JP2820267B2 - 脆性き裂進展特性の優れたレールの製造方法 - Google Patents

脆性き裂進展特性の優れたレールの製造方法

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JP2820267B2 JP1102075A JP10207589A JP2820267B2 JP 2820267 B2 JP2820267 B2 JP 2820267B2 JP 1102075 A JP1102075 A JP 1102075A JP 10207589 A JP10207589 A JP 10207589A JP 2820267 B2 JP2820267 B2 JP 2820267B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は脆性き裂進展特性の優れたレールの製造方法
に関するものである。
[従来の技術] 1983年、米国テキサス州で、レールの脆性破壊から列
車が脱線し死亡者を出す事故にまで発展した。本事故の
主原因はレール補修上に問題があったものの、レール腹
部に発生した脆性き裂がレール腹部を約1mに渡って進展
し、き裂はレール頭部側へも進展してレール頭部が欠損
したために列車脱線事故に発展したためと解析された。
本事故を契機に、米国鉄道協会はレールの脆性き裂進展
特性について注目し、レールの脆性き裂進展試験法を規
定しようとする動きにある。そして、レールの脆性き裂
進展特性をレール使用性能の重要な特性の1つとして提
示を求めてきている。
そこで発明者らは現在使用しているの各種レールにつ
いて、米国鉄道協会の推奨する試験法でレールの腹部脆
性き裂進展特性の調査を行った。その結果、一部の熱処
理レールをのぞいて殆んどのレールは第1図(b)に例
示するように、脆性き裂はレールの腹部の中央を真っ直
ぐに進展するか、あるいはレール頭部側へ進展してレー
ル頭部が欠損する形態をとることが分かり、脆性き裂の
進展形態を改善する必要があることが判明した。レール
腹部の脆性き裂は理想的には進展しないことが望ましい
が、高炭素鋼であるレールでは脆性き裂の進展は避けら
れないので、脆性き裂が進展する場合、その進展はでき
るだけ短く、しかもレール底部側へ進展することがレー
ルの最も望ましい脆性き裂進展特性であると考えられ
る。
[発明が解決しようとする課題] そこで発明者らはレール腹部の脆性き裂進展特性を最
も望ましい形態に改善するために、まず、レールの腹部
の脆性き裂の進展を支配する主因子は何か、どうして脆
性き裂が腹部の中央を真っ直ぐあるいはレール頭部側へ
進展するかについて諸検討を行った。その結果、レール
腹部の脆性き裂進展特性は主にレールに存在する残留応
力に大きく影響されることを明らかにした。即ち、脆性
き裂が腹部の中央を真っ直ぐに進展するレールおよび頭
部側へ進展するレールでは、第2図のようなレール頭部
と底部に引張残留応力(+σr)、腹部中央に圧縮残留
応力(−σr)を示す分布を有することを明らかにし、
この場合、レール腹部中央に脆性き裂が発生した場合、
レールは頭部と底部と引張残留応力のために第2図のa
のように変形して脆性き裂が真っ直ぐ、且つより長く進
展したり、あるいはレール頭部と底部の引張残留応力の
大きさによって脆性き裂が頭部側へ進展したりすること
が分かった。したがってレール底部側へ脆性き裂を進展
させるためにはレール中央から頭部側に圧縮残留応力、
底部側に引張残留応力を付与すれば良いことが分かっ
た。
[課題を解決するための手段] 本発明はこの知見に基づいてなされたもので、その要
旨は第1の発明の場合、圧延終了後の自己保有熱または
外部からの加熱により、A1変態点以上の温度にあるレー
ル全体またはレール頭部からレールあご下を高圧の気体
または含水気体によってパーライト変態が終了するまで
冷却して微細パーライト組織を得て高強度化し、レール
耐摩耗性および、耐疲労低を向上させ、その後レールあ
ご下から腹部中立軸までを急速冷却して該部に圧縮残留
応力を付与せしめてレール腹部の脆性き裂進展特性を改
善しようとするものである。
第2の発明では圧延ままレールあるいはすでに熱処理
されたレールを対象に、圧延終了後の自己保有熱または
外部からの加熱により、400℃〜A1変態点直下の温度に
あるレールのレールあご下部から腹部を急速冷却して該
部に圧縮残留応力を付与せしめてレール腹部の脆性き裂
進展特性を改善しようとするものである。
[作用] 以下に本発明について詳細に説明する。まず、説明の
便宜上、第1図(a)によりレール各部の各称を述べ
る。1の部分はレール頭部、2の部分はあご下、3の部
分は腹部、4の部分は底部である。5はレールの軸芯す
なわち中立軸である。
第1の発明は圧延終了後の自己保有熱または外部から
の加熱により、A1変態点以上の温度にあるレール全体ま
たはレール頭部からレールあご下を高圧の気体または含
水気体によってパーライト変態が終了するまで冷却し、
その後レールあご下から腹部中立軸までを急速冷却する
ことを特徴とする脆性き裂進展特性の優れたレールの製
造方法である。
本発明において、まず冷却開始前の温度をA1変態点以
上に設定する理由は、被冷却部をオーステナイト状態か
ら急冷してパーライト変態させ、微細パーライト組織を
得て高強度化してレールの耐摩耗性および耐疲労性を付
与するためであり、そのためには冷却開始前にA1変態点
以上に保ってオーステナイト状態とする必要がある。圧
延終了後の自己保有熱によらず、外部からの加熱により
A1変態点以上とする場合、最高加熱温度は1300℃以下と
することが望ましい。すなわち1300℃を越えるような温
度に加熱すると結晶粒が粗大化して延性が低下し、また
焼割れが発生し易くなり、レールの耐久性が損なわれる
からである。さらにこの場合レールの加熱範囲はレール
全体の耐久性の観点からレール全体が望ましいが、レー
ル頭部からレールあご下の範囲でもレールの耐摩耗性お
よび耐疲労性は充分に向上する。なお、上記温度範囲に
加熱するには火焔あるいは高周波誘導加熱等を使用する
ことができる。
高圧の気体または含水気体によってパーライト変態が
終了するまで冷却するのは、これらの冷媒で冷却するこ
とによって微細パーライト組織を得るためである。これ
らの冷媒より冷却速度が早い冷媒を用いると、マルテン
サイトが発生して被加熱部脆化し、逆に冷却速度の遅い
冷媒の場合、あるいは単なる空冷では、微細パーライト
組織を得ることができず、高強度化されない。
微細パーライト組織を得て高強度化するのは、最も良
好な耐摩耗性を得るためと、高強度化により高い疲労強
度を得るためである。
パーライト変態終了後レールあご下から腹部中立軸ま
での急速冷却する理由は、その部分でできるだけ大きい
圧縮残留応力を得るためである。なお、この場合、室温
まで急冷しても良いが、約200℃位まで急冷し、その後
放冷してもかまわない。レールあご下から腹部中立軸ま
でに圧縮残留応力を付与すると、レール底部側には引張
残留応力が発生するので、レール腹部に脆性き裂が発生
した場合レール底部に引張残留応力が存在しているの
で、レール底部側が開口するように変形し、き裂はレー
ル底部側へ直ちに進展することになる。なお、レール頭
部の圧縮残留応力はローラー矯正により引張残留応力に
変化するが、レールあご下からレール腹部には依然とし
て圧縮残留応力が残存すること、レール底部の引張残留
応力はローラー矯正によりさらに大きくなることによ
り、き裂はやはりレール底部側に進展することになり、
レールあご下からレール腹部に圧縮残留応力を残存させ
ることがポイントとなる。
第2の発明は頭部硬化レールを、400℃〜A1変態点直
下の温度に加熱してレールのあご下から腹部中立軸まで
を急速冷却することを特徴とする脆性き裂進展特性の優
れたレールの製造法である。
本発明は圧延終了後の自己保有熱冷却過程で熱処理あ
るいは圧延終了後再加熱して熱処理をしてレールの頭部
表面が硬質化された頭部硬化レールを対象にしたもの
で、本発明において、まず急速冷却開始温度を400℃〜A
1変態点直下に設定する理由は、レールに組織変化を起
こさせることなくレールあご下から腹部中立軸に圧縮残
留応力を可及的に大きく、且つ容易に付与せしめてレー
ル腹部に発生した脆性き裂をレール底部側へ進展させる
に必要な温度範囲であって、400℃に満たない低い温度
では脆性き裂をレール底部側へ進展させるに必要な充分
な圧縮残留応力が得られない。その反対にA1変態点を越
える高い温度では急速な冷却によってマルテンサイト組
織を生成させたり、既に熱処理されたレールの場合は再
加熱による熱影響が生成したりしてレールの脆化を高め
ることになる。
冷却の範囲をレールあご下から腹部中立軸までに限定
する理由はレールあご下から腹部中立軸に大きな圧縮残
留応力を発生させ、これとバランスする引張残留応力を
腹部中立軸からレール底部側に発生させて、腹部に発生
した脆性き裂をレール底部側に進展させるためである。
なおレール頭部についても冷却してもかまわないが、レ
ール頭部の残留応力はその後のローラー矯正で引張残留
応力に変化するので冷却の意味がない。
急速冷却する理由は急速冷却に基づく熱ひずみにより
発生する圧縮残留応力をできるだけ大きくするためであ
り、水冷の如き大きな冷却能を有する冷媒が望ましい。
この場合、室温まで急冷しても良いが、約200℃まで急
冷し、その後放冷してもかまわない。
なおレールは、レール全体を加熱する必要がある。レ
ールあご下から腹部中立軸の範囲のみを加熱すると、レ
ール頭部および底部は室温のため剛性が大きくレールあ
ご下から腹部中立軸の範囲の加熱によって変形しない
が、加熱部のレールあご下から腹部中立軸の範囲は加熱
によって熱膨張する。しかし、レール頭部および底部が
変形しないためレールあご下から腹部中立軸の範囲の熱
膨張は圧縮の塑性変形になる。そして、その後の急速冷
却によって収縮するので、レールあご下から腹部中立軸
の範囲には引張残留応力を生成してしまうことになる。
加熱は炎焔あるいは高周波誘導等を使用することがで
きる。
上記のような本発明法を施したレールはレール中立軸
から頭部側にかけて圧縮残留応力が存在しており、レー
ル底部側は逆に引張残留応力が発生しているので、レー
ル腹部に発生した脆性き裂は直ちに引張残留応力の存在
しているレール底部側へ進展し、レールの底部の一部が
欠損するのみで列車が脱線することのない脆性き裂進展
特性の優れたレールである。
[実施例及び発明の効果] つぎに本発明の一実施例を述べる。
第1の発明の場合、実験に用いたレールは炭素鋼成分
系のAREA 1361bのレールである。圧延終了後約900℃に
あるレール全体を、高圧の空気によりパーライト変態が
終了する570℃位まで冷却し、その後レールあご下から
腹部中立軸の範囲を水に浸漬して室温まで急速冷却を行
った。その結果、第1表中に示す如く本発明レールはレ
ール全体が高強度化し、さらに腹部からレールあご下に
大きな圧縮残留応力が付与されている。本発明レールの
熱処理ままおよびローラー矯正したものについて、米国
鉄道協会の推奨する試験法によりレール腹部脆性き裂進
展特性を調査した。その結果、第1表中に示すようにい
ずれの本発明レールも従来のレールに比較して脆性き裂
進展長さが短く、腹部脆性き裂はすぐにレール底部側に
進展して、本発明のレールは脆性き裂進展特性が優れて
いることが分かる。
第2の発明の場合、実験に用いたレールは第1の発明
の場合と同様、炭素鋼成分系のAREA 1361bのレールであ
る。レール全体を高周波誘導加熱により650℃に加熱
し、その後レールあご下から腹部中立軸の範囲を水中に
浸漬して室温まで急冷した。その結果、第1表中に示す
如く本発明レールは硬さは従来レールと変わらないが、
レール腹部からあご下にかけて大きな圧縮残留応力が付
与されており、レール腹部脆性き裂進展特性も第1の発
明のレールと同様に優れた特性を有することが分かる。
なお、本発明レールの場合、第1の発明および第2の
発明いずれもレール底部に約20kgf/mm2の引張残留応力
が存在するが、この引張残留応力はローラー矯正時に発
生したもので従来レールにも見られるものであり、この
引張残留応力が悪影響してレールが破損に至った例は過
去に見当たらない。従って、レール底部の引張残留応力
については特に懸念には及ばない。
以下の如く、本発明レールは脆性き裂進展特性の優れ
たレールである。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は本発明を説明するために使用したレール
各部の名称を説明するための図、(b)はレール内き裂
進展方向を示す図、第2図はレール断面の応力状況とき
裂進展方向を示す図である。 1……レール頭部、2……あご下、 3……腹部、4……底部、 5……中立軸。
フロントページの続き (72)発明者 福田 敬爾 東京都千代田区大手町2―6―3 新日 本製鐵株式會社内 (56)参考文献 特開 昭59−93837(JP,A) 特開 昭59−93838(JP,A) 特開 昭59−116322(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C21D 9/00 - 9/44 C21D 9/50

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】圧延終了後の自己保有熱または外部からの
    加熱により、A1変態点以上の温度にあるレール全体また
    はレール頭部からレールあご下を高圧の気体または含水
    気体によってパーライト変態が終了するまで冷却し、そ
    の後レールあご下から腹部中立軸までを急速冷却するこ
    とを特徴とする脆性き裂進展特性の優れたレールの製造
    方法。
  2. 【請求項2】頭部硬化レールを400℃〜A1変態点直下の
    温度に加熱してレールのレールあご下から腹部中立軸ま
    でを急速冷却することを特徴とする脆性き裂進展特性の
    優れたレールの製造方法。
JP1102075A 1989-04-21 1989-04-21 脆性き裂進展特性の優れたレールの製造方法 Expired - Lifetime JP2820267B2 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5993837A (ja) * 1982-11-19 1984-05-30 Nippon Steel Corp レ−ル溶接部の耐疲労破壊特性向上法
JPS5993838A (ja) * 1982-11-19 1984-05-30 Nippon Steel Corp レ−ル溶接部の耐破壊特性向上法
JPS59116322A (ja) * 1982-12-22 1984-07-05 Nippon Steel Corp レ−ルあご下の耐破壊性の優れたレ−ル熱処理方法

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