WO2022071262A1

WO2022071262A1 - 鉄道用車軸

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Publication number: WO2022071262A1
Application number: PCT/JP2021/035498
Authority: WO
Inventors: 泰三牧野; 千尋小塚; 雄一郎山本; 利行秦; 明仁山根
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2022-04-07
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Abstract

フレッティング疲労が抑制されたはめ合い部（２）と、優れた疲労強度を示す中央平行部（３）とを有する鉄道用車軸（１）を提供する。本開示による鉄道用車軸（１）は、鉄道用車輪が圧入され、はめ合い部硬化層（２Ｈ）と母材部（ＢＭ）とを含む一対のはめ合い部（２）と、一対のはめ合い部（２）の間に配置され、中央平行部硬化層（３Ｈ）と母材部（ＢＭ）とを含む中央平行部（３）とを備え、母材部（ＢＭ）は、明細書に記載の化学組成からなり、中央平行部硬化層（３Ｈ）のうち、ビッカース硬さが４８０ＨＶ以上の領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下であり、（２１１）回折面の半価幅Ｂが１．３４度以下であり、転位密度ρと、Ｘ線回折による（２１１）面の半価幅Ｂとが、式（１）を満たす。　（－４．８×１０¹⁶×Ｂ＋８．５×１０¹⁶）／ρ≧１．００　（１）

Description

鉄道用車軸

　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。

　鉄道用車軸は、鉄道用車輪が圧入される一対のはめ合い部と、一対のはめ合い部の間に配置される中央平行部とを有する。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では、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もいう。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（以下、「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、高周波焼入れによって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に開示される鉄道用車軸は、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、１～４．５ｍｍである。この鉄道用車軸は、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に開示される鉄道用車軸は、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。この鉄道用車軸は、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に開示される鉄道用車軸は、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。この鉄道用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。この鉄道用車軸は、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号公報特開２００７－３２１１９０号公報

生田文昭、外４名、「リング状試験片の高周波焼入れにおける変形と残留応力」、熱処理、一般社団法人日本熱処理技術協会、平成２７年２月、第５５巻、第１号、ｐ．３７－４３

　特許文献１～３に開示される鉄道用車軸では、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。

　ところで、鉄道用車軸の疲労強度を高めるためには、フレッティング疲労だけでなく、中央平行部における疲労破壊も低減できると好ましい。一方、上記特許文献１～３では、鉄道用車軸の中央平行部における疲労強度について検討がされていない。

　本開示の目的は、フレッティング疲労が抑制されたはめ合い部と、優れた疲労強度を示す中央平行部と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、
　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る中央平行部とを備え、
　前記はめ合い部は、
　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、
　前記中央平行部硬化層のうち、ビッカース硬さが４８０ＨＶ以上の領域において、
　Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下であり、
　Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂが１．３４度以下であり、
　前記Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρと、前記Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂとが、式（１）を満たす。
　（－４．８×１０¹⁶×Ｂ＋８．５×１０¹⁶）／ρ≧１．００　（１）
　ここで、式（１）中のρにはＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度がｍ^-2で代入され、ＢにはＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅が度で代入される。

　本開示による鉄道用車軸は、フレッティング疲労が抑制されたはめ合い部と、優れた疲労強度を示す中央平行部とを有する。

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、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、本実施例における粗製品の断面図である。図４は、本実施例における鉄道用車軸の側面図である。図５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６は、本実施例で用いた供試材の断面図である。図７は、本実施例で用いた疲労試験片の断面図である。

　本発明者らは、高周波焼入れを実施して、はめ合い部の表層に硬化層（以下、「はめ合い部硬化層」ともいう）を形成して、はめ合い部におけるフレッティング疲労を抑制した鉄道用車軸について、中央平行部の疲労強度を高める手法を調査及び検討した。その結果、次の知見を得た。

　（Ａ）化学組成について
　鉄道用車軸の中央平行部に対して高周波焼入れを実施すると、中央平行部の表層に硬化層（以下、「中央平行部硬化層」ともいう）が形成される。中央平行部硬化層が形成されれば、中央平行部の表層の硬さが高まり、中央平行部における疲労強度が高まると考えられる。そこで本発明者らは、まず、中央平行部硬化層を形成させることを前提に、中央平行部の疲労強度を十分に高められる化学組成について、詳細に検討した。

　その結果、鉄道用車軸のうち、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、からなれば、高周波焼入れによって中央平行部硬化層が形成された中央平行部の疲労強度を高められる可能性があると考えた。

　次に本発明者らは、上述の化学組成を有する鉄道用車軸の形状をした鋼材に対して、高周波焼入れ及び焼戻しを実施して、はめ合い部硬化層及び中央平行部硬化層を有する鉄道用車軸を種々製造した。その結果、上述の化学組成の母材部を有し、中央平行部の表面の硬さが同程度の鉄道用車軸であっても、中央平行部の疲労強度が異なる場合があることを、本発明者らは知見した。すなわち、中央平行部硬化層の硬さを単純に高めただけでは、中央平行部における疲労強度を十分に高められないことが、本発明者らの検討により明らかになった。

　（Ｂ）転位密度について
　高周波焼入れが実施された鉄道用車軸において、上述の化学組成の母材部を有し、表面の硬さが同程度であっても中央平行部の疲労強度が異なる理由について、本発明者らは、高周波焼入れ及び焼戻しによる熱履歴が、何らかの影響を与えているのではないかと考えた。そこで本発明者らは、転位密度に着目して、中央平行部の疲労強度を高める方法を調査及び検討した。具体的に、本発明者らは、中央平行部硬化層のうち、ビッカース硬さが４８０ＨＶ以上の領域を「特定硬さ領域」と定義して、特定硬さ領域における転位密度について、調査及び検討を行った。

　ここで、高周波焼入れが実施されて形成される特定硬さ領域は、ビッカース硬さが４８０ＨＶ以上と硬さが非常に高いため、転位密度が高くなりやすい。一方、繰り返し応力が負荷された鋼材中のミクロ組織では、転位が動いて集積することにより、き裂の起点となる可能性がある。すなわち、転位密度が高い特定硬さ領域では、転位が集積しやすく、疲労強度が低下しやすい傾向がある。したがって、転位密度が高い特定硬さ領域において転位密度を低減すれば、き裂の起点となる転位の集積が起こりにくくなるため、疲労強度が高まる可能性がある。

　以上の知見に基づいた本発明者らの詳細な検討の結果、上述の化学組成の母材部と、中央平行部硬化層とを有する中央平行部では、特定硬さ領域におけるＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρを２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下にまで低減すれば、本実施形態のその他の構成を満たすことを条件に、中央平行部の疲労強度を高められる可能性があることが明らかになった。したがって、本実施形態による鉄道用車軸の中央平行部では、母材部が上述の化学組成を有し、特定硬さ領域におけるＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρを２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下とする。

　（Ｃ）格子歪みについて
　一方、中央平行部が、上述の化学組成の母材部と、中央平行部硬化層とを有し、中央平行部硬化層の特定硬さ領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下であっても、疲労強度が十分に高められない場合があった。そこで本発明者らは、次に格子歪みに着目して、中央平行部の疲労強度を高める方法を調査及び検討した。ここで、Ｘ線回折法（ＸＲＤ：Ｘ‐Ｒａｙ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって得られる複数の回折面のうち（２１１）回折面であれば、高周波焼入れ及び焼戻しによる炭素（Ｃ）の固溶及び析出に起因する、結晶格子のｃ軸の変化を観察することができる。そこで本発明者らは、特定硬さ領域における格子歪みの指標として、（２１１）回折面の半価幅に着目して、中央平行部の疲労強度との関係を調査及び検討した。

　上述のとおり、繰り返し応力が負荷された鋼材中のミクロ組織では、転位が動いて集積することにより、き裂の起点となる可能性がある。一方、特定硬さ領域は高周波焼入れを実施することによって形成される。ここで、高周波焼入れは鋼材のミクロ組織に変態を伴うため、高周波焼入れを実施した鋼材のミクロ組織では、結晶格子に微視的な歪みが生じると考えられる。結晶格子に生じた微視的な歪みが局所的に大きい領域では、応力によって動いた転位が滞留しやすい可能性がある。その結果、格子歪みが大きい領域において、転位が集積することにより、き裂の起点となる可能性がある。

　以上の知見に基づいた本発明者らの詳細な検討の結果、上述の化学組成の母材部と、中央平行部硬化層とを有する中央平行部では、特定硬さ領域におけるＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂを１．３４度以下にまで低減すれば、本実施形態によるその他の構成を満たすことを条件に、中央平行部の疲労強度を高められる可能性があることが明らかになった。したがって、本実施形態による鉄道用車軸の中央平行部では、母材部が上述の化学組成を有し、特定硬さ領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρを２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下とした上で、さらに、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂを１．３４度以下とする。

　本発明者らのさらなる詳細な検討の結果、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρと、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂとが、次の式（１）を満たせば、中央平行部の疲労強度を安定して高められることが明らかになった。
　（－４．８×１０¹⁶×Ｂ＋８．５×１０¹⁶）／ρ≧１．００　（１）
　ここで、式（１）中のρにはＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度がｍ^-2で代入され、ＢにはＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅が度で代入される。

　Ｆｎ１＝（－４．８×１０¹⁶×Ｂ＋８．５×１０¹⁶）／ρと定義する。Ｆｎ１は、特定硬さ領域における転位の集積度合いを示す指標である。Ｆｎ１が１．００未満の場合、繰り返し応力が負荷された特定硬さ領域において、転位が集積し、き裂の起点となる。その結果、中央平行部における疲労強度が十分に得られない。一方、Ｆｎ１が１．００以上であれば、繰り返し応力が付加された特定硬さ領域においても、転位の集積が抑制され、中央平行部における疲労強度を高めることができる。

　この理由について、本発明者らは次のように考えている。上述のとおり、上述の化学組成の母材部と、中央平行部硬化層とを有する中央平行部では、繰り返しの応力によって転位が動くことにより、き裂が生じる可能性がある。すなわち、単に転位密度を低減するのではなく、転位が密になり、き裂やすべりが生じることを抑制できれば、中央平行部の疲労強度が高められる可能性がある。そのため、本実施形態による鉄道用車軸では、転位密度が高くなりやすい特定硬さ領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρを２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下とし、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂを１．３４度以下とした上で、さらに、Ｆｎ１を１．００以上とする。その結果、転位密度と格子歪みとのバランスを取ることができ、中央平行部の疲労強度を高められる、と本発明者らは考えている。

　したがって、本実施形態による鉄道用車軸では、上述の化学組成の母材部と、中央平行部硬化層とを有する中央平行部において、特定硬さ領域におけるＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下であり、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂが１．３４度以下であり、さらに、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρと、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂとが式（１）を満たす。その結果、本実施形態による鉄道用車軸では、中央平行部において、優れた疲労強度を有する。

　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］
　鉄道用車軸であって、
　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る中央平行部とを備え、
　前記はめ合い部は、
　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、
　前記中央平行部硬化層のうち、ビッカース硬さが４８０ＨＶ以上の領域において、
　Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下であり、
　Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂが１．３４度以下であり、
　前記Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρと、前記Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂとが、式（１）を満たす、
　鉄道用車軸。
　（－４．８×１０¹⁶×Ｂ＋８．５×１０¹⁶）／ρ≧１．００　（１）
　ここで、式（１）中のρにはＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度がｍ^-2で代入され、ＢにはＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅が度で代入される。

　［２］
　［１］に記載の鉄道用車軸であって、
　前記母材部は、質量％で、
　Ｃｕ：０．０１～０．３０％、
　Ｎｉ：０．０１～０．３０％、
　Ａｌ：０．００５～０．１００％、
　Ｖ：０．００５～０．０６０％、
　Ｔｉ：０．００２～０．０２０％、
　Ｎｂ：０．００２～０．０３０％、及び、
　Ｂ：０．０００３～０．００５０％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。

　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２Ｂと、中央平行部３とを備える。一対のはめ合い部２Ａ及び２Ｂの各々は、直径Ｄ_Wを有する円柱である。はめ合い部２Ａ及び２Ｂ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２Ｂ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２Ｂ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２Ｂ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２Ｂとつながっている。中央平行部３は、直径Ｄ_Aを有する円柱である。中央平行部３の直径Ｄ_Aは、はめ合い部２の直径Ｄ_W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。要するに、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、中実であってもよく、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Ｄ_A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Ｄ_Wは特に限定されないが、たとえば、１１０～２６０ｍｍである。

　図１を参照して、鉄道用車軸１はさらに、中央平行部３の端部と、はめ合い部２の内側端との間に、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の端部からはめ合い部２の内側端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の端部がはめ合い部２の内側端とつながっており、中央平行部３の端部とはめ合い部２の内側端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２を参照して、各はめ合い部２（２Ａ及び２Ｂ）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の中央位置よりも外側の領域の一部と、はめ合い部２の中央位置よりも内側の領域の一部とに形成されており、はめ合い部２の中央位置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２を参照して、中央平行部３は、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。

　［中央平行部３の母材部ＢＭの化学組成について］
　本実施形態において、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、はめ合い部硬化層２Ｈ及び中央平行部硬化層３Ｈの硬さが低下する。その結果、中央平行部３の疲労強度が低下する場合がある。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。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における疲労強度を高める。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における疲労強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はめ合い部硬化層２Ｈ及び中央平行部硬化層３Ｈが厚くなりすぎる場合がある。この場合、はめ合い部硬化層２Ｈの圧縮残留応力が低下し、はめ合い部２における疲労強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強度を低下させる。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させる。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の疲労強度が低下する。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はめ合い部硬化層２Ｈ及び中央平行部硬化層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における疲労強度が低下する。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はめ合い部硬化層２Ｈ及び中央平行部硬化層３Ｈが厚くなりすぎる場合がある。この場合、はめ合い部硬化層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強度が得られない。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、鋼の疲労強度が低下する。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における疲労強度が低下する。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、鋼の疲労強度を低下させる。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における疲労強度が低下する。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の疲労強度が低下する。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、鋼の疲労強度を高める。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の疲労強度がさらに高まる。

　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。

　［はめ合い部硬化層２Ｈと中央平行部硬化層３Ｈとについて］
　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、はめ合い部硬化層２Ｈが形成されている。本実施形態による鉄道用車軸１ではさらに、中央平行部３において、中央平行部硬化層３Ｈが形成されている。本明細書において「硬化層」とは、高周波焼入れによって形成された、母材部ＢＭと比較してビッカース硬さが高まった領域を意味する。具体的に、本明細書において、はめ合い部硬化層２Ｈ及び中央平行部硬化層３Ｈは、ＪＩＳ　Ｇ　０５５９（２００８）で有効硬化層深さとして規定される、限界硬さがビッカース硬さで３５０ＨＶの領域と定義される。要するに、本明細書において、はめ合い部硬化層２Ｈ及び中央平行部硬化層３Ｈの限界硬さは、ビッカース硬さで３５０ＨＶである。

　［はめ合い部硬化層２Ｈ及び中央平行部硬化層３Ｈ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、はめ合い部硬化層２Ｈ及び中央平行部硬化層３Ｈ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。

　鉄道用車軸１のはめ合い部硬化層２Ｈ及び中央平行部硬化層３Ｈ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、本実施形態による鉄道用車軸１の母材部ＢＭのミクロ組織における、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率と同様に、求める事ができる。具体的に、上述の方法で特定した、はめ合い部硬化層２Ｈ及び／又は中央平行部硬化層３Ｈ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。

　［特定硬さ領域について］
　本実施形態において、中央平行部硬化層３Ｈのうち、ビッカース硬さで４８０ＨＶ以上の領域を、「特定硬さ領域」と定義する。上述のとおり、中央平行部硬化層３Ｈの限界硬さは、ビッカース硬さで３５０ＨＶである。すなわち、特定硬さ領域とは、中央平行部硬化層３Ｈの中でも、特に硬さが高い領域を意味する。

　本実施形態において、特定硬さ領域は、次の方法で特定できる。本実施形態による中央平行部硬化層３Ｈに対して、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。たとえば、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１と垂直に切断して得られた面に対して、中央平行部３の表面から鉄道用車軸１の径方向（深さ方向）に、ビッカース硬さ（ＨＶ）を測定してもよい。このようにして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、ビッカース硬さで４８０ＨＶ以上の領域を特定する。特定されたビッカース硬さ４８０ＨＶ以上の領域を、特定硬さ領域と定義する。

　［転位密度について］
　本実施形態による鉄道用車軸１では、中央平行部硬化層３Ｈのうち、ビッカース硬さが４８０ＨＶ以上の領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下である。上述のとおり、本実施形態による中央平行部硬化層３Ｈのうち、ビッカース硬さで４８０ＨＶ以上の領域を特定硬さ領域という。本実施形態では、中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域における、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下である。

　上述のとおり、特定硬さ領域は、中央平行部硬化層３Ｈの中でも特に硬さが高い領域である。そのため、特定硬さ領域は、転位密度が高くなりやすい。一方、転位は繰り返しの応力を受けて鋼材中を移動して、き裂の起点となる可能性がある。すなわち、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが高いほど、き裂の起点が生じやすく、疲労強度が低下しやすいと考えられる。したがって、本実施形態による鉄道用車軸１では、中央平行部硬化層３Ｈのうち、特定硬さ領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρを２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下とする。その結果、本実施形態による鉄道用車軸１のその他の構成を満たすことを条件に、中央平行部３において優れた疲労強度を有する。

　本実施形態において、中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域におけるＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρの好ましい上限は２．４×１０¹⁶ｍ^-2である。なお、中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域におけるＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρの下限は特に限定されない。しかしながら、転位密度が低すぎれば、特定硬さ領域として定義されるビッカース硬さ４８０ＨＶ以上が得られない場合がある。したがって、本実施形態では、中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域におけるＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρの下限は、たとえば、１．４×１０¹⁶ｍ^-2である。

　本実施形態による鉄道用車軸１において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρは、次の方法で求めることができる。本実施形態による鉄道用車軸１の中央平行部３から、上述の方法で特定硬さ領域を特定する。特定硬さ領域から、転位密度測定用の試験片を作製する。試験片の大きさは特に限定されないが、たとえば、鉄道用車軸１に対して周方向１０ｍｍ×軸方向２０ｍｍ×径方向５ｍｍである。試験片の厚さ方向は、鉄道用車軸１の径方向（深さ方向）である。この場合、試験片の観察面は、鉄道用車軸１に対して周方向１０ｍｍ×軸方向２０ｍｍの面である。

　試験片の観察面を機械研磨し、さらに、電解研磨を行い、表層の歪みを除去する。電解研磨後の観察面に対して、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により回折プロファイルを得る。ＸＲＤにおいては、線源をＣｏＫα線、管電圧を３０ｋＶ、管電流を１００ｍＡとする。また、回折角（２θ）を４５～１０５度の範囲として、０．０２度ピッチで、１点あたり０．６秒で測定した。なお、回折角に相当するピーク位置の較正は、Ｓｉ標準板を用いて特定面の回折ピーク位置が基準位置に対してずれがないかを確認することにより行うことができる。また、半価幅については、ＬａＢ₆（六ホウ化ランタン）を標準試料として用い、予め装置の幅広がりを計測することにより、補正を行う。

　得られた回折プロファイルから、（１１０）、（２１１）、及び、（２２０）回折面について、ピーク位置（２θ）と、半価幅（Ｂ’）とをそれぞれ求める。求めた各回折面のピーク位置（２θ）と、各回折面の半価幅（Ｂ’）と、Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ－Ｈａｌｌの式（式（２））とから、不均一歪みεを求める。
　Ｂ’×ｃｏｓθ／λ＝０．９／Ｄ＋２ε×ｓｉｎθ／λ　（２）
　ここで、式（２）中において、θは回折角度、λはＸ線の波長（０．１７８８９６５ｎｍ）、Ｄ：結晶子径、を意味する。

　より具体的には、求めた各回折面のピーク位置（２θ）と、各回折面の半価幅（Ｂ’）とから、Ｂ’×ｃｏｓ（θ）／λと、ｓｉｎ（θ）／λとを求める。（１１０）、（２１１）、及び、（２２０）回折面それぞれについて、得られたＢ’×ｃｏｓ（θ）／λを縦軸に、ｓｉｎ（θ）／λを横軸にプロットして、カーブフィッティングにより直線を得る。得られた直線の傾き（２ε）から、不均一ひずみεを得る。得られたεと、バーガースベクトルｂと、次の式（３）とから、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρ（ｍ^-2）を求めることができる。
　ρ＝１４．４×ε²／ｂ²　（３）
　ここで、式（３）中において、ｂは体心立方構造（鉄）のバーガースベクトル（０．２５ｎｍ）を意味する。

　［（２１１）回折面の半価幅について］
　本実施形態による鉄道用車軸１では、中央平行部硬化層３Ｈのうち、ビッカース硬さが４８０ＨＶ以上の領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂが１．３４度以下である。上述のとおり、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂは、結晶格子の微視的な歪みの指標である。

　上述のとおり、特定硬さ領域は、中央平行部硬化層３Ｈの中でも特に硬さが高く、転位密度が高くなりやすい。そのため、上述のとおり、本実施形態では特定硬さ領域におけるＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρを２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下にまで低減する。しかしながら、特定硬さ領域におけるＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下にまで低減されても、結晶格子の微視的な歪みが局所的に大きくなっている領域では、繰り返し応力により転位が滞留しやすい傾向がある。そのため、本実施形態による鉄道用車軸１では、中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域において、結晶格子の微視的な歪みを低減する。

　したがって、本実施形態による鉄道用車軸１の中央平行部３では、母材部が上述の化学組成を有し、中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下であり、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂが１．３４度以下である。本実施形態において、中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域における、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂの好ましい上限は１．３３度であり、さらに好ましくは１．３２度である。なお、中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂの下限は特に限定されない。本実施形態では、中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂの下限は、たとえば、０．９度である。

　本実施形態による鉄道用車軸１において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂは、次の方法で求めることができる。上述のＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρを求める場合と同一の条件で試験片を作製し、上述のＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρを求める場合と同一の条件でＸＲＤにより回折プロファイルを得る。得られた回折プロファイルから、（２１１）回折面のピークを特定し、その半価幅を求める。求めた半価幅を、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂと定義する。

　［式（１）について］
　本実施形態による鉄道用車軸１では、中央平行部硬化層３Ｈのうち、ビッカース硬さが４８０ＨＶ以上の領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρと、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂとが、式（１）を満たす。
　（－４．８×１０¹⁶×Ｂ＋８．５×１０¹⁶）／ρ≧１．００　（１）
　ここで、式（１）中のρにはＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度がｍ^-2で代入され、ＢにはＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅が度で代入される。

　Ｆｎ１（＝（－４．８×１０¹⁶×Ｂ＋８．５×１０¹⁶）／ρ）は、特定硬さ領域における転位の集積度合いを示す指標である。Ｆｎ１が１．００未満の場合、繰り返し応力が負荷された特定硬さ領域において、転位が集積し、き裂の起点となる。その結果、中央平行部における疲労強度が十分に得られない。一方、Ｆｎ１が１．００以上であれば、繰り返し応力が付加された特定硬さ領域においても、転位の集積が抑制され、中央平行部における疲労強度を高めることができる。

　したがって、本実施形態による鉄道用車軸１の中央平行部３では、母材部が上述の化学組成を有し、中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下であり、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂが１．３４度以下であり、さらに、Ｆｎ１が１．００以上である。本実施形態において、Ｆｎ１の好ましい下限は１．０１であり、さらに好ましくは１．０３である。本実施形態において、Ｆｎ１の上限は特に限定されない。本実施形態では、Ｆｎ１の上限は、たとえば、３．０である。

　［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Ａ_c3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Ａ_c1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Ａ_c1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、及び、焼戻し処理を実施する。以下、高周波焼入れ処理及び焼戻し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Ａ_c3変態点よりも高い温度にした後、冷却する。この場合、粗製品の表層部分がオーステナイトからマルテンサイト又はベイナイトに変態する。その結果、粗製品の表層部分に硬化層が形成される。

　高周波焼入れ処理は、周知の高周波加熱装置と、周知の冷却装置とを用いて実施することができる。たとえば、高周波加熱装置として、円環状の高周波加熱装置を用いてもよく、冷却装置として、円環状の冷却装置を用いてもよい。この場合、鉄道用車軸１の中心軸Ｃ１と、円環状の高周波加熱装置及び円環状の冷却装置とが、同軸に配置されることにより、鉄道用車軸１のはめ合い部２及び中央平行部３の表面に効率よく高周波焼入れ処理を実施することができる。

　本実施形態による高周波焼入れ処理では、高周波加熱において、粗製品の表層部分をＡ_c3変態点以上に加熱できれば、特に限定されない。すなわち、本実施形態では、高周波加熱として、周知の高周波加熱を実施すればよい。たとえば、高周波加熱装置の交流電流の周波数を１～１０ｋＨｚとしてもよい。

　本実施形態による高周波焼入れ処理では、冷却において、冷却速度を適宜制御する。ここで、焼入れ時の冷却速度が遅すぎれば、はめ合い部硬化層２Ｈ及び中央平行部硬化層３Ｈがマルテンサイト及びベイナイト主体のミクロ組織とならず、製造された鉄道用車軸１において、はめ合い部硬化層２Ｈ及び中央平行部硬化層３Ｈの硬さを十分に高められない場合がある。そのため、従来の高周波焼入れでは、高周波焼入れ時の冷却は、急冷を実施する。一方、高周波加熱によってＡ_c3変態点よりも高い温度まで加熱されることから、急冷時に変態を伴う。その結果、冷却速度が速いほど、高周波焼入れ後の転位密度が高くなる。

　本実施形態による高周波焼入れ処理ではさらに、粗製品の表層部分のみが加熱され、冷却される。その結果、製造される鉄道用車軸１には、はめ合い部硬化層２Ｈと、中央平行部硬化層３Ｈと、母材部ＢＭとが形成される。つまり、本実施形態による高周波焼入れ処理では、粗製品の一部のみが加熱された後、急冷される。そのため、本実施形態による高周波焼入れでは、熱処理炉等を用いて鋼材全体を加熱した後急冷する焼入れと比較して、冷却速度が速くなりやすい。

　高周波焼入れ処理によって、表層部分のみを加熱した後冷却する場合における冷却速度について、具体例を挙げて説明する。特許文献４（特開２００７－３２１１９０号公報）では、疲労特性に優れた鋼材の製造方法を開示する。特許文献４の段落［００５１］には、高周波焼入れ時の冷却速度を２００℃／秒以上とするのが好ましいことが記載されている。より具体的には、特許文献４の段落［００５４］及び表２－１～２－３を参照して、硬化層深さを２～７ｍｍ程度とする場合、高周波焼入れの加熱保持後の冷却速度は１０００℃／秒であることが開示されている。

　さらに、非特許文献１では、高周波焼入れ処理における、５００～２００℃の範囲の冷却速度を開示する。具体的に、非特許文献１の第５頁に記載される図１３～図１５は、高周波焼入れ処理における加熱開始からの時間（ｓ）と、ワーク（被加熱材料）の温度（℃）との関係を示す。非特許文献１の図１３～１５を参照して、ワークが冷却される際、５００℃から２００℃に到達するまでにかかる時間は、いずれも２秒以下となっている。つまり、非特許文献１の図１３～１５には、高周波焼入れ処理において、５００～２００℃の範囲における冷却速度は、複数の測定点において、いずれも１５０℃／秒以上であることが示されている。

　このように、従来の高周波焼入れ処理では、非常に速い冷却速度で急冷される。一方、本実施形態による高周波焼入れ処理では、Ｍｓ点到達前の５００℃から、Ｍｆ点通過後の２００℃までにおける、冷却速度を制御して、転位密度ρが高くなりすぎないように調整する。具体的に、本実施形態による高周波焼入れ処理では、５００～２００℃の範囲における冷却速度ＣＲを８０℃／秒以下に低減する。その結果、製造された鉄道用車軸１の中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρを２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下に低減することができる。

　５００～２００℃の範囲における冷却速度ＣＲの好ましい上限は６０℃／秒であり、さらに好ましくは５０℃／秒であり、さらに好ましくは４０℃／秒である。一方、上述のとおり、５００～２００℃の範囲における冷却速度ＣＲが遅すぎれば、マルテンサイト及びベイナイト主体のミクロ組織とならない場合がある。したがって、本実施形態による高周波焼入れ処理では、５００～２００℃の範囲における冷却速度ＣＲの下限は、たとえば、１０℃／秒である。

　なお、５００～２００℃の範囲における冷却速度ＣＲは、Ｋ型熱電対を用いて、粗製品の表面温度を測定することによって求めることができる。また、５００～２００℃の範囲における冷却速度ＣＲを調整する方法は、特に限定されない。たとえば、シャワー水冷又はミスト水冷により粗製品を冷却する場合、シャワー又はミストの水量を調整することによって、５００～２００℃の範囲における冷却速度ＣＲを調整することができる。

　［焼戻し処理について］
　本実施形態では、高周波焼入れ処理が実施された粗製品に対して、焼戻し処理を実施する。焼戻し処理では、粗製品のミクロ組織において、ε炭化物の析出、転位の回復（消滅）、及び、格子歪みの低減が生じる。すなわち、焼戻し処理を実施することによって、上述の高周波焼入れ処理によって高まった転位密度ρ、及び、Ｘ線回折における（２１１）面の半価幅Ｂのいずれも低下させることができる。

　本実施形態による焼戻し処理では、次の式（Ａ）で定義されるλを８６００～１００００にする。
　λ＝Ｔ（ｌｏｇ₁₀（ｔ）＋２０）　（Ａ）
　ここで、式（Ａ）中のＴには、焼戻し温度がＫで代入され、ｔには焼戻し時間が時間で代入される。

　本明細書において、焼戻し温度Ｔ（Ｋ）とは、焼戻しを実施する熱処理炉の温度（Ｋ）に相当する。本明細書においてさらに、焼戻し時間とは、鉄道用車軸１が焼戻し温度Ｔ（Ｋ）で保持される時間（時間）に相当する。

　λが小さすぎれば、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρ、及び／又は、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂが十分に低減できない場合がある。一方、λが大きすぎれば、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが低下しすぎ、中央平行部硬化層３Ｈにおいて、ビッカース硬さで４８０ＨＶ以上の硬さが得られない場合がある。したがって、本実施形態における焼戻し処理では、λを８６００～１００００とする。その結果、本実施形態による鉄道用車軸１は、中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρを２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下に低減でき、かつ、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂを１．３４度以下にすることができる。

　本実施形態による鉄道用車軸１では、中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域において、転位密度（すなわち、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρ）と、格子歪み（すなわち、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂ）とのバランスを取ることによって、中央平行部３の疲労強度を高める。一方、上述のとおり、高周波焼入れ処理における５００～２００℃の範囲での冷却速度によって、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが変化する。また、焼戻し処理におけるλによって、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρ及びＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂが変化する。そこで、本実施形態による高周波焼入れ処理と、焼戻し処理とのバランスを取る。

　具体的に、本実施形態による高周波焼入れ処理と焼戻し処理とでは、次の式（Ｂ）で定義されるＦを９００００～４０００００とする。
　Ｆ＝ＣＲ×λ　（Ｂ）
　ここで、式（Ｂ）中のＣＲには、５００～２００℃の範囲における冷却速度が℃／秒で代入され、λには、式（Ａ）で定義されるλが代入される。

　Ｆが小さすぎれば、中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂが高くなりすぎる場合がある。一方、Ｆが大きすぎれば、Ｆｎ１が１．００未満になる場合がある。したがって、本実施形態では、Ｆを９００００～４０００００とする。その結果、本実施形態による鉄道用車軸１は、中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρを２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下に低減でき、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂを１．３４度以下にでき、さらに、Ｆｎ１を１．００以上にすることができる。

　焼戻し処理が実施された粗製品は、室温まで冷却される。この場合、焼戻し処理後の冷却は、特に限定されない。たとえば、焼戻し処理がされた粗製品に対して、室温まで放冷してもよい。焼戻し処理が実施された粗製品に対してさらに、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ＢＭの化学組成中の各元素が上述の範囲内であって、中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下であり、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂが１．３４度以下であり、Ｆｎ１が１．００以上である本実施形態による鉄道用車軸１が製造できれば、上述の製造方法には限定されない。

　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。

　実施例１では、鉄道用車軸１を製造して、中央平行部３における疲労強度を評価した。具体的に、Ｃ：０．２６％、Ｓｉ：０．２９％、Ｍｎ：０．６９％、Ｐ：０．０１２％、Ｓ：０．００６％、Ｃｒ：１．１１％、Ｍｏ：０．２６％、Ｎ：０．００３６％、Ｏ：０．００１９％、Ａｌ：０．０３２％、及び、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有する溶鋼を製造した。製造された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３に示される車軸形状の粗製品１０を製造した。図３は、本実施例における粗製品の断面図である。粗製品１０は、一対のはめ合い部２０と、一対のはめ合い部２０の間に配置される中央平行部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、鋼のＡ_c3変態点よりも高い８９０℃とした。熱処理温度で保持した後、水焼入れを実施した。焼入れ後の各試験番号の粗製品１０に対して、焼戻しを実施した。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。

　焼戻しされた粗製品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３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。高周波焼入れ時の焼入れ温度は各試験番号の鋼のＡ_c3変態点以上であった。各試験番号の粗製品１０について、高周波焼入れ時の５００～２００℃の範囲における冷却速度ＣＲ（℃／秒）を表１に示す。なお、冷却速度ＣＲ（℃／秒）は、Ｋ型熱電対を用いて測定した。また、冷却速度ＣＲ（℃／秒）の調整は、冷却時の水量を調整することにより行った。

　高周波焼入れが実施された各試験番号の粗製品１０に対して、焼戻し処理を実施した。各試験番号の粗製品１０に実施した焼戻し処理における焼戻し温度（℃）を「Ｔ（℃）」として、焼戻し時間を「ｔ（時間）」として、表１に示す。さらに、各試験番号の粗製品１０に対して実施した焼戻しにおける焼戻し温度Ｔ（℃）と、焼戻し時間ｔ（時間）と、上述の式（Ａ）とから、λ（＝（２７３＋Ｔ）×（ｌｏｇ₁₀（ｔ））＋２０）を求めた。求めた各試験番号におけるλを表１に示す。さらに、各試験番号の粗製品１０に実施した高周波焼入れ時の５００～２００℃の範囲における冷却速度ＣＲ（℃／秒）と、焼戻し時のλと、上述の式（Ｂ）とから、Ｆ（＝ＣＲ×λ）を求めた。求めた各試験番号におけるＦを表１に示す。

　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４に示す鉄道用車軸１を製造した。図４は、本実施例における鉄道用車軸の側面図である。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Ｄ_Wが１５０ｍｍであった。中央平行部３は、直径Ｄ_Aが１３６ｍｍであった。はめ合い部２と中央平行部３との間のフィレット部は、曲率半径が１０ｍｍ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。

　［評価試験］
　製造された鉄道用車軸１に対して、以下に説明するＸ線回折測定試験、及び、疲労試験を実施した。

　［Ｘ線回折測定試験］
　製造された各試験番号の鉄道用車軸１の中央平行部硬化層３Ｈから、特定硬さ領域を特定した。各試験番号の中央平行部硬化層３Ｈの特定硬さ領域から、Ｘ線回折測定試験用の試験片を作製した。試験片の大きさは、鉄道用車軸１の周方向１０ｍｍ×軸方向２０ｍｍ×径方向５ｍｍであった。周方向１０ｍｍ×軸方向２０ｍｍを観察面とし、観察面に対して機械研磨及び電解研磨を実施して、上述の方法でＸ線回折測定を実施した。測定にはＸ線回折装置を用い、測定条件はＣｏＫα特性Ｘ線、管電圧３０ｋＶ、管電流１００ｍＡとした。回折角に相当するピーク位置の較正は、Ｓｉ標準板を用いて特定面の回折ピーク位置が基準位置に対してずれがないかを確認することにより行った。また、半価幅については、ＬａＢ₆（六ホウ化ランタン）を標準試料として用い、予め装置の幅広がりを計測することにより、補正を行った。

　得られたＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折プロファイルから、（１１０）、（２１１）、（２２０）面のピーク位置（２θ）と半価幅（Ｂ’）とを求め、上述の式（２）及び式（３）を用いて、試験片における転位密度ρ（１０¹⁶ｍ^-2）を求めた。求めた各試験番号のＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρ（１０¹⁶ｍ^-2）を「転位密度ρ」として表１に示す。

　得られたＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折プロファイルからさらに、（２１１）回折面のピークを特定し、その半価幅を求めた。求めた各試験番号のＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂ（度）を「半価幅Ｂ（度）」として表１に示す。さらに、各試験番号において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρ（１０¹⁶ｍ^-2）と、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂ（度）と、上述の式（１）とから、Ｆｎ１（＝（－４．８×１０¹⁶×Ｂ＋８．５×１０¹⁶）／ρ）を求めた。求めた各試験番号のＦｎ１を表１に示す。

　［疲労試験］
　図５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５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２Ａの内側端から７００ｍｍ内側（図５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回までに破断した試験応力の最小値をＦ_Bとする。また、Ｆ_B以下で５×１０⁶回に到達して未破断であった試験応力の最大値をＦ_Mとする。Ｆ_MとＦ_Bとの平均値をＦ_Aとし、（Ｆ_B－Ｆ_M）／Ｆ_A≦０．１０となった場合のＦ_Aを、疲労限度と定義した。このようにして求めた試験番号１－１の疲労限度を用いて、各試験番号の鉄道用車軸１に負荷する試験応力とした。

　各試験番号の鉄道用車軸１に対して、上述のとおりに決定された試験応力（すなわち、試験番号１－１の疲労限度）を負荷して、疲労試験を実施した。試験条件は上述の条件と同一とし、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回の繰返し数に到達した鉄道用車軸１は、優れた疲労強度を有すると評価した（表１中「Ｅ」（Ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ））。一方、５×１０⁶回の繰返し数に到達せずに破断した鉄道用車軸１は、優れた疲労強度を有さないと評価した（表１中「ＮＡ」（Ｎｏｔ　Ａｃｃｅｐｔａｂｌｅ））。各試験番号に対する疲労試験の評価結果を表１に示す。

　［評価結果］
　表１を参照して、試験番号１－１の鉄道用車軸１は、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下であり、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂが１．３４度以下であり、さらに、Ｆｎ１が１．００以上であった。その結果、疲労試験において、優れた疲労強度を有していた。

　一方、試験番号１－２の鉄道用車軸１は、高周波焼入れ時の５００～２００℃の範囲における冷却速度ＣＲ（℃／秒）が速すぎた。さらに、高周波焼入れ処理及び焼戻し処理におけるＦが高すぎた。その結果、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2を超えた。その結果、疲労試験において、優れた疲労強度を有さなかった。

　試験番号１－３の鉄道用車軸１は、焼戻し条件におけるλが低すぎた。その結果、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂが１．３４度を超えた。その結果、疲労試験において、優れた疲労強度を有さなかった。

　試験番号１－４の鉄道用車軸１は、高周波焼入れ処理及び焼戻し処理におけるＦが高すぎた。その結果、Ｆｎ１が１．００未満であった。その結果、疲労試験において優れた疲労強度を有さなかった。

　実施例２では、鉄道用車軸１を模擬した試験片を作製し、中央平行部における疲労強度を評価した。具体的に、表２に記載の化学組成を有する溶鋼を製造した。ここで、表２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。

　鋼番号１～８の溶鋼から、インゴットを製造した。鋼番号１については、インゴットを１２５０℃に加熱した後、熱間鍛造して、図３に示される車軸形状の粗製品１０を製造した。鋼番号２～８については、インゴットを１２５０℃に加熱した後、熱間鍛造して、直径１８０ｍｍ×長さ３００ｍｍの粗製品を製造した。これは、図３に示される車軸形状の中央平行部３０と直径をほぼ同じにした形状である。各鋼番号の粗製品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、鋼のＡ_c3変態点よりも高い８９０℃とした。熱処理温度で保持した後、水焼入れを実施した。焼入れ後の各試験番号の粗製品１０に対して、焼戻しを実施した。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。

　各鋼番号の粗製品から、各試験番号の供試材を作製した。供試材１００は、図６に示される形状を有していた。図６は、本実施例で用いた供試材の断面図である。各試験番号の供試材１００に対して、高周波焼入れを実施した。高周波焼入れは、供試材１００が全て硬化層となるように実施した。高周波焼入れ時の焼入れ温度は、各試験番号の鋼のＡ_c3変態点以上であった。高周波焼入れ時の５００～２００℃の範囲における冷却速度ＣＲ（℃／秒）を表３に示す。なお、冷却速度ＣＲ（℃／秒）は、Ｋ型熱電対を用いて測定した。また、冷却速度ＣＲ（℃／秒）の調整は、冷却時の水量を調整することにより行った。

　高周波焼入れが実施された各試験番号の供試材１００に対して、焼戻しを実施した。各試験番号の供試材１００に実施した焼戻しにおける焼戻し温度（℃）を「Ｔ（℃）」として、焼戻し時間を「ｔ（時間）」として、表３に示す。さらに、各試験番号の供試材１００に対して実施した焼戻しにおける焼戻し温度Ｔ（℃）と、焼戻し時間ｔ（時間）と、上述の式（Ａ）とから、λ（＝（２７３＋Ｔ）×（ｌｏｇ₁₀（ｔ））＋２０）を求めた。求めた各試験番号におけるλを表３に示す。さらに、各試験番号の供試材１００に実施した高周波焼入れ時の５００～２００℃の範囲における冷却速度ＣＲ（℃／秒）と、焼戻し時のλと、上述の式（Ｂ）とから、Ｆ（＝ＣＲ×λ）を求めた。求めた各試験番号におけるＦを表３に示す。焼戻しが実施された各試験番号の供試材１００に対して機械加工を実施して、図７に示される疲労試験片５００を製造した。図７は、本実施例で用いた疲労試験片の断面図である。

　［評価試験］
　各試験番号の疲労試験片５００に対して、以下に説明するＸ線回折測定試験、及び、疲労試験を実施した。

　［Ｘ線回折測定試験］
　製造された各試験番号の疲労試験片５００から、Ｘ線回折測定試験用の試験片を作製した。試験片の大きさは、鉄道用車軸１の周方向１０ｍｍ×軸方向２０ｍｍ×径方向５ｍｍであった。周方向１０ｍｍ×軸方向２０ｍｍを観察面とし、観察面に対して機械研磨及び電解研磨を実施して、上述の方法でＸ線回折測定を実施した。測定にはＸ線回折装置を用い、測定条件はＣｏＫα特性Ｘ線、管電圧３０ｋＶ、管電流１００ｍＡとした。回折角に相当するピーク位置の較正は、Ｓｉ標準板を用いて特定面の回折ピーク位置が基準位置に対してずれがないかを確認することにより行った。また、半価幅については、ＬａＢ₆（六ホウ化ランタン）を標準試料として用い、予め装置の幅広がりを計測することにより、補正を行った。

　得られたＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折プロファイルから、（１１０）、（２１１）、（２２０）面のピーク位置（２θ）と半価幅（Ｂ’）とを求め、上述の式（２）及び式（３）を用いて、試験片における転位密度ρ（１０¹⁶ｍ^-2）を求めた。得られた各試験番号のＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρ（１０¹⁶ｍ^-2）を「転位密度ρ」として表３に示す。得られたＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折プロファイルからさらに、（２１１）回折面のピークを特定し、その半価幅を求めた。求めた各試験番号のＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂ（度）を「半価幅Ｂ（度）」として表３に示す。

　さらに、各試験番号において、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρ（１０¹⁶ｍ^-2）と、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂ（度）と、上述の式（１）とから、Ｆｎ１（＝（－４．８×１０¹⁶×Ｂ＋８．５×１０¹⁶）／ρ）を求めた。求めた各試験番号のＦｎ１を表３に示す。なお、試験番号２－９、２－１０、及び、２－１１については、事前に実施した予備試験において、表１に示したＸ線回折プロファイルとほとんど差が認められなかった。そのため、試験番号２－９、２－１０、及び、２－１１においては、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρ、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂ、及び、Ｆｎ１について、表１に示した測定値を用いた。

　［疲労試験］
　各試験番号の疲労試験片５００に対して、小野式回転曲げ疲労試験を実施した。試験周波数は６０Ｈｚ、室温（２５℃）大気雰囲気中とし、繰返し数１×１０⁷回まで実施した。疲労限度近傍では、複数の試験片を用いて疲労試験を実施して、修正ステアケース法に沿って疲労限度を求めた。各試験番号の疲労試験片５００のつかみ部の横断面に対して、ビッカース硬さを求めた。押し付け力は９．８Ｎとし、５点法（横断面の中心１点、Ｒ／２部４点）を用いて、測定平均値を各試験番号のビッカース硬さ（ＨＶ）と定義した。各試験番号について、得られた疲労限度（ＭＰａ）をビッカース硬さ（ＨＶ）で除し、各試験番号の正規化された疲労限度と定義した。得られた正規化された疲労限度を「正規化疲労限度」として表３に示す。

　［評価結果］
　表２及び表３を参照して、試験番号２－１～２－８の供試材１００は、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下であり、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂが１．３４度以下であり、さらに、Ｆｎ１が１．００以上であった。その結果、正規化疲労限度が１．５０以上となり、優れた疲労強度を有していた。

　一方、試験番号２－９の供試材１００は、高周波焼入れ時の５００～２００℃の範囲における冷却速度ＣＲ（℃／秒）が速すぎた。さらに、高周波焼入れ処理及び焼戻し処理におけるＦが高すぎた。その結果、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2を超えた。その結果、正規化疲労限度が１．５０未満となり、優れた疲労強度を有さなかった。

　試験番号２－１０の供試材１００は、焼戻し条件におけるλが低すぎた。その結果、Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂが１．３４度を超えた。その結果、正規化疲労限度が１．５０未満となり、優れた疲労強度を有さなかった。

　試験番号２－１１及び２－１２の供試材１００は、高周波焼入れ処理及び焼戻し処理におけるＦが高すぎた。その結果、Ｆｎ１が１．００未満であった。その結果、正規化疲労限度が１．５０未満となり、優れた疲労強度を有さなかった。

　以上、本開示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開示を実施するための例示に過ぎない。したがって、本開示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。

　　１　鉄道用車軸
　　２　はめ合い部
　　３　中央平行部
　　２Ｈ　はめ合い部硬化層
　　３Ｈ　中央平行部硬化層
　　ＢＭ　母材部

Claims

　鉄道用車軸であって、
　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る中央平行部とを備え、
　前記はめ合い部は、
　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、
　前記中央平行部硬化層のうち、ビッカース硬さが４８０ＨＶ以上の領域において、
　Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρが２．５×１０¹⁶ｍ^-2以下であり、
　Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂが１．３４度以下であり、
　前記Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度ρと、前記Ｃｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅Ｂとが、式（１）を満たす、
　鉄道用車軸。
　（－４．８×１０¹⁶×Ｂ＋８．５×１０¹⁶）／ρ≧１．００　（１）
　ここで、式（１）中のρにはＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折結果に基づいて得られる転位密度がｍ^-2で代入され、ＢにはＣｏ－Ｋα特性Ｘ線回折による（２１１）回折面の半価幅が度で代入される。
　請求項１に記載の鉄道用車軸であって、
　前記母材部は、質量％で、
　Ｃｕ：０．０１～０．３０％、
　Ｎｉ：０．０１～０．３０％、
　Ａｌ：０．００５～０．１００％、
　Ｖ：０．００５～０．０６０％、
　Ｔｉ：０．００２～０．０２０％、
　Ｎｂ：０．００２～０．０３０％、及び、
　Ｂ：０．０００３～０．００５０％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。