JP6465214B2 - 鉄道用車軸 - Google Patents

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Description

本発明は鉄道用車軸に関する。
鉄道用車軸は、車両の重量を支える。鉄道用車軸はさらに、車両が曲線状のレールを通過（曲線通過）するごとに、車輪とレールとの接触によって水平方向の力を受ける。つまり、車輪一回転ごとに鉄道用車軸は回転曲げの応力を繰り返し受ける。そして、曲線通過の際にその曲げ応力の振幅が大きくなる。
このような鉄道用車軸には、高い疲労限度が求められる。特に車軸はその構造上、車輪や歯車、軸受とのはめ合い部を設ける必要がある。はめ合い部はフレッティング疲労による損傷を受けることが知られている。また、非はめ合い部では通常の疲労による損傷に加え、飛石、腐食によるきずやピットの発生とこれによる疲労限度低下のおそれがある。
特開平６−３３２１９号公報（特許文献１）、特開平１０−８２０４号公報（特許文献２）、特開平１０−８２０２号公報（特許文献３）、特開平１１−２７９６９６号公報（特許文献４）、特開２００１−２０６００２号公報（特許文献５）、特開２０００−７３１４０号公報（特許文献６）は、疲労限度の優れた鉄道用車軸を提案する。
特許文献１は次の事項を開示する。この文献の鉄道用車軸はイオン窒化処理がなされる。その結果、車軸のうち、車輪とのはめ合い部は、１０〜２０μｍのＦｅ４Ｎ（γ）相からなる表面化合物層と、その直下に最高硬さがＨｖで２８０以上の拡散層とを有する。これにより、疲労限度が高い車軸が得られる、と特許文献１には記載されている。
特許文献２及び特許文献３は次の事項を開示する。これらの文献に開示された鉄道用車軸は、質量％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。この車軸のうち、車輪が嵌合される表面部において、ビッカース硬さが４００以上の有効硬化層深さが１〜４．５ｍｍの範囲であり、その内部にマルテンサイト又はベイナイトの領域がある。上記鉄道用車軸は、高い疲労限度を有する、と特許文献２及び３には記載されている。
特許文献４は次の事項を開示する。この文献に開示された鉄道用車軸は、質量％で、Ｃ：０．３〜０．４８％、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．１５〜０．３％、及び、Ｎｉ：０〜２．４％を含む。この車軸のはめ合い部は、ビッカース硬さが４００以上の硬化層を有し、その内部に焼戻しマルテンサイト又はベイナイトの領域を有する。この車軸において、硬化層の深さは、５．０ｍｍ以上であり、かつ、はめ合い部直径の１０％以下である。上記鉄道用車軸は、高いフレッティング疲労限度を有する、と特許文献４には記載されている。
特許文献５は次の事項を開示する。この文献に開示された鉄道用車軸は、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％を含有する。上記車軸の０．２％耐力は７００〜１２００ＭＰａである。さらに、上記車軸のはめ合い部とフィレット部の双方の表層部は、押圧加工又はショットピーニングで形成された硬化層を有する。上記鉄道用車軸は、高いフレッティング疲労限度を有する、と特許文献５には記載されている。
特許文献６は次の事項を開示する。この文献に開示された鉄道用車軸は、質量％で、Ｃ：０．３〜０．４８％、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｃｒ：０〜１．５％、Ｍｏ：０〜０．３％、Ｎｉ：０〜２．４％を含む。この車軸のはめ合い端部とその周辺領域は、ビッカース硬さが４００以上の硬化層を有する。硬化層の厚さ（Ｋ）のはめ合い部直径（Ｄ）に対する比（Ｋ／Ｄ）は０．００５〜０．０５である。硬化層の上側部分は、０．０２〜２％のＢを含有する。上記鉄道用車軸は、優れた疲労限度を有する、と特許文献６には記載されている。
特開平６−３３２１９号公報 特開平１０−８２０４号公報 特開平１０−８２０２号公報 特開平１１−２７９６９６号公報 特開２００１−２０６００２号公報 特開２０００−７３１４０号公報
特許文献１〜６に開示された鉄道用車軸では、イオン窒化又は高周波焼入れを実施して硬化層を形成する。この硬化層は車輪とのはめ合い部におけるフレッティング疲労限度を向上させる。そのため、はめ合い部の直径を非はめ合い部の直径に近い寸法に近づけることができる。
ところで、鉄道用車軸では、高周波焼入れを実施せずに、焼ならしを実施する場合もある。焼ならしを実施して製造される鉄道用車軸は、硬化層を有さない。このため、はめ合い部のフレッティング疲労限度を高める効果は少ない。しかしながら、はめ合い部の直径を非はめ合い部の直径よりも大きくすることにより、フレッティングによる損傷を回避することができる。しかしながら、このような鉄道用車軸であっても、非はめ合い部において高い疲労限度が要求される。
車軸の非はめ合い部の疲労限度を高めるためには、き裂の発生を抑制でき、かつ、き裂の進展も抑制できる方が好ましい。平滑試験片を用いた回転曲げ疲労試験で得られた疲労限度を「平滑疲労限度」σｐと定義する。さらに、切欠き試験片を用いた回転曲げ試験で得られた疲労限度を「切欠き疲労限度」σｎと定義する。平滑疲労限度σｐ及び切欠き疲労限度σｎが高いほど、車軸の非はめ合い部の疲労限度が高くなる。
さらに、次の式で定義される係数を切欠き係数と定義する。
切欠き係数＝平滑疲労限度σｐ／切欠き疲労限度σｎ
切欠き係数が低いほど、切欠きによる疲労限度低下が小さい。切欠き係数が低いほど、飛石、擦傷、腐食ピットなど実際の車軸の使用中に想定される不慮の事象に対し、その安全性が高いことを意味する。そのため、欧州の設計規格ＥＮ１３１０３：２００１（Ｒａｉｌｗａｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｗｈｅｅｌｓｅｔｓ ａｎｄ ｂｏｇｉｅｓ − Ｎｏｎ−ｐｏｗｅｒｅｄ ａｘｌｅｓ − Ｄｅｓｉｇｎ Ｍｅｔｈｏｄ、２０〜２３頁）では切欠き係数を基に必要安全率を決定している。したがって、鉄道用車軸には、高い疲労限度と、低い切欠き係数とが要求される。上記特許文献１〜６では、疲労限度については検討されている。しかしながら、安全性の指標である切欠き係数については検討されていない。
本発明の目的は、優れた疲労限度及び切欠き係数を有する鉄道用車軸を提供することである。
本発明による鉄道用車軸は、質量％で、Ｃ：０．２０〜０．３５％、Ｓｉ：０．２０〜０．６５％、Ｍｎ：０．４０〜１．２０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｓｎ：０．０７〜０．４０％、Ｎ：０．０２００％以下、Ｃｕ：０〜０．３０％、Ｎｉ：０〜０．３０％、Ｃｒ：０〜０．３０％、Ｍｏ：０〜０．０８％、Ａｌ：０〜０．１００％、Ｖ：０〜０．０６０％、及び、Ｔｉ：０〜０．０２０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、式（１）及び式（２）を満たす化学組成を有する。
０．５８≦Ｃ＋Ｓｉ／８＋Ｍｎ／５＋Ｃｕ／１０＋Ｃｒ／４＋Ｖ≦０．６７ （１）
Ｓｉ＋０．９Ｃｒ≧０．５０ （２）
ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
本発明による鉄道用車軸は、優れた疲労限度及び切欠き係数を有する。
図１は、本発明のＳｎ以外の化学組成（必須元素のみを含有）を満たす鉄道用車軸における、Ｓｎ含有量と平滑疲労限度及び切欠き疲労限度との関係を示す図である。 図２は、本発明のＳｎ以外の化学組成（必須元素及び任意元素を含有）を満たす鉄道用車軸における、Ｓｎ含有量と平滑疲労限度及び切欠き疲労限度との関係を示す図である。 図３は、本発明のＳｎ以外の化学組成を満たす鉄道用車軸における、Ｓｎ含有量と切欠き係数との関係を示す図である。 図４は、実施例で製造した車軸形状を有する粗製品の側面図である。 図５は、実施例で用いた平滑試験片の側面図である。 図６は、実施例において、鉄道用車軸における平滑試験片及び引張試験片の採取位置を説明するための図である。 図７は、図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線での断面図である。 図８は、実施例で用いた切欠き試験片の環状切欠き部分の断面図である。
本発明者らは、鉄道用車軸の疲労限度及び切欠き係数について調査及び検討を行った。その結果、本発明者らは、次の知見を得た。
（Ａ）疲労限度（平滑疲労限度σｐ及び切欠き疲労限度σｎ）及び切欠き係数は、引張強度の影響を受ける。引張強度は、鋼中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ含有量の影響を受ける。
Ｆ１＝Ｃ＋Ｓｉ／８＋Ｍｎ／５＋Ｃｕ／１０＋Ｃｒ／４＋Ｖと定義する。Ｆ１が０．５８未満であれば、鉄道用車軸の引張強度が５９０ＭＰａ未満となる。この場合、高い疲労限度（平滑疲労限度σｐ及び切欠き疲労限度σｎ）が得られない。一方、Ｆ１が０．６７を超えれば、引張強度ＴＳが６５０ＭＰａを超える。この場合、切欠き係数が高くなりすぎる。Ｆ１が０．５８〜０．６７である場合、引張強度は５９０〜６５０ＭＰａとなる。そのため、優れた疲労限度及び切欠き係数が得られる。
（Ｂ）Ｃ含有量が低いほど、平滑疲労限度σｐは高くなる。その理由として、次の事項が考えられる。Ｃ含有量が高くなるほど、鋼のミクロ組織において、フェライトが占める体積率（以下、フェライト分率という）が低くなる。フェライト分率が低くなれば、鋼全体の硬さ（平均硬さ）と、フェライトの硬さとの差が大きくなる。この場合、フェライトにおいて、平均硬さの割にき裂が発生しやすくなる。一方、Ｃ含有量が低くなれば、フェライト率が高くなる。この場合、鋼全体の平均硬さと、フェライト硬さとの差が小さくなる。そのため、フェライトにおいて、平均硬さの割にき裂が発生しにくくなる。以上より、Ｃ含有量が低ければ、平滑疲労限度σｐが高くなる。
Ｃ含有量が０．３５％以下であれば、フェライト分率が十分に高くなり、引張強度が５９０ＭＰａ以上であれば平滑疲労限度σｐが２５０ＭＰａ以上となり、後述のＳｎを含有することにより、平滑疲労限度σｐはさらに高くなる。
（Ｃ）上述のとおり、切欠き係数が低いほど、切欠きによる疲労限度の低下が小さい。そのため、鉄道用車軸の不慮の事象に対する安全性が高くなる。しかしながら、切欠き疲労限度は切欠き底に発生したき裂が進展するか否かに支配される。そのため、フェライト分率が高くなりすぎると、パーライト相に対し比較的硬さの低いフェライト相においてき裂が進展しやすくなる。したがって、フェライト分率を高めれば、平滑疲労限度は高くなるものの、切欠き疲労限度は低くなる。その結果、両者の比である切欠き係数は高くなる可能性がある。そこで、本実施形態では、式（２）を満たすＣｒ及びＳｉを含有する。
Ｓｉ＋０．９Ｃｒ≧０．５０ （２）
ここで、式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
Ｃｒ及びＳｉは、固溶強化によりフェライトの強度を高める。そのため、フェライト内で、き裂が進展するのを抑制する。Ｆ２＝Ｓｉ＋０．９Ｃｒと定義する。Ｆ２はフェライトの強度の指標である。Ｆ２が０．５０以上であれば、フェライトの強度が十分に高まる。そのため、フェライト分率が高くなっても切欠き疲労限度の低下を回避し、切欠き係数を低く抑えることができる。具体的には、切欠き係数を１．４７以下にすることができる。
（Ｄ）（Ａ）〜（Ｃ）を満たした鉄道用車軸に対してさらに、Ｓｎを含有する。この場合、平滑疲労限度及び切欠き疲労限度がさらに高まる。一方、Ｓｎの含有は、鉄道用車軸の他の機械的性質である引張強度を若干高める。しかしながら、Ｓｎ含有による引張強度の上昇率は、疲労限度の上昇率よりも小さい。したがって、Ｓｎ含有により、引張強度等の機械的性質を維持又は若干高めつつ、平滑疲労強度及び切欠き疲労強度をさらに高めることができる。
図１及び図２は、本発明のＳｎ以外の化学組成を満たし、かつ、式（１）及び式（２）を満たす鉄道用車軸における、Ｓｎ含有量と平滑疲労限度及び切欠き疲労限度との関係を示す図である。図１は、本発明のＳｎ以外の必須元素のみを含有する鉄道用車軸を用いた結果である。図２は、本発明のＳｎ以外の必須元素及び任意元素を含有する鉄道用車軸を用いた結果である。図３は、本発明のＳｎ以外の化学組成を満たし、かつ、式（１）及び式（２）を満たす鉄道用車軸における、Ｓｎ含有量と切欠き係数との関係を示す図である。図１〜図３は、後述の実施例により得られた結果に基づいて作成された。
図１及び図２中の「◆」印は切欠き疲労限度（ＭＰａ）を示し、「■」印は平滑疲労限度（ＭＰａ）を示す。図１及び図２中の実線の基準線ＲＥＦｐは、Ｓｎを含有しない鉄道用車軸の平滑疲労限度（ＭＰａ）を示す。図１及び図２中の破線の基準線ＲＥＦｎは、Ｓｎを含有しない鉄道用車軸の切欠き疲労限度（ＭＰａ）を示す。
図３中の「○」印は本発明のＳｎ以外の化学組成（必須元素のみ）を満たし、かつ、式（１）及び式（２）を満たす鉄道用車軸の切欠き係数を示す。「●」印は本発明のＳｎ以外の化学組成（必須元素及び任意元素を含有）を満たし、かつ、式（１）及び式（２）を満たす鉄道用車軸の切欠き係数を示す。
図１及び図２を参照して、鉄道用車軸のＳｎ以外の化学組成が本発明の範囲内であり、かつ、式（１）及び式（２）を満たす場合、Ｓｎ含有量が０．０７％以上であれば、Ｓｎ含有量が０％での切欠き疲労限度ＲＥＦｎ（ＭＰａ）及び平滑疲労限度ＲＥＦｐ（ＭＰａ）よりも切欠き疲労限度及び平滑疲労限度は高くなる。さらに、Ｓｎ含有量の増加に伴い、切欠き疲労限度及び平滑疲労限度は上昇する。
一方、図３を参照して、鉄道用車軸のＳｎ以外の化学組成が本発明の範囲内であり、かつ、式（１）及び式（２）を満たす場合、Ｓｎ含有量が０．４０％以下であれば、切欠き係数は１．４７以下に維持される。しかしながら、Ｓｎ含有量が０．４０％を超えると、切欠き係数が急激に上昇して、１．４７を超える。
したがって、Ｓｎ含有量が０．０７〜０．４０％であれば、優れた平滑疲労限度、切欠き疲労限度が得られ、かつ、優れた切欠き係数を維持できる。具体的には、平滑疲労限度は２７０ＭＰａを超え、切欠き疲労限度は１９５ＭＰａを超える。
以上の知見に基づいて完成された本実施形態による鉄道用車軸は、質量％で、Ｃ：０．２０〜０．３５％、Ｓｉ：０．２０〜０．６５％、Ｍｎ：０．４０〜１．２０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｓｎ：０．０７〜０．４０％、Ｎ：０．０２００％以下、Ｃｕ：０〜０．３０％、Ｎｉ：０〜０．３０％、Ｃｒ：０〜０．３０％、Ｍｏ：０〜０．０８％、Ａｌ：０〜０．１００％、Ｖ：０〜０．０６０％、及び、Ｔｉ：０〜０．０２０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、式（１）及び式（２）を満たす化学組成を有する。
０．５８≦Ｃ＋Ｓｉ／８＋Ｍｎ／５＋Ｃｕ／１０＋Ｃｒ／４＋Ｖ≦０．６７ （１）
Ｓｉ＋０．９Ｃｒ≧０．５０ （２）
ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
上記化学組成は、Ｃｕ：０．０１〜０．３０％、Ｎｉ：０．０１〜０．３０％、Ｃｒ：０．１０超〜０．３０％、及び、Ｍｏ：０．００５〜０．０８％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。また、上記化学組成は、Ａｌ：０．００５〜０．１００％、Ｖ：０．００５〜０．０６０％、及び、Ｔｉ０．００２〜０．０２０％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。
以下、本発明による鉄道用車軸について詳述する。
［化学組成］
本発明による鉄道用車軸の化学組成は、次の元素を含有する。
Ｃ：０．２０〜０．３５％
炭素（Ｃ）は、鋼の強度を高める。Ｃ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、フェライト分率が低下する。フェライト分率が低下すれば、平滑疲労限度σｐが低下する。したがって、Ｃ含有量は、０．２０〜０．３５％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．２５％であり、さらに好ましくは０．３０％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．３４％であり、さらに好ましくは０．３３％である。
Ｓｉ：０．２０〜０．６５％
シリコン（Ｓｉ）は鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、フェライトを固溶強化する。その結果、切欠き係数が低下する。Ｓｉ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｓｉ含有量が高すぎれば、靭性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．２０〜０．６５％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．２５％であり、さらに好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．３５％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．６０％であり、さらに好ましくは０．５５％であり、さらに好ましくは０．５０％であり、さらに好ましくは０．４８％である。
Ｍｎ：０．４０〜１．２０％
マンガン（Ｍｎ）は鋼の強度を高める。Ｍｎ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、鋼の靭性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．４０〜１．２０％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．５０％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．７０％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は１．１５％であり、さらに好ましくは１．１０％であり、さらに好ましくは１．０５％である。
Ｐ：０．０２０％以下
燐（Ｐ）は不純物である。Ｐは粒界に偏析して鋼の疲労限度を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０２０％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。
Ｓ：０．０２０％以下
硫黄（Ｓ）は不純物である。ＳはＭｎと結合して硫化物を生成し、鋼の疲労限度を低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０２０％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。
Ｓｎ：０．０７〜０．４０％、
すず（Ｓｎ）は、固溶してフェライト相の強度を高め、平滑疲労限度及び切欠き疲労限度を高める。Ｓｎ含有量が低すぎればこの効果は得られない。一方、Ｓｎ含有量が高すぎれば、靭性が低下する。Ｓｎ含有量が高すぎればさらに、切欠き係数が高くなりすぎる。したがって、Ｓｎ含有量は０．０７〜０．４０％である。Ｓｎ含有量の好ましい下限は０．０８％であり、さらに好ましくは０．０９％である。Ｓｎ含有量の好ましい上限は０．３５％であり、さらに好ましくは０．３０％である。
Ｎ：０．０２００％以下
窒素（Ｎ）は不可避的に含有される。Ｎは微細な窒化物（たとえばＡｌＮ）を形成し、結晶粒を微細化する。しかしながら、Ｎ含有量が高すぎれば、粗大な窒化物が形成され、鋼の疲労限度が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．０２００％以下である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０１５０％であり、さらに好ましくは０．０１００％であり、さらに好ましくは０．００７０％である。
本発明による鉄道用車軸の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここで、不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入されるものであって、本発明の鉄道用車軸に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
本発明による鉄道用車軸の化学組成は、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏからなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。これらの元素は任意元素であり、いずれも、鋼の強度を高める。
Ｃｕ：０〜０．３０％
銅（Ｃｕ）は、任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｃｕは鋼の強度を高める。しかしながら、Ｃｕ含有量が高すぎれば、熱間加工性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０〜０．３０％である。上記効果をより有効に得るためのＣｕ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．２０％であり、さらに好ましくは０．１０％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
Ｎｉ：０〜０．３０％
ニッケル（Ｎｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｎｉは鋼の強度を高める。しかしながら、Ｎｉ含有量が高すぎれば上記効果が飽和し、さらに、コストが高くなる。したがって、Ｎｉ含有量は０〜０．３０％である。上記効果をより有効に得るためのＮｉ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０４％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．２０％未満であり、さらに好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。
Ｃｒ：０〜０．３０％
クロム（Ｃｒ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｃｒはフェライトを固溶強化する。その結果、切欠き係数が低下する。しかしながら、Ｃｒ含有量が高すぎれば、鋼の靭性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０〜０．３０％である。上記効果をより有効に得るためのＣｒ含有量の好ましい下限は０．１０％よりも高く、さらに好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．２０％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は０．３０％未満であり、さらに好ましくは０．２９％であり、さらに好ましくは０．２８％である。
Ｍｏ：０〜０．０８％
モリブデン（Ｍｏ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｍｏは鋼の強度を高める。しかしながら、Ｍｏ含有量が高すぎれば、パーライト中の層状セメンタイトの形態に乱れが生じ、疲労限度が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０〜０．０８％である。上記効果をより有効に得るためのＭｏ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．０８％未満であり、さらに好ましくは０．０６％であり、さらに好ましくは０．０４％である。
本実施形態による鉄道用車軸の化学組成は、Ｆｅの一部に代えて、Ａｌ、Ｖ及びＴｉからなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。これらの元素は任意元素であり、いずれも、結晶粒を微細化する。
Ａｌ：０〜０．１００％
アルミニウム（Ａｌ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ａｌは鋼を脱酸する。Ａｌはさらに、Ｎと結合してＡｌＮを形成し、結晶粒を微細化する。その結果、鋼の靭性が高まる。しかしながら、Ａｌ含有量が高すぎれば、粗大な酸化物系介在物が生成され、鋼の疲労限度が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０〜０．１００％である。上記効果をより有効に得るためのＡｌ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０８０％であり、さらに好ましくは０．０６０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。本明細書において、Ａｌ含有量は、酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）の含有量である。
Ｖ：０〜０．０６０％
バナジウム（Ｖ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、ＶはＮやＣと結合してＶ（Ｃ、Ｎ）を形成し、結晶粒を微細化し、鋼の強度を高める。しかしながら、Ｖ含有量が高すぎれば、鋼の靭性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０〜０．０６０％である。上記効果をより有効に得るためのＶ含有量の好ましい下限は０．００５％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。
Ｔｉ：０〜０．０２０％
チタン（Ｔｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｔｉは、Ｎと結合して微細なＴｉＮを形成し、フェライトを析出強化する。ＴｉＮはさらに、結晶粒を微細化する。その結果、Ｔｉは平滑疲労限度及び切欠き疲労限度を向上させる。さらに、優れた切欠き係数が得られる。なお、微細なＴｉＮはき裂の発生サイトになりにくい。しかしながら、Ｔｉ含有量が高すぎれば、ＴｉＮが過剰に生成する。この場合、ＴｉＮがき裂の経路となり、き裂が進展しやすくなる。そのため、切欠き係数が大きくなる。したがって、Ｔｉ含有量は０〜０．０２０％である。上記効果をより有効に得るためのＴｉ含有量の好ましい下限は０．００２％であり、さらに好ましくは０．００３％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１０％であり、さらに好ましくは０．００７％である。Ｔｉ含有量が０．００７％以下であれば、切欠き係数が顕著に低下する。
［式（１）について］
本発明の鉄道用車軸の化学組成はさらに、式（１）を満たす。
０．５８≦Ｃ＋Ｓｉ／８＋Ｍｎ／５＋Ｃｕ／１０＋Ｃｒ／４＋Ｖ≦０．６７ （１）
式（１）中の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
Ｆ１＝Ｃ＋Ｓｉ／８＋Ｍｎ／５＋Ｃｕ／１０＋Ｃｒ／４＋Ｖと定義する。Ｆ１が低すぎれば、鉄道用車軸の引張強度ＴＳが５９０ＭＰａ未満となる。この場合、疲労限度が低くなる。具体的には、平滑疲労限度σｐ及び／又は切欠き疲労限度σｎが低くなる。
一方、Ｆ１が高すぎれば、引張強度ＴＳが６５０ＭＰａを超える。引張強度ＴＳが高くなれば、平滑疲労限度σｐ及び切欠き疲労限度σｎも高くなる。しかしながら、引張強度ＴＳの上昇に伴う切欠き疲労限度σｎの上昇の度合いは、平滑疲労限度σｐの上昇の度合いよりも小さい。そのため、引張強度ＴＳが６５０ＭＰａを超えると、切欠き係数が高くなりすぎる。
Ｆ１が０．５８〜０．６７であれば、鉄道用車軸の引張強度ＴＳは５９０ＭＰａ〜６５０ＭＰａとなり、適正な範囲となる。そのため、疲労限度及び切欠き係数も適切な値になる。
Ｆ１の好ましい下限は０．５８よりも高く、さらに好ましくは０．６０であり、さらに好ましくは０．６１であり、さらに好ましくは０．６２である。Ｆ１の好ましい上限は０．６７未満であり、さらに好ましくは０．６６であり、さらに好ましくは０．６５である。
［式（２）について］
本発明の鉄道用車軸の化学組成はさらに、式（２）を満たす。
Ｓｉ＋０．９Ｃｒ≧０．５０ （２）
式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
上述のとおり、Ｓｉ及びＣｒは、鋼中のフェライトの強度を高める。そのため、Ｓｉ及びＣｒは、き裂の進展を抑制する。その結果、切欠き係数が低くなる。なお、Ｓｉ及びＣｒは、鋼中のフェライト分率に影響を与えにくい。
Ｆ２＝Ｓｉ＋０．９Ｃｒと定義する。Ｆ２が低すぎれば、切欠き係数が高くなりすぎ、き裂が進展しやすくなる。Ｆ２が０．５０以上であれば、切欠き係数が１．４７以下になり、切欠きによる疲労限度低下が抑制される。
Ｆ２の好ましい下限は０．５０よりも高く、さらに好ましくは０．５５であり、さらに好ましくは０．６０である。
［製造方法］
本実施形態による鉄道用車軸の製造方法の一例を説明する。
上述の化学組成を有する溶鋼を製造する。溶鋼を用いてインゴットを製造する。インゴットに対して熱間鍛造を実施して、車軸形状を有する粗製品を製造する。製造された粗製品に対して、焼ならしを実施する。具体的には、Ａｃ１変態点よりも高い熱処理温度で粗製品を保持し、その後、放冷する。焼ならし後に、Ａｃ１点未満の熱処理温度で焼戻しを実施してもよい。
上述の熱処理を実施した後、粗製品に対して機械加工を実施して、鉄道用車軸を製造する。
種々の化学組成の鉄道用車軸を製造し、引張強度及び疲労限度について調査した。
［試験方法］
表１に示す化学組成を有する溶鋼を製造した。
Figure 0006465214
表１中の「Ｆ１」欄には、対応する試験番号の化学組成におけるＦ１値が記載されている。「Ｆ２」欄には、対応する試験番号の化学組成におけるＦ２値が記載されている。
［鉄道用車軸の製造］
試験番号１〜２３の溶鋼からインゴットを製造した。インゴットを１２５０℃に加熱した後、熱間鍛造して図４に示す車軸形状を有する粗製品１を製造した。粗製品１の長さは２２００ｍｍであった。粗製品１は２つの輪座２と中央平行部３とを備えた。各輪座２の幅は１６５ｍｍであり、直径は２００ｍｍであった。図４に示すとおり、各輪座２の端と粗製品１の端との間の距離は２６６ｍｍであり、一方の輪座２の端から他方の輪座２の端までの距離は１３３８ｍｍであった。中央平行部３は２つの輪座２の間に配置され、直径が１７４ｍｍであった。
各試験番号の粗製品に対して焼ならしを実施した。焼ならしの熱処理温度は、各試験番号の鋼のＡｃ１変態点よりも高い８８０℃であった。焼ならし後、粗製品に対して機械加工を実施して、直径１９４ｍｍの輪座と、直径１６８ｍｍの中央平行部とを備えた鉄道用車軸を製造した。各試験番号の鉄道用車軸から、次の疲労試験片を採取した。
［平滑試験片の作製］
各試験番号の鉄道用車軸から、図５に示す形状の平滑試験片を作製した。図６及び図７に示すとおり、平滑試験片４０の採取位置は、鉄道用車軸１０の中央平行部３０の表面近傍（平滑試験片の中心軸が鉄道用車軸１０の表面から８ｍｍ深さ位置に対応）であり、採取方向は平滑試験片４０の長手方向が鉄道用車軸１０の長手方向と一致するようにした。図５に戻って、平滑試験片の横断形状（軸線と垂直な断面）は円であった。平滑試験片の平行部の直径は１０ｍｍであり、つかみ部の直径は１５ｍｍであった。その他の寸法は、図５に記載のとおりであった。
［切欠き試験片の作製］
各試験番号の鉄道用車軸から、切欠き試験片を作製した。試験片の採取位置及び採取方向は、前述の平滑試験片のそれと同じであった。そして切欠き試験片の全体形状は図５の平滑試験片と同じであった。切欠き試験片ではさらに、平行部の中央部に、図８に示す深さ０．１ｍｍ、切欠き底曲率半径０．０４ｍｍの環状切欠きを形成した。
［回転曲げ疲労限度試験］
各試験番号の平滑試験片及び切欠き試験片に対して、小野式回転曲げ疲労試験を実施した。小野式回転曲げ疲労試験での試験数は各試験番号ごとに平滑、切欠き試験片それぞれ６本とした。試験時の回転数は３６００ｒｐｍとし、常温（２５℃）、大気中にて試験を実施した。繰返し数１．０×１０７回まで破断しない場合、そこで試験を打ち切り、未破断と判定した。疲労限度の判定は、ＩＳＯ１２１０７：２００３（Ｅ）（Ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ−Ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔｉｎｇ−Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄａｔａ、１９頁）に記載された修正ステアケース法に基づいて行った。本方法における応力の階差は１０ＭＰａであり、破断したら階差分の応力を下げ、未破断なら階差分の応力を上げて得た結果を統計処理して５０％破壊確率に相当する疲労限度を求めた。こうして得られた疲労限度として、平滑疲労限度σｐ、切欠き疲労限度σｎ（単位はＭＰａ）を定義した。なお、切欠き疲労限度σｎは、曲げモーメントを切欠き底における横断面（直径９．８ｍｍの円形）の断面係数で除して求めた公称応力によって評価した。
［引張試験］
各試験番号の鉄道用車軸から棒状の引張試験片を、機械加工により作製した。図７に示すとおり、引張試験片５０は、鉄道用車軸１０の中央平行部３０のＲ／２位置（車軸の横断面において、車軸の中心軸と外周面との間を２等分する直径８４ｍｍ位置）から採取した。引張試験片の長手方向は、車軸の長手方向と平行であった。採取された引張試験片を用いて、常温（２５℃）、大気中で引張試験を実施して、引張強度ＴＳ（ＭＰａ）を求めた。
［試験結果］
表２に試験結果を示す。
Figure 0006465214
表２中の「ＴＳ」欄には、各試験番号の引張強度（ＭＰａ）が記載されている。「σｐ」欄には、平滑疲労限度（ＭＰａ）が記載されている。「σｎ」欄には、切欠き疲労限度（ＭＰａ）が記載されている。「σｐ/σｎ」欄には、切欠き係数が記載されている。
表１及び表２を参照して、試験番号１、９、１０、１３〜１５、２０及び２１の化学組成は適切であり、適切な量のＳｎを含有し、Ｆ１が式（１）を満たし、Ｆ２が式（２）を満たした。そのため、引張強度は５９０〜６５０ＭＰａであった。さらに、平滑疲労限度σｐは２７０ＭＰａを超え、かつ、切欠き疲労限度σｎは１９５ＭＰａを超えた。さらに、切欠き係数σｐ/σｎは１．４７以下であった。
一方、試験番号２〜４の化学組成では、Ｆ１及びＦ２が式（１）及び式（２）を満たすものの、Ｓｎが含有されなかった。そのため、引張強度は５９０〜６５０ＭＰａであり、切欠き係数σｐ/σｎは１．４７以下であるものの、平滑疲労限度σｐ及び切欠き疲労限度σｎは試験番号１よりも低かった。具体的には、平滑疲労限度σｐは２５０ＭＰａ以上であったものの、２７０ＭＰａ以下であった。また、切欠き疲労限度σｎは１７０ＭＰａ以上であったものの、１９５ＭＰａ以下であった。
試験番号５の化学組成は、Ｓｎを含有せず、かつ、Ｆ２が式（２）を満たさなかった。そのため、切欠き疲労限度は試験番号２〜４よりもさらに低く１７０ＭＰａ未満であり、切欠き係数σｐ/σｎは１．４７を超えた。
試験番号６の化学組成は、Ｓｎを含有せず、かつ、Ｆ１が式（１）の下限未満であった。そのため、引張強度が５９０ＭＰａ未満であり、試験番号１〜４よりも低かった。さらに、平滑疲労限度σｐが２７０ＭＰａ以下であった。
試験番号７の化学組成はＳｎを含有せず、かつ、Ｆ１が式（１）の上限を超えた。そのため、引張強度が６５０ＭＰａを超え、切欠き係数σｐ/σｎが１．４７を超えた。
試験番号８及び１２では、Ｓｎ含有量が低すぎた。そのため、平滑疲労限度σｐ及び切欠き疲労限度σｎが低すぎた。具体的には、平滑疲労限度σｐが２７０ＭＰａ以下であり、切欠き疲労限度σｎが１９０ＭＰａ以下であった。
試験番号１１及び１６では、Ｓｎ含有量が高すぎた。そのため、切欠き係数σｐ／σｎが１．４７を超えた。
試験番号１７及び２２では、Ｆ１が式（１）の下限未満であった。そのため、引張強度が５９０ＭＰａ未満であった。さらに、平滑疲労限度σｐ及び切欠き疲労限度σｎが低すぎた。平滑疲労限度σｐが２７０ＭＰａ以下であり、切欠き疲労限度σｎが１９０ＭＰａ以下であった。
試験番号１８及び２３では、Ｆ２が式（２）の下限未満であった。そのため、平滑疲労限度σｐ及び切欠き疲労限度σｎは適切であったが、切欠き係数σｐ/σｎは１．４７を超えた。
試験番号１９では、Ｆ１が式（１）の上限を超えた。そのため、引張強度が６５０ＭＰａを超え、切欠き係数σｐ/σｎが１．４７を超えた。
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

Claims (3)

  1. 質量％で、
    Ｃ：０．２０〜０．３５％、
    Ｓｉ：０．２０〜０．６５％、
    Ｍｎ：０．４０〜１．２０％、
    Ｐ：０．０２０％以下、
    Ｓ：０．０２０％以下、
    Ｓｎ：０．０７〜０．４０％、
    Ｎ：０．０２００％以下、
    Ｃｕ：０〜０．３０％、
    Ｎｉ：０〜０．３０％、
    Ｃｒ：０〜０．３０％、
    Ｍｏ：０〜０．０８％、
    Ａｌ：０〜０．１００％、
    Ｖ：０〜０．０６０％及び、
    Ｔｉ：０〜０．０２０％、
    を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、
    式（１）及び式（２）を満たす化学組成を有することを特徴とする、鉄道用車軸。
    ０．５８≦Ｃ＋Ｓｉ／８＋Ｍｎ／５＋Ｃｕ／１０＋Ｃｒ／４＋Ｖ≦０．６７ （１）
    Ｓｉ＋０．９Ｃｒ≧０．５０ （２）
    ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
  2. 請求項１に記載の鉄道用車軸であって、
    前記化学組成は、
    Ｃｕ：０．０１〜０．３０％、
    Ｎｉ：０．０１〜０．３０％、
    Ｃｒ：０．１０超〜０．３０％、及び、
    Ｍｏ：０．００５〜０．０８％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有することを特徴とする、鉄道用車軸。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の鉄道用車軸であって、
    前記化学組成は、
    Ａｌ：０．００５〜０．１００％、
    Ｖ：０．００５〜０．０６０％、及び、
    Ｔｉ：０．００２〜０．０２０％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有することを特徴とする、鉄道用車軸。
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