車軸。
要旨は以下の通りである。 (1) 重量％で、Ｃ：0.3 〜0.48％、Si：0.05〜1 ％、M
n：0.5 〜2 ％、Cr：0.5 〜1.5 ％、Mo：0.15％〜0.3
％および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
域を有し、はめ合い部においてはビッカース硬さが４０
０以上である硬化層を有し、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車軸において、
該硬化層の深さが５．０ｍｍ以上はめ合い部直径の１０
％以下であることを特徴とする鉄道車両用車軸。
【００１１】(2) 非はめ合い部表面の硬化層と非硬化層
との境界部近傍領域に、冷間加工による深さが１ｍｍ以
上１０ｍｍ以下の塑性加工層を形成したことを特徴とす
る上記(1) 項に記載の鉄道車両用車軸。
との境界部近傍領域に、冷間加工による深さが１ｍｍ以
上１０ｍｍ以下の塑性加工層を形成したことを特徴とす
る上記(1) 項に記載の鉄道車両用車軸。
【００１２】(3) 熱間鍛造により所定の形状にした後、
焼入れ焼戻し、半仕上げ機械加工、はめ合い部への高周
波焼入れおよび仕上げ機械加工を順次おこなうことを特
徴とする上記(1) 項に記載の鉄道車両用車軸の製造方
法。
焼入れ焼戻し、半仕上げ機械加工、はめ合い部への高周
波焼入れおよび仕上げ機械加工を順次おこなうことを特
徴とする上記(1) 項に記載の鉄道車両用車軸の製造方
法。
【００１３】(4) 熱間鍛造により所定の形状にした後、
焼入れ焼戻し、半仕上げ機械加工、はめ合い部への高周
波焼入れおよび仕上げ機械加工を順次おこない、その後
ローラにて境界部近傍領域の冷間押圧加工をおこない塑
性加工層を形成することを特徴とする上記(2) 項に記載
の鉄道車両用車軸の製造方法。
焼入れ焼戻し、半仕上げ機械加工、はめ合い部への高周
波焼入れおよび仕上げ機械加工を順次おこない、その後
ローラにて境界部近傍領域の冷間押圧加工をおこない塑
性加工層を形成することを特徴とする上記(2) 項に記載
の鉄道車両用車軸の製造方法。
【００１４】(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。
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。
【００１５】(6) 高周波焼入れは、高周波焼入れ前のフ
ィレット部段差が６ｍｍ以下にておこなうことを特徴と
する上記(3) 項ないし(5) 項のいずれかに記載の鉄道車
両用車軸の製造方法。
ィレット部段差が６ｍｍ以下にておこなうことを特徴と
する上記(3) 項ないし(5) 項のいずれかに記載の鉄道車
両用車軸の製造方法。
【００１６】上記(1) において、鋼は上記の合金元素以
外に、Al、Ca、Ti、Nbなどの微量元素を含んでも良い。
ビッカース硬さ測定は、試験荷重が１ｋｇｆでの硬さと
する。ビッカース硬さが４００以上の表層部を、以後の
説明において単に「硬化層」という場合がある。上記
(3) 、(4) 、(6) において、「高周波焼入れ」というと
き、高周波焼入れに引き続いておこなう低温焼戻しも含
めることとする。
外に、Al、Ca、Ti、Nbなどの微量元素を含んでも良い。
ビッカース硬さ測定は、試験荷重が１ｋｇｆでの硬さと
する。ビッカース硬さが４００以上の表層部を、以後の
説明において単に「硬化層」という場合がある。上記
(3) 、(4) 、(6) において、「高周波焼入れ」というと
き、高周波焼入れに引き続いておこなう低温焼戻しも含
めることとする。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の車軸は、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 ％および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し、はめ合い部
においてはビッカース硬さが４００以上である硬化層を
有し、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。
0.3 〜0.48％、Si：0.05〜1 ％、Mn：0.5 〜2 ％、Cr：
0.5 〜1.5 ％、Mo：0.15％〜0.3 ％および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し、はめ合い部
においてはビッカース硬さが４００以上である硬化層を
有し、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。
【００１８】鋼の化学組成の限定理由を説明する。 (a) 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、Ｃの増加とともに
疲労強度は単調に増加する。Ｃが0.3 ％未満では、疲労
強度が不充分であり、0.48％を越えると焼き割れが発生
するためO.3 ％を下限に、0.48％を上限とする。
表面の硬さを向上させる元素であり、Ｃの増加とともに
疲労強度は単調に増加する。Ｃが0.3 ％未満では、疲労
強度が不充分であり、0.48％を越えると焼き割れが発生
するためO.3 ％を下限に、0.48％を上限とする。
【００１９】(b) 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。充分に脱酸をおこなうためには、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 ％を越えても、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。
でも有効である。充分に脱酸をおこなうためには、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 ％を越えても、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。
【００２０】(c) Mn：0.5 〜2 ％ Mnは焼入れ性を高めるため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は劣化するの
で2 ％を上限とする。
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は劣化するの
で2 ％を上限とする。
【００２１】(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る。Crが0.
5 ％未満では、疲労強度が不充分であり、1.5 ％を越え
ると高周波焼入れの際、硬化層の深さが過大となり圧縮
残留応力が低下し疲労強度が低下するので、0.5 ％を下
限に、1.5 ％を上限とする。
5 ％未満では、疲労強度が不充分であり、1.5 ％を越え
ると高周波焼入れの際、硬化層の深さが過大となり圧縮
残留応力が低下し疲労強度が低下するので、0.5 ％を下
限に、1.5 ％を上限とする。
【００２２】(e) Mo：0.15％〜0.3 ％ Moは焼入れ性を高めるとともに、母材の強度を高める作
用が強い元素である。0.15％未満では、疲労強度が不充
分であり、0.3 ％を越えると疲労強度が低下するので0.
15％を下限に、0.3 ％を上限とする。
用が強い元素である。0.15％未満では、疲労強度が不充
分であり、0.3 ％を越えると疲労強度が低下するので0.
15％を下限に、0.3 ％を上限とする。
【００２３】(d) 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
加しなくて疲労強度が確保できるので添加しなくてもよ
い。2.4 ％を越えて添加しても、疲労強度はほば飽和す
るとともに焼戻し脆化するので上限を2.4 ％とする。
加しなくて疲労強度が確保できるので添加しなくてもよ
い。2.4 ％を越えて添加しても、疲労強度はほば飽和す
るとともに焼戻し脆化するので上限を2.4 ％とする。
【００２４】その他の合金成分として、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などの
合金元素を微量添加させることにより一層の性能の向上
を図ってもよい。
介在物の形状制御を目的として、Al、Ca、Ti、Nbなどの
合金元素を微量添加させることにより一層の性能の向上
を図ってもよい。
【００２５】組織および硬化層を説明する。図１は、本
発明に係る車軸の一部分を模式的に示す断面図である。
符号１ははめ合い部、２は非はめ合い部、３はフィレッ
ト部、４は硬化層、５は非硬化層である。
発明に係る車軸の一部分を模式的に示す断面図である。
符号１ははめ合い部、２は非はめ合い部、３はフィレッ
ト部、４は硬化層、５は非硬化層である。
【００２６】非はめ合い部２で、硬化層４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。これは充分な引っ張り強度
と充分な靭性を確保するためである。この組織は、車軸
の中心まで存在する必要はなく、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。
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。これは充分な引っ張り強度
と充分な靭性を確保するためである。この組織は、車軸
の中心まで存在する必要はなく、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。
【００２７】はめ合い部においては、ビッカース硬さが
４００以上のマルテンサイト変態した硬化層を有し、そ
の深さは５．０ｍｍ以上はめ合い部直径の１０％以下で
ある。はめ合い部には、上記マルテンサイト変態による
体積膨張に起因した圧縮残留応力が生じ、き裂の発生と
その進展が抑制され疲労強度が向上する。硬化層の深さ
が５．０ｍｍ未満では、き裂の進展に関する疲労強度が
充分でなく、はめ合い部直径の１０％を越えると表面の
圧縮残留応力が低下するため、疲労強度が低下する。な
お、図１に示すように、はめ合い部に形成される硬化層
の軸方向範囲は、はめ合い端１Ｔからの距離Ｘが１０ｍ
ｍ以上が望ましい。さらに望ましくは３０ｍｍ以上であ
る。
４００以上のマルテンサイト変態した硬化層を有し、そ
の深さは５．０ｍｍ以上はめ合い部直径の１０％以下で
ある。はめ合い部には、上記マルテンサイト変態による
体積膨張に起因した圧縮残留応力が生じ、き裂の発生と
その進展が抑制され疲労強度が向上する。硬化層の深さ
が５．０ｍｍ未満では、き裂の進展に関する疲労強度が
充分でなく、はめ合い部直径の１０％を越えると表面の
圧縮残留応力が低下するため、疲労強度が低下する。な
お、図１に示すように、はめ合い部に形成される硬化層
の軸方向範囲は、はめ合い端１Ｔからの距離Ｘが１０ｍ
ｍ以上が望ましい。さらに望ましくは３０ｍｍ以上であ
る。
【００２８】はめ合い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。こ
れは、充分な引っ張り強度および靭性を確保するためで
ある。この組織は、後述する高周波焼入れをおこなう前
は、硬化層が形成される表層部においても存在していた
ものであり、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内に固溶し、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。なお、上記組織の領域は、硬化層と接していなくて
もよい。硬化層よりやや内部の、やや硬さの低い高周波
焼入れ部分に接して存在する方が普通である。
しマルテンサイトまたはベイナイトの領域を有する。こ
れは、充分な引っ張り強度および靭性を確保するためで
ある。この組織は、後述する高周波焼入れをおこなう前
は、硬化層が形成される表層部においても存在していた
ものであり、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内に固溶し、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。なお、上記組織の領域は、硬化層と接していなくて
もよい。硬化層よりやや内部の、やや硬さの低い高周波
焼入れ部分に接して存在する方が普通である。
【００２９】本発明の好適態様にあっては、車軸は、非
はめ合い部表面の硬化層と非硬化層との境界部近傍領域
に、冷間加工による深さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の塑
性加工層を有する。
はめ合い部表面の硬化層と非硬化層との境界部近傍領域
に、冷間加工による深さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の塑
性加工層を有する。
【００３０】図１において、非はめ合い部表面で硬化層
４と非硬化層５との境界部６近傍領域に塑性加工層７を
形成するのは、充分な圧縮残留応力を確保し、疲労強度
を向上させるためである。すなわち、高周波焼入れをお
こなうと、上記境界部近傍領域には低い圧縮残留応力あ
るいは引張残留応力が形成されるが、後述するローラに
よる冷間押圧加工（以降、単に「押圧加工」ともいう）
をおこなうことにより、塑性加工層が形成され、充分な
圧縮残留応力が得られる。塑性加工層の深さが１ｍｍ未
満では、形成される圧縮残留応力の範囲が不充分で塑性
加工層の直下からき裂が進展しやすく、１０ｍｍを越え
ると表面の圧縮残留応力が低下する。
４と非硬化層５との境界部６近傍領域に塑性加工層７を
形成するのは、充分な圧縮残留応力を確保し、疲労強度
を向上させるためである。すなわち、高周波焼入れをお
こなうと、上記境界部近傍領域には低い圧縮残留応力あ
るいは引張残留応力が形成されるが、後述するローラに
よる冷間押圧加工（以降、単に「押圧加工」ともいう）
をおこなうことにより、塑性加工層が形成され、充分な
圧縮残留応力が得られる。塑性加工層の深さが１ｍｍ未
満では、形成される圧縮残留応力の範囲が不充分で塑性
加工層の直下からき裂が進展しやすく、１０ｍｍを越え
ると表面の圧縮残留応力が低下する。
【００３１】次に、本発明の製造方法について説明す
る。上記した成分範囲の鋼を溶製し、熱間鍛造にて車軸
形状に粗成形した後、焼入焼戻し処理をおこなう。焼入
れ前の加熱温度は、Ac3 点〜９５０℃とし、焼戻し温度
は、４５０〜６７５℃の範囲とするのが望ましい。前記
の合金元素の中心値の鋼の場合、Ac3 変態点は８００℃
程度である。焼戻し温度が４５０℃未満では、充分な靭
性が得られず、６７５℃を越えると、Cr炭化物やMo炭化
物が凝集粗大化するため、充分な引張強度が得られな
い。
る。上記した成分範囲の鋼を溶製し、熱間鍛造にて車軸
形状に粗成形した後、焼入焼戻し処理をおこなう。焼入
れ前の加熱温度は、Ac3 点〜９５０℃とし、焼戻し温度
は、４５０〜６７５℃の範囲とするのが望ましい。前記
の合金元素の中心値の鋼の場合、Ac3 変態点は８００℃
程度である。焼戻し温度が４５０℃未満では、充分な靭
性が得られず、６７５℃を越えると、Cr炭化物やMo炭化
物が凝集粗大化するため、充分な引張強度が得られな
い。
【００３２】この後、半仕上げ機械加工をおこない、は
め合い部に高周波焼入れを施す。図２は、はめ合い部両
端のフィレット部段差を模式的に示す断面図である。半
仕上げ機械加工においては、高周波焼入れ前のフィレッ
ト部段差ΔＳ0 が６ｍｍ以下になるようにおこなうこと
が望ましい。なお、同図において、ΔＳは、仕上げ機械
加工後のフィレット部段差であり、ΔＳ0 はΔＳ以下に
設定される。ΔＳ0 が６ｍｍを越えると、高周波焼入れ
時にフィレット部の肩部のみが局部的に加熱され、硬化
層が形成される車軸長手方向の領域（はめ合い部と非は
め合い部）が小さくなるとともに、硬化層深さも小さく
なるため、充分な疲労強度が得られない恐れがある。
め合い部に高周波焼入れを施す。図２は、はめ合い部両
端のフィレット部段差を模式的に示す断面図である。半
仕上げ機械加工においては、高周波焼入れ前のフィレッ
ト部段差ΔＳ0 が６ｍｍ以下になるようにおこなうこと
が望ましい。なお、同図において、ΔＳは、仕上げ機械
加工後のフィレット部段差であり、ΔＳ0 はΔＳ以下に
設定される。ΔＳ0 が６ｍｍを越えると、高周波焼入れ
時にフィレット部の肩部のみが局部的に加熱され、硬化
層が形成される車軸長手方向の領域（はめ合い部と非は
め合い部）が小さくなるとともに、硬化層深さも小さく
なるため、充分な疲労強度が得られない恐れがある。
【００３３】高周波焼入れは、誘導加熱（周波数３ｋＨ
ｚ程度）コイルにより急速加熱後、水噴射により急冷を
することによりおこなわれる。このときの高周波加熱条
件は、シングルショット方式、電流２００〜２５０Ａ、
電圧８００〜９００Ｖ、加熱時間１０〜２０秒、冷却遅
延時間０〜５秒、冷却時間１０〜２０秒の範囲でおこな
うことが望ましい。高周波焼入れの後、低温焼戻しを加
熱温度１５０℃から３００℃の範囲でおこなう。１５０
℃以下だと、必要な靭性が確保できず、３００℃以上だ
と、高周波焼入れによって発生した圧縮残留応力が消失
し、充分な疲労強度が得られない恐れがある。上記高周
波焼入れにより、はめ合い部において、深さが５．０ｍ
ｍ〜はめ合い部直径の１０％以下の範囲のマルテンサイ
ト変態した硬化層が得られる。
ｚ程度）コイルにより急速加熱後、水噴射により急冷を
することによりおこなわれる。このときの高周波加熱条
件は、シングルショット方式、電流２００〜２５０Ａ、
電圧８００〜９００Ｖ、加熱時間１０〜２０秒、冷却遅
延時間０〜５秒、冷却時間１０〜２０秒の範囲でおこな
うことが望ましい。高周波焼入れの後、低温焼戻しを加
熱温度１５０℃から３００℃の範囲でおこなう。１５０
℃以下だと、必要な靭性が確保できず、３００℃以上だ
と、高周波焼入れによって発生した圧縮残留応力が消失
し、充分な疲労強度が得られない恐れがある。上記高周
波焼入れにより、はめ合い部において、深さが５．０ｍ
ｍ〜はめ合い部直径の１０％以下の範囲のマルテンサイ
ト変態した硬化層が得られる。
【００３４】低温焼戻し後、仕上げ機械加工をおこな
う。さらに、仕上げ機械加工後、ローラによる押圧加工
をおこなうのが望ましい。図３は、ローラによる押圧加
工の領域を説明する模式図である。図３に示すように、
押圧加工は、はめ合い部両端のフィレット部Ｒじまい８
付近から、非はめ合い部にかけて非はめ合い部直径程度
の長さの領域をおこなう。
う。さらに、仕上げ機械加工後、ローラによる押圧加工
をおこなうのが望ましい。図３は、ローラによる押圧加
工の領域を説明する模式図である。図３に示すように、
押圧加工は、はめ合い部両端のフィレット部Ｒじまい８
付近から、非はめ合い部にかけて非はめ合い部直径程度
の長さの領域をおこなう。
【００３５】図４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。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
面に押圧しておこなわれるが、ローラ先端半径Ｕは１〜
２０ｍｍとするのが望ましい。Ｕが１ｍｍ未満では、押
圧荷重は小さいが、押圧加工時間が長くなり、生産性が
低下する。Ｕが２０ｍｍより大きいと、押圧荷重が過大
となり実用的でない。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より小さいと、押圧
加工により生じる塑性加工層が浅くなり、圧縮残留応力
とその生じる範囲（深さ）が小さくなる。ヘルツ圧を５
０００ＭＰａより大きくしても、その効果は飽和する。
また、ローラ周速度は１２５〜３５０ｍｐｍで、車軸の
軸方向へのローラ１回転当たりの送り量は、０．１〜
０．５ｍｍとするのが望ましい。ローラ周速度や送り量
が過小だと生産性が低下し、過大では車軸表面が発熱し
て軟化する。
模式的に示す外観図である。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
面に押圧しておこなわれるが、ローラ先端半径Ｕは１〜
２０ｍｍとするのが望ましい。Ｕが１ｍｍ未満では、押
圧荷重は小さいが、押圧加工時間が長くなり、生産性が
低下する。Ｕが２０ｍｍより大きいと、押圧荷重が過大
となり実用的でない。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より小さいと、押圧
加工により生じる塑性加工層が浅くなり、圧縮残留応力
とその生じる範囲（深さ）が小さくなる。ヘルツ圧を５
０００ＭＰａより大きくしても、その効果は飽和する。
また、ローラ周速度は１２５〜３５０ｍｐｍで、車軸の
軸方向へのローラ１回転当たりの送り量は、０．１〜
０．５ｍｍとするのが望ましい。ローラ周速度や送り量
が過小だと生産性が低下し、過大では車軸表面が発熱し
て軟化する。
【００３６】
【実施例】本発明の車軸の疲労強度を評価するために、
非はめ合い部の両端に、はめ合い部を有する全長２６０
０ｍｍの模擬車軸（以下、単に「車軸」という）を製作
した。表１に上記車軸に供した鋼の化学組成および高周
波焼入れ前のフィレット部段差を比較例とともに示す。
非はめ合い部の両端に、はめ合い部を有する全長２６０
０ｍｍの模擬車軸（以下、単に「車軸」という）を製作
した。表１に上記車軸に供した鋼の化学組成および高周
波焼入れ前のフィレット部段差を比較例とともに示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】上記鋼を真空電気溶解炉にて溶解し、鋼塊
に鋳込み、熱間鍛造にて丸棒状に粗成形した後、８５０
℃にて油焼入れ、５５０℃にて焼戻しを順次おこなっ
た。次に、半仕上げ機械加工をおこない、はめ合い部直
径を２００〜２０８ｍｍ、非はめ合い部直径を１９２ｍ
ｍ、フィレット部段差ΔＳ0 を４〜８ｍｍとした。焼入
れ焼戻しの結果、はめ合い部では表面から１９〜２１ｍ
ｍまでが、非はめ合い部では、表面から１５ｍｍまでが
焼戻しマルテンサイトあるいはベイナイトの組織であっ
た。
に鋳込み、熱間鍛造にて丸棒状に粗成形した後、８５０
℃にて油焼入れ、５５０℃にて焼戻しを順次おこなっ
た。次に、半仕上げ機械加工をおこない、はめ合い部直
径を２００〜２０８ｍｍ、非はめ合い部直径を１９２ｍ
ｍ、フィレット部段差ΔＳ0 を４〜８ｍｍとした。焼入
れ焼戻しの結果、はめ合い部では表面から１９〜２１ｍ
ｍまでが、非はめ合い部では、表面から１５ｍｍまでが
焼戻しマルテンサイトあるいはベイナイトの組織であっ
た。
【００３９】半仕上げ機械加工の後、高周波焼入れをお
こなった。高周波焼入れは、誘導加熱コイルにより急速
加熱後、水噴射により急冷し、その後２００℃で焼戻し
をおこなった。誘導加熱条件は、硬化層の深さが７〜８
ｍｍ程度で、はめ合い部における硬化層の軸方向形成範
囲は、はめ合い端からの距離Ｘが８５ｍｍ程度になるよ
うに調整した。
こなった。高周波焼入れは、誘導加熱コイルにより急速
加熱後、水噴射により急冷し、その後２００℃で焼戻し
をおこなった。誘導加熱条件は、硬化層の深さが７〜８
ｍｍ程度で、はめ合い部における硬化層の軸方向形成範
囲は、はめ合い端からの距離Ｘが８５ｍｍ程度になるよ
うに調整した。
【００４０】高周波焼入れ後、仕上げ機械加工をおこな
い、はめ合い部直径が２００ｍｍで非はめ合い部直径が
１７８ｍｍでフィレット部段差が１１ｍｍの車軸とし
た。はめ合い端からはめ合い部にかけて８５ｍｍ程度の
区間では、表面から深さが１１ｍｍ程度の領域まで圧縮
残留応力が生じており、その応力は表面で最大６２０Ｍ
Ｐａであった。フィレット部Ｒじまいから３５〜４０ｍ
ｍの位置の非はめ合い部表面に硬化層と非硬化層（軟化
部）との境界部が生じた。また、非はめ合い部表面で、
フィレット部Ｒじまいから５０〜５５ｍｍの位置に高周
波焼入れによる熱影響部と非熱影響部との熱影響境界部
が見られ、約５０ＭＰａの引張残留応力が生じた。
い、はめ合い部直径が２００ｍｍで非はめ合い部直径が
１７８ｍｍでフィレット部段差が１１ｍｍの車軸とし
た。はめ合い端からはめ合い部にかけて８５ｍｍ程度の
区間では、表面から深さが１１ｍｍ程度の領域まで圧縮
残留応力が生じており、その応力は表面で最大６２０Ｍ
Ｐａであった。フィレット部Ｒじまいから３５〜４０ｍ
ｍの位置の非はめ合い部表面に硬化層と非硬化層（軟化
部）との境界部が生じた。また、非はめ合い部表面で、
フィレット部Ｒじまいから５０〜５５ｍｍの位置に高周
波焼入れによる熱影響部と非熱影響部との熱影響境界部
が見られ、約５０ＭＰａの引張残留応力が生じた。
【００４１】本発明例２〜６は、仕上げ機械加工後、ロ
ーラによる押圧加工をおこなった。押圧加工は、ローラ
先端半径Ｕが１２ｍｍのローラを用いてフィレット部Ｒ
じまいから非はめ合い部にかけて１５０ｍｍの長さの領
域を対象におこない、ローラ周速度が３００ｍｐｍで、
ローラ１回転当たりの送り量が０．３ｍｍで、ヘルツ圧
が３０００ＭＰａとなるように押付け荷重を設定した。
押圧加工後では、上記境界部および熱影響境界部の残留
応力は、６００ＭＰａの圧縮応力となった。上述の各残
留応力は、Ｘ線法にて測定した。
ーラによる押圧加工をおこなった。押圧加工は、ローラ
先端半径Ｕが１２ｍｍのローラを用いてフィレット部Ｒ
じまいから非はめ合い部にかけて１５０ｍｍの長さの領
域を対象におこない、ローラ周速度が３００ｍｐｍで、
ローラ１回転当たりの送り量が０．３ｍｍで、ヘルツ圧
が３０００ＭＰａとなるように押付け荷重を設定した。
押圧加工後では、上記境界部および熱影響境界部の残留
応力は、６００ＭＰａの圧縮応力となった。上述の各残
留応力は、Ｘ線法にて測定した。
【００４２】なお、比較例１は、炭素鋼に高周波焼入れ
をおこなった車軸で、比較例２は、本発明例１と同じ成
分の合金鋼に高周波焼入れをおこなった車軸であり、い
ずれも製造工程は本発明例１と同様であり、仕上げ機械
加工後の押圧加工は未実施である。比較例３は、本発明
例２と同じ成分で、製造工程も同様であり、仕上げ機械
加工後の押圧加工は実施した。また、比較例１と２で
は、ΔＳ0 は１１ｍｍで、比較例３では、ΔＳ0 は８ｍ
ｍとし、いずれも誘導加熱条件は硬化層の深さが４ｍｍ
程度になるように設定した。
をおこなった車軸で、比較例２は、本発明例１と同じ成
分の合金鋼に高周波焼入れをおこなった車軸であり、い
ずれも製造工程は本発明例１と同様であり、仕上げ機械
加工後の押圧加工は未実施である。比較例３は、本発明
例２と同じ成分で、製造工程も同様であり、仕上げ機械
加工後の押圧加工は実施した。また、比較例１と２で
は、ΔＳ0 は１１ｍｍで、比較例３では、ΔＳ0 は８ｍ
ｍとし、いずれも誘導加熱条件は硬化層の深さが４ｍｍ
程度になるように設定した。
【００４３】次に、上記車軸の回転曲げ疲労試験をおこ
ない、疲労強度を調査した。図５は、回転曲げ疲労試験
装置の概要図である。同図に示すように、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／車軸はめ合い部の
断面係数）が、２４０ＭＰａあるいは２８０ＭＰａとな
るように設定しておこなった。なお、上記２８０ＭＰａ
の試験は、車両の高速化による車軸に作用する負荷の増
大に対応したものである。
ない、疲労強度を調査した。図５は、回転曲げ疲労試験
装置の概要図である。同図に示すように、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／車軸はめ合い部の
断面係数）が、２４０ＭＰａあるいは２８０ＭＰａとな
るように設定しておこなった。なお、上記２８０ＭＰａ
の試験は、車両の高速化による車軸に作用する負荷の増
大に対応したものである。
【００４４】表２に、上記疲労試験による疲労強度を、
はめ合い部の硬化層の深さと境界部の塑性加工層の深さ
の調査結果とともに示す。ここで、疲労強度は、２×１
０7回の繰返し曲げ後に、はめ合い部に生じたき裂の長
さで評価した。
はめ合い部の硬化層の深さと境界部の塑性加工層の深さ
の調査結果とともに示す。ここで、疲労強度は、２×１
０7回の繰返し曲げ後に、はめ合い部に生じたき裂の長
さで評価した。
【００４５】
【表２】
【００４６】本発明例において、硬化層の深さは６〜９
ｍｍで、本発明例１以外の塑性加工層の深さは５〜７ｍ
ｍであった。曲げ公称応力が２４０ＭＰａの試験では、
本発明例は、２×１０7 回の繰返し曲げで破断せず、き
裂長さは０．５ｍｍから１．４ｍｍの範囲で良好であ
り、高い疲労強度を示した。比較例１は、繰返し曲げ回
数が２．３×１０6 ではめ合い部で破断した。比較例２
と３は、２×１０7 回の繰返し曲げで破断しなかった
が、それぞれ、き裂長さは３．６ｍｍ、３．５ｍｍとな
り本発明例に比べ不良であった。
ｍｍで、本発明例１以外の塑性加工層の深さは５〜７ｍ
ｍであった。曲げ公称応力が２４０ＭＰａの試験では、
本発明例は、２×１０7 回の繰返し曲げで破断せず、き
裂長さは０．５ｍｍから１．４ｍｍの範囲で良好であ
り、高い疲労強度を示した。比較例１は、繰返し曲げ回
数が２．３×１０6 ではめ合い部で破断した。比較例２
と３は、２×１０7 回の繰返し曲げで破断しなかった
が、それぞれ、き裂長さは３．６ｍｍ、３．５ｍｍとな
り本発明例に比べ不良であった。
【００４７】一方、曲げ公称応力が２８０ＭＰａの試験
では、本発明例は、２×１０7 回の繰返し曲げで破断せ
ず、き裂長さは２．４ｍｍから６．５ｍｍの範囲で、特
に本発明例３が良好であった。比較例２は、繰返し曲げ
回数が１．７×１０5 で熱影響境界部を起点として破断
した。また、比較例３は、繰返し曲げ回数が６．７×１
０6 ではめ合い部を起点として破断した。
では、本発明例は、２×１０7 回の繰返し曲げで破断せ
ず、き裂長さは２．４ｍｍから６．５ｍｍの範囲で、特
に本発明例３が良好であった。比較例２は、繰返し曲げ
回数が１．７×１０5 で熱影響境界部を起点として破断
した。また、比較例３は、繰返し曲げ回数が６．７×１
０6 ではめ合い部を起点として破断した。
【００４８】
【発明の効果】本発明の車軸と製造方法により、従来と
比較して疲労強度を高めることができる。これによっ
て、新幹線車両等の高速化が可能となる。
比較して疲労強度を高めることができる。これによっ
て、新幹線車両等の高速化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る車軸の一部分を模式的に示す断面
図である。
図である。
【図２】はめ合い部両端のフィレット部段差を模式的に
示す断面図である。
示す断面図である。
【図３】ローラによる押圧加工の領域を説明する模式図
である。
である。
【図４】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。
【図５】回転曲げ疲労試験装置の概要図である。
１ はめ合い部 １Ｔ はめ合い端 ２ 非はめ合い部 ３ フィレット部 ４ 硬化層 ５ 非硬化層 ６ 非はめ合い部表面の硬化層と非硬化層の境界部 ７ 塑性加工層 ８ フィレット部Ｒじまい １１ ローラ １２ ローラ先端部 Ｕ ローラ先端半径
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｃ 38/58 Ｃ２２Ｃ 38/58 (72)発明者 四方田 圭一 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 審査官 奥井 正樹 (56)参考文献 特開 平10−8202（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−8204（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−36937（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−100157（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−306522（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60
Claims (6)
- 【請求項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 ％および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
イトの領域を有し、はめ合い部においてはビッカース硬
さが４００以上である硬化層を有し、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車軸に
おいて、該硬化層の深さが５．０ｍｍ以上はめ合い部直
径の１０％以下であることを特徴とする鉄道車両用車
軸。 - 【請求項２】 非はめ合い部表面の硬化層と非硬化層と
の境界部近傍領域に、冷間加工による深さが１ｍｍ以上
１０ｍｍ以下の塑性加工層を形成したことを特徴とする
請求項１に記載の鉄道車両用車軸。 - 【請求項３】 熱間鍛造により所定の形状にした後、焼
入れ焼戻し、半仕上げ機械加工、はめ合い部への高周波
焼入れおよび仕上げ機械加工を順次おこなうことを特徴
とする請求項１に記載の鉄道車両用車軸の製造方法。 - 【請求項４】 熱間鍛造により所定の形状にした後、焼
入れ焼戻し、半仕上げ機械加工、はめ合い部への高周波
焼入れおよび仕上げ機械加工を順次おこない、その後ロ
ーラにて境界部近傍領域の冷間押圧加工をおこない塑性
加工層を形成することを特徴とする請求項２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。 - 【請求項６】 高周波焼入れは、高周波焼入れ前のフィ
レット部段差が６ｍｍ以下にておこなうことを特徴とす
る請求項３ないし５のいずれか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 |
|---|---|---|---|
| JP08426498A JP3329263B2 (ja) | 1998-03-30 | 1998-03-30 | 鉄道車両用車軸と製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08426498A JP3329263B2 (ja) | 1998-03-30 | 1998-03-30 | 鉄道車両用車軸と製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11279696A JPH11279696A (ja) | 1999-10-12 |
| JP3329263B2 true JP3329263B2 (ja) | 2002-09-30 |
Family
ID=13825604
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08426498A Expired - Fee Related JP3329263B2 (ja) | 1998-03-30 | 1998-03-30 | 鉄道車両用車軸と製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3329263B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018006887A1 (en) | 2016-07-07 | 2018-01-11 | Bonatrans Group A.S. | Axle for rail vehicles |
| CN109338059A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-02-15 | 无锡继平锻造有限公司 | 一种锁模柱锻件的锻造及热处理工艺 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3585034B2 (ja) * | 2000-12-14 | 2004-11-04 | 日産自動車株式会社 | 高強度レース及びその製造方法 |
| CN102758147B (zh) * | 2012-08-01 | 2014-08-13 | 清华大学 | 一种车轴材料及其在高速铁路客车上的应用 |
| JP6164356B2 (ja) * | 2014-02-26 | 2017-07-19 | 新日鐵住金株式会社 | 鉄道用車軸 |
| CN104233110A (zh) * | 2014-10-11 | 2014-12-24 | 马钢(集团)控股有限公司 | 一种含铌钛高速列车车轴用钢 |
| CA2995917C (en) | 2015-08-24 | 2020-04-14 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Rail vehicle axle |
| RU2618033C1 (ru) * | 2016-05-19 | 2017-05-02 | РЕЙЛ 1520 АйПи ЛТД | Сталь для изготовления железнодорожных колёс |
| EP3778969B1 (en) | 2018-04-04 | 2023-05-03 | Nippon Steel Corporation | Railway axle |
| EP3778967B1 (en) * | 2018-04-04 | 2023-05-03 | Nippon Steel Corporation | Railway axle |
| EP4223890A4 (en) | 2020-09-29 | 2023-11-08 | Nippon Steel Corporation | RAILWAY AXLE |
-
1998
- 1998-03-30 JP JP08426498A patent/JP3329263B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018006887A1 (en) | 2016-07-07 | 2018-01-11 | Bonatrans Group A.S. | Axle for rail vehicles |
| CN109338059A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-02-15 | 无锡继平锻造有限公司 | 一种锁模柱锻件的锻造及热处理工艺 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11279696A (ja) | 1999-10-12 |
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