铁路车辆用车轮及铁路车辆用车轮的制造方法与流程

本发明涉及铁路车辆用的车轮，特别是涉及在重载铁路、矿山铁路等高轴重环境下使用的耐磨损性优良的车轮。需要说明的是，高轴重环境是指货物的轴重约为25吨以上的情况(客运铁路约为15吨以下)。对于用于这样的铁路的轨道，多数情况下为了提高耐久性而使用布氏硬度超过370的高硬度轨道，但本发明特别涉及在与这样的高硬度轨道组合使用时不仅车轮的磨损、耐损伤性良好而且还能够减轻轨道表面的磨损和损伤的车轮。

背景技术：

近年来，随着亚洲、非洲等世界性经济发展，货运铁路、矿山铁路等铁路运输飞跃性增长。与此相伴，行驶距离、装载的货物重量增加，车轮的磨损、疲劳损伤加快，因此，相比以往耐久性更优良的铁路用车轮的需求增高。

作为提高车轮的耐磨损性、耐损伤性的技术，提出了各种各样的方案，例如，在专利文献1中记载了：使车轮踏面部为维氏硬度360以上的贝氏体或回火马氏体组织或者其混合组织，由此使车轮的耐剥落性、耐平面剥离性提高。

在专利文献2、3中记载了：对车轮的化学组成进行优化并且使踏面的显微组织为珠光体，由此使耐磨损性、耐热龟裂性提高。特别是，在专利文献2中，通过对珠光体钢进行高碳化，使珠光体中的渗碳体相的体积比率增加而使布氏硬度为300以上，从而提高车轮的耐热龟裂性。

在专利文献4中还记载了如下发明：通过对车轮的化学组成进行优选，使耐磨损性、耐滚动疲劳特性及抗散裂性的平衡提高。该发明是着眼于车轮的轮辋部和轮毂部的硬度和组织而完成的，其基于通过使用高硬度且淬透性低的钢作为车轮材料来提高车轮的性能这样的构思。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-350769号公报

专利文献2：日本特开2004-315928号公报

专利文献3：日本特开平09-202937号公报

专利文献4：日本特开2012-107295号公报

技术实现要素：

发明所要解决的问题

但是，专利文献1～4中所记载的技术是着眼于车轮的磨损、损伤并以提高车轮本身的耐久性为目的的技术，对于使用该车轮时在轨道侧产生的磨损、损伤没有加以充分的注意。因此，在近年来越来越苛刻的重载铁路的使用环境下，不能说充分抑制了车轮和轨道的总的磨损、损伤。

从车轮的组织、材质的观点出发对轨道的耐磨损性、损伤性进行研究的例子非常少，过去也仅公开了：轨道材料、车轮材料都增加碳量是有效的；轨道与车轮的硬度之比提高时，轨道、车轮的总的磨损量减少，超过1时饱和；等。

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供能够进一步降低车轮和轨道的总的磨损、疲劳损伤的铁路车辆用车轮。

用于解决问题的方法

本发明人为了实现上述目的而进行了深入研究，结果得出下述(1)～(4)的见解。

(1)在以近年来在高轴重用途中使用的珠光体轨道作为对象材料的情况下，车轮踏面的显微组织为珠光体的情况与车轮踏面的显微组织为专利文献1等中采用的贝氏体、回火马氏体的情况相比，更能够抑制车轮和轨道的总的磨损、疲劳损伤。

(2)在踏面的显微组织为珠光体的车轮中，使用使至少从踏面起到深度15mm内部为止的区域中的珠光体片层间距为150nm以下的车轮，由此，也能够进一步抑制车轮和轨道的磨损、疲劳损伤。

(3)对于上述(2)的使珠光体片层间距为150nm以下的车轮而言，将车轮材料的化学组成最优化，特别是将C设定为0.65～0.84质量％，由此能够兼顾耐磨损性与延展性及韧性。

(4)此外，为了确保延展性、韧性，根据需要使珠光体组织的块尺寸为30μm以下是有效的。

基于上述见解，从降低车轮和轨道的总的磨损、疲劳损伤的观点出发，发现了最佳的化学组成和显微组织作为车轮材料的化学组成和显微组织，从而完成了本发明。

即，本发明的主旨构成如下所述。

一种铁路车辆用车轮，其中，以质量百分率计具有C：0.65～0.84％、Si：0.1～1.5％、Mn：0.05～1.5％、P：0.025％以下、S：0.015％以下、Al：0.001～0.08％和Cr：0.05～1.5％，余量为Fe和不可避免的杂质，至少从踏面起到深度15mm内部为止的区域中的显微组织为珠光体组织，至少上述区域中的珠光体片层间距为150nm以下。

通过采用上述构成，在本发明中能够提高车轮和轨道的总的耐磨损性、耐表面损伤性。

此外，在本发明中，上述铁路车辆用车轮以质量百分率计含有选自Cu：0.03～0.5％、Ni：0.03～0.5％、Mo：0.02～0.2％、V：0.003～0.3％、Nb：0.003～0.1％和Ti：0.002～0.02％中的一种或两种以上。由此，能够进一步提高车轮材料的强度、延展性、韧性。

此外，在本发明中，优选将上述区域中的珠光体的块尺寸设定为30μm以下。由此，能够确保延展性和韧性，从而抑制疲劳损伤以外的脆性断裂，耐损伤性进一步提高。

此外，在本发明中，优选将上述铁路车辆用车轮的自踏面起15mm内部的、0.2％屈服强度(YS)设定为700MPa以上、屈服比设定为60％以上，由此，能够进一步减轻作为对象材料使用的轨道的损伤。

此外，在本发明中，优选自踏面起15mm内部的、拉伸试验中的伸长率为12％以上、20℃下的夏比冲击值为15J以上，由此，抑制疲劳损伤以外的脆性断裂，耐损伤性进一步提高。需要说明的是，只要没有特别说明，则本说明书中的0.2％屈服强度、屈服比、伸长率和夏比冲击值是指铁路车辆用车轮的自踏面起15mm内部的位置的值。

另外，本发明的铁路车辆用车轮的制造方法为如下所述的铁路车辆用车轮的制造方法：将以质量百分率计具有C：0.65～0.84％、Si：0.1～1.5％、Mn：0.05～1.5％、P：0.025％以下、S：0.015％以下、Al：0.001～0.08％和Cr：0.05～1.5％且余量为Fe和不可避免的杂质的钢利用电炉或转炉进行熔炼、铸造而制成原材料，对该原材料进行热轧和/或热锻而成形，然后，将该成形后的车轮加热至加热温度Ac₃点+50℃以上，进行冷却开始温度为700℃以上、冷却速度为1～10℃/秒、冷却停止温度为500～650℃的加速冷却，然后进行空冷。

在本发明的铁路车辆用车轮的制造方法中，优选上述钢进一步以质量百分率计含有选自Cu：0.03～0.5％、Ni：0.03～0.5％、Mo：0.02～0.2％、V：0.003～0.3％、Nb：0.003～0.1％和Ti：0.002～0.02％中的一种或两种以上。

此外，在本发明的铁路车辆用车轮的制造方法中，优选上述加热温度为Ac₃点+150℃以下。

发明效果

根据本发明，通过适当地控制车轮材料的成分组成和显微组织，能够抑制不仅车轮、还包括轨道在内的综合的磨损、损伤。由此，能够提高车轮和轨道的使用寿命。

附图说明

图1是磨损试验机的概略图和试验条件。

图2是使车轮材料的显微组织发生变化时的磨损试验后的断面状态。

图3是示出车轮材料的珠光体片层间距对车轮材料与轨道材料的磨损量的影响的图。

图4是使车轮材料的珠光体片层间距发生变化时的磨损试验后的断面状态。

图5是示出珠光体块尺寸对车轮材料的20℃下的夏比吸收能(韧性)产生的影响的图。

具体实施方式

·显微组织的种类的影响

接着，对本发明具体地进行说明。

首先，本发明人为了弄清楚车轮踏面的显微组织的种类对车轮和轨道的磨损及表面损伤产生的影响，准备了由珠光体、贝氏体和回火马氏体这三种显微组织构成的车轮材料，对于各车轮材料，以与相同的轨道材料的组合进行磨损试验。在上述磨损试验中，使用图1所示的双圆筒式磨损试验机，使用模拟了车轮踏面的车轮材料试验片作为一个试验片，使用模拟了轨道的轨道材料试验片作为另一个试验片。

将试验中使用的车轮材料与轨道材料的成分组成示于表1中。珠光体车轮材料和回火马氏体车轮材料使用共析钢，贝氏体车轮材料使用低碳合金钢。为了排除显微组织以外的影响，作为三种车轮材料，在可能的范围内使用硬度接近的材料(布氏硬度为250左右)。作为轨道材料，使用重载铁路用途中利用的珠光体轨道材料(布氏硬度为400)。

该磨损试验在赫兹接触应力为680MPa、滑移率为-10％(轨道材料的转速比车轮材料的转速低10％)、无润滑的条件下进行。磨损试验中，向轨道材料与车轮材料接触的面喷吹空气。试验时间为2小时，以轨道材料侧的转速计旋转8.2万次后，对车轮材料和轨道材料两者的磨损量和表面损伤进行考察。磨损量通过试验前后的试验片的重量差求出。试验针对由珠光体、贝氏体和回火马氏体组织构成的车轮材料A～C分别各实施两次。

将上述磨损试验的结果示于表2中。对车轮材料和轨道材料各自的磨损量进行观察，可知：车轮材料的磨损量按照贝氏体、回火马氏体和珠光体的顺序减少，与此相对，轨道材料的磨损量按照车轮的显微组织为贝氏体、回火马氏体和珠光体的顺序轻微地增加。并且，将车轮材料和轨道材料的磨损量累计后的总的磨损量在车轮的显微组织为珠光体的情况下最少。以上的结果是使用布氏硬度为250左右的车轮材料的实验中的结果，但在使用硬度更高的车轮材料的情况下也为同样的倾向。

接着，对上述磨损试验后的轨道材料、车轮材料各自的表面损伤进行确认。将磨损试验后的轨道材料和车轮材料的断面的显微镜照片示于图2中。图2上段示出了对试验片的断面进行镜面研磨后的状态，图2下段示出了将该试验片进一步利用硝酸乙醇溶液(1％浓度的硝酸与醇的混合液)腐蚀后的状态。

如图2所示，在使用由珠光体、贝氏体和回火马氏体组织构成的车轮材料中的任一种的情况下，在磨损试验后的车轮材料表面都没有观察到明显的裂纹等损伤。另一方面，对轨道材料进行观察，在车轮材料为珠光体组织的情况下，在轨道材料表面没有观察到显著的裂纹，但在车轮材料为回火马氏体或贝氏体组织的情况下，在轨道材料的表面产生了裂纹。即可知：在使用由回火马氏体或贝氏体组织构成的车轮的情况下，虽然车轮本身没有产生表面损伤，但给轨道材料表面带来了损伤。

通过上述试验结果可知：即使车轮材料的硬度为相同程度，通过使该车轮材料的显微组织为珠光体，也能够在使轨道材料和车轮材料总的磨损量减小的同时减轻轨道表面的损伤。因此，在本发明中，将车轮材料的显微组织设定为珠光体组织。

·珠光体片层间距的影响

接着，在使用珠光体组织的车轮的情况下，对该珠光体组织的片层间距给车轮材料和轨道材料两者的磨损和表面损伤带来的影响进行研究。

珠光体是由软质的铁素体和硬质的渗碳体构成的层状组织(片层组织)，将该片层组织的平均层间距离称为珠光体片层间距。准备该珠光体片层间距以实测值计为270nm、140nm和90nm的三种车轮材料，对于各车轮材料，以与相同的轨道材料的组合进行磨损试验。作为轨道材料，准备与之前的试验相同的具有珠光体组织的轨道材料A。

关于片层间距，使用扫描型电子显微镜以1万倍以上的倍率观察珠光体组织，由通过切割法对片层间距细的部分、即能够适当观察到的部分进行计测而得到的渗碳体的数量算出片层间距。作为上述片层间距的值，使用6个视野中的平均值。

图3是将上述磨损试验中的轨道材料和车轮材料各自的磨损量相对于车轮材料的珠光体片层间距进行绘图而得到的图。如图3的上图所示，与车轮材料的珠光体片层间距无关，轨道材料的磨损量大致恒定。另一方面，如图3的下图所示，该车轮材料的珠光体片层间距越小，则车轮材料的磨损量越少。

将上述磨损试验后的轨道材料和车轮材料的断面状态示于图4中。在车轮材料的珠光体片层间距为270nm的情况下，在轨道材料的表面观察到显著的塑性流动。另一方面，在使用片层间距为140nm的车轮材料的情况下和使用片层间距为90nm的车轮材料的情况下，车轮材料、轨道材料均几乎没有产生表面的塑性流动，与片层间距为270nm的情况相比，抑制了疲劳损伤。

上述实验结果表明：通过将车轮材料的显微组织设定为珠光体组织并减小其珠光体片层间距，能够抑制不仅车轮材料、还包括轨道材料在内的总的磨损量和疲劳损伤。根据上述结果，在本发明的铁路车辆用车轮中，将至少从踏面起到深度15mm内部为止的区域中的显微组织设定为珠光体组织，将至少上述区域中的珠光体片层间距设定为150nm以下。

以下，对本发明中的限定理由具体地进行说明。

首先，在本发明中，对于将车轮材料的成分组成限定为上述范围的理由进行说明。需要说明的是，只要没有特别说明，则关于成分的“％”表示是指“质量％”。

C：0.65～0.84％

C是形成渗碳体而提高硬度和强度、提高车轮材料的耐磨损性的重要元素。但是，低于0.65％时，上述效果小，因此，将下限设定为0.65％。但是，使C量增加时，渗碳体增加而硬度增加，但延展性、韧性降低，因此，作为重载铁路用的车轮得不到充分的性能。特别是，超过0.84％时，使得初析渗碳体存在于原奥氏体晶界，延展性、韧性的降低变得显著。考虑到上述理由，在本发明中，将C含量的上限设定为0.84％。优选为0.70～0.84％的范围。

Si：0.1～1.5％

Si是通过使珠光体平衡相变温度(T_E)升高而减小珠光体片层间距、并且将珠光体组织中的铁素体固溶强化从而提高珠光体组织的硬度、强度的元素。此外，Si作为脱氧材料使钢中的氧降低。为了得到上述效果，需要添加0.1％以上。另一方面，过量的添加会促进脱碳，促进轨道的表面缺陷的生成，因此，将Si含量的上限设定为1.5％。Si含量优选设定为0.15～1.3％。

Mn：0.05～1.5％

Mn是具有使珠光体的硬度升高的效果的元素。此外，Mn作为脱氧材料使钢中的氧降低。为了维持高硬度直至轨道内部，添加0.05％以上的Mn。另一方面，超过1.5％的添加会容易引起对轨道的磨损、疲劳损伤有害的马氏体相变，因此，将Mn含量的上限设定为1.5％。Mn含量优选设定为0.3～1.3％。

P：0.025％以下

P在晶界偏析而使得韧性、延展性降低，因此，其混入越低越优选，在本发明中设定为0.025％以下。另外，关于下限，即使不特别限定也没有问题，但过度的低P化会导致精炼时间的增加、成本的升高，因此，优选设定为0.001％以上。

S：0.015％以下

S形成在轧制方向上伸展的粗大的MnS，使得延展性、韧性降低。特别是在暴露于高轴重环境的车轮的情况下，延展性的降低变得显著。因此，S的含量的上限设定为0.015％。优选为0.007％以下，进一步优选为0.005％以下。另一方面，关于下限，没有特别规定，但过度的低S化会导致精炼时间的增加、成本的升高，因此优选设定为0.0005％以上。

Al：0.001～0.08％

Al作为脱氧材料而添加，但超过0.08％的添加容易使钢中残留非金属夹杂物(氧化铝团簇)，促进疲劳损伤。因此，Al含量的上限设定为0.08％。优选为0.05％以下。为了表现出Al作为脱氧材料的作用，优选以0.003％以上添加Al。但是，由于精炼、浇铸的条件，非金属夹杂物(氧化铝)向熔渣的浮上变得困难，在不能充分地除去氧化铝的情况下，也可以进行利用Si、Mn的脱氧。这种情况下，即使Al低于0.003％也没有关系，可以不进行利用Al的脱氧。另外，利用假定的通用的精炼技术难以使Al低于0.001％。因此，Al含量的下限设定为0.001％。

Cr：0.05～1.5％

Cr通过使T_E升高而有助于珠光体片层间距的微细化，使硬度、强度升高。因此，需要添加0.05％以上。另一方面，添加量超过1.5％时，原材料的缺陷产生增加，并且淬透性增加，因此，生成促进轨道损伤的马氏体。因此，将Cr含量的上限设定为1.5％。更优选为0.51～1.3％的范围。

以上，对本发明中的车轮材料的基本成分进行了说明，但可以进一步在本发明的车轮材料中根据需要添加Cu：0.03～0.5％、Ni：0.03～0.5％、Mo：0.02～0.2％、V：0.003～0.3％、Nb：0.003～0.1％、Ti：0.002～0.02％中的一种或两种以上。

Cu：0.03～0.5％

通过添加Cu，能够实现基于固溶强化的进一步高硬度化。为了得到该效果，需要添加0.03％以上。另一方面，超过0.5％的添加会在连铸时、轧制时容易产生表面裂纹，因此，Cu含量的上限设定为0.5％。

Ni：0.03～0.5％

Ni是提高韧性、延展性的元素。另外，通过与Cu复合添加，能够抑制Cu裂纹，因此，在添加Cu的情况下，优选同时添加Ni。低于0.03％时，观察不到这些效果，因此，在添加Ni的情况下，将Ni含量的下限设定为0.03％以上。另一方面，超过0.5％的添加会使淬透性提高，促进马氏体的生成，因此，将Ni含量的上限设定为0.5％。

Mo：0.02～0.2％

Mo是对高强度化有效的元素。低于0.02％时，其效果小，因此，在添加Mo的情况下，将Mo含量设定为0.02％以上。另一方面，超过0.2％的添加会使淬透性提高，促进贝氏体、马氏体的生成，因此，Mo含量的上限设定为0.2％。

V：0.003～0.3％

V是形成VC或VN等而在铁素体中微细地析出、通过铁素体的析出强化而有助于高强度化的元素。另外，V能够作为氢的捕获位点发挥作用，还能够期待抑制延迟断裂的效果。为了得到这些效果，需要添加0.003％以上。另一方面，添加量超过0.3％时，这些效果饱和，合金成本的升高也严重，因此，将V含量的上限设定为0.3％。优选为0.005～0.12％的范围。

Nb：0.003～0.1％

Nb形成NbC或Nb(C,N)，通过车轮热处理时的奥氏体微细化而使得珠光体团或块尺寸微细化，因此，对于延展性、韧性的提高是有效的。另外，Nb与V同样具有抑制延迟断裂的效果。为了得到这些效果，需要添加0.003％以上。另一方面，超过0.1％的添加会使Nb碳氮化物在凝固过程中晶析，降低洁净性，因此，将Nb含量的上限设定为0.1％。优选为0.005～0.05％。

Ti：0.002～0.02％

Ti形成TiC或TiN，与Nb同样地通过车轮热处理时的奥氏体微细化而使得珠光体团或块尺寸微细化，因此，对于延展性、韧性的提高是有效的。另外，Ti对于延迟断裂特性的提高也是有效的。为了得到这些效果，需要添加0.002％以上。另一方面，超过0.02％的添加会使Ti碳氮化物在凝固过程中晶析，降低洁净性，因此，将Ti含量的上限设定为0.02％。

需要说明的是，上述成分以外的余量为Fe和不可避免的杂质。O形成氧化物(主要是氧化铝团簇)，因此，使得耐滚动疲劳损伤性降低。因此，优选总氧量尽可能少，但可以允许含有0.004％作为上限。优选为0.002％以下。N形成硬质的AlN等氮化物，使得耐滚动疲劳损伤性降低，因此，优选尽可能少，但可以允许含有0.005％作为上限。优选为0.004％以下。

接着，对显微组织的限定理由进行说明。在本发明中，将至少从车轮踏面起到深度15mm内部为止的区域(以下，将该区域也称为踏面部)中的显微组织设定为珠光体组织，将至少上述区域中的珠光体片层间距设定为150nm以下。如上所述，通过将车轮材料的显微组织设定为珠光体组织而不是贝氏体、回火马氏体，能够大幅降低使用时的轨道的磨损量，并且能够抑制轨道表面的疲劳损伤。为了得到该效果，在本发明中，将车轮整体中至少主要与轨道接触的部位即踏面部、具体而言从踏面起到深度15mm内部为止的区域中的显微组织设定为珠光体。在转弯处，车轮凸缘也与轨道接触，因此，优选凸缘部也为珠光体组织。

此外，将从车轮踏面起到至少15mm内部为止的区域中的珠光体片层间距设定为150nm以下。如上所述，通过将片层间距设定为150nm以下，能够大幅降低车轮的磨损量，并且能够抑制轨道表面的疲劳损伤。为了得到该效果，需要将与轨道接触的部位即车轮踏面部的片层间距设定为150nm以下，但考虑到使用时的车轮的磨损等，将至少从踏面起到深度15mm内部为止的区域中的珠光体片层间距设定为150nm以下。片层间距的下限没有特别规定，但珠光体组织的微细化存在限度，在能够作为车轮材料制造的条件下，大约50nm是极限。

另外，优选将从车轮踏面起到至少15mm内部为止的珠光体的平均块尺寸设定为10～30μm。在车轮材料的使用中，在车轮材料产生疲劳损伤、热裂纹的情况下，为了抑制以其为起点发生破坏，延展性、韧性也是重要的。通过将从车轮踏面起到至少15mm内部为止的珠光体的平均块尺寸设定为30μm以下，延展性、韧性提高。

如上所述，珠光体是由软质的铁素体和硬质的渗碳体构成的层状组织(片层组织)，但将铁素体的取向为相同取向的组织单元称为珠光体块。本发明人针对通过热处理使珠光体的块尺寸发生变化后的钢考察了韧性。将其结果示于图5中。在此，韧性通过夏比冲击试验进行评价。使用通过机械加工从钢上切下的2mmU缺口的夏比冲击试验片，在20℃(室温)下进行夏比冲击试验，将所得到的夏比吸收能uE₂₀(J/cm²)作为韧性的评价指标(夏比冲击值)。珠光体块尺寸通过EBSP(电子背散射花样，Electron Back Scattering Pattern)法进行测定。通过EBSP，测定0.25×0.25mm尺寸的区域的铁素体的取向，对块界面绘制迹线，通过图像处理求出平均块尺寸。在上述测定中，将电子束的尺寸设定为0.3μm，将铁素体的取向差为15°以上的边界定义为块界面。

根据图5可知，平均块尺寸超过30μm时韧性低，但通过将平均块尺寸设定为30μm以下，韧性极其提高。因此，珠光体的平均块尺寸优选为30μm以下。更优选为25μm以下。需要说明的是，优选的块尺寸的下限没有特别限定，但在通用的制造条件下，在工业上难以使块尺寸小于10μm，块尺寸实际上为10μm以上。

接着，对踏面部的0.2％屈服强度(YS)和屈服比的限定理由进行说明。

对于本发明的车轮而言，优选使自踏面起15mm内部的、0.2％YS为700MPa以上、屈服比为60％以上。由此，能够抑制车轮和轨道的表面损伤。这是因为：0.2％YS低于700MPa、屈服比低于60％时，容易产生车轮的表面损伤，对接触的轨道也会带来上述影响。对于上限，没有特别规定，但考虑到制造工序，优选将0.2％YS设定为1100MPa以下、将屈服比设定为85％以下。

此外，从防止车轮踏面的疲劳损伤、热裂纹所引起的破坏的观点出发，优选使自踏面起15mm内部的、伸长率为12％以上、20℃下的夏比冲击值为15J以上。踏面部的伸长率小于12％时，对于使用中的表面损伤等所引起的破坏是不充分的。踏面部的伸长率进一步优选为14％以上。另外，踏面部的20℃下的夏比冲击值优选为15J以上。20℃下的夏比冲击值小于15J时，在使用中疲劳损伤所引起的割损风险增高。踏面部的20℃下的夏比冲击值进一步优选为20J以上。

需要说明的是，关于踏面部的0.2％屈服强度、屈服比和伸长率，使用从车轮材料的踏面部裁取的、具体而言以使自踏面起15mm内部的位置为试验片的轴中心的方式裁取的、AREMA的圆棒拉伸试验片(标距(GL)：50mm、直径12.5mm)，通过常温下的拉伸试验进行评价。关于夏比冲击值，使用从车轮材料的踏面部裁取的2mmU缺口的夏比冲击试验片，进行20℃下的夏比冲击试验，求出夏比吸收能来进行评价。

接着，对用于制造上述本发明的铁路车辆用车轮的方法进行说明。

本发明的铁路用车轮可以通过如下方法制造：将利用电炉、顶吹转炉等进行熔炼、脱气处理、合金调整后的钢制成铸锭或者通过连铸制成钢坯，对于由此得到的原材料，经过热轧工序和/或热锻工序成形为车轮形状，然后，实施热处理。

在进行热轧和/或热锻时，对原材料进行再加热。此时的加热温度优选为1200～1350℃。加热温度低于1200℃时，利用热锻、热轧成形为车轮形状时的加工温度变成低温，成形载荷增大，成形性降低。另一方面，加热温度超过1350℃时，内部缺陷增加，因此，加热温度优选设定为1350℃以下。

在热轧工序和/或热锻工序中，成形为车轮形状后，为了控制显微组织和机械性质而进行热处理。该热处理时的加热温度设定为Ac₃点+50℃以上。加热温度低于Ac₃点+50℃时，不能得到充分的强度。另一方面，热处理时的加热温度超过Ac₃点+150℃时，珠光体块尺寸粗大化，韧性、延展性降低，因此，热处理时的加热温度优选设定为Ac₃点+150℃以下。

在热处理的加热工序之后接着进行加速冷却。加速冷却中，需要将冷却开始温度设定为700℃以上、将冷却速度设定为1～10℃/秒、将冷却停止温度设定为500～650℃。冷却开始温度低于700℃时，珠光体片层间距变得粗大，不能确保充分的强度，使得耐磨损性降低。优选为730℃以上。作为冷却手段，可以利用鼓风冷却、水/空气混合喷射冷却等，相当于踏面的表面的冷却速度设定为1～10℃/秒的范围。冷却速度低于1℃/秒时，珠光体片层间距超过150nm。另一方面，使冷却速度超过10℃/秒来进行冷却时，生成贝氏体、马氏体。更优选的冷却速度范围为2～7℃/秒。冷却停止温度需要设定为500～650℃。冷却停止温度超过650℃时，会在珠光体相变没有充分完成的期间停止冷却，珠光体片层间距变宽。加速冷却至低于500℃时，生成贝氏体组织、马氏体组织。加速冷却结束后，优选对车轮进行空冷。此外，在锻造和/或热轧结束后直接开始冷却也没有关系，但是，即使在这种情况下，冷却开始温度也需要设定为700℃以上、优选设定为730℃以上。

进行上述热处理后，可以根据需要进行去应力退火。上述处理之后，以形成规定形状的方式对车轮实施精切削加工。

实施例

以下，基于实施例对本发明的构成和作用效果更具体地进行说明。

将表3所示的各种成分组成的钢作为原材料，在表4所示的轧制前加热温度下进行加热，然后实施热轧，成形为模拟了车轮的板材(以下，也称为车轮材料)。将成形为车轮形状的原材料在表4所示的条件下实施热处理，得到车轮材料。将得到的车轮材料作为试样，实施显微组织的观察、拉伸试验、夏比冲击试验和磨损试验。对于所使用的车轮材料和轨道材料，模拟常用的制造工序，通过模拟实验使其再现，在实验室中制造。

关于车轮材料的从踏面起到深度15mm内部为止的区域中的显微组织，对该车轮材料进行镜面研磨后，利用硝酸乙醇溶液腐蚀，进行显微镜观察来判定。对于上述区域中的显微组织为珠光体组织的试样，通过如上所述的方法测定该区域中的片层间距和珠光体块尺寸。

车轮材料的自踏面起15mm内部的0.2％YS、拉伸张力、屈服比和伸长率通过常温下的拉伸试验进行测定。在该拉伸试验中，使用从车轮材料裁取的标距(GL)50mm、直径12.5mm的AREMA的圆棒拉伸试验片。

关于夏比冲击试验片，通过机械加工切下2mmU缺口的夏比冲击试验片。夏比冲击试验在20℃(室温)下进行，求出夏比吸收能。

车轮材料的性能基于磨损试验中的磨损量和表面损伤的产生进行评价。磨损试验方法及其条件如上所述。在表面损伤的评价中，对磨损试验后的试验片断面进行镜面研磨，进行显微镜观察，将发现了裂纹的试样设定为表面裂纹“有”，将没有发现裂纹的试样设定为“无”。作为磨损试验中的对象材料即轨道材料，使用0.82％C-0.55％Si-0.55％Mn-0.78％Cr-V系的轨道钢。该轨道材料的显微组织为珠光体，硬度为HB400。

将显微组织的观察结果示于表4中，将各种试验结果示于表5中。对于显微组织和珠光体片层间距两者满足本发明的条件的车轮材料而言，车轮本身的磨损量少，没有观察到表面裂纹，不仅如此，作为对象材料的轨道的磨损也少，也没有观察到轨道的表面损伤。

另一方面，在车轮材料的显微组织、珠光体片层间距脱离本发明的范围的比较例中，将轨道和车轮的磨损量加在一起的总磨损量多，并且观察到轨道的表面裂纹。例如，试验编号4、5、6、7的车轮材料中，虽然显微组织为珠光体，但片层间距为150nm以上。其结果是，虽然轨道材料的磨损量略少，但车轮材料的磨损量多，作为结果，得到了总的磨损量多的结果。

另外，使用了C含量低的车轮材料的试验编号14中，尽管珠光体片层间距满足本发明的条件，但产生了车轮材料的表面裂纹，磨损量也高。相反地，使用了C含量高的车轮材料的试验编号15中，观察到表面裂纹。可知：由于C含量高，因此，延展性(伸长率)、韧性低，耐损伤性也低。需要说明的是，对于珠光体块尺寸为30μm以下的试验编号1、8～13、18、20的发明例的车轮而言，与珠光体块尺寸超过30μm的试验编号22的车轮材料相比，伸长率、韧性高。

如此，通过将车轮材料的成分组成最优化并且控制车轮踏面部的显微组织和珠光体片层间距，能够降低车轮材料和轨道材料的总的磨损量，并且能够抑制车轮和轨道两者的表面损伤的产生。由此，不仅能够飞跃性地提高车轮的使用寿命，而且还能够飞跃性地提高轨道的使用寿命。此外，通过进一步将珠光体块尺寸控制得微细，能够进一步提高延展性、韧性，能够得到耐磨损性和耐损伤性优良的铁路用车轮。具有如此优良的特性的本发明的铁路车辆用车轮作为在重载铁路等苛刻的环境下使用的车轮特别有用。