JP2628958B2

JP2628958B2 - 耐摩耗・高靭性レール

Info

Publication number: JP2628958B2
Application number: JP8251792A
Authority: JP
Inventors: 正治上田; 耕一内野; 和男杉野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-04-03
Filing date: 1992-04-03
Publication date: 1997-07-09
Anticipated expiration: 2012-07-09
Also published as: JPH05345956A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄道に敷設される耐摩
耗性を有しかつ高靭性のレールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、鉄道輸送の効率化の手段として、
海外鉱山鉄道などにおいて積載重量の増加、あるいは、
列車ダイヤの高密度化が図られ、さらに、天然資源の枯
渇にともない、自然環境の苛酷な地域までレールが敷設
されるようになってきた。このような鉄道輸送環境の変
化にともない、特に、寒冷地のレールには、より一層の
レール頭表面部分での耐摩耗性とレール腹部や脚部の破
壊靭性の向上が求められるようになった。この対策とし
て従来から、Ｃｒ，Ｍｏなどの合金元素を多く添加した
圧延ままの合金レール（特開昭５０−１４０３１６号公
報）、合金を添加せずに、レール頭部あるいは全体を加
速冷却することによって製造される熱処理レール（特開
昭５５−２３８８５号公報）、比較的低い含有量の合金
を添加して、耐摩耗性、耐損傷性ばかりでなく、溶接部
の硬度低下を改善した低合金熱処理レール（特公昭５９
−１９１７３号公報）、などのレールが開発されてお
り、これらレールの特徴は、レール頭部の耐摩耗性の向
上を狙った高炭素含有鋼によるパーライト組織を呈する
単一組織のレールであり、レール頭部の耐摩耗性とレー
ル腹部や脚部の抜本的な破壊靭性の向上を同時に狙った
レールの開発は行われていなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般に、鋼の靭性を向
上させる手段として金属組織の微細化が有効であると言
われている。この金属組織の細粒化は、オーステナイト
粒の細粒化や粒内変態などの方法によって可能であり、
このオーステナイト粒の細粒化には、圧延時の低温加熱
や制御圧延あるいは圧延後の低温加熱熱処理が利用され
ている。しかし、レールではその圧延成型性確保の観点
から圧延時の低温加熱が困難であり、また、レールの断
面形状の複雑さから、制御冷却も困難であった。現状で
は、パーライト組織を呈する従来レール鋼の靭性を向上
させる手段としては、レール脚部の低温加熱熱処理によ
って靭性を向上させる方法がある。しかし、この低温加
熱処理は、レールの再加熱を必要とするために、レール
製造コストが高くなり、また、再加熱のために、レール
製造における生産性が大きく低下するなど問題点があっ
た。一方、金属組織の選択によって鋼の靭性を向上させ
る方法として、パーライト組織を呈する鋼に比べて靭性
が高く、安価なフェライト・パーライト組織を呈する低
合金炭素鋼を用いることも考えられるが、フェライト・
パーライト鋼では、靭性を大きく向上させることができ
る反面、レール基本特性の一つであるレール頭表面部分
の耐摩耗性を確保することが非常に難しい。

【０００４】そこで、本発明者らはこの問題を解決する
ために、レール頭表面部分をパーライト組織を呈した材
料とそれ以外の部位をフェライト・パーライト組織を呈
する材料との二層構造とすることでこの問題が解決でき
ることを実験により確認した。すなわち本発明は、レー
ル頭表面部分と他の部分とが異なる二層組織を特徴とし
た耐摩耗性に優れた高靭性レールを提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたもので、その要旨とするところは、
レール軸断面において少なくともレールの頭表面部およ
び頭側表面部はレール外郭表面部より５mm〜４０mmの深
さの層の金属組織がパーライト組織を呈し、その他の部
分は重量％で、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：０．
１５〜１．２０％、Ｍｎ：０．５０〜２．００％、Ｖ：
０．０３５〜０．１００％、Ｎ：０．０１０〜０．０２
５％を含有し、あるいは必要に応じてＣｕ，Ｎｉ，Ｃ
ｒ，Ｍｏ，Ｎｂの１種または２種以上を含有して、残部
が鉄および不可避的不純物からなりかつその金属組織が
フェライト・パーライト組織を呈した二層構造からなる
ことを特徴とする耐摩耗・高靭性レールである。

【０００６】以下に本発明について図面を用いながら説
明する。図１，図２は、本発明の一実施例をレール軸断
面で示したものである。図において１はパーライト組織
を呈した材料である。図１に示すように、パーライト組
織を呈した材料をレール頭表部ａに配置させるか、ある
いは、図２に示すように、レール頭表部ａおよびレール
頭側部ｂからレール脚部ｃの表面全体をパーライト組織
を呈した材料で覆うなど、種々の形態をとりうる。すな
わち、パーライト組織を呈した材料１は、レール軸断面
において、少なくとも車輪がレールに接触するレール頭
表部ａおよびレール頭側部ｂに存在し、その被覆厚さが
レールの頭表面部およびその頭側表面部から５mm〜４０
mmまであればよい。

【０００７】なお、パーライト組織を呈した材料１とし
ては、特に成分を限定するものではなく、例えば、前記
したような特許文献（公開公報）の他、特開昭５１−２
６６１号公報記載のものなど一般に開発されているレー
ル成分組成Ｃ：０．６０〜０．８０％、Ｓｉ：０．１５
〜０．３０％、Ｍｎ：０．７０〜１．１０％を含有し残
部が鉄および不可避的不純物からなるパーライト組織を
呈する鋼材料が挙げられる。２は、Ｃ：０．１５〜０．
４５％、Ｓｉ：０．１５〜１．２０％、Ｍｎ：０．５０
〜２．００％、Ｖ：０．０３５〜０．１００％、Ｎ：
０．０１０〜０．０２５％を含有し、必要に応じてＣ
ｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂの１種または２種以上を含
有して残部が鉄および不可避的不純物からなりかつフェ
ライト・パーライト組織を呈した材料で、パーライト組
織を呈した材料１で覆われたレール頭表部ａおよびレー
ル頭側部ｂからレール脚部ｃの表面以外の部位に配置さ
れる。本発明において、フェライト・パーライト組織を
呈した材料に限定した理由は、フェライト・パーライト
鋼はパーライト鋼と比較して靭性が高く、また、パーラ
イト鋼との接合性も良好であることからフェライト・パ
ーライト組織を呈する鋼材料を選んだ。

【０００８】また、これらの化学成分のうち、Ｃは一定
の強度を確保するための必須元素であり、０．１５％未
満では、レール鋼としての強度を確保することが難しく
なり、０．４５％を超えると破壊靭性の低いパーライト
組織が多く生成してしまうため、０．１５〜０．４５％
に限定した。Ｓｉはフェライト組織に固溶することによ
って強度を向上させる元素であるが、脱酸元素としても
０．１５％以上の添加が必要であり、また、１．２０％
を超えるとレール製造時の表面きずの問題や、レール溶
接時の接合性に不都合をもたらすため０．１５〜１．２
０％に限定した。Ｍｎは鋼の焼入れ性を高めフェライト
粒を細かくし、強度と靭性を同時に向上させる効果を持
つが、０．５０％未満ではその効果が少なく、また、
２．００％を超えると、パーライト組織が多く生成して
しまい靭性を低下させるため、０．５０〜２．００％に
限定した。

【０００９】ＶはＮと結合してＶＮの窒化物を生成する
ことにより、圧延再加熱時のγ粒を細かくし、さらにフ
ェライト変態時のフェライト粒を細かくする（γ／α変
換比を大きくする）ことによって靭性を著しく向上さ
せ、また同時に析出硬化により強度を向上させる元素で
あるが、０．０３５％未満では、窒化物の生成が困難に
なるために０．０３５％以上に限定した。また、０．１
００％を超えるとＶＮの窒化物を生成させる化学的に当
量であるＮの添加量が０．０２５％を超え、溶鋼溶製時
に、Ｎによるブローホールなどの内部欠陥を生成しやす
いために０．１００％以下に限定した。ＮはＶと結合し
てＶＮの窒化物を生成することにより、圧延再加熱時の
γ粒を細かくし、さらにフェライト変態時のフェライト
粒を細かくすることによって靭性を著しく向上させ、ま
た同時に析出硬化により強度を向上させる元素である
が、０．０１０％未満では、窒化物の生成が困難になる
ために０．０１０％以上に限定した。また、０．０２５
％を超えると、溶鋼溶製時に、Ｎによるブローホールな
どの内部欠陥を生成しやすいために０．０２５％以下に
限定した。Ｃｕは鋼の靭性を損なわず強度を向上させる
元素である。その効果は０．０５〜０．５０％の範囲で
最も大きく、また、０．５０％を超える添加は強度の向
上が過大となり靭性の低下を招くことから０．０５〜
０．５０％の範囲に限定した。

【００１０】Ｎｉも鋼の靭性を損なわず強度を向上させ
る効果を持つが、０．０５％未満ではその効果が著しく
小さく、また、１．００％を超える添加を行ってもその
効果の向上が十分に期待できないために０．０５〜１．
００％の範囲に限定した。Ｃｒ，Ｍｏは強度の向上に効
果があるが、０．０５％未満ではその効果が小さく、ま
た、０．５０％を超える添加は靭性の低下を招くことか
ら０．０５〜０．５０％の範囲に限定した。ＮｂはＶと
同様の析出硬化により強度を向上させる元素であり、
０．０１％以上でその効果が大きく、０．０５％を超え
る添加は先に述べたＶとＮの効果を減じるため０．０１
〜０．０５％の範囲に限定した。

【００１１】パーライト組織を呈した材料１の被覆厚さ
をレール頭表面部およびレール頭側表面部から５mm以上
に限定した理由は、被覆厚さ５mm未満では、摩耗の進行
によりレール使用中に内部のフェライト・パーライト組
織がレール頭表面部分に露出し、摩耗によるレールの使
用寿命を著しく低下させるために５mm以上に限定した。
また被覆厚さを４０mm以下に限定した理由は、被覆厚さ
が４０mm以上存在しても、レールの摩耗による最大使用
限界が頭表面部および頭側表面部のレール外郭表面部よ
り４０mm程度であり、これ以上摩耗したレールはレール
としての基本機能を果たさないために４０mm以下に限定
した。

【００１２】また、レール頭表面部および頭側表面部に
パーライト組織を呈した材料１を配置し、その他の部分
にＣ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：０．１５〜１．２
０％、Ｍｎ：０．５０〜２．００％、Ｖ：０．０３５〜
０．１００％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％を含有
し、必要に応じてＣｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂの１
種、または２種以上を含有して、その金属組織がフェラ
イト・パーライト組織を呈した材料２を配置した理由
は、レール頭表面部分をパーライト組織を呈した材料を
配置することでレール頭表面部分での耐摩耗性を確保
し、さらにその内部にフェライト・パーライト組織を呈
する材料を配置することによって、レール腹部や脚部の
靭性を向上させ、レールの破壊靭性を大きく向上させる
ことができるからである。

【００１３】上記のように、レール軸断面において異種
金属の二層構造からなる本発明は、爆着圧延、クラッド
法、鋳ぐるみ鋳造法、積層分散鋳造法、複層連続鋳造法
など任意の方法でブルームあるいはスラブを製造したの
ち、通常の熱間成型圧延法によってレールに製造され
る。さらに、必要によっては、本レールの頭部やその他
の部分の材質を改善するために熱処理が施される。この
ようにして製造された本レールは、鉄道用のレールとし
て要求される耐摩耗性や耐破壊靭性を具備する。

【００１４】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。表
１に示す成分および下記組織よりなる本発明の６種類の
二層構造レールと単一成分からなる２種類のレールを用
いて、実レールと実車輪によるレール頭表面での摩耗試
験と実レールによる落重試験を行った。符号Ａ；断面形状図１の二層構造レールレール頭頂面での部位１の初期表層厚さ；１６．５mm レール頭表面；パーライト組織を呈する材料それ以外の部位；フェライト・パーライト組織を呈する
材料符号Ｂ；断面形状図２の二層構造レールレール頭頂面での部位１の初期表層厚さ；１６．８mm レール頭表面；パーライト組織を呈する材料それ以外の部位；フェライト・パーライト組織を呈する
材料符号Ｃ；断面形状図１の二層構造レールレール頭頂面での部位１の初期表層厚さ；２８．５mm レール頭表面；パーライト組織を呈する材料それ以外の部位；フェライト・パーライト組織を呈する
材料符号Ｄ：断面形状図２の二層構造レールレール頭頂面での部位１の初期表層厚さ；２９．４mm レール頭表面；パーライト組織を呈する材料それ以外の部位；フェライト・パーライト組織を呈する
材料符号Ｅ；断面形状図１の二層構造レールレール頭頂面での部位１の初期表層厚さ；３８．４mm レール頭表面；パーライト組織を呈する材料それ以外の部位；フェライト・パーライト組織を呈する
材料符号Ｆ；断面形状図２の二層構造レールレール頭頂面での部位１の初期表層厚さ；３７．０mm レール頭表面；パーライト組織を呈する材料それ以外の部位；フェライト・パーライト組織を呈する
材料符号Ｇ；パーライト鋼を呈する普通高炭素鋼単層レール符号Ｈ；パーライト鋼を呈する頭部熱処理高炭素鋼単層
レール摩耗試験条件（全試験片とも共通）・試験機；摩耗試験機・試験荷重；ラジアル荷重８．０ｔ、スラスト荷重０ｔ・試験速度；車輪走行速度１００km／ｈ・繰り返し回数（通過トン数）；１億通過トン数・雰囲気；大気中落重試験条件（全試験片とも共通）・試験機；落重試験機・試験片長さ；１．３ｍ・支点間の距離；１．０ｍ・支持方法；頭部を上にして試験する（頭部に落錘を落
とす）・落錘の重さ；１０００kg ・落錘の高さ；１０ｍ・試験温度；＋２０〜−１００℃ 表１に摩耗試験結果を示す。表１に示すように、本発明
二層レールＡ，Ｂ，Ｃ，およびＤは、従来の普通高炭素
単層レールＧと比較して、同等の耐摩耗性を有する。ま
た、頭部の熱処理を施した本開発二層レールＥ，Ｆにつ
いても、従来の頭部熱処理高炭素単層レールＨと比較し
て、同等の耐摩耗性を有する。表２に落重試験結果を示
す。各試験条件ともに、４本のレールの落重試験後の破
断の有無について表中に示した。その結果、比較レール
が−４０℃で４本全てのレールが破断してしまうのに対
して、本発明レールは、−９０℃まで４本全てのレール
が破断しないことが明らかになった。すなわち、本発明
二層レールは、従来レールと比較して、同等の耐摩耗性
を有し、かつ、耐破壊靭性も大きく向上している。

【００１５】

【表１】

【００１６】

【表２】

【００１７】

【表３】

【００１８】

【表４】

【００１９】

【発明の効果】以上のように本発明ではレール頭表面部
分をパーライト組織とし、他の部分との２層構造とする
ことにより、耐摩耗性を有し、しかも高い耐破壊靭性を
持つ高靭レールを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明レールの一例を示す断面説明図。

【図２】本発明レールの他の例を示す断面説明図であ
る。

【符号の説明】

１パーライト組織を呈する材料部分２フェライト・パーライト組織を呈する材料部分ａレール頭表部ｂレール頭側部ｃレール脚部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−24045（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−99438（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−147124（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レール軸断面において、少なくともレー
ルの頭表面部および頭側表面部はレール外郭表面部より
５mm〜４０mmの深さまでの層の金属組織がパーライト組
織を呈し、その他の部分は重量％で、Ｃ：０．１５〜
０．４５％、Ｓｉ：０．１５〜１．２０％、Ｍｎ：０．
５０〜２．００％、Ｖ：０．０３５〜０．１００％、
Ｎ：０．０１０〜０．０２５％を含有して残部が鉄およ
び不可避的不純物からなり、かつその金属組織がフェラ
イト・パーライト組織を呈する二層構造からなることを
特徴とする耐摩耗・高靭性レール。
【請求項２】レール軸断面において、少なくともレー
ルの頭表面部および頭側表面部はレール外郭表面部より
５mm〜４０mmの深さまでの層の金属組織がパーライト組
織を呈し、その他の部分は重量％で、Ｃ：０．１５〜
０．４５％、Ｓｉ：０．１５〜１．２０％、Ｍｎ：０．
５０〜２．００％、Ｖ：０．０３５〜０．１００％、
Ｎ：０．０１０〜０．０２５％を含有し、さらに、Ｃ
ｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜１．００
％、Ｃｒ：０．０５〜０．５０％、Ｍｏ：０．０５〜
０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．０５％の１種または
２種以上を含有して、残部が鉄および不可避的不純物か
らなりかつその金属組織がフェライト・パーライト組織
を呈する二層構造からなることを特徴とする耐摩耗・高
靭性レール。