JP2004043864A

JP2004043864A - 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熱処理方法

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Publication number: JP2004043864A
Application number: JP2002201206A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Ueda; 上田　正治; Koichiro Matsushita; 松下　公一郎; Rei Kobayashi; 小林　玲
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: JP4267267B2

Abstract

【課題】冷却速度を制御し、レール頭表部のパーライト組織の安定化を図り、頭部に発生し易いセメンタイトの生成を防止し、耐摩耗性、耐内部疲労損傷性を向上させる。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．９０〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜２．００％、Ｍｎ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：０．０５〜２．００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であるレールにおいて、熱間圧延後、圧延ままＡｒ１　点以上の温度、あるいはＡｃ１　点＋３０℃以上の温度に加熱されたレールを加速冷却する際、レール頭頂面から深さ３０ｍｍの内部において、温度範囲７５０〜６５０℃の冷却速度（ＩＣＲ、℃／ｓｅｃ）が、式１で示される、ＩＣＲ≧ＣＣＲとな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の熱処理方法。ＣＣＲ＝０．６＋１０×（〔％Ｃ〕−０．９）−５×（〔％Ｃ〕−０．９）×〔％Ｓｉ〕−０．１７〔％Ｍｎ〕−０．１３〔％Ｃｒ〕・・・１
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重荷重鉄道で使用される高炭素含有のレール鋼において、レール頭表部のパーライト組織の安定化を図り、同時に、頭部内部に発生しやすく、疲労損傷の起点となる初析セメンタイト組織の生成を防止し、耐摩耗性の確保と耐内部疲労損傷性を向上させることを目的としたパーライト系レールの熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、海外の石炭や鉄鉱石を輸送する重荷重鉄道や国内の貨物鉄道では、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、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、現状の共析炭素含有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。
【０００３】
▲１▼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８−１４４０１６号公報）。
▲２▼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、熱処理により硬さを制御した、耐摩耗性に優れたレールおよびその製造法（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体積密度を増加させ、さらに、熱処理により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】
【発明が解決しようとする課題】
上記の▲１▼に示されたパーライト組織を呈する発明レール鋼では、高炭素化により耐摩耗性の向上が図れる。しかし、上記の発明レール鋼は、現行の共析炭素含有の高強度レール鋼よりも炭素量が高く、熱処理時に冷却速度の遅いレール頭部内部では、初析セメンタイト組織が生成し易い。このため、初析セメンタイト組織が疲労損傷の起点となり、レールの使用寿命が低下するといった問題があった。
【０００５】
また、上記の▲２▼に示され熱処理方法では、レール頭表面の冷却速度および硬さの制御は可能であるが、レール頭部内部の冷却速度の制御は十分ではなく、結果として、疲労組織の発生起点となる初析セメンタイト組織の生成を防止することが困難であった。
さらに、上記の▲２▼に示され熱処理方法では、レール頭表面の冷却速度を増加させると、レール頭部内部の冷却速度も向上するが、頭表面に耐摩耗性に有害なベイナイトやマルテンサイト組織が生成し、レールの使用寿命を低下させるといった問題があった。
【０００６】
このような背景から、高炭素含有のパーライト組織のレール鋼において、頭部内部に生成する初析セメンタイト組織の生成を防止し、内部疲労損傷の発生を抑制するレールの熱処理方法の開発が求められるようになってきた。
【０００７】
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組織のレール鋼において、レール頭部の熱処理方法を制御することにより、頭部内部の初析セメンタイト組織の生成を防止し、内部疲労損傷の発生を抑制す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）質量％で、
Ｃ　：０．９０〜１．２０％、　Ｓｉ：０．１０〜２．００％、
Ｍｎ：０．１０〜２．００％、　Ｃｒ：０．０５〜２．００％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物である鋼片をレール形状に熱間圧延した後、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加速冷却する際に、前記鋼レールの頭頂面から深さ３０ｍｍの頭部内部における温度範囲７５０〜６５０℃での冷却速度（ＩＣＲ、℃／ｓｅｃ）が、鋼レールの化学成分からなる下記の式１で示される値（ＣＣＲ）に対して、ＩＣＲ≧ＣＣＲとなるように加速冷却を行う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の熱処理方法。
ＣＣＲ＝０．６＋１０×（〔％Ｃ〕−０．９）−５×（〔％Ｃ〕−０．９）×〔％Ｓｉ〕−０．１７〔％Ｍｎ〕−０．１３〔％Ｃｒ〕・・・１
【０００９】
（２）加速冷却が、温度範囲７５０〜５００℃での前記鋼レールの頭頂部表面の冷却速度（ＴＨ、℃／ｓｅｃ）、頭側部表面の冷却速度（ＴＳ、℃／ｓｅｃ）、あご下部表面の冷却速度（ＴＪ、℃／ｓｅｃ）からなる下記の式２で示される値（ＴＣＲ）が、４ＣＣＲ≧ＴＣＲ≧２ＣＣＲとなるように加速冷却を行うことを特徴とする（１）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熱処理方法。
ＴＣＲ＝０．０５ＴＨ（℃／ｓｅｃ）＋０．１０ＴＳ（℃／ｓｅｃ）＋０．５０ＴＪ
（℃／ｓｅｃ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・２
【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。
まず、本発明者らは、高炭素含有のパーライト組織のレール鋼において、頭部内部の初析セメンタイト組織の生成を防止できる冷却速度（初析セメンタイト組織の臨界冷却速度）とレール鋼の化学成分の関係ついて調査した。
【００１１】
レール頭部形状を再現した高炭素鋼の試験片を用いて熱処理実験を行った結果、レール鋼の化学成分（Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ）と初析セメンタイト組織の臨界冷却速度には関係があり、セメンタイト生成促進元素であるＣは正、焼入れ性元素であるＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒには負の相関があることが明らかとなった。
【００１２】
そこで、本発明者らは、初析セメンタイト組織の生成が顕著な炭素量０．９ｍａｓｓ％以上のレール鋼において、レール鋼の化学成分（Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ）と初析セメンタイト組織の生成臨界冷却速度の関係を重相関により求めた。その結果、レール鋼の化学成分（ｍａｓｓ％）の寄与度を評価した式１の値（ＣＣＲ）を算定することにより、レール鋼の頭部内部での初析セメンタイト組織の臨界冷却速度の相当した値が求められ、さらに、レール鋼の熱処理において、レール鋼の頭部内部の冷却速度（ＩＣＲ、℃／ｓｅｃ）をＣＣＲ値以上とすることにより、頭部内部に生成する初析セメンタイト組織が防止できることを知見した。
ＣＣＲ＝０．６＋１０×（〔％Ｃ〕−０．９）−５×（〔％Ｃ〕−０．９）×〔％Ｓｉ〕−０．１７〔％Ｍｎ〕−０．１３〔％Ｃｒ〕・・・１
【００１３】
次に、本発明者らは、レール鋼の熱処理において、頭部内部の冷却速度（ＩＣＲ、℃／ｓｅｃ）を制御する方法を検討した。
レール頭部の熱処理では、冷却はレール頭表面の全体で行われる。そこで、本発明者らはレール頭部形状を再現した高炭素鋼の試験片により熱処理実験を行い、レール頭表部の各部位の冷却速度と頭部内部の冷却速度の関係を求めた。その結果、頭部内部の冷却速度は、レール頭頂部表面の冷却速度（ＴＨ、℃／ｓｅｃ）、レール左右の頭側部表面の平均冷却速度（ＴＳ、℃／ｓｅｃ）、レール左右の頭部と柱部の境界部であるあご下部表面の平均冷却速度（ＴＪ、℃／ｓｅｃ）と相関があり、頭部内部の冷却速度への寄与度を考慮した式２の値（ＴＣＲ）を用いることにより、頭部内部の冷却速度の評価できることを確認した。
ＴＣＲ＝０．０５ＴＨ（℃／ｓｅｃ）＋０．１０ＴＳ（℃／ｓｅｃ）＋０．５０ＴＪ
（℃／ｓｅｃ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・２
【００１４】
さらに、本発明者らは、実験によりＴＣＲ値と頭部内部の初析セメンタイト組織の生成状況および頭表部の組織の関係を調査した。その結果、頭部内部の初析セメンタイト組織生成はＴＣＲ値の大きさと相関があり、ＴＣＲ値がレール鋼の化学成分から求められるＣＣＲ値の２倍以上になると、頭部内部の初析セメンタイト組織の生成が無くなることがわかった。
【００１５】
さらに、頭表部のミクロ組織との関係では、ＴＣＲ値がレール鋼の化学成分から求められるＣＣＲ値の４倍以上になると、冷却が過剰となり、頭表部に耐摩耗性に有害なベイナイトやマルテンサイト組織し、レールの摩耗寿命を低下させることを見出した。
【００１６】
すなわち、本発明はＴＣＲ値を４ＣＣＲ≧ＴＣＲ≧２ＣＣＲの範囲に制御することにより、レール頭部の熱処理において、頭部内部の冷却速度（ＩＣＲ、℃／ｓｅｃ）を確保でき、頭部内部の初析セメンタイト組織の生成防止、さらには、頭表部のパーライト組織の安定化が図れることを知見した。
【００１７】
したがって、本発明では、高炭素含有のレール鋼において、頭部内部の初析セメンタイト組織の生成を防止するため、レール鋼の頭部内部の冷却速度（ＩＣＲ）をレール鋼の化学成分から求められるＣＣＲ値以上とすることにより、頭部内部の初析セメンタイト組織の生成防止が可能となり、さらに、この頭部内部の冷却速度（ＩＣＲ）の確保、頭表部のパーライト組織の安定化を図るため、レール頭表部の各部位の冷却速度から求められるＴＣＲ値を、ＣＣＲ値から求められる範囲内に制御する必要があることを知見した。
【００１８】
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レール鋼の熱処理において、レール頭表部のパーライト組織の安定化を図り、同時に、頭部内部に発生しやすく、疲労損傷の起点となる初析セメンタイト組織の生成を防止し、耐摩耗性の確保と耐内部疲労損傷性を向上させることを目的としたパーライト系レールの熱処理方法に関するものである。
【００１９】
次に、本発明の限定理由について詳細に説明する。
（１）鋼レールの化学成分の限定理由
請求項１において、レール鋼の化学成分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。
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る。Ｃ量が０．９０％未満では、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、重荷重鉄道において耐摩耗性が維持できない。また、Ｃ量が１．２０％を超えると、初析セメンタイト組織の臨界冷却速度に相当するＣＣＲ値が著しく大きくなり、上記限定の熱処理を施しても、頭部内部において、ＣＣＲ値を超える冷却速度が得られず、パーライト組織中に初析セメンタイト組織が生成し、内部疲労損傷が発生しやすくなる。このため、Ｃ量を０．９０〜１．２０％に限定した。
【００２０】
Ｓｉは、脱酸材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強化によりレール頭部の硬度（強度）を上昇させる元素であり、同時に、頭部内部の初析セメンタイト組織の生成を抑制し、初析セメンタイト組織の臨界冷却速度に相当するＣＣＲ値を低下させる元素である。しかし、０．１０％未満の含有量では、その効果が小さく、固溶強化や初析セメンタイト組織の生成抑制が期待できない。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、焼入れ性が著しく増加し、レールの耐摩耗性や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、Ｓｉ量を０．１０〜２．００％に限定した。
【００２１】
Ｍｎは、焼入れ性を高め、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、耐摩耗性を向上させる元素であり、同時に、焼入れ性の向上により、頭部内部の初析セメンタイト組織の生成を抑制し、初析セメンタイト組織の臨界冷却速度に相当するＣＣＲ値を低下させる元素である。しかし、０．１０％未満の含有量では、その効果が小さく、耐摩耗性の確保や初析セメンタイト組織の生成抑制が困難となる。また、２．００％を超えると、焼入れ性が著しく増加し、耐摩耗性や靭性に有害なマルテンサイト組織が生成し易くなる。このため、Ｍｎ量を０．１０〜２．００％に限定した。
【００２２】
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、焼入れ性の向上により、頭部内部の初析セメンタイト組織の生成を抑制し、初析セメンタイト組織の臨界冷却速度に相当するＣＣＲ値を低下させる元素である。しかし、０．０５％未満の含有量では、その効果が小さく、２．００％を超える過剰な添加を行うと、焼入れ性が著しく増加し、マルテンサイト組織が多量に生成し、レールの耐摩耗性や靱性を低下させる。このため、Ｃｒ量を０．０５〜２．００％に限定した。
【００２３】
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。
【００２４】
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内部や頭表部に上記限定の熱処理を施すことにより、頭部内部に疲労損傷の発生に有害な初析セメンタイト組織の生成防止を防止し、同時に、レール頭表部に耐摩耗性に有効な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。
【００２５】
なお、本発明熱処理方法においては、上記の成分組成以外については、特に限定するものではないが、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、必要に応じて、Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｂ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ａｌ，Ｚｒ等の元素を１種または２種以上を含有しても良い。
【００２６】
（２）ＣＣＲ値を求める式の限定理由
請求項１において、ＣＣＲ値を求める式を上記のように規定した理由を説明する。
ＣＣＲ値を求める式は、まず、レール頭部の熱処理を再現した実験により、初析セメンタイト組織の生成臨界冷却速度を測定し、この初析セメンタイト組織の生成臨界冷却速度とレール鋼の化学成分（Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ）の関係を重相関により求めたものである。以下にその相関式（式１）を示す。したがって、式１は実験回帰式であり、式１で算定される値以上の冷却速度で頭部内部を冷却することにより、初析セメンタイト組織の生成が防止できる。
ＣＣＲ＝０．６＋１０×（〔％Ｃ〕−０．９）−５×（〔％Ｃ〕−０．９）×〔％Ｓｉ〕−０．１７〔％Ｍｎ〕−０．１３〔％Ｃｒ〕・・・１
【００２７】
（３）レール頭部内部の冷却速度を規定した位置および冷却速度の温度範囲の限定理由
請求項１において、レール頭部内部の冷却速度を規定した位置を頭頂部から深さ３０ｍｍの位置とした理由について説明する。
レール頭部の冷却速度は、レール頭表面から内部に向かって低下する傾向を示す。したがって、レール頭部において、冷却速度の遅い領域で生成する初析セメンタイト組織を防止するには、頭部内部の冷却速度の確保が必要である。実験により頭部内部の冷却速度を測定した結果、頭頂面から深さ３０ｍｍの位置の冷却速度が最も遅く、この位置での冷却速度が確保されると、レール頭部内部において初析セメンタイト組織の生成が防止できることを確認した。この結果から、レール頭部内部の冷却速度を規定する位置として、頭頂面から深さ３０ｍｍの位置を規定した。
【００２８】
次に、請求項１において、レール頭部内部の冷却速度を規定した温度範囲を上記のように限定した理由を説明する。
上記限定の化学成分のレール鋼では、初析セメンタイト組織の生成温度が７５０〜６５０℃の範囲であることが実験により確認されている。したがって、初析セメンタイト組織の生成を防止するには、少なくとも、上記の温度範囲において、頭部内部の冷却速度をある一定値以上とすることが必要である。この理由から、レール鋼の頭頂面から深さ３０ｍｍの位置の冷却速度を規定した温度範囲を７５０〜６５０℃の範囲に限定した。
【００２９】
（４）ＴＣＲ値を求める式およびその値の範囲の限定理由
請求項２において、ＴＣＲ値を求める式を上記のように規定した理由を説明する。
ＴＣＲ値を求める式は、まず、レール頭部の熱処理を再現した実験により、頭頂部の冷却速度（ＴＨ、℃／ｓｅｃ）、頭側部の冷却速度（ＴＳ、℃／ｓｅｃ）、あご下部の冷却速度（ＴＪ、℃／ｓｅｃ）、さらに、頭部内部の冷却速度（ＩＣＲ、℃／ｓｅｃ）を測定し、これら頭表部の各部位の冷却速度を、頭部内部の冷却速度（ＩＣＲ）に対する寄与度で定式化したものである。以下にその式（式２）を示す。したがって、式２は実験式であり、式２で算定される値がある一定以上であれば、頭部内部の冷却速度を確保することが可能となり、初析セメンタイト組織の生成が防止できる。
ＴＣＲ＝０．０５ＴＨ（℃／ｓｅｃ）＋０．１０ＴＳ（℃／ｓｅｃ）＋０．５０ＴＪ
（℃／ｓｅｃ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・２
なお、上式に示す頭側部の冷却速度（ＴＳ、℃／ｓｅｃ）、あご下部の冷却速度　　（ＴＪ、℃／ｓｅｃ）は、レール左右の各部位の平均値を示すものである。
【００３０】
次に、請求項２において、ＴＣＲ値を、４ＣＣＲ≧ＴＣＲ≧２ＣＣＲの範囲に限定した理由を説明する。
ＴＣＲ値が２ＣＣＲ未満になると、レール頭部内部の冷却速度（ＩＣＲ、℃／ｓｅｃ）にが低下し、頭部内部に初析セメンタイト組織が生成し、内部疲労損傷が発生しやすくなる。さらに、レール頭表面の硬さが低下し、レールの耐摩耗性を確保できない。また、ＴＣＲ値が４ＣＣＲを超えると、レール頭表部の冷却速度が著しく増加し、頭表部に耐摩耗性に有害なベイナイトやマルテンサイト組織が生成し、レールの摩耗寿命を低下させる。このため、ＴＣＲ値を４ＣＣＲ≧ＴＣＲ≧２ＣＣＲの範囲に限定した。
【００３１】
（５）レール頭表部の冷却速度を規定した位置および冷却速度の温度範囲の限定理由
まず、請求項２において、レール頭表部の冷却速度を規定した位置を、頭頂部、頭側部、あご下部の３ヶ所に限定した理由を説明する。
レール頭部内部の冷却速度は頭表面の冷却状態に大きく影響される。実験により頭部内部の冷却速度とレール頭表面の冷却速度の関係を調査した結果、頭部内部の冷却速度は、頭表面の抜熱面である頭頂部、頭側部（左右）、あご下部（左右）の３面の冷却速度とよい相関があり、この３面の冷却速度を調整すれば、頭部内部の冷却速度を制御できることを確認した。この結果から、レール頭表部の冷却速度を規定する位置を頭頂部、頭側部、あご下部の３ヶ所に限定した。
【００３２】
次に、請求項２において、レール頭表部の冷却速度を規定した温度範囲を上記のように限定した理由を説明する。
上記限定の化学成分のレール鋼では、初析セメンタイト組織の生成温度が７５０〜６５０℃の範囲であることが実験により確認されている。したがって、初析セメンタイト組織の生成を防止するには、少なくとも、上記の温度範囲において、頭部内部の冷却速度をある一定値以上とすることが必要である。しかし、加速冷却終了時のレール頭部内部は、頭表面と比べて抜熱量が少ないため温度が高い。したがって、レール頭部内部では、初析セメンタイト組織が生成する６５０℃までの温度領域において冷却速度を確保するには、頭表部の加速冷却停止温度を６５０℃よりも低くする必要がある。実験により頭表部の加速冷却停止温度を検証した結果、５００℃まで冷却すると、頭部内部の冷却停止温度が６５０℃未満となることを確認した。これらの結果から、レール頭表部（頭頂部、頭側部、あご下部）の冷却速度を規定した温度範囲を７５０〜５００℃の範囲に限定した。
【００３３】
ここで、レールの部位について説明する。図１はレール各部位の呼称を示したものである。「頭表部」とは、図１に示すレール頭頂面全体（符号：１）、「頭側部」とは、図１に示すレール左右の頭側面全体（符号：２）、「あご下部」とは、図１に示すレール左右の頭部と柱部の境界部全体（符号：３）、また、「頭部内部」とは、図１に示す頭頂部のレール幅中央部から深さ３０ｍｍの位置近傍（符号：４）である。
【００３４】
レール熱処理時の加速冷却速度、加速冷却の温度範囲は、図１に示す頭頂部　　（符号：１）のレール幅中央部、頭側部（符号：２）のレール頭部高さ中央部、あご下部（符号：３）の中央部の頭表面、または、頭表面から深さ５ｍｍの範囲を測定すれば、頭表部の各部位を代表させることができる。
【００３５】
また、この部分の温度や冷却速度を調整することにより、頭表面のパーライト組織の安定化や頭部内部（符号：４）冷却速度の制御が可能となり、頭表面の耐摩耗性の確保、頭部内部の初析セメンタイト組織の生成の防止、さらには、耐内部疲労損傷性を向上させることができる。
【００３６】
また、レール頭部熱処理時の加速冷却については、その必要性に応じて、ＴＣＲ値が４ＣＣＲ≧ＴＣＲ≧２ＣＣＲの範囲となるように、頭頂部、頭側部（左右）、あご下部（左右）の５ヶ所において、冷却の有無や加速冷却速度を任意に選ぶことができる。
なお、レール頭表部の硬度や組織形態を左右均等とするには、頭側部の左右、あご下部の左右の冷却速度を同一とすることが望ましい。
【００３７】
従って、高炭素含有のパーライト組織のレール鋼において、頭部内部の初析セメンタイト組織の生成防止、さらには、頭表部のパーライト組織の安定化を図るには、レール頭部内部の冷却速度（ＩＣＲ）をレール鋼の化学成分から決定されるセメンタイト組織の生成臨界冷却速度に相当したＣＣＲ値以上とし、同時に、レール頭表部の各部位の冷却速度をＴＣＲ値の範囲にしたがって制御する必要がある。
【００３８】
また、本熱処理製造方法によって製造されたパーライト系レールの頭部の金属組織は、パーライト組織であることが望ましいが、成分系、さらには、加速冷却条件によっては、パーライト組織中に微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織およびベイナ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頭部の靭性に大きな影響をおよぼさないため、本熱処理製造法によって製造されたパーライト系レールの頭部の組織としては、若干の初析フェライト組織、初析セメンタイト組織およびベイナイト組織の混在も含んでいる。
【００３９】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
表１に供試レール鋼の化学成分を示す。
表２は、表１に示す供試レール鋼のＣＣＲ値、表１に示す供試レール鋼を用いて、本発明法の熱処理を行った際のレール頭部内部、頭表部の熱処理条件（冷却速度、ＴＣＲ値）、さらに、レール頭部のミクロ組織を示す。
表３は、表１に示す供試レール鋼のＣＣＲ値、表１に示す供試レール鋼を用いて、比較法の熱処理を行った際のレール頭部内部、頭表部の熱処理条件（冷却速度、ＴＣＲ値）、さらに、レール頭部のミクロ組織を示す。
【００４０】
ここで、本明細書中の図について説明する。図１はレール各部位の呼称を示したものである。
なお、図１において、１は頭頂部、２はレール左右の頭側部、３はレール左右のあご下部である。また、４は頭部内部であり、頭頂部のレール幅中央部から深さ３０ｍｍの位置近傍である。
【００４１】
なお、レールの構成は以下のとおりである。
・本発明熱処理レール（９本）　符号Ａ〜Ｉ
上記成分範囲内のレール鋼を、上記限定範囲内の条件でレール頭部を熱処理したレール。
・比較熱処理レール　（８本）　符号Ｋ〜Ｑ
上記成分範囲内のレール鋼を、上記限定範囲外の条件でレール頭部を熱処理したレール。
【００４２】
表２、表３に示すように、表１に示した高炭素含有のレール鋼において、レール頭部内部の冷却速度（ＩＣＲ）を、レール鋼の化学成分から求められるＣＣＲ値以上に制御した本発明熱処理方法で製造したレール（符号：Ａ〜Ｉ）は、比較熱処理方法で製造したレール（符号：Ｊ〜Ｑ）と比べて、頭部内部の初析セメンタイト組織の生成が防止でき、耐内部疲労損傷性が向上した。
【００４３】
また、表２、表３に示すように、レール頭部内部の初析セメンタイト組織の生成防止、すなわち、頭部内部の冷却速度（ＩＣＲ）の確保、さらには、頭表部のパーライト組織の安定化を図るため、レール頭表部の各部位の冷却速度から求められるＴＣＲ値を、ＣＣＲ値から求められる範囲内に制御することにより、頭部内部に疲労損傷の発生に有害な初析セメンタイト組織の生成防止を防止し、同時に、レール頭表部に耐摩耗性に有害なベイナイトやマルテンサイト組織の生成も防止できた。
【００４４】
上記のように、高炭素含有のレール鋼において、レール頭部内部の冷却速度　　（ＩＣＲ）をある一定範囲内に納め、さらに、レール頭表部の各部位の冷却速度をある一定範囲内に納めることにより、頭部内部に疲労損傷の発生に有害な初析セメンタイト組織の生成防止を防止し、同時に、レール頭表部に耐摩耗性の高いパーライト組織を得ることができた。
【００４５】
【表１】

【００４６】
【表２】

【００４７】
【表３】

【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、重荷重鉄道で使用される高炭素含有のレール鋼において、レール頭部内部の冷却速度を制御し、さらに、レール頭表部の各部位の冷却速度を制御することにより、レール頭表部のパーライト組織の安定化を図り、同時に、頭部内部に発生しやす初析セメンタイト組織の生成を防止し、耐摩耗性の確保に加えて、耐内部疲労損傷性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レール各部位の呼称を示した図。
【符号の説明】
１：頭頂部
２：頭側部
３：あご下部
４：頭部内部

Claims

質量％で、
Ｃ　：０．９０〜１．２０％、
Ｓｉ：０．１０〜２．００％、
Ｍｎ：０．１０〜２．００％、
Ｃｒ：０．０５〜２．００％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物である鋼片をレール形状に熱間圧延した後、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加速冷却する際に、前記鋼レールの頭頂面から深さ３０ｍｍの頭部内部における温度範囲７５０〜６５０℃での冷却速度（ＩＣＲ、℃／ｓｅｃ）が、鋼レールの化学成分からなる下記の式１で示される値（ＣＣＲ）に対して、ＩＣＲ≧ＣＣＲとなるように加速冷却を行う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の熱処理方法。
ＣＣＲ＝０．６＋１０×（〔％Ｃ〕−０．９）−５×（〔％Ｃ〕−０．９）×〔％Ｓｉ〕−０．１７〔％Ｍｎ〕−０．１３〔％Ｃｒ〕・・・１
加速冷却が、温度範囲７５０〜５００℃での前記鋼レールの頭頂部表面の冷却速度（ＴＨ、℃／ｓｅｃ）、頭側部表面の冷却速度（ＴＳ、℃／ｓｅｃ）、あご下部表面の冷却速度（ＴＪ、℃／ｓｅｃ）からなる下記の式２で示される値（ＴＣＲ）が、４ＣＣＲ≧ＴＣＲ≧２ＣＣＲとなるように加速冷却を行うことを特徴とする請求項１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の熱処理方法。
ＴＣＲ＝０．０５ＴＨ（℃／ｓｅｃ）＋０．１０ＴＳ（℃／ｓｅｃ）＋０．５０ＴＪ
（℃／ｓｅｃ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・２