JP3731934B2

JP3731934B2 - Manufacturing method of deep and high strength rail

Info

Publication number: JP3731934B2
Application number: JP05353596A
Authority: JP
Inventors: 大輔平上; 耕一内野; 俊哉黒木; 安典田野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-03-11
Filing date: 1996-03-11
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2016-03-11
Also published as: JPH09241747A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道その他の産業機械用として使用されるレールにおいて高深度までレール頭部を高硬度化させる製造方法である。
【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強く、耐摩耗性が良好なことから鉄道車両の重量増加に伴う高軸重化や高速輸送化に対応してレールに多く使用されている。一般にパーライト鋼では、レール頭部を高硬度化させることによって耐摩耗性が向上するといわれており、このレール頭部を高硬度化させる方法としてレール頭部の熱処理がある。
【０００３】
このような鋼材の製造方法としては、例えば、特開昭５８−２２１２２９号公報には「Ｃ：０．６５〜０．８５％、Ｍｎ：０．５〜２．５％を含有したＭｎ鋼レールをオーステナイト領域から急冷し、レールまたはレールヘッドの組織をパーライトとして耐摩耗性を改善したレールの熱処理方法」、特開昭５９−１３３３３２２号公報には「安定してパーライト組織が得られる特定成分の圧延レールをＡｒ₃点以上の温度から特定温度の溶融塩浴中に浸漬して、レール頭部表面下約１０mmまでＨｖ３５０以上の硬さを持つ微細なパーライト組織を呈するレールの熱処理方法」が開示されているがごとく、レール頭部の高硬度化技術が知られている。
【０００４】
しかし、レール頭部は厚みが大きいため、高硬度化のための冷却速度を早くするとレール頭部の表層部と内部とで冷却速度に大きく異なり、頭表部と内部との硬さに大きな差が生じる。このため、レールが摩耗すると、内部が柔らかいために摩耗速度が速くなり、寿命が短くなるという問題があり、この問題の早期解決が望まれている。
【０００５】
また、特開昭６２−２４３７１３号公報に「連鋳法あるいは造塊・分塊法で得られる鋼片を熱間圧延直後あるいは熱間圧延後一旦冷却した後、オーステナイト領域に再加熱した鋼レールを冷却するにあたり、８００〜６２０℃の温度区間をレール頭部に指向して噴出する気体もしくは気液体により、３〜１０℃／ｓの冷却速度で冷却し、頭表面から２〜８mm深さの部分をパーライト変態させた後、引き続きレールの頭表部を４〜１５℃／ｓの冷却速度で強制冷却することによってレール内部を微細パーライト高強度化する、耐表面疲労損傷性にすぐれた高強度レールの製造方法」が述べられている。
【０００６】
この方法では、レールの頭表下２〜８mmの範囲の硬さを下げることによって、潤滑による摩耗の極端に少ない場所での表面疲労損傷に対し、優れた性能を示している。しかし、重荷重鉄道での潤滑を行っていない曲線区間等の摩耗の激しいところでは、頭表面から内部まで高硬度化したレールが要求されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した要求を充足しようとするものであり、レールの単調な冷却によるレール頭部における表層部と内部の硬さの大きな差による耐摩耗性の問題を克服し、高炭素鋼のレールの耐摩耗性を向上させる方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、レール頭部において高深度まで高硬度化させたレールを製造するために、鋼成分とその製造方法から多くの実験を試みた結果、高炭素鋼ではＡｒ₁以上の領域より徐冷し、図１の曲線１で示した表面を起点として頭表下５mm以内の領域（図３の１１）がパーライト変態を開始した後（図１の点６）、急冷することにより図１の曲線２に示した内部（図３の１３）が図１の点７に示したところから大きく抜熱されることで内部のパーライト変態点が低下し、表層部変態点（図１の３）と内部変態点（図１の４）とが近くなり、硬さの差が小さくなる知見を得た。
【０００９】
本発明はこのような知見に基ずいて構成したものであり、その要旨とするところは、Ｃ：０．６０〜０．８５％を含有し、少くともレール頭部全面にパーライトの金属組織を呈する炭素鋼または低合金鋼レールにおいて、レール形状に熱間圧延後、または熱処理の目的のためにＡｃ₁点以上の温度に加熱後、Ａｒ₁点以上の温度からレール頭部の頭頂部および頭側部の表面を起点として表面下５mm以内の領域（図３の１１）がパーライト変態を開始するまで冷却速度１〜１０℃／ｓで冷却した後、表面を起点として表面下２０mm以上の領域（図３の１２）がパーライト変態終了まで冷却速度が２〜２０℃／ｓで冷却する。
【００１０】
あるいは、Ｃ：０．６０〜０．８５％を含有し、レール全面にパーライト組織を呈する炭素鋼または低合金鋼レールにおいて、レール形状に熱間圧延後、または熱処理の目的のためにＡｃ₁点以上の温度に再加熱後、Ａｒ₁点以上の温度からレール頭部の表面を起点として表面下５mm以内の領域（図３の１１）がパーライト変態を開始するまで冷却速度１〜１０℃／ｓで冷却した後、冷却速度２〜３０℃で４００〜６００℃まで冷却し、この温度域で表面を起点として表面下２０mm以上の領域（図３の１２）がパーライト変態終了するまで保定することを特徴とする高深度高強度レールの製造方法である。
【００１１】
【発明の実施の態様】
まず、本発明において鋼成分を上記のように限定した理由を説明する。
通常の溶解炉で溶製された溶鋼を連続鋳造法あるいは造塊分塊法の工程を経て製造された炭素鋼片、あるいはさらにＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉなどの強度向上元素を少量含有した底合金鋼片において、Ｃはパーライト金属組織を生成させ、特にレール用鋼として耐摩耗性を向上させるために有効な成分であり、この組織を得るために０．６０％以上含有させる必要がある。しかし、０．８５％を超える量を含有させることはセメンタイト金属組織が多く析出して延性や靭性を低下させる問題がある。そこで、本発明におけるＣ量は０．６０〜０．８５％に限定した。
【００１２】
こうして製造された鋼は加熱し圧延され、その圧延後あるいは一旦パーライト変態終了後にＡｃ₃点以上に再加熱後に冷却することにより高硬度を得ている。しかし、単調な冷却では表層部と内部とで冷却速度に差が生じ、連続冷却におけるパーライト変態点に差が生じるため、硬さに大きな差が生じる。そこで、表層部と内部の硬さの差を小さくする方法の条件について説明する。
【００１３】
オーステナイト域温度であるＡｃ₁点以上から表面を起点として頭頂下５mm以内の領域がパーライト変態点を切るまで表層部と内部とに冷却速度に差を生じさせないように徐冷させる。このとき、徐冷は頭表面の冷却速度が１℃／ｓ未満の冷却速度では変態までの時間が非常にかかり、一方１０℃／ｓを超えた冷却速度では表層と内部とで大きな冷却速度の差が生じる。そこで、徐冷の頭表面の冷却速度は１〜１０℃／ｓに限定した。また、頭表下５mmを超えた領域がパーライト変態を開始すると、変態発熱量が大きくなり内部の抜熱が困難になるため、急冷を開始するのは表面下５mm以内の領域が変態を開始する時点と決定した。
【００１４】
この表層部がパーライト変態開始後、内部を抜熱するための急冷において、頭表面の冷却速度が２℃／ｓ未満の冷却速度では内部の抜熱量を大きくすることはできず、２０℃／ｓを超えた冷却速度では内部にパーライト以外の金属組織を呈するようになる。このため、表層部のパーライト変態開始後、頭表面の冷却速度は２〜２０℃／ｓに限定した。また急冷停止は頭表下パーライト変態完了の領域が２０mm未満のとき、頭表下２０mmまで高硬度を得ることはできない。そこで、急冷停止は頭表下２０mm以上の領域がパーライト変態を終了するまでとした。
【００１５】
一方、表層部がパーライト変態をした後の急冷を４００〜６００℃の間の温度で停止し（図２の８，９）保定する場合において、内部の抜熱のための急冷は２℃／ｓ未満の冷却速度では内部の抜熱量を大きくすることはできず内部硬さを上げることは困難であり、また３０℃／ｓを超えた冷却速度は制御が困難であり冷却速度が不均一になるため硬さにばらつきが生じる。また、保定温度は４００未満ではベイナイト組織を呈するようになり、６００℃を超えると内部の硬さが低くなる。そこで、冷却速度を２〜３０℃／ｓに限定し、急冷停止温度の範囲および保定温度を４００〜６００℃に限定した。
【００１６】
保定時間は、望ましくは０．５〜１０分であり、０．５分未満であるとレール長手方向の頭頂部温度が十分に均一にならないため、冷却後のレール頭頂部硬さにばらつきを生じやすくなり、１０分以上になると温度低下のための加熱装置が必要になり、プロセスが複雑になる。
【００１７】
【実施例】
表１に金属組織がパーライトを呈する供試鋼の化学成分を示す。表２、表３に熱処理条件を及びその結果得られた各部位の硬度を示した。表１、表２はそれぞれ請求項１、請求項２におけるは本発明および比較法の実施例を示している。本発明法では比較法に比べて、レール頭表部と内部の硬さの差が大きくなり、高深度まで高硬度を得ることができることがわかる。
【００１８】
【表１】

【００１９】
【表２】

【００２０】
【表３】

【００２１】
【発明の効果】
本発明によって図４に示すように熱処理後のレール頭部を高深度まで高硬度化することができる。この方法より、頭頂の硬さと頭表下２０mmの硬さの差はＨｖ２０以下でかつ長手方向の硬さのばらつきが少ないレールを得ることができる。また、内部まで高硬度なため、レールの耐摩耗性が一段と向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のレール頭部の連続冷却曲線を示す図。
【図２】実施例２のレール頭部の連続冷却曲線を示す図。
【図３】レール頭部の冷却範囲を示す図。
【図４】レール頭部横断面硬さ分布を示す図。
【符号の説明】
１表面を起点として頭表下５mm以内の領域の冷却曲線
２表面を起点として頭表下２０mm以上の領域の冷却曲線
３表面を起点として頭表下５mm以内の領域のパーライト変態点
４表面を起点として頭表下２０mm以上の領域のパーライト変態点
５パーライト変態開始曲線
６，７急冷開始点
８，９保定開始点
Ｐパーライト変態領域
１１表面を起点として頭表下５mm以内の頭表部の領域
１２表面を起点として頭表下５〜２０mmの領域
１３表面を起点として頭表下２０mmの内部の領域
１４表面を起点として頭表下５mmの線
１５表面を起点として頭表下２０mmの線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a manufacturing method for increasing the hardness of a rail head to a high depth in a rail used for railways and other industrial machines.
[0002]
[Prior art]
Steel with a high carbon and pearlite microstructure is strong and has good wear resistance, so it is often used for rails in response to higher axle loads and higher speeds associated with increased weight of railway vehicles. . In general, pearlite steel is said to improve the wear resistance by increasing the hardness of the rail head, and heat treatment of the rail head is a method for increasing the hardness of the rail head.
[0003]
As a method for producing such a steel material, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-212229 discloses “Mn steel rail containing C: 0.65 to 0.85%, Mn: 0.5 to 2.5%. Is a rail heat treatment method in which the structure of the rail or rail head is used as pearlite to improve wear resistance, and in Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-1333322, “a specific component for stably obtaining a pearlite structure” is disclosed. Disclosed is a rail heat treatment method in which a rolled rail is immersed in a molten salt bath at a temperature from Ar ₃ or higher to a specific temperature to exhibit a fine pearlite structure having a hardness of Hv 350 or higher up to about 10 mm below the surface of the rail head. As is described, a technique for increasing the hardness of the rail head is known.
[0004]
However, because the rail head is thick, increasing the cooling rate to increase the hardness greatly changes the cooling rate between the surface layer and inside of the rail head, and there is a large difference in hardness between the head surface and inside. Occurs. For this reason, when the rail is worn, there is a problem that the wear speed is increased because the inside is soft and the life is shortened, and an early solution of this problem is desired.
[0005]
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 62-243713 discloses that a steel rail obtained by reheating a steel slab obtained by continuous casting or ingot-making / splitting immediately after hot rolling or after hot rolling and then reheating to the austenite region. Is cooled at a cooling rate of 3 to 10 ° C./s with a gas or gas liquid ejected in a temperature range of 800 to 620 ° C. toward the rail head, and is 2 to 8 mm deep from the head surface. After the part is transformed to pearlite, the inner surface of the rail is continuously forcibly cooled at a cooling rate of 4 to 15 ° C / s to increase the strength of the fine pearlite inside. High strength with excellent surface fatigue damage resistance Rail manufacturing method "is described.
[0006]
In this method, by reducing the hardness in the range of 2 to 8 mm below the head of the rail, excellent performance is exhibited against surface fatigue damage in a place where wear due to lubrication is extremely small. However, where the wear is severe, such as in a curved section where lubrication is not performed on heavy-duty railways, a highly hardened rail is required from the head surface to the inside.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention is intended to satisfy the above-described requirements, and overcomes the problem of wear resistance caused by a large difference in hardness between the surface layer portion and the inner portion of the rail head due to monotonous cooling of the rail. It aims at providing the method of improving the abrasion resistance of.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of many experiments from the steel components and the manufacturing method thereof in order to manufacture a rail having a high hardness at a rail head at a high depth in the rail head, the high carbon steel has a higher area than Ar ₁ or more. After slowly cooling, after starting the pearlite transformation in a region within 5 mm below the head surface (11 in FIG. 3) starting from the surface shown by curve 1 in FIG. 1 (point 6 in FIG. 1), the region is rapidly cooled as shown in FIG. The inside (13 in FIG. 3) shown in curve 2 is greatly extracted from the point 7 shown in FIG. 1, so that the internal pearlite transformation point is lowered and the surface layer transformation point (3 in FIG. 1) The internal transformation point (4 in FIG. 1) was close, and knowledge was obtained that the difference in hardness was reduced.
[0009]
The present invention is configured on the basis of such knowledge. The gist of the present invention is that C: 0.60 to 0.85% is contained, and at least the pearlite metal structure is formed on the entire rail head. In the present carbon steel or low alloy steel rail, after hot rolling into a rail shape, or after heating to a temperature of Ac ₁ point or higher for the purpose of heat treatment, from the temperature of Ar ₁ point or higher to the top and head of the rail head After cooling at a cooling rate of 1 to 10 ° C./s until an area within 5 mm below the surface (11 in FIG. 3) starting from the side surface starts pearlite transformation, an area of 20 mm or more below the surface starting from the surface ( Cooling is performed at a cooling rate of 2 to 20 ° C./s until 12) in FIG.
[0010]
Alternatively, in a carbon steel or low alloy steel rail containing C: 0.60 to 0.85% and exhibiting a pearlite structure on the entire surface of the rail, Ac ₁ point after hot rolling into the rail shape or for the purpose of heat treatment After reheating to the above temperature, a cooling rate of 1 to 10 ° C./s until a region (11 in FIG. 3) within 5 mm below the surface starting from the surface of the rail head from the temperature of Ar ₁ point or higher starts pearlite transformation. After cooling at 400 to 600 ° C. at a cooling rate of 2 to 30 ° C., and holding at this temperature range from the surface to 20 mm or more below the surface (12 in FIG. 3) until the pearlite transformation is completed. It is the manufacturing method of the high-depth high-strength rail characterized.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, the reason why the steel components are limited as described above in the present invention will be described.
Carbon steel pieces produced by continuous casting or ingot-and-blooming processes of molten steel produced in a normal melting furnace, or a bottom containing a small amount of strength improving elements such as Cr, Mo, V, Ni In the alloy steel slab, C is an effective component for generating a pearlite metal structure and improving the wear resistance particularly as a steel for rails. In order to obtain this structure, it is necessary to contain 0.60% or more. However, the inclusion of an amount exceeding 0.85% has a problem that a large amount of cementite metal structure is precipitated and ductility and toughness are lowered. Therefore, the amount of C in the present invention is limited to 0.60 to 0.85%.
[0012]
The steel produced in this manner is heated and rolled, and high hardness is obtained by cooling after reheating to Ac ₃ point or higher after the rolling or once completion of pearlite transformation. However, in monotonous cooling, a difference occurs in the cooling rate between the surface layer portion and the inside, and a difference occurs in the pearlite transformation point in continuous cooling, resulting in a large difference in hardness. Therefore, the conditions of a method for reducing the difference in hardness between the surface layer portion and the inside will be described.
[0013]
Region within the parietal under 5mm starting surface from above Ac ₁ point is the austenite region temperature to gradually cooled so as not to cause a difference in cooling rate and the surface portion and the interior until off pearlite transformation point. At this time, slow cooling takes a very long time until transformation when the cooling rate of the head surface is less than 1 ° C./s, while a cooling rate exceeding 10 ° C./s has a large cooling rate between the surface layer and the inside. There is a difference. Therefore, the cooling rate of the slowly cooled head surface was limited to 1 to 10 ° C./s. In addition, if the area exceeding 5mm below the head surface starts pearlite transformation, the amount of transformation heat generation becomes large and it becomes difficult to remove the heat inside. Therefore, rapid cooling starts when the region within 5mm below the surface starts transformation. Time was determined.
[0014]
In the rapid cooling for removing the inside of the surface layer after the pearlite transformation starts, if the cooling rate of the head surface is less than 2 ° C./s, the amount of heat removal inside cannot be increased, and 20 ° C./s. When the cooling rate exceeds 1, a metal structure other than pearlite is exhibited inside. For this reason, the cooling rate of the head surface was limited to 2 to 20 ° C./s after the start of pearlite transformation in the surface layer. Moreover, when the area of completion of pearlite transformation below the head surface is less than 20 mm, the rapid cooling stop cannot obtain high hardness up to 20 mm below the head surface. Therefore, the rapid cooling stop was performed until the pearlite transformation was completed in an area of 20 mm or more below the head surface.
[0015]
On the other hand, in the case where the rapid cooling after the surface layer portion has undergone pearlite transformation is stopped at a temperature of 400 to 600 ° C. (8 and 9 in FIG. 2) and held, the rapid cooling for heat removal inside is 2 ° C./s. If the cooling rate is less than that, it is difficult to increase the internal heat removal amount and it is difficult to increase the internal hardness, and the cooling rate exceeding 30 ° C./s is difficult to control and the cooling rate becomes uneven. Therefore, the hardness varies. Further, when the holding temperature is less than 400, a bainite structure is exhibited, and when it exceeds 600 ° C., the internal hardness becomes low. Therefore, the cooling rate was limited to 2 to 30 ° C./s, and the range of the quenching stop temperature and the holding temperature were limited to 400 to 600 ° C.
[0016]
The holding time is preferably 0.5 to 10 minutes, and if it is less than 0.5 minutes, the temperature at the top of the rail does not become sufficiently uniform, resulting in variations in the hardness of the rail top after cooling. It becomes easy, and when it becomes 10 minutes or more, a heating device for lowering the temperature is required, and the process becomes complicated.
[0017]
【Example】
Table 1 shows the chemical composition of the test steel whose metal structure exhibits pearlite. Tables 2 and 3 show the heat treatment conditions and the hardness of each part obtained as a result. Tables 1 and 2 show examples of the present invention and comparative methods in claims 1 and 2, respectively. It can be seen that the method according to the present invention has a larger difference in hardness between the rail head surface and the interior than the comparative method, and a high hardness can be obtained up to a high depth.
[0018]
[Table 1]

[0019]
[Table 2]

[0020]
[Table 3]

[0021]
【The invention's effect】
According to the present invention, as shown in FIG. 4, the rail head after heat treatment can be hardened to a high depth. By this method, it is possible to obtain a rail in which the difference between the hardness at the top of the head and the hardness at 20 mm below the head surface is Hv20 or less and the variation in the hardness in the longitudinal direction is small. In addition, since the interior is highly hard, the wear resistance of the rail is further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a continuous cooling curve of a rail head according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a continuous cooling curve of a rail head according to a second embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a cooling range of a rail head.
FIG. 4 is a diagram showing a rail head cross-sectional hardness distribution.
[Explanation of symbols]
1 Cooling curve of the region within 5mm below the head surface starting from the surface 2 Cooling curve of the region above 20mm below the head surface starting from the surface 3 Perlite transformation point of the region within 5mm below the head surface starting from the surface 4 Starting point from the surface The pearlite transformation point 5 in the region 20 mm or less below the head surface The pearlite transformation start curve 6, 7 The rapid cooling start point 8, 9 The retention start point P The pearlite transformation region 11 The region 12 in the head surface portion within 5 mm below the head surface starting from the surface 5mm 20mm below the head surface starting from the surface 13 A region 15mm inside the head surface starting from the surface 14 5mm below the head surface starting from the surface 15 A line 20mm below the head surface starting from the surface

Claims

C: A carbon steel or low alloy steel rail containing 0.60 to 0.85% and exhibiting a pearlite metal structure on the entire rail head, after hot rolling into the rail shape, or for the purpose of heat treatment For this purpose, after heating to a temperature of Ac ₁ point or higher, the surface of the head until a region within 5 mm below the surface starting from the top of the rail head and the top of the head from the temperature of Ar ₁ point or higher begins pearlite transformation. After cooling at a cooling rate of 1 to 10 ° C./s, a region of 20 mm or more below the surface starting from the surface is cooled at a cooling rate of 2 to 20 ° C./s until the pearlite transformation is completed. Manufacturing method of high-depth and high-strength rail.

C: A carbon steel or low alloy steel rail containing 0.60 to 0.85% and exhibiting a pearlite structure on the entire rail head, after hot rolling into the rail shape, or for the purpose of heat treatment After heating to a temperature of Ac ₁ point or higher, the head surface is cooled at a cooling rate of 1 to 10 ° C./s from the temperature of Ar ₁ point or higher until the surface of the rail head starts from 5 mm below the pearlite transformation. After that, the head surface is cooled at a cooling rate of 2 to 30 ° C. to a temperature of 400 to 600 ° C., and the pearlite transformation is completed in the region of 20 mm or more below the surface starting from the surface in this temperature range of 400 to 600 ° C. The manufacturing method of the high-deep high-strength rail characterized by holding up to.