JP6528894B2

JP6528894B2 - 鉄道用車輪

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Publication number: JP6528894B2
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Inventors: 久保田　学; 学久保田
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Description

本発明は、車輪に関し、さらに詳しくは、鉄道車両に用いられる鉄道用車輪に関する。

鉄道輸送を高効率化するために、鉄道車両への積載重量の増加、及び、鉄道車両の高速化が進められてきた。その結果、レールとの転がり接触による疲労損傷の低減や耐摩耗性が検討されてきた。

鉄道用車輪の耐摩耗性を高める技術が、特開２０１２−１０７２９５号公報（特許文献１）及び特開２０１３−２３１２１２号公報（特許文献２）に提案されている。

特許文献１に開示された車輪用鋼は、質量％で、Ｃ：０．６５〜０．８４％、Ｓｉ：０．０２〜１．００％、Ｍｎ：０．５０〜１．９０％、Ｃｒ：０．０２〜０．５０％、Ｖ：０．０２〜０．２０％、及びＳ：０．０４％以下を含有し、式（１）で表されるＦｎ１が３４〜４３で、かつ、式（２）で表されるＦｎ２が２５以下であり、残部がＦｅ及び不純物からなる。ここで、式（１）は、Ｆｎ１＝２．７＋２９．５Ｃ＋２．９Ｓｉ＋６．９Ｍｎ＋１０．８Ｃｒ＋３０．３Ｍｏ＋４４．３Ｖであり、式（２）は、Ｆｎ２＝０．７６×ｅｘｐ（０．０５Ｃ）×ｅｘｐ（１．３５Ｓｉ）×ｅｘｐ（０．３８Ｍｎ）×ｅｘｐ（０．７７Ｃｒ）×ｅｘｐ（３．０Ｍｏ）×ｅｘｐ（４．６Ｖ）である。

特許文献２に開示された鉄道車両用車輪は、質量％で、Ｃ：０．６５〜０．８４％、Ｓｉ：０．４〜１．０％、Ｍｎ：０．５０〜１．４０％、Ｃｒ：０．０２〜０．１３％、Ｓ：０．０４％以下、及びＶ：０．０２〜０．１２％を含有し、式（１）で表されるＦｎ１が３２〜４３で、かつ、式（２）で表されるＦｎ２が２５以下であり、残部がＦｅ及び不純物からなる。ここで、式（１）は、Ｆｎ１＝２．７＋２９．５Ｃ＋２．９Ｓｉ＋６．９Ｍｎ＋１０．８Ｃｒ＋３０．３Ｍｏ＋４４．３Ｖであり、式（２）は、Ｆｎ２＝ｅｘｐ（０．７６）×ｅｘｐ（０．０５Ｃ）×ｅｘｐ（１．３５Ｓｉ）×ｅｘｐ（０．３８Ｍｎ）×ｅｘｐ（０．７７Ｃｒ）×ｅｘｐ（３．０Ｍｏ）×ｅｘｐ（４．６Ｖ）である。

上述の特許文献１及び特許文献２では、式（１）を満たすことにより鉄道用車輪の耐摩耗性が高まると記載されている。

ところで、鉄道輸送では、鉄道車両に搭載された車輪が極めて厳しい腐食環境に曝された場合、腐食と疲労とが複合した腐食疲労が発生することが予想される。腐食疲労とは、腐食環境で繰り返し応力を受けることで発生する疲労現象である。具体的には、鉄道用車輪の板部が腐食環境に曝されると、腐食ピットが形成され、その腐食ピットを亀裂の発生起点とする疲労現象が起こることが予想される。したがって、鉄道車両に用いられる車輪では、耐腐食疲労特性も求められる。

鋼の耐食性を高める技術が、国際公開第２０１２／０５６７８５号（特許文献３）、国際公開第２０１３／１１１４０７号（特許文献４）、及び特開２００８−２７４３６７号公報（特許文献５）に提案されている。

特許文献３に開示された表面硬化用機械構造用鋼は、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．６０％、Ｓｉ：０．０２〜２．０％、Ｍｎ：０．３５〜１．５％、Ａｌ：０．００１〜０．５％、Ｃｒ：０．０５〜２．０％、Ｓｎ：０．００１〜１．０％、Ｓ：０．０００１〜０．０２１％、Ｎ：０．００３０〜０．００５５％、Ｎｉ：０．０１〜２．０％、Ｃｕ：０．０１〜２．０％、Ｐ：０．０３０％以下、及びＯ：０．００５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、式（１）〜式（３）を満たす。ここで、式（１）は、−０．１９≦０．１２×Ｓｎ＋Ｃｕ−０．１×Ｎｉ≦０．１５、式（２）は、６０≦Ｍｎ／Ｓ≦３００、式（３）は、Ｓｎ≧０．２×Ｃｒである。

特許文献４に開示された肌焼鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．４５％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０超〜２．０％、Ａｌ：０．００１〜０．０６％、Ｎ：０．００２〜０．０３％、Ｓ：０超〜０．１％、Ｐ：０超〜０．０５％、さらにＭｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＳｎの少なくとも１種以上、及び残部：Ｆｅ及び不可避的不純物を含む成分組成を有し、式（１）〜式（３）を満たす。ここで、式（１）は、Ｒｅ＝（Ａｅ／Ａｏ）×１００≦３０％、式（２）は、（Ｃｍｉｎ、１／Ｃｏ）≧０．９５、式（３）は、（Ｃｍｉｎ、２／Ｃｏ）≧０．９５である。この肌焼鋼材のマクロ組織は、横断面が、等軸晶領域と、この等軸晶領域の周囲に配される柱状晶領域とを含む。

特許文献５に開示されたボルト用鋼は、質量％で、Ｃ：０.１５〜０.６％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ及びＣｒ：合計で０.５〜３．５％、Ｐ：０.０５％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｃｕ：０.３％未満、Ｎｉ：１％未満、Ｏ：０.０１％以下、及びＳｎ：０.０５〜０.５０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる。さらに、Ｃｕ／Ｓｎ比が１以下である組成を有する。

特開２０１２−１０７２９５号公報特開２０１３−２３１２１２号公報国際公開第２０１２／０５６７８５号国際公開第２０１３／１１１４０７号特開２００８−２７４３６７号公報

上述の特許文献３〜特許文献５では、Ｓｎを含有させることにより、鋼の耐食性が高まると記載されている。しかしながら、特許文献３〜５では、鉄道用車輪及び鉄道用車輪の耐腐食疲労特性についてはなんら検討されていない。そのため、特許文献３〜特許文献５の技術を鉄道用車輪に用いた場合、強度が不足したり、十分な腐食疲労特性が得られない場合がある。

本発明の目的は、耐腐食疲労特性に優れた鉄道用車輪を提供することである。

本実施形態による鉄道用車輪は、質量％で、Ｃ：０．６５〜０．８０％、Ｓｉ：０．１０〜１．０％、Ｍｎ：０．１０〜１．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．０５〜０．２０％、Ｓｎ：０．００５〜０．５０％、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｎ：０．００２０〜０．０１５％、Ｃｕ：０〜０．２０％、Ｎｉ：０〜０．２０％、Ｍｏ：０〜０．２０％、Ｖ：０〜０．２０％、Ｎｂ：０〜０．０３０％、及び、Ｔｉ：０〜０．０３０％、を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有する。この鉄道用車輪の板部のマトリクス組織はパーライトからなる。

本実施形態による鉄道用車輪は、耐腐食疲労特性に優れる。

図１は、Ｓｎ含有量と腐食疲労強度との関係を示す図である。図２は、鉄道用車輪の正面図である。図３は、鉄道用車輪の側面の一部を示す図である。図４は、腐食疲労強度評価に用いた小野式回転曲げ腐食疲労試験片の正面図である。

本発明者は、種々の化学組成及びミクロ組織を有する鉄道用車輪を用いて、鉄道用車輪の耐腐食疲労特性について調査及び検討し、次の知見を得た。

塗装前の半製品の状態の鉄道用車輪を船舶で海上輸送する場合、鉄道用車輪は水分（結露）、海水、及び飛来塩分にさらされる。このとき、鉄道用車輪に腐食ピットが生成される場合がある。また、鉄道用車輪は、塗装後に使用される。そして、鉄道用車輪の使用中に、鉄道用車輪の板部の塗装が経年劣化や異物（石など）の衝突によって損耗・剥離して素材の鋼が露出し、大気環境（飛来塩分が存在する場合も含む）にさらされると、鉄道用車輪に腐食ピットが生成される場合がある。このような状況で発生した腐食ピットが原因で、耐腐食疲労特性が低下する可能性がある。

このような鉄道用車輪の腐食疲労を防止するためには、大気中や飛来塩分中での鋼の耐食性を高め、疲労亀裂の発生起点となる深い腐食ピットの生成を抑制すればよい。鋼の耐食性を高めるためにはＣｒ及びＮｉを多量に含有させてステンレス鋼化することが有効である。しかしながら、Ｃｒ及びＮｉを含有させると原料コストが高くなる。さらに、製造性及び強度が低下する。Ｃｒはさらに、鉄道用車輪に用いられる高炭素鋼において、炭化物を形成する。そのため、耐食性に寄与する固溶Ｃｒ量を確保することが難しい。したがって、Ｃｒ及びＮｉを多量に含有する鋼は、鉄道用車輪用途には適さない。

上述のとおり、耐腐食疲労特性を高めるためには、鉄道用車輪の板部において深い腐食ピットの生成を抑制することが重要である。鉄道用車輪にＳｎを含有させれば、塩水環境下の腐食と、腐食ピットの生成とを抑制できる。その結果、鋼の耐腐食疲労特性を高めることができる。

図１は、Ｓｎ含有量と、腐食疲労強度との関係を示す図である。図１は後述の実施例により得られた。

図１を参照して、Ｓｎを含有させれば、鉄道用車輪の腐食疲労強度は顕著に高まる。Ｓｎ含有量が０．００５％以上であれば、腐食疲労強度が４００ＭＰa以上となり、優れた耐腐食疲労特性を有する鉄道用車輪が得られる。

［マトリクス組織について］
鉄道用車輪の板部のマトリクス組織がパーライトであれば、靭延性に優れた鉄道用車輪が得られる。Ｓｎはオーステナイト粒界に濃化する。マルテンサイト及びベイナイト等の非パーライト組織からなる鋼は、旧オーステナイト粒界が存在する。そのため、Ｓｎが濃化した旧オーステナイト粒界に沿って破壊しやすくなる。その結果、鋼の靭延性が低下する。鋼のマトリクス組織がパーライトの場合、旧オーステナイト粒界は存在しない。そのため、冷却前の旧オーステナイト粒界にＳｎが濃化していても、冷却後の組織（パーライト）には旧オースナイト粒界は存在しないため、粒界に沿った破壊は起こらない。したがって、鋼の靭延性の低下を抑制できる。

以上の知見に基づいて完成した本実施形態による鉄道用車輪は、質量％で、Ｃ：０．６５〜０．８０％、Ｓｉ：０．１０〜１．０％、Ｍｎ：０．１０〜１．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．０５〜０．２０％、Ｓｎ：０．００５〜０．５０％、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｎ：０．００２０〜０．０１５％、Ｃｕ：０〜０．２０％、Ｎｉ：０〜０．２０％、Ｍｏ：０〜０．２０％、Ｖ：０〜０．２０％、Ｎｂ：０〜０．０３０％、及び、Ｔｉ：０〜０．０３０％、を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有する。この鉄道用車輪の板部のマトリクス組織はパーライトからなる。

上記化学組成は、質量％で、Ｃｕ：０．０２〜０．２０％、及び、Ｎｉ：０．０２〜０．２０％からなる群から選択される１種以上を含有してもよい。

上記化学組成は、質量％で、Ｍｏ：０．００５〜０．２０％、Ｖ：０．００５〜０．２０％、Ｎｂ：０．０１０〜０．０３０％、及び、Ｔｉ：０．０１０〜０．０３０％、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、本実施形態の鉄道用車輪について詳述する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。

［化学組成］
本実施形態の鉄道用車輪の化学組成は、次の元素を含有する。

Ｃ：０．６５〜０．８０％
炭素（Ｃ）は、鋼の強度を高め、耐摩耗性及び耐疲労特性を高める。Ｃ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、鋼の強度が高くなりすぎ、仕上げ加工時の被削性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．６５〜０．８０％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．６７％であり、さらに好ましくは０．６９％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．７５％であり、さらに好ましくは０．７３％である。

Ｓｉ：０．１０〜１．０％
シリコン（Ｓｉ）は鋼の強度を高める。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、鋼の強度が高くなりすぎ、仕上げ加工時の被削性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．１０〜１．０％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．１５％であり、さらに好ましくは０．２０％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．９０％であり、さらに好ましくは０．８０％である。

Ｍｎ：０．１０〜１．０％
マンガン（Ｍｎ）はパーライト組織のラメラ間隔を微細化して鋼の強度を高める。Ｍｎ含有量が低すぎれば、この効果は得られない。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、マルテンサイト及びベイナイト等の非パーライト組織が生成されるため、仕上げ加工時の被削性及び鉄道用車輪製造工程での歩留りが低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．１０〜１．０％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０．５５％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．９０％であり、さらに好ましくは０．８５％である。

Ｐ：０．０３０％以下
リン（Ｐ）は不純物である。Ｐは粒界に偏析して鋼の靭性を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１２％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。

Ｓ：０．０３０％以下
硫黄（Ｓ）は不可避に含有される。ＳはＭｎＳを形成して鋼の被削性を高める。一方、Ｓ含有量が高すぎれば、粗大な硫化物介在物が形成され、鋼の疲労強度、靭性等の車輪特性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０３０％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０１２％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。被削性を高めるためのＳ含有量の好ましい下限は０．００８％である。

Ｃｒ：０．０５〜０．２０％
クロム（Ｃｒ）はＭｎと同様、パーライト組織のラメラ間隔を微細化して鋼の強度を高める。Ｃｒ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、マルテンサイト及びベイナイト等の非パーライト組織が生成されるため、仕上げ加工時の被削性及び車輪製造工程の歩留りが低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．０５〜０．２０％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．０７％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は０．１８％であり、さらに好ましくは０．１６％である。

Ｓｎ：０．００５〜０．５０％
スズ（Ｓｎ）は、鋼の耐食性を高める。Ｓｎはさらに、疲労亀裂の発生起点となる腐食ピットの生成を抑制し、車輪の耐腐食疲労特性を高める。Ｓｎ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｓｎ含有量が高すぎれば、鋼の熱間延性が低下し、鋼の製造性を損なう。したがって、Ｓｎ含有量は０．００５〜０．５０％である。Ｓｎ含有量の好ましい下限は０．１５％であり、さらに好ましくは０．２０％である。Ｓｎ含有量の好ましい上限は０．４０％であり、さらに好ましくは０．３５％である。

Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％
アルミニウム（Ａｌ）は、高温域においても安定な窒化物を形成する。Ａｌ窒化物はピン止め粒子として焼入れ加熱時にオーステナイト粒の粗大化を抑制し、鋼の組織を微細化する。その結果、鋼の強度と靭延性のバランスを改善する。Ａｌはさらに、精錬時に鋼の脱酸を行うのに有効な元素である。一方、Ａｌ含有量が高すぎれば、粗大な介在物を生成して靭性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．０１０〜０．０５０％である。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０４５％であり、さらに好ましくは０．０４０％である。本明細書でいうＡｌ含有量は、酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）の含有量を意味する。

Ｎ：０．００２０〜０．０１５％
窒素（Ｎ）は、高温域においても安定な窒化物を形成する。窒化物はピン止め粒子として焼入れ加熱時にオーステナイト粒の粗大化を抑制し、鋼の組織を微細化する。一方、Ｎ含有量が高すぎれば、粗大な介在物を生成して靭性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００２０〜０．０１５％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００３０％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．００８０％であり、さらに好ましくは０．００７０％である。

本実施の形態による鉄道用車輪の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、鉄道用車輪を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、本実施形態の鉄道用車輪に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

［任意元素について］
上述の鉄道用車輪はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｕ及びＮｉからなる群から選択される１種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、鋼の焼入れ性を高めて鋼の強度を高める。

Ｃｕ：０〜０．２０％
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、鋼の熱間延性が低下し、製造性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０〜０．２０％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましくは０．０４％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．１５％であり、さらに好ましくは０．１３％である。

Ｎｉ：０〜０．２０％
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、鋼の強度及び靭性を高める。しかしながら、Ｎｉ含有量が高すぎれば、原料コストが高くなる。したがって、Ｎｉ含有量は０〜０．２０％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は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０．１５％であり、さらに好ましくは０．１３％である。

上述の鉄道用車輪はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、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。これらの元素はいずれも任意元素であり、鋼を微細化することにより鋼の強度を高める。

Ｍｏ：０〜０．２０％
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、析出強化により鋼の強度を高める。Ｍｏはさらに、Ｍｎ及びＣｒと同様に、パーライト組織のラメラ間隔を微細化して鋼の強度を高める。しかしながら、Ｍｏ含有量が高すぎれば、マルテンサイト及びベイナイト等の非パーライト組織が生成し、仕上げ加工時の被削性及び車輪製造工程での歩留りが低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０〜０．２０％である。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０．００８％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．１５％であり、さらに好ましくは０．１３％である。

Ｖ：０〜０．２０％
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、微細な炭化物を形成し、析出強化により、鋼の強度を高める。しかしながら、Ｖ含有量が高すぎれば、マルテンサイト及びベイナイト等の非パーライト組織が生成し、仕上げ加工時の被削性及び車輪製造工程での歩留りが低下する。したがって、Ｖ含有量は０〜０．２０％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．００７％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．１５％であり、さらに好ましくは０．１３％である。

Ｎｂ：０〜０．０３０％
ニオブ（Ｎｂ）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、Ｎｂは、高温域において窒化物及び炭化物を形成して鋼の組織を微細化し、鋼の強度を高める。しかしながら、Ｎｂ含有量が高すぎれば、鋼の熱間延性が低下し、連続鋳造時の製造性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０〜０．０３０％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０１２％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２２％である。

Ｔｉ：０〜０．０３０％
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、高温域において窒化物及び炭化物を形成して鋼の組織を微細化し、鋼の強度を高める。しかしながら、Ｔｉ含有量が高すぎれば、鋼の靭性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０〜０．０３０％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．０１０％であり、さらに好ましくは０．０１２％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２２％である。

［マトリクス組織について］
図２は、本実施形態の鉄道用車輪の正面図であり、図３は、本実施形態の鉄道用車輪のリム部近傍部分の断面図である。図２及び図３を参照して、鉄道用車輪は、リム部１と、板部２と、ボス部５とを備える。リム部１は、鉄道用車輪の外縁に配置され、レールと接触する踏面３を含む。ボス部５は、鉄道用車輪の中央部に形成されている。ボス部５の中央には貫通孔が形成されており、この貫通孔に車軸が圧入される。

板部２は、リム部１とボス部５との間に形成されており、リム部１とボス部５とに繋がっている。板部２の厚さは、リム部１の厚さ及びボス部５の厚さよりも薄い。

本実施形態の鉄道用車輪の板部２のマトリクス組織はパーライトからなる。本明細書において、マトリクス組織がパーライトからなるとは、板部２のマトリクス組織において、パーライトの面積率が９５％以上であることを意味する。

マルテンサイト及びベイナイト等の非パーライト組織からなる鉄道用車輪がＳｎを含有すれば、Ｓｎが旧オーステナイト粒界に濃化し、鉄道用車輪の機械的性質を低下する。具体的には、靭延性が低下し、割れやすくなる。鉄道用車輪の板部２のマトリクス組織がパーライトであれば、旧オーステナイト粒界が存在しない。そのため、割れにくく、かつ耐腐食疲労特性に優れた鉄道用車輪を得ることができる。

マトリクス組織において、過共析セメンタイトは鋼の靭性を低下する。したがって、板部２において、過共析セメンタイトの面積率は低い方が好ましい。

なお、鉄道用車輪のリム部１のマトリクス組織は、板部２と同様に、パーライトからなる。つまり、リム部１のマトリクス組織において、パーライトの面積率は９５％以上である。一方、鉄道用車輪のボス部５のマトリクス組織において、パーライトの面積率は８５％以上であり、初析フェライトの面積率は１５％以下である。

マトリクス組織は次の方法で測定される。鉄道用車輪（板部２では、板部２の厚さをｔと定義した場合、表面からｔ／４深さ位置）からサンプルを採取する。採取されたサンプルの表面のうち、板部２の円周方向と垂直な面を観察面とする。観察面を研磨した後、３％硝酸アルコール（ナイタル腐食液）にてエッチングする。エッチングされた観察面を５００倍の光学顕微鏡にて観察して、任意の５視野の写真画像を生成する。

各視野において、パーライト、フェライト、ベイナイト、マルテンサイト等の各相は、相ごとにコントラストが異なる。したがって、コントラストに基づいて、各相を特定する。特定された相のうち、各視野でのパーライトの面積（μｍ²）を求める。全ての視野でのパーライトの面積の総和の、全ての視野の総面積に対する比を、パーライトの面積率（％）と定義する。パーライトの面積率の好ましい下限は９５％あり、さらに好ましくは９８％である。

［製造方法］
上述の鉄道用車輪の製造方法の一例を説明する。

本実施形態の鉄道用車輪の製造方法は、素材を準備する工程（準備工程）と、素材から鉄道用車輪を成形する工程（成形工程）と、成形された鉄道用車輪に対して熱処理を実施する工程（熱処理工程）とを備える。以下、各工程について説明する。

［準備工程］
電気炉又は転炉等を用いて、上述の化学組成を有する溶鋼を製造する。溶鋼を用いて素材を製造する。たとえば、連続鋳造法により、鋳片を製造する。又は、造塊法により、インゴットを製造する。鋳片又はインゴットに対して、分塊圧延又は熱間鍛造を実施して、素材としてのビレットを製造する。素材は連続鋳造法により製造された鋳片であってもよい。素材の形状は円柱状が好ましい。

［成形工程］
準備された素材を用いて、鉄道用車輪の中間品を成形する。素材を長手方向に対し垂直の方向に切断する。切断面に対して垂直方向に熱間加工し、円盤状の形状に成形する。さらに、熱間加工で、車輪の粗形状となるように鉄道用車輪の中間品を成形する。熱間加工はたとえば、熱間鍛造、熱間圧延等である。中間品は鉄道用車輪の形状を有するため、踏面３及びフランジ部４を有する。

［熱処理工程］
熱処理工程では、成形された鉄道用車輪の中間品に対して熱処理を実施する。具体的には、熱間加工後の高温の中間品の踏面３及びフランジ部４に対して熱処理を実施する。熱間加工（熱間鍛造又は熱間圧延）後に中間品を再加熱（再加熱処理）し、その後熱処理を実施してもよい。熱処理工程は、焼入れ処理を含む。焼入れ処理後に、焼戻し処理を行ってもよい。これにより、リム部１の踏面３及びフランジ部４において、切削加工によって除去可能な程度の最表層のマルテンサイト組織（焼入れ層）の下層に、硬質なパーライト組織を確保することができる。

焼入れ処理では、例えば冷却水による踏面焼入れを適用することができる。焼入れ処理の冷却媒体は、所望の組織に適した冷却速度が得られるものであれば、特に限定されるものではない。冷却媒体はたとえば、エアー、ミスト、汽水（スプレー）、ソルトバス等である。踏面焼入れを適用しても、踏面３やフランジ部４より冷却速度が遅い板部２の組織はパーライトとなる。

焼入れ後の中間品に対して、焼戻しを実施する。焼戻しは周知の温度及び時間で行えば足りる。たとえば、焼戻し温度は４００〜６００℃であり、均熱時間は６０〜１８０分である。

以上の製造工程で製造された鉄道用車輪では、板部２において、パーライトの面積率が９５％以上になる。そのため、鉄道用車輪の摩耗量が低減する。さらに、Ｓｎを含有させても、加工性に優れ、割れにくく、かつ耐腐食疲労特性に優れた鉄道用車輪を得ることができる。

表１に示す化学組成を有する、鋳片を連続鋳造により製造した。鋳片の直径は４５３ｍｍであった。鋳片を用いて、熱間鍛造により、鉄道用車輪を成形した。

成形された鉄道用車輪に対して、踏面３及びフランジ部４に対して８５０℃で焼入れを実施した。具体的には、８５０℃に加熱した鉄道用車輪に対して、車輪を回転させながらノズルから水を噴射して冷却した（いわゆる「踏面焼入れ」）。焼入れ後の鉄道用車輪の踏面３及びフランジ部４に対してさらに４５０℃で焼戻しを実施した。踏面３の最表層には焼入れ層（過冷組織であるマルテンサイト及びベイナイト）が存在しているため、踏面３の最表層に対して切削加工を実施して焼入れ層を除去した。以上の工程により、試験番号１〜１７の鉄道用車輪を製造した。

鉄道用車輪の形状は、図２及び図３に示すとおりであった。鉄道用車輪の直径は、１２００ｍｍであり、リム部１の幅Ｗ３は１２５ｍｍであり、リム部１の踏面３からの厚さＤ３は６５ｍｍであった。

［ミクロ組織観察試験］
鉄道用車輪の板部２の表面に対して垂直に切断して、板部２の表面からｔ／４深さ位置から、ミクロ組織観察用のサンプルを採取した。上記板部２の切断面が被検面になるようにサンプルを樹脂埋めし、鏡面研磨を行った。その後、上述の方法でミクロ組織観察を実施した。ミクロ観察の結果、いずれの試験番号においても、マトリクス組織において、パーライトの面積率は９５％以上であり、ミクロ組織が実質的にパーライトであった。

［腐食疲労強度試験］
各試験番号の鉄道用車輪の板部２の図２及び図３に示す位置から、図４に示す小野式回転曲げ疲労試験片１０を切り出した。試験片の長手方向が車輪の円周方向に沿うように、試験片を切り出した。

図４を参照して、小野式回転曲げ疲労試験片１０は、横断面が円形であり、平行部長さが１５ｍｍであった。図４中の単位が示されていない数値は、試験片の対応する部位の寸法（単位はｍｍ）を示す。図中の「φ数値」は、指定されている部位の直径（ｍｍ）を示す。

小野式回転曲げ疲労試験片１０に対して、ＣＣＴ（ＣｙｃｌｉｃＣｏｒｒｏｓｉｏｎＴｅｓｔｉｎｇ）を実施した。ＣＣＴによる腐食の影響を防ぐため、試験片の平行部以外にはマスキングを施した。ＣＣＴの条件は次のとおりとした。初めに雰囲気温度３５℃で５％ＮａＣｌ溶液を８時間噴霧した。次に３５℃、相対湿度６０％の雰囲気中で１６時間試験片を保持した。噴霧工程及び保持工程を１サイクルとし、１４サイクル実施した。

マスキングを除去した試験片に対して、小野式回転曲げ疲労試験機を用いた回転曲げ疲労試験を実施した。具体的には、ＪＩＳＺ２２７４（１９７４）に準拠した回転曲げ疲労試験を室温（２５℃）の大気雰囲気中で、回転数３０００ｒｐｍの両振りの条件で実施した。繰り返し数Ｎ＝１０⁷回後に破断しなかった最も高い応力を、腐食疲労強度（ＭＰａ）と定義した。

［試験結果］
表１に試験結果を示す。

表１を参照して、試験番号１〜試験番号１３及び試験番号１７の鉄道用車輪の化学組成は適切であり、板部２のマトリクス組織のパーライト面積率が９５％以上であった。その結果、腐食疲労強度は４００ＭＰa以上となり、優れた耐腐食疲労特性を示した。

一方、試験番号１４〜試験番号１６では、Ｓｎ含有量が低すぎた。そのため、腐食疲労強度は４００ＭＰa未満となり、腐食疲労強度が低かった。

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。

１リム部
２板部
３踏面
４フランジ部
５ボス部

Claims

質量％で、
Ｃ：０．６５〜０．８０％、
Ｓｉ：０．１０〜１．０％、
Ｍｎ：０．１０〜１．０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．０５〜０．２０％、
Ｓｎ：０．００５〜０．５０％、
Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、
Ｎ：０．００２０〜０．０１５％、
Ｃｕ：０〜０．２０％、
Ｎｉ：０〜０．２０％、
Ｍｏ：０〜０．２０％、
Ｖ：０〜０．２０％、
Ｎｂ：０〜０．０３０％、及び、
Ｔｉ：０〜０．０３０％、を含有し、
残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
板部のマトリクス組織がパーライトからなる、鉄道用車輪。
請求項１に記載の鉄道用車輪であって、
Ｃｕ：０．０２〜０．２０％、及び、
Ｎｉ：０．０２〜０．２０％からなる群から選択される１種以上を含有する鉄道用車輪。
請求項１又は請求項２に記載の鉄道用車輪であって、
Ｍｏ：０．００５〜０．２０％、
Ｖ：０．００５〜０．２０％、
Ｎｂ：０．０１０〜０．０３０％、及び、
Ｔｉ：０．０１０〜０．０３０％、からなる群から選択される１種又は２種以上を含有する鉄道用車輪。