JP3423811B2 - 頭部内部疲労損傷性に優れた高強度レールの製造方法 - Google Patents

頭部内部疲労損傷性に優れた高強度レールの製造方法

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JP3423811B2 JP5629695A JP5629695A JP3423811B2 JP 3423811 B2 JP3423811 B2 JP 3423811B2 JP 5629695 A JP5629695 A JP 5629695A JP 5629695 A JP5629695 A JP 5629695A JP 3423811 B2 JP3423811 B2 JP 3423811B2
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耕一 内野
英明 影山
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【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は主として重荷重鉄道の曲
線区間に敷設される高強度レールの頭部内部疲労損傷抵
抗性に優れたレールの製造法に関する。 【0002】 【従来の技術】高炭素でパーライトの金属組織を呈した
鋼は強度が高く、耐摩耗性が良好なことから構造材料と
して使用され、中でも鉄道車両の重量増加に伴う高軸荷
重化や高速輸送化に対応してレールに特に多く使用され
ている。最近、表面を高強度のものにすることによって
耐摩耗性が向上し、潤滑技術も加わり、摩耗量は激減し
てきた。 【0003】しかし、レールは高強度、高靭性、高延性
のものが製造されても、頭部に内部疲労損傷が発生して
破損していくことが多く見受けられている。内部疲労損
傷は多くが介在物清浄度を向上させることで回避される
が、内部を高強度化すればさらに改善される。特に、内
部硬度を表面硬度に比べて高くすれば、レールと車輪と
のなじみや表面損傷の回避の点等からレール寿命が伸び
ることがわかった。 【0004】また、内部疲労損傷の多くの起点が深さ6
〜7mm程度のところにあるので、ピーク硬度はこれに合
わせて深さ6〜7mm程度のところにあるとよいことまで
わかっている。ここで、内部硬度を表面硬度よりも高く
したレールは特開平03−232925号公報、特開昭
62−233301号公報で開示されており、製造方法
として特開昭62−243713号公報で2段階の熱処
理法が開示されている。ただし、加工と熱処理を組み合
わせて得られる極微細組織によって、硬度を制御する手
段はいまのところ得られていない。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】本発明は硬度を制御す
る手段として内部に比べて頭部の表面近傍の層を焼入性
を抑えたγ(オーステナイト)組織にしてからパーライ
ト変態させることによって、頭部表面硬度を内部に比べ
てやや抑えた内部疲労損傷性に優れた高強度レールを製
造することを目的としている。 【0006】 【課題を解決するための手段】そこで、本発明者は表面
近傍の層だけを焼入性を抑えた組織にするために多くの
実験を行った結果、冷却する直前に頭部に軽圧下を加え
ると、A1 変態点を通過するときに軽圧下を加えられた
表面近傍のみがγ粒の微細化により高温でパーライト変
態することを見いだした。パーライト変態は高温で起こ
るほど硬度が抑えられることが判っており、本発明者ら
は、この場合、頭部およびコーナー部の表層のγ粒が微
細粒ならば、かなり速く加速冷却してもその場所の硬度
を抑えられることを見いだした。 【0007】本発明はこのような知見に基づいてなされ
たものであり、その要旨は、「レール鋼片の圧延におい
て、頭部表面温度で850℃〜1050℃で最終仕上げ
を残した仕上げ圧延を行い、3秒以上1分以下のパス間
時間の後、頭部表面温度で800℃〜950℃である1
パスあたり10%以下の圧下率での1パスまたは複数パ
スの最終仕上げ圧延を行い、その後、0.1〜10秒の
間に冷速2〜4℃/秒の加速冷却を開始し、頭頂部およ
びコーナー部の表面下5mm未満の温度をAr1変態点以
下まで冷却し、続いて表面の最大冷速4℃/秒以上30
℃/秒以下の冷速で冷却することを特徴とする頭部内部
疲労損傷性に優れた高強度レールの製造方法」である。 【0008】 【作用】本発明者らは表面近傍の層に硬度を抑えた組織
のある高強度レールを得るために多くの実験を実験室と
実生産設備とで行ってきた。以下に本発明について詳細
に説明する。まず、最終前の仕上げ圧延について述べ
る。図1に素材表面近傍の加工履歴を示す。 【0009】図1中に示した通り、仕上げ圧延は最終パ
スを残して850℃〜1050℃の温度域で終了しなけ
ればならない。この温度域は加工が十分に施され、再結
晶の核が存在した場合、レール鋼が静的にかつすばやく
再結晶する温度域である。この再結晶は通常には遅くと
も3秒のうちにほぼ終了するので最終前圧延から最終
仕上げ圧延までのパス間時間を3秒以上とした。このと
きの保持では特に加熱する必要があるわけではなく、1
分以内であれば大気中での放置でも差し支えない。 【0010】但し、添加元素と最終前の加工温度によっ
ては変化する場合があり、この場合では再結晶終了まで
に5秒近くかかることもあり、ここでは好ましくは5秒
以上のパス間時間が望ましい。逆に最終前の圧延温度が
高すぎるとこのパス間でγ組織が異常に粗大化するの
で、好ましくは1000℃以下で終了することが望まし
い。この時間での粗大化を考慮すると好ましくはパス間
時間は1分以下が望ましい。 【0011】次に最終仕上げ圧延とその直後の組織につ
いて述べる。圧下率を1パスあたり10%以下に限定し
た理由は、表面近傍のみに加工が加わるようにするため
である。言い換えると、最終仕上げ圧延では図2で示さ
れる領域のみに加工歪が与えられるようにするためであ
る。ここで圧下率とは圧延での断面減少率と定義する。 【0012】この10%という値はこれ以上の圧下率を
与えると、素材の内部にまで加工歪が及び、パーライト
変態がかなり奥の方まで進んでしまうからである。も
し、表面近傍のみに加工を与えるには、好ましくは、こ
のようなロール径の場合最終仕上げ圧延の圧下率は5%
以下であることが望ましい。また、2%の圧下率を与え
ると約5mmの深さまで再結晶するのに十分な歪が与えら
れる。即ち、深さ5mmのところに再結晶するのに十分な
歪が無ければならないので好ましくは2%以上の圧下率
を与えることが望ましい。 【0013】このように加工歪をもつ図2の表面近傍層
1は、すばやく再結晶し、一時的に微細なγ組織とな
る。しかし、この段階で放置すると通常ではすぐに結晶
粒が成長を始めて素材の内部と同じ程度の粒度になって
しまう。この粒成長を十分に起こさせないうちに表面近
傍層のみを急冷する。この時間は0.1〜10秒とし
た。 【0014】ここでは加工されたγ粒が再結晶を始める
までの時間として0.1秒とし、加速冷却しても高温で
パーライト変態出来る粒度よりγ粒が粒成長して粗くな
る恐れのある時間として10秒とした。急冷を始めるの
は再結晶が完全に終わってからでなくてもよいが、終わ
ってからのほうが望ましい。また、粒成長はできるだけ
しないうちであることが望ましいので、好ましくは、
0.5から5秒が望ましい。 【0015】この段階で、内部と表面近傍層とで粒度に
大きく差が出来ている。例えば実験での結果から、この
段階でのγ粒度は、図2の内部層2および3の1000
℃で最終前仕上げ圧延を終了した場合、Nγ=6程度、
950℃で最終前仕上げ圧延を終了した場合、Nγ=7
程度であり、一方、図2の表面近傍層1ではNγ=2程
度になっていることが判った。このようにして、表面近
傍は微細なγ組織の状態で加速冷却され始める。 【0016】続いて加速冷却と変態について述べる。図
2の表面近傍層1の微細γ組織は2〜4℃/秒で加速冷
却される。この微細γは変態の核が数多くある状態であ
るので、この冷却速度でも十分に短時間に高温でパーラ
イト変態する。これより速い冷却速度ではパーライト変
態が低温で生じ、硬度を抑えれらず、これより遅いとパ
ーライト変態する前にγ粒の成長が生じる。 【0017】また、硬度を抑える深さは摩耗の分も考え
て5mm程度がよいと思われる。しかるにAr1 変態点以
下に2〜4℃/秒で加速冷却する領域を表面下5mm以内
とした。一方、加工の及ばなかった内部では変態の核が
十分に無く、変態が進まない。 【0018】内部は急冷前のままの表面近傍ほど微細で
はないγ組織であるので、この時点で冷却速度を増して
強制的に低温でパーライト変態させる。表面の最大冷速
4℃/秒以上の冷速で冷却すると、内部はγ粒が表面近
傍ほど微細ではなく、急冷についていけるほど変態核が
存在しないので過冷されてから変態する。パーライト変
態は過冷されれば過冷されるほど硬度が上がることが判
っている。 【0019】このことから過冷される内部の硬度が高
く、過冷されない表面の硬度が抑えられ、遷移層がある
場合、高いピークの硬度が発現することがわかる。ここ
で、最大冷速が30℃/秒になると内部の比較的表面
に近い層にマルテンサイトが現れることがあり、これを
避けるために好ましくは最大冷速は30℃/秒以下で冷
却することが望ましい。また、内部の過冷度を大きくと
るためには最大冷速5℃/秒以上で冷却することが望ま
しい。 【0020】図3に本発明の製造方法で得られたレール
頭部の硬度分布を示す。硬度は5mm程度の深さまで抑え
られ、7mm程度の深さで硬度が高くなり、その内側へは
硬度が再び徐々に下がっていくことが判る。 【0021】最後に表面硬度を下げることによる内部疲
労損傷の抑制について述べる。内部疲労損傷はともに外
からの負荷によって生じる弾性的な応力と塑性変形によ
って生じる残留応力との応力の和によって生じる。この
負荷応力は約2〜3mmの深さにそのピークがあり、今ま
での所、重荷重鉄道で負荷される最大の負荷応力以上の
降伏点を持つレール鋼は開発されていない。 【0022】したがって、表面近傍層は塑性変形を免れ
ず、おおよその場合約6mmの深さまでこの変形が広が
る。この領域には圧縮の残留応力が分布し、この領域が
拡大すればするほどその外側で高い引張の残留応力が生
じることになる。 【0023】もし表面近傍層に硬度のピークができてい
れば塑性領域の拡大が抑えられないが、内部の硬度が高
ければ拡大が抑えられ、残留応力の成長も抑えられ、結
局内部疲労まで抑制できる。このように、本発明によっ
て提案された方法によれば、頭部表面硬度を内部に比べ
てやや抑えた内部疲労損傷性に優れた高強度レールを製
造することが可能である。 【0024】 【実施例】本発明は図4に示された製造ラインによって
つくられ、図5に示されたレール用の疲労試験機と製鉄
所構内での敷設試験で検証された。このときの製造条件
と試験結果は表1の通りである。これらの実施例として
挙げたものは内部に疲労損傷が発生していなかった。一
方、比較例として挙げたものは内部の塑性域が拡大し、
内部損傷が発生したものと考えられる。 【0025】 【表1】【0026】 【発明の効果】本発明の方法で製造されたレールは表面
より内部に硬度ピークのある内部疲労損傷性に優れたレ
ールである。本発明によって適切な硬度分布のあるレー
ルを製造することが可能となった。
【図面の簡単な説明】 【図1】表面近傍の加工温度履歴を示す図表。 【図2】製品のレール頭部の組織分布を示す説明図。 【図3】頭部硬度分布を示す図表。 【図4】製造工程レイアウトを示す説明図。 【図5】レール用の疲労試験機の要部を示す説明図。 【符号の説明】 1:硬度を抑えた表面層 2:内部の硬度の高い領域 3:首部近傍の過冷が十分にとれない硬度が出ない領域 4:ローラーテーブル 5:仕上げ圧延機(最終前) 6:仕上げ圧延機(最終) 7:レール 8:加速冷却装置1 9:加速冷却装置2 10:最終前待機場所 11:車輪 12:レール 13:輪重アクチュエータ 14:往復アクチュエータ 15:油圧ポンプ
フロントページの続き (72)発明者 菊地 厖 富津市新富20−1 新日本製鐵株式会社 技術開発本部内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B21B 1/08 C21D 8/00 C21D 9/04

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 レール鋼片の圧延において、頭部表面温
    度で850℃〜1050℃で最終仕上げを残した仕上げ
    圧延を行い、3秒以上1分以下のパス間時間の後、頭部
    表面温度で800℃〜950℃である1パスあたり10
    %以下の圧下率での1パスまたは複数パスの最終仕上げ
    圧延を行い、その後、0.1〜10秒の間に冷速2〜4
    ℃/秒の加速冷却を開始し、頭頂部およびコーナー部の
    表面下5mm未満の温度をAr1 変態点以下まで冷却し、
    続いて表面の最大冷速4℃/秒以上30℃/秒以下の冷
    速で冷却することを特徴とする頭部内部疲労損傷性に優
    れた高強度レールの製造方法。
JP5629695A 1995-03-15 1995-03-15 頭部内部疲労損傷性に優れた高強度レールの製造方法 Expired - Lifetime JP3423811B2 (ja)

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