JP2017115229A

JP2017115229A - レール

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Publication number: JP2017115229A
Application number: JP2015254905A
Authority: JP
Inventors: 稔本庄; Minoru Honjo; 木村　達己; Tatsuki Kimura; 達己木村; 克行一宮; Katsuyuki Ichinomiya; 長谷　和邦; Kazukuni Hase; 和邦長谷
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2035-12-25
Also published as: JP6459955B2

Abstract

【課題】延性に優れ、高軸重鉄道においても好適に使用することができる高延性パーライト系レールを提供する。
【解決手段】重量％で、Ｃ：０．７０〜０．８５％、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０００５〜０．０１０％、およびＣｒ：０．０５〜１．５０％を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、ラメラー分率が４０〜９８％である、レール。
【選択図】図２

Description

本発明は、高延性レールに関するものである。

鉱石の運搬等を主体とする高軸重鉄道では貨車の車軸にかかる荷重は客車に比べて遙かに高く、レールや車輪の使用環境も過酷なものとなっている。このような、高軸重鉄道、すなわち、列車や貨車の積載重量の大きい鉄道で使用されるレールには、従来、耐摩耗性重視の観点からパーライト組織を有する鋼が主として使用されている。しかし近年、貨車への積載重量を増加させて輸送効率を向上させるために、レールの耐摩耗性および耐疲労損傷性をさらに向上させることが求められている。また、積載重量の増加に加えて、枕木破損や地盤陥没などのレール敷設環境の悪化により、レールにかかる力（引張応力）が大きくなり、その結果、レールの破断が問題となっている。

そこで、これらの問題を解決するために、様々な方法が提案されている。例えば、特許文献１および２では、パーライトブロックの個数を規定した、耐摩耗性および延性に優れたパーライト系レールが提案されている。

特許第４２７２３８５号公報特開２００２−２１２６７７号公報

しかし、延性を向上させるためには引張時の転位の集積や、転位の集積によるボイドの発生を抑制する必要がある。特許文献１、２では、パーライトレールにおけるパーライトブロックの個数を制御することによってレールの延性が向上するとされているが、パーライトレールでは、パーライトブロック境界に転位が集積し、ボイドが発生するため、パーライトブロックサイズを微細化するのみでは十分に延性を向上させることができないというのが実状である。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、延性に優れ、高軸重鉄道においても好適に使用することができる高延性パーライト系レールを提供することを目的とする。なお、ここで「パーライト系」とは、パーライト組織を有する鋼に対して、後述するように特定条件で熱処理を施すことによって得ることができる、パーライト組織とは異なる組織を有することを意味する。

上記課題を解決するために検討を行った結果、本発明者らは、レールの成分組成およびラメラー分率を最適化することにより、従来のパーライトレール以上に延性を向上できることを知見した。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨構成は次のとおりである。
１．重量％で、
Ｃ：０．７０〜０．８５％、
Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、
Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、
Ｐ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．０００５〜０．０１０％以下、および
Ｃｒ：０．０５〜１．５０％を含有し、
残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
下記（１）式で定義されるラメラー分率が４０〜９８％である、レール。
記
ラメラー分率＝｛１−（アスペクト比が５以下のセメンタイトの面積／セメンタイトの全面積）｝×１００・・・（１）

２．前記成分組成が、質量％で、
Ｖ：０．３０％以下、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｍｏ：０．５％以下、
Ａｌ：０．０７％以下、
Ｗ：１．０％以下、
Ｂ：０．００５％以下、および
Ｔｉ：０．０５％以下からなる群より選択される１種または２種以上をさらに含有する、前記１に記載のレール。

本発明によれば、延性に優れ、高軸重鉄道においても好適に使用することができる高延性パーライト系レールを提供することができる。

引張試験片の採取位置を示すレール頭部の模式図である。ラメラー分率が１００％、８５％、３０％の場合のミクロ組織の走査型電子顕微鏡写真である。

［成分組成］
本発明を実施する方法について具体的に説明する。本発明においては、レールが上記成分組成を有することが重要である。そこで、まず本発明において成分組成を上記のように限定する理由を説明する。なお、各成分の含有量の単位は「質量％」であるが、「％」と略記される。

Ｃ：０．７０〜０．８５％
Ｃは、パーライト系組織においてセメンタイトを形成し、強度を向上させる効果を有する元素である。したがって、レールの強度を確保するためにＣの添加は必須であり、Ｃ含有量の増加に伴い強度が向上する。本発明のようにラメラー分率を９８％以下とすると、従来のパーライトレールに比べて強度が低くなる傾向があるため、Ｃ含有量が０．７０％未満であると優れた強度を得ることが難しい。一方、Ｃ含有量が０．８５％を超えると、熱間圧延後の変態時に初析セメンタイトがオーステナイト粒界に生成するため、レールの延性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．７０〜０．８５％とする。

Ｓｉ：０．１０〜１．５０％
Ｓｉは、脱酸剤としての効果を有する元素である。また、Ｓｉは、パーライト系組織中のフェライトへの固溶強化により、レールの強度を向上させる効果を有している。前記効果を得るためには、Ｓｉ含有量を０．１０％以上とする必要がある。一方、Ｓｉ含有量が１．５０％を超えると、Ｓｉが有する高い酸素との結合力のため、酸化物系介在物が多量に生成する。また、固溶強化により強度が上昇するため、延性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．１０〜１．５０％とする。

Ｍｎ：０．４０〜１．５０％
Ｍｎは、変態温度を低下させてラメラー間隔を細かくすることにより、レールの高強度化、高延性化に寄与する元素である。しかし、Ｍｎ含有量が０．４０％未満では十分な効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が１．５０％を超えると、鋼のミクロ偏析によるマルテンサイト組織を生じ易くなり、その結果、延性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．４０〜１．５０％とする。

Ｐ：０．０３５％以下
Ｐ含有量が０．０３５％を超えると、レールの延性が低下する。そのため、Ｐ含有量は０．０３５％以下とする。一方、Ｐ含有量の下限は特に限定されず０％であってよいが、工業的には０％超である。さらに、Ｐ含有量を過度に低下させると精錬コストの増加を招くため、Ｐ含有量は０．０２０％以上とすることが好ましい。

Ｓ：０．０００５〜０．０１０％
Ｓは、主にＡ系（硫化物系）介在物の形態で鋼中に存在する。Ｓ含有量が０．０１０％を超えると前記介在物の量が著しく増加するとともに、粗大な介在物が生成するため、延性が低下する。一方、Ｓ含有量が０．０００５％未満とした場合、レール鋼のコストが増加する。したがって、Ｓ含有量は０．０００５〜０．０１０％とする。

Ｃｒ：０．０５〜１．５０％
Ｃｒは、パーライト系組織中のセメンタイトへの固溶強化により、強度を向上させる効果を有する元素である。前記効果を得るために、Ｃｒ含有量を０．０５％以上とする必要がある。一方、Ｃｒ含有量が１．５０％を超えると、Ｃｒの固溶強化により強度が上昇する結果、延性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．０５〜１．５０％とする。

本発明の一実施形態におけるレールは、以上の成分と、残部のＦｅおよび不可避不純物とからなる成分組成を有する。なお、本発明の作用効果に実質的に影響しない範囲内で、他の微量元素を含有するレールも本発明に属する。

また、上記成分組成は、質量％で、
Ｖ：０．３０％以下、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｍｏ：０．５％以下、
Ａｌ：０．０７％以下、
Ｗ：１．０％以下、
Ｂ：０．００５％以下、および
Ｔｉ：０．０５％以下からなる群より選択される１種または２種以上を、必要に応じてさらに含有することができる。

Ｖ：０．３０％以下
Ｖは、圧延中および圧延後に炭窒化物として析出し、析出強化により強度や延性を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｖ含有量が０．３０％を超えると、粗大な炭窒化物が多量に析出するため、延性の低下を招く。したがって、Ｖを添加する場合、Ｖ含有量を０．３０％以下とすることが好ましい。一方、Ｖ含有量の下限は特に限定されないが、上記効果を発現させるためには０．００１％以上とすることが好ましい。

Ｃｕ：１．０％以下
Ｃｕは、Ｃｒと同様に、固溶強化により強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｃｕ含有量が１．０％を超えるとＣｕ割れが生じる。そのため、Ｃｕを添加する場合、Ｃｕ含有量を１．０％以下とすることが好ましい。一方、Ｃｕ含有量の下限は特に限定されないが、上記効果を発現させるためには０．００１％以上とすることが好ましい。

Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｉは、延性を劣化することなく強度を向上させる効果を有する元素である。また、ＮｉをＣｕと複合添加することによってＣｕ割れを抑制できるため、Ｃｕを添加する場合にはＮｉも添加することが望ましい。しかし、Ｎｉ含有量が１．０％を超えると、焼入れ性が上昇してマルテンサイトが生成する結果、延性が低下する。そのため、Ｎｉを添加する場合、Ｎｉ含有量を１．０％以下とすることが好ましい。一方、Ｎｉ含有量の下限は特に限定されないが、上記効果を発現させるためには０．００１％以上とすることが好ましい。

Ｎｂ：０．０５％以下
Ｎｂは、圧延中及び圧延後に炭窒化物として析出し、パーライトの強度や延性を向上させる。しかし、Ｎｂ含有量が０．０５％を超えると、粗大な炭窒化物が多量に析出するため、延性が低下する。そのため、Ｎｂを添加する場合、Ｎｂ含有量を０．０５％以下とすることが好ましい。一方、Ｎｂ含有量の下限は特に限定されないが、上記の強度や延性を向上させる作用を発現させるためには０．００１％以上とすることが好ましい。

Ｍｏ：０．５％以下
Ｍｏは、圧延中及び圧延後に炭化物として析出し、析出強化により強度や延性を向上させる。しかし、Ｍｏ含有量が０．５％を超えるとマルテンサイトが生成し、その結果、延性が低下する。そのため、Ｍｏを添加する場合、Ｍｏ含有量を０．５％以下とすることが好ましい。一方、Ｍｏ含有量の下限は特に限定されないが、上記の強度や延性を向上させる作用を発現させるためには０．００１％以上とすることが好ましい。

Ａｌ：０．０７％以下
Ａｌは、脱酸剤として添加される元素である。しかし、Ａｌ含有量が０．０７％を超えると、Ａｌの有する高い酸素との結合力のため、酸化物系介在物が多量に生成し、その結果、延性が低下する。そのため、Ａｌ含有量は０．０７％以下とすることが好ましい。一方、Ａｌ含有量の下限は特に限定されないが、脱酸のためには０．００１％以上とすることが好ましい。

Ｗ：１．０％以下
Ｗは、圧延中及び圧延後に炭化物として析出し、析出強化により強度や延性を向上させる。しかし、Ｗ含有量が１．０％を超えるとマルテンサイトが生成し、その結果、延性が低下する。そのため、Ｗを添加する場合、Ｗ含有量を１．０％以下とすることが好ましい。一方、Ｗ含有量の下限は特に限定されないが、上記の強度や延性を向上させる作用を発現させるためには０．００１％以上とすることが好ましい。

Ｂ：０．００５％以下
Ｂは、圧延中及び圧延後に窒化物として析出し、析出強化により強度や延性を向上させる。しかし、Ｂ含有量が０．００５％を超えるとマルテンサイトが生成し、その結果、延性が低下する。そのため、Ｂを添加する場合、Ｂ含有量を０．００５％以下とすることが好ましい。一方、Ｂ含有量の下限は特に限定されないが、上記の強度や延性を向上させる作用を発現させるためには０．０００１％以上とすることが好ましい。

Ｔｉ：０．０５％以下
Ｔｉは、圧延中及び圧延後に炭化物、窒化物あるいは炭窒化物として析出し、析出強化により強度や延性を向上させる。しかし、Ｔｉ含有量が０．０５％を超えると粗大な炭化物、窒化物あるいは炭窒化物が生成し、その結果、延性が低下する。そのため、Ｔｉを添加する場合、Ｔｉ含有量を０．０５％以下とすることが好ましい。一方、Ｔｉ含有量の下限は特に限定されないが、上記の強度や延性を向上させる作用を発現させるためには０．００１％以上とすることが好ましい。

［ラメラー分率］
ラメラー分率が４０〜９８％
本発明においては、レールが上記成分組成を有することに加えて、下記（１）式で定義されるラメラー分率が４０〜９８％である組織を有していることが重要である。
ラメラー分率＝｛１−（アスペクト比が５以下のセメンタイトの面積／セメンタイトの全面積）｝×１００・・・（１）

レールの延性を向上させるためには、レールが引張応力を受けた際のボイドの生成と、生成したボイドの連結を抑制する必要がある。ボイドは、パーライトブロック境界で生成し、それが連結して破断に至る。したがって、ボイドの生成を抑制するためにはパーライトブロック境界を減らすことが有効であり、パーライトブロック境界は、ラメラー組織となっている領域を低減することで減らすことができる。

ラメラー分率が９８％より大きいと、パーライトブロック境界の低減が不十分であるため、延性に劣る。一方、ラメラー分率が４０％未満であると、ボイドの発生や連結が抑制できるものの、引張強度が低下するため、レールの耐摩耗性が低下する懸念がある。そのため、ラメラー分率は４０〜９８％とする。なお、ここで「アスペクト比が５以下のセメンタイトの面積」と「セメンタイトの全面積」の値は、実施例に記載した方法で測定することができる。なお、ラメラー分率が１００％、８５％、３０％の場合のミクロ組織の走査型電子顕微鏡写真を図２に示す。

［製造方法］
次に、本発明のレールを製造する方法について説明する。本発明におけるレールの製造方法は特に限定されないが、熱間圧延によりレールを製造した後に、特定の温度で保持する処理を行うことによって製造することができる。

熱間圧延によるレールの製造は、例えば、以下の手順で行うことができる。まず、転炉または電気炉で鋼を溶製し、必要に応じて脱ガスなどの二次精錬を経て、鋼の成分組成を上記範囲に調整する。次いで、連続鋳造を行ってブルームとし、得られたブルームを、０．５℃／ｓ以下の冷却速度で４０〜１５０時間徐冷する。次に、前記ブルームを、加熱炉で１２００〜１３５０℃に加熱した後、熱間圧延してレールとする。前記熱間圧延は圧延終了温度：８５０〜１０００℃で行い、熱間圧延後のレールを冷却速度：１〜５℃／ｓで冷却することが好ましい。

前記加熱の際の加熱温度が１２００℃未満では、熱間圧延時の圧延負荷が大きくなりすぎ、所望の形状へのレールの圧延が困難となる。一方、加熱温度が１３５０℃超となると、鋼の一部に溶融が生じて、レールへの熱間圧延時に割れが発生しやすくなる。また、熱間圧延時の圧延終了温度が８５０℃未満となると、熱間圧延時の圧延負荷が大きくなりすぎ、所望の形状へのレールの圧延が困難となる。一方、圧延終了温度が１０００℃を越えると、後続する冷却時に上記の冷却速度を採用したとしても、鋼組織中にマルテンサイトが生じやすくなる。熱間圧延後の冷却速度が１℃／ｓ未満では、鋼組織中のラメラー間隔が大きくなり、レールの強度が低下する。一方、熱間圧延後の冷却速度が５℃／ｓを超えると、鋼組織中にマルテンサイトが生じやすくなる。

この際、ラメラー分率を４０〜９８％に制御するために、（１）前記熱間圧延に続く冷却が完了した後、または（２）前記熱間圧延に続く冷却の途中の、いずれかのタイミングで、前記レールを特定の温度で保持する処理を行う。

（１）前記熱間圧延に続く冷却が完了した後に前記保持を行う場合には、炉あるいは高周波熱処理装置を用いて、冷却完了後のレールを３００〜６５０℃の温度域に９００〜３６００００秒保持する処理（焼戻し）を行う。

（２）前記熱間圧延に続く冷却の途中に前記保持を行う場合には、前記冷却の途中、レール温度が３００〜６５０℃になった時点で冷却を停止し、３００〜６５０℃の温度域に、９００〜３６００００秒保持する処理を行う。

（実施例１）
表１に示した成分組成を有する鋼を熱間圧延してレールを作成した。その際、熱間圧延前の加熱温度は１２５０℃、圧延出側温度は９００℃とし、熱間圧延後のレールは２℃／ｓで冷却した。その後、冷却完了後のレールに対して、表２に示した条件で焼戻し処理を施した。なお、Ｎｏ．１および２の比較例においては、焼戻しを行わなかった。得られたレールのそれぞれについて引張試験を実施して、０．２％耐力、引張強度、および伸びを測定した。また、ミクロ組織の観察を行って各レールのラメラー分率を求めた。測定方法は、以下の通りとした。

［引張試験］
得られた各レールの頭部から、引張試験片を採取した。前記引張試験片としては、ＡＲＥＭＡ Chapter 4の２．１．３．４．に記載の位置から、ＡＳＴＭＡ３７０に記載の平行部が１２．７ｍｍの引張試験片を採取した。次いで、得られた引張試験片を用い、引張速度：１ｍｍ／分、評点間距離：５０ｍｍの条件で引張試験を行って、０．２％耐力、引張強度、および伸びを測定した。測定された値は表２に示した通りである。

［ラメラー分率］
引張試験片を採取した位置と同じ位置から、φ１２．５ｍｍ×５ｍｍ厚のミクロ組織観察用試験片を採取した。得られたミクロ組織観察用試験片を樹脂に埋め込み、断面を鏡面研磨した後、１％ナイタールを用いて腐食させた。その後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、倍率：１５０００倍で２０視野、前記断面の観察・撮影を行い、撮影された画像中のセメンタイトをトレースし、画像解析することによってセメンタイトの面積とアスペクト比を求めた。測定された値から、上記（１）式に基づいて求めたラメラー分率を、表２に示した。

上記実施例における比較例Ｎｏ．１のレールは、Ｃ含有量０．８１％である、現用のパーライトレールである。表２に示した結果から分かるように、本発明の条件を満たす発明例のレールは、いずれも前記比較例Ｎｏ．１のレールよりも２０％以上優れた伸び（伸び：１４．４％以上）を示すとともに、９５０ＭＰａ以上の引張強度を備えていた。これに対して、本発明の条件を満たさない比較例のレールは引張強度及び伸びの少なくとも一方が劣っていた。

（実施例２）
表３に示した成分組成を有する鋼を用いたこと以外は実施例１と同様の手順でレールを作成し、実施例１と同様の方法で引張試験およびラメラー分率の測定を行った。焼戻し条件および測定結果を表４示す。なお、Ｎｏ．１３の比較例においては、焼戻しを行わなかった。

表４に示した結果から分かるように、本発明の条件を満たす発明例のレールは、いずれも優れた伸びと引張強度を兼ね備えていた。これに対して、本発明の条件を満たさない比較例のレールは引張強度及び伸びの少なくとも一方が劣っていた。

Claims

重量％で、
Ｃ：０．７０〜０．８５％、
Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、
Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、
Ｐ：０．０３５％以下、
Ｓ：０．０００５〜０．０１０％、および
Ｃｒ：０．０５〜１．５０％を含有し、
残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
下記（１）式で定義されるラメラー分率が４０〜９８％である、レール。
記
ラメラー分率＝｛１−（アスペクト比が５以下のセメンタイトの面積／セメンタイトの全面積）｝×１００・・・（１）
前記成分組成が、質量％で、
Ｖ：０．３０％以下、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｍｏ：０．５％以下、
Ａｌ：０．０７％以下、
Ｗ：１．０％以下、
Ｂ：０．００５％以下、および
Ｔｉ：０．０５％以下からなる群より選択される１種または２種以上をさらに含有する、請求項１に記載のレール。