JP2001020204A

JP2001020204A - ベイナイト鋼レールのテルミット溶接継手

Info

Publication number: JP2001020204A
Application number: JP11196735A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Karimine; 健一狩峰; Koichi Uchino; 耕一内野; Daisuke Hiragami; 大輔平上
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2001-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】偏摩耗、表面損傷の少ないベイナイト鋼レー
ルのテルミット溶接継手を提供する。【解決手段】溶接金属の硬度がビッカース硬度番号で
２００〜５００であり、ミクロ組織の７０体積％以上が
ベイナイト組織であり、かつ、溶接金属における（１）
式で表すＣ_eqが０．５〜１．５重量％の範囲であること
を特徴とするベイナイト鋼レールのテルミット溶接継
手。 C_eq(%)=C%+Si%/24+Mn%/6+Ni%/40+Cr%/5+Mo%/4+V%/
16・・・・（１）さらに、ビッカース硬度番号による溶接金属とレール鋼
母材とのの硬度の差が−５０以上、＋７０以下の範囲で
あることをテルミット溶接継手。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はベイナイト鋼レール
のテルミット溶接継手に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、軌道保守コストの低減や騒音振動
の低減のために溶接によって継目を連続化するロングレ
ール化が普及している。テルミット溶接は酸化鉄とアル
ミニウムの化学反応を利用した溶接法であり、レールの
現地溶接法として広く使われている。

【０００３】このテルミット溶接法は、鋳型で覆った溶
接部の上方に反応るつぼを設置し、るつぼ内でのテルミ
ット剤の反応によって生成した溶融鉄を、るつぼ底部の
流出孔を開口させて溶接部に注入し、母材を溶融、接合
する溶接法である。

【０００４】テルミット剤はアルミニウム、酸化鉄、鉄
粉粒、合金材から構成される。アルミニウム、酸化鉄は
反応原料、鉄粉粒は溶融鉄の温度調整および補助鉄源、
合金材は成分調整用原料として配合される。テルミット
剤は耐火物製るつぼ内に装入、堆積され、点火剤により
反応が開始される。

【０００５】テルミット剤の一部で反応が開始すると、
高温の生成物が新たな反応源となって次々に反応が伝播
し、るつぼ全体に反応がおよぶ。この反応により溶融鉄
と溶融スラグが生成するが、両者は比重差によりるつぼ
内で上下に分離し、注入の際には、溶融鉄が鋳型内の溶
接部に先に充満し、引き続き溶融スラグが押し湯部分に
注入される。高温の溶融鉄の注入により母材の開先面が
溶融し、溶接継手が形成される。

【０００６】レール鋼には強度、耐摩耗性が要求され、
通常８００ＭＰａ級の高炭素パーライト鋼が使用されて
きた。そのテルミット溶接には溶接金属がレール鋼とほ
ぼ同等の高炭素となるテルミット剤が一般的に使用され
ている。

【０００７】このような従来のテルミット剤は、特公昭
３５−６９６６号公報、特公昭３８−１８２１５号公
報、特公昭３８−２６５５４号公報などにおいて開示さ
れている。特公昭３５−６９６６号公報はレール用のテ
ルミット剤に関連し、合金原料の配合量を規定している
が、テルミット溶接金属の金属組織、硬度については規
定されていない。特公昭３８−１８２１５号公報は、銅
系材料を溶接するためのテルミット剤、特公昭３８−２
６５５４号公報は鋳鉄を溶接するためのテルミット剤に
関するものであるが、いずれも、レール溶接用のテルミ
ット溶接金属組織、硬度を規定するものではない。

【０００８】これまで一般的であった上記パーライト鋼
レールは近年の列車高速化に伴って、車輪との接触部に
表面損傷を生じる事例が増えつつある。この表面損傷
は、車輪との接触面直下に生じる微細な疲労亀裂を起点
として進展するといわれている。

【０００９】この表面損傷を防止するためには、亀裂が
発生、進展する前に、亀裂の起点と思われる微細な塑性
変形部が摩耗により除去されることが有効である。従っ
て、耐表面損傷性を向上させるためには、耐摩耗性能を
低下させることが有効となる場合がある。ただし、強度
や硬度が低下すると車輪との接触による塑性変形が増大
するという問題を生じる。そこで、強度、硬度を維持し
ながら耐摩耗性能を変えるためには金属組織を変えるこ
とが必要となる。

【００１０】従来の高炭素レールに見られるパーライト
鋼に比較し、ベイナイト鋼は同一強度レベルでの耐摩耗
性能が低いということから、ベイナイト鋼は塑性変形を
防止しつつ、耐表面損傷性を改善する効果が期待され
る。

【００１１】このベイナイト組織をレールに適用したベ
イナイト鋼レールは特開平２−２８２４４８号公報、特
開平８−９２６９６号公報、特開平９−８７８０４号公
報などに開示されているように、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃ
ｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｂなどを含有
し残部がＦｅおよび不可避不純物からなる熱間圧延鋼材
である。ベイナイト鋼レールとパーライト鋼レールの成
分的な違いとしては、ベイナイト鋼がＣ量が低く、Ｃ
ｒ，Ｍｏなどの合金量が多いという特徴がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記ベイナイト鋼レー
ルに従来の高炭素テルミット剤を適用した場合、溶接金
属部の炭素量が高すぎるため、溶接金属組織がパーライ
ト組織となり、母材レールと金属組織的に不連続とな
る。この場合、耐摩耗性能が母材レールと溶接金属部で
明らかに異なるため、摩耗形状が不均一となり、騒音振
動を招くことから、レール交換などの軌道保守費用の増
加を招くことがある。また、溶接金属がパーライト組織
になると、表面直下の微細な疲労亀裂が摩耗で除去する
という本来のベイナイト鋼の適用目的が溶接部では期待
できないことになる。

【００１３】耐摩耗性は上述したように金属組織に影響
されるが、硬度によっても大きく変わる。従って、溶接
部の偏摩耗を少なくするためには溶接金属とレール鋼の
組織が同等であることに加えて、硬度も同等であること
が望ましいことを知見して本発明に至った。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、２本のベイナ
イト鋼レール端部を間隔を設けて対向設置し、レール端
部間の隙間とその周囲を取り囲む耐火物鋳型によって構
成される空間に高温の溶融金属を流し込み、レールを溶
接するテルミット溶接において、前記２本のレール端部
間に形成された溶接金属の組織、硬度を規定するもので
あって、その要旨は、 (1)溶接金属の硬度がビッカース硬度番号で２００〜５
００であり、ミクロ組織の７０体積％以上がベイナイト
組織であり、かつ、溶接金属における（１）式で表すＣ
_eqが０．５〜１．５重量％の範囲であることを特徴とす
るベイナイト鋼レールのテルミット溶接継手。Ｃ_eq（％）＝Ｃ％＋Ｓｉ％／２４＋Ｍｎ％／６＋Ｎｉ％／４０＋Ｃｒ％／５＋Ｍｏ％／４＋Ｖ％／１６・・・・・・・・（１） (2)ビッカース硬度番号による溶接金属とレール鋼母材
とのの硬度の差が−５０以上、＋７０以下の範囲である
ことを特徴とする上記(1)に記載のテルミット溶接継
手。上記範囲のテルミット溶接金属を適用することによ
り、溶接金属にベイナイト鋼レールと同等の耐摩耗特
性、耐表面損傷性を付与することが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に本発明の限定理由を説明す
る。本発明において、溶接金属におけるベイナイト組織
の体積分率は７０％以上であることが望ましい。溶接金
属のベイナイト組織の体積分率が７０％未満では、ベイ
ナイト鋼レールとの耐摩耗性差による偏摩耗が生じ、騒
音・振動のためレール交換などのメンテナンス費用が増
大する。また、ベイナイト分率が７０％未満では耐損傷
性が低下し、表面損傷が起きやすくなる。

【００１６】溶接金属の硬度は耐摩耗性、強度の観点か
ら重要である。溶接金属の硬度はビッカース硬度番号
（Ｈｖ）でＨｖ２００以下ではレール鋼としての最低限
の耐摩耗性を確保することができない。

【００１７】溶融した金属は凝固する際に合金元素が凝
固界面に偏析する。レール鋼は鋳造された鋳片を１００
０℃以上に再加熱した後、圧延加工を受けるためミクロ
偏析は軽減されるが、溶接金属の偏析は凝固時のまま残
る。このため、溶接金属のデンドライト凝固界面は焼き
入れ性が増大し、レール鋼母材に比べてマルテンサイト
組織が生じやすい。溶接金属の硬度がＨｖ５００を超え
る状態では、脆いマルテンサイト組織が相当量生じるた
め好ましくない。

【００１８】また、偏摩耗防止のためにはレール鋼と溶
接金属の硬度差は小さいことが望ましい。溶接金属がレ
ール鋼よりＨｖ７０を超えて高いと、溶接金属の摩耗が
少なく、列車が溶接部を通過する時に車輪が上向きの力
を受けて、列車走行が不安定になる。逆に溶接金属がレ
ール鋼よりＨｖ５０を超えて柔らかい場合には溶接金属
部が集中的に摩耗して、極端な場合には車輪とレールの
接触が不連続となり、列車通過の際の騒音振動が大きく
なる。

【００１９】溶接金属の組織、硬度はその化学組成と溶
接時の冷却速度によって決定される。このうち化学組成
の影響度は（１）式で示す炭素当量Ｃ_eqを指標として一
般的に表される。Ｃ_eq（％）＝Ｃ％＋Ｓｉ％／２４＋Ｍｎ％／６＋Ｎｉ％／４０＋Ｃｒ％／５＋Ｍｏ％／４＋Ｖ％／１６・・・・・・・・（１）

【００２０】また、テルミット溶接におけるベイナイト
変態域である５００℃〜３００℃での冷却速度は本発明
者らの測定によると、１０〜１５℃／分であった。この
冷却速度でＣ_eqが０．５重量％未満ではフェライト変態
が増加してベイナイトの組織分率が７０体積％未満とな
り、硬度もＨｖ２００未満となる。逆にＣ_eqが１．５重
量％を超えると焼き入れ性が過大となり、デンドライト
凝固界面付近に硬くて脆いマルテンサイトの体積分率が
増加し、ベイナイトの組織分率が７０体積％未満になる
と共に、硬度がＨｖ５００を超えるため好ましくない。

【００２１】テルミット剤における各種合金原料の配合
量は、狙いとする溶接金属組成と、各元素の溶鋼への歩
留まり、注入する溶融金属と母材レールとの相互希釈を
考慮して決める必要がある。テルミット溶接金属におけ
る母材からの希釈率は約２０％である。溶鋼への各元素
の歩留まりは、各元素が酸化されてスラグオフされやす
いか否かによって影響され、その酸化傾向には溶鋼温度
が影響を及ぼす。本発明者らの測定によるとテルミット
溶接の溶鋼温度は２２００℃±１００℃の範囲である。
その際の各元素の歩留まりは、Ｔｉが飛び抜けて低く約
６％程度、次いでＭｎ，Ｂが低く約５０％程度、Ｃ，Ｓ
ｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｖ，Ｃｕ，Ｎｂの歩留まりは約
９０％程度であった。

【００２２】以下、溶接金属およびテルミット剤におけ
る各種合金元素の添加目的、添加量の範囲について説明
する。Ｃは溶接材料に使用される場合、強度調整、組織
制御を目的として用いられる。溶接金属中のＣ量が０．
０５重量％未満では強度が不足し、使用中の塑性変形が
問題となる。逆に溶接金属中のＣ量が０．５５重量％を
超えるとパーライト変態が促進され、ベイナイト組織が
生じにくくなる。テルミット剤全体に対するＣの配合量
は０．０４重量％未満では歩留まり、母材希釈を考慮す
ると溶接金属の最低限である０．０５重量％を下回るた
め好ましくなく、逆に０．８重量％を超えると溶接金属
の最大限である０．５５重量％を上回るため好ましくな
い。

【００２３】Ｓｉは溶接材料に使用される場合、主に溶
接金属の脱酸剤として用いられるが、テルミット溶接の
場合にはアルミニウムが主な脱酸元素として機能するた
め、あえて脱酸を目的としてＳｉを添加する必要はな
い。一方、Ｓｉはパーライト組織においてフェライト層
を強化し、耐疲労損傷性を向上させる元素で、溶接金属
中のＳｉ含有量も前記の理由で０．１重量％以上の含有
が必要である。一方、Ｓｉは多量に含有されると延性が
低下するが、２．０重量％までは影響は少ない。なお、
テルミット溶接では珪砂製鋳型が用いられるため、テル
ミット剤中にＳｉを添加しなくとも、鋳型成分が溶けだ
し、０．１重量％以上のＳｉが溶接金属中に不可避的に
含有される。テルミット剤全体に対するＳｉの配合量は
２．４重量％を超えると溶接金属の最大限である２．０
重量％を上回るため好ましくない。

【００２４】ＭｎもまたＳｉと同様、溶接材料に使用さ
れる場合は一般に溶接金属の脱酸剤として用いられる
が、テルミット溶接ではＳｉと同様に、脱酸を目的とし
てＭｎを添加する必要はない。テルミット溶接金属に対
するＭｎ添加は、溶接金属の焼き入れ性を増加させるこ
とによって、ベイナイト鋼の強度を高めるために行う。
また、材料特性に有害なＳをＭｎＳとして固定し、無害
化する効果もある。溶接金属中のＭｎ量が０．１重量％
未満では強度向上、Ｓ固定の効果が無く、逆に２．５重
量％を超えると焼き入れ性が過大となり、マルテンサイ
ト変態量が増大して脆化するため好ましくない。テルミ
ット剤全体に対するＭｎの配合量は０．２重量％未満で
は歩留まり、母材希釈を考慮すると溶接金属の最低限で
ある０．１重量％を下回り、逆に６．０重量％を超える
と溶接金属の最大限である２．５重量％を上回るため好
ましくない。

【００２５】Ｃｒ，Ｍｏは変態を遅滞させ、鋼材の強度
を増加するのに効果的な元素で、溶接金属中にＣｒ，Ｍ
ｏの１種または２種を含有することによって、ベイナイ
ト組織を安定して得ることができる。テルミット溶接金
属中にＣｒを含有させる場合、０．２重量％未満では効
果が無く、２．５重量％を超えると焼き入れ性が過大と
なり、溶接金属中のマルテンサイト量が増大し、脆化す
るため好ましくない。テルミット溶接金属中のＭｏは
０．０５重量％未満では効果が無く、逆に１．５重量％
を超えると焼き入れ性が過大となり、溶接金属中のマル
テンサイト量が増加して脆化するため好ましくない。テ
ルミット剤全体に対するＣｒの配合量は０．２重量％未
満では歩留まり、母材希釈を考慮すると溶接金属の最低
限である０．２重量％を下回るため好ましくなく、逆に
３．１重量％を超えると溶接金属の最大限である２．５
重量％を上回るため好ましくない。テルミット剤全体に
対するＭｏの配合量は０．０２重量％未満では歩留ま
り、母材希釈を考慮すると溶接金属の最低限である０．
０５重量％を下回るため好ましくなく、逆に２．０重量
％を超えると溶接金属の最大限である１．５重量％を超
えるため好ましくない。

【００２６】以下に説明するＮｉ，Ｃｕ，Ｖ，Ｔｉ，Ｎ
ｂ，Ｂは溶接金属の組織制御、材質制御のために有効で
あるため、必要に応じて添加する元素である。Ｎｉはレ
ール鋼に含有されることは希であるが、ベイナイト溶接
金属の延性、靭性が向上するため、必要に応じて添加す
る場合がある。ただし、Ｎｉ含有率が０．１重量％未満
では効果が弱く、３．０重量％を超すと溶接金属の凝固
割れ感受性が増大するため望ましくない。テルミット剤
全体に対するＮｉの配合量は０．１重量％未満では歩留
まり、母材希釈を考慮すると溶接金属の最低限である
０．１重量％を下回るため好ましくなく、逆に４．５重
量％を超えると溶接金属の最大限である３．０重量％を
上回るため好ましくない。

【００２７】Ｃｕはレール鋼の耐食性を向上させる元素
で、耐食性レール材には２．０重量％未満含有される場
合がある。耐食性レール鋼の溶接金属では必要に応じて
Ｃｕを含有させることが望ましい。ただしＣｕは０．１
重量％未満ではその効果が弱く、溶接金属中のＣｕ量が
１．５重量％を超すと溶接部に熱間脆性が起きて表面き
ずを発生する可能性があるため望ましくない。テルミッ
ト剤全体に対するＣｕの配合量は０．１重量％未満では
歩留まり、母材希釈を考慮すると溶接金属のＣｕ量がそ
の最低限である０．１重量％を下回るため好ましくな
く、逆に２．５重量％を超えると溶接金属の最大限であ
る１．５重量％を上回るため好ましくない。

【００２８】ＶはＣｒ，Ｍｏと同様、変態を遅滞させ
て、必要に応じて鋼材の強度を増加させる元素である。
ただし、０．００５重量％未満ではその効果が弱く、
０．３重量％を超えて含有しても、効果が頭打ちとなる
ため添加の意味がない。テルミット剤全体に対するＶの
配合量は０．００５重量％未満では歩留まり、母材希釈
を考慮すると溶接金属の最低限である０．００５重量％
を下回るため好ましくなく、逆に０．４重量％を超える
と溶接金属の最大限である０．３重量％を上回るため好
ましくない。

【００２９】Ｔｉは析出したＴｉＮが再結晶粒の成長を
抑制して結晶粒を微細化して、変態後の組織を微細化
し、延性を向上するために添加される。溶接金属中のＴ
ｉ量が０．００１重量％未満ではその効果が少なく、逆
に０．３重量％を超えるとＴｉＮの粗大化によってかえ
って延靭性を損なうため好ましくない。テルミット剤全
体に対するＴｉの配合量は０．００２重量％未満では歩
留まり、母材希釈を考慮すると溶接金属の最低限である
０．０１重量％を下回るため好ましくなく、逆に１．５
重量％を超えると溶接金属の最大限である０．３重量％
を上回るため好ましくない。

【００３０】Ｎｂはオーステナイト粒の微細化を介して
溶接金属の靭性および延性を改善するために添加される
が、溶接金属中のＮｂ量が０．０１重量％未満ではその
効果が少なく、０．０５重量％を超えるとＮｂの金属間
化合物が生成し脆化を引き起こすため好ましくない。テ
ルミット剤全体に対するＮｂの配合量は０．０１重量％
未満では歩留まり、母材希釈を考慮すると溶接金属の最
低限である０．０１重量％を下回るため好ましくなく、
逆に０．０６重量％を超えると溶接金属の最大限である
０．０５重量％を上回るため好ましくない。

【００３１】Ｂはオーステナイト粒の微細化を介して溶
接金属の靭性および延性を改善するために添加される
が、溶接金属中のＢ量が０．０００１重量％未満ではそ
の効果が少なく、０．００５重量％を超えるとＢの金属
間化合物が生成し脆化を引き起こすため好ましくない。
テルミット剤全体に対するＢの配合量は０．０００１重
量％未満では歩留まり、母材希釈を考慮すると溶接金属
の最低限である０．０００１重量％未満となるため好ま
しくなく、逆０．０１５重量％を超えると溶接金属の最
大限である０．００５重量％を上回るケースが生じるた
め好ましくない。

【００３２】また、Ｐ，Ｓは各種フェロアロイやレール
鋼母材に不可避的に含まれているため、溶接金属にも不
可避的に混入する。Ｐ，Ｓはいずれも溶接金属の凝固の
最終段階で凝固割れを助長しやすい元素であるため、溶
接金属中のＰ，Ｓ量はいずれも０．０３％以下であるこ
とが望ましい。そのためにはテルミット剤中のＰ，Ｓを
いずれも０．０３％以下に抑制することが望ましく、使
用するフェロアロイ等の原材料としてＰ，Ｓ含有量の低
いものを選択することが好ましい。

【００３３】Ａｌは強い脱酸元素で、溶接金属の清浄度
に影響を与えるが、それ自体は鋼材の組織、強度に与え
る影響は小さい。一方、Ａｌはテルミット反応原料であ
り、その配合量は溶鋼温度を変化させる場合がある。す
なわち、過剰なアルミはテルミット反応に寄与せず、溶
融金属の温度を低下させる。Ａｌは溶接金属中では固溶
アルミと酸化アルミの状態で存在する。本発明者らの実
験によると、固溶アルミと酸化アルミを合計した全Ａｌ
量が１．５重量％を超える場合は、テルミット剤中のＡ
ｌ添加量が過剰であるため、溶鋼温度が低下しており、
レール鋼の溶け込み量が低下し欠陥を生じやすくなる。
逆に、溶接金属中の全Ａｌ量が０．００５重量％未満と
なる場合、溶接金属の脱酸が不十分であり、ブローホー
ルや介在物などの溶接欠陥が生じ易くなる。

【００３４】本発明の実施形態について、以下その具体
的な実施例に基づき説明する。テルミット剤はアルミニ
ウム、酸化鉄、鉄粉粒、合金材から構成される。アルミ
ニウム、酸化鉄は反応原料、鉄粉粒は溶融鉄の温度調整
および補助鉄源用原料、合金材は成分調整用原料として
配合される。

【００３５】テルミット剤における酸化鉄とアルミニウ
ムの反応は（２）式、（３）式に従う。２Ａｌ＋３ＦｅＯ →Ａｌ₂Ｏ₃＋３Ｆｅ・・・・・・・（２）２Ａｌ＋Ｆｅ₂Ｏ₃→Ａｌ₂Ｏ₃＋２Ｆｅ・・・・・・・（３）

【００３６】酸化鉄中のＦｅＯとＦｅ₂Ｏ₃の構成比率
は酸化鉄が生成した時の温度によって異なる。このＦｅ
ＯとＦｅ₂Ｏ₃の構成比率に応じて酸化鉄中の酸素含有
率は約２２〜３０％の間で変化する。酸化鉄とアルミニ
ウム配合比率は酸化鉄の酸素含有量に応じて化学量論的
に決まり、重量割合で１０：２〜１０：３．５となる。
また、上述したように合金元素の歩留まりは溶鋼温度に
応じて変化するため、合金元素の歩留まりが明らかな温
度域に溶鋼温度を調整することが望ましい。この温度調
整を目的として、鉄粉粒がテルミット剤の全重量に対し
３０重量％以下配合される。鉄粉粒と合金材の合計量が
３０重量％を超えると、溶鋼温度が下がりすぎ、母材の
溶け込み不良や気泡の未浮上によるブローホールなどの
溶接欠陥の頻度が高くなるため好ましくない。

【００３７】上記の諸点からテルミット剤全体に対する
酸化鉄、アルミニウムの配合比率はおおよそ以下のよう
に決まってくる。すなわち、重量％でアルミニウム：１０％〜２８％、酸化鉄：５７％〜７８％また、酸化鉄中の酸素がテルミット剤全体に対して占め
る割合は、重量％で、酸素：１１％〜２５％程度となる。アルミニウムの下限配合量は鉄粉粒、合金材の
配合量が多く、しかも酸化鉄の酸化度が低い場合に相当
する。これより低いアルミニウム配合量ではアルミニウ
ムの不足のため酸化鉄が十分還元されない。また、アル
ミニウムの上限配合量は、合金材と鉄粉粒の配合量が少
なく、しかも酸化鉄の酸化度が高い場合に相当する。一
方、酸化鉄の下限配合量は鉄粉粒、合金材の配合量が多
く、しかも酸化鉄の酸化度が高い場合に相当する。酸化
鉄の酸化度が高い場合、酸化鉄の還元に要するアルミニ
ウムが多く必要で、酸化鉄の配合量は相対的に減るため
である。また、酸化鉄の上限配合量は、合金材と鉄粉粒
の配合量が少なく、しかも酸化鉄の酸化度が低い場合に
相当する。

【００３８】本発明の実施例では酸素含有量が約２５重
量％、残部がＦｅと不可避不純物からなる熱間圧延ミル
スケールを酸化鉄として用い、アルミニウムとの配合比
率は重量割合で１０：３とした。また、溶鋼温度を２２
００℃程度とするために、軟鋼スクラップ粒を補助鉄源
として約１３重量％配合した。

【００３９】また、酸化鉄とアルミニウムの使用量に応
じて溶鋼とアルミナスラグの生成量が決まる。テルミッ
ト反応により生じる溶鋼に加え、温度調整のために配合
される鉄粉粒と、合金材として配合されるフェロアロイ
からも溶鋼が供給される。テルミット溶接では、レール
端面と鋳型内面によって構成される隙間を充満し、さら
にレール頭部上面に押し湯金属を形成させるだけの溶鋼
量が必要である。この量はレール形状、鋳型形状により
異なってくる。本発明者らによると、単位長さあたり６
０kg／ｍのレールを端面間隔２５mm、溶接部周囲の余肉
厚み１０mm、頭部の押し湯高さ１５mm以上の条件で溶接
するためには、アルミニウムとミルスケールの配合合計
量を約１０kgとすると生成溶鋼量が約６kgとなり、該６
０kg／ｍレールを溶接するのに十分な溶鋼量が得られ
た。

【００４０】合金元素の添加はフェロシリコン、フェロ
マンガン、フェロクロム、フェロモリブデン、フェロバ
ナジューム、フェロボロン、フェロニオブ等のフェロア
ロイ、および金属ニッケル（Ｎｉ＞９９重量％）、金属
銅（Ｃｕ＞９９重量％）のテルミット剤への配合により
行った。これらのうちフェロマンガン、フェロクロムは
炭素含有量が異なる高炭素タイプ、低炭素タイプを使い
分け、Ｃ，Ｍｎ，Ｃｒを調整した。本発明で採用したこ
れらフェロアロイの成分例を表１に示す。

【００４１】

【表１】

【００４２】酸化鉄とアルミニウムの粒サイズはテルミ
ット反応の速度に影響を与える。適正な粒サイズの材料
が反応すると、高温の生成物が未反応テルミット剤中へ
浸透し、これが新たな反応源となって次々に反応伝播
し、るつぼ全体に反応がおよぶ。粒サイズが粗すぎる場
合には酸化鉄とアルミニウムの接触面積が少ないため反
応が進みにくい。反対に粒径が細かすぎる場合、生成し
た溶融金属の未反応テルミット剤中への浸透が困難であ
るため、反応速度はやはり遅くなる。上記観点から酸化
鉄、アルミニウムの適切なサイズ範囲を求め、アルミニ
ウムとして粒サイズが０．１〜１．０mmに調整された工
業用アルミニウムを用いた。酸化鉄としては製鉄工程で
生じる厚み０．１〜０．５mmの片状の圧延ミルスケール
を０．１〜３．０mm径に粉砕して使用した。

【００４３】合金原料の粒サイズは０．１mm未満の細粒
の場合、テルミット反応の際にテルミット剤中の空気の
膨張によって生じる激しい沸騰現象と上昇気流によって
合金材料が舞い上がり、歩留まりが低下するため好まし
くない。逆に５mmを越える粗粒の場合は合金原料の溶融
が不十分になり、固体のまま鋳込まれる危険性があるた
め好ましくない。なお、炭素はグラファイトから添加す
ることもできるが、この場合にも、粉末グラファイトを
水ガラスなどで結合・造粒して０．１mm以上５mm以内に
サイズ調整することが歩留まり低下の防止のために必要
である。

【００４４】鉄粉粒のサイズについても合金原料と同
様、巻き上がり、溶け残りの防止のために、０．１mm以
上５mm以内のものを使用することが望ましい。本実施例
では２〜４mmサイズの軟鋼スクラップ粒を使用した。

【００４５】溶接工程は、従来のパーライト鋼レール溶
接と同様の工程とした。すなわち、２本のレール鋼の端
面を約２５mmの隙間を開けて設置し、その隙間を２分割
型の鋳型を用いて取り囲む。鋳型は珪砂を水ガラスで混
練して型枠で造形し、炭酸ガスで硬化させたものを用い
た。テルミット剤を耐火物製るつぼ内に装入、堆積さ
せ、点火剤により反応を開始させた。テルミット剤の一
部で反応が開始すると、高温の生成物が新たな反応源と
なって次々に反応伝播し、るつぼ全体に反応がおよぶ。
テルミット反応により溶融鉄と溶融アルミナスラグが生
成するが、両者は比重差によりるつぼ内で上下に分離
し、注入の際には、溶融鉄が鋳型内の溶接部、押し湯部
に先に充満し、引き続き溶融スラグが押し湯の上部に注
入される。るつぼから溶接部への溶融物の注入は、るつ
ぼ底部に装着した耐火物栓が、溶融物の顕熱によって溶
融、開口することによって自動的に行わせた。反応に要
する時間は約２０秒である。なお、テルミット剤の反応
に先立ち、ブローホール発生など溶接金属に有害な水分
の除去と、レール鋼の十分な溶融を促すためにレール端
面、鋳型内面を予熱した。予熱方法は鋳型の注湯口から
プロパン−酸素ガスを用いる予熱バーナーを挿入し、レ
ール端面、鋳型内面を２分間かけて行った。この際にレ
ール端面温度は１０００℃以上まで上昇させた。

【００４６】高温の融鉄の注入により母材の端面が溶融
する。溶接金属は４〜５分間で凝固する。レール頭部に
形成される押し湯部は、凝固完了後、油圧式押し抜き装
置によって熱間除去した。頭部押し湯の熱間押し抜き
後、レール頭部は数mmの余肉を残した状態で大気中に露
出する。その後、柱部、底部の鋳型を除去し、レール頭
部の仕上げ研磨、溶接部の検査を行なった。

【００４７】

【実施例】以下、本発明を実施例、比較例と共にさらに
詳しく説明する。ベイナイト鋼レールを化学組成の種々
異なる試作テルミット剤を用いて溶接し、溶接金属の化
学組成、組織分率、硬度を調べた。溶接金属の化学組
成、組織分率、硬度の測定は溶接部中央、レール頭部、
頭頂面下５mm位置で行った。化学組成分析は発光分光分
析により行い、組織分率はミクロ試験片を３％ナイター
ル液でエッチングし、光学顕微鏡を用いた点算法により
行った。また、硬度測定はビッカース硬度計を用いて、
測定荷重１０kgで行った。

【００４８】被溶接材であるベイナイト鋼レールには表
２の３種類のレールを用いた。レールＩは合金元素量、
Ｃ_eqが低くレール頭部、頭頂面下５mmにおける硬度がＨ
ｖ２６０程度の軽軸重、高速軌道用ベイナイト鋼レール
である。レールIIは合金元素量、Ｃ_eqを高めた、レール
頭部、頭頂面下５mmにおける硬度がＨｖ３５０程度の中
軸重用ベイナイト鋼レールである。レールIII は合金元
素量、Ｃ_eqがさらに高い、レール頭部、頭頂面下５mmに
おける硬度がＨｖ４８０程度の高軸重用ベイナイト鋼レ
ールである。

【００４９】

【表２】

【００５０】以下、本発明の実施例と比較例を表３、表
４を用いて説明する。表３は試作したテルミット剤にお
ける各種合金元素のテルミット剤全体に対する重量含有
率を示している。表４は溶接完了後に調査した溶接金属
の化学組成、組織分率、硬度、およびレール鋼と溶接金
属の硬度差の測定結果を示している。レール鋼の硬度は
溶接熱影響を受けていないレール母材の頭頂面下５mmの
値とした。

【００５１】表３、表４の符号（Ａ）〜（Ｋ）は本発明
例である。このうち（Ａ）〜（Ｇ）はＨｖ２６０の高速
軽荷重鉄道用レールＩに適用した実施例である。（Ａ）
はＣｒ添加の例、（Ｂ）はＭｏ添加、（Ｃ），（Ｄ）は
Ｃｒ，Ｍｏの両方添加である。ベイナイトの組織分率は
いずれも７０体積％以上で、硬度も適正範囲にあり、レ
ール鋼との硬度差もＨｖ−５０〜＋７０の範囲であり、
良好な溶接部の実用性能が得られる。（Ｃ）はレール鋼
との硬度差が特に少ない良好な溶接継手が得られた。
（Ｄ）はＣ_eqが低めの例で、旧オーステナイト粒界にお
ける初析フェライト相の生成量が増加し硬さが低めとな
ったが、ベイナイト組織の比率は７０体積％を越えてお
り、硬度も適正範囲内であるため溶接部の実用性能とし
ては問題ない。

【００５２】Ｃｒ，Ｍｏに加え、符号（Ｅ）はＶ、
（Ｆ）はＴｉ、（Ｇ）はＣｕ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｂを添
加した実施例である。いずれも金属組織はベイナイト主
体の組織で、硬度もレール鋼と大差無く良好な継手が得
られた。

【００５３】符号（Ｈ），（Ｉ）はＨｖ３５１の中荷重
鉄道用レールIIを溶接した実施例である。（Ｈ）はレ
ールIIに適用するにしては合金成分量を押さえ気味にし
た実施例であるが、ベイナイト組織の比率は１００体積
％であり、硬度も適正な範囲で、レール鋼との硬度差も
Ｈｖ−５０以内であるため、溶接部の実用性能としては
問題ない。実施例（Ｉ）は溶接金属のＣ_eqが高いため、
マルテンサイト組織がやや増加したが、溶接金属の硬度
はレール鋼と近く、良好な摩耗特性が得られる。

【００５４】符号（Ｊ），（Ｋ）は重荷重用ベイナイト
鋼レールIII を用いた実施例である。（Ｊ）は溶接金属
のＣ_eqを本発明範囲の上限近くまで高めた実施例であ
り、マルテンサイト生成量が増加したが、硬度はレール
鋼と大差無く、溶接部の実用性能としては問題ない。符
号（Ｋ）はレール鋼との硬度差が小さく、特に良好な耐
摩耗特性が得られる。

【００５５】符号（ａ）〜（ｆ）は比較のために、合金
元素の含有率を種々変化させたテルミット剤を試作し、
ベイナイト鋼レールＩ，III を溶接した比較例である。
（ａ）は従来の高炭素系テルミット剤に近い溶剤の例で
あり、硬度はレール鋼に近いが、溶接金属のほぼ全体が
パーライト組織となった。この場合、ベイナイト組織を
有するレール材と耐摩耗性能が明らかに異なるため、使
用中の偏摩耗が考えられ好ましくない。（ｂ）は溶接金
属のＣ_eqが低いため、初析フェライト相が増加しベイナ
イト組織の比率が７０体積％以下まで下がるとともに硬
度が低下しすぎており、溶接金属の偏摩耗が大きくなり
好ましくない。（ｃ），（ｄ），（ｅ）は合金成分を必
要以上に添加した例である。いずれもマルテンサイト相
とパーライト相が増加し、ベイナイト組織の比率が７０
体積％以下となった。この場合、溶接金属の硬度が高す
ぎて偏摩耗が生じるとともに、溶接部の脆化が顕著とな
るため好ましくない。

【００５６】（ｆ）は被溶接レールとして高軸重軌道用
ベイナイト鋼レールIII を用いた比較例である。この例
もＣ_eqが高すぎるためにマルテンサイト、パーライト相
が相当量生じ、硬度が高すぎるために偏摩耗が生じ、好
ましくない。

【００５７】

【表３】

【００５８】

【表４】

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、ベイナイト鋼のレ
ールのテルミット溶接において、本発明に示した範囲の
硬度、ベイナイト組織分率、レール鋼母材との硬度差に
調整した溶接金属を適用することにより、レール鋼母材
と同等の耐摩耗性、耐表面損傷性が溶接金属に付与され
るため、偏摩耗、表面損傷が少なく、従って騒音・振動
が少ない、保守費用の点で優れた軌道を提供することが
できる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ベイナイト鋼レールのテルミット溶接継
手であって、溶接金属の硬度がビッカース硬度番号で２
００〜５００であり、ミクロ組織の７０体積％以上がベ
イナイト組織であり、かつ（１）式で表すＣ_eqが０．５
〜１．５重量％の範囲であることを特徴とするベイナイ
ト鋼レールのテルミット溶接継手。Ｃ_eq（％）＝Ｃ％＋Ｓｉ％／２４＋Ｍｎ％／６＋Ｎｉ％／４０＋Ｃｒ％／５＋Ｍｏ％／４＋Ｖ％／１６・・・・・・・・（１）
【請求項２】ビッカース硬度番号による溶接金属とレ
ール鋼母材とのの硬度の差が−５０以上、＋７０以下の
範囲であることを特徴とする請求項１に記載のテルミッ
ト溶接継手。