JP2003293088A - 耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 重荷重鉄道で使用される鋼レールにおいて、
レール頭表部の成分域とレール頭部内部の成分域の炭素
量を制御することにより、レール頭表部の耐摩耗性の向
上を図り、同時に、レール頭部内部において粗大な初析
セメンタイト組織の生成を抑制し、耐内部疲労損傷性の
向上を図り、レールの高寿命化を図る。 【解決手段】 パーライト組織を呈する鋼レールにおい
て、少なくとも、頭部コーナー部、頭頂部表面を起点と
して深さ１０ｍｍまでの範囲の炭素量が質量％で１．０
０超〜１．４０％の範囲であり、かつ、頭部コーナー
部、頭頂部表面を起点として深さ２５〜５０ｍｍの範囲
の炭素量が質量％で０．７５〜１．００％の範囲である
ことを特徴とする耐摩耗性および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
ル頭部に要求される耐摩耗性を向上させ、同時に、冷却
速度の遅いレール頭部内部に発生しやす初析セメンタイ
ト組織の生成を抑制することにより、レール頭部内部か
ら発生する疲労損傷を防止することを目的としたパーラ
イト系レールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】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。

【０００３】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８−１４４０１
６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。

【０００４】上記の，に示された発明レールでは、
高炭素化により耐摩耗性の向上は図れる。しかし、鋼の
成分系やレール頭部の熱処理製造条件によっては、比較
的冷却速度の遅いレール頭部内部では、パーライト組織
中に粗大な初析セメンタイト組織が生成し、疲労損傷の
起点となり、レール頭部の耐内部疲労損傷性が低下する
といった問題があった。

【０００５】そこで、レール頭部内部で発生する粗大な
初析セメンタイト組織の生成を抑制するため、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％）にＡｌ，Ｓ
ｉを添加し、耐摩耗性と耐内部疲労損傷性を同時に向上
させたレール（特願２０００−３８３９６４号）。 このレールの特徴は、Ａｌ，Ｓｉを添加することによ
り、パーライト組織中に生成する初析セメンタイト組織
の生成を抑制し、主に、耐内部疲労損傷性を向上させる
ものであった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のに示された発
明レールでは、Ａｌ，Ｓｉの添加により、レール頭部内
部において、初析セメンタイト組織の生成の抑制が可能
となる。しかし、Ａｌの添加は、疲労損傷の起点となる
粗大なＡｌ酸化物（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）が生成を促進させ、疲
労強度を低下させること、また、Ｓｉの添加は、溶接時
にＳｉ酸化物の生成を促進させ、溶接性が著しく低下す
るといった問題があった。さらに、初析セメンタイト組
織の生成を抑制するには、ＡｌやＳｉを多量に添加しな
ければならず、現行のレール鋼と比べて、合金コストが
上昇し、経済性が大きく損なわれるといった問題があっ
た。

【０００７】このような背景から、高炭素含有のパーラ
イト鋼レールにおいて、レール頭部内部で発生する粗大
な初析セメンタイト組織の生成を抑制し、耐摩耗性と耐
内部疲労損傷性を同時に向上させる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、重荷重鉄道で
使用される高炭素含有のパーライト鋼レールにおいて、
レール頭部内部において、粗大な初析セメンタイト組織
の生成を抑制し、耐摩耗性と耐内部疲労損傷性を同時に
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次の通りで
ある。 （１）パーライト組織を呈する鋼レールにおいて、少な
くとも、頭部コーナー部、頭頂部表面を起点として深さ
１０ｍｍまでの範囲の炭素量が質量％で１．００超〜
１．４０％の範囲であり、かつ、頭部コーナー部、頭頂
部表面を起点として深さ２５〜５０ｍｍの範囲の炭素量
が質量％で０．７５〜１．００％の範囲であることを特
徴とする耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優れたパー
ライト系レール。

【０００９】（２）パーライト組織を呈する鋼レールに
おいて、少なくとも、頭部コーナー部、頭頂部表面を起
点として深さ１０ｍｍまでの範囲の炭素量が質量％で
１．００超〜１．４０％、Ｓｉ：０．１０〜２．００
％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％の範囲であり、かつ、
頭部コーナー部、頭頂部表面を起点として深さ２５〜５
０ｍｍの範囲の炭素量が質量％で０．７５〜１．００
％、Ｓｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜
２．００％の範囲であることを特徴とする耐摩耗性およ
び耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レール。

【００１０】（３）上記（１）または（２）のレール
に、質量％でさらに、下記〜の成分の１以上を選択
的に含有させ、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる
ことを特徴とする耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優
れたパーライト系レール。 Ｃｒ：０．０５〜２．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．
５０％の１種または２種、 Ｖ：０．００５〜０．５０％、Ｎｂ：０．００２〜
０．０５０％の１種または２種、 Ｂ：０．０００１〜０．００５０％、 Ｃｏ：０．１０〜２．００％、Ｃｕ：０．０５〜１．
００％の１種または２種、 Ｎｉ：０．０１〜１．００％、 Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％、Ｍｇ：０．０
００５〜０．０２００％、Ｃａ：０．０００５〜０．０
１５０％の１種または２種以上、 Ａｌ：０．００８０〜１．００％、 Ｚｒ：０．０００１〜０．２０００％。

【００１１】（４）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ま
での範囲の硬さがＨｖ３４０〜５００の範囲であること
を特徴とする耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優れた
パーライト系レール。

【００１２】

【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。まず、本発明者らは、重荷重鉄道で使用される高
炭素含有のパーライト鋼レールにおいて、レール頭表部
と頭部内部に要求されるレールの特性について整理し
た。その結果、車輪との接触のあるレール頭表部では、
耐摩耗性を確保するため、パーライト組織の高炭素化が
必要である。一方、車輪との接触のないレール頭部内部
では、耐内部疲労損傷性を確保するため、パーライト組
織の強度（硬度）を得るための最低限の高炭素化は必要
であるが、必ずしもレール頭表部レベルの高炭素化は必
要ではないことがわかった。

【００１３】そこで、本発明者らは、耐摩耗性が要求さ
せるレール頭表部の炭素量をある一定の範囲とし、耐内
部疲労損傷性が要求されるレール頭部内部の炭素量をレ
ール頭表部と比べて低い一定の範囲とするレールを製作
し、加速冷却実験を行い、レール頭表部と頭部内部の組
織を調査した。その結果、比較的冷却速度を速くした場
合、さらには、比較的冷却速度を遅くした場合共に、レ
ール頭部内部にパーライト組織が得られ、内部疲労損傷
の発生に有害な粗大な初析セメンタイト組織が生成しな
いことを見出した。

【００１４】これらの実験室での検討の結果、耐摩耗性
が要求されるレール頭表部の炭素量をある一定の範囲と
し、耐内部疲労損傷性が要求されるレール頭部内部の炭
素量をレール頭表部と比べて低い一定の範囲とすること
により、レールの内部疲労損傷の起点となる粗大な初析
セメンタイト組織の生成を抑制し、レール頭表部から内
部まで高い強度を有したパーライト組織が得られること
を発見した。すなわち、本発明は、重荷重鉄道で使用さ
れる高炭素含有のパーライト鋼レールにおいて、頭表部
の耐摩耗性を向上させ、同時に、頭部内部の粗大な初析
セメンタイト組織の生成を抑制し、耐内部疲労損傷性を
向上させることを目的としたものである。

【００１５】次に、本発明の限定理由について詳細に説
明する。 （１）鋼レールの炭素量とその範囲 請求項１において、鋼レールの炭素量とその範囲を上記
請求範囲に限定した理由について詳細に説明する。ま
ず、頭部コーナー部、頭頂部表面を起点として深さ１０
ｍｍまでの範囲の炭素量を質量％で１．００超〜１．４
０％の範囲に限定した理由を説明する。Ｃは、パーライ
ト変態を促進させ、かつ、車輪と接触するレール頭表部
の耐摩耗性を確保する有効な元素である。Ｃ量が１．０
０％以下では、パーライト組織中のセメンタイト相の密
度が少なく、耐摩耗性の向上が図れず、レールの使用寿
命の改善が期待できない。また、Ｃ量が１．４０％を超
えると、パーライト組織中に初析セメンタイト組織が生
成し、レール頭部の靭性が低下することや、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
とされる延性や耐表面損傷性を十分に確保できなくな
る。このため、Ｃ量を１．００〜１．４０％に限定し
た。

【００１６】次に、頭部コーナー部、頭頂部表面を起点
として深さ２５〜５０ｍｍの範囲の炭素量を質量％で
０．７５〜１．００％の範囲に限定した理由を説明す
る。Ｃは、パーライト変態を促進させ、かつ、レール頭
部内部の強度（硬度）を確保する有効な元素である。Ｃ
量が０．７５％未満では、レール頭部内部の強度確保が
困難となる。さらに頭部内部では冷却速度が遅いため、
パーライト組織中に軟質な初析フェライト組織が生成し
やすく、疲労損傷の起点となり、耐内部疲労損傷性が低
下する。また、Ｃ量が１．００％を超えると、本領域で
は冷却速度が遅いため、パーライト組織中に粗大な初析
セメンタイト組織が生成し、疲労損傷の起点となり、耐
内部疲労損傷性が低下する。このため、Ｃ量を０．７５
〜１．００％に限定した。

【００１７】次に、炭素量が質量％で１．００超〜１．
４０％の範囲とした領域を頭部コーナー部、頭頂部表面
を起点として深さ１０ｍｍまでの範囲に限定した理由を
説明する。炭素量が１．００％超の範囲が深さ１０ｍｍ
未満では、レールの使用寿命から考えると、重荷重鉄道
のレールに要求される耐摩耗性を必要とされている領域
としては小さく、十分な耐摩耗性の改善効果が得られな
いためである。

【００１８】次に、炭素量が質量％で０．７５〜１．０
０％の範囲とした領域を頭部コーナー部、頭頂部表面を
起点として深さ２５〜５０ｍｍの範囲に限定した理由を
説明する。レール頭部の内部疲労損傷は主として、頭部
コーナー部、頭頂部表面を起点として深さ２５〜５０ｍ
ｍまでの範囲で多く発生している。したがって、少なく
ともこの領域の炭素量が上記成分範囲内であれば、レー
ルの耐内部疲労損傷性が向上する。このため、本炭素量
の範囲を頭部コーナー部、頭頂部表面を起点として深さ
２５〜５０ｍｍまでの範囲に限定した。

【００１９】なお、頭部コーナー部、頭頂部表面を起点
として深さ１０〜２５ｍｍまでの範囲については特に規
定していないが、表層〜１０ｍｍ部と２５〜５０ｍｍ部
との中間の炭素量であることが実質的に必要である。さ
らには急激な濃度変化を伴わずに、表層から内層に向か
って漸減していくのが好ましい。

【００２０】ここで、図１に本発明の耐摩耗性および耐
内部疲労損傷性に優れたパーライト系レールの頭部断面
表面位置での呼称およびレール頭表部の成分域とレール
頭部内部の成分域を示す。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。耐摩耗の要求されるレール頭表部（頭頂部表面
を起点として深さ１０〜２０ｍｍまでの範囲）の成分域
と耐内部疲労損傷性の要求されるレール頭部内部（頭部
コーナー部、頭頂部表面を起点として深さ２５〜５０ｍ
ｍの範囲）の成分域は、すくなくとも、それぞれ図中の
斜線内に配置されていれば、レールの耐摩耗性や耐内部
疲労損傷性の向上が可能となる。したがって、耐摩耗成
分は、車輪とレールが主に接するレール頭部表面近傍に
配置することが望ましく、耐内部疲労損傷性成分は、内
部疲労損傷が発生するレール内部に配置することが望ま
しい。

【００２１】なお、上記範囲外の炭素量については特に
限定していないが、レール全体の強度や延性を十分に確
保できる添加量が望ましい。特に、耐摩耗性成分である
レール頭表部（頭頂部表面を起点として深さ１０〜２０
ｍｍまでの範囲）と耐内部疲労損傷性成分であるレール
頭部内部（頭部コーナー部、頭頂部表面を起点として深
さ２５〜５０ｍｍの範囲）の間の部分の炭素量は、レー
ル頭表部や頭部内部との境界において、不連続にならな
い添加量とすることが望ましい。

【００２２】また、本発明レールの金属組織は、上記限
定のようなパーライト組織であることが望ましい。しか
し、レールの成分系や熱処理製造方法によっては、レー
ル柱部、頭表部、頭部内部のパーライト組織中に、微量
な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナ
イト組織やマルテンサイト組織が混入することがある。
しかし、これらの組織が混入しても、レールの耐摩耗性
や耐内部疲労損傷性には大きな悪影響を及ぼさないた
め、耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優れたパーライ
ト系レールの組織としては、若干の初析フェライト組
織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織、マルテン
サイト組織の混在も含んでいる。

【００２３】（２）鋼レールのＳｉ，Ｍｎ量 次に、請求項２において、Ｓｉ，Ｍｎの添加量を上記請
求範囲に限定した理由について詳細に説明する。Ｓｉ
は、脱酸剤として必須の成分である。また、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の硬
度（強度）を上昇させる元素であり、同時に、初析セメ
ンタイト組織の生成を抑制し、耐摩耗性や耐内部疲労損
傷性を向上させる元素である。しかし、０．０５％未満
ではその効果が十分に期待できず、レール頭表部に必要
とされる耐摩耗性や頭部内部に必要とされる耐内部疲労
損傷性の向上が認められない。また、２．００％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。さらに、パーライト
組織自体が脆化し、レールの延性が低下するばかりでな
く、レール頭表部にスポーリング等の表面損傷が発生
し、レールの使用寿命が低下する。このため、Ｓｉ量を
０．０５〜２．００％に限定した。

【００２４】Ｍｎは、焼き入れ性を高め、パーライトラ
メラ間隔を微細化することにより、パーライト組織の硬
度を確保し、耐摩耗性と耐内部疲労損傷性を向上させる
元素である。しかし、０．０５％未満の含有量では、そ
の効果が小さく、レール頭表部に必要とされる耐摩耗性
や頭部内部に必要とされる耐内部疲労損傷性の確保が困
難となる。また、２．００％を超えると、焼入性が著し
く増加し、レール頭表部や内部にマルテンサイト組織が
生成し、耐摩耗性や耐内部疲労損傷性が低下する。この
ため、Ｍｎ量を０．０５〜２．００％に限定した。

【００２５】（３）その他の元素 また、上記の成分組成で製造されるレールは、パーライ
ト組織の硬度（強化）の向上、パーライト組織の延性や
靭性の向上、溶接部の熱影響部の軟化の防止、レール頭
部内部の断面硬度分布の制御を図る目的で、Ｃｒ，Ｍ
ｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｂ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃ
ａ，Ａｌ，Ｚｒの元素を必要に応じて添加する。

【００２６】ここで、Ｃｒ，Ｍｏは、パーライトの平衡
変態点を上昇させ、主に、パーライトラメラ間隔を微細
化することによりパーライト組織の硬度を確保する。
Ｖ，Ｎｂは、熱間圧延やその後の冷却課程で生成した炭
化物や窒化物により、オーステナイト粒の成長を抑制
し、さらに、析出硬化により、パーライト組織の靭性と
硬度を向上させる。また、再加熱時に炭化物や窒化物を
安定的に生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止す
る。Ｂは、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減
させ、レール頭部の硬度分布を均一にする。Ｃｏ，Ｃｕ
は、パーライト組織中のフェライトに固溶し、パーライ
ト組織の硬度を高める。Ｎｉは、Ｃｕ添加による熱間圧
延時の脆化を防止し、同時に、パーライト鋼の硬度を向
上させ、さらに、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止す
る。

【００２７】Ｔｉは、熱影響部の組織の微細化を図り、
溶接継ぎ手部の脆化を防止する。Ｍｇ，Ｃａは、レール
圧延時においてオーステナイト粒の微細化を図り、同時
に、パーライト変態を促進し、パーライト組織の靭性を
向上させる。Ａｌは、共析変態温度を高温側へ、同時
に、共析炭素濃度を高炭素側へ移動させ、パーライト組
織の強化と初析セメンタイトの生成を抑制し、レールの
耐摩耗性の向上と靭性低下の防止する。Ｚｒは、ＺｒＯ
₂ 介在物が高炭素レール鋼の凝固核となり、凝固組織の
等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の
形成を抑制し、レールの靭性に有害な初析セメンタイト
組織の生成を抑制することが主な添加目的である。

【００２８】これらの成分の個々の限定理由について、
以下に詳細に説明する。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
高硬度（強度）化に寄与すると同時に、セメンタイト相
を強化して、パーライト組織の硬度（強度）を向上させ
る元素であるが、０．０５％未満ではその効果は小さ
く、レール鋼の硬度を向上させる効果が見られない。ま
た、２．００％を超える過剰な添加を行うと、焼入れ性
が増加し、マルテンサイト組織が多量に生成し、レール
の靭性が低下する。このため、Ｃｒ量を０．０５〜２．
００％に限定した。

【００２９】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
とにより高硬度（強度）化に寄与し、パーライト組織の
硬度（強度）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、レール鋼の硬度を向上させる
効果が全く見られなくなる。また、０．５０％を超える
過剰な添加を行うと、パーライト組織の変態速度が著し
く低下し、靭性に有害なマルテンサイト組織が生成しや
すくなる。このため、Ｍｏ添加量を０．０１〜０．５０
％に限定した。

【００３０】Ｖは、高温度に加熱する熱処理が行われる
場合に、Ｖ炭化物やＶ窒化物のピニング効果により、オ
ーステナイト粒を微細化し、さらに、熱間圧延後の冷却
課程で生成したＶ炭化物、Ｖ窒化物による析出硬化によ
り、パーライト組織の硬度（強度）を高めると同時に、
延性を向上させるのに有効な元素である。またＡｃ1点
以下の温度域に再加熱された熱影響部において、比較的
高温度域でＶ炭化物やＶ窒化物を生成させ、溶接継ぎ手
熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。しか
し、０．００５％未満ではその効果が十分に期待でき
ず、パーライト組織の硬度の向上や靭性の改善は認めら
れない。また、０．５００％を超えて添加すると、粗大
なＶの炭化物やＶの窒化物が生成し、レールの靭性や耐
内部疲労損傷性が低下する。このため、Ｖ量を０．００
５〜０．５００％に限定した。

【００３１】Ｎｂは、Ｖと同様に、高温度に加熱する熱
処理が行われる場合に、Ｎｂ炭化物やＮｂ窒化物のピニ
ング効果により、オーステナイト粒を微細化し、さら
に、熱間圧延後の冷却課程で生成したＮｂ炭化物、Ｎｂ
窒化物による析出硬化により、パーライト組織の硬度
（強度）を高めると同時に、延性を向上させるのに有効
な元素である。また、Ａｃ1 点以下の温度域に再加熱さ
れた熱影響部において、低温度域から高温度域までＮｂ
の炭化物やＮｂ窒化物を安定的に生成させ、溶接継ぎ手
熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。しか
し、その効果は、０．００２％未満では期待できず、パ
ーライト組織の硬度の向上や靭性の改善は認められな
い。また、０．０５０％を超える添加すると、粗大なＮ
ｂの炭化物やＮｂの窒化物が生成し、レールの靭性や耐
内部疲労損傷性が低下する。このため、Ｎｂ量を０．０
０２〜０．０５０％に限定した。

【００３２】Ｂは、鉄炭ほう化物を形成し、初析セメン
タイトの生成を抑制し、同時に、パーライト変態温度の
冷却速度依存性を低減させ、頭部の硬度分布を均一に
し、レールの靭性低下を防止し、高寿命化を図る元素で
あるが、０．０００１％未満ではその効果は十分でな
く、レール頭部の硬度分布には改善が認められない。ま
た、０．００５０％を超えて添加すると、粗大な鉄の炭
ほう化物が生成し、延性や靭性、さらには、耐内部疲労
損傷性が大きく低下することから、Ｂ量を０．０００１
〜０．００５０％に限定した。

【００３３】Ｃｏは、パーライト組織中のフェライトに
固溶し、固溶強化によりパーライト組織の硬度（強度）
を向上させる元素であり、さらに、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
とにより靭性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ない。また、２．００％を超
えて添加すると、フェライト相の延性が著しく低下し、
ころがり面にスポーリング損傷が発生し、レールの耐表
面損傷性が低下する。このため、Ｃｏ量を０．１０〜
２．００％に限定した。

【００３４】Ｃｕは、パーライト組織中のフェライトに
固溶し、固溶強化によりパーライト組織の硬度（強度）
を向上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、１．００％を超えて添加する
と、著しい焼入れ性向上により靭性に有害なマルテンサ
イト組織が生成しやすくなる。さらに、フェライト相の
延性が著しく低下し、レールの延性が向上しない。この
ため、Ｃｕ量を０．０５〜１．００％に限定した。

【００３５】Ｎｉは、Ｃｕ添加による熱間圧延時の脆化
を防止し、同時に、フェライトへの固溶強化によりパー
ライト鋼の高硬度（強度）化を図る元素である。さら
に、溶接熱影響部においては、Ｔｉと複合でＮｉ₃ Ｔｉ
の金属間化合物が微細に析出し、析出強化により軟化を
抑制する元素であるが、０．０１％未満では、その効果
が著しく小さく、また、１．００％を超えて添加する
と、フェライト相の延性が著しく低下し、ころがり面に
スポーリング損傷が発生し、レールの耐表面損傷性が低
下する。このため、Ｎｉ量を０．０１〜１．００％に限
定した。

【００３６】Ｔｉは、溶接時の再加熱において析出した
Ｔｉの炭化物、Ｔｉの窒化物が溶解しないことを利用し
て、オーステナイト域まで加熱される熱影響部の組織の
微細化を図り、溶接継ぎ手部の脆化を防止するのに有効
な成分である。しかし、０．００５０％未満ではその効
果が少なく、０．０５００％を超えて添加すると、粗大
なＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物が生成して、レールの延
性や靭性、これに加えて耐内部疲労損傷性が大きく低下
することから、Ｔｉ量を０．００５０〜０．０５０％に
限定した。

【００３７】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、０．０２００
％を超えて添加すると、Ｍｇの粗大酸化物が生成し、レ
ールの延性や靭性、さらには、耐内部疲労損傷性を低下
させるため、Ｍｇ量を０．０００５〜０．０２００％に
限定した。

【００３８】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
性を向上させるのに有効な元素である。しかし、０．０
００５％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、レールの
延性や靭性、さらには、耐内部疲労損傷性を低下させる
ため、Ｃａ量を０．０００５〜０．０１５０％に限定し
た。

【００３９】Ａｌは、共析変態温度を高温側へ、同時
に、共析炭素濃度を高炭素側へそれぞれ移動させる元素
であり、パーライト組織の高強度化と初析セメンタイト
組織の生成の抑制により靭性低下を防止する元素である
が、０．００８０％以下では、その効果が弱く、１．０
０％を超えて添加すると、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アルミナ系介在物
が生成し、レールの延性や靭性、さらには、耐内部疲労
損傷性が低下する。また、溶接時に酸化物が生成し、溶
接性が著しく低下するため、Ａｌ量を０．００８０〜
１．００％に限定した。

【００４０】Ｚｒは、ＺｒＯ₂ 介在物がγ−Ｆｅとの格
子整合性が良いため、γ−Ｆｅが凝固初晶である高炭素
レール鋼の凝固核となり、凝固組織の等軸晶化率を高め
ることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、レ
ールの靭性に有害な初析セメンタイト組織の生成を抑制
する元素である。しかし、Ｚｒ量が０．０００１％以下
では、ＺｒＯ₂ 系介在物の数が少なく、凝固核として十
分な作用を示さない。その結果、初析セメンタイト組織
の生成抑制の効果が低下する。また、Ｚｒ量が０．２０
００％を超えると、粗大Ｚｒ系介在物が多量に生成し、
レールの延性が低下することや、粗大Ｚｒ系介在物を起
点とした内部疲労損傷が発生しやすくなり、レールの使
用寿命が低下する。このため、Ｚｒ量を０．０００１〜
０．２０００％に限定した。

【００４１】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・分塊あるいは連続鋳造し、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。

【００４２】以上の製法において，耐摩耗性が要求させ
るレール頭表部の炭素量をある一定の範囲とし、耐内部
疲労損傷性が要求されるレール頭部内部の炭素量をレー
ル頭表部と比べて低い一定の範囲とするには、圧延前の
鋼片製造において、次のような方法によりその制御が可
能である。 ワイヤー添加：溶鋼の連続鋳造時に、鋳型内で溶鋼に
炭素をワイヤーを用いて添加し、鋼片断面内の炭素濃度
のあるブルームを製造する。 鋳込み法：低炭素の鋼塊の周囲に高炭素の溶鋼を鋳込
み鋼塊を製造する。 複層鋳造：２種類の溶鋼を用い、電磁ブレーキにより
両鋼の拡散を防止しながら同時に鋳造し、複層のブルー
ムを製造する。 この中で、界面での成分濃度の差が急激にならず、レー
ルの使用性能に悪影響がないものとしては、の方法が
最もよい。また、の方法は，の方法よりも経済性
が高く、本発明のように炭素量のみの濃度差を鋼片に付
与する場合に適している。

【００４３】（４）レール頭部の硬さとその範囲 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の範囲の硬さをＨｖ３４０〜５００の範囲
に限定した理由について説明する。本成分系では、硬さ
がＨｖ３４０未満になると、レール頭表部のころがり面
に塑性変形起因のフレーキング損傷が発生することや、
重荷重鉄道での使用においては、耐摩耗性の確保が困難
となり、レールの使用寿命が低下する。また、硬さがＨ
ｖ５００を超えると、耐摩耗性の著しい向上により、レ
ール頭表部のころがり面に疲労ダメージが蓄積すること
や、集合組織が発達し、ダークスポット損傷等のころが
り疲労損傷が発生し、耐表面損傷性が大きく損なわれ
る。このためパーライト組織の硬さをＨｖ３４０〜５０
０の範囲に限定した。

【００４４】次に、硬さＨｖ３４０〜５００の範囲を、
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、レールの使用寿命から考えると、重
荷重鉄道のレールに要求される耐摩耗性を必要とされて
い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。ここで、図２に本発明の
耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系
レールにおいて、Ｈｖ３４０〜５００の硬さが必要な領
域を示す。硬さＨｖ３４０〜５００の本成分系のパーラ
イト組織は少なくとも図中の斜線内に配置されていれ
ば、レールの耐摩耗性の確保が可能となる。

【００４５】本発明レールの金属組織は、上記限定のよ
うなパーライト組織であることが望ましい。しかし、レ
ールの成分系や熱処理製造方法によっては、レール柱
部、頭表部、頭部内部のパーライト組織中に、初析フェ
ライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織や
マルテンサイト組織が混入することがある。しかし、こ
れらの組織が若干量混入しても、本発明のパーライト系
レールの耐摩耗性や延性には大きな悪影響を及ぼさな
い。

【００４６】

【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炭素量（頭表面下１０ｍｍ，頭表
面下２５ｍｍ）、その他の化学成分、ミクロ組織（頭表
面下５ｍｍ，頭表面下３０ｍｍ）、レール頭部（頭表面
下５ｍｍ）の硬さを示す。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
返し後のレール頭部材料の摩耗量、図４に示す転動疲労
試験の結果も併記した。表２に比較レール鋼の炭素量
（頭表面下５ｍｍ，頭表面下３０ｍｍ）、その他の化学
成分、ミクロ組織（頭表面下５ｍｍ，頭表面下３０ｍ
ｍ）、レール頭部（頭表面下５ｍｍ）の硬さを示す。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レール頭部材料の摩
耗量、図４に示す転動疲労試験の結果も併記した。

【００４７】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 頭部コーナー部、頭頂部表面を起点として深さ１０ｍｍ
までの範囲の炭素量が質量％で１．００超〜１．４０％
の範囲であり、かつ、頭部コーナー部、頭頂部表面を起
点として深さ２５〜５０ｍｍの範囲の炭素量が質量％で
０．７５〜１．００％の範囲であることを特徴とする耐
摩耗性および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〜Ｗ 符号Ｍ〜Ｑ：Ｃの添加量が上記請求範囲外の比較レール
鋼（５本）。 符号Ｒ〜Ｓ：Ｓｉ，Ｍｎの添加量が上記請求範囲外の比
較レール鋼（２本）。 符号Ｔ〜Ｗ：頭部コーナー部、頭頂部表面を起点として
深さ１０ｍｍまでの範囲の炭素量、もしくは、頭部コー
ナー部、頭頂部表面を起点として深さ２５〜５０ｍｍの
範囲の炭素量が上記請求範囲外の比較レール鋼（４
本）。

【００４８】ここで、本明細書中の図について説明す
る。図１は本発明の耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に
優れたパーライト系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したものであ
る。図３は西原式摩耗試験機の概略を示したものであ
る。図４は転動疲労試験機の概要を示したものである。
また、図５は、表１と表２に示す摩耗試験における試験
片採取位置を図示したものである。さらに、図６は表１
に示す本発明レール鋼（符号：Ａ〜Ｌ）と表２に示す比
較レール鋼（符号：Ｍ〜Ｏ）の摩耗試験結果における硬
さと摩耗量の関係を示したものである。なお、図２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３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上を車輪８が転動する。

【００４９】各種試験は次のとおりとした。 ・摩耗試験 試験機 ：西原式摩耗試験機（図５参照） 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６参照） 試験荷重 ：６８６Ｎ（接触面圧６４０ＭＰａ） 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：１００Ｎｌ／ｍｉｎ） 繰返し回数 ：７０万回

【００５０】・転動疲労試験 試験機：転動疲労試験機（図６参照） 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：１４７０００Ｎ（１５トン） スラスト荷重： ９８００Ｎ（ １トン） 潤滑条件 ドライ＋油（間欠給油）

【００５１】図６に示すように、本発明レール鋼（符
号：Ａ〜Ｌ）は、比較レール鋼（符号：Ｍ〜Ｏ）と比べ
て、レール頭表部（頭頂部表面を起点として深さ１０〜
２０ｍｍまでの範囲）の炭素量を高めることにより、同
一硬さにおいて、摩耗量を減少させ、耐摩耗性を向上さ
せることができた。また、表１、表２に示すように、本
発明レール鋼（符号：Ａ〜Ｌ）は、比較レール鋼（符
号：Ｐ〜Ｗ）と比べて、頭表部（頭頂部表面を起点とし
て深さ１０〜２０ｍｍまでの範囲）と耐内部疲労損傷性
の要求されるレール頭部内部（頭部コーナー部、頭頂部
表面を起点として深さ２５〜５０ｍｍの範囲）のＣ，Ｓ
ｉ，Ｍｎの添加量をある一定範囲内に納めることによ
り、レール頭表部の耐摩耗性、頭部内部の耐内部疲労損
傷性耗性に悪影響を与える、初析セメンタイト組織、初
析フェライト組織やマルテンサイト組織などを生成させ
ず、耐摩耗性および耐表面損傷性を確保したパーライト
組織とすることができた。

【００５２】

【表１】

【００５３】

【表２】

【００５４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、重荷重鉄
道で使用される鋼レールにおいて、レール頭表部（頭頂
部表面を起点として深さ１０ｍｍまでの範囲）の成分域
とレール頭部内部（頭部コーナー部、頭頂部表面を起点
として深さ２５〜５０ｍｍの範囲）の成分域の炭素量を
制御することにより、レール頭表部の耐摩耗性の向上を
図り、同時に、レール頭部内部において粗大な初析セメ
ンタイト組織の生成を抑制し、耐内部疲労損傷性の向上
を図り、レールの高寿命化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優
れたパーライト系レールの頭部断面表面位置での呼称お
よびレール頭表部の成分域とレール頭部内部の成分域の
配置を示した図。

【図２】本発明の耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優
れたパーライト系レールの頭部において耐摩耗性が必要
とされる領域を示した図。

【図３】西原式摩耗試験機の概略を示した図。

【図４】転動疲労試験機の概要を示した図。

【図５】表１と表２に示す摩耗試験における試験片採取
位置を示した図。

【図６】表１に示す本発明レール鋼（符号：Ａ〜Ｌ）と
表２に示す比較レール鋼（符号：Ｍ〜Ｏ）の摩耗試験結
果における硬さと摩耗量の関係を示した図。

【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

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パーライト組織を呈する鋼レールにおい
   て、少なくとも、頭部コーナー部、頭頂部表面を起点と
   して深さ１０ｍｍまでの範囲の炭素量が質量％で１．０
   ０超〜１．４０％の範囲であり、かつ、頭部コーナー
   部、頭頂部表面を起点として深さ２５〜５０ｍｍの範囲
   の炭素量が質量％で０．７５〜１．００％の範囲である
   ことを特徴とする耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優
   れたパーライト系レール。
2. 【請求項２】 パーライト組織を呈する鋼レールにおい
   て、少なくとも、頭部コーナー部、頭頂部表面を起点と
   して深さ１０ｍｍまでの範囲の炭素量が質量％で１．０
   ０超〜１．４０％、Ｓｉ：０．１０〜２．００％、Ｍ
   ｎ：０．１０〜２．００％の範囲であり、かつ、頭部コ
   ーナー部、頭頂部表面を起点として深さ２５〜５０ｍｍ
   の範囲の炭素量が質量％で０．７５〜１．００％、Ｓ
   ｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００
   ％の範囲であることを特徴とする耐摩耗性および耐内部
   疲労損傷性に優れたパーライト系レール。
3. 【請求項３】 質量％で、さらに、Ｃｒ：０．０５〜
   ２．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％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
   る請求項１または２のいずれか１項に記載の耐摩耗性お
   よび耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レール。
4. 【請求項４】 質量％で、さらに、Ｖ：０．００５〜
   ０．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％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
   徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐摩耗性
   および耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レール。
5. 【請求項５】 質量％で、さらに、Ｂ：０．０００１〜
   ０．００５０％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請求項１〜４のいずれか
   １項に記載の耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優れた
   パーライト系レール。
6. 【請求項６】 質量％で、さらに、Ｃｏ：０．１０〜
   ２．００％、Ｃｕ：０．０５〜１．００％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
   の耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優れたパーライト
   系レール。
7. 【請求項７】 質量％で、さらに、Ｎｉ：０．０１〜
   １．００％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請求項１〜６のいずれか１項
   に記載の耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優れたパー
   ライト系レール。
8. 【請求項８】 質量％で、さらに、Ｔｉ：０．００５０
   〜０．０５００％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００
   ％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１５０％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請求項１〜７のいずれか１項に
   記載の耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優れたパーラ
   イト系レール。
9. 【請求項９】 質量％で、さらに、Ａｌ：０．００８０
   〜１．００％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請求項１〜８のいずれか１
   項に記載の耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優れたパ
   ーライト系レール。
10. 【請求項１０】 質量％で、さらに、Ｚｒ：０．０００
    １〜０．２０００％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請求項１〜９のいず
    れか１項に記載の耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優
    れたパーライト系レール。
11. 【請求項１１】 請求項１〜１０に記載の鋼レールにお
    いて、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までの範囲の硬さがＨｖ３４０
    〜５００の範囲であることを特徴とする耐摩耗性および
    耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レール。