(57)【要約】【課題】  摩擦係数や摩耗を減少させて安全性と乗り心地を改善し保守コストを減少させることができる鉄道用部材とその表面処理方法を提供する。【解決手段】  車輪Ｗは、摩擦抵抗を受けるフランジ面Ｗ2が表面処理された鉄道用車輪であり、フランジ面Ｗ2は急曲線のレールの頭側面と回転接触する接触面である。窒化処理層１は、フランジ面Ｗ2を窒化処理して形成した部分であり、フランジ面Ｗ2の表層に窒素を拡散浸透させる窒化処理によって硬質の窒化層が形成されている。拡散層１ａは、フランジ面Ｗ2に窒素を拡散させて形成した部分であり、反応層１ｂは鉄系金属である車輪Ｗと窒素とを熱化学反応させて形成した部分である。気孔層１ｃは、フランジ面Ｗ2を窒化処理して形成された部分であり、気孔層１ｃには表面に開口部１ｄを有する多数の微細な空隙部１ｅが形成されており、潤滑剤がこの開口部１ｄから空隙部１ｅ内に含浸されている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦抵抗を受ける接触面が表面処理された鉄道用部材であって、
前記接触面を窒化処理して形成した気孔層に潤滑剤が含浸されていること、
を特徴とする鉄道用部材。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道用部材において、
前記潤滑剤は、前記接触面が鉄道用車輪のフランジ面又は前記鉄道用レールの頭側面であるときに、このフランジ面又は頭側面を窒化処理して形成した気孔層に含浸されていること、
を特徴とする鉄道用部材。
【請求項３】
摩擦抵抗を受ける接触面を表面処理する鉄道用部材の表面処理方法であって、
前記接触面を窒化処理して形成した気孔層に潤滑剤を含浸させる潤滑剤含浸工程を含むこと、
を特徴とする鉄道用部材の表面処理方法。
【請求項４】
請求項３に記載の鉄道用部材の表面処理方法において、
前記潤滑剤含浸工程は、前記接触面が鉄道用車輪のフランジ面又は前記鉄道用レールの頭側面であるときに、このフランジ面又は頭側面を窒化処理して形成した気孔層に潤滑剤を含浸する工程であること、
を特徴とする鉄道用部材の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、摩擦抵抗を受ける接触面が表面処理された鉄道用部材、及び摩擦抵抗を受ける接触面を表面処理する鉄道用部材の表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、鉄道車両が急曲線を通過するときの鉄道用車輪と鉄道用レールとの状態を示す平面図である。図８は、図７のVIII部分を拡大して示す正面図である。
図７及び図８に示す車輪Ｗは、レールＲと回転接触する鉄道用部材であり、レールＲの頭頂面（頭部上面）Ｒ1と接触して摩擦抵抗を受ける踏面Ｗ1と、鉄道車両が急曲線を通過するときに外軌側のレールＲの頭側面Ｒ2と接触して摩擦抵抗を受けるフランジ面Ｗ2とを備えている。レールＲは、車輪Ｗを案内する鉄道用部材であり、車輪Ｗを直接支持する頭頂面Ｒ1と、この頭頂面Ｒ1と連続する頭側面Ｒ2とを備えている。
【０００３】
このような鉄道用車輪及び鉄道用レールは、鉄道の基幹部品であるため、これらの材料には安全性と保守コストの削減とが求められている。図７及び図８に示すように、矢印方向に鉄道車両が急曲線を通過すると、フランジ面Ｗ2と頭側面Ｒ2との間に横圧Ｑが作用してこれらが激しく高面圧で高滑り接触を起こす。このため、フランジ面Ｗ2及び頭側面Ｒ2は、摩耗の激しい場所となり、このような摩耗が進行すると踏面Ｗ1及び頭頂面Ｒ1の形状が変化し、安全性や乗り心地が低下するとともに保守コストが増加する。このため、従来の鉄道用車輪では、レールの頭頂面と接触する踏面をガス浸炭焼き入れ処理した後に焼戻し処理している（例えば、特許文献１参照）。また、従来の鉄道用レールでは、車輪と接触する頭頂面を高温に加熱して熱処理した後に、オーステナイト域温度から所定の冷却速度で所定の温度まで冷却しその後放冷することによって製造されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平5-42801号公報
【０００５】
【特許文献２】特開平9-316598号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の鉄道用車輪では、フランジ面Ｗ2に焼き入れを行うと車輪Ｗの大きさ及び冷却速度などの原因によって、安定的にフランジ面Ｗ2を焼き入れすることが困難であった。また、従来の鉄道用レールでは、製品製造時に頭頂面Ｒ1を焼き入れ処理しているが摩耗やきしみ割れなどの発生が問題となっている。このため、従来の鉄道用車輪及び鉄道用レールでは、形状の変化を防止するため定期的に削正して形状を整えているが作業回数が増えると保守コストが増大し運営上問題となる。特に、鉄道用車輪の場合には台車から取り外す作業が必要であるため削正作業に手間がかかるという問題があった。
【０００７】
この発明の課題は、摩擦係数や摩耗を減少させて安全性と乗り心地を改善し保守コストを減少させることができる鉄道用部材とその表面処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、摩擦抵抗を受ける接触面（Ｗ2，Ｒ2）が表面処理された鉄道用部材であって、前記接触面を窒化処理して形成した気孔層（１ｃ）に潤滑剤が含浸されていることを特徴とする鉄道用部材（Ｗ，Ｒ）である。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の鉄道用部材において、前記潤滑剤は、前記接触面が鉄道用車輪のフランジ面（Ｗ2）又は前記鉄道用レールの頭側面（Ｒ2）であるときに、このフランジ面又は頭側面を窒化処理して形成した気孔層に含浸されていることを特徴とする鉄道用部材である。
【００１０】
請求項３の発明は、摩擦抵抗を受ける接触面（Ｗ2，Ｒ2）を表面処理する鉄道用部材（Ｗ，Ｒ）の表面処理方法であって、前記接触面を窒化処理して形成した気孔層（１ｃ）に潤滑剤を含浸させる潤滑剤含浸工程（＃１０１）を含むことを特徴とする鉄道用部材の表面処理方法である。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項３に記載の鉄道用部材の表面処理方法において、前記潤滑剤含浸工程は、前記接触面が鉄道用車輪のフランジ面（Ｗ2）又は前記鉄道用レールの頭側面（Ｒ2）であるときに、このフランジ面又は頭側面を窒化処理して形成した気孔層に潤滑剤を含浸する工程であることを特徴とする鉄道用部材の表面処理方法である。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によると、摩擦係数や摩耗を減少させて安全性と乗り心地を改善し保守コストを減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材の正面図である。図２は、この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材を模式的に示す部分断面図であり、図２（Ａ）は表面処理前の状態を示す部分断面図であり、図２（Ｂ）は表面処理後の状態を示す部分断面図である。以下では、図７及び図８と同一の部分については、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
【００１４】
車輪Ｗは、摩擦抵抗を受けるフランジ面Ｗ2が表面処理された鉄道用車輪である。車輪Ｗは、例えば、高炭素鋼を材料とする圧延車輪又は鋳鋼を材料とする鋳鋼車輪などである。フランジ面Ｗ2は、図１に示すように、急曲線のレールＲの頭側面Ｒ2と回転接触する接触面である。フランジ面Ｗ2には、図１及び図２に示すように、円周方向に沿って所定の幅及び深さで窒化処理層１が形成されている。
【００１５】
窒化処理層１は、フランジ面Ｗ2を窒化処理して形成した部分である。窒化処理層１は、フランジ面Ｗ2（母材）の表面層に窒素を拡散浸透させる窒化処理によって硬質の窒化層が形成されている。窒化処理層１は、通常、表面硬さが1000〜1200HVと高く耐摩耗性及び耐食性に優れている。窒化処理層１は、例えば、アンモニアガス、窒素ガス又はこれらの混合ガスなどの雰囲気中で500〜525°Ｃで50〜100時間保持するガス窒化法などによって形成される。窒化処理層１には、図２（Ｂ）に示すように、拡散層１ａと、反応層１ｂと、気孔層１ｃとが形成されている。
【００１６】
拡散層１ａは、フランジ面Ｗ2に窒素を拡散させて形成した部分である。拡散層１ａは、フランジ面Ｗ2の内部に窒素を浸透拡散させて形成される。反応層１ｂは、鉄系金属である車輪Ｗと窒素とを熱化学反応させて形成した部分である。反応層１ｂは、拡散層１ａと気孔層１ｃとの間に略均一な膜厚で形成されており、鉄系金属と窒素との熱化学反応によって形成された化合物層である。気孔層１ｃは、フランジ面Ｗ2を窒化処理して形成された部分である。気孔層１ｃは、フランジ面Ｗ2を窒化処理したときにこのフランジ面Ｗ2の表面層に形成されるポーラス層である。気孔層１ｃには、この気孔層１ｃの表面に開口部１ｄを有する多数の微細な空隙部１ｅが形成されており、潤滑油、グリース又はワックスなどの潤滑剤がこの開口部１ｄから空隙部１ｅ内に含浸されている。
【００１７】
次に、この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材の表面処理方法について説明する。
図３は、この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材の表面処理方法の工程図である。
図３に示す窒化処理工程＃１００は、車輪Ｗのフランジ面Ｗ2を窒化処理する工程である。例えば、車輪Ｗのフランジ面Ｗ2を容器で覆い、520±10°Ｃで50〜100時間程度加熱炉などで加熱しながらこの容器内にアンモニアガスなど通過させる。その後に、アンモニアガスなどを通過させながら加熱炉内の温度を低下させて、フランジ面Ｗ2の窒化処理を終了する。その結果、図２（Ｂ）に示すように、フランジ面Ｗ2の内部に窒素が拡散して拡散層１ａが形成される。また、鉄系金属である車輪Ｗと窒素とが熱化学反応して拡散層１ａの上層に反応層１ｂが形成される。さらに、反応層１ｂの上層に気孔層１ｃが形成されて、フランジ面Ｗ2に開口部１ｄを有する多数の微細な空隙がこの気孔層１ｃに形成される。
【００１８】
図３に示す潤滑剤含浸工程＃１０１は、気孔層１ｃに潤滑剤を含浸させる工程である。図２（Ｂ）に示す気孔層１ｃの表面から潤滑剤を加圧すると、気孔層１ｃの表面の開口部１ｄから気孔層１ｃの内部の空隙部１ｅに潤滑剤が押し込められ、気孔層１ｃ内に潤滑剤が残留し保持される。
【００１９】
この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材とその表面処理方法には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、フランジ面Ｗ2を窒化処理して形成した気孔層１ｃに潤滑剤が含浸されている。このため、フランジ面Ｗ2の表面硬度及び保油効果が向上して摩擦係数及び摩耗を低減することができる。特に、従来の鉄道用車輪のように車輪全体を焼き入れなどによって熱処理する場合に比べて、フランジ面Ｗ2を簡単に短時間で表面処理することができる。その結果、フランジ面Ｗ2の摩擦抵抗を減少させ高面圧、高滑り条件下における摩耗を低減し、きしみ割れを防止することができる。例えば、規定の走行距離を列車が走行した後に電車区などの車両基地で車両を停車させて表面処理をすることができる。また、従来の鉄道用車輪のように踏面Ｗ1の形状の変化を防止するために、車輪Ｗを定期的に削正して踏面Ｗ1の形状を整える大規模な作業が必要なくなるため、保守コストを低減することができる。
【００２０】
(2) この第１実施形態では、フランジ面Ｗ2が窒化処理されてこのフランジ面Ｗ2に窒化処理層１が形成されている。その結果、フランジ面Ｗ2の耐摩耗性が向上するとともにフランジ面Ｗ2の硬さが上昇するため、鉄道車両が急曲線を通過するときにフランジ面Ｗ2と頭側面Ｒ2とが激しく接触しても、フランジ面Ｗ2に摩耗や傷が発生するのを可能な限り防止することができる。
【００２１】
（第２実施形態）
図４は、この発明の第２実施形態に係る鉄道用部材の断面図である。図５は、この発明の第２実施形態に係る鉄道用部材を模式的に示す部分断面図であり、図５（Ａ）は表面処理前の状態を示す部分断面図であり、図５（Ｂ）は表面処理後の状態を示す部分断面図である。以下では、図１及び図２に示す部分と同一の部分については、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
【００２２】
レールＲは、摩擦抵抗を受ける頭側面Ｒ2が表面処理された鉄道用レールである。レールＲは、例えば、高炭素鋼を材料とする圧延レールなどである。頭側面Ｒ2は、図４に示すように、急曲線で車輪Ｗのフランジ面Ｗ2と接触する接触面である。頭側面Ｒ2には、図４及び図５に示すように、図３に示す窒化処理工程と同様の工程によって窒化処理層１が形成されている。
【００２３】
この発明の第２実施形態に係る鉄道用部材とその表面処理方法には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第２実施形態では、頭側面Ｒ2を窒化処理して形成した気孔層１ｃに潤滑剤が含浸されている。このため、鉄道車両が急曲線を通過するときに発生する頭側面Ｒ2の摩擦抵抗を減少させ高面圧、高滑り条件下における摩耗を低減し、きしみ割れを防止することができる。また、従来の鉄道用レールの製造時に必要であった熱処理工程を省略することが期待できるとともに、レールＲの寿命が延びるため低コスト化を図ることができる。
【実施例】
【００２４】
次に、この発明の実施例について説明する。
図６は、この発明の実施例に係る車輪試験片及びレール試験片の摩擦係数の時間変化を示すグラフである。なお、図６に示す縦軸は摩擦係数であり横軸は時間(s)である。
【００２５】
（試験片）
実施例は、窒化処理され潤滑剤が含浸された車輪試験片であり、比較例は未処理の車輪試験片である。実施例については、車輪試験片に窒化処理を施した後に、この車両試験片の表層の気孔層にギヤ油を超音波加振によって含浸させた。車輪試験片は、現在使用されている実際の車輪の組成及び硬さと同じにするために、組成が炭素0.60〜0.75mass％、ケイ素0.15〜0.35mass％、マンガン0.50〜0.90mass％の炭素鋼であり、硬さが300〜320HV程度に調整されたものを使用した。レール試験片は、窒化処理などの表面処理がされていないレールを使用した。レール試験片は、車輪試験片と同様に、急曲線部に敷設され現在使用されている実際のレールの組成及び硬さと同じにするために、急曲線部の実際のレールの頭頂面から切り出したものを使用した。このレール試験片は、組成が炭素0.72〜0.82mass％、ケイ素0.10〜0.55mass％、マンガン0.70〜1.10mass％の炭素鋼であり、硬さが400HV程度に調整されたものを使用した。車輪試験片及びレール試験片は、直径30mm×厚さ8mmの円筒状であり、車輪試験片及びレール試験片の中央部には摩耗試験機に取り付けるために直径16mmの貫通孔が形成されている。
【００２６】
（試験方法）
急曲線における車輪のフランジ面とレールの頭側面との接触を模擬するために、２円筒西原式転がり摩耗試験機によってすべり率を９％（車輪試験片が９％多く回転する）、面圧を0.9GPaに設定して試験を実施した。試験は、窒化処理してギヤ油を含浸させた車輪試験片（実施例）と表面処理していないレール試験片とを接触させた場合と、表面処理していない車輪試験片（比較例）と表面処理していないレール試験片とを接触させた場合について実施した。そして、試験中に実施例及び比較例に加わるトルク(τ)を摩耗試験機から検出して、摩擦係数(μ)＝トルク(τ(kgf・cm))／荷重(Ｗ(kgf))／試験片の半径(cm)により摩擦係数(μ)の変化を測定した。ここで、荷重(Ｗ)は、車輪試験片とレール試験片とを加圧接触させたときに加えた荷重である。
【００２７】
（試験結果）
図６に示すように、窒化処理してギヤ油を含浸させた実施例の場合には、表面処理しない比較例の場合に比べて摩擦係数が減少しており非常に低い値で推移し、車輪試験片及びレール試験片の接触領域の摩擦係数が低いことが確認された。
【００２８】
（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
この実施形態では、鉄道用部材１として鉄道用車輪及び鉄道用レールを例に挙げて説明したがこれに限定するものではない。例えば、相対運動によって摩擦抵抗を受けるパンタグラフのピン及びピンブッシュなどの他の鉄道用部材又はシール、歯車、軸受け、工具、刃物などについてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、鉄道用車輪又は鉄道用レールのいずれか一方を表面処理した場合を例に挙げて説明したが、これらの両方を表面処理することもできる。さらに、この実施形態では、車輪Ｗのフランジ面Ｗ2又はレールＲの頭側面Ｒ2を表面処理する場合を例に挙げて説明したが、これらの箇所とは別に又はこれらの箇所とともに踏面Ｗ1又は頭頂面Ｒ1を表面処理することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材の正面図である。
【図２】この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材を模式的に示す部分断面図であり、（Ａ）は表面処理前の状態を示す部分断面図であり、（Ｂ）は表面処理後の状態を示す部分断面図である。
【図３】この発明の第１実施形態に係る鉄道用部材の表面処理方法の工程図である。
【図４】この発明の第２実施形態に係る鉄道用部材の断面図である。
【図５】この発明の第２実施形態に係る鉄道用部材を模式的に示す部分断面図であり、（Ａ）は表面処理前の状態を示す部分断面図であり、（Ｂ）は表面処理後の状態を示す部分断面図である。
【図６】この発明の実施例に係る車輪試験片及びレール試験片の摩擦係数の時間変化を示すグラフである。
【図７】鉄道車両が急曲線を通過するときの鉄道用車輪と鉄道用レールとの状態を示す平面図である。
【図８】図７のVIII部分を拡大して示す正面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  窒化処理層
１ａ  拡散層
１ｂ  反応層
１ｃ  気孔層
１ｄ  開口部
１ｅ  空隙部
Ｗ  車輪（鉄道用部材）
Ｗ1  踏面
Ｗ2  フランジ面（接触面）
Ｒ  レール（鉄道用部材）
Ｒ1  頭頂面
Ｒ2  頭側面（接触面）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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