(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．８０〜１．１５％、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：０．１０〜１．２５％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ａｌ：０．０２５〜０．６５０％、
Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、
Ｃｒ：０〜０．６０％、及び、
Ｖ：０〜０．１２％、
を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
ボス部と、
踏面及びフランジを含むリム部と、
前記ボス部と前記リム部との間に配置される板部とを備える、鉄道車輪の中間品をＡｃｍ変態点以上に加熱する加熱工程と、
加熱された前記中間品を冷却する冷却工程とを備え、
前記冷却工程では、前記中間品において前記踏面及びフランジ表面以外の表面の８００〜５００℃における冷却速度が式（１）で定義されるＦｎ１℃／秒以下であり、前記中間品において冷却速度が最も遅くなる領域での８００〜５００℃における冷却速度が式（２）で定義されるＦｎ２℃／秒以上であり、前記踏面及びフランジ表面での８００〜５００℃における冷却速度がＦｎ２℃／秒以上となるように、前記中間品を冷却して、
前記ボス部のミクロ組織において、パーライトの面積率は９５％以上であり、式（Ａ）で定義される初析セメンタイト量は１．０本／１００μｍ以下であり、
前記板部のミクロ組織において、パーライトの面積率は９５％以上であり、式（Ａ）で定義される初析セメンタイト量は１．０本／１００μｍ以下であり、
前記リム部のミクロ組織において、パーライトの面積率は９５％以上であり、式（Ａ）で定義される初析セメンタイト量は１．０本／１００μｍ以下である前記鉄道車輪を製造する、
鉄道車輪の製造方法。
Ｆｎ１＝−５．０＋ｅｘｐ（５．６５１−１．４２７×Ｃ−１．２８０×Ｓｉ−０．７７２３×Ｍｎ−１．８１５×Ｃｒ−１．５１９×Ａｌ−７．７９８×Ｖ）・・・（１）
Ｆｎ２＝０．５１５＋ｅｘｐ（−２４．８１６＋２４．１２１×Ｃ＋１．２１０×Ｓｉ＋０．５２９×Ｍｎ＋２．４５８×Ｃｒ−１５．１１６×Ａｌ−５．１１６×Ｖ）・・・（２）
初析セメンタイト量（本／１００μｍ）＝２００μｍ×２００μｍの正方形視野の２本の対角線と交差する初析セメンタイトの本数の総和／（５．６６×１００μｍ）  （Ａ）
ここで、上記の式（１）及び式（２）における各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道車輪の製造方法であって、
前記冷却工程ではさらに、前記踏面及びフランジ表面での８００〜５００℃における冷却速度がＦｎ２℃／秒以上かつ５℃／秒以上であり、２００℃／秒以下となるように、前記中間品を冷却する、
鉄道車輪の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の鉄道車輪の製造方法であって、
前記化学組成は、
Ｃｒ：０．０２〜０．６０％、及び、
Ｖ：０．０２〜０．１２％、
からなる群から選択される１種以上を含有する、
鉄道車輪の製造方法。
【請求項４】
質量％で、
Ｃ：０．８０〜１．１５％、
Ｓｉ：１．００％以下、
Ｍｎ：０．１０〜１．２５％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ａｌ：０．０２５〜０．６５０％、
Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、
Ｃｒ：０〜０．６０％、及び、
Ｖ：０〜０．１２％、
を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
ボス部と、
踏面及びフランジを含むリム部と、
前記ボス部と前記リム部との間に配置される板部とを備え、
前記ボス部のミクロ組織において、パーライトの面積率は９５％以上であり、式（Ａ）で定義される初析セメンタイト量は１．０本／１００μｍ以下であり、
前記板部のミクロ組織において、パーライトの面積率は９５％以上であり、式（Ａ）で定義される初析セメンタイト量は１．０本／１００μｍ以下であり、
前記リム部のミクロ組織において、パーライトの面積率は９５％以上であり、式（Ａ）で定義される初析セメンタイト量は１．０本／１００μｍ以下である、
鉄道車輪。
初析セメンタイト量（本／１００μｍ）＝２００μｍ×２００μｍの正方形視野の２本の対角線と交差する初析セメンタイトの本数の総和／（５．６６×１００μｍ）  （Ａ）
【請求項５】
請求項４に記載の鉄道車輪であって、
前記化学組成は、
Ｃｒ：０．０２〜０．６０％、及び、
Ｖ：０．０２〜０．１２％、
からなる群から選択される１種以上を含有する、
鉄道車輪。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車輪の製造方法及び鉄道車輪に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両は、線路を構成するレール上を走行する。鉄道車両は、複数の鉄道車輪を備える。鉄道車輪は、車両を支持し、レールと接触して、レール上を回転しながら移動する。鉄道車輪は、レールとの接触により摩耗する。鉄道輸送の高効率化を目的として、鉄道車両への積載重量の増加、及び、鉄道車両の高速化が進められている。その結果、鉄道車両に利用される鉄道車輪の耐摩耗性の向上が求められている。【０００３】
鉄道車輪の耐摩耗性を高める技術が、特開平９−２０２９３７号公報（特許文献１）、特開２０１２−１０７２９５号公報（特許文献２）、特開２０１３−２３１２１２号公報（特許文献３）、及び、特開２００４−３１５９２８号公報（特許文献４）に提案されている。【０００４】
特許文献１に開示された鉄道車輪は、質量％で、Ｃ：０．４〜０．７５％、Ｓｉ：０．４〜０．９５％、Ｍｎ：０．６〜１．２％、Ｃｒ：０〜０．２％未満、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下を含有し、残部がＦｅ及びその他不可避の不純物からなる。この鉄道車輪において、車輪踏面部の表面から少なくとも深さ５０ｍｍまでの領域が、パーライト組織からなる。特許文献１の鉄道車輪の製造方法は、車輪踏面部の冷却曲線が、連続冷却変態曲線図におけるパーライト生成領域を通り、かつ、マルテンサイト変態曲線より長時間側にある条件で、車輪踏面部を冷却する焼入工程を含む。【０００５】
特許文献２に開示された車輪用鋼は、質量％で、Ｃ：０．６５〜０．８４％、Ｓｉ：０．０２〜１．００％、Ｍｎ：０．５０〜１．９０％、Ｃｒ：０．０２〜０．５０％、Ｖ：０．０２〜０．２０％、Ｓ≦０．０４％を含み、残部がＦｅと不純物からなり、Ｐ≦０．０５％、Ｃｕ≦０．２０％、Ｎｉ≦０．２０％の化学組成である。この化学組成はさらに、次の関係式を満たす。〔３４≦２．７＋２９．５×Ｃ＋２．９×Ｓｉ＋６．９×Ｍｎ＋１０．８×Ｃｒ＋３０．３×Ｍｏ＋４４．３×Ｖ≦４３〕かつ〔０．７６×ｅｘｐ（０．０５×Ｃ）×ｅｘｐ（１．３５×Ｓｉ）×ｅｘｐ（０．３８×Ｍｎ）×ｅｘｐ（０．７７×Ｃｒ）×ｅｘｐ（３．０×Ｍｏ）×ｅｘｐ（４．６×Ｖ）≦２５〕。この車両用鋼は、上記化学組成及び上記式を満たすことにより、耐摩耗性、耐転動疲労特性、耐スポークリング性に優れる、と特許文献２には記載されている。【０００６】
特許文献３に開示された車輪用鋼は、質量％で、Ｃ：０．６５〜０．８４％、Ｓｉ：０．４〜１．０％、Ｍｎ：０．５０〜１．４０％、Ｃｒ：０．０２〜０．１３％、Ｓ：０．０４％以下、Ｖ：０．０２〜０．１２％を含有し、式（１）で定義されるＦｎ１が３２〜４３で、かつ、式（２）で表されるＦｎ２が２５以下であり、残部がＦｅ及び不純物からなる。ここで、式（１）は、Ｆｎ１＝２．７＋２９．５Ｃ＋２．９Ｓｉ＋６．９Ｍｎ＋１０．８Ｃｒ＋３０．３Ｍｏ＋４４．３Ｖであり、式（２）は、Ｆｎ２＝ｅｘｐ（０．７６）×ｅｘｐ（０．０５Ｃ）×ｅｘｐ（１．３５Ｓｉ）×ｅｘｐ（０．３８Ｍｎ）×ｅｘｐ（０．７７Ｃｒ）×ｅｘｐ（３．０Ｍｏ）×ｅｘｐ（４．６Ｖ）である。この車両用鋼は、上記化学組成を有し、Ｆｎ１及びＦｎ２が上記範囲を満たすことにより、耐摩耗性、耐転動疲労特性、耐スポークリング性に優れる、と特許文献３には記載されている。【０００７】
特許文献４に開示された鉄道車両用車輪は、質量％で、Ｃ：０．８５〜１．２０％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜２．００％、必要に応じてさらにＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｂ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｚｒ、及びＮの１種又は２種以上を所定量含有し、残部がＦｅ及びその他不可避的不純物からなる化学成分を含有する鋼で構成された一体型の鉄道車両用車輪であって、車輪の踏面及び／又はフランジ面の少なくとも一部がパーライト組織である。特許文献４では、鉄道車両用車輪の寿命は、踏面及びフランジ面の摩耗量に依存し（特許文献４の段落［０００２］）、さらに、高速鉄道においてブレーキを掛けたときの発熱量の増大にともない発生する踏面及びフランジ面での亀裂に依存すると記載されている。そして、鉄道車両用車輪が上記構成を有することにより、踏面及びフランジ面の耐摩耗性及び熱亀裂を抑制できる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−２０２９３７号公報
【特許文献２】特開２０１２−１０７２９５号公報
【特許文献３】特開２０１３−２３１２１２号公報
【特許文献４】特開２００４−３１５９２８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｆ．Ｗｅｖｅｒ  ｅｔ  ａｌ．、Ｚｕｒ  Ｆｒａｇｅ  ｄｅｒ  Ｗａｒｍｅｂｅｈａｎｄｌｕｎｇ  ｄｅｒ  Ｓｔａｈｌｅ  ａｕｆ  Ｇｒｕｎｄ  ｉｈｒｅｒ  Ｚｅｉｔ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ−Ｕｍｗａｎｄｌｕｎｇｓ−Ｓｃｈａｕｂｉｌｄｅｒ、Ｓｔａｈｌ  ｕ  Ｅｉｓｅｎ、７４（１９５４）、ｐ７４９〜７６１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の特許文献１、２及び３に開示された鉄道車輪は、Ｖを積極的に含有することにより、鉄道車輪の耐摩耗性を高めている。しかしながら、これらの文献の鉄道車輪を、積載重量の増加及び高速化が求められる貨物鉄道に適用した場合、十分な耐摩耗性が得られない場合がある。【００１１】
一方、特許文献４に開示された鉄道車輪は、特許文献１〜３と比較して、Ｃ含有量を高めた過共析鋼からなる。この鉄道車輪は、積載重量の増加及び高速化が求められる貨物鉄道に適用された場合、十分な耐摩耗性が得られる可能性がある。【００１２】
ところで、鉄道車輪は次の方法で製造される。鋼片を熱間加工して鉄道車輪形状の中間品を成形する。成形された中間品に対して、熱処理（踏面焼入れ）を実施する。踏面焼入れでは、中間品を加熱した後、中間品の踏面及びフランジに冷却水を噴射して急冷する。なお、踏面及びフランジを急冷している間、ボス部及び板部を放冷する。これにより、踏面直下の表層及びフランジの表層部分のマトリクス組織には、耐摩耗性が高い微細パーライトが生成する。【００１３】
しかしながら、踏面焼入れ後の踏面直下の表層及びフランジの表層部分には、微細パーライトの上層にマルテンサイト及び／又はベイナイトからなる層がさらに生成する。以下、熱処理後の踏面及びフランジの急冷により踏面の表層及びフランジの表層に形成されるマルテンサイト及び／又はベイナイトからなる層を、本明細書では「焼入れ層」という。踏面の表層及びフランジの表層に焼入れ層を有する鉄道車輪を使用した場合、鉄道車輪の使用中において、焼入れ層は摩耗しやすい。そのため、従来の鉄道車輪の製造工程においては、踏面焼入れ後の鉄道車輪の中間品に対して、踏面の表層及びフランジの表層に形成された焼入れ層を切削加工で除去して、微細パーライトを踏面及びフランジの表面に露出させている。以上の製造工程により、従来の鉄道車輪が製造されている。【００１４】
しかしながら、鉄道車輪が特許文献４のような過共析鋼である場合、従来の鉄道車輪の製造方法では、ボス部及び板部の靱性が低下する場合があることが、本発明者らの検討で明らかになった。従来の鉄道車輪では、鉄道車輪の寿命向上を目的として、リム部の踏面及びフランジの組織については検討されているものの、鉄道車輪のボス部及び板部の組織に着目した検討はされていなかった。【００１５】
本発明の目的は、靱性に優れる過共析鋼の鉄道車輪を安定して製造できる、鉄道車輪の製造方法及び鉄道車輪を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の実施形態による鉄道車輪の製造方法は、加熱工程と、冷却工程とを備える。加熱工程では、質量％で、Ｃ：０．８０〜１．１５％、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．２５％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．０２５〜０．６５０％、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、Ｃｒ：０〜０．６０％、及び、Ｖ：０〜０．１２％、を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、ボス部と、踏面及びフランジを含むリム部と、ボス部とリム部との間に配置される板部とを備える鉄道車輪の中間品を、Ａｃｍ変態点（℃）以上に加熱する。冷却工程では、中間品において踏面及びフランジ表面以外の表面の８００〜５００℃における冷却速度が式（１）で定義されるＦｎ１℃／秒以下であり、中間品において冷却速度が最も遅くなる領域での８００〜５００℃における冷却速度が式（２）で定義されるＦｎ２℃／秒以上であり、踏面及びフランジ表面での８００〜５００℃における冷却速度がＦｎ２℃／秒以上となるように、中間品を冷却する。
Ｆｎ１＝−５．０＋ｅｘｐ（５．６５１−１．４２７×Ｃ−１．２８０×Ｓｉ−０．７７２３×Ｍｎ−１．８１５×Ｃｒ−１．５１９×Ａｌ−７．７９８×Ｖ）・・・（１）
Ｆｎ２＝０．５１５＋ｅｘｐ（−２４．８１６＋２４．１２１×Ｃ＋１．２１０×Ｓｉ＋０．５２９×Ｍｎ＋２．４５８×Ｃｒ−１５．１１６×Ａｌ−５．１１６×Ｖ）・・・（２）
ここで、上記の式（１）及び式（２）における各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。【００１７】
本実施形態による鉄道車輪は、質量％で、Ｃ：０．８０〜１．１５％、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．２５％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．０２５〜０．６５０％、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、Ｃｒ：０〜０．６０％、及び、Ｖ：０〜０．１２％、を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、ボス部と、踏面及びフランジを含むリム部と、ボス部とリム部との間に配置される板部とを備える。ボス部のミクロ組織において、パーライト面積率は９５％以上であり、式（Ａ）で定義される初析セメンタイト量は１．０本／１００μｍ以下である。板部のミクロ組織において、パーライト面積率は９５％以上であり、式（Ａ）で定義される初析セメンタイト量は１．０本／１００μｍ以下である。リム部のミクロ組織において、パーライトの面積率は９５％以上であり、式（Ａ）で定義される初析セメンタイト量は１．０本／１００μｍ以下である。
初析セメンタイト量（本／１００μｍ）＝２００μｍ×２００μｍの正方形視野の２本の対角線と交差する初析セメンタイトの本数の総和／（５．６６×１００μｍ）  （Ａ）
【発明の効果】
【００１８】
本実施形態による鉄道車輪の製造方法は、靱性に優れる過共析鋼の鉄道車輪を安定して製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、鉄道車輪の中心軸に平行な断面図である。
【図２】図２は、西原式摩耗試験の結果に基づく、鉄道車輪のビッカース硬さと鉄道車輪の摩耗量との関係を示す図である。
【図３】図３は、西原式摩耗試験の模式図である。
【図４】図４は、鉄道車輪の製造工程中の熱処理を想定した熱処理試験の結果に基づく、Ｃ含有量と、冷却速度と、焼入れ層及び初析セメンタイトとの関係を示す図である。
【図５】図５は、鉄道車輪の製造工程中の熱処理を想定した熱処理試験の結果に基づく、Ｓｉ含有量と、冷却速度と、焼入れ層及び初析セメンタイトとの関係を示す図である。
【図６】図６は、鉄道車輪の製造工程中の熱処理を想定した熱処理試験の結果に基づく、Ｍｎ含有量と、冷却速度と、焼入れ層及び初析セメンタイトとの関係を示す図である。
【図７】図７は、鉄道車輪の製造工程中の熱処理を想定した熱処理試験の結果に基づく、Ｃｒ含有量と、冷却速度と、焼入れ層及び初析セメンタイトとの関係を示す図である。
【図８】図８は、鉄道車輪の製造工程中の熱処理を想定した熱処理試験の結果に基づく、Ａｌ含有量と、冷却速度と、焼入れ層及び初析セメンタイトとの関係を示す図である。
【図９】図９は、鉄道車輪の製造工程中の熱処理を想定した熱処理試験の結果に基づく、Ｖ含有量と、冷却速度と、焼入れ層及び初析セメンタイトとの関係を示す図である。
【図１０】図１０は、本実施形態による鉄道車輪の製造方法に用いる冷却装置の一例を示す模式図である。
【図１１】図１１は、初析セメンタイト量の測定方法を説明するための模式図である。
【図１２】図１２は、実施例でのジョミニ式一端焼入れ試験により得られた、ジョミニ試験片の水冷端からの距離に対するロックウェル硬さＨＲＣの分布（ジョミニ曲線）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［鉄道車輪の構成］
図１は、鉄道車輪の中心軸を含む断面図である。図１を参照して、鉄道車輪１は円盤状であり、ボス部２と、板部３とリム部４とを備える。ボス部２は円筒状であり、鉄道車輪１の中央部に配置される。ボス部２は貫通孔２１を有する。貫通孔２１の中心軸は、鉄道車輪１の中心軸と一致する。貫通孔２１には、図示しない車軸が挿入される。ボス部２の厚さＴ２は、板部３の厚さＴ３よりも厚い。リム部４は、鉄道車輪１の外周の縁部に形成されている。リム部４は、踏面４１と、フランジ４２とを含む。踏面４１は、フランジ４２と繋がっている。鉄道車輪１の使用時において、踏面４１及びフランジ４２の表面はレール表面と接触する。リム部４の厚さＴ４は、板部３の厚さＴ３よりも厚い。板部３は、ボス部２とリム部４との間に配置される。板部３の内周縁部はボス部２とつながっており、板部３の外周縁部はリム部４とつながっている。板部３の厚さＴ３は、ボス部２の厚さＴ２及びリム部４の厚さＴ４よりも薄い。
【００２１】
本発明者らは、鉄道車輪の耐摩耗性を高める方法について検討を行った。その結果、本発明者らは次の知見を得た。
【００２２】
［Ｃ含有量増加による耐摩耗性の向上］
図２は、西原式摩耗試験の結果に基づく、鉄道車輪のビッカース硬さと鉄道車輪の摩耗量との関係を示す図である。図２は次の実験により得られた。表１に示す化学組成を有するインゴットから、直径４０ｍｍの丸棒を製造した。
【００２３】
【表１】
0006485604.tif 000002
【００２４】
丸棒から、直径３２ｍｍ、幅１０ｍｍの円環状の粗試験片（鉄道車輪の中間品に相当）を作製した。
【００２５】
粗試験片に対して、鉄道車輪における踏面焼入れを模擬した焼入れを実施した。具体的には、各鋼番号の粗試験片に対して、９５０℃の熱処理温度で２０分間均熱した。均熱後、微細なパーライト組織を形成させるため、粗試験片を炉から取り出し、５５０℃のソルトバスに浸漬した。ソルトバスへの浸漬時間は７分間であった。粗試験片をソルトバスに浸漬してから７分経過したとき、粗試験片をソフトバスから取り出して、粗試験片を常温（２５℃）まで放冷した。車輪製造時の焼戻しを模擬するため、放冷後の各粗試験片を４５０℃の熱処理温度で３時間保持した。粗試験片を４５０℃の熱処理温度で３時間保持した後、粗試験片を常温（２５℃）まで放冷した。
【００２６】
放冷後の粗試験片の外周面を切削加工して、図３に示す円筒状の車輪試験片１００（鉄道車輪に相当）を作製した。車輪試験片１００の直径Ｄ１００は２９．３９ｍｍであり、幅Ｗ１００は８ｍｍであった。
【００２７】
さらに、表２に示す鋼番号２９をレール材として準備した。
【００２８】
【表２】
0006485604.tif 000003
【００２９】
鋼番号２９のレール材から図３に示す円環状のレール試験片２００を作製した。レール試験片２００の直径Ｄ２００は３０．０ｍｍであり、幅Ｗ２００は５ｍｍであった。
【００３０】
車輪試験片１００の外周面から中心軸に向かって深さ２〜３ｍｍの位置での金属組織を、光学顕微鏡を用いて５００倍で観察した。同様に、レール試験片２００の外周面から中心軸に向かって深さ２〜３ｍｍの位置の金属組織を、光学顕微鏡により５００倍で観察した。組織観察の結果、鋼番号１〜４、２１〜２８の車輪試験片１００の組織はいずれもパーライト単相であり、レール試験片２００の組織もパーライト単相であった。
【００３１】
また、車輪試験片１００において、組織観察と同じ位置、すなわち外周面から中心軸に向かって深さ２〜３ｍｍの位置において、ＪＩＳ  Ｚ２２４４（２００９）に準拠したビッカース硬さ試験を実施した。試験力はいずれも２．９４２１Ｎとした。同様に、レール試験片２００において、組織観察と同じ位置、すなわち外周面から中心軸に向かって深さ２〜３ｍｍの位置において、ＪＩＳ  Ｚ２２４４（２００９）に準拠したビッカース硬さ試験を実施した。試験力は２．９４２１Ｎとした。その結果、レール試験片２００のビッカース硬さ（ＨＶ）は４３０であった。
【００３２】
車輪試験片１００の外周面の幅中央とレール試験片２００の外周面の幅中央とを接触させ、９００ＭＰａの力で互いに押し当てながら、車輪試験片１００及びレール試験片２００を互いに回転して摩耗試験を実施した。車輪試験片１００の回転速度は８００ｒｐｍとし、レール試験片２００の回転速度は７７５ｒｐｍとした。したがって、車輪試験片１００とレール試験片２００とのすべり率は１．１％であった。車輪試験片１００が５００，０００回転した後、試験後の車輪試験片１００の質量（ｇ）を求めた。そして、試験前に予め測量しておいた試験前の車輪試験片１００の質量（ｇ）と、試験後の車輪試験片１００の質量（ｇ）との差を求め、この質量差を５０で除した値を、車輪の摩耗量（ｇ／１０，０００ｒｅｖ．）と定義した。なお、車輪試験片１００は各鋼番号で４個用意し、これらを用いて同一の試験を各鋼番号につき４回実施した。４回の試験で得られた車輪試験片１００の摩耗量の平均値を各鋼番号の鉄道車輪の摩耗量として算出した。各鋼番号において得られた車輪試験片１００のビッカース硬さ及び摩耗量を用いて、図２を作成した。
【００３３】
図２中の「◇」印は、Ｓｉ含有量を０．３％程度でほぼ一定とし、Ｃ含有量を０．８〜１．１％まで変化させたＶ非含有の鋼群（以下、「Ｖ非含有過共析鋼群」という）を用いた試験結果である。「○」印は、Ｃ含有量を０．７５〜０．７９％の範囲内とし、Ｓｉ含有量を０．３％程度でほぼ一定とし、かつ、Ｖ含有量を０〜０．１％程度まで変化させた鋼群（以下、「Ｖ含有量変更低Ｓｉ共析鋼群」という）を用いた試験結果である。「△」印は、Ｃ含有量を０．７５〜０．７９％の範囲内とし、Ｓｉ含有量を０．８％程度でほぼ一定とし、Ｖ含有量を０〜０．１％程度まで変化させた鋼群（以下、「Ｖ含有量変更高Ｓｉ共析鋼群」という）を用いた試験結果である。図２中の各印横の数字は、表１の鋼番号を示す。
【００３４】
図２を参照して、Ｖ含有量変更低Ｓｉ共析鋼群（「○」印）では、Ｖ含有量が高まるに従い、車輪のビッカース硬さが増大した。具体的には、Ｖ非含有（鋼２１）、Ｖ含有量が、０．０２８％（鋼２２）、０．０５８％（鋼２３）、０．０９７％（鋼２４）と増加するに従い、ビッカース硬さが増大した。しかしながら、ビッカース硬さは３５０ＨＶ程度にとどまり、摩耗量も０．０１５ｇ／１００００ｒｅｖ．程度までしか低下しなかった。一方、Ｖ含有量変更高Ｓｉ共析鋼群（「△」印）では、Ｖ非含有（鋼２５）、Ｖ含有量が、０．０２８％（鋼２６）、０．０５８％（鋼２７）、０．０９６％（鋼２８）と増加するに従い、車輪のビッカース硬さは３８０ＨＶ程度まで上昇した。しかしながら、ビッカース硬さが高まっても、車輪摩耗量は０．０１５ｇ／１００００ｒｅｖ．程度で一定となり、これ以上の減少はみられなかった。
【００３５】
これに対して、Ｖ非含有過共析鋼群（「◇」印）では、Ｃ含有量が０．８４％（鋼１）、０．９３％（鋼２）、１．００％（鋼３）、１．０９％（鋼４）と増加するに従い、ビッカース硬さが増加した。さらに、ビッカース硬さの増加に伴い、摩耗量が０．０１０ｇ／１００００ｒｅｖ．程度まで減少した。
【００３６】
以上の結果から、鉄道車輪用鋼においては、同じ硬さを得るにしても、Ｖ含有量を高めて硬さを高めるよりも、Ｃ含有量を高めて硬さを高めた方が、鉄道車輪として使用したときの耐摩耗性が高まる。この理由は定かではないが、次の事項が考えられる。使用中の鉄道車輪の踏面は、レールから外力（荷重）を受ける。この外力により踏面直下の表層のパーライト中のセメンタイトが破砕され、分散強化により硬さが高まる。さらに、破砕された微細なセメンタイト中の炭素がパーライト中のフェライトに過飽和に固溶し、固溶強化により踏面直下の表層の硬さを高める。
【００３７】
鋼のＣ含有量を高めれば、パーライト中のセメンタイトの体積分率が増大する。またパーライトがより微細なラメラを形成しやすい。この場合、上記メカニズムにより鉄道車輪の耐摩耗性が高まる。これに対して、Ｖを含有した場合、Ｖ炭窒化物の析出強化により鋼の硬さを高める。このとき、Ｖ炭窒化物はフェライト中に生成するため、主としてフェライトの硬さを高める。つまり、Ｖの含有は、パーライトの微細化にはそれほど影響しない。そのため、Ｖ含有によりある程度耐摩耗性を高めることはできるものの、破砕セメンタイトによる分散強化及びＣの固溶強化ほど、耐摩耗性を高めることができない。
【００３８】
したがって、鉄道車輪用鋼において、同じ硬さを得るにしても、Ｃ含有量を増加した方が、Ｖを含有するよりも、耐摩耗性を高めることができる。
【００３９】
以上の検討結果に基づいて、本発明者らは、耐摩耗性を高めるためには、鉄道車輪の化学組成を、質量％で、Ｃ：０．８０〜１．１５％、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．２５％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．０２５〜０．６５０％、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、Ｃｒ：０〜０．６０％、及び、Ｖ：０〜０．１２％、を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる過共析鋼とするのが好ましいと考えた。
【００４０】
［初析セメンタイト生成の抑制］
上述のとおり、鉄道車輪は、鉄道車輪の中間品に対して熱処理（踏面焼入れ）を実施して製造される。耐摩耗性は、鉄道車輪においてレールと接触し得る、踏面及びフランジに要求される。したがって、従来の鉄道車輪の製造工程中の中間品に対する熱処理においては、踏面直下の表層及びフランジの表層に微細なパーライト組織を形成するために、鉄道車輪の中間品のリム部の踏面及びフランジに対して冷却媒体（水、又は水と空気の混合流体）を噴き付けて、踏面及びフランジを急冷していた。一方、従来の熱処理では、鉄道車輪の踏面及びフランジ表面以外の表面（ボス部の表面、板部の表面及びリム部の側面）に対しては、冷却媒体を吹き付けず、放冷を実施していた。上述のとおり、耐摩耗性が要求されるのはリム部の踏面及びフランジ表面であり、鉄道車輪のうちの踏面及びフランジ表面以外の表面（ボス部表面、板部表面及びリム部の側面）には耐摩耗性が要求されないからである。
【００４１】
従来の鉄道車輪のようにＣ含有量が低い亜共析鋼及び共析鋼であれば、初析セメンタイトは生成しにくい。しかしながら、上記化学組成のように、Ｃ含有量が０．８０％以上の過共析鋼の場合、従来の製造方法により鉄道車輪を製造すれば、鉄道車輪内部に初析セメンタイトが生成する場合があり、特に、踏面焼入れにおいて従来放冷していた、ボス部及び板部において、初析セメンタイトが生成しやすいことが本発明者らの調査で初めて判明した。初析セメンタイトは靱性を低下する。そのため、Ｃ含有量が０．８０％以上の過共析鋼からなる鉄道車輪では、リム部だけでなく、ボス部及び板部においても、初析セメンタイトの生成を抑える方が好ましい。
【００４２】
さらに、熱処理時において鉄道車輪の中間品の表層に生成する焼入れ層も、切削加工により除去せずにそのまま鉄道車輪に残した場合、鉄道車輪の靭性を低下する。そのため、切削加工により焼入れ層が除去される踏面及びフランジ表面を除く他の表面（ボス部表面、板部表面及びリム部側面）においては、初析セメンタイトの生成を抑えた上で、焼入れ層の生成も抑制できた方が好ましい。
【００４３】
そこで、本発明者らは、鉄道車輪の製造工程において、踏面及びフランジを含むリム部だけでなく、板部及びボス部においても、初析セメンタイトを抑制する方法について調査及び検討した。その結果、本発明者らは次の知見を得た。
【００４４】
図４〜図９は、鉄道車輪の製造工程中の熱処理を想定した熱処理試験の結果に基づく、鋼中の各元素の含有量（図４：Ｃ含有量、図５：Ｓｉ含有量、図６：Ｍｎ含有量、図７：Ｃｒ含有量、図８：Ａｌ含有量、図９：Ｖ含有量）と、８００〜５００℃での平均冷却速度（℃／秒）と、焼入れ層及び初析セメンタイトとの関係を示す図である。
【００４５】
図４は、Ｃ含有量を変動させた複数のサンプル（後述する表３中の鋼番号１、２、３、４）を用いて、後述するジョミニ式一端焼入れ試験で得られた結果に基づいて作成したものである。図５は、Ｓｉ含有量を変動させた複数のサンプル（後述する表３中の鋼番号５、３、６）を用いて、ジョミニ式一端焼入れ試験で得られた結果に基づいて作成したものである。図６は、Ｍｎ含有量を変動させた複数のサンプル（後述する表３中の鋼番号７、３、８）を用いて、ジョミニ式一端焼入れ試験で得られた結果に基づいて作成したものである。図７は、Ｃｒ含有量を変動させた複数のサンプル（後述する表３中の鋼番号３、９、１０、１１）を用いて、ジョミニ式一端焼入れ試験で得られた結果に基づいて作成したものである。図８は、Ａｌ含有量を変動させた複数のサンプル（後述する表３中の鋼番号３、１２、１３、１４、１５、１６）を用いて、ジョミニ式一端焼入れ試験で得られた結果に基づいて作成したものである。図９は、Ｖ含有量を変動させた複数のサンプル（後述する表３中の鋼番号３、１７、１８）を用いて、ジョミニ式一端焼入れ試験で得られた結果に基づいて作成したものである。
【００４６】
図４〜図９中の「●」印は、焼入れ層（マルテンサイト及び／又はベイナイト）が生成したことを意味する。「○」印は、焼入れ層が生成しておらず、ミクロ組織が実質的にパーライトからなり、ミクロ組織中の初析セメンタイト量が１．０本／１００μｍ以下であり、初析セメンタイトが実質的に存在していなかったことを意味する。「×」印は、ミクロ組織中に焼入れ層が生成しておらず、ミクロ組織が実質的にパーライトからなるものの、初析セメンタイト量が１．０本／１００μｍを超え、ミクロ組織中に初析セメンタイトが生成していたことを意味する。ここで、「ミクロ組織が実質的にパーライトからなる」とは、ミクロ組織中におけるパーライトの面積率が９５％以上であることを意味する。また、初析セメンタイト量（本／１００μｍ）の測定方法については後述する。
【００４７】
図４を参照して、冷却速度が速すぎる場合、焼入れ層が生成することが確認された。ここで、本明細書において、組織中にパーライトが生成し、かつ、焼入れ層が生成しない最大の冷却速度（図４中の「●」印と「○」印の境界の冷却速度）を、パーライト臨界冷却速度と定義する。図４〜図９において、パーライト臨界冷却速度を破線で示す。図４を参照して、Ｃ含有量の増加に伴い、パーライト臨界冷却速度は低下している。図５を参照して、Ｓｉ含有量の増加に伴い、パーライト臨界冷却速度は低下している。図６を参照して、Ｍｎ含有量の増加に伴い、パーライト臨界冷却速度は低下している。図７を参照して、Ｃｒ含有量の増加に伴い、パーライト臨界冷却速度は低下している。図８を参照して、Ａｌ含有量の増加に伴い、パーライト臨界冷却速度は低下している。図９を参照して、Ｖ含有量の増加に伴い、パーライト臨界冷却速度は低下している。つまり、図４〜図９を参照して、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ａｌ、及びＶは、いずれもパーライト臨界冷却速度を低下する作用を有する。
【００４８】
一方、冷却速度が遅すぎる場合、組織中に初析セメンタイトが生成する場合がある。図４を参照して、Ｃ含有量が増加すれば、冷却速度が速くても、初析セメンタイトが生成する。
【００４９】
ここで、初析セメンタイト量が１．０本／１００μｍを超えて生成する最大の冷却速度（図中の「○」印と「×」印との境界の冷却速度）を、初析セメンタイト臨界冷却速度と定義する。初析セメンタイト臨界冷却速度を、図４〜図９に実線で示す。
【００５０】
図４において、Ｃ含有量が増加するほど、初析セメンタイト臨界冷却速度が上昇する。同様に、図５において、ＳｉもＣほど顕著ではないが、Ｓｉ含有量が増加するほど、初析セメンタイト臨界冷却速度が上昇する。図７において、ＣｒもＣほど顕著ではないが、Ｃｒ含有量が増加するほど、初析セメンタイト臨界冷却速度が上昇する。また、図６及び図９を参照して、Ｍｎ含有量又はＶ含有量が増加しても、初析セメンタイト臨界冷却速度はあまり変化しない。一方、図８を参照して、Ａｌ含有量が増加すれば、初析セメンタイト臨界冷却速度は顕著に低下する。
【００５１】
したがって、初析セメンタイト臨界冷却速度には、Ｃが初析セメンタイト臨界冷却速度を高める作用を有し、Ａｌが初析セメンタイト臨界冷却速度を低下する作用を有する。
【００５２】
以上の結果に基づいて、本発明者らは、パーライト臨界冷却速度、初析セメンタイト臨界冷却速度と、Ｃ含有量、Ｓｉ含有量、Ｍｎ含有量、Ｃｒ含有量、Ａｌ含有量、及び、Ｖ含有量との関係についてさらに検討した。その結果、上述の化学組成を有する過共析鋼からなる鉄道車輪を製造する場合、製造工程中のＡｃｍ変態点以上での熱処理後の鉄道車輪の中間品の冷却において、８００〜５００℃での冷却速度（℃／秒）を、パーライト臨界冷却速度の指標であり式（１）で定義されるＦｎ１以下とすれば、焼入れ層の生成を抑制できることを見出した。また、初析セメンタイト臨界冷却速度の指標であり式（２）で定義されるＦｎ２以上とすれば、初析セメンタイトの生成を抑制できることを見出した。
Ｆｎ１＝−５．０＋ｅｘｐ（５．６５１−１．４２７×Ｃ−１．２８０×Ｓｉ−０．７７２３×Ｍｎ−１．８１５×Ｃｒ−１．５１９×Ａｌ−７．７９８×Ｖ）・・・（１）
Ｆｎ２＝０．５１５＋ｅｘｐ（−２４．８１６＋２４．１２１×Ｃ＋１．２１０×Ｓｉ＋０．５２９×Ｍｎ＋２．４５８×Ｃｒ−１５．１１６×Ａｌ−５．１１６×Ｖ）・・・（２）
ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。なお、８００〜５００℃は、パーライト及び初析セメンタイトが生成する温度域である。
【００５３】
以上の知見に基づいて完成した本実施形態による鉄道車輪の製造方法は、加熱工程と、冷却工程とを備える。加熱工程では、質量％で、Ｃ：０．８０〜１．１５％、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．２５％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．０２５〜０．６５０％、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、Ｃｒ：０〜０．６０％、及び、Ｖ：０〜０．１２％、を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、ボス部と、踏面及びフランジを含むリム部と、ボス部とリム部との間に配置される板部とを備える鉄道車輪の中間品を、Ａｃｍ変態点以上に加熱する。冷却工程では、中間品を冷却する。冷却工程では、鉄道車輪の中間品の踏面及びフランジ表面以外の表面の８００〜５００℃における冷却速度が式（１）で定義されるＦｎ１℃／秒以下であり、鉄道車輪の中間品において冷却速度が最も遅くなる領域での８００〜５００℃における冷却速度が式（２）で定義されるＦｎ２℃／秒以上であり、鉄道車輪の中間品のうち、踏面及びフランジ表面での８００〜５００℃における冷却速度がＦｎ２℃／秒以上となるように、中間品を冷却する。
Ｆｎ１＝−５．０＋ｅｘｐ（５．６５１−１．４２７×Ｃ−１．２８０×Ｓｉ−０．７７２３×Ｍｎ−１．８１５×Ｃｒ−１．５１９×Ａｌ−７．７９８×Ｖ）・・・（１）
Ｆｎ２＝０．５１５＋ｅｘｐ（−２４．８１６＋２４．１２１×Ｃ＋１．２１０×Ｓｉ＋０．５２９×Ｍｎ＋２．４５８×Ｃｒ−１５．１１６×Ａｌ−５．１１６×Ｖ）・・・（２）
ここで、上記の式（１）及び式（２）における各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
【００５４】
上記冷却工程ではさらに、前記踏面及びフランジ表面での８００〜５００℃における冷却速度がＦｎ２℃／秒以上かつ５℃／秒以上であり、２００℃／秒以下となるように、前記中間品を冷却してもよい。
【００５５】
上記鉄道車輪の中間品の化学組成は、Ｃｒ：０．０２〜０．６０％、及び、Ｖ：０．０２〜０．１２％、からなる群から選択される１種以上を含有してもよい。
【００５６】
本実施形態による鉄道車輪は、質量％で、Ｃ：０．８０〜１．１５％、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．１０〜１．２５％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ａｌ：０．０２５〜０．６５０％、Ｎ：０．００３０〜０．０２００％、Ｃｒ：０〜０．６０％、及び、Ｖ：０〜０．１２％、を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、ボス部と、踏面及びフランジを含むリム部と、ボス部とリム部との間に配置される板部とを備える。ボス部のミクロ組織において、パーライトの面積率は９５％以上であり、式（Ａ）で定義される初析セメンタイト量は１．０本／１００μｍ以下である。板部のミクロ組織において、パーライトの面積率は９５％以上であり、式（Ａ）で定義される初析セメンタイト量は１．０本／１００μｍ以下である。リム部のミクロ組織において、パーライトの面積率は９５％以上であり、式（Ａ）で定義される初析セメンライト量は１．０本／１００μｍ以下である。
初析セメンタイト量（本／１００μｍ）＝２００μｍ×２００μｍの正方形視野の２本の対角線と交差する初析セメンタイトの本数の総和／（５．６６×１００μｍ）  （Ａ）
【００５７】
上記鉄道車輪の中間品の化学組成は、Ｃｒ：０．０２〜０．６０％、及び、Ｖ：０．０２〜０．１２％、からなる群から選択される１種以上を含有してもよい。
【００５８】
以下、本実施形態の鉄道車輪の製造方法及び鉄道車輪について詳述する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。
【００５９】
［鉄道車輪の化学組成］
本実施形態の鉄道車輪はたとえば、図１に示すとおり、ボス部２と、板部３と、踏面４１及びフランジ４２を含むリム部４を備えた形状を有する。本実施形態の鉄道車輪の化学組成は、次の元素を含有する。
【００６０】
Ｃ：０．８０〜１．１５％
炭素（Ｃ）は、鋼の硬度を高め、耐摩耗性を高める。Ｃ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、旧オーステナイト粒界に初析セメンタイトが析出し、鋼の延性、靭性及び疲労寿命が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．８０〜１．１５％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．８５％であり、さらに好ましくは０．８６％であり、さらに好ましくは０．８７％であり、さらに好ましくは０．９０％である。Ｃ含有量の好ましい上限は１．０５％であり、さらに好ましくは１．００％である。
【００６１】
Ｓｉ：１．００％以下
シリコン（Ｓｉ）は、不可避に含有される。つまり、Ｓｉ含有量は０％超である。Ｓｉは、フェライトを固溶強化して鋼の硬度を高める。しかしながら、Ｓｉ含有量が高すぎれば、初析セメンタイトが生成しやすくなる。Ｓｉ含有量が高すぎればさらに、鋼の焼入れ性が高くなりすぎ、マルテンサイトが生成しやすくなる。さらに、鉄道車輪として使用中に、ブレーキとの間に発生する摩擦熱により焼きが入り、鋼の耐き裂性が低下する場合がある。したがって、Ｓｉ含有量は１．００％以下である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．８０％であり、さらに好ましくは０．６５％であり、さらに好ましくは０．４５％であり、さらに好ましくは０．３５％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．２０％である。
【００６２】
Ｍｎ：０．１０〜１．２５％
マンガン（Ｍｎ）はフェライトを固溶強化して鋼の硬度を高める。Ｍｎはさらに、ＭｎＳを形成し、鋼の被削性を高める。Ｍｎ含有量が低すぎれば、これらの効果は得られない。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、鋼の焼入れ性が高くなりすぎ、マルテンサイトが生成しやすくなる。さらに、鉄道車輪として使用中に、ブレーキとの間に発生する摩擦熱により焼きが入り、鋼の耐き裂性が低下する場合がある。したがって、Ｍｎ含有量は０．１０〜１．２５％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．５０％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．７０％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は１．００％であり、さらに好ましくは０．８２％である。
【００６３】
Ｐ：０．０５０％以下
りん（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靭性を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０５０％以下である。Ｐ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含有量を過剰に低減しようとすれば、精錬コストが過剰に高くなる。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、Ｐ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。
【００６４】
Ｓ：０．０３０％以下
硫黄（Ｓ）は不可避に含有される。つまり、Ｓ含有量は０％超である。Ｓを積極的に含有させる場合、ＳはＭｎＳを形成して鋼の被削性を高める。しかしながら、Ｓは鋼の靱性を低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０３０％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０２０％である。被削性向上の効果を得る場合の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０．００５％である。
【００６５】
Ａｌ：０．０２５〜０．６５０％
アルミニウム（Ａｌ）は、Ｃ含有量が０．８０％以上の本実施形態の鉄道車輪の化学組成において、初析セメンタイトの生成を抑制し、鋼の靱性を高める。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。結晶粒が微細化することにより、鋼の靭性が高まる。Ａｌ含有量が低すぎればこれらの効果が得られない。一方、Ａｌ含有量が高すぎれば、粗大な非金属介在物が増加して、鋼の靭性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．０２５〜０．６５０％である。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．４５０％であり、さらに好ましくは０．３５０％であり、さらに好ましくは０．２５０％であり、さらに好ましくは０．１１５％である。本明細書でいうＡｌ含有量は、酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）の含有量を意味する。
【００６６】
Ｎ：０．００３０〜０．０２００％
窒素（Ｎ）は、Ａｌと結合してＡｌＮを形成し、結晶粒を微細化する。結晶粒が微細化することにより、鋼の靭性を高める。Ｎ含有量が低すぎればこの効果が得られない。一方、Ｎ含有量が高すぎれば、その効果が飽和する。したがって、Ｎ含有量は０．００３０〜０．０２００％である。Ｎ含有量の好ましい下限は、０．００３５％であり、さらに好ましくは０．００４０％である。Ｎ含有量の好ましい上限は、０．０１００％であり、さらに好ましくは０．００８０％である。
【００６７】
本実施形態による鉄道車輪の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、上記鉄道車輪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、本実施形態の鉄道車輪に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００６８】
本実施形態による鉄道車輪の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｒ及びＶからなる群から選択される１種以上を含有してもよい。
【００６９】
Ｃｒ：０〜０．６０％
クロム（Ｃｒ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃｒ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃｒは、パーライトのラメラ間隔を減少させることにより、パーライトの硬度を顕著に増大させる。しかしながら、Ｃｒ含有量が高すぎれば、初析セメンタイトが生成しやすくなる。Ｃｒ含有量が高すぎればさらに、焼入れ性が高くなり、マルテンサイトが生成しやすくなる。したがって、Ｃｒ含有量は０〜０．６０％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は０．３０％であり、好ましくは０．２５％であり、さらに好ましくは０．１０％である。パーライトのラメラ間隔減少の効果を得る場合のＣｒ含有量の好ましい下限は０．０２％である。
【００７０】
Ｖ：０〜０．１２％
バナジウム（Ｖ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｖ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｖは、炭化物、窒化物、及び炭窒化物のいずれかを形成して、鋼を析出強化する。その結果、鉄道車輪の硬さが顕著に増大して、耐摩耗性をさらに高める。しかしながら、Ｖ含有量が高すぎれば、焼入れ性が高くなり、踏面焼入れ後の焼入れ層の厚さが過剰に増大する。したがって、Ｖ含有量は０〜０．１２％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．０９％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。
【００７１】
［鉄道車輪の製造方法］
上述の鉄道車輪の製造方法を説明する。本実施形態による鉄道車輪の製造方法は、熱処理工程を含む。熱処理工程は、加熱工程と、冷却工程とを備える。
【００７２】
［加熱工程］
加熱工程では、初めに上述の化学組成を有し、ボス部、板部及びリム部を備える鉄道車輪の粗形状を有する中間品を準備する。中間品はたとえば、次の方法で製造される。
【００７３】
電気炉又は転炉等を用いて、上述の化学組成を有する溶鋼を製造する。溶鋼を用いて素材を製造する。たとえば、連続鋳造法により、鋳片を製造する。又は、造塊法により、インゴットを製造する。鋳片又はインゴットに対して、分塊圧延又は熱間鍛造を実施して、素材としてのビレットを製造する。素材は連続鋳造法により製造された鋳片であってもよい。素材の形状は円柱状が好ましい。
【００７４】
準備された素材を用いて、上述の中間品を成形する。素材を長手方向に対し垂直の方向に切断する。切断面に対して垂直方向に熱間加工し、円盤状の形状に成形する。さらに、熱間加工で、車輪の粗形状となるように鉄道用車輪の中間品を成形する。熱間加工ではたとえば、熱間鍛造を実施し、その後、必要に応じて熱間圧延（車輪圧延）を実施する。以上の工程により、中間品を製造する。
【００７５】
製造された中間品を加熱する。具体的には、中間品をＡｃｍ変態点（℃）以上に加熱する。たとえば、中間品を加熱炉に装入し、Ａｃｍ変態点以上の温度（焼入れ温度）で加熱する。昇温速度及び焼入れ温度での保持時間は、周知の条件で足りる。Ａｃｍ変態点は鋼の化学組成によって変わるが、焼入れ温度はたとえば８５０〜１０００℃である。
【００７６】
［冷却工程］
加熱された中間品に対して、冷却工程を実施する。この冷却工程により、鉄道車輪の中間品のうち踏面直下の表層及びフランジの表層のミクロ組織を、耐摩耗性が高い微細パーライト組織とする。踏面直下の表層及びフランジの表層においては、微細パーライトの上層に焼入れ層（マルテンサイト及び／又はベイナイトからなる層）が多少生成しても構わない。この場合には、その後の工程で切削加工を行い焼入れ層を除去する。一方、中間品のうち踏面及びフランジ表面以外の表面では、ミクロ組織中に焼入れ層が生成するのを抑制する。そして、ミクロ組織を実質的にパーライト組織（パーライトが面積率で９５％以上）とする。ここで、中間品のうち、踏面及びフランジ表面以外の表面とは、板部の表面、ボス部の表面、及び、リム部の踏面及びフランジ表面以外の表面を意味する。中間品のうち踏面及びフランジ表面以外の表面において、焼入れ層が生成するのを抑制するのは、中間品のうち、踏面及びフランジ表面以外の表面においては、生成した焼入れ層を切削加工することが困難なためである。
【００７７】
さらに、中間品のいずれの領域においても、初析セメンタイトの生成を抑制する。つまり、上述の過共析鋼である化学組成を有する鉄道車輪の中間品において、リム部だけでなく、板部及びボス部においても、初析セメンタイトの生成を抑制する。踏面及びフランジ以外のリム部、板部及びボス部の全てのミクロ組織中に焼入れ層が生成するのを抑制し、かつ初析セメンタイトの生成を抑制することにより、上述の過共析鋼である化学組成を有する鉄道車輪であっても、靭性の低下を抑制することができる。
【００７８】
具体的には、上述の焼入れ温度の中間品を、次の（Ａ）〜（Ｃ）の全てを満たすように、冷却を実施する。
（Ａ）中間品のうち踏面及びフランジ表面以外の表面、すなわちボス部表面、板部表面及びリム部側面（踏面及びフランジ表面以外のリム部表面）の８００〜５００℃における冷却速度がＦｎ１℃／秒以下となるように、中間品を冷却する。
（Ｂ）中間品のうち、８００〜５００℃における冷却速度が最も遅くなる領域、すなわち、ボス部内部、板部内部及びリム部内部において冷却速度が最も遅くなる領域（以下、最遅領域という）での冷却速度がＦｎ２℃／秒以上となるように、中間品を冷却する。
（Ｃ）中間品のうち踏面及びフランジ表面の８００〜５００℃における冷却速度がＦｎ２℃／秒以上となるように、中間品を冷却する。
【００７９】
踏面及びフランジ表面において、冷却速度がＦｎ２℃／秒未満であれば、リム部のうち、踏面及びフランジ表面近傍部分において、初析セメンタイトが析出する。したがって、踏面及びフランジ表面において、冷却速度をＦｎ２℃／秒以上とする。
【００８０】
なお、踏面及びフランジ表面の冷却速度の上限は特に限定されない。しかしながら、踏面及びフランジ表面での冷却速度が速すぎれば、生成する焼入れ層の厚さが増大し、切削加工工程において、除去しなければならない範囲が増大する。したがって、踏面及びフランジ表面の冷却速度の好ましい上限は２００℃／秒である。また、踏面及びフランジ面の冷却速度は、好ましくはＦｎ２℃／秒以上であり、かつ、５℃／秒以上である。この場合、踏面直下の表層及びフランジの表層のパーライト組織がさらに微細になり、さらに優れた耐摩耗性が得られる。
【００８１】
ここで、「８００〜５００℃における冷却速度」と規定しているのは、この温度域が、パーライト変態が起こる温度域であり、かつ、初析セメンタイトが生成する温度域であるためである。「８００〜５００℃における冷却速度」とは、鉄道車輪の中間品の各領域における８００〜５００℃での平均冷却速度（℃／秒）を意味する。
【００８２】
中間品の表面及び内部での冷却速度は、中間品（つまり、鉄道車輪）の形状、及び、冷却方法により異なる。冷却時における中間品の表面の温度変化（つまり、各部での冷却速度）は、サーモグラフィに代表される熱分布測定器を用いることにより、特定可能である。したがって、最遅領域の冷却速度も、熱分布測定器により、特定可能である。
【００８３】
たとえば、中間品の各部位（領域）の温度変化を次の方法で特定する。図１０は、冷却工程で用いられる冷却装置１０の側面図である。図１０を参照して、冷却装置１０は、回転軸を有する回転装置１１と、複数の冷却ノズル１２〜１４とを備える。複数の冷却ノズル１２〜１４は、１又は複数の踏面冷却ノズル１４と、１又は複数の板部冷却ノズル１３と、１又は複数のボス部冷却ノズル１２とを含む。１又は複数の踏面冷却ノズル１４は、従来と同様に、回転軸の周りに配置される。踏面冷却ノズル１４のノズル口は、中間品の踏面４１に対向して配置される。踏面冷却ノズル１４のノズル口は、中間品のフランジ４２の表面に対向して配置しても構わない。１又は複数の板部冷却ノズル１３は、ノズル口が板部３の表面に対向するように配置される。１又は複数のボス部冷却ノズル１２は、ノズル口がボス部２の表面に対向するように配置される。
【００８４】
踏面冷却ノズル１４は、ノズル口から冷却媒体を噴射して、主としてリム部４の踏面４１及びフランジ４２の表面を冷却する。板部冷却ノズル１３は、ノズル口から冷却媒体を噴射して、主として板部３を冷却する。ボス部冷却ノズル１２は、ノズル口から冷却媒体を噴射して、主としてボス部２を冷却する。踏面冷却ノズル１４が、リム部４の踏面４１及びフランジ４２の表面を冷却するだけでなく、板部３の少なくとも一部を冷却してもよい。板部冷却ノズル１３が、板部３を冷却するだけでなく、リム部４の少なくとも一部及び／又はボス部２の少なくとも一部を冷却してもよい。ボス部冷却ノズル１２が、ボス部２を冷却するだけでなく、板部３の少なくとも一部を冷却してもよい。図１０での踏面冷却ノズル１４、板部冷却ノズル１３及びボス部冷却ノズル１２の配置及び数は一例であり、これに限定されない。冷却装置の複数の冷却ノズルは、冷却工程において、上記（Ａ）〜（Ｃ）を満たす冷却が可能であれば、その構成は特に限定されない。
【００８５】
上記冷却媒体は、所望の組織に適した冷却速度が得られるものであれば、特に限定されない。冷却媒体はたとえば、水、空気（エアー）、ミスト、汽水（スプレー）等である。
【００８６】
冷却装置１０はさらに、１又は複数のサーモグラフィ（赤外線熱分布測定器）２０を備える。サーモグラフィ２０は、鉄道車輪の中間品を冷却装置１０に装着した状態での、中間品の上面温度、下面温度、側面温度及び中間品の内部温度を測定可能となるように、配置される。図１０でのサーモグラフィ２０の配置及び数は一例であり、これに限定されない。図１０では、複数のサーモグラフィ２０は、踏面４１、フランジ４２の表面、リム部４の表面のうち踏面４１及びフランジ４２の表面以外の表面（たとえば、リム部４の側面）、板部３の表面、及びボス部２の表面の温度分布が測定可能となるように配置されている。
【００８７】
たとえば、Ａｃｍ変態点以上に加熱されたサンプル中間品（実際に製品となる鉄道車輪の中間品と同じ形状、同じ組成を有し、温度測定を目的としたサンプル品）を冷却装置１０に配置する。回転装置１１によりサンプル中間品を回転させながら、各冷却ノズル１２〜１４から冷却媒体を噴射して、冷却を開始する。冷却中、複数のサーモグラフィ２０により、サンプル中間品の温度分布の変化を測定する。
【００８８】
複数のサーモグラフィ２０は図示しない温度分布解析装置に接続されている。温度分布解析装置はたとえば、コンピュータと、コンピュータ内のメモリに格納された温度分布解析プログラムとを含む。温度分布解析プログラムがＣＰＵで実行されることにより、温度分布解析装置は、サンプル中間品の各領域（サンプル中間品の内部領域も含む）の単位時間当たりの温度変化を三次元的に解析する。温度分布解析装置はたとえば、三次元ＦＥＭ（有限要素法）を用いた周知の熱伝導解析プログラムを用いて、周知の方法で解析できる。
【００８９】
サンプル中間品を常温まで冷却（急冷）して、サンプル中間品の各領域の温度変化を特定する。そして、温度変化の結果に基づいて、サンプル中間品のうち、８００〜５００℃における冷却速度が最も遅い領域（最遅領域）を特定する。
【００９０】
サーモグラフィ２０により測定されたサンプル中間品の領域うち、踏面４１及びフランジ４２の表面以外の表面、すなわちボス部２の表面、板部３の表面、及び、リム部４の踏面４１及びフランジ４２以外の表面の８００〜５００℃における冷却速度がＦｎ１℃／秒以下となり、三次元的解析によりサンプル中間品において特定された最遅領域での８００〜５００℃における冷却速度がＦｎ２℃／秒以上となり、サーモグラフィ２０により測定されたサンプル中間品のうち踏面４１及びフランジ４２表面の８００〜５００℃における冷却速度がＦｎ２℃／秒以上となるように、冷却装置１０でサンプル中間品の冷却速度を調整する。具体的には、踏面冷却ノズル１４、板部冷却ノズル１３、及び、ボス部冷却ノズル１２の各々の冷却媒体の流量を調整したり、冷却装置１０に配置されている複数の踏面冷却ノズル１４、板部冷却ノズル１３、及び、ボス部冷却ノズル１２のうち、使用する冷却ノズルを選択したりして、冷却速度を調整する。調整後、サンプル中間品に代えて、Ａｃｍ変態点以上に加熱された製品用の中間品に対して、冷却装置１０を用いて冷却を実施する。好ましくは、踏面４１及びフランジ４２の表面以外の表面の８００〜５００℃における冷却速度がＦｎ１℃／秒以下となり、三次元的解析によりサンプル中間品において特定された最遅領域での８００〜５００℃における冷却速度がＦｎ２℃／秒以上となり、サーモグラフィ２０により測定されたサンプル中間品のうち踏面４１及びフランジ４２表面の８００〜５００℃における冷却速度がＦｎ２℃／秒以上かつ５℃／秒以上であり、２００℃／秒以下となるように、冷却装置１０でサンプル中間品の冷却速度を調整する。
【００９１】
冷却工程において、中間品の踏面４１及びフランジ４２の表面の冷却速度を５℃／秒以上とすることにより、踏面４１の直下の表層部分及びフランジ４２の表層部分では、微細なパーライトが形成される。本実施形態の鉄道車輪のＣ含有量は０．８０〜１．１５％と高い。そのため、微細パーライトの耐摩耗性が高まる。また、踏面４１及びフランジ４２の表面の冷却速度をＦｎ２℃／秒以上となるように中間品を冷却することにより、踏面４１及びフランジ４２の表面においても初析セメンタイトの生成が抑制される。
【００９２】
また、踏面４１及びフランジ４２の表面以外の表面（ボス部２の表面、板部３の表面、及び、リム部４の踏面４１及びフランジ４２表面以外の表面）においては、冷却速度がＦｎ１℃／秒以下となるように中間品を冷却する。これにより、踏面４１及びフランジ４２以外の表面での焼入れ層の生成が抑制される。また、ボス部２、板部３、及び、リム部４の領域のうち、最遅領域での冷却速度がＦｎ２℃／秒以上となるように中間品を冷却する。これにより、初析セメンタイトの生成が抑制される。すなわち、上述の冷却工程では、踏面４１及びフランジ４２に加えて、踏面４１及びフランジ４２以外の部分（ボス部２、板部３、及び、リム部４の側面）においても冷却が促進される。以上の工程により、冷却工程が実施される。冷却工程後の中間品の温度はたとえば、常温（２５℃）である。しかしながら、冷却工程後の中間品の温度は、５００℃以下であれば、特に限定されない。
【００９３】
［焼戻し工程］
冷却工程後の中間品に対して、必要に応じて焼戻しを実施する。焼戻しは周知の温度及び時間で行えば足りる。焼戻し温度はＡｃ１変態点以下である。焼戻し温度はたとえば、４００〜６００℃であり、焼戻し温度での保持時間はたとえば、６０〜１８０分である。ただし、焼戻し温度及び保持時間はこれに限定されない。焼戻しは実施しなくてもよい。
【００９４】
［切削加工工程］
熱処理工程（加熱工程及び冷却工程）後の中間品の踏面４１の直下の表層及びフランジ４２の表層には微細パーライトが形成されるものの、微細パーライトの上層には焼入れ層が形成される場合がある。鉄道車輪の使用において、焼入れ層の耐摩耗性は低い。そのため、本工程において、切削加工により踏面４１の直下の表層及びフランジ４２の表層の焼入れ層を除去する。切削加工は周知の方法で行えば足りる。
【００９５】
なお、本実施形態の製造方法では、踏面４１及びフランジ４２の表面以外の他の表面（ボス部２の表面、板部３の表面、及び、リム部４の表面のうち踏面４１及びフランジ４２の表面以外の表面）には焼入れ層が形成されにくい。そのため、本実施形態の鉄道車輪の製造方法では、鉄道車輪の中間品のリム部４だけでなく、板部３及びボス部２も冷却するにも関わらず、踏面４１及びフランジ４２の表面以外の表面（ボス部２の表面、板部３の表面、及び、リム部４の側面）を切削しなくてよい。
【００９６】
以上の工程により、本実施形態の鉄道車輪が製造される。本実施形態の製造方法で鉄道車輪を製造した場合、過共析鋼を用いた鉄道車輪であるにも拘わらず、板部３及びボス部２の領域において、靭性低下の要因である初析セメンタイトの生成が抑制される。さらに、過共析鋼を用いた鉄道車輪であるにも拘わらず、板部３及びボス部２の領域において、靱性低下の要因となる焼入れ層の生成も抑制できる。なお、リム部４においても、初析セメンタイトの生成が抑制される。
【００９７】
［鉄道車輪の組織について］
上述の製造方法により製造された鉄道車輪のミクロ組織は、次のとおりである。踏面直下の表層及びフランジの表層部分の組織は、パーライト組織である。初析セメンタイト量は、１．０本／１００μｍ以下である。ボス部、板部、リム部のうちの踏面及びフランジ以外の部分のミクロ組織は、実質的にパーライトからなる。つまり、面積率の９５％以上がパーライトである。さらに、初析セメンタイト量は、１．０本／１００μｍ以下である。
【００９８】
より具体的には、上述の化学組成を有する過共析鋼の鉄道車輪において、ボス部のミクロ組織において、パーライトの面積率は９５％以上であり、初析セメンタイト量は１．０本／１００μｍ以下である。そして、板部のミクロ組織において、パーライトの面積率は９５％以上であり、初析セメンタイト量は１本／１００μｍ以下である。そして、リム部のミクロ組織において、パーライトの面積率は９５％以上であり、初析セメンタイト量は１．０本／１００μｍ以下である。ここで、初析セメンタイト量は式（Ａ）で定義される。
初析セメンタイト量（本／１００μｍ）＝２００μｍ×２００μｍの正方形視野の２本の対角線と交差する初析セメンタイトの本数の総和／（５．６６×１００μｍ）  （Ａ）
【００９９】
ここで、ミクロ組織は次の方法で観察できる。鉄道車輪の各部（ボス部、板部、リム部）の表面から５ｍｍよりも深い位置において、ミクロ組織観察用のサンプルを採取する。サンプルの観察面を機械研磨により鏡面仕上げした後、観察面をピクリン酸と水酸化ナトリウムとの混合液で腐食する。腐食後の観察面内の任意の１視野（２００μｍ×２００μｍ）に対して、５００倍の光学顕微鏡を用いて写真画像を生成する。観察面において、旧オーステナイト粒界に生成した初析セメンタイトは黒色を呈するため、初析セメンタイトの生成有無が特定される。
【０１００】
図１１に示すとおり、２００μｍ×２００μｍの正方形の視野１００に、２本の対角線１０１を引く。そして、これら２本の対角線１０１と交差する初析セメンタイトの本数の総和を求める。式（１）で定義するように、求めた初析セメンタイトの総本数を、２本の対角線１０１の総長さ（５．６６×１００μｍ）で除して、１００μｍあたりの初析セメンタイト量（本／１００μｍ）を求める。
【０１０１】
初析セメンタイト量が１．０本／１００μｍ以下であれば、初析セメンタイトの生成を十分に抑制できている。
【０１０２】
次に、同一の観察面を再度、機械研磨により鏡面仕上げし、ナイタル液（硝酸とエタノールとの混合液）で腐食する。腐食後の観察面内の任意の１視野（２００μｍ×２００μｍ）に対して、５００倍の光学顕微鏡を用いて写真画像を生成する。フェライト、ベイナイト、マルテンサイト、パーライトは、それぞれコントラストが異なる。したがって、コントラストに基づいて、観察面中の焼入れ層、及び、パーライトを特定する。パーライトの面積率は、特定されたパーライトの総面積と観察面の面積とに基づいて求める。
【０１０３】
上述の製造方法で製造された鉄道車輪において、踏面及びフランジを含むリム部のミクロ組織では、パーライト面積率が９５％以上であり、実質的にパーライトからなる。そして、初析セメンタイト量は１．０本／１００μｍ以下である。そのため、鉄道車輪は耐摩耗性に優れる。さらに、鉄道車輪のボス部、板部及びリム部のうち踏面及びフランジ以外の部分のミクロ組織も、実質的にパーライトからなる。そして、ボス部、板部及びリム部のうち踏面及びフランジ以外の部分のミクロ組織において、初析セメンタイト量はそれぞれ１．０本／１００μｍ以下である。そのため、本実施形態による鉄道車輪は、過共析鋼となる化学組成を有していても、靱性に優れる。
【０１０４】
なお、冷却工程直後においては、上述のとおり、鉄道車輪は、リム部の踏面直下の表層及びフランジの表層には焼入れ層を含んでもよい。ただし、鉄道車輪が使用される前に、焼入れ層は、上述の切削加工により除去される。その結果、リム部の踏面及びフランジ表面のミクロ組織は実質的にパーライトからなる。
【実施例１】
【０１０５】
表３に示す化学組成を有する鋼番号１〜１８の溶鋼を製造した。【０１０６】
【表３】
0006485604.tif 000004
【０１０７】
上記溶鋼を用いて造塊法により丸インゴット（上面直径１０７ｍｍ、底面直径９７ｍｍ、高さ２３０ｍｍの円錐台型）を製造した。インゴットを１２５０℃に加熱後、８５０〜１１００℃の温度範囲内で熱間鍛造して、直径４０ｍｍの鉄道車輪用の丸棒を製造した。【０１０８】
［ジョミニ式一端焼入れ試験］
鋼番号１〜鋼番号１８の直径４０ｍｍの丸棒から、直径２５ｍｍ、長さ１００ｍｍのジョミニ試験片を作製した。具体的には、旋盤加工により、直径４０ｍｍの丸棒を直径２５ｍｍの棒鋼とした。その後、１００ｍｍの長さで丸棒を切断して、ジョミニ試験片を作製した。【０１０９】
鉄道車輪の製造工程中の熱処理工程（加熱工程及び冷却工程）を模擬して、ジョミニ試験片を用いて、ＪＩＳ  Ｇ０５６１（２０１１）に準拠したジョミニ式一端焼入れ試験を実施した。具体的には、ジョミニ試験片を大気雰囲気中、Ａｃｍ変態点以上の温度である９５０℃の炉内で３０分保持して、ジョミニ試験片の組織をオーステナイト単相とした。その後、一端焼入れ（水冷）を実施した。具体的には、ジョミニ試験片の一端に水を噴射して冷却した。水冷後、水冷を実施したジョミニ試験片の側面を機械研磨し、その一端（水冷端）から軸方向に一定間隔で、ＪＩＳ  Ｚ２２４５（２０１１）に準拠したＣスケールを用いたロックウェル硬さ（ＨＲＣ）試験を実施し、ＨＲＣ分布を得た。ＨＲＣの測定間隔は水冷端から１５ｍｍ位置までは１．０ｍｍピッチとし、水冷端から１５ｍｍ以上の位置では２．５ｍｍピッチとした。【０１１０】
得られたＨＲＣ分布の一例を図１２に示す。図１２では、鋼番号１〜４の結果を示す。図１２を参照して、ジョミニ曲線は、試験片の水冷端位置の硬さを基準として、水冷端からの距離の増加にともない硬さが急激に低下する領域Ａと、領域Ａよりも水冷端から離れた位置であって、水冷端からの距離に対して領域Ａよりも硬さが緩やかに低下する領域Ｂとに分類された。組織観察した結果、領域Ａはマルテンサイト及び／又はベイナイトからなる焼入れ層に相当した。領域Ｂは実質的にパーライトからなる組織であった。図１２に示すようなＨＲＣ分布に基づいて、焼入れ層深さを求めた。【０１１１】
［ミクロ組織観察］
水冷端からの各距離におけるミクロ組織観察は、次の方法で実施した。ジョミニ試験片の水冷端からの各距離にて、ＨＲＣ測定を行ったサンプル側面の測定面を観察面として、機械研磨により鏡面仕上げした後、観察面をピクリン酸と水酸化ナトリウムとの混合液で腐食した。腐食後の観察面内の任意の１視野（２００μｍ×２００μｍ）に対して、５００倍の光学顕微鏡を用いて写真画像を生成した。観察面において、旧オーステナイト粒界に生成した初析セメンタイトは黒色を呈するため、初析セメンタイトの生成有無が特定できた。【０１１２】
図１１に示すとおり、２００μｍ×２００μｍの正方形の視野１００に、２本の対角線１０１を引いた。そして、これら２本の対角線１０１と交差する初析セメンタイトの本数の総和を求めた。求めた初析セメンタイトの総本数を、２本の対角線１０１の総長さ（５．６６×１００μｍ）で除して、１００μｍあたりの初析セメンタイト量（本／１００μｍ）を求めた。つまり、式（Ａ）に基づいて、初析セメンタイト量を定義した。【０１１３】
初析セメンタイト量が１．０本／１００μｍ以下であれば、初析セメンタイトの生成を抑制できたと判断した。表４中の各鋼番号の水冷端からの距離に対応して記載された数値は、初析セメンタイト量（本／１００μｍ）を示す。たとえば、試験番号４の冷却速度１３．１℃／秒（水冷端からの距離１３ｍｍ）の値（０．５）は、試験番号４の試験片において、水冷端から軸方向に１３ｍｍの距離位置での初析セメンタイト量が０．５本／１００μｍであったことを意味する。【０１１４】
【表４】
0006485604.tif 000005
【０１１５】
次に、同一の観察面を再度、機械研磨により鏡面仕上げし、ナイタル液（硝酸とエタノールとの混合液）で腐食した。腐食後の観察面内の任意の１視野（２００μｍ×２００μｍ）に対して、５００倍の光学顕微鏡を用いて写真画像を生成した。フェライト、ベイナイト、マルテンサイト、パーライトは、それぞれコントラストが異なる。したがって、コントラストに基づいて、観察面中の焼入れ層、パーライトを特定した。パーライトの面積率は、特定されたパーライトの総面積と観察面の面積とに基づいて求めた。【０１１６】
なお、ジョミニ式一端焼入れ試験時の水冷端からの距離と８００℃から５００℃までの冷却時間の関係については、実験的に示された文献データ（Ｆ．Ｗｅｖｅｒ  ｅｔ  ａｌ．、Ｚｕｒ  Ｆｒａｇｅ  ｄｅｒ  Ｗａｒｍｅｂｅｈａｎｄｌｕｎｇ  ｄｅｒ  Ｓｔａｈｌｅ  ａｕｆ  Ｇｒｕｎｄ  ｉｈｒｅｒ  Ｚｅｉｔ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ−Ｕｍｗａｎｄｌｕｎｇｓ−Ｓｃｈａｕｂｉｌｄｅｒ、Ｓｔａｈｌ  ｕ  Ｅｉｓｅｎ、７４（１９５４）、ｐ７４９〜７６１）が存在する。この文献データに基づき、水冷端からの距離を変換し、各位置の８００〜５００℃での平均冷却速度とした。水冷速度を、水冷端からの距離に対応して表４中に記載した。【０１１７】
［フォーマスタ試験］
上記のジョミニ試験片を用いて、ジョミニ式一端焼入れ試験では再現できない、低冷速での連続冷却試験を実施した。熱処理には富士電波工機製のフォーマスタ試験機を使用した。鋼番号１〜鋼番号１８の直径４０ｍｍの丸棒から、直径３ｍｍ、長さ１０ｍｍの試験片を各鋼番号につき１個ずつ用意した。試験片を９５０℃で５分間均熱した。その後、一定の冷却速度１．０℃／秒で冷却した。冷却後の試験片に対して、上述の方法により、初析セメンタイト量（本／１００μｍ）を算出した。【０１１８】
冷却速度１．０℃／秒で初析セメンタイトが確認されなかった鋼番号については、さらに、０．１℃／秒での連続冷却熱処理試験を別途実施し、上述と同様の方法で初析セメンタイト量を求めた。【０１１９】
［試験結果］
結果を表４に示す。表４中において、水冷端からの距離に対応した欄の「●」印は、その距離における組織が焼入れ層（マルテンサイト及び／又はベイナイト）であったことを示す。また、水冷端からの距離に対応した欄の「○」印は、その距離における組織が実質的にパーライトからなり（面積率で９５％以上がパーライトであり）、マルテンサイト又はベイナイトが確認されず、初析セメンタイトも確認されなかったことを示す。水冷端からの距離に対応した欄の「数値」は、組織が実質的にパーライトからなり（面積率で９５％以上がパーライトであり）、その距離における初析セメンタイトの１００μｍあたりの本数を示す。また、表４中の各鋼番号においては、冷却速度（℃／秒）が式（１）で定義されるＦｎ１以下であり、式（２）で定義されるＦｎ２以上である範囲をグレーで色づけした。表４を参照して、グレーで色づけされた冷却速度の範囲では、焼入れ層が生成せず、かつ、初析セメンタイト量が１．０本／１００μｍ以下であった。【０１２０】
表３及び表４を参照して、いずれの鋼番号においても、冷却速度がＦｎ２以上となった場合、Ｃ含有量が０．８０〜１．１５％の過共析鋼であっても、初析セメンタイト量が１．０本／１００μｍ以下となり、初析セメンタイトの生成を抑制できた。そのため、鉄道車輪において、十分な靱性が確保できることが予想できた。さらに、冷却速度がＦｎ１以下であれば、焼入れ層の生成が抑制された。そのため、鉄道車輪において、十分な靱性が確保できることが予想できた。したがって、中間品のうち踏面及びフランジ表面以外の表面、すなわちボス部表面、板部表面及びリム部側面（踏面及びフランジ表面以外のリム部表面）の８００〜５００℃における冷却速度がＦｎ１℃／秒以下となるようにし、中間品のうち、８００〜５００℃における冷却速度が最も遅くなる領域、すなわち、ボス部内部、板部内部及びリム部内部において冷却速度が最も遅くなる領域（以下、最遅領域という）での冷却速度がＦｎ２℃／秒以上となるようにし、中間品のうち踏面及びフランジ表面の８００〜５００℃における冷却速度がＦｎ２℃／秒以上となるように、中間品を冷却すれば、製造された鉄道車輪において、ボス部、板部、リム部のいずれにおいてもパーライト面積率が９５％以上となり、初析セメンタイト量が１．０本／１００μｍ以下となり、ボス部及び板部の表面において、焼入れ層の生成を抑制できることが分かった。
【実施例２】
【０１２１】
表３中の鋼番号９の直径４０ｍｍの丸棒を用いて、初析セメンタイト量とシャルピー衝撃値（Ｊ／ｃｍ２）との関係を調査した。４本の鋼番号９の丸棒を９５０℃で３０分均熱し、その後、表５に示す冷却速度で冷却した。冷却速度は、種々の温度のソルトバスに浸漬することにより、調整した。【０１２２】
【表５】
0006485604.tif 000006
【０１２３】
［ミクロ組織観察］
冷却後の各試験番号（９−１〜９−４）の丸棒の中央部から、ミクロ組織観察用のサンプルを採取した。サンプルの観察面は、丸棒の中心軸に対して垂直な面とした。機械研磨により観察面を鏡面仕上げした後、観察面をピクリン酸と水酸化ナトリウムとの混合液で腐食した。腐食後の観察面内の任意の１視野（２００μｍ×２００μｍ）に対して、５００倍の光学顕微鏡を用いて写真画像を生成した。観察面において、旧オーステナイト粒界に生成した初析セメンタイトは黒色を呈するため、初析セメンタイトの生成有無が特定できた。また、実施例１と同じ方法により、パーライト面積率を求めた。その結果、いずれの試験番号においても、パーライト面積率が９５％以上であった。【０１２４】
図１１に示すとおり、２００μｍ×２００μｍの正方形の視野１００に、２本の対角線１０１を引いた。そして、これら２本の対角線１０１と交差する初析セメンタイトの本数の総和を求めた。求めた初析セメンタイトの総本数を、２本の対角線１０１の総長さ（５．６６×１００μｍ）で除して、１００μｍあたりの初析セメンタイト量（本／１００μｍ）を求めた。つまり、式（Ａ）に基づいて、初析セメンタイト量を定義した。【０１２５】
［シャルピー衝撃試験］
各試験番号（９−１〜９−４）の丸棒から、シャルピー試験片（１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍ）を作製した。シャルピー試験片の中心軸は、丸棒の中心軸と一致した。シャルピー試験片を用いて、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２（２００５）に準拠したシャルピー衝撃試験を室温（２５℃）にて実施した。【０１２６】
［試験結果］
試験結果を表５に示す。表５を参照して、冷却速度がＦｎ２以上（３．４）の場合（鋼番号９−１）、初析セメンタイト量は１．０本／１００μｍ以下であった。そのため、シャルピー衝撃値が２０．０Ｊ／ｃｍ２以上と高く、十分な靱性が得られた。一方、冷却速度がＦｎ２未満の場合（鋼番号９−２〜９−４）、シャルピー衝撃値は２０．０Ｊ／ｃｍ２未満と低かった。【０１２７】
以上、本発明の実施形態を説明した。しかしながら、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施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形態を適宜変更して実施することができる。
【符号の説明】
【０１２８】
１  鉄道車輪
２  ボス部
３  板部
４  リム部
１０  冷却装置
【図１】
0006485604.tif 000007
【図２】
0006485604.tif 000008
【図３】
0006485604.tif 000009
【図４】
0006485604.tif 000010
【図５】
0006485604.tif 000011
【図６】
0006485604.tif 000012
【図７】
0006485604.tif 000013
【図８】
0006485604.tif 000014
【図９】
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【図１０】
0006485604.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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