JP5240971B2 - 高炭素鉄鋼レール部材及びその硬化処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、激しい衝撃力が繰り返し加えられる鉄鋼材料、例えば、鉄道線路で使用されるレール頭部等の高炭素鉄鋼部材に関し、特に、表面硬化処理を行うことで、表面損傷発生を抑制することができる表面硬化層を有する高炭素鉄鋼レール部材、及び表面に硬化層を形成するための硬化処理方法に関する。

従前においては、０．５〜１．０質量％の炭素を含有する高炭素鉄鋼材料で形成されたレール頭部を、加熱と冷却などの熱処理によって硬化処理をする方法として、圧縮空気による硬化熱処理方法が存在した。
この硬化処理方法は、図９に示すように、案内レール１０４上に配置されている駆動装置付台車１０３の上にレール１を乗せ、レール１を乗せた駆動装置付台車１０３を前進させることにより、レール１がレール頭部加熱部１０１とその先方に配置されたレール頭部冷却部１０２の下方を通過し、通過に際して加熱及び冷却が行われるようにするものである。

すなわち、レール頭部加熱部１０１に導かれたレール１の頭部は、レール頭部加熱部１０１を通過中に約１０００℃まで加熱され、引き続き、加熱されたレール１の頭部はレール頭部冷却部１０２に導かれ圧縮空気による強制空冷が行われる。強制空冷による冷却は、水冷のように急冷することなく、レール頭部表面の温度が８００℃から５００℃の間では３〜５℃／秒の比較的ゆっくりとした冷却速度で行われる。これにより、レール１の頭部表面から内部にかけてパーライト組織が微細化され、所望の硬さとすることができる。

例えば、０．８５質量％の炭素を含有している高炭素鉄鋼材料の表面は、ショア硬さで約ＨＳ５５になる。その硬さはレール１の内部に向かって順次低減し、表面から深さ１０mmの内部ではショア硬さで約ＨＳ４８になる。
このような硬化熱処理方法によって形成された高炭素鉄鋼材料から成るレール１の硬さは、炭素の含有量が多くなるに従い硬くなり、例えば１．０質量％の炭素を含有している高炭素鉄鋼材料の表面硬さは、ショア硬さで約ＨＳ５８になる。

しかしながら、上述した硬化熱処理による微細パーライト組織の硬さはショア硬さでＨＳ５８〜６０が限界で、これ以上炭素含有量を増やすと、レールの金属組織中に鋳物のように炭素が析出して脆くなるので好ましくない。
また、硬化熱処理時の冷却速度を５℃／秒以上にするとより硬化するが、これは硬くて脆いマルテンサイト組織が微細パーライト組織内に生成する為で、この組織の発生はレール１の靱性を低下させるので好ましくない。

上記の他に、レール１の表面にアルミニウム（Ａｌ）やタングステン（Ｗ）等の炭化物を付着・浸透させることによる表面硬化方法があるが、これらの方法では表面層のみの硬化であるので、表面摩耗等には効果はあるが、激しい衝撃力を繰り返し受ける箇所に適用しても効果はなかった。
すなわち、激しい衝撃力を繰り返し受ける箇所には、表面が硬く、かつ、内部も表面と同等の高い硬さが必要となる。

上述の硬化熱処理を行って硬化したレール１を、例えば、鉄道線路で使用される図１０の固定型クロッシング１０５のウイングレール１０７に使用した場合、欠線部分１０８を列車車輪１０９が渡る際に、列車車輪１０９がウイングレール乗り移り部１１０に衝撃を加えるため、この部分に凹みやキレツが発生するという問題があった。
同様の凹みやキレツは、列車車輪１０９が図１０の矢印の反対側から進行した時にノーズレール乗り移り部１１１にも発生するという問題もあった。

このため、列車車輪１０９が高速で固定型クロッシング１０５の欠線部分１０８を乗り移った際に生じる激しい衝撃によっても、凹みやキレツが生じないウイングレール１０７やノーズレール１０６の開発が望まれていた。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、高炭素鉄鋼材料に対して、硬化熱処理により生成した微細パーライト金属組織をさらに超微細化することにより、ショア硬さで最大ＨＳ８０まで硬化させた超硬化層を形成することができる高炭素鉄鋼レール部材、及びその硬化処理方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため本発明の高炭素鉄鋼レール部材（請求項１）は、硬化熱処理された０．５〜１．０質量％の炭素を含有する高炭素鉄鋼レール部材に対して、その表面を機械的手段で叩いて表面から１ｍｍ以上の深い範囲を塑性変形させることで硬化させた後に、塑性変形により生じた凸部を切削した平坦なショア硬さＨＳ５５〜８０の超硬化層を表面に形成して成ることを特徴としている。

また、本発明方法（請求項２）は、高炭素鉄鋼レール部材の表面に対しての硬化処理方法であって、次の工程を含むことを特徴としている。
硬化熱処理工程。この工程は、０．５〜１．０質量％の炭素を含有する高炭素鉄鋼レール部材の表面に対して熱処理を施すことでパーライト組織を微細化して表面硬さをショア硬さＨＳ４５〜６０まで硬化させるものである。
硬化層形成工程。この工程は、前記硬化熱処理工程で硬化された高炭素鉄鋼レール部材の表面を機械的手段で叩くことにより塑性変形させ、表面から深さ１ｍｍ以上の範囲の微細パーライト金属組織をさらに微細化することによりショア硬さで更にＨＳ１０〜２０硬化させた超硬化層を表面に形成するものである。

請求項３は、請求項２の高炭素鉄鋼レール部材の硬化処理方法において、前記硬化熱処理工程後で前記硬化層形成工程前に、硬化熱処理工程で硬化された高炭素鉄鋼レール部材の表面を４００℃でプレスして一定間隔で凹ませるプレス工程を有することを特徴としている。

請求項４は、請求項３の高炭素鉄鋼レール部材の硬化処理方法において、前記プレス工程後で硬化層形成工程前に、プレス工程で凹ませることにより塑性変形させた際に生じた凹凸の凸部を切削する切削工程を有することを特徴としている。

請求項５は、請求項２又は請求項３の高炭素鉄鋼レール部材の硬化処理方法において、硬化層形成工程の後に、硬化層形成工程における機械的手段で叩くことにより塑性変形させた際に生じた凹凸の凸部を切削する切削工程を有することを特徴としている。

本発明方法によれば、熱処理等で硬化されたパーライト組織を持つ高炭素鉄鋼材料の表面を
機械的方法で打撃を与えて塑性変形させ、より強固な硬化層を表面から内部にかけて形成させることにより、高炭素鉄鋼レール部材の表面に激しい衝撃力が繰り返し加えられても凹みとキレツの発生を抑制することができる。
したがって、本発明方法で作製した高炭素鉄鋼レール部材を固定クロッシングのウイングレールやノーズレールに使用した場合、それらのレールが列車車輪から激しい衝撃を受けても凹みやキレツの発生を抑制し、固定クロッシングの耐用寿命を延ばすことができる。

本発明に係る高炭素鉄鋼レール部材は、硬化熱処理された０．５〜１．０質量％の炭素を含有する高炭素鉄鋼材料に対して、その表面を機械的手段で叩いて塑性変形させることで、表面から深さ１ｍｍ以上の範囲の微細パーライト金属組織を微細化し、ショア硬さでＨＳ５５〜８０に硬化させた超硬化層を表面に形成して構成される。機械的手段には、後述するように、表面に対して振動する特殊機械式電動ハンマーが使用される。
この高炭素鉄鋼レール部材は、既に高炭素鉄鋼材料の表面に対して熱処理が施されてパーライト組織を微細化して表面硬さをショア硬さＨＳ４５〜６０まで硬化させた材料（硬化熱処理された材料）に対して、その表面を機械的手段で叩いて更にＨＳ１０〜２０硬化させる硬化層形成工程のみを施す場合と、高炭素鉄鋼材料に対して硬化熱処理工程と硬化層形成工程とを一連の処理工程で行う場合とがある。

以下、硬化熱処理工程と硬化層形成工程とを一連の処理工程で行う高炭素鉄鋼レール部材の硬化処理方法の実施形態の一例について、図面を参照しながら説明する。
高炭素鉄鋼レール部材の硬化処理方法は、図１に示すように、レール１が搬送される方向に沿って、レール１の表面を加熱する加熱装置２、レール１の表面を空冷する空冷装置２−１、レール１の表面温度を測定する温度測定装置３、レール１の表面をプレス圧子６でプレスする特殊プレス５、レール表面を切削するための予備研削刃８を有する予備金属研削機７、レール１の頭部を冷却するレール頭部冷却装置９、ハンマー押さえ１２で固定されてレール表面を叩くためのハンマー圧子１１を有する特殊機械式電動ハンマー１０、レール表面を切削する切削刃１４を有する金属研削機１３が設置されることで行われる。

レール１は、駆動装置（図示せず）が装着された台車１５，１５上に載置され、案内レール１６上を台車１５が前方に一定速度で移動することで搬送され、上述した加熱装置２、温度測定装置３、特殊プレス５の下を順次通過するようになっている。

レール１は、０．５〜１．０質量％の炭素を含有する高炭素鉄鋼材料から構成されている。加熱装置２は、レール１の頭部をバーナー火炎等で１０００℃まで加熱することができる装置である。空冷装置２−１は、１０００℃まで加熱されたレール１の頭部を冷却速度３〜５℃／秒（８００〜５００℃）で空冷することができる装置である。
温度測定装置３は、空冷装置２−１によるレール１の頭部の冷却温度を測定し、レール温度が４００℃より高い場合や低い場合に空冷装置２−１に供給する空気圧や量を制御装置４により調整することにより、空冷装置２−１での冷却温度を一定（４００℃）に保つように制御されている。すなわち、空冷装置２−１を通過したレール１の頭部は４００℃となっている。
したがってレール１は、加熱装置２と冷却装置２−１を通過することで、その頭部表面に対して熱処理が施され、パーライト組織を微細化して表面硬さをショア硬さＨＳ４５〜６０まで硬化させることができる（硬化熱処理工程）。

硬化熱処理により微細化したパーライト組織の延性は増加する。加熱温度と、硬さ・延性の関係は、図２に示すように、硬化熱処理により微細化したパーライト組織は３００℃以上になると硬さの低下が始まる。硬さの低下程度は４００℃ではショア硬さで約ＨＳ１、５００℃では約ＨＳ２である。一方、延性は３００℃以上からやや増加して４００℃でピークになり、以後低下する。
このように硬さの低下が最小で、延性が増加する４００℃においては、後述する硬化熱処理後に行われる特殊プレス５によりレール表面をプレスして凹ませ塑性変形させる際に、レール１のキレツ発生を防止することができる。

続いて、硬化熱処理されたレール１は、特殊プレス５の下に導かれる。特殊プレス５はその先端に昇降可能なプレス圧子６が装着されているので、４００℃まで加熱されたレール１の表面をプレス圧子６で上方よりプレスすることによりレール１の表面に凹みを形成する（プレス工程）。

特殊プレス５によりレール１の表面に形成された凹み１７は、図３に示すように、レール1の表面に、隣り合う凹み１７間に生じる突起１８の先端１９が、プレス圧子６により潰れないように一定の間隔で形成されるようにする。
凹み１７の深さは、レール１の凹み底面から３ｍｍ以上の部位が硬化するように決められる。また、プレス圧子６は、図４に示すように、先端は丸形状、その側面は円錐台形をしており、硬さはＨＳ８０程度のものを使用することで、レール１の表面に容易に凹みを作成することができるように構成されている。

特殊プレス５のプレス圧子６を使用してレールに対してプレス処理を行った場合、硬さが向上する深さの具体的な数値についての実験例を説明する。炭素含有量（０．６及び０．８５の２種）と、硬さ（凹み成形前の表面のシェア硬さ（ＨＳ））の異なるレールを４００℃に加熱してプレス処理を施した場合、凹み１７の深さ（３．０ｍｍ、５．０ｍｍ、８．０ｍｍ）と、凹み１７の底面からの硬化深さの関係は、表１に示すようになる。
例えば、０．８５質量％の炭素を含有して硬化熱処理により表面硬さがショア硬さでＨＳ５５になったレール１に、円錐台形の角度θ（図４）が１０度で、先端直径７ｍｍの平底のプレス圧子５を使用して、深さ５ｍｍの凹み１７を形成すると、表１より、凹み１７の底から深さ約４．５ｍｍまでの硬さが上昇する。
表１の全体からは、凹み１７の深さが大きい程、また、レールの硬さが低い程、凹み１７の底面からの硬化深さ（硬さが向上した深さ）は深くなることがわかる。ただし、炭素含有量が０．８５質量％の材料を使用し、凹み１７の深さを８．０ｍｍとした場合、キレツが発生する。

この凹み１７は、凹み１７の底面からの最大硬化深さが３ｍｍ以上になるように形成される。このように形成した凹み１７の硬さ分布は、図５に示すように、角部と中央部では同じではない。図５は、０．８５質量％の炭素を含有し、硬化熱処理により表面がショア硬さＨＳ５５になったレール１に凹み１７を加工した場合の各部位の硬さ分布を示したものである。この内、Ａは、表面下４．５ｍｍから深さ方向への硬さ分布、Ｂは凹み角部の深さ方向への硬さ分布、Ｃは凹み中央の深さ方向への硬さ分布である（図３のＡ，Ｂ，Ｃを参照）。凹み１７が形成された時にレール１に生じた塑性変形の程度が凹み１７の角と中央部とで異なるため、ＢとＣの部位では硬さ分布が異なる。複数の凹み１７を形成する場合は、図３に示す突起部１８の突起先端１９の高さが変わらないように一定の間隔で形成される。これは、凹み１７の底面の硬化形状を同一にするためである。
このように、特殊プレス５では、凹み１７の加工後、その突起部１８を研削すると、レール１の表層には部分的に異なる硬さ分布を持つ硬化層が形成される。

次に、レール１は、予備金属研削機７の下に導かれる。ここでは、予備金属研削機７の先端に装着された予備研削刃８により、前工程の特殊プレス５で形成された凹み１７の周囲の突起部１８を研削し、引き続いて行われる特殊機械式電動ハンマー９での成形が支障無く行われるようにレール１の表面を平坦化する処理が行われる（硬化層形成工程前の切削工程）。

レール１が予備金属研削機７の後方に配置されたレール頭部冷却装置９の下に導かれると、圧縮空気または水をレール1の頭部に吹き付けることにより、その温度を常温まで冷却する処理が行われる。

続いて、レール１は、特殊機械式電動ハンマー押え１２に装着された特殊機械式電動ハンマー１０の下に導かれる。特殊機械式電動ハンマー１０には、その先端にハンマー圧子１１が装着され、特殊機械式電動ハンマー押え１２によりハンマー圧子１１をレール１の表面に押しつけられた状態でハンマー圧子１１を上下に振動させることにより、レール１の表面に縦溝２０を形成する処理が行われる。

すなわち、特殊機械式電動ハンマー１０はその先端にハンマー圧子１１が装着され、かつ、その上方から特殊機械式電動ハンマー押え１２によりハンマー圧子１１の先端が、ハンマー圧子１１を上下に振動した時でもレール１の表面から離れないように打撃エネルギーと同等の力で押し付けられている。
その状態で図６に示す様に、レール１を移動しながらハンマー圧子１１を上下に振動させて、連続した縦溝２０をレール１の表面に形成する。
その結果、硬化熱処理工程で硬化された高炭素鉄鋼材料の表面をハンマー圧子１０で叩くことによりレール表面を塑性変形させ、表面から深さ１ｍｍ以上の微細パーライト金属組織をさらに微細化して、縦溝１９の下層にショア硬さで更にＨＳ１０〜２０硬化させた表面硬化層を形成することができる（硬化層形成工程）。

具体的には、打撃周波数４５Ｈｚ、ハンマー圧子１１の先端直径が５ｍｍ、ハンマー圧子１１の上下振動距離０．４ｍｍで、常温にて炭素含有量（０．６、０．８５、１．０の３種）と、硬さ（凹み底の最大のシェア硬さ（ＨＳ））の異なるレールに対して打撃を加えた場合、レール１の移動速度と縦溝２０の底からの硬化深さの関係は表２に示すようになる。表２より、移動速度が速い程、縦溝２０における底からの硬化深さ（形成される表面硬化層の深さ）は浅くなる。

特殊機械式電動ハンマー１０は、レール１の表面を均等に硬化できるように、レール幅方向に複数配置されている。
この硬化層形成工程により、特殊プレス５ではレール１の表層に形成された図５の硬さ分布Ａ，Ｂ，Ｃにおける表面から１．３ｍｍまでの部分が、図７の硬さ分布Ｄになり、表層に均等な硬さの表面硬化層が形成される。

次に、レール１が特殊機械式電動ハンマー押え１２の後方に配置された金属切削機１３の下に導かれると、金属研削機１３はその先端に研削刃１４が装着された装置であるので、特殊機械式電動ハンマー１０により形成された凹み（縦溝２０）の周囲の突起部２１（塑性変形させた際に生じた微小な凹凸の凸部）を研削し、レール１の表面を所定の形状に加工する処理が行われる（硬化層形成工程後の切削工程）。

なお、上記例ではレール１を移動させるようにしたが、レール１自体を固定して、加熱装置２、温度測定装置３、特殊プレス５、予備金属研削機６、レール頭部冷却装置９、特殊機械式電動ハンマー１０、金属研削機１３の各装置が移動する構成であってもよい。

上述した硬化処理方法によれば、レール１の表層から約１．３ｍｍまでの部分に図７の硬さ分布Ｄに示す表面硬化層が形成される。この方法では、レール１の表層における１．３〜４．０ｍｍの部分においても硬さ分布Ｂ，Ｃに示すようにある程度のシェア硬さを確保できる。
また、上述の硬化処理方法におけるプレス工程を省略し、特殊機械式電動ハンマー１０のみによる硬化処理を行うこともできる。この場合は、図８に示す縦溝２０の表層から１．３ｍｍの部位に表面硬化層が得られる。
なお、上述した硬化処理方法は、鉄道線路の分岐器に使用される車輪からの衝撃を受け易いクロッシングレールやウイングレールの部材として適しているが、他の箇所で使用されるレール部材全般に用いることもできる。

本発明による高炭素鉄鋼レール部材の硬化処理方法によれば、硬化熱処理によって硬化したレール表層を機械的方法で塑性変形させて更に硬化させるため、レール１の表面に更に硬化された表面硬化層を形成することができる。
そして、この表面硬化層が形成されたレールを鉄道線路で使用される固定型クロッシングにおける、列車車輪の激しい乗り移り衝撃力を受けるウイングレールとノーズレールに使用することにより、従来発生していた列車車輪のレール乗り移り衝撃による凹みやキレツの発生を防止することができ、耐久性の向上を図ることができる。

本発明の高炭素鉄鋼レール部材の硬化処理方法を説明するための手順を示す概略説明図である。 微細パーライト組織の温度と硬さ・延性の関係を示すグラフ図である。 特殊プレスによる硬化を説明するための概略工程説明図である。 硬化処理方法で使用される特殊プレス用圧子の先端形状を示す斜視説明図である。 特殊プレスによる硬化層の硬さ分布を示すグラフ図である。 特殊機械式電動ハンマーによる硬化層の形成方法である。 特殊プレスによる硬化層と特殊機械式電動ハンマーによる硬化層の硬さ分布を説明するためのグラフ図である。 特殊機械式電動ハンマーによる硬化の分布を説明するためのグラフ図である。 レール頭部を加熱・空冷することによって硬化する硬化熱処理方法の概略説明図である。 固定型クロッシングの欠線部上を列車の車輪が通過するときの説明図である。

１ レール
２ 加熱装置
２−１ 空冷装置
３ 温度測定装置
４ 制御装置
５ 特殊プレス
６ プレス圧子
７ 予備金属研削機
８ 予備研削刃
９ レール頭部冷却装置
１０ 特殊機械式電動ハンマー
１１ ハンマー圧子
１２ 特殊機械式電動ハンマー押え
１３ 金属研削機
１４ 研削刃
１５ 台車
１６ 案内レール
１７ 凹み
１８ 突起部
１９ 突起先端
２０ 縦溝
２１ 突起部
１０１ レール頭部加熱部
１０２ レール頭部冷却部
１０３ 駆動装置付台車
１０４ 案内レール
１０５ 固定型クロッシング
１０６ ノーズレール
１０７ ウイングレール
１０８ 欠線部分
１０９ 列車車輪
１１０ ウイングレール乗り移り部
１１１ ノーズレール乗り移り部

Claims (5)

1. 硬化熱処理された０．５〜１．０質量％の炭素を含有する高炭素鉄鋼レール部材に対して、その表面を機械的手段で叩いて表面から１ｍｍ以上の深い範囲を塑性変形させることで硬化させた後に、塑性変形により生じた凸部を切削した平坦なショア硬さＨＳ５５〜８０の超硬化層を表面に形成して成ることを特徴とする高炭素鉄鋼レール部材。
2. ０．５〜１．０質量％の炭素を含有する高炭素鉄鋼レール部材の表面に対して熱処理を施すことでパーライト組織を微細化して表面硬さをショア硬さＨＳ４５〜６０まで硬化させる硬化熱処理工程と、
   前記硬化熱処理工程で硬化された高炭素鉄鋼レール部材の表面を機械的手段で叩くことにより塑性変形させ、表面から深さ１ｍｍ以上の範囲の微細パーライト金属組織をさらに微細化することによりショア硬さで更にＨＳ１０〜２０硬化させた超硬化層を表面に形成する硬化層形成工程と
   を具備することを特徴とした高炭素鉄鋼レール部材の硬化処理方法。
3. 前記硬化熱処理工程後で前記硬化層形成工程前に、硬化熱処理工程で硬化された高炭素鉄鋼レール部材の表面を４００℃でプレスして一定間隔で凹ませるプレス工程を有する請求項２に記載の高炭素鉄鋼レール部材の硬化処理方法。
4. 前記プレス工程後で硬化層形成工程前に、プレス工程で凹ませることにより塑性変形させた際に生じた凹凸の凸部を切削する切削工程を有する請求項３に記載の高炭素鉄鋼レール部材の硬化処理方法。
5. 前記硬化層形成工程後に、硬化層形成工程における機械的手段で叩くことにより塑性変形させた際に生じた凹凸の凸部を切削する切削工程を有する請求項２又は請求項３に記載の高炭素鉄鋼レール部材の硬化処理方法。

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