JP4336028B2 - 球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重荷重鉄道に要求される耐摩耗性を向上させた球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
海外の重荷重鉄道では、鉄道輸送の高効率化の手段として列車速度の向上や列車積載質量の増加が図られている。このような鉄道輸送の効率化はレール使用環境の過酷化を意味し、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、曲線区間に敷設されたレールでは、Ｇ．Ｃ．（ゲージ・コーナー）部や頭側部の摩耗が急激に増加し、レールの使用寿命の点で問題視されるようになった。
【０００３】
しかしながら、最近の高強度化熱処理技術の進歩により、共析炭素鋼を用いた微細パーライト組織を呈した下記に示すような高強度（高硬度）レールが発明され、重荷重鉄道の曲線区間のレール寿命を飛躍的に改善してきた。
▲１▼ 頭部がソルバイト組織、または微細なパーライト組織の超大荷重用の熱処理レール（特公昭５４−２５４９０号公報）。
▲２▼ 圧延終了後、あるいは再加熱したレール頭部を、オーステナイト域温度から８５０〜５００℃間を１〜４℃/secで加速冷却する、１３０kgf/mm2 以上の高強度レールの製造法（特公昭６３−２３２４４号公報）。
これらのレールの特徴は、共析炭素含有鋼（炭素量：０．７〜０．８％）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、その目的はパーライト組織中のラメラ間隔を微細化し、耐摩耗性を向上させるところにあった。
【０００４】
近年、海外の重荷重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前記開発のレールを用いてもＧ．Ｃ．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。このような背景から、現状の共析炭素鋼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。
【０００５】
これら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。
▲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相の厚さを増加させた、耐摩耗性に優れたレール （特開平８−１４４０１６号公報）。
▲４▼ 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相の厚さを増加させ、同時に硬さを制御した耐摩耗性に優れたレール（特開平８−２４６１００号公報）。
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耐摩耗性に優れたセメタイト相の厚さ（密度）を増加させ、さらに硬さを制御することにより、パーライト鋼の耐摩耗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】
これらの過共析鋼を用いたパーライト組織のレールは、共析鋼を用いたパーライト組織のレールと比べて耐摩耗性は向上する。しかし、より一層の耐摩耗性の改善を狙って鋼中の炭素量をさらに増加させると、レール製造時にオーステナイト粒界に粗大な初析セメンタイト組織が生成し、延性の低下により、スポーリング等の表面損傷が発生し、レールの使用寿命が低下することや、耐摩耗性に有効なパーライトラメラ中のセメンタイト相の厚さを増加させることが困難となり、耐摩耗性が十分に向上しない。
そこで、過共析鋼を用いたパーライト組織のレールよりも安定的に耐摩耗性を向上させる新たな材料開発が求められるようになった。
すなわち本発明は、重荷重鉄道に要求される耐摩耗性を向上させ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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前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。
【０００８】
（１）質量％で、
Ｃ ：０．８５〜２．００％、 Ｓｉ：０．１０〜２．００％、
Ｍｎ：０．１０〜３．００％
を含有し、さらに必要に応じて、
Ｃｒ：０．０５〜３．００％、 Ｍｏ：０．０１〜１．００％、
Ｖ ：０．０１〜０．５０％、 Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、
Ｂ ：０．０００１〜０．２０００％、
Ｃｕ：０．０５〜１．００％、 Ｎｉ：０．０５〜２．００％、
Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％、
Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％
の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、レール頭部の少なくとも一部が、長径と短径の比が２以下の球状化炭化物を含有するパーライト組織を呈し、前記パーライト組織の任意断面において、パーライト組織のラメラ間隔が４００ｎｍ以下で、かつ、長径と短径の平均値が５０〜６００ｎｍの範囲である球状化炭化物の数が、視野面積５０μｍ２ 中で３０個以上、２００個以下であることを特徴とする球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レール。
（２）レール頭部のコーナー部および頭頂部の表面を起点として少なくとも深さ２０ｍｍの範囲が、球状化炭化物を含有するパーライト組織を呈することを特徴とする前記（１）に記載の球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レール。
【０００９】
【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、本発明者らはレール鋼の摩耗機構を解明した。その結果、現行のパーライト組織のレールのころがり面直下では、パーライト組織のラメラが破砕され、フェライト相とセメンタイト相が細粒化していることが確認された。また鋼中の炭素量、すなわちパーライト組織中のセメンタイト相の増加によりフェライト相へ歪みが集中し、パーライト組織中のフェライト相の微細化（サブグレイン化）が促進され、フェライト相が強化されていることが明らかとなった。
【００１０】
さらに詳細な調査の結果、ころがり面直下では、フェライト相の細粒化に加えて、強加工によりセメンタイト相の炭素が分解し、この炭素がフェライト相に過飽和に固溶し、フェライト相が固溶強化されていることが確認された。またこのフェライト相の強化は、パーライト組織中のセメンタイト相の増加により向上することが明かとなった。
【００１１】
このような観察結果から、耐摩耗性を向上させる方法として本発明者らは、鋼の生地組織をパーライトとし、パーライト組織中に炭化物を分散させ、同時にその数を確保し、炭化物によるフェライト相の強化を促進し、レールに必要とされる耐表面損傷性を損なわず、耐摩耗性を向上させる方法を検討した。
その結果、鋼の炭素量をある一定量以上とし、さらにこれに熱処理を行い、パーライト組織中に炭化物を分散させた組織とすることにより、パーライト単相組織と比べて、分散された炭化物によるフェライト相の強化が図られ、耐摩耗性がより一層向上することを実験室的に確認した。
【００１２】
さらに、パーライト組織中に炭化物を分散させた組織において、耐摩耗性をより一層向上させ、同時にレール鋼として必要とされる耐表面損傷性を確保することが可能な炭化物の生成状態を検討した。その結果、パーライト組織のラメラ間隔、炭化物の形態、サイズおよびその数をある一定範囲内に納めることにより、スポーリング等の表面損傷が発生せず、耐摩耗性の向上が図れることを見出した。
すなわち本発明は、重荷重鉄道に要求される耐摩耗性を向上させた高強度レールを低コストで提供する目的でなされたものである。
【００１３】
次に、本発明の限定理由について詳細に説明する。
まず、図１に本発明の球状化炭化物を含有するパーライト組織の一例を模式的に示す。図１において、白抜きで示した層状の部分はパーライト組織、白抜きで示した島状の部分は本発明の限定範囲内の炭化物を示す。斜線付きで示した島状の部分は本発明の限定範囲外の炭化物である。
【００１４】
本発明レール鋼において、パーライト組織のラメラ間隔は、図１に示すとおりフェライト相とセメンタイト相の１対の厚さである。炭化物の長径および短径は、図１に示すとおり炭化物の最大径と最短径である。
なお炭化物は、熱処理条件によっては、図１に示すようにパーライト組織のセメンタイト相上に生成する場合がある。このような生成形態の場合、炭化物のサイズがパーライト組織中のセメンタイト相の厚さより大きく、その生成が観察により明確に確認できる場合は、炭化物の短径を粒径として取り扱う。
【００１５】
（１）パーライト組織のラメラ間隔：
はじめに、球状化炭化物を含有するパーライト組織中のパーライト組織のラメラ間隔を前記の請求範囲に限定した理由について説明する。
パーライト組織中に炭化物を分散させた組織中のパーライト組織のラメラ間隔は、パーライト組織中に炭化物を分散させた組織の耐摩耗性や耐表面損傷性を決定する重要な要素である。パーライト組織のラメラ間隔が４００ｎｍを超えると、耐摩耗性が低下しレールの使用寿命を低下させることや、レールが車輪との強い接触を受けた場合に塑性に対する抵抗性が低下し、塑性変形起因の表面損傷性が発生しやすくなるため、パーライト組織のラメラ間隔を４００ｎｍ以下に限定した。
【００１６】
（２）炭化物の形態、サイズおよび視野面積内の個数：
次に、球状化炭化物を含有するパーライト組織中の炭化物の形態、サイズおよび視野面積内の個数を限定した理由について説明する。
球状化炭化物を含有するパーライト組織中の炭化物の形態は、球状化炭化物を含有するパーライト組織の耐表面損傷性を決定する重要な要素である。
球状化炭化物を含有するパーライト組織のレールが車輪との接触により塑性変形を受けた場合には、柔らかい生地フェライト組織と硬いセメンタイト組織の変形量の違いにより、フェライト組織とセメンタイト組織の界面にボイドが発生する。この時に、炭化物の長径と短径の比が２を超えると、界面のボイドからき裂が発生し易くなり、フレーキング等の塑性変形起因の表面損傷性が発生するため、炭化物の長径と短径の比を２以下に限定した。
【００１７】
球状化炭化物を含有するパーライト組織中の炭化物のサイズは、球状化炭化物を含有するパーライト組織の耐摩耗性や耐表面損傷性を決定する重要な要素である。
炭化物の長径と短径の平均値が６００ｎｍを超えると、炭化物の粗大化によりパーライト組織の延性が著しく低下し、レール頭表面にスポーリング等の表面剥離損傷が多く発生するため、炭化物の長径を６００ｎｍ以下とした。
また、炭化物の長径が５０ｎｍ未満になると、フェライト地を強化して耐摩耗性に寄与する炭化物が、球状化炭化物を含有するパーライト組織中のフェライト素地と一緒に摩耗により取り去られてしまい、耐摩耗性が確保できなくなるため、炭化物の長径と短径の平均値を５０ｎｍ以上とした。
【００１８】
球状化炭化物を含有するパーライト組織中の炭化物（長径と短径の平均値が５０〜６００ｎｍのもの）の数は、球状化炭化物を含有するパーライト組織の耐摩耗性、耐表面損傷性を決定する重要な要素である。
長径と短径の比が２以下、長径と短径の平均値が５０〜６００ｎｍの範囲である炭化物の数が、視野面積５０μｍ2 の中で２００個を超えると、パーライト組織の延性が著しく低下し、レール頭表面にスポーリング等の表面損傷が多く発生し、同時にレール自体の延性も低下するため、炭化物の数を２００個以下とした。また炭化物の数が３０個未満になると、炭化物の量の減少により、炭化物によるフェライト相への強化が不十分となり、耐摩耗性が確保できないため、炭化物の数を３０個以上とした。
【００１９】
なお、球状化炭化物を含有するパーライト組織の耐摩耗性や耐表面損傷性を最も向上させ、同時にレールに必要とされる延性を十分に確保するには、長径と短径の比が２以下、長径と短径の平均値が５０〜６００ｎｍの範囲である炭化物の数は、視野面積５０μｍ2 中で４０〜６０個とすることがより望ましい。
【００２０】
球状化炭化物を含有するパーライト組織のラメラ間隔、炭化物の形態、サイズおよびその数の測定は、ナイタールおよびピクラールなど所定の腐食液で鋼をエッチングし、これらを走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡で観察し、各視野において、ラメラ間隔、各炭化物の長径（最大径）および短径（最短径）を測定し、炭化物の長径と短径の比および長径と短径の平均値を求める。さらに長径と短径の比が２以下で、かつ長径と短径の平均値が５０〜６００ｎｍの炭化物を選び出し、視野面積５０μｍ2 中の生成数を求める。
【００２１】
また、パーライト組織のラメラ間隔、炭化物の長径および短径の測定、長径と短径の比が２以下で、かつ長径と短径の平均値が５０〜６００ｎｍの炭化物数の算出については、観察する視野によってばらつきが発生する。そこで平均的な値を得るには、各鋼において最低限１０視野以上の観察を行い、その平均値を算出することが望ましい。
【００２２】
（３）球状化炭化物を含有するパーライト組織の望ましい範囲：
次に、前記球状化炭化物を含有するパーライト組織の呈する望ましい範囲を、頭部コーナー部および頭頂部の表面を起点として深さ２０ｍｍの範囲に限定した理由について説明する。
２０ｍｍ未満では、レール頭部に必要とされている耐摩耗性領域としては小さく、十分な寿命改善効果が得られないためである。また、前記球状化炭化物が分散した組織を呈する範囲が頭部コーナー部および頭頂部の表面を起点として深さ３０ｍｍ以上であれば、寿命改善効果がさらに増し、より望ましい。
【００２３】
ここで、図２に本発明の球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レールの頭部断面表面位置での呼称及び耐摩耗性が必要とされる領域を示す。
レール頭部において１は頭頂部、２は頭部コーナー部であり、頭部コーナー部２の一方は車輪と主に接触するゲージコーナー（Ｇ．Ｃ．）部である。前記球状化炭化物を含有するパーライト組織は、少なくとも図中の斜線内に配置されていれば、レール使用寿命の向上が可能となる。
したがって、球状化炭化物を含有するパーライト組織は、車輪とレールが主に接するレール頭部表面近傍に配置することが望ましく、それ以外の部分は球状化炭化物を含有するパーライト組織以外の組織であってもよい。
【００２４】
なお、本発明レールの金属組織は、前記限定のような球状化炭化物を含有するパーライト組織であることが望ましが、その製造方法によっては、球状化炭化物を含有するパーライト組織中にベイナイト組織、残留オーステナイト組織が混入することがある。しかしこれらの組織がある程度混入しても、レールの耐摩耗性、耐表面損傷性等には大きな影響を及ぼさないため、球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レールの組織としては、若干のベイナイト組織、残留オーステナイト組織の混在でもかまわない。
【００２５】
（４）レール鋼の化学成分：
次に、レールの化学成分を前記の請求範囲に限定した理由について説明する。成分含有量は質量％である。
Ｃは、球状化炭化物を含有するパーライト組織の炭化物密度を確保し、耐摩耗性を向上させるための必須元素であるが、０．８５％未満では、球状化炭化物を含有するパーライト組織中の炭化物数が不十分で、前記限定範囲の炭化物数の下限値を確保することが困難となる。これに伴い、フェライト相への加工歪み量が低減し、炭化物の分解・固溶によるフェライト相の強化が不十分となり、耐摩耗性が低下する。
また２．００％を超えると、球状化炭化物を含有するパーライト組織中の炭化物数が著しく増加し、前記限定範囲の炭化物数の上限値を確保することが困難となる。これに伴い、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性低下が低下し、レール頭表面にスポーリング等の表面損傷が多く発生する。したがってＣ量を０．８５〜２．００％に限定した。
【００２６】
また通常は、Ｓｉ、Ｍｎを以下の条件で含有させる。
Ｓｉは、脱酸材として必須の成分であり、固溶強化によりフェライト相の硬さを高め、同時にパーライト組織のラメラ間隔を微細化し、球状化炭化物を含有するパーライト組織の強度（硬さ）を確保する元素であるが、０．１０％未満ではその効果が期待できない。また２．００％を超えると、レールの延性や靭性が劣化することや、レール熱間圧延時に表面疵が発生し易くなるため、Ｓｉ量を０．１０〜２．００％に限定した。
【００２７】
Ｍｎは、焼入れ性を高め、粗大な炭化物である初析セメンタイト組織の生成を抑制し、さらにパーライト組織のラメラ間隔を微細化し、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性と強度を確保し、同時にセメンタイト等の炭化物に固溶して、炭化物を強化する元素であるが、０．１０％未満ではこれらの効果が少なく、パーライト組織のラメラ間隔の粗大化、炭化物の粗大化や強度低下により、球状化炭化物を含有するパーライト組織の強度と延性が低下し、耐表面損傷性や耐摩耗性を確保することが困難となる。
また３．００％を超えると、パーライト組織中の炭化物の強化が過剰となり、レール頭表面にスポーリング等の表面損傷が多く発生することや、マルテンサイト組織などのレールの靱性に有害な組織が生成し易くなるため、Ｍｎ量を０．２０〜３．００％に限定した。
【００２８】
また、前記の成分組成で製造されるレールは強度、延性、靭性、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１種類または２種以上を添加する。
Ｃｒ：０．０５〜３．００％、 Ｍｏ：０．０１〜１．００％、
Ｖ ：０．０１〜０．５０％、 Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、
Ｂ ：０．０００１〜０．２０００％、
Ｃｕ：０．０５〜１．００％、 Ｎｉ：０．０５〜２．００％、
Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％、
Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％。
【００２９】
ここで、Ｃｒは焼入れ性を高め、粗大な炭化物である初析セメンタイト組織の生成を抑制し、さらにパーライト組織のラメラ間隔を微細化し、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性と強度を確保し、同時にセメンタイト相に固溶して炭化物を強化する。Ｍｏは焼入れ性を高め、粗大な炭化物である初析セメンタイト組織の生成を抑制し、さらにパーライト組織のラメラ間隔を微細化し、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性と強度を確保し、同時に独自の炭化物を形成し、炭化物の球状化を促進させる。Ｖ，Ｎｂは独自の炭化物を形成し、炭化物の球状化を促進させ、またレール溶接熱時の熱影響部の軟化抵抗を高める。Ｂは鉄との化合物を生成し、パーライト変態を促進し、同時に炭化物の球状化を促進する。Ｃｕ，Ｎｉは、主に固溶強化により生地フェライト相の硬さを高め、球状化炭化物を含有するパーライト組織の強度（硬さ）を確保する。Ｔｉ，Ｍｇは、レール溶接熱時にオーステナイト域まで加熱される熱影響部の組織を微細化し、溶接継ぎ手部の脆化を防止する、ことが主な添加目的である。
【００３０】
以下、添加元素の化学成分を前記特許請求の範囲に限定した理由について説明する。
Ｃｒは、Ｍｎと同様に焼入れ性を高め、粗大な炭化物である初析セメンタイト組織の生成を抑制し、さらにパーライト組織のラメラ間隔を微細化し、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性と強度を確保し、同時にセメンタイト等の炭化物に固溶して、炭化物を強化する元素であるが、０．０５％未満ではその効果が少なく、パーライト組織のラメラ間隔の粗大化、炭化物の粗大化や強度低下により、球状化炭化物を含有するパーライト組織の強度と延性が低下し、耐表面損傷性や耐摩耗性を確保することが困難となる。
また３．００％を超えると、パーライト組織中の炭化物の強化が過剰となり、レール頭表面にスポーリング等の表面損傷が多く発生することや、マルテンサイト組織などのレールの靱性に有害な組織が生成し易くなるため、Ｃｒ量を０．０５〜３．００％に限定した。
【００３１】
Ｍｏは、Ｃｒと同様に焼入れ性を高め、粗大な炭化物である初析セメンタイト組織の生成を抑制し、さらにパーライト組織のラメラ間隔を微細化し、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性と強度を確保し、同時に独自の炭化物を形成し、炭化物の強化と球状化を促進させる元素であるが、０．０１％未満ではその効果が十分でなく、パーライト組織のラメラ間隔の粗大化、炭化物の粗大化や強度低下により、球状化炭化物を含有するパーライト組織の強度と延性が低下し、耐表面損傷性や耐摩耗性を確保することが困難となる。
また１．００％を超えると、Ｃｒと同様にパーライト組織中の炭化物の強化が過剰となり、レール頭表面にスポーリング等の表面損傷が多く発生することや、マルテンサイト組織などのレールの靱性に有害な組織が生成し易くなるため、Ｍｏ量を０．０１〜１．００％に限定した。
【００３２】
Ｖは、独自の炭化物を形成し、炭化物の球状化を促進させる元素である。さらにレール溶接熱影響部では、焼戻し時にＶ炭化物が生成し、析出強化により軟化を防止する元素であるが、０．０１％未満ではその効果が十分に期待できず、炭化物の粗大化によりスポーリング等の表面損傷が多く発生し、溶接熱影響部の軟化が抑制できない。また０．５０％を超えて添加してもそれ以上の効果が期待できず、鋼のコスト増加を招くことから、Ｖ量を０．０１〜０．５０％に限定した。
【００３３】
Ｎｂは、Ｖと同様に独自の炭化物を形成し、炭化物の球状化を促進させる元素である。さらにレール溶接熱影響部では、焼戻し時にＮｂ炭化物が生成し、析出強化により軟化を防止する元素であるが、その効果は０．００２％未満では期待できず、熱処理後の炭化物の粗大化によりスポーリング等の表面損傷が多く発生し、溶接熱影響部の軟化が抑制できない。また０．０５０％を超える過剰な添加を行うと、Ｎｂの金属間化合物や粗大析出物が生成して靭性を低下させることや、それ以上の効果が期待できず、鋼のコスト増加を招くことから、Ｎｂ量を０．００２〜０．０５０％に限定した。
【００３４】
Ｂは、鉄炭ほう化物（Ｆｅ23（ＣＢ）6 ）を生成し、パーライト変態を促進させ、同時に、鉄化合物（Ｆｅ2 Ｂ）がセメンタイトの核生成サイトとして作用し、パーライト変態とセメンタイト等の炭化物の球状化を促進させる元素である。
しかし０．０００１％未満ではその効果は弱く、また０．２０００％を超えて添加すると、粗大な鉄炭ほう化物が生成し、レールの延性や靭性を劣化させるため、Ｂ量を０．０００１〜０．２０００％に限定した。
【００３５】
Ｃｕは、固溶強化によりフェライト相の硬さを高め、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性と強度を確保する元素であるが、その効果は０．０５％未満では期待できず、また１．００％を超えると赤熱脆化を生じることから、Ｃｕ量を０．０５〜１．００％に限定した。
【００３６】
Ｎｉは、Ｃｕと同様、固溶強化によりフェライト相の硬さを高め、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性と強度を確保する元素である。さらに溶接熱影響部においては、Ｔｉと複合でＮｉ3 Ｔｉの金属間化合物が微細に析出し、析出強化により軟化を抑制する元素であるが、０．０５％未満ではその効果が著しく小さく、また２．００％を超える添加を行ってもその効果が飽和してしまうため、Ｎｉ量を０．０５〜２．００％に限定した。
【００３７】
Ｔｉは、析出したＴｉ炭化物、Ｔｉ窒化物が高温度域まで溶解しないことを利用して、レール溶接熱時にオーステナイト域まで加熱される熱影響部の組織を微細化し、溶接継ぎ手部の脆化を防止するのに有効な成分である。また溶接熱影響部においては、Ｔｉ炭化物を生成し、さらにＮｉと複合でＮｉ3 Ｔｉの金属間化合物が微細に析出し、析出強化により軟化を抑制する元素である。しかし０．００５０％未満ではその効果が少なく、０．０５００％を超えて添加すると、粗大なＴｉ炭化物、Ｔｉ窒化物が生成して、レール使用中の疲労損傷の起点となり、き裂を発生させるため、Ｔｉ量を０．００５０〜０．０５０％に限定した。
【００３８】
Ｍｇは、Ｏまたは、ＳやＡｌ等と結合して微細な酸化物を形成し、レール溶接熱時にオーステナイト域まで加熱される熱影響部の組織を微細化し、溶接継ぎ手部の脆化を防止するのに有効な成分である。しかし０．００１０％未満ではその効果は弱く、０．０１００％を超えて添加すると、Ｍｇの粗大酸化物が生成してレール延性や靭性を劣化させるため、Ｍｇ量を０．００１０〜０．０１００％に限定した。
【００３９】
前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、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放冷または加速冷却を施し、前組織をマルテンサイト組織、パーライト組織、ベイナイト組織、および初析セメンタイト組織、またはその混合組織とし、これをＡ1 点直下およびＡ1 点以上の温度に再加熱し、その後、加速冷却を行うことにより、レール頭部に、パーライト組織のラメラ間隔が４００ｎｍ以下で、かつ長径と短径の比が２以下、長径と短径の平均値５０〜６００ｎｍの範囲である炭化物の数が、視野面積５０μｍ2 中で３０個以上、２００個以下である球状化炭化物を含有するパーライト組織を安定的に生成させることが可能となる。
なお、熱処理をする前組織は、前記のように特に限定するものではないが、熱処理後の組織において炭化物を微細に分散させるためには、前組織はセメンタイト（炭化物）の厚さが微細なパーライト組織であることが望ましい。
【００４０】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
表１に本発明レール鋼の化学成分、ミクロ組織、および炭化物の長径と短径の平均値範囲、炭化物の長径と短径の比の範囲、視野面積５０μｍ2 断面内に存在する短径の比が２以下、平均粒界が５０〜６００ｎｍである炭化物の数を示す。
なお各レール鋼は、表示した成分以外にＦｅおよび不可避的不純物を含有する。さらに表１には、図３に示す西原式摩耗試験機による本発明レール鋼の摩耗特性評価結果、および図４に示すレール・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損傷試験結果を併記した。
【００４１】
また表２に、比較レール鋼の化学成分、ミクロ組織、および炭化物の長径と短径の平均値範囲、炭化物の長径と短径の比の範囲、視野面積５０μｍ2 の断面内に存在する短径の比が２以下、平均粒界が５０〜６００ｎｍである炭化物の数を示す。なお各レール鋼は、表示した成分以外にＦｅおよび不可避的不純物を含有する。さらに表２には、図３に示す西原式摩耗試験機による本発明レール鋼の摩耗特性評価結果、および図４に示すレール・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損傷試験の表面損傷発生寿命を示す。
【００４２】
さらに、図５に本発明レール鋼：符号Ｆ、図６に本発明レール鋼：符号Ｉの１００００倍のミクロ組織において、炭化物の生成状態の一例を示す模式図を示す。図５、６は本発明レール鋼を５％ナイタール液で腐食し、走査型電子顕微鏡により観察したものであり、図中の白い粒状および塊状の部分が球状化炭化物を含有する組織中の炭化物であり、白い層状の部分はパーライト組織である。また斜線部は本発明の限定外の炭化物である。
【００４３】
なお、レールの構成は以下のとおりである。
・本発明レール鋼（１２本）
符号 Ａ〜Ｌ：成分範囲が本発明の限定範囲内であり、球状化炭化物を含有するパーライト組織を呈し、球状化炭化物を含有するパーライト組織の任意断面内に含まれる炭化物において、視野面積５０μｍ2 の断面内に存在する、長径と短径の比が２以下、平均粒界が５０〜６００ｎｍである炭化物の数が３０〜１００個であるレール鋼。
・比較レール鋼（１０本）
符号 Ｍ〜Ｏ：共析炭素含有鋼によるパーライト組織を呈した現行のレール鋼。
符号 Ｐ〜Ｒ：成分範囲が本発明の限定範囲外のレール鋼。
符号 Ｓ〜Ｖ：成分範囲が本発明の限定範囲内であるが、任意断面内に含まれる視野面積５０μｍ2 の断面内に存在する炭化物において、炭化物のサイズ、形態およびその数が本発明の限定範囲外であるレール。
【００４４】
摩耗試験およびころがり疲労試験の条件は以下のとおりとした。
［摩耗試験］
・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、厚さ：８ｍｍ）
・試験荷重 ：６８６Ｎ
・すべり率 ：２０％
・相手材 ：微細パーライト鋼（Ｈｖ３９０）
・雰囲気 ：大気中
・冷却 ：圧搾空気による強制冷却（流量：１００Ｎｌ／ｍｉｎ）
・繰返し回数：７０万回
【００４５】
【００４６】
表１に示すように、球状化炭化物を含有するパーライト組織中の炭化物のサイズ、形態およびその数を制御した本発明レール鋼（符号：Ａ〜Ｌ）は、パーライト組織を呈した比較レール鋼（現用レール、符号：Ｍ〜Ｏ）よりも摩耗量が少なく、耐摩耗性が大きく向上した。
また本発明レール鋼は、化学成分を限定範囲内に収めることにより、炭化物のサイズ、形態およびその数を確保することが可能となり、比較レール鋼（符号：Ｐ〜Ｒ）で確認された耐摩耗性の低下や表面損傷の発生を防止することができた。
さらに本発明レール鋼は、炭化物のサイズ、形態およびその数を制御することにより、比較レール鋼（符号：Ｓ〜Ｖ）と比べて、耐摩耗性や耐表面損傷性が大きく向上した。
【００４７】
【表１】
【００４８】
【表２】
【００４９】
【発明の効果】
上記のように本発明によれば、重荷重鉄道において耐摩耗性を向上させた高強度レールを低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】球状化炭化物を含有するパーライト組織において、パーライトラメラと炭化物の生成状態の一例を示す模式図。
【図２】レール頭部断面表面位置の呼称を表示した図。
【図３】西原式摩耗試験機の概略図。
【図４】ころがり疲労損傷試験機の概略図。
【図５】本発明レール鋼の球状化炭化物を含有するパーライト組織において、パーライトラメラと炭化物の生成状態の一例を示す模式図（符号：Ｆ）。
【図６】本発明レール鋼の球状化炭化物を含有するパーライト組織において、パーライトラメラと炭化物の生成状態の一例を示す模式図（符号：Ｉ）。
【符号の説明】
１：頭頂部
２：頭部コーナー部
３：レール試験片
４：相手材
５：レール円盤試験片
６：車輪試験片
７：モーター（レール側）
８：モーター（車輪側）
９：水潤滑装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、重荷重鉄道に要求される耐摩耗性を向上させた球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
海外の重荷重鉄道では、鉄道輸送の高効率化の手段として列車速度の向上や列車積載質量の増加が図られている。このような鉄道輸送の効率化はレール使用環境の過酷化を意味し、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、曲線区間に敷設されたレールでは、Ｇ．Ｃ．（ゲージ・コーナー）部や頭側部の摩耗が急激に増加し、レールの使用寿命の点で問題視されるようになった。
【０００３】
しかしながら、最近の高強度化熱処理技術の進歩により、共析炭素鋼を用いた微細パーライト組織を呈した下記に示すような高強度（高硬度）レールが発明され、重荷重鉄道の曲線区間のレール寿命を飛躍的に改善してきた。
▲１▼ 頭部がソルバイト組織、または微細なパーライト組織の超大荷重用の熱処理レール（特公昭５４−２５４９０号公報）。
▲２▼ 圧延終了後、あるいは再加熱したレール頭部を、オーステナイト域温度から８５０〜５００℃間を１〜４℃/secで加速冷却する、１３０kgf/mm2 以上の高強度レールの製造法（特公昭６３−２３２４４号公報）。
これらのレールの特徴は、共析炭素含有鋼（炭素量：０．７〜０．８％）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、その目的はパーライト組織中のラメラ間隔を微細化し、耐摩耗性を向上させるところにあった。
【０００４】
近年、海外の重荷重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前記開発のレールを用いてもＧ．Ｃ．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。このような背景から、現状の共析炭素鋼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。
【０００５】
これら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。
▲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相の厚さを増加させた、耐摩耗性に優れたレール （特開平８−１４４０１６号公報）。
▲４▼ 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相の厚さを増加させ、同時に硬さを制御した耐摩耗性に優れたレール（特開平８−２４６１００号公報）。
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耐摩耗性に優れたセメタイト相の厚さ（密度）を増加させ、さらに硬さを制御することにより、パーライト鋼の耐摩耗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】
これらの過共析鋼を用いたパーライト組織のレールは、共析鋼を用いたパーライト組織のレールと比べて耐摩耗性は向上する。しかし、より一層の耐摩耗性の改善を狙って鋼中の炭素量をさらに増加させると、レール製造時にオーステナイト粒界に粗大な初析セメンタイト組織が生成し、延性の低下により、スポーリング等の表面損傷が発生し、レールの使用寿命が低下することや、耐摩耗性に有効なパーライトラメラ中のセメンタイト相の厚さを増加させることが困難となり、耐摩耗性が十分に向上しない。
そこで、過共析鋼を用いたパーライト組織のレールよりも安定的に耐摩耗性を向上させる新たな材料開発が求められるようになった。
すなわち本発明は、重荷重鉄道に要求される耐摩耗性を向上させ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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前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。
【０００８】
（１）質量％で、
Ｃ ：０．８５〜２．００％、 Ｓｉ：０．１０〜２．００％、
Ｍｎ：０．１０〜３．００％
を含有し、さらに必要に応じて、
Ｃｒ：０．０５〜３．００％、 Ｍｏ：０．０１〜１．００％、
Ｖ ：０．０１〜０．５０％、 Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、
Ｂ ：０．０００１〜０．２０００％、
Ｃｕ：０．０５〜１．００％、 Ｎｉ：０．０５〜２．００％、
Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％、
Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％
の１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、レール頭部の少なくとも一部が、長径と短径の比が２以下の球状化炭化物を含有するパーライト組織を呈し、前記パーライト組織の任意断面において、パーライト組織のラメラ間隔が４００ｎｍ以下で、かつ、長径と短径の平均値が５０〜６００ｎｍの範囲である球状化炭化物の数が、視野面積５０μｍ２ 中で３０個以上、２００個以下であることを特徴とする球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レール。
（２）レール頭部のコーナー部および頭頂部の表面を起点として少なくとも深さ２０ｍｍの範囲が、球状化炭化物を含有するパーライト組織を呈することを特徴とする前記（１）に記載の球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レール。
【０００９】
【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、本発明者らはレール鋼の摩耗機構を解明した。その結果、現行のパーライト組織のレールのころがり面直下では、パーライト組織のラメラが破砕され、フェライト相とセメンタイト相が細粒化していることが確認された。また鋼中の炭素量、すなわちパーライト組織中のセメンタイト相の増加によりフェライト相へ歪みが集中し、パーライト組織中のフェライト相の微細化（サブグレイン化）が促進され、フェライト相が強化されていることが明らかとなった。
【００１０】
さらに詳細な調査の結果、ころがり面直下では、フェライト相の細粒化に加えて、強加工によりセメンタイト相の炭素が分解し、この炭素がフェライト相に過飽和に固溶し、フェライト相が固溶強化されていることが確認された。またこのフェライト相の強化は、パーライト組織中のセメンタイト相の増加により向上することが明かとなった。
【００１１】
このような観察結果から、耐摩耗性を向上させる方法として本発明者らは、鋼の生地組織をパーライトとし、パーライト組織中に炭化物を分散させ、同時にその数を確保し、炭化物によるフェライト相の強化を促進し、レールに必要とされる耐表面損傷性を損なわず、耐摩耗性を向上させる方法を検討した。
その結果、鋼の炭素量をある一定量以上とし、さらにこれに熱処理を行い、パーライト組織中に炭化物を分散させた組織とすることにより、パーライト単相組織と比べて、分散された炭化物によるフェライト相の強化が図られ、耐摩耗性がより一層向上することを実験室的に確認した。
【００１２】
さらに、パーライト組織中に炭化物を分散させた組織において、耐摩耗性をより一層向上させ、同時にレール鋼として必要とされる耐表面損傷性を確保することが可能な炭化物の生成状態を検討した。その結果、パーライト組織のラメラ間隔、炭化物の形態、サイズおよびその数をある一定範囲内に納めることにより、スポーリング等の表面損傷が発生せず、耐摩耗性の向上が図れることを見出した。
すなわち本発明は、重荷重鉄道に要求される耐摩耗性を向上させた高強度レールを低コストで提供する目的でなされたものである。
【００１３】
次に、本発明の限定理由について詳細に説明する。
まず、図１に本発明の球状化炭化物を含有するパーライト組織の一例を模式的に示す。図１において、白抜きで示した層状の部分はパーライト組織、白抜きで示した島状の部分は本発明の限定範囲内の炭化物を示す。斜線付きで示した島状の部分は本発明の限定範囲外の炭化物である。
【００１４】
本発明レール鋼において、パーライト組織のラメラ間隔は、図１に示すとおりフェライト相とセメンタイト相の１対の厚さである。炭化物の長径および短径は、図１に示すとおり炭化物の最大径と最短径である。
なお炭化物は、熱処理条件によっては、図１に示すようにパーライト組織のセメンタイト相上に生成する場合がある。このような生成形態の場合、炭化物のサイズがパーライト組織中のセメンタイト相の厚さより大きく、その生成が観察により明確に確認できる場合は、炭化物の短径を粒径として取り扱う。
【００１５】
（１）パーライト組織のラメラ間隔：
はじめに、球状化炭化物を含有するパーライト組織中のパーライト組織のラメラ間隔を前記の請求範囲に限定した理由について説明する。
パーライト組織中に炭化物を分散させた組織中のパーライト組織のラメラ間隔は、パーライト組織中に炭化物を分散させた組織の耐摩耗性や耐表面損傷性を決定する重要な要素である。パーライト組織のラメラ間隔が４００ｎｍを超えると、耐摩耗性が低下しレールの使用寿命を低下させることや、レールが車輪との強い接触を受けた場合に塑性に対する抵抗性が低下し、塑性変形起因の表面損傷性が発生しやすくなるため、パーライト組織のラメラ間隔を４００ｎｍ以下に限定した。
【００１６】
（２）炭化物の形態、サイズおよび視野面積内の個数：
次に、球状化炭化物を含有するパーライト組織中の炭化物の形態、サイズおよび視野面積内の個数を限定した理由について説明する。
球状化炭化物を含有するパーライト組織中の炭化物の形態は、球状化炭化物を含有するパーライト組織の耐表面損傷性を決定する重要な要素である。
球状化炭化物を含有するパーライト組織のレールが車輪との接触により塑性変形を受けた場合には、柔らかい生地フェライト組織と硬いセメンタイト組織の変形量の違いにより、フェライト組織とセメンタイト組織の界面にボイドが発生する。この時に、炭化物の長径と短径の比が２を超えると、界面のボイドからき裂が発生し易くなり、フレーキング等の塑性変形起因の表面損傷性が発生するため、炭化物の長径と短径の比を２以下に限定した。
【００１７】
球状化炭化物を含有するパーライト組織中の炭化物のサイズは、球状化炭化物を含有するパーライト組織の耐摩耗性や耐表面損傷性を決定する重要な要素である。
炭化物の長径と短径の平均値が６００ｎｍを超えると、炭化物の粗大化によりパーライト組織の延性が著しく低下し、レール頭表面にスポーリング等の表面剥離損傷が多く発生するため、炭化物の長径を６００ｎｍ以下とした。
また、炭化物の長径が５０ｎｍ未満になると、フェライト地を強化して耐摩耗性に寄与する炭化物が、球状化炭化物を含有するパーライト組織中のフェライト素地と一緒に摩耗により取り去られてしまい、耐摩耗性が確保できなくなるため、炭化物の長径と短径の平均値を５０ｎｍ以上とした。
【００１８】
球状化炭化物を含有するパーライト組織中の炭化物（長径と短径の平均値が５０〜６００ｎｍのもの）の数は、球状化炭化物を含有するパーライト組織の耐摩耗性、耐表面損傷性を決定する重要な要素である。
長径と短径の比が２以下、長径と短径の平均値が５０〜６００ｎｍの範囲である炭化物の数が、視野面積５０μｍ2 の中で２００個を超えると、パーライト組織の延性が著しく低下し、レール頭表面にスポーリング等の表面損傷が多く発生し、同時にレール自体の延性も低下するため、炭化物の数を２００個以下とした。また炭化物の数が３０個未満になると、炭化物の量の減少により、炭化物によるフェライト相への強化が不十分となり、耐摩耗性が確保できないため、炭化物の数を３０個以上とした。
【００１９】
なお、球状化炭化物を含有するパーライト組織の耐摩耗性や耐表面損傷性を最も向上させ、同時にレールに必要とされる延性を十分に確保するには、長径と短径の比が２以下、長径と短径の平均値が５０〜６００ｎｍの範囲である炭化物の数は、視野面積５０μｍ2 中で４０〜６０個とすることがより望ましい。
【００２０】
球状化炭化物を含有するパーライト組織のラメラ間隔、炭化物の形態、サイズおよびその数の測定は、ナイタールおよびピクラールなど所定の腐食液で鋼をエッチングし、これらを走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡で観察し、各視野において、ラメラ間隔、各炭化物の長径（最大径）および短径（最短径）を測定し、炭化物の長径と短径の比および長径と短径の平均値を求める。さらに長径と短径の比が２以下で、かつ長径と短径の平均値が５０〜６００ｎｍの炭化物を選び出し、視野面積５０μｍ2 中の生成数を求める。
【００２１】
また、パーライト組織のラメラ間隔、炭化物の長径および短径の測定、長径と短径の比が２以下で、かつ長径と短径の平均値が５０〜６００ｎｍの炭化物数の算出については、観察する視野によってばらつきが発生する。そこで平均的な値を得るには、各鋼において最低限１０視野以上の観察を行い、その平均値を算出することが望ましい。
【００２２】
（３）球状化炭化物を含有するパーライト組織の望ましい範囲：
次に、前記球状化炭化物を含有するパーライト組織の呈する望ましい範囲を、頭部コーナー部および頭頂部の表面を起点として深さ２０ｍｍの範囲に限定した理由について説明する。
２０ｍｍ未満では、レール頭部に必要とされている耐摩耗性領域としては小さく、十分な寿命改善効果が得られないためである。また、前記球状化炭化物が分散した組織を呈する範囲が頭部コーナー部および頭頂部の表面を起点として深さ３０ｍｍ以上であれば、寿命改善効果がさらに増し、より望ましい。
【００２３】
ここで、図２に本発明の球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レールの頭部断面表面位置での呼称及び耐摩耗性が必要とされる領域を示す。
レール頭部において１は頭頂部、２は頭部コーナー部であり、頭部コーナー部２の一方は車輪と主に接触するゲージコーナー（Ｇ．Ｃ．）部である。前記球状化炭化物を含有するパーライト組織は、少なくとも図中の斜線内に配置されていれば、レール使用寿命の向上が可能となる。
したがって、球状化炭化物を含有するパーライト組織は、車輪とレールが主に接するレール頭部表面近傍に配置することが望ましく、それ以外の部分は球状化炭化物を含有するパーライト組織以外の組織であってもよい。
【００２４】
なお、本発明レールの金属組織は、前記限定のような球状化炭化物を含有するパーライト組織であることが望ましが、その製造方法によっては、球状化炭化物を含有するパーライト組織中にベイナイト組織、残留オーステナイト組織が混入することがある。しかしこれらの組織がある程度混入しても、レールの耐摩耗性、耐表面損傷性等には大きな影響を及ぼさないため、球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レールの組織としては、若干のベイナイト組織、残留オーステナイト組織の混在でもかまわない。
【００２５】
（４）レール鋼の化学成分：
次に、レールの化学成分を前記の請求範囲に限定した理由について説明する。成分含有量は質量％である。
Ｃは、球状化炭化物を含有するパーライト組織の炭化物密度を確保し、耐摩耗性を向上させるための必須元素であるが、０．８５％未満では、球状化炭化物を含有するパーライト組織中の炭化物数が不十分で、前記限定範囲の炭化物数の下限値を確保することが困難となる。これに伴い、フェライト相への加工歪み量が低減し、炭化物の分解・固溶によるフェライト相の強化が不十分となり、耐摩耗性が低下する。
また２．００％を超えると、球状化炭化物を含有するパーライト組織中の炭化物数が著しく増加し、前記限定範囲の炭化物数の上限値を確保することが困難となる。これに伴い、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性低下が低下し、レール頭表面にスポーリング等の表面損傷が多く発生する。したがってＣ量を０．８５〜２．００％に限定した。
【００２６】
また通常は、Ｓｉ、Ｍｎを以下の条件で含有させる。
Ｓｉは、脱酸材として必須の成分であり、固溶強化によりフェライト相の硬さを高め、同時にパーライト組織のラメラ間隔を微細化し、球状化炭化物を含有するパーライト組織の強度（硬さ）を確保する元素であるが、０．１０％未満ではその効果が期待できない。また２．００％を超えると、レールの延性や靭性が劣化することや、レール熱間圧延時に表面疵が発生し易くなるため、Ｓｉ量を０．１０〜２．００％に限定した。
【００２７】
Ｍｎは、焼入れ性を高め、粗大な炭化物である初析セメンタイト組織の生成を抑制し、さらにパーライト組織のラメラ間隔を微細化し、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性と強度を確保し、同時にセメンタイト等の炭化物に固溶して、炭化物を強化する元素であるが、０．１０％未満ではこれらの効果が少なく、パーライト組織のラメラ間隔の粗大化、炭化物の粗大化や強度低下により、球状化炭化物を含有するパーライト組織の強度と延性が低下し、耐表面損傷性や耐摩耗性を確保することが困難となる。
また３．００％を超えると、パーライト組織中の炭化物の強化が過剰となり、レール頭表面にスポーリング等の表面損傷が多く発生することや、マルテンサイト組織などのレールの靱性に有害な組織が生成し易くなるため、Ｍｎ量を０．２０〜３．００％に限定した。
【００２８】
また、前記の成分組成で製造されるレールは強度、延性、靭性、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１種類または２種以上を添加する。
Ｃｒ：０．０５〜３．００％、 Ｍｏ：０．０１〜１．００％、
Ｖ ：０．０１〜０．５０％、 Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、
Ｂ ：０．０００１〜０．２０００％、
Ｃｕ：０．０５〜１．００％、 Ｎｉ：０．０５〜２．００％、
Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％、
Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％。
【００２９】
ここで、Ｃｒは焼入れ性を高め、粗大な炭化物である初析セメンタイト組織の生成を抑制し、さらにパーライト組織のラメラ間隔を微細化し、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性と強度を確保し、同時にセメンタイト相に固溶して炭化物を強化する。Ｍｏは焼入れ性を高め、粗大な炭化物である初析セメンタイト組織の生成を抑制し、さらにパーライト組織のラメラ間隔を微細化し、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性と強度を確保し、同時に独自の炭化物を形成し、炭化物の球状化を促進させる。Ｖ，Ｎｂは独自の炭化物を形成し、炭化物の球状化を促進させ、またレール溶接熱時の熱影響部の軟化抵抗を高める。Ｂは鉄との化合物を生成し、パーライト変態を促進し、同時に炭化物の球状化を促進する。Ｃｕ，Ｎｉは、主に固溶強化により生地フェライト相の硬さを高め、球状化炭化物を含有するパーライト組織の強度（硬さ）を確保する。Ｔｉ，Ｍｇは、レール溶接熱時にオーステナイト域まで加熱される熱影響部の組織を微細化し、溶接継ぎ手部の脆化を防止する、ことが主な添加目的である。
【００３０】
以下、添加元素の化学成分を前記特許請求の範囲に限定した理由について説明する。
Ｃｒは、Ｍｎと同様に焼入れ性を高め、粗大な炭化物である初析セメンタイト組織の生成を抑制し、さらにパーライト組織のラメラ間隔を微細化し、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性と強度を確保し、同時にセメンタイト等の炭化物に固溶して、炭化物を強化する元素であるが、０．０５％未満ではその効果が少なく、パーライト組織のラメラ間隔の粗大化、炭化物の粗大化や強度低下により、球状化炭化物を含有するパーライト組織の強度と延性が低下し、耐表面損傷性や耐摩耗性を確保することが困難となる。
また３．００％を超えると、パーライト組織中の炭化物の強化が過剰となり、レール頭表面にスポーリング等の表面損傷が多く発生することや、マルテンサイト組織などのレールの靱性に有害な組織が生成し易くなるため、Ｃｒ量を０．０５〜３．００％に限定した。
【００３１】
Ｍｏは、Ｃｒと同様に焼入れ性を高め、粗大な炭化物である初析セメンタイト組織の生成を抑制し、さらにパーライト組織のラメラ間隔を微細化し、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性と強度を確保し、同時に独自の炭化物を形成し、炭化物の強化と球状化を促進させる元素であるが、０．０１％未満ではその効果が十分でなく、パーライト組織のラメラ間隔の粗大化、炭化物の粗大化や強度低下により、球状化炭化物を含有するパーライト組織の強度と延性が低下し、耐表面損傷性や耐摩耗性を確保することが困難となる。
また１．００％を超えると、Ｃｒと同様にパーライト組織中の炭化物の強化が過剰となり、レール頭表面にスポーリング等の表面損傷が多く発生することや、マルテンサイト組織などのレールの靱性に有害な組織が生成し易くなるため、Ｍｏ量を０．０１〜１．００％に限定した。
【００３２】
Ｖは、独自の炭化物を形成し、炭化物の球状化を促進させる元素である。さらにレール溶接熱影響部では、焼戻し時にＶ炭化物が生成し、析出強化により軟化を防止する元素であるが、０．０１％未満ではその効果が十分に期待できず、炭化物の粗大化によりスポーリング等の表面損傷が多く発生し、溶接熱影響部の軟化が抑制できない。また０．５０％を超えて添加してもそれ以上の効果が期待できず、鋼のコスト増加を招くことから、Ｖ量を０．０１〜０．５０％に限定した。
【００３３】
Ｎｂは、Ｖと同様に独自の炭化物を形成し、炭化物の球状化を促進させる元素である。さらにレール溶接熱影響部では、焼戻し時にＮｂ炭化物が生成し、析出強化により軟化を防止する元素であるが、その効果は０．００２％未満では期待できず、熱処理後の炭化物の粗大化によりスポーリング等の表面損傷が多く発生し、溶接熱影響部の軟化が抑制できない。また０．０５０％を超える過剰な添加を行うと、Ｎｂの金属間化合物や粗大析出物が生成して靭性を低下させることや、それ以上の効果が期待できず、鋼のコスト増加を招くことから、Ｎｂ量を０．００２〜０．０５０％に限定した。
【００３４】
Ｂは、鉄炭ほう化物（Ｆｅ23（ＣＢ）6 ）を生成し、パーライト変態を促進させ、同時に、鉄化合物（Ｆｅ2 Ｂ）がセメンタイトの核生成サイトとして作用し、パーライト変態とセメンタイト等の炭化物の球状化を促進させる元素である。
しかし０．０００１％未満ではその効果は弱く、また０．２０００％を超えて添加すると、粗大な鉄炭ほう化物が生成し、レールの延性や靭性を劣化させるため、Ｂ量を０．０００１〜０．２０００％に限定した。
【００３５】
Ｃｕは、固溶強化によりフェライト相の硬さを高め、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性と強度を確保する元素であるが、その効果は０．０５％未満では期待できず、また１．００％を超えると赤熱脆化を生じることから、Ｃｕ量を０．０５〜１．００％に限定した。
【００３６】
Ｎｉは、Ｃｕと同様、固溶強化によりフェライト相の硬さを高め、球状化炭化物を含有するパーライト組織の延性と強度を確保する元素である。さらに溶接熱影響部においては、Ｔｉと複合でＮｉ3 Ｔｉの金属間化合物が微細に析出し、析出強化により軟化を抑制する元素であるが、０．０５％未満ではその効果が著しく小さく、また２．００％を超える添加を行ってもその効果が飽和してしまうため、Ｎｉ量を０．０５〜２．００％に限定した。
【００３７】
Ｔｉは、析出したＴｉ炭化物、Ｔｉ窒化物が高温度域まで溶解しないことを利用して、レール溶接熱時にオーステナイト域まで加熱される熱影響部の組織を微細化し、溶接継ぎ手部の脆化を防止するのに有効な成分である。また溶接熱影響部においては、Ｔｉ炭化物を生成し、さらにＮｉと複合でＮｉ3 Ｔｉの金属間化合物が微細に析出し、析出強化により軟化を抑制する元素である。しかし０．００５０％未満ではその効果が少なく、０．０５００％を超えて添加すると、粗大なＴｉ炭化物、Ｔｉ窒化物が生成して、レール使用中の疲労損傷の起点となり、き裂を発生させるため、Ｔｉ量を０．００５０〜０．０５０％に限定した。
【００３８】
Ｍｇは、Ｏまたは、ＳやＡｌ等と結合して微細な酸化物を形成し、レール溶接熱時にオーステナイト域まで加熱される熱影響部の組織を微細化し、溶接継ぎ手部の脆化を防止するのに有効な成分である。しかし０．００１０％未満ではその効果は弱く、０．０１００％を超えて添加すると、Ｍｇの粗大酸化物が生成してレール延性や靭性を劣化させるため、Ｍｇ量を０．００１０〜０．０１００％に限定した。
【００３９】
前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、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放冷または加速冷却を施し、前組織をマルテンサイト組織、パーライト組織、ベイナイト組織、および初析セメンタイト組織、またはその混合組織とし、これをＡ1 点直下およびＡ1 点以上の温度に再加熱し、その後、加速冷却を行うことにより、レール頭部に、パーライト組織のラメラ間隔が４００ｎｍ以下で、かつ長径と短径の比が２以下、長径と短径の平均値５０〜６００ｎｍの範囲である炭化物の数が、視野面積５０μｍ2 中で３０個以上、２００個以下である球状化炭化物を含有するパーライト組織を安定的に生成させることが可能となる。
なお、熱処理をする前組織は、前記のように特に限定するものではないが、熱処理後の組織において炭化物を微細に分散させるためには、前組織はセメンタイト（炭化物）の厚さが微細なパーライト組織であることが望ましい。
【００４０】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
表１に本発明レール鋼の化学成分、ミクロ組織、および炭化物の長径と短径の平均値範囲、炭化物の長径と短径の比の範囲、視野面積５０μｍ2 断面内に存在する短径の比が２以下、平均粒界が５０〜６００ｎｍである炭化物の数を示す。
なお各レール鋼は、表示した成分以外にＦｅおよび不可避的不純物を含有する。さらに表１には、図３に示す西原式摩耗試験機による本発明レール鋼の摩耗特性評価結果、および図４に示すレール・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損傷試験結果を併記した。
【００４１】
また表２に、比較レール鋼の化学成分、ミクロ組織、および炭化物の長径と短径の平均値範囲、炭化物の長径と短径の比の範囲、視野面積５０μｍ2 の断面内に存在する短径の比が２以下、平均粒界が５０〜６００ｎｍである炭化物の数を示す。なお各レール鋼は、表示した成分以外にＦｅおよび不可避的不純物を含有する。さらに表２には、図３に示す西原式摩耗試験機による本発明レール鋼の摩耗特性評価結果、および図４に示すレール・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損傷試験の表面損傷発生寿命を示す。
【００４２】
さらに、図５に本発明レール鋼：符号Ｆ、図６に本発明レール鋼：符号Ｉの１００００倍のミクロ組織において、炭化物の生成状態の一例を示す模式図を示す。図５、６は本発明レール鋼を５％ナイタール液で腐食し、走査型電子顕微鏡により観察したものであり、図中の白い粒状および塊状の部分が球状化炭化物を含有する組織中の炭化物であり、白い層状の部分はパーライト組織である。また斜線部は本発明の限定外の炭化物である。
【００４３】
なお、レールの構成は以下のとおりである。
・本発明レール鋼（１２本）
符号 Ａ〜Ｌ：成分範囲が本発明の限定範囲内であり、球状化炭化物を含有するパーライト組織を呈し、球状化炭化物を含有するパーライト組織の任意断面内に含まれる炭化物において、視野面積５０μｍ2 の断面内に存在する、長径と短径の比が２以下、平均粒界が５０〜６００ｎｍである炭化物の数が３０〜１００個であるレール鋼。
・比較レール鋼（１０本）
符号 Ｍ〜Ｏ：共析炭素含有鋼によるパーライト組織を呈した現行のレール鋼。
符号 Ｐ〜Ｒ：成分範囲が本発明の限定範囲外のレール鋼。
符号 Ｓ〜Ｖ：成分範囲が本発明の限定範囲内であるが、任意断面内に含まれる視野面積５０μｍ2 の断面内に存在する炭化物において、炭化物のサイズ、形態およびその数が本発明の限定範囲外であるレール。
【００４４】
摩耗試験およびころがり疲労試験の条件は以下のとおりとした。
［摩耗試験］
・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、厚さ：８ｍｍ）
・試験荷重 ：６８６Ｎ
・すべり率 ：２０％
・相手材 ：微細パーライト鋼（Ｈｖ３９０）
・雰囲気 ：大気中
・冷却 ：圧搾空気による強制冷却（流量：１００Ｎｌ／ｍｉｎ）
・繰返し回数：７０万回
【００４５】
表１に示すように、球状化炭化物を含有するパーライト組織中の炭化物のサイズ、形態およびその数を制御した本発明レール鋼（符号：Ａ〜Ｌ）は、パーライト組織を呈した比較レール鋼（現用レール、符号：Ｍ〜Ｏ）よりも摩耗量が少なく、耐摩耗性が大きく向上した。
また本発明レール鋼は、化学成分を限定範囲内に収めることにより、炭化物のサイズ、形態およびその数を確保することが可能となり、比較レール鋼（符号：Ｐ〜Ｒ）で確認された耐摩耗性の低下や表面損傷の発生を防止することができた。
さらに本発明レール鋼は、炭化物のサイズ、形態およびその数を制御することにより、比較レール鋼（符号：Ｓ〜Ｖ）と比べて、耐摩耗性や耐表面損傷性が大きく向上した。
【００４７】
【表１】
【表２】
【発明の効果】
上記のように本発明によれば、重荷重鉄道において耐摩耗性を向上させた高強度レールを低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】球状化炭化物を含有するパーライト組織において、パーライトラメラと炭化物の生成状態の一例を示す模式図。
【図２】レール頭部断面表面位置の呼称を表示した図。
【図３】西原式摩耗試験機の概略図。
【図４】ころがり疲労損傷試験機の概略図。
【図５】本発明レール鋼の球状化炭化物を含有するパーライト組織において、パーライトラメラと炭化物の生成状態の一例を示す模式図（符号：Ｆ）。
【図６】本発明レール鋼の球状化炭化物を含有するパーライト組織において、パーライトラメラと炭化物の生成状態の一例を示す模式図（符号：Ｉ）。
【符号の説明】
１：頭頂部
２：頭部コーナー部
３：レール試験片
４：相手材
５：レール円盤試験片
６：車輪試験片
７：モーター（レール側）
８：モーター（車輪側）
９：水潤滑装置
Claims (8)
- 質量％で、
Ｃ ：０．８５〜２．００％、
Ｓｉ：０．１０〜２．００％、
Ｍｎ：０．１０〜３．００％
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、レール頭部の少なくとも一部が、長径と短径の比が２以下の球状化炭化物を含有するパーライト組織を呈し、前記パーライト組織の任意断面において、パーライト組織のラメラ間隔が４００ｎｍ以下で、かつ、長径と短径の平均値が５０〜６００ｎｍの範囲である球状化炭化物の数が、視野面積５０μｍ２ 中で３０個以上、２００個以下であることを特徴とする球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レール。 - 質量％で、さらに、
Ｃｒ：０．０５〜３．００％
を含有することを特徴とする請求項１に記載の球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レール。 - 質量％で、さらに、
Ｍｏ：０．０１〜１．００％
を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レール。 - 質量％で、さらに、
Ｖ ：０．０１〜０．５０％、
Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％
の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レール。 - 質量％で、さらに、
Ｂ ：０．０００１〜０．２０００％
を含有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レール。 - 質量％で、さらに、
Ｃｕ：０．０５〜１．００％、
Ｎｉ：０．０５〜２．００％
の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レール。 - 質量％で、さらに、
Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％、
Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％
の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レール。 - レール頭部のコーナー部および頭頂部の表面を起点として少なくとも深さ２０ｍｍの範囲が、球状化炭化物を含有するパーライト組織を呈することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の球状化炭化物を含有する耐摩耗性に優れたパーライト系レール。
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