JP4828109B2 - Perlite steel rail - Google Patents

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Description

本発明は、重荷重鉄道のレール頭部に要求される耐摩耗性を向上させ、レールの使用寿命を向上させることを目的としたパーライト系鋼レールに関するものである。   The present invention relates to a pearlite steel rail for the purpose of improving the wear resistance required for a rail head of a heavy-duty railway and improving the service life of the rail.

海外の重荷重鉄道では、鉄道輸送の高効率化を図るため、貨物の高積載化を進めており、特に急曲線のレールでは、G.C.部(ゲージコーナー部)や頭側部の耐摩耗性が十分確保できず、摩耗によるレール使用寿命の低下が問題となってきている。このような背景から、現用の共析炭素鋼含有の高強度レール以上の耐摩耗性を有するレールの開発が求められるようになってきた。従来、これらの問題を解決するため、本発明者らは下記に示すようなレールを開発している。
(1)過共析鋼(C:0.85超〜1.20%)を用いて、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト体積比率を増加させた耐摩耗性に優れたレール(特許文献1参照)。
(2)過共析鋼(C:0.85超〜1.20%)を用いて、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト体積比率を増加させ、同時に、硬さを制御した耐摩耗性に優れたレール(特許文献2参照)。
In overseas heavy-duty railways, in order to increase the efficiency of railway transport, cargo is being loaded more and more, especially on sharply curved rails, the GC section (gauge corner section) and the resistance to the head side section. Abrasion cannot be ensured sufficiently, and a decrease in the service life of the rail due to wear has become a problem. Against this background, there has been a demand for the development of a rail having wear resistance higher than that of a high-strength rail containing current eutectoid carbon steel. Conventionally, in order to solve these problems, the present inventors have developed a rail as shown below.
(1) Rail with excellent wear resistance using hypereutectoid steel (C: more than 0.85 to 1.20%) with increased cementite volume ratio in lamellae in pearlite structure (see Patent Document 1) ).
(2) Using hypereutectoid steel (C: more than 0.85 to 1.20%), increasing the cementite volume ratio in the lamellae in the pearlite structure, and at the same time, excellent in wear resistance with controlled hardness Rail (see Patent Document 2).

これらの特許出願により得られるレールの特徴は、鋼の炭素量を増加し、パーライトラメラ中のセメタイト相の体積比率を増加させ、さらに、硬さを制御することにより、レール頭部のパーライト組織の耐摩耗性を向上させるものであった。
特開平8−144016号公報 特開平8−246100号公報
The rail characteristics obtained by these patent applications increase the carbon content of the steel, increase the volume ratio of the cemetite phase in the pearlite lamella, and further control the hardness of the pearlite structure of the rail head. The wear resistance was improved.
JP-A-8-144016 JP-A-8-246100

上記の(1) (2) に示されたこれらの発明に係るレールでは、パーライトラメラ中のセメタイト相の体積比率を増加させる、すなわち、鋼の炭素量を増加させることにより、ある一定レベルの耐摩耗性の向上を図ることができる。しかし、近年、海外の重荷重鉄道では、鉄道輸送のさらなる高効率化を図るため、貨物のより一層の高積載化を進めており、上記(1) (2) に示されたレールでは、レール頭部の耐摩耗性の確保が困難となり、レール使用寿命の低下が大きく低下するといった問題があった。   In the rails according to these inventions shown in the above (1) and (2), by increasing the volume ratio of the cemetite phase in the pearlite lamella, that is, by increasing the carbon content of the steel, a certain level of resistance. Abrasion can be improved. In recent years, however, overseas heavy-duty railways have been increasing their freight capacity in order to further improve the efficiency of railway transportation. In the rails shown in (1) and (2) above, There was a problem that it was difficult to ensure the wear resistance of the head and the service life of the rail was greatly reduced.

また、この問題を解決するため、鋼の炭素量をさらに増加させると、パーライト組織の延性や靭性が著しく低下し、頭部の欠陥等からレール折損が発生しやすくなるいという問題点があった。さらに、レールの延性や靭性に有害な初析セメンタイト組織が生成しやすくなり、レール折損が発生しやすくなるいという問題点があった。
このような背景から、高炭素含有のパーライト鋼レールにおいて、鋼の炭素量を大きく増加させずに、耐摩耗性をより一層向上させたレールの提供が望まれるようになってきている。
即ち、本発明は、近年の重荷重鉄道のレール頭部に要求される耐摩耗性を向上させ、レールの使用寿命を向上させることを目的としたものである。
Further, in order to solve this problem, if the amount of carbon in the steel is further increased, the ductility and toughness of the pearlite structure are remarkably lowered, and there is a problem that the rail breakage is liable to occur due to a head defect or the like. . Furthermore, there is a problem that a pro-eutectoid cementite structure which is harmful to the ductility and toughness of the rail is likely to be generated, and the rail is liable to break.
From such a background, in the high carbon content pearlite steel rail, it has been desired to provide a rail with further improved wear resistance without greatly increasing the carbon content of the steel.
That is, the present invention aims to improve the wear resistance required for the rail heads of recent heavy-duty railways and to improve the service life of the rails.

本発明は上記目的を達成するものであって、その要旨とするところは次の通りである。
(1)本発明は質量%で、C:0.85%超〜1.40%、Co:0.003〜0.10%未満、Cr:0.05〜2.00%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼レールであって、該鋼レールの頭部コーナー部および頭頂部表面を起点として、少なくとも深さ20mmの範囲がパーライト組織であり、かつ、その硬さがHv300〜500の範囲であることを特徴とする。
(2)本発明は質量%で、さらにMn:0.10〜2.00%を含有することを特徴とする。
The present invention achieves the above object, and the gist thereof is as follows.
(1) The present invention is mass%, C: more than 0.85% to 1.40%, Co: 0.003 to less than 0.10%, Cr: 0.05 to 2.00% , the balance Is a steel rail composed of Fe and unavoidable impurities, starting from the head corner portion and the top surface of the steel rail, at least a depth of 20 mm is a pearlite structure, and its hardness is Hv300 ~ It is characterized by being in the range of 500.
(2) The present invention is in mass%, further, Mn: characterized in that it contains 0.10 to 2.00%.

(3)上記(1)〜(2)に記載した本発明に係る鋼レールには、質量%でさらに、下記1)〜9) に記載の成分を選択的に含有させることができる。即ち、
1) Cu:0.05〜1.00%、
2) Ni:0.01〜1.00%、
を含有する組成を選択できる。
(3) The steel rail according to the present invention described in the above (1) to (2) may further contain the components described in the following 1) to 9) in mass%. That is,
1) Cu: 0.05-1.00%,
2) Ni: 0.01 to 1.00%,
You can select a composition containing.

本発明によれば、重荷重鉄道で使用されるパーライト組織の鋼レールにおいて、微量のCoを添加することにより、レール頭部の耐摩耗性を向上させ、レールの使用寿命の改善を図ることができる。   According to the present invention, by adding a small amount of Co in a steel rail with a pearlite structure used in heavy-duty railways, the wear resistance of the rail head can be improved and the service life of the rail can be improved. it can.

以下に本発明について最良の形態に基づいて詳細に説明する。
まず、本発明者らはレール鋼の摩耗特性を支配している因子を明らかにするため、長期間にわたり実軌道で使用され、車輪との接触により十分に摩耗したレール頭部の摩耗面の微視組織を観察した。その結果、レール頭部の摩耗面では、使用する前のレールのパーライト組織は全く存在せず、微細に破砕された硬質のセメンタイト相と微細なフェライト組織からなる組織形態であることを確認することができた。
さらに、本発明者らはこの微細フェライト組織とレールの摩耗の関係を調査した結果、レール頭部の摩耗面のフェライト粒径と摩耗量には直線的な相関があり、摩耗面のフェライト粒径の小さいレールは摩耗量が少なく、レールの耐摩耗性は、摩耗面のフェライト粒径の微細化によって向上することを見出した。
The present invention will be described in detail below based on the best mode.
First, in order to clarify the factors governing the wear characteristics of rail steel, the present inventors have used the track surface of the rail head that has been used on a real track for a long period of time and is sufficiently worn by contact with the wheels. Visual tissue was observed. As a result, on the wear surface of the rail head, it should be confirmed that there is no pearlite structure of the rail before use, and that the structure is composed of a finely divided hard cementite phase and a fine ferrite structure. I was able to.
Furthermore, as a result of investigating the relationship between the fine ferrite structure and the wear of the rail, the present inventors have found that there is a linear correlation between the ferrite grain size of the wear surface of the rail head and the wear amount. It has been found that a small-sized rail has a small amount of wear, and the wear resistance of the rail is improved by making the ferrite grain size of the worn surface finer.

これまで本発明者らが実験室において検討した結果から、摩耗面のフェライト粒径を微細化するには、硬質なセメンタイト相の体積比率の増加が有効なことが確認されている。しかし、セメンタイト相の体積比率の増加、すなわち、鋼の炭素量の増加は、上記のような諸問題が発生する。
そこで本発明者らは、鋼の炭素量を増加させずに摩耗面のフェライト粒径を微細化する方法を検討した結果、微量なCoを添加することにより、摩耗面のフェライト粒径の微細化が促進され、パーライト鋼の耐摩耗性がより一層向上することを見出した。
From the results studied by the inventors so far, it has been confirmed that an increase in the volume ratio of the hard cementite phase is effective in reducing the ferrite grain size on the wear surface. However, an increase in the volume ratio of the cementite phase, that is, an increase in the carbon content of the steel causes the above problems.
Therefore, the present inventors have studied a method for reducing the ferrite grain size on the wear surface without increasing the carbon content of the steel. As a result, by adding a small amount of Co, the ferrite grain size on the wear surface can be reduced. It has been found that the wear resistance of pearlite steel is further improved.

そこで、本発明者らは、ころがり面でのフェライト粒の微細化を促進するのに必要なCoの添加量について検討した。その結果、Co添加量をある一定以上の範囲内に制御することにより、パーライト組織の耐摩耗性が安定的に向上することを確認した。
すなわち、本発明は、高炭素含有の鋼レールにおいて、微量なCoを添加することにより、パーライト組織の耐摩耗性を向上させ、鋼レールの使用寿命を向上させることを目的としたパーライト系鋼レールに関するものである。
Therefore, the present inventors examined the amount of Co added to promote the refinement of ferrite grains on the rolling surface. As a result, it was confirmed that the wear resistance of the pearlite structure was stably improved by controlling the Co addition amount within a certain range.
That is, the present invention is a pearlite steel rail intended to improve the wear resistance of the pearlite structure and improve the service life of the steel rail by adding a small amount of Co to the steel rail having a high carbon content. It is about.

次に、本発明の限定理由について詳細に説明する。
(1)鋼レールの化学成分の限定理由
まず、レール鋼の化学成分を上記請求範囲に記載した如く限定した理由について詳細に説明する。
Cは、レール鋼の金属組織においてパーライト変態を促進させると同時に、耐摩耗性を確保するために有効な元素である。C量が0.65%未満では、レール頭部のパーライト組織の耐摩耗性が確保できず、さらに、耐摩耗性に有害な初析フェライト組織が生成し、レールの使用寿命が低下する。また、C量が1.40%を超えると、パーライト組織中に延性や靭性に有害な初析セメンタイト組織が生成することやパーライト組織中のセメンタイト相の密度が増加し、パーライト組織の延性が低下し、レール頭部の耐表面損傷性が大きく低下する。このため、C量を0.65〜1.40%に限定した。なお、レール頭部の耐摩耗性をより一層向上させ、Co添加による十分な耐摩耗性の向上を図るためには、C量を0.85%超とすることが望ましい。
Next, the reason for limitation of the present invention will be described in detail.
(1) Reasons for limiting chemical components of steel rail First, the reasons for limiting the chemical components of rail steel as described in the claims will be described in detail.
C is an element effective in promoting pearlite transformation in the rail steel metal structure and at the same time ensuring wear resistance. If the C content is less than 0.65%, the wear resistance of the pearlite structure of the rail head cannot be ensured, and further, a pro-eutectoid ferrite structure that is harmful to the wear resistance is generated, and the service life of the rail is reduced. In addition, when the C content exceeds 1.40%, a pro-eutectoid cementite structure that is harmful to ductility and toughness is formed in the pearlite structure, and the density of the cementite phase in the pearlite structure increases, and the ductility of the pearlite structure decreases. In addition, the surface damage resistance of the rail head is greatly reduced. For this reason, the amount of C was limited to 0.65 to 1.40%. In order to further improve the wear resistance of the rail head and to sufficiently improve the wear resistance by adding Co, it is desirable that the C content be more than 0.85%.

Coは、レール鋼のパーライト組織中のフェライト相に固溶し、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元素である。Co量が0.003%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0.10%以上添加しても、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鋼レールとしての経済性が低下する。このため、Co量を0.003〜0.10%未満に限定することが好ましい。   Co is an element that dissolves in the ferrite phase in the pearlite structure of the rail steel, further refines the fine ferrite structure formed by contact with the wheel on the wear surface of the rail head, and improves wear resistance. is there. If the Co content is less than 0.003%, the ferrite structure cannot be refined and the effect of improving wear resistance cannot be expected. Moreover, even if the amount of Co is added to 0.10% or more, the above effect is saturated, and the ferrite structure corresponding to the amount added cannot be refined. Moreover, the economical efficiency as a steel rail falls by the increase in alloy addition cost. For this reason, it is preferable to limit the amount of Co to 0.003 to less than 0.10%.

また、上記の成分組成で製造される鋼レールは、パーライト組織の硬度(強化)の向上、パーライト組織の延性の向上、溶接熱影響部の軟化の防止、レール頭部内部の断面硬度分布の制御を図る目的で、Si、Mn、Cr、Mo、V、Nb、B、Cu、Ni、Ti、Mg、Ca、Al、Zr、Nの元素のうち、1種または2種以上を必要に応じて添加することができる。
ここで、Siは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、初析セメンタイト組織の生成を抑制し、硬度と延性を確保する元素である。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する元素である。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、パーラ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、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止する。Bは、初析セメンタイト組織の生成を微細化し、同時に、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、レールの延性を向上させ、さらに、レール頭部の硬度分布を均一にする。
In addition, steel rails manufactured with the above-mentioned composition improve the hardness (strengthening) of the pearlite structure, improve the ductility of the pearlite structure, prevent softening of the heat affected zone, and control the cross-sectional hardness distribution inside the rail head. For the purpose of achieving the above, one or more of the elements of Si, Mn, Cr, Mo, V, Nb, B, Cu, Ni, Ti, Mg, Ca, Al, Zr, and N are used as necessary. Can be added.
Here, Si is an element that increases the hardness (strength) of the rail head by solid solution strengthening in the ferrite phase, suppresses the formation of proeutectoid cementite structure, and secures hardness and ductility. Mn is an element that secures the hardness of the pearlite structure by increasing the hardenability and reducing the pearlite lamella spacing. Cr and Mo increase the equilibrium transformation point of pearlite and ensure the hardness of the pearlite structure mainly by refining the pearlite lamella spacing. V and Nb improve the hardness of the pearlite structure by precipitation hardening with carbides and nitrides generated in the cooling process after hot rolling. In addition, carbides and nitrides are stably generated during reheating, and softening of the weld joint heat-affected zone is prevented. B refines the formation of a pro-eutectoid cementite structure, and at the same time, reduces the cooling rate dependence of the pearlite transformation temperature, improves the ductility of the rail, and further makes the hardness distribution of the rail head uniform.

Cuは、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、Cu添加による熱間圧延時の脆化を防止し、同時に、パーライト鋼の硬度を向上させ、さらに、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止する。Tiは、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。Mg、Caは、レール圧延時においてオーステナイト粒の微細化を図り、同時に、パーライト変態を促進し、パーライト組織の延性を向上させる。Alは、共析変態温度を高温側へ移動させ、パーライト組織を強化し、レールの耐摩耗性向上させる。さらに、共析炭素量を高炭素側へ移動させ、初析セメンタイト組織の生成を抑制する。Zrは、ZrO介在物が高炭素レール鋼の凝固核となり、凝固組織の等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、初析セメンタイト組織の厚さを微細化し、レールの延性低下を防止する。Nはオーステナイト粒界からのパーライト変態を促進させ、パーライト組織を微細にすることより、延性を向上させることが主な添加目的である。 Cu dissolves in the ferrite in the pearlite structure and increases the hardness of the pearlite structure. Ni prevents embrittlement during hot rolling due to addition of Cu, and at the same time improves the hardness of pearlite steel and further prevents softening of the heat affected zone of the weld joint. Ti refines the structure of the heat-affected zone and prevents embrittlement of the weld joint. Mg and Ca make austenite grains finer during rail rolling, and at the same time promote pearlite transformation and improve the ductility of the pearlite structure. Al moves the eutectoid transformation temperature to the high temperature side, strengthens the pearlite structure, and improves the wear resistance of the rail. Furthermore, the amount of eutectoid carbon is moved to the high carbon side, and the formation of proeutectoid cementite structure is suppressed. Zr suppresses the formation of a segregation zone at the center of the slab by increasing the equiaxed crystallization rate of the solidified structure by the inclusion of ZrO 2 inclusions as the solidification nucleus of the high carbon rail steel, and the thickness of the proeutectoid cementite structure To reduce the ductility of the rail. N is mainly intended to improve ductility by promoting pearlite transformation from the austenite grain boundary and making the pearlite structure fine.

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。
Siは、製鋼時の脱酸剤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、延性の低下を抑制する元素である。
しかし、Si量が0.10%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、レール頭部の耐摩耗性に有害なマルテンサイト組織が生成する。このため、Si量を0.10〜2.00%に限定することが好ましい。
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0.10%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、レール頭部の耐摩耗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量を0.10〜2.00%に限定することが好ましい。
Crは、パーライトの平衡変態点を上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にして高硬度(強度)化に寄与すると同時に、セメンタイト相を強化して、パーライト組織の硬度(強度)を向上させることにより耐摩耗性を向上させる元素であるが、Cr量が0.05%未満では、その効果は小さい。また、Cr量が2.00%を超えると、焼入性が著しく増加し、マルテンサイト組織が多量に生成し、レール頭部の耐摩耗性が低下する。このため、Cr量を0.05〜2.00%に限定することが好ましい。
The reasons for limiting these components will be described in detail below.
Si is an essential component as a deoxidizer during steelmaking. 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 ductility.
However, if the Si amount is less than 0.10%, these effects cannot be expected sufficiently. On the other hand, if the Si content exceeds 2.00%, many surface defects are generated during hot rolling, and weldability is deteriorated due to generation of oxides. Furthermore, the hardenability is remarkably increased and a martensite structure is generated which is detrimental to the wear resistance of the rail head. For this reason, it is preferable to limit the amount of Si to 0.10 to 2.00%.
Mn is an element that increases the hardenability and refines the pearlite lamella spacing, thereby ensuring the hardness of the pearlite structure and improving the wear resistance. However, if the amount of Mn is less than 0.10%, the effect is small, and it becomes 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 the wear resistance of the rail head is easily generated. For this reason, it is preferable to limit the amount of Mn to 0.10 to 2.00%.
Cr raises the equilibrium transformation point of pearlite and, as a result, refines the pearlite structure and contributes to higher hardness (strength), and at the same time, strengthens the cementite phase and improves the hardness (strength) of the pearlite structure. Although it is an element that improves wear resistance, the effect is small when the Cr content is less than 0.05%. On the other hand, if the Cr content exceeds 2.00%, the hardenability is remarkably increased, a large amount of martensite structure is generated, and the wear resistance of the rail head is lowered. For this reason, it is preferable to limit the amount of Cr to 0.05 to 2.00%.

Moは、Cr同様パーライトの平衡変態点を上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にすることにより高硬度(強度)化に寄与し、パーライト組織の硬度(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%を超えると、パーライト組織の変態速度が著しく低下し、レール頭部の耐摩耗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、Mo添加量を0.01〜0.50%に限定することが好ましい。
Vは、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、パーライト組織の硬度(強度)を高めるの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、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、パーライト組織の硬度の向上や延性の改善は認められない。また、V量が0.50%を超えると、疲労き裂の起点となる粗大なVの炭化物やVの窒化物が生成し、レール頭部の耐内部疲労損傷性が低下する。このため、V量を0.005〜0.50%に限定することが好ましい。
Mo, like Cr, is an element that raises the equilibrium transformation point of pearlite and contributes to the increase in hardness (strength) by making the pearlite structure fine, and improves the hardness (strength) of pearlite structure. If the amount 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. On the other hand, if the Mo content exceeds 0.50%, the transformation rate of the pearlite structure is remarkably reduced, and a martensite structure that is harmful to the wear resistance of the rail head is easily generated. For this reason, it is preferable to limit Mo addition amount to 0.01 to 0.50%.
V is an element effective for increasing the hardness (strength) of the pearlite structure by precipitation hardening due to V carbide and V nitride generated in the cooling process after hot rolling. In addition, it is an element 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 in the heat affected zone reheated to a temperature range below Ac1 point. is there. However, if the amount of V is less than 0.005%, the effect cannot be sufficiently expected, and improvement in the hardness of the pearlite structure and improvement in ductility are not recognized. On the other hand, if the V content exceeds 0.50%, coarse V carbides and V nitrides, which are the starting points of fatigue cracks, are generated, and the internal fatigue damage resistance of the rail head is reduced. For this reason, it is preferable to limit the amount of V to 0.005 to 0.50%.

Nbは、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、パーライト組織の硬度(強度)を高めるの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、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、その効果は、Nb量が0.002%未満では、その効果は期待できず、パーライト組織の硬度の向上や延性の改善は認められない。また、Nb量が0.050%を超えると、疲労き裂の起点となる粗大なNbの炭化物やNbの窒化物が生成し、レール頭部の耐内部疲労損傷性が低下する。このため、Nb量を0.002〜0.050%に限定することが好ましい。
Bは、旧オーステナイト粒界に鉄炭ほう化物を形成し、初析セメンタイト組織の生成を微細化し、同時に、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、頭部の硬度分布を均一化することにより、レールの延性低下を防止し、高寿命化を図る元素である。B量が0.0001%未満では、その効果は十分でなく、初析セメンタイト組織の生成や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、旧オーステナイト粒界に、疲労き裂の起点となる粗大な鉄の炭ほう化物が生成し、レール頭部の耐内部疲労損傷性が大きく低下することから、B量を0.0001〜0.0050%に限定することが好ましい。
Nb is an element effective in increasing the hardness (strength) of the pearlite structure by precipitation hardening with Nb carbide and Nb nitride generated in the cooling process after hot rolling. Moreover, in the heat affected zone reheated to a temperature range below the Ac1 point, Nb carbide and Nb nitride are stably generated from the low temperature range to the high temperature range, and the weld joint heat affected zone is prevented from being softened. It is an effective element. However, the effect cannot be expected when the Nb content is less than 0.002%, and no improvement in the hardness of the pearlite structure or improvement in the ductility is observed. On the other hand, if the Nb content exceeds 0.050%, coarse Nb carbides and Nb nitrides that are the starting points of fatigue cracks are generated, and the internal fatigue damage resistance of the rail head is reduced. For this reason, it is preferable to limit the amount of Nb to 0.002 to 0.050%.
B forms iron boride at the prior austenite grain boundaries, refines the formation of proeutectoid cementite structure, and at the same time reduces the cooling rate dependence of the pearlite transformation temperature and makes the head hardness distribution uniform. Therefore, it is an element that prevents the deterioration of the ductility of the rail and extends the life. If the amount of B is less than 0.0001%, the effect is not sufficient, and no improvement is observed in the formation of proeutectoid cementite structure and the hardness distribution of the rail head. On the other hand, if the amount of B exceeds 0.0050%, coarse iron carbon borides that become the starting point of fatigue cracks are generated at the prior austenite grain boundaries, and the internal fatigue damage resistance of the rail head is greatly reduced. Therefore, it is preferable to limit the B amount to 0.0001 to 0.0050%.

Cuは、パーライト組織中のフェライトに固溶し、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、レール頭部の耐摩耗性に有害なマルテンサイト組織が生成しやすくなる。さらに、パーライト組織中のフェライト相の延性が著しく低下し、レール頭部の耐表面損傷性が低下する。このため、Cu量を0.05〜1.00%に限定することが好ましい。
Niは、Cu添加による熱間圧延時の脆化を防止し、同時に、フェライトへの固溶強化によりパーライト鋼の高硬度(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と複合でNiTiの金属間化合物が微細に析出し、析出強化により軟化を抑制する元素である。Ni量が0.01%未満では、その効果が著しく小さい。また、Ni量が1.00%を超えると、パーライト組織中のフェライト相の延性が著しく低下し、レール頭部の耐表面損傷性が低下する。このため、Ni量を0.01〜1.00%に限定することが好ましい。
Cu is an element that dissolves in the ferrite in the pearlite structure and improves the hardness (strength) of the pearlite structure by solid solution strengthening. If the amount of Cu is less than 0.05%, the effect cannot be expected. On the other hand, when the Cu content exceeds 1.00%, a martensite structure that is harmful to the wear resistance of the rail head is likely to be generated due to a marked improvement in hardenability. Furthermore, the ductility of the ferrite phase in the pearlite structure is significantly reduced, and the surface damage resistance of the rail head is reduced. For this reason, it is preferable to limit the amount of Cu to 0.05 to 1.00%.
Ni is an element that prevents embrittlement during hot rolling due to the addition of Cu, and at the same time, increases the hardness (strength) of pearlite steel by solid solution strengthening in ferrite. Further, in the weld heat affected zone, Ni 3 Ti intermetallic compound is finely precipitated in combination with Ti, and is an element that suppresses softening by precipitation strengthening. If the amount of Ni is less than 0.01%, the effect is remarkably small. On the other hand, if the Ni content exceeds 1.00%, the ductility of the ferrite phase in the pearlite structure is remarkably lowered, and the surface damage resistance of the rail head is lowered. For this reason, it is preferable to limit the amount of Ni 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、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、その効果は少ない。また、Ti量が0.0500%を超えると、疲労き裂の起点となる粗大なTiの炭化物、Tiの窒化物が生成して、レール頭部の耐内部疲労損傷性が大きく低下することから、Ti量を0.0050〜0.0500%に限定することが好ましい。
Mgは、O、または、SやAl等と結合して微細な酸化物を形成し、レール圧延時の再加熱において、結晶粒の粒成長を抑制し、オーステナイト粒の微細化を図り、パーライト組織の延性を向上させるのに有効な元素である。さらに、MgO、MgSがMnSを微細に分散させ、MnSの周囲にMnの希薄帯を形成し、パーライト変態の生成に寄与し、その結果、パーライトブロックサイズを微細化することにより、パーライト組織の延性を向上させるのに有効な元素である。しかし、Mg量が0.0005%未満では、その効果は弱い。また、Mg量が0.0200%を超えると、疲労き裂の起点となるMgの粗大酸化物が生成し、レール頭部の耐内部疲労損傷性を低下させるため、Mg量を0.0005〜0.0200%に限定することが好ましい。
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 amount of Ti is less than 0.0050%, the effect is small. In addition, if the Ti content exceeds 0.0500%, coarse Ti carbide and Ti nitride, which are the starting points of fatigue cracks, are generated, and the internal fatigue damage resistance of the rail head is greatly reduced. It is preferable to limit the amount of Ti to 0.0050 to 0.0500%.
Mg combines with O, S, Al, etc. to form fine oxides, suppresses grain growth during reheating during rail rolling, refines austenite grains, It is an effective element for improving the ductility of the steel. In addition, MgO and MgS finely disperse MnS, forming a thin Mn band around MnS, contributing to the generation of pearlite transformation, and as a result, by reducing the pearlite block size, the ductility of the pearlite structure It is an effective element for improving However, if the amount of Mg is less than 0.0005%, the effect is weak. On the other hand, if the Mg content exceeds 0.0200%, a coarse oxide of Mg that becomes the starting point of fatigue cracks is generated and the internal fatigue damage resistance of the rail head is reduced. It is preferable to limit to 0.0200%.

Caは、Sとの結合力が強く、CaSとして硫化物を形成し、さらに、CaSがMnSを微細に分散させ、MnSの周囲にMnの希薄帯を形成し、パーライト変態の生成に寄与し、その結果、パーライトブロックサイズを微細化することにより、パーライト組織の延性を向上させるのに有効な元素である。しかし、Ca量が0.0005%未満では、その効果は弱い。しかし、Ca量が0.0150%を超えると、疲労き裂の起点となるCaの粗大酸化物が生成し、レール頭部の耐内部疲労損傷性を低下させるため、Ca量を0.0005〜0.0150%に限定することが好ましい。
Alは、製鋼時の脱酸剤として必須の成分である。また、共析変態温度を高温側へ、共析炭素量を高炭素側へ移動させる元素であり、パーライト組織の高強度化と初析セメンタイト組織の生成抑制に有効な元素である。しかし、Al量が0.0100%以下では、その効果は弱い。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、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ため、Al量を0.0100〜1.00%に限定することが好ましい。
Ca has a strong binding force with S and forms a sulfide as CaS. Further, CaS finely disperses MnS, forms a Mn dilute band around MnS, and contributes to the generation of pearlite transformation. As a result, it is an effective element for improving the ductility of the pearlite structure by reducing the pearlite block size. However, when the Ca content is less than 0.0005%, the effect is weak. However, if the Ca content exceeds 0.0150%, a coarse oxide of Ca that becomes the starting point of fatigue cracks is generated, and the internal fatigue damage resistance of the rail head is reduced. It is preferable to limit to 0.0150%.
Al is an essential component as a deoxidizer during steelmaking. In addition, it is an element that moves the eutectoid transformation temperature to the higher temperature side and the amount of eutectoid carbon to the higher carbon side, and is an effective element for increasing the strength of the pearlite structure and suppressing the formation of the proeutectoid cementite structure. However, when the Al content is 0.0100% or less, the effect is weak. Also, if the Al content exceeds 1.00%, it becomes difficult to make a solid solution in the steel, and coarse alumina inclusions that become the starting point of fatigue cracks are generated, resulting in resistance to internal fatigue damage of the rail head. Decreases. Moreover, since an oxide produces | generates at the time of welding and weldability falls remarkably, it is preferable to limit Al amount to 0.0100 to 1.00%.

Zrは、ZrO介在物がγ−Feとの格子整合性が良いため、γ−Feが凝固初晶である高炭素レール鋼の凝固核となり、凝固組織の等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、レール偏析部に生成する初析セメンタイト組織の生成を抑制する元素である。しかし、Zr量が0.0001%以下では、ZrO系介在物の数が少なく、凝固核として十分な作用を示さない。その結果、偏析部に初析セメンタイト組織が生成し、レールの延性を低下させる。また、Zr量が0.2000%を超えると、疲労き裂の起点となる粗大Zr系介在物が多量に生成し、レール頭部の耐内部疲労損傷性が低下する。このため、Zr量を0.0001〜0.2000%に限定することが好ましい。
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パーライト変態を促進させ、パーライトブロックサイズを微細化することにより、パーライト組織の延性を向上させるのに有効な元素である。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、レール頭部の耐内部疲労損傷性が低下する。このため、N量を0.0060〜0.0200%に限定することが好ましい。
なお、レール鋼においては、Nは不純物として最大0.0050%程度含まれる。したがって、上記の効果を得るためには、Nは少なくとも0.0060%以上の添加が必要である。
Zr has a good lattice matching with γ-Fe because ZrO 2 inclusions have a good lattice matching with γ-Fe, so that γ-Fe becomes a solidification nucleus of high-carbon rail steel that is a solidification primary crystal and increases the equiaxed crystallization rate of the solidification structure. An element that suppresses the formation of a segregation zone at the center of a slab and suppresses the formation of a pro-eutectoid cementite structure generated in a rail segregation portion. However, when the amount of Zr is 0.0001% or less, the number of ZrO 2 inclusions is small, and a sufficient action as a solidification nucleus is not exhibited. As a result, a pro-eutectoid cementite structure is generated in the segregation part, and the ductility of the rail is lowered. On the other hand, if the amount of Zr exceeds 0.2000%, a large amount of coarse Zr-based inclusions that become the starting point of fatigue cracks are generated, and the internal fatigue damage resistance of the rail head is reduced. For this reason, it is preferable to limit the amount of Zr to 0.0001 to 0.2000%.
N is an element effective for improving the ductility of the pearlite structure by promoting segregation at the austenite grain boundary to promote pearlite transformation from the austenite grain boundary and 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, so that the internal fatigue damage resistance of the rail head is lowered. For this reason, it is preferable to limit N amount to 0.0060 to 0.0200%.
In the rail steel, N is contained as a maximum of about 0.0050% as an impurity. Therefore, to obtain the above effect, N needs to be added in an amount of at least 0.0060%.

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目的の形状の鋼レールとして製造される。次に、この熱間圧延した高温度の熱を保有する鋼レール、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すことにより、レール頭部において、高硬度なパーライト組織を安定的に生成させることが可能となる。   Rail steel composed of the above components is melted in a commonly used melting furnace such as a converter, electric furnace, etc., and this molten steel is ingot-bundled or continuously cast, and further hot-rolled. After that, it is manufactured as a steel rail of the desired shape. Next, by applying accelerated cooling to the hot-rolled steel rail that retains high-temperature heat, or the rail head that has been reheated to a high temperature for the purpose of heat treatment, Can be stably generated.

(2)レール頭部のパーライト組織の硬さとその範囲の限定理由
次に、鋼レールの頭部コーナー部および頭頂部表面を起点として、少なくとも深さ20mmの範囲を、硬さHv300〜500の範囲のパーライト組織に限定することが好ましい理由について以下に説明する。
まず、硬さHv300〜500の範囲のパーライト組織の範囲を頭部コーナー部および頭頂部表面を起点として、少なくとも深さ20mmの範囲に限定することが好ましい理由について説明する。
硬さHv300〜500のパーライト組織の存在する範囲が、頭部コーナー部および頭頂部の該頭部表面を起点として深さ20mm未満では、重荷重鉄道のレールにおいて、耐摩耗性を維持するには小さく、十分なレール使用寿命の向上が図れない。また、硬さHv300〜500のパーライト組織の存在する範囲が、頭部コーナー部および頭頂部の該頭部表面を起点として深さ30mm以上であれば、さらにレール使用寿命が向上し、より望ましい。
(2) Hardness of pearlite structure of rail head and reason for limitation of the range Next, starting from the head corner and head surface of the steel rail, at least a range of 20 mm in depth is a range of hardness Hv300 to 500 The reason why it is preferable to limit to the pearlite structure is described below.
First, the reason why it is preferable to limit the range of the pearlite structure in the range of hardness Hv 300 to 500 to a range of at least a depth of 20 mm starting from the head corner and the top surface will be described.
If the range in which the pearlite structure having a hardness of Hv 300 to 500 exists is less than 20 mm in depth starting from the head surface at the corner of the head and the top of the head, in order to maintain wear resistance in the rail of heavy-duty railways It is too small to improve the service life of the rail. Moreover, if the range where the pearlite structure | tissue of hardness Hv300-500 exists is 30 mm or more in depth starting from this head surface of a head corner part and a head part, a rail service life will improve further and it is more desirable.

次に、頭部コーナー部および頭頂部の該頭部表面を起点として深さ20mmの範囲のパーライト組織の硬さをHv300〜500の範囲に限定することが好ましい理由について説明する。
本発明に係るレール鋼の成分系では、パーライト組織の硬さがHv300未満になると、レール頭部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、鋼レールにおいて車両の車輪と接するころがり面に、塑性変形起因のフレーキング損傷が発生し、レール頭部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、パーライト損傷の延性が著しく低下し、ころがり面のスポーリング損傷が発生し、レール頭部の耐表面損傷性が低下する。このためパーライト組織の硬さをHv300〜500の範囲に限定することが好ましい。
Next, the reason why it is preferable to limit the hardness of the pearlite structure having a depth of 20 mm to the range of Hv 300 to 500 starting from the head surface at the head corner and the top of the head will be described.
In the rail steel component system according to the present invention, when the hardness of the pearlite structure is less than Hv300, it is difficult to ensure the wear resistance of the rail head, and the service life of the rail is reduced. Further, flaking damage caused by plastic deformation occurs on the rolling surface of the steel rail that comes into contact with the vehicle wheel, and the surface damage resistance of the rail head is greatly reduced. Further, when the hardness of the pearlite structure exceeds Hv500, the ductility of pearlite damage is remarkably reduced, the spalling damage of the rolling surface is generated, and the surface damage resistance of the rail head is lowered. For this reason, it is preferable to limit the hardness of a pearlite structure to the range of Hv300-500.

ここで、図1に本発明の耐摩耗性に優れた高炭素パーライト系鋼レールの第1実施形態における、頭部断面表面位置での呼称、および、硬さHv300〜500のパーライト組織が必要な領域を示す。
本実施形態の鋼レールAはレール頭部Bと脚柱部Cと脚部Dとからなり、前記レール頭部Bにおいて、1は頭頂部、2は該頭頂部1の両側に形成されている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。
本願明細書で規定したレール頭表部(請求項1、2において規定)とは、前記頭部コーナー部2、頭頂部1の表面を起点として深さ5mmまでの範囲を示し、少なくとも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、鋼レールAにおいて耐摩耗性の向上が図れる。
Here, in FIG. 1, the designation at the head cross-sectional surface position and the pearlite structure of hardness Hv 300 to 500 in the first embodiment of the high carbon pearlite steel rail excellent in wear resistance of the present invention are required. Indicates the area.
The steel rail A according to this embodiment includes a rail head B, a pedestal C, and a leg D. In the rail head B, 1 is formed on the top of the head, and 2 is formed on both sides of the top 1 of the head. It is a head corner portion, and one of the head corner portions 2 is a gauge corner (GC) portion that mainly contacts the wheel.
The rail head surface defined in the specification of the present application (specified in claims 1 and 2) means a range up to a depth of 5 mm starting from the surface of the head corner 2 and the top 1 and at least at this part. If the pearlite structure in the above component range is arranged, the wear resistance of the steel rail A can be improved.

また、本願明細書で限定した硬さHv300〜500のパーライト組織(請求項12において規定)は、頭部コーナー部2、頭頂部1の表面を起点として深さ20mmまでの範囲、すなわち、少なくとも図1中の斜線で示す範囲内に配置されていれば、鋼レールAとしての耐摩耗性がより一層確保され、鋼レールAの使用寿命の向上が図れる。
したがって、硬さHv300〜500のパーライト組織は、車輪と鋼レールAが主に接するレール頭部表面近傍に配置することが望ましく、それ以外の部分はパーライト組織以外の金属組織であってもよく、特に限定されるものではない。
なお、レール頭部Bにおいて、硬さHv300〜500のパーライト組織を得る方法としては、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、特開平8−246100号公報、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。
Further, the pearlite structure (defined in claim 12) having a hardness Hv of 300 to 500 defined in the specification of the present application is a range up to a depth of 20 mm starting from the surfaces of the head corner portion 2 and the head top portion 1, that is, at least in the figure. If it arrange | positions in the range shown with the oblique line in 1, the abrasion resistance as the steel rail A will be ensured further, and the service life of the steel rail A will be improved.
Therefore, it is desirable to arrange the pearlite structure having a hardness of Hv 300 to 500 in the vicinity of the rail head surface where the wheel and the steel rail A mainly contact, and the other part may be a metal structure other than the pearlite structure. It is not particularly limited.
In addition, as a method for obtaining a pearlite structure having a hardness of Hv 300 to 500 in the rail head B, it is desirable to perform accelerated cooling on a high-temperature rail head having an austenite region after rolling or after reheating. As a method of accelerated cooling, a predetermined structure and hardness can be obtained by performing heat treatment by a method as described in JP-A-8-246100, JP-A-9-111352 and the like.

例えば、特開平8−246100号公報に記載されている方法の一例として、高温に加熱された鋼レールAの頭部をオーステナイト域温度から冷却停止温度700〜500℃までの間を1〜10℃/secで加速冷却する条件を選択することにより、粗大で、かつ、硬さの低いパーライト組織および靭性・耐摩耗性に有害なマルテンサイト組織を生成しないようにして、低温度域で硬さの高いパーライト組織を生成させるという条件を選択することができる。   For example, as an example of the method described in JP-A-8-246100, the head of the steel rail A heated to a high temperature is 1-10 ° C. between the austenite region temperature and the cooling stop temperature 700-500 ° C. By selecting the conditions for accelerated cooling at / sec, the coarse and low hardness pearlite structure and the martensite structure that is harmful to toughness and wear resistance are not generated. A condition for generating a high pearlite structure can be selected.

また、本発明に係るレール頭部の金属組織は、上記限定のようなパーライト組織であることが望ましい。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、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、これらの組織が混入しても、レール頭部の耐摩耗性には大きな悪影響を及ぼさないため、本願の耐摩耗性に優れたパーライト系レールの組織としては、若干の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の混在も含んでいるものとする。   In addition, the metal structure of the rail head according to the present invention is desirably a pearlite structure as described above. However, a trace amount of pro-eutectoid ferrite structure, pro-eutectoid cementite structure, bainite structure, and martensite structure may be mixed in the pearlite structure depending on the rail component system and heat treatment manufacturing method. However, even if these structures are mixed, since it does not have a large adverse effect on the wear resistance of the rail head, as the structure of the pearlite rail excellent in wear resistance of the present application, some proeutectoid ferrite structures, It also includes a mixture of proeutectoid cementite structure, bainite structure, and martensite structure.

次に、本発明の実施例について説明する。
表1に本発明に係る各レール鋼の化学成分、レール頭部のミクロ組織(頭表面下2mm、20mm)、レール頭部の硬さ(頭表面下2mm、20mm)を示す。また、表1には図2に示す強制冷却条件下における西原式摩耗試験での70万回繰り返し後のレール頭部材料の摩耗量も併記した。
尚、表1における鋼A〜鋼、鋼H、I及び鋼K〜鋼Nはいずれも、参考例である。
また、図2において、3はレール試験片、4は相手材(車輪材)、5は圧搾空気などの冷媒を噴出可能な冷却用ノズルである。
図3は表1と表2に示す摩耗試験に用いた試験片をレール頭部Bから採取した位置を図示したものである。
Next, examples of the present invention will be described.
Table 1 shows the chemical composition of each rail steel according to the present invention, the microstructure of the rail head (2 mm below the head surface, 20 mm), and the hardness of the rail head (2 mm below the head surface, 20 mm). Table 1 also shows the amount of wear of the rail head material after 700,000 repetitions in the Nishihara type abrasion test under the forced cooling condition shown in FIG.
In Table 1, Steel A to Steel F , Steel H and I, and Steel K to Steel N are all reference examples.
Moreover, in FIG. 2, 3 is a rail test piece, 4 is a counterpart material (wheel material), 5 is a cooling nozzle which can eject refrigerants, such as compressed air.
FIG. 3 shows the positions where the test pieces used in the wear tests shown in Tables 1 and 2 were taken from the rail head B. FIG.

表2に比較例としての各レール鋼の化学成分、レール頭部のミクロ組織(頭表面下2mm、20mm)、レール頭部の硬さ(頭表面下2mm、20mm)を示す。また、表2には図2に示す強制冷却条件下における西原式摩耗試験での70万回繰り返し後のレール頭部材料の摩耗量も併記した。   Table 2 shows the chemical composition of each rail steel as a comparative example, the microstructure of the rail head (2 mm below the head surface, 20 mm), and the hardness of the rail head (2 mm below the head surface, 20 mm). Table 2 also shows the amount of wear of the rail head material after 700,000 repetitions in the Nishihara type abrasion test under the forced cooling condition shown in FIG.

Figure 0004828109
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Figure 0004828109
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なお、表1、2に示す試験結果を得るために適用した各レール鋼の構成は以下のとおりである。
○本発明レール鋼(14本)。表1に符号A〜Nで示す(鋼A〜鋼、鋼H、I及び鋼K〜鋼Nは参考例)。
上記成分範囲内で、レール頭表部の少なくとも一部がパーライト組織であることを特徴とする耐摩耗性および延性に優れたパーライト系鋼レール。
○比較レール鋼(12本)。表2に符号O〜Zで示す。
符号O〜Q:C、SiおよびMnの添加量が上記請求範囲外の比較レール鋼(3本)。
符号R〜Z:Coの添加量が上記請求範囲外の比較レール鋼(9本)。
In addition, the structure of each rail steel applied in order to obtain the test result shown in Tables 1 and 2 is as follows.
○ Invention rail steel (14). It shows with the code | symbol A-N in Table 1 (steel A-steel F , steel H, I, and steel K-steel N are reference examples).
A pearlitic steel rail excellent in wear resistance and ductility, characterized in that at least a part of a rail head surface portion has a pearlite structure within the above-mentioned component range.
○ Comparison rail steel (12 pieces). Table 2 shows the symbols O to Z.
Reference signs O to Q: Comparative rail steels (additions of C, Si and Mn) outside the above claims.
Reference signs R to Z: Comparative rail steel (9) in which the amount of Co added is outside the above-mentioned claims.

図4は表1に示す本発明レール鋼(符号:A〜N)と表2に示す比較レール鋼(符号:R〜Z)の摩耗試験結果における炭素量と摩耗量の関係を示したものである。
各種試験は次のとおりとした。
○摩耗試験
試験機:西原式摩耗試験機(図2参照)
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3参照)
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
FIG. 4 shows the relationship between the amount of carbon and the amount of wear in the wear test results of the rail steel of the present invention shown in Table 1 (symbol: A to N) and the comparative rail steel shown in Table 2 (symbol: R to Z). is there.
The various tests were as follows.
○ Abrasion test Tester: Nishihara type wear tester (see Fig. 2)
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. 3)
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

表1、表2に示すように、本発明に係るレール鋼(符号:A〜N。但し、鋼A〜鋼、鋼H、I及び鋼K〜鋼Nは参考例。)では、比較レール鋼(符号:O〜Q)と比べて、C、Si、Mnの添加量をある一定範囲内に納めることにより、レールの耐摩耗性や延性に悪影響を与える初析セメンタイト組織やマルテンサイト組織などを生成させず、耐摩耗性に優れたパーライト組織とすることができた。 As shown in Tables 1 and 2, the rail steels according to the present invention (signs: A to N, where Steel A to Steel F , Steel H and I, and Steel K to Steel N are reference examples) are comparative rails. Compared to steel (code: O to Q), by adding the amount of C, Si, Mn within a certain range, proeutectoid cementite structure or martensite structure that adversely affects the wear resistance and ductility of the rail, etc. It was possible to obtain a pearlite structure excellent in wear resistance.

また、表1、表2に示すように、本発明レール鋼(符号:A〜N。但し、鋼A〜鋼、鋼H、I鋼K〜鋼Nは参考例。)は、比較レール鋼(符号:R〜Z)と比べて、Co量をある一定範囲内に納めることにより、パーライト組織を呈するレールの耐摩耗性をより一層向上させることが可能となった。 In addition, as shown in Tables 1 and 2, the rail steel of the present invention (signs: A to N , where Steel A to Steel F , Steel H, I Steel K to Steel N are reference examples) is a comparative rail steel. Compared with (symbol: R to Z), by keeping the amount of Co within a certain range, it was possible to further improve the wear resistance of the rail exhibiting a pearlite structure.

以上の摩耗試験の結果を鋼の炭素量との相関でまとめると、図4に示すように、同一炭素量では、Co添加量が0.003%未満のレール鋼と比較して、微量のCoを添加(0.003〜0.10mass%)したレール鋼は、摩耗量が少なく、耐摩耗性が顕著に向上していることを確認できた。
なお、図4に示す関係は、表1に示す各試料の炭素量並びに摩耗量と表2に示す各試料の炭素量並びに摩耗量に着目してプロットしたものである。
When the results of the above wear test are summarized by correlation with the carbon content of the steel, as shown in FIG. 4, at the same carbon content, a small amount of Co is added compared to the rail steel having a Co addition amount of less than 0.003%. It was confirmed that the rail steel added with (0.003 to 0.10 mass%) has a small amount of wear and the wear resistance is remarkably improved.
The relationship shown in FIG. 4 is plotted by paying attention to the carbon amount and wear amount of each sample shown in Table 1 and the carbon amount and wear amount of each sample shown in Table 2.

また、表1と表2に示す各試料の元素の含有量と試験結果について説明すると、表2の試料OはCを好ましい範囲(0.65〜1.40%)よりも多く含有した試料であるが、初析セメンタイトが析出して硬さが上昇し、試料PはSiを好ましい範囲(0.10〜2.00%)よりも多くした試料であるが、マルテンサイトが析出して硬さが上昇し、摩耗量が大幅に上昇し、試料QはMnを好ましい範囲(0.10〜2.00%)よりも多くした試料であるが硬さが上昇し、摩耗量も多かった。
また、試料R〜ZはCo含有量を好ましい範囲(0.003〜0.10%未満)よりも低くしてC量を好ましい範囲内で増減し、Si、Mn量についても好ましい範囲とした試料であるが、いずれの試料においても摩耗量は高めとなる結果となった。
これらに対しCとCoとSiとMnについて本発明の好ましい範囲を満足させた表1に示す試料はいずれもパーライトを主体とする組織であるか、若干の初析フェライトあるいは初析セメンタイトを有する組織であるが、いずれも目的のパーライトを主体とする組織となっている。
The element contents and test results of each sample shown in Table 1 and Table 2 will be described. Sample O in Table 2 is a sample containing more C than the preferred range (0.65-1.40%). Although the pro-eutectoid cementite is precipitated and the hardness is increased, the sample P is a sample in which Si is increased from the preferable range (0.10 to 2.00%), but martensite is precipitated and the hardness is increased. The sample Q was a sample in which Mn was increased from the preferred range (0.10 to 2.00%), but the hardness increased and the wear amount was large.
Samples R to Z are samples in which the Co content is made lower than the preferred range (less than 0.003 to less than 0.10%), the C amount is increased or decreased within the preferred range, and the Si and Mn amounts are also preferred. However, in all the samples, the wear amount increased.
On the other hand, all of the samples shown in Table 1 satisfying the preferred range of the present invention for C, Co, Si and Mn are structures mainly composed of pearlite, or structures having some pro-eutectoid ferrite or pro-eutectoid cementite. However, all of them are organizations mainly composed of the target perlite.

図1は本発明に係る耐摩耗性に優れたパーライト系鋼レールの一実施形態における頭部断面表面位置での呼称、および、同鋼レールにおいて高硬度のパーライト組織が必要とされる領域を示す図である。FIG. 1 shows the designation of the head cross-sectional surface position in one embodiment of the pearlite steel rail excellent in wear resistance according to the present invention, and the region where a high hardness pearlite structure is required in the steel rail. FIG. 図2は西原式摩耗試験機の概略構成を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory view showing a schematic configuration of the Nishihara type abrasion tester. 図3は表1と表2に示す実施例並びに比較例の摩耗試験に用いた試験片の鋼レールに対する採取位置を示す図。FIG. 3 is a view showing the sampling positions of the test pieces used in the abrasion tests of Examples and Comparative Examples shown in Tables 1 and 2 with respect to the steel rail. 図4は表1に示す本発明に係る鋼レール試験片(符号:A〜N)と表2に示す比較例の鋼レール試験片(符号:R〜Z)の個々の摩耗試験結果における炭素量と摩耗量の関係を示す図である。FIG. 4 shows the carbon content in the individual wear test results of the steel rail test pieces (reference characters: A to N) according to the present invention shown in Table 1 and the steel rail test pieces of the comparative example shown in Table 2 (reference characters: R to Z). It is a figure which shows the relationship between a wear amount.

符号の説明Explanation of symbols

A:鋼レール、
B:レール頭部、
C:脚柱部、
D:脚部、
1:頭頂部、
2:頭部コーナー部、
3:レール試験片、
4:相手材、
5:冷却用ノズル、

A: Steel rail,
B: Rail head,
C: pedestal,
D: Leg,
1: the top of the head,
2: Head corner,
3: Rail test piece,
4: Opponent material,
5: Nozzle for cooling,

Claims (4)

質量%で、
C:0.85%超〜1.40%、Co:0.003〜0.10%未満、Cr:0.05〜2.00%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼レールであって、該鋼レールの頭部コーナー部および頭頂部表面を起点として、少なくとも深さ20mmの範囲がパーライト組織であり、かつ、その硬さがHv300〜500の範囲であることを特徴とするパーライト系鋼レール。
% By mass
C: Steel rail containing more than 0.85% to 1.40%, Co: 0.003 to less than 0.10%, Cr: 0.05 to 2.00% , the balance being Fe and inevitable impurities The steel rail has a pearlite structure with a depth of at least 20 mm starting from the head corner and the top surface of the steel rail, and its hardness is in the range of Hv 300 to 500. Perlite steel rail.
質量%で、さらに
Mn:0.10〜2.00%を含有することを特徴とする請求項1に記載のパーライト系鋼レール。
In mass% ,
The pearlite steel rail according to claim 1, containing Mn: 0.10 to 2.00%.
質量%で、さらに、Cu:0.05〜1.00%を含有することを特徴とする請求項1〜2のいずれか1項に記載のパーライト系鋼レール。 In mass%, further, Cu: pearlitic steel rail according to any one of claims 1-2, characterized in that it contains 0.05 to 1.00%. 質量%で、さらに、Ni:0.01〜1.00%を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のパーライト系鋼レール。 In mass%, further, Ni: 0.01 to 1.00% pearlitic steel rail according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it contains.
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