TWI897220B

TWI897220B - 鐵路用車軸

Info

Publication number: TWI897220B
Application number: TW113103679A
Authority: TW
Inventors: 牧野泰三; 小千尋; 山崎陽介; 秦利行
Original assignee: 日商日本製鐵股份有限公司
Priority date: 2023-01-31
Filing date: 2024-01-31
Publication date: 2025-09-11
Also published as: WO2024162354A1; EP4660341A1; TW202438337A; JPWO2024162354A1; CN120615132A

Abstract

提供一種鐵路用車軸，係能夠使非嵌合部獲得充分之疲勞限度，並且能夠提高嵌合部之疲勞限度。本揭示之鐵路用車軸(1)，係具備：具有直徑DWmm之嵌合部(2)，以及非嵌合部(3)。非嵌合部(3)，係具備：平行部(31)，係具有比直徑DWmm更小之直徑DAmm；以及圓角R部(32)。DW/DA係1.10～1.30，於將及圓角R部(32)之表面當中與平行部(31)之表面相鄰之部分之曲率半徑設為Rf，並將自圓角R部(32)當中為與平行部(31)相接之端部之R端(32E)往平行部(31)側之鐵路用車軸(1)之軸方向之0.23Rf位置及0.57Rf位置之全硬化層深度當中較小之一方設為基準全硬化層深度C _ATmm時，曲率半徑Rf係以式(1)定義之臨界曲率半徑Rcrmm以上60.0mm以下。

Description

鐵路用車軸

本發明係關於車軸，更詳細而言，係關於使用於鐵路車輛之鐵路用車軸。

鐵路用車軸，係具備能夠壓入至鐵路用車輪之嵌合部，以及與嵌合部連接之非嵌合部。具體而言，係以使鐵路用車輪之轂部之孔徑比鐵路用車軸之嵌合部之直徑略小之方式，設有鐵路用車軸之嵌合部之過盈量。於使用時，鐵路用車軸係支撐鐵路車輛之重量。鐵路用車軸，係每當鐵路車輛通過(曲線通過)曲線狀之軌道，便會承受鐵路用車輪與軌道之接觸造成之水平方向之力。亦即，於曲線通過之際，鐵路用車軸，每當鐵路用車輪旋轉一圈，便會反覆承受旋轉彎曲應力。並且，於曲線通過之際，該彎曲應力之振幅會增大。

如前述般，於鐵路用車軸中，在鐵路用車輪被壓入之嵌合部，對於鐵路用車輪之轂部之孔係具有接觸面壓。因此，於鐵路用車輪之嵌合部，會因與鐵路用車輪之接觸，反覆產生微小之滑動。以下，將因鐵路用車輪之嵌合部與鐵路用車輪之接觸所產生微小之滑動稱為磨損(fretting)。已知於鐵路用車軸之嵌合部，會有承受磨損導致之損傷(以下，亦稱為「磨損疲勞」)之情形。

為抑制如此之磨損疲勞，係有對於鐵路用車軸之前述嵌合部實施高頻淬火之情形。嵌合部之表層當中，受到高頻淬火之區域，硬度會提高。如此，將嵌合部之表層當中，藉由高頻淬火使硬度提高之區域稱為「硬化層」。於硬化層會產生壓縮殘留應力。因硬化層產生之壓縮殘留應力，係抑制磨損導致之龜裂開口。亦即，藉由高頻淬火形成之鐵路用車軸之硬化層，係能夠抑制鐵路用車軸之磨損疲勞。

於日本特開平10-8202號公報(專利文獻1)、日本特開平11-279696號公報(專利文獻2)、日本特開2000-73140號公報(專利文獻3)，係提案有實施高頻淬火，以抑制嵌合部之磨損疲勞之鐵路用車軸。

專利文獻1所揭示之鐵路用車軸，係以質量%，含有C：0.3～0.48%、Si：0.05～1%、Mn：0.5～2%、Cr：0.5～1.5%、Mo：0.15～0.3%、Ni：0～2.4%。該鐵路用車軸之嵌合部，係具有維氏硬度400以上之硬化層。嵌合部，係進一步於內部具有麻田散鐵或變韌鐵之區域。於該鐵路用車軸，硬化層之深度係1～4.5mm。於專利文獻1中，係記載該鐵路用車軸具有高疲勞限度。

專利文獻2所揭示之鐵路用車軸，係以質量%，含有C：0.3～0.48%、Si：0.05～1%、Mn：0.5～2%、Cr：0.5～1.5%、Mo：0.15～0.3%，以及Ni：0～2.4%。該鐵路用車軸之嵌合部，係具有維氏硬度400以上之硬化層。嵌合部，係進一步於內部具有回火麻田散鐵或變韌鐵之區域。於該鐵路用車軸，硬化層之深度係5.0mm以上，且係嵌合部直徑之10%以下。於專利文獻2中，係記載該鐵路用車軸具有高磨損疲勞限度。

專利文獻3所揭示之鐵路用車軸，係以質量%，含有C：0.3～0.48%、Si：0.05～1%、Mn：0.5～2%、Cr：0～1.5%、Mo：0～0.3%、Ni：0～2.4%。該鐵路用車軸之嵌合端部及其周邊區域，係具有維氏硬度400以上之硬化層。硬化層之厚度(K)之對於嵌合部直徑(D)之比(K/D)係0.005～0.05。硬化層之上側部分，係含有0.02～2%之B。於專利文獻3中，係記載該鐵路用車軸具有優異之疲勞限度。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開平10-8202號公報 [專利文獻2]日本特開平11-279696號公報 [專利文獻3]日本特開2000-73140號公報 [非專利文獻]

[非專利文獻1]Review of the fatigue damage tolerance of high-speed railway axles in Japan, Taizo Makino, Takanori Kato, Kenji Hirakawa, Engineering Fracture Mechanics 78 (2011) 810～825

[發明所欲解決之問題]

於專利文獻1～3所揭示之鐵路用車軸，係揭示有實施高頻淬火，以抑制嵌合部之磨損疲勞之技術。在對於鐵路用車軸之嵌合部實施高頻淬火，而形成硬化層之情形，係能夠抑制嵌合部之磨損疲勞。

如前述般，為提高鐵路用車軸之疲勞限度，係必須提高以磨損疲勞為代表之嵌合部之疲勞限度。另一方面，就鐵路用車軸而言，非嵌合部亦必須有充分之疲勞限度。因此，於提高嵌合部之疲勞限度之情形，非嵌合部亦能夠獲得充分之疲勞限度為佳。

本揭示之目的，係在於提供一種鐵路用車軸，其能夠使非嵌合部獲得充分之疲勞限度，並且能夠提高嵌合部之疲勞限度。 [解決問題之技術手段]

本揭示之鐵路用車軸，係具備：嵌合部，係具有直徑DWmm之圓柱狀，且能夠壓入至鐵路用車輪；以及非嵌合部，係與前述嵌合部連接，前述非嵌合部，係具備：平行部，係具有比前述直徑DWmm更小之直徑DAmm之圓柱狀；以及圓角R部，係配置於前述嵌合部與前述平行部之間，具有於包含前述鐵路用車軸之中心軸之剖面以凹下之方式彎曲之表面，前述嵌合部及前述非嵌合部，係包含：硬化層，係形成於前述嵌合部及前述非嵌合部之表層；以及母材部，係比前述硬化層更靠內部，前述母材部之化學組成，以質量%計，係： C：0.30～0.42%、 Si：0.10～0.50%、 Mn：0.40～1.20%、 P：超過0%且0.020%以下、 S：超過0%且0.0400%以下、 N：超過0%且0.0200%以下、 O：超過0%且0.0040%以下、 Ca：0～0.0010%、 Cr：0～0.30%、 Mo：0～0.10%、 Cu：0～0.30%、 Ni：0～0.30%、 Al：0～0.100%、 V：0～0.060%、 Ti：0～0.020%、 Nb：0～0.030%、 B：0～0.0050%，以及，剩餘部分係包含Fe及雜質，作為前述直徑DW對於前述直徑DA之比之DW/DA係1.10～1.30，於包含前述鐵路用車軸之中心軸之剖面之前述圓角R部之表面當中，將與前述平行部之表面相鄰之部分之曲率半徑設為Rf，並將自前述圓角R部當中為與前述平行部相接之端部之R端起，往前述平行部側之前述鐵路用車軸之軸方向之0.23Rf位置及0.57Rf位置之全硬化層深度當中較小之一方設為基準全硬化層深度C _ATmm時，前述曲率半徑Rf，係以式(1)定義之臨界曲率半徑Rcrmm以上60.0mm以下。

[發明之效果]

本揭示之鐵路用車軸，係能夠使非嵌合部獲得充分之疲勞限度，並且能夠提高嵌合部之疲勞限度。

本發明者們，係針對鐵路用車軸，調查及研究能夠使非嵌合部獲得充分之疲勞限度，並且能夠提高嵌合部之疲勞限度之手段。因此，本發明者們，係獲得以下之見解。

為於非嵌合部及嵌合部獲得充分之疲勞限度，比硬化層更靠內部之母材部之化學組成，以質量%，係較佳為：C：0.30～0.42%、Si：0.10～0.50%、Mn：0.40～1.20%、P：超過0%且0.020%以下、S：超過0%且0.0400%以下、N：超過0%且0.0200%以下、O：超過0%且0.0040%以下、Ca：0～0.0010%、Cr：0～0.30%、Mo：0～0.10%、Cu：0～0.30%、Ni：0～0.30%、Al：0～0.100%、V：0～0.060%、Ti：0～0.020%、Nb：0～0.030%、B：0～0.0050%、以及，剩餘部分係包含Fe及雜質。

本發明者們，係進一步針對於具有前述化學組成之鐵路用車軸中，能夠使非嵌合部維持充分之疲勞限度，並且能夠提高嵌合部之疲勞限度之手段，著眼於鐵路用車軸之形狀進行研究。

鐵路用車軸，一般而言，係分為嵌合部及非嵌合部以進行疲勞設計。非嵌合部，係包含平行部；圓角R部。圓角R部，係具有於包含鐵路用車軸之中心軸之剖面以凹下之方式彎曲之表面。圓角R部之表面，係滑順地以凹下之方式彎曲。於包含鐵路用車軸之中心軸之剖面之圓角R部之表面，係有為單一之曲率之情形，亦有具有複數個曲率之情形。例如，圓角R部之表面當中，與平行部之端部之表面相鄰之部分之曲率半徑，係不同於與嵌合部之端部之表面相鄰之部分之曲率半徑亦可。然而，於具有複數個曲率之情形，圓角R部之表面係以凹下之方式滑順地彎曲。

一般而言，當鐵路用車軸負載有彎曲力矩，則於圓角R部當中，為與平行部相接之端部之R端會產生應力集中。於R端產生之應力集中，係圓角R部之表面當中，與平行部之表面相鄰之部分之曲率半徑Rf會造成影響。具體而言，圓角R部之曲率半徑Rf越小，則R端之應力集中越增加。負載於R端之最大應力，係以應力集中係數Kt×標稱應力表示。因此，若圓角R部之曲率半徑Rf過小，則應力集中係數Kt會過大。因此，於R端之最大應力會變得過大。結果，負載於R端之應力會超過於R端之疲勞限度，使龜裂容易產生。

考慮到以上情事，以往之鐵路用車軸，係以使於R端之應力不致超過於R端之疲勞限度之方式，設定曲率半徑Rf。如非專利文獻1所記載，以往之鐵路用車軸，係將圓角R部之曲率半徑Rf設定為100mm左右。

另一方面，嵌合部係如後述般，使曲率半徑Rf小，則能夠提高疲勞限度。然而，若使曲率半徑Rf小，則如前述，會於非嵌合部之圓角R部之R端之產生應力集中。亦即，若使曲率半徑Rf小，則非嵌合部之疲勞限度會降低。

在此，本發明者們，係重新調查在對於鐵路用車軸施加彎曲力矩之情形，非嵌合部之最弱部是否為R端。結果，於高應力及短壽命之條件下之疲勞試驗，會於R端之表面起點產生龜裂。另一方面，於接近疲勞限度之低應力及長壽命之條件下之疲勞試驗，並非於R端之表面起點，而是會以平行部之內部之淬火邊界位置(硬化層與母材部之邊界)作為內部起點產生龜裂。亦即，根據本發明者們之調查，係首次發現非嵌合部之龜裂之發生並非必定自R端之表面起點產生，亦有自平行部之內部起點產生之情形。

於內部起點不易受到應力集中之影響。因此，施加於內部起點之應力係接近標稱應力之值。並且，內部起點之局部性之疲勞限度，係比R端之表面起點之局部性之疲勞限度更低。因此，於使曲率半徑Rf減小而提高嵌合部之疲勞限度之情形，即便於R端產生應力集中而使施加於R端之應力提高，該應力亦係R端之局部性之疲勞限度以下，且此時施加於內部起點之應力若係內部起點之局部性之疲勞限度以下，則於非嵌合部能夠維持充分之疲勞限度，並且提高嵌合部之疲勞限度。

本實施方式之鐵路用車軸，係根據以上之技術思想所完成者，本實施方式之鐵路用車軸之要點係如以下所述。

第1構成之鐵路用車軸，係具備：嵌合部，係具有直徑DWmm之圓柱狀，且能夠壓入至鐵路用車輪；以及非嵌合部，係與前述嵌合部連接，前述非嵌合部，係具備：平行部，係具有比前述直徑DWmm更小之直徑DAmm之圓柱狀；以及圓角R部，係配置於前述嵌合部與前述平行部之間，具有於包含前述鐵路用車軸之中心軸之剖面以凹下之方式彎曲之表面，前述嵌合部及前述非嵌合部，係包含：硬化層，係形成於前述嵌合部及前述非嵌合部之表層；以及母材部，係比前述硬化層更靠內部，前述母材部之化學組成，以質量%計，係： C：0.30～0.42%、 Si：0.10～0.50%、 Mn：0.40～1.20%、 P：超過0%且0.020%以下、 S：超過0%且0.0400%以下、 N：超過0%且0.0200%以下、 O：超過0%且0.0040%以下、 Ca：0～0.0010%、 Cr：0～0.30%、 Mo：0～0.10%、 Cu：0～0.30%、 Ni：0～0.30%、 Al：0～0.100%、 V：0～0.060%、 Ti：0～0.020%、 Nb：0～0.030%、 B：0～0.0050%，以及，剩餘部分係包含Fe及雜質，作為前述直徑DW對於前述直徑DA之比之DW/DA係1.10～1.30，於包含前述鐵路用車軸之中心軸之剖面之前述圓角R部之表面當中，將與前述平行部之表面相鄰之部分之曲率半徑設為Rf，並將自前述圓角R部當中為與前述平行部相接之端部之R端起，往前述平行部側之前述鐵路用車軸之軸方向之0.23Rf位置及0.57Rf位置之全硬化層深度當中較小之一方設為基準全硬化層深度C _ATmm時，前述曲率半徑Rf，係以式(1)定義之臨界曲率半徑Rcrmm以上60.0mm以下。

第2構成之鐵路用車軸，係：如第1構成之鐵路用車軸，其中，前述母材部之化學組成，以質量%計，係含有自 Ca：0.0001～0.0010%、 Cr：0.01～0.30%、 Mo：0.01～0.10%、 Cu：0.01～0.30%、 Ni：0.01～0.30%、 Al：0.001～0.100%、 V：0.001～0.060%、 Ti：0.001～0.020%、 Nb：0.001～0.030%，以及 B：0.0001～0.0050%所成之群選擇之1種以上。

以下，針對本實施方式之鐵路用車軸詳細說明。

[鐵路用車軸之構成] 圖1，係本實施方式之鐵路用車軸之側視圖。參照圖1，本實施方式之鐵路用車軸1，係具備嵌合部2、非嵌合部3。嵌合部2，係具有直徑DW(mm)之圓柱狀。嵌合部2之中心軸，係與鐵路用車軸1之中心軸C1一致。鐵路用車軸1之中心軸C1，係往鐵路用車軸1之軸方向延伸。嵌合部2之輪座端2E，係與非嵌合部3之端部連接。於圖1中，鐵路用車軸1，係具備一對嵌合部2。

非嵌合部3，係與嵌合部2連接。於圖1中，非嵌合部3，係配置於一對嵌合部2之間。非嵌合部3之中心軸，係與鐵路用車軸1之中心軸C1一致。非嵌合部3，係包含平行部31、圓角R部32。平行部31，係具有直徑DA(mm)之圓柱狀。直徑DA係比直徑DW更小。

圓角R部32，係具有於包含鐵路用車軸1之中心軸C1之剖面以凹下之方式彎曲之表面。圓角R部32之表面，係滑順地以凹下之方式彎曲。於包含鐵路用車軸1之中心軸C1之剖面之圓角R部32之表面，係具有單一之曲率亦可，具有複數個曲率亦可。例如，圓角R部32之表面當中，與平行部31之表面相鄰之部分之曲率半徑，係不同於與嵌合部2之表面相鄰之部分之曲率半徑亦可。然而，於具有複數個曲率之情形，圓角R部32之表面係以凹下之方式滑順地彎曲。

於包含鐵路用車軸1之中心軸C1之剖面之圓角R部32之表面當中，將與平行部31之表面相鄰之部分之曲率半徑設為Rf(mm)。又，於包含鐵路用車軸1之中心軸C1之剖面之圓角R部32之表面為單一之曲率之情形，將圓角R部32之表面整體之曲率半徑設為Rf(mm)。

如前述般，平行部31之直徑DA，係比嵌合部2之直徑DW更小。因此，平行部31與嵌合部2之間會形成階差。鐵路用車軸1，係實心亦可，係中空亦可。平行部31之直徑DA雖未特別限定，然而直徑DA係例如為100～200mm。嵌合部2之直徑DW雖未特別限定，然而直徑DW係110～260mm。

圖2，係圖1所示之鐵路用車軸1之於包含中心軸C1之面之剖面圖。參照圖2，嵌合部2及非嵌合部3，係包含硬化層HL、母材部BM。硬化層HL，係形成於嵌合部2及非嵌合部3之表層。具體而言，硬化層HL，係形成於自嵌合部2及非嵌合部3之表面至預定深度之範圍之表層。又，於圖2中，硬化層HL，係形成於嵌合部2之表層之一部分，而並未形成於其他之一部分。如此，硬化層HL，未形成於嵌合部2之表層整體亦可，於鐵路用車軸1之軸方向，形成於嵌合部2之表層之至少一部分之區域亦可。硬化層HL，係形成於嵌合部2之表層整體亦可。並且，硬化層HL，係形成於非嵌合部3之表層整體。

[實施方式之鐵路用車軸1之特徵] 本實施方式之鐵路用車軸1，係包含以下之特徵。 (特徵1) 母材部BM之化學組成，以質量%計，係：C：0.30～0.42%、Si：0.10～0.50%、Mn：0.40～1.20%、P：超過0%且0.020%以下、S：超過0%且0.0400%以下、N：超過0%且0.0200%以下、O：超過0%且0.0040%以下、Ca：0～0.0010%、Cr：0～0.30%、Mo：0～0.10%、Cu：0～0.30%、Ni：0～0.30%、Al：0～0.100%、V：0～0.060%、Ti：0～0.020%、Nb：0～0.030%、B：0～0.0050%，以及剩餘部分係包含Fe及雜質。 (特徵2) 作為直徑DW對於直徑DA之比之DW/DA係1.10～1.30。 (特徵3) 將自圓角R部32當中為與平行部31相接之端部之R端32E往平行部31側之鐵路用車軸1之軸方向之0.23Rf位置及0.57Rf位置之全硬化層深度當中較小之一方設為基準全硬化層深度C _ATmm時，曲率半徑Rf係以式(1)定義之臨界曲率半徑Rcrmm以上60.0mm以下。

以下，針對特徵1～特徵3進行說明。

[關於母材部BM之化學組成] 於本實施方式中，母材部BM之化學組成，係含有以下之元素。以下，關於元素之%，若未特別限定，則係意指質量%。

C：0.30～0.42% 碳(C)係使鋼之硬度提高。C係進一步使藉由進行高頻淬火所得之硬化層HL之硬度提高。若C含量係0.30%以上，則能夠充分獲得前述效果。另一方面，若C含量係0.42%以下，則能夠充分抑制高頻淬火時之淬裂。因此，C含量係0.30～0.42%。 C含量之較佳下限係0.32%，更佳係0.35%。 C含量之較佳上限係0.40%，更佳係0.38%。

Si：0.10～0.50% 矽(Si)係使鋼脫氧。Si係進一步使鋼之回火軟化阻抗提高，並使鐵路用車軸1之疲勞限度提高。若Si含量係0.10%以上，則能夠充分獲得前述效果。另一方面，若Si含量係0.50%以下，則能夠充分抑制高頻淬火時之淬裂。因此，Si含量係0.10～0.50%。 Si含量之較佳下限係0.12%，更佳係0.15%，更佳係0.18%。 Si含量之較佳上限係0.48%，更佳係0.45%，更佳係0.40%。

Mn：0.40～1.20% 錳(Mn)係使鋼之淬火性提高，使硬化層HL具有充分厚度，並使鐵路用車軸1之疲勞限度提高。若Mn含量係0.40%以上，則能夠充分獲得前述效果。另一方面，若Mn含量係1.20%以下，則能夠抑制嵌合部2之硬化層HL變得過厚。因此，嵌合部2能夠獲得充分之疲勞限度。因此，Mn含量係0.40～1.20%。 Mn含量之較佳下限係0.42%，更佳係0.45%，更佳係0.55%，更佳係0.65%。 Mn含量之較佳上限係1.15%，更佳係1.10%，更佳係1.07%，更佳係0.95%。

P：超過0%且0.020%以下磷(P)係不可避免地含有之雜質。亦即，P含量係超過0%。P會偏析至晶界而使鋼之疲勞限度降低。若P含量係0.020%以下，則鐵路用車軸1能夠獲得充分之疲勞限度。因此，P含量係超過0%且0.020%以下。 P含量之較佳上限係0.018%，更佳係0.016%，更佳係0.015%，更佳係0.014%。 P含量係盡可能地低為佳。然而，使P含量過度降低，會導致製造成本大幅提高。因此，於考慮工業生產之情形，P含量之較佳下限係0.001%，更佳係0.002%。

S：超過0%且0.0400%以下硫(S)係不可避免地含有之雜質。亦即，S含量係超過0%。S會與Mn鍵結而生成MnS。MnS會使鋼之疲勞限度降低。若S含量係0.0400%以下，則鐵路用車軸1能夠獲得充分之疲勞限度。因此，S含量係超過0%且0.0400%以下。 S含量之較佳上限係0.0300%，更佳係0.0200%，更佳係0.0150%，更佳係0.0100%。 S含量係盡可能地低為佳。然而，使S含量過度降低，會導致製造成本大幅提高。因此，於考慮工業生產之情形，S含量之較佳下限係0.0001%，更佳係0.0005%，更佳係0.0010%，更佳係0.0030%。

N：超過0%且0.0200%以下氮(N)係不可避免地含有之雜質。亦即，N含量係超過0%。N係與Al等鍵結而形成細微之氮化物，使晶粒細微化。然而，若N含量過高，則會形成粗大之氮化物，而使鋼之疲勞限度降低。若N含量係0.0200%以下，則能夠抑制粗大之氮化物之形成。因此，鐵路用車軸1能夠獲得充分之疲勞限度。因此，N含量係超過0%且0.0200%以下。 N含量之較佳上限係0.0150%，更佳係0.0120%，更佳係0.0100%，更佳係0.0090%，更佳係0.0080%，更佳係0.0070%。 N含量之較佳下限係0.0010%，更佳係0.0020%，更佳係0.0030%。

O：超過0%且0.0040%以下氧(O)係不可避免地含有之雜質。亦即，O含量係超過0%。O會形成粗大之氧化物，而有成為疲勞破壞之起點之情形。若O含量係0.0040%以下，則能夠抑制粗大之氧化物之形成。因此，鐵路用車軸1能夠獲得充分之疲勞限度。因此，O含量係0.0040%以下。 O含量之較佳上限係0.0030%，更佳係0.0025%，更佳係0.0020%，更佳係0.0015%。 O含量係盡可能地低為佳。然而，使O含量過度降低，會導致製造成本大幅提高。因此，於考慮工業生產之情形，O含量之較佳下限係0.0001%，更佳係0.0002%，更佳係0.0005%。

本實施方式之鐵路用車軸1之母材部BM之化學組成之剩餘部分，係包含Fe及雜質。在此，所謂化學組成中之雜質，係意指於工業性製造鐵路用車軸1之鋼材之際，自作為原料之礦石、廢料或製造環境混入者，且非刻意含有者，在不對於本實施方式之鐵路用車軸1造成不良影響之範圍內受到容許。

[關於任意元素(Optional Elements)] 本實施方式之鐵路用車軸1之母材部BM之化學組成，亦可取代Fe之一部分，進一步含有自 Ca：0～0.0010%、 Cr：0～0.30%、 Mo：0～0.10%、 Cu：0～0.30%、 Ni：0～0.30%、 Al：0～0.100%、 V：0～0.060%、 Ti：0～0.020%、 Nb：0～0.030%，以及 B：0～0.0050%所成之群選擇之1種以上。該等元素皆係任意元素。以下，針對該等任意元素進行說明。

[第1群：Ca] 本實施方式之鐵路用車軸1之母材部BM之化學組成，亦可取代Fe之一部分，進一步含有Ca。

Ca：0～0.0010% 鈣(Ca)係雜質，為0%亦可。Ca會使矽酸鹽系夾雜物(JIS G 0555：2003所規定之群組C)凝集，而使疲勞限度降低。若Ca含量係0.0010%以下，則能夠充分抑制矽酸鹽系夾雜物之凝集。因此，鐵路用車軸1能夠獲得充分之疲勞限度。因此，Ca含量係0～0.0010%。 Ca含量係盡可能地低為佳。然而，使Ca含量過度降低，會導致製造成本大幅提高。因此，於考慮工業生產之情形，Ca含量之較佳下限係0.0001%，更佳係0.0002%，更佳係0.0003%。 Ca含量之較佳上限係0.0009%，更佳係0.0008%，更佳係0.0006%。

[第2群：Cr、Mo、Cu及Ni] 本實施方式之鐵路用車軸1之母材部BM之化學組成，亦可取代Fe之一部分，進一步含有自Cr、Mo、Cu及Ni所成之群選擇之1種以上。該等元素係任意元素，皆藉由固溶提高鋼之強度。

Cr：0～0.30% 鉻(Cr)係任意元素，不含有亦可。亦即，Cr含量係0%亦可。於含有Cr之情形，亦即，於Cr含量超過0%之情形，Cr會使鋼之強度提高。若含有少許Cr，便能夠於一定程度獲得該效果。另一方面，若Cr含量係0.30%以下，則能夠抑制硬化層HL變得過厚。因此，鐵路用車軸1能夠獲得充分之疲勞限度。因此，Cr含量係0～0.30%。 Cr含量之較佳下限係0.01%，更佳係0.03%，更佳係0.06%，更佳係0.10%。 Cr含量之較佳上限係0.28%，更佳係0.25%，更佳係0.20%。

Mo：0～0.10% 鉬(Mo)係任意元素，不含有亦可。亦即，Mo含量係0%亦可。於含有Mo之情形，亦即，於Mo含量超過0%之情形，Mo會使鋼之強度提高。若含有少許Mo，便能夠於一定程度獲得前述效果。然而，Mo含量若超過0.10%，則前述效果會飽和。因此，Mo含量係0～0.10%。 Mo含量之較佳下限係0.01%，更佳係0.02%，更佳係0.03%，更佳係0.04%。 Mo含量之較佳上限係0.09%，更佳係0.08%，更佳係0.07%。

Cu：0～0.30% 銅(Cu)係任意元素，不含有亦可。亦即，Cu含量係0%亦可。於含有Cu之情形，亦即，於Cu含量超過0%之情形，Cu會使鋼之強度提高。若含有少許Cu，便能夠於一定程度獲得該效果。另一方面，若Cu含量係0.30%以下，則鋼能夠獲得充分之熱加工性。因此，Cu含量係0～0.30%。 Cu含量之較佳下限係0.01%，更佳係0.02%。 Cu含量之較佳上限係0.25%，更佳係0.20%，更佳係0.15%，更佳係0.10%，更佳係0.05%。

Ni：0～0.30% 鎳(Ni)係任意元素，不含有亦可。亦即，Ni含量係0%亦可。於含有Ni之情形，亦即，於Ni含量超過0%之情形，Ni會使鋼之強度提高。若含有少許Ni，便能夠於一定程度獲得該效果。然而，Ni含量若超過0.30%，則前述效果會飽和。因此，Ni含量係0～0.30%。 Ni含量之較佳下限係0.01%，更佳係0.02%，更佳係0.04%。 Ni含量之較佳上限係0.25%，更佳係未達0.20%，更佳係0.15%，更佳係0.10%。

[第3群：Al] 本實施方式之鐵路用車軸1之母材部BM之化學組成，亦可取代Fe之一部分，進一步含有Al。

Al：0～0.100% 鋁(Al)係任意元素，不含有亦可。亦即，Al含量係0%亦可。於含有Al之情形，亦即，於Al含量超過0%之情形，Al會使鋼脫氧。Al係進一步與N鍵結而形成AlN，使晶粒細微化。因此，使鋼之韌性提高。若含有少許Al，便能夠於一定程度獲得該效果。另一方面，若Al含量係0.100%以下，則能夠抑制粗大之氧化物系夾雜物之生成。因此，鐵路用車軸1能夠獲得充分之疲勞限度。因此，Al含量係0～0.100%。 Al含量之較佳下限係0.001%，更佳係0.005%，更佳係0.007%，更佳係0.010%，更佳係0.015%，更佳係0.020%。 Al含量之較佳上限係0.080%，更佳係0.060%，更佳係0.050%，更佳係0.045%，更佳係0.040%。於本說明書中，Al含量係意指酸可溶Al(sol.Al)之含量。

[第4群：V、Ti及Nb] 本實施方式之鐵路用車軸1之母材部BM之化學組成，亦可取代Fe之一部分，進一步含有自V、Ti及Nb所成之群選擇之1種以上。該等元素係任意元素，皆形成析出物，使鋼之強度提高。

V：0～0.060% 釩(V)係任意元素，不含有亦可。亦即，V含量係0%亦可。於含有V之情形，亦即，於V含量超過0%之情形，V會與N或C鍵結而形成V(C、N)。V(C、N)係使鋼之強度提高。V(C、N)係進一步使晶粒細微化，使鋼之疲勞強度提高。若含有少許V，便能夠於一定程度獲得該效果。另一方面，若V含量係0.060%以下，則鋼能夠獲得充分之韌性。因此，V含量係0～0.060%。 V含量之較佳下限係0.001%，更佳係0.005%，更佳係0.008%，更佳係0.010%。 V含量之較佳上限係0.055%，更佳係0.050%，更佳係0.045%，更佳係0.040%。

Ti：0～0.020% 鈦(Ti)係任意元素，不含有亦可。亦即，Ti含量係0%亦可。於含有Ti之情形，亦即，於Ti含量超過0%之情形，Ti會與N鍵結而生成細微之TiN。TiN係使鋼之強度提高。TiN係進一步使晶粒細微化，使鋼之疲勞限度提高。若含有少許Ti，便能夠於一定程度獲得該效果。另一方面，若Ti含量係0.020%以下，則鋼能夠獲得充分之韌性。因此，Ti含量係0～0.020%。 Ti含量之較佳下限係0.001%，更佳係0.002%，更佳係0.003%。 Ti含量之較佳上限係0.018%，更佳係0.015%，更佳係0.013%，更佳係0.010%，更佳係0.007%。

Nb：0～0.030% 鈮(Nb)係任意元素，不含有亦可。亦即，Nb含量係0%亦可。於含有Nb之情形，亦即，於Nb含量超過0%之情形，Nb會與N或C鍵結而形成Nb(C、N)。Nb(C、N)係進一步使晶粒細微化，使鋼之強度及韌性提高。若含有少許Nb，便能夠於一定程度獲得該效果。另一方面，若Nb含量係0.030%以下，則鋼能夠獲得充分之韌性。因此，Nb含量係0～0.030%。 Nb含量之較佳下限係0.001%，更佳係0.002%，更佳係0.003%，更佳係0.005%。 Nb含量之較佳上限係0.029%，更佳係0.027%，更佳係0.025%，更佳係0.020%。

[第5群：B] 本實施方式之鐵路用車軸1之母材部BM之化學組成，亦可取代Fe之一部分，進一步含有B。

B：0～0.0050% 硼(B)係任意元素，不含有亦可。亦即，B含量係0%亦可。於含有B之情形，亦即，於B含量超過0%之情形，B會使鋼之淬火性提高。若含有少許B，便能夠於一定程度獲得該效果。另一方面，若B含量係0.0050%以下，則鋼能夠獲得充分之韌性。因此，B含量係0～0.0050%。 B含量之較佳下限係0.0001%，更佳係0.0003%，更佳係0.0005%，更佳係0.0007%。 B含量之較佳上限係0.0040%，更佳係0.0030%，更佳係0.0020%。

[關於母材部BM之微組織] 較佳為，本實施方式之鐵路用車軸1之母材部BM之微組織，係以肥粒鐵及波來鐵組織為主體。於本說明書中所謂「以肥粒鐵及波來鐵組織為主體」，係意指微組織中之肥粒鐵與波來鐵之總面積率為70%以上。本實施方式之鐵路用車軸1之母材部BM之微組織之剩餘部分，例如係回火麻田散鐵、變韌鐵及殘留奧斯田鐵。

又，微組織中之肥粒鐵與波來鐵之總面積率，係能夠藉由以下之方法求取。自嵌合部2或非嵌合部3之垂直於中心軸C1方向之剖面之母材部BM內之任意位置，採集5個微組織觀察用之樣本。將垂直於中心軸C1之剖面作為觀察面。將各樣本之觀察面研磨為鏡面之後，浸漬於硝酸腐蝕液10秒左右，藉由蝕刻使微組織顯現。藉由光學顯微鏡觀察所蝕刻之觀察面。將每1視野設為40000μm ²(倍率500倍)，針對各樣本於1視野(亦即使用5個樣本，合計5視野)進行觀察。於各視野中，係根據對比(contrast)，辨識肥粒鐵及波來鐵。根據所辨識之肥粒鐵及波來鐵之總面積，以及各視野之面積(40000μm ²)，求取各視野之肥粒鐵及波來鐵之總面積率。將於各視野所求取之肥粒鐵及波來鐵之總面積率之算術平均值，定義為肥粒鐵及波來鐵之總面積率(%)。

[關於硬化層HL] 於本說明書中所謂硬化層HL，係意指藉由高頻淬火所形成，與母材部BM相比，維氏硬度提高之區域。於本說明書中，硬化層HL，係意指自表面根據JIS G 0559：2019規定為全硬化層深度之區域。

[全硬化層深度之測定方法] 全硬化層深度，係能夠依據JIS G 0559：2019，藉由以下之方法求取。依據相同規格實施巨觀組織試驗。

具體而言，係於自圓角R部32當中為與平行部31相接之端部之R端32E往平行部31側之鐵路用車軸1之軸方向之0.23Rf之位置，採集具有垂直於鐵路用車軸1之軸方向之剖面之試驗片。將試驗片之該剖面作為測定面。鐵路用車軸1之該測定面之位置，係於自圓角R部32當中為與平行部31相接之端部之R端32E往平行部31側之鐵路用車軸1之軸方向之0.23Rf之位置。繞鐵路用車軸1之中心軸C1以90°間隔採集4個試驗片。各試驗片，皆具有0.23Rf位置之測定面。測定面之尺寸，係鐵路用車軸1之徑方向長度為20mm，垂直於徑方向長度之方向之長度(大致周方向長度)為15mm。又，測定面當中之一邊，係相當於鐵路用車軸1之平行部31之外周面。然而，該一邊係微幅彎曲。將該彎曲之一邊稱為「彎曲邊」。並且，將該等4個試驗片，稱為「0.23Rf位置試驗片」。

同樣地，係於自圓角R部32當中為與平行部31相接之端部之R端32E往平行部31側之鐵路用車軸1之軸方向之0.57Rf之位置，採集具有垂直於鐵路用車軸1之軸方向之剖面之試驗片。將試驗片之該剖面作為測定面。鐵路用車軸1之該測定面之位置，係於自圓角R部32當中為與平行部31相接之端部之R端32E往平行部31側之鐵路用車軸1之軸方向之0.57Rf之位置。繞鐵路用車軸1之中心軸C1以90°間隔採集4個試驗片。各試驗片，皆具有0.57Rf位置之測定面。測定面之尺寸，係鐵路用車軸1之徑方向長度為20mm，垂直於徑方向長度之方向之長度(大致周方向長度)為15mm。又，測定面當中之一邊，係相當於鐵路用車軸1之平行部31之外周面。然而，該一邊係微幅彎曲。將該彎曲之一邊稱為「彎曲邊」。並且，將該等4個試驗片，稱為「0.57Rf位置試驗片」。

將各試驗片之測定面浸漬於硝酸腐蝕液10秒左右，藉由蝕刻使微組織顯現。於蝕刻後之測定面，能夠明確地確認到硬化層HL與母材部BM之介面。將於測定面，自硬化層HL之表面(彎曲邊之中央位置)至該介面為止之距離(鐵路用車軸1之徑方向距離)，設為全硬化層深度(mm)。將於4個0.23Rf位置試驗片之測定面所測定之4個全硬化層深度之算術平均值，定義為0.23Rf位置之全硬化層深度(mm)。將於4個0.57Rf位置試驗片之測定面所測定之4個全硬化層深度之算術平均值，定義為0.57Rf位置之全硬化層深度(mm)。

[關於硬化層HL之微組織] 較佳為，硬化層HL之微組織，係以麻田散鐵及變韌鐵為主體。硬化層之微組織係習知者。於硬化層HL當中，自表面至全硬化層深度之1/2深度位置為止之區域，麻田散鐵與變韌鐵之總面積率係80%以上。

自硬化層HL之表面至全硬化層深度之1/2深度位置為止之區域之微組織，係能夠藉由以下之方法觀察。採集5個於硬化層HL當中至少包含自表面至全硬化層深度區域之試驗片。各試驗片之表面當中，將垂直於中心軸C1之剖面作為觀察面。將各樣本之觀察面研磨為鏡面之後，浸漬於硝酸腐蝕液10秒左右，藉由蝕刻使微組織顯現。於蝕刻後之觀察面，能夠明確地確認到硬化層HL與母材部BM之介面。於各試驗片之觀察面中，將自硬化層HL之表面起全硬化層深度之1/2深度位置作為中心，藉由倍率500倍之光學顯微鏡觀察視野面積為40000μm ²之矩形之觀察視野(200μm×200μm)。

於各觀察視野中，根據對比(contrast)，辨識麻田散鐵及變韌鐵，與麻田散鐵及變韌鐵以外之相(肥粒鐵等)。麻田散鐵與變韌鐵難以藉由對比進行區別。然而，麻田散鐵及變韌鐵，與麻田散鐵及變韌鐵以外之組織(肥粒鐵、波來鐵、奧斯田鐵)，係能夠輕易藉由對比進行區別。根據所辨識之麻田散鐵及變韌鐵之總面積，以及觀察視野之面積(40000μm ²)，求取各觀察視野之麻田散鐵及變韌鐵之總面積率。將於5個觀察視野所求取之麻田散鐵及變韌鐵之總面積率之算術平均值，定義為麻田散鐵及變韌鐵之總面積率(%)。

又，硬化層HL之微組織係不同於母材部BM之微組織，硬化層HL之化學組成係與母材部BM之前述之化學組成相同。亦即，硬化層HL，係具有記載於特徵1之化學組成。

[(特徵2)關於DW/DA] 於本實施方式之鐵路用車軸1，作為嵌合部2之直徑DW對於平行部31之直徑DA之比之DW/DA，係1.10～1.30。

如前述般，於嵌合部2容易產生磨損疲勞。對於鐵路用車軸1負載有彎曲力矩，導致嵌合部2與鐵路用車輪之接觸所造成之反覆發生之微小之滑動，被認為係磨損疲勞之原因。於施加有彎曲力矩之情形，視DW/DA，施加於嵌合部2之表面之應力會變化。具體而言，DW/DA大之情形，嵌合部2之表面之彎曲應力容易緩和。因此，若使DW/DA大，則能夠抑制嵌合部2之磨損疲勞。亦即，若使DW/DA大，則於嵌合部2之疲勞限度會提高。

因此，於本實施方式，係使DW/DA為1.10以上。於此情形，能夠充分提高嵌合部2之疲勞限度，而抑制磨損疲勞。另一方面，若直徑比DW/DA過大，則於後述之製造步驟中之高頻淬火，自非嵌合部3至嵌合部2之加熱及冷卻會變得不均一。結果，會有導致嵌合部2之一部分粗粒化，或嵌合部2之硬化層HL變得極端地薄之情形。因此，本實施方式之鐵路用車軸1，DW/DA係1.10～1.30。

DW/DA之較佳下限係1.11，更佳係1.12，更佳係1.13，更佳係1.14。 DW/DA之較佳上限係1.25，更佳係1.22，更佳係1.20，更佳係1.19，更佳係1.18。

[(特徵3)關於圓角R部32之曲率半徑Rf] 本實施方式之鐵路用車軸1，係進而將自圓角R部32之表面當中為與平行部31之表面相接之端部之R端32E起，於平行部31側之鐵路用車軸1之軸方向之0.23Rf位置及0.57Rf位置之全硬化層深度當中較小之一方設為基準全硬化層深度C _ATmm時，曲率半徑Rf係以式(1)定義之臨界曲率半徑Rcrmm以上60.0mm以下。

在此，於圓角R部32具有複數個曲率半徑之情形，與平行部31之表面相鄰之部分之曲率半徑Rf，係意指自平行部31之端部之接點往圓角R部之軸方向，離圓角R部之長度之1/4之範圍之曲率半徑(mm)。

本實施方式之鐵路用車軸1，藉由使於包含鐵路用車軸1之中心軸C1之剖面之圓角R部32之表面當中，與平行部31之表面相鄰之部分之曲率半徑Rf滿足前述範圍，係能夠維持非嵌合部3之充分之疲勞限度，並且提高嵌合部2之疲勞限度。以下，針對該點進行說明。

[於嵌合部2之疲勞限度之探討] 如前述般，於嵌合部2容易產生磨損疲勞。因此，於嵌合部2，會存在有關於斷裂之疲勞限度，以及關於磨損導致之龜裂產生之疲勞限度。於嵌合部2，即便在負載有未達關於斷裂之疲勞限度之應力之情形，該所負載之應力，若超過關於龜裂產生之疲勞限度，則會產生磨損疲勞。然而，若關於斷裂之疲勞限度提高，則關龜裂產生之疲勞限度亦會提高。因此，若使嵌合部2之關於斷裂之疲勞限度提高，便亦能夠抑制磨損導致之龜裂產生。根據以上事項，嵌合部2之關於斷裂之疲勞限度係盡可能地高為佳。

[於非嵌合部3之疲勞限度之探討] 為確保使非嵌合部3有充分之疲勞限度，並且提高嵌合部2之疲勞限度，本發明者們，係首先對於具有滿足特徵1之化學組成之鐵路用車軸1實施以下之疲勞試驗，調查於非嵌合部3之疲勞限度。

具體而言，係準備滿足特徵1之化學組成，並實施了高頻淬火之供試車軸。為於供試車軸之非嵌合部3產生破壞，係使嵌合部2之直徑DW為169mm，使非嵌合部3之平行部31之直徑DA為130mm，而使DW/DA=1.30。亦即，使嵌合部2與非嵌合部3之階差大。於供試車軸之R端32E之全硬化層深度係7.7mm，於平行部31之硬化層深度係10.7mm。

疲勞試驗，係使用具備直行之2軸之致動器之電油壓伺服型疲勞試驗機，實施以下試驗：實施施加90°相位差之反覆負載之旋轉彎曲之負載模式之疲勞試驗，以及藉由一般之單軸之電油壓伺服型疲勞試驗機進行之彎曲疲勞試驗。自供試車軸之圓角R部32至涵蓋平行部31之範圍貼附應變計，於疲勞試驗前施加靜態彎曲負載，並測定所產生之應力(於供試車軸之表面之軸方向之應力分布)。根據所獲得之應力分布與試驗力之關係，求取成為於疲勞試驗之龜裂之起點之位置之正上方表面之應力，而將此作為代表應力。於疲勞試驗，係使作用於供試車軸之應力比為-1，使試驗頻率為1Hz。試驗環境係室溫大氣當中，於反覆次數達10 ⁷次而未確認到巨觀龜裂之情形，中止疲勞試驗。在此，所謂巨觀龜裂，係意指以目視確認之結果，為總長度10mm以上之龜裂。

於前述疲勞試驗，係於非嵌合部3之自圓角R部32至平行部31之區域，使供試車軸之表面產生數十mm之巨觀龜裂。圖3，係以代表應力整理之S-N線圖。供試車軸之代表應力所導致之疲勞限度係338MPa。代表應力所導致之疲勞限度(338MPa)，係實施疲勞試驗之際在最長壽命產生巨觀龜裂之條件下之代表應力，與於反覆次數達10 ⁷次而未確認到巨觀龜裂之條件下之代表應力之平均。在此，後者之所謂未確認到巨觀龜裂之條件下之代表應力，係於藉由前述巨觀龜裂發生條件求取之代表應力之起點正上方表面位置之應力，於圖3中，係相當於在10 ⁷次之反覆次數之位置附加箭號所描繪之2點當中較高一方之應力。

針對於疲勞試驗確認到巨觀龜裂之供試車軸，使斷裂面露出以確認龜裂之起點位置。圖4，係表示於包含供試車軸之中心軸之剖面之龜裂之起點位置。於複數之供試車軸之試驗之結果，係於1個供試車軸，確認到在圓角R部32之R端32E附近之表面起點(起點位置)之龜裂。並且，於4個供試車軸，確認到在自平行部31之表面起深度12～14mm之母材部BM之內部起點(起點位置)之龜裂。參照圖3及圖4，於圖3之S-N曲線之點當中，內部起點之點係附加有「/」。參照圖3及圖4，於表面起點之龜裂會於高應力及短壽命下產生，於內部起點之龜裂會於低應力及長壽命下產生。

自以上之試驗結果，可知鐵路用車軸1之於非嵌合部3之疲勞限度，係根據於R端32E之疲勞限度或於平行部31之內部之疲勞限度，與負載應力之大小關係決定。並且，藉由進一步調查，可知內部起點之起點位置之深度位置，係相當於硬化層HL之全硬化層深度，亦即內部淬火邊界位置。並且，內部起點之供試車軸之軸方向位置，係自R端32E起之14～34mm。若使用圓角R部32之曲率半徑Rf表示該內部起點之軸方向位置，則係0.23Rf～0.57Rfmm。

若考慮以上情事，於在滿足特徵1之化學組成之鐵路用車軸1之非嵌合部3產生龜裂之情形，並非必定於R端32E附近之表面起點產生龜裂，而是會於R端32E附近之表面起點，或是於自R端32E起與平行部31側往軸方向0.23Rf～0.57Rf之範圍之相當於硬化層HL之內部淬火邊界位置之內部起點之任一者產生龜裂。

在此，於前述之疲勞試驗所獲得之疲勞限度(338MPa)，係所對應之內部起點之正上方之表面應力。具體而言，係自所獲得之5個起點位置(1個表面起點，以及4個內部起點)當中最低之表面應力，求取供試車軸之疲勞限度(338MPa)。

參照圖3，於內部起點位置之疲勞限度，對於表面應力(疲勞限度)，係與內部起點之深度對於平行部31之半徑(DA/2)之比成反比。因此，於圖4中，表示338MPa之疲勞限度者，係xz座標之(74,14)之內部起點。因此，於表面應力為338MPa之該內部起點之疲勞限度係275MPa。以上，可設想於平行部31之內部起點產生龜裂之情形之疲勞限度，係至少為275MPa。

另一方面，於R端32E附近之表面起點產生龜裂時之代表應力(最小斷裂應力)係501MPa，其斷裂反覆次數係2.32×10 ⁵。一般而言，於內部起點破壞與表面起點破壞混雜之S-N線圖中，表面起點破壞之S-N曲線之折曲點之斷裂反覆次數係1.00×10 ⁵左右。因此，根據斷裂反覆次數，於本疲勞試驗所獲得之於表面起點之代表應力(最小斷裂應力)係接近疲勞限度。並且，於比表面起點更長壽而於內部起點斷裂之情形，係至少至該斷裂壽命為止，不會於表面產生龜裂。於表面，係於圓角R部32之R端32E附近產生最大之應力。在此，考慮到即便為該應力亦未產生龜裂，在求取於表面起點之疲勞限度之情形係使用於圓角R部32之表面上之最大應力(亦即，於R端32E附近之最大應力)。在此，於本實施方式中，若求取作為於表面起點產生龜裂時之代表應力(最小斷裂應力)之501MPa，與變得比表面起點更長壽之情形之於圓角R部32之表面上之最大應力(494MPa)之算術平均值，係498MPa。以上，可設想於R端32E附近之表面起點產生龜裂之情形之疲勞限度，係至少為498MPa。

根據以上之實驗結果，於滿足特徵1之化學組成之鐵路用車軸1中，假設於非嵌合部3之表面起點(R端32E附近)之疲勞限度係498MPa，於內部起點(內部淬火邊界位置)之疲勞限度係275MPa。

[嵌合部2附近之形狀與嵌合部2之疲勞限度之關係] 接著，探討嵌合部2附近之形狀與嵌合部2之疲勞限度之關係。圖5，係圖1之鐵路用車軸1之嵌合部2附近之放大圖。參照圖5，使嵌合部2與平行部31之階差k(mm)增大，或是使於作為嵌合部2與圓角R部32之邊界之輪座端2E之嵌合接觸角θ(°)增大，藉此能夠使嵌合部2之疲勞強度提高。所謂嵌合接觸角θ，係如圖5所示，意指於包含中心軸之鐵路用車軸1之剖面中，於輪座端2E之圓角R部32之表面之切線與鐵路用車軸1之軸線方向所成之角度(°)。

圖6，係表示於使DW/DA變化之情形之嵌合接觸角θ與嵌合部2之疲勞限度提升率φ之關係之圖。在此，所謂疲勞限度提升率，係意指自對於DW/DA=1.00之鐵路用車軸(亦即，無階差之鐵路用車軸)之嵌合部之疲勞限度的疲勞限度之比，減去1.0之值。如圖6所示，DW/DA越大(亦即，階差k越大)，以及嵌合接觸角θ越大，則嵌合部2之疲勞限度越高。在此，圓角R部32之曲率半徑Rf與嵌合接觸角θ之關係，在幾何學上，能夠藉由以下之式表示。

於前述之式中，k=(DW-DA)/2。圖7，係表示藉由前述式求取之Rf/k與嵌合接觸角θ之關係之圖。參照圖7，於階差k為一定之情形，Rf越大，則嵌合接觸角θ越小。又，於前述之說明中，係假設圓角R部32之表面具有單一之曲率半徑Rf以進行說明，然而於圓角R部32之表面具有複數個曲率半徑之情形亦能夠運用前述式。具體而言，於圓角R部32具有複數個曲率半徑之情形，圓角R部32之表面當中，相鄰於嵌合部2之部分之曲率半徑，係比相鄰於平行部31之表面之部分之曲率半徑Rf更小。因此，該情形之嵌合接觸角θ，係比使用曲率半徑Rf藉由前述式求取之情形更大。嵌合接觸角θ越大，則嵌合部2之疲勞限度越高。根據以上情事，即便於圓角R部32之表面具有複數個曲率半徑之情形，若使用曲率半徑Rf評估嵌合接觸角θ，能夠獲得更為顧及安全之評估，故為妥善。

若結合圖6與圖7之關係，係如圖8所示。於圖8中，係將嵌合部之疲勞限度，正規化作為對於曲率半徑Rf=100mm之以往之鐵路用車軸之嵌合部之疲勞限度之比(嵌合部疲勞限度比)。參照圖8，在未因施加於鐵路用車軸1之反覆負載應力導致非嵌合部3產生龜裂之情形，DW/DA為1.10～1.30且曲率半徑Rf為60.0mm之情形之嵌合部疲勞限度比，係1.11～1.28倍。並且，如圖8所示，若曲率半徑Rf係60.0mm以下，則能夠使嵌合部疲勞限度比進一步提高。因此，若使曲率半徑Rf之上限為60.0mm，則與曲率半徑100mm左右之以往之鐵路用車軸相比，能夠於嵌合部2獲得優異之疲勞限度。

[於非嵌合部3之R端32E之應力集中] 如以上般，於本實施方式，於非嵌合部3未產生龜裂之情形，為使嵌合部2之疲勞限度提高，係使圓角R部32之曲率半徑Rf為60.0mm以下。然而，如前述般，曲率半徑Rf越小，則於R端32E之應力集中越大。施加於R端32E之表面起點之負載應力，係以應力集中係數×標稱應力表示。因此，若應力集中增大，則施加於R端32E之應力增大，而超過斷裂應力(498MPa)。於此情形，於非嵌合部3無法獲得充分之疲勞限度。

在此，藉由FEM分析，評估曲率半徑Rf及DW/DA對於R端32E之應力集中係數造成之影響。於FEM分析，係使用Dassault Systèmes公司製之通用碼之商品名Abaqus。製作藉由軸對稱傅立葉元素進行之有限元素(finite element)分割，使R端附近之元素尺寸為Rf/10以下。將輸入物性設為楊氏模數205.8GPa、蒲松比0.3，並實施彈性分析。將所得結果表示圖9。參照圖9，應力集中係數Kt係對於將曲率半徑除以平行部直徑之Rf/DA呈現負相關。另一方面，應力集中係數Kt，係實質上不取決於DW/DA。

[關於曲率半徑Rf之下限] 如前述般，若使曲率半徑Rf小，則非嵌合部3之R端32E之應力集中係數Kt會提高。因此，會有負載於R端32E之表面起點之應力提高，而超過表面起點之疲勞限度(498MPa)之可能性。在此，關於曲率半徑Rf之下限係如以下般界定。

如前述般，於非嵌合部3，於內部起點(內部淬火邊界位置)之疲勞限度係275MPa，於表面起點之疲勞限度係498MPa。因此，為使嵌合部2之疲勞限度提高而使曲率半徑Rf縮小，藉此即便R端32E之應力集中係數Kt提高而於R端32E之應力上升，該應力若未超過498MPa，於非嵌合部3，內部起點(內部淬火邊界位置)會成為龜裂之產生起點。因此，於非嵌合部3之疲勞限度不會變化，而為一定。此係因為於內部起點，產生於圓角R部32之應力集中不會造成影響，而不會產生伴隨於該應力集中之應力增大。

在此，使用前述之疲勞試驗結果，以及圖9所示之應力集中係數Kt與Rf/DA之關係，求取平行部31之標稱應力所造成之非嵌合部3之疲勞限度與Rf/DA之關係。將所求取之結果之一例表示於圖10。圖10，係DW/DA=1.10、DW=200mm、硬化層之全硬化層深度，亦即內部起點之深度(內部淬火邊界位置之深度)C _AT=12.0mm之例。於此情形，若曲率半徑Rf係圖10中之臨界曲率半徑Rcr=26.0mm以上，則龜裂之發生起點會成為內部起點，於非嵌合部3之疲勞限度成為一定。另一方面，若使曲率半徑Rf未達臨界曲率半徑Rcr，則非嵌合部3之疲勞限度會降低。於此情形，係意指龜裂之產生起點成為表面起點，並意指大幅受到應力集中係數Kt之影響。

亦即，臨界曲率半徑Rcr，係於平行部31之硬化層之全硬化層深度C _AT之位置(亦即內部起點)之應力為275MPa，且於R端32E(亦即表面起點)之應力為498MPa之曲率半徑Rf。若曲率半徑Rf之下限係臨界曲率半徑Rcr，則能夠使非嵌合部3之於標稱應力之疲勞限度為最大(亦即，於內部起點之疲勞限度)。

與圖10相同，在DW/DA為1.10～1.30、於平行部31之硬化層之全硬化層深度C _AT為4.0～12.0mm之範圍指定條件，求取臨界曲率半徑Rcr。將所求取臨界曲率半徑除以平行部直徑之Rcr/DA與2C _AT/DA之關係表示於圖11。在此，2C _AT/DA，係平行部31之全硬化層深度C _AT對於半徑(DA/2)之比。參照圖11，於DW/DA為1.10～1.30之範圍中，臨界曲率半徑Rcr幾乎不受DW/DA之影響。若對圖11當中Rcr/DA對於2C _AT/DA之曲線進行近似，則會如式(1)。

因此，於滿足特徵1及特徵2之鐵路用車軸1中，若圓角R部32之曲率半徑Rf係Rcrmm以上60.0mm以下，則非嵌合部3之於標稱應力之疲勞限度為最大。因此，能夠維持於非嵌合部3之疲勞限度，並且能夠提高於嵌合部2之疲勞限度。

曲率半徑Rf之較佳下限係1.05Rcrmm，更佳係1.10Rcrmm，更佳係1.15Rcrmm。曲率半徑Rf之較佳上限係58.0mm，更佳係55.0mm，更佳係52.0mm。又，Rcr係將於式(1)所得之值之小數點下第2位四捨五入後之小數點下第1位之值。

又，於本實施方式中，自R端32E起於平行部31側往鐵路用車軸1之軸方向0.23Rf位置及0.57Rf位置，皆相當於內部起點，疲勞限度幾乎為一定。因此，於0.23Rf位置及0.57Rf位置之全硬化層深度亦係幾乎相同之值，於本實施方式，係使較小之值為基準全硬化層深度C _AT。如此般定義之理由，係假使於自0.23Rf位置至0.57Rf位置為止全硬化層深度發生變化之情形，其中全硬化層深度較小之位置會成為內部起點，而影響疲勞限度。

如以上般，本實施方式之鐵路用車軸1，係滿足特徵1～特徵3。因此，係能夠使非嵌合部獲得充分之疲勞限度，並且能夠提高嵌合部之疲勞限度。

[製造方法] 說明本實施方式之鐵路用車軸之製造方法之一例。

製造具有滿足特徵1之化學組成之熔鋼。使用熔鋼製造鑄錠。對於鑄錠實施熱鍛造，製造具有車軸形狀之粗製品。熱鍛造時之鑄錠之加熱溫度，係週知之溫度範圍即可。加熱溫度，係例如為1000～1300℃。對於所製造之粗製品，實施淬火及回火處理，或是正火處理。

於實施淬火及回火處理之情形，淬火處理及回火處理之上限係週知之條件即可。具體而言，於淬火處理，係使淬火溫度為A _c3臨界點以上1000℃以下。以淬火溫度保持粗製品，之後藉由水冷或油冷急速冷卻。於回火處理，係使回火溫度為A _c1臨界點以下。回火溫度，係例如為500～700℃。以回火溫度保持粗製品，之後放置冷卻。於實施正火處理之情形，將粗製品以比A _c1臨界點更高之熱處理溫度保持，之後放置冷卻。又，接著正火處理，實施回火處理亦可。

對於實施了淬火及回火處理，或是正火處理之粗製品，視必要實施機械加工。之後，對於所製造之粗製品，實施高頻淬火處理及回火處理。

[關於高頻淬火處理] 於高頻淬火處理，係藉由高頻加熱，使粗製品之表層部分為比A _c3臨界點更高之溫度之後，進行冷卻。於高頻淬火之淬火溫度，係例如A _c3臨界點～1100℃。於此情形，粗製品之表層部分自奧斯田鐵相變為麻田散鐵或變韌鐵。結果，於粗製品之表層部分形成硬化層。

高頻淬火處理，係能夠使用週知之高頻加熱裝置及週知之冷卻裝置實施。例如，作為高頻加熱裝置，使用圓環狀之高頻加熱裝置亦可，作為冷卻裝置，使用圓環狀之冷卻裝置亦可。於該情形，能夠將鐵路用車軸1之中心軸C1，與圓環狀之高頻加熱裝置及圓環狀之冷卻裝置配置於同軸，藉此能夠對於鐵路用車軸1之嵌合部2及非嵌合部3之表面效率良好地實施高頻淬火處理。

於本實施方式所進行之高頻淬火處理，若能夠於高頻加熱，將粗製品之表層部分加熱至A _c3臨界點以上，則並無特別限定。亦即，於本實施方式，作為高頻加熱，實施週知之高頻加熱即可。

實施高頻淬火處理之後，實施回火處理亦可。亦即，回火處理係任意之處理。於回火處理，係例如使回火溫度為150～250℃，並使於回火溫度之保持時間為30～150分鐘。將保持後之鐵路用車軸進行氣冷。

對於實施了高頻淬火之粗製品，視必要實施最終之機械加工。此時，於鐵路用車軸1，以滿足特徵2及特徵3之方式，實施機械加工(車削及研磨)。藉由以上之步驟，製造本實施方式之鐵路用車軸1。

以下，藉由實施例，進一步具體說明本實施方式之鐵路用車軸1之效果。於以下之實施例之條件，係為確認本實施方式之鐵路用車軸1之實施可能性及效果而採用之一條件例。因此，本實施方式之鐵路用車軸1，係不限於該一條件例。 [實施例]

製造圓角R部之曲率半徑不同之複數個鐵路用車軸，並藉由以下方法求取於嵌合部之疲勞限度及於非嵌合部之疲勞限度。藉由以下之製造方法，製造具有表1(表1A及表1B)所示之化學組成之鐵路用車軸。

表1中之「-」，係意指所對應之元素之含量為雜質等級。具體而言，Cr含量、Mo含量、Cu含量、Ni含量之「-」，係意指各元素含量未達0.01%。Al含量、V含量、Ti含量及Nb含量之「-」，係意指元素之含量未達0.001%。B含量及Ca含量之「-」，係意指各元素之含量未達0.0001%。

使用熔鋼製造鑄錠。將鑄錠加熱至1250℃之後，進行熱鍛造而製造具有車軸形狀之粗製品。粗製品係於2個嵌合部2與2個嵌合部2之間，具備非嵌合部3。

對於各試驗編號之粗製品，實施淬火及回火。淬火時之熱處理溫度，係比各試驗編號之鋼之A _c3臨界點更高之890℃。於熱處理溫度進行保持後，進行油淬火。對於淬火後之各試驗編號之粗製品，進行回火。回火條件，係將回火溫度以640℃保持120分鐘後，氣冷至常溫。氣冷之後，粗機械加工至比後述之表2所示之各試驗編號之DW、DA更大數mm之尺寸。

對於粗機械加工後之各試驗編號之粗製品，實施高頻淬火處理。藉由實施高頻淬火處理，於各試驗編號之粗製品，硬化層HL係如圖1及圖2所示，形成於自嵌合部2之輪座端2E附近至包含非嵌合部3(平行部31及兩側之圓角R部32)之相反側之嵌合部2之輪座端2E附近為止之範圍。

硬化層深度，係以於形成有前述之硬化層HL之區域為幾乎相同之方式，調整高頻加熱裝置之輸出而形成。高頻淬火時之淬火溫度，係各試驗編號之鋼之A _c3臨界點以上。對於高頻淬火處理後之粗製品，實施回火處理。於回火處理，係將各試驗編號之粗製品整體以200℃保持120分鐘。保持後，將粗製品氣冷至常溫。

對於氣冷後之粗製品實施精整機械加工，將平行部31之半徑DA(mm)、嵌合部2之半徑DW(mm)以及圓角R部32之曲率半徑Rf調整為如表2。藉由以上之製造步驟，製造各試驗編號之鐵路用車軸(以下，稱為供試車軸)。

[評估試驗] 對於所製造之各試驗編號之供試車軸，實施以下之疲勞試驗，以及基準全硬化層深度C _AT測定試驗。

[疲勞試驗] 對於各試驗編號之供試車軸之單側之嵌合部2之輪座，壓入車輪治具。對於壓入有車輪治具之供試車軸，係使用共振型疲勞試驗機，實施以下試驗：在對於供試車軸之壓入有車輪治具之側為相反側之端部，安裝具備偏心質量之馬達並使偏心質量旋轉，藉此使供試車軸共振，而實施旋轉彎曲之負載模式之疲勞試驗；以及藉由一般之單軸之電油壓伺服型疲勞試驗機所進行之彎曲疲勞試驗。於自供試車軸之圓角R部32之R端32E起0.57Rf之位置貼附應變計，於疲勞試驗前施加靜態彎曲負載，並測定所產生之應力。並且，以使該應力成為330MPa之方式決定試験力，而實施前述之疲勞試驗。於疲勞試驗，係使作用於供試車軸之應力比為-1，使試驗頻率為1～20Hz。試驗環境係室溫大氣當中，於反覆次數達10 ⁷次而未確認到巨觀龜裂之情形，中止疲勞試驗。

疲勞試驗後，於未確認到巨觀龜裂之情形，係將供試車軸自車輪治具拔出，調查嵌合部2之表面之疲勞龜裂之產生狀況。為進行調查，係擦去嵌合部2之表面之磨損粉，並藉由使用氧化鋁研磨粉之拋光輪進行研磨。之後，使用視頻顯微鏡放大至100倍～400倍以嵌合部2觀察之表面，觀察龜裂之有無，以及於產生龜裂之情形，求取於所觀察之表面之龜裂之長度。

[基準全硬化層深度C _AT測定試驗] 使用試驗後之供試車軸，將於自R端32E起於平行部31側往供試車軸之軸方向0.23Rf位置及0.57Rf位置之全硬化層深度，遵照JIS G 0559：2019，藉由巨觀組織試驗如以下般求取。採集於表面(以下，稱為測定面)具有包含0.23Rf位置及0.57Rf位置之平行於中心軸C1之剖面之樣本。將樣本之測定面浸漬於硝酸腐蝕液10秒左右，藉由蝕刻使微組織顯現。於蝕刻後之測定面，能夠明確地確認到硬化層HL與母材部BM之介面。在此，根據所確認到之介面，求取於0.23Rf位置及0.57Rf位置之全硬化層深度。將所得之2個全硬化層深度當中較小之値作為基準全硬化層深度C _AT(mm)。

又，於任一試驗編號之供試車軸中，於母材部BM之微組織之肥粒鐵及波來鐵之總面積率皆係70%以上，於硬化層HL當中，自表面至全硬化層深度之1/2深度位置為止之區域，麻田散鐵與變韌鐵之總面積率皆係80%以上。

[評估結果] 表2中之「Rf≧Rcr？」欄，於曲率半徑Rf為臨界曲率半徑Rcr以上之情形係表示「T」，於曲率半徑Rf未達臨界曲率半徑Rcr之情形係表示「NT」。並且，表2中之「嵌合部龜裂長度」之試驗編號1、6、7及12之「-」，係意指未確認到龜裂。參照表2，於試驗編號1、2、7、8及13～24，係滿足特徵1～特徵3。因此，於疲勞試驗中，以1×10 ⁷次之反覆次數未能確認到巨觀龜裂，於非嵌合部3能夠獲得充分之疲勞強度。並且，嵌合部2之表面之龜裂，相較於作為比較例之試驗編號3～6及9～12非常小，於嵌合部2亦能夠獲得充分之疲勞限度。

另一方面，於試驗編號3及9，DW/DA係未達1.10。因此，雖以1.0×10 ⁷次之反覆次數未能確認到巨觀龜裂，然而於嵌合部2產生巨大之龜裂，而於嵌合部2未能獲得充分之疲勞限度。

於試驗編號4、5、10及11，係曲率半徑Rf過大。因此，雖以1.0×10 ⁷次之反覆次數未能確認到巨觀龜裂，然而於嵌合部2產生較大之龜裂，而於嵌合部2未能獲得充分之疲勞限度。

於試驗編號6及12，係曲率半徑Rf未達臨界曲率半徑Rcr(mm)。因此，於未達1.0×10 ⁷次之反覆次數在圓角R部之表面(亦即非嵌合部3之表面)產生數十mm之巨觀龜裂，而於非嵌合部3未能獲得充分之疲勞限度。

以上，說明了本揭示之實施方式。然而，前述之實施方式僅係用以實施本揭示之例示。因此，本揭示係不限於前述之實施方式，而能夠於不脫離其主旨之範圍內適當變更前述之實施方式以實施。

1:鐵路用車軸 2:嵌合部 2E:輪座端 3:非嵌合部 31:平行部 32:圓角R部 32E:R端 HL:硬化層 BM:母材部 C1:中心軸 DA:直徑 DW:直徑 Rf:曲率半徑

[圖1]圖1，係本實施方式之鐵路用車軸之側視圖。 [圖2]圖2，係圖1所示之本實施方式之鐵路用車軸之於包含中心軸C1之面之剖面圖。 [圖3]圖3，係以代表應力整理之S-N線圖。 [圖4]圖4，係表示於包含供試車軸之中心軸之剖面之龜裂之起點位置之圖。 [圖5]圖5，係圖1之鐵路用車軸1之嵌合部2附近之放大圖。 [圖6]圖6，係表示於使DW/DA變化之情形之嵌合接觸角θ與疲勞限度提升率φ之關係之圖。 [圖7]圖7，係表示Rf/k與嵌合接觸角θ之關係之圖。 [圖8]圖8，係根據圖6及圖7，表示曲率半徑Rf與嵌合部疲勞限度比之關係之圖。 [圖9]圖9，係表示藉由FEM分析所獲得之於R端之應力集中係數Kt、曲率半徑比Rf/DA與DW/DA之關係之圖。 [圖10]圖10，係表示平行部之標稱應力導致之非嵌合部之疲勞限度與曲率半徑Rf之關係之圖。 [圖11]圖11，係表示曲率半徑比Rcr/DA與2C _AT/DA之關係之圖。

1:鐵路用車軸

2:嵌合部

2E:輪座端

3:非嵌合部

31:平行部

32:圓角R部

32E:R端

C1:中心軸

DA:直徑

DW:直徑

Rf:曲率半徑

Claims

一種鐵路用車軸(1)，係具備：嵌合部(2)，係具有直徑(DW)mm之圓柱狀，且能夠壓入至鐵路用車輪；以及非嵌合部(3)，係與前述嵌合部(2)連接，前述非嵌合部(3)，係具備：平行部(31)，係具有比前述直徑(DW)mm更小之直徑(DA)mm之圓柱狀；以及圓角R部(32)，係配置於前述嵌合部(2)與前述平行部(31)之間，具有於包含前述鐵路用車軸(1)之中心軸(C1)之剖面以凹下之方式彎曲之表面，前述嵌合部(2)及前述非嵌合部(3)，係包含：硬化層(HL)，係形成於前述嵌合部(2)及前述非嵌合部(3)之表層；以及母材部(BM)，係比前述硬化層(HL)更靠內部，前述母材部(BM)之化學組成，以質量%計，係： C：0.30～0.42%、 Si：0.10～0.50%、 Mn：0.40～1.20%、 P：超過0%且0.020%以下、 S：超過0%且0.0400%以下、 N：超過0%且0.0200%以下、 O：超過0%且0.0040%以下、 Ca：0～0.0010%、 Cr：0～0.30%、 Mo：0～0.10%、 Cu：0～0.30%、 Ni：0～0.30%、 Al：0～0.100%、 V：0～0.060%、 Ti：0～0.020%、 Nb：0～0.030%、 B：0～0.0050%，以及剩餘部分係包含Fe及雜質，作為前述直徑(DW)對於前述直徑(DA)之比之DW/DA係1.10～1.30，於包含前述鐵路用車軸(1)之中心軸(C1)之剖面之前述圓角R部(32)之表面當中，將與前述平行部(31)之表面相鄰之部分之曲率半徑設為Rf，並將自前述圓角R部(32)當中為與前述平行部(31)相接之端部之R端(32E)起，往前述平行部(31)側之前述鐵路用車軸(1)之軸方向之0.23Rf位置及0.57Rf位置之全硬化層深度當中較小之一方設為基準全硬化層深度C _ATmm時，前述曲率半徑Rf，係以式(1)定義之臨界曲率半徑Rcrmm以上60.0mm以下；。
如請求項1所述之鐵路用車軸(1)，其中，前述母材部(BM)之化學組成，以質量%計，係含有自 Ca：0.0001～0.0010%、 Cr：0.01～0.30%、 Mo：0.01～0.10%、 Cu：0.01～0.30%、 Ni：0.01～0.30%、 Al：0.001～0.100%、 V：0.001～0.060%、 Ti：0.001～0.020%、 Nb：0.001～0.030%，以及 B：0.0001～0.0050%所成之群選擇之1種以上。