JP5326343B2 - Manufacturing method of high internal hardness rail - Google Patents

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Description

本発明は、重荷重鉄道で使用されるレールであって、特に、レール頭部の内部まで硬度を高めたパーライト系レールに関するものである。   The present invention relates to a rail used in heavy-duty railways, and more particularly to a pearlite rail with increased hardness up to the inside of the rail head.

海外の重荷重鉄道では、鉄道輸送の高効率化の手段として、列車速度の向上や列車積載重量の増加が図られており、このようなレール使用環境の過酷化に対応するレールとして、共析炭素鋼を用いたパーライト組織を呈した高強度(高硬度)レールが用いられている。   In overseas heavy-duty railways, as a means of improving the efficiency of railway transportation, train speeds are increased and train loading weight is increased. A high strength (high hardness) rail having a pearlite structure using carbon steel is used.

しかし、近年のより一層の高軸重化や高速輸送化のため、レールの磨耗速度も速くなっており、レールの交換頻度を増加させないようにするには、より大きな磨耗量まで使用可能なレールが望まれており、そのために、より内部まで均質で高硬度の頭部を有するレール、例えば、表面から20mm以上の高深度までHB370以上に高硬度化したレールの開発が必要となっている。   However, due to the further increase in axle load and high speed transportation in recent years, the rail wear speed has also become faster, and in order not to increase the frequency of rail replacement, a rail that can be used up to a larger amount of wear. Therefore, it is necessary to develop a rail having a head that is more homogeneous and harder to the inside, for example, a rail having a hardness higher than HB370 from the surface to a depth of 20 mm or more.

一般にパーライト系のレールでは、レール頭部を熱処理して高硬度化させ、耐摩耗性を向上させている。熱処理の際、Ac1点以上の温度から一定の冷却速度でレールを冷却した場合、頭部内部の冷却速度が頭部表面の冷却速度よりも遅くなるため、レール頭部表面からレール頭部内部にいくに従って硬度は低下していき、内部まで均質に高硬度化することはできない。   In general, perlite-type rails are heat-treated to increase the hardness by heat-treating the rail head, thereby improving wear resistance. During the heat treatment, if the rail is cooled at a constant cooling rate from the temperature of the Ac1 point or higher, the cooling rate inside the head is slower than the cooling rate on the head surface. The hardness decreases as time goes on, and it is impossible to increase the hardness uniformly to the inside.

このような問題を解決して、内部まで高硬度化するための方法として、例えば、特許文献1には、Ar1点以上の温度からレール頭部の表面を起点として表面下5mm以内の領域がパーライト変態を開始するまで頭表面の冷却速度が1〜10℃/sで冷却した後、表面を起点として表面下20mm以上の領域がパーライト変態終了まで頭表面の冷却速度が2〜20℃/sで冷却する高深度高強度レールの製造法が開示されている。   As a method for solving such a problem and increasing the hardness to the inside, for example, in Patent Document 1, a region within 5 mm below the surface starting from the surface of the rail head from the temperature of Ar1 point or higher is pearlite. After cooling at a head surface cooling rate of 1 to 10 ° C./s until transformation is started, a region of 20 mm or more below the surface from the surface starts at a cooling rate of 2 to 20 ° C./s until the end of pearlite transformation. A method of manufacturing a deep deep high strength rail for cooling is disclosed.

また、特許文献2には、オーステナイト域温度以上の熱を保有する高温度レールの頭部を、冷却時間の経過とともに冷却媒体量を増加させながら、またはノズル距離を近づけながら、あるいは前記両者を同時に作動させながら、制御冷却するレールの熱処理方法が開示されている。   Further, in Patent Document 2, the head of a high-temperature rail that holds heat at or above the austenite region temperature is increased while increasing the amount of cooling medium with the passage of cooling time, or nearing the nozzle distance, or both. A method of heat treating a rail that is controlled and cooled while operating is disclosed.

特許文献1の製造方法では、レール頭頂表面でのベイナイトやマルテンサイト金属組織の生成を抑制して、レール頭部全面をパーライト金属組織とし、レール頭頂表面から20mm以内における硬度差がHB30以下となるレールを製造している。また、特許文献2の製造方法でも、冷却媒体量を変化させることで頭部表層から少なくとも20mm以内の硬度差がHB30以下となるレールを製造している。   In the manufacturing method of Patent Document 1, the formation of bainite and martensite metal structure on the rail top surface is suppressed, the entire surface of the rail head is made a pearlite metal structure, and the hardness difference within 20 mm from the rail top surface is HB30 or less. Manufactures rails. Also in the manufacturing method of Patent Document 2, a rail whose hardness difference within at least 20 mm from the head surface layer is HB30 or less is manufactured by changing the amount of the cooling medium.

しかし、これらの技術では、高深度までHB370以上に高硬度化するために550℃以下の温度まで加速冷却する必要があるが、その際に、レール頭部と柱部の付け根にあたる両者の境界領域内部に微小なマルテンサイト金属組織(ミクロマルテンサイト)が生成するといった問題が発生することが、本発明者の研究によってわかった。   However, in these techniques, it is necessary to accelerate cooling to a temperature of 550 ° C. or lower in order to increase the hardness to HB370 or higher up to a high depth. In this case, the boundary region between the rail head and the base of the column is required. It has been found by the inventor's research that there is a problem that a fine martensitic metal structure (micromartensite) is generated inside.

このミクロマルテンサイトは、パーライト組織と不整合で割れの起点となる可能性が高く、そのようなレールでは、内部まで高い硬度が得られていても、安全性の問題から実際の使用に供することはできない。   This micro martensite is inconsistent with the pearlite structure and is likely to become the starting point of cracking. Even if such a rail has high hardness to the inside, it should be used for actual use due to safety issues. I can't.

特開平9−241747号公報JP-A-9-241747 特開昭64−87720号公報JP-A-64-87720

そこで、本発明は、レール頭部表面から少なくとも20mm内部に入った点までHB370以上の硬度を有し、かつ、レール頭部と柱部の付け根にあたる両者の境界領域内部におけるミクロマルテンサイトの生成を抑制し、内部まで硬度を高めた高内部硬度レールを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has a hardness of HB370 or higher from the rail head surface to a point at least 20 mm inside, and generates micro martensite in the boundary region between the rail head and the base of the pillar. It aims at providing the high internal hardness rail which suppressed and increased the hardness to the inside.

本発明らは、従来技術を用いて20mm以上の高深度までHB370以上に高硬度化するために550℃以下まで加速冷却する場合、レール頭部と柱部の付け根部分は、厚みが薄くなっており冷却速度が上がりやすいこと、そのため、加速冷却の終了温度が低下すると冷却過多となり、上記の付け根にあたるレール頭部と柱部の境界領域にミクロマルテンサイトが生成することを見出した。   In the present invention, when accelerated cooling is performed to 550 ° C. or lower in order to increase the hardness to HB370 or higher to a depth of 20 mm or higher using the conventional technology, the base portion of the rail head portion and the column portion becomes thin. It has been found that the cooling rate is likely to increase, so that when the end temperature of the accelerated cooling is lowered, excessive cooling occurs and micro martensite is generated in the boundary region between the rail head portion and the column portion corresponding to the root.

そして、レール頭部内部及び頭部と柱部の境界領域におけるミクロマルテンサイトの生成を抑制したレールを得るためには、冷却終了時の頭部表面温度を下げすぎないことが重要であり、成分元素の含有量を特定範囲に調整することで、冷却終了温度を上げた場合でも深部まで十分に硬度を確保することができることを知見した。   And, in order to obtain a rail that suppresses the generation of micro martensite in the rail head portion and in the boundary region between the head portion and the column portion, it is important not to lower the head surface temperature at the end of cooling excessively. It has been found that by adjusting the element content to a specific range, even when the cooling end temperature is raised, sufficient hardness can be secured up to the deep part.

本発明は、そのような知見に基づいてなされたもので、以下のようなレールとすることにより、上記課題を達成するものである。
(1) 質量%で、C:0.60〜0.86%、Si:0.10〜1.20%、Mn:0.40〜1.50%、Cr:0.05〜2.00%を含有し、下記式(1)で定義されるCeqが1.00以上、下記式(2)で定義されるQPが7.0以下をそれぞれ満足し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなる鋼を用いて熱間圧延してレールの形状とした後、Ar1点以上の温度から加速冷却を開始し、1〜5℃/secの冷却速度で600〜650℃の範囲冷却し、つづいて2〜20℃/secの冷却速度で520℃〜550℃未満の範囲まで冷却して加速冷却を終了し、以後放冷することにより、レール頭部全面がパーライトの金属組織を呈し、レール頭頂表面を起点として20mm内部に入った点までの硬度がHB370以上であり、レール頭頂表面と該表面を起点として少なくとも20mm内部に入った点の硬度差がHB30以下であり、かつ、レール頭部とレール柱部の境界領域がパーライト金属組織であるようにしたことを特徴とする高内部硬度レールの製造方法
Ceq=C+Si/10+Mn/4.75+Cr/5.0 ・・・ 式(1)
QP=(0.06+0.4×C)×(1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+2.33×Cr) ・・・ 式(2)
ここで、C、Si、Mn、Crは、各元素の含有量の質量%の値である。
(2) 前記鋼が、更に、質量%で、Mo:0.01〜0.50%、Nb:0.002〜0.050、B:0.0001〜0.0050%、Co:0.003〜2.00%、Cu:0.01〜1.00%、Ni:0.01〜1.00%、Ti:0.0050〜0.0500%、Mg:0.0005〜0.0200%、Ca:0.0005〜0.0150、Zr:0.0001〜0.2000%、N:0.0060〜0.0200%のいずれかを含有することを特徴とする上記(1)記載の高内部硬度レールの製造方法
This invention is made | formed based on such knowledge, and achieves the said subject by setting it as the following rails.
(1) By mass%, C: 0.60 to 0.86%, Si: 0.10 to 1.20%, Mn: 0.40 to 1.50%, Cr: 0.05 to 2.00% containing the following formula (1) being defined Ceq is 1.00 or more, QP defined by the following formula (2) is satisfied, respectively 7.0 or less, the balance of Fe and unavoidable impurities was after the hot rolled rail by shape using a steel starts accelerated cooling from a temperature above Ar1 point, cooling the range of 600 to 650 ° C. at a cooling rate of 1 to 5 ° C. / sec, followed by By cooling to a range of 520 ° C. to less than 550 ° C. at a cooling rate of 2 to 20 ° C./sec, accelerating cooling is completed, and after that, the entire surface of the rail head exhibits a pearlite metal structure, and the rail head surface The hardness up to the point 20mm inside from the starting point is HB370 or higher, rail top table And a hardness difference between at least 20 mm from the surface and HB30 or less, and the boundary region between the rail head portion and the rail pillar portion has a pearlite metal structure. Hardness rail manufacturing method .
Ceq = C + Si / 10 + Mn / 4.75 + Cr / 5.0 ... Formula (1)
QP = (0.06 + 0.4 × C) × (1 + 0.64 × Si) × (1 + 4.1 × Mn) × (1 + 2.33 × Cr) (2)
Here, C, Si, Mn, and Cr are values in mass% of the content of each element.
(2) The steel is further in mass%, Mo: 0.01 to 0.50%, Nb: 0.002 to 0.050, B: 0.0001 to 0.0050%, Co: 0.003. -2.00%, Cu: 0.01-1.00%, Ni: 0.01-1.00%, Ti: 0.0050-0.0500%, Mg: 0.0005-0.0200%, Ca: 0.0005 to 0.0150, Zr: 0.0001 to 0.2000%, N: 0.0060 to 0.0200%, The high inside according to (1) above Hardness rail manufacturing method .

なお、本発明でレール頭部1とは、図1、2に示すように頭側部3の下面を延長した場合に互いに交わる点Aを通る水平線より上部に位置する部分をいい、レール頭部1とレール柱部2の境界領域4は、前記Aを含む前後15mmの領域をいう。   In the present invention, the rail head 1 means a portion located above the horizontal line passing through the point A that intersects each other when the lower surface of the head side portion 3 is extended as shown in FIGS. The boundary region 4 between 1 and the rail pillar 2 is a 15 mm front and back region including the A.

本発明によれば、レール頭部表層およびレール頭部内部のベイナイト金属組織およびミクロマルテンサイトを抑制した、高深度高強度レールを提供することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the high depth and high intensity | strength rail which suppressed the bainite metal structure and micro martensite in a rail head surface layer and a rail head inside.

本発明らは、従来技術を用いて20mm以上の高深度までHB370以上に高硬度化するために550℃以下の温度まで加速冷却する場合、レール頭部と柱部の付け根部分は、厚みが薄くなっており冷却速度が上がりやすいこと、そのため、冷却終了温度が低下すると冷却過多となり、上記の付け根にあたる頭部と柱部の境界領域の内部にミクロマルテンサイトが生成することを見出した。
そして、レール頭部内部及び頭部と柱部の境界領域におけるミクロマルテンサイトの生成を抑制するため、冷却終了時の頭部表面温度が重要であることを知見した。
In the present invention, when accelerated cooling is performed to a temperature of 550 ° C. or lower in order to increase the hardness to HB370 or higher to a depth of 20 mm or higher using conventional technology, the base portion of the rail head portion and the column portion is thin. Thus, it has been found that the cooling rate is likely to be increased, and therefore, when the cooling end temperature is lowered, excessive cooling occurs, and micromartensite is generated in the boundary region between the head and the pillar corresponding to the root.
And in order to suppress the production | generation of the micro martensite in the rail head part inside and the boundary area | region of a head part and a column part, it discovered that the head surface temperature at the time of completion | finish of cooling was important.

図3は、質量%でC:0.85%、Si:0.55%、Mn:1.15%、Cr:0.22%からなる鋼(Ceq=1.19、QP=4.7)を用いて形成したレールを、770℃から630℃の温度範囲を2.9℃/sの冷却速度で冷却し、次いで、その温度から550〜500℃の終了温度まで5.5℃/sの冷却速度で冷却し、以後放冷した場合について、レール頭部と柱部の境界領域におけるミクロマルテンサイトの生成の有無を調べたものである。図に示されるように、冷却終了時間が520℃未満になるとミクロマルテンサイトが生成していた。   FIG. 3 shows a steel composed of C: 0.85%, Si: 0.55%, Mn: 1.15%, Cr: 0.22% by mass (Ceq = 1.19, QP = 4.7). The rail formed using is cooled at a cooling rate of 2.9 ° C./s over a temperature range of 770 ° C. to 630 ° C. and then 5.5 ° C./s from that temperature to an end temperature of 550-500 ° C. In the case of cooling at a cooling rate and then allowing to cool, whether or not micromartensite is generated in the boundary region between the rail head and the column is examined. As shown in the figure, when the cooling end time was less than 520 ° C., micromartensite was generated.

次に、ミクロマルテンサイトが生成しないで、かつ、レール頭頂表面を起点として20mm内部に入った点での硬度がHB370以上であるような成分元素の含有量の条件について検討した。
その結果、20mm内部に入った点での硬度は、式Ceq=C+Si/10+Mn/4.75+Cr/5.0(C、Si、Mn、Crは、各元素の含有量の質量%の値である)で定義されるCeqの値で整理できることを見出した。
なお、この式の係数は、実験的に求めた20mm内部の点における各元素の硬度への寄与率に基づいている。
Next, the conditions of the content of the component elements were examined so that the micromartensite was not generated and the hardness at the point 20 mm inside from the rail top surface was HB370 or more.
As a result, the hardness at the point entering the inside of 20 mm is the formula Ceq = C + Si / 10 + Mn / 4.75 + Cr / 5.0 (C, Si, Mn, Cr are values of mass% of the content of each element. It was found that it can be organized by the value of Ceq defined in).
In addition, the coefficient of this formula is based on the contribution ratio to the hardness of each element at a point within 20 mm obtained experimentally.

図4に、種々のCeqを有する鋼レールを530℃で冷却を終了した場合におけるCeqと20mm内部の点における硬度との関係を示す。図に示されるように、Ceqが1.00以上においてHB370以上が得られている。   FIG. 4 shows the relationship between Ceq and hardness at a point within 20 mm when cooling of steel rails having various Ceqs is completed at 530 ° C. As shown in the figure, HB370 or higher is obtained when Ceq is 1.00 or higher.

以上の知見に基づく本発明について以下順次説明する。
本発明に係るレールに使用する鋼の化学成分について説明する。
本発明では、冷却速度の制御によって、頭部表面から20mm内部に入った点までの硬度がHB370以上となるようにするために、質量%でC :0.60〜0.86%、Si:0.10〜1.20%、Mn:0.40〜1.50%、Cr:0.05〜2.00%を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼を基本組成の鋼として用いる。
各元素の限定理由は以下のとおりである。
The present invention based on the above findings will be sequentially described below.
The chemical composition of steel used for the rail according to the present invention will be described.
In the present invention, by controlling the cooling rate, the hardness from the head surface to the point 20 mm inside becomes HB370 or more, so that C: 0.60-0.86% by mass%, Si: Steel containing 0.10 to 1.20%, Mn: 0.40 to 1.50%, Cr: 0.05 to 2.00%, the balance being Fe and inevitable impurities is used as the steel of the basic composition .
The reasons for limitation of each element are as follows.

C:高炭素でパーライトの金属組織を呈した鋼は強度が強く、耐摩耗性が良好なことからレールに多く使用されている。このパーライト組織を得るためにCは0.60%以上含有させる必要がある。しかし、0.86%を超える量を含有させることはセメンタイト金属組織が多く析出して延性や靭性を低下させる問題がある。そこで、Cの含有範囲を0.60〜0.86%に限定した。
また、レール鋼として必要な強度を得るためにS、Mn、Crの含有範囲を以下のように限定した。
C: Steel having a high carbon and pearlite metal structure is often used for rails because of its high strength and good wear resistance. In order to obtain this pearlite structure, C needs to be contained by 0.60% or more. However, when the content exceeds 0.86%, there is a problem that a large amount of cementite metal structure is precipitated and ductility and toughness are lowered. Therefore, the C content range is limited to 0.60 to 0.86%.
Moreover, in order to obtain intensity | strength required as rail steel, the containing range of S, Mn, and Cr was limited as follows.

Si:Siはパーライト組織中のフェライトを強化するのに有効な成分として、0.1%以上を含有させる。しかし、含有量が1.20%を超えるとマルテンサイト組織を生成して鋼を脆化させる問題がある。従って、Siの含有範囲を0.10〜1.20%とした。   Si: Si contains 0.1% or more as an effective component for strengthening ferrite in the pearlite structure. However, if the content exceeds 1.20%, there is a problem that a martensite structure is generated and the steel is embrittled. Therefore, the Si content range is set to 0.10 to 1.20%.

Mn:Mnはパーライト組織の強化に有効な元素であるが、0.40%より少ない含有量ではその効果が小さく、反対に、1.50%を超えるとマルテンサイト組織を生成させ、鋼を脆化させる。従って、Mnの含有範囲を0.40〜1.50%とした。   Mn: Mn is an element effective for strengthening the pearlite structure. However, when the content is less than 0.40%, the effect is small. Conversely, when the content exceeds 1.50%, a martensite structure is formed, and the steel becomes brittle. Make it. Therefore, the Mn content range is set to 0.40 to 1.50%.

Cr: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する元素であり、その含有量が0.05%未満ではその効果が小さく、2.0%を超える過剰な添加では,マルテンサイト組織を生成させ鋼を脆化させる。従って,Crの含有範囲を0.05〜2.00%とした。   Cr: Cr is an element that raises the equilibrium transformation point of pearlite and, as a result, refines the pearlite structure. If its content is less than 0.05%, its effect is small. , Generates a martensitic structure and embrittles the steel. Therefore, the content range of Cr is set to 0.05 to 2.00%.

本発明では、以上の成分よりなる鋼を基本として用いるものであるが、以上の元素に加え、さらに種々の目的で次のような元素を次のような範囲で添加しても、基本的に本発明の効果を損なうことなく、それぞれの添加元素の効果を得ることができる。
Mo:0.01〜0.50%、Nb:0.002〜0.050、B:0.0001〜0.0050%、Co:0.003〜2.00%、Cu:0.01〜1.00%、Ni:0.01〜1.00%、Ti:0.0050〜0.0500%、Mg:0.0005〜0.0200%、Ca:0.0005〜0.0150、Zr:0.0001〜0.2000%、N:0.0060〜0.0200%。
各元素の添加量を上記の範囲とした理由は、以下の通りである。
In the present invention, the steel composed of the above components is used as a basis, but in addition to the above elements, the following elements may be added in the following ranges for various purposes. The effect of each additive element can be obtained without impairing the effect of the present invention.
Mo: 0.01~0.50%, N b: 0.002~0.050, B: 0.0001~0.0050%, Co: 0.003~2.00%, Cu: 0.01~ 1.00%, Ni: 0.01~1.00%, Ti: 0.0050~0.0500%, Mg: 0.0005~0.0200%, Ca: 0.0005~0.0150, Z r : 0.0001 to 0.2000%, N: 0.0060 to 0.0200%.
The reason why the addition amount of each element is within the above range is as follows.

Mo:Moはパーライト組織を微細にすることにより高硬度(高強度)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。しかし、Mo量が0.01%未満ではその効果が小さく、また、Mo量が0.50%を超えると、延性に有害なマルテンサイト組織が生成するので、Mo添加量は0.01〜0.50%が望ましい。   Mo: Mo is an element that contributes to high hardness (high strength) by making the pearlite structure fine, and improves the hardness (strength) of the pearlite structure. However, if the amount of Mo is less than 0.01%, the effect is small, and if the amount of Mo exceeds 0.50%, a martensite structure harmful to ductility is generated, so the amount of added Mo is 0.01 to 0. .50% is desirable.

Nb:Nbは窒化物や炭窒化物を形成し、延性を向上させ、同時に、硬度(強度)を向上させるのに有効な元素である。また、オーステナイトの未再結晶の温度域を上昇させ、未再結晶オーステナイト組織を安定化させる元素である。しかし、Nb量が0.002%未満ではその効果が期待できず、また、Nb量が0.050%を超えると、疲労損傷の起点となる粗大な析出物が生成するので、Nb添加量は0.002〜0.050%が望ましい。   Nb: Nb is an element effective for forming nitrides and carbonitrides, improving ductility, and at the same time improving hardness (strength). Further, it is an element that raises the temperature range of non-recrystallized austenite and stabilizes the non-recrystallized austenite structure. However, if the amount of Nb is less than 0.002%, the effect cannot be expected, and if the amount of Nb exceeds 0.050%, coarse precipitates that start fatigue damage are generated. 0.002 to 0.050% is desirable.

B:Bは初析セメンタイト組織の生成を微細化し、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。しかし、B量が0.0001%未満ではその効果は十分でなく、また、B量が0.0050%を超えると粗大な析出物が生成するので、B添加量は0.0001〜0.0050%が望ましい。   B: B is an element that reduces the ductility of the rail and increases the life by minimizing the formation of a pro-eutectoid cementite structure and uniforming the hardness distribution of the head. However, if the amount of B is less than 0.0001%, the effect is not sufficient, and if the amount of B exceeds 0.0050%, coarse precipitates are generated, so the amount of B added is 0.0001 to 0.0050. % Is desirable.

Co:Coはパーライト組織の硬度(強度)を向上させる元素であり、さらに、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れるころがり面直下のパーライト組織の微細なラメラ構造をより一層微細化し、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、Co量が0.003%未満ではその効果が期待できない。また、Co量が2.00%を超えると、ころがり面にスポーリング損傷が発生するので、Co添加量は0.003〜2.00%が望ましい。   Co: Co is an element that improves the hardness (strength) of the pearlite structure. Further, the wear surface of the rail head further increases the fine lamella structure of the pearlite structure directly below the rolling surface formed by contact with the wheel. It is an element that refines and improves wear resistance. However, if the Co content is less than 0.003%, the effect cannot be expected. Further, if the Co content exceeds 2.00%, spalling damage occurs on the rolling surface, so the Co addition amount is preferably 0.003 to 2.00%.

Cu:Cuはパーライト組織の硬度(強度)を向上させる元素である。しかし、Cu量が0.01%未満ではその効果が期待できない。また、Cu量が1.00%を超えると、耐摩耗性に有害なマルテンサイト組織が生成することから、Cu添加量は0.01〜1.00%が望ましい。   Cu: Cu is an element that improves the hardness (strength) of the pearlite structure. However, if the amount of Cu is less than 0.01%, the effect cannot be expected. Further, if the amount of Cu exceeds 1.00%, a martensite structure harmful to wear resistance is generated, so the amount of Cu added is preferably 0.01 to 1.00%.

Ni:Niはパーライト鋼の高硬度(高強度)化を図る元素である。しかし、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、ころがり面にスポーリング損傷が発生する。このため、Ni添加量は0.01〜1.00%が望ましい。   Ni: Ni is an element for increasing the hardness (high strength) of pearlite steel. However, if the amount of Ni is less than 0.01%, the effect is remarkably small. If the Ni content exceeds 1.00%, spalling damage occurs on the rolling surface. For this reason, the Ni addition amount is desirably 0.01 to 1.00%.

Ti:Tiは窒化物や炭窒化物を形成し、延性を向上させ、同時に、硬度(強度)を向上させるのに有効な成分である。また、オーステナイトの未再結晶の温度域を上昇させ、未再結晶オーステナイト組織を安定化させる元素である。しかし、Ti量が0.0050%未満ではその効果が少ない。また、Ti量が0.0500%を超えると、粗大な析出物が生成してレールの延性が大きく低下するので、Ti添加量は0.0050〜0.0500%が望ましい。   Ti: Ti is an effective component for forming nitrides and carbonitrides to improve ductility and at the same time improve hardness (strength). Further, it is an element that raises the temperature range of non-recrystallized austenite and stabilizes the non-recrystallized austenite structure. However, the effect is small when the Ti content is less than 0.0050%. On the other hand, if the Ti content exceeds 0.0500%, coarse precipitates are generated and the ductility of the rail is greatly reduced. Therefore, the Ti addition amount is preferably 0.0050 to 0.0500%.

Mg:Mgはオーステナイト粒やパーライト組織の微細化を図り、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。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、Mgの粗大酸化物が生成し、レールの延性低下させるため、Mg添加量は0.0005〜0.0200%が望ましい。   Mg: Mg is an element effective in reducing the austenite grains and the pearlite structure and improving the ductility of the pearlite structure. However, if the amount of Mg is less than 0.0005%, the effect is weak. Further, if the Mg content exceeds 0.0200%, a coarse oxide of Mg is generated and the ductility of the rail is lowered. Therefore, the Mg addition amount is desirably 0.0005 to 0.0200%.

Ca:Caは、パーライト変態の生成に寄与し、その結果、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。また、Ca量が0.0150%を超えると、Caの粗大酸化物が生成し、レールの延性を低下させるので、Ca添加量は0.0005〜0.0150%が望ましい。   Ca: Ca is an element that contributes to the generation of pearlite transformation and, as a result, is effective in improving the ductility of the pearlite structure. However, if the Ca content is less than 0.0005%, the effect is weak. Further, if the Ca content exceeds 0.0150%, a coarse oxide of Ca is generated and the ductility of the rail is lowered. Therefore, the Ca addition amount is preferably 0.0005 to 0.0150%.

Zr:Zrは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、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、粗大なZr系介在物が多量に生成し、レールの延性が低下するため、Zr添加量は0.0001〜0.2000%が望ましい。   Zr: Zr is an element that suppresses the formation of a pro-eutectoid cementite structure generated in the segregation part. However, if the amount of Zr is 0.0001% or less, a pro-eutectoid cementite structure is formed 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 are generated and the ductility of the rail is lowered. Therefore, the amount of Zr added is preferably 0.0001 to 0.2000%.

N:Nはパーライト組織の延性を高めると同時に、硬度(強度)を向上させるのに有効な元素である。しかし、N量が0.0060%未満ではその効果は弱い。また、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することから、N添加量は0.0060〜0.0200%が望ましい。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、N量を上記の範囲にするためには、Nを意図的に添加する必要がある。   N: N is an element effective for enhancing the ductility of the pearlite structure and at the same time improving the hardness (strength). However, if the N content is less than 0.0060%, the effect is weak. On the other hand, if the N content exceeds 0.0200%, it becomes difficult to make a solid solution in the steel, and bubbles are generated as a starting point of fatigue damage. Therefore, the N addition amount is 0.0060 to 0.0200%. desirable. In the rail steel, N is contained as a maximum of about 0.0050% as an impurity. Therefore, in order to make N amount into the above range, it is necessary to intentionally add N.

次に、レール頭部に必要な硬度と金属組織、及び、それらを得るための条件について説明する。
高強度レールの頭部表面に求められる硬度はHB370以上であり、特に重荷重鉄道で用いられるレールに求められる硬度はHB370(AREMA:アメリカレール規格)となっている。そのため、必要な硬度をHB370以上とした。
Next, the hardness and metal structure required for the rail head and conditions for obtaining them will be described.
The hardness required for the head surface of the high-strength rail is HB370 or higher, and particularly the hardness required for the rail used in heavy-duty railways is HB370 (AREMA: American Rail Standard). Therefore, the required hardness is set to HB370 or higher.

レールを長期間安定的に使用するためには、頭部表面から摩耗限界となる深さまで均一な硬度のであることが必要である。頭部表面から内部にいたる程、硬度の低下が大きい場合には、レールを使用するにつれて摩耗の進展が速くなり好ましくない。摩耗進展の差を考慮し、頭頂表面と頭部内部の少なくとも20mm入った点の硬度差の最大はHB30とした。   In order to use the rail stably for a long period of time, it is necessary that the rail has a uniform hardness from the head surface to a depth that is a wear limit. If the decrease in hardness is greater from the head surface to the inside, wear progresses faster as the rail is used, which is not preferable. Considering the difference in wear progress, the maximum hardness difference between the top surface and at least 20 mm inside the head was HB30.

以上のような硬度の条件は、図2で斜線で示すように、頭頂部及び頭部コーナ部の表面を基点として深さ20mmの範囲で少なくとも満たされるようにする。   The hardness conditions as described above are at least satisfied within a range of 20 mm in depth with respect to the surfaces of the top of the head and the corner of the head as indicated by hatching in FIG.

そのために、本発明では、前記のように、下記式(1)で定義されるCeqの値が1.00以上になるようにC、Si、Mn、Crの含有量を制限して、上記硬度の条件を満たすようにする。
Ceq=C+Si/10+Mn/4.75+Cr/5.0 ・・・ 式(1)
ここで、C、Si、Mn、Crは、各元素の含有量の質量%の値である。
Therefore, in the present invention, as described above, the content of C, Si, Mn, and Cr is limited so that the value of Ceq defined by the following formula (1) is 1.00 or more, and the above hardness Meet the requirements of
Ceq = C + Si / 10 + Mn / 4.75 + Cr / 5.0 Formula (1)
Here, C, Si, Mn, and Cr are values in mass% of the content of each element.

本発明では、さらに、レール頭部全面がパーライトの金属組織を呈し、かつ、レール頭部とレール柱部の境界領域の金属組織もパーライトとする。
高炭素でパーライトの金属組織を呈した鋼は強度が強く、耐摩耗性が良好なことから鉄道車両の重量増加に伴う、高軸重化や高速輸送化に対応することができる。一方で、頭部表面の冷却速度が過多になると、ベイナイト金属組織が生じるが、その組織は、パーライト組織と比較して硬度が低く、耐摩耗性にも劣っている。そのため、ベイナイト組織が生じると摩耗速度が速くなり、レール寿命が短くなるという問題が生じる。
In the present invention, the entire rail head portion exhibits a pearlite metal structure, and the metal structure in the boundary region between the rail head portion and the rail column portion is also pearlite.
Steel with a high carbon and pearlite metal structure has high strength and good wear resistance, so it can cope with higher axle load and higher speed transportation accompanying the increase in the weight of railway vehicles. On the other hand, when the cooling rate of the head surface becomes excessive, a bainite metal structure is formed, but the structure is lower in hardness and inferior in wear resistance than the pearlite structure. For this reason, when a bainite structure is generated, the wear rate is increased and the rail life is shortened.

また、従来技術では、レール頭部とレール柱部の境界領域にミクロマルテンサイトが生成する場合があった。このミクロマルテンサイトは、パーライト組織との不整合からレールの破壊の起点となる可能性があり、安全上その生成は抑制されなければならない。   In the prior art, micro martensite may be generated in the boundary region between the rail head portion and the rail column portion. This micro martensite may become a starting point of rail breakage due to mismatch with the pearlite structure, and its generation must be suppressed for safety.

そのために、本発明では、焼き入れ性の観点から、さらに下記式(2)で定義されるQPの値が7.0以下、好ましくは5.0以下になるように、C、Si、Mn、Crの含有量を制限する。
QP=(0.06+0.4×C)×(1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+2.33×Cr) ・・・ 式(2)
ここで、C、Si、Mn、Crは、各元素の含有量の質量%の値である。
Therefore, in the present invention, from the viewpoint of hardenability, C, Si, Mn, so that the value of QP defined by the following formula (2) is 7.0 or less, preferably 5.0 or less. Limit the Cr content.
QP = (0.06 + 0.4 × C) × (1 + 0.64 × Si) × (1 + 4.1 × Mn) × (1 + 2.33 × Cr) (2)
Here, C, Si, Mn, and Cr are values in mass% of the content of each element.

これにより、レール頭部と柱部の境界領域におけるミクロマルテンサイトの生成を抑制し、レール頭部及び頭部と柱部の境界領域の全面の組織をパーライト金属組織とすることができる。   Thereby, generation | occurrence | production of the micro martensite in the boundary area | region of a rail head part and a column part can be suppressed, and the structure | tissue of the rail head part and the whole boundary region of a head part and a column part can be made into a pearlite metal structure.

本発明に係るレールの製造方法について説明する。
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によって上記の化学組成を有する圧延用鋼片とする。この綱片をレールの形状に熱間圧延した後、引き続いてAr1点以上の温度から加速冷却されてレール頭部全面がパーライトの金属組織にされる。あるいは、熱間圧延した後に一旦冷却され、再度Ac1点以上に加熱された後に同様に加速冷却される。
A method for manufacturing a rail according to the present invention will be described.
Melting is performed in a commonly used melting furnace such as a converter or an electric furnace, and this molten steel is made into a steel strip for rolling having the above-mentioned chemical composition by ingot-making, slabbing or continuous casting. After this steel strip is hot-rolled into the shape of a rail, it is subsequently accelerated and cooled from a temperature of the Ar1 point or higher to make the entire surface of the rail head a pearlite metal structure. Or after hot rolling, it is once cooled, and after being heated again to Ac1 point or more, accelerated cooling is similarly performed.

加速冷却は、最初は、表層部と内部とで冷却速度の差が大きくならないように遅めの冷却速度で冷却して、表層をパーライト変態させ、続いて、内部を抜熱するために急冷する2段階で行うことにより、上記のような硬度の条件を満たすようにする。
その際の、各段階での加速冷却の温度範囲や冷却速度などは次のような条件が好ましい。
In accelerated cooling, first, the surface layer is cooled at a slow cooling rate so that the difference in cooling rate between the surface layer and the inside does not become large, the surface layer is pearlite transformed, and then rapidly cooled to remove the heat inside. By performing in two stages, the above-mentioned hardness condition is satisfied.
In this case, the following conditions are preferable for the temperature range and cooling rate of accelerated cooling in each stage.

レール頭部の表層および内部において高硬度を得るためには、加速冷却の開始温度はオーステナイト温度域温度であるAc1点以上とする必要がある。第一段目の冷却速度は、表層部と内部とで冷却速度の差が大きくならないように、表層をパーライト変態させるために1℃/s〜5℃/sとするのがよい。この冷却速度が1℃/s未満では、パーライト変態までに非常に時間がかかり、オーステナイト粒が粗大化するなどのため好ましくなく、一方5℃/sを超えると表層にパーライト以外の異組織(ベイナイトなど)が生成するため好ましくない。   In order to obtain high hardness in the surface layer and inside of the rail head, the start temperature of accelerated cooling needs to be higher than the Ac1 point that is the austenite temperature range temperature. The cooling rate of the first stage is preferably 1 ° C./s to 5 ° C./s in order to transform the surface layer to pearlite so that the difference in cooling rate between the surface layer part and the inside does not increase. If the cooling rate is less than 1 ° C / s, it takes a very long time to transform pearlite and the austenite grains become coarse, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 5 ° C / s, the surface layer has a different structure other than pearlite (bainite Etc.) is not preferable.

また、この速度で冷却する温度範囲は、Ac1点以上から600〜650℃の間の温度とするのがよい。頭部表面温度がこの温度範囲より下の温度になるまでこの冷却速度で冷却すると、表層からパーライト変態が開始する範囲が深くなって、内部の抜熱が困難になり好ましくない。
なお、熱間圧延終了後、加速冷却を開始するまでの冷却方法については適宜実施できるが、自然放冷で十分である。
Further, the temperature range for cooling at this rate is preferably set to a temperature between Ac1 point and 600 to 650 ° C. Cooling at this cooling rate until the head surface temperature falls below this temperature range is not preferable because the range in which pearlite transformation starts from the surface layer becomes deep and internal heat removal becomes difficult.
In addition, although it can implement suitably about the cooling method after completion | finish of hot rolling until it starts accelerated cooling, natural cooling is enough.

以上のようにして、表層がパーライト変態を開始した後、つづいて内部を抜熱して頭部全体をパーライト組織とするために、2〜20℃/sのより速い冷却速度で冷却するのがよい。この冷却速度が2℃/s未満では内部の抜熱量を大きくすることはできず、また、20℃/sを超えた冷却速度では、表層と内部との冷却速度の差が大きくなるとともに、内部にパーライト以外の金属組織を呈するようになり好ましくない。   As described above, after the surface layer starts pearlite transformation, it is preferable to cool at a faster cooling rate of 2 to 20 ° C./s in order to heat the inside and make the entire head a pearlite structure. . If the cooling rate is less than 2 ° C / s, the internal heat removal cannot be increased, and if the cooling rate exceeds 20 ° C / s, the difference in cooling rate between the surface layer and the inside increases, This is not preferable because it exhibits a metal structure other than pearlite.

また、この冷却速度での冷却の終了温度は、レール頭部内部にミクロマルテンサイトやベイナイト組織を生成させないために、頭部表面温度で520℃以上とするのがよい。しかし、頭部表面温度が550℃以上の温度で冷却を終了させると高深度においてパーライト変態が終了する前に冷却を止めることとなり、十分な高深度硬度が得られなくなる。そのため、冷却終了温度は520℃〜550℃未満の間がよいが、より好ましい温度は520℃〜530℃である。
以上のような加速冷却の終了後は、そのまま室温まで放冷すればよい。
Further, the cooling end temperature at this cooling rate is preferably set to 520 ° C. or more at the head surface temperature so as not to generate micromartensite or bainite structure inside the rail head. However, if the cooling is terminated at a head surface temperature of 550 ° C. or higher, the cooling is stopped before the pearlite transformation is completed at a high depth, and sufficient high depth hardness cannot be obtained. Therefore, the cooling end temperature is preferably between 520 ° C. and less than 550 ° C., but a more preferable temperature is 520 ° C. to 530 ° C.
What is necessary is just to cool to room temperature as it is after completion | finish of the above accelerated cooling.

以下、本発明の実施例について説明する。なお、実施例で用いた条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するための一条件例であり、本発明はこの例に限定されない。   Examples of the present invention will be described below. The conditions used in the examples are one example of conditions for confirming the feasibility and effects of the present invention, and the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
種々の化学成分を有する圧延素材を熱間圧延によりレールに成形した後、または、熱間圧延後に一旦Ar1点未満の温度まで冷却したレールをAc1点以上の温度に再加然した後、レール頭部表面の温度がAr1点以上の温度から600℃〜650℃になるまでの間を冷却速度1〜5℃/sで冷却し、ついで520℃〜550℃未満の温度に到達するまでを冷却速度2℃〜20℃/sで冷却し、その後放冷し、評価に供した。
表1に供試レール鋼の化学成分を示す(なお、残部はFe及び不可避不純物である。)とともに、上記条件で製造されたレールにおけるレール頭部及び境界領域のミクロ組織、レール頭表面及び表面下20mm位置の硬さを示した。
表1に示されるように、本発明の条件を満たすものは、いずれも本発明で規定する硬さ及び組織の条件を満たしていた。
[Example 1]
After forming a rolling material having various chemical components into a rail by hot rolling, or after reheating the rail once cooled to a temperature below the Ar1 point after hot rolling to a temperature above the Ac1 point, the rail head Cooling is performed at a cooling rate of 1 to 5 ° C./s until the surface temperature of the part reaches from 600 ° C. to 650 ° C. from the temperature of the Ar1 point or higher, and then until the temperature reaches 520 ° C. to less than 550 ° C. It cooled at 2 degreeC-20 degreeC / s, and it stood to cool after that, and used for evaluation.
Table 1 shows the chemical composition of the test rail steel (the balance is Fe and inevitable impurities), and the microstructure of the rail head and the boundary region, rail head surface and surface in the rail manufactured under the above conditions. The hardness at the lower 20 mm position was shown.
As shown in Table 1, those satisfying the conditions of the present invention satisfied the hardness and structure conditions defined in the present invention.

Figure 0005326343
Figure 0005326343

[実施例2]
表1のA9鋼を用いて製造されたレールを、表2に示される種々の冷却条件で冷却した。
冷却後のレールにおけるレール頭部及び境界領域のミクロ組織、レール頭表面及び表面下20mm位置の硬さを、同じく表2に示した。
表2に示されるように、適切な冷却条件を採用することにより、本発明で規定する硬さ及び組織の条件を満たすレールが得られた。
[Example 2]
Rails manufactured using the A9 steel of Table 1 were cooled under various cooling conditions shown in Table 2.
Table 2 also shows the microstructure of the rail head and the boundary region in the rail after cooling, and the hardness at the rail head surface and 20 mm below the surface.
As shown in Table 2, by adopting appropriate cooling conditions, a rail satisfying the hardness and structure conditions defined in the present invention was obtained.

Figure 0005326343
Figure 0005326343

本発明の実施の態様に係るレールの断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the rail which concerns on the embodiment of this invention. 本発明の実施の態様に係る高硬度領域を示す図である。It is a figure which shows the high hardness area | region which concerns on the embodiment of this invention. 加速冷却の終了温度と、レール頭部と柱部の境界領域におけるミクロマルテンサイトの生成の有無との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the completion | finish temperature of accelerated cooling, and the presence or absence of the production | generation of the micro martensite in the boundary area | region of a rail head part and a pillar part. 鋼のCeqと20mm内部の点における硬度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Ceq of steel, and the hardness in the point of 20 mm inside.

符号の説明Explanation of symbols

1 レール頭部
2 レール柱部
3 レール頭側部
4 頭部と柱部の境界領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rail head part 2 Rail pillar part 3 Rail head side part 4 Boundary area of head part and pillar part

Claims (2)

質量%で、C:0.60〜0.86%、Si:0.10〜1.20%、Mn:0.40〜1.50%、Cr:0.05〜2.00%を含有し、下記式(1)で定義されるCeqが1.00以上、下記式(2)で定義されるQPが7.0以下をそれぞれ満足し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなる鋼を用いて熱間圧延してレールの形状とした後、Ar1点以上の温度から加速冷却を開始し、1〜5℃/secの冷却速度で600〜650℃の範囲まで冷却し、つづいて2〜20℃/secの冷却速度で520℃〜550℃未満の範囲まで冷却して加速冷却を終了し、以後放冷することにより、レール頭部全面がパーライトの金属組織を呈し、レール頭頂表面を起点として20mm内部に入った点までの硬度がHB370以上であり、レール頭頂表面と該表面を起点として少なくとも20mm内部に入った点の硬度差がHB30以下であり、かつ、レール頭部とレール柱部の境界領域がパーライト金属組織であるようにしたことを特徴とする高内部硬度レールの製造方法
Ceq=C+Si/10+Mn/4.75+Cr/5.0 ・・・ 式(1)
QP=(0.06+0.4×C)×(1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+2.33×Cr) ・・・ 式(2)
ここで、C、Si、Mn、Crは、各元素の含有量の質量%の値である。
In mass%, C: 0.60 to 0.86%, Si: 0.10 to 1.20%, Mn: 0.40 to 1.50%, Cr: 0.05 to 2.00% the following formula (1) being defined Ceq is 1.00 or more, QP defined by the following formula (2) is satisfied, respectively 7.0 or less, using a steel the balance of Fe and unavoidable impurities after the hot rolled rail by shape, starts accelerated cooling from above Ar1 point temperature, range or in cooling of 600 to 650 ° C. at a cooling rate of 1 to 5 ° C. / sec, followed by 2 20 ° C. / sec range or in cooling of 520 ° C. to 550 below ° C. at a cooling rate of the accelerated cooling and exit, by cooling thereafter, the rail head entire surface exhibits a metallic structure of pearlite, the rail head surface The hardness from the starting point to the point 20 mm inside is HB370 or more, the rail top surface and the surface A high internal hardness rail characterized in that the hardness difference between at least 20 mm inside from the surface is HB30 or less and the boundary region between the rail head and the rail pillar is a pearlite metal structure Manufacturing method .
Ceq = C + Si / 10 + Mn / 4.75 + Cr / 5.0 ... Formula (1)
QP = (0.06 + 0.4 × C) × (1 + 0.64 × Si) × (1 + 4.1 × Mn) × (1 + 2.33 × Cr) (2)
Here, C, Si, Mn, and Cr are values in mass% of the content of each element.
前記鋼が、更に、質量%で、Mo:0.01〜0.50%、Nb:0.002〜0.050、B:0.0001〜0.0050%、Co:0.003〜2.00%、Cu:0.01〜1.00%、Ni:0.01〜1.00%、Ti:0.0050〜0.0500%、Mg:0.0005〜0.0200%、Ca:0.0005〜0.0150、Zr:0.0001〜0.2000%、N:0.0060〜0.0200%のいずれかを含有することを特徴とする請求項1記載の高内部硬度レールの製造方法Further, the steel is, in mass%, Mo: 0.01 to 0.50%, Nb: 0.002 to 0.050, B: 0.0001 to 0.0050%, Co: 0.003 to 2. 00%, Cu: 0.01 to 1.00%, Ni: 0.01 to 1.00%, Ti: 0.0050 to 0.0500%, Mg: 0.0005 to 0.0200%, Ca: 0 .0005~0.0150, Zr: 0.0001~0.2000%, N : 0.0060~0.0200% of the production of high internal hardness rail according to claim 1, characterized by containing either Way .
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