JP4410342B2

JP4410342B2 - Rails with low thermal expansion and excellent wear resistance

Info

Publication number: JP4410342B2
Application number: JP23712799A
Authority: JP
Inventors: 正治上田; 耕一内野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2019-08-24
Also published as: JP2001059138A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レールの熱膨張を低減し、同時にレール要求される耐摩耗性を向上させたレールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
海外の貨物鉄道では、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重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、貨物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▼ Ｃｒ・Ｍｎ等の合金を添加し、レール頭部の熱処理速度をレール溶接時の冷却速度と等価とすることにより、後熱処理なしで溶接部と母材の硬さを同一とし、溶接部性を向上させたレール（特公昭５９−１９１７３号公報）。
【０００４】
また近年、海外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上記開発のレールを用いてもＧ．Ｃ．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密度を増加させた耐摩耗性に優れたレール（特開平８−１４４０６１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密度を増加させ、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）。
【０００６】
これらのレールの特徴は、共析炭素鋼（Ｃ量：０．７〜０．８％）、または過共析炭素鋼（Ｃ量：０．８５％超）を用いた微細パーライト組織を呈する高強度レールであり、その目的とするところは、パーライト組織中のラメラ間隔を微細化し、レール頭部の硬さを向上させる、さらには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密度を増加させることにより、耐摩耗性を向上させることにあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらのパーライト組織のレールでは耐摩耗性の向上は図れるものの、寒暖の差の激しい線区に敷設された場合には、レールの伸縮により高温時にはレールが伸び、レールの座屈やそれにともなう張り出しが発生しやすく、軌道の安全性を確保しにくい。また低温時にはレールが縮み、レール継ぎ目部の遊間が広がり、レールの端部が欠損しやすいといった問題が発生した。また上記のような問題を防止するため、レールの伸縮に応じてレール継ぎ目部の遊間を調整する方法もあるが、この遊間の調整には、まくら木からレールを一旦外さなければならず、このため莫大な時間と費用が発生し、不経済であった。
かかる状況のなかで本発明は、レールの熱膨張を低減し、同時に貨物鉄道のレールに要求される耐摩耗性を向上させるレール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】
本発明は上記目的を達成するものであって、その要旨は以下の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ：０．８０〜１．２０％、Ｍｎ：０．４０〜２．００％、
Ｃｒ：０．１５〜１．５０％、
を含有し、かつ質量％で、
Ｃ＋０．３Ｍｎ＋０．８Ｃｒの和が１．２以上、２．３以下であり、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼レールであって、少なくともその一部がパーライト組織であることを特徴とする熱膨張の少ない耐摩耗性に優れたレール。
（２）前記（１）に記載の成分を有するレールであって、前記鋼レールの頭部コーナー部および頭頂部表面を起点として少なくとも深さ２０mmの範囲が、硬さＨｖ３２０〜４８０の範囲であるパーライト組織であることを特徴とする熱膨張の少ない耐摩耗性に優れたレール。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
まず本発明者らは、寒暖の差、すなわちレールの温度差によって発生するパーライト組織のレールの伸縮に影響を与える因子について検討した。その結果、パーライト組織のレールでは、レールの伸縮はレールの硬さ（パーライト組織のラメラ間隔）には大きく影響されず、レール鋼の化学成分に大きく影響されることが確認された。
【００１０】
そこで本発明者らは、レールの伸縮量とレール鋼の化学成分の関係について検討した。その結果、レールの伸縮量は、Ｃ量との負の相関に加えて、炭化物形成元素であるＭｎ、Ｃｒ量との負の相関、すなわち炭化物形成の増加によりレールの伸縮量が低減することを知見した。
【００１１】
次に、この相関を詳細に明らかにするため、本発明者らはＣ、Ｍｎ、Ｃｒの添加量を変化させたレール鋼を用いて、成分と熱膨張率の関係を調査した。その結果、最も熱膨張率への負の相関の強いＣの質量％当たりの寄与度を１とすると、Ｍｎ、Ｃｒはそれぞれの質量％当たり０．３、０．８の寄与度があることを実験により導き出した。
【００１２】
さらに本発明者らは、Ｃ（mass％）＋０．３Ｍｎ（mass％）＋０．８Ｃｒ（mass％）の総和と実際のレールの熱膨張挙動を実験により確認した。その結果、上式の総和がある一定値以下になると熱膨張量が増加し、レールの座屈やそれにともなう張り出しが発生し、軌道の安全性を確保し難いことが明らかとなった。
また、上式の総和がある一定値以上になると熱膨張量は減少するものの、レール製造時にレールの靭性に有害なマルテンサイト組織が生成することや、レールの延性に有害な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。
【００１３】
以上の結果から、パーライト組織のレールの熱膨張量を低減し、レール製造時に異常組織を生成させないようにするには、Ｃ（mass％）＋０．３Ｍｎ（mass％）＋０．８Ｃｒ（mass％）の総和に一定の範囲があることを知見した。本発明はこのような知見に基づいている。
すなわち、本発明はレールの熱膨張を低減し、同時に貨物鉄道のレールに要求される耐摩耗性を向上させることを目的としたパーライト組織のレールに関するものである。
【００１４】
以下、本発明の限定理由について詳細に説明する。
（１）レール鋼の化学成分
まず、本発明においてレールの化学成分を上記のように限定した理由について説明する。化学成分の含有量は質量％である。以下の説明において、化学成分量は単に「％」と表示する。
Ｃは、炭化物を形成し、熱膨張量を低減させ、さらにパーライト変態を促進させて、耐摩耗性を確保する有効な元素であるが、Ｃ量０．８０％未満では、熱膨張量の十分な低減が図れず、レールの座屈およびこれにともなう張り出しが発生し、さらにはレール継ぎ目部の遊間が広がり、レールの端部が欠損するため軌道の安全性が低下する。またレール頭部の硬さの低下により耐摩耗性が低下し、レール使用寿命が低下する。一方、Ｃ量が１．２０％を超えると、成分系によってはパーライト組織中に初析セメンタイト組織が生成し、レールの靱性や延性が大きく低下することや、パーライト組織中のセメンタイト相の密度が増加し、レールに必要とされる延性を十分に確保できなくなるため、Ｃ量を０．８０〜１．２０％に限定した。
【００１５】
Ｍｎは、パーライト組織中のセメンタイトに固溶し、炭化物を形成し、熱膨張量を低減させ、さらにパーライト変態温度を低下させ、レール頭部の高硬度を図る元素であるが、Ｍｎ量０．４０％未満では、熱膨張量の低減が困難となり、レールの座屈およびこれにともなう張り出しが発生し、さらにはレール継ぎ目部の遊間が広がり、レールの端部が欠損するため軌道の安全性が低下する。また、レール頭部の硬さの低下により耐摩耗性が低下し、レール使用寿命が低下する。一方、Ｍｎ量２．００％を超えると、焼入性が著しく増加しマルテンサイト組織が生成し易くなることや、偏析が助長され、偏析部にレールの靭性に有害な初析セメンタイト組織が生成し易くなるため、Ｍｎ量を０．４０〜２．００％に限定した。
【００１６】
Ｃｒは、Ｍｎと同様に、パーライト組織中のセメンタイトに固溶し、また独自の炭化物を形成し、熱膨張量を低減させ、さらにパーライトの平衡変態点を上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にして高硬度化に寄与する元素であるが、Ｃｒ量０．１５％未満では、熱膨張量の低減が困難となり、レールの座屈およびこれにともなう張り出しが発生し、さらにはレール継ぎ目部の遊間が広がり、レールの端部が欠損するため軌道の安全性が低下する。また、レール頭部の硬さの低下により耐摩耗性が低下し、レール使用寿命が低下する。一方、Ｃｒ量が１．５０％を超える過剰な添加を行うと、マルテンサイト組織が多量に生成し、レールの靱性を著しく低下させるため、Ｃｒ量を０．１５〜１．５０％に限定した。
【００１７】
また、上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、Ｓｉ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｂ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。ここで、Ｓｉ，Ｍｏは高強度化と耐摩耗性向上、Ｎｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉは延性と靭性と同時に強度と向上、Ｃｕ，Ｃｏは強度向上、Ｍｇ，Ｃａは延性と靭性の向上、Ｂはレール頭部の硬化深度の向上を主な目的として、下記の範囲で必要に応じて添加する。
Ｓｉ：０．０５〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％の群、
Ｎｉ：０．０５〜１．００％、Ｖ：０．０１〜０．５０％、
Ｎｂ：０．００２〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００５０〜０．０３００％の群、
Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｃｏ：０．１０〜２．００％の群、
Ｍｇ：０．００１０〜０．０１００％、Ｃａ：０．００１０〜０．０１５０％の群、
Ｂ：０．０００１〜０．００４０％。
【００１８】
各成分の限定理由を以下に説明する。
Ｓｉは、パーライト組織中のフェライト相への固溶体硬化によりレール頭部の硬度（強度）を上昇させる元素であるが、０．１０％未満ではその効果が十分に期待できず、また１．００％を超えると、熱間圧延時に表面疵が多く生成することや、酸化物の生成により溶接性が低下するため、Ｓｉ量を０．１０〜１．００％に限定した。
【００１９】
Ｍｏは、パーライトの平衡変態点を上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にすることにより高強度化に寄与し、耐摩耗性を向上させる元素であるが、０．０１％未満ではその効果が小さく、０．２０％を超える過剰な添加を行うと、偏析が助長され、さらに、パーライト変態速度が低下し、偏析部にマルテンサイト組織が生成してレールの靱性が低下するため、Ｍｏ量を０．０１〜０．２０％に限定した。
【００２０】
Ｎｉは、パーライト鋼の延性と靭性を向上させ、同時に固溶強化によりパーライト鋼の高強度化を図る元素であるが、０．０５％未満ではその効果が著しく小さく、また１．００％を超える過剰な添加を行ってもそれ以上の効果が期待できない。したがって、Ｎｉ量を０．０５〜１．００％に限定した。
【００２１】
Ｖは、熱間圧延時の冷却課程で生成したＶ炭化物、Ｖ窒化物による析出硬化で強度を高め、さらに高温度に加熱する熱処理が行われる際に結晶粒の成長を抑制する作用によりオーステナイト粒を微細化させ、パーライト組織の強度、延性および靭性を向上させるのに有効な成分であるが、０．０１％未満ではその効果が十分に期待できず、０．５０％を超えて添加してもそれ以上の効果が期待できないことから、Ｖ量を０．０１〜０．５０％に限定した。
【００２２】
Ｎｂは、Ｖと同様にＮｂ炭化物、Ｎｂ窒化物による析出硬化で強度を高め、さらに、高温度に加熱する熱処理が行われる際に結晶粒の成長を抑制する作用によりオーステナイト粒を微細化させ、そのオーステナイト粒成長抑制効果はＶよりも高温度域（１２００℃近傍）まで作用し、パーライト組織の延性と靭性を改善する。その効果は、０．００２％未満では期待できず、また０．０５０％を超える過剰な添加を行ってもそれ以上の効果が期待できない。従って、Ｎｂ量を０．００２〜０．０５０％に限定した。
【００２３】
Ｔｉは、鋼中の過剰な窒素を窒化物（ＴｉＮ）として析出させ、同時にＢの窒化物（ＢＮ）の析出を抑制し、結果として鉄の炭ほう化物（Ｆｅ₂₃（ＣＢ）₆）を優先的に生成させる元素であるが、０．００５０％未満の含有量では、窒化物を形成するには十分でなく、また０．０３００％を超えて添加すると、粗大な窒化物（ＴｉＮ）や炭化物（ＴｉＣ）が生成し、レールの延性や靱性が低下すると同時に、レール使用中の疲労損傷の起点となりやすいため、Ｔｉ量を０．００５０〜０．０３００％に限定した。
【００２４】
Ｃｕは、パーライト鋼の靭性を損なわず強度を向上させる元素であり、その効果は０．０５〜０．５０％の範囲で最も大きく、また０．５０％を超えると赤熱脆化を生じやすくなることから、Ｃｕ量を０．０５〜０．５０％に限定した。
【００２５】
Ｃｏはパーライトの変態エネルギーを増加させて、パーライト組織を微細にすることにより強度を向上させる元素であるが、０．１０％未満ではその効果が期待できず、また２．００％を超える過剰な添加を行ってもその効果が飽和域に達してしまうため、Ｃｏ量を０．１０〜２．００％に限定した。
【００２６】
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、レール圧延時の再加熱において結晶粒の粒成長を抑制し、オーステナイト粒の微細化を図り、パーライト組織の延性や靭性を向上させるのに有効な元素である。さらに、ＭｇＯ、ＭｇＳがＭｎＳを微細に分散させ、ＭｎＳの周囲にＭｎの希薄帯を形成し、パーライト変態の生成に寄与し、その結果、パーライトブロックサイズを微細化することにより、パーライト組織の延性や靭性を向上させるのに有効な元素である。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。
【００２７】
Ｃａは、Ｓとの結合力が強く、ＣａＳとして硫化物を形成し、さらにＣａＳがＭｎＳを微細に分散させ、ＭｎＳの周囲にＭｎの希薄帯を形成し、パーライト変態の生成に寄与し、その結果、パーライトブロックサイズを微細化することにより、パーライト組織の延性や靭性を向上させるのに有効な元素である。しかし０．００１０％未満ではその効果は弱く、０．０１５０％を超えて添加すると、Ｃａ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、Ｃａ量を０．００１０〜０．０１５０％に限定した。
【００２８】
Ｂは、鉄の炭ほう化物（Ｆｅ₂₃（ＣＢ）₆）を形成し、パーライト変態を促進効果により、結果としてレール頭表面と頭部内部のパーライト変態温度の差を低減させ、レール頭表面から内部までより均一な硬度分布を付与する元素であるが、０．０００１％未満の含有量ではその効果が全くなく、また０．００４０％を超えて添加すると、粗大な鉄の炭ほう化物が生成して延性や靱性が低下することや、レール頭表面から内部まで均一な硬度分布が得られ難くなることから、Ｂ量を０．０００１〜０．００４０％に限定した。
【００２９】
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再加熱されたレール頭部に、エアーやミストなどを用いて加速冷却する熱処理を施すことにより、レール頭部に硬さの高い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。
【００３０】
（２）Ｃ，Ｍｎ，Ｃｒの和の式およびその範囲
次に、本発明においてレールの熱膨張量を示す指標として、Ｃ（％）＋０．３Ｍｎ（％）＋０．８Ｃｒ（％）の式およびその範囲を限定した理由について説明する。
パーライト組織のレールでは、レールの伸縮量は、Ｃ量との負の相関に加えて、炭化物形成元素であるＭｎ，Ｃｒ量との負の相関がある。そこでこれらの元素の寄与度を実験により確認した結果、最も熱膨張率への負の相関の強いＣの質量％当たりの寄与度を１とすると、Ｍｎ，Ｃｒはそれぞれの質量％当たり０．３、０．８の寄与度があることが確認され、レールの熱膨張量を示す指標として、上記の式を限定した。
【００３１】
さらに、上記の式の値の範囲を限定した理由について説明する。
上記の式の値が１．２未満になると、レールの熱膨張量が増加し、レールの座屈やそれにともなう張り出しが発生し、さらにはレール継ぎ目部の遊間が広がり、レールの端部が欠損するため、軌道の安全性が低下する。また上記の式の値が２．３を超えると、熱膨張量は減少するものの、レール製造時にレールの靭性に有害なマルテンサイト組織が生成することや、レールの延性に有害な初析セメンタイト組織が生成するため、Ｃ（％）＋０．３Ｍｎ（％）＋０．８Ｃｒ（％）の総和を１．２〜２．３の範囲に限定した。
【００３２】
（３）パーライト組織の望ましい硬さおよびその範囲
はじめに、パーライト組織の硬さをＨｖ３２０〜４８０の範囲に限定した理由について説明する。
本成分系では硬さがＨｖ３２０未満になると、レールの摩耗が進行し、貨物鉄道で要求されている耐摩耗性を確保することが困難となり、さらに急曲線区間において使用されるレールでは頭部内部から疲労き裂が発生しやすくなるため、パーライト組織の硬さをＨｖ３２０以上に限定した。
また、硬さがＨｖ４８０を超えると、レール頭表部の車輪とのなじみ性が低下し、表面損傷が発生しやすくなることや、またレール熱処理製造において、レール頭部にベイナイトやマルテンサイトなどの異常組織が生成し易くなり、レールの耐摩耗性や耐内部疲労損傷性を低下させるため、硬さをＨｖ３２０〜４８０の範囲に限定した。
【００３３】
次に、硬さＨｖ３２０〜４８０の範囲の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該頭部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および耐内部疲労損傷性領域としては小さく、摩耗の進行および内部疲労損傷の発生により十分な寿命改善効果が得られないためである。また、前記パーライト組織を呈する範囲が頭部コーナー部および頭頂部の該頭部表面を起点として深さ３０mm以上あれば、寿命改善効果がさらに増し、より望ましい。
【００３４】
ここで、図１に本発明の熱膨張の少ない耐摩耗性に優れたレールの頭部断面表面位置での呼称およ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。また、Ｈｖ３２０以上のパーライト組織は少なくとも図中の斜線部分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。
【００３５】
【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、頭部ミクロ組織、頭部表面硬さ、図２に示す摩耗試験の結果を示す。また表１には、図３に示すレール熱膨張再現試験の結果での座屈および張り出しの有無についても併記した。
また、表２に比較レール鋼の化学成分、頭部ミクロ組織、頭部表面硬さ、図２に示す摩耗試験の結果を示す。また表２には、図３に示すレール熱膨張再現試験の結果での座屈および張り出しの有無についても併記した。
図２において、３はレール頭部材料の試験片、４は相手材である。
図３において、５は試験用レール、６はレール固定用治具、７は枕木、８は遊間である。また、９はレールを固定する反力壁である。
【００３６】
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（２本）符号Ｄ、Ｇ
上記成分範囲で、前記鋼レールの頭部コーナー部および頭頂部表面を起点として少なくとも深さ２０mmの範囲が、硬さＨｖ３２０〜４８０の範囲であるパーライト組織であることを特徴とする熱膨張の少ない耐摩耗性に優れたレール。
・参考レール鋼（１０本）符号Ａ〜Ｃ、Ｅ、Ｆ、Ｈ〜Ｌ
化学成分が上記請求範囲外の参考レール。
・比較レール鋼（８本）
符号Ｍ〜Ｒ：化学成分が上記請求範囲外の比較レール鋼（６本）。
符号Ｓ、Ｔ：Ｃ（％）＋０．３Ｍｎ（％）＋０．８Ｃｒ（％）の和が上記請求範囲外の比較レール鋼（２本）。
【００３７】
摩耗試験条件は次のとおりとした。
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：５４３Ｎ
すべり率：９％
相手材：焼戻しマルテンサイト鋼（Ｈｖ３５０）
雰囲気：大気中
冷却：なし（自然冷却）
繰返し回数：５０万回
【００３８】
レール熱膨張再現試験の条件は次のとおりとした。
試験機：レール熱膨張再現試験機
レール：１３６ポンドレール×２０００mm×２本
試験開始温度：０℃
試験終了温度：１００℃
初期遊間幅（０℃）：５mm
評価：１００℃まで昇温した後のレールの挙動を評価する。
【００３９】
【表１】

【００４０】
【表２】

【００４１】
【発明の効果】
表１，表２に示すように、本発明レール鋼は比較レール鋼と比べて、Ｃ量、さらには、炭化物形成元素であるＭｎ，Ｃｒ量をある一定範囲とすることにより、レールの熱膨張量が低減し、レールの座屈や張り出しの発生を防止できる。さらに、耐摩耗性に優れたパーライト組織を安定的に得ることが可能となり、耐摩耗性を向上させることが可能となる。
このように本発明によれば、貨物鉄道に要求される、レールの熱膨張を低減し、同時に耐摩耗性を向上させたレールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レール頭部断面表面位置の呼称および硬さＨｖ３２０〜４８０のパーライト組織の必要範囲を示す図。
【図２】西原式摩耗試験機の概略図。
【図３】レール熱膨張再現試験機の概略図。
【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：試験用レール６：レール固定用治具
７：枕木８：遊間
９：反力壁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rail that reduces the thermal expansion of the rail and at the same time improves the wear resistance required for the rail.
[0002]
[Prior art]
In overseas freight railroads, as a means of improving the efficiency of rail transport, the train speed is increased and the train load is increased. Such an increase in the efficiency of rail transportation means that the rail use environment becomes severe, and further improvements in rail materials have been required. Specifically, for rails laid in curved sections, G. C. (Gauge corner) and head side wear increased rapidly, and it became a problem in terms of the service life of the rail.
[0003]
However, due to recent advances in heat treatment technology for strengthening, the following high-strength (hardness) rails with a fine pearlite structure using eutectoid carbon steel were invented, and the rail life in the curved section of freight railways was invented. Has improved dramatically.
(1) Heat-treated rail for super-heavy loads having a sorbite structure on the head or a fine pearlite structure (Japanese Patent Publication No. 54-25490).
(2) By adding an alloy such as Cr / Mn and making the heat treatment rate of the rail head equivalent to the cooling rate at the time of rail welding, the hardness of the welded part and the base metal is made the same without post-heat treatment. A rail with improved characteristics (Japanese Patent Publication No. 59-19173).
[0004]
In recent years, overseas freight railroads have been aggressively working to increase the freight load in order to further increase the efficiency of rail transport. C. In addition, the wear resistance of the head side portion cannot be sufficiently secured, and the deterioration of the rail life due to wear has been a problem. Against this background, there has been a demand for the development of a rail having wear resistance higher than that of the current high eutectoid carbon steel high-strength rail.
[0005]
In order to solve these problems, the present inventors have developed a rail as shown below.
{Circle around (3)} A hypereutectoid steel (C: more than 0.85 to 1.20%) and a rail having excellent wear resistance in which the cementite density in the lamellae in the pearlite structure is increased (Japanese Patent Laid-Open No. 8-144061) Issue gazette).
(4) Using hypereutectoid steel (C: more than 0.85 to 1.20%), increasing the cementite density in the lamellae in the pearlite structure, and at the same time, having excellent wear resistance with controlled hardness Rail (Japanese Patent Laid-Open No. 8-246100).
[0006]
These rails are characterized by high eutectoid carbon steel (C content: 0.7 to 0.8%) or high pearlite structure using hypereutectoid carbon steel (C content: more than 0.85%). The purpose of the rail is to reduce the lamella spacing in the pearlite structure, improve the hardness of the rail head, and increase the density of the cementite phase with excellent wear resistance in the pearlite lamella. This is to improve the wear resistance.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, although these pearlite-structured rails can improve wear resistance, when they are laid in a line with a large difference in temperature, the rails stretch at high temperatures due to the expansion and contraction of the rails, causing the rails to buckle and Overhang tends to occur and it is difficult to ensure the safety of the track. In addition, the rail shrinks at low temperatures, and the gap between the rail joints widens, and the rail ends tend to be damaged. In addition, in order to prevent the above problems, there is a method of adjusting the gap between the rail joints according to the expansion and contraction of the rail. For this adjustment, it is necessary to remove the rail once from the sleeper. A huge amount of time and money was incurred and it was uneconomical.
Under such circumstances, an object of the present invention is to provide a rail that reduces the thermal expansion of the rail and at the same time improves the wear resistance required for the rail of a cargo railway.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention achieves the above object, and the gist thereof is as follows.
(1) In mass%,
C: 0.80 to 1.20%, Mn: 0.40 to 2.00%,
Cr: 0.15 to 1.50%,
And in mass%,
The sum of C + 0.3Mn + 0.8Cr is 1.2 or more and 2.3 or less,
A rail excellent in wear resistance with little thermal expansion, wherein the balance is a steel rail composed of Fe and inevitable impurities, and at least a part thereof is a pearlite structure.
(2) A rail having the component described in (1) above, wherein a range of at least 20 mm in depth from the head corner portion and the top surface of the steel rail is a range of hardness Hv320 to 480. Rail with excellent wear resistance with little thermal expansion, characterized by a pearlite structure.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
First, the present inventors examined factors that affect the rail expansion / contraction of the pearlite structure caused by the difference in temperature, that is, the rail temperature difference. As a result, it was confirmed that in the pearlite structure rail, the expansion and contraction of the rail is not greatly influenced by the hardness of the rail (lamella spacing of the pearlite structure) but greatly influenced by the chemical composition of the rail steel.
[0010]
Therefore, the present inventors examined the relationship between the amount of expansion and contraction of the rail and the chemical composition of the rail steel. As a result, in addition to the negative correlation with the C content, the rail expansion / contraction amount has a negative correlation with the carbide forming elements Mn and Cr, that is, the increase in carbide formation reduces the rail expansion / contraction amount. I found out.
[0011]
Next, in order to clarify this correlation in detail, the present inventors investigated the relationship between the component and the coefficient of thermal expansion using rail steel in which the addition amount of C, Mn, and Cr was changed. As a result, when the contribution per mass % of C having the strongest negative correlation to the coefficient of thermal expansion is 1, Mn and Cr have contributions of 0.3 and 0.8 per mass %, respectively. Derived by experiment.
[0012]
Furthermore, the present inventors confirmed the sum of C ( mass %) + 0.3 Mn ( mass %) + 0.8 Cr ( mass %) and the thermal expansion behavior of the actual rail through experiments. As a result, it became clear that when the sum of the above equations falls below a certain value, the amount of thermal expansion increases, causing the buckling of the rails and the resulting overhanging, making it difficult to ensure the safety of the track.
Although the amount of thermal expansion decreases when the sum of the above formulas exceeds a certain value, a martensite structure that is harmful to the toughness of the rail is generated during rail manufacture, and a pro-eutectoid cementite structure that is harmful to the ductility of the rail is generated. It became clear to produce.
[0013]
Based on the above results, C ( mass %) + 0.3 Mn ( mass %) + 0.8 Cr ( mass %) can be used to reduce the thermal expansion of the pearlite structure rail and prevent the formation of abnormal structures during rail manufacturing. It has been found that there is a certain range in the sum of. The present invention is based on such knowledge.
That is, the present invention relates to a rail having a pearlite structure for the purpose of reducing the thermal expansion of the rail and at the same time improving the wear resistance required for the rail of the cargo railway.
[0014]
Hereinafter, the reason for limitation of the present invention will be described in detail.
(1) Chemical component of rail steel First, the reason for limiting the chemical component of the rail as described above in the present invention will be described. The content of the chemical component is mass %. In the following description, the chemical component amount is simply expressed as “%”.
C is an effective element that forms carbides, reduces the amount of thermal expansion, further promotes pearlite transformation, and ensures wear resistance. However, if the amount of C is less than 0.80%, the amount of thermal expansion is sufficient. Therefore, the buckling of the rail and the overhang accompanying it occur, and the clearance between the rail joints widens and the end of the rail is lost, so that the safety of the track is lowered. Moreover, wear resistance is reduced due to a decrease in the hardness of the rail head, and the service life of the rail is reduced. On the other hand, if the amount of C exceeds 1.20%, depending on the component system, a pro-eutectoid cementite structure is formed in the pearlite structure, and the toughness and ductility of the rail is greatly reduced, and the density of the cementite phase in the pearlite structure is reduced. The amount of C is limited to 0.80 to 1.20% because it increases and the ductility required for the rail cannot be sufficiently secured.
[0015]
Mn is an element that dissolves in cementite in the pearlite structure, forms carbides, reduces the amount of thermal expansion, further lowers the pearlite transformation temperature, and increases the hardness of the rail head. If it is less than 40%, it becomes difficult to reduce the amount of thermal expansion, rail buckling and accompanying overhang occur, and further, the gap between the rail joints widens and the end of the rail is lost, so the safety of the track is reduced. descend. In addition, the wear resistance is reduced due to a decrease in the hardness of the rail head, and the service life of the rail is reduced. On the other hand, if the amount of Mn exceeds 2.00%, the hardenability is remarkably increased and the martensite structure is likely to be formed, and segregation is promoted, and a pro-eutectoid cementite structure that is harmful to the toughness of the rail is formed in the segregated part. Therefore, the amount of Mn is limited to 0.40 to 2.00%.
[0016]
Cr, like Mn, dissolves in cementite in the pearlite structure, forms a unique carbide, reduces the amount of thermal expansion, further raises the equilibrium transformation point of pearlite, and consequently refines the pearlite structure. However, if the Cr content is less than 0.15%, it is difficult to reduce the amount of thermal expansion, resulting in the buckling of the rail and the overhang accompanying it, and the clearance between the rail joints. And the end of the rail is lost, which reduces the safety of the track. In addition, the wear resistance is reduced due to a decrease in the hardness of the rail head, and the service life of the rail is reduced. On the other hand, if excessive addition of Cr exceeds 1.50%, a large amount of martensite structure is generated and the toughness of the rail is remarkably reduced, so the Cr content is limited to 0.15 to 1.50%. .
[0017]
In addition, the rail manufactured with the above component composition has strength, ductility, toughness, and also prevents Si, Mo, Ni, V, Nb, Ti, Mg, Ca, Cu, Co for the purpose of preventing material deterioration during welding. , B elements are added in one or more as required. Here, Si and Mo increase strength and improve wear resistance, Ni, V, Nb, and Ti simultaneously increase ductility and toughness, strength and improvement, Cu and Co improve strength, Mg and Ca improve ductility and toughness, B is added as necessary within the following range for the main purpose of improving the depth of hardening of the rail head.
Si: 0.05-1.00%, Mo: 0.01-0.20% group,
Ni: 0.05-1.00%, V: 0.01-0.50%,
Nb: 0.002 to 0.050%, Ti: 0.0050 to 0.0300%,
Cu: 0.05 to 0.50%, Co: 0.10 to 2.00%,
Mg: 0.0010 to 0.0100%, Ca: 0.0010 to 0.0150% group,
B: 0.0001 to 0.0040%.
[0018]
The reasons for limiting each component will be described below.
Si is an element that increases the hardness (strength) of the rail head by solid solution hardening to the ferrite phase in the pearlite structure, but if it is less than 0.10%, the effect cannot be sufficiently expected, and 1.00% If it exceeds 1, the amount of Si is limited to 0.10 to 1.00% because many surface defects are generated during hot rolling and the weldability is reduced due to the formation of oxides.
[0019]
Mo is an element that raises the equilibrium transformation point of pearlite and, as a result, refines the pearlite structure, contributes to higher strength and improves wear resistance. However, if it is less than 0.01%, its effect is small. If excessive addition exceeding 0.20% is promoted, segregation is promoted, the pearlite transformation rate is decreased, martensite structure is formed in the segregated portion, and the toughness of the rail is decreased. It was limited to 0.01 to 0.20%.
[0020]
Ni is an element that improves the ductility and toughness of pearlite steel and at the same time increases the strength of pearlite steel by solid solution strengthening. However, if it is less than 0.05%, its effect is remarkably small, and exceeds 1.00%. Even if excessive addition is performed, no further effect can be expected. Therefore, the amount of Ni is limited to 0.05 to 1.00%.
[0021]
V increases the strength by precipitation hardening with V carbide and V nitride generated in the cooling process during hot rolling, and further suppresses the growth of crystal grains when heat treatment is performed at a high temperature. Is an effective component to improve the strength, ductility and toughness of the pearlite structure, but if it is less than 0.01%, the effect cannot be expected sufficiently, and it is added in excess of 0.50%. However, since the effect beyond that cannot be expected, the V amount was limited to 0.01 to 0.50%.
[0022]
Nb, like V, increases the strength by precipitation hardening with Nb carbide and Nb nitride, and further refines austenite grains by the action of suppressing the growth of crystal grains when heat treatment is performed at a high temperature, The austenite grain growth suppressing effect acts up to a temperature range higher than V (around 1200 ° C.), and improves the ductility and toughness of the pearlite structure. The effect cannot be expected if it is less than 0.002%, and no further effect can be expected even if excessive addition exceeding 0.050% is performed. Therefore, the Nb content is limited to 0.002 to 0.050%.
[0023]
Ti precipitates excess nitrogen in the steel as nitride (TiN), and at the same time, suppresses precipitation of B nitride (BN), resulting in priority on iron boride (Fe ₂₃ (CB) ₆ ). However, if the content is less than 0.0050%, it is not sufficient to form nitrides, and if added over 0.0300%, coarse nitrides (TiN) and carbides are added. Since (TiC) is generated and the ductility and toughness of the rail are lowered, and at the same time, the Ti content is limited to 0.0050 to 0.0300% because it tends to be a starting point of fatigue damage during use of the rail.
[0024]
Cu is an element that improves the strength without impairing the toughness of pearlite steel, and its effect is the largest in the range of 0.05 to 0.50%, and when it exceeds 0.50%, red heat embrittlement tends to occur. Therefore, the amount of Cu was limited to 0.05 to 0.50%.
[0025]
Co is an element that improves the strength by increasing the transformation energy of pearlite and making the pearlite structure finer. However, if it is less than 0.10%, the effect cannot be expected, and it exceeds 2.00%. Even if addition is performed, the effect reaches a saturation region, so the Co content is limited to 0.10 to 2.00%.
[0026]
Mg combines with O, S, Al, etc. to form fine oxides, suppresses grain growth during reheating during rail rolling, refines austenite grains, and expands pearlite structure And is an effective element for improving toughness. In addition, MgO and MgS finely disperse MnS, forming a thin Mn band around MnS, contributing to the generation of pearlite transformation, and as a result, by reducing the pearlite block size, the ductility of the pearlite structure And is an effective element for improving toughness. However, if the amount is less than 0.0010%, the effect is weak. If added over 0.0100%, a coarse oxide of Mg is generated to deteriorate the rail ductility and toughness. %.
[0027]
Ca has a strong binding force with S, forms a sulfide as CaS, CaS finely disperses MnS, forms a Mn dilute band around MnS, and contributes to the generation of pearlite transformation. As a result, it is an element effective for improving the ductility and toughness of the pearlite structure by reducing the pearlite block size. However, if the amount is less than 0.0010%, the effect is weak, and if added over 0.0150%, a coarse oxide of Ca is generated to deteriorate the rail ductility and toughness. %.
[0028]
B forms an iron carbon boride (Fe ₂₃ (CB) ₆ ) and promotes the pearlite transformation, resulting in a reduction in the difference between the pearlite transformation temperature inside the rail head surface and the head inside the rail head surface. It is an element that gives a more uniform hardness distribution to the inside, but if the content is less than 0.0001%, there is no effect, and if added over 0.0040%, coarse iron carbon borides are formed. As a result, the ductility and toughness are lowered, and it is difficult to obtain a uniform hardness distribution from the rail head surface to the inside, so the B content is limited to 0.0001 to 0.0040%.
[0029]
Rail steel composed of the above components is melted in a commonly used melting furnace such as a converter, electric furnace, etc., and this molten steel is ingot-bundled, continuously cast, or hot. It is manufactured as a rail after rolling.
Next, the rail that has been hot-rolled with high temperature heat, or the rail head that has been reheated to a high temperature for the purpose of heat treatment, is subjected to heat treatment that is accelerated and cooled using air, mist, etc. It becomes possible to stably generate a pearlite structure having high hardness on the head.
[0030]
(2) Formula of sum of C, Mn, Cr and its range Next, as an index indicating the amount of thermal expansion of the rail in the present invention, the formula of C (%) + 0.3Mn (%) + 0.8Cr (%) and The reason for limiting the range will be described.
In a pearlite-structured rail, the amount of expansion and contraction of the rail has a negative correlation with the amount of carbide forming elements Mn and Cr in addition to a negative correlation with the C amount. Therefore, as a result of confirming the contribution of these elements by experiment, when the contribution per mass % of C having the strongest negative correlation with the coefficient of thermal expansion is 1, Mn and Cr are 0.3% per mass%. , 0.8 was confirmed, and the above formula was limited as an index indicating the amount of thermal expansion of the rail.
[0031]
Further, the reason for limiting the range of values of the above formula will be described.
When the value of the above formula is less than 1.2, the amount of thermal expansion of the rail increases, rail buckling and the accompanying overhang occur, and the clearance between the rail joints widens and the end of the rail is lost. Therefore, the safety of the track is reduced. Also, if the value of the above formula exceeds 2.3, the amount of thermal expansion decreases, but a martensite structure that is harmful to the toughness of the rail is generated during rail production, and a pro-eutectoid cementite structure that is harmful to the ductility of the rail. Therefore, the total sum of C ( % ) + 0.3Mn ( % ) + 0.8Cr ( % ) was limited to the range of 1.2 to 2.3.
[0032]
(3) Desirable hardness and range of pearlite structure First, the reason why the hardness of the pearlite structure is limited to the range of Hv320 to 480 will be described.
In this component system, if the hardness is less than Hv320, the wear of the rail progresses, and it becomes difficult to ensure the wear resistance required in the freight railway. Therefore, the hardness of the pearlite structure is limited to Hv320 or more.
Also, if the hardness exceeds Hv480, the conformability with the wheel on the rail head surface is reduced, and surface damage is likely to occur, and in rail heat treatment manufacturing, bainite, martensite, etc. The hardness was limited to the range of Hv320 to 480 in order to easily generate an abnormal structure and reduce the wear resistance and internal fatigue damage resistance of the rail.
[0033]
Next, the reason why the desirable range exhibited by the pearlite structure in the range of hardness Hv 320 to 480 is limited to a range of 20 mm in depth starting from the head surface at the head corner and the top of the head will be described.
If it is less than 20 mm, the wear resistance and internal fatigue damage resistance regions required for the rail head are small, and a sufficient life improvement effect cannot be obtained due to the progress of wear and the occurrence of internal fatigue damage. Further, if the range exhibiting the pearlite structure is at least 30 mm in depth starting from the head surface at the head corner and the top of the head, the life improvement effect is further increased, which is more desirable.
[0034]
Here, FIG. 1 shows a name and a region where wear resistance is required at the head cross-sectional surface position of the rail of the present invention having excellent thermal resistance with little thermal expansion. In the rail head portion, 1 is a top portion, 2 is a head corner portion, and one of the head corner portions 2 is a gauge corner (GC) portion that mainly contacts a wheel. Further, if the pearlite structure of Hv320 or higher is disposed at least in the shaded portion in the drawing, the service life of the rail can be improved.
[0035]
【Example】
Next, examples of the present invention will be described.
Table 1 shows the chemical composition, head microstructure, head surface hardness, and results of the wear test shown in FIG. Table 1 also shows the presence or absence of buckling and overhang as a result of the rail thermal expansion reproduction test shown in FIG.
Table 2 shows the chemical composition of the comparative rail steel, the head microstructure, the head surface hardness, and the results of the wear test shown in FIG. Table 2 also shows the presence or absence of buckling and overhang as a result of the rail thermal expansion reproduction test shown in FIG.
In FIG. 2, 3 is a test piece of rail head material, and 4 is a counterpart material.
In FIG. 3, 5 is a test rail, 6 is a rail fixing jig, 7 is a sleeper, and 8 is a play. Reference numeral 9 denotes a reaction force wall for fixing the rail.
[0036]
The configuration of the rail is as follows.
-Rail steel of the present invention ( 2 pieces) Codes D and G
Low thermal expansion, characterized in that, in the above component range, a range of at least 20 mm in depth starting from the head corner and top surface of the steel rail is a pearlite structure having a hardness of Hv 320 to 480. Rail with excellent wear resistance.
-Reference rail steel (10 pieces) Codes A to C, E, F, H to L
A reference rail whose chemical composition is outside the above claims.
・ Comparison rail steel (8 pieces)
Reference signs M to R: Comparative rail steels (6 pieces) whose chemical components are outside the above claims.
Reference rails S, T: Comparative rail steel (two pieces) in which the sum of C (%) + 0.3 Mn (%) + 0.8 Cr (%) is outside the above claims.
[0037]
The wear test conditions were as follows.
Tester: Nishihara-type wear tester Test piece shape: Disc-shaped test piece (outer diameter: 30 mm, thickness: 8 mm)
Test load: 543N
Slip rate: 9%
Opposite material: Tempered martensitic steel (Hv350)
Atmosphere: Air cooling: None (natural cooling)
Number of repetitions: 500,000 times [0038]
The conditions of the rail thermal expansion reproduction test were as follows.
Test machine: Rail thermal expansion reproduction test machine Rail: 136 pound rail x 2000 mm x 2 test start temperature: 0 ° C
Test end temperature: 100 ° C
Initial clearance (0 ℃): 5mm
Evaluation: The behavior of the rail after the temperature is raised to 100 ° C. is evaluated.
[0039]
[Table 1]

[0040]
[Table 2]

[0041]
【The invention's effect】
As shown in Tables 1 and 2, the rail steel of the present invention has a C amount, and further, the thermal expansion of the rail by setting the amounts of Mn and Cr as carbide forming elements within a certain range as compared with the comparative rail steel. This reduces the amount and prevents the rail from buckling or overhanging. Furthermore, it becomes possible to stably obtain a pearlite structure excellent in wear resistance, and to improve wear resistance.
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a rail which is required for a freight railway and which has reduced rail thermal expansion and at the same time improved wear resistance.
[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a designation of a rail head cross-sectional surface position and a necessary range of a pearlite structure having hardness Hv 320 to 480.
FIG. 2 is a schematic view of a Nishihara type abrasion tester.
FIG. 3 is a schematic view of a rail thermal expansion reproduction tester.
[Explanation of symbols]
1: head part 2: head corner part 3: rail test piece 4: mating material 5: test rail 6: rail fixing jig 7: sleeper 8: play 9: reaction force wall

Claims

% By mass
C: 0.80 to 1.20%,
Mn: 0.40 to 2.00%
Cr: 0.15 to 1.50%
And in mass%,
The sum of C + 0.3Mn + 0.8Cr is 1.2 or more and 2.3 or less,
A rail excellent in wear resistance with little thermal expansion, wherein the balance is a steel rail composed of Fe and inevitable impurities, and at least a part thereof is a pearlite structure.

The resistance to heat expansion with low thermal expansion according to claim 1, wherein the steel rail has a pearlite structure having a depth of at least 20 mm starting from the head corner and the top surface of the steel rail and having a hardness of Hv 320 to 480. Rail with excellent wear resistance.