JPH057454B2

JPH057454B2 -

Info

Publication number: JPH057454B2
Application number: JP58068377A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Nakase
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1983-04-20
Filing date: 1983-04-20
Publication date: 1993-01-28
Also published as: JPS59197545A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、良好な耐摩耗性を有するととも
に、耐割損損性にも優れた鉄道車輪に関するもの
である。鉄道車輪は、機関車用、旅客車用、貨車用と、
その用途に応じて種々の寸法、形状及び材質のも
のが用いられているが、通常、これら車輪の使用
寿命はその踏面及びフランジ面の摩耗によつて決
定されることがほとんどであるため、基本的には
耐摩耗性の良い材質が車輪用鋼として要求されて
いた。そして、過去における多くの経験・研究の
結果、大部分の組織がパーライトである高硬度の
材質、即ち高炭素パーライト組織鋼が、炭素鋼及
び低合金鋼の中では最も上記要求を満足するもの
であるということがわかり、この高炭素パーライ
ト組織鋼を鍛造して鉄道車輪とすることが従来か
ら最も一般的に行われていた。しかしながら、近年、鉄道車輪の高速化が推進
されるに至つて、特に高速時の安全性の問題から
一体車輪が用いられるようになつてきたことと、
高速化されたが故にブレーキによる発熱が大きく
なつて熱歪の増大を招くという状況の中で、耐摩
耗性のほかに、耐割損性という特性が鉄道車輪に
おいて大きな比重を占めるようになつてきたので
ある。ところで、車輪の割損は、苛酷なブレーキ操作
やレールとの摩擦によつて生ずる熱応力が大きく
なつて、車輪の踏面やフランジ面にその直径方向
への微細な熱亀裂が発生し、材料の破壊靭性が不
足するとその中の１つ或いはそれ以上の亀裂が成
長して行き、その熱亀裂がある限界長さに達した
瞬間に急速な脆性破壊となつて割れてしまうとい
う過程をたどるもので、安全上努めて避けなけれ
ばならない極めて危険な損傷形態である。そこで、最近の鉄道車輪には、耐割損性が大であること、耐摩耗性が良好であること、という両性能を兼ね備えることが強く要求されて
いるが、これら２つの性能は車輪を構成する鋼に
とつて互に相反する特性に基づくものであり、同
時に両方を満足する材料の実現にはほど遠い観が
あつたのである。このようなことから、車輪の製造には、現在、
耐摩耗性が重視される使用条件下では、多少の靭
性欠如には目をつぶつて、高硬度で耐摩耗性の優
れた比較的高い炭素量の中炭素鋼（Ｃ：；0.65〜
0.75重量％）を、そして耐割損性が重視される使
用条件下では、耐力や耐摩耗性をある程度無視し
て、靭性が高くて耐割損性に優れた炭素量の低い
中炭素鋼（Ｃ：0.45〜0.55重量％）を、それぞれ
選択して使用するのが世界各国の共通した対策で
あつた。そのほか、Ｃ含有量を0.45〜0.55％（以下、％
は重量％とする）と低くしてフエライト地を増加
し靭性確保を図つた中炭素鋼に高周波焼入れを行
い、表面のみをマルテンサイトかマルテンサイト
に近いベイナイト組織にして耐摩耗性を獲得しよ
うとの試みもなされたが、この場合には、表面の
硬度は上昇するけれども耐摩耗性の面で今一つ十
分ではないという結果に終つたのである。本発明者等は、上述のような観点から、耐摩耗
性と耐割損性という、互に相反する特性を兼ね備
えた鉄道車輪を提供すべく、特に、マルテンサイ
ト−ベイナイト組織鋼では高硬度を得られるけれ
どもパーライト組織鋼に比べて耐摩耗性に劣ると
の上記試験結果をふまえ、パーライト組織鋼をベ
ースとして、その耐摩耗性を低下させることなく
靭性を向上させることを目指して研究を重ねた結
果、 (a) パーライト組織鋼に特定の合金元素を添加し
てそのフエライト地を強化すると鋼の耐力が向
上するが、車輪を構成する鋼としては耐力の面
では高Ｃ側のパーライト組織鋼程度で十分なの
で、前記合金元素を添加すればＣ量を下げるこ
とが可能となる。従つて、Ｃ量を下げれば共折
Ｃ量も減少してパーライト中のセメンタイト層
が薄くなり、セメンタイト部の破壊靭性が向上
する。そして、これはセメンタイト層が薄くな
つた分だけ、靭性値が高く、しかも前記合金元
素で強化されたフエライト層が厚くなることを
も意味するものであり、セメンタイトの存在
と、強化されたフエライト層の拡大並びにセメ
ンタイト層の薄肉化との相剰的効果によつて、
思いがけずも、鋼の耐摩耗性が劣化されること
なく破壊靭性値が著しく向上すること、 (b) 特に、Niにてパーライト中のフエライト部
を強化すれば、フエライト部の靭性向上効果が
更に大きくなり、かつフエライト層もより厚く
なるので、車輪として使用した場合の耐割損性
が一段と向上すること、 (c) 上記鋼に、更にＶを添加すると、鋼の組織が
より微細化し、靭性が一層向上すること、以上(a)〜(c)に示される如き知見を得るに至つたの
である。この発明は、上記知見に基づいてなされたもの
であり、Ｃ：0.40％超〜0.80％、Si：0.40％以下、 Mn：0.60％〜0.90％、Ni：1.5〜2.5％、 Al：0.060％以下、Ｐ：0.030％以下、Ｓ：0.030％以下、を含有するとともに、必要により更に、Ｖ：0.05〜0.15％、をも含み、 Fe及びその他の不可避不純物：残り、からなる成分組成を有し、かつパーライトを主体
とした組織を有してなる高強度高靭性鋼で構成す
ることにより、耐摩耗性と耐割損性の両特性を兼
備せしめた鉄道車輪に特徴を有するものである。次に、この発明の鉄道車輪において、これを構
成する鋼の成分組成を上記のように限定した理由
を説明する。 (i) ＣＣ成分は、パーライト組織を生成させ、良好
な耐摩耗性を得るために含有せしめるものであ
る。そして、0.40％という値は、通常使用され
ている鋼のほぼ下限に相当し、Ｃ量がこれを下
回ると車輪の摩耗が著しくなつて実用上の問題
を生ずるようになる。一方、通常の鋼のＣ含有
量の上限は、セメンタイト析出による耐割損性
の低下を考慮して、共析Ｃ量である約0.75％と
されているが、この発明の車輪の場合は、Ni
やＶの添加によつて良好な耐割損性を得ること
ができ、Ｃ含有量が0.80％までは割損を生ずる
ことがない。従つて、Ｃ含有量を0.40％超〜
0.80％と定めた。 (ii) Si Si成分は、脱酸剤として必要なものである
が、その含有量が0.40％を超えると、NiやMn
等の他の合金元素との相剰効果により、車輪の
焼入れ時にパーライト組織以外のベイトナイト
組織やマルテンサイト組織を生成しやすくなる
ので、その含有量を0.40％以下と定めた。 (iii) Mn Mn成分には、FeSによる粒界脆化を防止す
る作用があるが、その含有量が0.60％未満では
前記作用に所望の効果を得ることができず、他
方0.90％を越えて含有させてもそれ以上の向上
効果を得ることができないので、Mn含有量を
0.60〜0.90％と定めた。 (iv) Ni Ni成分には、パーライト組織の靭性を向上
させる作用があるが、その含有量が1.5％未満
では前記作用に所望の著しい効果を得ることが
できず、他方2.5％を越えて含有させると、Si
やMn等の他の合金元素との相剰効果により、
車輪の焼入れ冷却時にパーライト組織以外のベ
イナイトやマルテンサイト組織を生成しやすく
なるので、Ni含有量を1.5〜2.5％と定めた。 (v) Al Al成分は、脱酸剤として有用なものであり、
また鋼の結晶粒を微細化して耐割損性（靭性）
を向上させる作用があるが、その含有量が
0.040％を越えると耐割損性は低下しはじめ、
0.060％を越えた含有量になるとAl無添加材と
同程度の特性しか示さなくなる。従つて、Al
含有量を0.060％以下と定めた。 (vi) Ｐ、及びＳこれらの元素は不可避的不純物として含有さ
れるものであり、Ｐはミクロ偏析を引き起し、
Ｓは硫化物系介在物を生成させて、いずれも耐
割損性（靭性）を低下させるので極力少ない方
が望ましいものである。しかし、いずれの含有
量も0.030％以下であればその影響は小さいの
で、Ｐ及びＳの含有量をそれぞれ0.030％以下
と定めた。 (vii) ＶＶ成分には、鋼の結晶粒を微細化して耐割損
性（靭性）を著しく向上させる作用があるが、
その含有量が0.05％未満では前記作用に所望の
効果が得られず、他方0.15％を越えて含有させ
てもそれ以上の向上効果が得られないことか
ら、Ｖ含有量を0.05〜0.15％と定めた。次いで、この発明の鉄道車輪を実施例によつて
比較例と対比しながら説明する。実施例１この実施例は、パーライト組織鋼に対する合金
元素（Si、Mn、Ni及びCr）の添加効果を正確に
評価する意味をも兼ねているものであり、まず、
通常の方法によつて第１表に示す如き成分組成の
鋼で構成された車輪材Ａ〜Ｉを溶製した。なお、
車輪材Ａは、従来の鉄道車輪に用いられている従
来車輪材、車輪材Ｂ〜Ｉは、それぞれ合金元素の
添加量に応じて共析Ｃ量が低下する分だけ、その
Ｃ含有量を低下させ、100％パーライト組織を維
持するようにしたものであり、車輪材Ｂ〜Ｆおよ
び車輪材Ｈ〜Ｉは比較車輪材、車輪材Ｇは本発明
の鉄道車輪に用いられる本発明車輪材である。つぎに、これらについて等温変態熱処理を施
し、鋼中のパーライト・ラメラー間隔を一定にし
た試料を作成し、該試料間でラメラー間隔を変動
させてその影響を求め、成分の影響と分離し解析
した。

【表】この結果を、第１図及び第２図に示したが、第
１図は、強度を代表する耐力に及ぼす合金元素と
パーライト・ラメラー間隔の影響を示すプロツト
図であり、第２図は、靭性を代表する衝撃破面遷
移温度（FATT）に及ぼす合金元素とパーライ
ト・ラメラー間隔の影響を示す線図である。第１図及び第２図に示される結果からも明らか
なように、本発明の鉄道車輪に用いられる本発明
車輪材Ｇは、従来車輪材Ａ、比較車輪材Ｂ〜Ｆお
よびＨ〜Ｉと比べて、強度は同等以上で、靭性は
いずれも優れていることがわかる。特に強度に対
しては、Si及びNiが、靭性に対してはNi及びMn
の効果が極めて著しく、本発明車輪材Ｇを構成す
るNi：２％の添加鋼は、強度と靭性の両面で最
も有効であることが明白である。実施例２この実施例は、２％Niパーライト組織鋼に対
するＣ及びＶの効果を確認する意味をも兼ねてい
るものであり、まず、常法によつて第２表に示す
如き成分組成の鋼で構成された車輪材Ｊ〜Ｎを溶
製した。これらの車輪材は、耐摩耗性の向上を目

【表】的として、共析Ｃ量よりも0.10％だけＣ量を増量
させたもの（パーライト組織に粒状セメンタイト
を析出させたもの：車輪材Ｍ及びＮ）と、共析Ｃ
量（100％パーライト組織のもの：車輪材Ｊ〜Ｌ）
との２系統に大別できるものであり、車輪材Ｊは
従来の鉄道車輪に用いられている従来車輪材であ
る。これらの各車輪材について破壊靭性（Ｋ・Ｑ）
を測定した結果を第３図に示した。第３図に示される結果から、従来車輪材である
車輪材Ｊよりも本発明車輪材である車輪材Ｋおよ
びＭの方が靭性（破壊靭性）が優れており、さら
にＶを添加して微細組織化した本発明車輪材であ
る車輪材ＬおよびＮは従来車輪材Ｊよりも靭性
（破壊靭性）がさらに向上することがわかる。上述のように、この発明の鉄道車輪は、従来の
高炭素鋼で構成された車輪と同等の良好な耐摩耗
性を有するとともに、耐割損性にも優れ、かつ格
別な設備を要することなく製造することができ、
高速化している現在の鉄道車輪の安全性をより向
上し得るなど、工業上有用な効果がもたらされる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は車輪材Ａ〜Ｉの耐力に及ぼす合金元素
とパーライト・ラメラー間隔の影響を示したプロ
ツト図、第２図は、車輪材Ａ〜Ｉの衝撃破面遷移
温度に及ぼす合金元素とパーライト・ラメラー間
隔の影響を示した線図、第３図は車輪材Ｊ〜Ｎに
関し、破壊靭性に及ぼすＣ、Ni及びＶの影響を
示したグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ：0.40％超〜0.80％、 Si：0.40％以下、 Mn：0.60〜0.90％、 Ni：1.5〜2.5％、 Al：0.060％以下、Ｐ：0.030％以下、Ｓ：0.030％以下、を含有し、 Fe及びその他の不可避不純物：残り、からなる成分組成（以上重量％）を有し、かつパ
ーライトを主体とした組織を有してなる高強度高
靭性鋼で構成したことを特徴とする耐摩耗性及び
耐割損性に優れた鉄道車輪。２Ｃ：0.40％超〜0.80％、 Si：0.40％以下、 Mn：0.60〜0.90％、 Ni：1.5〜2.5％、 Al：0.060％以下、Ｐ：0.030％以下、Ｓ：0.030％以下、を含有するとともに、さらに、Ｖ：0.05〜0.15％、をも含み、 Fe及びその他の不可避不純物：残り、からなる成分組成（以上重量％）を有し、かつパ
ーライトを主体とした組織を有してなる高強度高
靭性鋼で構成したことを特徴とする耐摩耗性及び
耐割損性に優れた鉄道車輪。