JP3709758B2

JP3709758B2 - 鉄道車両用車軸とその製造方法

Info

Publication number: JP3709758B2
Application number: JP2000017532A
Authority: JP
Inventors: 泰三牧野; 三幸山本
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2020-01-26
Also published as: JP2001206002A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、疲労強度に優れた鉄道車両用車軸とその製造方法に関する。
【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と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いる。
【０００３】
ところで、鉄道車両用車軸は、一般に、新幹線車両用車軸と在来線車両用車軸に分類される。
【０００４】
新幹線車両用車軸には、高速化により増大する負荷荷重への対応と軽量化の追求といった厳しい条件のもとで、より信頼性の高い車軸が要求され、炭素鋼や低合金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ている。
【０００５】
一方、在来線車両用車軸には、新幹線車両用車軸のように高いフレッティング疲労強度は要求されないため、炭素鋼を焼きならしまたは焼入れ焼戻しの熱処理を施した車軸が使用されてきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近、在来線車両用車軸においても、従来に比べ、高いフレッティング疲労強度を有する車軸が要求されている。例えば、新幹線車両用車軸のように、高周波焼入れを施すことによって、車軸表面に圧縮の残留応力を形成してフレッティング疲労強度を向上させることができる。但し、高周波焼入れ処理は処理コストが高いという欠点がある。
【０００７】
本発明の課題は、在来線車両用車軸を対象として、高周波焼入れ車軸より安価で、従来の在来線車両用車軸よりフレッティング疲労強度の高い鉄道車両用車軸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、高周波焼入れより安価で比較的簡便に車軸表面に圧縮残留応力を付与させる方法として、車軸表面への押圧加工に着目し、この押圧加工による圧縮残留応力の効果的な形成の観点から車軸材料ならびに押圧加工条件を詳細に検討し、以下の知見を得た。
【０００９】
（ａ）車軸表面に形成される圧縮残留応力は、車軸に用いる鋼の機械的特性、すなわち、０．２％耐力と加工硬化特性のバランスが影響する。
【００１０】
（ｂ）加工硬化指数が小さいほど圧縮残留応力が大きくなるが、圧縮残留応力の絶対値が０．２％耐力を超えると、圧縮残留応力は飽和する。圧縮残留応力が飽和し始める加工硬化指数Ｎｕ（単位：無次元）は、下記（１）式で表される。
【００１１】
Ｎｕ＝（σｙ−２００）／２５００（１）
但し、σｙ：０．２％耐力（単位：ＭＰａ）
（ｃ）０．２％耐力が７００〜１２００ＭＰａで、加工硬化指数が上記（１）式で規定されるＮｕ未満となる機械的特性を有する鋼に、ローラによる押圧加工を施すことにより、車軸表層部に硬化層が形成され適正な圧縮残留応力が得られる。
【００１２】
（ｄ）車軸のはめ合い部ならびにフィレット部に適正深さの硬化層を形成することにより、フレッティング疲労強度が高くなる。
【００１３】
本発明は、上記知見に基づいて完成されたもので、その要旨は以下の通りである。
【００１４】
（１）質量％で、Ｃ：０．３０〜０．４８％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．１５〜０．３０％、Ｎｉ：０〜２．４％を含有し、０．２％耐力が７００〜１２００ＭＰａで、下記式を満足する加工硬化指数Ｎ（単位：無次元）を有する鋼からなる車軸であって、該車軸のはめ合い部とフィレット部の双方の表層部に押圧加工またはショットピーニングで形成された硬化層を有することを特徴とする鉄道車両用車軸。
【００１５】
Ｎ＜（σｙ−２００）／２５００
但し、σｙ：０．２％耐力（単位：ＭＰａ）
【００１６】
（２）前記はめ合い部における硬化層の深さが、はめ合い部の直径の０．０２倍以上、０．１０倍以下で、前記フィレット部における硬化層の深さが、フィレット部の直径の０．０５倍以上、０．１０倍以下であることを特徴とする上記（１）項に記載の鉄道車両用車軸。
【００１７】
（３）熱間鍛造により所定の形状に成形した後、焼入れ焼戻し処理を行い、その後、はめ合い部とフィレット部の双方の表面にローラによる冷間押圧加工を行い、硬化層を形成することを特徴とする上記（１）項または（２）項に記載の鉄道車両用車軸の製造方法。
【００１８】
（４）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（３）項に記載の鉄道車両用車軸の製造方法。
【００１９】
なお、上記（１）または（２）項で、硬化層とは、その硬度が車軸中心部の硬度の１．１倍以上の部分を指す。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る鉄道車両用車軸およびその製造方法の実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
最初に、鋼の化学組成ならびに機械的性質の限定理由を説明する。なお、以下に記す成分元素の％表示は質量％を意味する。また、フレッティング疲労強度を単に疲労強度とも言う。
【００２２】
（ａ）Ｃ：０．３０〜０．４８％
Ｃは母材の強度を高める元素であり、鋼中のＣ含有量が高くなるほど車軸の疲労強度は増加する。Ｃ含有量が０．３０％未満では疲労強度が不十分であり、Ｃ含有量が０．４８％を超えると靭性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．３０％以上、０．４８％以下とする。好ましくは、０．３５％以上、０．４５％以下である。
【００２３】
（ｂ）Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは脱酸元素として不可欠であり、また、疲労強度の向上に有効な元素である。十分な脱酸を行うためには、脱酸後の鋼中のＳｉ含有量は０．０５％以上必要である。しかし、１．０％を超えると靭性が著しく低下するため１．０％を上限とする。好ましくは、０．１０％以上０．６％以下である。
【００２４】
（ｃ）Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは焼入れ性を高めるの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が低下するので２．０％を上限とする。好ましくは、０．６％以上１．５％以下である。
【００２５】
（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り、車軸内部まで一様な強度を得るためには、少なくとも０．５％以上を含有する必要がある。但し、過剰に含有すると、靭性が低下するため、１．５％を上限とする。好ましくは、０．７％以上１．２％以下である。
【００２６】
（ｅ）Ｍｏ：０．１５〜０．３０％
Ｍｏは焼入性を高めるのに効果的であるとともに、母材の強度を高める作用が強い元素である。車軸内部まで一様な強度を得るためには、少なくとも０．１５％以上必要である。Ｍｏの含有量が多いほど強度が上昇するが、０．３０％を超えると靭性が低下するため、０．３０％を上限とする。好ましくは、０．２０％以上０．３０％以下である。
【００２７】
（ｆ）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、添加しなくても疲労強度が確保できる場合は添加しなくてもよい。２．４％を越えて添加しても、疲労強度はほぼ飽和するとともに焼戻し脆化するので、添加する場合は上限を２．４％とする。
【００２８】
その他の合金成分として、必要に応じ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、Ｖなどの合金元素を、例えば合計で０．１％以下微量添加させてもよい。
【００２９】
（ｇ）機械的性質
０．２％耐力：０．２％耐力が高いほど、車軸表面に形成される圧縮残留応力を高めることができる。０．２％耐力が７００ＭＰａ未満では圧縮残留応力の形成が不十分であり、１２００ＭＰａを超えると靭性が低下し切欠感受性が高くなる。したがって、０．２％耐力は７００ＭＰａ以上、１２００ＭＰａ以下とする。好ましくは、８００〜１１００ＭＰａである。
【００３０】
加工硬化指数：加工硬化指数が小さいほど、車軸表面に形成される圧縮残留応力を高めることができる。加工硬化指数が下記（１）式で規定されるＮｕ以上では、圧縮残留応力の形成が不十分となる。したがって、加工硬化指数は（１）式で規定されるＮｕ未満とする。
【００３１】
Ｎｕ＝（σｙ−２００）／２５００（１）
但し、σｙ：０．２％耐力（ＭＰａ）
次に硬化層を説明する。
【００３２】
図１は、本発明に係る車軸の実施態様例を模式的に示す断面図である。符号１は車軸、２ははめ合い部、３はフィレット部、４は非はめ合い部、５は硬化層である。ここで、はめ合い部２とは、車輪やブレーキデスクあるいは歯車などが嵌合される部分を指し、フィレット部３とは、はめ合い部２と非はめ合い部４との境界の段差部分を指す。
【００３３】
図１に示すように、はめ合い部２とフィレット部３とは、それぞれの表層部に例えばローラの押圧加工により形成された硬化層５を有している。この硬化層には、ローラの押圧加工で圧縮残留応力が形成され、この圧縮残留応力の形成によりき裂の発生と進展が抑制され疲労強度が向上する。硬化層の深さが浅いと、き裂の進展に対する疲労強度が充分でなく、深すぎると、車軸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。したがって、硬化層の深さは、はめ合い部では、はめ合い部の直径の０．０２倍以上、０．１０倍以下で、フィレット部では、フィレット部の直径の０．０５倍以上、０．１０倍以下とするのがよい。ここで、はめ合い部またはフィレット部の直径とは、はめ合い部、フィレット部のそれぞれの位置における直径を指す。
【００３４】
次に、本発明の製造方法について説明する。
【００３５】
本発明で規定する成分範囲の鋼を溶製し、熱間鍛造にて車軸形状に成形した後、焼入れ焼戻し処理を行い、０．２％耐力が７００〜１２００ＭＰａで、下記式を満足する加工硬化指数Ｎを有する鋼を得る。
【００３６】
Ｎ＜（σｙ−２００）／２５００
但し、σｙ：０．２％耐力（単位：ＭＰａ）
熱間鍛造方法は、公知公用の方法で行うことができ、通常、１０００〜１２００℃の温度域で鍛造が行われる。
【００３７】
焼入れ焼戻し処理は、焼入れ前の加熱温度をＡc３変態点〜９５０℃とし、焼戻し温度を４５０〜６７５℃の範囲とするのが望ましい。上記成分範囲の中心値の鋼の場合、Ａc３変態点は８００℃程度である。焼戻し温度を４５０℃以下とすると、十分な靭性と伸びが得られず、６７５℃以上とすると、十分な引張強度が得られないことがある。
【００３８】
上記焼入れ焼戻し処理の後、ローラによる押圧加工を冷間状態で行う。
【００３９】
この押圧加工は、図１に示すはめ合い部２とフィレット部３の双方の領域を対象に行う。少なくとも、フレッティング疲労によって疲労強度が低下するはめ合い部と応力集中が生じるフィレット部とに押圧加工を施すことにより車軸の疲労強度を高めることができる。なお、はめ合い部とフィレット部の他に非はめ合い部にも押圧加工を施してもよい。
【００４０】
図２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。符号１１はローラ、１２はローラ先端部を示す。
【００４１】
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行われるが、ローラ先端半径Ｒは１〜２０ｍｍとするのが望ましい。Ｒが１ｍｍ未満では加工時間が長くなり生産性が低下する。Ｒが２０ｍｍを超えると押圧荷重が過大となり実用的でない。
【００４２】
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未満では、押圧加工により形成される硬化層が浅くなり、圧縮残留応力が小さくなる。ヘルツ圧を５０００ＭＰａより大きくしても、圧縮残留応力は飽和する。
【００４３】
ローラ回転速度は、２００〜５００ｒｐｍ、ローラの車軸長手方向へのローラ１回転当たりの送り量は、０．１〜０．５ｍｍとするのが望ましい。ローラ回転速度や送り量が過小だと生産性が悪化し、過大では車軸表面が発熱して軟化する。
【００４４】
なお、実施形態の説明では、硬化層を形成する手段として、ローラによる押圧加工の例を示したが、その他の手段としてショットピーニングを挙げることができる。
【００４５】
【実施例】
（本発明例）
車軸の疲労強度を評価するため、非はめ合い部の両端にはめ合い部を有する模擬車軸（以下、車軸という）を製作した。
【００４６】
表１に、上記車軸に供した鋼の化学組成を示す。
【００４７】
【表１】

【００４８】
上記化学成分の鋼を溶製し、熱間鍛造にて丸棒状に粗成形した後、８５０℃で焼入れ、５５０℃にて焼戻しを順次行った。次に機械加工を行い、はめ合い部直径が１６０ｍｍ、非はめ合い部直径が１３０ｍｍの車軸とした。なお、フィレット部の直径は、最大径部で１６０ｍｍ、最小径部で１３０ｍｍであった。
【００４９】
表２に熱処理後の機械的性質を示す。
【００５０】
【表２】

【００５１】
表２に示すように、熱処理後の鋼は、０．２％耐力が１０５０ＭＰａ、加工硬化指数Ｎが０．２０であった。なお、（１）式で規定されるＮｕは０．３４となった。
【００５２】
機械加工後、冷間にてローラによる押圧加工を行った。押圧加工は、ローラ先端半径Ｒが１２ｍｍのローラを用い、ローラ回転数が４５０ｒｐｍ、送り量が０．３ｍｍ／ｒｅｖの条件で、ヘルツ圧を３０００ＭＰａとなるように押付け荷重を設定し、はめ合い部、フィレット部および非はめ合い部の全領域を対象に行った。押圧加工により、はめ合い部、フィレット部および非はめ合い部では、いずれも深さ１２ｍｍの硬化層が形成された。また、これらの硬化層には、いずれも最大で６００ＭＰａの圧縮残留応力が生じていた。なお、残留応力は、Ｘ線法にて測定した。
（比較例）
比較例として、以下の４種類の車軸を製作した。比較例１は、表３に示す成分の鋼に焼均し処理を施した車軸で、ローラによる押圧加工は未実施である。比較例２は、ローラによる押圧加工を実施しない以外は本発明例１と同様の条件で製作した車軸である。比較例３は、表３に示す成分の鋼に焼均し処理を施し、更にローラによる押圧加工を実施して、はめ合い部、フィレット部および非はめ合い部に深さ１４ｍｍの硬化層を形成した車軸である。比較例４は、機械的性質が本発明の範囲外となるように焼入れ焼戻し条件を変更した以外は本発明例１と同じ条件で製作した車軸である。
【００５３】
【表３】

【００５４】
表４に比較例１,３,および４の熱処理後の機械的性質を示す。
【００５５】
【表４】

【００５６】
表４に示すように、比較例１と３は、０．２％耐力が本発明で規定された範囲外で、比較例４は、加工硬化指数が本発明で規定された範囲外となった。なお、比較例２の機械的性質は表２と同じである。
【００５７】
上記本発明例および比較例１〜４の車軸を対象に、回転曲げ疲労試験を行った。この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／はめ合い部の断面係数）を種々変更する方法で行い、繰り返し曲げ回数が２×１０ ^７以上となる最大の曲げ公称応力を疲労限度とした。
【００５８】
表５に回転曲げ疲労試験で得られた疲労限度を示す。
【００５９】
【表５】

【００６０】
同表に示すように、本発明例は、比較例１〜４に比べ、優れた疲労強度が得られることが判った。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、処理コストが嵩む高周波焼入れ処理を行うことなく、従来の在来線車両用車軸よりフレッティング疲労強度に優れた鉄道車両用車軸を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る車軸の実施態様例を模式的に示す断面図である。
【図２】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。
【符号の説明】
１：車軸、２：はめ合い部、
３：フィレット部、４：非はめ合い部、
５：硬化層、１１：ローラ、
１２：ローラ先端部。

Claims

質量％で、Ｃ：０．３０〜０．４８％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．１５〜０．３０％、Ｎｉ：０〜２．４％を含有し、０．２％耐力が７００〜１２００ＭＰａで、下記式を満足する加工硬化指数Ｎ（単位：無次元）を有する鋼からなる車軸であって、該車軸のはめ合い部とフィレット部の双方の表層部に押圧加工またはショットピーニングで形成された硬化層を有することを特徴とする鉄道車両用車軸。
Ｎ＜（σｙ−２００）／２５００
但し、σｙ：０．２％耐力（単位：ＭＰａ）
前記はめ合い部における硬化層の深さが、はめ合い部の直径の０．０２倍以上、０．１０倍以下で、前記フィレット部における硬化層の深さが、フィレット部の直径の０．０５倍以上、０．１０倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用車軸。
熱間鍛造により所定の形状に成形した後、焼入れ焼戻し処理を行い、その後、はめ合い部とフィレット部の双方の表面にローラによる冷間押圧加工またはショットピーニングを行い、硬化層を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両用車軸の製造方法。
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３に記載の鉄道車両用車軸の製造方法。