铁路用车轴转让专利
申请号 : CN201980037356.3
文献号 : CN112236538B
文献日 : 2021-08-31
发明人 : 牧野泰三 , 小塚千寻 , 山本雄一郎 , 秦利行
申请人 : 日本制铁株式会社
摘要 :
权利要求 :
1.一种铁路用车轴,其具备:一对嵌合部,其分别为具有直径DW的圆柱,并且压入铁路用车轮;和中央平行部,其为配置在所述一对嵌合部之间并且具有比所述直径DW小的直径DA的圆柱,其中,
所述嵌合部包含:
内侧端,其在所述铁路用车轴的中心轴方向上,比所述嵌合部的中央位置更靠近所述中央平行部;
外侧端,其在所述铁路用车轴的中心轴方向上,比所述嵌合部的中央位置更远离所述中央平行部;
嵌合部硬化层,其形成在所述嵌合部的表层;以及基材部,其相比于所述嵌合部硬化层更位于内部,所述中央平行部包含:中央平行部硬化层,其形成在所述中央平行部的表层;和所述基材部,其相比于所述中央平行部硬化层更位于内部,所述基材部的化学组成以质量%计包含:C:0.30~0.42%,Si:0.10~0.50%,Mn:0.40~1.20%,P:0.020%以下,S:0.040%以下,N:0.0200%以下,O:0.0040%以下,Ca:0~0.0010%,Cr:0~0.30%,Mo:0~0.10%,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%,和,作为剩余部分的Fe和杂质,所述嵌合部的所述直径DW相对于所述中央平行部的所述直径DA的比即DW/DA为1.10~
1.30,
从所述嵌合部的所述内侧端朝向所述外侧端沿所述中心轴方向偏移5mm的位置处的嵌合部硬化层的深度CW为2.5mm~0.10×DWmm,所述嵌合部硬化层的深度CW相对于所述中央平行部硬化层的深度CA的比即CW/CA为0.34~0.93。
2.根据权利要求1所述的铁路用车轴,其中,所述基材部的所述化学组成以质量%计包含:选自Cr:0.05~0.30%,Mo:0.01~0.10%,Cu:0.01~0.30%,和,Ni:0.01~0.30%中的1种元素或2种以上元素。
3.根据权利要求1所述的铁路用车轴,其中,所述基材部的所述化学组成以质量%计包含:Al:0.005~0.100%。
4.根据权利要求2所述的铁路用车轴,其中,所述基材部的所述化学组成以质量%计包含:Al:0.005~0.100%。
5.根据权利要求1所述的铁路用车轴,其中,所述基材部的所述化学组成以质量%计包含:选自V:0.005~0.060%,Ti:0.002~0.020%,和,Nb:0.002~0.030%中的1种元素或2种以上元素。
6.根据权利要求2所述的铁路用车轴,其中,所述基材部的所述化学组成以质量%计包含:选自V:0.005~0.060%,Ti:0.002~0.020%,和,Nb:0.002~0.030%中的1种元素或2种以上元素。
7.根据权利要求3所述的铁路用车轴,其中,所述基材部的所述化学组成以质量%计包含:选自V:0.005~0.060%,Ti:0.002~0.020%,和,Nb:0.002~0.030%中的1种元素或2种以上元素。
8.根据权利要求4所述的铁路用车轴,其中,所述基材部的所述化学组成以质量%计包含:选自V:0.005~0.060%,Ti:0.002~0.020%,和,Nb:0.002~0.030%中的1种元素或2种以上元素。
9.根据权利要求1~权利要求8中任一项所述的铁路用车轴,其中,所述基材部的所述化学组成以质量%计包含:B:0.0003~0.0050%。
说明书 :
铁路用车轴
技术领域
背景技术
的方式,设置铁路用车轴的嵌合部处的拧紧余量。铁路用车轴,在铁路车辆通过曲线状的轨
道(曲线通过)时,会受到铁路用车轮与轨道的接触带来的水平方向的力。即,曲线通过时,
铁路用车轴会在铁路用车轮每次旋转时反复受到旋转弯曲应力。并且,曲线通过时该弯曲
应力的振幅增大。
发生细微的打滑。下文中,将因铁路用车轮的嵌合部和铁路用车轮的接触导致的细微的打滑称
为微动。铁路用车轴的嵌合部中,已知有时会因微动而受到损伤(下文中,也称为“微动疲劳”)。
而硬度升高了的区域称为“硬化层”。硬化层中产生压缩残留应力。通过硬化层产生的压缩
残留应力抑制微动导致的裂口。即,通过高频淬火形成的铁路用车轴的硬化层能够抑制铁
路用车轴的微动疲劳。
动疲劳的铁路用车轴。
部中,维氏硬度为400以上的有效硬化层深度为1~4.5mm的范围内,其内部存在马氏体或贝
氏体的区域。专利文献1中记载了:所述铁路用车轴具有较高的疲劳极限。
具有维氏硬度为400以上的硬化层,其内部具有回火马氏体或贝氏体的区域。该铁路用车轴
中,硬化层的深度为5.0mm以上并且为嵌合部直径的10%以下。专利文献2中记载了:所述铁
路用车轴具有较高的微动疲劳极限。
具有维氏硬度为400以上的硬化层。硬化层的厚度(K)相对于嵌合部直径(D)的(K/D)为
0.005~0.05。硬化层的上侧部分含有0.02~2%的B。专利文献3中记载了:所述铁路用车轴
具有优异的疲劳极限。
发明内容
下,能够抑制嵌合部中的微动疲劳。此外,有时对配置在铁路用车轴的一对嵌合部之间的中
央平行部也实施高频淬火。
用车轴的嵌合部和中央平行部均实施高频淬火的情况下,中央平行部距高频加热装置的距
离较远。该情况下,中央平行部相比于嵌合部难以得到淬火。因此,中央平行部的硬化层深
度浅于嵌合部的硬化层深度。
言,嵌合部的直径DW相对于中央平行部的直径DA的比DW/DA(下文中,也称为“直径比DW/DA”)
低于1.05,并且尽可能接近1.00。直径比DW/DA越接近1.00,中央平行部的硬化层深度越接近
嵌合部的硬化层深度,形成一定深度的硬化层。
疲劳极限未进行任何探讨。
附图说明
行部的直径DA的比、即直径比DW/DA进行了探讨。其结果,得到了下述发现。
因嵌合部和铁路用车轮的接触而反复发生的细微打滑是成因。在施加弯曲应力的情况下,
对嵌合部的表面施加的应力根据直径比DW/DA而发生变化。具体而言,在直径比DW/DA较大的
情况下,易于缓和嵌合部的表面的弯曲应力。因此,提高直径比DW/DA时,能够进一步抑制嵌
合部中的微动疲劳。即,提高直径比DW/DA时,提高嵌合部处的疲劳极限。
况下也提高中央平行部的疲劳极限,而着眼于嵌合部的硬化层深度CW和中央平行部的硬化
层深度CA进行了探讨。
平行部硬化层)更位于内部的基材部的化学组成,是以质量%计包含:C:0.30~0.42%,Si:
0.10~0.50%,Mn:0.40~1.20%,P:0.020%以下,S:0.040%以下,N:0.0200%以下,O:
0.0040%以下,Ca:0~0.0010%,Cr:0~0.30%,Mo:0~0.10%,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%,
和,作为剩余部分的Fe和杂质的化学组成时,铁路用车轴可轻量化,同时可在嵌合部和中央
平行部得到优异的疲劳强度。
发现了在嵌合部发生疲劳破坏的情况和在中央平行部发生疲劳破坏的情况。此外,发现嵌
合部处的破坏起点和中央平行部处的破坏起点是不同的。
度的内部。即,中央平行部中的疲劳破坏不是微动疲劳导致的,而是弯曲疲劳导致的。
硬化层深度CW和中央平行部的硬化层深度CA的比(下文中,也称为“硬化层深度比CW/CA”)为
1.00以上。然而,如上所述,中央平行部中的破坏起点比嵌合部中的破坏起点更深。因此,中
央平行部的硬化层形成为比嵌合部的硬化层更深时,存在提高中央平行部中的疲劳极限的
可能性。另一方面,嵌合部中的破坏起点处于表面。如上所述,硬化层中,存在压缩残留应
力。并且,硬化层深度过深时,压缩残留应力反而变小。因此,嵌合部的硬化层深度CW低于中
央平行部的硬化层深度CA时,压缩残留应力变大,能够抑制嵌合部处的疲劳破坏。
低。因此,以满足后述的其他条件为前提,将直径比DW/DA设为1.10~1.30。
部向表面迁移。因此,反而使得中央平行部的弯曲疲劳极限降低。因此,以满足其他条件为
前提,将硬化层深度比CW/CA设为0.34~0.93。
力变大,嵌合部中的疲劳极限进一步升高。
柱。嵌合部2A和2D的中心轴与铁路用车轴1的中心轴C1一致。铁路用车轴1的中心轴C1沿铁
路用车轴1的长度方向延伸。之后的说明中,铁路用车轴1的“中心轴C1方向”与铁路用车轴1
的“长度方向”同义。
未图示的铁路用车轮。
嵌合部2D相连。中央平行部3为具有直径D A的圆柱。中央平行部3的直径DA低于嵌合部2的直
径DW。中央平行部3的中心轴与铁路用车轴1的中心轴C1一致。即,中央平行部3与一对嵌合
部2同轴配置。
~260mm。
2OU在铁路用车轴1的中心轴C1方向上,配置在相比于嵌合部2的中央位置更靠近中央平行部
3的位置。具体而言,图1中,嵌合部2A的内侧端2IN相比于嵌合部2A的外侧端2OU更靠近中央
平行部3进行配置,并且经由锥形部4与中央平行部3的左端3E相连。图1中,嵌合部2D的内侧
端2IN相比于嵌合部2D的外侧端2OU更靠近中央平行部3进行配置,经由锥形部4与中央平行
部3的右端3E相连。
C1方向上,从中央平行部3的端部3E朝向嵌合部2的内侧端2IN增大。如图1表示的,在包含铁
路用车轴1的中心轴C1的截面中,锥形部4的表面可以为曲线或直线。需要说明的是,铁路用
车轴1可以不具备锥形部4。该情况下,中央平行部3的端部3E与嵌合部2的内侧端2IN相连,在
中央平行部3的端部3E和嵌合部2的内侧端2IN之间形成高低差。
嵌合部硬化层2H和相比于嵌合部硬化层2H更位于内部的基材部BM。嵌合部硬化层2H形成在
从嵌合部2的表面至给定的深度的范围的表层。
更靠近外侧端2OU侧的区域的一部分、和相比于中央位置CE2更靠近内侧端2IN侧的区域的一
部分,在包含中央位置CE2的一部分的区域中,未形成嵌合部硬化层2H。这样,嵌合部硬化层
2H可以不形成在嵌合部2的表面整体,在中心轴C1方向上,可以形成在嵌合部2的表面的至
少一部分的区域中。此外,嵌合部硬化层2H可以形成在嵌合部2的表面整体。嵌合部硬化层
2H如下所述。
于中央平行部硬化层3H更位于内部的基材部BM。中央平行部硬化层3H形成在从中央平行部
3的表面至给定深度的范围的表层。中央平行部硬化层3H形成在中央平行部3的表面整体。
中央平行部硬化层3H如下所述。
中心轴C1的线段定义为半径R。此时,基材部BM的化学组成是指,嵌合部2的R/2位置、和中央
平行部3的R/2位置处的化学组成。以下,涉及元素的%,只要没有特别说明,就是指质量%。
化层的硬度。因此,嵌合部2中的嵌合部硬化层2H的压缩残留应力降低。该情况下,无法得到
铁路用车轴1的嵌合部2中的疲劳极限。另一方面,在C含量超过0.42%时,即使在其他元素
含量处于本实施方式的范围内的情况下,有时也会在高频淬火时产生烧裂。C含量超过
0.42%时,有时还存在无法得到中央平行部3中的疲劳极限的情况。因此,C含量为0.30~
0.42%。C含量的优选下限为0.31%,进一步优选为0.32%,进一步优选为0.33%,进一步优
选为0.34%。C含量的优选上限为0.41%,进一步优选为0.40%。
分得到这些效果。另一方面,Si含量超过0.50%时,即使在其他元素含量处于本实施方式的
范围内的情况下,有时也会在高频淬火时产生烧裂。Si含量超过0.50%时,有时无法得到中
央平行部3中的疲劳极限。因此,Si含量为0.10~0.50%。Si含量的优选下限为0.20%,进一
步优选为0.12%,进一步优选为0.15%,进一步优选为0.17%,进一步优选为0.20%,进一
步优选为0.23%,进一步优选为0.25%。Si含量的优选上限为0.45%,进一步优选为0.42%,
进一步优选为0.39%,进一步优选为0.37%,进一步优选为0.35%,进一步优选为0.33%。
也存在中央平行部3的硬化层3H过薄的情况。该情况下,无法充分得到中央平行部3中的疲
劳极限。另一方面,Mn含量超过1.20%时,即使在其他元素含量处于本实施方式的范围内的
情况下,存在通过高频淬火而形成的嵌合部硬化层2H变得过厚的情况。该情况下,嵌合部硬
化层2H的压缩残留应力降低,无法充分得到嵌合部2中的疲劳极限。因此,M n含量为0.40~
1.20%。Mn含量的优选下限为0.45%,进一步优选为0.50%,进一步优选为0.55%,进一步
优选为0.60%,进一步优选为0.65%,进一步优选为0.70%。Mn含量的优选上限为1.10%,
进一步优选为1.05%,进一步优选为1.00%,进一步优选为0.95%,进一步优选为0.90%。
车轴1的疲劳强度也降低。因此,P含量为0.020%以下。P含量的优选上限为0.018%,进一步
优选为0.016%,进一步优选为0.015%,进一步优选为0.014%。P含量优选尽可能较低。然
而,P含量的极端降低,会导致制造成本大幅提高。因此,在考虑工业生产的情况下,P含量的
优选下限为0.001%,进一步优选为0.002%。
况下,应力集中在MnS,使得中央平行部3的疲劳极限降低。因此,S含量为0.040%以下。S含
量的优选上限为0.030%,进一步优选为0.020%,进一步优选为0.015%,进一步优选为
0.010%。S含量优选尽可能较低。然而,S含量的极端降低会导致制造成本大幅提高。因此,
在考虑工业生产的情况下,S含量的优选下限为0.001%,进一步优选为0.002%。
超过0.0200%时,即使在其他元素含量处于本实施方式的范围内的情况下,也会使得铁路
用车轴1的疲劳强度降低。因此,N含量为0.0200%以下。N含量的优选上限为0.0150%,进一
步优选为0.0120%,进一步优选为0.0100%,进一步优选为0.0090%,进一步优选为
0.0080%,进一步优选为0.0070%。为了有效得到所述效果,N含量的优选下限为0.0010%,
进一步优选为0.0020%,进一步优选为0.0030%。
内的情况下,中央平行部3中的疲劳极限降低。因此,O含量为0.0040%以下。O含量的优选上
限为0.0030%,进一步优选为0.0025%,进一步优选为0.0020%,进一步优选为0.0015%。O
含量优选尽可能较低。然而,O含量的极端降低会导致制造成本大幅提高。因此,在考虑工业生
产的情况下,O含量的优选下限为0.0001%,进一步优选为0.0002%,进一步优选为0.0005%。
他元素含量处于本实施方式的范围内的情况下,硅酸盐类夹杂物成为疲劳破坏起点,使得
中央平行部3中的疲劳极限降低。因此,Ca含量为0~0.0010%。Ca含量的优选上限为
0.0006%,进一步优选为0.0004%,进一步优选为0.0003%。
的矿石、废料或制造环境等混入的物质,是指对本实施方式的铁路用车轴1不造成不良影响
的范围内允许的物质。
任选包含的元素,均提高钢的强度。
少量含有Cr即可得到一定程度的上述效果。然而,Cr含量超过0.30%时,即使在其他元素含
量处于本实施方式的范围内的情况下,也存在通过高频淬火而形成的嵌合部硬化层2H变得
过厚的情况。该情况下,嵌合部硬化层2H的压缩残留应力降低,无法得到嵌合部2中的充分
的疲劳极限。因此,Cr含量为0~0.30%。Cr含量的优选下限超过0%,进一步优选为0.05%,
进一步优选为0.06%,进一步优选为0.07%,进一步优选为0.08%,进一步优选为0.09%,
进一步优选为0.10%。Cr含量的优选上限为0.27%,进一步优选为0.25%,进一步优选为
0.23%,进一步优选为0.21%,进一步优选为0.20%。
时,即使在其他元素含量处于本实施方式的范围内的情况下,所述效果也饱和。Mo含量超过
0.10%时,还会导致制造成本过度升高。因此,Mo含量为0~0.10%。Mo含量的优选下限超过
0%,进一步优选为0.01%,进一步优选为0.02%。Mo含量的优选上限为0.09%,进一步优选
为0.08%,进一步优选低于0.08%,进一步优选为0.07%,进一步优选为0.06%,进一步优
选为0.05%,进一步优选为0.04%。
即使在其他元素含量处于本实施方式的范围内的情况下,钢的热轧加工性降低。因此,Cu含
量为0~0.30%。Cu含量的优选下限大于0%,进一步优选为0.01%,进一步优选为0.02%。
Cu含量的优选上限为0.25%,进一步优选为0.20%,进一步优选为0.15%,进一步优选为
0.10%,进一步优选为0.05%。
即使在其他元素含量处于本实施方式的范围内的情况下,所述效果饱和。因此,Ni含量为0
~0.30%。Ni含量的优选下限大于0%,进一步优选为0.01%,进一步优选为0.02%,进一步
优选为0.04%。Ni含量的优选上限为0.25%,进一步优选不足0.20%,进一步优选为
0.15%,进一步优选为0.10%。
量含有Al时,得到一定程度的这些效果。然而,Al含量超过0.100%时,即使在其他元素含量
处于本实施方式的范围内的情况下,也生成粗大的氧化物类夹杂物,使得铁路用车轴1的疲
劳极限降低。因此,Al含量为0~0.100%。Al含量的优选下限大于0%,进一步优选为
0.005%,进一步优选为0.007%,进一步优选为0.010%,进一步优选为0.015%,进一步优
选为0.020%。Al含量的优选上限为0.080%,进一步优选为0.060%,进一步优选为
0.050%,进一步优选为0.045%,进一步优选为0.040%。本说明书中,Al含量是指酸溶性Al
(sol.Al)的含量。
一定程度的该效果。然而,V含量超过0.060%时,即使在其他元素含量处于本实施方式的范
围内的情况下,钢的韧性也降低。因此,V含量为0~0.060%。V含量的优选下限大于0%,进
一步优选为0.005%,进一步优选为0.008%,进一步优选为0.010%。V含量的优选上限为
0.055%,进一步优选为0.050%,进一步优选为0.045%,进一步优选为0.040%。
劳极限。少量含有Ti时,得到一定程度的该效果。然而,Ti含量超过0.020%时,即使在其他
元素含量处于本实施方式的范围内的情况下,TiN析出物成为开裂的路径,钢的韧性降低。
因此,Ti含量为0~0.020%。Ti含量的优选下限大于0%,进一步优选为0.002%,进一步优
选为0.003%。Ti含量的优选上限为0.018%,进一步优选为0.015%,进一步优选为
0.013%,进一步优选为0.010%,进一步优选为0.007%。
性。少量含有Nb时,得到一定程度的该效果。然而,Nb含量超过0.030%时,即使在其他元素
含量处于本实施方式的范围内的情况下,也存在钢中生成的碳化物和/或碳氮化物发生粗
化的情况。该情况下,反而使得钢的韧性降低。因此,Nb含量为0~0.030%。Nb含量的优选下
限大于0%,进一步优选为0.002%,进一步优选为0.003%,进一步优选为0.005%。Nb含量的
优选上限为0.029%,进一步优选为0.027%,进一步优选为0.025%,进一步优选为0.020%。
即使在其他元素含量处于本实施方式的范围内的情况下,钢的韧性降低。因此,B含量为0~
0.0050%。B含量的优选下限大于0%,进一步优选为0.0003%,进一步优选为0.0005%,进
一步优选为0.0007%。B含量的优选上限为0.0040%,进一步优选为0.0030%,进一步优选
为0.0020%。
的总面积率为70%以上。根据本实施方式的铁路用车轴1的基材部BM的微观组织的剩余部
分,例如是选自马氏体、贝氏体和残留奥氏体中的一种以上。需要说明的是,在本说明书中,
马氏体还包括回火马氏体。本说明书中,贝氏体还包括回火贝氏体。
观组织观察的样品。将与中心轴C1垂直的截面设为观察面。将各样品的观察面研磨为镜面
后,在硝酸酒精腐蚀液中浸渍10秒左右,通过蚀刻使微观组织呈现。通过光学显微镜观察经
2
过了蚀刻的观察面。每个视野设为40000μm (倍率500倍),对于各样品观察1个视野(即,使
用5份样品,合计5个视野)。各视野中,基于对比度,确定铁素体和珠光体。基于所确定的铁
2
素体和珠光体的总面积和各视野的面积(40000μm),而求得各视野的铁素体和珠光体的总
面积率。将各视野中求得的铁素体和珠光体的总面积率的算术平均值设为铁素体和珠光体
的总面积率(%)。
比即DW/DA为1.10~1.30。
硬化层3H形成得较浅。直径比DW/DA接近1.00时,高频淬火时,中央平行部3和嵌合部2与高频
加热装置的距离变为同等程度。其结果,中央平行部3形成的硬化层3H的深度CA虽然小于嵌
合部2的硬化层2H的深度CW,但是接近深度CW。由于以上的理由,以往的铁路用车轴1中,直径
比DW/DA不足1.05,并且,尽可能使其接近1.00。
铁路用车轴1可轻量化。另一方面,直径比DW/DA过大时,存在中央平行部3的疲劳极限降低的
情况。因此,本实施方式提供的铁路用车轴1中,直径比DW/DA为1.10~1.30。
优选为1.19,进一步优选为1.18。
DW(mm)。需要说明的是,本说明书中“硬化层的深度”是指,JIS G 0559(2008)中规定的有效
硬化层深度。具体而言,本说明书中的嵌合部硬化层2H的有效硬化层深度是指,从嵌合部2
的表面至极限硬度的位置为止的径方向的距离(mm)。本说明书中的中央平行部硬化层3H的
有效硬化层深度是指,从中央平行部3的表面至极限硬度的位置为止的径方向的距离(mm)。
本说明书中,有效硬化层的极限硬度是指,基于JIS G 0559(2008),对C含量为0.33%以上
并且低于0.43%的成分的材料规定的维氏硬度400HV。因此,本说明书中,极限硬度为维氏
硬度400HV。
产生压缩残留应力。如上所述,在嵌合部2产生的压缩残留应力,抑制微动导致的裂口。因
此,适当调整在嵌合部2产生的压缩残留应力时,能够抑制微动疲劳。
铁路用车轴1的中心轴C1方向上,将外侧端2OU和内侧端2IN之间的距离设为L2的情况下,嵌合
部硬化层2H形成在从外侧端2OU朝向中央位置CE2至少L2/3的范围和从内侧端2IN朝向中央位
置CE2至少L2/3的范围中即可。
的深度(参照图3)。嵌合部硬化层2H的深度CW不足2.5mm时,嵌合部2中产生的压缩残留应力
变得过小。另一方面,嵌合部硬化层2H的深度CW超过0.10×DW(mm)时,反而使得嵌合部2中产
生的压缩残留应力变小。因此,本实施方式提供的铁路用车轴1,在各嵌合部2(2A和2D)中,
从内侧端2IN朝向外侧端2OU在中心轴方向偏移5mm的位置处的嵌合部硬化层2H的深度CW均为
2.5mm~0.10×DW(mm)。
步优选为0.085×DW(mm),进一步优选为0.08×DW(mm),进一步优选为0.075××DW(mm)。
实施方式提供的铁路用车轴1中,硬化层深度比CW/CA设为0.34~0.93。即,使得中央平行部
硬化层3H形成得深于嵌合部硬化层2H。
且CW/CA设为0.34~0.93时,赋予嵌合部2的表层以充分深度的嵌合部硬化层2H和充分的压
缩残留应力。此外,在中央平行部3的表层可得到充分深度的中央平行部硬化层3H的CA。因
此,即使在嵌合部2和中央平行部3的直径比DW/DA为1.10~1.30的情况下,也能够得到嵌合
部2中优异的疲劳极限(微动疲劳极限),并且得到中央平行部3中优异的疲劳极限(弯曲疲
劳极限)。
上限为0.91,进一步优选为0.89,进一步优选为0.88,进一步优选为0.87。
5mm的位置。在确定的位置处,以与中心轴C1垂直的方式切割并形成截面。采集具有该截面
并且包含嵌合部2的表层部分的样品。将上述的截面设为测定面。
(2009)的维氏硬度试验,测定维氏硬度(HV)。基于通过维氏硬度试验而得到的硬度推移曲
线,求得从铁路用车轴1的表面至极限硬度为止的距离。如上所述,所述极限硬度是指,维氏
硬度400HV。即,测定维氏硬度为400HV以上(极限硬度以上)处距表面的深度。将嵌合部2从
表面至极限硬度为止的距离设为CW(mm)。
(mm)。
的直径DW小的直径的圆柱。需要说明的是,在具有比嵌合部2的直径DW小的直径的圆柱为多
个的情况下,将中心轴方向的长度最长的圆柱设为中央平行部3。
合部2A侧的部分3A和部分3B、和从中央平行部3的中央位置配置在嵌合部2D侧的部分3C和
部分3D。对于各部分3A~3D,通过下述方法对中央平行部硬化层3H的深度进行测定。
的,在包含铁路用车轴1的中心轴C1方向和中央平行部3的径方向的面上进行切割。将该截
面设为测定面。
的位置。确定的位置中,以与嵌合部硬化层2H的深度CW同样的方法,求得从铁路用车轴1的
表面至极限硬度为止的距离。将求得的至极限硬度为止的距离设为中央平行部硬化层3H的
深度CAA(mm)。部分3D中的中央平行部硬化层3H的深度CAD(mm)也通过与部分3A中的中央平
行部硬化层3H的深度CAA(mm)相同方法进行设定。
部分3B中,在任意的点处,以与铁路用车轴1的中心轴垂直的方式进行切割(参照图5)。将截
面研磨为镜面后,在硝酸酒精腐蚀液中浸渍10秒左右,通过蚀刻使微观组织呈现。通过肉眼
观察确认经过了蚀刻的观察面,在截面中,确定中央平行部硬化层3H最薄的位置。在确定的
位置中,以与嵌合部硬化层2H的深度CW同样的方法,求得从铁路用车轴1的表面至极限硬度
为止的距离。将求得的至极限硬度为止的距离设为中央平行部硬化层3H的深度CAB(mm)。部
分3C中的中央平行部硬化层3H的深度CAC(mm)也以与部分3B中的中央平行部硬化层3H的深
度CAB同样的方法进行设定。
深度CA1(mm)。对于嵌合部2A,将嵌合部硬化层2H的深度CW(mm)相对于中央平行部硬化层3H
的深度CA1(mm)的比设为硬化层深度比CW/CA1。
化层3H的深度CA2(mm)。对于嵌合部2D,将嵌合部硬化层2H的深度CW(mm)相对于中央平行部
硬化层3H的深度CA2(mm)的比设为硬化层深度比CW/CA2。需要说明的是,本说明书中,也将硬
化层深度的比CW/CA1和CW/CA2统称为CW/CA。
层2H的深度CWA(mm)相对于中央平行部硬化层3H的深度CA1(mm)的比、即硬化层深度比CWA/CA1
为0.34~0.93,嵌合部2D中的嵌合部硬化层2H的深度CWD(mm)相对于中央平行部硬化层3H的
深度CA2(mm)的比、即硬化层深度比CWD/CA2为0.34~0.93。
生的压缩残留应力增大。其结果,嵌合部2中的、微动疲劳开裂的进展得到抑制,铁路用车轴
1得到更高的疲劳极限。
留应力增大。其结果,中央平行部3中的、以中央平行部硬化层3H为起点的疲劳破坏得到抑
制,铁路用车轴1得到更高的疲劳极限。
层2H的深度CW均为2.5mm~0.10×DWmm,硬化层深度比CW/CA为0.34~0.93。因此,与以往的
铁路用车轴相比,可通过提高直径比DW/DA而实现轻量化,并且可在嵌合部2和中央平行部3
同时得到优异的疲劳极限。
于本实施方式的嵌合部硬化层2H和中央平行部硬化层3H的硬度。
齿轮(Gear)等,或者压入制动盘。即,嵌合部6压入铁路用车轮以外的基材。该情况下,就中
央平行部3而言,如上所述,将中心轴方向的长度最长的圆柱设为中央平行部3。
进一步升高。
如为1000~1300℃。对于制造得到的粗制品,实施淬火和回火处理、或正火处理。
水冷或油冷进行急冷。回火处理中,回火温度设为Ac1相变点以下。将粗制品保持在回火温
度,然后放冷。在实施正火处理的情况下,将粗制品保持在高于Ac1相变点的热处理温度下,
然后,放冷。需要说明的是,可以在正火处理后,实施回火处理。需要说明的是,在进行了淬
火处理和回火处理的情况、进行了正火处理代替淬火处理和回火处理的情况、以及进行了
正火处理和回火处理以代替淬火处理和回火处理的情况中的任一情况下,高频淬火处理后
的本实施方式的铁路用车轴1的基材部BM的微观组织中,铁素体和珠光体的总面积率为
70%以上。需要说明的是,根据本实施方式的铁路用车轴1的基材部BM的微观组织的剩余部
分,例如是选自马氏体、贝氏体和残余奥氏体中的一种以上。
一方面,本实施方式提供的铁路用车轴1中,中央平行部硬化层3H的深度CA大于嵌合部硬化
层2H的深度CW。具体而言,嵌合部2中,嵌合部硬化层2H的深度CW相对于中央平行部硬化层3H
的深度CA的比即CW/CA为0.34~0.93。
状的高频加热装置71和圆环状的水冷装置72。高频加热装置71和水冷装置72同轴配置。图8
中,高频加热装置71配置在水冷装置72上。图8中,表示高频加热装置71的纵截面(包含高频
加热装置71的中心轴的截面)。高频加热装置71中配置有圆环状的高频加热线圈73。水冷装
置72在内部配置有未图示的冷却液喷射喷嘴。水冷装置72从供给管74供给冷却液,从冷却
液喷射喷嘴对铁路用车轴的粗制品10喷射冷却液,将粗制品10进行急冷(淬火)。
品10相对性地从上方向下方移动。该情况下,粗制品10中,通过高频加热装置71而加热至Ac3
相变点以上的部分然后通过冷却装置72进行急冷,形成硬化层。
相对性地从上方向下方移动,将加热后的嵌合部2通过配置在高频加热装置71下的水冷装
置72进行急冷。水冷装置72的冷却液喷射喷嘴,朝向嵌合部2喷射冷却液。冷却液例如为水。
通过以上的工序,形成嵌合部硬化层2H。
粗制品10相对性地从上方向下方移动,而将加热后的中央平行部3通过配置在高频加热装
置71下的水冷装置72进行急冷。水冷装置72的冷却液喷射喷嘴朝向嵌合部2喷射冷却液。通
过以上的工序,形成中央平行部硬化层3H。
央平行部3和高频加热线圈73之间的距离(参照图9)。因此,高频加热嵌合部2的情况下的高
频加热装置71的输出和高频加热中央平行部3的情况下的高频加热装置71的输出相同时,
嵌合部硬化层2H形成为深于中央平行部硬化层3H。该情况下,CW/CA为1.00以上。
CW和中央平行部硬化层3H的深度CA进行调整。例如,将高频加热装置71的交流电流的频率设
为3~5kHz。该情况下,可从粗制品10的表面加热至较深的区域。此外,将高频加热中央平行
部3时的高频加热装置71的输出设为高频加热嵌合部2时的高频加热装置71的输出的1.1~
1.2倍以上。就高频加热装置71的频率、和高频加热中央平行部3时的高频加热装置71的输
出相对于高频加热嵌合部2时的高频加热装置71的输出的比而言,可根据铁路用车轴1的尺
寸和直径比DW/DA进行适宜调整。
的一个实例中例如,加热至200℃附近,保持120分钟左右。将保持后的铁路用车轴进行空冷。
的硬化层的范围内,实施机械加工(旋削和研磨)。通过以上的工序,能够制造本实施方式提
供的铁路用车轴1。
的范围内,直径比DW/DA为1.10~1.30,各嵌合部2中的嵌合部硬化层2H的深度CW均为2.5mm
~0.10×DWmm,硬化层深度比CW/CA为0.34~0.93的本实施方式的铁路用车轴1,则本实施方
式的铁路用车轴1的制造方法不限于上述的制造方法。
实施例
而采用的一条件例。因此,本实施方式的铁路用车轴1不限于该条件例。
是指,Al含量低于0.002%。Ti和Nb含量中的“‑”是指,各元素的含量低于0.001%。B和Ca含
量中的“‑”是指,各元素的含量低于0.0001%。
间的中央平行部30。
号的粗制品10,进行回火。回火条件,以使得各试验编号的粗制品10具有相同水平的表面硬
度的方式,将回火温度在550~670℃下进行调整。将粗制品10在回火温度下保持120分钟
后,空冷至常温。
心轴C1方向上,将嵌合部2的外侧端2OU和内侧端2IN之间的距离设为L2的情况下,嵌合部硬化
层2H形成在下述范围:从外侧端2OU朝向中央位置CE2为至少L2/3的范围;从内侧端2IN朝向中
央位置CE2为至少L2/3的范围。各试验编号的粗制品10的各硬化层(嵌合部硬化层2H、中央
平行部硬化层3H)的深度的调整,通过调整图8和图9表示的高频淬火装置70内的高频加热
装置71的输出来实施。高频淬火时的淬火温度为各试验编号的钢的Ac3相变点以上。对于高
频淬火处理后的粗制品10,实施回火处理。回火处理中,将各试验编号的粗制品10整体在
200℃下保持120分钟。保持后,将粗制品10空冷至常温。
合部2和中央平行部3。各嵌合部2中,宽度为200mm,直径DW在试验编号1~6、9~34的情况下
为150mm,在试验编号7和8的情况下为112mm。如图11表示的,嵌合部2的内侧端2IN间的距离
为1330mm。
200固定。由此,将铁路用车轴1设为悬臂状态。铁路用车轴1中,在进行了固定的嵌合部2D的
内侧端2IN朝向内侧700mm(图11和图12中的点P)位置处,进行对与铁路用车轴1的中心轴C1
方向垂直的方向反复施加负荷的平面弯曲疲劳试验。作为试验机,使用了鹭宫制作所制电
油压伺服型疲劳试验机(负载容量500kN)。
限,实施至断裂。在5×10次为止仍未断裂的情况下,就此停止试验,判断为未断裂。此处,
6 6
将5×10次的情况下未断裂的试验应力的最大值设为FM。此外,将FM以上并且到达5×10次
前发生断裂的试验应力的最小值设为FB。将FM和FB的平均值设为FA,将成为(FB‑FM)/FA≤
0.10的情况下的FA设为疲劳极限。另一方面,试验的结果为全部断裂的情况下,即,无法得
6
到FM的情况下,根据断裂寿命和试验应力的关系而推断出相当于5×10次寿命的试验应力,
将其设为疲劳极限。此处,试验应力,在嵌合部中相当于内侧端2IN中的标称应力幅度,在中
央平行部中相当于断裂位置的表面应力幅度。
得。中央平行部的疲劳极限,以试验编号2为基准,作为疲劳极限比而求得。求得的各试验编
号的疲劳极限比如表2表示的。需要说明的是,嵌合部和中央平行部中,任一者发生断裂的
情况下,停止试验。因此,嵌合部和中央平行部中仅一者发生断裂的情况下,将未确认到断
裂的一者判定为未断裂(表2中的“‑”)。
向外侧端2OU在中心轴方向(长度方向)偏移5mm的位置PW。位置PW处,以与铁路用车轴1的中
心轴C1垂直的方式切割而形成截面。采集具有该截面并且包含嵌合部2的表层部分的样品。
上述的截面中,实施维氏硬度试验。具体而言,截面中,从嵌合部2的表面沿铁路用车轴1的
径方向(深度方向),以2.9N负载、0.1mm间隔并且基于JIS Z 2244(2009)而实施维氏硬度试
验,测定维氏硬度(HV)。基于通过维氏硬度试验而得到的硬度推移曲线,求得从铁路用车轴
1的表面至极限硬度(400HV)为止的距离。将得到的距离设为嵌合部硬化层深度CW。得到的
嵌合部硬化层深度CW如表2表示。
层深度CW和嵌合部2D的硬化层深度CW显示为相同值。
部分3A中,切割包含铁路用车轴1的中心轴C1方向和中央平行部3的径方向的面。将截面研
磨为镜面后,在硝酸酒精腐蚀液中浸渍10秒左右,通过蚀刻而使得微观组织呈现。通过肉眼
观察确认经过了蚀刻的截面,在截面中,确定中央平行部硬化层3H最薄的位置。确定的位置
处,通过与嵌合部硬化层2H的深度CW相同方法,求得从铁路用车轴1的表面至极限硬度为止
的距离。将求得的至极限硬度为止的距离设为中央平行部硬化层3H的深度CAA(mm)。
研磨为镜面后,在硝酸酒精腐蚀液中浸渍10秒左右,通过蚀刻而使得微观组织呈现。通过肉
眼观察确认经过了蚀刻的截面,在截面中,确定中央平行部硬化层3H最薄的位置。确定的位
置中,通过与嵌合部硬化层2H的深度CW相同方法,求得从铁路用车轴1的表面至极限硬度为
止的距离。将求得的至极限硬度为止的距离设为中央平行部硬化层3H的深度CAB(mm)。
行部硬化层3H的深度CA1(mm)的比设为硬化层深度比CW/CA。
的观察面研磨为镜面后,在硝酸酒精腐蚀液中浸渍10秒左右,通过蚀刻而使得微观组织呈
2
现。通过光学显微镜观察经过了蚀刻的观察面。每个视野设为40000μm (倍率500倍),对于
各样品观察1个视野(即使用5份样品,合计为5视野)。各视野中,基于对比度,确定铁素体和
2
珠光体。基于各视野中的铁素体和珠光体的总面积和各视野的面积(40000μm),求得各视
野的铁素体和珠光体的总面积率。将各视野中求得的铁素体和珠光体的总面积率的算术平
均值设为铁素体和珠光体的总面积率(%)。
极限比和中央平行部疲劳极限比均为1.00以上,显示出优异的疲劳极限。
方式而实施。