JPS5933184B2 - 耐熱亀裂性および耐割損性にすぐれた車輪用鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、耐熱亀裂性および耐割損性にすぐれた車輪
用鋼に関するものである。

従来、例えば鉄道車輌用炭素鋼一体圧延車輪は、ＪＩＳ
規格によってその化学成分組成が規制されており、第１
表に示すような成分組成のものが使用されていた。

このような成分組成は、主に車輪に必要な強度および耐
摩耗性の観点から定められたものであった。一般に、鉄
道車輛用車輪に要求される性能を大別すると、つぎの２
つのものに集約されることが知られている。

すなわち、１つは耐摩耗性であり、、他の１つは耐熱亀
裂性および耐割損性である。鉄道車輛用車輪に耐摩耗性
が要求されることはいうまでもないことであるが、車輪
割損も板部破壊とともに他の如何なる車輪損傷よりも重
大事故に結びつく可能性が大きく、出来る限り防止しな
ければならない。車輪の割損は、苛酷なブレーキによっ
て踏面に微細な熱亀裂が発生し、ブレーキの繰り返しに
よりその中の１つ、あるいはそれ以上の亀裂が成長し、
その熱亀裂がある限界長さに達した瞬間、急速な破壊へ
至るという過程を経るものであり、したがって、車輪割
損を防止するかまたは遅らせるには熱亀裂の発生や成長
を抑え、しかも、より大きな熱亀裂に対して急速破壊を
起さない高い破壊靭性値を有する車輪材であることが必
要である。しかしながら、耐摩耗性と、耐熱亀裂性およ
び耐割損性という２つの性能は鋼にとって互に相反する
特性であり、同時に満足することは困難であるので、従
来の鉄道車輛用車輪は摩耗に重点を置き、耐摩耗性を優
先しているため耐熱亀裂性および耐割損性が著しく劣っ
ていた。

ところが、近年、鉄道車輛の高速化が著しく、乗客や荷
物の輸送頻度もより過密化する傾向にある中で、鉄道車
輛用車輪の耐熱亀裂性および耐割損性を強化する効策を
講することを余儀なくされるに至ってきたのである。本
発明者等は、上述のように、車輪割損は苛酷な踏面ブレ
ーキの負荷による熱亀裂の発生および成長と、熱亀裂が
ある限界長さに成長した瞬間に生ずる急進破壊の２段階
より起るものであり、したがって、車輪割損を防止する
にはこの２つの段階に対し抵抗性の高い材料を開発する
ことであるとの認識に立ち、かつ、従来よりの研究によ
って ．得られた結果から、熱亀裂の発生、成長に対す
る抵抗性がブレーキにより車輪踏面にて繰り返される歪
に対する強度、すなわち高温低サイクル疲労強度により
評価でき、また、急進破壊に対する抵抗性が車輪材の破
壊靭性値によって評価できるとの観点から、従来の鉄道
車輛用車輪と同等の耐摩耗性を有するとともに、０℃に
おける破壊靭性値が従来材の２倍以上であり、同時に高
温低サイクル疲労寿命の大きな車輪材を見出すべく種々
研究を行なった。

ここで、破壊靭性値を従来材の２倍以上にすることを目
標としたのは、この破壊靭性値を２倍とすることは同一
応力条件下で４倍以上の亀裂長さを許容することを意味
するものであり、従来材の亀裂長さの許容値が２０龍程
度であったことを考慮するとそれが８０ｍｍ程度のもの
となり、これは車輪のリム厚にほぼ等しく、実際上はほ
とんど割損を生じないということを意味するものである
からである。本発明者等は、上記研究の結果、以下（ａ
）〜（ｃ）に示す如き知見を得たのである。

すなわち、（ａ） 耐熱亀裂性、耐割損性は、いずれ
も鋼中の炭素量の増大とともに低下することをまぬがれ
ず、高炭素鋼を主体として、破壊靭性値が従来材の２倍
以上で、しかも高温低サイクル疲労強度の大きな鉄道車
輛用車輪材を製造することは極めて困難であること。

（ｂ） 従来の車輪材中の炭素量を減らすとともに、
これに固溶アルミニウム、すなわちＳＯｌ−Ａｌを含有
させれば材料の靭性が非常に改善され、また、炭素量の
低下にともなう耐摩耗性および強度の低下を改善するた
めにはＣｒの含有が有効であり、さらにこのような材料
を焼入れ、焼戻し組織とすれば、すぐれた強度、耐摩耗
性を有するとともに、改善された靭性をも有する鋼材が
得られること。

（ｃ） 前記（ｂ）項に記載した、従来の車輪材中の
炭素量を減らして、ＳＯｌ−ＡｌとＣｒとを含有した材
料に、さらにＭＯを含有させれば、その焼入れ焼戻し組
織に対して靭性向上の著しい効果が認められ、車輪材と
して好適な鋼材が得られること。

したがって、この発明は上記知見にもとづいてなされた
ものであって、車輪用材料を、重量係で、Ｃ：０．３０
〜０．５０係未満、Ｓｉ：Ｏ、８０〜１．５０係、 Ｍｎ： ０．ｓ０〜１．５０％、 Ｐ：０．０３０係以下、 Ｓ：０．０３０係以下、 Ｃｒ： ０．５０〜１．２０％、 ＭＯ： ０．１５〜０．３０％、 ＳＯＡ−Ａ７： ０，０１５〜０．０６０％、Ｆｅおよ
び不可避不純物：残り、からなる組成で構成したことに
特徴を有するものである。

ついで、この発明の車輪用鋼において、ＣＪｊｙＭｎ，
Ｐ，Ｓ，Ｃｒ，ＭＯ，およびＳＯｌ−Ａｌ成分の成分組
成範囲を上述の通りに限定した理由を説明する。

（［）Ｃ Ｃ成分には、この材料に強度および耐摩耗性を付与する
作用があるが、その含有量が０．３０重量係未満では十
分な強度および耐摩耗性を得ることができず、一方、０
．５０重量係以上では鋼材のマルテンサイト基地の靭性
を損うので、その含有量を０，３０〜０．５０重量係未
満とした。

（Ｆｉ） ＳｉＳｉ成分は、脱酸元素であると同時に
、焼入性を向上させ、さらには焼戻し軟化を抑制する作
用をもつが、その含有量が０．８０重量係未満ではこれ
らの作用が十分でなく、一方、１．５０重量係を越えて
含有してもその効果は飽和するので、その含有量を０．
８０〜１．５０重量係とした。

曲） ＭｎＭｎ成分は、脱酸、脱硫元素であるが、こ
の成分を０．８０重量係以上含有させることによって焼
入性の向上に顕著な効果を奏させるものである。

一方、その含有量が１．５０重量係を越えた場合には前
記効果が飽和するので、その含有量を０．８０〜１，５
０重量係とした。（ＩＶ） ＰおよびＳ ＰおよびＳ成分は、不純物であって、靭性の点からは少
ない方が好ましいが、経済性を考慮して共に０．０３０
重量係を上限値とした。

ＭＣｒＣｒ成分は、鋼材の強度の向上および耐摩耗 性の向上の両者に効果を有するものであって、これらの
効果を期待するためには少なくとも０．５０重量係の含
有量が必要であり、一方、その含有量が１．２０重量係
を越えた場合には鋼材の靭性に与える悪影響が極端に大
きくなるので、その含有量を０．５０〜１．２０重量係
とした。

ＦＶｉ） ＭＯＭＯ成分は、鋼の焼入れ焼戻し組織に
対して、その靭性向上に極めて効果があり、さらにＰ成
分による脆化を防ぎ耐熱亀裂性を改善する効果があり、
そのために０．１５重量係以上の含有量が必要であり、
この値よりも少ないと顕著な効果を生じない。

一方、その含有量が０．３０重量係を越えた場合には、
その効果は飽和してそれ以上の向上が望めないうえ、鋼
材のコストが上昇するので、その含有量を０．１５〜０
．３０重量係とした。（Ｖｉｉ） ＳＯｌ−Ａｌ Ａｌ成分は、鋼材の靭性向上にすぐれた効果を発揮する
成分であるが、ＳＯｌ−Ａｌ含有量で０．０１５重量係
未満では、その効果があまり顕著でなく、その含有量が
０．０１５重量係以上、特に０．０２０重量係以上で著
しい効果を発揮するようになる。

一方、その含有量が０．０６０重量係を越えても、それ
以上の効果の向上がみられないばかりでなく、非金属介
在物を増加させるので、その含有量を０．０１５〜０．
０６０重量係とした。なお、この発明の車輪用鋼には、
その使用にあたって、引張強度が９０ｋｇｆ／Ｍ４以上
となるように焼入れ・焼戻し処理が施されるものであっ
て、このように焼入れ・焼戻し組織とすることによって
、耐熱亀裂性、耐割損性にすぐれるとともに、必要な強
度および耐摩耗性をも併せ持った車輪用部材が得られる
のである。

つぎに、この発明を実施例により比較例と対比しながら
説明する。

実施例 第２表に示される成分組成を持った試料を、通常の溶解
法に従って溶製した。

試料／Ｉ６ｌおよび２のものは本発明鋼であり、試料扁
３および４のものは比較のために作製した従来の鉄道車
輪用鋼である。この試料／Ｉ６．３の成分組成の鋼は米
国鉄道協会で規定する鉄道車輪用鋼であり、低炭素鋼で
あることに特徴を有するものである。そして、試料／Ｉ
６４の成分組成の鋼はＪＩＳに規定された鉄道車輪用鋼
の中でも最も多く使用されている車輪材である。これら
の第２表に示した４種の試料について、焼入れ、焼戻し
組織（試料痛４のものについては、常法どおりの焼なら
し組織である）を有するものの機械的性質を測定した。

この測定結果を第３表に示した。ついで、これらの試料
について、各温度での破壊靭性値を測定し、その結果を
第４表に示した。

この破壊靭性値験は、米国試験協会に定められているＣ
Ｔ試験片（ＣＯｍｐａｃｔＴｅｎｓｊＯｎＴｙｐｅＳｐ
ｅｃｉｍｅｎ，厚さ１ｉｎｃｈ）を用いて、ＡＳＴＭＥ
−３９９に準じて行なったものであるが、第４表には四
Ｅ−３９９で規定する平面歪破壊靭性値を満足しないも
のも含まれている。この試験で得られる破壊靭性値は、
亀裂の存在する部材が脆性破壊を生ずる目安を与えるも
のである。第４表に示す結果からも明らかなように、た
とえばＯ℃における破壊靭性値は、本発明鋼たる試料／
１６１のものが４３７ｋｙｆ／Ｔｎｒｔｔ”’、試料腐
２で示されるものが３９８ｋｙｆ／Ｍｗ３／２従来鋼た
る試料Ａ３のものが１９８ｋｇ１／闘３″、試料／１６
４のもの力月３２ｋｇｆ／Ｍｍ””であって、本発明鋼
は従来鋼の２倍以上の破壊靭性値を有していることがわ
かる。

したがって、たとえば、本発明鋼たる試料Ａ２の鋼で鉄
道用車輪を作製すると、従来の大多数の車輪（試料／１
６４のものに相当する）に比して、同一応力状態で９．
１倍の亀裂長さに耐えることができ、あるいはまた、同
一亀裂長さであれば３倍の応力を許容することが明らか
であり、これは、従来の車輪の割損事故が約２０ｕ前後
の亀裂より生じていることを考えると、実際問題として
割損を生ずる可能性かはとんで無いということを示唆す
るものである。ついで、第２表に示した試料を、高温低
サイクル疲労試験に供した。

車輪踏面に熱亀裂が発生する主たる原因は、踏面ブレー
キによる温度上昇が車輪の表面と内部とで異なることに
よるものであるが、第１図に模式的に示すように、ブレ
ーキ条件によっては車輪の表面のみ温度上昇し、内部は
上昇しない場合（第１図ａに示すような場合で、以下Ｐ
Ｃと称する）と、表面が温度上昇した後、内部も上昇す
る場合（第１図ｂに示すような場合で、以下ＣＰと称す
る）があり、これらは押付力や押付時間等のブレーキ条
件によるで変わるものである。そして、高温低サイクル
疲労試験は、このようなＣＰ試験とＰＣ試験の両刀につ
いて実施し、その結果をそれぞれ第２図ａおよび第２図
ｂに示した。このときの試験温度は５００℃で、そのと
きの△εｔは１．５％であった。この結果からも、本発
明鋼たる試料／１６１および２の鋼はいずれも、従来鋼
の中でも耐熱亀裂性が良好であると言われていた試料／
１６３の鋼よりもすぐれた性能を有していることが明ら
かであり、特にＣＰ試験においてその効果が著しいこと
がわかる。以上の試験はいずれも、各々の性能を比較す
るための小型試験であったが、つぎに、実際の車輪の使
用状態を再現するために、実体車輪によるブレーキ試験
を行なった。

この試験は、実車と同じ車輪およびブレーキシュ一を用
いたものであって、ほぼ実車走行条件を再現することの
できるものであり、最終確認試験としては最良のもので
ある。この試験では、輪重１４．９｝ンのものを使用し
、初速度が７０ｍ／Ｈｒから停止ブレーキを繰返し与え
て割損するか否かを比較し、割損する場合はその破断繰
返し数を比較測定した。この結果、従来鋼たる試料／１
６４で作製した車輪が５２４回で割損したのに対して、
本発明鋼たる試料／１６２で作製した車輪は１０００回
の繰返しブレーキによっても割損せず、その性能が著し
く改良されていることが確認された。上述のように、こ
の発明の鋼は、熱亀裂および割損に対して著しくすぐれ
た抵抗力を有し、しかも高強度およびすぐれた耐摩耗性
をも兼ね備えているので、この鋼で車輪を製造すれば、
車輪割損が原因の鉄道の重大事故を防止できるとともに
、車輛整備の手数を大幅に軽減することができるなど、
工業上および社会上有用な効果がもたらされるのである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は踏面ブレーキによる車輪の表面と内部との温度
変化を模式的に示したものであり、第２図は本発明鋼と
従来鋼の高温疲労試験結果を示す棒グラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ：０．３０〜０．５０％未満、 Ｓｉ：０．８０〜１．５０％、 Ｍｎ：０．８０〜１．５０％、 Ｐ：０．０３０％以下、 Ｓ：０．０３０％以下、 Ｃｒ：０．５０〜１．２０％、 Ｍｏ：０．１５〜０．３０％、 ｓｏｌ・Ａｌ：０．０１５〜０．０６０％、Ｆｅおよび
   不可避不純物：残り、（以上重量％）からなることを特
   徴とする耐熱亀裂性および耐割損性にすぐれた車輪用鋼
   。