JP4416183B2 - 炭化物を含まないベイナイト系鋼レールおよびその製造方法 - Google Patents

炭化物を含まないベイナイト系鋼レールおよびその製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、炭化物を含まないベイナイト系鋼レールおよびその様な鋼レールの製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、鉄道およびクレーンレール、鉄道のポイントおよび交差、鉄道車輪および特殊な耐摩耗性部分および板を製造できる、耐摩耗性および転がり接触疲労を強化したベイナイト鋼に関する。
【０００２】
【背景技術】
ほとんどの鉄道レールはこれまでパーライト鋼から製造されている。最近の調査では、パーライト鋼が、それらの鉄道レールに関する材料特性開発の限界に近付きつつあることを示している。したがって、優れた延性、靭性および溶接性に結び付いた、良好な耐摩耗性および転がり接触疲労耐性を有する新しい型の鋼を評価する必要性がある。
【０００３】
ＥＰ ０６１２８５２Ａ１は、良好な転がり接触疲労耐性を有する高強度ベイナイトの製造方法を記載している。そこでは、熱間圧延したレールのヘッドを、オーステナイト領域から５００〜３００℃の冷却停止温度に毎秒１°〜１０℃の速度で加速冷却し、次いでレールヘッドをさらに低い温度区域に冷却する断続的な冷却プログラムにかける。この製法により製造されるレールは、従来のパーライト系レールよりもよりもはるかに摩耗し易く、転がり接触疲労耐性が改良されていることが分かっている。この様に、これらのレールのヘッド表面により示される摩耗速度の増加は、欠陥が生じる前に蓄積された疲労損傷が消滅することを立証している。これらのレールにより示される物理的特性は、部分的に、上記の加速冷却方式により達成される。
【０００４】
ＥＰ ０６１２８５２Ａ１により提案された解決策は、レール鋼の耐摩耗性を本質的に強化し、優れた転がり接触疲労耐性を達成する本発明の方法とは明らかに異なっている。これらの鋼は、パーライト系レールと比較して衝撃靭性および延性も改良されている。本発明の方法は、ＥＰ ０６１２８５２Ａ１に規定されている様な複雑な断続的冷却方式も必要としない。
【０００５】
複雑な断続的冷却方式を規定している他の類似の文献には、ＧＢ ２１３２２２５、ＧＢ ２０７１４４、ＧＢ １４５０３５５、ＧＢ １４１７３３０、ＵＳ ５１０８５１８およびＥＰ ００３３６００がある。
【０００６】
炭化鉄を含むベイナイト鋼から製造される鉄道レールは、以前にも提案されている。連続的に冷却されたベイナイトの細かいフェライトラス（lath）の大きさ（約０．２〜０．８μm幅）および高い転位密度の組合わせにより、その鋼は非常に強くなっているが、微小構造中にラス間およびラス内炭化物が存在するために脆さが増加し、その様な鋼の商業的な利用が大幅に制限されている。
【０００７】
有害な炭化物が存在するために起こる脆化の問題は、低合金鋼に比較的大量（約１〜２％）のケイ素および／またはアルミニウムを添加することにより、大幅に緩和される。ベイナイトに連続的に変態される鋼の中にケイ素および／またはアルミニウムが存在することは、延性の高炭素オーステナイト領域の維持を、脆いラス間セメンタイトフィルムの形成よりも優先させており、そしてこれは分散した、保持されたオーステナイトが熱的にも機械的にも安定している筈であるという前提によっている。ベイナイト温度領域における連続的冷却変態にしたがって保持されるオーステナイトは、細かく分割された薄いラス間フィルムとして、または「ブロック状の」インターパケット区域として生じることが示されている。薄いフィルム形態は熱的および機械的安定性が極めて高いが、ブロック型は高炭素マルテンサイトに変態することができ、良好な破壊靭性にはあまり役立たない。良好な靭性を確保するには、薄いフィルムの、ブロック状形態に対する比率＞ ０．９が必要であり、そしてこれは、鋼の組成および熱処理を注意深く選択することにより達成することができる。これによって、実質的に炭化物を含まない、ベイナイト系フェライト、残留オーステナイトおよび高炭素マルテンサイトを基材とする「上部ベイナイト」型の微小構造が得られる。
【０００８】
【発明の開示】
本発明の目的は、硬度範囲を本質的に高めた、公知の鉄道レール鋼よりも明らかな優位性を示す、炭化物を含まないベイナイト系鋼を提供することである。
【０００９】
本発明の一態様では、微小構造が実質的に炭化物を含まない、耐摩耗性および転がり接触疲労耐性を有するベイナイト系鋼の製造方法であって、組成が重要で、０．０５〜０．５０％の炭素、１．００〜３．００％のケイ素および／またはアルミニウム、０．５０〜２．５０％のマンガン、０．２５〜２．５０％のクロムを含み、残りが鉄および微量の不純物である鋼を熱間圧延し、その鋼を空気中で自然に、または連続的な加速冷却により、その圧延温度から連続的に冷却する工程を含んでなる方法を提供する。
【００１０】
本発明の鋼は、さらに重量で、３．００％までのニッケル、０．０２５％までの硫黄、１．００％までのタングステン、１．００％までのモリブデン、３％までの銅、０．１０％までのチタン、０．５０％までのバナジウム、および０．００５％までのホウ素の１種以上を含むことができる。
【００１１】
好ましい鋼組成物の炭素含有量は、０．１０〜０．３５重量％でよい。ケイ素含有量は、１．００〜２．５０重量％でよい。また、マンガン含有量は１．００〜２．５０重量％でよく、クロム含有量は０．３５〜２．２５重量％でよく、モリブデン含有量は０．１５〜０．６０重量％でよい。
【００１２】
別の態様では、前の３つの段落に記載する方法により製法で製造された、耐摩耗性および転がり接触疲労耐性を有する鋼を提供する。
【００１３】
さらに別の態様では、炭化鉄を含まない微小構造を有する、熱間圧延した、または強化冷却した、転がり接触疲労耐性および耐摩耗性を有するベイナイト系鋼レールであって、熱間圧延の後、空気中で自然に、または加速冷却により連続的に冷却したレールを提供する。
【００１４】
本発明の鋼は、転がり接触疲労強度、延性、曲げ疲労寿命および破壊靭性の水準が改良されていると共に、転がり接触疲労耐性が従来の熱処理パーライト系レールのそれと同等であるか、またはそれよりも優れている。
【００１５】
ある種の状況下では、レールの表面上に蓄積された転がり接触疲労による損傷が連続的に消滅する様に、レールが十分に高い摩耗速度を有するのが有利であると考えられている。レールの摩耗速度を増加させる明らかな方法の一つは、その硬度を低下させることである。しかし、レールの硬度を大幅に低下させると、レールヘッドの表面に、それ自体好ましくない深刻な可塑変形を引き起こす。
【００１６】
そこで、この問題に対する新規な解決策は、使用中の過度の可塑変形に耐えるだけの十分に高い硬度／強度を有し、尚且つ、転がり接触疲労損傷を連続的に除去するための適度に高い摩耗速度を有するレールを製造できることにある。これは、本発明では、鋼の組成を適切に調節することにより、実質的に炭化物を含まないベイナイト系微小構造に少量の軟かい前共析（pro-eutectoid）フェライトを慎重に導入することにより達成された。
【００１７】
従来の高強度パーライト鋼レールに対する、本発明の自然に空気冷却するベイナイト系鋼の加工上の利点は、レールの製造およびそれに続く溶接による接続の両方で熱処理操作を無くしている点にある。
【００１８】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の第一の目的は、レールのヘッドに、主として炭化物を含まない「ベイナイト系フェライト」、およびある量の高炭素マルテンサイトおよび保持されたオーステナイトを含んでなる、高強度で耐摩耗性および転がり接触疲労耐性を有する微小構造を与えることである。実際には、この高強度微小構造は、圧延された状態のレールのレールウェブおよび足区域の両方にも存在することが分かっている。１１３lb/ydレール断面の代表的なブリネル硬度（ＨＢ）を、図１に示す。
【００１９】
レールの高強度ヘッド、ウェブおよび足区域は、鉄道で使用中に良好な転がり接触および曲げ疲労性能を示す。
【００２０】
他の望ましい目的は、鋼組成の慎重な選択により、および鋼を空気中で連続的に冷却するか、または熱間圧延の後に加速冷却することにより達成される。
【００２１】
本発明の鋼の組成範囲を、表１に示す。
Figure 0004416183
【００２２】
この組成範囲内で、とりわけ必要な硬度、延性、等に応じて、変化させることができる。しかし、鋼はすべて本質的にベイナイト系であり、炭化物を含まない。例えば、好ましい炭素含有量は、０．１０〜０．３５重量％の範囲内でよい。また、ケイ素含有量は１〜２．５重量％、マンガン含有量は１〜２．５重量％、クロム含有量は０．３５〜２．２５重量％、モリブデン含有量は０．１５〜０．６０重量％でよい。
【００２３】
本発明の鋼は、一般的に硬度値が３９０〜５００Hv30であるが、硬度水準がより低い鋼を製造することも可能である。代表的な硬度値、摩耗速度、伸長および他の物理的パラメータはここに付随する、本発明の１１種の試料鋼を示す、表２から分かる。
【００２４】
図２は、図式的なＣＴＴダイアグラムを示す。ホウ素の添加により、連続的冷却の際に広範囲な冷却速度にわたってベイナイトが形成される様に、フェライトへの変態を遅延させることができる。さらに、広範囲な冷却速度にわたって変態温度が事実上一定である様に、ベイナイト曲線は平らな上部を有し、比較的大きな空気冷却または加速冷却部分を横切って強度の変化がほんの僅かになる。
【００２５】
表２に示す鋼は、約１２５mmの正方形インゴットから厚さ３０mmの板に圧延し（３０mm厚の板の冷却速度はレールヘッドの中央における冷却速度に近い）、約１０００℃の仕上げ圧延温度から常温に通常通りに空気冷却した。それによって生じた、圧延した状態の微小構造は、図３に示す様に、炭化物を含まないベイナイト系フェライト、保持されたオーステナイトおよび様々な比率の高炭素マルテンサイトの混合物を実質的に含んでいる。
【００２６】
圧延した状態の厚さ３０mmの実験ベイナイト系鋼板で達成された範囲の機械的特性と、現在製造されている工場で熱処理したレール（ＭＨＴ）に代表的な特性の比較を、表２に示す。
【００２７】
【表１】
Figure 0004416183
圧延した状態の厚さ３０mmのベイナイト系鋼板は、熱処理したパーライト系レールと比較して、強度および硬度水準が著しく増加しており、さらにシャルピー衝撃エネルギー水準が２０℃で４から一般的に３５Ｊに改良されている。２種類の圧延した状態のベイナイト系レール鋼組成物（０．２２％Ｃ、２％Ｃｒ、０．５％Ｍｏ、Ｂ含まず、および０．２４％Ｃ、０．５％Ｃｒ、０．５％Ｍｏ、および０．００２５％Ｂ）ならびに普通炭素、工場熱処理パーライト系レールに対するシャルピーＶ字形切欠衝撃推移曲線を、図４に示す。２種類のベイナイト系レール鋼は、−６０℃の低温まで高度の衝撃靭性を維持していることも分かる。
【００２８】
圧延した状態の厚さ３０mmの実験ベイナイト系鋼板の実験室における、接触応力７５０N/mm2での転がり接触摩耗性能は、図５にグラフで示す様に、現在のパーライト系熱処理レールのそれよりも著しく優れている。
【００２９】
本発明の鋼について行なった試験は、ベイナイト鋼組成物が、軟鋼標準と比較して、丸くした石英骨材に対して、摩耗条件下で摩耗寿命約５．０で高度の耐摩耗性を有することも示している。図６は、これらの摩耗寿命値が、Abrazo 450および１３％Ｃｒマルテンサイト鋼を含む多くの市販の耐摩耗性材料の値よりも優れていることを示している。
【００３０】
圧延した状態の厚さ３０mmのベイナイト系鋼板の破壊靭性（既存の亀裂の広がりに対する耐性）は、４５〜６０MPam1/2で、熱処理したパーライト系レールに代表的な範囲の値３０〜４０MPam1/2と比較して、著しく高いことが分かった。圧延した状態の厚さ３０mmのベイナイト系鋼板は、容易にフラッシュバット溶接することができ、図７に示す様に、通常の空気冷却したフラッシュバット溶接した板の重要な溶接部ＨＡＺ区域における硬度水準が、親の板材料のそれに匹敵するか、またはそれより僅かに高いことが分かった。
【００３１】
圧延した状態の厚さ３０mmの実験ベイナイト系鋼板は、図８に示す様に、高度の焼入性を有し、７００℃で２２５〜２℃/sの冷却速度に相当する、急冷末端から１．５〜５０mmの間隔でほとんど一定した硬度水準が得られる。
【００３２】
本発明を特にレールに関して説明したが、これらの鋼に意図する他の用途としては、クレーンレール、鉄道のポイントおよび交差（鋳造および加工した状態の両方）、鉄道車輪、特に耐摩耗性の部分および板、および特殊な構造的用途がある。
【図面の簡単な説明】
ここで本発明を添付の図面を参照しながら実施例により説明する。
【図１】本発明の炭化鉄を含まないベイナイト系鋼レールの硬度プロファイルを示す図である。
【図２】本発明の炭化鉄を含まないベイナイト系鋼の図式的なＣＣＴダイアグラムである。
【図３】本発明の炭化鉄を含まないベイナイト系鋼の走査電子顕微鏡写真である。
【図４】本発明の、圧延した状態の、炭化鉄を含まないベイナイト系鋼のシャルピーＶ字形切欠衝撃推移曲線と、現在鉄道レールに使用されている普通炭素熱処理パーライト鋼の曲線とを比較して示したグラフである。
【図５】本発明の炭化物を含まないベイナイト系鋼から製造した鋼試料の実験室における硬度に対する転がり接触摩耗速度のグラフである。
【図６】本発明の炭化物を含まないベイナイト系鋼および市販の耐摩耗性材料の、丸くした石英研磨材に対するアブレシブ摩耗寿命を示したグラフである。
【図７】フラッシュバット溶接した本発明の炭化物を含まないベイナイト系鋼板の硬度プロファイルを示すグラフである。
【図８】圧延した状態の本発明の炭化物を含まないベイナイト系鋼に関するジョミニー焼入性曲線である。

Claims (5)

  1. 耐摩耗性および転がり接触疲労耐性を有する鉄道レールの製造方法であって、組成が重量％で、０．０５〜０．５０％の炭素、１．００〜３．００％のケイ素および／またはアルミニウム、０．５０〜２．５０％のマンガン、０．２５〜２．５０％のクロム、０〜３．００％のニッケル、０〜０．０２５％の硫黄、０〜１．００％のタングステン、０〜１．００％のモリブデン、０〜３％の銅、０〜０．１０％のチタン、０〜０．５０％のバナジウム、および０〜０．００５％のホウ素を含み、残りが鉄および微量の不純物である鋼を熱間圧延してレールに成形し、そのレールを空気中で自然に、または加速冷却により、その圧延温度から常温に連続的に冷却して、実質的に炭化物を含まない、ベイナイト系フェライト、残留オーステナイトおよび高炭素マルテンサイトを基材とする上部ベイナイト型の微小構造を得、Ｈｖ３０硬度を４００〜５００に高めたベイナイト系鋼レールを製造することを特徴とする方法。
  2. レールの炭素含有量が０．１０〜０．３５重量％である、請求項１に記載の方法。
  3. レールのケイ素含有量が１．００〜２．５０重量％である、請求項１または２に記載の方法。
  4. レールのマンガン含有量が１．００〜２．５０重量％であり、クロム含有量が０．３５〜２．２５重量％であり、モリブデン含有量が０．１５〜０．６０重量％である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 組成が重量％で、０．０５〜０．５０％の炭素、１．００〜３．００％のケイ素および／またはアルミニウム、０．５０〜２．５０％のマンガン、０．２５〜２．５０％のクロム、０〜３．００％のニッケル、０〜０．０２５％の硫黄、０〜１．００％のタングステン、０〜１．００％のモリブデン、０〜３％の銅、０〜０．１０％のチタン、０〜０．５０％のバナジウム、および０〜０．００５％のホウ素を含み、残りが鉄および微量の不純物である鋼を熱間圧延して成形し、空気中で自然に、または加速冷却により、その圧延温度から常温に連続的に冷却して、実質的に炭化物を含まない、ベイナイト系フェライト、残留オーステナイトおよび高炭素マルテンサイトを基材とする上部ベイナイト型の微小構造を得、Ｈｖ３０硬度を４００〜５００に高めることにより製造されることを特徴とする、耐摩耗性および転がり接触疲労耐性を有するベイナイト系鋼レール。
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