JP4267334B2 - Heat treatment method for high carbon steel pearlite rail - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炭素含有鋼からなるレールにおいて、レール断面全体にわたって初析セメンタイト組織の生成を抑制し、脆性破壊の発生、疲労強度や靭性の低下を防止し、これに加えて、頭部の耐摩耗性を確保することを目的とした高炭素鋼パーライトレールの熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、海外の石炭や鉄鉱石を輸送する重荷重鉄道や国内の貨物鉄道では、より一層の鉄道輸送の高効率化のために、貨物の高積載化を強力に進めており、特に急曲線のレールでは、Ｇ．Ｃ．部（ゲージ・コーナー部）や頭側部の耐摩耗性が十分確保できず、摩耗によるレール寿命の低下が問題となってきた。
【０００３】
このような背景から、現状の共析炭素含有の高強度レール以上の耐摩耗性を有するレールの開発が求められるようになってきた。この問題を解決するため、本発明者らは下記に示すようなレールを開発した。
▲１▼ 過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）を用いて、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト密度を増加させた、耐摩耗性に優れたレール（特許文献１）。
▲２▼ 過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）を用いて、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト密度を増加させ、同時に頭部を熱処理することにより硬さを制御した、耐摩耗性に優れたレールおよびその製造法（特許文献２）。
▲３▼ 過共析鋼（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）を用いて、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト密度を増加させ、同時に頭部や柱部を熱処理することにより硬さを制御した、耐摩耗性に優れたレール及びその製造法（特許文献３）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１４４０１６号公報
【特許文献２】
特開平８−２４６１００号公報
【特許文献３】
特開平９−１３７２２８号公報
【０００５】
これらのレールの特徴は、鋼の炭素量を増加し、パーライトラメラ中のセメタイト相の体積比率を増加させ、さらに頭部、柱部を熱処理することにより、硬さや組織を制御することにより、パーライト組織の耐摩耗性や靭性を向上させるものであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記▲１▼に示されたパーライト組織を呈する発明レール鋼では、高炭素化により耐摩耗性の向上が図れる。しかし上記発明レール鋼は、現行の共析炭素含有の高強度レール鋼よりも炭素量が高く、初析セメンタイト組織が生成し易い。このため、初析セメンタイト組織が疲労き裂や脆性破壊の起点となり、レールの使用寿命が低下するといった問題があった。
【０００７】
また、上記▲２▼、▲３▼に示された熱処理方法では、レール頭部、またはさらに柱部を加速冷却することにより、頭部のパーライト組織の硬さ確保や柱部の初析セメンタイト組織の生成抑制は可能である。しかし、レール足部や足先部においては、上記熱処理方法を用いても、疲労き裂や脆性破壊の起点となる初析セメンタイト組織の生成抑制は困難であった。特に足先部は、頭部や柱部と比べて断面積が小さいことにより、他の部位と比べ圧延終了時の温度が低下するため、頭部や柱部と同一タイミングで熱処理を行っても、熱処理前に足先部に初析セメンタイト組織が生成してしまう。また柱部についても、圧延終了時の温度が低いことに加え、各種合金元素の偏析帯が残存するため初析セメンタイト組織が生成しやすい。これらのため、足先部や柱部からの疲労き裂や脆性き裂の発生を完全には防止できなかった。
【０００８】
このような背景から、高炭素含有のレール鋼において、レール頭部や足部のみならず、足先部や柱部の初析セメンタイト組織の生成を抑制し、脆性破壊の発生、疲労強度や靭性の低下を防止し、これに加えて頭部の耐摩耗性を確保する熱処理方法の開発が求められていた。
【０００９】
すなわち本発明は、高炭素含有のレール鋼において、熱間圧延終了後、ある一定時間内で、レール足先部、および／または柱部に加速冷却または昇温を行い、これに加えてレール頭部、足部に加速冷却を行い、さらに頭部の加速冷却速度の向上を図り、初析セメンタイト組織の生成抑制により、脆性破壊の発生、疲労強度や靭性の低下を防止し、同時にレール頭部の耐摩耗性を確保することを目的としたものである。
【００１０】
【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次の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．９０〜１．２０％を含有するレール用鋼材をレール形状に熱間圧延後、熱間圧延終了後から加速冷却開始までの経過時間が６０秒以内に、鋼レールの足先部をオーステナイト域温度から冷却速度範囲５〜２０℃/secで、少なくとも６５０℃まで加速冷却し、その後、鋼レールの頭部、柱部および足部を、オーステナイト域温度から冷却速度範囲１〜１０℃/secで、少なくとも６５０℃まで加速冷却することを特徴とする高炭素鋼パーライトレールの熱処理方法。
（２）質量％で、Ｃ：０．９０〜１．２０％を含有するレール用鋼材をレール形状に熱間圧延後、熱間圧延終了後から加速冷却開始までの経過時間が１００秒以内に、鋼レールの柱部をオーステナイト域温度から冷却速度範囲２〜２０℃/secで、少なくとも６５０℃まで加速冷却し、その後、鋼レールの頭部および足部を、オーステナイト域温度から冷却速度範囲１〜１０℃/secで、少なくとも６５０℃まで加速冷却することを特徴とする高炭素鋼パーライトレールの熱処理方法。
【００１１】
（３）質量％で、Ｃ：０．９０〜１．２０％を含有するレール用鋼材をレール形状に熱間圧延後、熱間圧延終了後から加速冷却開始までの経過時間が６０秒以内に、鋼レールの足先部をオーステナイト域温度から冷却速度範囲５〜２０℃/secで、少なくとも６５０℃まで加速冷却し、その後、熱間圧延終了後から加速冷却開始までの経過時間が１００秒以内に、鋼レールの柱部をオーステナイト域温度から冷却速度範囲２〜２０℃/secで、少なくとも６５０℃まで加速冷却し、その後、鋼レールの頭部および足部を、オーステナイト域温度から冷却速度範囲１〜１０℃/secで、少なくとも６５０℃まで加速冷却することを特徴とする高炭素鋼パーライトレールの熱処理方法。
（４）質量％で、Ｃ：０．９０〜１．２０％を含有するレール用鋼材をレール形状に熱間圧延後、熱間圧延終了後から加速冷却開始までの経過時間が６０秒以内に、鋼レールの足先部の温度を昇温前よりも５０〜１００℃上昇させ、その後、鋼レールの頭部、柱部および足部を、オーステナイト域温度から冷却速度範囲１〜１０℃/secで、少なくとも６５０℃まで加速冷却することを特徴とする高炭素鋼パーライトレールの熱処理方法。
【００１２】
（５）質量％で、Ｃ：０．９０〜１．２０％を含有するレール用鋼材をレール形状に熱間圧延後、熱間圧延終了後から加速冷却開始までの経過時間が１５０秒以内に、鋼レールの柱部の温度を昇温前よりも２０〜１００℃上昇させ、その後、鋼レールの頭部、柱部および足部を、オーステナイト域温度から冷却速度範囲１〜１０℃/secで、少なくとも６５０℃まで加速冷却することを特徴とする高炭素鋼パーライトレールの熱処理方法。
（６）質量％で、Ｃ：０．９０〜１．２０％を含有するレール用鋼材をレール形状に熱間圧延後、熱間圧延終了後から加速冷却開始までの経過時間が６０秒以内に、鋼レールの足先部の温度を昇温前よりも５０〜１００℃上昇させ、その後、熱間圧延終了後から加速冷却開始までの経過時間が１５０秒以内に、鋼レールの柱部の温度を昇温前よりも２０〜１００℃上昇させ、その後、鋼レールの頭部、柱部および足部を、オーステナイト域温度から冷却速度範囲１〜１０℃/secで、少なくとも６５０℃まで加速冷却することを特徴とする高炭素鋼パーライトレールの熱処理方法。
（７） オーステナイト域温度からの冷却において、鋼レールの頭部の冷却速度を３〜２０℃/secの範囲とし、少なくとも５００℃まで加速冷却することを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載の高炭素鋼パーライトレールの熱処理方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について詳細に説明する。
まず、本発明者らは、高炭素含有のレール鋼において、初析セメンタイト組織の生成が抑制可能な熱処理方法を検討した。その結果、熱間圧延後のレールにおいて、頭部、柱部に加えて、足部をオーステナイト域から加速冷却することにより、初析セメンタイト組織の生成が十分に抑制されることが確認された。
しかしレール足先部は、圧延終了時の温度が低いため、頭部や足部と同一タイミングで熱処理を行っても、熱処理前に初析セメンタイト組織が生成してしまう。このため、足先部からの疲労き裂や脆性き裂の発生を抑制できなかった。
【００１４】
また本発明者らは、高炭素含有のレール鋼において、柱部に初析セメンタイト組織が生成する要因やその特徴をレール圧延実験により検討した。
その結果、▲１▼レール柱部には溶鋼の鋳造段階で鋳片中心部に合金元素が濃化した偏析帯が形成されているため初析セメンタイト組織の生成が促進され易いこと、▲２▼レール柱部は頭部や足部と比べて断面積が小さいため、圧延終了時の温度が低下し、偏析帯の有無に関係なく、圧延終了後、比較的短時間で初析セメンタイト組織が生成すること、が明らかとなった。
【００１５】
そこで本発明者らは、高炭素含有のレール鋼において、レール足先部および柱部の初析セメンタイト組織の生成抑制方法を検討した。その結果、レール足先部および／または柱部について、頭部や足部とは別個に加速冷却する、またはレール足先部および／または柱部のみを昇温し、その後、頭部および足部をオーステナイト域から加速冷却することにより、初析セメンタイト組織の生成が抑制できることを見出した。
【００１６】
次に本発明者らは、実レール製造において、レール足先部および／または柱部の初析セメンタイト組織の生成が抑制できる熱処理方法を検討した。
その結果、実レール製造では、レール足先部および／または柱部の初析セメンタイト組織の生成の程度は、熱間圧延終了後加速冷却開始までの時間と加速冷却速度とに良い相関があることが確認された。
この考えに基づいて様々な実験を行った結果、レール足先部および／または柱部において、▲１▼熱間圧延終了後、一定時間以内に、ある一定範囲の冷却速度で、冷却終了温度を一定温度以上とする加速冷却を行うこと、▲２▼熱間圧延終了後、一定時間以内に、ある一定範囲内の昇温を行い、その後ある一定範囲の冷却速度で、冷却終了温度を一定温度以上とする加速冷却を行うことにより、初析セメンタイト組織の生成が抑制できることを見出した。
【００１７】
さらに本発明者らは、実レール製造において、レール足先部および／または柱部に加えて、レール頭部や足部の初析セメンタイト組織の生成が抑制できる熱処理方法を検討した。レール頭部や足部については、レール柱部の熱処理中および／または熱処理の前後に、ある一定範囲の冷却速度で、冷却終了温度を一定温度以上とする加速冷却を行うことにより、初析セメンタイト組織の生成が十分に抑制できることを確認した。
【００１８】
これらの発明に加えて、本発明者らは、上記の熱処理方法において、レール頭部の耐摩耗性を確保するレールの熱処理方法を検討した。その結果、レール頭部、柱部および足部のオーステナイト域からの加速冷却時に、レール頭部の加速冷却速度を、上記の冷却速度範囲よりも高い冷却速度範囲とすることにより、レール頭部の高硬度化が図れ、耐摩耗性が確保できることを見出した。
【００１９】
したがって本発明では、高炭素含有のレール鋼において、熱間圧延終了後、ある一定時間以内に、レール足先部および／または柱部に加速冷却または昇温を行い、かつレール頭部や足部に加速冷却を行うことにより、脆性破壊の発生起点となり、疲労強度や靭性の低下をもたらす初析セメンタイト組織の生成が抑制可能となり、さらに頭部の加速冷却速度の適正化を図ることにより、レール頭部の耐摩耗性を確保できることを知見した。
【００２０】
すなわち本発明は、高炭素含有のレール鋼において、レール足先部や柱部、さらに、頭部、足部にわたる、レール断面全体にわたって初析セメンタイト組織の生成を抑制し、脆性破壊の発生、疲労強度や靭性の低下を防止し、これに加えて、頭部の耐摩耗性を確保することを目的とした高炭素鋼レールの熱処理方法に関するものである。
【００２１】
次に、本発明の限定理由について詳細に説明する。
（１）鋼レールの化学成分の限定理由：
請求項１において、レール鋼の炭素量を上記請求範囲に限定した理由について詳細に説明する。
Ｃは、パーライト変態を促進させて、かつ耐摩耗性を確保する有効な元素である。Ｃ量が０．９０％未満では、パーライト組織中のセメンタイト相の体積比率が確保できず、耐摩耗性が維持できない。またＣ量が０．９０％未満では、加速冷却や加速冷却を行わない自然冷却の状態においても、初析セメンタイト組織の生成量が少なく、本発明の熱処理方法を適用しても十分な効果が得られない。またＣ量が１．２０％を超えると、初析セメンタイト組織の生成が促進され、本発明の熱処理方法を適用しても、初析セメンタイト組織の生成を抑制できず、レールの疲労強度や靭性が低下する。このため、Ｃ量を０．９０〜１．２０％に限定した。
【００２２】
なお、本発明熱処理方法においては、上記の炭素量以外の鋼レールの成分系は特に限定するものではない。パーライト組織の硬度の向上、パーライト組織の延性や靭性の向上、溶接部の熱影響部の軟化の防止、レール頭部内部の断面硬度分布の制御、初析セメンタイト組織の生成抑制を図る目的で、必要に応じて、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｂ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｎ等の元素を１種または２種以上を含有する成分系が望ましい。
【００２３】
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・分塊あるいは連続鋳造により鋼片を製造する。さらに熱間圧延を経てレールとして製造される。
次に、この熱間圧延した高温度の熱を保有するレール柱部、さらにはレール頭部、足部に上記限定の熱処理を施すことにより、脆性破壊や疲労き裂の発生に有害な初析セメンタイト組織の生成を防止することが可能となる。
【００２４】
（２）レール足先部および／または柱部の加速冷却条件の限定理由：
請求項１ないし３において、熱間圧延終了後のレール足先部および／または柱部の加速冷却開始までの時間、冷却速度、冷却温度範囲を上記請求範囲に限定した理由について詳細に説明する。
まず、熱間圧延終了後のレール足先部および／または柱部の加速冷却開始までの時間について説明する。加熱間圧延終了後、加速冷却開始までの経過時間は、レール足先部では６０秒以内、レール柱部では１００秒以内である。この時間を超えると、本発明の成分系では、加速冷却前に初析セメンタイト組織が生成し、レール疲労強度や靭性を低下させる。
なお、レール柱部の熱間圧延終了後の加速冷却開始までの時間については、特に下限値は限定していないが、オーステナイト粒の均一化や圧延時の温度ムラの低減を図るため、熱間圧延終了後１０秒以上経過した後に加速冷却を開始することが望ましい。
【００２５】
次に、レール足先部および／または柱部の加速冷却時の冷却速度範囲について説明する。
レール足先部の加速冷却速度範囲を５〜２０℃/sec、レール柱部の加速冷却時の冷却速度範囲を２〜２０℃/secの範囲に限定した。冷却速度がこれより遅いと、本発明の成分系では初析セメンタイト組織の生成の抑制が困難となり、また冷却速度が２０℃/secを超えると、マルテンサイト組織が生成し、レールの靭性が大きく低下するため制限される。
【００２６】
なお、上記のレール足先部および／または柱部の加速冷却時の冷却速度は、冷却開始から終了までの平均的な冷却速度であり、冷却途中の冷却速度を示すものではない。したがって、冷却開始から終了までの平均的な冷却速度が上記限定範囲内であれば、初析セメンタイト組織の生成の抑制が可能となる。
【００２７】
次に、レール柱部の加速冷却時の冷却温度範囲について説明する。
６５０℃を超えた温度で加速冷却を終了すると、加速冷却終了後に、レール内部から過大な復熱が発生する。この結果、温度上昇により、パーライト組織が十分に生成する前に初析セメンタイト組織が生成する。このため、少なくとも６５０℃まで加速冷却することが必要である。
なお、加速冷却を終了する温度の下限値は特に限定してないが、初析セメンタイト組織の生成を抑制し、かつ柱の偏析部等により生成するミクロマルテンサイト組織の生成を防止するには、実質的に５００℃が下限となる。
【００２８】
（３）レール足先部および／または柱部の昇温条件の限定理由：
請求項４ないし６において、熱間圧延終了後のレール足先部および／または柱部の昇温開始までの時間、昇温温度範囲を上記請求範囲に限定した理由について詳細に説明する。
まず、熱間圧延終了後のレール足先部および／または柱部の昇温開始までの時間について説明する。さきに述べたように、熱間圧延終了後、加速冷却までの経過時間が一定時間を超えると、本発明の成分系では初析セメンタイト組織が生成し始める。これを抑制ないしは解消すべく昇温するのであるが、昇温開始までの時間が一定時間を超えると、生成した初析セメンタイトを解消しきれなくなり、その後の熱処理において初析セメンタイト組織が残留し、レールの疲労強度や靭性を低下させる。このため昇温開始までの経過時間を、レール足先部については６０秒以内、レール柱部については１５０秒以内とした。
なお、昇温開始までの経過時間に下限値は特に限定していないが、圧延時の温度ムラを低減し、精度よく昇温を図るため、熱間圧延終了後１０秒以上経過した後に昇温を開始することが望ましい。
【００２９】
次に、レール足先部および／または柱部の昇温温度の範囲について説明する。
レール足先部の昇温温度は５０〜１００℃の範囲に、レール柱部の昇温温度は２０〜１００℃の範囲に限定した。昇温温度がこれ未満では前記のような効果は得られない。また昇温温度が１００℃を超えると、熱処理後のパーライト組織が粗大になり、レール柱部の靭性が低下する。
【００３０】
（４）レール頭部、足部および昇温時の柱部の加速冷却条件の限定理由：
請求項１ないし６において、頭部、足部の加速冷却速度、加速冷却温度範囲を限定した理由について詳細に説明する。
まず、加速冷却速度の範囲について説明する。本発明の成分系では、加速冷却速度が１℃/sec未満では、初析セメンタイト組織の生成の抑制が困難となる。また加熱冷却速度が１０℃/secを超えると、レール柱部の偏析帯にマルテンサイト組織が生成し、レール柱部の靭性が大きく低下する。このため、加速冷却速度の範囲を１〜１０℃/secの範囲に限定した。
【００３１】
なお、上記の加速冷却速度は、加速冷却開始から終了までの平均的な冷却速度であり、冷却途中の冷却速度を示すものではない。したがって、加速冷却開始から終了までの平均的な冷却速度が上記限定範囲内であれば、初析セメンタイト組織の生成の抑制が可能となる。
【００３２】
次に、加速冷却温度の範囲について説明する。
６５０℃を超えた温度で加速冷却を終了すると、加熱冷却終了後にレール内部から過大な復熱が発生する。この結果、温度上昇により、パーライト組織が十分に生成する前に初析セメンタイト組織が生成する。このため、少なくとも６５０℃まで加速冷却することを限定した。
加速冷却を終了する温度の下限値は特に限定してないが、初析セメンタイト組織の生成を防止し、かつレール柱部偏析帯のマルテンサイト組織の生成を防止するには、実質的に５００℃が下限となる。
【００３３】
なお、レール頭部および足部の加速冷却については、レール足先部や柱部のように冷却開始または昇温までの経過時間は特に限定されない。レール足先部および／または柱部の加速冷却と同時、またはその前後であっても、温度範囲が適正であれば初析セメンタイト組織の生成は抑制され、材質的にも問題は生じない。むろん、レール柱部の昇温は、加速冷却に先立って行うことが必須である。
【００３４】
（５）頭部加速冷却条件の限定理由：
請求項７において、レール頭部の加速冷却速度、加速冷却温度範囲を上記請求範囲に限定した理由について詳細に説明する。
まず、加速冷却速度の範囲について説明する。本発明の成分系では、レール頭部の加熱冷却速度が３℃/sec未満では、レール頭部の高硬度が図れず、レール頭部の耐摩耗性の確保が困難となる。また加熱冷却速度が２０℃/secを超えると、レール頭部にマルテンサイト組織が生成し、靭性が大きく低下する。このため、レール頭部の加速冷却速度の範囲を３〜２０℃/secの範囲に限定した。
【００３５】
次に、加速冷却温度の範囲について説明する。
５００℃を超えた温度でレール頭部の加熱冷却を終了すると、加熱冷却終了後にレール内部から過大な復熱が発生する。この結果、温度上昇によりパーライト変態温度が上昇し、パーライト組織の高硬度が図れず、耐摩耗性を確保できない。このため、少なくとも５００℃まで加速冷却を行うことを限定した。
なお、レール頭部の加速冷却を終了する温度の下限は特に限定してないが、レール頭部の硬度を確保し、かつ頭部内部の偏析部等に生成しやすいマルテンサイト組織の生成を防止するには、実質的に４００℃が下限となる。
【００３６】
ここで、レールの部位について説明する。図１はレール各部位の呼称を示したものである。「頭部」とは、図１に示す主に車輪と接触する部分（符号：１）、「柱部」とは、図１に示すレール頭部よりも下部の断面厚さが薄い部分（符号：２）、「足部」とは、図１に示すレール柱部よりも下部の部分（符号：３）である。また、「足先部」とは、図１に示すレール足部（符号：３）の先端部分（符号：４）である。
本発明では、先端から１０〜４０ｍｍの領域をその対象範囲とする。したがって、「足先部」（符号：４）は足部（符号：３）の一部を示すものである。
レール熱処理時の冷却速度、加速冷却の温度範囲は、図１に示す頭部（符号：１）、足部（符号：３）のレール幅中央部、柱部（符号：２）のレール高さ中心部に相当する位置、足先部（符号：４）の足部先端から５ｍｍ位置において、表面から深さ０〜３ｍｍの範囲を測定すれば、それぞれの部位を代表させることができる。
【００３７】
本発明では、加速冷却に用いる冷媒については特に限定していないが、所定の冷却速度を確保し、レール各部位において、冷却条件の制御を確実に行うため、エアー、ミスト、エアーとミストの混合冷媒を用いて、レール各部位の外表面に所定の冷却を行うことが望ましい。また、レール足先部および柱部の昇温についてもその方法については特に限定していないが、部分的に所定の加熱を行うため、高周波加熱や火炎加熱が望ましい。
【００３８】
本発明の熱処理方法によって製造された鋼レールの金属組織は、ほぼ全体にわたってパーライト組織であることが望ましい。成分系と加速冷却条件の選択によっては、パーライト組織中に微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織およびベイナイト組織が生成することがある。しかし、パーライト組織中にこれらの組織が生成しても、微量であればレールの疲労強度や靭性に大きな影響をおよぼさない。このため、本発明の熱処理方法によって製造された鋼レールの頭部の組織としては、若干の初析フェライト組織、初析セメンタイト組織およびベイナイト組織が混在する場合も含まれる。
【００３９】
【実施例】
（実施例１）
表１に供試レール鋼の化学成分を示す。
表２は、表１に示す供試レール鋼を用いて、本発明の熱処理方法で製造したレールの、足先部圧延終了後から熱処理開始までの経過時間、レール頭部、柱部、足部の加速冷却条件、ミクロ組織、さらに落重試験結果、頭部硬さの値を示す。
表３は、表１に示す供試レール鋼を用いて、比較熱処理方法で製造したレールの、足先部圧延終了後から熱処理開始までの経過時間、レール頭部、柱部、足部の加速冷却条件、ミクロ組織、さらに落重試験結果、頭部硬さの値を示す。
【００４０】
なお、レールの構成は以下のとおりである。
・本発明熱処理レール（８本） 符号Ａ〜Ｈ
上記成分範囲内のレール鋼を上記限定範囲内の熱処理条件で製造したレール。
・比較熱処理レール （８本） 符号Ｉ〜Ｐ
上記成分範囲内のレール鋼を上記限定範囲外の熱処理条件で製造したレール。
【００４１】
各種試験条件は下記のとおり。
・落重試験
落錘重さ ：９０７ｋｇ
支点間距離 ：０．９１４ｍ
落錘高さ ：１０．６ｍ
試験温度 ：常温（２０℃）
試験姿勢 ＨＴ：レール頭部が引張応力
ＢＴ：レール足部が引張応力
【００４２】
表２，表３に示すように、表１に示した高炭素含有のレール鋼において、レール足先部に、熱間圧延終了後、ある一定時間内で事前の熱処理を行い、その後、レール頭部、柱部、足部に加速冷却を行う本発明熱処理方法で製造したレール （符号：Ａ〜Ｈ）は、比較製造方法で製造したレール（符号：Ｉ〜Ｐ）と比べて、初析セメンタイト組織の生成を抑制し、疲労強度や靭性の低下が防止できた。さらに、表２、表３に示すように、レール頭部の加速冷却速度の制御を行うことにより、レール頭部の耐摩耗性を確保することができた。
【００４３】
上記のように、高炭素含有のレール鋼において、熱間圧延終了後、ある一定時間内で、レール足先部に加速冷却または昇温を行い、次にレール頭部、柱部、足部に加速冷却を行うことにより、疲労き裂や脆性き裂の発生に有害な初析セメンタイト組織の生成が抑制可能となり、さらに頭部の加速冷却速度の適正化を図ることにより、レール頭部の耐摩耗性を確保できた。
【００４４】
【表１】
【表２】
【表３】
（実施例２）
表４に供試レール鋼の化学成分を示す。なお残部はＦｅおよび不可避的不純物である。表５は、表４に示す供試レール鋼を用いて、本発明の熱処理方法で製造したレールにおける、圧延終了後から柱部熱処理開始までの時間、レール柱部の熱処理条件とミクロ組織、レール頭部、足部の加速冷却条件とミクロ組織、さらに柱部初析セメンタイト組織の交線数（Ｎ）と頭部硬さの値を示す。
【００４８】
表６は、表４に示す供試レール鋼を用いて、比較熱処理方法で製造したレールにおける、圧延終了後から柱部熱処理開始までの時間、レール柱部の熱処理条件とミクロ組織、レール頭部、足部の加速冷却条件とミクロ組織、さらに柱部初析セメンタイト組織の交線数（Ｎ）と頭部硬さの値を示す。
【００４９】
なお、レールの構成は以下のとおりである。
・本発明熱処理レール（８本） 符号Ａ〜Ｈ
上記成分範囲内のレール鋼を、上記限定範囲内の熱処理条件で製造したレール。
・比較熱処理レール （１０本） 符号Ｉ〜Ｒ
上記成分範囲内のレール鋼を、上記限定範囲外の熱処理条件で製造したレール。
【００５０】
ここで、実施例に示す初析セメンタイト交線数（Ｎ）や測定する際の初析セメンタイト組織の現出方法について説明する。
まず、初析セメンタイト組織の現出方法について説明する。まずレール頭部の横断面をダイヤ研摩する。続いて被研面をピクリン酸カセイソーダ液で浸漬し、初析セメンタイト組織を現出する。現出条件は、研摩面の状態により若干調整が必要であるが、基本的には液温８０℃、約１２０分の浸漬が望ましい。
【００５１】
次に、初析セメンタイト交線数（Ｎ）の測定方法について説明する。
初析セメンタイト組織を現出したレール頭部の任意の点を、光学顕微鏡により観察する。視野倍率２００倍で直交する３００μｍの線分と交差する初析セメンタイト組織の本数をカウントする。図２に測定方法の模式図を示す。
交差する初析セメンタイト組織の本数は、直交する３００μｍの各線分と交差した本数の合計とした。なお観察視野としては、初析セメンタイト組織のばらつきを考慮すると、最低でも５視野以上の観察を行い、その平均値を代表値とすることが望ましい。
【００５２】
以上の結果を表５，表６に示す。表４に示した成分を含有する高炭素含有のレール鋼において、レール柱部に、熱間圧延終了後、ある一定時間内で、上記限定範囲内の熱処理を行い、さらにレール頭部、足部についても、上記限定範囲内の加速冷却を行う本発明熱処理方法で製造したレール（符号：Ａ〜Ｈ）は、比較熱処理方法で製造したレール（符号：Ｉ、Ｌ〜Ｏ、Ｑ〜Ｒ）と比べて、初析セメンタイト組織の交線数（Ｎ）が大幅に低減した。
【００５３】
また、上記限定範囲内の加速冷却を行う本発明熱処理方法で製造したレール （符号：Ａ〜Ｈ）は、比較熱処理方法で製造したレール（符号：Ｊ〜Ｋ、Ｐ）と比べて、熱処理時の冷却速度の制御を適切に行うことにより、レール柱部の靭性や疲労強度の低下を引き起こすマルテンサイト組織や粗大パーライト組織の生成を防止することができる。
さらに、表５，表６に示すように、レール頭部の加速冷却速度の制御を行うことにより、本熱処理方法で製造したレール（符号：Ｃ、Ｅ〜Ｈ）に見られるように、レール頭部の耐摩耗性を確保することができた。
【００５４】
上記のように、高炭素含有のレール鋼において、熱間圧延終了後、ある一定時間内でレール柱部に加速冷却または昇温を行い、かつレール頭部や足部、昇温時には柱部にも加速冷却を行うことにより、脆性破壊の発生起点となり、疲労強度や靭性の低下をもたらす初析セメンタイト組織の生成が抑制可能となり、さらに頭部の加速冷却速度の適正化を図ることにより、レール頭部の耐摩耗性を確保できた。
【００５５】
【表４】
【表５】
【表６】
以上の実施例においては、足先部と柱部についてそれぞれ別個に試験を行ったが、両方を組み合わせることにより、レールの断面全体にわたって良好なパーライト組織を生成できることは明白である。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、高炭素含有のレール鋼において、レール足先部および／または柱部、さらに頭部、足部の初析セメンタイト組織の生成を抑制し、脆性破壊の発生、疲労強度や靭性の低下を防止し、同時にレール頭部の耐摩耗性を確保したレールを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レール各部位の呼称を示す図。
【図２】初析セメンタイト組織の交線数（Ｎ）の測定方法の模式図。
【符号の説明】
１：頭部
２：柱部
３：足部
４：足先部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention suppresses the formation of proeutectoid cementite structure throughout the rail cross section in the rail made of high carbon content steel, prevents the occurrence of brittle fracture, fatigue strength and toughness, in addition to the head High carbon steel for the purpose of ensuring wear resistance Perlite The present invention relates to a heat treatment method for rails.
[0002]
[Prior art]
In recent years, heavy-duty railroads that transport coal and iron ore overseas and domestic freight railroads have been aggressively increasing the load of freight in order to further improve the efficiency of rail transport. In the rail, G. C. The wear resistance of the part (gauge / corner part) and the head side part cannot be secured sufficiently, and the deterioration of the rail life due to wear has become a problem.
[0003]
Against this background, there has been a demand for the development of rails that have higher wear resistance than the current eutectoid carbon-containing high-strength rails. In order to solve this problem, the present inventors have developed a rail as shown below.
(1) Rail with excellent wear resistance using hypereutectoid steel (C: more than 0.85 to 1.20%) and increasing the cementite density in lamellae in pearlite structure (Patent Document 1) .
(2) Using hypereutectoid steel (C: more than 0.85 to 1.20%), the hardness was controlled by increasing the cementite density in the lamellae in the pearlite structure and simultaneously heat treating the head. A rail excellent in wear resistance and a manufacturing method thereof (Patent Document 2).
(3) Using hypereutectoid steel (C: more than 0.85 to 1.20%), increasing the cementite density in the lamellae in the pearlite structure and simultaneously heat treating the head and column parts A rail excellent in wear resistance and its manufacturing method (Patent Document 3).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-8-144016
[Patent Document 2]
JP-A-8-246100
[Patent Document 3]
JP-A-9-137228
[0005]
These rails are characterized by increasing the carbon content of the steel, increasing the volume ratio of the cemetite phase in the pearlite lamella, and further controlling the hardness and structure by heat-treating the head and column, thereby controlling the pearlite. It was intended to improve the wear resistance and toughness of the structure.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Inventive rail steel exhibiting the pearlite structure shown in (1) above can improve wear resistance due to high carbon. However, the above-described rail steel has a higher carbon content than the current high-eutectoid carbon-containing high-strength rail steel and tends to produce a proeutectoid cementite structure. For this reason, there has been a problem that the pro-eutectoid cementite structure becomes the starting point of fatigue cracks and brittle fractures and the service life of the rails is reduced.
[0007]
Further, in the heat treatment methods shown in (2) and (3) above, the pearlite structure of the head is secured and the proeutectoid cementite structure of the column is obtained by accelerated cooling of the rail head or further the column. It is possible to suppress the generation of. However, it was difficult to suppress the formation of a pro-eutectoid cementite structure, which is the starting point of fatigue cracks and brittle fractures, at the rail foot portion and the foot tip portion, even if the above heat treatment method was used. In particular, the toe part has a smaller cross-sectional area than the head and column parts, so the temperature at the end of rolling is reduced compared to other parts, so even if heat treatment is performed at the same timing as the head and column parts In addition, a pro-eutectoid cementite structure is generated at the toe before heat treatment. In addition to the low temperature at the end of rolling, segregation zones of various alloy elements also remain in the column portion, so that a pro-eutectoid cementite structure is likely to be generated. For these reasons, it was not possible to completely prevent the occurrence of fatigue cracks and brittle cracks from the toe portion and the column portion.
[0008]
Against this background, in high-carbon rail steel, not only the rail head and feet, but also the formation of proeutectoid cementite structures at the toes and pillars, brittle fracture, fatigue strength and toughness In addition to this, development of a heat treatment method for ensuring the wear resistance of the head has been demanded.
[0009]
That is, in the present invention, in the rail steel containing high carbon, after the end of hot rolling, the rail foot portion and / or the column portion are accelerated and cooled or heated within a certain time, and in addition to this, the rail head is added. Accelerated cooling is applied to the head and foot, and the accelerated cooling rate of the head is further improved. By preventing the formation of proeutectoid cementite structure, brittle fracture and fatigue strength and toughness are prevented from decreasing. This is intended to ensure the wear resistance of the steel.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention achieves the above object, and the gist thereof is as follows.
(1) After hot rolling a steel for rail containing C: 0.90 to 1.20% in mass% into a rail shape, The elapsed time from the end of hot rolling to the start of accelerated cooling Within 60 seconds, the toe portion of the steel rail is accelerated and cooled from the austenite temperature to at least 650 ° C. at a cooling rate range of 5 to 20 ° C./sec. afterwards , Steel rail head, pillar and foot The , High carbon steel characterized by accelerated cooling from austenite temperature to at least 650 ° C. at a cooling rate range of 1-10 ° C./sec Perlite Rail heat treatment method.
(2) After hot rolling a steel for rail containing C: 0.90 to 1.20% in mass% into a rail shape, The elapsed time from the end of hot rolling to the start of accelerated cooling Within 100 seconds, the steel rail column is accelerated and cooled from the austenite temperature to at least 650 ° C. at a cooling rate range of 2-20 ° C./sec. afterwards Steel rail head and Foot The , High carbon steel characterized by accelerated cooling from austenite temperature to at least 650 ° C. at a cooling rate range of 1-10 ° C./sec Perlite Rail heat treatment method.
[0011]
(3) After hot rolling a steel for rail containing C: 0.90 to 1.20% in mass% into a rail shape, The elapsed time from the end of hot rolling to the start of accelerated cooling Within 60 seconds, the toe portion of the steel rail is accelerated and cooled from the austenite temperature to at least 650 ° C. at a cooling rate range of 5 to 20 ° C./sec. afterwards , Hot rolling Finish rear Elapsed time from the start of accelerated cooling to Within 100 seconds, the steel rail column is accelerated and cooled from the austenite temperature to at least 650 ° C. at a cooling rate range of 2-20 ° C./sec. afterwards , Steel rail head and leg The , High carbon steel characterized by accelerated cooling from austenite temperature to at least 650 ° C. at a cooling rate range of 1-10 ° C./sec Perlite Rail heat treatment method.
(4) After hot rolling a steel for rail containing C: 0.90 to 1.20% in mass% into a rail shape, The elapsed time from the end of hot rolling to the start of accelerated cooling Within 60 seconds, the temperature of the foot part of the steel rail is raised by 50 to 100 ° C. than before the temperature increase, afterwards , Steel rail head, pillar and foot The , High carbon steel characterized by accelerated cooling from austenite temperature to at least 650 ° C. at a cooling rate range of 1-10 ° C./sec Perlite Rail heat treatment method.
[0012]
(5) After hot rolling a steel for rail containing C: 0.90 to 1.20% in mass% into a rail shape, The elapsed time from the end of hot rolling to the start of accelerated cooling Within 150 seconds, the temperature of the steel rail column is raised by 20-100 ° C. from before the temperature rise, afterwards , Steel rail head, pillar and foot The , High carbon steel characterized by accelerated cooling from austenite temperature to at least 650 ° C. at a cooling rate range of 1-10 ° C./sec Perlite Rail heat treatment method.
(6) After hot rolling a steel for rail containing C: 0.90 to 1.20% in mass% into a rail shape, The elapsed time from the end of hot rolling to the start of accelerated cooling Within 60 seconds, the temperature of the foot part of the steel rail is raised by 50 to 100 ° C. than before the temperature increase, afterwards , Hot rolling Finish rear Elapsed time from the start of accelerated cooling to Within 150 seconds, the temperature of the steel rail column is raised by 20-100 ° C. from before the temperature rise, afterwards , Steel rail head, pillar and foot The , High carbon steel characterized by accelerated cooling from austenite temperature to at least 650 ° C. at a cooling rate range of 1-10 ° C./sec Perlite Rail heat treatment method.
(7) In the cooling from the austenite temperature, the cooling rate of the head of the steel rail is set to a range of 3 to 20 ° C./sec, and the cooling is accelerated to at least 500 ° C. (1) to (6) of In any High carbon steel Perlite Rail heat treatment method.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is described in detail below.
First, the present inventors examined a heat treatment method capable of suppressing the formation of a proeutectoid cementite structure in a high carbon content rail steel. As a result, it was confirmed that in the rail after hot rolling, the formation of proeutectoid cementite structure is sufficiently suppressed by accelerated cooling of the foot portion from the austenite region in addition to the head portion and the column portion.
However, since the temperature at the end of rolling of the rail foot is low, even if heat treatment is performed at the same timing as the head and feet, a pro-eutectoid cementite structure is generated before the heat treatment. For this reason, generation | occurrence | production of the fatigue crack from the toe part and a brittle crack was not able to be suppressed.
[0014]
In addition, the inventors of the present invention have examined the factors and characteristics of the formation of a pro-eutectoid cementite structure in the column portion of the high-carbon rail steel by rail rolling experiments.
As a result, (1) the segregation zone in which the alloy element is concentrated is formed at the center of the slab at the casting stage of the molten steel in the rail column part, so that the formation of a pro-eutectoid cementite structure is easily promoted, (2) Since the rail column has a smaller cross-sectional area than the head and foot, the temperature at the end of rolling is reduced, and a pro-eutectoid cementite structure is formed in a relatively short time after rolling regardless of the presence or absence of segregation zones. It became clear to do.
[0015]
Therefore, the present inventors examined a method for suppressing the formation of proeutectoid cementite structures at the rail foot and column in the high-carbon rail steel. As a result, the rail feet and / or pillars are accelerated and cooled separately from the head and feet, or only the rail feet and / or pillars are heated, and then the heads and feet. It was found that the formation of pro-eutectoid cementite structure can be suppressed by accelerated cooling from the austenite region.
[0016]
Next, the present inventors examined a heat treatment method capable of suppressing the formation of a proeutectoid cementite structure in the rail foot portion and / or the column portion in the actual rail manufacture.
As a result, in actual rail manufacturing, the degree of formation of proeutectoid cementite structure at the rail foot and / or column has a good correlation between the time from the end of hot rolling to the start of accelerated cooling and the accelerated cooling rate. Was confirmed.
As a result of various experiments based on this idea, at the rail toe part and / or the column part, (1) after completion of hot rolling, the cooling end temperature is set within a certain range within a certain period of time. Accelerated cooling above a certain temperature, (2) After hot rolling is finished, within a certain time, the temperature is raised within a certain range, and then the cooling end temperature is kept at a certain temperature at a certain range of cooling rate. It has been found that the generation of proeutectoid cementite structure can be suppressed by performing the above accelerated cooling.
[0017]
Furthermore, the present inventors examined a heat treatment method capable of suppressing the formation of proeutectoid cementite structures in the rail head and feet in addition to the rail foot and / or column in the actual rail manufacturing. For rail heads and feet, proeutectoid cementite is obtained by performing accelerated cooling with the cooling end temperature above a certain temperature at a certain range of cooling rate during and / or before and after heat treatment of the rail column. It was confirmed that the generation of tissue can be sufficiently suppressed.
[0018]
In addition to these inventions, the present inventors examined a heat treatment method for the rail that ensures the wear resistance of the rail head in the heat treatment method described above. As a result, at the time of accelerated cooling from the austenite region of the rail head portion, the column portion, and the foot portion, the acceleration cooling rate of the rail head portion is set to a higher cooling rate range than the above cooling rate range, thereby It has been found that the hardness can be increased and the wear resistance can be secured.
[0019]
Therefore, in the present invention, in the high carbon content rail steel, the rail foot portion and / or the column portion is accelerated and cooled or heated within a certain time after the hot rolling is completed, and the rail head portion and the foot portion. By performing accelerated cooling, it is possible to suppress the generation of proeutectoid cementite structure that becomes the starting point of brittle fracture, resulting in a decrease in fatigue strength and toughness, and by optimizing the accelerated cooling rate of the head, It was found that the wear resistance of the head can be secured.
[0020]
That is, the present invention suppresses the generation of proeutectoid cementite structure throughout the rail cross section across the rail foot toe and column, and further to the head and foot in the high carbon content rail steel, and the occurrence of brittle fracture and fatigue The present invention relates to a heat treatment method for a high carbon steel rail for the purpose of preventing a decrease in strength and toughness and in addition to ensuring wear resistance of the head.
[0021]
Next, the reason for limitation of the present invention will be described in detail.
(1) Reasons for limiting the chemical composition of steel rails:
The reason why the amount of carbon of the rail steel is limited to the above-mentioned claims will be described in detail.
C is an effective element that promotes pearlite transformation and ensures wear resistance. If the C content is less than 0.90%, the volume ratio of the cementite phase in the pearlite structure cannot be secured, and the wear resistance cannot be maintained. In addition, when the C content is less than 0.90%, the amount of pro-eutectoid cementite structure produced is small even in the state of natural cooling without accelerated cooling or accelerated cooling, and even if the heat treatment method of the present invention is applied, a sufficient effect is obtained. I can't get it. If the C content exceeds 1.20%, the formation of a pro-eutectoid cementite structure is promoted, and even when the heat treatment method of the present invention is applied, the generation of the pro-eutectoid cementite structure cannot be suppressed, and the fatigue strength and toughness of the rail Decreases. For this reason, the amount of C was limited to 0.90 to 1.20%.
[0022]
In the heat treatment method of the present invention, the component system of the steel rail other than the carbon amount is not particularly limited. For the purpose of improving the hardness of the pearlite structure, improving the ductility and toughness of the pearlite structure, preventing softening of the heat-affected zone of the weld, controlling the cross-sectional hardness distribution inside the rail head, and suppressing the generation of proeutectoid cementite structure, A component containing one or more elements such as Si, Mn, Cr, Mo, V, Nb, B, Co, Cu, Ni, Ti, Mg, Ca, Al, Zr, and N as required. System is desirable.
[0023]
Rail steel composed of the above components is melted in a commonly used melting furnace such as a converter or electric furnace, and the molten steel is produced by ingoting / splitting or continuous casting. . Furthermore, it is manufactured as a rail through hot rolling.
Next, this hot-rolled rail column that holds high-temperature heat, as well as the rail head and foot, are subjected to the above-mentioned heat treatment, which is harmful to the occurrence of brittle fracture and fatigue cracks. Generation of cementite structure can be prevented.
[0024]
(2) Reasons for limiting the accelerated cooling conditions of the rail foot and / or column:
In
First, the time until the accelerated cooling start of the rail foot portion and / or the column portion after the end of hot rolling will be described. The elapsed time from the end of rolling during heating to the start of accelerated cooling is within 60 seconds for the rail foot and within 100 seconds for the rail column. When this time is exceeded, in the component system of the present invention, a pro-eutectoid cementite structure is formed before accelerated cooling, and rail fatigue strength and toughness are generated. Lower Let
In addition, about the time to the accelerated cooling start after the end of the hot rolling of the rail column part, there is no particular lower limit, but in order to achieve uniform austenite grains and reduce temperature unevenness during rolling, It is desirable to start accelerated cooling after 10 seconds or more have elapsed after the end of rolling.
[0025]
Next, the cooling rate range at the time of accelerated cooling of the rail foot portion and / or the column portion will be described.
The acceleration cooling rate range of the rail foot portion was limited to 5 to 20 ° C./sec, and the cooling rate range during acceleration cooling of the rail column portion was limited to the range of 2 to 20 ° C./sec. When the cooling rate is slower than this, it is difficult to suppress the formation of pro-eutectoid cementite structure in the component system of the present invention, and when the cooling rate exceeds 20 ° C./sec, a martensite structure is formed and the toughness of the rail is large. Limited because of lowering.
[0026]
In addition, the cooling rate at the time of acceleration cooling of said rail foot part and / or pillar part is an average cooling rate from the cooling start to completion | finish, and does not show the cooling rate in the middle of cooling. Therefore, if the average cooling rate from the start to the end of cooling is within the above limited range, the generation of proeutectoid cementite structure can be suppressed.
[0027]
Next, the cooling temperature range at the time of accelerated cooling of the rail column part will be described.
When the accelerated cooling is finished at a temperature exceeding 650 ° C., excessive recuperation is generated from the inside of the rail after the accelerated cooling is finished. As a result, due to the temperature rise, a pro-eutectoid cementite structure is formed before the pearlite structure is sufficiently formed. For this reason, it is necessary to perform accelerated cooling to at least 650 ° C.
Although the lower limit value of the temperature at which accelerated cooling is terminated is not particularly limited, to suppress the generation of proeutectoid cementite structure and to prevent the formation of micromartensite structure generated by the segregation part of the column, The lower limit is substantially 500 ° C.
[0028]
(3) Reasons for limiting the temperature rise conditions of the rail foot and / or column:
In
First, the time until the start of temperature rise of the rail foot portion and / or the column portion after the end of hot rolling will be described. As described above, when the elapsed time from the end of hot rolling to accelerated cooling exceeds a certain time, a pro-eutectoid cementite structure starts to be generated in the component system of the present invention. The temperature is raised to suppress or eliminate this, but if the time until the start of temperature rise exceeds a certain time, the generated pro-eutectoid cementite cannot be eliminated, and the pro-eutectoid cementite structure remains in the subsequent heat treatment, Rail fatigue strength and toughness Lower Let For this reason, the elapsed time until the start of temperature increase is set to be within 60 seconds for the rail foot portion and within 150 seconds for the rail column portion.
In addition, although the lower limit is not specifically limited to the elapsed time until the start of temperature increase, in order to reduce temperature unevenness at the time of rolling and to increase the temperature accurately, the temperature is increased after 10 seconds or more after the end of hot rolling. It is desirable to start.
[0029]
Next, the range of the temperature rise of the rail foot portion and / or the column portion will be described.
The temperature rise temperature of the rail foot portion was limited to the range of 50 to 100 ° C., and the temperature rise temperature of the rail column portion was limited to the range of 20 to 100 ° C. The effect as described above cannot be obtained when the temperature rise is lower than this. On the other hand, if the temperature rise exceeds 100 ° C., the pearlite structure after the heat treatment becomes coarse, and the toughness of the rail column portion decreases.
[0030]
(4) Reasons for limiting the accelerated cooling conditions of the rail head, foot, and column during heating:
The reason why the accelerated cooling rate and the accelerated cooling temperature range of the head and feet are limited will be described in detail.
First, the range of the accelerated cooling rate will be described. In the component system of the present invention, when the accelerated cooling rate is less than 1 ° C./sec, it is difficult to suppress the formation of a proeutectoid cementite structure. When the heating / cooling rate exceeds 10 ° C./sec, a martensite structure is generated in the segregation zone of the rail column part, and the toughness of the rail column part is greatly reduced. For this reason, the range of the accelerated cooling rate was limited to the range of 1 to 10 ° C./sec.
[0031]
The accelerated cooling rate is an average cooling rate from the start to the end of accelerated cooling, and does not indicate a cooling rate during cooling. Therefore, if the average cooling rate from the start to the end of accelerated cooling is within the above-mentioned limited range, the generation of a proeutectoid cementite structure can be suppressed.
[0032]
Next, the range of the accelerated cooling temperature will be described.
When the accelerated cooling is finished at a temperature exceeding 650 ° C., excessive recuperation is generated from the inside of the rail after the heating and cooling are finished. As a result, due to the temperature rise, a pro-eutectoid cementite structure is formed before the pearlite structure is sufficiently formed. For this reason, limited to at least 650 ° C. accelerated cooling.
The lower limit of the temperature at which accelerated cooling is terminated is not particularly limited, but in order to prevent the formation of proeutectoid cementite structure and the formation of martensite structure in the rail column segregation zone, it is substantially 500 ° C. Is the lower limit.
[0033]
In addition, about the accelerated cooling of a rail head part and a leg part, the elapsed time until a cooling start or temperature rising is not specifically limited like a rail foot part and a pillar part. Even at the same time as or before and after the accelerated cooling of the rail toe and / or the column part, if the temperature range is appropriate, the formation of proeutectoid cementite structure is suppressed, and there is no problem in terms of material. Of course, it is essential to raise the temperature of the rail column prior to accelerated cooling.
[0034]
(5) Reasons for limiting head accelerated cooling conditions:
The reason why the accelerated cooling rate and the accelerated cooling temperature range of the rail head are limited to the above-described claimed range will be described in detail.
First, the range of the accelerated cooling rate will be described. In the component system of the present invention, when the heating / cooling rate of the rail head is less than 3 ° C./sec, high hardness of the rail head cannot be achieved, and it is difficult to ensure the wear resistance of the rail head. On the other hand, if the heating / cooling rate exceeds 20 ° C./sec, a martensite structure is generated at the rail head, and the toughness is greatly reduced. For this reason, the range of the accelerated cooling rate of the rail head is limited to the range of 3 to 20 ° C./sec.
[0035]
Next, the range of the accelerated cooling temperature will be described.
When heating and cooling of the rail head is completed at a temperature exceeding 500 ° C., excessive recuperation is generated from the inside of the rail after the heating and cooling is completed. As a result, the pearlite transformation temperature rises due to the temperature rise, the pearlite structure cannot have a high hardness, and the wear resistance cannot be ensured. For this reason, it was limited to perform accelerated cooling to at least 500 ° C.
Although the lower limit of the temperature at which accelerated cooling of the rail head is finished is not particularly limited, the hardness of the rail head is ensured and the generation of martensite structure that is likely to be generated in the segregated portion inside the head is prevented. For this purpose, the lower limit is substantially 400 ° C.
[0036]
Here, the part of the rail will be described. FIG. 1 shows the designation of each part of the rail. The “head” is a portion mainly contacting the wheel shown in FIG. 1 (symbol: 1), and the “post” is a portion having a lower cross-sectional thickness (symbol) than the rail head shown in FIG. : 2), "foot part" is a lower part (symbol: 3) than the rail pillar part shown in FIG. Further, the “foot tip part” is a tip part (symbol: 4) of the rail foot part (symbol: 3) shown in FIG.
In the present invention, an area of 10 to 40 mm from the tip is the target range. Therefore, the “foot tip” (symbol: 4) indicates a part of the foot (symbol: 3).
The cooling rate at the time of rail heat treatment and the temperature range of accelerated cooling are shown in FIG. 1. The head width (reference numeral: 1), the foot width (reference numeral: 3), the center of the rail width, and the pillar height (reference numeral: 2). If a range of 0 to 3 mm in depth from the surface is measured at a position corresponding to the central portion and a position 5 mm from the tip of the foot of the toe portion (symbol: 4), each portion can be represented.
[0037]
In the present invention, the refrigerant used for accelerated cooling is not particularly limited. However, in order to ensure a predetermined cooling rate and to reliably control the cooling conditions at each part of the rail, air, mist, and a mixture of air and mist are used. It is desirable to perform predetermined cooling on the outer surface of each part of the rail using a refrigerant. The method for raising the temperature of the rail foot portion and the column portion is not particularly limited, but high-frequency heating or flame heating is desirable because predetermined heating is partially performed.
[0038]
It is desirable that the metal structure of the steel rail manufactured by the heat treatment method of the present invention is a pearlite structure almost entirely. Depending on the selection of the component system and accelerated cooling conditions, a trace amount of pro-eutectoid ferrite structure, pro-eutectoid cementite structure and bainite structure may be formed in the pearlite structure. However, even if these structures are formed in the pearlite structure, the fatigue strength and toughness of the rail are not greatly affected if the amount is small. For this reason, the structure of the head portion of the steel rail manufactured by the heat treatment method of the present invention includes a case where some pro-eutectoid ferrite structure, pro-eutectoid cementite structure and bainite structure are mixed.
[0039]
【Example】
Example 1
Table 1 shows the chemical composition of the test rail steel.
Table 2 shows the elapsed time from the end of foot toe rolling to the start of heat treatment, the rail head, the column, and the foot of the rail manufactured by the heat treatment method of the present invention using the test rail steel shown in Table 1. Accelerated cooling conditions, microstructure, drop weight test results, head hardness values are shown.
Table 3 shows the elapsed time from the end of rolling of the foot to the start of heat treatment, the acceleration of the rail head, column, and foot using the test rail steel shown in Table 1 by the comparative heat treatment method. The cooling conditions, microstructure, drop weight test results, and head hardness values are shown.
[0040]
The configuration of the rail is as follows.
-Heat treatment rail of the present invention (eight) Codes A to H
A rail manufactured from rail steel within the above-mentioned component range under the heat treatment conditions within the above-mentioned limited range.
・ Comparison heat treatment rail (8)
A rail manufactured from rail steel within the above-mentioned component range under heat treatment conditions outside the above-mentioned limited range.
[0041]
Various test conditions are as follows.
・ Falling weight test
Falling weight weight: 907kg
Distance between fulcrums: 0.914m
Drop weight height: 10.6m
Test temperature: Normal temperature (20 ° C)
Test posture HT: Rail head tensile stress
BT: Rail foot is tensile stress
[0042]
As shown in Tables 2 and 3, in the high carbon content rail steel shown in Table 1, the rail foot is subjected to a pre-heat treatment within a certain time after the hot rolling, and then the rail head The rails (signs: A to H) manufactured by the heat treatment method of the present invention that performs accelerated cooling on the heads, pillars, and feet are compared with the rails (codes: IP) manufactured by the comparative manufacturing method. The formation of the structure was suppressed, and the decrease in fatigue strength and toughness could be prevented. Furthermore, as shown in Tables 2 and 3, by controlling the acceleration cooling rate of the rail head, it was possible to ensure the wear resistance of the rail head.
[0043]
As described above, in the steel with high carbon content, after the hot rolling is finished, the rail foot is accelerated or cooled within a certain period of time, and then the rail head, column, and foot are By performing accelerated cooling, it is possible to suppress the formation of proeutectoid cementite structure that is harmful to the occurrence of fatigue cracks and brittle cracks, and by optimizing the accelerated cooling rate of the head, Abrasion was secured.
[0044]
[Table 1]
[Table 2]
[Table 3]
(Example 2)
Table 4 shows the chemical composition of the test rail steel. The balance is Fe and inevitable impurities. Table 5 shows the time from the end of rolling to the start of column heat treatment, the heat treatment conditions and microstructure of the rail column, in the rail manufactured by the heat treatment method of the present invention using the test rail steels shown in Table 4. Accelerated cooling conditions for the head and feet And micro The number of intersecting lines (N) and head hardness values of the structure and the columnar pro-eutectoid cementite structure are shown.
[0048]
Table 6 shows the time from the end of rolling to the start of column heat treatment, the heat treatment conditions and microstructure of the rail column, and the rail head in the rail manufactured by the comparative heat treatment method using the test rail steel shown in Table 4. , Accelerated cooling conditions of the foot And micro The number of intersecting lines (N) and head hardness values of the structure and the columnar pro-eutectoid cementite structure are shown.
[0049]
The configuration of the rail is as follows.
-Heat treatment rail of the present invention (eight) Codes A to H
The rail which manufactured the rail steel in the said component range on the heat processing conditions in the said limited range.
・ Comparison heat-treated rail (10) Symbols I to R
A rail manufactured from rail steel within the above component range under heat treatment conditions outside the above limited range.
[0050]
Here, the number of lines of pro-eutectoid cementite shown in the examples (N) and the method for revealing the pro-eutectoid cementite structure during measurement will be described.
First, a method for revealing a pro-eutectoid cementite structure will be described. First, the cross section of the rail head is diamond polished. Subsequently, the surface to be polished is dipped in caustic soda picrate so as to reveal a proeutectoid cementite structure. The actual conditions need to be adjusted slightly depending on the state of the polished surface, but basically, immersion at a liquid temperature of 80 ° C. for about 120 minutes is desirable.
[0051]
Next, a method for measuring the number of lines of proeutectoid cementite (N) will be described.
An arbitrary point on the rail head where the proeutectoid cementite structure appears is observed with an optical microscope. The number of pro-eutectoid cementite structures that intersect with the 300 μm line segment orthogonal at a field magnification of 200 times is counted. FIG. 2 shows a schematic diagram of the measurement method.
The number of pro-eutectoid cementite structures intersecting was defined as the total number of intersecting 300 μm line segments orthogonal to each other. In view of the variation of the pro-eutectoid cementite structure, it is desirable to observe at least 5 fields of view and set the average value as a representative value.
[0052]
The above results are shown in Tables 5 and 6. In the high carbon content rail steel containing the components shown in Table 4, the rail column portion is subjected to heat treatment within the above-mentioned limited range within a certain time after the hot rolling is completed, and the rail head portion and the foot portion In addition, the rails (signs: A to H) manufactured by the heat treatment method of the present invention that performs accelerated cooling within the above-mentioned limited range are the rails (codes: I, L to O, Q to R) manufactured by the comparative heat treatment method. In comparison, the number of intersecting lines (N) of the pro-eutectoid cementite structure was significantly reduced.
[0053]
In addition, the rails (signs: A to H) manufactured by the heat treatment method of the present invention that performs accelerated cooling within the above-mentioned limited range are compared with the rails (codes: J to K, P) manufactured by the comparative heat treatment method. By appropriately controlling the cooling rate, it is possible to prevent the formation of a martensite structure and a coarse pearlite structure that cause a decrease in the toughness and fatigue strength of the rail column part.
Further, as shown in Tables 5 and 6, by controlling the acceleration cooling rate of the rail head, the rail head as shown in the rail (signs: C, E to H) manufactured by this heat treatment method can be used. The wear resistance of the part could be secured.
[0054]
As described above, in high-carbon rail steel, after the hot rolling is completed, the rail column is accelerated or cooled within a certain period of time, and the rail head and foot, and the column when the temperature is raised, Accelerated cooling also serves as a starting point for brittle fracture, can suppress the formation of proeutectoid cementite structure that reduces fatigue strength and toughness, and further optimizes the accelerated cooling rate of the head. The wear resistance of the head was secured.
[0055]
[Table 4]
[Table 5]
[Table 6]
In the above examples, the foot portion and the column portion were separately tested, but by combining both, a good pearlite structure was obtained over the entire rail cross section. Can be generated It is obvious.
[0059]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the rail steel having a high carbon content, the generation of a pro-eutectoid cementite structure of the rail toe portion and / or the column portion, and further the head portion and the foot portion is suppressed, the occurrence of brittle fracture, It is possible to manufacture a rail that prevents deterioration of fatigue strength and toughness and at the same time ensures the wear resistance of the rail head.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing names of rail parts.
FIG. 2 is a schematic diagram of a method for measuring the number of intersecting lines (N) of a pro-eutectoid cementite structure.
[Explanation of symbols]
1: head
2: Pillar
3: Foot
4: Toe
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