JP4795004B2 - ベイナイト系レール - Google Patents

Description

本発明は、特に旅客鉄道の高速運転区間に要求される、耐ころがり疲労損傷性の向上と電気抵抗値の低減を可能としたベイナイト系レールに関するものである。

近年、旅客鉄道では、輸送効率の向上を目的として、列車の高速化が進められている。これにともない主に高速運転が行われる直線区間のレールにおいては、レール使用環境の苛酷化により、レールと車輪の繰り返し接触によるダークスポット損傷と呼ばれるレール頭表面のころがり疲労損傷の発生が増加するものと予想されている。
このダークスポット損傷は、従来からのパーライト組織を呈したレールが使用されている旅客鉄道の高速運転区間のレールで発生しやすいものである。

本発明者らは、レールと車輪の繰り返し接触によって生成する疲労層（疲労ダメージ層、集合組織）の形成と金属組織の関係を研究した。
その結果、フェライト相とセメンタイト相の層状構造を成しているパーライト組織では、疲労ダメージ層が蓄積し易く、さらに、集合組織が発達し易いのに対して、柔らかなフェライト組織地に粒状の硬い炭化物が分散したベイナイト組織では、疲労ダメージ層が蓄積し難く、さらに、表面疲労損傷の引き金となる集合組織が発達し難く、結果としてダークスポット損傷が発生しにくいことが明らかとなった。そこで、ベイナイト組織を呈したレールとして下記に示すような製品および製造法が開発され、旅客鉄道の直線区間のレール寿命を改善している（例えば、特許文献１、２参照。）。

特許文献１の開示技術では、低炭素成分でＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を多量に添加して圧延ままでベイナイト組織を呈する高強度レールを提供することができる。

また、特許文献２の開示技術では、低炭素成分でＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏなどの合金元素を添加し、熱間圧延後の高温度の熱を保有するレール、あるいは高温に加熱されたレールの頭部を加速冷却することにより、高強度ベイナイトレールを提供することができる。

しかし、特許文献１、２の開示技術では、ベイナイト組織を得るため合金添加量を増加させる必要がある。このため、レールの電気抵抗値が増加する。この結果、電車や電気機関車の動力源である軌道電流が低下し、列車の運行が密な線区では、電流低下により列車走行速度が低下するなどの運行上の問題が発生する。この対策として、電流損失を補い、軌道電流を確保するため、変電所間隔を短くする、軌道電圧を増加するなどの軌道電化システムの対応が考えられるが、これらの軌道電気設備の改造には多くの費用が必要となり、不経済であるという問題がある。

そこで、ベイナイト組織を呈したレールの電気抵抗を低減する方法として、下記に示すような製品が開発され、旅客鉄道の直線区間のレール寿命を改善している（例えば、特許文献３、４参照。）。

特許文献３の開示技術では、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏの合金元素を適度に抑え、電気抵抗値を２３．７μΩ・ｃｍ以下にしたベイナイト組織を呈するレールを提供することができる。
また、特許文献４の開示技術では、ベイナイト組織の生成に有効なＭｎの添加量を増加させ、さらに、Ｃｒ、Ｍｏの合金添加量の適正化を図り、電気抵抗の低減を図ったベイナイト組織を呈するレールを提供することができる。

しかし、特許文献３、４において開示されている合金添加量の少ない発明レールでは、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏの合金元素の組み合わせや、レール圧延後の冷却速度の変化によっては、ベイナイト変態が安定せず、オーステナイト粒界に耐摩耗性に有害なフェライト組織や耐ころがり疲労損傷性に有害なパーライト組織が混入しやすく、ベイナイト組織のレールを安定的に製造することが困難である。また、電気抵抗値を低減させるため、ベイナイト組織の強化元素であるＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏの添加量に限界があり、ベイナイト組織の硬さを向上させることが困難である。

さらに、ベイナイト鋼レールの電気抵抗値の低減と高硬度化を同時に達成するため、下記に示すような製品が開発され、旅客鉄道の直線区間のレール寿命を改善している（例えば、特許文献５参照。）。

特許文献５の開示技術では、Ｍｏの添加量を大きく増加させ、電気抵抗値の低減と高強度化を図った高強度ベイナイトレールを提供することができる。

しかし、特許文献５において開示されているレールでは、電気抵抗の増加が少なく、ベイナイト組織の高強度化に寄与するＭｏの添加量を増加させるため、鋼片において偏析を助長し、靭性に有害なマルテンサイト組織が生成することや、高価な添加元素であるため製造コストが大幅に増加するといった問題がある。

特開平５−２７１８７１号公報 特開平６−２４８３４７号公報 特開平７−３０５１４４号公報 特開平９−１３１４４号公報 特開平１０−１７６２４５号公報

このような背景から、電気抵抗値の低減を図り、さらに、合金添加量を制御することにより、ベイナイト組織の生成を安定化させ、硬度確保を可能とし、耐ころがり疲労損傷性を向上させた低電気抵抗のベイナイト系レールの提供が望まれるようになった。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑み案出されたものであり、その目的とするところは、旅客鉄道の高速運転区間に要求される、耐ころがり疲労損傷性の向上と電気抵抗値の低減を可能し、レール使用寿命を向上させたベイナイト系レールを提供することにある。

本発明を適用したベイナイト系レールは、主にＳｉの添加量により支配されるレールの電気抵抗値、主にＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏの添加量によって支配されるベイナイト組織の生成、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏの添加量によって支配されるベイナイト組織の硬さの相関に着目して創出されたものである。

すなわち、本発明の要旨とするところは、旅客鉄道の高速運転区間のレールに要求される耐ころがり疲労損傷性を向上、電気抵抗値の低減を可能とするため、ベイナイト鋼レールにおいて、Ｓｉの添加量を０．１０％未満とする。さらに、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏの添加量をそれぞれの関係式で最低化することにより、ベイナイト組織の生成を安定化させ、硬度確保する。本発明の構成は下記のとおりである。

（Ａ） 質量％で、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：０．０１〜０．１０％未満、Ｍｎ：０．６５〜１．８０％、Ｃｒ：０．２０〜１．８０％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％未満、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼レールであって、下記の式１から算定される電気抵抗値が２７．０μΩ・ｃｍ以下、さらに、下記の式２から算定されるＢｓｔ値が０．０１０〜０．５００の範囲であり、かつ、下記の式３から算定されるＢｅｑ値が０．７２〜１．２０の範囲であり、かつ、頭頂部およびその少なくとも一方側に位置する頭部コーナー部それぞれの表面を起点として、少なくとも深さ１５ｍｍの範囲が硬さＨｖ２４０〜３８０であることを特徴とするベイナイト組織を呈した耐ころがり疲労損傷性に優れた低電気抵抗ベイナイト系レール。
電気抵抗計算値（μΩ・ｃｍ）
＝１０．１＋６．１Ｃ＋１３．８Ｓｉ＋６．３Ｍｎ＋５．２Ｃｒ＋３．３Ｍｏ＋１７．２Ｐ＋１１．２Ｓ＋５．０Ｎｂ＋５．５Ｖ＋２．５Ｎｉ＋６．０Ｃｕ＋２．９Ｔｉ＋１２．０Ａｌ−−−−−−−−−式１
Ｂｓｔ＝Ｍｏ／（Ｍn＋Ｃｒ） −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−式２
Ｂｅｑ＝Ｃ＋１／６Ｓｉ＋１／３Ｍｎ＋１／４Ｃｒ＋１／３Ｍｏ −−−−−−−式３
（但し、式中の元素記号はそれぞれの質量％を表す）

（Ｂ） 質量％で、さらに、Ｎｂ：０．００５０〜０．０５００％、Ｖ：０．０１〜０．３０％の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする上記（Ａ）に記載の耐ころがり疲労損傷性に優れた低電気抵抗ベイナイト系レール。

（Ｃ） 質量％で、さらに、Ｂ：０．０００１〜０．００５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする上記（Ａ）および（Ｂ）のいずれか１項に記載の耐ころがり疲労損傷性に優れた低電気抵抗ベイナイト系レール。

（Ｄ） 質量％で、さらに、Ｎｉ：０．０５〜１．００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする上記（Ａ）〜（Ｃ）のいずれか１項に記載の耐ころがり疲労損傷性に優れた低電気抵抗ベイナイト系レール。

（Ｅ） 質量％で、さらに、Ｃｕ：０．０５〜１．００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする上記（Ａ）〜（Ｄ）のいずれか１項に記載の耐ころがり疲労損傷性に優れた低電気抵抗ベイナイト系レール。

（Ｆ） 質量％で、さらに、Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする上記（Ａ）〜（Ｅ）のいずれか１項に記載の耐ころがり疲労損傷性に優れた低電気抵抗ベイナイト系レール。

（Ｇ） 質量％で、さらに、Ａｌ：０．００４０〜０．０１００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする上記（Ａ）〜（Ｆ）のいずれか１項に記載の耐ころがり疲労損傷性に優れた低電気抵抗ベイナイト系レール。

本発明によれば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐ、Ｓの添加量を制御し、さらに、Ｂｓｔ値、Ｂｅｑ値を限定範囲内に制御することにより、旅客鉄道の高速運転区間に要求される、耐ころがり疲労損傷性の向上と電気抵抗値の低減を可能とし、レール使用寿命を改善が図れる。

発明の実施するための最良の形態

以下に本発明を実施する最良の形態として、耐ころがり疲労損傷性に優れた低電気抵抗ベイナイト系レールにつき、詳細に説明する。以下、組成における質量は、単に％と記載する。

まず、本発明者らはベイナイト組織の安定性や硬さへの寄与が少なく、電気抵抗値への寄与が高い、Ｓｉ添加量の低減を検討した。その結果、Ｓｉ添加量を０．１０％未満のある一定範囲に収めることにより、Ｓｉ低減で懸念されていた溶鋼の脱酸不足によるブローホールの生成もなく、ベイナイト鋼レールの電気抵抗値が大幅に低減することを実験により見出した。さらに、レール鋼の電気抵抗値は、下記の式１に示すように、添加されている合金の質量％から算定できることを確認した。

電気抵抗計算値（μΩ・ｃｍ）
＝１０．１＋６．１Ｃ＋１３．８Ｓｉ＋６．３Ｍｎ＋５．２Ｃｒ＋３．３Ｍｏ＋１７．２Ｐ＋１１．２Ｓ
＋５．０Ｎｂ＋５．５Ｖ＋２．５Ｎｉ＋６．０Ｃｕ＋２．９Ｔｉ＋１２．０Ａｌ−−−−−−−式１

さらに、本発明者らは低Ｓｉ成分の鋼において、ベイナイト組織を安定的に生成させる合金バランスを検討した。その結果、ベイナイト組織の形成と合金元素であるＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏの添加量には相関があることを見出した。

この結果に基づき、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏの添加量を変化させた溶解材を用いて、詳細なラボ実験を行い、ベイナイト組織の安定的な形成に必要な合金添加量を検討した。その結果、ベイナイト組織の生成は、下記の式２から算定されるＢｓｔ値をある一定の範囲内に納めることにより、耐ころがり疲労損傷性に有害なパーライト組織や、靭性に有害なマルテンサイト組織が生成することなく、ベイナイト組織が安定的に生成することを確認した。

Ｂｓｔ＝Ｍｏ／（Ｍn＋Ｃｒ） −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−式２

さらに、本発明者らは、式２を満足する成分系において、鋼の合金添加量とベイナイト組織の硬さの関係を検討した。合金添加量を変化させた溶解材を用いて、詳細なラボ実験を行った結果、ベイナイト組織の硬さと合金添加量には下記の式３に示す値との相関があることを実験的に見出した。

この結果に基づき、旅客鉄道の高速運転区間のベイナイト鋼レールに必要とされる硬さを確保するために必要な合金添加量を式３により算定した結果、Ｂｅｑ値をある一定の範囲内に納めることにより、硬さが確保されることを確認した。

Ｂｅｑ＝Ｃ＋１／６Ｓｉ＋１／３Ｍｎ＋１／４Ｃｒ＋１／３Ｍｏ −−−−−−−−−−式３

すなわち、本発明は、耐ころがり疲労損傷性の高いベイナイト鋼レールにおいて、電気抵抗の低減を図り、さらに、合金添加量を制御することにより、ベイナイト組織の生成を安定化させ、硬度確保を図ることを目的としたベイナイト系レールに関するものである。

（１）鋼レールの化学成分の限定理由
まず、レールの化学成分を上記のように定めた理由について説明する。
Ｃはベイナイト組織の強度と耐摩耗性を確保するための必須元素である。しかし、Ｃ量が０．１５％未満では、ベイナイト組織中にフェライト組織が生成し、ベイナイトレールに必要とされる強度や耐摩耗性を確保することが困難となり、塑性変形起因のフレーキング損傷が発生する。また、Ｃ量が０．４５％を超えると、ベイナイト組織中にパーライト組織が多く生成し、ころがり疲労損傷の一種であるダークスポット損傷が発生することや、ベイナイト変態速度が著しく低下し、レールの靭性に有害なマルテンサイト組織が生成しやすくなるため、Ｃ量を０．１５〜０．４５％に限定した。

Ｓｉはベイナイト組織中の素地のフェライトに固溶することによって強度を向上させる元素であり、電気抵抗に対して最もその寄与度が高い元素である。しかし、Ｓｉ量が０．０１％未満では強度の向上が殆ど期待できない。また、Ｓｉ量が０．１０％以上になると、電気抵抗を増加させる影響が非常に大きくなるため、Ｓｉ量を０．０１〜０．１０％未満に限定した。

Ｍｎは、Ｃ同様に鋼の焼入性を高め、ベイナイト組織を安定的に生成させるためには欠かせない元素である。本成分系においては、Ｍｎ量が０．２０％未満ではその効果が微弱であり、添加元素の組み合わせによっては、ベイナイト組織を安定的に得ることが困難となる。また、Ｍｎ量が１．８０％を超えると、ベイナイト組織中にマルテンサイト組織が生成し、靭性が低下するばかりでなく、ころがり疲労損傷の一種であるスポーリング損傷が発生する。さらに、電気抵抗値を規定値以内に納めることが非常に困難となるため、Ｍｎ量を０．２０〜１．８０％に限定した。

Ｃｒは、Ｍｎと同様に、ベイナイト組織を安定化させ、ベイナイト組織中の炭化物を微細に分散させ、強度を確保するために重要な元素である。しかし、Ｃｒ量が０．２０％未満ではその効果が微弱であり、添加元素の組み合わせによっては、ベイナイト組織を安定的に得ることが困難となる。また、Ｃｒ量が１．８０％を超えると、ベイナイト組織中にパーライト組織が生成し、ころがり疲労損傷の一種であるダークスポット損傷が発生することや、Ｍｎ同様に電気抵抗を現行レール範囲に納めることができないことから、Ｃｒ量を０．２０〜１．８０％に限定した。

Ｍｏは、ＭｎあるいはＣｒと同様、安定的にベイナイト組織を生成させ、さらに、ＭｎあるいはＣｒのように電気抵抗を極端に増加させることなく強度を上昇させることができる有望な元素である。しかし、Ｍｏ量が０．０１％未満ではベイナイト組織の生成や強度への寄与は少なく、添加元素の組み合わせによっては、ベイナイト組織を安定的に得ることが困難となる。また、Ｍｏ量が０．５０％以上では、焼入れ性の増加により、マルテンサイト組織が生成し、靭性が低下するばかりでなく、ころがり疲労損傷の一種であるスポーリング損傷が発生する。さらに、鋼片において偏析を助長し、偏析部に靭性に有害なマルテンサイト組織を生成する。このため、Ｍｏ量を０．０１〜０．５０％未満に限定した。

Ｐ、Ｓはあえて添加する元素ではないが、それぞれ０．０２５％を超えて含有すると、電気抵抗が過剰に増加する。さらに、偏析帯を形成し、靱性を低下させるマルテサイト組織などを生成しやすくするため、それぞれ０．０２５％以下に限定した。

また、上記の成分組成で製造されるレールは、ベイナイト変態の安定化、ベイナイト組織の硬度（強化）の向上、ベイナイト組織の延性の向上、鋼の脱酸を図る目的で、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌの元素を必要に応じて添加する。

ここで、Ｎｂ、Ｖは、熱間圧延後の冷却課程で生成した炭化物や窒化物による析出硬化により、ベイナイト組織の硬度を向上させる。また、再加熱時に炭化物や窒化物を安定的に生成させ、オーステナイト粒のピンニング効果によりベイナイト組織の延性や靭性を向上させる。Ｂは、旧オーステナイト粒界から生成する初析フェライト組織やパーライト組織の生成を抑制し、ベイナイト組織を安定的に生成させる。Ｎｉは、ベイナイト変態温度を低下させ、ベイナイト組織の強度を向上させる。Ｃｕは、固溶強化によりベイナイト組織の強度を向上させる。Ｔｉは、オーステナイト粒のピンニング効果により、ベイナイト組織の延性や靱性の改善に寄与する。Ａｌは、脱酸材としてＳｉ脱酸での脱酸不足を補うことが主な添加目的である。

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。
Ｎｂは、旧オーステナイト粒界から生成する初析フェライト組織やパーライト組織の生成を抑制し、焼入れ性の増加によりベイナイト組織を安定的に生成させる元素であり、さらに、熱間圧延時の冷却過程で生成したＮｂ炭・窒化物による析出硬化でベイナイト組織の強度を高めると同時に、高温度に加熱する熱処理が行われる際に結晶粒の成長を抑制する作用によりオーステナイト粒を微細化させ、ベイナイト組織の延性や靭性を向上させるのに有効な成分である。しかし、Ｎｂ量が０．００５０％未満では、上記の効果が期待できない。また、Ｎｂ量が０．０５００％を超えると、Ｎｂの金属間化合物や粗大析出物（炭化物）が生成し、靭性を低下させることから、Ｎｂ量を０．００５０〜０．０５００％に限定した。

Ｖは、Ｎｂと同様に、熱間圧延時の冷却課程で生成したＶ炭化物、Ｖ窒化物による析出硬化でベイナイト組織の強度を高めると同時に、高温度に加熱する熱処理が行われる際に結晶粒の成長を抑制する作用によりオーステナイト粒を微細化させ、ベイナイト組織の延性や靭性を向上させるのに有効な成分である。しかし、Ｖ量が０．０１％未満ではその効果が十分に期待できない。また、Ｖ量が０．３０％を超えて添加してもそれ以上の効果が期待できないことや、電気抵抗を不必要に上昇させることから、Ｖ量を０．０１〜０．３０％に限定した。

Ｂは、旧オーステナイト粒界から生成する初析フェライト組織や、これにともない変態するパーライト組織の生成を抑制し、ベイナイト組織を安定的に生成させる元素である。しかし、Ｂ量が０．０００１％未満ではその効果は弱い。また、Ｂ量が０．００５０％を超えても、それ以上の効果が期待できないことから、Ｂ量を０．０００１〜０．００５０％に限定した。

Ｎｉは、オーステナイトを安定化させる元素であり、ベイナイト変態温度を下げ、ベイナイト組織を微細化し、靭性を向上させる効果を有する。しかし、Ｎｉ量が０．０５％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、ベイナイト変態速度が大きく低下し、レールの靭性に有害なマルテンサイト組織を生成しやすくするため、Ｎｉ量を０．０５〜１．００％に限定した。

Ｃｕは、ベイナイト組織中の基地フェライトに固溶し、固溶強化によりベイナイト組織の強度を向上させる元素である。しかし、Ｃｕ量が０．０５％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、レールの靭性に有害なマルテンサイト組織が生成しやすくなる。このため、Ｃｕ量を０．０５〜１．００％に限定した。

Ｔｉは、溶解・凝固時に析出したＴｉ炭化物、Ｔｉ窒化物がレール圧延時加熱の高温でも溶解しないことを利用して、レール圧延加熱時のオーステナイト結晶粒の微細化を図り、ベイナイト組織の延性や靱性の改善に寄与する。また、Ｔｉは、高温度域でＴｉＮを生成することで、Ｎｂ、Ｂの窒化物の生成を抑制し、ベイナイト変態を促進させるＮｂ、Ｂの添加効果を高める元素である。しかし、Ｔｉ量が０．００５０％未満では、これらの効果が十分に発揮されない。また、Ｔｉ量が０．０５００％を超えると、粗大な窒化物（ＴｉＮ）や炭化物（ＴｉＣ）が生成し、レールの延性や靱性が低下すると同時に、疲労の起点となり、疲労損傷を助長するため、Ｔｉ量を０．００５０〜０．０５００％に限定した。

Ａｌは、脱酸材として必須の成分であり、Ｓｉ脱酸が十分でない場合に補助的に添加する。しかし、Ａｌ量が０．００４０％未満ではその効果は弱い。また、Ａｌ量が０．０１００％を超えると、鋼中に固溶させることが困難となり、疲労き裂の起点となる粗大なアルミナ系介在物が生成し、レール頭部の耐内部疲労損傷性が低下する。また、溶接時に酸化物が生成し、溶接性が著しく低下する。このため、Ａｌ量を０．００４０〜０．０１００％に限定した。

（２）ベイナイト鋼レールの電気抵抗値の限定理由
次に、前記（Ａ）において、電気抵抗値（μΩ・ｃｍ）を下記の式２で示す計算式で２７．０μΩ・ｃｍ以下に定めた理由について説明する。

表１に代表的な旅客鉄道用レールの化学成分、式１による電気抵抗計算値および実測値の一例を示す。

表１ 代表的な旅客鉄道用レールの化学成分、電気抵抗の計算値および実測値（μΩ・ｃｍ）の一例

電気抵抗計算値（μΩ・ｃｍ）
＝１０．１＋６．１Ｃ＋１３．８Ｓｉ＋６．３Ｍｎ＋５．２Ｃｒ＋３．３Ｍｏ＋１７．２Ｐ＋１１．２Ｓ
＋５．０Ｎｂ＋５．５Ｖ＋２．５Ｎｉ＋６．０Ｃｕ＋２．９Ｔｉ＋１２．０Ａｌ−−−−−−−式１

表１に示すように、レールの電気抵抗実測値は、式１による計算値と非常によい相関が認められる。レール化学成分の製造上のばらつきを考慮すると、電気抵抗値が計算値で２７．０μΩ・ｃｍを超えると、現在使用されている代表的な高炭素のパーライト組織を呈した旅客鉄道用レールと比較して実測においても電気抵抗値が大きくなる可能性が高いと考えられる。

したがって、電気抵抗の計算値が２７．０μΩ・ｃｍを超えると、実測においても電気抵抗が現行レールよりも増加し、上記のように電車の動力源である軌道電流が低下し、列車の運行が過密な線区では、電流低下により列車走行速度が低下するなどの運行上の問題が発生すると予測される。このため、レールの電気抵抗値を計算値で２７．０μΩ・ｃｍ以下に限定した。

なお、式中の元素記号はそれぞれの質量％を表す。また、Ｂについては電気抵抗に対する寄与度が小さいため、上記式より除外した。

（３）Ｂｓｔ値の限定理由
次に、前記（Ａ）において、下記の式２に示すＢｓｔ値を０．０１０〜０．５００の範囲に限定した理由について説明する。

Ｂｓｔ値が０．０１０未満では、上記限定の成分系で、安定してベイナイト組織が得られず、ベイナイト組織中にパーライト組織やフェライト組織が生成し、ころがり疲労損傷性が発生するためである。また、Ｂｓｔ値が０．５００を超えると、Ｍｎ、Ｃｒの添加量と比較して、相対的にＭｏ添加量が増加する。この結果、焼入れ性の増加により、マルテンサイト組織が生成し、靭性が低下するばかりでなく、ころがり疲労損傷の一種であるスポーリング損傷が発生する。さらに、鋼片において偏析を助長し、偏析部に靭性に有害なマルテンサイト組織を生成する。また、高価な添加元素であるため製造コストが大幅に増加する。このため、Ｂｓｔ値を０．０１０〜０．５００の範囲に限定した。なお、式中の元素記号はそれぞれの質量％を表す。

Ｂｓｔ＝Ｍｏ／（Ｍn＋Ｃｒ） −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−式２

（４）Ｂｅｑ値の限定理由
次に、前記（Ａ）において、下記の式３に示すＢｅｑ値を０．７２〜１．２０の範囲に限定した理由について説明する。

Ｂｅｑ値が０．７２未満では、上記限定の成分系で、旅客鉄道の高速運転区間のベイナイト鋼レールに必要とされる硬さを確保するために必要な合金添加量が得られず、ベイナイト鋼レールの硬さが低下し、きしみ割れやフレーキングなどの塑性変形起因の表面損傷が発生する。また、Ｂｅｑ値が１．２０を超えると、焼入れ性の増加により、ベイナイト組織中にマルテンサイト組織が生成し、レールの靭性が大きく低下する。このため、Ｂｅｑ値を０．７２〜１．２０の範囲に限定した。なお、式中の元素記号はそれぞれの質量％を表す。

Ｂｅｑ＝Ｃ＋１／６Ｓｉ＋１／３Ｍｎ＋１／４Ｃｒ＋１／３Ｍｏ −−−−−−−−−−式３

（５）ベイナイト組織の硬さの限定理由
次に、前記（Ｈ）において、ベイナイト組織の硬さをＨｖ２４０〜３８０の範囲に限定した理由について説明する。

硬さがＨｖ２４０未満では、レールに要求されている基本的な強度や耐摩耗性を確保することが困難となる。さらに、緩曲線区間では、Ｇ.Ｃ.部にレールと車輪の強い接触によるメタルフローが生成し、これにともないきしみ割れやフレーキングなどの表面損傷が発生する。また、硬さがＨｖ３８０を超えると、旅客鉄道の高速運転区間の使用を前提とした場合、摩耗の抑制により、ころがり面に疲労ダメージ層が蓄積し、集合組織の発達により、ダークスポット損傷が発生し易くなる。このため、ベイナイト組織の硬さをＨｖ２４０〜３８０の範囲に限定した。

（６）ベイナイト組織の範囲限定理由
次に、前記（Ｈ）において、硬さＨｖ２４０〜３８０のベイナイト組織を有する範囲を、頭部コーナー部および頭頂部の該頭部表面を起点として深さ１５ｍｍの範囲に限定した理由について説明する。

レール頭部については、高速鉄道の直線区間で使用されるレールの摩耗寿命が１５ｍｍである。したがって、ベイナイト組織を有する範囲が１５ｍｍ未満ではレール頭部に必要とされているころがり疲労損傷を防止する領域としては小さく、摩耗寿命に達する前にダークスポット損傷やフレーキング損傷などの表面損傷が発生し、十分な寿命改善効果が期待できない。このため、ベイナイト組織を有する範囲を１５ｍｍ以上に限定した。

ここで、図１に本発明の耐ころがり疲労損傷性に優れた低電気抵抗ベイナイト系レールの頭部断面表面位置の呼称を示す。レール頭部において１は頭頂部、２は頭部コーナー部であり、頭部コーナー部２の一方は車輪と主に接触するゲージ・コーナー（Ｇ.Ｃ.）部である。

上記のような成分組成で構成されるレール鋼は、転炉、電気炉などの通常使用される溶解炉で溶製を行い、この溶鋼を造塊・分塊あるいは連続鋳造し、さらに熱間圧延を経てレールとして製造される。さらに、レール頭部の硬度を調整するため、熱間圧延した高温度の熱を保有するレール、あるいは熱処理する目的で高温に再加熱されたレール頭部に加速冷却を施し、目標範囲の硬さのベイナイト組織を安定的に生成させることが可能となる。

なお、レールの熱処理方法については、特許２９１２１２３、特許３１６９７４１、特許３２５３８５２等に開示されている、レール頭部に加速冷却を主体とした熱処理を適用することにより、ベイナイト組織の硬さを制御することが可能である。

また、本発明レール鋼の金属組織はベイナイト組織であることが望ましいが、成分系の組み合わせ、レールの冷却方法、素材の偏析状態によってはベイナイト組織中に微量にパーライト組織、マルテンサイト組織、初析フェライト組織が生成する場合がある。しかし、これらの組織がベイナイト組織中に微量に生成してもレールの耐ころがり疲労損傷性、耐摩耗性および強度に大きな影響をおよぼさないため、本ベイナイト系レールの組織としては若干の異組織の混在も含んでいる。

次に、本発明の実施例について説明する。
表２-１、表２-２に本発明レール鋼の化学成分（残部は不可避的不純物およびＦｅ）、電気抵抗計算値（前記式１で算定した。単位：μΩ・ｃｍ）、Ｂｓｔ値（前記式２で算定した）、Ｂｅｑ値（前記式３で算定した）、頭部ミクロ組織とその生成比率、レール頭部の硬さを示す。表２-１、表２-２において、頭表部はレール頭頂部の表面下２ｍｍの位置を示し、頭部内部はレール頭頂部の表面下１５ｍｍの位置を示す。また、表２-２には、図２に示す方法で行ったころがり疲労損傷試験の結果も併記した。

表３−１、表３−２に比較レール鋼の化学成分（残部は不可避的不純物およびＦｅ）、電気抵抗計算値（前記式１で算定した。単位：μΩ・ｃｍ）、Ｂｓｔ値（前記式２で算定した）、Ｂｅｑ値（前記式３で算定した）、頭部ミクロ組織とその生成比率、レール頭部の硬さを示す。表３−１、表３−２において、頭表部はレール頭頂部の表面下２ｍｍの位置を示し、頭部内部はレール頭頂部の表面下１５ｍｍの位置を示す。また、表３−２には、図２に示す方法で行ったころがり疲労損傷試験の結果も併記した。

（１）本発明レール鋼（１４本） 鋼：１〜１４
上記限定成分範囲内で、レール頭部がベイナイト組織であることを特徴とする耐ころがり疲労損傷性に優れた低電気抵抗ベイナイト系レール。

（２）比較レール鋼（１４本） 鋼：１５〜２７
鋼：１５〜１６：
Ｃの添加量が上記限定の成分範囲外の比較レール鋼（２本）。
鋼：１７〜１８：
Ｓｉの添加量が上記限定の成分範囲外の比較レール鋼（２本）。
鋼：１９〜２１：
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏの添加量が上記限定の成分範囲外の比較レール鋼（３本）。
鋼：２２〜２３：
Ｐ、Ｓの添加量が上記限定の成分範囲外の比較レール鋼（２本）。
鋼：２４〜２５：
Ｂｓｔ値が上記限定の範囲外の比較レール鋼（２本）。
鋼：２６〜２７：
Ｂｅｑ値が上記限定の範囲外の比較レール鋼（２本）。

ここで、本明細書中の図について説明する。図１は本発明の耐ころがり疲労損傷性に優れた低電気抵抗ベイナイト系レールの頭部断面表面位置での呼称、および、前記（Ｈ）で限定したベイナイト組織が必要とされる領域を示した図、図２はころがり疲労損傷試験機の概要を示した図、図３はＢｓｔ値とベイナイト組織の生成比率の関係を示した図、図４はＢｅｑ値と頭表部の硬さの関係を示した図である。

なお、図１において、１は頭頂部、２は頭部コーナー部である。また、図２において、３は車輪試験片、４はレール円盤試験片、５は車輪側モーター、６がレール側モーター、７は水潤滑装置である。

ころがり疲労損傷試験は次のとおりとした。
［ころがり疲労試験機］
試験片形状：円盤状試験片（外形２００ｍｍ）
（１）レール材断面形状：６０Ｋレールの１／４モデル
（２）車輪材断面形状：円弧踏面車輪の１／４モデル

［試験片製造方法］
真空溶解→圧延・鍛造→熱処理→円盤加工
試験荷重：１．０トン（ラジアル荷重）
雰囲気：乾燥＋水潤滑（60cc／min）
回転数：乾燥；１００ｒｐｍ、水潤滑；３００ｒｐｍ
繰返し回数：０〜５０００回まで乾燥状態、その後、水潤滑により損傷発生まで。
（損傷が発生しない場合は２００万回で試験を中止）

表２-１、表２-２、表３−１、表３−２に示したように、本発明レール鋼（鋼：１〜１４）は、比較レール鋼（鋼：１５〜１６、１９〜２３）と比べて、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐ、Ｓ量を限定範囲内に収めることにより、フェライト・パーライト組織やマルテンサイト組織を生成させず、耐ころがり疲労損傷性に優れたベイナイト組織を生成させることが可能となる。

さらに、本発明レール鋼（鋼：１〜１４）は、比較レール鋼（鋼：１７〜１８）と比べて、Ｓｉ量を限定範囲内に収めることにより、電気抵抗値の増加を抑えることが可能となる。

これらに加えて、表２-１、表２-２、表３−１、表３−２、図３に示したように、本発明レール鋼（鋼：１〜１４）は、比較レール鋼（鋼：２４〜２５）と比べて、Ｂｓｔ値を限定範囲内に制御することにより、ベイナイト組織を安定的に生成させることが可能となる。

また、表２-１、表２-２、表３−１、表３−２、図４に示したように、本発明レール鋼（鋼：１〜１４）は、比較レール鋼（鋼：２６〜２７）と比べて、Ｂｅｑ値を限定範囲内に制御することにより、レール頭表部の硬さの最適化が図られ、耐ころがり疲労損傷性を向上することが可能となる。

このように、本発明によれば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐ、Ｓの添加量を制御し、さらに、Ｂｓｔ値、Ｂｅｑ値を限定範囲内に制御することにより、旅客鉄道の高速運転区間に要求される、耐ころがり疲労損傷性の向上と電気抵抗値の低減を可能し、レール使用寿命を改善が図れる。

本発明の耐ころがり疲労損傷性に優れた低電気抵抗ベイナイト系レールの頭部断面表面位置での呼称、および、前記（Ｈ）で限定したベイナイト組織が必要とされる領域を示した図。 ころがり疲労損傷試験機の概要を示した図。 Ｂｓｔ値とベイナイト組織の生成比率の関係を示した図。 Ｂｅｑ値と頭表部の硬さの関係を示した図。

符号の説明

１：頭頂部、
２：頭部コーナー部、
３：車輪試験片、
４：レール円盤試験片、
５：車輪側モーター、
６：レール側モーター、
７：水潤滑装置

Claims (7)

1. 質量％で、
   Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：０．０１〜０．１０％未満、
   Ｍｎ：０．６５〜１．８０％、Ｃｒ：０．２０〜１．８０％、
   Ｍｏ：０．０１〜０．５０％未満、
   Ｐ：０．０２５％以下、
   Ｓ：０．０２５％以下
   を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼レールであって、下記の式１から算定される電気抵抗値が２７．０μΩ・ｃｍ以下、さらに、下記の式２から算定されるＢｓｔ値が０．０１０〜０．５００の範囲であり、かつ、下記の式３から算定されるＢｅｑ値が０．７２〜１．２０の範囲であり、かつ、頭頂部およびその少なくとも一方側に位置する頭部コーナー部それぞれの表面を起点として、少なくとも深さ１５ｍｍの範囲が硬さＨｖ２４０〜３８０であることを特徴とするベイナイト組織を呈したベイナイト系レール。
   電気抵抗計算値（μΩ・ｃｍ）
   ＝１０．１＋６．１Ｃ＋１３．８Ｓｉ＋６．３Ｍｎ＋５．２Ｃｒ＋３．３Ｍｏ＋１７．２Ｐ＋１１．２Ｓ＋５．０Ｎｂ＋５．５Ｖ＋２．５Ｎｉ＋６．０Ｃｕ＋２．９Ｔｉ＋１２．０Ａｌ −−−−−式１
   Ｂｓｔ＝Ｍｏ／（Ｍn＋Ｃｒ） −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−式２
   Ｂｅｑ＝Ｃ＋１／６Ｓｉ＋１／３Ｍｎ＋１／４Ｃｒ＋１／３Ｍｏ −−−−−−式３
   （但し、式中の元素記号はそれぞれの質量％を表す）
2. 質量％で、さらに、
   Ｎｂ：０．００５０〜０．０５００％、
   Ｖ：０．０１〜０．３０％
   の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１に記載のベイナイト系レール。
3. 質量％で、さらに、
   Ｂ：０．０００１〜０．００５０％
   を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のベイナイト系レール。
4. 質量％で、さらに、
   Ｎｉ：０．０５〜１．００％
   を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のベイナイト系レール。
5. 質量％で、さらに、
   Ｃｕ：０．０５〜１．００％
   を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のベイナイト系レール。
6. 質量％で、さらに、
   Ｔｉ：０．００５０〜０．０５００％
   を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のベイナイト系レール。
7. 質量％で、さらに、
   Ａｌ：０．００４０〜０．０１００％
   を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のベイナイト系レール。

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