JP3169741B2 - 耐表面損傷性に優れたベイナイト鋼レールの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直線区間に敷設される
超高速旅客鉄道用レールの頭頂部ならびに頭部コーナー
部の耐表面損傷性の改善と、曲線区間の外軌に敷設され
るレールの頭部コーナー部の耐摩耗性および内軌レール
頭部表面の耐表面損傷性を改善したベイナイト鋼レール
の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、鉄道輸送のエネルギー効率、輸送
効率が再認識され、その一環として従来以上に高速化指
向が強まってきている。鉄道輸送の高速化は新幹線のみ
ならず、在来線についても具体的な計画が打ち出されて
おり、これに伴って直線区間の高速運転区間で発生する
レール頭表面の損傷がレール材質の重要な課題となって
きた。一方、曲線区間においても外軌レールの頭部コー
ナー部表面に生成するきしみ割れあるいはフレーキング
損傷、および内軌レール頭部表面の剥離性損傷に対する
抵抗性の改善についても、保線業務の軽減として重要な
課題である。

【０００３】従来から旅客鉄道の直線区間および摩耗が
問題とならない緩曲線区間には、圧延ままで使用される
普通炭素鋼パーライト組織レールが用いられてきた。こ
れらの敷設区間ではレール頭部の摩耗はほとんど生成せ
ず、耐摩耗性が十分であるためにかえって車輪の通過に
よってもたらされる疲労ダメージが摩耗によって取り去
られることなくレール表面に蓄積し、一定の経年後に頭
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
表面損傷が生成し、やがてレール折損をもたらすため、
高速鉄道における安全性の確保が重要な課題となってい
る。

【０００４】この対策として従来のパーライト組織レー
ルの硬さを低下させ、摩耗を促進させる方法が考えられ
るがレール硬化が低下することにより緩和曲線区間のレ
ール頭部コーナー部表面には、塑性変形が生じ、フレー
キング損傷の剥離部から騒音・振動を発生させる問題が
あった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一方、最近開発された
高強度ベイナイト鋼レールは、従来のパーライト鋼レー
ルよりも硬さが高くても摩耗量が多くなる特徴を有して
おり、レール頭部に特別な冷却制御を行うことなく圧延
ままでベイナイト組織を生成させ、直線区間での車輪の
繰り返し接触で蓄積するレール頭部表面の疲労ダメージ
層を摩耗によって除去する挙動がある。また、その中で
も曲線区間あるいは高速蛇行運転区間においては、車輪
フランジがレールコーナー部に強く押し付けられるため
に生成する塑性変形、塑性フロー起因の表面損傷を防止
するレールとして、重量％でＣ；０．１５〜０．４５
％、Ｓｉ；０．１５〜１．２０％、Ｍｎ；０．３０〜
１．００％、Ｃｒ；２．００〜４．００％、Ｍｏ；０．
２０〜０．６０％、これに応じて少量のＮｂ，Ｖ，Ｔｉ
の一種または二種以上を含有し、圧延後の硬さがＨｖ３
７０以上を有する高強度・高合金ベイナイト鋼レールが
開発されている。該レールは、曲線区間に相当する敷設
環境では、レール頭部コーナー部の表面損傷や摩耗を抑
制させる観点からは望ましい硬さであるが、直線区間に
おいて問題となるレール頭頂面損傷を完全に防止する観
点からは、摩耗を促進させる必要があり、レール頭頂面
の硬さが高すぎる問題があった。

【０００６】本発明は、超高速旅客鉄道の直線区間に敷
設されたレールに発生する頭頂面損傷を防止し、かつ曲
線区間に敷設されても外軌レールの頭部コーナー部表面
損傷防止と摩耗抑制、さらに内軌レール表面の損傷を防
止するオールラウンドのベイナイト鋼レールの製造方法
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は以下の構成を要旨とする。すなわち重量％
で、Ｃ ；０．１５〜０．４５％、 Ｓｉ；０．１５
〜１．２０％、Ｍｎ；０．３０〜２．００％、 Ｃ
ｒ；０．５０〜３．００％、これに必要に応じてＭｏ；
０．１０〜０．６０％、 Ｎｉ；０．０５〜４．００
％、Ｃｕ；０．０５〜０．５０％、 Ｎｂ；０．０１
〜０．０５％、Ｖ ；０．０５〜０．３０％、 Ｔ
ｉ；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
よび不可避的不純物からなる鋼で、熱間圧延を終え、あ
るいは熱処理する目的で加熱されたオーステナイト域温
度以上の熱を保有する高温度のレールを、レール頭部側
面から１〜１０℃/secで加速冷却し、５００〜３５０℃
間で加速冷却を停止し、その後の復熱を利用して、該レ
ール頭頂部の硬度がビッカース硬度Ｈｖ２５０〜３５
０、頭部コーナー部の硬度をビッカース硬度Ｈｖ３５０
以上にする耐表面損傷性に優れたベイナイト鋼レールの
製造方法である。すなわち、レール頭頂部の硬さを抑制
することにより摩耗を促進させ、レール頭頂面損傷を防
止すると共に、レール頭部コーナー部の硬さをＨｖ３５
０以上にすることによって曲線区間に相当する区間に敷
設されたレール頭部コーナー部表面損傷を防止し、かつ
摩耗を抑制するものである。

【０００８】以下に本発明におけるそれぞれの化学成分
を限定した理由について述べる。Ｃは一定の硬さを確保
し、ベイナイト組織を安定的に生成させるための重要な
成分であり、０．１５％未満ではレール鋼の硬さを確保
することが難しくなるばかりか、塑性変形に対して抵抗
性の低いフェライト組織が混入してしまい、また０．４
５％を超えるとレール頭頂面の耐摩耗性をかえって向上
させ、ころがり疲労損傷ダメージ蓄積に有害なパーライ
ト組織が生成してしまうため、０．１５〜０．４５％に
限定した。

【０００９】Ｓｉはベイナイト組織中の素地に固溶する
ことによって強度を上昇させる成分であり、０．１５％
未満ではその効果が期待できず、また１．２０％を超え
るとベイナイト組織中に島状のマルテンサイト組織が生
成し、靭性を劣化させるため０．１５〜１．２０％に限
定した。

【００１０】ＭｎはＣ同様に安価にレール硬度を増加さ
せる成分であり、０．３％未満ではそれらの効果が少な
く、また２．００％を超えるとＣ同様にレール頭頂面の
ころがり疲労損傷ダメージの蓄積に有害なパーライト組
織が生成してしまうため、０．３０〜２．００％に限定
した。

【００１１】Ｃｒはベイナイト組織中の炭化物を微細に
分散させ強度を確保するために重要な成分であるが、
０．５％未満ではその効果が期待できず、３．００％を
超えるとかえって微細な炭化物が耐摩耗性を向上させる
ことになり、疲労ダメージの除去に有害となるばかり
か、焼入性が向上してしまい、熱処理が施されるレール
頭部コーナー部にマルテンサイト組織が生成し易くする
ため０．５０〜２．００％に限定した。

【００１２】さらに、本発明は上記のような成分組成に
Ｍｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ，Ｂなどの一種また
は二種以上を必要に応じて添加する。Ｍｏはベイナイト
組織の安定的な生成に重要な成分であり、化学成分の組
み合わせあるいは、熱処理条件に応じてベイナイト組織
の安定化のために用いる。その添加量の範囲は、０．１
０〜０．６０％で０．１０％未満ではその効果が期待で
きず、また、０．６０％を超えるとベイナイト変態速度
が極端に低下してしまい、ベイナイト組織中にマルテン
サイト組織が生成してしまうため、０．１０〜０．６０
％に限定した。

【００１３】またＮｉおよびＣｕもベイナイト組織を安
定的に生成させる成分であり、Ｎｉ，Ｃｕともに固溶体
硬化によってベイナイト組織素地の硬さ向上に有効であ
り、Ｃｕは０．０５％未満ではその効果は少なく、０．
５０％を超えると赤熱脆性を生じさせるため０．０５〜
０．５０％に限定した。ＮｉはＣｕの赤熱脆性を緩和さ
せる元素として公知であるが０．０５％未満ではその効
果および固溶体硬化は期待できず、また４．００％を超
えるとオーステナイトの安定化によってベイナイト変態
速度を低下させマルテンサイト組織を生成させるため
０．０５〜４．００％に限定した。

【００１４】さらにＮｂ，Ｔｉなどのオーステナイト結
晶粒微細化成分を添加することによってベイナイト組織
を微細化し、レール鋼の靭性および延性を改善する。Ｎ
ｂは、オーステナイト再結晶抑制元素として知られてお
り、レール圧延時の制御圧延と組み合わせることにより
ベイナイト組織を一層微細化することができる。しか
し、この作用が期待できる添加下限量は０．０１％であ
り、また０．０５％を超えると粗大なＮｂの炭窒化物が
生成してかえって脆化をもたらすため、０．０１〜０．
０５％に限定した。Ｔｉはレール圧延時の加熱時オース
テナイト粒を細粒化させる元素として知られており、こ
のとき有効な下限添加量は０．０１％であり、０．０５
％を超えるとＴｉ炭窒化物が粗大化し、レール頭部内部
から生成する疲労き裂の起点となるため有害である。そ
こでＴｉの添加範囲を０．０１〜０．０５％に限定し
た。

【００１５】ＶはＶ（Ｃ，Ｎ）の析出によってベイナイ
ト組織材を強化する作用を有し、この析出硬化は金属組
織の塑性フローによるレール頭部コーナー部表面に生成
する損傷の防止に効果的であり、この析出硬化は耐摩耗
性向上に寄与しないため、摩耗を促進させてころがり疲
労層の除去を意図したレール頭頂面損傷の生成防止に好
都合な成分である。この効果の期待できる下限添加量は
０．０５％であり、０．３０％を超えるとＶ（Ｃ，Ｎ）
の粗大化によってかえって脆化を生じさせるため、０．
０５〜０．３０％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成分であり、０．０
００５％未満ではその効果が弱く、０．００５０％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０．０００５〜０．００５０％に限定し
た。

【００１７】上記のような成分組成を有するベイナイト
鋼レールは転炉あるいは電気炉などの製鋼炉で製造さ
れ、通常の方法で鋳造した鋳片あるいは分塊した鋼片を
熱間圧延して製造される。熱間圧延を終え、あるいは熱
処理する目的で加熱されたオーステナイト域温度以上の
熱を保有する高温レールは、レール頭部側面に対局した
一対のノズルにより１〜１０℃/secの冷却速度で加速冷
却し、５００〜３００℃間で冷却を停止した後、その後
のレール頭部内部からの復熱を利用し、レール頭頂部の
硬度がＨｖ２５０〜３５０、レール頭部コーナー部の硬
度がＨｖ３５０以上とすることによって、直線区間で生
成するレール頭頂面損傷を防止すると共に、超高速鉄道
で生ずる列車蛇行あるいは緩和曲線区間などで生ずるレ
ール頭部コーナー表面の損傷を同時に防止するレールを
製造することができる。

【００１８】高温度レール側面を加速冷却する冷却速度
を１〜１０℃/secに限定した理由は、１℃/sec未満の冷
却速度ではレール頭部コーナー部を目的とするＨｖ３５
０以上の高硬度とすることができず、また１０℃/secを
超えるとレール頭部コーナー部表面に過冷却により局部
的にマルテンサイト組織が生成してしまうため１〜１０
℃/secに限定した。

【００１９】ここでレール頭部コーナー部の硬度をＨｖ
３５０以上に限定した理由は、直線区間においても超高
速鉄道では大きな蛇行動が生じ、車輪がレール頭部コー
ナー部に強く押し付けられるため、曲線区間に主として
生成するレール頭部コーナー部表面損傷が発生する。こ
のような直線区間の蛇行動に基づくころがり疲労損傷を
防止するためにはＨｖ３５０以上の硬度が必要であり、
さらにＨｖ３５０以上の硬度をレール頭部コーナー部に
付与することによって、従来の圧延ままパーライト組織
レールが敷設されていた緩和曲線区間にも耐摩耗性を改
善させることで使用可能となる。

【００２０】なお、レール頭頂部の硬度をＨｖ２５０〜
３５０に限定した理由は、Ｈｖ２５０未満では硬度不足
のため曲線区間の内軌レール頭頂面に表面損傷が生成す
るばかりか、波状摩耗が生成して高速鉄道の速度向上に
重要な支承を来し、直線区間でさえも波状摩耗の生成が
懸念される。また、Ｈｖ３５０を超えるとレール頭頂面
損傷の防止を意図したころがり疲労層の摩耗による除去
が果たされず、早期にレール頭頂面損傷が生成してしま
うため、レール頭頂部硬度範囲をＨｖ２５０〜３５０に
限定した。

【００２１】また、加速冷却後の冷却停止温度を５００
〜３５０℃に限定した理由は、５００℃以上で冷却を停
止すると、その後のレール頭部内部からの復熱を受けて
レール頭部表面のベイナイト変態温度が上昇してしま
い、レール頭頂部およびコーナー部の硬度を確保するこ
とができなくなる。さらに冷却停止温度が３５０℃未満
となると、過冷却によりレール頭部コーナー部表面にマ
ルテンサイト組織が生成するばかりか、内部にもマルテ
ンサイト組織が生成してしまい頭部の靭性を低下させる
ため冷却停止温度を５００〜３５０℃の範囲に限定し
た。

【００２２】以上のような熱処理をレール頭部に施すこ
とにより、新幹線のような超高速鉄道において問題とな
るレール頭頂面損傷およびレールコーナー部表面損傷の
発生を防止した長寿命レールを提供することができる。

【００２３】

【実施例】次に本発明の実施例について説明する。表１
には、実施例に供したレールの化学成分を示す。図１
は、本発明の一実施態様例のレール頭部横断面内の硬度
分布を示す。すなわち頭頂部分の硬度に対して、頭部コ
ーナー部分の硬度が高くなっており、本発明レールは頭
頂部の硬度がビッカース硬度Ｈｖ２５０〜３５０、頭頂
コーナー部の硬度がＨｖ３５０以上になっていることが
わかる。表２には、本発明ベイナイト鋼レールと比較鋼
として従来のパーライト組織レールと、比較鋼ベイナイ
ト鋼レールについて所定の熱処理を施し、寿命評価試験
において曲線区間に相当する車輪接触条件下で表面損傷
発生寿命を求めた試験結果を示す。表３には、同様に直
線区間に相当する車輪の接触条件を与えた試験結果を示
した。寿命評価試験は、所定の熱処理を施したレールを
頭部を内側にして６ｍに曲げ加工し、実際の新幹線で使
用されている車輪を用いて行った。試験条件は、レール
と車輪の接触条件を曲線区間の接触条件の再現として車
輪に横圧を負荷し、レール頭部コーナー部に車輪フラン
ジを押し付けてレール頭部コーナー部表面に生成する損
傷の評価試験を、また直線区間再現としてレール頭頂面
と車輪中央を接触させ、頭頂面損傷発生特性の評価を行
った。なお、損傷発生寿命の表示は、実際に鉄道で行わ
れている列車の累積通過トン数で表示した。表１，表２
から明らかなように本発明鋼レールは、何れも比較鋼レ
ールより優れた特性を有していることがわかる。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、レール頭部コーナー部
の硬さをＨｖ３５０以上にすることによって、コーナー
部表面の損傷発生寿命を比較鋼と比べ大幅に改善でき、
さらにレール頭頂面の硬さをＨｖ２５０〜３００に制御
することによってレール頭頂面の表面損傷の発生を抑制
できることが明らかとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の頭部横断面硬度分布を示す
図。

───────────────────────────────────────────────────── 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６−330175（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−336613（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.⁷，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；０．１５〜１．２０％、 Ｍｎ；０．３０〜２．００％、 Ｃｒ；０．５０〜３．００％ を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼
   で、熱間圧延を終え、あるいは熱処理する目的で加熱さ
   れたオーステナイト域温度以上の熱を保有する高温度レ
   ールを、レール頭部側面から１〜１０℃/secで冷却し、
   ５００〜３５０℃間で加速冷却を停止し、その後の復熱
   を利用して、該レール頭頂部の硬度がビッカース硬度Ｈ
   ｖ２５０〜３５０、頭部コーナー部の硬度をビッカース
   硬度Ｈｖ３５０以上にすることを特徴とする耐表面損傷
   性に優れたベイナイト鋼レールの製造方法。
2. 【請求項２】 重量％で、 Ｃ ；０．１５〜０．４５％、 Ｓｉ；０．１５〜１．２０％、 Ｍｎ；０．３０〜２．００％、 Ｃｒ；０．５０〜３．００％ を含有し、さらに Ｍｏ；０．１０〜０．６０％、 Ｎｉ；０．０５〜４．００％、 Ｃｕ；０．０５〜０．５０％、 Ｎｂ；０．０１〜０．０５％、 Ｖ ；０．０５〜０．３０％。 Ｔｉ；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
   的不純物からなる鋼で、熱間圧延を終え、あるいは熱処
   理する目的で加熱されたオーステナイト域温度以上の熱
   を保有する高温度レールを、レール頭部側面から１〜１
   ０℃/secで冷却し、５００〜３５０℃間で加速冷却を停
   止し、その後の復熱を利用して、該レール頭頂部の硬度
   がビッカース硬度Ｈｖ２５０〜３５０、頭部コーナー部
   の硬度をビッカース硬度Ｈｖ３５０以上にすることを特
   徴とする耐表面損傷性に優れたベイナイト鋼レールの製
   造方法。