JP2005350723A

JP2005350723A - 耐折損性に優れるパーライトレール

Info

Publication number: JP2005350723A
Application number: JP2004172404A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Karimine; 健一狩峰; Koichi Uchino; 耕一内野; Masaharu Ueda; 正治上田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】マルテンサイト組織が生成しにくく、折損の起こりにくいパーライトレールを得ること。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．６〜１．３、Ｓｉ：０．０５〜１．０、Ｍｎ：０．０５〜０．２５、Ａｌ：０．００１〜０．０５を含有し、さらに、必要に応じて、Ｃｒ：０．０５〜０．２５、Ｍｏ：０．００１〜０．０５、Ｖ：０．００５〜０．２、Ｔｉ：０．００１〜０．０１、Ｎ：０．００１〜０．０３、Ｎｂ：０．００１〜０．０５、Ｎｉ：０．０１〜１、Ｃｕ：０．０１〜１、Ｍｇ：０．０００５〜０．０２、Ｃａ：０．００１〜０．０５０、Ｂ：０．０００５〜０．０１、の１種または２種を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、Ｍｎ＋Ｃｒ＋１．５Ｍｏ＋０．４Ｖ＋０．１５Ｎｉ≦０．２５％であることを特徴とするパーライトレール。
【選択図】なし

Description

本発明は、レール折損の原因となるレール表層のマルテンサイトが生成しにくい、パーライトレールに関するものである。

鉄道輸送は輸送効率向上のために、重積載化、高速化が進められており、レールの特性に対する要求がますます厳しくなっている。このため、重荷重鉄道でのレール寿命を改善するために、耐磨耗性、耐内部疲労損傷性の優れた高強度レール鋼の技術開発が活発に行われてきた。
また、寒冷地の鉄道では、冬季にレールクラック発生によるレール取替が集中し、レール材の靭性改善がレール寿命の延伸に必要になっている。
さらに、頭部の内部疲労損傷性の改善には、レール材の靭性および延性を向上させることが重要である。

従来、レール材の靭性および延性を改善する方法として、熱間圧延後、室温まで冷却したレールを低温度で再加熱した後、加速冷却する方法が提案されている。これは、通常の加熱温度よりも低い８５０℃以下の低温度に再加熱しオーステナイト粒を細粒化することによってパーライト変態後の組織を細粒化して、大幅に靭性および延性を改善しようとするものである（例えば、特許文献１参照）。
また、制御圧延によりオーステナイト粒を微細化した後、レール頭部を加速冷却する方法も提案されている。これは、制御圧延によるオーステナイト粒の細粒化により靭性・延性の向上を図ろうとするものである（例えば、特許文献２参照）。
さらに、パーライト変態時にオーステナイト結晶粒界に加え、オーステナイト結晶粒内からも変態を促進し、微細なパーライト組織を得る方法も提案されている。これは、ＭｎＳ上に析出させたＶ炭窒化物、Ｔｉ炭窒化物を変態核として、パーライト変態の核生成を促進させて組織を微細化する方法である（例えば、特許文献３参照）。
特開昭５５−１２５２３１号公報特開昭５２−１３８４２７号公報特開平６−２７９９２８号公報

しかし、上記技術を持ってしても鋼材の表面に何らかの理由で異常組織が生じた場合、亀裂の発生、ひいては折損などの品質事故を妨げることは困難であった。
実際に折損事故を起こしたレールを調査すると、亀裂の起点部分にはマルテンサイト組織が存在することがある。また、その表面には工具などによるスリ疵が存在することがある。これらは鋼材表面が著しく強く摩擦された結果、急速な加熱、冷却過程にさらされ、マルテンサイト組織を生じたものと考えられる。
また、電気アーク溶接の際の溶接棒の不用意な操作により電気アークを鋼材表面に発生させた際に、鋼材が急速に加熱、冷却され、マルテンサイト組織を生じることがある。

マルテンサイト組織は、高温のオーステナイト状態から極めて急速に冷却される過程で生じる。共析以上の［Ｃ］を含む鋼材は、高温のオーステナイト状態から冷却される場合、冷却速度が１０℃／ｓ以下のゆっくりした冷却であれば、７００℃弱の温度域でフェライトとセメンタイトの層状組織であるパーライト組織に変態する。
冷却速度が増すに従いパーライトは微細になり硬くなっていくが、ある臨界値を越えるとパーライト変態が完了せず、一部、オーステナイト組織のままで冷却された部分は、２００℃前後でマルテンサイト組織に変態する。
オーステナイトからマルテンサイトへの変態は、Ｆｅ原子が一定方向にずれることで短時間に進行する。
マルテンサイト組織は、直方体の体心Ｆｅ格子の隙間に［Ｃ］原子を固溶した構造を持ち、［Ｃ］の含有量が多いほど格子歪が大きくなり、硬くて脆い組織になる。
このようなマルテンサイト組織が鋼中に存在すると、周囲の正常な組織に対して切り欠き的な作用を及ぼし、鋼材が低荷重で破断する危険性が高まる。

また、マルテンサイト組織は低温で変態することから、変態による体積変化に対する応力緩和が起こりにくく、組織は多量の格子歪−転位を含有する。この転位は鋼の脆化をもたらす水素の集積場所になりやすい。このためマルテンサイトを含む組織は水素脆化による亀裂発生に対する危険性も増加する。

本発明はマルテンサイトの生成しにくいレール鋼を提供することを目的としており、その要旨は、以下の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ：０．６〜１．３％、
Ｓｉ：０．０５〜１．０％、
Ｍｎ：０．０５〜０．２５％、
Ａｌ：０．００１〜０．０５％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とするパーライトレール。
（２）質量％でさらに、
Ｃｒ：０．０５〜０．２５％を含有し、
Ｍｎ＋Ｃｒ≦０．２５％
であることを特徴とする前記（１）に記載のパーライトレール。
（３）質量％でさらに、
Ｍｏ：０．００１〜０．０５％を含有し、
Ｍｎ＋Ｃｒ＋１．５Ｍｏ≦０．２５％
であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載のパーライトレール。

（４）質量％でさらに、
Ｖ：０．００５〜０．２％を含有し、
Ｍｎ＋Ｃｒ＋１．５Ｍｏ＋０．４Ｖ≦０．２５％
であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載のパーライトレール。
（５）質量％でさらに、
Ｎｉ：０．０１〜１．０％を含有し、
Ｍｎ＋Ｃｒ＋１．５Ｍｏ＋０．４Ｖ＋０．１５Ｎｉ≦０．２５％
であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載のパーライトレール。
（６）質量％でさらに、
Ｔｉ：０．００１〜０．０１％、
Ｎ：０．００１〜０．０３％
Ｎｂ：０．００１〜０．０５％、
Ｃｕ：０．０１〜１．０％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載のパーライトレール。

（７）質量％でさらに、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、
Ｃａ：０．００１〜０．０５０％、
の１種または２種を含有することを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれか１項に記載のパーライトレール。
（８）質量％でさらに、
Ｂ：０．０００５〜０．０１％
を含有することを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれか１項に記載のパーライトレール。

本発明によれば、マルテンサイト組織が生成しにくく、折損の起こりにくいパーライト系レールを提供することができる。

レール鋼は、転炉、電気炉などで成分調整する。さらに必要に応じて脱ガス処理などの二次精錬を経て凝固させる。
その後、１０００〜１３５０℃の再加熱高温域から複数の圧延機を通り、徐々にレール形状に成形され、最終的に８００〜１１００℃でレール形状に仕上げられる。圧延での金属組織はオーステナイト組織である。その後の冷却過程で、鋼材温度がパーライト変態温度に達するとパーライト変態が始まる。
一方、高速軌道、重荷重軌道の曲線部においては１０００ＭＰａ以上の高強度が要求される。その場合、圧延終了後あるいは一度室温まで冷却した後に、オーステナイト域温度まで再加熱し、パーライト変態温度域である７００〜５５０℃間を加速冷却することが望ましい。加速冷却を行うと、より低温でパーライト変態が起こる。変態温度が下がると、パーライトのラメラ間隔が減少して強度が増大する。

以下、本発明について詳細に説明する。まず、レール鋼の成分を限定した理由について述べる。なお、成分の含有量は質量％である。

Ｃ：レール鋼における高強度化およびパーライト組織生成のための必須元素である。０．６％未満では必要とする均一なパーライト組織が得がたく、また１．３％を超えるとオーステナイト粒界を脆化させる有害な初析セメンタイトを生成させるため１．３％に限定した。
Ｓｉ：脱酸元素として欠かすことのできない元素であるとともに、パーライト組織中のフェライト相への固溶強化による高強度化へ寄与する。０．０５％未満ではそれらの効果は少なく、１．０％を超えると脆化をもたらし溶接性も低下する。

Ｍｎ：鋼中に不可避的に０．０５％以上含まれる。また、パーライト変態温度を低下させ、焼入れ性を高めることによって高強度化に寄与する。しかし、０．２５％を超えるとマルテンサイト組織が生成し易くなるため上限とした。
Ａｌ：不純物もしくは脱酸元素として鋼中に０．００１％以上含有される。一方、Ｎとともに添加するとＡｌ窒化物がオーステナイト粒の成長を抑制し、細粒化に寄与する。ただし０．０５％を超えるとＡｌ酸化物が粗大化し、靭性の低下をもたらすこと、および重荷重鉄道で使用された際に内部疲労起点となる危険性がある。

さらに本発明においては、上記成分の他に必要に応じてＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｎ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂの添加によって、フェライト地の靭性改善、レール圧延素材のオーステナイト粒の細粒化によって高靭性を得ることができ、さらに加速冷却によって、より高強度と同時に高靭性を得ることができる。これらの化学成分を限定した理由を以下に説明する。

Ｃｒ：パーライト変態温度を低下させることによって高強度化に寄与するとともに、溶接継ぎ手部軟化防止の観点でＭｎの代替元素として含有が有効である。しかし、０．０５％未満ではその効果が得られず、０．２５％を超えて含有するとマルテンサイトが生成しやすくなり好ましくない。
Ｍｏ：パーライトの変態速度を抑制し、パーライトブロックサイズを微細化するために必要な元素である。Ｍｏが０．００１％未満ではこの効果は少なく、０．０５％を超える含有量では、パーライト組織中にベイナイトやマルテンサイトを生成させるため好ましくない。

Ｖ：パーライト変態核となるＶ炭窒化物を析出し、オーステナイト粒界、および粒内からの変態核生成の促進によりパーライト組織を微細化する効果がある。しかしＶが０．００５％未満ではこの効果は弱く、初期の目的が得られない。また、Ｎが存在しない場合にはパーライト変態を遅らせ、材料を強化する働きがある。しかし、０．２％を超えるとその効果が過剰となり、ベイナイトやマルテンサイトを生成させるため好ましくない。
Ｎｉ：フェライト中に固溶し、フェライトの靭性を向上させるのに有効な元素である。また、パーライト変態を遅らせ、材料を強化する働きを多少もっている。ただし、Ｎｉが０．０１％未満の場合にはその効果が少なく、１％を超えて含有してもその効果は飽和する。

Ｔｉ：Ｖと同様、パーライト変態核となる窒化物を析出し、オーステナイト粒界、および粒内からの変態核生成の促進によりパーライト組織を微細化する元素である。Ｔｉが０．００１％未満の場合にはその効果が少なく、Ｔｉが０．０１％を超えると粗大なＴｉ窒化物を生成し靭性が低下するため好ましくない。
Ｎ：不可避的不純物として０．００１％以上含まれる。また、Ｖと反応して析出物となり、パーライト変態核の増加、細粒化に有効である。また、Ａｌとともに添加するとＡｌ窒化物がオーステナイト粒の成長を抑制し、細粒化に寄与する。しかし、０．０３％を越えると高温脆化現象が起き、鋳造における鋼材内部割れが起きるため好ましくない。

Ｎｂ：熱間圧延時に低温加熱することによって、Ｎｂ炭窒化物がオーステナイト粒成長を抑制し細粒化に寄与する。また、高温加熱・低温仕上げ圧延によって熱間圧延後のオーステナイト粒を細粒化し、加速冷却後に得られるパーライトブロックを微細にする。この効果を得るためには、Ｎｂは０．００１％以上必要であるが、０．０５％を超えると粗大なＮｂ炭窒化物の生成によって靭性が低下するため好ましくない。
Ｃｕ：Ｎｉと同様にフェライト中に固溶し、フェライトの靭性を向上させるのに有効な元素である。ただし、Ｃｕが０．０１％未満の場合にはその効果が極めて少なく、１％を超えて含有してもその効果は飽和する。

Ｍｇ：Ｍｇ酸化物、Ｍｇ−Ａｌ酸化物、Ｍｇ硫化物を析出し、さらにこれらを核としてＭｎＳ、Ｖ炭窒化物の析出核となる。これらの介在物は、粒内変態の促進効果によりパーライト変態後のパーライトブロックを微細にする。しかし、０．０００５％未満では効果がなく、０．０２％を超えると粗大な介在物が生成し、靭性が著しく低下するため好ましくない。
Ｃａ：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や靭性を向上させるのに有効な元素である。しかし、０．００１％未満ではその効果は弱く、０．０５０％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が低下する。
Ｂ：高炭素鋼の場合にはＦｅ−（Ｃ，Ｂ）化合物をオーステナイト粒界に形成し、パーライト変態を促進する効果を持つ。この効果を得るためには、Ｂは０．０００５％以上必要である。しかし、０．０１％を超えるとＢの炭窒化物が生成し、靭性が低下するため好ましくない。

以上の合金元素のうち、マルテンサイトの生成に特に影響のある元素についてはその合計添加量を制限することが、マルテンサイトを抑えるためには必要である。合金によってその効果が異なることから、次の式をその添加限界とすることが望ましい。それぞれの原素は質量％であることを示す。
Ｍｎ＋Ｃｒ＋１．５Ｍｏ＋０．４Ｖ＋０．１５Ｎｉ≦０．２５［％］
また、Ｐ、Ｓ、Ｏは、鋼中に不可避的に含有される元素である。Ｐはフェライト層を脆化させて衝撃特性を低下するため、０．０１５％以下が望ましい。Ｏは０．０２％以上になると粗大な介在物が生じて靭性の低下をもたらすため、それ以下であることが好ましい。Ｓは０．０３％を超えると粗大なＭｎＳが生成し、靭性および延性を低下させるため、それ以下であることが好ましい。

次に、本発明により製造した耐折損性に優れるレールの製造実施例について述べる。表１に示す成分のレールを製造した。それぞれの鋼材は不可避的不純物として、Ｐ、Ｓを０．０１％以下、Ｏを０．００５％以下含有している。これらレールに対し、マルテンサイト生成のしやすさを試験した。マルテンサイト生成のしやすさはグラインディング試験によって評価した。

グラインディング試験は、１００Ｖハンドグラインダーをレール頭部表面に５秒間押し付け、その後に２秒以内に回転が停止するまでグラインダーを押し付け、グラインダーのスイッチを切った。その結果、鋼材は急速な摩擦熱と冷却を受ける。グラインダー試験は１０ｃｍ以上距離を置いて５ヶ所で行った。
グラインダーを押し付けた部分は、断面を切り出し、鏡面研磨した後、硝酸アルコールでエッチングし、光学顕微鏡を用いて組織を観察した。マルテンサイト組織の有無を調べた。表２にその結果を示す。マルテンサイトの生成傾向は成分に依存しており、本発明鋼にはマルテンサイトの生成がないことが確認された。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．６〜１．３％、
Ｓｉ：０．０５〜１．０％、
Ｍｎ：０．０５〜０．２５％、
Ａｌ：０．００１〜０．０５％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とするパーライトレール。
質量％でさらに、
Ｃｒ：０．０５〜０．２５％を含有し、
Ｍｎ＋Ｃｒ≦０．２５％
であることを特徴とする請求項１に記載のパーライトレール。
質量％でさらに、
Ｍｏ：０．００１〜０．０５％を含有し、
Ｍｎ＋Ｃｒ＋１．５Ｍｏ≦０．２５％
であることを特徴とする請求項１または２に記載のパーライトレール。
質量％でさらに、
Ｖ：０．００５〜０．２％を含有し、
Ｍｎ＋Ｃｒ＋１．５Ｍｏ＋０．４Ｖ≦０．２５％
であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパーライトレール。
質量％でさらに、
Ｎｉ：０．０１〜１．０％を含有し、
Ｍｎ＋Ｃｒ＋１．５Ｍｏ＋０．４Ｖ＋０．１５Ｎｉ≦０．２５％
であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパーライトレール。
質量％でさらに、
Ｔｉ：０．００１〜０．０１％、
Ｎ：０．００１〜０．０３％
Ｎｂ：０．００１〜０．０５％、
Ｃｕ：０．０１〜１．０％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のパーライトレール。
質量％でさらに、
Ｍｇ：０．０００５〜０．０２００％、
Ｃａ：０．００１〜０．０５０％、
の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のパーライトレール。
質量％でさらに、
Ｂ：０．０００５〜０．０１％
を含有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のパーライトレール。