JP2912117B2 - ベイナイト組織を呈し耐表面損傷性に優れた高強度レールの製造法 - Google Patents
ベイナイト組織を呈し耐表面損傷性に優れた高強度レールの製造法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、旅客鉄道の高速運転区
間で要求されるレール頭表面のころがり疲労損傷抵抗性
の向上に有効なベイナイト組織を有する高強度レールの
製造法に関するものである。
間で要求されるレール頭表面のころがり疲労損傷抵抗性
の向上に有効なベイナイト組織を有する高強度レールの
製造法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、鉄道輸送の高効率化の手段とし
て、列車載荷重量の増加や列車運転速度の向上が図られ
ている。このような鉄道輸送の効率化はレール使用環境
の苛酷化を意味し、レール材質の一層の改善が要求され
るに至っている。具体的には急曲線区間に敷設されたレ
ールの摩耗が急激に増加し、また、レールと車輪の主接
触位置であるレールゲージ・コーナー（ＧＣ）部の内部
から発生する疲労損傷が頻発するようになり、この対策
として従来から下記に示す方法が採られてきた。Ｃ
ｒ，Ｍｏなどの合金元素を多量に添加した圧延ままの合
金鋼レール（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（特公昭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５９−１９
１７３号公報）。これらレールの特徴は、高炭素の含有
鋼による微細パーライト組織を呈する高強度レールであ
り、その目的とするところは耐摩耗性を向上させ、か
つ、耐内部疲労損傷抵抗性を改善させるところにある。
て、列車載荷重量の増加や列車運転速度の向上が図られ
ている。このような鉄道輸送の効率化はレール使用環境
の苛酷化を意味し、レール材質の一層の改善が要求され
るに至っている。具体的には急曲線区間に敷設されたレ
ールの摩耗が急激に増加し、また、レールと車輪の主接
触位置であるレールゲージ・コーナー（ＧＣ）部の内部
から発生する疲労損傷が頻発するようになり、この対策
として従来から下記に示す方法が採られてきた。Ｃ
ｒ，Ｍｏなどの合金元素を多量に添加した圧延ままの合
金鋼レール（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（特公昭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５９−１９
１７３号公報）。これらレールの特徴は、高炭素の含有
鋼による微細パーライト組織を呈する高強度レールであ
り、その目的とするところは耐摩耗性を向上させ、か
つ、耐内部疲労損傷抵抗性を改善させるところにある。
【０００３】一方、摩耗あるいは内部疲労損傷が問題と
ならない直線および緩曲線区間のレールでは、車輪とレ
ールの繰り返し接触によりレール頭表面にころがり疲労
損傷が発生し、剥離あるいはレール頭表面から生成した
疲労き裂がレール頭部内部で分岐し横裂損傷を引き起こ
す事例が散見される。この代表的な損傷が、新幹線など
の高速鉄道の主として直線区間に生成する「頭頂面シェ
リング」あるいは「ダークスポット損傷」と呼ばれる損
傷である。しかし、このような区間では、上記のような
損傷の発生が顕在化しているにもかかわらず、従来から
のパーライト組織を呈した圧延ままレールが使用されて
いる。
ならない直線および緩曲線区間のレールでは、車輪とレ
ールの繰り返し接触によりレール頭表面にころがり疲労
損傷が発生し、剥離あるいはレール頭表面から生成した
疲労き裂がレール頭部内部で分岐し横裂損傷を引き起こ
す事例が散見される。この代表的な損傷が、新幹線など
の高速鉄道の主として直線区間に生成する「頭頂面シェ
リング」あるいは「ダークスポット損傷」と呼ばれる損
傷である。しかし、このような区間では、上記のような
損傷の発生が顕在化しているにもかかわらず、従来から
のパーライト組織を呈した圧延ままレールが使用されて
いる。
【０００４】主として旅客鉄道における直線あるいは緩
和曲線区間のレールには、ある特定期間（列車通過トン
数）経過後にレール頭表面を起点とするころがり疲労損
傷が生成する。本発明者らは上記損傷の発生原因を調査
した結果、この原因は、車輪とレールの繰り返し接触に
よってもたらされた疲労ダメージ層がレール頭表部に蓄
積するためであることを確認した。この対策としては、
定期的にレール頭表面をグラインダーなどで研削する方
法があるが、グラインディング車およびその作業費が高
価である点や列車運転間隔上研削時間が十分にとれない
といった問題点があった。また、もう一つの解決策とし
てはレール頭表面の摩耗速度を向上させ、疲労ダメージ
が蓄積する前に摩耗によりこの疲労層を除去する方法が
考えられる。レール鋼の摩耗特性はパーライト組織の硬
さによって支配されており、摩耗を促進させるためには
レール鋼の硬さを低下させればよい。しかし、硬さを単
純に低下させるとレール頭表部に塑性変形が生成し、こ
れに伴うき裂および剥離などのレール頭表面損傷が多発
するため、パーライト組織を呈するレール鋼では上記損
傷の発生を防止することが困難であった。
和曲線区間のレールには、ある特定期間（列車通過トン
数）経過後にレール頭表面を起点とするころがり疲労損
傷が生成する。本発明者らは上記損傷の発生原因を調査
した結果、この原因は、車輪とレールの繰り返し接触に
よってもたらされた疲労ダメージ層がレール頭表部に蓄
積するためであることを確認した。この対策としては、
定期的にレール頭表面をグラインダーなどで研削する方
法があるが、グラインディング車およびその作業費が高
価である点や列車運転間隔上研削時間が十分にとれない
といった問題点があった。また、もう一つの解決策とし
てはレール頭表面の摩耗速度を向上させ、疲労ダメージ
が蓄積する前に摩耗によりこの疲労層を除去する方法が
考えられる。レール鋼の摩耗特性はパーライト組織の硬
さによって支配されており、摩耗を促進させるためには
レール鋼の硬さを低下させればよい。しかし、硬さを単
純に低下させるとレール頭表部に塑性変形が生成し、こ
れに伴うき裂および剥離などのレール頭表面損傷が多発
するため、パーライト組織を呈するレール鋼では上記損
傷の発生を防止することが困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】これまで、レール鋼と
して用いられてきたパーライト組織は、硬さの低いフェ
ライト組織と板状の硬いセメンタイト組織の層状組織で
あり、車輪の通過する軌道面では柔らかなフェライト組
織が絞り出され、硬いセメンタイトのみが積み重なり、
加工硬化が加わって耐摩耗性が確保されている。しか
し、同時に軌道面ではレール内部方向に層状の組織の流
れ（メタルフロー）が生成し、これに沿ってき裂損傷が
発生するという問題点があった。
して用いられてきたパーライト組織は、硬さの低いフェ
ライト組織と板状の硬いセメンタイト組織の層状組織で
あり、車輪の通過する軌道面では柔らかなフェライト組
織が絞り出され、硬いセメンタイトのみが積み重なり、
加工硬化が加わって耐摩耗性が確保されている。しか
し、同時に軌道面ではレール内部方向に層状の組織の流
れ（メタルフロー）が生成し、これに沿ってき裂損傷が
発生するという問題点があった。
【０００６】一方、パーライト組織より摩耗量が大きい
ベイナイト組織では、柔らかなフェライト組織地に粒状
の微細なセメンタイトが分散した組織であるために、車
輪の走行時にフェライト地と共にセメンタイトも摩耗に
より簡単に摘み取られ、摩耗促進によってレール頭表部
での疲労ダメージ層を除去させることが可能である。し
かし、合金量が少なく圧延ままで製造されるベイナイト
鋼は、強度が低く、フェライト地が大きく粒状のセメン
タイトの分布も粗いため、車輪の走行面直下のレール頭
表面に列車進行方向とは反対方向の連続した組織の流れ
（メタルフロー）が生成し、このフローに沿ってき裂損
傷が発生するという問題点があった。また、この問題点
を解決する方法として、Ｃｒなどの合金をさらに添加
し、圧延ままで高い強度が得られるベイナイト鋼を製造
することも可能である。しかし、高合金化はレール成分
コストを大きく上昇させるという問題点があった。
ベイナイト組織では、柔らかなフェライト組織地に粒状
の微細なセメンタイトが分散した組織であるために、車
輪の走行時にフェライト地と共にセメンタイトも摩耗に
より簡単に摘み取られ、摩耗促進によってレール頭表部
での疲労ダメージ層を除去させることが可能である。し
かし、合金量が少なく圧延ままで製造されるベイナイト
鋼は、強度が低く、フェライト地が大きく粒状のセメン
タイトの分布も粗いため、車輪の走行面直下のレール頭
表面に列車進行方向とは反対方向の連続した組織の流れ
（メタルフロー）が生成し、このフローに沿ってき裂損
傷が発生するという問題点があった。また、この問題点
を解決する方法として、Ｃｒなどの合金をさらに添加
し、圧延ままで高い強度が得られるベイナイト鋼を製造
することも可能である。しかし、高合金化はレール成分
コストを大きく上昇させるという問題点があった。
【０００７】そこで、本発明者らはこの問題を解決する
ために、熱間圧延した高温度の熱を保有するレール、あ
るいは熱処理する目的で高温に加熱されたレールの頭部
をオーステナイト域温度から５００〜３５０℃までの間
を加速冷却し、引き続き常温までの間を冷却することに
より、低合金で、かつ、高い強度のベイナイト組織を呈
するレールにより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、上記製造プロセスを用
いて、レール頭部が耐表面損傷性に優れた高強度レール
を低コストで提供することを目的とするものである。
ために、熱間圧延した高温度の熱を保有するレール、あ
るいは熱処理する目的で高温に加熱されたレールの頭部
をオーステナイト域温度から５００〜３５０℃までの間
を加速冷却し、引き続き常温までの間を冷却することに
より、低合金で、かつ、高い強度のベイナイト組織を呈
するレールにより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、上記製造プロセスを用
いて、レール頭部が耐表面損傷性に優れた高強度レール
を低コストで提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するものであって、その要旨とするところは、重量％
で、 Ｃ ：０．１５〜０．４５％、 Ｓｉ：０．１５〜
２．００％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、 Ｃ
ｒ：０．５０〜３．００％を含有し、あるいは必要に応
じてＭｏ：０．１０〜０．６０％、 Ｃｕ：０．０
５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜４．００％、
Ｔｉ：０．０１〜０．０５％、Ｖ ：０．０３〜０．３
０％、 Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、Ｂ ：０．
０００５〜０．００５０％の１種または２種以上を含有
し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼を熱間圧延
した高温度の熱を保有するレール、あるいは熱処理する
目的で高温に加熱されたレールの頭部をオーステナイト
域温度から冷却停止温度５００〜３５０℃までの間を１
〜１０℃/secで加速冷却し、引き続き常温までの間を１
〜４０℃/minで冷却するベイナイト組織を呈した耐表面
損傷性に優れた高強度レールの製造法である。
するものであって、その要旨とするところは、重量％
で、 Ｃ ：０．１５〜０．４５％、 Ｓｉ：０．１５〜
２．００％、Ｍｎ：０．３０〜２．００％、 Ｃ
ｒ：０．５０〜３．００％を含有し、あるいは必要に応
じてＭｏ：０．１０〜０．６０％、 Ｃｕ：０．０
５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜４．００％、
Ｔｉ：０．０１〜０．０５％、Ｖ ：０．０３〜０．３
０％、 Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、Ｂ ：０．
０００５〜０．００５０％の１種または２種以上を含有
し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼を熱間圧延
した高温度の熱を保有するレール、あるいは熱処理する
目的で高温に加熱されたレールの頭部をオーステナイト
域温度から冷却停止温度５００〜３５０℃までの間を１
〜１０℃/secで加速冷却し、引き続き常温までの間を１
〜４０℃/minで冷却するベイナイト組織を呈した耐表面
損傷性に優れた高強度レールの製造法である。
【０００９】以下に本発明について詳細に説明する。ま
ず、レールの化学成分を上記のように定めた理由につい
て説明する。Ｃは一定の硬さ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耐摩耗性
を確保することが難しくなり、０．４５％を超えると表
面損傷の発生に有害なパーライト組織が多く生成するこ
とや、また、ベイナイト変態速度が大きく低下し、加速
冷却後の冷却過程において完全にベイナイト変態を終了
せずレールの靭性に有害なマルテンサイト組織が生成す
るため、０．１５〜０．４５％に限定した。
ず、レールの化学成分を上記のように定めた理由につい
て説明する。Ｃは一定の硬さ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耐摩耗性
を確保することが難しくなり、０．４５％を超えると表
面損傷の発生に有害なパーライト組織が多く生成するこ
とや、また、ベイナイト変態速度が大きく低下し、加速
冷却後の冷却過程において完全にベイナイト変態を終了
せずレールの靭性に有害なマルテンサイト組織が生成す
るため、０．１５〜０．４５％に限定した。
【００１０】Ｓｉはベイナイト組織中のフェライト素地
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、０．１５％未満では強度の向上が期待できない。ま
た、２．００％を超えるとレール圧延時に表面きずが発
生し易くなり、ベイナイト組織中に島状マルテンサイト
組織が生成し、レールの靭性を劣化させるため、０．１
５〜２．００％に限定した。
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、０．１５％未満では強度の向上が期待できない。ま
た、２．００％を超えるとレール圧延時に表面きずが発
生し易くなり、ベイナイト組織中に島状マルテンサイト
組織が生成し、レールの靭性を劣化させるため、０．１
５〜２．００％に限定した。
【００１１】ＭｎはＣ同様に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、０．３０％未満ではその効果が少なく、ま
た、２．００％を超えると、表面損傷の発生に有害なパ
ーライト組織が多く生成するため、０．３０〜２．００
％に限定した。
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、０．３０％未満ではその効果が少なく、ま
た、２．００％を超えると、表面損傷の発生に有害なパ
ーライト組織が多く生成するため、０．３０〜２．００
％に限定した。
【００１２】Ｃｒはベイナイト組織中のセメンタイトを
微細に分散させ強度を確保するために重要な元素である
が、０．５０％未満ではベイナイト組織中のセメンタイ
トの分散が粗くなり、金属組織の塑性変形に伴う表面損
傷が発生し、同時に靭性も大きく低下する。また、３．
００％を超えると炭化物の粗大化が生じるばかりか、ベ
イナイト変態速度が大きく低下し、加速冷却後の冷却過
程において完全にベイナイト変態を終了せずレールの靭
性に有害なマルテンサイト組織が生成するため、０．５
０〜３．００％に限定した。
微細に分散させ強度を確保するために重要な元素である
が、０．５０％未満ではベイナイト組織中のセメンタイ
トの分散が粗くなり、金属組織の塑性変形に伴う表面損
傷が発生し、同時に靭性も大きく低下する。また、３．
００％を超えると炭化物の粗大化が生じるばかりか、ベ
イナイト変態速度が大きく低下し、加速冷却後の冷却過
程において完全にベイナイト変態を終了せずレールの靭
性に有害なマルテンサイト組織が生成するため、０．５
０〜３．００％に限定した。
【００１３】また、上記の成分組成で製造されるレール
は靭性、延性、強度、さらには溶接時の材料劣化を防止
する目的で以下の元素を必要に応じて１種または２種以
上を添加する。 Ｍｏ：０．１０〜０．６０％、 Ｃｕ：０．０５〜
０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜４．００％、 Ｔ
ｉ：０．０１〜０．０５％、Ｖ ：０．０３〜０．３０
％、 Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、Ｂ ：０．０
００５〜０．００５％
は靭性、延性、強度、さらには溶接時の材料劣化を防止
する目的で以下の元素を必要に応じて１種または２種以
上を添加する。 Ｍｏ：０．１０〜０．６０％、 Ｃｕ：０．０５〜
０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜４．００％、 Ｔ
ｉ：０．０１〜０．０５％、Ｖ ：０．０３〜０．３０
％、 Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、Ｂ ：０．０
００５〜０．００５％
【００１４】次に、これらの化学成分を上記のように定
めた理由について説明する。ＭｏはＣｒ同様にベイナイ
ト組織の強化・安定、および溶接時の焼戻し脆化防止に
欠くことができない元素であるが、０．１０％未満では
その効果が十分でなく、０．６０％を超えるとベイナイ
ト変態速度が大きく低下し、加速冷却後の冷却過程にお
いて完全にベイナイト変態を終了せずレールの靭性に有
害なマルテンサイト組織が生成するため、０．１０〜
０．６０％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０．０５〜０．５
０％の範囲で最も大きく、また、０．５０％を超えると
赤熱脆性を生じさせることから０．０５〜０．５０％の
範囲に限定した。Ｎｉはオーステナイト粒を安定化させ
る元素であり、ベイナイト変態温度を下げ、ベイナイト
組織を微細化し、靭性を向上させる効果を有するが、
０．０５％未満ではその効果が著しく小さく、また、
４．００％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０．０５〜４．００％の範囲に
限定した。
めた理由について説明する。ＭｏはＣｒ同様にベイナイ
ト組織の強化・安定、および溶接時の焼戻し脆化防止に
欠くことができない元素であるが、０．１０％未満では
その効果が十分でなく、０．６０％を超えるとベイナイ
ト変態速度が大きく低下し、加速冷却後の冷却過程にお
いて完全にベイナイト変態を終了せずレールの靭性に有
害なマルテンサイト組織が生成するため、０．１０〜
０．６０％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０．０５〜０．５
０％の範囲で最も大きく、また、０．５０％を超えると
赤熱脆性を生じさせることから０．０５〜０．５０％の
範囲に限定した。Ｎｉはオーステナイト粒を安定化させ
る元素であり、ベイナイト変態温度を下げ、ベイナイト
組織を微細化し、靭性を向上させる効果を有するが、
０．０５％未満ではその効果が著しく小さく、また、
４．００％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０．０５〜４．００％の範囲に
限定した。
【００１５】Ｔｉは析出したＴｉ（Ｃ，Ｎ）が高温でも
溶解しないことを利用して、レールの圧延加熱時のオー
ステナイト結晶粒の細粒化に寄与する。しかし、０．０
１％未満ではその効果が小さく、０．０５％を超えると
ＴｉＮの粗大化が生じ、レール内部の疲労損傷の核とな
り有害であり、０．０１〜０．０５％に限定した。Ｖは
Ｖ（Ｃ，Ｎ）の析出によりベイナイト組織を強化するこ
とができるが、０．０３％未満ではその効果が十分でな
く、０．３０％を超えるとＶの添加はＶ（Ｃ，Ｎ）の粗
大化によりかえって脆化を生じさせるため、０．０３〜
０．３０％に限定した。Ｎｂはオーステナイト結晶粒微
細化元素であり、レール鋼の靭性および延性を向上させ
ることができるが、０．０１％未満ではその効果が十分
でなく、０．０５％を超えるとＮｂの金属間化合物が生
成し脆化を引き起こすため、０．０１〜０．０５％に限
定した。
溶解しないことを利用して、レールの圧延加熱時のオー
ステナイト結晶粒の細粒化に寄与する。しかし、０．０
１％未満ではその効果が小さく、０．０５％を超えると
ＴｉＮの粗大化が生じ、レール内部の疲労損傷の核とな
り有害であり、０．０１〜０．０５％に限定した。Ｖは
Ｖ（Ｃ，Ｎ）の析出によりベイナイト組織を強化するこ
とができるが、０．０３％未満ではその効果が十分でな
く、０．３０％を超えるとＶの添加はＶ（Ｃ，Ｎ）の粗
大化によりかえって脆化を生じさせるため、０．０３〜
０．３０％に限定した。Ｎｂはオーステナイト結晶粒微
細化元素であり、レール鋼の靭性および延性を向上させ
ることができるが、０．０１％未満ではその効果が十分
でなく、０．０５％を超えるとＮｂの金属間化合物が生
成し脆化を引き起こすため、０．０１〜０．０５％に限
定した。
【００１６】Ｂはオーステナイト粒界から生成するフェ
ライトの生成を抑制する効果があり、ベイナイト組織を
安定的に生成させるためには有効な元素である。しか
し、０．０００５％未満ではその効果が弱く、０．００
５０％を超えて添加するとＢの粗大な化合物が生成し、
レール材質を劣化させるため０．０００５〜０．００５
０％に限定した。
ライトの生成を抑制する効果があり、ベイナイト組織を
安定的に生成させるためには有効な元素である。しか
し、０．０００５％未満ではその効果が弱く、０．００
５０％を超えて添加するとＢの粗大な化合物が生成し、
レール材質を劣化させるため０．０００５〜０．００５
０％に限定した。
【００１７】上記のような成分組成で構成されるレール
鋼は、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・分塊法あるいは連続鋳造法、
さらに熱間圧延を経てレールとして製造される。次に、
冷却条件について前記のように定めた理由について説明
する。前記のような成分組成で構成されるレールは、転
炉、電気炉などの通常使用される溶解炉で溶製を行い、
造塊・分塊あるいは連続鋳造法においてレール圧延用素
材を熱間圧延した高温度の熱を保有するレール、あるい
は熱処理する目的で高温に加熱されたレールの頭部をオ
ーステナイト域温度から冷却停止温度５００〜３５０℃
までの間を１〜１０℃/secで加速冷却し、引き続き常温
までの間を１〜４０℃/minで冷却することによって製造
されるレールは、まず、加速冷却することによって低温
度域でベイナイト変態を生じさせ、引き続き冷却するこ
とによって、微細で、かつ、高い強度のベイナイト組織
を安定に生成させることが可能となる。
鋼は、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・分塊法あるいは連続鋳造法、
さらに熱間圧延を経てレールとして製造される。次に、
冷却条件について前記のように定めた理由について説明
する。前記のような成分組成で構成されるレールは、転
炉、電気炉などの通常使用される溶解炉で溶製を行い、
造塊・分塊あるいは連続鋳造法においてレール圧延用素
材を熱間圧延した高温度の熱を保有するレール、あるい
は熱処理する目的で高温に加熱されたレールの頭部をオ
ーステナイト域温度から冷却停止温度５００〜３５０℃
までの間を１〜１０℃/secで加速冷却し、引き続き常温
までの間を１〜４０℃/minで冷却することによって製造
されるレールは、まず、加速冷却することによって低温
度域でベイナイト変態を生じさせ、引き続き冷却するこ
とによって、微細で、かつ、高い強度のベイナイト組織
を安定に生成させることが可能となる。
【００１８】冷却停止温度範囲および各冷却速度を上記
のように定めた理由を詳細に説明する。まず、オーステ
ナイト域温度から冷却停止温度５００〜３５０℃までの
間を１〜１０℃/secの範囲で加速冷却する理由について
説明する。レール頭部の冷却停止範囲をオーステナイト
域温度から５００〜３５０℃の範囲に限定した理由は、
上記成分系において、微細で、かつ、高い強度のベイナ
イト組織が変態を開始する温度が５００〜３５０℃の範
囲にあり、５００℃を超える温度で冷却を停止すると、
引き続く冷却領域で粗大なベイナイト組織が生成し、レ
ールの強度・靭性が低下し、また、表面損傷の発生に有
害なパーライトなどの異種組織が生成するため５００℃
以下に限定した。また、３５０℃未満まで冷却すると、
引き続く冷却領域でベイナイト組織中に硬いマルテンサ
イト組織が生成し、レールの靭性を著しく低下させるた
め、３５０℃以上に限定した。
のように定めた理由を詳細に説明する。まず、オーステ
ナイト域温度から冷却停止温度５００〜３５０℃までの
間を１〜１０℃/secの範囲で加速冷却する理由について
説明する。レール頭部の冷却停止範囲をオーステナイト
域温度から５００〜３５０℃の範囲に限定した理由は、
上記成分系において、微細で、かつ、高い強度のベイナ
イト組織が変態を開始する温度が５００〜３５０℃の範
囲にあり、５００℃を超える温度で冷却を停止すると、
引き続く冷却領域で粗大なベイナイト組織が生成し、レ
ールの強度・靭性が低下し、また、表面損傷の発生に有
害なパーライトなどの異種組織が生成するため５００℃
以下に限定した。また、３５０℃未満まで冷却すると、
引き続く冷却領域でベイナイト組織中に硬いマルテンサ
イト組織が生成し、レールの靭性を著しく低下させるた
め、３５０℃以上に限定した。
【００１９】次に、加速冷却速度を１〜１０℃/secの範
囲に限定した理由は、上記成分系において１℃/sec未満
で冷却すると、高温度域でベイナイト変態が開始し、こ
のためベイナイト組織が粗大化し、レールの強度・靭性
が低くなるため、１℃/sec以上に限定した。また、１０
℃/secを超える冷却速度で冷却すると、その後の冷却に
おいてベイナイト変態を完全に終了せずにマルテンサイ
ト変態を引き起こし、ベイナイト組織中に硬いマルテン
サイトが生成し、レール頭部の靭性に悪影響をおよぼす
ために１０℃/sec以下に限定した。すなわち、本発明に
おいてオーステナイト域温度から１〜１０℃/secで加速
冷却し、加速冷却停止温度を５００〜３５０℃の範囲に
することによって、その後の冷却において、微細で、か
つ、高い強度のベイナイト組織が得られる。
囲に限定した理由は、上記成分系において１℃/sec未満
で冷却すると、高温度域でベイナイト変態が開始し、こ
のためベイナイト組織が粗大化し、レールの強度・靭性
が低くなるため、１℃/sec以上に限定した。また、１０
℃/secを超える冷却速度で冷却すると、その後の冷却に
おいてベイナイト変態を完全に終了せずにマルテンサイ
ト変態を引き起こし、ベイナイト組織中に硬いマルテン
サイトが生成し、レール頭部の靭性に悪影響をおよぼす
ために１０℃/sec以下に限定した。すなわち、本発明に
おいてオーステナイト域温度から１〜１０℃/secで加速
冷却し、加速冷却停止温度を５００〜３５０℃の範囲に
することによって、その後の冷却において、微細で、か
つ、高い強度のベイナイト組織が得られる。
【００２０】上記加速冷却後１〜４０℃/minの範囲で冷
却する理由について説明する。１℃/min未満で冷却する
と、ベイナイト組織中に粗大な炭化物が析出し、レール
頭部の強度・靭性が大きく低下するため１℃/min以上に
限定した。また、４０℃/minを超える冷却速度で冷却す
ると、ベイナイト変態を完全に終了せずにマルテンサイ
ト変態を引き起こし、ベイナイト組織中に硬いマルテン
サイトが生成し、レールの靭性に悪影響をおよぼすため
に４０℃/min以下に限定した。なお、この冷却領域では
レール表面層における加速冷却後のレール内部からの復
熱に伴う恒温変態的な温度変化も含んでいる。
却する理由について説明する。１℃/min未満で冷却する
と、ベイナイト組織中に粗大な炭化物が析出し、レール
頭部の強度・靭性が大きく低下するため１℃/min以上に
限定した。また、４０℃/minを超える冷却速度で冷却す
ると、ベイナイト変態を完全に終了せずにマルテンサイ
ト変態を引き起こし、ベイナイト組織中に硬いマルテン
サイトが生成し、レールの靭性に悪影響をおよぼすため
に４０℃/min以下に限定した。なお、この冷却領域では
レール表面層における加速冷却後のレール内部からの復
熱に伴う恒温変態的な温度変化も含んでいる。
【００２１】加速冷却時の冷却媒体は、空気あるいはミ
ストなどの気液混合物を、また、冷却時の冷却媒体には
空気などを用い、加速冷却・冷却後のレール頭部の強度
が１１００MPa 以上とすることが望ましい。上記のよう
な本発明法によって製造されたベイナイト組織を呈する
レールは、高速旅客鉄道用の高強度レールとして要求さ
れる耐表面損傷性を有している。
ストなどの気液混合物を、また、冷却時の冷却媒体には
空気などを用い、加速冷却・冷却後のレール頭部の強度
が１１００MPa 以上とすることが望ましい。上記のよう
な本発明法によって製造されたベイナイト組織を呈する
レールは、高速旅客鉄道用の高強度レールとして要求さ
れる耐表面損傷性を有している。
【００２２】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。表
１に、本発明鋼と比較鋼の化学成分およびレール頭部の
冷却条件を示す。
１に、本発明鋼と比較鋼の化学成分およびレール頭部の
冷却条件を示す。
【００２３】表２に本発明鋼と比較鋼の硬さ、西原式摩
耗試験における乾燥条件下での５０万回繰り返し後の摩
耗量測定結果およびレールおよび車輪の形状に加工した
円盤試験片による水潤滑ころがり疲労試験の表面損傷発
生寿命を示す。
耗試験における乾燥条件下での５０万回繰り返し後の摩
耗量測定結果およびレールおよび車輪の形状に加工した
円盤試験片による水潤滑ころがり疲労試験の表面損傷発
生寿命を示す。
【００２４】なお、レールの構成材料の組織は以下のと
おりである。 ・本発明レール（１０本） 符号Ａ，符号Ｂ，符号Ｃ，符号Ｄ，符号Ｅ，符号Ｆ，符
号Ｇ，符号Ｈ，符号Ｉ，符号Ｊ：レール頭部を加速冷却
し、その後冷却されることによって製造されるベイナイ
ト組織を呈するレール。 ・比較レール（３本） 符号Ｋ：圧延後自然放冷されたベイナイト組織を呈する
レール。 符号Ｌ：圧延終了直後の熱片状態あるいは、圧延終了後
再加熱することによってレール頭部のみを熱処理したパ
ーライト組織を呈するレール。 符号Ｍ：圧延後自然放冷されたパーライト組織を呈する
レール。
おりである。 ・本発明レール（１０本） 符号Ａ，符号Ｂ，符号Ｃ，符号Ｄ，符号Ｅ，符号Ｆ，符
号Ｇ，符号Ｈ，符号Ｉ，符号Ｊ：レール頭部を加速冷却
し、その後冷却されることによって製造されるベイナイ
ト組織を呈するレール。 ・比較レール（３本） 符号Ｋ：圧延後自然放冷されたベイナイト組織を呈する
レール。 符号Ｌ：圧延終了直後の熱片状態あるいは、圧延終了後
再加熱することによってレール頭部のみを熱処理したパ
ーライト組織を呈するレール。 符号Ｍ：圧延後自然放冷されたパーライト組織を呈する
レール。
【００２５】また試験条件は次のとおりとした。 摩耗試験条件（全試験レール共通） ・試験機 ：西原式摩耗試験機 ・試験片形状：円盤状試験片（外径：３０mm、内径：１
６mm、厚さ：８mm） ・試験荷重 ：４９０Ｎ ・すべり率 ：９％ ・相手材 ：焼き戻しマルテンサイト鋼（Ｈｖ３５
０） ・雰囲気 ：大気中 ・繰返し回数：５０万回 ころがり疲労試験 ・試験機 ：ころがり疲労試験機 ・試験片形状：円盤状試験片（外径：２００mm、レール
材断面形状：６０Ｋレールの１／４モデル） ・試験荷重 ：１．５トン（ラジアル荷重） ・雰囲気 ：乾燥＋水潤滑（６０cc/min） ・回転数 ：乾燥；１００rpm 、水潤滑；３００rpm ・繰返し回数：０〜５０００回まで乾燥状態、その後水
潤滑により損傷発生まで
６mm、厚さ：８mm） ・試験荷重 ：４９０Ｎ ・すべり率 ：９％ ・相手材 ：焼き戻しマルテンサイト鋼（Ｈｖ３５
０） ・雰囲気 ：大気中 ・繰返し回数：５０万回 ころがり疲労試験 ・試験機 ：ころがり疲労試験機 ・試験片形状：円盤状試験片（外径：２００mm、レール
材断面形状：６０Ｋレールの１／４モデル） ・試験荷重 ：１．５トン（ラジアル荷重） ・雰囲気 ：乾燥＋水潤滑（６０cc/min） ・回転数 ：乾燥；１００rpm 、水潤滑；３００rpm ・繰返し回数：０〜５０００回まで乾燥状態、その後水
潤滑により損傷発生まで
【００２６】
【表１】
【００２７】
【表２】
【００２８】
【表３】
【００２９】表２で明らかなように、本発明レールＡ，
Ｂ，Ｃ，Ｄ，ＥおよびＦ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊは、従来のパ
ーライト組織を呈するレールＬ，Ｍと比較して、摩耗量
が多く、ころがり疲労損傷発生寿命が大きく改善する。
また、圧延ままのベイナイト組織を呈するレールＫと比
較してもころがり疲労損傷発生寿命が大きく改善する。
Ｂ，Ｃ，Ｄ，ＥおよびＦ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊは、従来のパ
ーライト組織を呈するレールＬ，Ｍと比較して、摩耗量
が多く、ころがり疲労損傷発生寿命が大きく改善する。
また、圧延ままのベイナイト組織を呈するレールＫと比
較してもころがり疲労損傷発生寿命が大きく改善する。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明により耐表
面損傷性に優れ使用寿命が大幅に向上する高強度レール
を得ることができる。
面損傷性に優れ使用寿命が大幅に向上する高強度レール
を得ることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−282448（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−271871（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−17135（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−158227（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−248347（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−306528（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−316727（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−316728（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−336613（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−336614（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−34132（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−34133（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C21D 9/00 - 9/44 C21D 9/50 C22C 38/00 - 38/60
Claims (2)
- 【請求項１】 重量％で Ｃ ：０．１５〜０．４５％、 Ｓｉ：０．１５〜２．００％、 Ｍｎ：０．３０〜２．００％、 Ｃｒ：０．５０〜３．００％ を含有して、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼を
熱間圧延した高温度の熱を保有するレール、あるいは熱
処理する目的で高温に加熱されたレールの頭部をオース
テナイト域温度から冷却停止温度５００〜３５０℃まで
の間を１〜１０℃/secで加速冷却し、引き続き常温まで
の間を１〜４０℃/minで冷却することを特徴とするベイ
ナイト組織を呈し耐表面損傷性に優れた高強度レールの
製造法。 - 【請求項２】 重量％で Ｃ ：０．１５〜０．４５％、 Ｓｉ：０．１５〜２．００％、 Ｍｎ：０．３０〜２．００％、 Ｃｒ：０．５０〜３．００％ を含有し、さらに Ｍｏ：０．１０〜０．６０％、 Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、 Ｎｉ：０．０５〜４．００％、 Ｔｉ：０．０１〜０．０５％、 Ｖ ：０．０３〜０．３０％、 Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、 Ｂ ：０．０００５〜０．００５０％ の１種または２種以上を含有し、残部が鉄および不可避
不純物からなる鋼を熱間圧延した高温度の熱を保有する
レール、あるいは熱処理する目的で高温に加熱されたレ
ールの頭部をオーステナイト域温度から冷却停止温度５
００〜３５０℃までの間を１〜１０℃/secで加速冷却
し、引き続き常温までの間を１〜４０℃/minで冷却する
ことを特徴とするベイナイト組織を呈し耐表面損傷性に
優れた高強度レールの製造法。
Priority Applications (14)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12026593A JP2912117B2 (ja) | 1993-05-21 | 1993-05-21 | ベイナイト組織を呈し耐表面損傷性に優れた高強度レールの製造法 |
| AU56304/94A AU663023B2 (en) | 1993-02-26 | 1994-02-22 | Process for manufacturing high-strength bainitic steel rails with excellent rolling-contact fatigue resistance |
| AT01102992T ATE258232T1 (de) | 1993-02-26 | 1994-02-23 | Hochfeste bainitische stahlschienen mit verbesserter beständigkeit gegen ermüdungsschäden durch rollkontakt |
| DE69433512T DE69433512T2 (de) | 1993-02-26 | 1994-02-23 | Hochfeste bainitische Stahlschienen mit verbesserter Beständigkeit gegen Ermüdungsschäden durch Rollkontakt |
| EP94102721A EP0612852B1 (en) | 1993-02-26 | 1994-02-23 | Process for manufacturing high-strength bainitic steel rails with excellent rolling-contact fatique resistance |
| DE69429685T DE69429685T2 (de) | 1993-02-26 | 1994-02-23 | Verfahren zum Herstellen hochfester bainitischer Stahlschienen mit verbesserter Beständigkeit gegen Ermüdungsschäden durch Rollkontakt |
| AT94102721T ATE212384T1 (de) | 1993-02-26 | 1994-02-23 | Verfahren zum herstellen hochfester bainitischer stahlschienen mit verbesserter beständigkeit gegen ermüdungsschäden durch rollkontakt |
| EP01102992A EP1101828B1 (en) | 1993-02-26 | 1994-02-23 | High-strength bainitic steel rails with excellent rolling-contact fatigue resistance |
| US08/201,924 US5382307A (en) | 1993-02-26 | 1994-02-24 | Process for manufacturing high-strength bainitic steel rails with excellent rolling-contact fatigue resistance |
| KR1019940003310A KR0131437B1 (ko) | 1993-02-26 | 1994-02-24 | 구름접촉 피로저항성이 뛰어난 베이나아트계 고강도 레일 및 그 제조방법 |
| CN94101720A CN1040660C (zh) | 1993-02-26 | 1994-02-25 | 具优异的耐滚动疲劳损伤性的贝氏体系高强度钢轨的制造方法 |
| CA002116504A CA2116504C (en) | 1993-02-26 | 1994-02-25 | Process for manufacturing high-strength bainitic steel rails with excellent rolling-contact fatigue resistance |
| BR9400689A BR9400689A (pt) | 1993-02-26 | 1994-02-25 | Processo para a produção de trilhos de aço bainítico de alta resistência e trilho de aço bainítico de alta resistência |
| RU9494006015A RU2086671C1 (ru) | 1993-02-26 | 1994-02-25 | Способ изготовления высокопрочного рельса (варианты) и высокопрочный рельс |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06330175A JPH06330175A (ja) | 1994-11-29 |
| JP2912117B2 true JP2912117B2 (ja) | 1999-06-28 |
Family
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP12026593A Expired - Fee Related JP2912117B2 (ja) | 1993-02-26 | 1993-05-21 | ベイナイト組織を呈し耐表面損傷性に優れた高強度レールの製造法 |
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| US6783610B2 (en) * | 2001-03-05 | 2004-08-31 | Amsted Industries Incorporated | Railway wheel alloy |
| JP4644105B2 (ja) * | 2005-11-28 | 2011-03-02 | 新日本製鐵株式会社 | ベイナイト鋼レールの熱処理方法 |
| CN114058965B (zh) * | 2021-11-30 | 2022-05-13 | 宝武集团马钢轨交材料科技有限公司 | 一种高抗接触疲劳微合金钢车轮及其生产方法 |
-
1993
- 1993-05-21 JP JP12026593A patent/JP2912117B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH06330175A (ja) | 1994-11-29 |
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