JP2912118B2 - 耐表面損傷性に優れた高強度ベイナイト系レールの製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【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耐表面損傷性に優れた高
強度ベイナイト系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するところにある。

【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。

【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、これに伴なうき裂お
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従来の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。

【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、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、強度が低下する。このため車輪走行面直下の
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、本発明はこれらの問題を解決する
ものであって、熱間圧延したレールの頭部を、オーステ
ナイト域温度から冷却するに際し、その冷却条件を調整
することにより、低合金成分系で、かつ、高い強度のベ
イナイト系レールとし、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％、 Ｃｒ：０．５０〜３．００％ を含有し、あるいは必要に応じて、 Ｍｏ：０．１０〜０．６０％、 Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、 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％の一種または二種以上を含有し、 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４００〜３００℃までの間を１〜１０℃/secで加速冷 却し、加速冷却終了後レール頭部をレール内部からの復熱を待って５０〜１００ ℃温度上昇させた後、引き続き常温まで自然冷却する耐表面損傷性に優れた高強 度ベイナイト系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
冷却後の復熱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。

【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。

【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なう表面
損傷が発生する。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、加速冷却後の復熱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、０．５０〜３．００％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一種または二種以
上を添加する。Ｍｏ：０．１０〜０．６０％、 Ｃ
ｕ：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
：０．０００５〜０．００５％

【００１４】次に、これらの化学成分の上記のように定
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、加速冷却後の復熱過程にお
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。

【００１５】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。

【００１６】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、０．０
５％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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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に製造される。

【００２２】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よ
りレール圧延用素材を製造し、次に、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
から冷却停止温度４００〜３００℃までの間を１〜１０
℃/secで加速冷却し、加速冷却終了後レール頭部をレー
ル内部からの５０〜１００℃の復熱による温度上昇を利
用して製造されるレールは、まず、加速冷却することに
より、冷却途中の低温度域でベイナイト変態を開始さ
せ、その後の復熱による温度上昇を利用することによ
り、微細なベイナイト組織を安定的に成長させることが
可能となる。

【００２３】各加速冷却速度および冷却停止温度範囲を
上記のように定めた理由を詳細に説明する。まず、冷却
停止温度までの加速冷却速度を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、冷却途中の高温度域でベイナイト変態が始ま
り、粗大なベイナイト組織が生成する。このためレール
の強度が低下し、表面損傷を誘発させるため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、その後の復熱領域においてレール内部からの
大きな発熱が発生し、粗大なベイナイト組織が生成す
る。このためレールの強度が低下し、表面損傷を誘発さ
せるため１０℃/sec以下に限定した。

【００２４】その時の加速冷却停止範囲をオーステナイ
ト域温度から４００〜３００℃までの範囲に限定した理
由は、４００℃を超える温度で冷却を停止すると、その
後の復熱領域において粗大なベイナイト組織が生成しや
すい。このためレールの強度が低下し、表面損傷を誘発
させるため４００℃以下に限定した。また、３００℃未
満の温度まで冷却すると、ベイナイト組織中にマルテン
サイト組織が生成し、さらに、その後の復熱領域におい
てレール内部からの復熱が十分に得られず、硬いマルテ
ンサイト組織が多く残留する。このためレールの靭性が
著しく低下するため３００℃以上に限定した。

【００２５】その後の、復熱上昇温度を５０〜１００℃
の範囲に限定した理由について説明する。本発明におい
て復熱はレール内部からの自然復熱に限定しており、外
部からの強制的な加熱および冷却は行わない。そこで、
本成分系レールの頭部をオーステナイト域温度から１〜
１０℃/secの冷速で加速冷却し、４００〜３００℃で加
速冷却を停止する実験を行った結果、レール頭部におい
て５０〜１００℃の範囲で自然復熱による温度上昇が確
認された。また、上記成分系において、微細なベイナイ
ト組織が変態する温度域が５００〜３５０℃の範囲にあ
り、上記加速冷却速度および加速冷却停止温度を選ぶこ
とにより、復熱後の温度範囲が５００〜３５０℃とな
り、高い強度のベイナイト組織が変態する温度域と一致
する。これらの結果から、本発明では復熱温度を５０〜
１００℃範囲に限定した。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４００〜３００℃の範囲にすること
によって、冷却途中の低温度域でベイナイト変態を開始
させ、さらに、復熱による５０〜１００℃の温度上昇を
利用することにより、微細なベイナイト組織を安定的に
成長させることが可能となる。

【００２６】なお、成分系および加速冷却速度の選択に
よっては加速冷却途中の４００〜３００℃の冷却停止温
度範囲においてベイナイト変態が開始し、その後の復熱
領域で変態を完了する場合と、加速冷却直後の復熱領域
においてベイナイト変態が開始し、変態を完了する場合
がある。しかし、本冷却停止温度範囲においてはいずれ
のベイナイト組織も微細であり、レールの強度、靭性、
および耐表面損傷性に大きな影響をおよぼさないため、
本発明のベイナイト組織としては、加速冷却途中の４０
０〜３００℃の冷却停止温度範囲において生成するベイ
ナイト組織と加速冷却後の復熱領域において生成するベ
イナイト組織の両方を含んでいる。また、この冷却後の
金属組織はベイナイト組織であることが望ましいが、加
速冷却速度および冷却停止温度の選択によってはベイナ
イト組織中に微小なマルテンサイト組織が混入し、最終
的にはレール内部の復熱により焼戻しマルテンサイト組
織として存在することがある。しかし、ベイナイト組織
中に微小な焼戻しマルテンサイト組織が混入してもレー
ルの強度、靭性、および耐表面損傷性に大きな影響をお
よぼさないため、本ベイナイト系レールの組織としては
若干の焼戻しマルテンサイト組織の混在も含んでいる。

【００２７】加速冷却時の冷却媒体としては空気あるい
はミストなどの気液混合物を用いる。また、加速冷却・
復熱後のレール頭部の強度については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系レールは、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。

【００２８】

【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冷却条件を示
す。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を１／４に縮尺加工
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。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、その後自然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：レール頭部を加速冷却し、その後自然冷却され
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 符号Ｌ：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

【００２９】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 ：焼戻しマルテンサイト鋼（Ｈｖ３５０） ・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

【００３０】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を１／４に
縮尺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。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Ｌおよびレール頭部を加速冷却し、その後自然冷却
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。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
低合金成分の熱延レールに所定の加速冷却と復熱を行う
ことによってベイナイト組織とし、高速旅客鉄道用の高
強度レールとして優れた耐表面損傷性を付与し、かつこ
のレールを低コストで得ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── 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６−136728（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−330175（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)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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４００〜３００℃まで
   の間を１〜１０℃/secで加速冷却し、加速冷却終了後レ
   ール頭部をレール内部からの復熱を待って５０〜１００
   ℃温度上昇させた後、引き続き常温まで自然冷却するこ
   とを特徴とする耐表面損傷性に優れた高強度ベイナイト
   系レールの製造法。
2. 【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％ の一種または二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４０
   ０〜３００℃までの間を１〜１０℃/secで加速冷却し、
   加速冷却終了後レール頭部をレール内部からの復熱を待
   って５０〜１００℃温度上昇させた後、引き続き常温ま
   で自然冷却することを特徴とする耐表面損傷性に優れた
   高強度ベイナイト系レールの製造法。