JP2002194498A

JP2002194498A - 耐表面損傷性および耐摩耗性に優れたベイナイト系レールおよびその製造法

Info

Publication number: JP2002194498A
Application number: JP2000391346A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Ueda; 正治上田; Koichi Uchino; 耕一内野; Takehide Senuma; 武秀瀬沼; Kenichi Karimine; 健一狩峰
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-07-10

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】現行のパーライト組織レール鋼で問題となって
いたダークスポット損傷等の表面損傷を抑制し、同時
に、耐摩耗性を向上させる。【解決手段】質量％で、C:0.15〜0.55％、 Mn:0.10〜
3.00％、 Cr:0.10〜3.00％を含有し、さらに、質量％
で、 Si:0.05〜3.00％、 Al:0.01〜3.00％の１種または
２種を含有し、金属組織がベイナイト組織と残留オース
テナイト組織の混合組織からなり、前記鋼レールの頭部
コーナー部および頭頂部の表面を起点として、少なくと
も深さ２０mmまでの範囲の任意の断面において、ベイナ
イト組織中の残留オーステナイト組織の面積率が５〜３
０％、硬さがＨｖ３２０〜５００であり、さらに、前記
範囲以外の任意の断面において、ベイナイト組織中の残
留オーステナイト組織の面積率が５％以下であることを
特徴とする耐表面損傷性および耐摩耗性に優れたベイナ
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、貨物鉄道用レール
に要求される、耐表面損傷性、耐摩耗性を向上させたベ
イナイト系レールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、旅客鉄道や貨物鉄道では、輸送効
率の向上を目的として、列車の高速化や貨車の高積載化
が進められている。これにともない主に直線区間のレー
ルにおいては、レール使用環境の苛酷化し、レールと車
輪の繰り返し接触によるダークスポット損傷と呼ばれる
レール頭表面のころがり疲労損傷の発生が増加してい
る。このダークスポット損傷は、従来からのパーライト
組織を呈したレールが使用されている旅客鉄道や貨物鉄
道あ直線区間のレールで発生しやすい特徴を有してい
る。

【０００３】本発明者らは、このダークスポット損傷の
発生源であると考えられる、車輸との繰り返し接触によ
って生成するレール頭表面の疲労層（疲労ダメージ層、
集合組織）の形成と金属組織の関係を研究した。その結
果、フェライト相とセメンタイト相の層状構造を成して
いるパーライト組織では、疲労ダメージ層が蓄積し易
く、さらに、集合組織が発達し易いの対して、柔らかな
フェライト組織地に粒状の硬い炭化物が分散したベイナ
イト組織は、疲労ダメージ層が蓄積し難く、さらに、表
面疲労損傷の引き金となる集合組織が発達し難く、結果
としてダークスポット損傷が発生しにくいことが明らか
となった。

【０００４】そこで、ベイナイト組織を呈したレールと
して下記に示すような製品および製造法が開発された。低炭素成分でＭｎ，Ｃｒ，Ｍｏなどの合金元素を多量
に添加して圧延ままでベイナイト組織を呈する高強度レ
ール（特開平５−２７１８７１号公報）。低炭素成分でＭｎ，Ｃｒ，Ｍｏなどの合金元素を添加
し、熱間圧延後の高温度の熱を保有するレール、あるい
は高温に加熱されたレールの頭部を加速冷却する高強度
ベイナイトレールの製造法（特開平７−３４１３２号公
報）。

【０００５】これらのレールの特徴は、耐表面疲労損傷
性に優れたベイナイト組織を安定に生成させるため、従
来の普通炭素鋼レールと比較して炭素量を低減させると
同時に、Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏなどの合金元素を多く添加
し、さらに、強度を確保するため適切な熱処理を施した
ものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、海外の貨物鉄
道では、貨物積載重量が大きいため、旅客鉄道と比べて
レール／車輪の接触面圧や接線カが著しく高い。このた
め、ベイナイト組織ではダークスポット損傷のような表
面疲労損傷の防止は可能であるが、摩耗量の増加によ
り、レール使用寿命が大幅に低下するといった問題があ
った。また同時に、車輪走行面直下のレール頭表面にメ
タルフローが生成し易く、特に接線カの高い緩曲線区間
では、きしみ割れやＧ．Ｃ．（ゲージコーナー）部にフ
レーキングなどの塑性変形起因の表面損傷が発生し易く
なるといった問題があった。

【０００７】このような背景から、ベイナイト組織を呈
した鋼レールにおいて、海外の貨物鉄道に耐え得る耐表
面損傷性と耐摩耗性を有したレールの開発が望まれるよ
うになった。すなわち本発明は、海外の貨物鉄道に使用
されるベイナイト鋼レールにおいて、耐表面疲労損傷性
と耐摩耗性を同時に向上させることを目的としたもので
ある。

【０００８】

【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、（１）質量％で、Ｃ：０．１５〜０．５５％、Ｍｎ：０．１０〜３．００％、Ｃｒ：０．１０〜３．００％を含有し、質量％で、さらに、Ｓｉ：０．０５〜３．００％、Ａｌ：０．０１〜３．００％の１種または２種を含有し、さらに必要に応じて、質量％で、Ｍｏ：０．０１〜１．００％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｉ：０．０５〜２．００％、Ｃｕ：０．０５〜１．００％、Ｖ：０．０１〜０．３０％、Ｎｂ：０．０１超〜０．０５％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０３００％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００５０％の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的
不純物からなる鋼レールであって、その金属組織がベイ
ナイト組織と残留オーステナイト組織の混合組織からな
り、さらに、前記鋼レールの頭部コーナー部および頭頂
部の表面を起点として、少なくとも深さ２０mmまでの範
囲の任意の断面において、ベイナイト組織中の残留オー
ステナイト組織の面積率が５〜３０％、硬さがＨｖ３２
０〜５００であり、さらに、前記範囲以外の任意の断面
において、ベイナイト組織中の残留オーステナイト組織
の面積率が５％以下であることを特徴とする耐表面損傷
性および耐摩耗性に優れたベイナイト系レール。

【０００９】（２）前記（１）に記載の成分を含有する
鋼片をレール形状に熱間圧延した後、熱間圧延ままのＡ
ｒ1 点以上の温度の鋼レール、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に
おいて、少なくともレール頭部を、オーステナイト域温
度から１〜３０℃/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５００〜３００℃の範囲に達した
時点で加速冷却を停止し、その後、常温まで放冷するこ
とを特徴とする耐表面損傷性および耐摩耗性に優れたベ
イナイト系レールの製造法。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に本発明について詳細に説明
する。本発明者らは、ベイナイト組織の耐摩耗性および
耐表面損傷性を向上させる方法を検討した。そこで、同
一硬さのベイナイト鋼とパーライト鋼を用いて、ころが
り摩耗損傷試験を行い、ころがり面の硬さと摩耗特性お
よび疲労損傷特性の関係を調査した。その結果、ベイナ
イト鋼はパーライト鋼と比べて、試験後のころがり面の
硬さが低く、ころがり面の硬さの低いベイナイト鋼は、
パーライト鋼と比べて、摩耗量が多く、塑性変形起因の
表面損傷が発生しやすいことが確認された。これらの結
果から、ベイナイト鋼の耐摩耗性および耐表面損傷性を
向上させるには、ころがり面の硬さ、すなわち、ころが
り面での加工硬化率を上昇させることが重要であること
がわかった。

【００１１】そこで、本発明者らは、ベイナイト組織の
ころがり面での加工硬化率を上昇させる方法を検討し
た。その結果、レール頭部において、ベイナイト組織中
に未変態のオーステナイト組織（残留オースナナイト組
織）を残留させることにより、レールと車輪の繰り返し
接触を受けるころがり面では、残留オーステナイト組織
がマルテンサイト組織へ加工誘起変態し、ころがり面の
硬さが増加し、結果的に加工硬化率が大幅に上昇するこ
とが明らかとなった。

【００１２】次に、本発明者らは、レール頭部におい
て、強度の高いベイナイト組織と残留オーステナイト組
織を安定的に生成させる添加元素を検討した。その結
果、添加元素としては、ベイナイト組織を安定的に生成
させるＣｒ，Ｍｎの添加に加えて、ＳｉまたはＡｌの添
加が残留オーステナイト組織の生成には有効であること
を見出した。

【００１３】さらに、本発明者らは、残留オーステナイ
ト組織のレール頭部における必要領域とその必要量、さ
らには、ベイナイト組織と残留オーステナイト組織の混
合組織の硬さについて検討した。その結果、残留オース
テナイト組織は、少なくとも車輪と主に接触するレール
頭部外郭表面から一定深さまで必要であり、かつ、一定
量以上生成させることが有効であり、さらに、残留オー
ステナイト組織による耐摩耗性の向上、ベイナイト組織
による耐表面損傷性の向上を図るには、上記混合組織の
硬さにある一定の範囲が存在することを見出した。

【００１４】本発明者らは、これらの発明に加えて、上
記発明レール鋼において、ベイナイト組織を安定的に生
成させ、同時に、一定量以上の残留オーステナイト組織
をベイナイト組織中に生成させるためのレール熱処理方
法について検討した。実験の結果、少なくとも、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ある一定範囲の冷却速度
で加速冷却し、その後、常温まで放冷することにより、
レール頭表面から内部までベイナイト組織が安定的に得
られ、同時に、適正量の残留オーステナイト組織がベイ
ナイト組織中に生成することを確認した。

【００１５】以上の実験室での検討の結果、合金添加量
の最適化を図り、同時に、レール頭部の熱処理製造条件
の適正化を行うことにより、ある一定範囲の硬さを有す
る耐表面損傷性に有効なベイナイト組織と耐摩耗性に有
効な適正量の残留オーステナイト組織の混合組織を生成
させることが可能となり、レール頭部において、耐表面
損傷性と耐摩耗性を同時に両立させることができる。す
なわち、本発明は、貨物鉄道用レールに要求される、耐
表面損傷性と耐摩耗性を同時に向上させることを目的と
したものである。

【００１６】以下に本発明の限定理由について詳細に説
明する。請求項１〜８において、レール鋼の化学成分と
硬さ、ベイナイト組織中の残留オーステナイト組織の面
積率とその必要範囲、および、レール熱処理方法を上記
請求範囲に限定した理由について詳細に説明する。

【００１７】（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、ベイナイト組織
の強度と耐摩耗性を確保し、Ｍｓ点、Ｍｆ点を下げ、残
留オーステナイト組織は生成しやすくする必須元素であ
るが、０．１５％未満では、ベイナイト組織中にフェラ
イト組織が生成し、ベイナイトレールに必要とされる強
度や耐摩耗性を確保することが難しくなる。また、Ｍｓ
点、Ｍｆ点が十分に下がらず、残留オーステナイト組織
の生成が困難となる。一方、０．５５％を超えると、ベ
イナイト組織中にころがり疲労損傷の発生に有害なパー
ライト組織が多く生成しやすくなることや、残留オース
テナイト組織の生成量が多量となり、レールの耐表面損
傷性を低下させるため、Ｃ量を０．１５〜０．５５％に
限定した。

【００１８】Ｍｎは、Ｃ同様に鋼の焼入性を高め、ベイ
ナイト組織を安定的に生成させるためには欠かせない元
素である。本成分系においては、Ｍｎ量が０．１０％未
満ではその効果が微弱であり、添加元素の組み合わせに
よっては、添加元素の組み合わせによっては、ベイナイ
ト組織中に耐摩耗性に有害なフェライト組織や耐表面損
傷性に有害なパーライト組織が生成しやすくなる。ま
た、３．００％を超えると、ベイナイト組織の変態速度
が著しく低下し、レールの耐摩耗性および靱性に有害な
マルテンサイト組織が生成し易くなることや、硬いマル
テンサイト組織を起点としてスポーリングやフレーキン
グ等の表面損傷が発生するため、Ｍｎ量を０．１０〜
３．００％に限定した。

【００１９】Ｃｒは、ベイナイト組織の基地フェライト
素地への固溶体硬化によりレールの硬度を上昇させ、同
時に、焼入性を高め、ベイナイト組織中の炭化物を微細
に分散させ、強度を確保するために重要な元素である
が、０．１０％未満ではその効果が微弱であり、添加元
素の組み合わせによっては、ベイナイト組織を安定的に
得ることが困難となる。また、３．００％を超えると、
ベイナイト組織中にマルテサイト組織が生成しやすく、
レールの靱性や耐摩耗性を低下させることや、硬いマル
テンサイト組織を起点としてスポーリングやフレーキン
グ等の表面損傷が発生するため、Ｃｒ量を０．１０〜
３．００％に限定した。

【００２０】Ｓｉは、ベイナイト組織中のフェライト素
地への固溶体硬化によりレールの硬度を上昇させる元素
であり、同時に、残留オーステナイト組織の生成を促進
させる元素であるが、０．０５％未満ではその効果が期
待できない。また、３．００％を超えるとレール熱問圧
延時に表面疵が発生し易くなることや、残留オーステナ
イト組織の生成量が増加し、ころがり面の硬さが過剰に
上昇し、レールの耐表面損傷性を低下させるため、Ｓｉ
量を０．０５〜３．００％に限定した。なお、残留オー
ステナイト組織をある一定量生成させ、同時に、熱間圧
延時の表面疵のに割れの発生を抑制するには、Ｓｉ添加
重を１．２０〜２．００％の範囲とすることが最も望ま
しい。

【００２１】Ａｌは、残留オーステナイト組織の生成を
促進させる元素であるが、０．０１％未満ではその効果
が期待できない。また、３．００％を超えると、鋼中に
固溶させることが困難となり、疲労損傷の起点となる粗
大な酸化物（Ａｌ₂Ｏ₃）が生成し、疲労強度を低下させ
ることや、残留オーステナイト組織の生成量が増加し、
ころがり面の硬さが過剰に上昇し、レールの耐表面損傷
性を低下させるため、Ａｌ量を０．０１〜３．００％に
限定した。なお、残留オーステナイト組織をある一定量
生成させ、同時に、疲労損傷の起点となる粗大な酸化物
（Ａｌ₂Ｏ₃）の生成を抑制するには、Ａｌ添加重を０．
５０〜２．００％の範囲とすることが最も望ましい。

【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、Ｍｏ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍ
ｇ，Ｃａ，Ｂ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。Ｍｏ：０．０１〜１．００％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｉ：０．０５〜２．００％、Ｃｕ：０．０５〜１．００％、Ｖ：０．０１〜０．３０％、Ｎｂ：０．０１超〜０．０５％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０３００％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１５０％、Ｂ：０．０００１〜０．００５０％

【００２３】ここで、Ｍｏはベイナイト組織の安定化と
強度向上、Ｔｉ，Ｎｉは延性や靭性の向上、Ｃｕは強度
向上、Ｖ，Ｎｂは強度向上と溶接熱影響部の軟化抑制、
Ｍｇ，Ｃａは延性および靭性の向上、Ｂはベイナイト組
織の安定化を図ることが主な添加目的である。

【００２４】Ｍｏは、ＭｎあるいはＣｒと同様に、ベイ
ナイト変態温度を下げ、ベイナイト変態の安定化および
ベイナイト組織の強化に寄与する元素であるが、０．０
１％未満ではその効果が十分でなく、１．００％を超え
ると、ベイナイト組織の変態速度が著しく低下し、Ｍ
ｎ，Ｃｒと同様に、レールの耐摩耗性および靱性に有害
なマルテンサイト組織が生成し易くなるため、Ｍｏ量を
０．０１〜１．００％に限定した。

【００２５】Ｔｉは、溶解・凝固時に析出したＴｉ炭化
物、Ｔｉ窒化物がレール圧延時加熱の高温でも溶解しな
いことを利用して、レール圧延加熱時のオーステナイト
結晶粒の微細化を図り、ベイナイト組織の延性や靱性の
改善に寄与する元素であるが、０．００５％未満では、
これらの効果が十分に発揮されず、また、０．０５０％
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０．００５〜０．０５０％に限定した。

【００２６】Ｎｉは、オーステナイトを安定化させる元
素であり、ベイナイト変態温度を下げ、ベイナイト組織
を微細化し、延性や靭性を向上させる効果を有するが、
０．０５％未満ではその効果が著しく小さく、また、
２．００％を超えて添加するとベイナイト変態速度が大
きく低下し、レールの耐摩耗性、靭性に有害なマルテン
サイト組織を生成しやすくするため、Ｎｉ量を０．０５
〜２．００％に限定した。

【００２７】Ｃｕは、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０．０５〜０．５
０％に限定した。

【００２８】Ｖは、ＣまたはＮと結合して、圧延後の冷
却中にＶ炭化物、Ｖ窒化物を形成し、ベイナイト組織中
のフェライト地に析出することにより、冷却速度の比較
的遅いレール頭部内部の硬度を向上させる元素であると
同時に、Ａｃ1 点以下の温度域に再加熱された熱影響部
において、Ｖ炭化物を比較的高温度域で生成させ、溶接
継ぎ宇部熱影響部のベイナイト組織の硬度低下を防止す
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、０．３０％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０．０
１〜０．３０％に限定した。

【００２９】ＮｂはＶと同様に、熱間圧延後の冷却課程
で生成したＮｂ炭・窒化物による析出硬化でベイナイト
組織の強度を高めると同時に、Ａｃ1 点以下の温度域に
再加熱された熱影響部において、Ｎｂ炭化物を低温度域
から高温度域まで安定的に生成させ、溶接継ぎ宇部熱影
響部のベイナイト組織の硬度低下を防止するのに有効な
成分である。その効果は、０．０１％以下ではその効果
が十分に期待できず、また、０．０５％を超える過剰な
添加を行うと、Ｎｂの金属開化合物や粗大析出物が生成
してレールの靭性を低下させることから、Ｎｂ量を０．
０１超〜０．０５％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、ベイナ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、ベイナイト変態を促進させ、その結果、ベイナイト
組織を微細化することにより、延性や靭性を向上させる
のに有効な元素である。しかし、０．０００５％未満で
はその効果は弱く、０．０３００％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０．０００５〜０．０３００％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、ベイナ
イト変態を促進させ、その結果、ベイナイト組織を微細
化することにより、延性や靭性を向上させるのに有効な
元素である。しかし、０．０００５％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０．０００５〜０．０１５０％に限定した。

【００３２】Ｂは、旧オーステナイト粒界から生成する
初折フェライト組織や、これにともない変態するパーラ
イト組織の生成を抑制し、ベイナイト組織を安定的に生
成させる元素である。しかし、０．０００１％未満では
その効果は弱く、０．００５０％を超えて添加すると、
オーステナイト粒界にＢの窒化物や炭化物が生成し、逆
に焼入れ性を低下させる、初折フェライト組織やパーラ
イト組織を生成しやすくするため、Ｂ量を０．０００１
〜０．００５０％に限定した。

【００３３】（２）レール頭部において、ある一定範囲
の硬さを有したベイナイト組織と面積率５〜３０％残留
オーステナイト組織の混合組織が必要な領域についてはじめに、レール頭部において、ベイナイト組織と面積
率５〜３０％の残留オーステナイト組織の混合組織が必
要な領域を、レール頭部のある一定の領域に限定した理
由について説明する。

【００３４】レール頭部において、上記混合組織の存在
する領域が、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２０mm未満では、レール頭部において、耐
表面損傷性および耐摩耗性が必要とされる領域としては
小さく、十分なレール使用寿命の改善効果が得られない
ためである。また、上記混合組織の範囲が、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
以上であれば、寿命改善効果がさらに増し、より望まし
い。

【００３５】ここで、図１に本発明の耐表面損傷性およ
び耐摩耗性に優れたレールの頭部断面表面位置の呼称を
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。ここで、ベ
イナイト組織と面積率５〜３０％の残留オーステナイト
組織の混合組織は、少なくとも図中の斜線部に存在すれ
ば、十分なレール使用寿命の改善が図れる。

【００３６】（３）レール頭部のベイナイト組織と面積
率５〜３０％の残留オーステナイト組織の混合組織の硬
さについて次に、レール頭部の上記混合組織の硬さをＨｖ３２０〜
５００の範囲に限定した理由について説明する。硬さが
Ｈｖ３２０未満になると、貨物鉄道用レールの頭部に要
求されている基本的な耐摩耗性を確保することが困難と
なり、さらに、緩曲線区間では、頭部のＧ．Ｃ．部にレ
ールと車輸の強い接触によるメタルフローが生成し、こ
れにともないきしみ割れやフレーキングなどの表面損傷
が発生しやすくなるため、レール頭部の硬さをＨｖ３２
０以上に限定した。また、硬さがＨｖ５００を超える
と、レール頭部の摩耗が極度に抑制され、表面損傷が発
生しやすくなることから、レール頭部の硬さをＨｖ３２
０〜５００の範囲に限定した。

【００３７】（４）レール頭部におけるベイナイト組織
中の残留オーステナイト組織の面積率次に、レール頭部におけるベイナイト組織中の残留オー
ステナイト組織の面積率をある一定の範囲に限定した理
由について説明する。残留オーステナイト組織の面積率
が５％未満になると、レールと車輸の繰返し接触で加工
誘起変態するマルテンサイト組織の生成量が少なくな
り、加工硬化率が十分に上昇しない。このため、ころが
り面の硬さの増加が不十分となり、貨物鉄道に必要な耐
摩耗性が十分に得られず、さらに、塑性変形起因のフレ
ーキング損傷等も発生し易くなる。また、残留オーステ
ナイト組織の面積率が３０％を超えると、レールと車輪
の繰返し接触で加工誘起変態するマルテンサイト組織の
生成量が増加し、加工硬化率が大幅に上昇する。このた
め、ころがり面の硬さが過剰に高くなり、ころがり面の
延性が著しく低下し、スポーリングやフレーキングなど
の表面損傷が発生する。これらの理由により、レール頭
部におけるベイナイト組織中の残留オーステナイト組織
の面積率を５〜３０％範囲に限定した。

【００３８】（５）それ以外の部位におけるベイナイト
組織中の残留オーステナイト組織の面積率次に、それ以外の部位における残留オーステナイト組織
の面積率をある一定の範囲に限定した理由について説明
する。上記レール頭部以外の部位において、残留オース
テナイト組織の面積率が５％を超えると、特に、貨車通
過時に大きな応力を受けるレール底部において、残留オ
ーステナイト組織が加工誘起変態し、硬いマルテンサイ
ト組織へと変化する。このため、レールの靭性が著しく
低下する。さらに、レールの底部のみが膨張するため、
軌道狂いが発生し、軌道の保守が煩雑となり、軌道管理
コストが増大する。また、レール柱部においては、偏析
帯に多く存在している水素が、残留オーステナイト組織
に凝集し、水素脆化起因の内部割れが発生しやすくな
る。これら理由により、それ以外の部位におけるベイナ
イト組織中の残留オーステナイト組織の面積率を５％以
下に限定した。

【００３９】（６）レールの熱処理製造法請求項８において、レール製造時の加速冷却前の温度条
件、加速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、レール頭部を加速冷却する前の
温度条件について説明する。ベイナイト組織と残留オー
ステナイト組織を安定的に得るためには、少なくともレ
ール頭部全体をオーステナイト化する必要がある。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Ａ
ｃ1 点＋３０℃以上の温度域である。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
１４５０℃が上限となる。

【００４０】ここで、上記の「レール頭部」とは、図１
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）を含む図中の斜線部分である。以下に説明
する加速冷却条件は、図１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の範囲で温度の測定を行えば、レール頭
部の少なくとも深さ２０mmの範囲を代表させることがで
き、少なくとも図１に示す斜線部分の金属組織や硬さを
制御することができる。

【００４１】次に、レール頭部を上記温度域から１〜３
０℃/secの冷却速度で加速冷却し、前記鋼レールの頭部
が５００〜３００℃に達した時点で加速冷却を停止する
方法において、加速冷却速度、加速冷却停止温度を上記
のように限定した理由について説明する。まず、加速冷
却停止温度までの加速冷却速度を１〜３０℃/secの範囲
に限定した理由について説明する。上記成分系において
１℃/sec未満で加速冷却すると、成分系によってはパー
ライト組織が生成し、レール頭部にダークスポット損傷
などの表面損傷が発生する。さらに、高温度域で硬さの
低いベイナイト組織が多く生成し、レールの強度が低下
し、貨物鉄道用レールの頭部に要求されている基本的な
耐摩耗性を確保することが困難となり、さらに、塑性変
形起因のフレーキング損傷等の表面損傷も発生しやすく
なる。また、３０℃/secを超えて加速冷却すると、加速
冷却後の放冷域において、レール内部から大きな復熱が
発生する。このため、レール頭部では復熱中の高温度域
でベイナイト変態が始まり、レール頭部の硬さが低下
し、レール頭部において、耐表面損傷性および耐摩耗性
を確保するのに必要な硬さを維持できない。また、耐表
面損傷性および耐摩耗性が必要とされる領域を確保する
ことが困難となる。これら理由により、この加速冷却速
度範囲を１〜３０℃/sec範囲に限定した。

【００４２】次に、オーステナイト域温度からの加速冷
却停止温度を５００〜３００℃の範囲に限定した理由に
ついて説明する。本成分系において５００℃を超えて冷
却を停止すると、加速冷却直後の高温度域でベイナイト
変態が始まり、硬さの低いベイナイト組織が多く生成
し、貨物鉄道用レールに要求されている基本的な強度や
頭部の耐摩耗性を確保することが困難となる。さらに、
レール頭部において、塑性変形起因のフレーキング損傷
等の表面損傷も発生しやすくなる。また、３００℃未満
まで冷却すると、成分系によっては、加速冷却中にマル
テンサイト組織が生成し、レールの靭性が低下する。さ
らに、加速冷却後の放冷域においても、ベイナイト変態
が完了せず、残留した多くのオーステナイト組織がマル
テンサイト組織に変態し、レールの靭性が著しく低下す
る。これら理由により、オーステナイト域温度からの加
速冷却停止温度を５００〜３００℃の範囲に限定した。

【００４３】すなわち、本発明において、この熱間圧延
ままのＡｒ1 点以上の温度を保有する鋼レール、あるい
は熱処理する目的でＡｃ1 点＋３０℃以上の温度に加熱
された鋼レールにおいて、少なくともレール頭部を、そ
れぞれの温度領域から１〜３０℃/secの冷却速度で加速
冷却し、前記鋼レールの頭部が５００〜３００℃に達し
た時点で加速冷却を停止し、その後、引き続き、常温域
まで放冷することによって、高温度域でのベイナイト組
織の生成を抑制し、低温度域でベイナイト変態を安定的
に完遂させ、ある一定範囲の硬さを有したベイナイト組
織と残留オーステナイト組織の混合組織を得ることが可
能となる。

【００４４】なお、上記加速冷却は、少なくとも、耐摩
耗性および耐表面損傷性が主に要求され、ベイナイト組
織と残留オーステナイト組織の生成量を正確に制御しな
ければならない、レール頭部について行う。しかし、熱
処理時のレールの曲がりや熱処理後の残留応力を制御す
るには、レール頭部に加えて、レール柱部や底部も同様
な熱処理を行うことが望ましい。

【００４５】また、成分系および加速冷却速度の選択に
よっては加速冷却途中の５００〜３００℃の範囲におい
てベイナイト変態が開始し、その後の放冷領域で変態が
完了し、残留オーステナイト組織との混合組織を成す場
合と、加速冷却直後の放冷領域においてベイナイト変態
が開始し、変態が完了し、残留オーステナイト組織との
混合組織を成す場合がある。しかし、本冷却条件の範囲
においては、いずれのベイナイト組織と残留オーステナ
イト組織の混合組織も耐表面損傷性よ耐摩耗性に優れて
いるため、本発明のベイナイト組織としては、上記の両
方の混合組織を含んでいる。

【００４６】加速冷却時の冷却媒体としては、所定の冷
却速度を得るため、空気、ミスト、水・空気混合冷媒、
あるいはこれらの組み合わせ、あるいは、油、熱湯、ポ
リマー＋水、ソルトバスヘのレール頭部あるいは全体の
浸漬、等を用いることが望ましい。

【００４７】

【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、頭部硬さ、頭部のミ
クロ組織およびその面積率、頭部以外の部位のミクロ組
織およびその面積率、頭部熱処理条件を示す。また、表
１には図２に示す摩耗試験結果、図３に示すころがり疲
労損傷試験機による水潤滑ころがり疲労試験結果も併記
した。

【００４８】また、表２に、比較レール鋼の化学成分、
頭部硬さ、頭部のミクロ組織およびその面積率、頭部以
外の部位のミクロ組織およびその面積率、頭部熱処理条
件をを示す。また、表１には図２に示す摩耗試験結果、
図３に示すころがり疲労損傷試験機による水潤滑ころが
り疲労試験結果も併記した。さらに、図４に本発明レー
ル鋼と比較レール鋼（符号：Ｒ、符号：Ｓ）の残留オー
ステナイト組織の生成比率と摩耗量の関係を示す。ま
た、摩耗試験片は図５に示すレール頭部より採取した。

【００４９】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化学成分が上記限定範囲内であり、その金属組織がベイ
ナイト組織と残留オーステナイト組織の混合組織からな
り、さらに、前記鋼レールの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、少なくとも深さ２０mmま
での範囲において、その硬さがＨｖ３２０〜５００の範
囲で、かつ、ベイナイト組織中の残留オーステナイト組
織の面積率が５〜３０％の範囲であり、それ以外の部分
のベイナイト組織中の残留オーステナイト組織の面積率
が５％以下であることを特徴とする耐表面損傷性および
耐摩耗性に優れたベイナイト系レール。

【００５０】・比較レール鋼（１２本）符号：Ｍ〜Ｘ符号Ｍ〜Ｏ：現在、旅客鉄道で使用されているパーライ
ト組織の比較レール鋼。符号Ｐ〜Ｓ：化学成分が上記限定範囲外である比較レー
ル鋼。符号Ｔ：化学成分は上記限定範囲外であり、かつ、
頭部のベイナイト組織中の残留オーステナイト組織の面
積率が上記限定範囲外である比較レール鋼。符号Ｕ〜Ｘ：熱処理条件が上記限定範囲外である比較レ
ール鋼。

【００５１】各種試験条件は下記のとおり。・摩耗試験条件試験機：西原式摩耗試験機（図２参照）試験片形状：円盤状試験片（外径：３０mm、厚さ：
８mm）試験片採取位置：レール頭部表面下２mm（図５参照）試験荷重：１３７２Ｎ（９０７MPa) すべり率：２０％相手材：パーライト鋼（Ｈｖ３８０）雰囲気：大気中冷却：圧搾空気による強制冷却（流量：１０
０Nl/min）繰返し回数：７０万回

【００５２】・ころがり疲労試験条件試験機：ころがり疲労試験機（図３参照）試験片形状：円盤状試験片（レール外径：２００mm、レール材断面形状：６０Ｋレ
ールの１／４モデル）（車輪外径：２００mm、車輪材断面形状：円弧踏面
車輪の１／４モデル）試験荷重：１．０トン（ラジアル荷重）雰囲気：乾燥＋水潤滑（６０cc/min）回転数：乾燥：１００rpm 、水潤滑：３００rpm 繰返し回数：０〜５０００回まで乾燥状態、その後、水
潤滑により損傷発生および摩耗限界まで（損傷が発生し
ない場合は２００万回で試験を中止）。

【００５３】表１，２に示すように本発明レール鋼は比
較レール鋼と比べて、Ｍｎ，Ｃｒの合金元素の適切な選
択によりベイナイト組織とし、さらに、ＳｉまたはＡｌ
の合金元素の添加により、ベイナイト組織中に適正量の
残留オーステナイト組織を生成させることにより、現行
のパーライト組織レール鋼（比較レール鋼、符号：Ｍ〜
Ｏ）で問題となっていたダークスポット損傷等の表面損
傷の発生を防止し、同時に、図４に示したように残留オ
ーステナイト組織の生成により耐摩耗性も向上させるこ
とができた。

【００５４】さらに、頭部熱処理時の加速冷却、加速冷
却停止温度を適正に選ぶことにより、安定的にベイナイ
ト組織と適正量の残留オーステナイト組織を生成させる
ことができた。

【００５５】

【表１】

【００５６】

【表２】

【００５７】

【発明の効果】以上述べたように、Ｃｒ，Ｍｎの添加に
加えて、ＳｉまたはＡｌの添加量の最適化を図ることに
より、耐表面損傷性に有効なベイナイト組織と耐摩耗性
に有効な適正量の残留オーステナイト組織を生成させる
ことが可能となり、レール頭部において、現行のパーラ
イト組織レール鋼で問題となっていたダークスポット損
傷等の表面損傷を抑制し、同時に、耐摩耗性を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レール頭部断面表面位置の呼称とレール頭部に
おいてベイナイト組と面積率５〜３０％残留オーステナ
イト組織の必要範囲を示した図。

【図２】摩耗試験機の概略図。

【図３】ころがり疲労損傷試験機の概要図。

【図４】本発明レール鋼と比較レール鋼（符号：Ｒ、符
号：Ｓ）の頭部残留オーステナイト組織の生成比率と摩
耗量の関係。

【図５】レール頭部の摩耗試験片採取位置を示した図。

【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：車輪試験片７：レール円盤試験片８：モーター（車輪側）９：モーター（レール側）１０：水潤滑装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者瀬沼武秀福岡県北九州市戸畑区飛幡町１番１号新日本製鐵株式会社八幡製鐵所内 (72)発明者狩峰健一福岡県北九州市戸畑区飛幡町１番１号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 BA14 CA02 CA03 CA05 CA06 CA08 CA09 CA10 CA12 CA13 DA01 DC02 DE02 DE03 DE05 DE06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：０．１５〜０．５５％、Ｍｎ：０．１０〜３．００％、Ｃｒ：０．１０〜３．００％を含有し、さらに、質量％で、Ｓｉ：０．０５〜３．００％、Ａｌ：０．０１〜３．００％の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的
不純物からなる鋼レールであって、その金属組織がベイ
ナイト組織と残留オーステナイト組織の混合組織からな
り、さらに、前記鋼レールの頭部コーナー部および頭頂
部の表面を起点として、少なくとも深さ２０mmまでの範
囲の任意の断面において、ベイナイト組織中の残留オー
ステナイト組織の面積率が５〜３０％、硬さがＨｖ３２
０〜５００であり、さらに、前記範囲以外の任意の断面
において、ベイナイト組織中の残留オーステナイト組織
の面積率が５％以下であることを特徴とする耐表面損傷
性および耐摩耗性に優れたベイナイト系レール。
【請求項２】質量％で、さらに、Ｍｏ：０．０１〜１．００％を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐表面損
傷性および耐摩耗性に優れたベイナイト系レール。
【請求項３】質量％で、さらに、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｎｉ：０．０５〜２．００％の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１
または２に記載の耐表面損傷性および耐摩耗性に優れた
ベイナイト系レール。
【請求項４】質量％で、さらに、Ｃｕ：０．０５〜１．００％を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１
項に記載の耐表面損傷性および耐摩耗性に優れたベイナ
イト系レール。
【請求項５】質量％で、さらに、Ｖ：０．０１〜０．３０％、Ｎｂ：０．０１超〜０．０５％の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１
〜４のいずれか１項に記載の耐表面損傷性および耐摩耗
性に優れたベイナイト系レール。
【請求項６】質量％で、さらに、Ｍｇ：０．０００５〜０．０３００％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１５０％の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１
〜５のいずれか１項に記載の耐表面損傷性および耐摩耗
性に優れたベイナイト系レール。
【請求項７】質量％で、さらに、Ｂ：０．０００１〜０．００５０％を含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１
項に記載の耐表面損傷性および耐摩耗性に優れたベイナ
イト系レール。
【請求項８】請求項１〜７のいずれか１項に記載の成
分を含有する鋼片をレール形状に熱闘圧延した後、熱間
圧延ままのＡｒ1 点以上の温度の鋼レール、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
た鋼レールの少なくともレール頭部を、オーステナイト
域温度から１〜３０℃/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５００〜３００℃の範囲に達
した時点で加速冷却を停止し、その後、常温まで放冷す
ることを特徴とする耐表面損傷性および耐摩耗性に優れ
たベイナイト系レールの製造法。