(57)【要約】  本発明は、高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪及びその製造方法を提供する。ベイナイト鋼車輪は、重量パーセントで、炭素Ｃ：０．１０〜０．４０％、ケイ素Ｓｉ：１．００〜２．００％、マンガンＭｎ：１．００〜２．５０％、ニッケルＮｉ：０．２０〜１．００％、希土類ＲＥ：０．００１  〜０．０４０％、リンＰ≦０．０２０％、硫黄Ｓ≦０．０２０％を含み、残部は鉄及び不可避的残留元素であり、且つ、１．５０％≦Ｓｉ＋Ｎｉ≦２．５０％、２．００％≦Ｓｉ  ＋Ｍｎ≦４．００％である。従来技術と比較して、本発明は、鋼の化学組成の設計及び製造プロセス、特に熱処理プロセス及び技術により、車輪リムに炭化物フリーベイナイト組織構造を与える。スポーク板部及び車輪ハブは、粒状ベイナイトと過飽和フェライトを主成分とする金属組織構造を得る。車輪は、高い降伏強度、靭性、低温靭性などの総合的な機械的特性、及び良好なサービス性能を有する。コストが低減され、車輪の使用寿命及び総合的な利益が向上し、一定の経済的及び社会的利益がある。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高靭性鉄道輸送用のベイナイト鋼車輪であって、重量パーセントで、
炭素Ｃ：０．１０〜０．４０％、ケイ素Ｓｉ：１．００〜２．００％、マンガンＭｎ：１．００〜２．５０％、
ニッケルＮｉ：０．２０〜１．００％、希土類ＲＥ：０．００１  〜０．０４０％、
リンＰ≦０．０２０％、硫黄Ｓ≦０．０２０％を含み、
残部は鉄及び不可避的残留元素であり、
且つ、１．５０％≦Ｓｉ＋Ｎｉ≦２．５０％、２．００％≦Ｓｉ＋Ｍｎ≦４．００％である、ことを特徴とする高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪。
【請求項２】
前記高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪は、重量パーセントで、
炭素Ｃ：０．１５〜０．２５％、ケイ素Ｓｉ：１．２０〜１．８０％、マンガンＭｎ：１．６０〜２．１０％、
ニッケルＮｉ：０．２０〜０．８０％、希土類ＲＥ：０．０１０  〜０．０４０％、リンＰ≦０．０２０％、硫黄Ｓ≦０．０２０％を含み、
残部は鉄及び不可避的残留元素であり、且つ、１．５０％≦Ｓｉ＋Ｎｉ≦２．５０％、２．００％≦Ｓｉ＋Ｍｎ≦４．００％である、ことを特徴とする請求項１に記載の高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪。
【請求項３】
前記高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪は、重量パーセントで、
炭素Ｃ：０．２０％、ケイ素Ｓｉ：１．４５％、マンガンＭｎ：１．９２％、ニッケルＮｉ：０．３５％、希土類ＲＥ：０．０１８％、リンンＰ：０．０１３％、硫黄Ｓ：０．００８％を含み、残部は鉄及び不可避的残留元素である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪。
【請求項４】
前記ベイナイト鋼車輪のリム踏面下から４０ｍｍ以内の金属組織は炭化物フリーベイナイト組織であり、即ち、ナノスケールのラス状の過飽和フェライトであり、ラス状の過飽和フェライトの中間はナノスケールの薄膜状炭素リッチ残留オーステナイトであり、残留オーステナイトの体積パーセントは４％〜１５％である、ことを特徴とする請求項請求項１又は２に記載の高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪。
【請求項５】
車輪のリムの微細構造は、過飽和フェライト及び炭素リッチ残留オーステナイトにより構成された複相構造であり、そのサイズはナノスケールであり、前記ナノスケールは１〜９９９ｎｍである、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪。
【請求項６】
製錬、精錬、成形及び熱処理プロセスを含み、前記熱処理プロセスでは、成形された車輪をオーステナイト化温度に加熱し、リム踏面を水噴射で４００℃以下に強化冷却し、焼き戻し処理する、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法。
【請求項７】
前記オーステナイト化温度への加熱は、具体的には、８６０〜９３０℃に加熱し、２．０〜２．５時間保温する、ことを特徴とする請求項６に記載の高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法。
【請求項８】
前記焼き戻し処理では、車輪を４００℃未満の中低温で３０分以上焼き戻しして、焼き戻し後に室温に空冷し、又は、リム踏面を水噴射で４００℃以下に強化冷却し、室温に空冷し、その間、残留熱によって自己焼き戻しを行う、ことを特徴とする請求項６又は７に記載の高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法。
【請求項９】
熱処理プロセスでは、成形後の高温の残留熱により、成形された車輪のリム踏面を直接水噴射で４００℃以下に強化冷却し、焼き戻しで処理する、ことを特徴とする請求項６に記載の高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法。
【請求項１０】
熱処理プロセスでは、車輪を成形した後、車輪を４００℃以下に空冷し、焼き戻しで処理する、ことを特徴とする請求項６に記載の高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼の化学組成設計及び車輪製造の分野に関し、具体的には、高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪及びその製造方法、並びに鉄道輸送の他の部品及び類似の部品の鋼の設計と製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
「高速、高荷重及び低騒音」は、世界鉄道輸送の主要な発展方向である。車輪は鉄道輸送の「靴」であり、最も重要な走行部品の１つであり、運行の安全性に直接影響を与える。列車の通常運行中に、車輪は車両の全部の荷重を負い、摩耗及び転がり接触疲労（ＲＣＦ）によって損傷され、同時に、それは線路、制輪子、車軸、及び周囲の媒体と非常に複雑な作用関係を有し、動的な交互に変化するストレス状態にある。特に車輪と線路、及び車輪と制輪子（ディスクブレーキを除く）は、２対の、常に存在する、無視できない摩擦ペアである。緊急状況又は特殊道路での運行中に、ブレーキの熱的損傷や擦り傷が非常に著しく、熱疲労が生じ、車輪の安全性や使用寿命にも影響を及ぼす。
【０００３】
鉄道輸送では、車輪が基本的な強度を満たす場合、安全性や信頼性を確保するために、特に車輪の靭性指数に注意を払う。貨物輸送用車輪の摩耗や転がり接触疲労（ＲＣＦ）による損傷が大きく、踏面ブレーキのため、熱疲労損傷も大きく、剥離、剥落、リム割れなどの欠陥が生じる。旅客輸送用車輪については、車輪の靭性及び低温靭性によりいっそう注意を払う。旅客輸送は、ディスクブレーキを使用するため、ブレーキ熱疲労が減少する。
【０００４】
現在、中国の国内外での鉄道輸送用車輪鋼は、例えば、中国車輪規格ＧＢ／Ｔ８６０１、ＴＢ／Ｔ２８１７、欧州車輪規格ＥＮ１３２６２、日本車輪規格ＪＲＳとＪＩＳ  Ｂ５４０２、及び北米車輪規格ＡＡＲ  Ｍ１０７などにより、中高炭素鋼又は中高炭素マイクロ合金化鋼であり、その金属組織はパーライト−フェライト組織である。
【０００５】
ＣＬ６０鋼車輪は、中国の現在の鉄道輸送車両（旅客輸送及び貨物輸送）に主に使用されている圧延鋼の車輪鋼である。ＢＺ−Ｌは、中国の現在の鉄道輸送車両（貨物輸送）に主に使用されている鋳鋼の車輪鋼である。両者の金属組織はパーライト−フェライト組織である。
【０００６】
車輪の各部分の名称を図１に示す。ＣＬ６０鋼の主な技術的指標の要求を表１に示す。
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【０００７】
製造中は、車輪材料に優れ、鋼中の有害ガス及び有害な残留元素の含有量が低いことを保証することが必要である。車輪が高温にある状態で、リムの踏面は水の噴射で強化冷却されて、リムの強度及び硬度が向上する。スポーク板部及び車輪ハブは、焼ならし熱処理と同等であり、リムの強度と靭性の整合性が高く、スポーク板部に高靭性がある。最終的に、車輪は優れた総合的な機械的特性とサービス性能を有する。
【０００８】
パーライト−少量フェライト車輪鋼では、フェライトは、材料の軟質相であり、良好な靭性と低い降伏強度を有する。その柔らかさのために、転がり接触疲労（ＲＣＦ）に対する耐性が低い。一般に、フェライト含有量が高いほど、鋼の衝撃靱性は良好である。フェライトと比較して、パーライトは、強度が高く、靭性が低いため、衝撃性能が劣る。鉄道輸送の発展方向は高速かつ高荷重であり、運行中に車輪への負荷は大幅に増加する。既存のパーライト−少量フェライト材料の車輪は、運行とサービス中にますます多くの問題が表れ、主に以下の欠点が存在している。
（１）リム降伏強度は低く、一般的には６００ＭＰａを超えない。車輪の走行中に車輪と軌道との転がり接触応力が大きく、時には車輪鋼の降伏強度を超えるので、走行過程で塑性変形が発生して、踏面の副表面の塑性変形を生じる。また、介在物やセメンタイトなどの脆い相が鋼中に存在するため、リムにはマイクロクラックが発生しやすい。これらのマイクロクラックは、車輪の走行中に転がり接触疲労により、剥離やリム割れなどの欠陥を引き起こす。
（２）鋼は炭素含有量が高く、耐熱損傷性が低い。踏面ブレーキが使用されるときに又は車輪がスライドするときに擦り傷が発生した場合、車輪は局部的に鋼のオーステナイト化温度に昇温し、その後急冷してマルテンサイトを生成する。このように熱疲労が繰り返されて、ブレーキ熱クラックが形成され、剥落や大割れなどの欠陥が発生する。
（３）車輪鋼の焼入性が悪い。車輪リムは、一定の硬度勾配を有し、不均一な硬度により、輪縁の摩耗や円周のひずみなどの欠陥が発生しやすい。
【０００９】
ベイナイト鋼の相変態に関する研究の発展とブレークスルーに伴い、特に炭化物フリーベイナイト鋼の理論と応用研究により、高強度と高靭性の良好な整合が達成される。炭化物フリーベイナイト鋼は、理想的な微細組織構造を有し、優れた機械的性質を有する。その微細組織構造は、炭化物フリーベイナイトであり、即ち、ナノスケールのラス状の過飽和フェライトである。中間は、ナノスケールの薄膜状炭素リッチ残留オーステナイトである。それにより、鋼の強度と靭性が向上し、特に、鋼の降伏強度、衝撃靭性及び破壊靱性が向上し、鋼の切欠き感受性が低下する。従って、ベイナイト鋼車輪は、車輪の転がり接触疲労（ＲＣＦ）に対する耐性が効果的に向上し、車輪の剥離や剥落などの現象が低減され、車輪の安全性及び使用性能が向上する。ベイナイト鋼車輪の炭素含有量が低いため、車輪の熱疲労性能が向上し、リムのヒートクラックが防止され、車輪の旋盤加工回数及び旋盤加工量が減少し、リム金属の使用効率が向上し、車輪の使用寿命が延びる。
【００１０】
２００６年７月１２日に公開されたＣＮ１８００４２７Ａ号（公開番号）の中国特許「鉄道車両車輪用ベイナイト鋼」に開示された鋼の化学組成範囲（ｗｔ％）は、炭素Ｃ：０．０８〜０．４５％、ケイ素Ｓｉ：０．６０〜２．１０％、マンガンＭｎ：０．６０〜２．１０％、モリブデンＭｏ：０．０８〜０．６０％、ニッケルＮｉ：０．００〜２．１０％、クロムＣｒ：＜０．２５％、バナジウムＶ：０．００〜０．２０％、銅Ｃｕ：０．００〜１．００％である。そのベイナイト鋼の典型的な組織は、炭化物フリーベイナイトであり、優れた靭性、低い切欠き感受性、良好な耐ヒートクラック性を有する。Ｍｏ元素の添加により、鋼の焼入性を高めることができるが、大断面の車輪の場合、生産管理が困難でコストが高い。
【００１１】
ブリティッシュ・スチールの特許ＣＮ１０５９２３９Ｃには、ベイナイト鋼及びその生産プロセスが開示されている。その鋼の化学組成範囲（ｗｔ％）は、炭素Ｃ：０．０５〜０．５０％、ケイ素Ｓｉ及び／又はアルミニウムＡｌ：１．００〜３．００％、マンガンＭｎ：０．５０〜２．５０％、クロムＣｒ：０．２５〜２．５０％である。そのベイナイト鋼の典型的な組織は、炭化物フリーベイナイトであり、高い耐摩耗性及び転がり接触疲労耐性を有する。そのタイプの鋼は、良好な靭性を有するが、鋼レールの断面が比較的簡単であり、２０℃での衝撃靭性が高くなく、鋼のコストが高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ及びＢなどの合金元素を添加することなく、リムの典型的な組織が炭化物フリーベイナイトであり、優れた強度と靭性及び低い切欠き感受性などの特徴を有するＣ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｎｉ−ＲＥ系の高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪を提供することである。
【００１３】
本発明は、熱処理プロセス及び技術により、車輪に良好な総合的な機械的特性を与え、生産を制御しやすい高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法をさらに提供する。
【００１４】
本発明による高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪は、重量パーセントで、
炭素Ｃ：０．１０〜０．４０％、ケイ素Ｓｉ：１．００〜２．００％、マンガンＭｎ：１．００〜２．５０％、
ニッケルＮｉ：０．２０〜１．００％、希土類ＲＥ：０．００１  〜０．０４０％、
リンＰ≦０．０２０％、硫黄Ｓ≦０．０２０％を含み、
残部は鉄及び不可避的残留元素であり、
且つ、１．５０％≦Ｓｉ＋Ｎｉ≦２．５０％、２．００％≦Ｓｉ＋Ｍｎ≦４．００％である。
【００１５】
好ましくは、前記高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪は、重量パーセントで、
炭素Ｃ：０．１５〜０．２５％、ケイ素Ｓｉ：１．２０〜１．８０％、マンガンＭｎ：１．６０〜２．１０％、
ニッケルＮｉ：０．２０〜０．８０％、希土類ＲＥ：０．０１０  〜０．０４０％、リンＰ≦０．０２０％、硫黄Ｓ≦０．０２０％を含み、残部は鉄及び不可避的残留元素であり、且つ、１．５０％≦Ｓｉ＋Ｎｉ≦２．５０％、２．００％≦Ｓｉ＋Ｍｎ≦４．００％である。
【００１６】
好ましくは、前記高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪は、重量パーセントで、
炭素Ｃ：０．２０％、ケイ素Ｓｉ：１．４５％、マンガンＭｎ：１．９２％、
ニッケルＮｉ：０．３５％、希土類ＲＥ：０．０１８％、リンＰ：０．０１３％、硫黄Ｓ：０．００８％を含み、残部は鉄及び不可避的不純物元素である。
【００１７】
ＳｉとＭｎの合計含有量が２％未満である場合、鋼の焼入性が低下し、炭化物が生成しやすくなり、強度と靭性に優れた炭化物フリーベイナイト組織を得るためには不利となる。ＳｉとＭｎの合計含有量が４％を超えると、鋼の焼入性が高すぎ、マルテンサイトなどの望ましくない組織を形成しやすくなり、生産制御が困難となる。
【００１８】
ＳｉとＮｉの合計含有量が１．５％未満である場合、鋼に炭化物が生成しやすくなり、強度と靭性に優れた炭化物フリーベイナイト組織を得るためには不利となる。ＳｉとＮｉの合計含有量が２．５％を超えた場合、元素の作用を効果的に発揮することができず、コストも上昇する。
【００１９】
得られた車輪の微細組織については、車輪リム踏面下から４０ｍｍ以内の金属組織は炭化物フリーベイナイト組織であり、即ち、ナノスケールのラス状の過飽和フェライトであり、ラス状の過飽和フェライトの中間にはナノスケールの薄膜状の炭素リッチ残留オーステナイトがあり、残留オーステナイトの体積パーセントは４％〜１５％である。リムの微細構造は、過飽和フェライト及び炭素リッチ残留オーステナイトにより構成された複相構造であり、そのサイズはナノスケールであり、前記ナノスケールは１ｎｍ〜９９９ｎｍの長さを意味する。
【００２０】
本発明による車輪は、貨車の車輪及び客車の車輪、並びに鉄道輸送の他の部品及び類似の部品の生産に適用できる。
【００２１】
本発明による高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法は、製錬、精錬、成形及び熱処理プロセスを含む。製錬及び成形のプロセスでは、従来技術を使用する。熱処理プロセスでは、
成形された車輪をオーステナイト化温度に加熱し、リム踏面を水噴射で４００℃以下に強化冷却し、焼き戻し処理する。前記オーステナイト化温度への加熱は、具体的には、８６０〜９３０℃に加熱し、２．０〜２．５時間保温する。前記焼き戻し処理では、車輪を４００℃未満の中低温で３０分以上焼き戻しして、焼き戻し後に室温に空冷し、又は、リム踏面を水噴射で４００℃以下に強化冷却し、室温に空冷し、その間、スポーク板部、車輪ハブの残留熱によって自己焼き戻しを行う。
【００２２】
熱処理プロセスでは、成形後の高温の残留熱により、成形された車輪のリム踏面を直接水の噴射で４００℃以下に強化冷却し、焼き戻しで処理することもできる。前記焼き戻し処理では、車輪を４００℃未満の中低温で３０分以上焼き戻しして、焼き戻し後に室温に空冷し、又は、リム踏面を水噴射で４００℃以下に強化冷却し、室温に空冷し、その間、スポーク板部、車輪ハブの残留熱によって自己焼き戻しを行う。
【００２３】
熱処理プロセスでは、車輪を成形した後、車輪を４００℃以下に空冷し、焼き戻しで処理することもできる。焼き戻し処理では、車輪を４００℃未満の中低温で３０分以上焼き戻しして、焼き戻し後に室温に空冷し、又は、４００℃以下に空冷し、室温に空冷し、その間、スポーク板部、車輪ハブの残留熱によって自己焼き戻しを行う。
【００２４】
具体的には、前記熱処理工程は、以下のいずれかの方法である。
車輪をオーステナイト化温度に加熱し、リム踏面を水噴射で４００℃以下に強化冷却し、室温に空冷し、その間、残留熱によって自己焼き戻しを行う。
または、車輪をオーステナイト化温度に加熱し、リム踏面を噴水で４００℃以下に強化冷却し、４００℃未満の中低温で３０分以上焼き戻しして、焼き戻し後に室温に空冷する。
【００２５】
前記オーステナイト化温度への加熱は、具体的には、８６０〜９３０℃に加熱し、２．０〜２．５時間保温する。
【００２６】
または、車輪成形後の高温の残留熱を用いて、リム踏面を水噴射で４００℃以下に強化冷却し、室温に空冷し、その間、スポーク板部、車輪ハブの残留熱によって自己焼き戻しを行う。
【００２７】
または、車輪成形後の高温の残留熱を用いて、リム踏面を水噴射で４００℃以下に強化冷却し、４００℃未満の中低温で３０分以上焼き戻しして、焼き戻し後に室温に空冷する。
または、車輪を成形した後、車輪を４００℃以下に空冷し、その間、スポーク板部、車輪ハブの残留熱によって自己焼き戻しを行う。
【００２８】
または、車輪を成形した後、車輪を４００℃以下に空冷してから、４００℃未満の中低温で３０分以上焼き戻しして、焼き戻し後に室温に空冷する。
【００２９】
本発明における各元素の作用は以下のとおりである。
Ｃ含有量については、次のとおりである。Ｃは、鋼中の基本元素であり、隙間固溶硬化及び析出強化の効果が高い。炭素含有量の増加に伴い、鋼の強度が向上し、靭性が低下する。炭素は、フェライトよりもオーステナイト中の溶解度がはるかに大きく、有効なオーステナイト安定化元素である。鋼中の炭化物の体積分率は炭素含有量に正比例する。炭化物フリーベイナイト組織を得るために、材料の硬度がさらに向上し、特に、材料の降伏強度が向上するように、過冷却オーステナイト及び過飽和フェライトに固溶された一定のＣ含有量を確保する必要がある。Ｃ含有量が０．４０％を超えると、セメンタイトの析出が起こり、鋼の靭性が低下し、Ｃ含有量が０．１０％未満である場合、フェライトの過飽和度が低下し、鋼の強度が低下するため、炭素含有量の合理的な範囲は０．１０〜０．４０％であることが好ましい。
【００３０】
Ｓｉ含有量については、以下のとおりである。Ｓｉは、鋼中の基本合金元素であり、一般的に使用される脱酸剤であり、その原子半径は鉄原子の半径より小さく、オーステナイトとフェライトに対する固溶強化の効果が高く、オーステナイトの剪断強度が向上する。Ｓｉは、非炭化物形成元素であり、セメンタイトの析出を阻止し、ベイナイト−フェライトの間に炭素リッチオーステナイト薄膜及び（Ｍ−Ａ）島状組織の形成を促進し、炭化物フリーベイナイト鋼を得るための主要元素である。Ｓｉはまた、セメンタイトの析出を阻止し、過冷オーステナイトの分解による炭化物の析出を防止することもできる。３００℃〜４００℃での焼き戻し中に、セメンタイトの析出は完全に抑制され、オーステナイトの熱安定性及び機械的安定性が向上する。鋼中のＳｉ含有量が２．００％を超えると、初析フェライトの析出傾向が増加し、残留オーステナイトの量が増加し、鋼の強度と靭性が低下し、Ｓｉ含有量が１．００％未満である場合、鋼中にセメンタイトが析出しやすく、炭化物フリーベイナイト組織が得られにくいため、Ｓｉ含有量を１．００〜２．００％に制御する必要がある。
【００３１】
Ｎｉ含有量については、以下のとおりである。Ｎｉは、非炭化物形成元素であり、ベイナイト変態中の炭化物の析出を抑制することができるので、ベイナイトフェライトのラス間に安定したオーステナイト薄膜が形成され、炭化物フリーベイナイト組織の形成に有利である。Ｎｉは、鋼の強度及び靭性を向上させることができ、高い衝撃靭性を得るために不可欠な合金元素であり、衝撃靭性転移温度を低下させる。Ｎｉ含有量が０．２０％未満である場合、炭化物フリーベイナイトの形成に不利となり、Ｎｉ含有量が１．００％を超えると、鋼の強度と靭性への寄与率が大きく低下し、生産コストが上昇するため、Ｎｉ含有量を０．２０〜１．００％に制御する必要がある。
【００３２】
Ｍｎ含有量については、以下のとおりである。Ｍｎは鋼中のオーステナイト安定化元素であり、鋼の焼入性を増加させ、鋼の機械的性質を向上させる。ＳｉとＭｎの合金量を適切に調整することにより、炭化物析出のない、ベイナイトフェライトラスの間に間隔分布する薄膜状オーステナイト組織、即ち、炭化物フリーベイナイトが得られる。Ｍｎはまた、Ｐの拡散係数を増大させ、鋼の脆性を増大させることもできる。Ｍｎ含有量が１．００％未満である場合、鋼の焼入性が悪く、炭化物フリーベイナイトの取得に不利となり、Ｍｎ含有量が２．５０％を超えると、鋼の焼入性が著しく向上するが、Ｐの拡散傾向が著しく増大し、鋼の靭性が低下するため、Ｍｎ含有量を１．００〜２．５０％に制御する必要がある。
【００３３】
ＲＥ含有量については、以下のとおりである。鋼中のＲＥ元素の添加は、オーステナイト結晶粒を微細化し、浄化及び変質の作用を有し、粒界での有害不純物の偏析を低減し、粒界を改善し強化し、それによって鋼の強度と靭性を向上させることができる。同時に、ＲＥは、介在物の球状化を促進し、鋼の靭性をさらに改善し、材料の切欠き感受性を低下させることができる。ＲＥ含有量が多すぎると、その有益な効果が弱まり、同時に鋼の製造コストが上がる。ＲＥ含有量が０．００１％未満である場合、有害な元素を完全に除去して靭性希土類介在物を形成することができず、ＲＥ含有量が０．０４０％を超えると、ＲＥ元素が過剰になり、その効果が発揮できなくなるため、ＲＥ含有量が０．００１〜０．０４０％に制御される。
【００３４】
Ｐ含有量については、以下のとおりである。中高炭素鋼では、Ｐが粒界に偏析しやすいので、粒界が弱くなり、鋼の強度及び靭性が低下する。有害な元素として、Ｐ≦０．０２０％の場合、性能に対する大きな悪影響がない。
【００３５】
Ｓ含有量については、以下のとおりである。Ｓは粒界に偏析しやすく、他の元素と介在物を形成しやすく、鋼の強度及び靭性が低下する。有害な元素として、Ｓ≦０．０２０％の場合、性能に対する大きな悪影響がない。
【００３６】
鋼の元素設計において、本発明はＣ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｎｉ−ＲＥ系を採用し、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ及びＢなどの合金元素を特別に添加しないで、熱処理プロセスを組み合わせて、リムの典型的な組織を炭化物フリーベイナイト、即ち、ナノスケールのラス状の過飽和フェライトにする。中間はナノスケールの薄膜状炭素リッチ残余オーステナイトである。残余オーステナイトは４％〜１５％ある。車輪は、優れた強度と靭性、及び低い切欠き感受性などの特徴を有する。このタイプの鋼は、中等焼入性を有し、生産制御が比較的容易であり、コストが低い。希土類元素は、鋼中の介在物を球状化し、粒界を強化することができるので、このタイプの鋼は、２０℃の衝撃靭性が高い。Ｎｉの添加により、得られたベイナイト鋼はより高い２０℃衝撃靭性を有する。
【００３７】
本発明では、組成及び製造プロセスを設計することにより、車輪の高強度と高靭性の整合性を実現し、車輪の総合的な機械的性質を提供し、車輪のサービス性能を向上させる目的を達成し、鉄道輸送の他の主要部品及び類似の部品の製造にも使用できる。
【００３８】
本発明は、主にＳｉ及びＮｉ非炭化物形成元素を利用して、フェライト中の炭素の活性を改善し、炭化物の析出を遅延及び抑制し、適切な成形プロセス（鍛造圧延又はモデル鋳造などを含む）、特に熱処理プロセスにより、鋼の調合に応じて、リム踏面を水噴射で強化冷却することによって、車輪リムに炭化物フリーベイナイト組織を与え、残留熱を利用して自己焼き戻しするか又は中低温で焼き戻しして、車輪の組織安定性及び車輪の総合的な機械的性質をさらに改善する。同時に、Ｍｎ元素の優れたオーステナイト安定化効果により、鋼の焼入性が増加し、鋼の強度が向上する。希土類元素は、鋼中の水素などの有害ガスを吸着する機能を有し、鋼中の不可避的介在物を球状化し、鋼の靭性をさらに向上させる。Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、及びＲＥの含有量を適切に調整することにより、リムは炭化物析出のない炭化物フリーベイナイト組織を得て、車輪の強度及び靭性がさらに向上する。Ｎｉ元素の優れた固溶強化の特徴により、靭性指数が低下せずに、強度と靭性がさらに向上する。また、Ｎｉ元素の耐食性により、車輪の大気腐食耐性が実現され、車輪の使用寿命が延び、高靭性ベイナイト鋼車輪が実現し、鉄道輸送運行条件の厳しい要求が満たされる。
【００３９】
従来技術と比較して、本発明により製造されたベイナイト鋼車輪は、ＣＬ６０車輪と比較して、リムの強度と靭性の整合性が著しく向上する。それにより、安全性が保証される前提で、車輪の降伏強度、靭性及び低温靭性が効果的に向上し、車輪の転がり接触疲労（ＲＣＦ）耐性が向上し、車輪の耐ヒートクラック性が向上し、車輪の耐食性が向上し、車輪の切欠き感受性が低下し、車輪の使用中の剥離や剥落の可能性が低減され、車輪踏面の均一な摩耗及び少ない旋盤加工が実現され、車輪リム金属の仕様効率が向上し、車輪の使用寿命及び総合的な利益が改善され、一定の経済的及び社会的利益がある。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】車輪の各部分の名称を示す図である。  １は車輪ハブ穴、２はリム外側面、３はリム、４はリム内側面、５はスポーク板部、６は車輪ハブ、７は踏面である。
【図２ａ】実施例１のリム１００×  光学金属組織図である。
【図２ｂ】実施例１のリム５００×  光学金属組織図である。
【図３ａ】実施例２のリム１００×  光学金属組織図である。
【図３ｂ】実施例２のリム５００×  光学金属組織図である。
【図３ｃ】実施例２のリム５００×  染色金属組織図である。
【図３ｄ】実施例２のリムの透過電子顕微鏡組織図である。
【図４ａ】実施例３のリム１００×  光学金属組織図である。
【図４ｂ】実施例３のリム５００×  光学金属組織図である。
【図５】実施例２の鋼の連続冷却変態曲線（ＣＣＴ曲線）である。
【図６】実施例２の車輪及びＣＬ６０車輪の摩擦摩耗試験における摩擦係数と回転数との間の関係の比較である。
【図７】実施例２の車輪及びＣＬ６０車輪の摩擦摩耗試験後の試料の表面変形組織である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
実施例１、２、３における車輪鋼の化学組成の重量パーセントを表２に示す。実施例１、２、３はいずれも、電気炉製錬を用い、ＬＦ＋ＲＨ精錬真空脱ガス後に直接φ３８０ｍｍの丸ビレットを連続鋳造し、鋼塊切断、加熱及び輾圧圧延、熱処理、仕上げ加工を行った後に、直径が９１５ｍｍの車輪を形成した。
【００４２】
＜実施例１＞
高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪は、下記の表２に示す重量パーセントの元素を含有する。
【００４３】
高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法は、以下のステップを含む：表２の実施例１のような化学組成を有する溶鋼を、電気炉製鋼工程、ＬＦ炉精錬工程、ＲＨ真空処理工程、丸ビレット連続鋳造工程、鋼塊切断圧延工程、熱処理工程、加工、完成品検査工程を経て、車輪を形成した。前記熱処理工程では、８６０〜９３０℃に加熱し２．０〜２．５時間保温し、リムを噴水で４００℃以下に冷却し、２８０℃で４．５〜５．０時間焼き戻し処理した。
【００４４】
図２ａ、図２ｂに示すように、本実施例で製造された車輪リムの金属組織は主に炭化物フリーベイナイト組織である。本実施例の車輪の機械的性能を表３に示す。車輪実物の強度と靭性の整合性はＣＬ６０車輪よりも優れている。
【００４５】
＜実施例２＞
高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪は、下記の表２に示す重量パーセントの元素を含有する。
【００４６】
高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法は、以下のステップを含む：表２の実施例２のような化学組成を有する溶鋼を、電気炉製鋼工程、ＬＦ炉精錬工程、ＲＨ真空処理工程、丸ビレット連続鋳造工程、鋼塊切断圧延工程、熱処理工程、加工、完成品検査工程を経て、車輪を形成した。前記熱処理工程では、８６０〜９３０℃に加熱し２．０〜２．５時間保温し、リムを噴水で４００℃以下に冷却し、２４０℃で４．５〜５．０時間焼き戻し処理した。
【００４７】
図３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに示すように、本実施例で製造された車輪リムの金属組織は主に炭化物フリーベイナイトである。本実施例の車輪の機械的性能を表３に示す。車輪実物の強度と靭性の整合性はＣＬ６０車輪よりも優れている。
【００４８】
＜実施例３＞
高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪は、下記の表２に示す重量パーセントの元素を含有する。
【００４９】
高靭性鉄道輸送用ベイナイト鋼車輪の製造方法は、以下のステップを含む：表２の実施例３のような化学組成を有する溶鋼を、電気炉製鋼工程、ＬＦ炉精錬工程、ＲＨ真空処理工程、丸ビレット連続鋳造工程、鋼塊切断圧延工程、熱処理工程、加工、完成品検査工程を経て、車輪を形成した。前記熱処理工程では、８６０〜９３０℃に加熱し２．０〜２．５時間保温し、リムを噴水で４００℃以下に冷却し、２００℃で４．５〜５．０時間焼き戻し処理した。
【００５０】
図４ａ、４ｂに示すように、本実施例で製造された車輪リムの金属組織は主に炭化物フリーベイナイトである。本実施例の車輪の機械的性能を表３に示す。車輪実物の強度と靭性の整合性はＣＬ６０車輪よりも優れている。
【００５１】
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【００５２】
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【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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