JP5282506B2 - Internal high hardness type pearlitic steel rail with excellent wear resistance and fatigue damage resistance and method for manufacturing the same - Google Patents

Internal high hardness type pearlitic steel rail with excellent wear resistance and fatigue damage resistance and method for manufacturing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high internal hardness type pearlitic steel rail which is excellent in both of wear resistance and fatigue deterioration resistance, by increasing hardness in a range of 25 mm deep from the surface of a railhead, and also to provide a preferable method for manufacturing the same. <P>SOLUTION: This pearlitic steel rail has a composition comprising, 0.73-0.85 mass% C, 0.5-0.75 mass% Si, 0.3-1.0 mass% Mn, 0.035 mass% or less P, 0.0005-0.012 mass% S, more than 0.5 mass% and equal to or less than 1.3 mass% Cr and the balance Fe with unavoidable impurities, while a value of [%Mn]/[%Cr] is controlled to 0.3 or more but less than 1.0, in which [%Mn] represents an Mn content and [%Cr] represents an Cr content. The railhead contains more than 0.20 mass% and equal to or less than 0.50 mass% precipitated Cr, and has an internal hardness of Hv 395 or more but less than Hv 480, which is defined by Vickers hardness in a range of at least 25 mm deep from the surface of the railhead. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、耐摩耗性と耐疲労損傷性に優れた内部高硬度型パーライト鋼レールおよびその製造方法に関し、詳しくは、貨車重量が重くかつ急曲線が多い海外の鉱山鉄道のような、過酷な高軸荷重条件下で使用されるレールの長寿命化を達成する耐摩耗性と耐疲労損傷性に優れた内部高硬度型パーライト鋼レールおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to an internal high-hardness pearlite steel rail excellent in wear resistance and fatigue damage resistance and a method for producing the same, and more particularly, in a severe mine railway such as an overseas mining railway having a heavy freight car and a sharp curve. The present invention relates to an internal high-hardness pearlite steel rail excellent in wear resistance and fatigue damage resistance that achieves a long life of a rail used under high axial load conditions, and a manufacturing method thereof.

鉱石の運搬等を主体とする高軸重鉄道では、貨車の車軸にかかる荷重は客車に比べて遥かに高く、レールの使用環境も過酷なものとなっている。このような環境下で使用されるレールは従来、耐摩耗性重視の観点から主としてパーライト組織を有する鋼が使用されている。しかし近年においては鉄道による輸送の効率化のために貨車への積載重量のさらなる増加が進められており、一層の耐摩耗性と耐疲労損傷性の向上が求められている。なお、高軸重鉄道とは、列車や貨車の1台の貨車の積載重量の大きい(積載重量がたとえば150トン程度以上の)鉄道である。   In high-axle heavy railways, mainly transporting ore, the load on the axles of freight cars is much higher than that of passenger cars, and the use environment of the rails is also severe. Conventionally, steel having a pearlite structure has been used as a rail used in such an environment from the viewpoint of placing importance on wear resistance. However, in recent years, the load on a freight car has been further increased in order to increase the efficiency of transportation by rail, and further improvements in wear resistance and fatigue damage resistance are required. The high-axle railway is a railway having a large loading weight (a loading weight of, for example, about 150 tons or more) for one train or freight car.

近年、さらなる耐摩耗性向上を目指して様々な研究が行なわれている。たとえば特許文献1,特許文献2ではC量を0.85質量%超え1.20質量%以下に増加し、また、特許文献3,特許文献4ではC量を0.85質量%超え1.20質量%以下とするとともにレール頭部に熱処理を施す等、C量を増加して、セメンタイト分率を増加させることによって耐摩耗性の向上を図る等の工夫がなされている。   In recent years, various studies have been conducted with the aim of further improving wear resistance. For example, in Patent Document 1 and Patent Document 2, the C amount is increased from 0.85% by mass to 1.20% by mass or less, and in Patent Document 3 and Patent Document 4, the C amount is increased from 0.85% by mass to 1.20% by mass and the rail head. Some devices have been devised such as increasing the amount of C and increasing the cementite fraction to improve the wear resistance, such as by heat-treating the part.

一方、高軸重鉄道の曲線区間のレールには、車輪による転がり応力と遠心力による滑り力が加わるためレールの摩耗がより厳しくなるとともに、滑りに起因した疲労損傷が発生する。上記のように単にC量を0.85質量%超え1.20質量%以下にすると、熱処理条件によっては初析セメンタイト組織が生成し、また脆いパーライト層状組織のセメンタイト層の量が増加するため、耐疲労損傷性の向上は見込めない。そのため、特許文献5ではAl,Siの添加により初析セメンタイト生成を抑制し、耐疲労損傷性を向上させる技術が提案されている。しかし、Alの添加は疲労損傷の起点となる酸化物が生成する等、パーライト組織を有する鋼レールにおいて耐摩耗性と耐疲労損傷性の両特性を満足させることは困難であった。   On the other hand, the rails in the curved section of the high-axle heavy railway are subjected to rolling stress due to wheels and sliding force due to centrifugal force, so that wear of the rail becomes more severe and fatigue damage due to sliding occurs. As described above, when the C content is simply over 0.85% by mass and not more than 1.20% by mass, a pro-eutectoid cementite structure is formed depending on the heat treatment conditions, and the amount of the cementite layer in the brittle pearlite layered structure increases. Improvement is not expected. Therefore, Patent Document 5 proposes a technique for suppressing the formation of pro-eutectoid cementite by adding Al and Si and improving the fatigue damage resistance. However, it was difficult to satisfy both wear resistance and fatigue damage resistance in steel rails having a pearlite structure, such as the addition of Al, which generates oxides that cause fatigue damage.

レールの使用寿命向上を目指して、特許文献6では、レールの頭部コーナー部および頭頂部の表面を起点として少なくとも深さ20mmの範囲のビッカース硬さがHv370以上となるようにすることでレールの使用寿命向上を図っている。また特許文献7では、パーライトブロックを制御することにより、レールの頭部コーナー部および頭頂部の表面を起点として少なくとも深さ20mmの範囲の硬さがHv300〜500の範囲となるようにすることでレールの使用寿命向上を図っている。
特開平8-109439号公報 特開平8-144016号公報 特開平8-246100号公報 特開平8-246101号公報 特開2002-69585号公報 特開平10-195601号公報 特開2003-293086号公報
In order to improve the service life of the rail, in Patent Document 6, the Vickers hardness in the range of at least 20mm in depth is set to Hv370 or more starting from the surface of the head corner and the top of the rail. The service life is improved. Further, in Patent Document 7, by controlling the pearlite block, the hardness of at least a depth of 20 mm starting from the surface of the head corner and the top of the rail is in the range of Hv300 to 500. The service life of the rail is improved.
Japanese Patent Laid-Open No. 8-109439 Japanese Patent Laid-Open No. 8-144016 JP-A-8-246100 JP-A-8-246101 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-69585 Japanese Patent Laid-Open No. 10-195601 JP2003-293086

しかしながらパーライト鋼レールの使用環境がさらに過酷化しており、パーライト鋼レールの使用寿命向上のためには、さらなる高硬度化かつ硬化深度範囲の拡大が課題となっていた。本発明は、この課題を解決するべくなされたもので、従来の亜共析,共析および過共析型パーライト鋼レールに比べて、Si,Mn,Cr添加量および析出Cr量の適正化を行なうとともに、焼入れ性指数(以下、DIという)と炭素当量(以下、Ceqという)の適正化を行なうことで、少なくともレール頭頂部表面を起点として深さ25mm範囲内の硬度を上昇させ、耐摩耗性と耐疲労損傷性の両特性に優れた内部高硬度型パーライト鋼レールをその好ましい製造方法とともに提供するものである。 However, the usage environment of pearlite steel rails has become more severe, and in order to improve the service life of pearlite steel rails, it has been a challenge to further increase the hardness and extend the range of hardening depth. The present invention has been made to solve this problem. Compared with conventional hypoeutectoid, eutectoid and hypereutectoid pearlite steel rails, the amount of added Si, Mn, Cr and the amount of precipitated Cr are optimized. In addition, by optimizing the hardenability index (hereinafter referred to as DI) and the carbon equivalent (hereinafter referred to as C eq ), the hardness within a range of 25 mm depth is increased at least from the rail top surface, The present invention provides an internal high hardness type pearlitic steel rail excellent in both wear and fatigue damage resistance properties together with a preferable manufacturing method thereof.

発明者らは、上記の課題を解決するため、Si,Mn,Crの含有量を変化させたパーライト鋼レールを製作し、組織,硬さ,耐摩耗性,耐疲労損傷性を鋭意調査した。その結果、Mn含有量[%Mn]とCr含有量[%Cr]から算出される[%Mn]/[%Cr]値を0.3以上1.0未満,析出Cr量を0.20質量%超え0.50質量%以下とすることで、パーライト層のラメラー(以下、単にラメラーともいう)間隔が微細化し、レール頭部の表層から少なくとも25mm深さの範囲における硬さで定義されるレール頭部の内部硬さがHv380以上Hv480未満となり、耐摩耗性と耐疲労損傷性が向上することを見出した。さらに焼入れ性指数(すなわちDI値)を5.6〜8.6の範囲内,炭素当量(すなわちCeq値)を1.04〜1.27の範囲内とし、Mn含有量[%Mn],Cr含有量[%Cr],Si含有量[%Si]から算出される[%Si]+[%Mn]+[%Cr]値を1.55〜2.50質量%の範囲内にすることで、耐摩耗性と耐疲労損傷性を向上する効果を安定して維持できることが分かった。 In order to solve the above-mentioned problems, the inventors manufactured a pearlite steel rail in which the contents of Si, Mn, and Cr were changed, and intensively investigated the structure, hardness, wear resistance, and fatigue damage resistance. As a result, the [% Mn] / [% Cr] value calculated from the Mn content [% Mn] and the Cr content [% Cr] is 0.3 or more and less than 1.0, and the precipitated Cr amount is 0.20 mass% or more and 0.50 mass% or less. As a result, the pearlite layer lamellar (hereinafter also referred to simply as “lamellar”) spacing becomes finer, and the internal hardness of the rail head defined by the hardness within a depth range of at least 25 mm from the surface of the rail head is Hv380. As described above, it has been found that the wear resistance and fatigue damage resistance are improved by being less than Hv480. Further, the hardenability index (ie DI value) is in the range of 5.6 to 8.6, the carbon equivalent (ie C eq value) is in the range of 1.04 to 1.27, Mn content [% Mn], Cr content [% Cr], Wear resistance and fatigue damage resistance are improved by keeping the value of [% Si] + [% Mn] + [% Cr] calculated from the Si content [% Si] within the range of 1.55 to 2.50 mass%. It was found that the effect to be able to be maintained stably.

本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、C:0.73〜0.85質量%,Si:0.5〜0.75質量%,Mn:0.3〜1.0質量%,P:0.035質量%以下,S:0.0005〜0.012質量%,Cr:0.5質量%超え1.3質量%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、Mn含有量を[%Mn]としCr含有量を[%Cr]として[%Mn]/[%Cr]値が0.3以上1.0未満であり、レール頭部における析出Cr量が0.20質量%超え0.50質量%以下であり、レール頭部の表層から少なくとも25mm深さの範囲におけるビッカース硬さで定義されるレール頭部の内部硬さがHv395以上Hv480未満である耐摩耗性と耐疲労損傷性に優れた内部高硬度型パーライト鋼レールである。
The present invention has been made based on these findings.
That is, the present invention is C: 0.73-0.85 mass%, Si: 0.5-0.75 mass%, Mn: 0.3-1.0 mass%, P: 0.035 mass% or less, S: 0.0005-0.012 mass%, Cr: more than 0.5 mass% 1.3% by mass or less, with the balance being Fe and inevitable impurities, Mn content [% Mn] and Cr content [% Cr] [% Mn] / [% Cr] value Is less than 0.3 and less than 1.0, the amount of Cr deposited on the rail head is more than 0.20% by mass and less than 0.50% by mass, and the rail head is defined by the Vickers hardness in the range of at least 25mm depth from the surface of the rail head The internal hardness of Hv395 is less than Hv480 and less than Hv480. This is a high-hardness pearlitic steel rail with excellent wear resistance and fatigue damage resistance.

本発明の内部高硬度型パーライト鋼レールにおいては、前記した組成のC含有量を[%C],Si含有量を[%Si],Mn含有量を[%Mn],P含有量を[%P],S含有量を[%S],Cr含有量を[%Cr]として、下記の(1)式で算出されるDI値が5.6〜8.6の範囲内を満足し、かつ下記の(2)式で算出されるCeq値が1.04〜1.27の範囲内を満足することが好ましい。
DI=(0.548[%C]1/2 )×(1+0.64[%Si])×(1+4.1[%Mn])
×(1+2.83[%P])×(1−0.62[%S])×(1+2.23[%Cr]) ・・・(1)
eq=[%C]+([%Si]/11)+([%Mn]/7)+([%Cr]/5.8) ・・・(2)
また、前記した組成のSi含有量を[%Si],Mn含有量を[%Mn],Cr含有量を[%Cr]として、[%Si]+[%Mn]+[%Cr]値が1.55〜2.50質量%の範囲内を満足することが好ましい。さらに、前記した組成に加えて、V:0.001〜0.30質量%,Cu:1.0質量%以下,Ni:1.0質量%以下,Nb:0.001〜0.05質量%およびMo:0.5質量%以下の中から選ばれる1種または2種以上を含有することが好ましい。
In the internal high hardness type pearlite steel rail of the present invention, the C content of the above composition is [% C], the Si content is [% Si], the Mn content is [% Mn], and the P content is [%]. The P value, S content is [% S], Cr content is [% Cr], the DI value calculated by the following formula (1) satisfies the range of 5.6 to 8.6, and the following (2 It is preferable that the C eq value calculated by the above formula satisfies the range of 1.04 to 1.27.
DI = (0.548 [% C] 1/2 ) × (1 + 0.64 [% Si]) × (1 + 4.1 [% Mn])
× (1 + 2.83 [% P]) × (1−0.62 [% S]) × (1 + 2.23 [% Cr]) (1)
C eq = [% C] + ([% Si] / 11) + ([% Mn] / 7) + ([% Cr] /5.8) (2)
Further, assuming that the Si content of the above composition is [% Si], the Mn content is [% Mn], and the Cr content is [% Cr], the [% Si] + [% Mn] + [% Cr] value is It is preferable to satisfy the range of 1.55 to 2.50% by mass. Further, in addition to the above composition, V: 0.001 to 0.30 mass%, Cu: 1.0 mass% or less, Ni: 1.0 mass% or less, Nb: 0.001 to 0.05 mass%, and Mo: 0.5 mass% or less are selected. It is preferable to contain 1 type (s) or 2 or more types.

また、本発明の内部高硬度型パーライト鋼レールは、好ましくは、レール頭部の表層から少なくとも25mmの深さの範囲におけるパーライト層のラメラー間隔が0.04〜0.15μmである。
また本発明は、上記した組成を有する鋼材を、圧延仕上温度が850〜950℃となるようにレール形状に熱間圧延し、引き続きレール頭部をパーライト変態開始温度以上の温度から2.5〜5℃/秒の冷却速度で400〜550℃まで加速冷却を行ない、その後、20℃以上復熱させる耐摩耗性と耐疲労損傷性に優れた内部高硬度型パーライト鋼レールの製造方法である。
Further, in the internal high hardness type pearlite steel rail of the present invention, the lamellar spacing of the pearlite layer in the range of a depth of at least 25 mm from the surface layer of the rail head is preferably 0.04 to 0.15 μm.
In the present invention, the steel material having the above composition is hot-rolled into a rail shape so that the rolling finishing temperature is 850 to 950 ° C., and then the rail head is 2.5 to 5 ° C. above the pearlite transformation start temperature. This is a method for producing an internal high-hardness pearlite steel rail with excellent wear resistance and fatigue damage resistance that is accelerated to 400-550 ° C at a cooling rate of / sec and then reheated at 20 ° C or higher.

本発明によれば、従来のパーライト鋼レールに比べて遥かに優れた耐摩耗性および耐疲労損傷性を有するパーライト鋼レールを安定して製造することが可能となり、高軸重鉄道のパーライト鋼レールの高寿命化や鉄道事故防止に寄与し、産業上有益な効果がもたらされる。   According to the present invention, it becomes possible to stably manufacture a pearlite steel rail having wear resistance and fatigue damage resistance far superior to those of conventional pearlite steel rails. This contributes to the prolongation of service life and the prevention of railway accidents, and has an industrially beneficial effect.

本発明の内部高硬度型パーライト鋼レールの組成をはじめとする諸要件の限定理由を説明する。
C:0.73〜0.85質量%
Cはパーライト組織においてセメンタイトを形成し、耐摩耗性を確保するための必須元素であり、含有量の増加に伴い耐摩耗性が向上する。しかし、0.73質量%未満では従来の熱処理型パーライト鋼レールと比較して優れた耐摩耗性を得ることが難しい。また、0.85質量%を超えると熱間圧延後の変態時に初析セメンタイトがオーステナイト粒界に生成し、耐疲労損傷性が著しく低下する。したがって、C量は0.73〜0.85質量%とする。好ましくは0.75〜0.85質量%である。
The reasons for limiting the requirements including the composition of the internal high hardness pearlitic steel rail of the present invention will be described.
C: 0.73-0.85 mass%
C forms cementite in the pearlite structure and is an essential element for ensuring the wear resistance, and the wear resistance improves as the content increases. However, if it is less than 0.73 mass%, it is difficult to obtain excellent wear resistance as compared with the conventional heat treated pearlite steel rail. On the other hand, if it exceeds 0.85% by mass, pro-eutectoid cementite is formed at the austenite grain boundaries during transformation after hot rolling, and the fatigue damage resistance is remarkably reduced. Therefore, the C content is 0.73 to 0.85 mass%. Preferably it is 0.75-0.85 mass%.

Si:0.5〜0.75質量%
Siは脱酸素剤及びパーライト組織の強化元素として0.5質量%以上必要であるが、0.75質量%を超えるとSiの有する高い酸素との結合力のため、溶接性が劣化する。さらにSiの高い焼入れ性のため、内部高硬度型パーライト鋼レールの表層にマルテンサイト組織が生成し易くなる。したがってSi量は0.5〜0.75質量%とする。好ましくは0.5〜0.70質量%である。
Si: 0.5-0.75 mass%
Si needs to be 0.5% by mass or more as a deoxidant and a strengthening element of the pearlite structure. However, if it exceeds 0.75% by mass, the weldability deteriorates due to the high bonding strength with Si. Furthermore, due to the high hardenability of Si, a martensite structure is easily formed on the surface layer of the internal high hardness type pearlitic steel rail. Accordingly, the Si content is 0.5 to 0.75 mass%. Preferably it is 0.5-0.70 mass%.

Mn:0.3〜1.0質量%
Mnはパーライト変態温度を低下させてラメラー間隔を細かくすることにより、内部高硬度型レールの高強度化および高延性化に寄与するが、過剰な添加はパーライトの平衡変態温度を低下させ、その結果、過冷度が小さくなりラメラー間隔が粗大化する元素である。0.3質量%未満では十分な効果が得られず、1.0質量%を超えるとマルテンサイト組織を生じ易く、熱処理時及び溶接時に硬化や脆化を生じ材質が劣化し易い。またパーライト組織となっても平衡変態温度が低下するため、ラメラー間隔の粗大化を招く。したがって、Mn量は0.3〜1.0質量%とする。好ましくは0.3〜0.8質量%である。
Mn: 0.3 to 1.0 mass%
Mn contributes to increasing the strength and ductility of internal hardened rails by lowering the pearlite transformation temperature and reducing the lamellar spacing, but excessive addition reduces the equilibrium transformation temperature of pearlite, and as a result In other words, it is an element that reduces the degree of supercooling and coarsens the lamellar spacing. If the amount is less than 0.3% by mass, a sufficient effect cannot be obtained. If the amount exceeds 1.0% by mass, a martensite structure is likely to be formed, and the material is liable to be hardened or embrittled during heat treatment and welding. Further, even if a pearlite structure is formed, the equilibrium transformation temperature is lowered, leading to coarse lamellar spacing. Therefore, the amount of Mn is 0.3 to 1.0% by mass. Preferably it is 0.3-0.8 mass%.

P:0.035質量%以下
0.035%を超えるPの含有は延性を劣化する。したがって、P量は0.035質量%以下とする。好ましくは0.020質量%以下である。
S:0.0005〜0.012質量%
Sは主にA系介在物の形態で鋼材中に存在するが、0.012質量%を超えるとこの介在物量が著しく増加し、同時に粗大な介在物を生成するため、鋼材の清浄性が悪化する。また、0.0005質量%未満にすると、製鋼コストの増加を招く。したがって、S量は0.0005〜0.012質量%とする。好ましくは0.0005〜0.010質量%である。より好ましくは0.0005〜0.008質量%である。
P: 0.035% by mass or less
The content of P exceeding 0.035% deteriorates ductility. Therefore, the P content is 0.035% by mass or less. Preferably it is 0.020 mass% or less.
S: 0.0005 to 0.012 mass%
S is present in the steel material mainly in the form of A-based inclusions, but when it exceeds 0.012% by mass, the amount of inclusions increases remarkably, and at the same time, coarse inclusions are produced, so that the cleanliness of the steel materials deteriorates. On the other hand, when the content is less than 0.0005% by mass, the steelmaking cost is increased. Therefore, the S amount is set to 0.0005 to 0.012% by mass. Preferably it is 0.0005-0.010 mass%. More preferably, it is 0.0005-0.008 mass%.

Cr:0.5質量%超え1.3質量%以下
Crはパーライト平衡変態温度を上昇させ、ラメラー間隔の微細化に寄与すると同時に、固溶強化によりさらなる高強度化をもたらす元素である。しかし、0.5質量%以下では十分な内部硬度が得られず、一方、1.3質量%を超えて添加すると焼入れ性が高くなり、マルテンサイトが生成し易くなる。また、マルテンサイトが生成しない条件で製造した場合、旧オーステナイト粒界に初析セメンタイトが生成する。そのため、耐摩耗性および耐疲労損傷性が低下する。したがって、Cr量は0.5質量%超え1.3質量%以下とする。好ましくは0.6〜1.2質量%である。
Cr: More than 0.5% by mass and less than 1.3% by mass
Cr is an element that raises the pearlite equilibrium transformation temperature and contributes to refinement of the lamellar spacing, and at the same time brings about further strengthening by solid solution strengthening. However, when the amount is 0.5% by mass or less, sufficient internal hardness cannot be obtained. On the other hand, when the amount exceeds 1.3% by mass, the hardenability increases and martensite is easily generated. Moreover, when it manufactures on the conditions which a martensite does not produce | generate, pro-eutectoid cementite produces | generates in a prior austenite grain boundary. Therefore, the wear resistance and fatigue damage resistance are reduced. Therefore, the Cr content is more than 0.5% by mass and 1.3% by mass or less. Preferably it is 0.6-1.2 mass%.

レール頭部における析出Cr量:0.20質量%超え0.50質量%以下
Crは、パーライトラメラー内のセメンタイトやフェライトに固溶し強化するだけでなく、パーライトラメラー中のフェライト相やセメンタイト相に析出して強化することにより、レールの硬さを上昇させる効果がある。発明者らは、表1に示す組成を有する鋼材について、表2に示す条件で圧延,冷却を行なって、パーライト鋼レールを製造した。冷却はレール頭部のみに行ない、冷却停止後は放冷した。このパーライト鋼レールについて、ビッカース硬さと析出Cr量を調査した。その結果を表3に示す。表2中の圧延仕上温度は、最終圧延ミル入側のレール頭部側面表層の温度を放射温度計で測定した値を圧延仕上温度として示している。冷却停止温度は、冷却停止出側のレール頭部側面表層の温度を放射温度計で測定した値を冷却停止温度として示している。冷却速度は、冷却開始から冷却停止までの間の温度の時間変化を冷却速度とした。復熱温度は、冷却床入側でのレール頭部側面の表層の温度を放射温度計で測定し、その測定値と冷却停止温度との差とした。表3から明らかなように、レール頭部における析出Cr量が0.20質量%以下になると、レール頭部の表層から少なくとも25mm深さの範囲における硬さがHv395〜480の範囲を満たさない。一方、0.50質量%を超えると、Crの添加量が増大するので、パーライト鋼レールの焼入れ性が上昇し、マルテンサイトが生成する。したがって、レール頭部における析出Cr量は0.20質量%超え0.50質量%以下とする。好ましくは0.20質量%超え0.45質量%以下である。
Precipitated Cr amount at rail head: Over 0.20% by mass and below 0.50% by mass
Cr not only strengthens by dissolving in cementite and ferrite in the pearlite lamellar but also precipitates and strengthens in the ferrite phase and cementite phase in the pearlite lamellar, thereby increasing the hardness of the rail. The inventors rolled pearly steel rails under the conditions shown in Table 2 for steel materials having the compositions shown in Table 1 to produce pearlite steel rails. Cooling was performed only on the rail head, and after cooling stopped, it was allowed to cool. The pearlite steel rail was examined for Vickers hardness and precipitated Cr content. The results are shown in Table 3. The rolling finishing temperature in Table 2 indicates the value obtained by measuring the temperature of the rail head side surface layer on the final rolling mill entry side with a radiation thermometer as the rolling finishing temperature. The cooling stop temperature indicates a value obtained by measuring the temperature of the rail head side surface layer on the cooling stop exit side with a radiation thermometer as the cooling stop temperature. The cooling rate was defined as the time change in temperature from the start of cooling to the stop of cooling. The recuperation temperature was determined by measuring the temperature of the surface layer on the side of the rail head at the entrance to the cooling floor with a radiation thermometer and calculating the difference between the measured value and the cooling stop temperature. As apparent from Table 3, when the amount of Cr deposited on the rail head is 0.20% by mass or less, the hardness in the range of at least 25 mm depth from the surface layer of the rail head does not satisfy the range of Hv395 to 480. On the other hand, if it exceeds 0.50% by mass, the amount of Cr added increases, so the hardenability of the pearlite steel rail increases and martensite is generated. Therefore, the amount of precipitated Cr in the rail head is set to be more than 0.20 mass% and 0.50 mass% or less. Preferably it is more than 0.20 mass% and 0.45 mass% or less.

Figure 0005282506
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[%Mn]/[%Cr]:0.3以上1.0未満
MnおよびCrは内部高硬度型パーライト鋼レールの硬さを上昇させるために添加する元素である。ただし、Mn含有量[%Mn]とCr含有量[%Cr]のバランスが適正でないと、内部高硬度型パーライト鋼レールの表層にマルテンサイトが生成するようになる。なお[%Mn]と[%Cr]の単位は、いずれも質量%である。[%Mn]/[%Cr]の値が0.3未満であると、Crの添加量が多くなり、Crの高い焼入性のため、内部高硬度型パーライト鋼レールの表層にマルテンサイトが生成しやすくなる。また、マルテンサイトが生成しない条件で製造した場合、旧オーステナイト粒界に初析セメンタイトが生成する。そのため、耐疲労損傷性が低下する。一方、[%Mn]/[%Cr]の値が1.0以上になると、Mnの添加量が多くなり、Mnの高い焼入性のため、同様に内部高硬度型パーライト鋼レールの表層にマルテンサイトが生成し易くなる。また、Crの添加量も減少するので、セメンタイトのCrの析出強化が期待できない。Mn,Crの含有量をそれぞれ上記した範囲とした上で、[%Mn]/[%Cr]の値を0.3以上1.0未満とすることで、表層へのマルテンサイトの生成を防止しつつ、レール頭部の内部硬さ(内部高硬度型パーライト鋼レールの頭部表層から少なくとも25mm深さの範囲における硬さ)を後述する範囲に制御できるようになる。したがって、[%Mn]/[%Cr]の値は、0.3以上1.0未満とする。好ましくは0.3以上0.9以下である。
[% Mn] / [% Cr]: 0.3 or more and less than 1.0
Mn and Cr are elements added to increase the hardness of the internal hardened pearlite steel rail. However, if the balance between the Mn content [% Mn] and the Cr content [% Cr] is not appropriate, martensite is generated on the surface layer of the internal high hardness type pearlite steel rail. The unit of [% Mn] and [% Cr] is mass%. If the value of [% Mn] / [% Cr] is less than 0.3, the amount of Cr added increases, and because of the high hardenability of Cr, martensite is generated on the surface layer of the internal hardened pearlite steel rail. It becomes easy. Moreover, when it manufactures on the conditions which a martensite does not produce | generate, pro-eutectoid cementite produces | generates in a prior austenite grain boundary. Therefore, fatigue damage resistance is reduced. On the other hand, when the value of [% Mn] / [% Cr] is 1.0 or more, the amount of Mn added increases and the hardenability of Mn increases. Becomes easier to generate. Moreover, since the amount of Cr added also decreases, it is not possible to expect Cr precipitation strengthening of cementite. The content of Mn and Cr is within the above ranges, and the value of [% Mn] / [% Cr] is set to 0.3 or more and less than 1.0, thereby preventing the formation of martensite on the surface layer and rails. The internal hardness of the head (hardness in a range of at least 25 mm depth from the head surface layer of the internal high-hardness pearlitic steel rail) can be controlled within a range described later. Therefore, the value of [% Mn] / [% Cr] is 0.3 or more and less than 1.0. Preferably it is 0.3 or more and 0.9 or less.

DI:5.6〜8.6
DI値は、C含有量を[%C],Si含有量を[%Si],Mn含有量を[%Mn],P含有量を[%P],S含有量を[%S],Cr含有量を[%Cr]として下記の(1)式で算出される値である。なお[%C],[%Si],[%Mn],[%P],[%S],[%Cr]の単位は、いずれも質量%である。
DI=(0.548[%C]1/2 )×(1+0.64[%Si])×(1+4.1[%Mn])
×(1+2.83[%P])×(1−0.62[%S])×(1+2.23[%Cr]) ・・・(1)
このDI値は焼入れ性を表わすものであり、焼入れ性の良否を判定する指標として活用されるが、本発明では、内部高硬度型パーライト鋼レールの表層にマルテンサイトが生成するのを抑制するとともにレール頭部の内部硬さの目標値を達成するための指標として使用し、好適な範囲に維持することが好ましい。DI値が5.6未満であると、所望の内部硬さは得られるが目標の硬さ範囲の下限に近くなるので、一層の耐摩耗性,耐疲労損傷性の向上が期待できない。また、DI値が8.6を超えると、内部高硬度型パーライト鋼レールの焼入れ性が上昇し、レール頭部の表層にマルテンサイトが生成し易くなる。したがって、DI値は5.6〜8.6とすることが好ましい。より好ましくは5.6〜8.2である。
DI: 5.6 to 8.6
DI value is C content [% C], Si content [% Si], Mn content [% Mn], P content [% P], S content [% S], Cr It is a value calculated by the following formula (1) with the content as [% Cr]. The units of [% C], [% Si], [% Mn], [% P], [% S], and [% Cr] are all mass%.
DI = (0.548 [% C] 1/2 ) × (1 + 0.64 [% Si]) × (1 + 4.1 [% Mn])
× (1 + 2.83 [% P]) × (1−0.62 [% S]) × (1 + 2.23 [% Cr]) (1)
This DI value represents hardenability and is used as an index for determining the quality of hardenability. In the present invention, while suppressing the formation of martensite on the surface layer of the internal high hardness type pearlite steel rail, It is preferably used as an index for achieving the target value of the internal hardness of the rail head and maintained within a suitable range. When the DI value is less than 5.6, the desired internal hardness can be obtained, but it is close to the lower limit of the target hardness range, and therefore further improvement in wear resistance and fatigue damage resistance cannot be expected. On the other hand, if the DI value exceeds 8.6, the hardenability of the internal high-hardness pearlite steel rail is increased, and martensite is easily generated on the surface layer of the rail head. Therefore, the DI value is preferably 5.6 to 8.6. More preferably, it is 5.6 to 8.2.

eq:1.04〜1.27
eq値は、C含有量を[%C],Si含有量を[%Si],Mn含有量を[%Mn],Cr含有量を[%Cr]として下記の(2)式で算出される値である。なお[%C],[%Si],[%Mn],[%Cr]の単位は、いずれも質量%である。
eq=[%C]+([%Si]/11)+([%Mn]/7)+([%Cr]/5.8) ・・・(2)
このCeq値は合金成分の配合比率から、得られる最大硬度と溶接性を見積もるために活用されるが、本発明では、内部高硬度型パーライト鋼レールの表層にマルテンサイトが生成するのを抑制するとともにレール頭部の内部硬さの目標値を達成するための指標として使用し、好適な範囲に維持することが好ましい。Ceq値が1.04未満であると、所望の内部硬さは得られるが目標の硬さ範囲の下限に近くなるので、一層の耐摩耗性,耐疲労損傷性の向上が期待できない。また、Ceq値が1.27を超えると、内部高硬度型パーライト鋼レールの焼入れ性が上昇し、レール頭部の表層にマルテンサイトが生成し易くなる。したがって、Ceq値は1.04〜1.27とすることが好ましい。より好ましくは1.04〜1.20である。
C eq : 1.04-1.27
The C eq value is calculated by the following formula (2), where C content is [% C], Si content is [% Si], Mn content is [% Mn], and Cr content is [% Cr]. Value. The units of [% C], [% Si], [% Mn], and [% Cr] are all mass%.
C eq = [% C] + ([% Si] / 11) + ([% Mn] / 7) + ([% Cr] /5.8) (2)
This C eq value is used to estimate the maximum hardness and weldability obtained from the alloying ratio of the alloy components. In the present invention, however, the formation of martensite on the surface layer of the internal high-hardness pearlite steel rail is suppressed. At the same time, it is preferably used as an index for achieving the target value of the internal hardness of the rail head and maintained within a suitable range. If the C eq value is less than 1.04, the desired internal hardness can be obtained, but it will be close to the lower limit of the target hardness range, so that further improvement in wear resistance and fatigue damage resistance cannot be expected. Further, when the C eq value exceeds 1.27, the hardenability of the internal high-hardness pearlitic steel rail is increased, and martensite is easily generated on the surface layer of the rail head. Therefore, the C eq value is preferably 1.04 to 1.27. More preferably, it is 1.04-1.20.

レール頭部の内部硬さ(内部高硬度型パーライト鋼レールの頭部表層から少なくとも25mm深さの範囲における硬さ)がHv395以上Hv480未満
レール頭部の内部硬さがHv395未満になると鋼の耐摩耗性が低下し、内部高硬度型パーライト鋼レールの使用寿命が低下する。一方、Hv480以上になるとマルテンサイトが生成し、鋼の耐疲労損傷性が低下する。よって、レール頭部の内部硬さはHv395以上Hv480未満とする。好ましくはHv400以上Hv480未満である。また、レール頭部の内部硬さの定義域を内部高硬度型パーライト鋼レールの頭部表層から少なくとも25mm深さの範囲としたのは、この範囲に深さ25mm未満をも含めてしまうと、レール頭部の表層から内部に入るにつれて内部高硬度型パーライト鋼レールの耐摩耗性が低下し、使用寿命が低下するからである。
If the internal hardness of the rail head (hardness in the range of depth of at least 25 mm from the surface of the head of the internal hardened pearlitic steel rail is at least 25 mm deep) is less than Hv395 and less than Hv480, if the internal hardness of the rail head is less than Hv395, Abrasion is reduced and the service life of internal hardened pearlitic steel rails is reduced. On the other hand, when it becomes Hv480 or more, martensite is generated, and the fatigue damage resistance of the steel is lowered. Therefore, the internal hardness of the rail head is set to Hv395 or more and less than Hv480. Preferably it is Hv400 or more and less than Hv480. In addition, the definition area of the internal hardness of the rail head is at least 25 mm depth from the head surface layer of the internal high hardness type pearlite steel rail, and if this range includes less than 25 mm depth, This is because the wear resistance of the internal high-hardness pearlite steel rail decreases as it enters the inside from the surface layer of the rail head, and the service life is reduced.

[%Si]+[%Mn]+[%Cr]:1.55〜2.50質量%
Si含有量[%Si]とMn含有量[%Mn]とCr含有量[%Cr]の合計(=[%Si]+[%Mn]+[%Cr])の値が1.55質量%未満であると、レール頭部の内部硬さがHv395以上Hv480未満を満足し難い。また2.50質量%を超えると、Si,Mn,Crの高い焼入れ性のため、マルテンサイト組織が生成し、延性および靭性が低下しがちとなる。したがって、[%Si]+[%Mn]+[%Cr]値は1.55〜2.50質量%とすることが好ましい。より好ましくは1.55〜2.30質量%である。
[% Si] + [% Mn] + [% Cr]: 1.55 to 2.50 mass%
The sum of Si content [% Si], Mn content [% Mn] and Cr content [% Cr] (= [% Si] + [% Mn] + [% Cr]) is less than 1.55% by mass. If there is, it is difficult to satisfy the internal hardness of the rail head of Hv395 or more and less than Hv480. On the other hand, if it exceeds 2.50% by mass, a martensite structure is formed due to the high hardenability of Si, Mn, and Cr, and the ductility and toughness tend to decrease. Therefore, the [% Si] + [% Mn] + [% Cr] value is preferably 1.55 to 2.50 mass%. More preferably, it is 1.55-2.30 mass%.

上記の組成には、さらに、V:0.001〜0.30質量%,Cu:1.0質量%以下,Ni:1.0質量%以下,Nb:0.001〜0.05質量%およびMo:0.5質量%以下の中から選ばれる1種または2種以上が必要に応じて添加されてもよい。
V:0.001〜0.30質量%
Vは炭窒化物を形成し、基地中へ分散析出し、耐摩耗性を向上するが、0.001質量%未満ではその効果が少なく、一方、0.30質量%を超えると、加工性が劣化し、製造コストが増加する。また、合金コストが増加するため、内部高硬度型パーライト鋼レールのコストが増加する。したがってVを添加する場合は、V量は0.001〜0.30質量%とすることが好ましい。より好ましくは0.001〜0.15質量%である。
The composition is further selected from V: 0.001 to 0.30 mass%, Cu: 1.0 mass% or less, Ni: 1.0 mass% or less, Nb: 0.001 to 0.05 mass%, and Mo: 0.5 mass% or less 1 A seed | species or 2 or more types may be added as needed.
V: 0.001 to 0.30 mass%
V forms a carbonitride, disperses and precipitates in the matrix, and improves the wear resistance. However, if it is less than 0.001% by mass, its effect is small, while if it exceeds 0.30% by mass, the workability deteriorates and it is manufactured. Cost increases. Moreover, since the alloy cost increases, the cost of the internal high hardness type pearlite steel rail increases. Therefore, when adding V, the amount of V is preferably 0.001 to 0.30 mass%. More preferably, it is 0.001-0.15 mass%.

Cu:1.0質量%以下
CuはCrと同様に固溶強化により更なる高強度化を図るための元素である。ただし、1.0質量%を超えるとCu割れが生じ易くなる。したがってCuを添加する場合は、Cu量は1.0質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.005〜0.5質量%である。
Ni:1.0質量%以下
Niは延性を劣化することなく高強度化を図るための元素である。また、Cuと複合添加することによりCu割れを抑制するため、Cuを添加した場合にはNiも添加することが望ましい。ただし、1.0質量%を超える添加により焼入れ性が上昇し、マルテンサイトが生成するようになり、耐摩耗性と耐疲労損傷性が低下しがちとなる。したがってNiを添加する場合は、Ni量は1.0質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.005〜0.5質量%である。
Cu: 1.0% by mass or less
Cu, like Cr, is an element for further strengthening by solid solution strengthening. However, if it exceeds 1.0% by mass, Cu cracking tends to occur. Therefore, when adding Cu, it is preferable that the amount of Cu shall be 1.0 mass% or less. More preferably, it is 0.005-0.5 mass%.
Ni: 1.0% by mass or less
Ni is an element for increasing the strength without deteriorating the ductility. Moreover, in order to suppress Cu cracking by compounding with Cu, it is desirable to add Ni when Cu is added. However, addition exceeding 1.0% by mass increases the hardenability and produces martensite, which tends to decrease the wear resistance and fatigue damage resistance. Therefore, when adding Ni, the amount of Ni is preferably 1.0% by mass or less. More preferably, it is 0.005-0.5 mass%.

Nb:0.001〜0.05質量%
Nbは鋼中のCと結び付いて圧延中および圧延後に炭化物として析出し、パーライトコロニーサイズの微細化に有効に作用する。その結果、耐摩耗性,耐疲労損傷性,延性を大きく向上させ、内部高硬度型パーライト鋼レールの長寿命化に大きく寄与する。ただし、Nb量が0.001質量%未満では十分な効果が得られにくい。また0.05質量%超えて添加しても、耐摩耗性,耐疲労損傷性の向上効果が飽和し、添加量に見合う効果が得られない。したがって、Nbを添加する場合は、Nb量は0.001〜0.05質量%とすることが好ましい。より好ましくは0.001〜0.03質量%である。
Nb: 0.001 to 0.05 mass%
Nb combines with C in the steel and precipitates as a carbide during and after rolling, and effectively acts to refine the pearlite colony size. As a result, the wear resistance, fatigue damage resistance, and ductility are greatly improved, which greatly contributes to the extension of the life of the internal hardened pearlite steel rail. However, if the Nb content is less than 0.001% by mass, it is difficult to obtain a sufficient effect. Moreover, even if it adds exceeding 0.05 mass%, the improvement effect of abrasion resistance and fatigue damage resistance will be saturated, and the effect corresponding to addition amount will not be acquired. Therefore, when Nb is added, the Nb amount is preferably 0.001 to 0.05% by mass. More preferably, it is 0.001-0.03 mass%.

Mo:0.5質量%以下
Moは固溶強化によりさらなる高強度化を図るための元素である。ただし、0.5質量%を超えるとベイナイト組織が生じ易くなり、耐摩耗性が低下しがちとなる。したがって、Moを添加する場合は、Mo量は0.5質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.005〜0.3質量%である。
Mo: 0.5% by mass or less
Mo is an element for further strengthening by solid solution strengthening. However, if it exceeds 0.5% by mass, a bainite structure is likely to occur, and the wear resistance tends to be lowered. Therefore, when adding Mo, the amount of Mo is preferably 0.5% by mass or less. More preferably, it is 0.005-0.3 mass%.

レールの頭部表層から少なくとも25mm深さの範囲におけるパーライト層のラメラー間隔:0.04〜0.15μm
パーライト層のラメラー間隔については、微細なほど、内部高硬度型パーライト鋼レールの硬さが上昇し、耐摩耗性および耐疲労損傷性の向上の観点から有利となるが、0.15μm超では、これらの特性の向上が不十分となるので、0.15μm以下とすることが好ましい。また、ラメラー間隔を0.04μm未満にしようとすると、焼入性を向上させて、より微細化する手法を用いることとなり、この場合、表層にマルテンサイトが生成しやすくなり耐疲労損傷性に悪影響を及ぼす。よって、0.04μm以上とすることが好ましい。
Lamella spacing of the pearlite layer in the range of at least 25mm depth from the top surface of the rail: 0.04-0.15μm
As for the lamellar spacing of the pearlite layer, the finer the inner hardened pearlite steel rail, the higher the hardness, which is advantageous from the viewpoint of improving wear resistance and fatigue damage resistance. Therefore, it is preferable that the thickness be 0.15 μm or less. In addition, if the lamellar spacing is to be less than 0.04 μm, a method of improving the hardenability and making it finer will be used. In this case, martensite is likely to be generated on the surface layer, and the fatigue damage resistance is adversely affected. Effect. Therefore, it is preferable that the thickness is 0.04 μm or more.

なお、本発明に係る組成中の残部Feの一部に代えて本発明の作用効果に実質的に影響しない範囲内で他の微量成分元素を含有するものとしたパーライト鋼レールも、本発明に属する。ここで、不純物としては、P,N,O等が挙げられ、Pは上記の通り0.035質量%まで許容できる。また、Nは0.006質量%まで、Oは0.004質量%まで許容できる。さらに本発明では、不純物として混入するTiを0.0010質量%まで許容できる。特にTiは酸化物を形成し、レールの基本特性である耐疲労損傷性の低下を招くので、0.0010質量%以下に制御することが好ましい。   In addition, a pearlite steel rail that contains other trace component elements within a range that does not substantially affect the effect of the present invention instead of a part of the remaining Fe in the composition according to the present invention is also included in the present invention. Belongs. Here, examples of the impurity include P, N, O and the like, and P can be allowed up to 0.035% by mass as described above. Further, N is allowable up to 0.006% by mass, and O is allowable up to 0.004% by mass. Furthermore, in this invention, Ti mixed as an impurity can be tolerated up to 0.0010% by mass. In particular, Ti forms an oxide and causes a reduction in fatigue damage resistance, which is a basic characteristic of the rail, and therefore it is preferable to control it to 0.0010% by mass or less.

本発明の内部高硬度型パーライト鋼レールは、本発明に係る組成を有する鋼材を、圧延仕上温度が850〜950℃となるようにレール形状に熱間圧延し、引き続きレール形状体の少なくとも頭部を、パーライト変態開始温度以上の温度から、2.5〜5℃/秒の冷却速度で400〜550℃まで加速冷却を行ない、その後、20℃以上復熱させることによって製造することが好ましい。圧延仕上温度:850〜950℃,加速冷却の冷却速度:2.5〜5℃/秒および冷却停止温度:400〜550℃,復熱温度:20℃以上とする理由を次に述べる。   The internal high-hardness pearlitic steel rail of the present invention is obtained by hot rolling a steel material having the composition according to the present invention into a rail shape so that the rolling finishing temperature is 850 to 950 ° C., and subsequently at least the head of the rail-shaped body. Is preferably subjected to accelerated cooling from a temperature equal to or higher than the pearlite transformation start temperature to 400 to 550 ° C. at a cooling rate of 2.5 to 5 ° C./second, and then reheated at 20 ° C. or higher. The reason why the rolling finishing temperature is 850 to 950 ° C., the cooling rate of accelerated cooling is 2.5 to 5 ° C./second, the cooling stop temperature is 400 to 550 ° C., and the recuperation temperature is 20 ° C. or more is described below.

圧延仕上温度:850〜950℃
圧延仕上温度が850℃より低い場合は、オーステナイト低温域まで圧延を行なうことになり、オーステナイト結晶粒に加工歪が導入されるだけでなく、オーステナイト結晶粒の伸長度合いも顕著となる。転位の導入かつオーステナイト粒界面積の増加により、パーライト核生成サイトが増加し、パーライトコロニーサイズは微細化するものの、パーライト核生成サイトの増加により、パーライト変態開始温度が上昇し、パーライト層のラメラー間隔が粗大化するため、耐摩耗性が著しく低下する。一方、圧延仕上温度が950℃を超える場合は、オーステナイト結晶粒が粗大になるため、最終的に得られるパーライトコロニーサイズが粗くなり、耐疲労損傷性が低下する。したがって、圧延仕上温度は850〜950℃とするのがよい。
Rolling finishing temperature: 850-950 ° C
When the rolling finishing temperature is lower than 850 ° C., rolling is performed to a low temperature range of austenite, and not only processing strain is introduced into the austenite crystal grains, but also the degree of elongation of the austenite crystal grains becomes remarkable. The introduction of dislocations and an increase in the interfacial area of austenite grains increase the number of pearlite nucleation sites and the pearlite colony size becomes finer.However, the increase in the number of pearlite nucleation sites increases the pearlite transformation start temperature, and the lamellar spacing of the pearlite layer. Is coarsened and wear resistance is significantly reduced. On the other hand, when the rolling finishing temperature exceeds 950 ° C., the austenite crystal grains become coarse, so that the finally obtained pearlite colony size becomes coarse, and the fatigue damage resistance decreases. Therefore, the rolling finishing temperature is preferably 850 to 950 ° C.

パーライト変態開始温度以上の温度からの冷却速度:2.5〜5℃/秒
冷却速度が2.5℃/秒未満の場合、レール頭部の表層と内部の温度差が小さくなり、冷却停止後の復熱が小さくなるため、Crの析出量が低下し、レール頭部の内部硬さが低下する。一方、冷却速度が5℃/秒を超える場合は、マルテンサイト組織が生成し、内部高硬度型パーライト鋼レールの使用寿命が低下する。したがって、冷却速度は2.5〜5℃/秒の範囲とするのがよい。好ましくは2.5〜4.6℃/秒である。パーライト変態開始温度は冷却速度によっても変化するが、本発明では平衡変態温度のことを言うものとし、本発明の成分範囲では720℃以上からこの範囲の冷却速度を採用すればよい。
Cooling rate from the temperature above the pearlite transformation start temperature: 2.5 to 5 ° C / sec When the cooling rate is less than 2.5 ° C / sec, the temperature difference between the surface layer of the rail head and the inside becomes small, and recuperation after cooling stops Therefore, the amount of Cr deposited decreases, and the internal hardness of the rail head decreases. On the other hand, when the cooling rate exceeds 5 ° C./second, a martensite structure is generated, and the service life of the internal high-hardness pearlite steel rail is reduced. Therefore, the cooling rate is preferably in the range of 2.5 to 5 ° C./second. Preferably it is 2.5-4.6 degrees C / sec. Although the pearlite transformation start temperature varies depending on the cooling rate, in the present invention, it means the equilibrium transformation temperature, and in the component range of the present invention, a cooling rate in this range from 720 ° C. or higher may be adopted.

冷却停止温度:400〜550℃
冷却停止温度が400℃未満になると、低温域での冷却時間が増大するので、生産性が低下し、内部高硬度型パーライト鋼レールのコストアップにつながる。一方、550℃を超えると、レール頭部の内部の温度がパーライト変態の開始前あるいはパーライト変態の進行中に冷却停止になるので、フェライトやセメンタイトに固溶するCrが多くなり、目標とする析出量が得られない。したがって、冷却停止温度は400〜550℃とするのがよい。好ましくは450〜550℃である。
Cooling stop temperature: 400 ~ 550 ℃
When the cooling stop temperature is less than 400 ° C, the cooling time in the low temperature region increases, so the productivity decreases and the cost of the internal high-hardness pearlite steel rail increases. On the other hand, if the temperature exceeds 550 ° C, the temperature inside the rail head stops cooling before the start of pearlite transformation or during the progress of pearlite transformation, so the amount of Cr dissolved in ferrite and cementite increases, and the target precipitation The amount is not obtained. Therefore, the cooling stop temperature is preferably 400 to 550 ° C. Preferably it is 450-550 degreeC.

復熱温度:20℃以上
発明者らは、表4に示す組成を有する鋼材について、表5に示す条件で圧延,冷却を行なって、パーライト鋼レールを製造した。冷却はレール頭部のみに行ない、冷却停止後は放冷した。このパーライト鋼レールについて、復熱と析出Cr量を調査した。その結果を表6に示す。表5中の圧延仕上温度とは、最終圧延ミル入側のレール頭部側面表層の温度を放射温度計で測定した値を圧延仕上温度として示している。冷却停止温度は、冷却停止出側のレール頭部側面表層の温度を放射温度計で測定した値を冷却停止温度として示している。冷却速度は、冷却開始から冷却停止までの間の温度の時間変化を冷却速度とした。復熱温度は、冷却床入側でのレール頭部側面の表層の温度を放射温度計で測定し、その測定値と冷却停止温度との差とした。表6から明らかなように、復熱温度が20℃未満では、Crの析出量が少なくなり、レール頭部の内部まで高強度化が図れない。また、復熱温度を20℃未満にするためには、高温で冷却を停止する必要があり、冷却床での待機時間が増加して、内部高硬度型パーライト鋼レールの生産性が低下した。したがって、復熱温度は20℃以上とする。一方、復熱温度を100℃超えとしても、その効果が飽和し、析出Cr量のさらなる増加は認められなかった。よって、復熱温度は20〜100℃が好ましい。
Recuperating temperature: 20 ° C. or higher The inventors of the present invention manufactured a pearlite steel rail by rolling and cooling a steel material having the composition shown in Table 4 under the conditions shown in Table 5. Cooling was performed only on the rail head, and after cooling stopped, it was allowed to cool. The pearlite steel rail was investigated for recuperation and the amount of Cr deposited. The results are shown in Table 6. The rolling finishing temperature in Table 5 indicates a value obtained by measuring the temperature of the rail head side surface layer on the entry side of the final rolling mill with a radiation thermometer as the rolling finishing temperature. The cooling stop temperature indicates a value obtained by measuring the temperature of the rail head side surface layer on the cooling stop exit side with a radiation thermometer as the cooling stop temperature. The cooling rate was defined as the time change in temperature from the start of cooling to the stop of cooling. The recuperation temperature was determined by measuring the temperature of the surface layer on the side of the rail head at the entrance to the cooling floor with a radiation thermometer and calculating the difference between the measured value and the cooling stop temperature. As is apparent from Table 6, when the recuperation temperature is less than 20 ° C., the amount of Cr deposited decreases, and it is not possible to increase the strength to the inside of the rail head. In addition, in order to reduce the recuperation temperature to less than 20 ° C., it is necessary to stop the cooling at a high temperature, the waiting time in the cooling bed is increased, and the productivity of the internal high-hardness pearlite steel rail is lowered. Therefore, the recuperation temperature is 20 ° C. or higher. On the other hand, even when the recuperation temperature exceeded 100 ° C., the effect was saturated and no further increase in the amount of precipitated Cr was observed. Therefore, the recuperation temperature is preferably 20 to 100 ° C.

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次に、耐摩耗性,耐疲労損傷性,レール頭部の内部硬さ,ラメラー間隔の測定ないし評価方法、および析出物の分析手法について説明する。
(耐摩耗性)
耐摩耗性に関しては、内部高硬度型パーライト鋼レールを実際に敷設して評価するのが最も望ましいが、それでは試験に長時間を要する。そこで、本発明では、短時間で耐摩耗性を評価することができる西原式摩耗試験機を用いて実際の内部高硬度型パーライト鋼レールと車輪の接触条件をシミュレートした比較試験により評価する。外径30mmの西原式摩耗試験片1をレール頭部から採取し、図1に示すようにタイヤ試験片2と接触させて回転させて試験を行なう。図1中の矢印は、それぞれ西原式摩耗試験片1とタイヤ試験片2の回転方向を示す。タイヤ試験片は、JIS規格E1101に記載の普通レールの頭部から直径32mmの丸棒を採取し、ビッカース硬さ(荷重98N)がHv390であり、組織が焼戻しマルテンサイト組織となるように熱処理を行ない、その後、図1に示す形状に加工を施し、タイヤ試験片とした。なお、西原式摩耗試験片1は図2に示すようにレール頭部3の2ケ所から採取する。レール頭部3の表層から採取するものを西原式摩耗試験片1aとし、内部から採取するものを西原式摩耗試験片1bとする。レール頭部3の内部から採取する西原式摩耗試験片1bの長手方向の中心は、レール頭部3の上面から24〜26mm(平均値25mm)の深さに位置する。試験環境条件は乾燥状態とし、接触圧力:1.4Gpa,滑り率:−10%,回転速度:675回/分(タイヤ試験片は750回/分)の条件で10万回転後の摩耗量を測定する。摩耗量の大小を比較する際に基準となる鋼材として熱処理型パーライト鋼レールを採用し、この基準鋼材よりも10%以上摩耗量が少ない場合に耐摩耗性が向上したと判定する。耐摩耗性向上代は、{(基準材の摩耗量−試験材の摩耗量)/(基準材の摩耗量)}×100で算出した。
Next, a method for measuring or evaluating wear resistance, fatigue damage resistance, internal hardness of the rail head, lamellar spacing, and a method for analyzing precipitates will be described.
(Abrasion resistance)
As for wear resistance, it is most desirable to actually lay an internal high-hardness pearlite steel rail for evaluation, but this requires a long time for the test. Therefore, in the present invention, the evaluation is performed by a comparative test that simulates the contact condition between an actual internal high hardness type pearlite steel rail and a wheel using a Nishihara type wear tester capable of evaluating the wear resistance in a short time. A Nishihara-type wear test piece 1 having an outer diameter of 30 mm is taken from the rail head and brought into contact with the tire test piece 2 and rotated for testing as shown in FIG. The arrows in FIG. 1 indicate the rotation directions of the Nishihara-type wear test piece 1 and the tire test piece 2, respectively. For the tire test piece, a round bar with a diameter of 32 mm was taken from the head of the normal rail described in JIS standard E1101, and it was heat-treated so that the Vickers hardness (load 98N) was Hv390 and the structure became a tempered martensite structure. After that, the shape shown in FIG. 1 was processed to obtain a tire test piece. The Nishihara-type wear test piece 1 is collected from two places on the rail head 3 as shown in FIG. A sample collected from the surface layer of the rail head 3 is a Nishihara type wear test piece 1a, and a sample collected from the inside is a Nishihara type wear test piece 1b. The center in the longitudinal direction of the Nishihara-type abrasion test piece 1b collected from the inside of the rail head 3 is located at a depth of 24 to 26 mm (average value 25 mm) from the upper surface of the rail head 3. Test environment conditions are dry, contact pressure: 1.4Gpa, slip rate: -10%, rotational speed: 675 times / minute (tire test piece is 750 times / minute), and the amount of wear after 100,000 rotations is measured. To do. A heat-treated pearlite steel rail is adopted as a reference steel material when comparing the amount of wear, and it is determined that the wear resistance is improved when the amount of wear is 10% or more less than this reference steel material. The allowance for improvement in wear resistance was calculated by {(amount of wear of reference material−amount of wear of test material) / (amount of wear of reference material)} × 100.

(耐疲労損傷性)
耐疲労損傷性に関しては、接触面を曲率半径15mmの曲面として直径30mmの西原式摩耗試験片1をレール頭部から採取し、図3に示すようにタイヤ試験片2と接触させて回転させて試験を行なう。図3中の矢印は、それぞれ西原式摩耗試験片1とタイヤ試験片2の回転方向を示す。なお、西原式摩耗試験片1は図2に示すようにレール頭部3の2ケ所から採取する。西原式摩耗試験片1を採取する位置およびタイヤ試験片を採取する位置は上記と同じであるから説明を省略する。試験環境は油潤滑条件とし、接触圧力:2.2Gpa,滑り率:−20%,回転速度:600回/分(タイヤ試験片は750回/分)で、2万5千回毎に試験片表面を観察し、0.5mm以上の亀裂が発生した時点での回転数をもって、疲労損傷寿命とする。疲労損傷寿命の大小を比較する際に基準となる鋼材とした熱処理型パーライト鋼レールを採用し、この基準鋼材よりも10%以上疲労損傷時間が長い場合に耐疲労損傷性が向上したと判定する。耐疲労損傷性向上代は、{(試験材の疲労損傷発生までの回転数−基準材の疲労損傷発生までの回転数)/(基準材の疲労損傷発生までの回転数)}×100で算出した。
(Fatigue damage resistance)
For fatigue damage resistance, the contact surface is a curved surface with a radius of curvature of 15 mm, a 30 mm diameter Nishihara-type wear test piece 1 is taken from the rail head, and brought into contact with the tire test piece 2 and rotated as shown in FIG. Perform the test. The arrows in FIG. 3 indicate the rotation directions of the Nishihara type abrasion test piece 1 and the tire test piece 2, respectively. The Nishihara-type wear test piece 1 is collected from two places on the rail head 3 as shown in FIG. Since the position where the Nishihara type abrasion test piece 1 is collected and the position where the tire test piece is collected are the same as described above, the description thereof is omitted. The test environment is oil lubrication, contact pressure: 2.2Gpa, slip rate: -20%, rotation speed: 600 times / minute (tire test piece is 750 times / minute), the surface of the test piece every 25,000 times The fatigue damage life is determined by the number of rotations when a crack of 0.5 mm or more occurs. Uses heat-treated pearlitic steel rail as a reference steel when comparing the fatigue damage life, and determines that fatigue resistance is improved when the fatigue damage time is 10% or longer than this reference steel. . Fatigue damage resistance improvement allowance is calculated by {(number of rotations until the fatigue damage of the test material-number of rotations until the fatigue damage of the reference material) / (number of rotations until the fatigue damage of the reference material)} x 100 did.

(レール頭部の内部硬さ)
レール頭部の表層から深さ25mmまでの範囲をHv98N,1mmピッチで測定する。そして、すべての硬さのうち、最小の値をレール頭部の内部硬さとした。
(ラメラー間隔)
走査型電子顕微鏡(SEM)を用いてレール頭部の表層近傍(深さ1mm程度)と深さ25mmの位置それぞれについて、視野内のラメラー間隔の一番細かい部分を倍率:20000倍で5視野観察し、視野内のラメラー間隔の測定を行なう。ラメラー間隔は、5視野のラメラー間隔測定値の平均値で評価する。
(Internal hardness of rail head)
The range from the surface of the rail head to the depth of 25mm is measured at Hv98N, 1mm pitch. And the minimum value was made into the internal hardness of a rail head among all the hardness.
(Lamellar spacing)
Using a scanning electron microscope (SEM), observe the finest part of the lamellar spacing in the field of view at five magnifications of 20000 times at the surface of the rail head (approximately 1 mm deep) and at a position of 25 mm deep. And measure the lamellar spacing in the field of view. The lamellar interval is evaluated by an average value of the measured lamellar intervals of 5 fields of view.

(析出Cr量の分析)
図4に示すようにレール頭部から採取した試験片(10mm×10mm×100mm)を用いてCr析出量を測定した。金属元素の析出量は、10質量%アセチルアセトン−メタノール電解抽出を行ない、試験片から残渣を抽出し、その残渣を用いてICP発光分析法で定量した値を抽出金属量とした。
(Analysis of Cr content)
As shown in FIG. 4, the amount of deposited Cr was measured using a test piece (10 mm × 10 mm × 100 mm) collected from the rail head. The amount of metal element deposited was 10% by mass acetylacetone-methanol electrolytic extraction, the residue was extracted from the test piece, and the value quantified by ICP emission analysis using the residue was taken as the amount of extracted metal.

表7に示す組成を有する鋼材について、表8に示す条件で圧延,冷却を行なって、パーライト鋼レールを製造した。冷却はレール頭部のみに行ない、冷却停止後は放冷した。このパーライト鋼レールについて、ビッカース硬さ,ラメラー間隔,耐摩耗性および耐疲労損傷性を評価した。その結果を表9に示す。表8中の圧延仕上温度とは、最終圧延ミル入側のレール頭部側面表層の温度を放射温度計で測定した値を圧延仕上温度として示している。冷却停止温度は、冷却停止出側のレール頭部側面表層の温度を放射温度計で測定した値を冷却停止温度として示している。冷却速度は、冷却開始から冷却停止までの間の温度の時間変化を冷却速度とした。   The steel material having the composition shown in Table 7 was rolled and cooled under the conditions shown in Table 8 to produce a pearlite steel rail. Cooling was performed only on the rail head, and after cooling stopped, it was allowed to cool. The pearlite steel rail was evaluated for Vickers hardness, lamellar spacing, wear resistance and fatigue damage resistance. The results are shown in Table 9. The rolling finishing temperature in Table 8 indicates a value obtained by measuring the temperature of the rail head side surface layer on the entry side of the final rolling mill with a radiation thermometer as the rolling finishing temperature. The cooling stop temperature indicates a value obtained by measuring the temperature of the rail head side surface layer on the cooling stop exit side with a radiation thermometer as the cooling stop temperature. The cooling rate was defined as the time change in temperature from the start of cooling to the stop of cooling.

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これらの結果から、3−B〜3−Jおよび3−U〜3−Wのように、Si,Mn,Crの添加量の適正化するとともに、[%Mn]/[%Cr]値を0.3以上1.0未満にし、かつ析出Cr量を0.2質量%超え0.50質量%以下,[%Si]+[%Mn]+[%Cr]値を1.55〜2.50質量%に制御した上で、さらにV,Cu,Ni,Moの中から選ばれる1種または2種以上の成分を適正範囲で添加することにより、耐摩耗性および耐疲労損傷性が向上していることが分かる。   From these results, as in 3-B to 3-J and 3-U to 3-W, the addition amount of Si, Mn, and Cr is optimized, and the [% Mn] / [% Cr] value is set to 0.3. In addition, the amount of precipitated Cr exceeds 0.20% by mass and is less than 0.50% by mass, and the [% Si] + [% Mn] + [% Cr] value is controlled to 1.55 to 2.50% by mass. It can be seen that the wear resistance and fatigue damage resistance are improved by adding one or two or more components selected from Ni, Mo and Mo in an appropriate range.

また発明例の中で3−B〜3−E,3−G,3−J,3−V,3−Wのように、DI値を5.6〜8.6の範囲内、Ceq値を1.04〜1.27の範囲内に制御することにより、3−F,3−H,3−Iに比べて耐摩耗性および耐疲労損傷性が向上していることが分かる。
比較例の3−Rのように、Tiを添加した場合は、耐疲労損傷性が低下することが分かる。
In the invention examples, the DI value is in the range of 5.6 to 8.6, and the C eq value is 1.04 to 1.27, such as 3-B to 3-E, 3-G, 3-J, 3-V, and 3-W. It can be seen that the wear resistance and fatigue damage resistance are improved as compared with 3-F, 3-H and 3-I.
It can be seen that when Ti is added as in 3-R of Comparative Example, fatigue damage resistance is reduced.

また比較例の3−S,3−Tは冷却速度が遅い例である。3−Sでは冷却速度が遅いために、Crの析出量が減少し、レール頭部の内部まで高硬度化を達成できない。3−tでは冷却速度が遅いために、レール頭部の表層の一部にマルテンサイトが生成し、パーライト鋼レールの使用寿命が低下した。   Moreover, 3-S and 3-T of comparative examples are examples in which the cooling rate is slow. In 3-S, since the cooling rate is slow, the amount of Cr deposited is reduced, and high hardness cannot be achieved even inside the rail head. In 3-t, since the cooling rate was slow, martensite was generated in a part of the surface layer of the rail head, and the service life of the pearlite steel rail was reduced.

耐摩耗性を評価する西原式摩耗試験片を示す図であり、(a)は平面図、(b)は側面図である。It is a figure which shows the Nishihara type abrasion test piece which evaluates abrasion resistance, (a) is a top view, (b) is a side view. 西原式摩耗試験片の採取位置を示すレール頭部の断面図である。It is sectional drawing of the rail head which shows the collection position of a Nishihara type abrasion test piece. 耐疲労損傷性を評価する西原式摩耗試験片を示す図であり、(a)は平面図、(b)は側面図である。It is a figure which shows the Nishihara type abrasion test piece which evaluates fatigue damage resistance, (a) is a top view, (b) is a side view. 析出Cr分析試験片の採取位置を示すレール頭部の断面図である。It is sectional drawing of the rail head which shows the collection position of the precipitation Cr analysis test piece.

符号の説明Explanation of symbols

1 パーライト鋼レールから採取した西原式摩耗試験片
1a レール頭部の表層部から採取した西原式摩耗試験片
1b レール頭部の内部から採取した西原式摩耗試験片
2 タイヤ試験片
3 レール頭部
4 析出Cr分析試験片
1 Nishihara-style wear specimens taken from pearlite steel rails
1a Nishihara type wear test specimen taken from the surface layer of the rail head
1b Nishihara-type wear specimens taken from inside the rail head 2 Tire specimen 3 Rail head 4 Precipitated Cr analysis specimen

Claims (6)

C:0.73〜0.85質量%、Si:0.5〜0.75質量%、Mn:0.3〜1.0質量%、P:0.035質量%以下、S:0.0005〜0.012質量%、Cr:0.5質量%超え1.3質量%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、Mn含有量を[%Mn]としCr含有量を[%Cr]として[%Mn]/[%Cr]値が0.3以上1.0未満であり、レール頭部における析出Cr量が0.20質量%超え0.50質量%以下であり、レール頭部の表層から少なくとも25mm深さの範囲におけるビッカース硬さで定義されるレール頭部の内部硬さがHv395以上Hv480未満であることを特徴とする耐摩耗性と耐疲労損傷性に優れた内部高硬度型パーライト鋼レール。   C: 0.73 to 0.85 mass%, Si: 0.5 to 0.75 mass%, Mn: 0.3 to 1.0 mass%, P: 0.035 mass% or less, S: 0.0005 to 0.012 mass%, Cr: more than 0.5 mass% and 1.3 mass% or less And the balance is Fe and inevitable impurities, Mn content is [% Mn], Cr content is [% Cr], and [% Mn] / [% Cr] value is 0.3 or more and less than 1.0 The amount of Cr deposited at the rail head is between 0.20% and 0.50% by mass, and the internal hardness of the rail head defined by the Vickers hardness in the range of at least 25mm depth from the surface of the rail head is An internal high-hardness pearlite steel rail with excellent wear resistance and fatigue damage resistance, characterized by Hv395 or more and less than Hv480. 前記組成のC含有量を[%C]、Si含有量を[%Si]、Mn含有量を[%Mn]、P含有量を[%P]、S含有量を[%S]、Cr含有量を[%Cr]として、下記の(1)式で算出されるDI値が5.6〜8.6であり、かつ下記の(2)式で算出されるCeq値が1.04〜1.27であることを特徴とする請求項1に記載の耐摩耗性と耐疲労損傷性に優れた内部高硬度型パーライト鋼レール。
DI=(0.548[%C]1/2 )×(1+0.64[%Si])×(1+4.1[%Mn])
×(1+2.83[%P])×(1−0.62[%S])×(1+2.23[%Cr]) ・・・(1)
eq=[%C]+([%Si]/11)+([%Mn]/7)+([%Cr]/5.8) ・・・(2)
C content of the composition is [% C], Si content is [% Si], Mn content is [% Mn], P content is [% P], S content is [% S], Cr content The amount is [% Cr], the DI value calculated by the following formula (1) is 5.6 to 8.6, and the C eq value calculated by the following formula (2) is 1.04 to 1.27. The internal high hardness type pearlite steel rail excellent in wear resistance and fatigue damage resistance according to claim 1.
DI = (0.548 [% C] 1/2 ) × (1 + 0.64 [% Si]) × (1 + 4.1 [% Mn])
× (1 + 2.83 [% P]) × (1−0.62 [% S]) × (1 + 2.23 [% Cr]) (1)
C eq = [% C] + ([% Si] / 11) + ([% Mn] / 7) + ([% Cr] /5.8) (2)
前記組成のSi含有量を[%Si]、Mn含有量を[%Mn]、Cr含有量を[%Cr]として、[%Si]+[%Mn]+[%Cr]値が1.55〜2.50質量%であることを特徴とする請求項1または2に記載の耐摩耗性と耐疲労損傷性に優れた内部高硬度型パーライト鋼レール。   When the Si content of the composition is [% Si], the Mn content is [% Mn], and the Cr content is [% Cr], the [% Si] + [% Mn] + [% Cr] value is 1.55 to 2.50. The internal high-hardness pearlitic steel rail excellent in wear resistance and fatigue damage resistance according to claim 1 or 2, characterized in that it is in mass%. 前記組成に加えて、V:0.001〜0.30質量%、Cu:1.0質量%以下、Ni:1.0質量%以下、Nb:0.001〜0.05質量%およびMo:0.5質量%以下の中から選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の耐摩耗性と耐疲労損傷性に優れた内部高硬度型パーライト鋼レール。   In addition to the above composition, V: 0.001 to 0.30 mass%, Cu: 1.0 mass% or less, Ni: 1.0 mass% or less, Nb: 0.001 to 0.05 mass% and Mo: 0.5 mass% or less The internal high-hardness pearlite steel rail excellent in wear resistance and fatigue damage resistance according to any one of claims 1 to 3, comprising two or more kinds. 前記レール頭部の表層から少なくとも25mm深さの範囲におけるパーライト層のラメラー間隔が0.04〜0.15μmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の耐摩耗性と耐疲労損傷性に優れた内部高硬度型パーライト鋼レール。   The wear resistance and fatigue resistance according to any one of claims 1 to 4, wherein a lamellar spacing of the pearlite layer in a range of at least 25 mm depth from the surface layer of the rail head is 0.04 to 0.15 µm. Internal hardened pearlite steel rail with excellent damage. 請求項1〜4のいずれかに記載される組成を有する鋼材を、圧延仕上温度が850〜950℃となるようにレール形状に熱間圧延し、引き続きレール頭表部をパーライト変態開始温度以上の温度から2.5〜5℃/秒の冷却速度で400〜550℃まで加速冷却を行ない、その後、20℃以上復熱させることを特徴とする耐摩耗性と耐疲労損傷性に優れた内部高硬度型パーライト鋼レールの製造方法。
The steel material having the composition described in any one of claims 1 to 4 is hot-rolled into a rail shape so that a rolling finishing temperature is 850 to 950 ° C, and subsequently the rail head surface portion is equal to or higher than a pearlite transformation start temperature. Internal high hardness type with excellent wear resistance and fatigue damage resistance characterized by accelerated cooling from temperature to 400-550 ° C at a cooling rate of 2.5-5 ° C / sec and then reheating at 20 ° C or higher Manufacturing method of pearlite steel rail.
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