JP4757957B2 - Perlite rail with excellent wear resistance and toughness - Google Patents
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Description
本発明は、海外の貨物鉄道で使用されるレールにおいて、頭部の耐摩耗性と靭性を同時に向上させることを目的としたパーライト系レールに関する。
本願は、2008年10月31日に、日本に出願された特願2008−281847号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。The present invention relates to a pearlite rail intended to simultaneously improve wear resistance and toughness of a head in a rail used in overseas freight railroads.
This application claims priority on October 31, 2008 based on Japanese Patent Application No. 2008-281847 for which it applied to Japan, and uses the content here.
経済発展に伴い石炭などの天然資源の新たな開発が進められている。具体的にはこれまで未開であった自然環境の厳しい地域での採掘が進められている。これに伴い、資源を輸送する海外の貨物鉄道では軌道環境が著しく厳しくなっている。レールに対しては、これまで以上の耐摩耗性に加えて、寒冷地での靭性などが求められるようになってきた。このような背景から、現用の高強度レール以上の耐摩耗性と高い靭性を有したレールの開発が求められるようになってきた。 Along with economic development, new development of natural resources such as coal is underway. Specifically, mining is being carried out in areas that have been undeveloped until now and have severe natural environments. Along with this, the track environment has become extremely severe in overseas freight railroads that transport resources. For rails, in addition to wear resistance more than ever, toughness in cold regions has been demanded. Against this background, there has been a demand for the development of a rail having wear resistance and high toughness that is higher than that of current high-strength rails.
一般にパーライト鋼の靭性を向上させるには、パーライト組織の微細化、具体的には、パーライト変態前のオーステナイト組織の細粒化や、パーライトブロックサイズの微細化が有効であると言われている。オーステナイト組織の細粒化を達成するには、熱間圧延時の圧延温度の低減、圧下量の増加、さらには、レール圧延後に低温再加熱による熱処理が行われている。また、パーライト組織の微細化を図るには、変態核を利用したオーステナイト粒内からのパーライト変態の促進等が行われている。
しかし、レールの製造においては、熱間圧延時の成形性確保の観点から、圧延温度の低減、圧下量の増加には限界があり、十分なオーステナイト粒の微細化が達成できなかった。また、変態核を利用したオーステナイト粒内からのパーライト変態については、変態核の量の制御が困難なことや粒内からのパーライト変態が安定しない等の問題があり、十分なパーライト組織の微細化が達成できなかった。In general, it is said that to improve the toughness of pearlite steel, it is effective to refine the pearlite structure, specifically, to refine the austenite structure before pearlite transformation and to refine the pearlite block size. In order to achieve the fine graining of the austenite structure, reduction of the rolling temperature during hot rolling, increase of the reduction amount, and heat treatment by low temperature reheating after rail rolling are performed. In order to refine the pearlite structure, pearlite transformation is promoted from the austenite grains using transformation nuclei.
However, in the production of rails, from the viewpoint of securing formability during hot rolling, there are limits to the reduction in rolling temperature and the increase in rolling reduction, and sufficient austenite grain refinement cannot be achieved. In addition, for pearlite transformation from austenite grains using transformation nuclei, there are problems such as difficulty in controlling the amount of transformation nuclei and instability of pearlite transformation from within grains. Could not be achieved.
これらの諸問題から、パーライト組織のレールにおいて靭性を抜本的に改善するには、レール圧延後に低温再加熱を行い、その後、加速冷却によりパーライト変態をさせ、パーライト組織を微細化する方法が用いられてきた。しかし、近年、耐摩耗性改善のためレールの高炭素化が進み、上記の低温再加熱熱処理の時に、オーステナイト粒内に粗大な炭化物が溶け残り、加速冷却後のパーライト組織の延性や靭性が低下するといった問題がある。また、再加熱であるため、製造コストが高く、生産性も低い等の経済性の問題もある。 In order to drastically improve the toughness of pearlite structure rails due to these problems, a method is used in which pearlite transformation is performed by accelerated cooling and then the pearlite structure is refined by performing low-temperature reheating after rail rolling. I came. However, in recent years, the carbon of rails has been increased to improve wear resistance, and coarse carbides remain undissolved in the austenite grains during the low-temperature reheating heat treatment described above, reducing the ductility and toughness of the pearlite structure after accelerated cooling. There is a problem such as. Moreover, since it is reheating, there are also economical problems such as high manufacturing cost and low productivity.
そこで、圧延時の成形性を確保し、圧延後のパーライト組織を微細化する高炭素鋼レールの製造方法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、下記に示すような高炭素鋼レールの製造方法が開発された。これらのレールの主な特徴は、パーライト組織を微細化するために、高炭素鋼のオーステナイト粒が比較的低温で、かつ、小さい圧下量でも再結晶し易いことを利用していることである。これにより、小圧下の連続圧延によって整粒の微細粒を得、パーライト鋼の延性や靭性を向上させている(例えば特許文献1、2、3参照)。
Therefore, development of a method for producing a high carbon steel rail that ensures formability during rolling and refines the pearlite structure after rolling has been demanded. In order to solve this problem, a method for producing a high carbon steel rail as described below has been developed. The main feature of these rails is that the austenite grains of high-carbon steel are utilized at a relatively low temperature and easily recrystallized even with a small reduction amount in order to refine the pearlite structure. As a result, finely sized grains are obtained by continuous rolling under small pressure, and the ductility and toughness of pearlite steel are improved (see, for example,
特許文献1には、高炭素含有の鋼レールの仕上げ圧延において、所定の圧延パス間時間で連続3パス以上の圧延を行うことにより高延性レールを提供できることを開示している。
また特許文献2には、高炭素含有の鋼レールの仕上げ圧延において、所定のパス間時間で連続2パス以上の圧延を行い、さらに、連続圧延を行った後、圧延後に加速冷却を行うことにより高耐摩耗・高靭性レールを提供できることを開示している。
さらに特許文献3には、高炭素鋼含有の鋼レールの仕上げ圧延において、パス間で冷却を施し、連続圧延を行った後、圧延後に加速冷却を行うことにより高耐摩耗・高靭性レールを提供できることを開示している。
Further, in
Furthermore,
しかし、特許文献1〜3の開示技術では、連続熱間圧延時の温度、圧延パス数やパス間時間の組合せにより、ある一定レベルのオーステナイト組織の微細化が図れ、若干の靭性の向上は認められるものの、鋼中に存在する介在物を起点とする破壊についてはその効果が認められず、抜本的に靭性が向上しないといった問題がある。
However, in the disclosed technologies of
さらに、高炭素鋼ではオーステナイト組織の粒成長が早い。このため、圧延で微細化したオーステナイト組織が圧延後に粒成長し、加速冷却を行っても熱処理後のレールにおいて靭性が向上しないといった問題がある。 In addition, austenite grain growth is rapid in high carbon steel. For this reason, the austenite structure refined | miniaturized by rolling grows a grain after rolling, and there exists a problem that toughness does not improve in the rail after heat processing even if accelerated cooling is performed.
そこで、レールの代表的な介在物、即ち、MnSやAl2O3の生成を抑制するため、Ca添加、酸素の低減、Alの低減が検討された。これらの製造方法の特徴は、溶銑予備処理において、Caの添加によりMnSをCaSとして無害化すること、さらには、脱酸元素の添加や真空処理を適用し、酸素をできだけ低減させ、溶鋼中の介在物を減少させることにあり、これら技術について検討された(例えば特許文献4、5、6参照)。Therefore, in order to suppress the formation of typical inclusions in the rail, that is, MnS and Al 2 O 3 , the addition of Ca, the reduction of oxygen, and the reduction of Al were studied. The characteristics of these production methods are that in the hot metal pretreatment, the addition of Ca makes MnS harmless as CaS, and furthermore, the addition of deoxidizing elements and vacuum treatment are applied to reduce oxygen as much as possible. These technologies have been studied (see, for example,
特許文献4の技術では、Ca添加量を適正化してSをCaSとして固定する手段により、MnS系伸長介在物を低減する高炭素シリコンキルド高清浄溶鋼の製造方法が提案されている。この技術は、凝固過程において偏析濃化するSが、同じく偏析濃化するCaや、溶鋼中で生成したカルシウムシリケートと反応し、逐次、CaSとして固定されるため、MnS伸長介在物の生成が抑制されるというものである。 In the technique of Patent Document 4, a method for producing a high carbon silicon killed high-clean molten steel in which MnS-based elongation inclusions are reduced by means of fixing the amount of Ca as appropriate and fixing S as CaS is proposed. In this technology, segregated and concentrated S in the solidification process reacts with the segregated and concentrated Ca and calcium silicate generated in molten steel, and is sequentially fixed as CaS, thereby suppressing the formation of MnS elongation inclusions. It is to be done.
特許文献5の技術では、MnO介在物を低減し、MnOより析出するMnS伸長介在物を低減する高炭素高清浄溶鋼の製造方法が提案されている。この技術では、大気精錬炉で溶製後、未脱酸もしくは弱脱酸状態で出鋼後、真空度1Torr以下での真空処理により溶解酸素を30ppm以下とする。次いでAl、Siを添加し、その後にMnを添加する。以上により、最終凝固部に晶出するMnSの晶出核となる2次脱酸生成物の数を減少させ、かつ酸化物中のMnO濃度を低下させる。これにより、MnSの晶出を抑制している。
In the technique of
特許文献6の技術では、鋼中の酸素量、Al量を低減させた高炭素高清浄溶鋼の製造方法が提案されている。この技術は、酸化物系介在物の総酸素値と損傷性の関係に基づき、総酸素量を限定することにより、耐損傷性に優れたレールを製造することができる。さらに、固溶Al量あるいは介在物の組成を好ましい範囲に限定することにより、レールの耐損傷性をより向上させるものである。 In the technique of patent document 6, the manufacturing method of the high carbon highly clean molten steel which reduced the amount of oxygen in steel, and the amount of Al is proposed. This technique can produce a rail with excellent damage resistance by limiting the total oxygen amount based on the relationship between the total oxygen value of oxide inclusions and damage. Furthermore, the damage resistance of the rail is further improved by limiting the amount of solute Al or the composition of inclusions to a preferable range.
上記特許文献4〜6の開示技術は、鋼片段階で生成するMnSやAl系の介在物の形態や量を制御するものである。しかし、レール圧延では、熱間圧延中に介在物の形態が変化する。特に、圧延で長手方向に延伸したMn硫化物系介在物はレールの破壊起点となるため、鋼片段階での介在物の制御のみでは安定的にレールの耐損傷性や靭性を向上させることができないといった問題がある。 The disclosed techniques of Patent Documents 4 to 6 control the form and amount of MnS and Al-based inclusions generated at the steel slab stage. However, in rail rolling, the form of inclusions changes during hot rolling. In particular, Mn sulfide inclusions that have been stretched in the longitudinal direction by rolling serve as the failure start point of the rail, so that it is possible to stably improve the damage resistance and toughness of the rail only by controlling the inclusions in the steel slab stage There is a problem that can not be.
また、圧延後のオーステナイト組織の粒成長を抑制するため、析出物の適用が検討された。これらの製造方法の特徴は、合金を添加し、炭窒化物を析出させ、オーステナイト組織をピンニングすることにより粒成長を抑制することにあり、結果的に熱処理後の組織を微細化し、靭性を向上させるものである(例えば特許文献7)。
特許文献7の技術では、V、Nbを添加し、V、Nbの炭窒化物を析出させる。さらに、V、Nbの添加量に合わせた加速冷却を行い、圧延後のオーステナイト組織の粒成長を制御し、パーライト組織を微細化し、レールの靭性を向上されるものである。Moreover, in order to suppress the grain growth of the austenite structure after rolling, application of precipitates was studied. The characteristics of these manufacturing methods are to suppress grain growth by adding alloys, precipitating carbonitrides, and pinning the austenite structure, resulting in a refined structure after heat treatment and improved toughness. (For example, Patent Document 7).
In the technique of Patent Document 7, V and Nb are added to precipitate V and Nb carbonitrides. Furthermore, accelerated cooling according to the addition amounts of V and Nb is performed, grain growth of the austenite structure after rolling is controlled, the pearlite structure is refined, and the toughness of the rail is improved.
また、特許文献7の開示技術は、合金を添加し、炭窒化物を析出させ、オーステナイト組織をピンニングすることにより粒成長を抑制するものである。しかし、合金の炭窒化物の生成量は、圧延温度や圧下量によって大きく変化する。その結果、粒成長の抑制に大きなばらつきが発生し、部分的に結晶粒の粗大化が発生し、合金の炭窒化物のみでは安定的にレールの耐損傷性や靭性を向上させることができないといった問題がある。
また、特許文献7の開示技術は、オーステナイト組織の微細化を達成することのみである。圧延で長手方向に延伸したMn硫化物系介在物からの損傷については全く効果がなく、安定的にレールの耐損傷性や靭性を向上させることができないといった問題がある。The disclosed technique of Patent Document 7 suppresses grain growth by adding an alloy, precipitating carbonitride, and pinning an austenite structure. However, the amount of alloy carbonitride produced varies greatly depending on the rolling temperature and the amount of reduction. As a result, large variations occur in the suppression of grain growth, resulting in partial grain coarsening, and the alloy carbonitride alone cannot stably improve the damage resistance and toughness of the rail. There's a problem.
Moreover, the disclosed technique of Patent Document 7 is only to achieve the miniaturization of the austenite structure. There is no effect on damage from Mn sulfide inclusions stretched in the longitudinal direction by rolling, and there is a problem that the damage resistance and toughness of the rail cannot be improved stably.
さらに、特許文献4〜7の開示技術では、鋼の成分の変動、特に、不純物として混入する成分の変動により、組織の脆化が発生し、合金添加や酸素の低減による介在物制御、析出物の適用によるオーステナイト組織の微細化のみでは安定的にレールの耐損傷性や靭性を向上させることができないといった問題がある。 Furthermore, in the disclosed technologies of Patent Documents 4 to 7, the structure is embrittled due to fluctuations in the steel components, particularly the fluctuations in the components mixed as impurities, and inclusion control and precipitates due to alloy addition and oxygen reduction. There is a problem that the damage resistance and toughness of the rail cannot be improved stably only by refining the austenite structure by the application of.
このような背景から、パーライト組織の耐摩耗性を向上させ、同時に、耐損傷性を向上させた耐摩耗性および靭性に優れたパーライト系レールの提供が望まれるようになった。 From such a background, it has been desired to provide a pearlite rail having improved wear resistance of pearlite structure and at the same time improved damage resistance and excellent wear resistance and toughness.
本発明は、上述した問題点に鑑み創出したものであり、特に海外の貨物鉄道のレールで要求される、頭部の耐摩耗性と靭性を同時に向上させたパーライト系レールを提供することを目的とする。 The present invention was created in view of the above-mentioned problems, and has an object to provide a pearlite rail that is improved in the wear resistance and toughness of the head at the same time, which is particularly required for rails of overseas freight railroads. And
本発明は以下の構成を要旨とする。
本発明のパーライト系レールは、質量%で、C:0.65〜1.20%、Si:0.05〜2.00%、Mn:0.05〜2.00%、P≦0.0150%、S≦0.0100%、Ca:0.0005〜0.0200%を含有し、残部として、Feおよび不可避的不純物を含む鋼からなる。前記レールの頭部において、頭部コーナー部および頭頂部の表面を起点として深さ10mmまでの範囲からなる頭表部がパーライト組織であり、かつ前記パーライト組織の硬さがHv320〜500である。前記パーライト組織中の長手方向の任意断面(レールの長さ方向に平行な断面)において、長辺が10〜100μmのMn硫化物系介在物が、単位面積あたり10〜200個/mm2の量で存在する。
ここでHvとは、JIS B7774で規定されたビッカース硬さをいう。
本発明のパーライト系レールでは、前記鋼は、質量%で、さらに、Mg:0.0005〜0.0200%、Zr:0.0005〜0.0100%の1種または2種を含有し、前記パーライト組織中の任意の横断面(レール幅方向に平行な断面)において、粒径が5〜100nmのMg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物が、単位面積当たり500〜50000個/mm2の量で存在してもよい。
前記鋼は、質量%で、さらに、下記(1)〜(9)に記載した鋼成分のいずれか1種または2種以上を選択的に含有してもよい。
(1)Co:0.01〜1.00%
(2)Cr:0.01〜2.00%、Mo:0.01〜0.50%の1種または2種
(3)V:0.005〜0.50%、Nb:0.002〜0.050%の1種または2種
(4)B:0.0001〜0.0050%
(5)Cu:0.01〜1.00%
(6)Ni:0.01〜1.00%
(7)Ti:0.0050〜0.0500%
(8)Al:0.0100超〜1.00%
(9)N:0.0060〜0.0200%The gist of the present invention is as follows.
The pearlite rail of the present invention is in mass%, C: 0.65 to 1.20%, Si: 0.05 to 2.00%, Mn: 0.05 to 2.00%, P ≦ 0.0150. %, S ≦ 0.0100%, Ca: 0.0005 to 0.0200%, and the balance is made of steel containing Fe and inevitable impurities. In the head of the rail, the head surface portion having a depth of up to 10 mm starting from the surface of the head corner portion and the top of the head is a pearlite structure, and the hardness of the pearlite structure is Hv 320 to 500. In an arbitrary cross section in the longitudinal direction in the pearlite structure (cross section parallel to the length direction of the rail), the amount of Mn sulfide inclusions having a long side of 10 to 100 μm per unit area is 10 to 200 / mm 2 . Exists.
Here, Hv refers to the Vickers hardness defined in JIS B7774.
In the pearlite-based rail of the present invention, the steel contains, by mass%, one or two of Mg: 0.0005 to 0.0200% and Zr: 0.0005 to 0.0100%, 500 to 50000 Mg-based oxides, Zr oxides, and Mn sulfide-based inclusions having a particle diameter of 5 to 100 nm per unit area in an arbitrary transverse section (cross section parallel to the rail width direction) in the pearlite structure May be present in an amount of / mm 2 .
The steel may further contain one or more of steel components described in the following (1) to (9) in mass%.
(1) Co: 0.01 to 1.00%
(2) Cr: 0.01-2.00%, Mo: One or two of 0.01-0.50% (3) V: 0.005-0.50%, Nb: 0.002- 1 type or 2 types of 0.050% (4) B: 0.0001 to 0.0050%
(5) Cu: 0.01 to 1.00%
(6) Ni: 0.01 to 1.00%
(7) Ti: 0.0050 to 0.0500%
(8) Al: more than 0.0100 to 1.00%
(9) N: 0.0060 to 0.0200%
本発明によれば、レール鋼の成分、組織、硬さを制御し、これに加えてP、Sを低減し、Caを添加し、Mn硫化物系介在物の数を制御する。これにより、パーライト組織の耐摩耗性と靭性を向上させ、特に海外の貨物鉄道用レールの使用寿命を向上させることが可能となる。さらに、Mg、Zrを添加し、微細なMn硫化物系介在物、Mg、Zr系酸化物の数を制御することにより、パーライト組織の靭性をより向上させることができ、使用寿命を更に向上させることができる。 According to the present invention, the composition, structure, and hardness of rail steel are controlled, and in addition to this, P and S are reduced, Ca is added, and the number of Mn sulfide inclusions is controlled. As a result, the wear resistance and toughness of the pearlite structure can be improved, and in particular, the service life of overseas railroad rails can be improved. Furthermore, by adding Mg and Zr and controlling the number of fine Mn sulfide inclusions and Mg and Zr oxides, the toughness of the pearlite structure can be further improved, and the service life can be further improved. it can.
以下に本発明を実施する形態として、耐摩耗性および靭性に優れたパーライト系レールについて詳細に説明する。なお、合金元素における含有単位は、質量%であり、以下、単に%と記載する。
図1は、本発明の耐摩耗性および靭性に優れたパーライト系レールの長手方向に対して垂直な断面を示す。レール頭部3は、頭頂部1と、前記頭頂部1の両端に位置する頭部コーナー部2を有する。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。
前記頭部コーナー部2および前記頭頂部1の表面を起点として深さ10mmまでの範囲を頭表部3a(実線の斜線部)と呼ぶ。また、前記頭部コーナー部2および前記頭頂部1の表面を起点として深さ20mmまでの範囲を符号3b(点線の斜線部)で示す。Hereinafter, a pearlite rail excellent in wear resistance and toughness will be described in detail as an embodiment of the present invention. In addition, the containing unit in an alloy element is the mass%, and is only described as% below.
FIG. 1 shows a cross section perpendicular to the longitudinal direction of a pearlitic rail excellent in wear resistance and toughness of the present invention. The
A range from the surface of the
まず、本発明者らは、レールの靭性に悪影響を及ぼす鋼の成分系を検討した。炭素量を変化させた鋼をベースに、PやSの含有量を変化させた鋼を用いて、レール相当の熱間圧延条件を模擬した試験溶解および熱間圧延実験を行い、レールの試作品を作製した。そして、衝撃試験により試作品の衝撃値を測定し、衝撃値に及ぼすP、S含有量の影響を検討した。
その結果、Hv320〜500レベルのパーライト組織の鋼では、P、Sの含有量が、いずれも、ある一定レベル以下に低減されると、衝撃値が向上することが確認された。
さらに、P、Sの組み合わせで最適含有量を検討した結果、いずれの元素も同時にある一定レベル以下まで添加量を低減させると、衝撃値が大幅に向上することが確認された。First, the present inventors examined a steel component system that adversely affects the toughness of the rail. Using a steel with a changed carbon content and a steel with a changed content of P and S, we conducted test melting and hot rolling experiments simulating hot rolling conditions equivalent to rails, and prototyped rails Was made. And the impact value of the prototype was measured by the impact test, and the influence of the P and S contents on the impact value was examined.
As a result, it was confirmed that the impact value of the steel having a pearlite structure of Hv 320 to 500 level is improved when the P and S contents are both reduced to a certain level or less.
Furthermore, as a result of examining the optimum content by the combination of P and S, it was confirmed that the impact value was greatly improved by reducing the amount of addition of any element to a certain level at the same time.
次に、本発明者らは、レールの衝撃値をさらに向上させるため、衝撃値を支配している因子の解明を進めた。その結果、衝撃値が低いレールでは、熱間圧延で長手方向に延伸したMn硫化物系介在物が多数存在し、破壊の起点になっていることを確認した。
そこで、本発明者らは、長手方向に延伸したMn硫化物系介在物の生成機構を解明した。レール製造においては、鋼片を、一旦、1200〜1300℃まで再加熱して熱間圧延を行っている。この熱間圧延条件とMnSの形態との関係を調査した。その結果、圧延温度が高い場合、及び圧延時の圧下量が大きい場合に、軟質なMn硫化物系介在物は塑性変形を容易に引き起こし、レール長手方向に延伸しやすいことが確認された。Next, in order to further improve the impact value of the rail, the inventors proceeded to elucidate the factors governing the impact value. As a result, in the rail having a low impact value, it was confirmed that a large number of Mn sulfide inclusions extending in the longitudinal direction by hot rolling existed and became the starting point of fracture.
Therefore, the present inventors have elucidated the generation mechanism of Mn sulfide inclusions extending in the longitudinal direction. In rail manufacture, the steel slab is once reheated to 1200 to 1300 ° C. and hot rolled. The relationship between the hot rolling conditions and the form of MnS was investigated. As a result, it was confirmed that the soft Mn sulfide inclusions easily cause plastic deformation and easily extend in the rail longitudinal direction when the rolling temperature is high and the rolling amount during rolling is large.
そこで、本発明者らは、Mn硫化物系介在物自体の延伸を抑制する方法を検討した。試験溶解および熱間圧延実験を行った結果、Mn硫化物系介在物は、様々な酸化物を核にして生成することが確認された。さらに、酸化物の硬さとMn硫化物系介在物の形態を調査した結果、Mn硫化物系介在物の核となる介在物を硬質化することにより、この延伸が抑制できることを確認した。
さらに本発明者らは、Mn硫化物系介在物の核となる硬質な介在物を検討した。融点が高い酸化物を用いてラボ実験を行った結果、比較的融点の高いCaは、酸化物に加えて硫化物を形成し、CaO−CaSの集合体を形成することを発見した。また、CaSは、Mn硫化物系介在物との整合性が高いため、このCaの酸化物と硫化物の集合体(CaO−CaS)にMn硫化物系介在物が効率的に生成することを突き止めた。
なお、整合性とは、2つの金属の結晶構造において、ある結晶面での格子定数(原子間の距離)の差のことを示す。この差が小さいほど、整合性が高い、すなわち2つの金属が結合し易いと考えられる。Therefore, the present inventors examined a method for suppressing the stretching of the Mn sulfide-based inclusion itself. As a result of test melting and hot rolling experiments, it was confirmed that Mn sulfide inclusions were produced with various oxides as nuclei. Furthermore, as a result of investigating the hardness of the oxide and the morphology of the Mn sulfide inclusions, it was confirmed that this stretching can be suppressed by hardening the inclusions that are the core of the Mn sulfide inclusions.
Furthermore, the present inventors examined a hard inclusion which becomes a nucleus of the Mn sulfide-based inclusion. As a result of laboratory experiments using oxides with a high melting point, it was discovered that Ca, which has a relatively high melting point, forms sulfides in addition to oxides to form an aggregate of CaO—CaS. In addition, since CaS is highly compatible with Mn sulfide inclusions, it is confirmed that Mn sulfide inclusions are efficiently generated in the Ca oxide and sulfide aggregate (CaO-CaS). I found it.
Note that the term “consistency” refers to a difference in lattice constant (distance between atoms) on a crystal plane in the crystal structure of two metals. It is considered that the smaller this difference is, the higher the consistency is, that is, the two metals are easily bonded.
次に本発明者らは、上記の検証を行うため、Caが添加された鋼を用いて試験溶解および熱間圧延実験を行った。その結果、Caの酸化物と硫化物の集合体(CaO−CaS)を核にして生成したMn硫化物系介在物は、熱間圧延後の延伸が殆どなく、結果的に長手方向に延伸したMn硫化物系介在物が少なくなることを確認した。
さらに、この鋼を用いて衝撃試験を行った結果、Caが添加され、延伸したMn硫化物系介在物が少ない鋼では、延伸したMn硫化物系介在物からの破壊が減少し、衝撃値が向上することが確認された。Next, in order to perform the above verification, the present inventors conducted test melting and hot rolling experiments using steel added with Ca. As a result, the Mn sulfide inclusions produced by using the Ca oxide and sulfide aggregate (CaO-CaS) as the core hardly stretched after hot rolling, and consequently stretched in the longitudinal direction. It was confirmed that Mn sulfide inclusions were reduced.
Furthermore, as a result of performing an impact test using this steel, in the steel in which Ca is added and there are few stretched Mn sulfide inclusions, the fracture from the stretched Mn sulfide inclusions is reduced, and the impact value is reduced. It was confirmed to improve.
また本発明者らは、Mn硫化物系介在物の延伸をさらに抑制させるため、酸化物と硫化物が集合体を形成するCaの添加量とSの添加量の関係を試験溶解および熱間圧延実験により検討した。その結果、SとCaの添加量の比を制御することにより、Caの硫化物が適度に生成して微細分散し、これにより、結果的に圧延後のMn硫化物系介在物の延伸をさらに抑制できることを確認した。 In addition, the present inventors also tested the relationship between the addition amount of Ca and the addition amount of S in which oxide and sulfide form an aggregate in order to further suppress the stretching of Mn sulfide-based inclusions, and test melting and hot rolling It examined by experiment. As a result, by controlling the ratio of the addition amount of S and Ca, Ca sulfide is moderately generated and finely dispersed, thereby further extending the elongation of Mn sulfide inclusions after rolling. It was confirmed that it could be suppressed.
さらに本発明者らは、靭性に悪影響する延伸したMn硫化物系介在物の抑制に加えて、Mn硫化物系介在物や酸化物を利用して、熱間圧延後のオーステナイト組織の粒成長を抑制する方法を検討した。試験溶解および熱間圧延実験の結果、オーステナイト組織の粒成長を安定的に抑制するには、これまでの合金に代わって、オーステナイト組織に、ピンニング元素として、ナノサイズの酸化物やMn硫化物系介在物を微細分散させる必要があることを見出した。
そこで本発明者らは、酸化物やMn硫化物系介在物を微細分散させる方法を検討した。その結果、Mg、Zrの酸化物は、凝集せず、微細に均一に分散することが確認された。さらに、Mg系の酸化物及びZrの酸化物は、共に、Mn硫化物系介在物との整合性がよく、この微細な酸化物を核にしてMn硫化物系介在物も微細に分散することが確認された。Furthermore, in addition to the suppression of stretched Mn sulfide inclusions that adversely affect toughness, the present inventors utilize Mn sulfide inclusions and oxides to increase the grain growth of the austenite structure after hot rolling. The suppression method was examined. As a result of test melting and hot rolling experiments, in order to stably suppress the grain growth of the austenite structure, a nano-sized oxide or Mn sulfide system can be used as a pinning element instead of the conventional alloys. It was found that it was necessary to finely disperse inclusions.
Therefore, the present inventors examined a method for finely dispersing oxides and Mn sulfide inclusions. As a result, it was confirmed that the oxides of Mg and Zr do not aggregate and are finely and uniformly dispersed. Furthermore, both Mg-based oxides and Zr oxides have good compatibility with Mn sulfide inclusions, and Mn sulfide inclusions are also finely dispersed with this fine oxide as a core. Was confirmed.
次に本発明者らは、Mg、Zrが添加された鋼を用いて熱間圧延実験を行った。その結果、ナノサイズの酸化物やMn硫化物系介在物が微細に分散し、圧延後のオーステナイト組織の粒成長が抑制できることを確認した。さらに、この鋼を用いて衝撃試験を行った結果、Mg、Zrが添加された鋼では、パーライト組織の微細化により衝撃値が向上することが確認された。 Next, the inventors conducted a hot rolling experiment using steel to which Mg and Zr were added. As a result, it was confirmed that nano-sized oxides and Mn sulfide inclusions were finely dispersed, and the grain growth of the austenite structure after rolling could be suppressed. Furthermore, as a result of an impact test using this steel, it was confirmed that the impact value was improved by refinement of the pearlite structure in the steel to which Mg and Zr were added.
本発明者らは、P量を0.0150%以下とした炭素量1.00%の鋼を用いて、S量を変化させ、さらにはCa、Mg、Zrを添加して実験用の鋼を試験溶解した。次に、レール相当の熱間圧延条件を模擬したラボ圧延実験を行い、レールの試作品を作製した。そして、衝撃試験により試作品の衝撃値を測定し、衝撃値におよぼすS量や、Ca、Mg、Zr添加の影響を調査した。なお、素材の硬さは熱処理条件の制御によりHv400レベルに揃えた。 The present inventors changed the amount of S by using a steel having a carbon content of 1.00% with a P content of 0.0150% or less, and further added Ca, Mg, and Zr to prepare an experimental steel. Test dissolution. Next, a laboratory rolling experiment simulating the hot rolling conditions equivalent to the rail was performed, and a prototype of the rail was produced. Then, the impact value of the prototype was measured by an impact test, and the influence of the amount of S and the addition of Ca, Mg, and Zr on the impact value was investigated. The hardness of the material was adjusted to the Hv400 level by controlling heat treatment conditions.
図2は、S量(ppm)と衝撃値の関係を示す。C量が1.00%の鋼(●印)において、P量を0.0150%以下とした場合、S量を0.0100%以下まで低減すると衝撃値が向上することが確認された。また、Caが添加された鋼(■印)の結果より、Caを添加することによって、延伸するMn硫化物系介在物が制御され、衝撃値が向上することが確認された。さらに、Ca,Mg,Zrが添加された鋼(△印)の結果より、Caに加えてMg、Zrを添加することによって、ナノサイズの酸化物やMn硫化物系介在物が微細に分散し、これにより、衝撃値が著しく向上することが確認された。 FIG. 2 shows the relationship between the amount of S (ppm) and the impact value. It was confirmed that the impact value is improved when the S content is reduced to 0.0100% or less when the P content is 0.0150% or less in the steel (● mark) with the C content of 1.00%. Moreover, it was confirmed from the result of the steel (■ mark) to which Ca was added that by adding Ca, the stretched Mn sulfide inclusions were controlled and the impact value was improved. Furthermore, from the result of steel added with Ca, Mg, Zr (Δ mark), by adding Mg and Zr in addition to Ca, nano-sized oxides and Mn sulfide inclusions are finely dispersed. As a result, it was confirmed that the impact value was remarkably improved.
以上の研究結果に基づいて、前述した構成要件を有する本発明が完成された。この本発明の構成要件について、以下に説明する。
(1)鋼の化学成分の限定理由
本発明のパーライト系レールにおいて、鋼の化学成分を前述した数値範囲に限定する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0.65%未満になると、本成分系では、レールに要求される最低限の強度や耐摩耗性が維持できない。また、C量が1.20%を超えると、粗大な初析セメンタイト組織が多量に生成し、耐摩耗性や靭性が低下する。このため、C添加量を0.65〜1.20%に限定する。なお、耐摩耗性を十分に確保するにはC量を0.90%以上とすることが望ましい。Based on the above research results, the present invention having the above-described constituent elements has been completed. The components of the present invention will be described below.
(1) Reasons for limiting chemical components of steel In the pearlite rail of the present invention, the reasons for limiting the chemical components of steel to the above-described numerical ranges will be described in detail.
C is an effective element that promotes pearlite transformation and ensures wear resistance. When the amount of C is less than 0.65%, this component system cannot maintain the minimum strength and wear resistance required for the rail. On the other hand, when the C content exceeds 1.20%, a large amount of coarse pro-eutectoid cementite structure is generated, and wear resistance and toughness are lowered. For this reason, C addition amount is limited to 0.65-1.20%. In order to secure sufficient wear resistance, the C content is preferably 0.90% or more.
Siは、脱酸材として必須の成分である。また、パーライト組織中のフェライト相への固溶強化により、レール頭部の硬度(強度)を上昇させる元素である。さらに、過共析鋼において、初析セメンタイト組織の生成を抑制し、靭性の低下を抑制する元素である。しかし、Si量が0.05%未満では、これらの効果が十分に期待できない。またSi量が2.00%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。さらに、焼入性が著しく増加し、レールの耐摩耗性や靭性に有害なマルテンサイト組織が生成する。このためSi添加量を0.05〜2.00%に限定する。なお、焼入れ性を確保し、耐摩耗性や靭性に有害なマルテンサイト組織の生成を抑制するには、Si量を0.20〜1.30%とすることが望ましい。 Si is an essential component as a deoxidizing material. Moreover, it is an element which raises the hardness (strength) of a rail head by the solid solution strengthening to the ferrite phase in a pearlite structure | tissue. Furthermore, in hypereutectoid steel, it is an element that suppresses the formation of proeutectoid cementite structure and suppresses the decrease in toughness. However, when the Si content is less than 0.05%, these effects cannot be expected sufficiently. On the other hand, if the amount of Si exceeds 2.00%, a lot of surface defects are generated during hot rolling, and weldability deteriorates due to generation of oxides. Furthermore, the hardenability is remarkably increased, and a martensite structure that is harmful to the wear resistance and toughness of the rail is generated. For this reason, Si addition amount is limited to 0.05 to 2.00%. In order to secure hardenability and to suppress the formation of martensite structure that is harmful to wear resistance and toughness, the Si content is preferably 0.20 to 1.30%.
Mnは、焼き入れ性を高め、パーライトラメラ間隔を微細化することにより、パーライト組織の硬度を確保し、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、Mn量が0.05%未満では、その効果が小さく、レールに必要とされる耐摩耗性の確保が困難となる。またMn量が2.00%を超えると、焼入性が著しく増加し、耐摩耗性や靭性に有害なマルテンサイト組織が生成し易くなる。このため、Mn添加量を0.05〜2.00%に限定する。なお、焼入れ性を確保し、耐摩耗性や靭性に有害なマルテンサイト組織の生成を抑制するには、Mn量を0.40〜1.30%とすることが望ましい。 Mn is an element that increases the hardenability and refines the pearlite lamella spacing to ensure the hardness of the pearlite structure and improve the wear resistance. However, if the amount of Mn is less than 0.05%, the effect is small, and it is difficult to ensure the wear resistance required for the rail. On the other hand, if the amount of Mn exceeds 2.00%, the hardenability is remarkably increased, and a martensite structure that is harmful to wear resistance and toughness is easily generated. For this reason, Mn addition amount is limited to 0.05 to 2.00%. In order to secure hardenability and suppress the formation of martensite structure that is harmful to wear resistance and toughness, the Mn content is desirably 0.40 to 1.30%.
Pは、鋼中に不可避的に含有される元素である。P量と靭性には相関があり、P量が増加すると、フェライト相の脆化によりパーライト組織が脆化し、脆性破壊、すなわちレール損傷が発生しやすくなる。このため、靭性を向上させるにはP量は低いことが望ましい。衝撃値とP量の相関を実験室的に確認した結果、P量を0.0150%以下まで低減すると、Pの偏析が著しく低減し、破壊の起点であるパーライト組織の脆化が抑制され、衝撃値が大きく向上することが確認された。この結果から、P量を0.0150%以下に限定する。P量の下限値については限定していないが、精錬工程での脱燐能力を考慮すると、P量は0.0020%程度が、実際に製造する際の限界になると考えられる。
なお、低P化(P量の低減化)の処理は、精錬コストの増大をもたらすばかりでなく、生産性を悪化させる。そこで、経済性も鑑み、衝撃値を安定的に向上させるには、P量を0.0030〜0.0100%とすることが望ましい。P is an element inevitably contained in steel. There is a correlation between the amount of P and toughness. When the amount of P increases, the pearlite structure becomes brittle due to embrittlement of the ferrite phase, and brittle fracture, that is, rail damage is likely to occur. For this reason, in order to improve toughness, it is desirable that the amount of P is low. As a result of confirming the correlation between the impact value and the P amount in the laboratory, when the P amount is reduced to 0.0150% or less, the segregation of P is remarkably reduced, and the embrittlement of the pearlite structure which is the starting point of fracture is suppressed. It was confirmed that the impact value was greatly improved. From this result, the amount of P is limited to 0.0150% or less. The lower limit of the amount of P is not limited, but considering the dephosphorization ability in the refining process, it is considered that the amount of P is about 0.0020% which is the limit in actual production.
Note that the process of reducing P (reducing the amount of P) not only increases the refining cost but also deteriorates productivity. Therefore, in view of economic efficiency, it is desirable that the P content be 0.0030 to 0.0100% in order to stably improve the impact value.
Sは、鋼中に不可避的に含有される元素である。S量と靭性には相関があり、S量が増加すると、MnSの粗大化や密度の増加により応力集中が発生し、脆性破壊、すなわちレール損傷が発生しやすくなる。このため、靭性を向上させるには、S量は低いことが望ましい。衝撃値とS量の相関を実験室的に確認した結果、S量を0.0100%以下まで低減すると、破壊の起点であるMn硫化物系介在物の生成量が低減し、さらに、CaやZr、Mg添加によるMn硫化物系介在物の延伸抑制や微細化により、パーライト組織の脆化が抑制され、衝撃値が大きく向上することが確認された。この結果から、S量を0.0100%以下に限定する。S量の下限値については限定していないが、精錬工程での脱硫能力を考慮すると、S量0.0010%程度が実際に製造する際の限界になると考えられる。
なお、低S化(S量の低減化)の処理は、精錬コストの増大をもたらすばかりでなく、生産性を悪化させる。そこで、経済性も鑑み、延伸したMn硫化物系介在物の生成を抑制し、衝撃値を安定的に向上させるには、S量を0.0060以下とすることが望ましい。
また、さらに衝撃値を向上させるには、オーステナイト組織をピンニングする微細なMn硫化物系介在物を安定的に生成させ、延伸したMn硫化物系介在物の生成を抑制するため、S量を0.0020〜0.0035%とすることが望ましい。S is an element inevitably contained in steel. There is a correlation between the amount of S and toughness, and when the amount of S increases, stress concentration occurs due to coarsening of MnS and increase in density, and brittle fracture, that is, rail damage is likely to occur. For this reason, in order to improve toughness, it is desirable that the amount of S is low. As a result of confirming the correlation between the impact value and the amount of S in the laboratory, when the amount of S is reduced to 0.0100% or less, the amount of Mn sulfide inclusions that are the starting point of fracture is reduced. It was confirmed that the embrittlement of the pearlite structure is suppressed and the impact value is greatly improved by suppressing the stretching and refinement of the Mn sulfide inclusions by adding Zr and Mg. From this result, the amount of S is limited to 0.0100% or less. The lower limit of the amount of S is not limited, but considering the desulfurization capability in the refining process, the amount of S of about 0.0010% is considered to be the limit for actual production.
Note that the process of reducing S (reducing the amount of S) not only increases the refining cost but also deteriorates productivity. Therefore, in view of economic efficiency, in order to suppress the generation of stretched Mn sulfide inclusions and to stably improve the impact value, it is desirable that the S amount is 0.0060 or less.
In order to further improve the impact value, in order to stably generate fine Mn sulfide inclusions that pin the austenite structure and to suppress the formation of stretched Mn sulfide inclusions, the amount of S is reduced to 0. 0020-0.0035% is desirable.
Caは、脱酸・脱硫元素であり、Caの添加により、Caの酸化物と硫化物が集合体(CaO−CaS)を生成する。この集合体は、Mn硫化物系介在物の生成核となり、圧延後のMn硫化物系介在物が延伸することを抑制する。さらには、これを核にして、ナノサイズのMn硫化物系介在物が形成される。Caは、このような作用効果を有する元素である。Ca量が0.0005%未満では、その効果が小さく、Mn硫化物系介在物の生成核としては不十分となる。またCa量が0.0200%を超えると、鋼中の酸素量によっては、Mn硫化物系介在物の核とならない単独の硬質CaOの数が増加する。この結果、レール鋼の靭性が大きく低下する。このため、Ca添加量を0.0005〜0.0200%に限定する。
なお、延伸したMn硫化物系介在物の生成を確実に抑制し、かつMn硫化物系介在物の核とならず靭性に有害な硬質CaOの生成を未然に抑制し、衝撃値を向上させるには、Ca添加量を0.0015〜0.0150%の範囲にすることが望ましい。また、さらに衝撃値を向上させるには、オーステナイト組織をピンニングする微細なMn硫化物系介在物を安定的に生成させ、Mn硫化物系介在物の粗大化を抑制する必要があり、Ca量を0.0020〜0.0080%とすることが望ましい。Ca is a deoxidation / desulfurization element. When Ca is added, an oxide and sulfide of Ca generate an aggregate (CaO—CaS). This aggregate serves as a production nucleus of Mn sulfide inclusions, and suppresses stretching of the Mn sulfide inclusions after rolling. Furthermore, nano-sized Mn sulfide inclusions are formed using this as a nucleus. Ca is an element having such an effect. If the amount of Ca is less than 0.0005%, the effect is small, and it is insufficient as a production nucleus of Mn sulfide inclusions. On the other hand, if the Ca content exceeds 0.0200%, depending on the oxygen content in the steel, the number of single hard CaO that does not become the core of Mn sulfide inclusions increases. As a result, the toughness of the rail steel is greatly reduced. For this reason, Ca addition amount is limited to 0.0005 to 0.0200%.
In order to improve the impact value by reliably suppressing the formation of stretched Mn sulfide inclusions and suppressing the formation of hard CaO that is harmful to toughness and not the core of Mn sulfide inclusions. The Ca addition amount is desirably in the range of 0.0015 to 0.0150%. Further, in order to further improve the impact value, it is necessary to stably generate fine Mn sulfide inclusions that pin the austenite structure, and to suppress the coarsening of the Mn sulfide inclusions. It is desirable to set it as 0.0020 to 0.0080%.
前述したように、SとCaは、酸化物と硫化物の集合体(CaO−CaS)を生成する。この集合体は、Mn硫化物系介在物の核となり、Mn硫化物系介在物の延伸に大きな影響をおよぼす。したがって、S添加量とCa添加量の制御が重要となる。そこで、S添加量、Ca添加量を変化させた鋼を試験溶解して、熱間圧延実験を行った。その結果、S添加量に対するCa添加量の比(S/Ca)の値が特定の範囲内にある場合、Caの酸化物や硫化物が適度に生成して微細分散し、これにより、結果的に圧延後のMn硫化物系介在物の延伸をさらに抑制できることがわかった。
具体的には、S/Caの値が0.45未満になると、Mn硫化物系介在物の核とならない単独の硬質CaOの数が若干増加する。この結果、レール鋼の靭性が低下する場合がある。また、S/Caの値が3.00を超えると、Mn硫化物系介在物の核となる硫化物の集合体(CaO−CaS)の数が低減し、Mn硫化物系介在物の延伸が助長される。この結果、レール鋼の靭性が低下する場合がある。このため、S/Caの値を0.45〜3.00の範囲とすることがさらに望ましい。As described above, S and Ca generate an aggregate of oxide and sulfide (CaO—CaS). This aggregate serves as a nucleus of Mn sulfide-based inclusions and greatly affects the stretching of Mn sulfide-based inclusions. Therefore, control of the S addition amount and the Ca addition amount is important. Therefore, hot rolling experiments were carried out by melting the test steel with varying amounts of S and Ca. As a result, when the ratio of the Ca addition amount to the S addition amount (S / Ca) is within a specific range, Ca oxides and sulfides are appropriately generated and finely dispersed. Further, it was found that stretching of Mn sulfide inclusions after rolling can be further suppressed.
Specifically, when the value of S / Ca is less than 0.45, the number of single hard CaOs that do not become nuclei of Mn sulfide inclusions slightly increases. As a result, the toughness of the rail steel may be reduced. Moreover, when the value of S / Ca exceeds 3.00, the number of sulfide aggregates (CaO—CaS) serving as nuclei of the Mn sulfide inclusions is reduced, and the Mn sulfide inclusions are stretched. Be encouraged. As a result, the toughness of the rail steel may be reduced. For this reason, it is more desirable to make the value of S / Ca into the range of 0.45-3.00.
本発明では、Mg、Zrの1種または2種を含有することが好ましい。
Mgは、脱酸元素であり、主にOと結合して微細なナノサイズの酸化物(MgO)や硫化物(MgS)との複合体を形成する元素である。この複合体を核にして、ナノサイズのMn硫化物系介在物が形成される。その結果、圧延後のオーステナイト組織の粒成長が抑制され、レール鋼の組織が微細化し、パーライト組織の靭性を向上させることができる。しかし、Mg量が0.0005%未満では、微細な酸化物(MgO)と硫化物(MgS)の複合体の生成量が少なく、圧延後のオーステナイト組織の粒成長抑制効果が十分に得られない。Mg量が0.0200%を超えると、Mgの粗大酸化物が生成し、レールの靭性が低下すると同時に、粗大な酸化物から疲労損傷が発生する。このため、Mg添加量を0.0005〜0.0200%に限定する。
なお、オーステナイト組織をピンニングする微細な酸化物(MgO)、及びナノサイズのMn硫化物系介在物を形成する酸化物(MgO)と硫化物(MgS)の複合体の生成量を十分に確保し、疲労損傷に有害で粗大な酸化物の生成を十分に抑制し、衝撃値を向上させるには、Mg添加量を0.0010〜0.0050%の範囲にすることが望ましい。In this invention, it is preferable to contain 1 type or 2 types of Mg and Zr.
Mg is a deoxidizing element and is an element that mainly combines with O to form a complex with a fine nano-sized oxide (MgO) or sulfide (MgS). Using this composite as a nucleus, nano-sized Mn sulfide inclusions are formed. As a result, the grain growth of the austenite structure after rolling is suppressed, the structure of the rail steel is refined, and the toughness of the pearlite structure can be improved. However, if the amount of Mg is less than 0.0005%, the amount of fine oxide (MgO) and sulfide (MgS) composites produced is small, and the effect of suppressing the grain growth of the austenite structure after rolling cannot be sufficiently obtained. . When the amount of Mg exceeds 0.0200%, a coarse oxide of Mg is generated, and the toughness of the rail is lowered. At the same time, fatigue damage occurs from the coarse oxide. For this reason, Mg addition amount is limited to 0.0005 to 0.0200%.
A sufficient amount of fine oxides (MgO) for pinning the austenite structure and oxides (MgO) and sulfides (MgS) forming nano-sized Mn sulfide inclusions are secured. In order to sufficiently suppress the generation of coarse oxides that are harmful to fatigue damage and improve the impact value, it is desirable that the Mg addition amount be in the range of 0.0010 to 0.0050%.
Zrは、脱酸元素であり、主にOと結合して微細なナノサイズの酸化物(ZrO2)を形成する元素である。この酸化物は、微細に均一に分散し、さらには、これを核にナノサイズのMn硫化物系介在物が形成される。その結果、圧延後のオーステナイト組織の粒成長が抑制され、レール鋼の組織が微細化し、パーライト組織の靭性を向上させることができる。しかし、Zr量が0.0005%未満では、微細な酸化物(ZrO2)の生成量が少なく、圧延後のオーステナイト組織の粒成長を抑制する効果が十分に得られない。Zr量が0.0100%を超えると、Zrの粗大酸化物が生成し、レールの靭性が低下すると同時に、粗大な析出物から疲労損傷が発生する。このため、Zr添加量を0.0005〜0.0100%に限定する。
なお、オーステナイト組織をピンニングする微細な酸化物(ZrO2)、ナノサイズのMn硫化物系介在物を形成する酸化物(ZrO2)の生成量を十分に確保し、かつ疲労損傷に有害な粗大な酸化物の生成を十分に抑制し、衝撃値を向上させるには、Mg添加量を0.0010〜0.0050%の範囲にすることが望ましい。Zr is a deoxidizing element, and is an element that mainly combines with O to form a fine nano-sized oxide (ZrO 2 ). This oxide is finely and uniformly dispersed, and further nano-sized Mn sulfide inclusions are formed using this oxide as a nucleus. As a result, the grain growth of the austenite structure after rolling is suppressed, the structure of the rail steel is refined, and the toughness of the pearlite structure can be improved. However, if the amount of Zr is less than 0.0005%, the amount of fine oxide (ZrO 2 ) produced is small, and the effect of suppressing the grain growth of the austenite structure after rolling cannot be sufficiently obtained. If the amount of Zr exceeds 0.0100%, a coarse oxide of Zr is generated, and the toughness of the rail is lowered, and at the same time, fatigue damage occurs from the coarse precipitate. For this reason, the amount of Zr added is limited to 0.0005 to 0.0100%.
Incidentally, fine oxides pinning austenitic structure (ZrO 2), oxide forming the Mn sulfide-based inclusions nanosize (ZrO 2) securing a sufficient amount of generated and harmful coarse to fatigue damage In order to sufficiently suppress the formation of an oxide and improve the impact value, it is desirable that the amount of Mg added is in the range of 0.0010 to 0.0050%.
また、上記の成分組成で製造されるレールは、パーライト組織や初析フェライト組織の硬度(強化)の向上、靭性の向上、溶接熱影響部の軟化の防止、及びレール頭部内部の断面硬度分布の制御を図る目的で、Co、Cr、Mo、V、Nb、B、Cu、Ni、Ti、Al、及びNから選択される1種又は2種以上の元素が必要に応じて添加されることが好ましい。 In addition, the rail manufactured with the above composition has improved hardness (strengthening) of pearlite structure and pro-eutectoid ferrite structure, improved toughness, prevention of softening of weld heat affected zone, and cross-sectional hardness distribution inside rail head. One or more elements selected from Co, Cr, Mo, V, Nb, B, Cu, Ni, Ti, Al, and N are added as necessary for the purpose of controlling Is preferred.
上記元素の主な添加目的や作用効果を以下に示す。
Coは、摩耗面のラメラ構造やフェライト粒径を微細化し、パーライト組織の耐摩耗性を高める。Cr、Moは、パーライトの平衡変態点を上昇させ、主に、パーライトラメラ間隔を微細化することにより、パーライト組織の硬度を確保する。V、Nbは、熱間圧延やその後の冷却課程で炭化物や窒化物を生成し、これにより、オーステナイト粒の成長を抑制する。さらに、フェライト組織やパーライト組織中に析出硬化することにより、パーライト組織の靭性と硬度を向上させる。また、炭化物や窒化物を安定的に生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止する。
Bは、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、レール頭部の硬度分布を均一にする。Cuは、フェライト組織やパーライト組織中のフェライトに固溶し、パーライト組織の硬度を高める。Niは、フェライト組織やパーライト組織の靭性と硬度を向上させ、同時に、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止する。Tiは、溶接熱影響部の組織の微細化を図り、溶接継ぎ手部の脆化を防止する。Alは、共析変態温度を高温側へ移動させ、パーライト組織の硬度を高める。Nは、オーステナイト粒界に偏析することにより、パーライト変態を促進させる。そして、パーライトブロックサイズを微細化することにより、靭性を向上させる。The main addition purpose and action effect of the above elements are shown below.
Co refines the lamellar structure and ferrite grain size of the wear surface and improves the wear resistance of the pearlite structure. Cr and Mo increase the pearlite equilibrium transformation point, and ensure the hardness of the pearlite structure mainly by reducing the pearlite lamella spacing. V and Nb generate carbides and nitrides during hot rolling and the subsequent cooling process, thereby suppressing the growth of austenite grains. Furthermore, the toughness and hardness of the pearlite structure are improved by precipitation hardening in the ferrite structure and pearlite structure. In addition, carbides and nitrides are stably generated, and the weld joint heat-affected zone is prevented from being softened.
B reduces the cooling rate dependency of the pearlite transformation temperature and makes the hardness distribution of the rail head uniform. Cu dissolves in the ferrite in the ferrite structure or pearlite structure, and increases the hardness of the pearlite structure. Ni improves the toughness and hardness of the ferrite structure and pearlite structure, and at the same time, prevents softening of the heat-affected zone of the weld joint. Ti refines the structure of the weld heat affected zone and prevents embrittlement of the weld joint. Al moves the eutectoid transformation temperature to the high temperature side and increases the hardness of the pearlite structure. N promotes pearlite transformation by segregating at austenite grain boundaries. And toughness is improved by refining the pearlite block size.
これらの成分の限定理由について、以下に詳細に説明する。
Coは、パーライト組織中のフェライト相に固溶する。これにより、レール頭部の摩耗面において、車輪との接触により形成させる微細なフェライト組織をより一層微細化し、耐摩耗性を向上させる。Co量が0.01%未満では、フェライト組織の微細化が図れず、耐摩耗性の向上効果が期待できない。また、Co量を1.00%超添加しても、上記の効果が飽和し、添加量に応じたフェライト組織の微細化が図れない。また、合金添加コストの増大により経済性が低下する。このため、Co添加量を0.01〜1.00%に限定する。The reasons for limiting these components will be described in detail below.
Co is dissolved in the ferrite phase in the pearlite structure. As a result, the fine ferrite structure formed by contact with the wheels on the wear surface of the rail head is further refined to improve wear resistance. If the Co content is less than 0.01%, the ferrite structure cannot be refined, and the effect of improving the wear resistance cannot be expected. Even if the Co content exceeds 1.00%, the above effect is saturated, and the ferrite structure cannot be refined according to the addition amount. In addition, the economic efficiency decreases due to the increase in the alloy addition cost. For this reason, Co addition amount is limited to 0.01 to 1.00%.
Crは、平衡変態温度を上昇させ、結果としてフェライト組織やパーライト組織を微細にして高硬度(強度)化に寄与する。同時に、セメンタイト相を強化して、パーライト組織の硬度(強度)を向上させる。しかし、Cr量が0.01%未満では、その効果は小さく、レール鋼の硬度を向上させる効果が全く見られなくなる。また、Cr量が2.00%を超える過剰なCr添加を行うと、焼入れ性が増加し、マルテンサイト組織が生成する。これにより頭部コーナー部や頭頂部に、マルテンサイト組織を起点としたスポーリグ損傷が発生し、耐表面損傷性が低下する。このため、Cr添加量を0.01〜2.00%に限定する。 Cr increases the equilibrium transformation temperature and, as a result, refines the ferrite structure and pearlite structure and contributes to higher hardness (strength). At the same time, the cementite phase is strengthened to improve the hardness (strength) of the pearlite structure. However, if the Cr content is less than 0.01%, the effect is small, and the effect of improving the hardness of the rail steel is not seen at all. In addition, when an excessive amount of Cr exceeding 2.00% is added, the hardenability is increased and a martensite structure is generated. As a result, a sprig damage starting from the martensite structure occurs at the head corner and the top, and the surface damage resistance is reduced. For this reason, Cr addition amount is limited to 0.01 to 2.00%.
Moは、Crと同様に、平衡変態温度を上昇させ、結果としてフェライト組織やパーライト組織を微細にすることにより高硬度(強度)化に寄与する。このように、Moは、硬度(強度)を向上させる元素であるが、Mo量が0.01%未満では、その効果が小さく、レール鋼の硬度を向上させる効果が全く見られなくなる。また、Mo量が0.50%を超える過剰なMo添加を行うと、変態速度が著しく低下する。これにより頭部コーナー部や頭頂部にマルテンサイト組織を起点としたスポーリグ損傷が発生し、耐表面損傷性が低下する。このため、Mo添加量を0.01〜0.50%に限定する。 Mo, like Cr, increases the equilibrium transformation temperature, and as a result, contributes to higher hardness (strength) by making the ferrite structure and pearlite structure finer. Thus, Mo is an element that improves the hardness (strength), but if the amount of Mo is less than 0.01%, the effect is small, and the effect of improving the hardness of the rail steel is not seen at all. Moreover, if the Mo amount exceeds 0.50% and excessive Mo is added, the transformation rate is significantly reduced. As a result, the sprig damage starting from the martensite structure occurs at the head corner and the top, and the surface damage resistance is reduced. For this reason, Mo addition amount is limited to 0.01 to 0.50%.
Vは、高温度に加熱する熱処理が行われる場合に、V炭化物やV窒化物のピニング効果により、オーステナイト粒を微細化する。さらに、熱間圧延後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により、フェライト組織やパーライト組織の硬度(強度)を高めると同時に、靭性を向上させる。Vは、このような作用効果を得るために有効な元素である。また、Ac1点以下の温度域に再加熱された熱影響部において、Vは、比較的高温度域でV炭化物やV窒化物を生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。しかし、V量が0.005%未満では、その効果が十分に期待できず、フェライト組織やパーライト組織の硬度の向上や靭性の改善は認められない。また、V量が0.50%を超えると、Vの炭化物や窒化物の析出硬化が過剰となり、フェライト組織やパーライト組織の靭性が低下する。これにより頭部コーナー部や頭頂部にスポーリグ損傷が発生し、耐表面損傷性が低下する。このため、V添加量を0.005〜0.50%に限定する。 V refines austenite grains due to the pinning effect of V carbide and V nitride when heat treatment is performed at a high temperature. Furthermore, precipitation hardening by V carbide and V nitride generated in the cooling process after hot rolling increases the hardness (strength) of the ferrite structure and pearlite structure and at the same time improves the toughness. V is an element effective for obtaining such an effect. In the heat-affected zone reheated to a temperature range below the Ac1 point, V is effective in preventing V softening of the weld joint heat-affected zone by generating V carbide and V nitride in a relatively high temperature range. Element. However, if the amount of V is less than 0.005%, the effect cannot be sufficiently expected, and no improvement in the hardness or toughness of the ferrite structure or pearlite structure is observed. On the other hand, if the V content exceeds 0.50%, precipitation hardening of V carbides and nitrides becomes excessive, and the toughness of the ferrite structure and pearlite structure decreases. As a result, the sprig damage occurs at the head corner and the top, and the surface damage resistance is reduced. For this reason, V addition amount is limited to 0.005 to 0.50%.
Nbは、Vと同様に、高温度に加熱する熱処理が行われる場合に、Nb炭化物やNb窒化物のピニング効果により、オーステナイト粒を微細化する。さらに、熱間圧延後の冷却課程で生成したNb炭化物、Nb窒化物による析出硬化により、フェライト組織やパーライト組織の硬度(強度)を高めると同時に、靭性を向上させる。Nbは、このような作用効果を得るために有効な元素である。また、Ac1点以下の温度域に再加熱された熱影響部において、Nbは、低温度域から高温度域まで、Nbの炭化物やNb窒化物を安定的に生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。しかし、Nb量が0.002%未満では、その効果が期待できず、フェライト組織やパーライト組織の硬度の向上や靭性の改善は認められない。また、Nb量が0.050%を超えると、Nbの炭化物や窒化物の析出硬化が過剰となり、フェライト組織やパーライト組織の靭性が低下する。これにより頭部コーナー部や頭頂部にスポーリグ損傷が発生し、耐表面損傷性が低下する。このため、Nb添加量を0.002〜0.050%に限定する。 Nb, like V, refines austenite grains by the pinning effect of Nb carbide or Nb nitride when heat treatment is performed at a high temperature. Furthermore, the hardness (strength) of the ferrite structure and the pearlite structure is increased and the toughness is improved by precipitation hardening with Nb carbide and Nb nitride generated in the cooling process after hot rolling. Nb is an effective element for obtaining such an effect. In the heat-affected zone reheated to a temperature range below the Ac1 point, Nb stably generates Nb carbide and Nb nitride from a low temperature range to a high temperature range, and the weld joint heat-affected zone It is an effective element for preventing softening. However, if the amount of Nb is less than 0.002%, the effect cannot be expected, and no improvement in the hardness or toughness of the ferrite structure or pearlite structure is observed. On the other hand, if the Nb content exceeds 0.050%, precipitation hardening of Nb carbides and nitrides becomes excessive, and the toughness of the ferrite structure and pearlite structure decreases. As a result, the sprig damage occurs at the head corner and the top, and the surface damage resistance is reduced. For this reason, the Nb addition amount is limited to 0.002 to 0.050%.
Bは、オーステナイト粒界に鉄炭ほう化物(Fe23(CB)6)を形成し、パーライト変態を促進させる。このパーライト変態の促進効果により、パーライト変態温度の冷却速度依存性が低減し、レールの頭表面から内部まで、より均一な硬度分布が得られる。このため、レールを高寿命化することができる。B量が0.0001%未満では、その効果が十分でなく、レール頭部の硬度分布には改善が認められない。また、B量が0.0050%を超えると、粗大な鉄炭ほう化物が生成し、靭性の低下を招く。このため、B添加量を0.0001〜0.0050%に限定する。B forms iron boride (Fe 23 (CB) 6 ) at the austenite grain boundaries and promotes pearlite transformation. Due to this pearlite transformation promoting effect, the cooling rate dependency of the pearlite transformation temperature is reduced, and a more uniform hardness distribution can be obtained from the head surface to the inside of the rail. For this reason, the life of the rail can be extended. If the amount of B is less than 0.0001%, the effect is not sufficient, and the hardness distribution of the rail head is not improved. On the other hand, if the amount of B exceeds 0.0050%, a coarse borohydride is generated, resulting in a decrease in toughness. For this reason, B addition amount is limited to 0.0001 to 0.0050%.
Cuは、フェライト組織やパーライト組織中のフェライト相に固溶し、固溶強化により、パーライト組織の硬度(強度)を向上させる元素である。Cu量が0.01%未満では、その効果が期待できない。またCu量が1.00%を超えると、著しい焼入れ性向上により、靭性に有害なマルテンサイト組織が生成する。これにより頭部コーナー部や頭頂部にスポーリグ損傷が発生し、耐表面損傷性が低下する。このため、Cu量を0.01〜1.00%に限定する。 Cu is an element that improves the hardness (strength) of the pearlite structure by forming a solid solution in the ferrite phase in the ferrite structure or the pearlite structure and strengthening the solid solution. If the amount of Cu is less than 0.01%, the effect cannot be expected. On the other hand, if the Cu content exceeds 1.00%, a martensitic structure that is harmful to toughness is generated due to a significant improvement in hardenability. As a result, the sprig damage occurs at the head corner and the top, and the surface damage resistance is reduced. For this reason, the amount of Cu is limited to 0.01 to 1.00%.
Niは、フェライト組織やパーライト組織の靭性を向上させ、同時に、固溶強化により高硬度(強度)化を図る元素である。さらに、溶接熱影響部においては、Tiとの複合化合物であるNi3Tiの金属間化合物が微細に析出し、析出強化により軟化が抑制される。Ni量が0.01%未満では、その効果が著しく小さく、またNi量が1.00%を超えると、フェライト組織やパーライト組織の靭性が著しく低下する。これにより頭部コーナー部や頭頂部にスポーリグ損傷が発生し、耐表面損傷性が低下する。このため、Ni添加量を0.01〜1.00%に限定する。Ni is an element that improves the toughness of the ferrite structure and the pearlite structure, and at the same time increases the hardness (strength) by solid solution strengthening. Furthermore, in the weld heat affected zone, an intermetallic compound of Ni 3 Ti that is a composite compound with Ti is finely precipitated, and softening is suppressed by precipitation strengthening. When the amount of Ni is less than 0.01%, the effect is remarkably small. When the amount of Ni exceeds 1.00%, the toughness of the ferrite structure and pearlite structure is significantly reduced. As a result, the sprig damage occurs at the head corner and the top, and the surface damage resistance is reduced. For this reason, Ni addition amount is limited to 0.01 to 1.00%.
Tiは、溶接時の再加熱において析出したTiの炭化物やTiの窒化物が溶解しないことを利用して、オーステナイト域まで加熱される熱影響部の組織の微細化を図り、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、Ti量が0.0050%未満では、その効果が少なく、Ti量が0.0500%を超えると、粗大なTiの炭化物やTiの窒化物が生成して、レールの靭性が低下する。同時に、粗大な析出物から疲労損傷が発生する。このため、Ti添加量を0.0050〜0.050%に限定する。 By utilizing the fact that Ti carbide and Ti nitride precipitated during reheating during welding are not dissolved, the structure of the heat-affected zone heated to the austenite region is refined and brittleness of the welded joint is achieved. It is an effective ingredient for preventing oxidization. However, when the Ti content is less than 0.0050%, the effect is small, and when the Ti content exceeds 0.0500%, coarse Ti carbides or Ti nitrides are generated, and the toughness of the rail is lowered. At the same time, fatigue damage occurs from coarse precipitates. For this reason, Ti addition amount is limited to 0.0050 to 0.050%.
Alは、脱酸材として必須の成分である。また、共析変態温度を高温側へ移動させる元素であり、パーライト組織の高硬度(強度)化に寄与する元素である。Al量が0.0100%以下では、その効果が弱い。またAl量が1.00%を超えると、鋼中に固溶させることが困難となり、粗大なアルミナ系介在物が生成する。これによりレールの靭性が低下すると同時に、粗大な析出物から疲労損傷が発生する。さらに、溶接時に酸化物が生成し、溶接性が著しく低下するため、Al添加量を0.0100超〜1.00%に限定する。 Al is an essential component as a deoxidizing material. Moreover, it is an element that moves the eutectoid transformation temperature to the high temperature side, and is an element that contributes to increasing the hardness (strength) of the pearlite structure. If the Al content is 0.0100% or less, the effect is weak. On the other hand, if the Al content exceeds 1.00%, it is difficult to make a solid solution in the steel, and coarse alumina inclusions are generated. As a result, the toughness of the rail is reduced, and at the same time, fatigue damage is generated from coarse precipitates. Furthermore, since oxides are generated during welding and weldability is significantly reduced, the amount of Al added is limited to more than 0.0100 to 1.00%.
Nは、オーステナイト粒界に偏析することにより、オーステナイト粒界からのフェライトやパーライト変態を促進させる。これにより主にパーライトブロックサイズが微細化することにより、靭性を向上させることができる。しかし、N量が0.0060%未満では、その効果が弱い。N量が0.0200%を超えると、鋼中に固溶させることが困難となり、疲労損傷の起点となる気泡が生成し、レール頭部内部に疲労損傷が発生する。このため、N添加量を0.0060〜0.0200%に限定する。 N promotes ferrite and pearlite transformation from the austenite grain boundary by segregating to the austenite grain boundary. Thereby, toughness can be improved mainly by reducing the pearlite block size. However, if the N content is less than 0.0060%, the effect is weak. When the N content exceeds 0.0200%, it becomes difficult to make a solid solution in the steel, and bubbles that become the starting point of fatigue damage are generated, and fatigue damage occurs inside the rail head. For this reason, N addition amount is limited to 0.0060-0.0200%.
(2)レール頭表部3aのパーライト組織の領域および硬さの限定理由
次に、レールの頭表部3aがパーライト組織であり、かつ、その硬さをHv320〜500の範囲に限定する理由について説明する。
まず、パーライト組織の硬さをHv320〜500の範囲に限定する理由について説明する。
本成分系では、パーライト組織の硬さがHv320未満になると、レールの頭表部3aの耐摩耗性の確保が困難となり、レールの使用寿命が低下する。また、ころがり面に塑性変形起因のフレーキング損傷が発生し、レール頭表部3aの耐表面損傷性が大きく低下する。また、パーライト組織の硬さがHv500を超えると、パーライト組織の靭性が著しく低下し、レール頭表部3aの耐損傷性が低下する。このためパーライト組織の硬さをHv320〜500の範囲に限定する。(2) Reason for limiting the pearlite structure region and hardness of the rail
First, the reason for limiting the hardness of the pearlite structure to the range of Hv320 to 500 will be described.
In this component system, when the hardness of the pearlite structure is less than Hv320, it is difficult to ensure the wear resistance of the
次に、硬さHv320〜500のパーライト組織の必要範囲を、レール鋼の頭表部3aに限定する理由を説明する。
ここで、レールの頭表部3aとは、図1中に示すように、頭部コーナー部2及び頭頂部1の表面を起点として深さ10mmまでの範囲(実線の斜線部)を示す。この部位に上記の成分範囲のパーライト組織が配置されていれば、車輪との接触による摩耗を抑制し、レールにおいて耐摩耗性の向上が図れる。Next, the reason why the necessary range of the pearlite structure having a hardness of Hv 320 to 500 is limited to the
Here, the
また、硬さHv320〜500のパーライト組織は、頭部コーナー部2及び頭頂部1の表面を起点として深さ20mmまでの範囲3b、すなわち、少なくとも図1中の点線の斜線部内に配置されていることが好ましく、これにより車輪との接触により、さらにレール頭部の内部まで摩耗した場合の耐摩耗性が、より一層確保され、レールの使用寿命の向上が図れる。したがって、硬さHv320〜500のパーライト組織は、車輪とレールが主に接するレール頭部3の表面近傍に配置することが望ましく、それ以外の部分はパーライト組織以外の金属組織であってもよい。
なお、レール頭部3の表面近傍において、硬さHv320〜500のパーライト組織を得る方法としては、後述するように、圧延後、または、再加熱後のオーステナイト領域のある高温のレール頭部3に加速冷却を行うことが望ましい。Moreover, the pearlite structure | tissue of hardness Hv320-500 is arrange | positioned in the
In addition, as a method for obtaining a pearlite structure having a hardness of Hv 320 to 500 in the vicinity of the surface of the
本発明でのレール頭部3のうち、前記した頭表部3a、又は頭表部3aを含む深さ20mmまでの範囲3bの金属組織は、上記限定のようなパーライト組織のみからなることが望ましい。しかし、レールの成分系や熱処理製造方法によっては、パーライト組織中に面積率で5%以下の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織やマルテンサイト組織が混入することがある。しかし、これらの組織が5%以下の含有量で混入しても、レール頭部5の耐摩耗性および靭性には大きな悪影響を及ぼさないため、上記限定のパーライト組織としては、微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織、マルテンサイト組織等が5%以下の含有量で混在したものも含んでいる。
言い換えれば、本発明でのレール頭部5のうち、前記した頭表部3a、又は頭表部3aを含む深さ20mmまでの範囲3bの金属組織は、95%以上がパーライト組織であれば良く、耐摩耗性や靭性を十分に確保するためには、頭部金属組織の98%以上をパーライト組織とすることが望ましい。
なお、後述する表1及び表2におけるミクロ組織の欄で微量と記載しているのは5%以下の含有量を意味し、パーライト組織以外の組織において微量と記載していないのは5%超の量(本発明外)を意味する。Of the
In other words, in the
In the column of the microstructure in Table 1 and Table 2 to be described later, a content of 5% or less means a content of 5% or less, and a content other than a pearlite structure does not describe a trace amount of more than 5%. Means (outside of the present invention).
(3)長辺が10〜100μmのMn硫化物系介在物の単位面積当たりの数の限定理由
本発明において、評価対象とした長手方向の任意断面のMn硫化物系介在物の長辺の長さを10〜100μmの範囲に限定する理由について詳細に説明する。
本成分系において、Mn硫化物系介在物の長辺の長さと実レールの損傷実績(実際にレールを使用した際の損傷状況)を調査した結果、レールの破壊は、応力集中が発生するMn硫化物系介在物の端部から発生していることを確認した。そこで、Mn硫化物系介在物の長さを変化させた鋼を試験溶解し、熱間圧延実験を行った結果、長辺の長さ10〜100μmのMn硫化物系介在物の数とレール耐損傷性には、よい相関があることが確認された。したがって、Mn硫化物系介在物の数の評価対象を長辺の長さ10〜100μmの範囲に限定する。(3) Reason for limiting the number per unit area of Mn sulfide inclusions having a long side of 10 to 100 μm In the present invention, the length of the long side of the Mn sulfide inclusion having an arbitrary cross-section in the longitudinal direction as an evaluation target The reason why the thickness is limited to the range of 10 to 100 μm will be described in detail.
In this component system, as a result of investigating the length of the long side of Mn sulfide inclusions and the actual track damage (damage when using the actual rail), the failure of the rail is caused by stress concentration. It was confirmed that it was generated from the end of the sulfide inclusion. Therefore, as a result of test melting of steel with varying lengths of Mn sulfide inclusions and conducting hot rolling experiments, the number of Mn sulfide inclusions having a long side length of 10 to 100 μm and rail damage resistance Was confirmed to have a good correlation. Therefore, the evaluation object of the number of Mn sulfide inclusions is limited to the long side length of 10 to 100 μm.
なお、耐損傷性に対しては、応力集中が著しい長辺の長さが長いMn硫化物系介在物の方が影響は大きく、長辺の長さが短いMn硫化物系介在物の方が影響は小さい。しかし、本発明鋼では長さ100μmを超えるMn硫化物系介在物は少なく、その鋼の特性を把握するには不適当であること、及び長さ10μm未満のMn硫化物系介在物は、耐損傷性に対して影響が少ないことから、表記のサイズのMn硫化物系介在物を評価対象とした。 It should be noted that the effect of Mn sulfide inclusions with a long long side with a significant stress concentration on the damage resistance is larger, and the effect of Mn sulfide inclusions with a short long side is shorter. The impact is small. However, in the steel of the present invention, there are few Mn sulfide inclusions exceeding 100 μm in length, which is inappropriate for grasping the characteristics of the steel, and that Mn sulfide inclusions less than 10 μm in length are Since there is little influence on the damage property, Mn sulfide inclusions having the indicated size were evaluated.
次に、本発明において、長手方向の任意断面(レールの長さ方向に平行な断面)において、長辺10〜100μmのMn硫化物系介在物の単位面積当たりの数を10〜200個/mm2に限定する理由について詳細に説明する。
長辺10〜100μmのMn硫化物系介在物の合計個数が単位面積あたり200個/mm2を超えると、本成分系ではMn硫化物系介在物の数が過剰となり、介在物周囲の応力集中の発生により、レールの損傷の可能性が高くなる。鋼の機械的特性においても衝撃値の向上が望めない。また、長辺10〜100μmのMn硫化物系介在物の合計個数が単位面積あたり10個/mm2未満になると、本成分系では鋼中に残存してしまう不可避的な水素を吸着するトラップサイトが著しく減少する。これにより水素性の欠陥(水素脆化)を誘発する可能性が高くなり、レールの耐損傷性を損なう可能性がある。そこで、長辺の長さ10〜100μmのMn硫化物系介在物の合計個数を単位面積当たり10〜200個/mm2に限定する。
なお、本限定において、Mn硫化物系介在物とは、Caの酸化物と硫化物の集合体(CaO−CaS)を核に生成したMn硫化物系介在物と、それ以外のMn硫化物系介在の両方を評価対象とする。Next, in the present invention, in an arbitrary cross section in the longitudinal direction (cross section parallel to the length direction of the rail), the number of Mn sulfide inclusions having a long side of 10 to 100 μm per unit area is 10 to 200 / mm. The reason for limiting to 2 will be described in detail.
If the total number of Mn sulfide inclusions with a long side of 10 to 100 μm exceeds 200 / mm 2 per unit area, the number of Mn sulfide inclusions will be excessive in this component system, and stress concentration will occur around the inclusions. This increases the possibility of rail damage. The impact value cannot be improved even in the mechanical properties of steel. In addition, when the total number of Mn sulfide inclusions having a long side of 10 to 100 μm is less than 10 / mm 2 per unit area, trap sites that adsorb inevitable hydrogen remaining in steel in this component system. Is significantly reduced. This increases the possibility of inducing hydrogen defects (hydrogen embrittlement), which may impair the damage resistance of the rail. Therefore, the total number of Mn sulfide inclusions having a long side length of 10 to 100 μm is limited to 10 to 200 / mm 2 per unit area.
In addition, in this limitation, Mn sulfide inclusions are Mn sulfide inclusions produced by using an aggregate of Ca oxide and sulfide (CaO-CaS) as a nucleus, and other Mn sulfide inclusions. Both interventions are evaluated.
また、Mn硫化物系介在物の数については、図3に示すようにレールの損傷が顕在化しているレール頭部3の長手方向の断面からサンプルを切り出し、硫化物系介在物の測定を行う。切り出した各サンプルのレール長手方向断面を鏡面研磨し、任意断面においてMn硫化物系介在物を光学顕微鏡で調査する。そして、上記限定のサイズの介在物数をカウントし、これを単位断面当たりの数として算定する。各レール鋼の代表値は、これら20視野の単位断面当たりの数の平均値とした。Mn硫化物系介在物の測定部位は、特に限定しないが、損傷の起点となるレール頭部5の表面から深さ3〜10mmの範囲を測定することが望ましい。
また、破壊の起点となるMn硫化物系介在物の影響をさらに少なくし、水素性の欠陥を未然に抑制し、レールの耐折損性を安定的に向上させるには、長辺10〜100μmのMn硫化物系介在物の合計個数を単位面積当たり20〜180個/mm2の範囲に制御することが望ましい。As for the number of Mn sulfide inclusions, a sample is cut out from the longitudinal section of the
Further, in order to further reduce the influence of Mn sulfide inclusions that are the starting point of fracture, to suppress hydrogen defects, and to stably improve the breakage resistance of the rail, the long side is 10 to 100 μm. It is desirable to control the total number of Mn sulfide inclusions in a range of 20 to 180 / mm 2 per unit area.
(4)粒径5〜100nmのMg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物の単位面積当たりの数の限定理由
本発明では、任意の横断面において、粒径が5〜100nmのMg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物が、単位面積当たり500〜50000個/mm2の量で存在することが好ましい。
評価対象となるMg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物の粒径を5〜100nmの範囲に限定する理由について詳細に説明する。
Mg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物の粒径が5〜100nmの範囲であれば、オーステナイト組織中に生成した場合、粒界において十分なピンニング効果を示す。これにより、レールの耐損傷に悪影響することなく、結果的にパーライト組織を微細化し、確実に靭性を向上させることが確認された。したがってMg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物の評価対象を粒径5〜100nmの範囲に限定する。
なお、ピンニング効果に対しては、粒径が微細な介在物が多数存在するほど効果があるが、粒径5nm未満のMg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物については、その測定が非常に困難である。また、粒径100nm超のMg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物については、上記のようにピンニング効果が得られない。以上により、上記のサイズのMg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物を評価対象とする。(4) Reasons for limiting the number per unit area of Mg-based oxides, Zr oxides, and Mn sulfide-based inclusions having a particle size of 5 to 100 nm In the present invention, in any cross section, the particle size is 5 to 100 nm. The Mg-based oxide, Zr oxide, and Mn sulfide-based inclusion are preferably present in an amount of 500 to 50000 pieces / mm 2 per unit area.
The reason why the particle size of the Mg-based oxide, Zr oxide and Mn sulfide-based inclusions to be evaluated is limited to the range of 5 to 100 nm will be described in detail.
If the particle size of the Mg-based oxide, Zr oxide, and Mn sulfide-based inclusion is in the range of 5 to 100 nm, a sufficient pinning effect is exhibited at the grain boundary when formed in the austenite structure. As a result, it was confirmed that the pearlite structure was refined and the toughness was improved reliably without adversely affecting the damage resistance of the rail. Therefore, the evaluation targets of Mg-based oxides, Zr oxides, and Mn sulfide-based inclusions are limited to the range of 5 to 100 nm in particle size.
The pinning effect is more effective as many inclusions having a fine particle size exist. However, for Mg-based oxides, Zr oxides, and Mn sulfide-based inclusions having a particle size of less than 5 nm, Measurement is very difficult. In addition, as described above, the pinning effect cannot be obtained for Mg-based oxides, Zr oxides, and Mn sulfide-based inclusions having a particle size exceeding 100 nm. As described above, Mg-based oxides, Zr oxides, and Mn sulfide-based inclusions with the above sizes are evaluated.
次に、好ましい形態において、長手方向の任意断面の粒径5〜100nmのMg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物の単位mm2当たりの量(個数)を500〜50000個に限定する理由について詳細に説明する。
粒径5〜100nmのMg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物の合計個数が、単位面積あたり500個/mm2未満になると、圧延後のオーステナイト組織中のピンニング効果が十分にあらわれない。このため、パーライト組織が粗大化し、レールの靭性が向上しない。また、粒径5〜100nmのMg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物の合計個数が、単位面積あたり50000個/mm2を超えると、析出が過剰となり、パーライト組織自体が脆化し、レールの靭性が低下する。そこで、粒径5〜100nmのMg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物の合計個数を単位面積当たり500〜50000個/mm2に限定する。Next, in a preferred embodiment, the amount (number) per unit mm 2 of Mg-based oxide, Zr oxide and Mn sulfide-based inclusions having a particle size of 5 to 100 nm in an arbitrary cross section in the longitudinal direction is set to 500 to 50,000. The reason for limiting will be described in detail.
When the total number of Mg-based oxides, Zr oxides, and Mn sulfide-based inclusions having a particle diameter of 5 to 100 nm is less than 500 / mm 2 per unit area, the pinning effect in the austenite structure after rolling is sufficient. It does not appear. For this reason, a pearlite structure coarsens and the toughness of a rail does not improve. In addition, when the total number of Mg-based oxides, Zr oxides, and Mn sulfide-based inclusions having a particle size of 5 to 100 nm exceeds 50000 / mm 2 per unit area, precipitation becomes excessive and the pearlite structure itself is brittle. And the toughness of the rail decreases. Therefore, the total number of Mg-based oxides, Zr oxides, and Mn sulfide-based inclusions having a particle size of 5 to 100 nm is limited to 500 to 50000 pieces / mm 2 per unit area.
なお、本限定において、Mg系酸化物、Zr酸化物とは、一部にMn硫化物等の複合酸化物を含むものであり、また、Mn硫化物系介在物とは、Mg酸化物、Zr酸化物、Ca酸化物等の微細な酸化物を核に生成したものである。
Mg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物は、以下のように観察し,粒径、個数を測定する。まず、図4に示した任意の横断面から薄膜を採取し、透過型電子顕微鏡を用いて、倍率50000〜500000の倍率で観察する。析出物の粒径は、観察により個々の析出物の面積を求め、その面積に相当する円の直径として求める。
析出物は20視野の観察を行い、所定の直径5〜100nmに該当する析出物の数をカウントし、これを単位面積当たりの数に換算する。レール鋼の代表値は、これら20視野の平均値とする。なお、Mg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物の測定部位は、特に限定しないが、靭性が必要とされるレール頭表部3aの表面から深さ3〜10mmの範囲を測定することが望ましい。In this limitation, Mg-based oxides and Zr oxides partially include composite oxides such as Mn sulfides, and Mn sulfide-based inclusions include Mg oxides and Zr oxides. A fine oxide such as an oxide or Ca oxide is generated as a nucleus.
The Mg-based oxide, Zr oxide, and Mn sulfide-based inclusion are observed as follows, and the particle size and number are measured. First, a thin film is collected from an arbitrary cross section shown in FIG. 4 and observed at a magnification of 50000 to 500000 using a transmission electron microscope. The particle size of the precipitate is obtained as a diameter of a circle corresponding to the area of each precipitate by observation.
The precipitates are observed in 20 fields of view, the number of precipitates corresponding to a predetermined diameter of 5 to 100 nm is counted, and this is converted into the number per unit area. The representative value of rail steel is the average value of these 20 fields of view. In addition, although the measurement site | part of Mg type oxide, Zr oxide, and Mn sulfide type inclusion is not specifically limited, the range of 3-10 mm in depth from the surface of the rail
(5)本発明のレール鋼の製造方法
上記の成分組成及びミクロ組織を有する本発明のレール鋼は、特に限定するものではないが、通常は、以下の方法により製造される。まず転炉、電気炉などの通常使用される溶解炉で溶製を行い、溶鋼を得る。そして、この溶鋼を用いて、造塊・分塊法あるいは連続鋳造法によって、圧延用の鋼片(鋼塊)を製造する。さらに、鋼片を1200℃以上に再加熱後、数パスの熱間圧延を行い、レールの成形を行う。その後、熱処理(再加熱、冷却)を施すことによりレールが製造される。
特に、溶銑段階では、通常の脱S、脱Pを行い(脱P、脱S処理)、さらに、転炉、電気炉などの通常使用される溶解炉で十分な脱S、脱Pを行う(脱P、脱S処理)。次いで、Caを添加することにより、Mn硫化物系介在物を制御する。さらには、必要に応じてMg、Zrを添加することにより、ナノサイズの酸化物やMn硫化物系介在物を微細に分散させる。
製造条件の詳細を以下に示す。(5) Manufacturing method of rail steel of this invention Although the rail steel of this invention which has said component composition and microstructure is not specifically limited, Usually, it manufactures with the following method. First, smelting is performed in a commonly used melting furnace such as a converter or an electric furnace to obtain molten steel. And using this molten steel, the steel slab for rolling (steel ingot) is manufactured by the ingot-making / splitting method or the continuous casting method. Further, after reheating the steel slab to 1200 ° C. or higher, several passes of hot rolling are performed to form a rail. Then, a rail is manufactured by performing heat processing (reheating, cooling).
In particular, in the hot metal stage, normal de-S and de-P are performed (de-P, de-S treatment), and sufficient de-S and de-P are performed in a commonly used melting furnace such as a converter and an electric furnace ( (De-P, De-S treatment). Next, the Mn sulfide inclusions are controlled by adding Ca. Furthermore, nano-sized oxides and Mn sulfide inclusions are finely dispersed by adding Mg and Zr as necessary.
Details of the manufacturing conditions are shown below.
溶銑段階では、低P化、低S化を図るには、通常の脱P処理及び脱S処理を丹念に行うことが望ましい。
脱Sについては、溶銑鍋(転炉精錬の前段階)において、時間をかけ、CaOを十分に添加し、CaSをスラグとして排出することが望ましい。
なお、ここでのCaOの添加は、S量が非常に高い溶銑からSを低減する場合に行う方法である。後述するCaの酸化物と硫化物の集合体(CaO−CaS)を生成させるために添加するCaO−Si合金の添加とは異なり、なんら影響を与えるものではない。
脱Pについては、転炉での精錬において、脱Pにより分離したP(P2O5など)を含むスラグからのPの再溶解を防止するため、精錬途中でスラグを排出することが望ましい。In the hot metal stage, it is desirable to carefully carry out normal de-P treatment and de-S treatment in order to achieve low P and low S.
About de-S, it is desirable to spend time in the hot metal ladle (the pre-stage of converter refining), add CaO sufficiently, and discharge CaS as slag.
In addition, the addition of CaO here is a method performed when reducing S from hot metal with a very high amount of S. Unlike the addition of a CaO—Si alloy that is added to generate an aggregate of Ca oxide and sulfide (CaO—CaS), which will be described later, there is no influence.
As for de-P, in order to prevent remelting of P from slag containing P (such as P 2 O 5 ) separated by de-P during refining in a converter, it is desirable to discharge slag during refining.
次いで、Caを添加することにより、Mn硫化物系介在物を制御する。
Caは、鋳造前の精錬工程で添加することが望ましい。Caの添加方法としては、取鍋でCa合金(Ca−Si合金など)ワイヤーやCa合金塊を添加したり、Ca合金粉末を吹き込むことが望ましい。
Ca合金としては、Ca−Si合金(50Ca−50Siなど)や、Fe−Si−Ca合金(Fe−30Si−30Caなど)、Ni−Ca合金(90Ni−10Caなど)が用いられる。Caは蒸気圧が高いため、純Caを添加すると、溶鋼のスプラッシュが発生したり、湯面上のスラグを巻き込んで溶鋼清浄性が悪化する。また、歩留も低い。そこで、Ca合金、例えば、Ca−Si合金を添加することが広く行われている。合金化することにより、Ca単体の場合よりもCaの活量が低下するので、添加時の蒸発が相対的に穏やかになり、歩留も向上する。
合金中のCa濃度が低い方が歩留も向上し、添加時のスプラッシュの発生も抑制される点で好ましい。ただし、Ca以外の他元素(Siなど)が同時に添加されることにも留意し、Ca合金組成を選択する必要がある。Next, the Mn sulfide inclusions are controlled by adding Ca.
It is desirable to add Ca in the refining process before casting. As a method of adding Ca, it is desirable to add a Ca alloy (Ca—Si alloy or the like) wire or a Ca alloy lump with a ladle or to blow Ca alloy powder.
As the Ca alloy, a Ca—Si alloy (such as 50Ca-50Si), a Fe—Si—Ca alloy (such as Fe-30Si-30Ca), and a Ni—Ca alloy (such as 90Ni-10Ca) are used. Since Ca has a high vapor pressure, when pure Ca is added, splash of molten steel is generated, or slag on the molten metal surface is involved and the molten steel cleanliness deteriorates. Also, the yield is low. Then, adding Ca alloy, for example, Ca-Si alloy, is widely performed. By alloying, the activity of Ca is lower than in the case of Ca alone, so evaporation at the time of addition becomes relatively gentle and the yield is also improved.
A lower Ca concentration in the alloy is preferable in that the yield is improved and the occurrence of splash during addition is suppressed. However, it is necessary to select a Ca alloy composition in consideration that elements other than Ca (such as Si) are added simultaneously.
Caの酸化物と硫化物の集合体(CaO−CaS)の凝集や偏析を防止するために、添加後、取鍋内のArバブリング等により溶鋼を撹拌し、Ca濃度を均一化すると同時に、大型介在物を浮上させることが望ましい。溶鋼量200t以上の場合、撹拌は5分から10分程度行うことが望ましい。過剰な撹拌は、介在物の凝集合体を進行させて介在物が粗大化するため、好ましくない。
Caの歩留を確保する観点からは、精錬工程の最後で添加するのが有利である。Caを、精錬工程ではなく、鋳造工程においてタンディッシュ内に添加しても良い。鋳造時のスループット(時間当たりの鋳造量)に応じて、Ca合金の添加速度を調整する必要がある。この場合、Ca添加後の溶鋼撹拌は、タンディッシュ内および鋳型内に限られるため、Ca濃度の均一性は、取鍋添加時よりやや劣る。そこで、鋳造段階におけるCaの酸化物と硫化物の集合体(CaO−CaS)の凝集や偏析を防止するため、電磁力などで凝固途中の溶鋼を攪拌することが望ましい。また、鋳造時の溶鋼の流れを制御するため、鋳造ノズルの形状を最適化することが望ましい。
また、Mn硫化物系介在物と整合性の高いCaSを効率的に生成させるには、過剰なCaOの生成を抑制するように溶鋼の酸素量を調整することが望ましい。酸素量を事前に調整するには、Al、Si等により事前に脱酸することが望ましい。In order to prevent aggregation and segregation of Ca oxide and sulfide aggregates (CaO-CaS), after addition, the molten steel is stirred by Ar bubbling in the ladle, etc. It is desirable to raise inclusions. When the amount of molten steel is 200 t or more, it is desirable to perform stirring for about 5 to 10 minutes. Excessive stirring is not preferable because the inclusions are coarsened by agglomeration and coalescence of the inclusions.
From the viewpoint of securing the yield of Ca, it is advantageous to add at the end of the refining process. Ca may be added into the tundish in the casting process, not in the refining process. It is necessary to adjust the addition rate of the Ca alloy according to the throughput during casting (the amount of casting per hour). In this case, since the molten steel stirring after the addition of Ca is limited to the inside of the tundish and the mold, the uniformity of the Ca concentration is slightly inferior to that of the addition of the ladle. Therefore, in order to prevent aggregation and segregation of Ca oxide and sulfide aggregates (CaO—CaS) in the casting stage, it is desirable to stir the molten steel being solidified by electromagnetic force or the like. It is also desirable to optimize the shape of the casting nozzle in order to control the flow of molten steel during casting.
Further, in order to efficiently generate CaS having high consistency with Mn sulfide inclusions, it is desirable to adjust the oxygen amount of the molten steel so as to suppress the generation of excessive CaO. In order to adjust the oxygen amount in advance, it is desirable to deoxidize in advance with Al, Si or the like.
また、微細なナノサイズの酸化物やMn硫化物系介在物を微細分散させるには、通常の精錬後、高温の溶鋼鍋や鋳造時のターンディシュなどで、純金属Mg、Mg合金(Fe−Si−Mg、Fe−Mn−Mg、Fe−Si−Mn−Mg、Si−Mg)、又はZr合金(Fe−Si−Zr、Fe−Mn−Mg−Zr、Fe−Si−Mn−Mg−Zr)を添加することが望ましい。さらに、鋳造段階での凝集や偏析を防止するため、電磁力などで凝固途中の溶鋼を攪拌することが望ましい。また、鋳造時の溶鋼の流れを制御するため鋳造ノズルの形状を最適化することが望ましい。
なお、Ca、MgやZrを添加する順番については明記していないが、酸素量の少ない高炭素鋼では、Ca、MgやZrの酸化物を効率よく生成させるには、比較的酸化力の弱いCaを先に添加し、その後、酸化力の強いMgやZrを添加することが望ましい。In order to finely disperse fine nano-sized oxides and Mn sulfide inclusions, pure metal Mg, Mg alloy (Fe- Si-Mg, Fe-Mn-Mg, Fe-Si-Mn-Mg, Si-Mg), or Zr alloy (Fe-Si-Zr, Fe-Mn-Mg-Zr, Fe-Si-Mn-Mg-Zr) ) Is desirable. Furthermore, in order to prevent agglomeration and segregation at the casting stage, it is desirable to stir the molten steel being solidified by electromagnetic force or the like. It is also desirable to optimize the shape of the casting nozzle in order to control the flow of molten steel during casting.
The order in which Ca, Mg and Zr are added is not specified, but high-carbon steel with a small amount of oxygen has a relatively weak oxidizing power in order to efficiently generate Ca, Mg and Zr oxides. It is desirable to add Ca first, and then add Mg or Zr having strong oxidizing power.
熱間圧延において、最終成形を行う温度は、形状と材質確保の観点から、900〜1000℃の範囲が望ましい。
また、熱間圧延後の熱処理に関して、レール頭部3において、硬さHv320〜500のパーライト組織を得るためには、圧延後、または、再加熱後のオーステナイト領域のある高温のレール頭部3に加速冷却を行うことが望ましい。加速冷却の方法としては、特許文献8(特開平8−246100号公報)、特許文献9(特開平9−111352号公報)等に記載されているような方法で熱処理(及び冷却)を行うことにより、所定の組織と硬さを得ることができる。
なお、レール圧延後、再加熱によって熱処理を行うには、レール頭部やレール全体を火炎や高周波で加熱することが望ましい。In hot rolling, the temperature at which the final forming is performed is preferably in the range of 900 to 1000 ° C. from the viewpoint of securing the shape and material.
In addition, with respect to the heat treatment after hot rolling, in order to obtain a pearlite structure having a hardness of Hv 320 to 500 in the
In addition, in order to heat-process by reheating after rail rolling, it is desirable to heat a rail head part or the whole rail with a flame or a high frequency.
次に、本発明の実施例について説明する。
表1〜6は、供試レール鋼の化学成分を示す。なお、残部はFe及び不可避的不純物からなる。この表1〜6に示す成分組成を有するレール鋼を以下の方法により製造した。
溶銑段階で脱P、脱Sを行い、さらに、転炉、電気炉などの通常使用される溶解炉で十分な脱P、脱Sを行って溶鋼を得た。この溶鋼にCaを添加することによりMn硫化物系介在物を制御し、あるいはさらに、Mg、Zrを添加することによりナノサイズの酸化物やMn硫化物系介在物を微細に分散させた。そして、連続鋳造法により鋼塊を製造し、さらに鋼塊に対して熱間圧延を行った。その後、熱処理を施すことによりレールとした。Next, examples of the present invention will be described.
Tables 1 to 6 show chemical components of the test rail steel. The balance consists of Fe and inevitable impurities. Rail steel having the composition shown in Tables 1 to 6 was produced by the following method.
Demetalization and desulfurization were performed at the hot metal stage, and further, sufficient dephosphorization and desulfurization were performed in a commonly used melting furnace such as a converter and an electric furnace to obtain molten steel. By adding Ca to the molten steel, Mn sulfide inclusions were controlled, or by adding Mg and Zr, nano-sized oxides and Mn sulfide inclusions were finely dispersed. And the steel ingot was manufactured by the continuous casting method, and also hot rolling was performed with respect to the steel ingot. Then, it was set as the rail by heat-processing.
(a)Mn硫化物系介在物の個数測定
図3は、請求項1に限定したレール鋼のMn硫化物系介在物の観察位置を示す。
図3に示されたように、得られたレール鋼の長手方向の断面のうち、頭表部3aを含むレール頭表面から3〜10mmの深さの領域からサンプルを切り出した。そして、前述した方法により、長辺が10〜100μmのMn硫化物系介在物の単位面積当たりの個数(個/mm2)を求めた。(A) Measurement of the number of Mn sulfide inclusions FIG. 3 shows the observation position of the Mn sulfide inclusions in the rail steel defined in
As shown in FIG. 3, a sample was cut out from a region having a depth of 3 to 10 mm from the rail head surface including the
(b)Mn硫化物系介在物、Mg系酸化物、及びZr酸化物の個数測定
図4は、請求項2に限定したレール鋼のMn硫化物系介在物、Mg系酸化物、及びZr酸化物の観察位置を示す。
図4に示されたように、得られたレール鋼の横断面のうち、頭表部3aを含むレール頭表面から3〜10mmの深さの領域からサンプルを切り出した。そして、前述した方法により、粒径5〜100nmのMg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物の単位面積当たりの個数(個/mm2)を求めた。(B) Measurement of the number of Mn sulfide inclusions, Mg oxides, and Zr oxides FIG. 4 shows the Mn sulfide inclusions, Mg oxides, and Zr oxidations of the rail steel defined in
As shown in FIG. 4, a sample was cut out from a region having a depth of 3 to 10 mm from the rail head surface including the
(c)頭表部3aのミクロ組織の観察および硬さの測定
レール頭部3の表面から深さ4mmの位置からサンプルを切り出した。そして、観察面を、研磨の後、ナイタール腐食液でエッチングした。JIS G 0551に準拠して、光学顕微鏡によって観察面のミクロ組織を観察した。
また、JIS B7774に従って、切り出したサンプルのビッカース硬さHvを測定した。なお、ビッカース硬度は、荷重98N(10kgf)でサンプルにダイヤモンド圧子を載荷して測定した。表には(Hv、98N)と記載した。
得られた結果を表7〜12に示す。なお、表中、*1の頭部材質は、レール頭部5の表面から深さ4mmの部位の材質であることを示す。(C) Observation of microstructure of
Moreover, according to JIS B7774, the Vickers hardness Hv of the cut-out sample was measured. The Vickers hardness was measured by loading a diamond indenter on a sample with a load of 98 N (10 kgf). The table indicated (Hv, 98N).
The obtained results are shown in Tables 7-12. In addition, in the table | surface, * 1 head material shows that it is a material of the site | part of depth 4mm from the surface of the
(d)摩耗試験
図5は、摩耗試験における試験片の採取位置を図示したものであり、図中の数字は寸法(mm)を示す。
図5に示されたように、レール鋼のうち、頭表部3aを含む領域から円盤状試験片を切り出した。そして、図6に示されたように、相対する2本の回転軸のうち、一方の回転軸に円盤状試験片(レール試験片4)を配置し、他方の回転軸には相手材5を配置した。レール試験片4に所定の荷重がかかる状態で、レール試験片4と相手材5を接触させた。この状態で、冷却用ノズル6から圧搾空気を供給して冷却しながら、2本の回転軸を所定の回転速度で回転させた。そして、70万回回転させた後、レール試験片4の重量の減少量(摩耗量)を測定した。
摩耗試験の条件を以下に示す。
試験機:西原式摩耗試験機(図6参照)
試験片形状:円盤状試験片(外径:30mm、厚さ:8mm)
試験片採取位置:レール頭部表面下2mm(図5参照)
試験荷重:686N(接触面圧640MPa)
すべり率:20%
相手材:パーライト鋼(Hv380)
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(D) Abrasion test FIG. 5 illustrates the sampling position of the test piece in the abrasion test, and the numbers in the figure indicate dimensions (mm).
As shown in FIG. 5, a disk-shaped test piece was cut out from a region including the
The conditions of the wear test are shown below.
Testing machine: Nishihara type abrasion testing machine (see Fig. 6)
Test piece shape: disk-shaped test piece (outer diameter: 30 mm, thickness: 8 mm)
Test piece sampling position: 2mm below the rail head surface (see Fig. 5)
Test load: 686 N (contact surface pressure 640 MPa)
Slip rate: 20%
Opposite material: Pearlite steel (Hv380)
Atmosphere: In the air Cooling: Forced cooling with compressed air (flow rate: 100 Nl / min)
Repeat count: 700,000 times
(e)頭部衝撃試験
図7は、衝撃試験における試験片の採取位置を図示したものである。
図7に示されたように、レール鋼の横断面のうち、頭表部3aを含む領域がノッチ底になるように、レール幅(横断面)方向から試験片を切り出した。そして、得られた試験片に対して、以下の条件で衝撃試験を行い、衝撃値(J/cm2)を測定した。
試験機:衝撃試験機
試験片形状:JIS3号2mmUノッチ
試験片採取位置:レール頭部表面下2mm(図7参照)
試験温度:常温(20℃)(E) Head Impact Test FIG. 7 illustrates the sampling position of the test piece in the impact test.
As shown in FIG. 7, a test piece was cut out from the rail width (cross section) direction so that the region including the
Tester: Impact tester Test piece shape: JIS3 2mm U-notch Test piece sampling position: 2mm below the rail head surface (see Fig. 7)
Test temperature: Normal temperature (20 ° C)
得られた結果を表13〜15に示す。なお、表中、*2の摩耗試験結果は、上記した摩耗試験の結果であり、レール試験片13の重量の減少量(g)を摩耗量として示した。*3の衝撃試験結果は、上記した頭部衝撃試験の結果であり、衝撃値(J/cm2)を示した。なお、衝撃値(J/cm2)が大きいほど、靭性が優れていることを意味する。
本評価において、70万回での摩耗量が1.5g以下の場合、耐摩耗性に優れていると評価した。20℃の衝撃値は、鋼の炭素量によってその値が大きく変動するため、特性の優劣を示す基準値は設定しておらず、同一の炭素量のレール鋼にて、衝撃値の優劣を比較した。The obtained results are shown in Tables 13-15. In the table, the wear test result of * 2 is the result of the above-described wear test, and the reduction amount (g) of the weight of the rail test piece 13 is shown as the wear amount. The impact test result of * 3 is the result of the head impact test described above, and indicates the impact value (J / cm 2 ). In addition, it means that toughness is excellent, so that an impact value (J / cm < 2 >) is large.
In this evaluation, when the amount of wear after 700,000 times was 1.5 g or less, it was evaluated that the wear resistance was excellent. Since the impact value at 20 ° C varies greatly depending on the carbon content of the steel, the standard value indicating the superiority or inferiority of the characteristics has not been set. did.
(1)本発明レール(47本)、鋼符号1〜47
鋼No.3、4、7、8、11〜14、17〜19、21〜25、29、30、32〜34、36、37、43、45、46:化学成分が上記本発明の限定範囲内で、長辺:10〜100μmのMn硫化物系介在物の数、レール頭部のミクロ組織、硬さが、本発明の限定範囲内である耐摩耗性および靭性に優れたパーライト系レールである。
鋼No.1、2、5、6、9、10、15、16、20、26〜28、31、35、38〜42、44、47:化学成分が上記本発明の限定範囲内で、長辺:10〜100μmのMn硫化物系介在物の数、粒径:5〜100nmのMg系酸化物、Zr酸化物、及びMn硫化物系介在物の数、レール頭部のミクロ組織、硬さが、本発明の限定範囲内である耐摩耗性および靭性に優れたパーライト系レールである。(1) Invention rails (47),
Steel No. 3, 4, 7, 8, 11-14, 17-19, 21-25, 29, 30, 32-34, 36, 37, 43, 45, 46: The chemical components are within the limited range of the present invention. Long side: A pearlite rail excellent in wear resistance and toughness in which the number of Mn sulfide inclusions of 10 to 100 μm, the microstructure of the rail head, and the hardness are within the limited ranges of the present invention.
Steel No. 1, 2, 5, 6, 9, 10, 15, 16, 20, 26-28, 31, 35, 38-42, 44, 47: The chemical component is within the limited range of the present invention, and the long side: 10 The number of Mn sulfide inclusions of ˜100 μm, the particle size: the number of Mg-based oxides, Zr oxides and Mn sulfide-based inclusions of 5 to 100 nm, the microstructure of the rail head, and the hardness are the limited range of the present invention. It is a pearlitic rail with excellent wear resistance and toughness.
(2)比較レール(21本)、鋼符号48〜68
鋼No.48〜53:C、Si、Mnの成分が本発明の範囲外のレール。
鋼No.54〜55:P、Sの成分が本発明の範囲外のレール。
鋼No.56〜57:Caの成分が本発明の範囲外のレール。
鋼No.58〜63:P、S、Caの成分が本発明の範囲外のレール。
鋼No.64〜66:化学成分は本発明の範囲内であるが、頭部のミクロ組織が上記本発明の限定範囲外のレール。
鋼No.67〜68:化学成分は本発明の範囲内であるが、頭部の硬さが上記本発明の限定範囲外のレール。(2) Comparison rail (21 pieces), steel sign 48-68
Steel No. 48-53: A rail in which components of C, Si, and Mn are outside the scope of the present invention.
Steel No. 54-55: Rails with components P and S outside the scope of the present invention.
Steel No. 56-57: Rail whose Ca component is outside the scope of the present invention.
Steel No. 58-63: The rail of which the component of P, S, and Ca is outside the range of this invention.
Steel No. 64-66: A rail whose chemical composition is within the scope of the present invention but whose head microstructure is outside the limited range of the present invention.
Steel No. 67-68: A rail whose chemical composition is within the scope of the present invention, but whose head hardness is outside the above-mentioned limited range of the present invention.
表1〜15に示すように、本発明レール鋼(鋼No.1〜47)では、比較レール鋼(鋼No.48〜53)と比べて、鋼のC、Si、Mnの化学成分が本発明の限定範囲内である。このため、耐摩耗性や靭性に悪影響する初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、マルテンサイト組織を生成させることなく、安定的に本発明の限定範囲内の硬さのパーライト組織を得ることが可能となる。
本発明レール鋼(鋼No.1〜47)では、比較レール鋼(鋼No.64〜68)と比べて、頭部のミクロ組織がパーライト組織を含み、硬さが本発明の限定範囲内である。このため、レールの耐摩耗性や靭性を向上させることができる。As shown in Tables 1 to 15, in the present rail steel (steel Nos. 1 to 47), compared with the comparative rail steel (steel Nos. 48 to 53), the chemical components of steel C, Si, and Mn are present. Within the scope of the invention. Therefore, it is possible to stably obtain a pearlite structure having a hardness within the limited range of the present invention without generating a pro-eutectoid ferrite structure, a pro-eutectoid cementite structure and a martensite structure that adversely affect wear resistance and toughness. It becomes.
In this invention rail steel (steel No. 1-47), compared with comparative rail steel (steel No. 64-68), the microstructure of a head contains a pearlite structure, and hardness is within the limits of the present invention. is there. For this reason, the wear resistance and toughness of the rail can be improved.
図8は、本発明レール鋼(鋼No.1〜47)と比較レール鋼(鋼No.48、50、51、52、53、64、66、67)の摩耗試験の結果を示す。
鋼のC、Si、Mnの化学成分を本発明の限定範囲内とし、これにより、耐摩耗性に悪影響する初析フェライト組織、マルテンサイト組織の生成を防止し、硬さを本発明の限定範囲内とする。以上により、いずれの炭素量においても、耐摩耗性を大きく向上させることができる。FIG. 8 shows the results of wear tests of the rail steel of the present invention (steel Nos. 1-47) and comparative rail steel (steel Nos. 48, 50, 51, 52, 53, 64, 66, 67).
The chemical components of steel C, Si, and Mn are within the limited range of the present invention, thereby preventing the formation of proeutectoid ferrite structure and martensite structure that adversely affect wear resistance, and the hardness is limited by the present invention. Within. As described above, the wear resistance can be greatly improved in any carbon amount.
図9は、本発明レール鋼(鋼No.1〜47)と比較レール鋼(鋼No.49、51、53、65、66、68)の衝撃試験の結果を示す。
鋼のC、Si、Mnの化学成分を本発明の限定範囲内とし、これにより、靭性に悪影響を及ぼす初析セメンタイト組織、マルテンサイト組織の生成を防止し、硬さを本発明の限定範囲内とする。以上により、いずれの炭素量においても、靭性を大きく向上させることができる。FIG. 9 shows the results of an impact test of the rail steel of the present invention (steel Nos. 1-47) and comparative rail steel (steel Nos. 49, 51, 53, 65, 66, 68).
The chemical components of steel C, Si, and Mn are within the limited range of the present invention, thereby preventing the formation of proeutectoid cementite structure and martensite structure that adversely affect toughness, and the hardness is within the limited range of the present invention. And As described above, the toughness can be greatly improved at any carbon content.
図10に示すように、本発明レール鋼(鋼No.1〜47)は、比較レール鋼(鋼No.54〜63)と比べて、P、S、Caの添加量が本発明の限定範囲内である。このため、いずれの炭素量においても、パーライト組織のレールの靭性を大きく向上させることができる。
さらに、図11に示すように、本発明レール鋼(鋼No.11〜13、18〜20、24〜26、29〜31、33〜35、36〜38、45〜47)は、Caが添加され、さらには、Ca添加量の最適化が行われている。これにより、Mn硫化物系介在物が制御され、その数を本発明の限定範囲内としている。このため、パーライト組織のレールの靭性を向上させることができる。上記に加えて、Mg、Zrが添加されている場合、酸化物やMn硫化物系介在物を微細に分散させ、Mg系酸化物、Zr酸化物、Mn硫化物系介在物の数を500〜50000個/mm2としている。これにより、パーライト組織のレールの靭性をさらに向上させることができる。As shown in FIG. 10, the present invention rail steel (steel Nos. 1 to 47) has a limited range of addition of P, S, and Ca compared to the comparative rail steel (steel Nos. 54 to 63). Is within. For this reason, the toughness of the rail of a pearlite structure | tissue can be improved greatly in any carbon amount.
Furthermore, as shown in FIG. 11, Ca is added to the rail steel of the present invention (steel Nos. 11 to 13, 18 to 20, 24 to 26, 29 to 31, 33 to 35, 36 to 38, and 45 to 47). Furthermore, the Ca addition amount is optimized. Thereby, Mn sulfide inclusions are controlled, and the number thereof is within the limited range of the present invention. For this reason, the toughness of the rail of a pearlite structure | tissue can be improved. In addition to the above, when Mg and Zr are added, oxides and Mn sulfide inclusions are finely dispersed, and the number of Mg oxide, Zr oxide, and Mn sulfide inclusions is 500 to 50,000. / Mm 2 . Thereby, the toughness of the rail of a pearlite structure | tissue can further be improved.
本発明のパーライト系レールは、現用の高強度レール以上の優れた耐摩耗性および靭性を有する。このため、自然環境の厳しい地域で採掘された天然資源を輸送する貨物鉄道用のレールのように、著しく厳しい軌道環境で使用されるレールとして、本発明は好適に適用できる。 The pearlite rail of the present invention has excellent wear resistance and toughness that are higher than those of current high-strength rails. For this reason, this invention can be applied suitably as a rail used in a remarkably severe track environment like a rail for a freight railroad that transports natural resources mined in a region where the natural environment is severe.
1:頭頂部
2:頭部コーナー部
3:レール頭部
3a:頭表部
3b: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までの範囲
4:レール試験片
5:相手材
6:冷却用ノズル1: head portion 2: head corner portion 3:
Claims (11)
C:0.65〜1.20%、
Si:0.05〜2.00%、
Mn:0.05〜2.00%、
P≦0.0150%、
S≦0.0100%、
Ca:0.0005〜0.0200%を含有し、
残部として、Feおよび不可避的不純物を含む鋼からなり、
レールの頭部において、頭部コーナー部および頭頂部の表面を起点として深さ10mmまでの範囲からなる頭表部がパーライト組織であり、
かつ、前記パーライト組織の硬さがHv320〜500であり、
前記パーライト組織中の長手方向の任意断面において、長辺が10〜100μmのMn硫化物系介在物が、単位面積あたり10〜200個/mm2の量で存在することを特徴とするパーライト系レール。% By mass
C: 0.65 to 1.20%,
Si: 0.05 to 2.00%,
Mn: 0.05-2.00%
P ≦ 0.0150%,
S ≦ 0.0100%,
Ca: 0.0005 to 0.0200% is contained,
The balance consists of steel containing Fe and inevitable impurities,
In the head of the rail, the head surface part consisting of a range up to a depth of 10 mm starting from the surface of the head corner part and the top of the head is the pearlite structure,
And the hardness of the said pearlite structure | tissue is Hv320-500,
A pearlite rail characterized in that, in an arbitrary cross section in the longitudinal direction in the pearlite structure, Mn sulfide inclusions having a long side of 10 to 100 μm are present in an amount of 10 to 200 / mm 2 per unit area. .
前記パーライト組織中の任意の横断面において、粒径が5〜100nmのMg系酸化物、Zr酸化物およびMn硫化物系介在物が、単位面積当たり500〜50000個/mm2の量で存在することを特徴とする請求項1に記載のパーライト系レール。The steel contains, in mass%, one or two of Mg: 0.0005 to 0.0200%, Zr: 0.0005 to 0.0100%,
In an arbitrary cross section in the pearlite structure, Mg-based oxides, Zr oxides, and Mn sulfide-based inclusions having a particle size of 5 to 100 nm are present in an amount of 500 to 50000 pieces / mm 2 per unit area. The pearlite rail according to claim 1.
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