JP2009263753A - 高内部硬度レール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】C:0.60〜0.86%、Si:0.10〜1.20%、Mn:0.40〜1.50%、Cr:0.05〜2.00%を含み、かつ、式Ceq=C+Si/10+Mn/4.75+Cr/5.0で定義されるCeqが1.00以上、式QP=(0.06+0.4C)×(1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+2.33×Cr)で定義されるQPが7.0以下をそれぞれ満たす鋼よりなり、レール頭部全面がパーライトの金属組織を呈し、レール頭頂表面を起点として20mm内部に入った点までの硬度がHB370以上であり、レール頭頂表面と該表面を起点として20mm内部に入った点の硬度差がHB30以下である高内部硬度レールとする。
【選択図】図4
Description
質量%で、C:0.60〜0.86%、Si:0.10〜1.20%、Mn:0.40〜1.50%、Cr:0.05〜2.00%を含有し、下記式(1)で定義されるCeqが1.00以上、下記式(2)で定義されるQPが7.0以下をそれぞれ満足し、残部がFeおよび不可避的不純物である鋼よりなり、レール頭部全面がパーライトの金属組織を呈し、レール頭頂表面を起点として20mm内部に入った点までの硬度がHB370以上であり、レール頭頂表面と該表面を起点として少なくとも20mm内部に入った点の硬度差がHB30以下であり、かつ、レール頭部とレール柱部の境界領域がパーライト金属組織であることを特徴とする高内部硬度レール。
Ceq=C+Si/10+Mn/4.75+Cr/5.0 ・・・ 式(1)
QP=(0.06+0.4×C)×(1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+2.33×Cr) ・・・ 式(2)
ここで、C、Si、Mn、Crは、各元素の含有量の質量%の値である。
そして、レール頭部内部及び頭部と柱部の境界領域におけるミクロマルテンサイトの生成を抑制するため、冷却終了時の頭部表面温度が重要であることを知見した。
その結果、20mm内部に入った点での硬度は、式Ceq=C+Si/10+Mn/4.75+Cr/5.0(C、Si、Mn、Crは、各元素の含有量の質量%の値である)で定義されるCeqの値で整理できることを見出した。
なお、この式の係数は、実験的に求めた20mm内部の点における各元素の硬度への寄与率に基づいている。
本発明に係るレールに使用する鋼の化学成分について説明する。
本発明では、冷却速度の制御によって、頭部表面から20mm内部に入った点までの硬度がHB370以上となるようにするために、質量%でC :0.60〜0.86%、Si:0.10〜1.20%、Mn:0.40〜1.50%、Cr:0.05〜2.00%を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼を基本組成の鋼として用いる。
各元素の限定理由は以下のとおりである。
また、レール鋼として必要な強度を得るためにS、Mn、Crの含有範囲を以下のように限定した。
Mo:0.01〜0.50%、V:0.005〜0.5000%、Nb:0.002〜0.050、B:0.0001〜0.0050%、Co:0.003〜2.00%、Cu:0.01〜1.00%、Ni:0.01〜1.00%、Ti:0.0050〜0.0500%、Mg:0.0005〜0.0200%、Ca:0.0005〜0.0150、Al:0.010〜1.00%、Zr:0.0001〜0.2000%、N:0.0060〜0.0200%。
各元素の添加量を上記の範囲とした理由は、以下の通りである。
Alは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抑制に有効な元素である。しかし、Al量が0.010%未満ではその効果が弱い。また、Al量が1.00%を超えると、粗大なアルミナ系介在物が生成し、レールの延性が低下するため、Al添加量は0.010〜1.00%が望ましい。
高強度レールの頭部表面に求められる硬度はHB370以上であり、特に重荷重鉄道で用いられるレールに求められる硬度はHB370(AREMA:アメリカレール規格)となっている。そのため、必要な硬度をHB370以上とした。
Ceq=C+Si/10+Mn/4.75+Cr/5.0 ・・・ 式(1)
ここで、C、Si、Mn、Crは、各元素の含有量の質量%の値である。
高炭素でパーライトの金属組織を呈した鋼は強度が強く、耐摩耗性が良好なことから鉄道車両の重量増加に伴う、高軸重化や高速輸送化に対応することができる。一方で、頭部表面の冷却速度が過多になると、ベイナイト金属組織が生じるが、その組織は、パーライト組織と比較して硬度が低く、耐摩耗性にも劣っている。そのため、ベイナイト組織が生じると摩耗速度が速くなり、レール寿命が短くなるという問題が生じる。
QP=(0.06+0.4×C)×(1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+2.33×Cr) ・・・ 式(2)
ここで、C、Si、Mn、Crは、各元素の含有量の質量%の値である。
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によって上記の化学組成を有する圧延用鋼片とする。この綱片をレールの形状に熱間圧延した後、引き続いてAr1点以上の温度から加速冷却されてレール頭部全面がパーライトの金属組織にされる。あるいは、熱間圧延した後に一旦冷却され、再度Ac1点以上に加熱された後に同様に加速冷却される。
その際の、各段階での加速冷却の温度範囲や冷却速度などは次のような条件が好ましい。
なお、熱間圧延終了後、加速冷却を開始するまでの冷却方法については適宜実施できるが、自然放冷で十分である。
以上のような加速冷却の終了後は、そのまま室温まで放冷すればよい。
種々の化学成分を有する圧延素材を熱間圧延によりレールに成形した後、または、熱間圧延後に一旦Ar1点未満の温度まで冷却したレールをAc1点以上の温度に再加然した後、レール頭部表面の温度がAr1点以上の温度から600℃〜650℃になるまでの間を冷却速度1〜5℃/sで冷却し、ついで520℃〜550℃未満の温度に到達するまでを冷却速度2℃〜20℃/sで冷却し、その後放冷し、評価に供した。
表1に供試レール鋼の化学成分を示す(なお、残部はFe及び不可避不純物である。)とともに、上記条件で製造されたレールにおけるレール頭部及び境界領域のミクロ組織、レール頭表面及び表面下20mm位置の硬さを示した。
表1に示されるように、本発明の条件を満たすものは、いずれも本発明で規定する硬さ及び組織の条件を満たしていた。
表1のA9鋼を用いて製造されたレールを、表2に示される種々の冷却条件で冷却した。
冷却後のレールにおけるレール頭部及び境界領域のミクロ組織、レール頭表面及び表面下20mm位置の硬さを、同じく表2に示した。
表2に示されるように、適切な冷却条件を採用することにより、本発明で規定する硬さ及び組織の条件を満たすレールが得られた。
2 レール柱部
3 レール頭側部
4 頭部と柱部の境界領域
Claims (1)
- 質量%で、C:0.60〜0.86%、Si:0.10〜1.20%、Mn:0.40〜1.50%、Cr:0.05〜2.00%を含有し、下記式(1)で定義されるCeqが1.00以上、下記式(2)で定義されるQPが7.0以下をそれぞれ満足し、残部がFeおよび不可避的不純物である鋼よりなり、レール頭部全面がパーライトの金属組織を呈し、レール頭頂表面を起点として20mm内部に入った点までの硬度がHB370以上であり、レール頭頂表面と該表面を起点として少なくとも20mm内部に入った点の硬度差がHB30以下であり、かつ、レール頭部とレール柱部の境界領域がパーライト金属組織であることを特徴とする高内部硬度レール。
Ceq=C+Si/10+Mn/4.75+Cr/5.0 ・・・ 式(1)
QP=(0.06+0.4×C)×(1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+2.33×Cr) ・・・ 式(2)
ここで、C、Si、Mn、Crは、各元素の含有量の質量%の値である。
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