JPWO2019194274A1 - 鉄道用車軸 - Google Patents

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Abstract

軽量化が可能であり、かつ、優れた疲労限度を有する鉄道用車軸を提供する。本開示による鉄道用車軸（１）において、中央平行部（３）及び一対のはめ合い部（２）の母材部（ＢＭ）の化学組成は、質量％で、Ｃ：０．２２〜０．２９％、Ｓｉ：０．１５〜０．４０％、Ｍｎ：０．５０〜０．８０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０４０％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．２０％、Ｍｏ：０．１５〜０．３０％、Ｎ：０．０２００％以下、Ｏ：０．００４０％以下、Ｃａ：０〜０．００１０％、及び、残部がＦｅ及び不純物からなる。はめ合い部（２）の直径ＤWの、中央平行部（３）の直径ＤAに対する比は、１．１０〜１．３０である。はめ合い部硬化層（２Ｈ）の深さＣWは２．５ｍｍ〜０．１０×ＤWｍｍである。はめ合い部硬化層深さＣWの、中央平行部硬化層深さＣAに対する比は０．３４〜０．９３である。

Description

本発明は車軸に関し、さらに詳しくは、鉄道車両に用いられる鉄道用車軸に関する。
鉄道用車軸では、はめ合い部に鉄道用車輪が圧入される。そして、使用時において、鉄道用車軸は、鉄道車両の重量を支える。具体的には、鉄道用車軸のはめ合い部の直径よりも、鉄道用車輪のボス部の孔径の方が少し小さくなるように、鉄道用車軸のはめ合い部における締め代が設けられている。鉄道用車軸はさらに、鉄道車両が曲線状のレールを通過（曲線通過）するごとに、鉄道用車輪とレールとの接触による水平方向の力を受ける。つまり、曲線通過の際に、鉄道用車軸は、鉄道用車輪一回転ごとに回転曲げ応力を繰返し受ける。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。
上述のとおり、鉄道用車軸において、鉄道用車輪が圧入されるはめ合い部は、鉄道用車輪のボス部の孔に対して接触面圧を有している。そのため、鉄道用車輪のはめ合い部では、鉄道用車輪との接触によって、微小なすべりが繰返し生じることがある。以下、鉄道用車輪のはめ合い部と鉄道用車輪との接触により生じる微小なすべりをフレッティングという。鉄道用車軸のはめ合い部では、フレッティングによる損傷（以後、「フレッティング疲労」ともいう）を受ける場合があることが知られている。
このようなフレッティング疲労を抑制するために、鉄道用車軸の上記はめ合い部に対して高周波焼入れを実施する場合がある。はめ合い部の表層のうち、高周波焼入れされた領域では、硬さが高まる。このように、はめ合い部の表層のうち、高周波焼入れにより硬さが高まった領域を「硬化層」と称する。硬化層では圧縮残留応力が生じる。硬化層によって生じた圧縮残留応力は、フレッティングによるき裂の開口を抑制する。つまり、高周波焼入れによる形成される鉄道用車軸の硬化層は、鉄道用車軸のフレッティング疲労を抑制できる。
高周波焼入れを実施して、はめ合い部におけるフレッティング疲労を抑制する鉄道用車軸が、特開平１０−８２０２号公報（特許文献１）、特開平１１−２７９６９６号公報（特許文献２）、特開２０００−７３１４０号公報（特許文献３）に提案されている。
特許文献１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１には記載されている。
特許文献２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。この鉄道用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。この鉄道用車軸において、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２には記載されている。
特許文献３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３には記載されている。
特開平１０−８２０２号公報 特開平１１−２７９６９６号公報 特開２０００−７３１４０号公報
特許文献１〜３に開示された鉄道用車軸では、高周波焼入れを実施し、はめ合い部のフレッティング疲労を抑制する技術が開示されている。上述のとおり、鉄道用車軸のはめ合い部に高周波焼入れを実施して、硬化層を形成した場合、はめ合い部におけるフレッティング疲労を抑制することができる。さらに、鉄道用車軸の一対のはめ合い部の間に配置されている中央平行部に対しても高周波焼入れを実施する場合がある。
ここで、鉄道用車軸の構造上、はめ合い部の直径ＤW（Ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ Ｗｈｅｅｌ ｓｈｅｅｔ）は、中央平行部の直径ＤA（Ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ Ａｘｌｅ ｂｏｄｙ）と比較して、大きい。そのため、鉄道用車軸のはめ合い部と中央平行部とのいずれにも高周波焼入れを実施する場合、中央平行部の方が、高周波加熱装置からの距離が遠くなる。この場合、中央平行部では、はめ合い部よりも焼きが入りにくい。そのため、中央平行部の硬化層深さは、はめ合い部の硬化層深さよりも浅くなる。
そこで、従前の鉄道用車軸では、はめ合い部の硬化層深さと、中央平行部の硬化層深さとを同程度にするため、はめ合い部の直径ＤWと、中央平行部の直径ＤAとをなるべく近づけて形成していた。より具体的には、はめ合い部の直径ＤWの、中央平行部の直径ＤAに対する比ＤW／ＤA（以後、「直径比ＤW／ＤA」ともいう）を、１．０５未満とし、かつ、なるべく１．００になるべく近づけていた。直径比ＤW／ＤAが１．００に近いほど、中央平行部の硬化層深さが、はめ合い部の硬化層深さに近づき、ある程度の深さの硬化層が形成されるためである。
ところで、近年、鉄道用車軸の軽量化の要望が高まっている。軽量化を行った場合においても、疲労限度が維持されることが好ましい。しかしながら、上記特許文献１〜３では、軽量化を行った場合の鉄道用車軸の疲労限度については検討されていない。
本開示の目的は、軽量化が可能であり、かつ、優れた疲労限度を有する鉄道用車軸を提供することである。
本開示による鉄道用車軸は、
各々が直径ＤWを有する円柱であり、鉄道用車輪が圧入される、一対のはめ合い部と、
前記一対のはめ合い部の間に配置され、前記直径ＤWよりも小さい直径ＤAを有する円柱である中央平行部とを備え、
前記はめ合い部は、
前記鉄道用車軸の中心軸方向において、前記はめ合い部の中央位置よりも前記中央平行部に近い内側端と、
前記鉄道用車軸の中心軸方向において、前記はめ合い部の中央位置よりも前記中央平行部から遠い外側端と、
前記はめ合い部の表層に形成されているはめ合い部硬化層と、
前記はめ合い部硬化層よりも内部の母材部とを含み、
前記中央平行部は、
前記中央平行部の表層に形成されている中央平行部硬化層と、
前記中央平行部硬化層よりも内部の前記母材部とを含み、
前記母材部の化学組成は、質量％で、
Ｃ：０．２２〜０．２９％、
Ｓｉ：０．１５〜０．４０％、
Ｍｎ：０．５０〜０．８０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０４０％以下、
Ｃｒ：０．９０〜１．２０％、
Ｍｏ：０．１５〜０．３０％、
Ｎ：０．０２００％以下、
Ｏ：０．００４０％以下、
Ｃａ：０〜０．００１０％、
Ｃｕ：０〜０．３０％、
Ｎｉ：０〜０．３０％、
Ａｌ：０〜０．１００％、
Ｖ：０〜０．０６０％、
Ｔｉ：０〜０．０２０％、
Ｎｂ：０〜０．０３０％、
Ｂ：０〜０．００５０％、及び、
残部がＦｅ及び不純物、からなり、
前記はめ合い部の前記直径ＤWの、前記中央平行部の前記直径ＤAに対する比であるＤW／ＤAは、１．１０〜１．３０であり、
前記はめ合い部の前記内側端から前記外側端に向かって前記中心軸方向に５ｍｍの位置におけるはめ合い部硬化層の深さＣWは２．５ｍｍ〜０．１０×ＤWｍｍであり、
前記はめ合い部硬化層の深さＣWの、前記中央平行部の前記硬化層の深さＣAに対する比であるＣW／ＣAは０．３４〜０．９３である。
本開示による鉄道用車軸は、軽量化が可能であり、かつ、優れた疲労限度を有する。
図１は、本実施形態による鉄道用車軸の側面図である。 図２は、本実施形態による鉄道用車軸の断面図である。 図３は、図２の領域２００の拡大断面図である。 図４は、図２の領域３００の拡大断面図である。 図５は、図２の線分ＩＩ−ＩＩでの断面図である。 図６は、図１と異なる、本実施形態による鉄道用車軸の側面図である。 図７は、図１及び図６と異なる、本実施形態による鉄道用車軸の側面図である。 図８は、本実施形態の鉄道用車軸の製造工程中の高周波焼入れ装置を用いた高周波焼入れ方法を説明するための模式図である。 図９は、図８に続く、高周波焼入れ装置を用いた高周波焼入れ方法を説明するための模式図である。 図１０は、本実施例における粗製品の断面図である。 図１１は、本実施例における鉄道用車軸の側面図である。 図１２は、本実施例における鉄道用車軸の疲労試験装置の模式図である。
本発明者らは、鉄道用車軸の軽量化のため、中央平行部の直径ＤAを小さくし、かつ、疲労限度を高く維持することについて検討した。そのため、本発明者らは初めに、はめ合い部の直径ＤWの、中央平行部の直径ＤAに対する比である、直径比ＤW／ＤAを大きくすることについて検討した。その結果、次の知見を得た。
直径比ＤW／ＤAを大きくすれば、はめ合い部におけるフレッティング疲労をより抑制できる可能性がある。この理由について、本発明者らは、次のとおりに考えている。フレッティング疲労は、上述のとおり、鉄道用車軸に曲げ応力がかかった結果、はめ合い部と鉄道用車輪との接触により繰返し発生する微小なすべりが原因であると考えられている。曲げ応力がかかった場合、直径比ＤW／ＤAによって、はめ合い部の表面にかかる応力が変化する。具体的には、直径比ＤW／ＤAが大きい場合、はめ合い部の表面の曲げ応力が緩和しやすい。そのため、直径比ＤW／ＤAを大きくすれば、はめ合い部におけるフレッティング疲労をより抑制できる。つまり、直径比ＤW／ＤAを大きくすれば、はめ合い部での疲労限度が高くなる。
一方、中央平行部の直径ＤAを小さくすれば、中央平行部において疲労破壊が生じやすくなり、疲労限度が低下しやすくなる。そのため、本発明者らは、中央平行部の直径ＤAとはめ合い部の直径ＤWとの差を大きくした場合であっても、中央平行部の疲労限度を高めるために、はめ合い部の硬化層深さＣWと中央平行部の硬化層深さＣAとに着目し、検討を行った。
始めに、本発明者らは、はめ合い部及び中央平行部において疲労限度を有する鉄道用車軸の化学組成ついて検討を行った。その結果、本発明者らは、鉄道用車軸のうち、硬化層（はめ合い部硬化層及び中央平行部硬化層）よりも内部の母材部の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．２２〜０．２９％、Ｓｉ：０．１５〜０．４０％、Ｍｎ：０．５０〜０．８０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０４０％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．２０％、Ｍｏ：０．１５〜０．３０％、Ｎ：０．０２００％以下、Ｏ：０．００４０％以下、Ｃａ：０〜０．００１０％、Ｃｕ：０〜０．３０％、Ｎｉ：０〜０．３０％、Ａｌ：０〜０．１００％、Ｖ：０〜０．０６０％、Ｔｉ：０〜０．０２０％、Ｎｂ：０〜０．０３０％、Ｂ：０〜０．００５０％、及び、残部がＦｅ及び不純物、からなる化学組成であれば、鉄道用車軸の軽量化が可能であり、はめ合い部及び中央平行部ともに優れた疲労強度も得られる可能性があると考えた。
次に、本発明者らは、硬化層よりも内部の母材部の化学組成が上述の化学組成である鉄道用車軸が疲労破壊する場合における、破壊位置について詳細に調査検討した。その結果、疲労破壊は、はめ合い部で発生する場合と、中央平行部で発生する場合とがあることが判明した。さらに、はめ合い部での破壊起点と、中央平行部での破壊起点とは異なることが判明した。
具体的には、はめ合い部での疲労破壊は、フレッティング疲労によるものであった。そして、破壊の起点は、はめ合い部の表面であった。一方、中央平行部での疲労破壊は、破壊の起点は表面ではなく、表面から所定深さの内部で発生した。すなわち、中央平行部における疲労破壊は、フレッティング疲労によるものではなく、曲げ疲労によるものであった。
上述のとおり、従前の鉄道用車軸は、はめ合い部の硬化層と、中央平行部の硬化層深さとが同程度であるか、又は、はめ合い部の硬化層の方が中央平行部の硬化層深さよりも深く形成されていた。すなわち、はめ合い部の硬化層深さＣWと、中央平行部の硬化層深さＣAとの比（以後、「硬化層深さ比ＣW／ＣA」ともいう）は、１．００以上であった。しかしながら、上述のとおり、中央平行部における破壊の起点は、はめ合い部における破壊の起点より深い。そのため、中央平行部の硬化層を、はめ合い部の硬化層よりも深く形成すれば、中央平行部における疲労限度を高められる可能性がある。一方、はめ合い部における破壊の起点は表面である。上述のとおり、硬化層では、圧縮残留応力が掛かる。そして、硬化層深さが深すぎれば、圧縮残留応力はかえって小さくなる。したがって、はめ合い部の硬化層深さＣWを中央平行部の硬化層深さＣAよりも浅くした方が、圧縮残留応力は大きくなり、はめ合い部での疲労破壊を抑制できる。
以上の知見に基づいて、本発明者らは、鉄道用車軸のはめ合い部と中央平行部との直径比ＤW／ＤA、及び、はめ合い部と中央平行部との硬化層深さ比ＣW／ＣAについて、詳細に検討した。その結果、次の知見を得た。
直径比ＤW／ＤAを高めれば、上述のとおり、はめ合い部における疲労限度（フレッティング疲労限度）が高まる。一方、直径比ＤW／ＤAが高すぎれば、中央平行部が細くなりすぎ、中央平行部の疲労限度（曲げ疲労限度）が低下する。したがって、後述の他の要件を満たすことを前提として、直径比ＤW／ＤAを１．１０〜１．３０とする。
硬化層深さ比ＣW／ＣAを低下させれば、上述のとおり、中央平行部における曲げ疲労限度が高まる。一方、硬化層深さ比ＣW／ＣAが低すぎれば、表面の圧縮残留応力が小さくなる。この場合、割れの起点位置が内部から表面に遷移する。そのため、かえって中央平行部の曲げ疲労限度が低下する。したがって、他の要件を満たすことを前提として、硬化層深さ比ＣW／ＣAを０．３４〜０．９３とする。
さらに、はめ合い部における硬化層は、圧縮残留応力を生じさることにより、はめ合い部における疲労限度（フレッティング疲労限度）を高める。したがって、はめ合い部における硬化層深さＣWを２．５ｍｍ〜０．１０×ＤW（ｍｍ）とすれば、圧縮残留応力が大きくなり、はめ合い部における疲労限度がさらに高まる。
以上の知見に基づいて完成した、本実施形態の鉄道用車軸の要旨は次のとおりである。
［１］の鉄道用車軸は、
各々が直径ＤWを有する円柱であり、鉄道用車輪が圧入される、一対のはめ合い部と、
前記一対のはめ合い部の間に配置され、前記直径ＤWよりも小さい直径ＤAを有する円柱である中央平行部とを備え、
前記はめ合い部は、
前記鉄道用車軸の中心軸方向において、前記はめ合い部の中央位置よりも前記中央平行部に近い内側端と、
前記鉄道用車軸の中心軸方向において、前記はめ合い部の中央位置よりも前記中央平行部から遠い外側端と、
前記はめ合い部の表層に形成されているはめ合い部硬化層と、
前記はめ合い部硬化層よりも内部の母材部とを含み、
前記中央平行部は、
前記中央平行部の表層に形成されている中央平行部硬化層と、
前記中央平行部硬化層よりも内部の前記母材部とを含み、
前記母材部の化学組成は、質量％で、
Ｃ：０．２２〜０．２９％、
Ｓｉ：０．１５〜０．４０％、
Ｍｎ：０．５０〜０．８０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０４０％以下、
Ｃｒ：０．９０〜１．２０％、
Ｍｏ：０．１５〜０．３０％、
Ｎ：０．０２００％以下、
Ｏ：０．００４０％以下、
Ｃａ：０〜０．００１０％、
Ｃｕ：０〜０．３０％、
Ｎｉ：０〜０．３０％、
Ａｌ：０〜０．１００％、
Ｖ：０〜０．０６０％、
Ｔｉ：０〜０．０２０％、
Ｎｂ：０〜０．０３０％、
Ｂ：０〜０．００５０％、及び、
残部がＦｅ及び不純物、からなり、
前記はめ合い部の前記直径ＤWの、前記中央平行部の前記直径ＤAに対する比であるＤW／ＤAは、１．１０〜１．３０であり、
前記はめ合い部の前記内側端から前記外側端に向かって前記中心軸方向に５ｍｍの位置におけるはめ合い部硬化層の深さＣWは２．５ｍｍ〜０．１０×ＤWｍｍであり、
前記はめ合い部硬化層の深さＣWの、前記中央平行部の前記硬化層の深さＣAに対する比であるＣW／ＣAは０．３４〜０．９３である。
［２］の鉄道用車軸は、［１］に記載の鉄道用車軸であって、
前記母材部の前記化学組成は、質量％で、
Ｃｕ：０．０１〜０．３０％、及び、
Ｎｉ：０．０１〜０．３０％からなる群から選択される１元素以上を含有する。
［３］の鉄道用車軸は、［１］又は［２］に記載の鉄道用車軸であって、
前記母材部の前記化学組成は、質量％で、
Ａｌ：０．００５〜０．１００％を含有する。
［４］の鉄道用車軸は、［１］〜［３］のいずれか１項に記載の鉄道用車軸であって、
前記母材部の前記化学組成は、質量％で、
Ｖ：０．００５〜０．０６０％、
Ｔｉ：０．００２〜０．０２０％、及び、
Ｎｂ：０．００２〜０．０３０％からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有する。
［５］の鉄道用車軸は、［１］〜［４］のいずれか１項に記載の鉄道用車軸であって、
前記母材部の前記化学組成は、質量％で、
Ｂ：０．０００３〜０．００５０％を含有する。
以下、本実施形態による鉄道用車軸について詳述する。
［鉄道用車軸の構成］
図１は、本実施形態による鉄道用車軸の側面図である。図１を参照して、本実施形態の鉄道用車軸１は、一対のはめ合い部２Ａ及び２Ｄと、中央平行部３とを備える。一対のはめ合い部２Ａ及び２Ｄの各々は、直径ＤWを有する円柱である。はめ合い部２Ａ及び２Ｄの中心軸は、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１と一致する。鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１は、鉄道用車軸１の長手方向に延びている。以降の説明では、鉄道用車軸１の「中心軸Ｃ１方向」は、鉄道用車軸１の「長手方向」と同義である。
はめ合い部２Ａは、図１中において、中央平行部３の左端とつながる。はめ合い部２Ｄは、図１において、中央平行部３の右端につながる。以降の説明では、はめ合い部２Ａ及び２Ｄを総称する場合、「はめ合い部２」と称する。各はめ合い部２には、図示しない鉄道用車輪が圧入される。
中央平行部３は、一対のはめ合い部２Ａ及び２Ｄの間に配置されている。図１において、中央平行部３の左端は、鉄道用車軸１の左部に配置されたはめ合い部２Ａとつながっている。中央平行部３の右端は、鉄道用車軸１の右部に配置されたはめ合い部２Ｄとつながっている。中央平行部３は、直径ＤAを有する円柱である。中央平行部３の直径ＤAは、はめ合い部２の直径ＤWよりも小さい。中央平行部３の中心軸は、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１と一致する。つまり、中央平行部３は、一対のはめ合い部２と同軸に配置されている。
一対のはめ合い部２は、中実であってもよいし、中空であってもよい。同様に、中央平行部３は、中実であってもよいし、中空であってもよい。中央平行部の直径ＤAは特に限定されないが、たとえば、１００〜２００ｍｍである。はめ合い部２の直径ＤWは特に限定されないが、たとえば、１１０〜２６０ｍｍである。
一対のはめ合い部２の各々は、内側端２INと外側端２OUとを含む。内側端２INは、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１方向において、はめ合い部２の中央位置よりも中央平行部３に近い位置に配置されている。一方、外側端２OUは、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１方向において、はめ合い部２の中央位置よりも中央平行部３から遠い位置に配置されている。具体的には、図１において、はめ合い部２Ａの内側端２INは、はめ合い部２Ａの外側端２OUよりも中央平行部３の近くに配置され、中央平行部３の左端３Ｅとテーパ部４を介してつながっている。図１において、はめ合い部２Ｄの内側端２INは、はめ合い部２Ｄの外側端２OUよりも中央平行部３の近くに配置され、中央平行部３の右端３Ｅとテーパ部４を介してつながっている。
図１では、鉄道用車軸１はさらに、中央平行部３の端部３Ｅと、はめ合い部２の内側端２INとの間に、中央平行部３とはめ合い部２とを連続的につなぐテーパ部４を備える。テーパ部４の直径は、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１方向において、中央平行部３の端部３Ｅからはめ合い部２の内側端２INに向かって大きくなる。図１に示すとおり、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１を含む断面において、テーパ部４の表面は曲線的であってもよいし、直線的であってもよい。なお、鉄道用車軸１は、テーパ部４を備えなくてもよい。この場合、中央平行部３の端部３Ｅがはめ合い部２の内側端２INとつながっており、中央平行部３の端部３Ｅとはめ合い部２の内側端２INとの間に段差が形成される。
図２は、図１に示す本実施形態の鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１を含む面での断面図である。図３は、図２中の領域２００の拡大断面図である。図２及び図３を参照して、各はめ合い部２（２Ａ及び２Ｄ）はいずれも、表層に形成されているはめ合い部硬化層２Ｈと、はめ合い部硬化層２Ｈよりも内部の母材部ＢＭとを含む。はめ合い部硬化層２Ｈは、はめ合い部２の表面から所定の深さに至る範囲の表層に形成されている。
図２及び図３を参照して、はめ合い部硬化層２Ｈは、はめ合い部２の表面全体に形成されていなくてもよい。図２及び図３では、はめ合い部硬化層２Ｈは、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１方向において、はめ合い部２の中央位置ＣＥ２よりも外側端２OU側の領域の一部と、中央位置ＣＥ２よりも内側端２IN側の領域の一部とに形成されており、中央位置ＣＥ２を含む一部の領域には、はめ合い部硬化層２Ｈが形成されていない。このように、はめ合い部硬化層２Ｈは、はめ合い部２の表面全体に形成されていなくてもよく、中心軸Ｃ１方向において、はめ合い部２の表面の少なくとも一部の領域に形成されていてもよい。また、はめ合い部硬化層２Ｈは、はめ合い部２の表面全体に形成されていてもよい。はめ合い部硬化層２Ｈについては後述する。
図４は、図２の領域３００の拡大断面図である。図５は、図２の線分ＩＩ−ＩＩでの断面図である。図２、図４、及び、図５を参照して、中央平行部３はさらに、中央平行部３の表層に形成されている中央平行部硬化層３Ｈと、中央平行部硬化層３Ｈよりも内部の母材部ＢＭとを含む。中央平行部硬化層３Ｈは、中央平行部３の表面から所定の深さに至る範囲の表層に形成されている。中央平行部硬化層３Ｈは、中央平行部３の表面全体に形成されている。中央平行部硬化層３Ｈについては後述する。
［はめ合い部２及び中央平行部３の母材部ＢＭの化学組成について］
一対のはめ合い部２の母材部ＢＭの化学組成、及び、中央平行部３の母材部ＢＭの化学組成は、次の元素を含有する。ここで、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１に垂直な断面において、鉄道用車軸１の表面と中心軸Ｃ１とを結ぶ線分を半径Ｒと定義する。このとき、母材部ＢＭの化学組成は、はめ合い部２のＲ／２位置、及び、中央平行部３のＲ／２位置での化学組成を意味する。以下、元素に関する％は、特に断りがない限り、質量％を意味する。
Ｃ：０．２２〜０．２９％
炭素（Ｃ）は、鋼の硬さを高める。Ｃはさらに、高周波焼入れによる硬化層の硬さを高める。Ｃ含有量が０．２２％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、母材部ＢＭ及び硬化層２Ｈ及び３Ｈの硬さが低下する。そのため、はめ合い部２における硬化層２Ｈの圧縮残留応力が低下する場合がある。この場合、鉄道用車軸１のはめ合い部２における十分な疲労限度が得られない。一方、Ｃ含有量が０．２９％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、高周波焼入れ時に焼割れが生じる場合がある。Ｃ含有量が０．２９％を超えればさらに、中央平行部３における疲労限度が得られない場合がある。したがって、Ｃ含有量は０．２２〜０．２９％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．２３％であり、さらに好ましくは０．２４％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．２８％であり、さらに好ましくは０．２７％である。
Ｓｉ：０．１５〜０．４０％
シリコン（Ｓｉ）は鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、鋼の焼戻し軟化抵抗を高め、中央平行部３における疲労限度を高める。Ｓｉ含有量が０．１５％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、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｓｉ含有量が０．４０％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、高周波焼入れ時に焼割れが生じる場合がある。したがって、Ｓｉ含有量は０．１５〜０．４０％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．２０％であり、さらに好ましくは０．２３％であり、さらに好ましくは０．２５％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．３７％であり、さらに好ましくは０．３５％であり、さらに好ましくは０．３３％である。
Ｍｎ：０．５０〜０．８０％
マンガン（Ｍｎ）は鋼の焼入れ性を高め、高周波焼入れによる硬化層２Ｈ及び３Ｈを厚くする。Ｍｎ含有量が０．５０％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、中央平行部３の硬化層３Ｈが薄くなりすぎる場合がある。この場合、中央平行部３における疲労限度が十分に得られない。一方、Ｍｎ含有量が０．８０％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、高周波焼入れによって形成される硬化層２Ｈ及び３Ｈが厚くなりすぎる場合がある。この場合、硬化層２Ｈの圧縮残留応力が低下し、はめ合い部２における疲労限度が十分に得られない。したがって、Ｍｎ含有量は０．５０〜０．８０％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．５５％であり、さらに好ましくは０．５７％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．６２％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．７８％であり、さらに好ましくは０．７５％であり、さらに好ましくは０．７３％であり、さらに好ましくは０．７０％である。
Ｐ：０．０２０％以下
燐（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疲労限度を低下させる。Ｐ含有量が０．０２０％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、鉄道用車軸１の疲労強度が低下する。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０．０１６％であり、さらに好ましくは０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１４％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含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、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。
Ｓ：０．０４０％以下
硫黄（Ｓ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｓ含有量は０％超である。ＳはＭｎと結合してＭｎＳを生成する。ＭｎＳは鋼の疲労強度を低下する。Ｓ含有量が０．０４０％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、ＭｎＳに応力が集中し、中央平行部３の疲労限度が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０４０％以下である。Ｓ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０．０１５％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。しかしながら、Ｓ含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、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％である。
Ｃｒ：０．９０〜１．２０％
クロム（Ｃｒ）は鋼の焼入れ性を高め、高周波焼入れによる硬化層２Ｈ及び３Ｈの硬さを高める。Ｃｒ含有量が０．９０％未満であれば、中央平行部３の硬化層３Ｈが薄くなりすぎる場合がある。この場合、中央平行部３における十分な疲労限度が得られない。一方、Ｃｒ含有量が１．２０％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、高周波焼入れによって形成される硬化層２Ｈ及び３Ｈが厚くなりすぎる場合がある。この場合、硬化層２Ｈの圧縮残留応力が低下し、はめ合い部２における十分な疲労限度が得られない。したがって、Ｃｒ含有量は０．９０〜１．２０％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．９５％であり、さらに好ましくは１．００％であり、さらに好ましくは１．０２％であり、さらに好ましくは１．０５％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は１．１９％であり、さらに好ましくは１．１７％であり、さらに好ましくは１．１５％である。
Ｍｏ：０．１５〜０．３０％
モリブデン（Ｍｏ）は鋼の強度を高める。Ｍｏ含有量が０．１５％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、この効果が十分に得られない。一方、Ｍｏ含有量が０．３０％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、上記効果が飽和する。Ｍｏ含有量が０．３０％を超えればさらに、製造コストが過剰に高まる。したがって、Ｍｏ含有量は０．１５〜０．３０％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０．１７％であり、さらに好ましくは０．１９％であり、さらに好ましくは０．２０％であり、さらに好ましくは０．２１％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．２９％であり、さらに好ましくは０．２８％であり、さらに好ましくは０．２７％である。
Ｎ：０．０２００％以下
窒素（Ｎ）は不可避的に含有される。すなわち、Ｎ含有量は０％超である。ＮはＡｌ等と結合して微細な窒化物を形成し、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。Ｎ含有量が０．０２００％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、鉄道用車軸１の疲労強度が低下する。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０．０１２０％であり、さらに好ましくは０．０１００％であり、さらに好ましくは０．００９０％であり、さらに好ましくは０．００８０％であり、さらに好ましくは０．００７０％である。上記効果をより有効に得るための、Ｎ含有量の好ましい下限は０．００１０％であり、さらに好ましくは０．００２０％であり、さらに好ましくは０．００３０％である。
Ｏ：０．００４０％以下
酸素（Ｏ）は不可避に含有される不純物である。すなわち、Ｏ含有量は０％超である。Ｏは粗大な酸化物を生成し、疲労破壊の起点となる場合がある。Ｏ含有量が０．００４０％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、中央平行部３における疲労限度が低下する。したがって、Ｏ含有量は０．００４０％以下である。Ｏ含有量の好ましい上限は０．００３０％であり、さらに好ましくは０．００２５％であり、さらに好ましくは０．００２０％であり、さらに好ましくは０．００１５％である。Ｏ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｏ含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、Ｏ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００２％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。
Ｃａ：０〜０．００１０％
カルシウム（Ｃａ）は不純物である。Ｃａは含有されなくてもよい。すなわち、Ｃａ含有量は０％であってもよい。Ｃａはシリケート系介在物（ＪＩＳ Ｇ ０５５５（２００３）に規定されるグループＣ）を凝集させ、鋼の疲労限度を低下する。Ｃａ含有量が０．００１０％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、シリケート系介在物が疲労破壊の起点となり、中央平行部３における疲労限度が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０〜０．００１０％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．０００６％であり、さらに好ましくは０．０００４％であり、さらに好ましくは０．０００３％である。
本実施形態による鉄道用車軸１のはめ合い部２及び中央平行部３の母材部ＢＭ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、鉄道用車軸１の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、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軸１に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
本実施形態による鉄道用車軸１のはめ合い部２及び中央平行部３の母材部ＢＭの化学組成はさらに、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元素又は２元素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。つまり、Ｃｕ含有量は０％であってもよい。Ｃｕが含有される場合、Ｃｕは鋼の強度を高める。Ｃｕが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃｕ含有量が０．３０％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。Ｃｕ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％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．２５％であり、さらに好ましくは０．２０％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。すなわち、Ｎｉ含有量は０％であってもよい。Ｎｉが含有される場合、Ｎｉは鋼の強度を高める。Ｎｉが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎｉ含有量が０．３０％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、上記効果が飽和する。したがって、Ｎｉ含有量は０〜０．３０％である。Ｎｉ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０．０４％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．２５％であり、さらに好ましくは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。
本実施形態による鉄道用車軸１のはめ合い部２及び中央平行部３の母材部ＢＭの化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ａｌを含有してもよい。
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。すなわち、Ａｌ含有量は０％であってもよい。Ａｌが含有される場合、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。Ａｌが少しでも含有されれば、これらの効果がある程度得られる。しかしながら、Ａｌ含有量が０．１００％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、粗大な酸化物系介在物が生成され、鉄道用車軸１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。Ａｌ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．００７％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０．０８０％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％であり、さらに好ましくは０．０４５％であり、さらに好ましくは０．０４０％である。本明細書において、Ａｌ含有量は、酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）の含有量を意味する。
本実施形態による鉄道用車軸１のはめ合い部２及び中央平行部３の母材部ＢＭの化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｖ、Ｔｉ、及び、Ｎｂからなる群から選択される１元素又は２元素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。
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。すなわち、Ｖ含有量は０％であってもよい。Ｖが含有される場合、ＶはＮやＣと結合してＶ（Ｃ、Ｎ）を形成する。この場合、結晶粒を微細化し、鋼の強度を高める。Ｖが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ｖ含有量が０．０６０％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、鋼の靭性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０〜０．０６０％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０．００５％であり、さらに好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．０５５％であり、さらに好ましくは０．０５０％であり、さらに好ましくは０．０４５％であり、さらに好ましくは０．０４０％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。すなわち、Ｔｉ含有量は０％であってもよい。Ｔｉが含有される場合、ＴｉはＮと結合して微細なＴｉＮを生成する。ＴｉＮは鋼の強度を高める。ＴｉＮはさらに、結晶粒を微細化し、鋼の疲労限度を高める。Ｔｉが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．０２０％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、ＴｉＮ析出物がき裂の経路となり、鋼の靭性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０〜０．０２０％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００２％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０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１３％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。
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。すなわち、Ｎｂ含有量は０％であってもよい。Ｎｂが含有される場合、ＮｂはＮやＣと結合してＮｂ（Ｃ、Ｎ）を形成する。この場合、Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）は結晶粒を微細化し、鋼の強度、及び、靱性を高める。Ｎｂが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．０３０％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、鋼中で生成した炭化物、及び／又は、炭窒化物が粗大化する場合がある。この場合、かえって鋼の靱性が低下する。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％超であり、さらに好ましくは０．００２％であり、さらに好ましくは０．００３％であり、さらに好ましくは０．００５％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０２９％であり、さらに好ましくは０．０２７％であり、さらに好ましくは０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。
本実施形態による鉄道用車軸１のはめ合い部２及び中央平行部３の母材部ＢＭの化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｂを含有してもよい。
Ｂ：０〜０．００５０％
ボロン（Ｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ｂ含有量は０％であってもよい。Ｂが含有される場合、Ｂは鋼の焼入れ性を高める。Ｂが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。一方、Ｂ含有量が０．００５０％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、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｂ含有量は０〜０．００５０％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０００３％であり、さらに好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．０００７％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３０％であり、さらに好ましくは０．００２０％である。
［母材部ＢＭのミクロ組織について］
好ましくは、本実施形態による鉄道用車軸１では、母材部ＢＭのミクロ組織は、マルテンサイト及びベイナイトを主体とする。本明細書において「マルテンサイト及びベイナイトを主体とする」とは、ミクロ組織において、マルテンサイトとベイナイトとの総面積率が８０％以上であることを意味する。ここで、マルテンサイトとは、焼戻しマルテンサイトも含む。ベイナイトとは、焼戻しベイナイトを含む。
本実施形態による鉄道用車軸１の母材部ＢＭのミクロ組織のうち、マルテンサイト及びベイナイト以外の残部は、たとえば、フェライトである。鉄道用車軸１の母材部ＢＭのミクロ組織は、高周波焼入れ前の鉄道用車軸の表層部のミクロ組織に対応する。鉄道用車軸１の母材部ＢＭのミクロ組織がマルテンサイト及びベイナイト主体であれば、鉄道用車軸１の表層部の硬さが高まる。ミクロ組織がマルテンサイト及びベイナイト主体であればさらに、高周波加熱時に、表層部のミクロ組織が迅速にオーステナイト化される。この場合、高周波焼入れによって形成される硬化層のマルテンサイト分率が高まり、硬化層の硬さが高まる。その結果、高周波焼入れ後の鉄道用車軸１の疲労限度がさらに高まる。
鉄道用車軸１の母材部ＢＭのミクロ組織におけるマルテンサイト及びベイナイトの総面積率は、以下の方法で求めることができる。はめ合い部２又は中央平行部３の中心軸Ｃ１方向に垂直な断面のＲ／２位置から、ミクロ組織観察用のサンプルを５つ採取する。中心軸Ｃ１に垂直な断面を観察面とする。各サンプルの観察面を鏡面に研磨した後、ナイタール腐食液に１０秒程度浸漬して、エッチングによるミクロ組織の現出を行う。エッチングした観察面を、光学顕微鏡にて観察する。１視野あたり４００００μｍ2（倍率５００倍）とし、各サンプルにつき１視野（つまり５つのサンプルを用いて合計５視野）を観察する。各視野において、コントラストに基づいて、マルテンサイト及びベイナイトと、マルテンサイト及びベイナイト以外の相（フェライト等）とを特定する。マルテンサイトとベイナイトとはコントラストによる区別が困難である。しかしながら、マルテンサイト及びベイナイトと、フェライト等のマルテンサイト及びベイナイト以外の相とは、コントラストにより容易に区別可能である。特定したマルテンサイト及びベイナイトの総面積と、各視野の面積（４００００μｍ2）とに基づいて、各視野のマルテンサイト及びベイナイトの総面積率を求める。各視野で求めた、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率の算術平均値を、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率（％）と定義する。
［はめ合い部２と中央平行部３との直径比ＤW／ＤAについて］
本実施形態による鉄道用車軸１において、上述のとおり、はめ合い部２の直径をＤW（ｍｍ）と定義し、中央平行部３の直径をＤA（ｍｍ）と定義する。この場合、はめ合い部２の直径ＤWの、中央平行部３の直径ＤAに対する比であるＤW／ＤAが、１．１０〜１．３０である。
上述のとおり、従前の鉄道用車軸１では、直径比ＤW／ＤAが１．１０未満であり、１．００に近かった。これは、直径比ＤW／ＤAが大きい場合、高周波焼入れ時に中央平行部３に十分に焼きが入りにくく、その結果、中央平行部３の硬化層３Ｈが浅く形成されてしまうためである。直径比ＤW／ＤAを１．００に近づければ、高周波焼入れ時において、中央平行部３及びはめ合い部２と高周波加熱装置との距離が同等になる。その結果、中央平行部３に形成される硬化層３Ｈの深さＣAが、はめ合い部２の硬化層２Ｈの深さＣWよりも浅いものの、深さＣWに近づく。以上の理由により、従前の鉄道用車軸１では、直径比ＤW／ＤAが１．０５未満であり、かつ、なるべく１．００に近付けていた。
しかしながら、本実施形態による鉄道用車軸１では、直径比ＤW／ＤAをあえて大きくする。具体的には、直径比ＤW／ＤAを１．１０以上とする。この場合、上述のとおり、はめ合い部２におけるフレッティング疲労限度がさらに高まる。さらに、鉄道用車軸１の軽量化が可能である。一方、直径比ＤW／ＤAが大きすぎれば、中央平行部３の疲労限度が低下する場合がある。したがって、本実施形態による鉄道用車軸１では、直径比ＤW／ＤAが１．１０〜１．３０である。
直径比ＤW／ＤAの好ましい下限は１．１１であり、さらに好ましくは１．１２であり、さらに好ましくは１．１３であり、さらに好ましくは１．１４である。直径比ＤW／ＤAの好ましい上限は１．２５であり、さらに好ましくは１．２２であり、さらに好ましくは１．２０であり、さらに好ましくは１．１９であり、さらに好ましくは１．１８である。
［はめ合い部硬化層２Ｈと中央平行部硬化層３Ｈとについて］
［はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWについて］
本実施形態による鉄道用車軸１では、一対のはめ合い部２の各々において、はめ合い部２の内側端２INから外側端２OUに向かって中心軸方向に５ｍｍの位置におけるはめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWが２．５ｍｍ〜０．１０×ＤW（ｍｍ）である。なお、本明細書において「硬化層の深さ」とは、ＪＩＳ Ｇ ０５５９（２００８）で規定される有効硬化層深さを意味する。具体的には、本明細書におけるはめ合い部硬化層２Ｈの有効硬化層深さとは、はめ合い部２の表面から限界硬さの位置までの径方向の距離（ｍｍ）を意味する。本明細書における中央平行部硬化層３Ｈの有効硬化層深さとは、中央平行部３の表面から限界硬さの位置までの径方向の距離（ｍｍ）を意味する。本明細書において、有効硬化層の限界硬さは、ＪＩＳ Ｇ ０５５９（２００８）に基づいて、Ｃ含有量が０．２３％以上、０．３３％未満の成分の材料に規定されるビッカース硬さで３５０ＨＶと定義する。したがって、本明細書において、限界硬さはビッカース硬さで３５０ＨＶである。
上述のとおり、鉄道用車軸１のはめ合い部２では、フレッティング疲労が生じやすい。そこで、本実施形態による鉄道用車軸１では、はめ合い部２にはめ合い部硬化層２Ｈを高周波焼入れにより形成する。この場合、はめ合い部２に圧縮残留応力が生じる。上述のとおり、はめ合い部２に生じた圧縮残留応力は、フレッティングによるき裂の開口を抑制する。そのため、はめ合い部２に生じる圧縮残留応力を適切に調整すれば、フレッティング疲労を抑制できる。
図３を参照して、はめ合い部硬化層２Ｈは、はめ合い部２の表面の全面に形成されなくてもよい。好ましくは、はめ合い部２の表面のうち、少なくとも、はめ合い部２の軸方向長さの両側１／３ずつの領域にはめ合い部硬化層２Ｈが形成されていればよい。つまり、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１方向において、外側端２OUと内側端２INとの間の距離をＬ2と定義した場合、はめ合い部硬化層２Ｈは、外側端２OUから中央位置ＣＥ２に向かって少なくともＬ2／３の範囲と、内側端２INから中央位置ＣＥ２に向かって少なくともＬ2／３の範囲とに形成されていれば足りる。
本明細書において、はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWは、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１方向において（つまり、鉄道用車軸１の長手方向において）、はめ合い部２の内側端２INから外側端２OUに向かって５ｍｍの位置での深さを意味する（図３参照）。はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWが２．５ｍｍ未満であれば、はめ合い部２に生じる圧縮残留応力が小さくなりすぎる。一方、はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWが０．１０×ＤW（ｍｍ）を超えれば、かえってはめ合い部２に生じる圧縮残留応力が小さくなる。したがって、本実施形態による鉄道用車軸１は、各はめ合い部２（２Ａ及び２Ｄ）において、内側端２INから外側端２OUに向かって中心軸方向に５ｍｍの位置におけるはめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWはいずれも２．５ｍｍ〜０．１０×ＤW（ｍｍ）である。
はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWの好ましい下限は２．８ｍｍであり、さらに好ましくは３．０ｍｍであり、さらに好ましくは３．５ｍｍであり、さらに好ましくは４．０ｍｍである。はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWの好ましい上限は０．０９×ＤW（ｍｍ）であり、さらに好ましくは０．０８５×ＤW（ｍｍ）であり、さらに好ましくは０．０８×ＤW（ｍｍ）であり、さらに好ましくは０．０７５××ＤW（ｍｍ）である。
［硬化層深さ比ＣW／ＣAについて］
本実施形態による鉄道用車軸１は、はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWの、中央平行部の硬化層３Ｈの深さＣAに対する比であるＣW／ＣAが０．３４〜０．９３である。
はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWの、中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAに対する比を、「硬化層深さ比ＣW／ＣA」と定義する。上述のとおり、従前の鉄道用車軸は、硬化層深さ比ＣW／ＣAが、１．０以上であった。しかしながら、本実施形態による鉄道用車軸１においては、硬化層深さ比ＣW／ＣAを０．３４〜０．９３にする。つまり、中央平行部硬化層３Ｈを、はめ合い部硬化層２Ｈよりも深く形成する。
上述のとおり、疲労によるはめ合い部２での破壊の起点は表面であり、疲労による中央平行部３での破壊の起点は表面よりも内部である。はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWを２．５ｍｍ〜０．１０×ＤW（ｍｍ）とし、かつ、ＣW／ＣAを０．３４〜０．９３とすれば、はめ合い部２の表層には十分な深さのはめ合い部硬化層２Ｈと十分な圧縮残留応力が付与される。さらに、中央平行部３の表層には十分な深さの中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAが得られる。そのため、はめ合い部２と中央平行部３との直径比ＤW／ＤAが１．１０〜１．３０であっても、はめ合い部２において優れた疲労限度（フレッティング疲労限度）が得られ、中央平行部３において優れた疲労限度（曲げ疲労限度）を得ることができる。
硬化層深さ比ＣW／ＣAの好ましい下限は０．４０であり、さらに好ましくは０．５０であり、さらに好ましくは０．５５であり、さらに好ましくは０．６０であり、さらに好ましくは０．６２である。はめ合い部２と中央平行部３との硬化層深さ比ＣW／ＣAの好ましい上限は０．９１であり、さらに好ましくは０．８９であり、さらに好ましくは０．８８であり、さらに好ましくは０．８７である。
はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣW、中央平行部硬化層３Ｈの深さＣA、及び、硬化層深さ比ＣW／ＣAは、ＪＩＳ Ｇ ０５５９（２００８）に準拠した方法で決定できる。
［はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWの測定方法］
はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWは、次のとおりに定義される。具体的に、図１〜３を参照して、鉄道用車軸１のうち、はめ合い部２Ａ又は２Ｄの内側端２INから外側端２OUに向かって、中心軸方向（長手方向）に５ｍｍの位置を１点特定する。特定した位置において、中心軸Ｃ１と垂直に切断して切断面を形成する。この切断面を有し、はめ合い部２の表層部分を含むサンプルを採取する。上述の切断面を測定面とする。
上述の測定面において、ビッカース硬さ試験を実施する。具体的には、測定面において、はめ合い部２の表面から鉄道用車軸１の径方向（深さ方向）に、荷重を２．９Ｎとし、０．１ｍｍピッチでＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に準拠したビッカース硬さ試験を実施して、ビッカース硬さ（ＨＶ）を測定する。ビッカース硬さ試験により得られた硬さ推移曲線に基づいて、鉄道用車軸１の表面から、限界硬さまでの距離を求める。上述のとおり、上記限界硬さとは、ビッカース硬さで３５０ＨＶを意味する。つまり、ビッカース硬さが３５０ＨＶ以上（限界硬さ以上）となる、表面からの深さを測定する。はめ合い部２の表面から限界硬さまでの距離をＣW（ｍｍ）と定義する。
本実施形態による鉄道用車軸１は、一対のはめ合い部２の各々において、はめ合い部２の内側端２INから外側端２OUに向かって中心軸方向に５ｍｍの位置におけるはめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWはいずれも２．５ｍｍ〜０．１０×ＤW（ｍｍ）である。
［中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAの測定方法］
中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAは、次のとおりに定義される。鉄道用車軸１のうち、中央平行部３を特定する。上述のとおり、中央平行部３は、鉄道用車軸１のうち、一対のはめ合い部２の間に配置され、はめ合い部２の直径ＤWよりも小さい直径を有する円柱である。なお、はめ合い部２の直径ＤWよりも小さい直径を有する円柱が複数ある場合、中心軸方向の長さが最も長い円柱を、中央平行部３と定義する。
図２を参照して、特定した中央平行部３を、中心軸Ｃ１方向に等間隔に４個の区分３Ａ〜３Ｄに区画する。具体的には、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１方向において、中央平行部３の中央位置からはめ合い部２Ａ側に配置された区分３Ａ及び区分３Ｂと、中央平行部３の中央位置からはめ合い部２Ｄ側に配置された区分３Ｃ及び区分３Ｄとに区画する。各区分３Ａ〜３Ｄについて、次の方法で中央平行部硬化層３Ｈの深さを測定する。
区分３Ａ及び区分３Ｄにおける、中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAA及びＣADは、次のとおりに定義される。図２及び図４を参照して、区分３Ａにおける中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAAを説明する。区分３Ａにおいて、図４に示すとおり、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１方向と、中央平行部３の径方向とを含む面で切断する。この切断面を測定面とする。
測定面を鏡面に研磨した後、ナイタール腐食液に１０秒程度浸漬して、エッチングによるミクロ組織の現出を行う。エッチングした観察面を目視で確認し、測定面のうち、中央平行部硬化層３Ｈが最も薄い位置を特定する。特定した位置において、はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWと同様の方法により、鉄道用車軸１の表面から、限界硬さまでの距離を求める。求めた限界硬さまでの距離を中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAA（ｍｍ）と定義する。区分３Ｄにおける中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAD（ｍｍ）も、区分３Ａにおける中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAA（ｍｍ）と同じ方法により定義される。
区分３Ｂ及び区分３Ｃにおける、中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAB及びＣACは、次のとおりに定義される。具体的に、図５を参照して、区分３Ｂにおける中央平行部硬化層３Ｈの深さＣABを説明する。鉄道用車軸１における区分３Ｂのうち、任意の点において、鉄道用車軸１の中心軸に垂直に切断する（図５参照）。切断面を鏡面に研磨した後、ナイタール腐食液に１０秒程度浸漬して、エッチングによるミクロ組織の現出を行う。エッチングした観察面を目視で確認し、切断面のうち、中央平行部硬化層３Ｈが最も薄い位置を特定する。特定した位置において、はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWと同様の方法により、鉄道用車軸１の表面から、限界硬さまでの距離を求める。求めた限界硬さまでの距離を中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAB（ｍｍ）と定義する。区分３Ｃにおける中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAC（ｍｍ）も、区分３Ｂにおける中央平行部硬化層３Ｈの深さＣABと同様の方法により定義される。
鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１方向において、中央平行部３の中心位置からはめ合い部２Ａ側に配置されている区分３Ａ及び３Ｂで求めたＣAA及びＣABのうち小さい方の値を、はめ合い部２Ａに対応した中央平行部硬化層３Ｈの深さＣA1（ｍｍ）と定義する。はめ合い部２Ａについて、はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣW（ｍｍ）の、中央平行部硬化層３Ｈの深さＣA1（ｍｍ）に対する比を、硬化層深さ比ＣW／ＣA1と定義する。
同様に、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１方向において、中央平行部３の中心位置からはめ合い部２Ｄ側に配置されている区分３Ｃ及び３Ｄで求めたＣAC及びＣADのうち小さい方の値を、はめ合い部２Ｄに対応した中央平行部硬化層３Ｈの深さＣA2（ｍｍ）と定義する。はめ合い部２Ｄについて、はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣW（ｍｍ）の、中央平行部硬化層３Ｈの深さＣA2（ｍｍ）に対する比を、硬化層深さ比ＣW／ＣA2と定義する。なお、本明細書において、硬化層深さの比ＣW／ＣA1及びＣW／ＣA2を総称して、ＣW／ＣAともいう。
本実施形態による鉄道用車軸１は、はめ合い部２において、はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWの、中央平行部の硬化層３Ｈの深さＣAに対する比であるＣW／ＣAが０．３４〜０．９３である。すなわち、はめ合い部２Ａにおけるはめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWA（ｍｍ）の、中央平行部硬化層３Ｈの深さＣA1（ｍｍ）に対する比である、硬化層深さ比ＣWA／ＣA1が０．３４〜０．９３であり、はめ合い部２Ｄにおけるはめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWD（ｍｍ）の、中央平行部硬化層３Ｈの深さＣA2（ｍｍ）に対する比である、硬化層深さ比ＣWD／ＣA2が０．３４〜０．９３である。
好ましくは、はめ合い部２の端部から５ｍｍ位置における、はめ合い部硬化層２Ｈの最大硬さは、ビッカース硬さで４００ＨＶ以上である。この場合、高周波焼入れ時に生じるマルテンサイト分率が高くなる。そのため、はめ合い部硬化層２Ｈに生じる圧縮残留応力が大きくなる。その結果、はめ合い部２における、フレッティング疲労き裂の進展を抑制し、鉄道用車軸１はさらに高い疲労限度が得られる。
好ましくは、中央平行部３における、中央平行部硬化層３Ｈの最大硬さは、ビッカース硬さで４００ＨＶ以上である。この場合、高周波焼入れ時に生じるマルテンサイト分率が高くなる。そのため、中央平行部硬化層３Ｈに生じる圧縮残留応力が大きくなる。その結果、中央平行部３における、中央平行部硬化層３Ｈを起点とする疲労破壊が抑制され、鉄道用車軸１は、さらに高い疲労限度が得られる。
以上のとおり、本実施形態における鉄道用車軸１では、はめ合い部２及び中央平行部３の母材部の化学組成中の各元素が上述の範囲内であって、直径比ＤW／ＤAは、１．１０〜１．３０であり、各はめ合い部２でのはめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWはいずれも２．５ｍｍ〜０．１０×ＤWｍｍであり、硬化層深さ比ＣW／ＣAは０．３４〜０．９３である。そのため、従前の鉄道用車軸と比較して、直径比ＤW／ＤAを高めることで軽量化を図ることが可能であり、かつ、はめ合い部２及び中央平行部３ともに優れた疲労限度が得られる。
なお、従前の技術では、鉄道用車軸のはめ合い部及び中央平行部の表層において、ロール加工により硬化層を形成する場合がある。しかしながら、ロール加工により形成される硬化層はビッカース硬さで３００ＨＶ未満であり、本実施形態のはめ合い部硬化層２Ｈ及び中央平行部硬化層３Ｈの硬さよりもはるかに低い。
［図１以外の鉄道用車軸１の他の構成］
本実施形態の鉄道用車軸１は図１の構成に限定されない。たとえば、図６又は図７に示すとおり、一対の鉄道用車輪用はめ合い部２の間に、１又は複数のはめ合い部６が配置されていてもよい。はめ合い部６はたとえば、図示しない動力源の歯車（ギア）等が圧入されたり、ブレーキディスクが圧入されたりする。つまり、はめ合い部６は、鉄道用車輪以外の部材が圧入される。この場合、中央平行部３は、上述のとおり、中心軸方向の長さが最も長い円柱を、中央平行部３と定義する。
はめ合い部６においても、鉄道用車輪が圧入される鉄道用車輪用のはめ合い部２と同様に、高周波焼入れによって硬化層が形成されてもよい。この場合、歯車やディスクブレーキ等とのフレッティングが抑制され、鉄道用車軸１の疲労限度がさらに高まる。
［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。熱間鍛造時のインゴットの加熱温度は、周知の温度範囲で足りる。加熱温度はたとえば、１０００〜１３００℃である。製造された粗製品に対して、焼入れ及び焼戻し処理、又は、焼ならし処理を実施する。
焼入れ及び焼戻し処理を実施する場合、焼入れ処理及び焼戻し処理の上限は周知の条件で足りる。具体的には、焼入れ処理では、焼入れ温度をＡc3変態点以上とする。焼入れ温度で粗製品を保持し、その後、水冷又は油冷によって急冷する。焼戻し処理では、焼戻し温度をＡc1変態点以下とする。焼戻し温度で粗製品を保持し、その後放冷する。焼ならし処理を実施する場合、粗製品をＡc1変態点よりも高い熱処理温度で保持し、その後、放冷する。なお、焼ならし処理に続いて、焼戻し処理を実施してもよい。
焼入れ焼戻し処理、又は、焼ならし処理が実施された粗製品に対して、必要に応じて、機械加工を実施する。その後、粗製品に対して、高周波焼入れ処理を実施する。以下、高周波焼入れ処理について詳述する。
［高周波焼入れ処理について］
高周波焼入れ処理では、高周波加熱によって、粗製品の表層部分をＡc3変態点よりも高い温度にした後、急冷する。急冷方法はたとえば、水冷である。
本実施形態による鉄道用車軸１は、はめ合い部２の直径ＤWと中央平行部３の直径ＤAとの比である直径比ＤW／ＤAが１．１０〜１．３０である。すなわち、従前の鉄道用車軸と比較して、はめ合い部２に対して中央平行部３が細い。一方、本実施形態による鉄道用車軸１は、中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAの方が、はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWよりも大きい。具体的には、はめ合い部２において、はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWの、中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAに対する比であるＣW／ＣAが０．３４〜０．９３である。
通常、高周波焼入れ処理には高周波加熱装置を用いる。図８は、本実施形態の鉄道用車軸１の製造方法に用いられる高周波焼入れ装置の一例を示す図である。図８を参照して、高周波焼入れ装置７０は、円環状の高周波加熱装置７１と、円環状の水冷装置７２とを備える。高周波加熱装置７１と水冷装置７２とは、同軸に配置される。図８では、水冷装置７２上に高周波加熱装置７１が配置されている。図８では、高周波加熱装置７１の縦断面（高周波加熱装置７１の中心軸を含む断面）を示している。高周波加熱装置７１は、円環状の高周波加熱コイル７３が配置されている。水冷装置７２は、内部に、図示しない冷却液噴射ノズルが配置されている。水冷装置７２は、供給管７４から冷却液が供給され、冷却液噴射ノズルから鉄道用車軸の粗製品１０に向かって冷却液を噴射して、粗製品１０を急冷（焼入れ）する。
高周波焼入れする場合、図８に示すとおり、鉄道用車軸１の粗製品１０（高周波焼入れ処理されていない鉄道用車軸１）を、高周波焼入れ装置７０内に挿入する。図８では、高周波焼入れ装置７０に対して、粗製品１０を相対的に上方から下方に移動する。この場合、粗製品１０のうち、高周波加熱装置７１によりＡc3変態点以上に加熱された部分が、その後、冷却装置７２により急冷されて、硬化層を形成する。
具体的には、焼入れ処理によりはめ合い部２にはめ合い部硬化層２Ｈを形成する場合、図８に示すように、粗製品１０のはめ合い部２をＡc3変態点以上に加熱する。そして、高周波焼入れ装置７０に対して、粗製品１０を相対的に上方から下方に移動することにより、加熱後のはめ合い部２を高周波加熱装置７１の下に配置された水冷装置７２で急冷する。水冷装置７２の冷却液噴射ノズルは、はめ合い部２に向けて冷却液を噴射する。冷却液はたとえば水である。以上の工程により、はめ合い部硬化層２Ｈが形成される。
一方、焼入れ処理により中央平行部３に中央平行部硬化層３Ｈを形成する場合、図９を参照して、粗製品１０の中央平行部３をＡc3変態点以上に加熱する。そして、高周波焼入れ装置７０に対して、粗製品１０を相対的に上方から下方に移動することにより、加熱後の中央平行部３を高周波加熱装置７１の下に配置された水冷装置７２で急冷する。水冷装置７２の冷却液噴射ノズルは、はめ合い部２に向けて冷却液を噴射する。以上の工程により、中央平行部硬化層３Ｈが形成される。
本実施形態による鉄道用車軸１では、その直径比ＤW／ＤAが１．１０〜１．３０である。そのため、図８及び図９に示すとおり、高周波加熱時における、はめ合い部２と高周波加熱コイル７３との間の距離（図８参照）は、高周波加熱時における、中央平行部３と高周波加熱コイル７３との間の距離（図９参照）よりも短い。したがって、はめ合い部２を高周波加熱する場合の高周波加熱装置７１の出力と、中央平行部３を高周波加熱する場合の高周波加熱装置７１の出力とが同じであれば、はめ合い部硬化層２Ｈの方が、中央平行部硬化層３Ｈよりも深く形成される。この場合、ＣW／ＣAが１．００以上になってしまう。
そこで、本実施形態では、中央平行部３を高周波加熱する場合の高周波加熱装置７１の出力を、はめ合い部２を高周波加熱する場合の高周波加熱装置７１の出力よりも高く設定して、はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWと、中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAとを調整する。たとえば、高周波加熱装置７１の交流電流の周波数を３〜５ｋＨｚとする。この場合、粗製品１０の表面から深い領域まで加熱することが可能である。さらに、中央平行部３を高周波加熱するときの高周波加熱装置７１の出力を、はめ合い部２を高周波加熱するときの高周波加熱装置７１の出力の１．１〜１．２倍以上として調整する。高周波加熱装置７１の周波数、及び、中央平行部３を高周波加熱するときの高周波加熱装置７１の出力の、はめ合い部２を高周波加熱するときの高周波加熱装置７１の出力に対する比は、鉄道用車軸１のサイズ、及び、直径比ＤW／ＤAに応じて、適宜調整可能である。
高周波焼入れ処理を実施した後、焼戻し処理を実施してもよい。つまり、焼戻し処理は任意の処理である。焼戻し処理ではたとえば、焼戻し温度を１５０〜２５０℃とし、焼戻し温度での保持時間を３０〜１５０分とする。焼戻し処理の一例ではたとえば、２００℃付近まで加熱して、１２０分程度保持する。保持後の鉄道用車軸を空冷する。
高周波焼入れを実施した粗製品１０に対して、必要に応じて、最終の機械加工を実施してもよい。つまり、機械加工は任意の処理工程である。なお、機械加工を実施する場合、必要な深さの硬化層を確保できる範囲内で、機械加工（旋削及び研磨）を実施する。以上の工程により、本実施形態による鉄道用車軸１が製造できる。
上述の鉄道用車軸１の製造方法は、本実施形態の鉄道用車軸１の製造方法の一例である。したがって、はめ合い部２及び中央平行部３の母材部の化学組成中の各元素が上述の範囲内であって、直径比ＤW／ＤAが１．１０〜１．３０であり、各はめ合い部２でのはめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWがいずれも２．５ｍｍ〜０．１０×ＤWｍｍであり、硬化層深さ比ＣW／ＣAが０．３４〜０．９３である本実施形態の鉄道用車軸１を製造できれば、本実施形態の鉄道用車軸１の製造方法は、上述の製造方法に特に限定されない。
以下、実施例により本実施形態の鉄道用車軸１の効果をさらに具体的に説明する。以下の実施例での条件は、本実施形態の鉄道用車軸１の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例である。したがって、本実施形態の鉄道用車軸１はこの一条件例に限定されない。
表１に示す化学組成を有する溶鋼を製造した。表１中の「−」は、対応する元素の含有量が不純物レベルであることを意味する。具体的には、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ含有量における「−」は、各元素の含有量が０．０１％未満であることを意味する。Ａｌ含有量における「−」は、Ａｌ含有量が０．００２％未満であることを意味する。Ｔｉ及びＮｂ含有量における「−」は、各元素の含有量が０．００１％未満であることを意味する。Ｂ及びＣａ含有量における「−」は、各元素の含有量が０．０００１％未満であることを意味する。
Figure 2019194274
鋼番号１〜２０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１０に示す車軸形状を有する粗製品１０を製造した。粗製品１０は一対のはめ合い部２０と、一対のはめ合い部２０の間に、中央平行部３０とを備えた。
各試験番号の粗製品１０に対して焼入れ及び焼戻しを実施した。焼入れ時の熱処理温度は、各試験番号の鋼のＡc3変態点よりも高い８９０℃とした。熱処理温度で保持後、水焼入れを行った。焼入れ後の各試験番号の粗製品１０に対して、焼戻しを行った。焼戻し条件は、各試験番号の粗製品１０が同程度の表面硬さを有するように、焼戻し温度を５５０〜６７０℃で調整した。粗製品１０を焼戻し温度で１２０分保持した後、常温になるまで空冷した。
焼戻し後の各試験番号の粗製品１０に対して、高周波焼入れ処理を実施した。高周波焼入れ処理は、図１０に示す粗製品１０のうち、ハッチングで示した領域について実施した。具体的には、図２及び図３を参照して、製造後の鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１方向において、はめ合い部２の外側端２OUと内側端２INとの間の距離をＬ2と定義した場合、はめ合い部硬化層２Ｈは、外側端２OUから中央位置ＣＥ２に向かって少なくともＬ2／３の範囲と、内側端２INから中央位置ＣＥ２に向かって少なくともＬ2／３の範囲とに形成されるようにした。各試験番号の粗製品１０の各硬化層（はめ合い部硬化層２Ｈ、中央平行部硬化層３Ｈ）の深さの調整は、図８及び図９に示す高周波焼入れ装置７０内の高周波加熱装置７１の出力を調整することにより実施した。高周波焼入れ時の焼入れ温度は各試験番号の鋼のＡc3変態点以上であった。高周波焼入れ処理後の粗製品１０に対して、焼戻し処理を実施した。焼戻し処理では、各試験番号の粗製品１０全体を２００℃で１２０分保持した。保持後、粗製品１０を常温まで空冷した。
高周波焼入れ処理を実施した粗製品１０に対して、機械加工を実施して、図１１に示す鉄道用車軸１を製造した。図１１は、本実施例における鉄道用車軸１の側面図である。各試験番号の鉄道用車軸１は、一対のはめ合い部２と、中央平行部３とを備えた。各はめ合い部２は、幅が２００ｍｍであり、直径ＤWは１５０ｍｍであった。図１１に示すとおり、はめ合い部２の内側端２IN間の距離は１３３０ｍｍであった。
以上の製造工程により、鉄道用車軸１を製造した。各試験番号の鉄道用車軸１のはめ合い部２の直径ＤWと、中央平行部３の直径ＤAと、直径比ＤW／ＤAとを、表２に示す。
Figure 2019194274
［評価試験］
［疲労試験］
図１２は本実施例における鉄道用車軸１の疲労試験装置の模式図である。図１２を参照して、各試験番号の鉄道用車軸１の片側のはめ合い部２Ａに、車輪に相当する治具２００を圧入した。車輪に相当する治具２００を固定した。これにより、鉄道用車軸１を片持ち梁状態にした。鉄道用車軸１のうち、固定されているはめ合い部２Ｄの内側端２INから７００ｍｍ内側（図１１及び図１２中の点Ｐ）位置に、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１方向に垂直な向きで繰返し負荷を与える平面曲げ疲労試験を実施した。試験機として、鷺宮製作所製電気油圧サーボ型疲労試験機（荷重容量５００ｋＮ）を用いた。
試験条件は、応力比−１の両振り負荷とし、周波数は１〜３Ｈｚとした。繰返し回数は５×１０6回を上限として、破断まで実施した。５×１０6回まで破断しない場合、そこで試験を打ち切り、未破断と判断した。ここで、５×１０6回で未破断の試験応力の最大値をＦMとする。また、ＦM以上で５×１０6回に到達する前に破断した試験応力の最小値をＦBとする。ＦMとＦBとの平均値をＦAとし、（ＦB−ＦM）／ＦA≦０．１０となった場合のＦAを、疲労限度と定義した。一方、試験の結果、全て破断した場合、すなわち、ＦMが得られなかった場合、破断寿命と試験応力の関係から５×１０6回の寿命に相当する試験応力を外挿し、疲労限度と定義した。ここで、試験応力とは、はめ合い部では内側端２INにおける公称応力振幅、中央平行部では破断位置の表面応力振幅に相当した。
各試験番号の鉄道用車軸１について、上述の定義と評価法に基づき、はめ合い部２Ｄ及び中央平行部３の疲労限度を評価した。さらに、はめ合い部の疲労限度は、試験番号１を基準とし、疲労限度比として求めた。中央平行部の疲労限度は、試験番号２を基準とし、疲労限度比として求めた。求めた各試験番号の疲労限度比を表２に示す。なお、はめ合い部と中央平行部とのうち、いずれか一方が破断した場合、試験を打ち切った。そのため、はめ合い部と中央平行部とのうち、いずれか一方しか破断しなかった場合、破断が確認されなかったものは未破断（表２中の「−」）と判断した。
［はめ合い部硬化層深さＣWの測定方法］
続いて、図１１を参照して、疲労試験後の各試験番号の鉄道用車軸１の車輪を圧入した側のはめ合い部２Ａについて、はめ合い部硬化層の深さＣWを上述の方法で求めた。はめ合い部２Ａの内側端２INから外側端２OUに向かって、中心軸方向（長手方向）に５ｍｍの位置ＰWを特定した。位置ＰWにおいて、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１と垂直に切断して切断面を形成した。この切断面を有し、はめ合い部２の表層部分を含むサンプルを採取した。上述の切断面において、ビッカース硬さ試験を実施した。具体的には、切断面において、はめ合い部２の表面から鉄道用車軸１の径方向（深さ方向）に、荷重を２．９Ｎとし、０．１ｍｍピッチでＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に準拠したビッカース硬さ試験を実施して、ビッカース硬さ（ＨＶ）を測定した。ビッカース硬さ試験により得られた硬さ推移曲線に基づいて、鉄道用車軸１の表面から、限界硬さ（３５０ＨＶ）までの距離を求めた。得られた距離を、はめ合い部硬化層深さＣWと定義した。得られたはめ合い部硬化層深さＣWを表２に示す。
なお、はめ合い部２Ａのはめ合い部硬化層の深さＣWと同様の方法により、はめ合い部２Ｄのはめ合い部硬化層の深さＣWを求めた。その結果、各試験番号の鉄道用車軸１において、はめ合い部２Ａの硬化層深さＣWと、はめ合い部２Ｄの硬化層深さＣWとは、同じ値を示した。
［中央平行部硬化層深さＣAの測定方法］
各試験番号の鉄道用車軸１の中央平行部３を、中心軸Ｃ１方向に等間隔に４個の区分３Ａ〜３Ｄに分割した。区分３Ａにおける、中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAAを次の方法で求めた。図４を参照して、区分３Ａにおいて、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１方向と、中央平行部３の径方向とを含む面で切断した。切断面を鏡面に研磨した後、ナイタール腐食液に１０秒程度浸漬して、エッチングによるミクロ組織の現出を行った。エッチングした切断面を目視で確認し、切断面のうち、中央平行部硬化層３Ｈが最も薄い位置を特定した。特定した位置において、はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWと同じ方法により、鉄道用車軸１の表面から、限界硬さまでの距離を求めた。求めた限界硬さまでの距離を中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAA（ｍｍ）と定義した。
区分３Ｂにおける中央平行部硬化層３Ｈの深さＣABを次の方法で求めた。鉄道用車軸１における区分３Ｂのうち、任意の点において、鉄道用車軸１の中心軸に垂直に切断した（図５参照）。切断面を鏡面に研磨した後、ナイタール腐食液に１０秒程度浸漬して、エッチングによるミクロ組織の現出を行った。エッチングした観察面を目視で確認し、切断面のうち、中央平行部硬化層３Ｈが最も薄い位置を特定した。特定した位置において、はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWと同じ方法により、鉄道用車軸１の表面から、限界硬さまでの距離を求めた。求めた限界硬さまでの距離を中央平行部硬化層３Ｈの深さＣAB（ｍｍ）と定義した。
以上の方法で求めたＣAA及びＣABのうち小さい方の値を、はめ合い部２Ａに対応した中央平行部硬化層３Ｈの深さＣA1（ｍｍ）と定義した。はめ合い部２Ａについて、はめ合い部硬化層２Ｈの深さＣWA（ｍｍ）の、中央平行部硬化層３Ｈの深さＣA1（ｍｍ）に対する比を、硬化層深さ比ＣW／ＣAと定義した。
［母材部ＢＭのミクロ組織観察試験］
各試験番号の鉄道用車軸１の中央平行部３の中心軸Ｃ１方向に垂直な断面のＲ／２位置から、ミクロ組織観察用のサンプルを５つ採取した。中心軸Ｃ１に垂直な断面を観察面とした。各サンプルの観察面を鏡面に研磨した後、ナイタール腐食液に１０秒程度浸漬して、エッチングによるミクロ組織の現出を行った。エッチングした観察面を、光学顕微鏡にて観察した。１視野あたり４００００μｍ2（倍率５００倍）とし、各サンプルにつき１視野（つまり５つのサンプルを用いて合計５視野）を観察した。各視野において、コントラストに基づいて、マルテンサイト及びベイナイトと、マルテンサイト及びベイナイト以外の相（フェライト等）とを特定した。特定したマルテンサイト及びベイナイトの総面積と、各視野の面積（４００００μｍ2）とに基づいて、各視野のマルテンサイト及びベイナイトの総面積率を求めた。各視野で求めた、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率の算術平均値を、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率（％）と定義した。
ミクロ組織観察試験の結果、いずれの試験番号の鉄道用車軸１についても、母材部ＢＭのミクロ組織では、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率が８０％以上であった。
［評価結果］
表１及び表２を参照して、試験番号１〜３、９〜１７、及び、２８〜３２の化学組成は適切であり、直径比ＤW／ＤA、はめ合い部硬化層の深さＣW（ｍｍ）、硬化層深さ比ＣW／ＣAがいずれも本実施形態の範囲を満たした。その結果、はめ合い部疲労限度比及び中央平行部疲労限度比がいずれも１．００以上になり、優れた疲労限度を示した。
一方、試験番号４は、直径比ＤW／ＤAが小さすぎた。その結果、はめ合い部疲労限度比が１．００未満となった。すなわち、優れた疲労限度を示さなかった。
試験番号５は、直径比ＤW／ＤAが大きすぎた。その結果、中央平行部疲労限度比が１．００未満となった。すなわち、優れた疲労限度を示さなかった。
試験番号６は、硬化層深さ比ＣW／ＣAが大きすぎた。その結果、中央平行部疲労限度比が１．００未満となった。すなわち、優れた疲労限度を示さなかった。
試験番号７は、硬化層深さ比ＣW／ＣAが小さすぎた。その結果、中央平行部疲労限度比が１．００未満となった。すなわち、優れた疲労限度を示さなかった。
試験番号８は、はめ合い部硬化層の深さＣW（ｍｍ）が大きすぎた。その結果、はめ合い部疲労限度比が１．００未満となった。すなわち、優れた疲労限度を示さなかった。
試験番号１８はＣ含有量が低すぎた。その結果、はめ合い部疲労限度比が１．００未満となった。すなわち、優れた疲労限度を示さなかった。
試験番号１９はＣ含有量が高すぎた。その結果、中央平行部疲労限度比が１．００未満となった。すなわち、優れた疲労限度を示さなかった。
試験番号２０はＳｉ含有量が低すぎた。その結果、中央平行部疲労限度比が１．００未満となった。すなわち、優れた疲労限度を示さなかった。
試験番号２１はＳｉ含有量が高すぎた。その結果、中央平行部疲労限度比が１．００未満となった。すなわち、優れた疲労限度を示さなかった。
試験番号２２はＭｎ含有量が低すぎた。その結果、中央平行部疲労限度比が１．００未満となった。すなわち、優れた疲労限度を示さなかった。
試験番号２３はＭｎ含有量が高すぎた。その結果、はめ合い部疲労限度比が１．００未満となった。すなわち、優れた疲労限度を示さなかった。
試験番号２４はＣｒ含有量が低すぎた。その結果、中央平行部疲労限度比が１．００未満となった。すなわち、優れた疲労限度を示さなかった。
試験番号２５はＣｒ含有量が高すぎた。その結果、はめ合い部疲労限度比が１．００未満となった。すなわち、優れた疲労限度を示さなかった。
試験番号２６はＰ含有量が高すぎた。その結果、中央平行部疲労限度比が１．００未満となった。すなわち、優れた疲労限度を示さなかった。
試験番号２７はＳ含有量が高すぎた。その結果、中央平行部疲労限度比が１．００未満となった。すなわち、優れた疲労限度を示さなかった。
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。

Claims (5)

  1. 鉄道用車軸であって、
    各々が直径ＤWを有する円柱であり、鉄道用車輪が圧入される、一対のはめ合い部と、
    前記一対のはめ合い部の間に配置され、前記直径ＤWよりも小さい直径ＤAを有する円柱である中央平行部とを備え、
    前記はめ合い部は、
    前記鉄道用車軸の中心軸方向において、前記はめ合い部の中央位置よりも前記中央平行部に近い内側端と、
    前記鉄道用車軸の中心軸方向において、前記はめ合い部の中央位置よりも前記中央平行部から遠い外側端と、
    前記はめ合い部の表層に形成されているはめ合い部硬化層と、
    前記はめ合い部硬化層よりも内部の母材部とを含み、
    前記中央平行部は、
    前記中央平行部の表層に形成されている中央平行部硬化層と、
    前記中央平行部硬化層よりも内部の前記母材部とを含み、
    前記母材部の化学組成は、質量％で、
    Ｃ：０．２２〜０．２９％、
    Ｓｉ：０．１５〜０．４０％、
    Ｍｎ：０．５０〜０．８０％、
    Ｐ：０．０２０％以下、
    Ｓ：０．０４０％以下、
    Ｃｒ：０．９０〜１．２０％、
    Ｍｏ：０．１５〜０．３０％、
    Ｎ：０．０２００％以下、
    Ｏ：０．００４０％以下、
    Ｃａ：０〜０．００１０％、
    Ｃｕ：０〜０．３０％、
    Ｎｉ：０〜０．３０％、
    Ａｌ：０〜０．１００％、
    Ｖ：０〜０．０６０％、
    Ｔｉ：０〜０．０２０％、
    Ｎｂ：０〜０．０３０％、
    Ｂ：０〜０．００５０％、及び、
    残部がＦｅ及び不純物、からなり、
    前記はめ合い部の前記直径ＤWの、前記中央平行部の前記直径ＤAに対する比であるＤW／ＤAは、１．１０〜１．３０であり、
    前記はめ合い部の前記内側端から前記外側端に向かって前記中心軸方向に５ｍｍの位置におけるはめ合い部硬化層の深さＣWは２．５ｍｍ〜０．１０×ＤWｍｍであり、
    前記はめ合い部硬化層の深さＣWの、前記中央平行部の前記硬化層の深さＣAに対する比であるＣW／ＣAは０．３４〜０．９３である、
    鉄道用車軸。
  2. 請求項１に記載の鉄道用車軸であって、
    前記母材部の前記化学組成は、質量％で、
    Ｃｕ：０．０１〜０．３０％、及び、
    Ｎｉ：０．０１〜０．３０％からなる群から選択される１元素以上を含有する、
    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、
    前記母材部の前記化学組成は、質量％で、
    Ａｌ：０．００５〜０．１００％を含有する、
    鉄道用車軸。
  4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の鉄道用車軸であって、
    前記母材部の前記化学組成は、質量％で、
    Ｖ：０．００５〜０．０６０％、
    Ｔｉ：０．００２〜０．０２０％、及び、
    Ｎｂ：０．００２〜０．０３０％からなる群から選択される１元素又は２元素以上を含有する、
    鉄道用車軸。
  5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の鉄道用車軸であって、
    前記母材部の前記化学組成は、質量％で、
    Ｂ：０．０００３〜０．００５０％を含有する、
    鉄道用車軸。
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