JP6773254B2 - 鉄道車輪 - Google Patents
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Description
リム部と、
ボス部と、
前記リム部と前記ボス部との間に配置され、前記リム部と前記ボス部とにつながる板部とを備え、
前記鉄道車輪の化学組成は、質量%で、
C:0.80〜1.15%、
Si:0.45%以下、
Mn:0.10〜0.85%、
P:0.050%以下、
S:0.030%以下、
Al:0.200〜1.500%、
N:0.0200%以下、
Nb:0.005〜0.050%、
Cr:0〜0.25%、
V:0〜0.12%、及び、
残部がFe及び不純物からなり、
前記鉄道車輪の前記リム部、前記ボス部及び前記板部のうち、少なくとも前記リム部及び前記板部のミクロ組織において、式(1)で定義される初析セメンタイト量が2.00本/100μm以下である。
初析セメンタイト量(本/100μm)=200μm×200μmの正方形視野の2本の対角線と交差する初析セメンタイトの本数の総和/(5.66×100μm)×100 (1)
図1は本実施形態による鉄道車輪の中心軸を含む断面図である。図1を参照して、鉄道車輪1は円盤状であり、ボス部2と、板部3と、リム部4とを備える。ボス部2は円筒状であり、鉄道車輪1の径方向(中心軸に対して垂直な方向)において、中央部に配置される。ボス部2は貫通孔21を有する。貫通孔21の中心軸は、鉄道車輪1の中心軸と一致する。貫通孔21には、図示しない鉄道用車軸が挿入される。ボス部2の厚さT2は、板部3の厚さT3よりも厚い。リム部4は、鉄道車輪1の外周の縁部に形成されている。リム部4は、踏面41と、フランジ部42とを含む。踏面41は、フランジ部42と繋がっている。鉄道車輪1の使用時において、踏面41及びフランジ部42はレール表面と接触する。リム部4の厚さT4は、板部3の厚さT3よりも厚い。板部3は、ボス部2とリム部4との間に配置され、ボス部2及びリム部4とつながっている。具体的には、板部3の内周縁部はボス部2とつながっており、板部3の外周縁部はリム部4とつながっている。板部3の厚さT3は、ボス部2の厚さT2及びリム部4の厚さT4よりも薄い。
図9A及び図9Bは、鉄道車輪を想定した試験材(高Al材、低Al材)を用いたジョミニ式一端焼入れ試験により得られた、水冷端からの距離と、ロックウェル硬さHRCとの関係を示す図である。図9A及び図9Bは次の方法により求めた。
図10は、表1に示す高Al材及び低Al材でのミクロ組織観察により得られた旧オーステナイト結晶粒径と、Nb含有量との関係を示す図である。図10は次の方法により得られた。上述の試験番号1〜6の供試材に対して、低冷速での連続冷却試験(フォーマスタ試験)を実施した。具体的には、熱処理には富士電波工機製のフォーマスタ試験機を使用した。具体的には、各試験片をAcm変態点以上の950℃で5分間均熱した。その後、一定の冷却速度0.01〜0.1℃/秒未満で常温まで冷却した。冷却後の供試材を切断してミクロ組織観察試験片を作製した。これらの十分低い冷却速度で冷却した場合、旧オーステナイト結晶粒界に初析セメンタイトが析出している。そこで、ミクロ組織観察試験片の表面(観察面)に対して、初析セメンタイトの現出に適した腐食液であるピクリン酸ソーダ液(水100ml+ピクリン酸2g+水酸化ナトリウム25g)を用いたエッチングを実施した。エッチングでは、煮沸したピクリン酸ソーダ液にミクロ組織観察試験片を浸漬した。エッチング後のミクロ組織観察試験片の観察面を200倍の光学顕微鏡で観察した。200倍での観察視野は500μm×500μmの正方形視野であった。観察視野の写真画像を生成した。上述のとおり、上記試験片において、旧オーステナイト結晶粒の粒界には初析セメンタイトが析出しているため、ミクロ組織観察において旧オーステナイト結晶粒を特定できる。そこで、視野内で特定された旧オーステナイト結晶粒の粒径を、切断法により求めた。具体的には、図8に示すとおり、正方形視野100の視野に、2本の対角線101を引いた。そして、これら2本の対角線101と交差する初析セメンタイトの本数の総和を求めた。そして、次式により、旧オーステナイト結晶粒径(μm)を求めた。
旧オーステナイト結晶粒径=2本の対角線101の総長さ/対角線101に交差する初析セメンタイトの総本数
ここで、2本の対角線101の総長さは1414μmとした。
鉄道車輪であって、
リム部と、
ボス部と、
前記リム部と前記ボス部との間に配置され、前記リム部と前記ボス部とにつながる板部とを備え、
前記鉄道車輪の化学組成は、質量%で、
C:0.80〜1.15%、
Si:0.45%以下、
Mn:0.10〜0.85%、
P:0.050%以下、
S:0.030%以下、
Al:0.200〜1.500%、
N:0.0200%以下、
Nb:0.005〜0.050%、
Cr:0〜0.25%、
V:0〜0.12%、及び、
残部がFe及び不純物からなり、
前記鉄道車輪の前記リム部、前記ボス部及び前記板部のうち、少なくとも前記リム部及び前記板部のミクロ組織において、式(1)で定義される初析セメンタイト量が2.00本/100μm以下である、
鉄道車輪。
初析セメンタイト量(本/100μm)=200μm×200μmの正方形視野の2本の対角線と交差する初析セメンタイトの本数の総和/(5.66×100μm)×100 (1)
[1]に記載の鉄道車輪であって、
前記鉄道車輪の前記リム部、前記ボス部及び前記板部のミクロ組織において、式(1)で定義される初析セメンタイト量が2.00本/100μm以下である、
鉄道車輪。
[1]又は[2]に記載の鉄道車輪であって、
前記化学組成は、
Cr:0.02〜0.25%、及び、
V:0.02〜0.12%、
からなる群から選択される1元素以上を含有する、
鉄道車輪。
本実施形態の鉄道車輪の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は、鋼の硬度を高め、鉄道車輪の耐摩耗性を高める。C含有量が0.80%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、この効果が得られない。一方、C含有量が1.15%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、旧オーステナイト結晶粒界に初析セメンタイトが多く析出する場合がある。この場合、鉄道車輪の靱性が低下する。したがって、C含有量は0.80〜1.15%である。C含有量の好ましい下限は0.85%であり、さらに好ましくは0.87%であり、さらに好ましくは0.90%であり、さらに好ましくは0.95%である。C含有量の好ましい上限は1.10%であり、さらに好ましくは1.05%である。
シリコン(Si)は不可避に含有される。つまり、Si含有量は0%超である。Siは、フェライトを固溶強化して鋼の硬さを高める。しかしながら、Si含有量が0.45%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼の靭性低下の要因となる初析セメンタイトが生成しやすくなる。Si含有量が0.45%を超えればさらに、鋼の焼入れ性が高くなりすぎ、マルテンサイトが生成しやすくなる。この場合、踏面焼入れ時に踏面上に形成される焼入れ層の厚みが増大する。その結果、切削量が増大して歩留まりが低下する。Si含有量が0.45%を超えればさらに、鉄道車輪の使用中に、ブレーキとの間に発生する摩擦熱により焼きが入る。この場合、鉄道車輪の耐き裂性が低下する場合がある。したがって、Si含有量は0.45%以下である。Si含有量の好ましい上限は0.35%であり、さらに好ましくは0.25%である。Si含有量の下限は特に制限されない。しかしながら、Si含有量の過剰な低減は製造コストを高める。したがって、Si含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.05%である。
マンガン(Mn)はフェライトを固溶強化して鋼の硬さを高める。Mnはさらに、MnSを形成し、鋼の被削性を向上する。Mn含有量が0.10%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、これらの効果は得られない。一方、Mn含有量が0.85%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼の焼入れ性が高くなりすぎる。この場合、焼入れ層の厚みが増大し、製造工程時における歩留まりが低下する。さらに、鉄道車輪の使用時に、ブレーキとの間に発生する摩擦熱により焼きが入り、鋼の耐き裂性が低下する場合がある。したがって、Mn含有量は0.10〜0.85%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0.70%である。Mn含有量の好ましい上限は0.84%であり、さらに好ましくは0.82%である。
りん(P)は、不可避に含有される不純物である。つまり、P含有量は0%超である。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0.050%以下である。P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%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、P含有量の過剰な低減は製造コストを高める。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、P含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。
硫黄(S)は、不可避に含有される。つまり、S含有量は0%超である。SはMnSを形成し、鋼の被削性を高める。一方、S含有量が高すぎれば、鋼の靭性が低下する。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0.020%である。S含有量の過剰な低減は製造コストを高める。したがって、S含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%であり、さらに好ましい下限は0.005%である。
アルミニウム(Al)は、鋼の靭性低下の要因となる初析セメンタイトの生成を抑制する。Al含有量が0.200%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Al含有量が1.500%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な非金属介在物が多くなり、鋼の靭性及び疲労強度が低下する。したがって、Al含有量は0.200〜1.500%である。Al含有量の好ましい下限は0.250%であり、さらに好ましくは0.270%であり、さらに好ましくは0.300%であり、さらに好ましくは0.400%であり、さらに好ましくは0.500%である。Al含有量の好ましい上限は1.450%であり、さらに好ましくは1.400%であり、さらに好ましくは1.350%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。
窒素(N)は、不可避に含有される不純物である。N含有量が0.0200%を超えれば、AlNが粗大化して、鋼の靭性を低下する。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、0.0100%であり、さらに好ましくは0.0080%である。N含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、N含有量の過剰な低減は製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮すれば、N含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0010%であり、さらに好ましくは0.0030%である。
ニオブ(Nb)は、鉄道車輪の製造工程中の踏面焼入れのための加熱時において、Cと結合して微細なNbCを生成する。微細なNbCはピンニング粒子として機能して、加熱時におけるオーステナイトの粗大化を抑制する。そのため、旧オーステナイト結晶粒が微細なまま維持され、鋼の焼入れ性が抑制される。その結果、鉄道車輪の製造工程中における焼入れ層の生成を抑制する。Nbはさらに、旧オーステナイト結晶粒の粗大化を抑制することにより、鋼材の靭性も高める。Nb含有量が0.005%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Nb含有量が0.050%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、NbCが粗大化して鋼材の靭性がかえって低下する。したがって、Nb含有量は0.005〜0.050%である。Nb含有量の好ましい下限は0.007%であり、さらに好ましくは0.009%である。Nb含有量の好ましい上限は0.030%であり、さらに好ましくは0.023%である。
本実施形態の鉄道車輪の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Crを含有してもよい。
クロム(Cr)は、任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Cr含有量は0%であってもよい。含有される場合、Crは、パーライトのラメラ間隔を狭める。これにより、パーライトの硬度が顕著に増大する。しかしながら、Cr含有量が0.25%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、焼入れ性が過剰に高くなり、踏面焼入れ後の焼入れ層の厚さが過剰に増大する。したがって、Cr含有量は0〜0.25%である。Cr含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは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0.03%である。Cr含有量の好ましい上限は0.24%であり、さらに好ましくは0.23%であり、さらに好ましくは0.22%である。
バナジウム(V)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、V含有量は0%であってもよい。含有される場合、Vは、炭化物、窒化物、及び炭窒化物のいずれかを形成して、鋼(具体的には鋼中のフェライト)を析出強化する。その結果、鉄道車輪の硬さが増大して、耐摩耗性をさらに高める。しかしながら、V含有量が0.12%を超えれば、焼入れ性が高くなり、踏面焼入れ後の焼入れ層の厚さが過剰に増大する。したがって、V含有量は0〜0.12%である。V含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは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0.03%である。V含有量の好ましい上限は0.11%であり、さらに好ましくは0.10%である。
本実施形態による鉄道車輪は、リム部、ボス部及び板部のうち、少なくともリム部及び板部のミクロ組織において、式(1)で定義される初析セメンタイト量(初析θ量)が2.00本/100μm以下である。
初析θ量(本/100μm)=200μm×200μmの正方形視野の2本の対角線と交差する初析セメンタイトの本数の総和/(5.66×100μm)×100 (1)
本実施形態の鉄道車輪のリム部、板部、及びボス部のミクロ組織は、実質的にパーライトからなる。ここで「実質的にパーライトからなる」とは、ミクロ組織におけるパーライトの面積率が95.0%以上であることを意味する。
上述の鉄道車輪を製造する方法の一例を説明する。本製造方法は、鉄道車輪用鋼を製造する工程(素材製造工程)と、熱間加工により、鉄道車輪用鋼から車輪形状の中間品を成形する工程(成形工程)と、成形された中間品に対して熱処理(踏面焼入れ)を実施する工程(熱処理工程)と、熱処理後の中間品の踏面等から焼入れ層を切削加工により除去して鉄道車輪とする工程(切削加工工程)とを含む。以下、各工程について説明する。
素材製造工程では、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溶製した後、鋳造して鋼塊にする。なお、鋼塊は連続鋳造による鋳片、鋳型によって鋳込まれたインゴットのいずれであってもよい。
成形工程では、準備された鉄道車輪用鋼材を用いて、熱間加工により車輪形状の中間品を成形する。中間品は車輪形状を有するため、ボス部と、板部と、踏面及びフランジ部を含むリム部とを備える。熱間加工はたとえば、熱間鍛造、熱間圧延等である。
熱処理工程では、成形された車輪形状の中間品に対して踏面焼入れを実施する。具体的には、熱間加工(熱間鍛造又は熱間圧延)後の中間品をAcm変態点以上に再加熱する(再加熱処理)。加熱後、中間品の踏面及びフランジ部を急冷(踏面焼入れ)する。たとえば、冷却媒体により踏面及びフランジ部を冷却する。冷却媒体はたとえば、エアー、ミスト、汽水(スプレー)であり、所望の組織に合っ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。なお、踏面焼入れ時において、板部及びボス部は水冷せずに放冷する。本実施形態では、鉄道車輪の化学組成におけるAl含有量を0.200〜1.500%とすることにより、踏面焼入れ時において板部及びボス部を従前の製造方法と同じく放冷しても、初析セメンタイトの生成を十分に抑制できる。具体的には、リム部、板部、ボス部において、初析θ量を2.00本/100μm以下に抑えることができる。さらに、Nbを0.005〜0.050%含有することにより、熱処理工程の加熱時において微細なNbCが生成し、ピンニング粒子として機能する。その結果、旧オーステナイト結晶粒の粗大化が抑制される。
上述のとおり、熱処理後の中間品の踏面の表層には微細パーライトが形成されるが、その上層には焼入れ層が形成されている。鉄道車輪の使用において、焼入れ層の耐摩耗性は低いため、切削加工により焼入れ層を除去する。切削加工は周知の方法で行えば足りる。上述のとおり、本実施形態の鉄道車輪ではNbを0.005〜0.050%含有することにより、焼入れ層の生成を抑制できる。そのため、製造工程における歩留まりも高めることができる。
表2に示す化学組成を有する鋼番号1〜17の溶鋼を製造した。
鉄道車輪の製造工程中の踏面焼入れを模擬した模擬踏面焼入れ試験を実施して、模擬踏面焼入れ試験後の初析θ量を調査した。
各試験番号の丸棒の表面から径方向にD/4深さ位置(「D」は、丸棒の直径)から、直径3mm、長さ10mmの熱処理試験片を作製した。熱処理試験片の長手方向は、丸棒の中心軸方向と一致した。
さらに、焼入れ層の深さについて、ジョミニ式一端焼入れ試験を実施した。ジョミニ式一端焼入れ試験は次の方法で実施した。各鋼番号の直径40mmの丸棒から、直径25mm、長さ100mmのジョミニ試験片を作製した。ジョミニ試験片の中心軸は、丸棒の中心軸と一致した。ジョミニ試験片を用いて、JIS G0561(2011)に準拠したジョミニ式一端焼入れ試験を実施した。具体的には、ジョミニ試験片を大気雰囲気中、Acm変態点以上の温度である950℃の炉内で30分保持して、ジョミニ試験片の組織をオーステナイト単相とした。その後、一端焼入れ(水冷)を実施した。具体的には、ジョミニ試験片の一端に水を噴射して冷却した。
各試験番号の丸棒の表面から径方向にD/4深さ位置から、直径3mm、長さ10mmの熱処理試験片を作製した。熱処理試験片の長手方向は、丸棒の中心軸の方向と一致した。
旧オーステナイト結晶粒の粒径=2本の対角線101の総長さ/対角線101に交差する初析セメンタイトの総本数
ここで、2本の対角線101の総長さは、1414μmであった。
試験結果を表2に示す。表2を参照して、いずれの試験番号においても、焼入れ層以外の領域でのミクロ組織は実質的にパーライトからなる組織であった。つまり、パーライト面積率が95.0%以上であった。
表2の試験番号1〜17のうち、Nb以外の元素含有量が適切な試験番号5の直径40mmの丸棒と、全ての元素含有量が適切な試験番号9、10、12及び13の直径40mmの丸棒とを用いて、靱性を次の方法で評価した。具体的には、試験番号5、9、10、12及び13の丸棒から、幅12mm、高さ12mm、長さ70mmの角棒状熱処理素材を3本ずつ採取した。角棒状熱処理素材は丸棒の中心軸から半径4mmの範囲を避けて採取した。角棒状熱処理素材の長手方向は、丸棒の長手方向に平行であった。
2 ボス部
3 板部
4 リム部
41 踏面
42 フランジ
Claims (3)
- 鉄道車輪であって、
リム部と、
ボス部と、
前記リム部と前記ボス部との間に配置され、前記リム部と前記ボス部とにつながる板部とを備え、
前記鉄道車輪の化学組成は、質量%で、
C:0.80〜1.15%、
Si:0.45%以下、
Mn:0.10〜0.85%、
P:0.050%以下、
S:0.030%以下、
Al:0.200〜1.500%、
N:0.0200%以下、
Nb:0.005〜0.050%、
Cr:0〜0.25%、
V:0〜0.12%、及び、
残部がFe及び不純物からなり、
前記鉄道車輪の前記リム部、前記ボス部及び前記板部のミクロ組織におけるパーライトの面積率が95.0%以上であり、
前記鉄道車輪の前記リム部、前記ボス部及び前記板部のうち、少なくとも前記リム部及び前記板部のミクロ組織において、式(1)で定義される初析セメンタイト量が2.00本/100μm以下である、
鉄道車輪。
初析セメンタイト量(本/100μm)=200μm×200μmの正方形視野の2本の対角線と交差する初析セメンタイトの本数の総和/(5.66×100μm)×100 (1) - 請求項1に記載の鉄道車輪であって、
前記鉄道車輪の前記リム部、前記ボス部及び前記板部のミクロ組織において、式(1)で定義される初析セメンタイト量が2.00本/100μm以下である、
鉄道車輪。 - 請求項1又は請求項2に記載の鉄道車輪であって、
前記化学組成は、
Cr:0.02〜0.25%、及び、
V:0.02〜0.12%、
からなる群から選択される1元素以上を含有する、
鉄道車輪。
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