JP2000226637A

JP2000226637A - 耐摩耗性と耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レールおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2000226637A
Application number: JP2788399A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Ueda; 正治上田; Koichi Uchino; 耕一内野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-02-04
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 2000-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】耐摩耗性を向上させ、同時に、耐内部疲労損
傷性を安定的に向上させたパーライト系レールおよびそ
の製造法を提供する。【解決手段】重量％で、C :0.85 超〜1.20% 、Si:0.1
0 〜1.00% 、Mn:0.10 〜1.50% 、B :0.0001 〜0.0040%
、N:＜0.0060% を含有し、残部がＦｅおよび不可避的
不純物からなることを特徴とする耐摩耗性と耐内部疲労
損傷性に優れたパーライト系レール。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、重荷重鉄道のレー
ルに要求される耐摩耗性、耐内部疲労損傷性を向上させ
たパーライト系レールおよびその製造法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】海外の重荷重鉄道では、鉄道輸送の高効
率化の手段として、列車速度の向上や列車積載重量の増
加が図られている。このような鉄道輸送の効率化はレー
ル使用環境の過酷化を意味し、レール材質の一層の改善
が要求されるに至っている。具体的には、曲線区間に敷
設されたレールでは、Ｇ. Ｃ. （ゲージ・コーナー）部
や頭側部の摩耗が急激に増加し、レールの使用寿命の点
で問題視されるようになった。

【０００３】しかしながら、最近の高強度化熱処理技術
の進歩により、共析炭素鋼を用いた微細パーライト組織
を呈した下記に示すような高強度（高硬度）レールが発
明され、重荷重鉄道の曲線区間のレール寿命を飛躍的に
改善してきた。頭部がソルバイト組織、または、微細なパーライト
組織の超大荷重用の熱処理レール（特公昭５４−２５４
９０号公報）。圧延終了後あるいは、再加熱したレール頭部をオー
ステナイト域温度から８５０〜５００℃間を１〜４℃/s
ecで加速冷却する１３０kgf/mm²以上の高強度レールの
製造法（特許第１５９７９１４号）。これらのレールの特徴は、共析炭素含有鋼（炭素量：
０．７〜０．８％）による微細パーライト組織を呈する
高強度レールであり、その目的とするところは、パーラ
イト組織中のラメラ間隔を微細化し、耐摩耗性を向上さ
せるところにあった。

【０００４】しかし、近年海外の重荷重鉄道ではより一
層の鉄道輸送の高効率化のために、貨物の高積載化を強
力に進めており、特に急曲線のレールでは上記開発のレ
ールを用いてもＧ. Ｃ. 部や頭側部の耐摩耗性が十分確
保できず、摩耗によるレール寿命の低下が問題となって
きた。このような背景から、現状の共析炭素鋼の高強度
レール以上の耐摩耗性を有するレールの開発が求められ
るようになってきた。これらの問題を解決するため、本
発明者らは下記に示すようなレールを開発した。過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）を用い
て、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト密度を
増加させた耐摩耗性に優れたレール（特開平８−１４４
０６１号公報）過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）を用い
て、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト密度を
増加させ、同時に、硬さを制御した耐摩耗性に優れたレ
ール（特開平８−２４６１００号公報）これらのレールの特徴は、鋼の炭素量を増加し、パーラ
イトラメラ中の耐摩耗性に優れたセメタイト相の密度を
増加させ、さらに、硬さを制御することによりパーライ
ト組織の耐摩耗性を向上させるものであった。

【０００５】さらに、本発明者らは、炭素量の高い過共
析鋼を用いて、レール頭部の耐摩耗性と耐内部疲労損傷
性を向上させた下記に示すようなレールを開発した。過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）にＢを添
加することにより、耐摩耗性と耐内部疲労損傷性を向上
させたレール（特願平８−５２７４６５号）。このレールの特徴は、過共析鋼に微量なＢを添加するこ
とにより、パーライト変態を促進させ、レール頭表面か
ら内部までより均一な硬度分布を付与し、レールの耐摩
耗性と耐内部疲労損傷性大きく向上させるものであっ
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記に示された発明
レールは、耐摩耗性、耐内部疲労損傷性を兼ね備え、重
荷重鉄道用レールの高寿命化に最も寄与するものと期待
されるが、鋼の成分系の違いによっては、過共析鋼に単
にＢを添加したのみでは、パーライト変態の促進効果が
十分に得られず、レール頭表面から内部まで均一な硬度
分布が得られない場合があることが明らかとなった。

【０００７】そこで、本発明者らはこの原因を調査する
ため、さらに実験を重ねた結果、レール頭表面から内部
までより均一な硬度分布が得られた鋼では、パーライト
変態が始まる温度域（６５０〜７００℃）の直上で鉄の
炭ほう化物（Ｆｅ₂₃（ＣＢ） ₆）が生成し、これが変態
核となってパーライト変態が促進されていることが確認
された。

【０００８】これに対して、レール頭表面から内部まで
均一な硬度分布が得られなかった鋼では、鉄の炭ほう化
物（Ｆｅ₂₃（ＣＢ）₆）の生成は認められず、主に、Ｂ
の窒化物（ＢＮ）の生成が認められた。

【０００９】これらの実験結果から、本発明者らは、パ
ーライト変態を促進させ、レール頭表面から内部まで均
一な硬度分布を得るためには、Ｂの窒化物の生成を抑制
し、鉄の炭ほう化物を安定的に生成させる必要があると
考えた。

【００１０】そこで、本発明者らはＢの窒化物の生成を
抑制し、鉄の炭ほう化物を優先的に生成させる方法を実
験により検討した。その結果、鋼中のＮ添加量をある一
定量以下にすることにより、Ｂの窒化物の析出が抑制さ
れ、鉄の炭ほう化物が優先的に生成することが確認され
た。

【００１１】次に、本発明者らはこれらの鉄の炭ほう化
物を安定的に生成させ、レール頭表面から頭部内部まで
硬さの高いパーライト組織を得るためのレールの製造法
について検討した。その結果、高温度の熱を保有した鋼
レールの頭部を、オーステナイト域温度からある一定範
囲の温度域を加速冷却することにより、レール頭部の安
定した高強度化が図れることが確認された。

【００１２】これらの実験室での検討の結果、添加元素
や製造時の冷却速度の適正化により、図１に示すよう
に、鉄の炭ほう化物が安定して生成し、パーライト変態
の促進にともないパーライトノーズが高温側へ移動する
ため、冷却速度に対するパーライト変態温度の差が減少
し、安定的にレール頭表面から頭部内部までより均一な
硬度分布が得られるとこが確認された。

【００１３】以上の結果から、本発明者らは重荷重鉄道
用レールの耐摩耗性および耐内部疲労損傷性を向上させ
るため、まず、レール鋼の炭素量を増加させ、同時に、
Ｂを添加し、鋼中のＮを低減させることにより、鉄の炭
ほう化物を安定的に生成させ、さらに、加速冷却による
パーライト変態の促進により、レール頭表面から内部ま
で均一な硬度分布を有した耐摩耗性および耐内部疲労損
傷性に優れた高強度レールが製造できることを知見し
た。

【００１４】すなわち、本発明は重荷重鉄道のレールに
要求される耐摩耗性を向上させ、同時に、耐内部疲労損
傷性を安定的に向上させることを目的としたパーライト
系レールおよびその製造法に関するものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するものであって、その要旨とするところは、以下の通
りである。（１）重量％で、Ｃ：０．８５超〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００４０％、Ｎ：＜０．００６０％を含有し、さらに必要に応じて、Ｃｒ：０．０５〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００５０〜０．０３００％、Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、Ｃａ：０．００１０〜０．０１５０％、Ｃｏ：０．１０〜２．００％の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可
避的不純物からなることを特徴とする耐摩耗性と耐内部
疲労損傷性に優れたパーライト系レール。（２）重量％で、Ｃ：０．８５超〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００４０％、Ｎ：＜０．００６０％を含有し、さらに必要に応じて、Ｃｒ：０．０５〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００５０〜０．０３００％、Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、Ｃａ：０．００１０〜０．０１５０％、Ｃｏ：０．１０〜２．００％の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可
避的不純物からなるレールであって、頭頂部及び頭部コ
ーナー部の表面から深さ２０mm以上の範囲が、硬さＨｖ
３７０以上かつ頭表部と頭部内部との硬さの差がＨｖ３
０以下のパーライト組織であることを特徴とする耐摩耗
性と耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レール。（３）重量％で、Ｃ：０．８５超〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００４０％、Ｎ：＜０．００６０％を含有し、さらに、Ｃｒ：０．０５〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００５０〜０．０３００％、Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、Ｃａ：０．００１０〜０．０１５０％、Ｃｏ：０．１０〜２．００％の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可
避的不純物からなる鋼スラブを熱間圧延して鋼レールと
し、得られた鋼レールの頭部を、熱間圧延ままのＡｒ１
点以上の温度にある状態から、或いは熱間圧延後にＡｃ
１点＋３０℃以上の温度に加熱された状態から、１〜１
５℃／sec の冷却速度で加速冷却して鋼レール頭部の温
度を６５０〜４５０℃とし、その後放冷し、鋼レールの
頭頂部及び頭部コーナー部の表面から深さ２０mm以上の
範囲を、硬さＨｖ３７０以上かつ頭表部と頭部内部との
硬さの差がＨｖ３０以下のパーライト組織とすることを
特徴とする耐摩耗性と耐内部疲労損傷性に優れたパーラ
イト系レールの製造法。

【００１６】

【発明の実施の態様】以下、本発明について詳細に説明
する。上記本発明（１）〜（３）において、化学成分、
パーライト組織の範囲および硬さ、および、パーライト
組織の硬さの差を上記請求範囲に限定した理由について
詳細に説明する。＜レール鋼の化学成分＞まず、本発明においてレールの
化学成分を上記のように限定した理由について説明す
る。Ｃは、パーライト変態を促進させて、かつ、耐摩耗
性を確保する有効な元素であり、通常のレール鋼として
はＣ量０．６０〜０．８５％が添加されているが、Ｃ量
０．８５％以下では耐摩耗性の向上を図るためのパーラ
イト組織中のセメンタイト相の密度が確保できず、さら
に、レール頭部内部に疲労損傷の起点となる粒界フェラ
イトが生成し易くなり、レール寿命が低下する。また、
Ｃ量が１．２０％を超えると、成分系によっては、パー
ライト組織中に初析セメンタイト組織が生成し、レール
の靱性や延性が大きく低下することや、パーライト組織
中のセメンタイト相の密度が増加し、レールに必要とさ
れる延性を十分に確保できなくなるため、Ｃ量を０．８
５超〜１．２０％に限定した。

【００１７】Ｓｉは、パーライト組織中のフェライト相
への固溶体硬化によりレール頭部の硬度（強度）を上昇
させる元素であるが、０．１０％未満ではその効果が十
分に期待できず、また、１．００％を超えると、熱間圧
延時に表面疵が多く生成することや、酸化物の生成によ
り溶接性が低下するため、Ｓｉ量を０．１０〜１．００
％に限定した。

【００１８】Ｍｎは、パーライト変態温度を低下させ、
焼き入れ性を高めることによって高強度化に寄与し、さ
らに、初析セメンタイト組織の生成を抑制する元素であ
るが、０．１０％未満の含有量ではその効果が小さく、
レール頭部に必要とされる硬さの確保が困難となる。ま
た、１．５０％を超えると、焼入性が著しく増加し、マ
ルテンサイト組織が生成し易くなることや、偏析が助長
され、偏析部にレールの靭性に有害な初析セメンタイト
組織が生成し易くなるため、Ｍｎ量を０．１０〜１．５
０％に限定した。

【００１９】Ｂは、鉄の炭ほう化物（Ｆｅ₂₃（Ｃ
Ｂ）₆）を形成し、パーライト変態を促進効果により、
結果として、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低
減させ、レール頭表面から内部までより均一な硬度分布
を付与する元素であるが、０．０００１％未満の含有量
ではその効果が全くなく、また、０．００４０％を超え
て添加すると、粗大な鉄の炭ほう化物が生成し、延性や
靱性の低下を招くことから、Ｂ量を０．０００１〜０．
００４０％に限定した。なお、Ｂは鋼中に偏析しやす
く、さらに、鋼中の過剰な窒素と結びつきやすいため、
鋼の成分系によっては、微量なＢ添加量では安定的に鉄
の炭ほう化物を形成し難い場合がある。そこで、鉄の炭
ほう化物を安定的に生成させるには、Ｂ量を０．０００
５〜０．００２０％の範囲とすることが最も望ましい。

【００２０】Ｎは、あえて添加する元素ではないが、
０．００６０％を以上含有すると、鋼中のＢがＢの窒化
物として析出し、パーライト変態を促進する鉄の炭ほう
化物（Ｆｅ₂₃（ＣＢ）₆）の生成が抑制されるため、Ｎ
量を０．００６０％未満に限定した。

【００２１】なお、鉄の炭ほう化物（Ｆｅ₂₃（Ｃ
Ｂ）₆）の生成によるパーライト変態の促進効果を安定
化に作用させるには、Ｎはできるだけ低減することが望
ましく、Ｎ量を０．００３０％以下に制御すると、鉄の
炭ほう化物（Ｆｅ₂₃（ＣＢ）₆）の生成が安定化し、よ
り一層パーライト変態が促進される。

【００２２】また、Ｂを添加し、Ｎの含有量をある一定
量以下に限定する理由は、Ｎの添加量をある一定量以下
としない鋼と比較して、鉄の炭ほう化物（Ｆｅ₂₃（Ｃ
Ｂ）₆）の生成が促進され、パーライト組織が安定的に
生成するためである。

【００２３】また、上記の成分組成で製造されるレール
は強度、延性、靭性を向上させる目的で以下の元素を必
要に応じて１種類または２種以上を添加する。Ｃｒ：０．０５〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００５０〜０．０３００％、Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、Ｃａ：０．００１０〜０．０１５０％、Ｃｏ：０．１０〜２．００％

【００２４】ここで、ＣｒとＭｏはパーライト組織をよ
り一層高強度化し、耐摩耗性の向上を図る、Ｃｕはパー
ライト組織の強度向上を図る、Ｎｉ、Ｖ、Ｎｂはパーラ
イト組織の強度、延性、靱性の向上を図る、Ｔｉは鉄の
炭ほう化物（Ｆｅ₂₃（ＣＢ） ₆）によるパーライト変態
促進効果のより一層の向上を図る、Ｍｇ、Ｃａはパーラ
イト組織の延性、靱性の向上を図る、Ｃｏはパーライト
組織の強度向上を図ることが主な添加目的である。

【００２５】Ｃｒは、パーライトの平衡変態点を上昇さ
せ、結果としてパーライト組織を微細にして高強度化に
寄与すると同時に、パーライト組織中のセメンタイト相
を強化することによって耐摩耗性を向上させる元素であ
るが、０．０５％未満ではその効果が小さく、１．００
％を超える過剰な添加を行うと、マルテンサイト組織が
多量に生成し、レールの靱性を低下させるため、Ｃｒ量
を０．０５〜１．００％に限定した。

【００２６】Ｍｏは、Ｃｒ同様パーライトの平衡変態点
を上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にするこ
とにより高強度化に寄与し、耐摩耗性を向上させる元素
であるが、０．０１％未満ではその効果が小さく、０．
２０％を超える過剰な添加を行うと、偏析が助長され、
さらに、パーライト変態速度が低下し、偏析部にマルテ
ンサイト組織が生成し、レールの靱性が低下するため、
Ｍｏ量を０．０１〜０．２０％に限定した。

【００２７】Ｃｕは、パーライト鋼の靭性を損なわず強
度を向上させる元素であり、その効果は０．０５〜０．
５０％の範囲で最も大きく、また、０．５０％を超える
と赤熱脆化を生じやすくなることから、Ｃｕ量を０．０
５〜０．５０％に限定した。

【００２８】Ｎｉは、パーライト鋼の延性と靭性を向上
させ、同時に、固溶強化によりパーライト鋼の高強度化
を図る元素であるが、０．０５％未満ではその効果が著
しく小さく、また、１．００％を超える過剰な添加を行
ってもそれ以上の効果が期待できない。したがって、Ｎ
ｉ量を０．０５〜１．００％に限定した。

【００２９】Ｖは熱間圧延時の冷却課程で生成したＶ炭
化物、Ｖ窒化物による析出硬化で強度を高め、さらに、
高温度に加熱する熱処理が行われる際に結晶粒の成長を
抑制する作用によりオーステナイト粒を微細化させ、パ
ーライト組織の強度、延性および靭性を向上させるのに
有効な成分であるが、０．０１％未満ではその効果が十
分に期待できず、０．５０％を超えて添加してもそれ以
上の効果が期待できないことから、Ｖ量を０．０１〜
０．５０％に限定した。

【００３０】Ｎｂは、Ｖと同様にＮｂ炭化物、Ｎｂ窒化
物による析出硬化で強度を高め、さらに、高温度に加熱
する熱処理が行われる際に結晶粒の成長を抑制する作用
によりオーステナイト粒を微細化させ、そのオーステナ
イト粒成長抑制効果はＶよりも高温度域（１２００℃近
傍）まで作用し、パーライト組織の延性と靭性を改善す
る。その効果は、０．００２％未満では期待できず、ま
た、０．０５０％を超える過剰な添加を行ってもそれ以
上の効果が期待できない。従って、Ｎｂ量を０．００２
〜０．０５０％に限定した。

【００３１】Ｔｉは鋼中の過剰な窒素を窒化物（Ｔｉ
Ｎ）として析出させ、同時に、Ｂの窒化物（ＢＮ）の析
出を抑制し、結果として、鉄の炭ほう化物（Ｆｅ₂₃（Ｃ
Ｂ）₆）を優先的に生成させる元素であるが、０．００
５０％未満の含有量では、窒化物を形成するには十分で
なく、また、０．０３００％を超えて添加すると、粗大
な窒化物（ＴｉＮ）や炭化物（ＴｉＣ）が生成し、レー
ルの延性や靱性が低下すると同時に、レール使用中の疲
労損傷の起点となりやすいため、Ｔｉ量を０．００５０
〜０．０３００％に限定した。

【００３２】Ｍｇは、Ｏ、または、ＳやＡｌ等と結合し
て微細な酸化物を形成し、レール圧延時の再加熱におい
て、結晶粒の粒成長を抑制し、オーステナイト粒の微細
化を図り、パーライト組織の延性や靭性を向上させるの
に有効な元素である。さらに、ＭｇＯ、ＭｇＳがＭｎＳ
を微細に分散させ、ＭｎＳの周囲にＭｎの希薄帯を形成
し、パーライト変態の生成に寄与し、その結果、パーラ
イトブロックサイズを微細化することにより、パーライ
ト組織の延性や靭性を向上させるのに有効な元素であ
る。しかし、０．００１０％未満ではその効果は弱く、
０．０１００％を超えて添加するとＭｇの粗大酸化物が
生成してレール延性や靭性を劣化させるため、Ｍｇ量を
０．００１０〜０．０１００％に限定した。

【００３３】Ｃａは、Ｓとの結合力が強く、ＣａＳとし
て硫化物を形成し、さらに、ＣａＳがＭｎＳを微細に分
散させ、ＭｎＳの周囲にＭｎの希薄帯を形成し、パーラ
イト変態の生成に寄与し、その結果、パーライトブロッ
クサイズを微細化することにより、パーライト組織の延
性や靭性を向上させるのに有効な元素である。しかし、
０．００１０％未満ではその効果は弱く、０．０１５０
％を超えて添加するとＣａの粗大酸化物が生成してレー
ル延性や靭性を劣化させるため、Ｃａ量を０．００１０
〜０．０１５０％に限定した。

【００３４】Ｃｏはパーライトの変態エネルギーを増加
させて、パーライト組織を微細にすることにより強度を
向上させる元素であるが、０．１０％未満ではその効果
が期待できず、また、２．００％を超える過剰な添加を
行ってもその効果が飽和域に達してしまうため、Ｃｏ量
を０．１０〜２．００％に限定した。

【００３５】上記のような成分組成で構成されるレール
鋼は、転炉、電気炉などの通常使用される溶解炉で溶製
を行い、この溶鋼を造塊・分塊法あるいは連続鋳造法、
さらに熱間圧延を経てレールとして製造される。次に、
この熱間圧延した高温度の熱を保有するレール、あるい
は熱処理する目的で高温に再加熱されたレール頭部に熱
処理を施すことにより、レール頭部に硬さの高いパーラ
イト組織を安定的に生成させることが可能となる。

【００３６】＜パーライト組織の硬さおよびその範囲＞
はじめに、パーライト組織の望ましい硬さをＨｖ３７０
以上に限定した理由について説明する。本発明の成分系
では硬さがＨｖ３７０未満になると、レールの摩耗が進
行し、重荷重鉄道で要求されている耐摩耗性を確保する
ことが困難となり、さらに、急曲線区間において使用さ
れるレールでは頭部内部から疲労き裂が発生しやすくな
るため、パーライト組織の硬さをＨｖ３７０以上に限定
した。

【００３７】なお、硬さの上限は特に規定しないが、過
度に硬さを上昇させると、レール頭表部での耐表面損傷
性が低下しやすく、また、レール製造においてマルテン
サイト組織などのレールの靱性に有害な組織が生成しや
すくなるため、硬さは実質Ｈｖ５００程度が上限とな
る。

【００３８】次に、Ｈｖ３７０以上の硬さを有するパー
ライト組織の呈する望ましい範囲を、頭頂部及び頭部コ
ーナー部の表面から深さ２０mm以上の範囲に限定した理
由について説明する。２０mm未満では、レール頭部に必
要とされている耐摩耗性および耐内部疲労損傷性領域と
しては小さく、摩耗の進行および内部疲労損傷の発生に
より十分な寿命改善効果が得られないためである。ま
た、前記パーライト組織を呈する範囲が頭頂部及び頭部
コーナー部の表面から深さ３０mm以上あれば、寿命改善
効果がさらに増し、より望ましい。

【００３９】ここで、図２に本発明の耐摩耗性と耐内部
疲労損傷性に優れたレールの頭部断面表面位置での呼称
および耐摩耗性が必要とされる領域を示す。レール頭部
において１は頭頂部、２は頭部コーナー部であり、頭部
コーナー部２の一方は車輪と主に接触するゲージコーナ
ー（Ｇ. Ｃ. ）部である。また、Ｈｖ３７０以上のパー
ライト組織は少なくとも図中の斜線部分に配置されてい
れば、レール使用寿命の向上が可能となり望ましい。

【００４０】＜パーライト組織の硬さの差＞最後に、頭
頂部及び頭部コーナー部の表面から深さ２０mm以上の範
囲において、パーライト組織の頭表部と頭部内部との好
ましい硬さの差をＨｖ３０以下に限定した理由を説明す
る。レール頭部では断面の各部位によって冷却速度が異
なるため、一般的に硬さはレール頭表部から頭部内部へ
進むにしたがって低下する分布を示す。このレール頭表
部と頭部内部の硬度差がＨｖ３０を超えると、レール頭
部断面内において材料強度の変化が著しく大きくなり、
これにともない、レールに作用する外力から発生する歪
み（塑性変形領域）が、レール頭部内部の低硬度（強
度）部に集中し、その結果、内部疲労損傷が発生し、レ
ール寿命が低下するため、硬さの差の最大値をＨｖ３０
以下に限定した。

【００４１】＜製造条件＞上記本発明（３）において、
レール製造時の望ましい加熱、冷却条件を上記のように
限定した理由について詳細に説明する。まず、レール頭
部を冷却する前の温度条件であるが、所定の組織および
硬度を得るためには、少なくともレール頭部を十分にオ
ーステナイト化させる必要がある。その温度は、圧延直
後のレール頭部においてはＡｒ１点以上の温度域であ
り、また、再加熱されたレール頭部ではＡｃ１点＋３０
℃以上の温度が必要である。なお、温度の上限は特に規
定しないが、あまり高温度にすると液相が現れ、オース
テナイト相が不安定になるため、温度は実質１３５０℃
が上限となる。

【００４２】ここで、上記の「レール頭部」とは、図２
に示すレール頭頂部（符号：１）および頭部コーナー部
（符号：２）を含む部分である。以下に説明する冷却速
度および温度は、前記図２に示すレール頭頂部（符号：
１）および頭部コーナー部（符号：２）の頭部表面から
深さが２〜５mmの範囲で測定すれば、レール頭部の少な
くとも深さ２０mmの範囲（図２の斜線部分）を代表させ
ることができ、少なくとも前記部分（図２の斜線部分）
の組織と硬度を制御することができる。

【００４３】次に、熱間圧延ままのＡｒ１点以上の温度
の鋼レール頭部、あるいは熱間圧延後にＡｃ１点＋３０
℃以上の温度に加熱された鋼レール頭部を、オーステナ
イト域温度から６５０〜４５０℃までの間を１〜１５℃
／sec の冷却速度で加速冷却する方法において、加速冷
却停止温度を上記の様に限定した理由について説明す
る。６５０℃を超える温度で加速冷却を停止すると、加
速冷却直後にパーライト変態が開始し、硬さの低いパー
ライト組織が多く生成し、レール頭部の硬さがＨｖ３７
０未満となり、耐摩耗性や耐内部疲労損傷性が確保でき
ないため、６５０℃以下に限定した。また、４５０℃未
満まで冷却を行うと、加速冷却後にレール内部からの十
分な復熱が期待できず、レール頭部内部の偏析部等にレ
ールの靭性、耐内部疲労損傷性に有害なマルテンサイト
組織が生成するため４５０℃以上に限定した。

【００４４】また、レール頭部の加速冷却速度が１℃／
sec 未満になると、加速冷却途中の高温度域でパーライ
ト変態が開始し、硬さの低いパーライト組織が多く生成
し、レール頭部の硬さがＨｖ３７０未満となり、レール
頭部の耐摩耗性、耐内部疲労損傷性の確保が困難になる
ことや、成分系によってはレールの靭性および延性に有
害な初析セメンタイト組織が生成するため、１℃／sec
以上に限定した。加速冷却速度が１５℃／sec を超える
と、加速冷却中にパーライト変態をせずに、レール頭部
にベイナイトやマルテサイト等の異常組織が生成し、レ
ール頭部の耐摩耗性、靱性、耐内部疲労損傷性を低下さ
せるため、加速冷却速度を１〜１５℃／sec の範囲に限
定した。なお、硬度の高いパーライト組織をレール頭部
内部まで安定的に生成させるには、図１の本発明レール
鋼のパーライト変態領域に示すように、加速冷却速度は
５〜１０℃／sec の間が最も望ましい。

【００４５】本加速冷却速度範囲は冷却開始から終了ま
での平均的な冷却速度を限定するものであるが、加速冷
却途中においてパーライト変態による発熱やレール内部
からの自然復熱による一時的な温度上昇が発生すること
がある。しかし、加速冷却開始から終了までの平均的な
冷却速度が上記範囲内であれば本パーライト系レールの
特性に大きな影響をおよぼさないため、本レールの加速
冷却条件としては冷却途中の一時的な温度上昇にともな
う冷却速度の低下も含んでいる。

【００４６】また、１〜１５℃／sec の冷却速度を得る
方法としては、空気や空気を主としミスト等を加えた冷
却媒体およびこれらの組み合わせにより、所定冷却速度
を得ることが可能である。従って、Ｈｖ３７０以上のパ
ーライト組織を呈した耐摩耗性と耐内部疲労損傷性に優
れたレールを製造するには、レール頭表部において、硬
さの低いパーライト組織の生成を防止し、耐摩耗性、延
性、靱性、耐内部疲労損傷性に有害な初析セメンタイ
ト、マルテンサイト、ベイナイト組織が生成しないよう
に、空気や空気を主としミスト等を加えた冷媒を用いて
オーステナイト域温度から１〜１５℃／sec の冷却速度
で加速冷却し、該鋼レール頭表部の温度が６５０〜４５
０℃達した時点で加速冷却を停止することにより、レー
ル頭表部から内部まで高硬度のパーライト組織を安定的
に生成させることが可能となる。

【００４７】また、加速冷却後の冷却については、上記
本発明（３）に記載されたように、レール内部からの復
熱によりパーライト変態を安定的に終了させる目的から
放冷が最も簡便で望ましい。また、放冷する温度範囲と
しては、加速冷却終了後から常温域までが一般的である
が、生産性の向上などを目的としてレールを強制的に冷
却する場合は、レール頭部内部の異常組織の生成を防止
するため、少なくとも加速冷却終了後からレール頭部の
温度が４００℃まで放冷する必要がある。

【００４８】なお、レールの金属組織としてはパーライ
ト組織であることが望ましいが、成分系、加速冷却速度
および素材の偏析状態によっては、パーライト組織中に
微量な初析フェライト組織や初析セメンタイト組織が生
成することがある。しかし、パーライト組織中にこれら
の組織が微量に生成してもレールの耐摩耗性、延性、靱
性、耐内部疲労損傷性および強度に大きな影響をおよぼ
さないため、本パーライト系レールの組織としては若干
の初析フェライト組織および初析セメンタイト組織の混
在も含んでいる。

【００４９】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。表
１に本発明レール鋼の化学成分、頭部加速冷却条件、レ
ール頭部軸心部硬さ、および頭部ミクロ組織を示す。ま
た、表１には図３に示す強制冷却条件下における西原式
摩耗試験での７０万回繰り返し後の摩耗量、図４に示す
転動疲労試験結果も併記した。

【００５０】

【表１】

【００５１】また、表２に比較レール鋼の化学成分、頭
部加速冷却条件、レール頭部軸心部硬さおよび頭部ミク
ロ組織を示す。また、表１には図３に示す強制冷却条件
下における西原式摩耗試験での７０万回繰り返し後の摩
耗量、図４に示す転動疲労試験結果も併記した。

【００５２】

【表２】

【００５３】図５は、表１に示す本発明レール鋼と表２
に示す比較レール鋼（共析炭素含有鋼）の摩耗試験結果
を硬さと摩耗量の関係で比較したものである。図６、７
は本発明レール鋼（符号Ｃ、符号Ｄ）の頭部断面硬度分
布の一例である。また、図８、９は比較レール鋼（符号
Ｒ、符号Ｓ）の頭部断面硬度分布の一例である。図３に
おいて、３はレール試験片、４は相手材、５は冷却用ノ
ズルである。また、図４において、６はレール移動用ス
ライダーであり、この上にレール７が設置される。１０
はモーター９で回転する車輪８の左右の動きおよび荷重
を制御する荷重負荷装置である。試験は左右に移動する
レール７上に車輪８が転動する。

【００５４】なお、レールの構成は以下のとおりであ
る。・本発明レール鋼（１２本）符号Ａ〜Ｌ上記成分範囲で、頭頂部及び頭部コーナー部の表面から
深さ２０mm以上の範囲が、硬さＨｖ３７０以上かつ頭表
部と頭部内部との硬さの差がＨｖ３０以下のパーライト
組織であることを特徴とする耐摩耗性と耐内部疲労損傷
性に優れたパーライト系レール。・比較レール鋼（１１本）符号Ｍ〜Ｏ：化学成分が上記請求範囲外の共析炭素含有
鋼による比較レール鋼（３本）。符号Ｐ〜Ｓ：化学成分が上記請求範囲外の過共析炭素含
有鋼による比較レール鋼（４本）。符号Ｔ〜Ｗ：製造条件が上記請求範囲外の過共析炭素含
有鋼による比較レール鋼（４本）。

【００５５】摩耗試験条件は次のとおりとした。試験機：西原式摩耗試験機試験片形状：円盤状試験片（外径：３０mm、厚さ：８mm）試験荷重：６８６Ｎすべり率：２０％相手材：パーライト鋼（Ｈｖ３９０）雰囲気：大気中冷却：圧搾空気による強制冷却（流量：１００Ｎｌ／ｍｉｎ）繰返し回数：７０万回

【００５６】転動疲労試験の条件は次のとおりとした。試験機：転動疲労試験機試験片形状レール：１３６ポンドレール×２ｍ車輪：ＡＡＲタイプ（直径９２０mm）ラジアル荷重：１４７０００Ｎスラスト荷重：９８００Ｎ潤滑：ドライ＋油（間欠給油）

【００５７】図５に示すように、本発明レール鋼は比較
レール鋼と比べて炭素量を高めることにより同一硬さに
おいて摩耗量が少なく、耐摩耗性が大きく向上してい
る。図６、７に示すように、本発明レール鋼は、Ｂの添
加量を適切な範囲におさめ、さらに、鋼中のＮを制御す
ることにより、図８、９に示す比較鋼レールと比べて、
レール頭表面と内部の硬度差が減少し、表１に示すよう
に内部疲労損傷の発生を防止することができる。

【００５８】また、鋼中のＮ量を０．００３０％以下の
範囲に制御することにより、鉄の炭ほう化物（Ｆｅ
₂₃（ＣＢ）₆）の生成が安定化し、本発明レール鋼の符
号Ｄ（Ｎ：０．００２０％）に示すように、本発明レー
ル鋼の符号Ｃ（Ｎ：０．００５０％）と比べて、パーラ
イト変態の促進により、レール頭表面と内部の硬度差が
より減少し、耐内部疲労損傷性の確保が容易となる。

【００５９】同時に、Ｎ量０．００３０％以下の範囲に
おいて、Ｂ量を０．０００５〜０．００２０％の範囲に
制御することにより、鉄の炭ほう化物（Ｆｅ₂₃（ＣＢ）
₆）の生成が安定化し、本発明レール鋼の符号Ｇ（Ｂ：
０．００１２％）に示すように、本発明レール鋼の符号
Ｆ（Ｂ：０．０００２％）と比べて、パーライト変態パ
ーライト変態の促進により、レール頭表面と内部の硬度
差が減少し、耐内部疲労損傷性の確保が容易となる。

【００６０】これに加えて、表１、２に示すように化学
成分を適切な範囲に納め、適切な熱処理条件を選択する
ことにより、レールの靱性や耐摩耗性に有害な初析セメ
ンタイトやマルテンサイト組織の生成させることなく、
高い硬度のパーライト組織をレール頭部内部まで安定的
に生成させることが可能となる。

【００６１】

【発明の効果】このように本発明によれば、重荷重鉄道
に耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優れたレールを提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明レール鋼のパーライト変態特性を示した
図。

【図２】レール頭部断面表面位置の呼称およびＨｖ３７
０以上のパーライト組織の必要範囲を示した図。

【図３】西原式摩耗試験機の概略図。

【図４】転動疲労試験機の概要図。

【図５】本発明レール鋼と比較レール鋼の摩耗試験結果
を硬さと摩耗量の関係で比較した図。

【図６】本発明レール鋼（符号Ｃ）の頭部断面硬度分布
を示した図。

【図７】本発明レール鋼（符号Ｄ）の頭部断面硬度分布
を示した図。

【図８】比較レール鋼（符号Ｒ）の頭部断面硬度分布を
示した図。

【図９】比較レール鋼（符号Ｓ）の頭部断面硬度分布を
示した図。

【符号の説明】

１：頭頂部、２：頭部コーナー部、３：レール試験片、４：相手材、５：冷却用ノズル、６：レール移動用スライダー、７：レール、８：車輪、９：モーター、１０：荷重負荷装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２２Ｃ 38/54 Ｃ２２Ｃ 38/54

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．８５超〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００４０％、Ｎ：＜０．００６０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるこ
とを特徴とする耐摩耗性と耐内部疲労損傷性に優れたパ
ーライト系レール。
【請求項２】重量％で、Ｃ：０．８５超〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００４０％、Ｎ：＜０．００６０％を含有し、さらに、Ｃｒ：０．０５〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００５０〜０．０３００％、Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、Ｃａ：０．００１０〜０．０１５０％、Ｃｏ：０．１０〜２．００％の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可
避的不純物からなることを特徴とする耐摩耗性と耐内部
疲労損傷性に優れたパーライト系レール。
【請求項３】重量％で、Ｃ：０．８５超〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００４０％、Ｎ：＜０．００６０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるレ
ールであって、レールの頭頂部及び頭部コーナー部の表
面から深さ２０mm以上の範囲が、硬さＨｖ３７０以上か
つ頭表部と頭部内部との硬さの差がＨｖ３０以下のパー
ライト組織であることを特徴とする耐摩耗性と耐内部疲
労損傷性に優れたパーライト系レール。
【請求項４】重量％で、Ｃ：０．８５超〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００４０％、Ｎ：＜０．００６０％を含有し、さらに、Ｃｒ：０．０５〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００５０〜０．０３００％、Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、Ｃａ：０．００１０〜０．０１５０％、Ｃｏ：０．１０〜２．００％の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可
避的不純物からなるレールであって、頭頂部及び頭部コ
ーナー部の表面から深さ２０mm以上の範囲が、硬さＨｖ
３７０以上かつ頭表部と頭部内部との硬さの差がＨｖ３
０以下のパーライト組織であることを特徴とする耐摩耗
性と耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レール。
【請求項５】重量％で、Ｃ：０．８５超〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００４０％、Ｎ：＜０．００６０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼
スラブを熱間圧延して鋼レールとし、得られた鋼レール
の頭部を、熱間圧延ままのＡｒ１点以上の温度にある状
態から、或いは熱間圧延後にＡｃ１点＋３０℃以上の温
度に加熱された状態から、１〜１５℃／sec の冷却速度
で加速冷却して鋼レール頭部の温度を６５０〜４５０℃
とし、その後放冷し、鋼レールの頭頂部及び頭部コーナ
ー部の表面から深さ２０mm以上の範囲を、硬さＨｖ３７
０以上かつ頭表部と頭部内部との硬さの差がＨｖ３０以
下のパーライト組織であることを特徴とする耐摩耗性と
耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レール。
【請求項６】重量％で、Ｃ：０．８５超〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００４０％、Ｎ：＜０．００６０％を含有し、さらに、Ｃｒ：０．０５〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００５０〜０．０３００％、Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、Ｃａ：０．００１０〜０．０１５０％、Ｃｏ：０．１０〜２．００％の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可
避的不純物からなる鋼スラブを熱間圧延して鋼レールと
し、得られた鋼レールの頭部を、熱間圧延ままのＡｒ１
点以上の温度にある状態から、或いは熱間圧延後にＡｃ
１点＋３０℃以上の温度に加熱された状態から、１〜１
５℃／sec の冷却速度で加速冷却して鋼レール頭部の温
度を６５０〜４５０℃とし、その後放冷し、鋼レールの
頭頂部及び頭部コーナー部の表面から深さ２０mm以上の
範囲を、硬さＨｖ３７０以上かつ頭表部と頭部内部との
硬さの差がＨｖ３０以下のパーライト組織とすることを
特徴とする耐摩耗性と耐内部疲労損傷性に優れたパーラ
イト系レールの製造法。