(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量基準で、炭素０.６７〜０.７７%と、マンガン０.７０〜０.８５%と、ケイ素０.６５〜０.８５%と、リン０.０５%以下と、硫黄０.０５%以下と、クロム０.１４〜０.２５%と、モリブデン０.０８〜０.１４%と、不可避的不純物と、残部鉄とを含むことを特徴とする鋼製鉄道車輪用合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車輪用合金、特に、鋳鋼製鉄道車輪に使用される鉄道車輪用合金に属する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳鋼製鉄道車輪には、十分な耐摩耗性と共に、熱亀裂（熱クラック）に対する適切な抵抗性を付与しながら硬化（焼入れ）によって適切な耐摩耗性を付与できる合金鋼を用いることが望ましい。例えばクロム、マンガン及びモリブデン等の合金化元素を添加して、鋼の機械的強度を改善できる。しかしながら、所望量の合金添加物によって改善する特性の劣化を均衡させると共に、コスト上昇を最小化するように慎重に合金添加物を選定しなければならない。
【０００３】
加熱面の亀裂に伴う部分剥離又は消失を表す「熱機械的シェリング」及び熱膨張又は熱収縮に伴う亀裂欠損を表す「熱機械的スポーリング」は、運行中の鉄道車輪に見られるトレッド（踏み面）損傷の２つの主原因である。トレッド損傷を受けた車輪は早期に使用不能のレベルとなる。熱機械的シェリング現象は、石炭、鉱石及び穀物の重積載輸送を行いこの種の欠陥を助長する環境で車輪を使用する場合にも一般的に発生する。この現象に付随する寄与要因は、鉄道車両が貨物を積載し、急勾配であり山岳地域で長い勾配を運行するときに生じる高外力を含む。車両の積載による通常力は、理想的には線路の車輪設計に対する許容可能な最大値である。トレッド表層材料は、スポーリングによって脆いマルテンサイト相に変態する。線路上の車輪の滑動はマルテンサイト相への材料変態の原因となる。現在の合金の開発は、熱機械的酷使又は線路上の車輪の滑動によって生じる破損を減少し又は除去することを目的とする。
【０００４】
熱機械的シェリングの３つの要因によって、トレッド損傷が発生する。トレッド損傷の機械的欠陥はころがり接触疲労である。車輪の転動により、累積する機能不全を発生する周期的な応力が与えられる。機械的抵抗制動によって発生する熱成分によって車輪に熱応力が加えられるばかりでなく、高温で材料強度が低下するため機械的負荷に対向する材料の機械的強度も減少する。累積する機能不全の最終成分は、高温持続時間である。車輪の高温時間が長いほど、亀裂を開始し増加させる負荷周期回数が益々増大する。
【０００５】
本発明の好適な合金は鋳鋼製鉄道車輪だけでなく、鍛造工程を含む鉄道車輪の製造法の他の形態にも利用できることは理解されよう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、鉄道車輪の製造に特に適する合金を提供することを目的とする。また、本発明は、改良された硬度、耐摩耗性及び耐熱亀裂性を有する鋳鋼製鉄道用車輪の製造に特に適する合金を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による鋼製鉄道車輪用合金は、重量基準で、炭素０.６７〜０.７７%と、マンガン０.７０〜０.８５%と、ケイ素０.６５〜０.８５%と、リン０.０５%又はそれ未満と、硫黄０.０５%又はそれ未満と、クロム０.１４〜０.２５%と、モリブデン０.０８〜０.１４%と、不可避的不純物と、残部鉄とを含む。
【０００８】
熱機械的シェリングの影響に対し、２つの特殊な合金が開発された。第１の合金は、強制的な重積載運送に有効なクロム−ケイ素−モリブデン合金である。モリブデン及びクロムは、鋼の高温特性を向上する。高温特性を改善することによって、疲労亀裂が発生する最低温度を高くして、トレッド材料が臨界温度を超える時間を減少させる。疲労と高温持続時間の２つの要素を減少させることにより、トレッド面で殆ど亀裂を発生させず進行させない。全３種の合金元素によって、鋼の収率及び引張強度を向上する。このことは、通常の運転状態で車輪が転動する間、高温で起こる亀裂のその後の進行を減少できることを意味する。また、モリブデン及びクロム合金は、耐摩耗性を向上して、通常運転時の車輪の寿命を延長する。
【０００９】
熱機械的シェリングを対象とする第２の合金は、ニッケル−モリブデン合金である。モリブデンは、第１の合金と同様に、高温特性、強度及び耐摩耗性を向上する作用がある。ニッケルの添加によって、  破損靭性及び鋼の鉄組織強度を増加する。これらの改良は、鋼内部の亀裂発生及び進行の防止を助長する。
【００１０】
転動と滑動との複合によって表面にあばた状の窪みが発生する表面疲労現象である「ピッチング」は、レール上の車輪の滑動に伴って発生する。レールとの接触領域を構成する材料は、滑り摩擦によって変態温度以上の約８７１℃（１６００°Ｆ）に加熱され、車輪の停止時又は回転時に車輪の嵩熱容量により急冷される。形成されるマルテンサイトは脆く、その後の通常の転動荷重下で亀裂が生じる。この亀裂は、スポーリングと呼ばれるトレッドのピッチングとなる。
【００１１】
スポーリングによるトレッドの損傷を低減するため一連の合金が開発された。この合金は、材料特性を維持するために添加される合金添加物を有する低炭素鋼である。添付の化学組成表を参照されたい。スポーリング問題に対する本解決法は、マルテンサイトの形成を抑制し又は減少するのではなく、その代わり、マルテンサイトの特性を改善し、マルテンサイトと基質鋼との間の特性不等質を減少するものである。低炭素マルテンサイトは、あまり硬くなくあまり脆くなく高温で形成され、スポーリング過程に関連するピッチングを制限し又は抑制する。炭素含有量の減少によって、材料強度及び耐摩耗性を大きく低下させる。このような低下を打ち消すため、ニッケル、クロム及びモリブデンが添加される。これらの合金添加材によって、前記同様の作用を生じる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下の実施例及び参考例１〜４に記載の合金による鉄道車輪を鋳造して、種々の実地性能試験を行った。
【００１３】
実施例
重量基準で、炭素０.６７〜０.７０%、マンガン０.７０〜０.８５%、ケイ素０.６５〜０.８５%、リン０.０２５%以下、硫黄０.０２５%以下、クロム０.１８〜０.２５%、モリブデン０.０８〜０.１２%及び残部鉄から成る合金組成により鉄道車輪を鋳造した。
【００１４】
参考例１
重量基準で、炭素０.６７〜０.７７%、マンガン０.６０〜０.８５%、ケイ素０.３６〜０.６０%、リン０.０３５%以下、硫黄０.０３５%以下、ニッケル０.４０〜０.６０%、モリブデン０.２５〜０.４０%及び残部鉄の合金組成により鉄道車輪を鋳造した。
【００１５】
参考例２
重量基準で、炭素０.１６〜０.２５%、マンガン０.９０〜１.１０%、ケイ素０.５０〜０.７０%、リン０.０３５%以下、硫黄０.０３５%以下、ニッケル１.０〜１.５%、モリブデン０.４０〜０.６０%、クロム０.４０〜０.６０%及び残部鉄から成る合金組成により鉄道車輪を鋳造した。
【００１６】
参考例３
重量基準で、炭素０.２６〜０.３５%、マンガン０.９０〜１.１０%、ケイ素０.５０〜０.７０%、リン０.０３５%以下、硫黄０.０３５%以下、ニッケル１.０〜１.５%、モリブデン０.４０〜０.６０%、クロム０.４０〜０.６０%及び残部鉄から成る合金組成により鉄道車輪を鋳造した。
【００１７】
参考例４
重量基準で、炭素０.３６〜０.４５%、マンガン０.９０〜１.１０%、ケイ素０.５０〜０.７０%、リン０.０３５%以下、硫黄０.０３５%以下、ニッケル１.０〜１.５%、モリブデン０.４０〜０.６０%、クロム０.４０〜０.６０%及び残部鉄から成る合金組成により鉄道車輪を鋳造した。
【００１８】
製造した車輪の厳密な性能試験によって、満足な結果が得られた。
【００１９】
実際、重量基準で、炭素０．６７〜０．７７％、マンガン０．６０〜０．８５％、ケイ素０．１５％以上、リン０．０５％以下、硫黄０．０５％以下、極微量のクロム及びモリブデン並びに残部鉄の通常合金鋼から成る車輪の対照群と比較したとき、以下の性能比較特性が得られた。約４４０，０００ｋｍ（２７５，０００マイル）の通常の貨物輸送後、シェリングのため対照群組成の車輪５０％は取り外されたが、本発明による好適な合金では、１５％だけ取り外された。
【００２０】
前記実地試験結果及び実験室支援試験に基づいて、本発明による合金は、通常の炭素鋼よりトレッドの耐シェリング性を有することが判明した。実際、通常の貨物輸送では、本発明による鋳鋼の車輪の走行距離性能は、６４０，０００ｋｍ（４００，０００マイル）に達することが判明した。