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公開番号2021063258
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210422
出願番号2019187785
出願日20191011
発明の名称鉄道車輪
出願人日本製鉄株式会社
代理人アセンド特許業務法人
主分類C22C 38/00 20060101AFI20210326BHJP(冶金;鉄または非鉄合金;合金の処理または非鉄金属の処理)
要約【課題】耐摩耗性に優れ、かつ、製造工程時における被削性に優れた、鉄道車輪を提供する。
【解決手段】本実施形態の鉄道車輪の化学組成は、質量%で、C:0.85〜1.15%、Si:0.80%以下、Mn:1.50%以下、P:0.050%以下、S:0.050%以下、及び、残部がFe及び不純物からなり、式(1)で定義されるFn1が42.0以下であり、式(2)で定義されるFn2が39.0以上であり、リム部の踏面に垂直な断面におけるパーライトの総面積率は95.0%以上であり、球状化セメンタイト含有微小領域面積率が40.0%以下である。
Fn1=30.52+6.96×C+4.96×Si+1.85×Mn+4.85×Cr+34.77×V (1)
Fn2=18.18+21.82×C+2.39×Si+1.01×Mn+6.97×Cr+24.79×V (2)
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項1】
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る板部とを備え、
前記鉄道車輪の化学組成は、質量%で、
C:0.85〜1.15%、
Si:0.80%以下、
Mn:1.50%以下、
P:0.050%以下、
S:0.050%以下、
Cr:0〜0.50%、
V:0〜0.10%、
Mo:0〜0.20%、
Cu:0〜0.50%、
Ni:0〜0.50%、
Al:0〜0.500%、及び、
残部がFe及び不純物からなり、
式(1)で定義されるFn1が42.0以下であり、
式(2)で定義されるFn2が39.0以上であり、
前記リム部の踏面に垂直な断面におけるパーライトの総面積率は95.0%以上であり、
前記リム部の前記踏面に垂直な断面の前記パーライトのうち、縦20μm×横20μmの矩形の観察視野において、縦方向に0.5μmピッチで40等分し、横方向に0.5μmピッチで40等分して、40×40個の微小領域を区画し、前記微小領域のうち、前記微小領域内に全体が収まるセメンタイトを少なくとも1つ含む前記微小領域を、球状化セメンタイト含有微小領域と定義したとき、
前記微小領域の総個数に対する、前記球状化セメンタイト含有微小領域の総個数の割合である、球状化セメンタイト含有微小領域面積率が40.0%以下である、
鉄道車輪。
Fn1=30.52+6.96×C+4.96×Si+1.85×Mn+4.85×Cr+34.77×V・・・(1)
Fn2=18.18+21.82×C+2.39×Si+1.01×Mn+6.97×Cr+24.79×V・・・(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。
続きを表示(約 270 文字)【請求項2】
請求項1に記載の鉄道車輪であって、
前記鉄道車輪の化学組成は、
Al:0.010〜0.500%を含有する、
鉄道車輪。
【請求項3】
請求項1又は請求項2に記載の鉄道車輪であって、
前記鉄道車輪の化学組成は、
Cr:0.01〜0.50%、
V:0.01〜0.10%、
Mo:0.01〜0.20%、
Cu:0.01〜0.50%、及び、
Ni:0.01〜0.50%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、
鉄道車輪。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、鉄道車輪に関する。
続きを表示(約 7,600 文字)【背景技術】
【0002】
鉄道車両は、線路を構成するレール上を走行する。鉄道車両は、複数の鉄道車輪を備える。鉄道車輪は、車両を支持し、レールと接触して、レール上を回転しながら移動する。鉄道車輪は、レールとの接触により摩耗する。最近、鉄道輸送の高効率化を目的として、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いる。その結果、鉄道車輪の耐摩耗性の向上が求められている。
【0003】
鉄道車輪の耐摩耗性を高める技術が、特開平9−202937号公報(特許文献1)、特開2012−107295号公報(特許文献2)、特開2013−231212号公報(特許文献3)、特開2004−315928号公報(特許文献4)に提案されている。
【0004】
特許文献1に開示された鉄道車両用車輪は、質量%で、C:0.4〜0.75%、Si:0.4〜0.95%、Mn:0.6〜1.2%、Cr:0〜0.2%未満、P:0.03%未満、S:0.03%以下を含有し、残部がFe及びその他不可避の不純物からなる。この鉄道車輪において、車輪踏面部の表面から少なくとも深さ50mmまでの領域が、パーライト組織からなる。特許文献1の鉄道車輪の製造方法は、車輪踏面部の冷却曲線が、連続冷却変態曲線図におけるパーライト生成領域を通り、かつ、マルテンサイト変態曲線より長時間側にある条件で、車輪踏面部を冷却する焼入工程を含む。
【0005】
特許文献2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%、S≦0.04%を含み、残部がFeと不純物からなり、P≦0.05%、Cu≦0.20%、Ni≦0.20%の化学組成を有する。この化学組成はさらに、次の関係式を満たす。〔34≦2.7+29.5×C+2.9×Si+6.9×Mn+10.8×Cr+30.3×Mo+44.3×V≦43〕かつ〔0.76×exp(0.05×C)×exp(1.35×Si)×exp(0.38×Mn)×exp(0.77×Cr)×exp(3.0×Mo)×exp(4.6×V)≦25〕。この車両用鋼は、上記化学組成及び上記式を満たすことにより、耐摩耗性、耐転動疲労特性、耐スポークリング性に優れる、と特許文献2には記載されている。
【0006】
特許文献3に開示された車輪用鋼は、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、V:0.02〜0.12%を含有し、式(1)で定義される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。この車輪用鋼は、上記化学組成を有し、Fn1及びFn2が上記範囲を満たすことにより、耐摩耗性、耐転動疲労特性、耐スポーリング性に優れる、と特許文献3には記載されている。
【0007】
特許文献4に開示された鉄道車両用車輪は、質量%で、C:0.85〜1.20%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.05〜2.00%、必要に応じてさらにCr、Mo、V、Nb、B、Co、Cu、Ni、Ti、Mg、Ca、Al、Zr、及びNの1種又は2種以上を所定量含有し、残部がFe及びその他不可避的不純物からなる化学成分を含有する鋼で構成された一体型の鉄道車両用車輪であって、車輪の踏面及び/又はフランジ面の少なくとも一部がパーライト組織である。特許文献4では、鉄道車両用車輪の寿命は、踏面及びフランジ面の摩耗量に依存し(特許文献4の段落[0002])、さらに、高速鉄道においてブレーキを掛けたときの発熱量の増大にともない発生する踏面及びフランジ面での亀裂に依存すると記載されている。そして、鉄道車両用車輪が上記構成を有することにより、踏面及びフランジ面の耐摩耗性及び熱亀裂を抑制できる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
特開平9−202937号公報
特開2012−107295号公報
特開2013−231212号公報
特開2004−315928号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
特許文献1に提案されている鉄道車両用車輪は、適度の焼入れ性と同時に、パーライト組織が得られる性質を持たせるために、Cr含有量を低く抑え、かつ、適量のSiを含有する。しかしながら、特許文献1に記載の鉄道車両用車輪のC含有量は0.4〜0.75%であり、この車輪はいわゆる亜共析鋼からなる。そのため、耐摩耗性の向上には限界がある。同様に、特許文献2及び特許文献3に提案されている車輪用鋼も亜共析鋼からなる。特許文献2及び3では、亜共析鋼にVを含有することにより、パーライト組織を強化して、耐摩耗性を高めている。しかしながら、Vを含有するだけでは、耐摩耗性の向上に限界がある。
【0010】
一方、特許文献4に提案されている鉄道車両用車輪では、C含有量を高めた過共析鋼を用いることにより、耐摩耗性を高めている。しかしながら、過共析鋼からなる鉄道車輪を製造する場合、亜共析鋼とは異なる新たな問題点が生じることが判明した。
【0011】
通常、鉄道車輪は、次の工程で製造される。熱間鍛造及び熱間圧延による中間品を製造する。中間品に対して、踏面焼入れを実施する。そして、踏面焼入れ後の中間品のリム部の踏面に形成されたマルテンサイト層を切削して除去し、踏面のミクロ組織をパーライト組織とする。
【0012】
以上のとおり、鉄道車輪の製造では、リム部の踏面に形成されたマルテンサイト層を切削して除去する工程が含まれる。亜共析鋼の鉄道車輪の場合、マルテンサイト層の切削は比較的容易に実施することができた。しかしながら、過共析鋼の場合、マルテンサイト層の硬さが非常に高いため、切削加工が困難となる。
【0013】
そこで、本開示の目的は、耐摩耗性に優れ、かつ、製造工程時における被削性に優れた、鉄道車輪を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本開示による鉄道車輪は、
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る板部とを備え、
前記鉄道車輪の化学組成は、質量%で、
C:0.85〜1.15%、
Si:0.80%以下、
Mn:1.50%以下、
P:0.050%以下、
S:0.050%以下、
Cr:0〜0.50%、
V:0〜0.10%、
Mo:0〜0.20%、
Cu:0〜0.50%、
Ni:0〜0.50%、
Al:0〜0.500%、及び、
残部がFe及び不純物からなり、
式(1)で定義されるFn1が42.0以下であり、
式(2)で定義されるFn2が39.0以上であり、
前記リム部の踏面に垂直な断面におけるパーライトの総面積率は95.0%以上であり、
前記リム部の前記踏面に垂直な断面の前記パーライトのうち、縦20μm×横20μmの矩形の観察視野において、縦方向に0.5μmピッチで40等分し、横方向に0.5μmピッチで40等分して、40×40個の微小領域を区画し、前記微小領域のうち、前記微小領域内に全体が収まるセメンタイトを少なくとも1つ含む前記微小領域を、球状化セメンタイト含有微小領域と定義したとき、
前記微小領域の総個数に対する、前記球状化セメンタイト含有微小領域の総個数の割合である、球状化セメンタイト含有微小領域面積率が40.0%以下である。
Fn1=30.52+6.96×C+4.96×Si+1.85×Mn+4.85×Cr+34.77×V・・・(1)
Fn2=18.18+21.82×C+2.39×Si+1.01×Mn+6.97×Cr+24.79×V・・・(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。
【発明の効果】
【0015】
本開示による鉄道車輪は、耐摩耗性に優れ、かつ、製造工程時における被削性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1は、鉄道車輪の中心軸を含む断面図である。
図2は、球状化セメンタイト含有微小領域面積率の測定方法を説明するための観察視野の模式図である。
図3は、図2に示す観察視野のうち、3×3=9個の微小領域を拡大した一例を示す模式図である。
図4は、図3中の9個の微小領域の定義を説明するための図である。
図5は、観察視野の一部のミクロ組織の一例を示す写真画像(SEM画像)の図である。
図6は、中間品を冷却するための冷却装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
[鉄道車輪の構成]
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42とを含む。踏面41は、フランジ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。鉄道車輪1の直径は特に限定されるものではないが、たとえば、700mm〜1000mmである。
【0018】
本発明者らは、耐摩耗性及び被削性を両立できる、鉄道車輪について検討を行った。初めに、本発明者らは、質量%で、C:0.85〜1.15%、Si:0.80%以下、Mn:1.50%以下、P:0.050%以下、S:0.050%以下、Cr:0〜0.50%、V:0〜0.10%、Mo:0〜0.20%、Cu:0〜0.50%、Ni:0〜0.50%、Al:0〜0.500%、及び、残部がFe及び不純物からなる化学組成であれば、耐摩耗性及び被削性を両立できる可能性があると考えた。
【0019】
ところで、鉄道車輪の被削性を高めるためには、踏面焼入れにより形成されるマルテンサイトの硬さが抑えられるのが好ましい。さらに、鉄道車輪の耐摩耗性を高めるには、パーライトの硬さを高めるのが好ましい。そこで、マルテンサイト層の硬さを抑えつつ、パーライトの硬さを高める方法を化学組成の観点から検討した。その結果、次の式(1)で定義されるFn1が42.0以下であり、式(2)で定義されるFn2が39.0以上であれば、踏面焼入れにより形成されるマルテンサイト層の硬さが過剰に高くなるのを抑えつつ、かつ、パーライトの硬さを高めることができることを見出した。
Fn1=30.52+6.96×C+4.96×Si+1.85×Mn+4.85×Cr+34.77×V・・・(1)
Fn2=18.18+21.82×C+2.39×Si+1.01×Mn+6.97×Cr+24.79×V・・・(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。
【0020】
しかしながら、化学組成が上述の範囲内であり、かつ、Fn1が42.0以下であり、かつ、Fn2が39.0以上であっても、耐摩耗性が低い場合があった。そこで、本発明者らはさらに検討を行った。その結果、本発明者らは、次の知見を得た。
【0021】
過共析鋼からなる鉄道車輪の製造工程において、踏面焼入れ後の焼戻しは必須の工程となる。焼戻しにおいて、焼戻し温度が高いほど、マルテンサイト(焼戻しマルテンサイト)の硬さが低くなり、被削性が高まる。したがって、過共析鋼からなる鉄道車輪の場合、マルテンサイトの硬さを低くして被削性を高めるために、焼戻し温度を高くするのが好ましいように考えられる。
【0022】
しかしながら、過共析鋼からなる鉄道車輪において、焼戻し温度が高すぎれば、パーライトのラメラが崩れ、パーライト中のセメンタイトが球状化してしまう。セメンタイトが過剰に球状化すれば、化学組成が上述の範囲内であり、かつ、Fn1が42.0以下であり、かつ、Fn2が39.0以上であっても、鉄道車輪の耐摩耗性が低くなる。
【0023】
そこで、本発明者らは、過共析鋼からなる鉄道車輪において、被削性と耐摩耗性とを両立可能なミクロ組織の形態についてさらに検討を行った。その結果、次の事項が判明した。
【0024】
過共析鋼の鉄道車輪のリム部の踏面に垂直な断面中のパーライト領域に注目する。このパーライト領域のうち、縦20μm×横20μmの矩形の観察視野において、縦方向に0.5μmピッチで40等分し、横方向に0.5μmピッチで40等分して、40×40個の微小領域を区画する。そして、これらの微小領域のうち、微小領域内に全体が収まるセメンタイト(球状化セメンタイト)を少なくとも1つ含む微小領域を、「球状化セメンタイト含有微小領域」と定義する。ここで、「微小領域内に全体が収まるセメンタイトを少なくとも1つ含む」とは、複数のセメンタイトのうち、少なくとも1つのセメンタイト全体が、微小領域内に収まっていることを意味する。つまり、微小領域内から一部でもはみ出るセメンタイトは、「微小領域内に全体が収まるセメンタイト」に該当しない。
【0025】
さらに、球状化セメンタイト含有微小領域面積率(%)を次の式で定義する。
球状化セメンタイト含有微小領域面積率(%)=球状化セメンタイト含有微小領域の総個数/微小領域の総個数×100
【0026】
上記式で定義された球状化セメンタイト含有微小領域面積率が40.0%以下であれば、高い被削性及び高い耐摩耗性の両立が可能であることを本発明者らは見出した。以上の知見に基づいて完成した本実施形態の鉄道車輪は次の構成を備える。
【0027】
[1]
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る板部とを備え、
前記鉄道車輪の化学組成は、質量%で、
C:0.85〜1.15%、
Si:0.80%以下、
Mn:1.50%以下、
P:0.050%以下、
S:0.050%以下、
Cr:0〜0.50%、
V:0〜0.10%、
Mo:0〜0.20%、
Cu:0〜0.50%、
Ni:0〜0.50%、
Al:0〜0.500%、及び、
残部がFe及び不純物からなり、
式(1)で定義されるFn1が42.0以下であり、
式(2)で定義されるFn2が39.0以上であり、
前記リム部の踏面に垂直な断面におけるパーライトの総面積率は95.0%以上であり、
前記リム部の前記踏面に垂直な断面の前記パーライトのうち、縦20μm×横20μmの矩形の観察視野において、縦方向に0.5μmピッチで40等分し、横方向に0.5μmピッチで40等分して、40×40個の微小領域を区画し、前記微小領域のうち、前記微小領域内に全体が収まるセメンタイトを少なくとも1つ含む前記微小領域を、球状化セメンタイト含有微小領域と定義したとき、
前記微小領域の総個数に対する、前記球状化セメンタイト含有微小領域の総個数の割合である、球状化セメンタイト含有微小領域面積率が40.0%以下である、
鉄道車輪。
Fn1=30.52+6.96×C+4.96×Si+1.85×Mn+4.85×Cr+34.77×V・・・(1)
Fn2=18.18+21.82×C+2.39×Si+1.01×Mn+6.97×Cr+24.79×V・・・(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。
【0028】
[2]
[1]に記載の鉄道車輪であって、
前記鉄道車輪の化学組成は、
Al:0.010〜0.500%を含有する、
鉄道車輪。
【0029】
[3]
[1]又は[2]に記載の鉄道車輪であって、
前記鉄道車輪の化学組成は、
Cr:0.01〜0.50%、
V:0.01〜0.10%、
Mo:0.01〜0.20%、
Cu:0.01〜0.50%、及び、
Ni:0.01〜0.50%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、
鉄道車輪。
【0030】
以下、本実施形態の鉄道車輪について詳述する。本明細書において、元素に関する「%」は、特に断りがない限り、質量%を意味する。
(【0031】以降は省略されています)

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