JP2001020040A

JP2001020040A - 耐摩耗性、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法

Info

Publication number: JP2001020040A
Application number: JP19482399A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Ueda; 正治上田; Koichi Uchino; 耕一内野; Katsuya Iwano; 克也岩野; Rei Kobayashi; 玲小林; Masakazu Shishido; 正和宍戸
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-07-08
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2001-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】重荷重鉄道用レールの耐摩耗性と耐内部疲労
損傷性を同時に向上させ、レールの高寿命化を達成す
る。【解決手段】重量％で、Ｃ：０．８５超〜１．２０
％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．８０〜
１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００２０％を含有
し、かつＭｎ／１．２＋Ｂ×１０⁴／７の含有率の和が
０．８５〜３．５０％であり、必要に応じてＣｒ，Ｍ
ｏ，Ｎｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍｇ，Ｃａの
１種又は種以上を添加し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物
からなるパーライト系レール。さらに熱間圧延後の高温
状態のレール頭部を加速冷却する製造法。【効果】ＢとＭｎの添加量を制御することで、高硬度
化と高深度化が達成され、耐摩耗性と耐内部疲労損傷性
が同時に向上する。

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５４−２５４９
０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（特開昭５７−１９８２１６号公報）。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。

【０００５】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。

【０００６】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（ＰＣＴ平８−８２８５８１号公表公
報）。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、図１に示すように、高冷却速度領域におい
て、鉄の炭ほう化物の生成によりパーライト変態開始温
度を高温側へ移動させ、比較的冷却速度の速いレール頭
表面と比較的冷却速度の遅い内部のパーライト変態開始
温度の差を低減し、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。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記に示した発明レ
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、Ｂの添加量やその他の成分系の違いによって
は、Ｂ添加によるレール頭表面と内部のパーライト変態
開始温度の差を低減する効果が低減し、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難いことが確認
された。また、Ｂ添加によりレール頭表面と内部の硬度
差が低減、すなわち、レール頭部の硬化深度の向上が達
成されても、パーライト変態開始温度が高温側へ移動す
るためレール頭部硬度が全体的に低下し、耐摩耗性や耐
内部疲労損傷性が低下する場合のあることが明らかとな
った。

【０００８】そこで本発明者らは、初めに硬化深度を安
定的に向上させる方法を検討した。実験を重ねた結果、
レール頭表面と内部の硬度差すなわち硬化深度特性は、
鋼のＢ添加量とよい相関があり、Ｂ添加量をある一定範
囲に制御することにより、レール頭表面と内部の硬度差
が著しく低減し、硬化深度特性が極めて向上することを
見出した。

【０００９】次に本発明者らは、Ｂ添加による硬度低下
を防止する方法として、鋼の合金添加元素の検討を行っ
た。パーライト鋼の硬さはその過冷度［共析温度（Ａ₁
点）と変態温度の差］に大きく依存し、この過冷度を大
きくすれば硬さは向上する。過冷度を大きくする方法と
しては、共析温度（Ａ₁点）を上昇させるＳｉ，Ｃｒ
添加量の増加、パーライト変態温度を低下させるＭｎ
添加量の増加、等の方法が有効である。

【００１０】そこで効果的にパーライト鋼の硬さを向上
させる元素を実験により調査した。その結果、過共析鋼
ではＳｉの効果は非常に少なく、またＣｒは偏析を助長
し、レールの靭性に有害なマルテンサイト組織を生成し
やすることから、パーライト変態温度を低下させるＭｎ
添加量の増加が最も有効であることを知見した。更に実
レールの熱処理実験を行った結果、Ｂ添加した過共析鋼
においても、Ｍｎ添加量の増加によりパーライト組織の
硬さが低下せず、マルテンサイト組織などの靭性に有害
な組織が生成せず、レールの高硬度化が図れることを見
出した。

【００１１】これに加えて本発明者らは、レール頭部の
硬化深度を確保し、同時にパーライト鋼の硬度低下を防
止する方法を検討した。その結果、硬化深度を確保し硬
度低下を防止するには、鋼中のＭｎ添加量とＢ添加量の
バランスが重要であることを見出し、これらの特性を両
立させるには、Ｍｎ添加量とＢ添加量を基本とした式
［Ｍｎ（ｗｔ％）／１．２＋Ｂ（ｗｔ％）×１０⁴／
７）］により算定した値を、ある一定の範囲に納める必
要があることを実験により見出した。

【００１２】また本発明者らは、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。実験の結果、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、レール頭表面
から内部まで安定した高強度化が図れることを確認し
た。

【００１３】以上の検討の結果、ＢやＭｎ添加量の適性
化を図り、同時に製造時の冷却速度の適正化を行うこと
により、安定的に鉄炭ほう化物が生成し、レール頭表面
と内部のパーライト変態開始温度の差が減少し、さらに
パーライト変態温度が低下することにより、レール頭表
面から頭部内部までより均一な高い硬度を有したパーラ
イト組織が得られるとこが確認された。

【００１４】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や
Ｍｎの添加量の適性化を図り、さらに加速冷却熱処理を
行うことにより、レール頭表面から内部まで均一な高い
硬度を有したパーライト組織が得られ、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。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次の通りで
ある。（１）重量％でＣ：０．８５超〜１．２０％、Ｓ
ｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．８０〜１．５０
％、Ｂ：０．０００１〜０．００２０％を含有
し、かつ重量％で、Ｍｎ／１．２＋Ｂ×１０⁴／７の含
有率の和が０．８５〜３．５０％であり、さらに必要に
応じ、Ｃｒ：０．０５〜１．００％、Ｍｏ：０．０
１〜０．２０％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎ
ｉ：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％、Ｃ
ｏ：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耐摩耗
性、耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レール。

【００１６】（２）前記成分を有するレールであって、
レールの頭部コーナー部および頭頂部表面を起点として
少なくとも深さ２０mmの範囲が、硬さＨｖ３８０〜４８
０の範囲であり、かつその硬さの差がＨｖ４０以下であ
るパーライト組織とすることを特徴とする耐摩耗性、耐
内部疲労損傷性に優れたパーライト系レール。（３）前記（１）の成分からなる熱間圧延ままのＡｒ₁
点以上の温度の鋼レール頭部、あるいは熱処理する目的
で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１〜１５℃／sec の冷
却速度で加速冷却し、前記鋼レールの頭部の温度が６５
０〜４８０℃に達した時点で加速冷却を停止し、その後
放冷して、前記鋼レールの頭部コーナー部および頭頂部
表面を起点として少なくとも深さ２０mmの範囲が、硬さ
Ｈｖ３８０〜４８０の範囲であり、かつその硬さの差が
Ｈｖ４０以下であるパーライト組織とすることを特徴と
する耐摩耗性、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。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。本発明において、化学成分、パーライト組織の範
囲および深さ、パーライト組織の硬さの差、および製造
条件を上記特許請求の範囲に限定した理由について以下
に説明する。

【００１８】（１）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、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０．８５超〜１．２０％に限定した。

【００１９】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。

【００２０】Ｍｎは、パーライト変態温度を低下させ、
Ｂとの相互作用によりレール頭部を高硬度化し、同時に
硬化深度の向上を図る元素であり、更に、焼き入れ性を
高め、初析セメンタイト組織の生成を抑制する元素であ
るが、０．８０％未満の含有量ではこれらの効果が小さ
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
されて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０．８０〜１．５
０％に限定した。

【００２１】Ｂは、鉄の炭ほう化物（Ｆｅ₂₃ (ＣＢ)
₆）を形成し、パーライト変態の促進効果により、結
果としてレール頭表面と頭部内部のパーライト変態温度
の差を低減させ、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０．００２０％
を超えて添加すると粗大な鉄の炭ほう化物が生成し、延
性や靱性が低下することや、添加量が過剰になるとレー
ル頭表面から内部まで均一な硬度分布が得られ難くなる
ことから、Ｂ量を０．０００１〜０．００２０％に限定
した。

【００２２】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、さらには溶接時の材料劣化を防止
する目的で、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｃ
ｕ，Ｃｏ，Ｍｇ，Ｃａ，の元素を必要に応じて添加す
る。ここで、Ｃｒ，Ｍｏは高強度化と耐摩耗性向上、Ｎ
ｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉは延性と靭性と同時に強度と向上、
Ｃｕ，Ｃｏは強度向上、Ｍｇ，Ｃａは延性と靭性の向上
を主な目的として、次の範囲で添加する。Ｃｒ：０．０
５〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、Ｃ
ｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜１．
００％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、Ｎｂ：０．
００２〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００５０〜０．０３
００％、Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、Ｃａ：
０．００１０〜０．０１５０％、Ｃｏ：０．１０〜２．
００％。

【００２３】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
多量に生成して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。

【００２４】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てレールの靱性が低下するため、Ｍ
ｏ量を０．０１〜０．２０％に限定した。

【００２５】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０．０５
〜０．５０％に限定した。

【００２６】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。従ってＮｉ量を０．
０５〜１．００％に限定した。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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 (ＣＢ)
₆）を優先的に生成させる元素であるが、０．００５０
％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０．００５０〜０．０
３００％に限定した。

【００３０】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する。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、０．０１
００％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０．００
１０〜０．０１００％に限定した。

【００３１】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する。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。

【００３２】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。

【００３３】さらに、重量％でＭｎ／１．２＋Ｂ×１０
⁴／７の含有率の和を０．８５〜３．５０％の範囲に限
定した理由について説明する。重量％でＭｎ／１．２＋
Ｂ×１０⁴／７の含有率の和が０．８５％未満では、レ
ール頭表部と頭部内部のパーライト変態温度の差の増加
により、レール頭表部と頭部内部の硬さの差が増加し、
硬化深度が低下し、同時にパーライト変態温度が上昇
し、レール頭部の全体的なパーライト組織の硬さが低下
するため、レール頭部の耐摩耗性が低下して内部疲労損
傷が発生しやすくなる。また、重量％でＭｎ／１．２＋
Ｂ×１０⁴／７の含有率の和が３．５０％を超えると、
レール頭部の延性が低下すると同時に、パーライト変態
が安定せず、パーライト組織中にベイナイト組織が生成
してレールの耐摩耗性が低下するため、重量％でＭｎ／
１．２＋Ｂ×１０⁴／７の含有率の和を０．８５〜３．
５０％の範囲とした。

【００３４】なお、重量％でＭｎ／１．２＋Ｂ×１０⁴
／７の含有率の和を１．００〜３．００％の範囲にする
と、レール頭表部と頭部内部の硬さの差が最も減少し、
同時に、レール頭部の全体的なパーライト組織の硬さが
増加し、高硬度化と高深度化が同時に達成され最も望ま
しい。

【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】（２）パーライト組織の望ましい硬さおよ
びその範囲はじめに、パーライト組織の硬さをＨｖ３８０〜４８０
の範囲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Ｈｖ３８０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Ｈｖ３８０以上に限
定した。また、硬さがＨｖ４８０を超えると、レール頭
表部の車輪とのなじみ性が低下し、表面損傷が発生しや
すくなることや、またレール熱処理製造において、レー
ル頭部にベイナイトやマルテンサイトなどの異常組織が
生成し易くなり、レールの耐摩耗性や耐内部疲労損傷性
を低下させるため、硬さをＨｖ３８０〜４８０の範囲に
限定した。

【００３７】次に、硬さＨｖ３８０〜４８０の範囲のパ
ーライト組織の呈する望ましい範囲を、頭部コーナー部
および頭頂部の該頭部表面を起点として深さ２０mm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
部コーナー部および頭頂部の該頭部表面を起点として深
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。

【００３８】ここで、図２に本発明の耐摩耗性、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。図２のレー
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、Ｈｖ３８０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る。

【００３９】（３）パーライト組織の望ましい硬さの差次に、深さ２０mmの範囲における望ましいパーライト組
織の硬さの差の最大値をＨｖ４０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
ル頭表面と頭部内部の硬度差がＨｖ４０を超えると、本
発明成分系のレールにおいては、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てレール寿命が低下す
るため、硬さの差の最大値をＨｖ４０以下に限定した。

【００４０】（４）製造条件請求項５，６において、レール製造時の加熱、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、圧延後に再加熱を行わない場合はＡｒ₁点以上
の温度域であり、また、再加熱を行った場合は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１３
５０℃が上限となる。

【００４１】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。

【００４２】次に、レール頭部をオーステナイト域温度
から６５０〜４８０℃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Ｈｖ３８０未満とな
り、耐摩耗性や耐内部疲労損傷性を確保できないため、
６５０℃以下に限定した。また４８０℃未満まで加速冷
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、４８０℃以上に限定した。

【００４３】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Ｈｖ３８０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てレ
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、加速冷却速度は２〜
１０℃／sec の間が最も望ましい。

【００４４】上記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、本発明パーライト
系レールの特性に大きな影響をおよぼさないため、本発
明レールの加速冷却条件としては、冷却途中の一時的な
温度上昇に伴う冷却速度の低下も含んでいる。

【００４５】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、Ｈｖ３８０以上のパー
ライト組織を呈した耐摩耗性、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６５０〜４８０℃
に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。

【００４６】また、加速冷却後の冷却は強制的な冷却は
行わず、パーライト変態を完遂するまで放冷、すなわち
自然冷却することが望ましい。なお、生産性向上等のた
めレールを強制的冷却する時には、マルテンサイト組織
などのレールの靱性を低下させる組織の生成を防止する
ため、パーライト変態が完遂してから冷却を行うことが
望ましい。なお本成分系において、レール頭部全体のパ
ーライト変態がほぼ完了する温度は、レール頭表面の温
度が３５０℃未満に冷却された状態である。

【００４７】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及ぼさないた
め、本発明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。

【００４８】

【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。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２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。

【００４９】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は本
発明レール鋼（符号Ｄ）の頭部断面硬度分布の一例であ
る。また図７は、比較レール鋼（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。

【００５０】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本発明の成分範囲で、該鋼レールの少なくともレール頭
部表面から該頭部表面を起点として深さ２０mmの範囲が
パーライト組織を呈し、前記範囲のパーライト組織の硬
さがＨｖ３８０〜４８０の範囲で、かつその硬さの差が
Ｈｖ４０以下であることを特徴とする耐摩耗性、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（１２本）符号Ｍ〜Ｏ：化学成分が本発明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、Ｑ：化学成分が本発明範囲外の過共析炭素含有
鋼による比較レール鋼（２本）。符号Ｒ：化学成分が本発明範囲外で、かつＭｎ／１．２
＋Ｂ×１０⁴／７の含有率の和が本発明範囲外の過共析
炭素含有鋼による比較レール鋼（１本）。符号Ｓ、Ｔ：化学成分が本発明範囲内で、Ｍｎ／１．２
＋Ｂ×１０⁴／７の含有率の和が本発明範囲外の過共析
炭素含有鋼による比較レール鋼（２本）。符号Ｕ〜Ｘ：化学成分が本発明範囲内で、製造条件が本
発明範囲外の過共析炭素含有鋼による比較レール鋼（４
本）。

【００５１】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：８m
m）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：１００Ｎ
ｌ／min ）繰返し回数：７０万回

【００５２】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）荷重条件（重荷重鉄道再現）ラジアル荷重：１９６０００Ｎ（２０トン）スラスト荷重：９８００Ｎ（１トン）潤滑条件ドライ＋油（間欠給油）

【００５３】

【表１】

【００５４】

【表２】

【００５５】

【発明の効果】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
適切な範囲に制御し、同時にＭｎ添加量を増加し、これ
らの添加量を、Ｍｎ／１．２＋Ｂ×１０⁴／７の含有率
の和で０．８５〜３．５０％の範囲に納めることによ
り、図７に示す比較鋼レールと比べて高硬度化と高深度
化が達成され、表１に示すように、耐摩耗性と耐内部疲
労損傷性の向上を同時に達成することができる。さら
に、表１の本発明レール鋼に示すように、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、表２の比較レール鋼で確認されたレールの靱性や耐
摩耗性に有害な初析セメンタイト組織、マルテンサイト
組織やベイナイト組織を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。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】Ｂ添加によるパーライト変態領域の変化を示す
図。

【図２】レール頭部断面表面位置の呼称および硬さＨｖ
３８０〜４８０のパーライト組織の必要範囲を示す図。

【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Ｄ）の頭部断面硬度分布
を示す図。

【図７】比較レール鋼（符号Ｓ）の頭部断面硬度分布を
示す図。

【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 (72)発明者岩野克也北九州市戸畑区飛幡町１−１新日本製鐵株式会社八幡製鐵所内 (72)発明者小林玲北九州市戸畑区飛幡町１−１新日本製鐵株式会社八幡製鐵所内 (72)発明者宍戸正和北九州市戸畑区飛幡町１−１新日本製鐵株式会社八幡製鐵所内Ｆターム(参考） 4K042 AA04 BA03 BA04 CA02 CA03 CA04 CA05 CA06 CA08 CA09 CA10 CA12 CA13 DC02 DD04 DD05 DE03 DE05 DE06 DF01

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：０．８０〜１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００２０％を含有し、かつ重量％で、Ｍｎ／１．２＋Ｂ×１０⁴／７の含有率の和が０．８５
〜３．５０％であり、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、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：０．８０〜１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００２０％を含有し、かつ重量％で、Ｍｎ／１．２＋Ｂ×１０⁴／７の含有率の和が０．８５
〜３．５０％であり、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、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：０．８０〜１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００２０％を含有し、かつ重量％で、Ｍｎ／１．２＋Ｂ×１０⁴／７の含有率の和が０．８５
〜３．５０％であり、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、前記鋼レールの頭部コーナー
部および頭頂部表面を起点として少なくとも深さ２０mm
の範囲が、硬さＨｖ３８０〜４８０の範囲であり、かつ
その硬さの差がＨｖ４０以下であるパーライト組織とす
ることを特徴とする耐摩耗性、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：０．８０〜１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００２０％を含有し、かつ重量％で、Ｍｎ／１．２＋Ｂ×１０⁴／７の含有率の和が０．８５
〜３．５０％であり、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、前記鋼レールの頭
部コーナー部および頭頂部表面を起点として少なくとも
深さ２０mmの範囲が、硬さＨｖ３８０〜４８０の範囲で
あり、かつその硬さの差がＨｖ４０以下であるパーライ
ト組織とすることを特徴とする耐摩耗性、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：０．８０〜１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００２０％を含有し、かつ重量％で、Ｍｎ／１．２＋Ｂ×１０⁴／７の含有率の和が０．８５
〜３．５０％であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物
からなる、熱間圧延ままのＡｒ₁点以上の温度の鋼レー
ル頭部、あるいは熱処理する目的で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１〜１５℃／sec の冷却速度で加速冷却し、
前記鋼レールの頭部の温度が６５０〜４８０℃に達した
時点で加速冷却を停止し、その後放冷して、前記鋼レー
ルの頭部コーナー部および頭頂部表面を起点として少な
くとも深さ２０mmの範囲が、硬さＨｖ３８０〜４８０の
範囲であり、かつその硬さの差がＨｖ４０以下であるパ
ーライト組織とすることを特徴とする耐摩耗性、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。
【請求項６】重量％で、Ｃ：０．８５超〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．８０〜１．５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００２０％を含有し、かつ重量％で、Ｍｎ／１．２＋Ｂ×１０⁴／７の含有率の和が０．８５
〜３．５０％であり、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、熱間圧延ままのＡｒ₁点以上の温
度の鋼レール頭部、あるいは熱処理する目的で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１〜１５℃／sec の冷却速度で加
速冷却し、前記鋼レールの頭部の温度が６５０〜４８０
℃に達した時点で加速冷却を停止し、その後放冷して、
前記鋼レールの頭部コーナー部および頭頂部表面を起点
として少なくとも深さ２０mmの範囲が、硬さＨｖ３８０
〜４８０の範囲であり、かつその硬さの差がＨｖ４０以
下であるパーライト組織とすることを特徴とする耐摩耗
性、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。