JP5531845B2 - Post-heat treatment method near the flash butt weld - Google Patents
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Description
本発明はレール溶接部近傍の信頼性を向上させる方法を提供するものである。
The present invention provides a method for improving the reliability in the vicinity of a rail weld.
レールが鉄道で使用される際に、最も損傷が起こりやすく、保守コストがかかるのはレールの継目部である。また継目部は列車通過時に生じる騒音・振動の主要な発生源となる。旅客鉄道の高速化や貨物鉄道の重積載化が国内外で進められており、上記問題点を有するレール継目を溶接によって連続化するロングレール技術が一般化している。 When rails are used on railroads, it is the rail joints that are most prone to damage and cost of maintenance. The seam is the main source of noise and vibration generated when passing through the train. The speed of passenger railways and heavy loading of freight railways are being promoted in Japan and overseas, and the long rail technology that makes rail joints having the above-mentioned problems continuous by welding has become common.
図1を用いてロングレール溶接部およびレール断面呼称について説明する。図1(a)は溶接部の長手方向の側面図である。ロングレールは、少なくとも2本のレールを溶接することにより製造される。このためロングレールには溶接部7が含まれる。溶接部7にはビード8が存在する。
A long rail welded part and a rail cross section name are demonstrated using FIG. Fig.1 (a) is a side view of the welding part in the longitudinal direction. Long rails are manufactured by welding at least two rails. For this reason, the
図1(b)はレール長手方向に垂直な断面図である。レールは車輪との接触が生じるレール上部の頭部1、枕木に接地するレール下部の足部3、頭部1と足部3の中間の垂直部分である柱部2を有する。また、頭部の最も高い点4は頭頂部、足部の上面5を足表、足部の裏面6は足裏、もしくは底面とも呼ばれる。
FIG. 1B is a cross-sectional view perpendicular to the rail longitudinal direction. The rail has a
レールの主な溶接方法として、フラッシュバット溶接(例えば特許文献1)がある。
フラッシュバット溶接法は図2に示すように、対向して設置された被溶接材10に電極9を介して電圧をかけて、端面間にアークを発生させて被溶接材の端面を溶融させ、十分に被溶接材が加熱された時点で、軸方向に材料を加圧して被溶接材を接合する溶接方法である。
As a main welding method of the rail, there is flash butt welding (for example, Patent Document 1).
As shown in FIG. 2, in the flash butt welding method, a voltage is applied to the
レールの溶接はまず溶接工場において200〜500mまでレールをつなぎ、長尺レール専用の貨車で敷設現地まで輸送した後に、さらに現地溶接で連続化される。本発明が対象とするフラッシュバット溶接法は工場溶接、現地溶接の双方で利用されている。 The rails are first welded at a welding plant up to 200-500m, and then transported to the laying site with a freight car dedicated to long rails. The flash butt welding method targeted by the present invention is used in both factory welding and on-site welding.
レール使用時に、フラッシュバット溶接部の接合面から100mm〜200mm離れた頭部表面に、図3に示すような表面損傷14Aが生じたり、接合面から同様の距離において、図4に示すような、レール底面もしくは柱部から疲労亀裂14Bが発生することがある。これらの損傷位置は溶接熱影響部のはるかに外側であるため、レール母材部が損傷したかに判断されることがある。本発明はこれら溶接部近傍における損傷を防止する技術を提供する。
When the rail is used,
本発明は従来技術におけるレール損傷を考慮してなされたものであり、その目的は、従来と比較して溶接部近傍の信頼性が向上したロングレールを製作するための方法を提供することにある。
The present invention has been made in consideration of rail damage in the prior art, and an object thereof is to provide a method for manufacturing a long rail having improved reliability in the vicinity of a welded portion as compared with the conventional art. .
前述した、接合面から100mm前後の位置に生じる損傷を調べた結果、損傷の起点部には熱影響部が存在し、マルテンサイト組織が発生していることを把握した。
フラッシュバット溶接はレールに電極を装着し、電極を介して電圧を負荷し、レール端面間にアークを発生させるものである。
As a result of investigating the damage occurring at a position around 100 mm from the joint surface, it was found that a heat-affected zone was present at the starting point of the damage and a martensite structure was generated.
In flash butt welding, an electrode is attached to a rail, a voltage is applied through the electrode, and an arc is generated between the end surfaces of the rail.
電極とレールの接触が悪い場合、図5に示すように、電極とレール間でアーキングが生じることがある。この現象はダイバーン、エレクトロードバーン、電極焼けなどと呼ばれている。本明細書ではこの現象をダイバーンと呼ぶことにする。アークの発生したレール表面は急速にオーステナイト域まで加熱され、周囲への熱伝導により急速に温度低下する。レール鋼は焼入れ性が高く、このヒートサイクルによりマルテンサイトが生じると考えられる。レール鋼はC量が高く、そのマルテンサイトは極めて硬く、脆い。このためマルテンサイト組織が生じたレール鋼は正常なレール鋼に比較してより軽い負荷により損傷が生じると考えられる。 When the contact between the electrode and the rail is poor, arcing may occur between the electrode and the rail as shown in FIG. This phenomenon is called die burn, electrode burn, or electrode burn. In the present specification, this phenomenon is called diburn. The arc-generated rail surface is rapidly heated to the austenite region, and the temperature is rapidly lowered by heat conduction to the surroundings. Rail steel has high hardenability, and it is thought that martensite is generated by this heat cycle. Rail steel has a high C content, and its martensite is extremely hard and brittle. For this reason, it is considered that the rail steel in which the martensite structure is generated is damaged by a lighter load than the normal rail steel.
この対策として以下の方法によりマルテンサイトを無害化する。
(1)レールの定置式フラッシュバット溶接部近傍の後熱処理方法であって、溶接部の溶接熱影響部の外側である溶接時の電極装着位置のレール頭頂部表面を250℃以上600℃以下に再加熱することを特徴とするフラッシュバット溶接部近傍の後熱処理方法。
(2)レールの定置式フラッシュバット溶接部近傍の後熱処理方法であって、溶接部の溶接熱影響部の外側である溶接時の電極装着位置のレール足裏面表面を250℃以上、固相線温度以下に再加熱することを特徴とするフラッシュバット溶接部近傍の後熱処理方法。
(3)レールの定置式フラッシュバット溶接部近傍の後熱処理方法であって、溶接部の溶接熱影響部の外側である溶接時の電極装着位置のレール足裏面表面を250℃以上、固相線温度以下に再加熱することを特徴とする上記(1)に記載のフラッシュバット溶接部近傍の後熱処理方法。
(4)レールの可動式フラッシュバット溶接部近傍の後熱処理方法であって、溶接部の溶接熱影響部の外側である溶接時の電極装着位置のレール柱部表面を250℃以上、固相線温度以下に再加熱することを特徴とするフラッシュバット溶接部近傍の後熱処理方法。
As a countermeasure, martensite is rendered harmless by the following method.
(1) After the stationary flash welding the vicinity of the rail to a heat treatment method, 250 ° C. or higher 600 ° C. the rail head surface of the electrodeposition GokuSo fixing position of the welding is outside the weld heat affected zone of the weld A post-heat treatment method in the vicinity of the flash butt weld, which is reheated below.
(2) After the stationary flash welding the vicinity of the rail to a heat treatment method, the rail foot backside surface of the electrodeposition GokuSo fixing position of the welding is outside the weld heat affected zone of the weld 250 ° C. or higher, solid A post-heat treatment method in the vicinity of a flash butt weld, characterized by reheating to a temperature below the phase line temperature.
(3) After the stationary flash welding the vicinity of the rail to a heat treatment method, the rail foot backside surface of the electrodeposition GokuSo fixing position of the welding is outside the weld heat affected zone of the weld 250 ° C. or higher, solid The post-heat treatment method in the vicinity of the flash butt weld as described in (1) above, wherein reheating is performed below the phase line temperature.
(4) After the movable flash welding the vicinity of the rail to a heat treatment method, the rail pillar portion surfaces of the electrodeposition GokuSo fixing position of the welding is outside the weld heat affected zone of the weld 250 ° C. or higher, solid A post-heat treatment method in the vicinity of a flash butt weld, characterized by reheating to a temperature below the phase line temperature.
本発明によれば、ダイバーンにより生じたマルテンサイトが無害化され、溶接部に損傷を生じにくくなる。 According to the present invention, martensite generated by die burn is rendered harmless, and damage to the welded portion is difficult to occur.
<フラッシュバット溶接方法>
まずフラッシュバット溶接を図2を用いてさらに詳しく説明する。フラッシュバット溶接方法の第1の工程は図2(a)で示した端面間に連続してアークを発生させる工程であり、フラッシング工程と呼ばれる。この工程では電極9を介して印加される電圧により被溶接材の端面間にアークが発生する。アークが発生した部分は局部的に溶かされて、溶けた金属の一部はスパッターとして外部に放出され、残りは端面に残留する。アークによって溶かされた部分にはクレータと呼ばれる凹みが発生する。被溶接材は徐々に近づけられていき、次々に新たな接触部分にアークが発生し、その局部的な溶融、飛散の繰返しにより材料は次第に短くなっていく。この過程では材料間隔がほぼ一定の間隔を保つように被溶接材が相互に近づけられていく。
<Flash butt welding method>
First, flash butt welding will be described in more detail with reference to FIG. The first step of the flash butt welding method is a step of generating an arc continuously between the end faces shown in FIG. 2A and is called a flushing step. In this step, an arc is generated between the end faces of the material to be welded by the voltage applied via the
フラッシング工程の途中において、故意に材料端面を接触させ、直接通電による大電流により母材温度を高める工程が採用される場合がある。その目的は、端面近傍の温度分布をなだらかにして、より効率的にアップセット工程に進むためである。この工程は「予熱工程」と呼ばれ、2〜5秒程度の接触通電と、端面を引き離して電流を休止させる繰り返しを数回行われる。 In the middle of the flushing process, there is a case where a process is adopted in which the material end surface is intentionally brought into contact and the base material temperature is increased by a large current caused by direct energization. The purpose is to smoothen the temperature distribution in the vicinity of the end face and proceed to the upset process more efficiently. This process is called a “preheating process” and is repeated several times for contact energization for about 2 to 5 seconds and for stopping the current by separating the end faces.
フラッシング工程を数10秒から数分間続けることにより、被溶接材の端面の全面が溶融した状態となる。また、端面近傍の材料は温度上昇により軟化する。この状態に到達した時点で、図2(b)に示すように、軸方向への加圧が行われる。このアップセットと呼ばれる加圧により、端面に形成されていたクレータ凹凸面はつぶされ、端面間に存在していた溶融金属は系外に押し出される。軟化した端面近傍は、塑性変形して断面が増大し、溶接面の周囲にはビード11が形成される。
By continuing the flushing process for several tens of seconds to several minutes, the entire end face of the workpiece is melted. Further, the material in the vicinity of the end surface softens due to the temperature rise. When this state is reached, pressurization in the axial direction is performed as shown in FIG. By this pressurization called upset, the crater uneven surface formed on the end faces is crushed, and the molten metal existing between the end faces is pushed out of the system. In the vicinity of the softened end surface, the cross section increases due to plastic deformation, and a
このビードは図2(c)に示すように、溶接直後の高温の期間にトリマー12により熱間でせん断、除去される。この工程はトリミングと呼ばれる。トリミング後は溶接部の周囲に高さ数mm、幅10〜30mm程度の薄いビード8が残存する。
This bead is sheared and removed by the
車輪と接触するレール頭部のトリミング後に残った薄いビードは、グラインダーで平滑化、研磨される。レール柱部、足部のビードは、鉄道会社によりグラインダー研磨による完全な平滑化、グラインダー研磨による薄肉化、無手入れ、などと処置方法が異なる。 The thin bead remaining after trimming the rail head in contact with the wheel is smoothed and polished with a grinder. The rail pillar and foot bead are treated differently depending on the railway company, such as complete smoothing by grinder polishing, thinning by grinder polishing, no maintenance.
なお電極9のレールへの装着位置は、図6の(a)に示すような、レール頭部1と底面3を上下から挟む形式と、図6(b)に示すような側面からレール柱部2を挟み込む方式がある。レール頭部1と底面3を上下から挟む形式は工場溶接において多用される。一方レールを左右からはさむ形式はレールの下方に装置スペースが不要であり、現地溶接機として多用される。いずれの方式でも電極9は10トン以上の荷重でレールに密着される。ダイバーンの生成する位置はこれら電極の装着位置である。接合面と電極9の距離LEと電極9のレール長手方向の長さLeはいずれも100mm前後である。なお電極9のレール長手方向と直角方向の幅Wcはレールへの装着部位により異なり、レール頭部1や柱部2であれば40〜80mm、レール足裏3であれば60〜160mm程度である。電極9がレールに接する面は足裏部位3であれば平面、柱部2であれば凸曲面、頭頂部であれば平面、もしくは凹曲面のいずれかが適用されている。
The mounting position of the
<レール損傷の発生形態>
鉄道における軌道は、砕石バラスト、枕木、レールと枕木の締結装置及びレールから構成される。レール上を列車が通過する際には、多数の列車の車輪から分散した荷重がレールに加わる。
<Rail damage occurrence mode>
The railroad track is composed of a crushed ballast, sleepers, a rail and sleeper fastening device, and rails. When the train passes on the rail, a load distributed from the wheels of many trains is applied to the rail.
前述の損傷をひき起す原因を考えるにはレールに対する車輪からの負荷状態を考える必要がある(図7)。 In order to consider the cause of the above-mentioned damage, it is necessary to consider the load state from the wheel to the rail (FIG. 7).
車輪15の通過の際には車輪15とレール1は面積をもった接触範囲16が生じる。これは車輪、レールがいずれも弾性体であり、双方が弾性変形するためである。図7における車輪形状はレールとの接触面、いわゆる踏面と呼ばれる円錐面、もしくは曲線回転面を誇張して図示している。車輪15とレール1はその形状の違いにより、接触面16内に接線方向の応力17,18が生じる。その結果、レール表層には塑性流動、いわゆるメタルフローが進んでいく。塑性流動が過大になると、割れや剥離などの表面損傷が引き起こされることがある。また、曲線軌道では軌道の内側レールと外側レールで、車輪との接触軌跡長が異なるにもかかわらず、車輪の周速が同じであることから、接線方向の応力がさらに増える。さらに駅近傍や勾配区間における加・減速区間では車輪がレールを接線方向に押しだす応力が加わる。このような接線方向応力の増加はレール表層の塑性流動を増大させ、摩耗や損傷の原因となる。
When the
また車輪の通過により、図8に示すように、レールには曲げ応力分布37が発生し、レール頭部1に長手方向の圧縮、レールの足部3には長手方向の引張が生じる。レール足部3の引張応力は車輪15の通過ごとに発生し、レール足部3には疲労亀裂の発生に対する配慮が必要である。ダイバーンを起点として足裏側から損傷が生じるケースは、多分にこの繰り返し曲げ負荷が影響していると考えられる。
Further, as shown in FIG. 8, the bending
また、柱部2では車輪が通過する際に曲げ応力は中立であるが、せん断応力がレール全断面に均等に作用し、繰り返しせん断負荷により、柱部2から疲労亀裂が生じる場合があると考えられる。
In addition, although the bending stress is neutral when the wheel passes through the
<レール素材について>
次にレール鋼について説明する。レール鋼はJIS E1101、JIS E1120に規定されているように、炭素を0.5〜0.8質量%含有する亜共析鋼もしくは共析炭素鋼が一般的である。また、最近は海外の鉱山鉄道における重荷重貨物線を対象に、より耐摩耗性を向上させた、炭素を0.8質量%を超えて含有する過共析組成のレール鋼も普及しつつある。
<About rail material>
Next, rail steel will be described. The rail steel is generally hypoeutectoid steel or eutectoid carbon steel containing 0.5 to 0.8% by mass of carbon, as defined in JIS E1101 and JIS E1120. Recently, overeutectoid composition rail steel containing more than 0.8% by mass of carbon, which has improved wear resistance for heavy-duty cargo lines in overseas mining railways, is also becoming popular. .
以下に本発明が対象とするレール鋼の好ましい成分範囲について述べる。成分の含有量は質量%である。
C:レール鋼における強度、硬度の確保のための必須元素である。0.5%未満では列車重量の保持や耐摩耗性に必要な高強度のパーライト組織が得がたく、また1.2%を超えるとオーステナイト粒界を脆化させる有害な初析セメンタイトを生成させるため好ましくない。
Below, the preferable component range of the rail steel which this invention makes object is described. The content of the component is mass%.
C: An essential element for securing strength and hardness in rail steel. If it is less than 0.5%, it is difficult to obtain a high-strength pearlite structure necessary for train weight maintenance and wear resistance, and if it exceeds 1.2%, harmful proeutectoid cementite that embrittles austenite grain boundaries is generated. Therefore, it is not preferable.
Si:鋼の性質に有害な酸素を固定するとともに、パーライト組織中のフェライト相への固溶強化により強度を高める効果がある。0.1%未満ではそれらの効果は少なく、1.2%を超えると脆化をもたらし、溶接性も低下する。
Mn:パーライト変態温度を低下させ、パーライト組織を緻密化させることで強度を高める。しかし、0.1%未満では効果が小さく、1.2%を超えると偏析部にマルテンサイト組織を生成させ易くするため好ましくない。
Si: Fixes oxygen which is harmful to the properties of steel and has an effect of increasing strength by strengthening solid solution in the ferrite phase in the pearlite structure. If it is less than 0.1%, those effects are small, and if it exceeds 1.2%, embrittlement occurs and weldability is also lowered.
Mn: Strengthens by lowering the pearlite transformation temperature and densifying the pearlite structure. However, if it is less than 0.1%, the effect is small, and if it exceeds 1.2%, a martensite structure is easily generated in the segregated portion, which is not preferable.
さらに、上記成分の他に必要に応じて1種または2種以上のCr,Mo,Vを添加し、冷却過程における加速冷却によって、より高強度と同時に高靭性を図ることができる。これらの元素の望ましい範囲を以下に説明する。 In addition to the above components, one or more Cr, Mo, V may be added as necessary, and accelerated cooling in the cooling process can achieve higher strength and higher toughness. Desirable ranges of these elements will be described below.
Cr:パーライト変態温度を低下させることによって強度を高めるとともに、溶接継ぎ手部軟化防止の観点で0.05%以上の含有が有効である。一方1.0%を超えて含有すると強制冷却時に元素偏析部や、過冷却されやすいレール頭部のコーナー付近にベイナイトやマルテンサイトが生成し靭性の低下をもたらすため好ましくない。 Cr: Increasing strength by lowering the pearlite transformation temperature and containing 0.05% or more is effective from the viewpoint of preventing weld joint softening. On the other hand, if the content exceeds 1.0%, bainite and martensite are generated near the corners of the element segregation portion and the rail head portion that is easily overcooled during forced cooling, resulting in a decrease in toughness.
Mo:パーライトの変態速度を抑制し、パーライトブロックサイズを微細化する効果がある。しかし0.005%未満ではこの効果は少ない。一方、Moが0.2%を超えると、偏析部においてパーライト変態が過剰に遅滞し、ベイナイト組織やマルテンサイト組織が生成するため好ましくない。 Mo: There is an effect of suppressing the pearlite transformation speed and miniaturizing the pearlite block size. However, if it is less than 0.005%, this effect is small. On the other hand, if Mo exceeds 0.2%, the pearlite transformation is excessively delayed in the segregation part, and a bainite structure or a martensite structure is generated, which is not preferable.
V:パーライト変態核となるV炭窒化物を析出し、オーステナイト粒界および、粒内からの変態核生成の促進によりパーライト組織を微細化する効果がある。しかしVが0.005%未満ではこの効果は弱く、0.07%以上ではV炭窒化物が粗大になって破壊起点となるため好ましくない。 V: V carbonitrides that become pearlite transformation nuclei are precipitated, and there is an effect of refining the pearlite structure by promoting the formation of transformation nuclei from the austenite grain boundaries and within the grains. However, if V is less than 0.005%, this effect is weak, and if it is 0.07% or more, V carbonitride becomes coarse and becomes a starting point of fracture, which is not preferable.
Al、N、Ni、Cu、Nb、Mg、Caは素材の溶製工程において不可避的に混入する元素である。これらの元素の一部は、特定の製造条件によっては強度の増加、延・靭性の向上、耐食性の工場に効果が認められている。しかし多量に含有すると悪影響が生じる場合があり、一般的にはレール鋼の材質改善には利用されず、総じて0.2%以下に制御される。 Al, N, Ni, Cu, Nb, Mg, and Ca are elements inevitably mixed in the raw material melting step. Some of these elements have been found to be effective in factories with increased strength, improved ductility and toughness, and corrosion resistance, depending on specific manufacturing conditions. However, when it is contained in a large amount, it may cause an adverse effect. Generally, it is not used for improving the quality of the rail steel, and is generally controlled to 0.2% or less.
なお、P、S、Oは鋼中に不可避的に含まれる。いずれも鋼を脆化させて衝撃特性を低下するため、それぞれ0.025%以下であることが望ましい。 P, S, and O are inevitably contained in the steel. In either case, the steel is embrittled and the impact characteristics are deteriorated, so that the content is preferably 0.025% or less.
<連続冷却線図による組織変化、ダイバーン部のマルテンサイト生成過程の説明>
一般に、冷却過程における相変化は鋼成分、冷却速度により様相が異なる。図9に連続冷却状態における共析鋼の組織変化をCCT図で模式的に示す。
<Structure change by continuous cooling diagram, description of martensite formation process in dieburn part>
In general, the phase change in the cooling process varies depending on the steel composition and the cooling rate. FIG. 9 schematically shows the structure change of the eutectoid steel in the continuous cooling state with a CCT diagram.
冷却速度が曲線(1)で示すような緩やかな場合、Ps線上でパーライト変態が開始し、Pf線上でパーライト変態が完了する。冷却速度が速まると冷却曲線(3)に示すように、温度(B)でパーライト変態が停止し、一部ベイナイト組織を生じることがあるが、未変態部はオーステナイトのまま過冷され、(C)点〜(D)点でマルテンサイト変態を起こす。さらに冷却速度が速い場合は、冷却曲線(5)に示すように、オーステナイト組織のままMs点まで過冷された後、マルテンサイト変態を起こす。 When the cooling rate is moderate as shown by the curve (1), the pearlite transformation starts on the Ps line and the pearlite transformation is completed on the Pf line. When the cooling rate increases, as shown in the cooling curve (3), the pearlite transformation stops at the temperature (B), and a part of bainite structure may be formed, but the untransformed part is supercooled as austenite, and (C The martensitic transformation occurs at points) to (D). Further, when the cooling rate is high, as shown in the cooling curve (5), the steel is supercooled to the Ms point with the austenite structure, and then martensitic transformation occurs.
ダイバーンが生じた場合、レール表面へのアーキングによりレール表層がオーステナイト域まで加熱された後、(5)の線で示すような急冷となり、マルテンサイト組織が生じると考えられる。 When die burn occurs, the rail surface layer is heated to the austenite region by arcing to the rail surface, and then rapidly cooled as shown by the line (5), which is considered to produce a martensite structure.
ダイバーン発生部位の断面組織の調査から、ダイバーンによるマルテンサイト組織の領域は、レール表層からの深さが最大15mm程度、幅、長さは最大50mmに及ぶ事例もある。その発生領域の大きさはアーク放電の強さ、持続回数によって決まっていると考えられる。 According to the investigation of the cross-sectional structure of the site where the die burn occurred, the martensite region formed by the die burn has a case where the depth from the rail surface layer is about 15 mm at the maximum, and the width and length are at most 50 mm. The size of the region is considered to be determined by the arc discharge intensity and the number of durations.
<マルテンサイトの焼き戻し過程、ダイバーンの無害化>
マルテンサイトは面心格子であるオーステナイトから直接、鉄原子がずれて正方格子に変態した組織であり、変態の際に転移などの格子欠陥が多量に導入される。また、マルテンサイトは炭化物を含まず、格子中には炭素を固溶しており、炭素量に応じて格子の歪が増大し、炭素量が高いほど硬い。このためレールのような高炭素鋼のマルテンサイト組織は極めて硬くて脆く、レールにおいては使用中の損傷の原因となることが多い。マルテンサイト組織を加熱すると200℃程度でε炭化物が析出し、格子歪が緩和することで硬度が低下し、脆性が緩和されて有害性が下がる。したがってダイバーンによって生じたマルテンサイトを無害化するためには少なくとも200℃以上に加熱することが必要であり、マルテンサイトの組織分率は断面観察による面積率で20%以下にする必要がある。
<Martensite tempering process, deburning harmless>
Martensite is a structure in which iron atoms are displaced directly from austenite, which is a face-centered lattice, and is transformed into a tetragonal lattice, and a large amount of lattice defects such as transition are introduced during the transformation. Martensite does not contain carbides, and carbon is dissolved in the lattice. The strain of the lattice increases according to the amount of carbon, and the higher the amount of carbon, the harder. For this reason, the martensitic structure of high carbon steel such as rails is extremely hard and brittle, and rails often cause damage during use. When the martensite structure is heated, ε carbide precipitates at about 200 ° C., and the lattice strain is alleviated, so that the hardness is lowered, the brittleness is alleviated and the toxicity is lowered. Therefore, in order to make the martensite produced by the die burn harmless, it is necessary to heat at least 200 ° C. or higher, and the martensite structure fraction needs to be 20% or less as an area ratio by cross-sectional observation.
また、ダイバーンを焼き戻す範囲は少なくとも表面から5mm以上の深さに及ぶことが望ましい。表面から加熱を行う場合、内部温度は表面より低いため、内部5mmまでを200℃以上とするためには、表面温度を250℃以上とすることが必要である。
鋼材表面を加熱する領域については、電極がレールに装着される範囲においてはダイバーンが発生する危険性があり、その範囲およびその外側に約10mm程度、余分に加熱することが望ましい。
In addition, it is desirable that the range where the die burn is tempered extends to a depth of at least 5 mm from the surface. When heating is performed from the surface, the internal temperature is lower than the surface, so that the surface temperature needs to be 250 ° C. or higher in order to make the inner 5 mm or more 200 ° C. or higher.
In the region where the steel surface is heated, there is a risk of die burn in the range where the electrode is mounted on the rail, and it is desirable to heat the region and its outside by about 10 mm.
マルテンサイト部の加熱温度を高めていくと、炭化物の組成変化、粒子径の増大、格子欠陥の消失が進み、硬度は単調に低下していく。延靭性も大局的に増加していく傾向にある。 When the heating temperature of the martensite portion is increased, the change in the composition of carbides, the increase in particle diameter, and the disappearance of lattice defects proceed, and the hardness decreases monotonously. The ductility tends to increase globally.
<レール母材の加熱による組織、硬度変化>
図10にパーライト鋼母材に対する加熱温度と組織、硬度の関係を模式的に示す。図の左端は熱影響を受けないレール母材であり、右端は固相線温度まで加熱された状態を示している。
<Structure and hardness change due to heating of rail base material>
FIG. 10 schematically shows the relationship between the heating temperature, the structure and the hardness of the pearlite steel base material. The left end of the figure is a rail base material that is not affected by heat, and the right end shows a state heated to the solidus temperature.
オーステナイト化完了温度を超えて過熱された領域は、その後の冷却時に全てパーライト変態する。その部分の硬度は冷却時の冷却速度により異なる。 The region heated above the austenitization completion temperature is all pearlite transformed during subsequent cooling. The hardness of the portion varies depending on the cooling rate during cooling.
加熱温度がオーステナイト化開始温度とオーステナイト化完了温度の間である場合は、加熱時点でオーステナイト相と未変態のフェライト相もしくはセメンタイト相が混在する。オーステナイトに変態した部分はその後の冷却でパーライトに変態するが、未変態のフェライト相や、未溶解で球状化したままのセメンタイトがそのまま室温まで残る。これらの組織はオーステナイト相から変態した通常のパーライト組織に比較して硬度が低い。 When the heating temperature is between the austenitization start temperature and the austenitization completion temperature, the austenite phase and the untransformed ferrite phase or cementite phase are mixed at the time of heating. The portion transformed into austenite is transformed into pearlite by subsequent cooling, but the untransformed ferrite phase and the undissolved spheroidized cementite remain at room temperature. These structures have a lower hardness than a normal pearlite structure transformed from the austenite phase.
さらに加熱温度が低く、オーステナイト化開始温度に達しない領域においても、500℃以上に加熱される領域はパーライト中のセメンタイトが球状化し硬度が低下する。加熱温度がさらに低くなると球状化の程度は小さくなり、しだいに母材の硬度に近づいていく。 Further, even in a region where the heating temperature is low and does not reach the austenitizing start temperature, the cementite in the pearlite is spheroidized and the hardness is lowered in the region heated to 500 ° C. or higher. As the heating temperature is further lowered, the degree of spheroidization becomes smaller and gradually approaches the hardness of the base material.
加熱温度500℃〜オーステナイト化開始温度までの球状化域はマクロ組織では母材と大差ないが、オーステナイト化開始温度に達すると、混相領域のため細粒となり硝酸アルコールなどによるエッチングにより、明確に差異を判別できる。オーステナイト化完了温度以上に加熱された領域は高温加熱により結晶粒径が増大する傾向はあるが、マクロ組織的には母材に近い組織を呈する。なお、500℃〜オーステナイト化開始温度までの領域では走査型電子顕微鏡(SEM)により球状化したセメンタイトを確認できる。 The spheroidizing region from the heating temperature of 500 ° C to the austenitizing start temperature is not much different from the base material in the macro structure, but when it reaches the austenitizing start temperature, it becomes a fine grain due to the mixed phase region and is clearly different by etching with nitrate nitrate etc. Can be determined. The region heated above the austenitization completion temperature tends to increase the crystal grain size by high-temperature heating, but exhibits a structure close to the base material in terms of macro structure. In the region from 500 ° C. to the austenitization start temperature, spheroidized cementite can be confirmed by a scanning electron microscope (SEM).
車輪との接触による磨耗環境にさらされるレール頭部1に対しては、硬度低下が顕著にならない600℃程度までに制約する必要がある。一方。レール足裏部、柱部については、加熱温度の上昇に伴う硬度低下の実質的悪影響はなく、レールが溶融しだす固相線温度まで加熱しても問題ない。ただし、マルテンサイトの無害化という観点からは、600℃まで加熱すれば十分である。
For the
<溶接時の電極の装着位置に応じた適正な再加熱温度の範囲について>
電極部にダイバーンによって生じるマルテンサイト組織を無害化処理する場合、以上の説明のとおり、再加熱温度に応じてマルテンサイト組織が変化する。また、マルテンサイトの周囲の母材パーライト組織も再加熱により、その温度に応じて組織変化が起こる。
<About the appropriate reheating temperature range according to the electrode mounting position during welding>
When the martensite structure generated by dieburn is detoxified in the electrode part, the martensite structure changes according to the reheating temperature as described above. In addition, the base material pearlite structure around the martensite also undergoes structural change depending on the temperature due to reheating.
一方、レールは部位ごとに異なる機能を分担しており、その望ましい金属組織は異なる。溶接部においてもレール部位ごとに果たすべき機能は母材と同じである。
たとえばレール頭部には車輪との接触による磨耗、メタルフロー、さらには亀裂発生の環境下にさらされるため、強度、硬度が高いことが好ましい。このため、再加熱によりパーライト組織が球状化し軟化することは好ましくない。このため、溶接時の電極がレール頭部に接触する溶接方法の場合に、電極装着部位を再加熱する際の温度は上記説明のとおり、少なくとも250℃以上であることが必要であるが、パーライト組織が球状化しても強度低下の程度が小さい600℃以下であることが望ましい。
On the other hand, the rails share different functions for each part, and their desirable metal structures are different. Also in the welded portion, the function to be performed for each rail part is the same as that of the base material.
For example, since the rail head is exposed to wear, metal flow, and cracking due to contact with the wheels, it is preferable that the strength and hardness are high. For this reason, it is not preferable that the pearlite structure is spheroidized and softened by reheating. For this reason, in the case of the welding method in which the electrode at the time of welding is in contact with the rail head, the temperature at which the electrode mounting site is reheated needs to be at least 250 ° C. or more as described above. Even when the structure is spheroidized, it is desirable that the degree of strength decrease is 600 ° C. or less.
さらに詳しく再加熱温度の影響を述べると、250℃〜350℃の範囲はマルテンサイトが固溶炭素を炭化物として析出しているが、依然として多量の転移を含み、高度がレール母材より高い状態にある。この状態はマルテンサイトが焼き戻されて、重大な損傷の危険性は避けられているものの、レールの母材部とは硬度の違いがあり、車輪が通過する際に、両者に生じるひずみ量が異なる現象が生じる。これは長期の使用により亀裂の生成を起こしうる危険性を若干残している。逆に、再加熱温度が550℃を超えてくると、レール母材のパーライトの球状化、硬度の低下が始まり、その程度は小さいものの、母材部より硬度が下がる状態となる。
列車通過時に、レール母材部とマルテンサイトを焼き戻した部分が均等に変形し、亀裂の発生の危険性をさらに小さくするには、焼き戻した部分とレール母材の硬度差がより小さい再加熱条件にすることが望ましい。以上の観点から、再加熱温度は350℃〜550であることが最も望ましい。
The effect of reheating temperature will be described in more detail. In the range of 250 ° C to 350 ° C, martensite is precipitated as solute carbon as carbides, but still contains a large amount of transition, and the altitude is higher than that of the rail base material. is there. In this state, martensite is tempered, and the risk of serious damage is avoided, but there is a difference in hardness from the base metal part of the rail, and when the wheel passes, the amount of strain that occurs in both is reduced. A different phenomenon occurs. This leaves some risk that cracking can occur with long-term use. On the other hand, when the reheating temperature exceeds 550 ° C., the pearlite of the rail base material starts to be spheroidized and the hardness decreases, and the hardness is lower than that of the base material portion although the degree is small.
To further reduce the risk of cracking when the rail base material and the tempered portion of the martensite deform evenly when passing through the train, the hardness difference between the tempered portion and the rail base material is smaller. It is desirable to use heating conditions. From the above viewpoint, the reheating temperature is most preferably 350 ° C. to 550.
一方、レール柱部、足部においては車輪との接触が生じないため、レール頭部におけるような高強度は必要ではない。このため、溶接時の電極がレール柱部もしくは底部に接触する場合において、電極装着部位を再加熱する際の温度は、上記説明のとおり少なくとも250℃以上であることが必要であるが、レール鋼が溶融しだす固相線温度まで上げても差し支えない。固相線温度以上まで温度を上げた場合は、レール表面が溶融して表面に凹凸が生じ、使用中に疲労亀裂の発生起点となるため好ましくない。 On the other hand, since the rail pillar portion and the foot portion do not come into contact with the wheel, high strength as in the rail head portion is not necessary. For this reason, when the electrode at the time of welding is in contact with the rail column part or the bottom part, the temperature when reheating the electrode mounting portion needs to be at least 250 ° C. or more as described above. It can be raised to the solidus temperature at which the material begins to melt. When the temperature is raised to the solidus temperature or higher, the rail surface melts and irregularities are generated on the surface, which is not preferable because it becomes a starting point of fatigue cracks during use.
ただし、レール柱部、足部においても、前節のレール頭部の再加熱の項で説明したように、レール母材部と再加熱部の硬度の違いがより少ないことが望ましい。レール柱部、足部においては列車通過時に車輪との接触は起こらないものの、軌道条件によってはこれらの部位に疲労亀裂が生じることがあり、歪、応力状態がレール母材と焼き戻し部で均一になることが望ましいためである。したがってレール柱部、足部においても、再加熱温度は350℃〜550であることが最も望ましい。 However, also in the rail column part and the foot part, it is desirable that the difference in hardness between the rail base material part and the reheating part is smaller as described in the reheating of the rail head part in the previous section. Although contact with the wheels does not occur when the train passes through the rail pillars and feet, fatigue cracks may occur in these parts depending on the track conditions, and the strain and stress are uniform in the rail base material and tempered part. This is because it is desirable. Therefore, it is most desirable that the reheating temperature is 350 ° C. to 550 also in the rail pillar portion and the foot portion.
<ダイバーンの加熱処理方法について>
ダイバーンによって生じたマルテンサイトを加熱によって無害化する手段は特に限定されるべきものではなく、可燃ガスによる加熱、高周波誘導加熱、通電加熱などがいずれも利用できる。
<Dieburn heat treatment method>
Means for detoxifying martensite generated by die burn should not be particularly limited, and any of heating by a combustible gas, high-frequency induction heating, electric heating and the like can be used.
以下に本発明の実施例、比較例を示す。
(レール鋼)
表1に本明細書の実施例で使用した3種類のレールを示す。レール鋼Aは通称、普通レールと呼ばれる鋼種で、炭素量0.65〜0.75重量%を含有する亜共析鋼であり、圧延のままの製品で、レール頭部の硬度はビッカース硬度260〜290である。レール鋼Bは圧延後に熱処理された耐摩耗レールで、炭素量0.75〜0.85重量%を含有する共析鋼であり、レール頭部の表面下5mmでの硬度がビッカース硬度360〜400である。レール鋼Cは炭素量0.85〜0.95%を含有する過共析鋼であり、圧延後に熱処理された耐摩耗レールで、レール頭部の表面下5mmでの硬度がビッカース硬度400〜450である。レールサイズはメートル単重70kg/mの重荷重鉄道用サイズを用いた。
Examples of the present invention and comparative examples are shown below.
(Rail steel)
Table 1 shows three types of rails used in the examples of the present specification. Rail steel A is a steel type commonly known as a normal rail, and is a hypoeutectoid steel containing 0.65 to 0.75% by weight of carbon, and is a rolled product with a rail head hardness of 260 Vickers hardness. ~ 290. Rail steel B is a wear-resistant rail that has been heat-treated after rolling, and is a eutectoid steel containing 0.75 to 0.85% by weight of carbon. It is. Rail steel C is a hypereutectoid steel containing carbon content of 0.85 to 0.95%, and is a wear-resistant rail that has been heat-treated after rolling. It is. The rail size used was a heavy load railway size with a metric unit weight of 70 kg / m.
(溶接方法)
溶接パターンは、(1)まず0.1mm/sフラッシング速度で60秒間、レール端面間を接近させていき、接触が起こった部位をフラッシングで溶融飛散させていく。この過程で、元々の被溶接レール端面が平行でなかった場合も、凸部が優先的にフラッシングして溶融飛散し、両レールの端面間は60秒間のフラッシングにより平行となる。この過程は次の端面間短絡の際に、端面間の接触を全断面にわたって均一に起こさせるために必要である。次に、(2)レール端面間の2秒間の短絡と1秒間の開放の組み合わせを8回起こさせ、大電流を断続的にレール間に流してレールを加熱し、(3)その後、0.3mm/sの移動速度でレール端面間を接近させる最終フラッシングを120秒間行った後、(4)アップセット工程でレール同士を60トンの荷重で加圧して溶接した。この溶接パターン、溶接条件は以下の全実施例で共通とした。
(Welding method)
The welding pattern is as follows: (1) First, the rail end faces are brought close to each other for 60 seconds at a flushing speed of 0.1 mm / s, and the contacted portion is melted and scattered by flushing. In this process, even if the end surface of the original rail to be welded is not parallel, the convex portion is preferentially flushed and melted and scattered, and the end surfaces of both rails become parallel by flushing for 60 seconds. This process is necessary to cause contact between the end faces uniformly over the entire cross section at the time of the next short circuit between the end faces. Next, (2) a combination of short-circuiting for 2 seconds between rail end faces and opening for 1 second is caused 8 times, a large current is intermittently passed between the rails to heat the rails, and (3) 0. After the final flushing for approaching between the rail end faces at a moving speed of 3 mm / s for 120 seconds, (4) the rails were pressurized and welded with a load of 60 tons in the upset process. This welding pattern and welding conditions were common to all the following examples.
(ダイバーンの発生方法)
溶接機の電極に図11(a)に示すように、深さ0.5mm、レール長手方向に幅20mm、その直角方向に20mmの凹部9Bを作り、レール表層20との接触面に0.5mmの隙間ができるようにした。溶接機には4個の電極があるが、この凹部を有する電極9Aを実施例ごとに溶接機の1か所もしくは2か所に取り付けて、溶接時にこの接触不良部において、確実にダイバーン21を生じさせた。その溶接時の状況を模式的に図11(b)に示す。溶接後に図11(c)に示すように、この凹部を有する電極9Aの装着部分22から長手方向の、レール表面に垂直断面24を切出して確認したところ、電極の凹部が位置していた部分23に相当する位置に、レール長手方向に5〜20mm、その直角方向に5〜20mm、表面からの深さ最大15mmの範囲でマルテンサイト組織部25が生じていることを確認した(図11(d))。マルテンサイト組織部25の周囲には、オーステナイト化開始温度とオーステナイト化完了温度の中間まで加熱された細粒の組織帯26が認められた。
(Die burn generation method)
As shown in FIG. 11 (a), a
(ダイバーン発生部の後熱処理方法)
溶接後のダイバーン発生部の加熱は電磁コイルを用いてレール表面に誘導電流を起こし、そのジュール発熱を起こさせる誘導加熱法を用いた。レール表面に生じる誘導電流、到達温度は使用する電磁コイルの形状、コイルに流す励磁電流、励磁時間により異なる。実験に先立ち、あらかじめ電流、励磁時間とレール表面の到達温度の関係を求めておき、目標とするレール表面温度が得られるよう、励磁電流と励磁時間を変化させた。加熱範囲27は図12に示すように、電極装着範囲22を含む、レール長手方向に100mm、レール長手方向に直角方向に50mmの範囲とした。加熱設定温度にて30秒間保持し、加熱終了後は自然放冷した。その際の冷却速度は約1.0℃/sである。
(Post-heat treatment method for die burner)
The heating of the die burner generating part after welding was performed using an induction heating method in which an induction current was generated on the rail surface using an electromagnetic coil, and the Joule heat generation was generated. The induced current and ultimate temperature generated on the rail surface vary depending on the shape of the electromagnetic coil used, the exciting current flowing through the coil, and the exciting time. Prior to the experiment, the relationship between the current, the excitation time and the temperature reached on the rail surface was obtained in advance, and the excitation current and the excitation time were changed so that the target rail surface temperature was obtained. As shown in FIG. 12, the
(評価試験方法)
実施例に応じて2ないし3本の溶接部を同一条件で再加熱処理した。1本はダイバーン生成部から鏡面試料を切出して硬度、金属組織を調査し、その他の試験溶接部は耐表面損傷評価試験、もしくは曲げ疲労試験、もしくはその両方を行った。
(Evaluation test method)
Depending on the example, 2 to 3 welds were reheated under the same conditions. One sample was cut out from a die burn generation part to examine the hardness and metal structure, and the other test welds were subjected to a surface damage resistance evaluation test, a bending fatigue test, or both.
(硬度、金属組織試験)
硬度、金属組織の検査は図11(c)に示したように、電極9Aの凹部9Bが位置していたレール表面に垂直の長手方向断面を切り出しておこなった。この断面を鏡面研磨し、図13に示すようにダイバーン発生位置における、レール表面から2mm位置30でビッカース式硬度計により、測定荷重100Nで測定した。
(Hardness, metal structure test)
As shown in FIG. 11C, the hardness and metal structure were inspected by cutting out a longitudinal section perpendicular to the rail surface where the
曲線部や重荷重鉄道ではレール頭部の硬度がHv400前後のレール鋼B、Cなどが使用されることが多い。レール頭部に電極を装着する溶接において、電極装着部のダイバーンを熱処理する場合、再加熱温度が過剰であるとパーライトの球状化により軟化が生じる。その結果、使用中に広い範囲で摩耗が著しく進み、摩耗深さも大きくなる。高硬度のレールを用いて頭部を熱処理する場合は、熱処理後の硬度がHv300を下回ると母材との摩耗量の差が大きくなるため望ましくない。 In curved sections and heavy-duty railways, rail steels B and C having a rail head hardness of around Hv400 are often used. In the welding for mounting the electrode on the rail head, when heat treatment is performed on the die burner of the electrode mounting portion, if the reheating temperature is excessive, softening occurs due to spheroidization of pearlite. As a result, wear progresses significantly over a wide range during use, and the wear depth also increases. When heat-treating the head using a high-hardness rail, if the hardness after the heat treatment is less than Hv300, the difference in the amount of wear with the base material is not desirable.
金属組織は上記硬度測定試料を3%硝酸アルコール(ナイタール液)でエッチングして観察した。マルテンサイト組織には炭化物が存在しないため、ナイタール液ではエッチングされず、顕微鏡では白く見える。一方、パーライト組織、ベイナイト組織、焼き戻しマルテンサイト組織はナイタール液で炭化物の形態に応じてエッチングされ、マルテンサイトとは明瞭に識別される。 The metal structure was observed by etching the hardness measurement sample with 3% nitrate alcohol (Nital solution). Since there is no carbide in the martensite structure, it is not etched with the nital solution and appears white under a microscope. On the other hand, the pearlite structure, the bainite structure, and the tempered martensite structure are etched by the nital liquid according to the form of the carbide and are clearly distinguished from the martensite.
金属組織の組織分率は電極凹部の直下、レール表面近傍20×20mmを調査領域とし、倍率50倍で観察し、点算法(ポイントカウント法)で算出した。点算法はJIS G0555の附属書1(規定)に示された、介在物の顕微鏡試験方法を参考にして行った。JISで示される介在物の個数を各組織の個数に置き換え、面積率を算出した。
前述したように組織分率においてマルテンサイト組織が20%を超えると材質の劣化が著しくなり好ましくない。
The structure fraction of the metal structure was calculated by the point counting method (point counting method), with the
As described above, when the martensite structure exceeds 20% in the structure fraction, the material is remarkably deteriorated.
加熱温度がオーステナイト化完了温度を超える場合は、ダイバーンにより生じていたマルテンサイト組織が完全に消失した。この場合も、元々ダイバーンが存在したと思われる、電極の凹部9Bが位置していた付近で組織観察、硬度測定を行った。
When the heating temperature exceeded the austenitization completion temperature, the martensite structure generated by the diburning disappeared completely. Also in this case, the structure observation and the hardness measurement were performed in the vicinity where the
(耐表面損傷性の試験方法)
耐表面損傷性の評価試験は図14に模式的に示す試験機で行った。この試験において、供試レールはスライドする水平移動台車33に固定されている。水平移動台車33はローラー34を持っており、定盤35の上を水平に往復する。水平移動台車33の水平移動は油圧シリンダーによって行う。
(Surface damage resistance test method)
The surface damage resistance evaluation test was performed with a tester schematically shown in FIG. In this test, the test rail is fixed to a horizontally moving
溶接時に凹部を有する電極が装着され、ダイバーンの生じた部位を、移動台車33が往復動する際の中間点となるように移動台車33に供試レールを設置し、往復動の範囲をこのダイバーン部から両側各500mmとした。台車33の移動速度は800mm/sとした。
A test rail is installed on the moving
車輪15は油圧力で下方向に垂直荷重32が加えられる。この試験では重貨物鉄道で一般的な輪重である15トンに設定した。この垂直荷重32が、レールが車輪15から受ける垂直荷重Pyに等しい。垂直負荷は台車が往路方向に動く際にかけ、復路は車輪15を浮かして無負荷とした。すなわちレール表面における塑性流動が一定方向に起こるようにした。
A
また、車輪15の回転はモーター31で駆動されている。そのトルクと台車33の水平移動の駆動力を調整することにより、レールと車輪15の接触面には接線方向力Pxを負荷することができる。この試験ではPxを1トンとした。
Further, the rotation of the
累積の垂直負荷トン数が1500万トンに達するまで試験片の往復動を行い、その後、レールの表面状態を観察し、損傷が生じていた場合はその幅と長さを記録した。また、車輪15との接触により偏摩耗が生じた場合にはその局部摩耗量を測定した。
The test piece was reciprocated until the cumulative vertical load tonnage reached 15 million tons, and then the surface condition of the rail was observed, and if the damage occurred, the width and length were recorded. Further, when uneven wear occurred due to contact with the
微細な表面損傷は実軌道の曲線部において生じることがあるが、表面剥離などに至ることは稀である。しかしダイバーンなどマルテンサイトの生成に伴う損傷は表面剥離や折損に至ることがあり、損傷発生自体、好ましくない。 Although minute surface damage may occur in the curved portion of the actual trajectory, it rarely results in surface peeling. However, damage caused by the generation of martensite such as diburn may lead to surface peeling or breakage, and the occurrence of damage itself is not preferable.
また、偏摩耗量が0.5mm以上になると車輪通過時の騒音、振動が著しくなり、その後さらに偏摩耗の進み方が加速度的になることが想定されることや、表面損傷に発展する可能性があり好ましくない。 In addition, if the amount of uneven wear is 0.5 mm or more, noise and vibration when passing through the wheel become significant, and it is assumed that the progress of uneven wear will be accelerated thereafter, and it may lead to surface damage. Is not preferable.
(疲労試験方法)
曲げ疲労強度の評価試験は3点曲げ方式で行った。図15に試験法方を模式的に示す。1mの距離でセットされた台座38の中心にダイバーン発生部を置き、台座38の中間点においてレール頭部から押し治具39で荷重を与えた。台座38および押し治具39のレールに接する部位の曲率半径は100mmRとした。試験応力はレールの足裏中央部で設定した。最低応力を30MPa、最大応力を330MPa、応力変動範囲を300MPaとした。通常のフラッシュバット溶接継ぎ手は応力範囲300MPaで200万回までの疲労寿命を有している。荷重繰返し速度は5Hzとし、溶接部に亀裂が発生した時点で試験を終了した。また、荷重繰返し回数が200万回まで非破断であった場合は試験を終了し、十分な疲労性能を有していると判断した。
(Fatigue test method)
The evaluation test of bending fatigue strength was performed by a three-point bending method. FIG. 15 schematically shows the test method. A die-burn generating portion was placed at the center of the
<実施例1>
フラッシュバット溶接の際に、レール頭部にダイバーンを発生させ、その部分を種々の温度に再加熱した実施例を以下に示す。
<Example 1>
An example in which die burn is generated in the rail head during flash butt welding and the portion is reheated to various temperatures will be described below.
被溶接レールには表1の鋼Bを用いた。凹部を設けた電極9Aの配置位置を図16に示す。
評価試験として、ダイバーン発生部位の金属組織観察、硬度測定、耐表面損傷試験を行った。再加熱温度条件および耐表面損傷試験の結果を表2に示す。
Steel B in Table 1 was used for the rail to be welded. The arrangement position of the
As an evaluation test, metal structure observation, hardness measurement, and surface damage resistance test were performed at the site where the die burn occurred. Table 2 shows the results of the reheating temperature condition and the surface damage resistance test.
ダイバーン部の温度を250〜600℃の範囲に加熱した実施例A1〜A3はダイバーン部におけるマルテンサイトの組織が20%以下となり、損傷試験の結果、レール頭部における表面損傷は認められなかった。 In Examples A1 to A3 in which the temperature of the die burn portion was heated to a range of 250 to 600 ° C., the martensite structure in the die burn portion was 20% or less, and as a result of the damage test, no surface damage was observed in the rail head.
一方、比較例A1はダイバーン部の再加熱を行っておらず、マルテンサイトがそのままレールに残存しており、損傷試験において表面損傷が生じた。 On the other hand, Comparative Example A1 did not reheat the die burn part, and martensite remained on the rail as it was, and surface damage occurred in the damage test.
比較例A2、A3はダイバーン部の再加熱温度が低く、マルテンサイトが多量にレールに残存しており、損傷試験において表面損傷が生じた。 In Comparative Examples A2 and A3, the reheating temperature of the die burn part was low, and a large amount of martensite remained on the rail, and surface damage occurred in the damage test.
比較例A4はダイバーン部の再加熱温度が高すぎ、炭化物の球状化により硬度Hv300以下となる軟化が生じ、損傷試験において0.5mm以上の局部摩耗が生じた。 In Comparative Example A4, the reheating temperature of the die burn portion was too high, and softening of hardness Hv300 or less occurred due to the spheroidization of the carbide, and local wear of 0.5 mm or more occurred in the damage test.
A5はダイバーン部の再加熱温度がさらに高く、ダイバーン部はパーライト組織になっているものの、加熱部辺縁部の600〜700℃に加熱される領域において、炭化物の球状化による硬度Hv300以下となる軟化により、損傷試験において0.5mm以上の局部摩耗が生じた。
In A5, the reheating temperature of the dieburn part is higher and the dieburn part has a pearlite structure, but in the region heated to 600 to 700 ° C. at the edge of the heating part, the hardness becomes
<実施例2>
次にフラッシュバット溶接の際に、レール足裏部にダイバーンを発生させ、その部分を種々の温度に再加熱した実施例を示す。
<Example 2>
Next, in the flash butt welding, an example is shown in which a die burn is generated on the rail sole and the portion is reheated to various temperatures.
被溶接レールには表1の鋼Aを用いた。凹部を設けた電極9Aの配置位置を図17に示す。評価試験はダイバーン発生部位の金属組織観察、硬度測定、曲げ疲労試験を行った。再加熱温度条件および曲げ疲労試験の結果を表3に示す。
Steel A in Table 1 was used for the rail to be welded. The arrangement position of the
ダイバーン部の温度を250℃〜固相線温度以下の範囲に加熱した実施例B1〜B6はダイバーン部におけるマルテンサイトの組織が20%以下となり、疲労試験の結果、荷重繰り返し回数200万回まで疲労損傷は生じなかった。 In Examples B1 to B6 in which the temperature of the dieburn part was heated to a range of 250 ° C. to the solidus temperature or less, the martensite structure in the dieburn part was 20% or less, and as a result of the fatigue test, fatigue was repeated up to 2 million cycles. No damage occurred.
一方、比較例B1はダイバーン部の再加熱を行っておらず、マルテンサイトがそのままレールに残存しており、疲労試験において早期破断した。 On the other hand, Comparative Example B1 did not reheat the dieburn part, martensite remained on the rail as it was, and it broke early in the fatigue test.
比較例B2、B3はダイバーン部の再加熱温度が低く、マルテンサイトが多量にレールに残存しており、疲労試験において早期破断した。 In Comparative Examples B2 and B3, the reheating temperature of the die burn part was low, and a large amount of martensite remained on the rail, and early fracture occurred in the fatigue test.
比較例B4はダイバーン部の再加熱温度が高すぎ、レール足裏の表面が溶損し、磨耗試験において早期破断した。 In Comparative Example B4, the reheating temperature of the die burn portion was too high, the surface of the rail foot was melted, and early fracture occurred in the wear test.
<実施例3>
レールをフラッシュバット溶接する際に、レール頭部及び、レール足裏部にダイバーンを発生させ、その部分を種々の温度に再加熱した実施例を示す。
<Example 3>
In this embodiment, when the rail is flash-butt welded, a die burn is generated in the rail head portion and the rail foot sole portion, and the portion is reheated to various temperatures.
被溶接レールには表1の鋼Cを用いた。凹部を設けた電極9Aの配置位置を図18に示す。評価試験はダイバーン発生部位の金属組織観察、硬度測定、表面損傷試験を行った。再加熱温度条件および断面組織、硬度試験結果を表4に、耐表面損傷試験、曲げ疲労試験の結果を表5に示す。
Steel C in Table 1 was used for the rail to be welded. The arrangement position of the
頭部のダイバーン部の温度を250〜600℃の範囲に加熱し、足裏部のダイバーン部の温度を250℃〜固相線温度の範囲に加熱した実施例C1〜C9はダイバーン部におけるマルテンサイトの組織が20%以下となった。損傷試験の結果、レール頭部における表面損傷、異常摩耗は認められなかった。また、疲労試験においても荷重繰り返し回数200万回まで破断しなかった。 Examples C1 to C9 in which the temperature of the head portion of the diburn portion was heated to a range of 250 to 600 ° C. and the temperature of the foot portion of the diburn portion were heated to a range of 250 ° C. to the solidus temperature were martensite in the diburn portion The organization became less than 20%. As a result of the damage test, no surface damage or abnormal wear was found on the rail head. Further, in the fatigue test, it did not break until the load was repeated 2 million times.
一方、比較例C1は頭部のダイバーン部の加熱温度が高く、炭化物の球状化による軟化により、損傷試験において局部摩耗が生じた。 On the other hand, in Comparative Example C1, the heating temperature of the die burner portion of the head was high, and local wear occurred in the damage test due to softening due to the spheroidization of carbide.
比較例C2は足裏のダイバーン部の再加熱温度が低く、マルテンサイトが多量にレールに残存しており、疲労試験において早期破断した。 In Comparative Example C2, the reheating temperature of the die burner portion on the sole was low, and a large amount of martensite remained on the rail, resulting in early fracture in the fatigue test.
比較例C3は足裏のダイバーン部の再加熱温度が高すぎ、レール足裏の表面が溶損し、磨耗試験において早期破断した。 In Comparative Example C3, the reheating temperature of the dieburn part of the sole was too high, the surface of the rail sole melted and was prematurely broken in the wear test.
比較例C4はダイバーン部の再加熱温度が低く、マルテンサイトが多量にレールに残存しており、損傷試験において表面損傷が生じた。また、足裏のダイバーン部の再加熱温度も低く、マルテンサイトが多量にレールに残存しており、疲労試験において早期破断した。 In Comparative Example C4, the reheating temperature of the die burn portion was low, and a large amount of martensite remained on the rail, and surface damage occurred in the damage test. In addition, the reheating temperature of the die-burn part on the sole was low, and a large amount of martensite remained on the rail, resulting in early fracture in the fatigue test.
<実施例4>
次にレール柱部に電極を装着する現地溶接用の可動式フラッシュバット溶接機を用いる溶接において、溶接の際にレール柱部にダイバーンを発生させ、その部分を種々の温度に再加熱した実施例を示す。被溶接レールには表1の鋼Cを用いた。
<Example 4>
Next, in welding using a movable flash butt welder for field welding in which electrodes are mounted on the rail column, die burn was generated in the rail column during welding, and the part was reheated to various temperatures Indicates. Steel C in Table 1 was used for the rail to be welded.
柱部用電極40、凹部を有する柱部用電極40Aを図19に模式的に示す。凹部を設けた電極40Aの配置位置を図20に示す。評価試験はダイバーン発生部位の金属組織観察、硬度測定、曲げ疲労試験を行った。再加熱温度条件および曲げ疲労試験の結果をまとめて表6に示す。
FIG. 19 schematically shows a
ダイバーン部の温度を250℃〜固相線温度以下の範囲に加熱した実施例D1〜D6はダイバーン部におけるマルテンサイトの組織が20%以下となり、疲労試験の結果、荷重繰り返し回数200万回まで疲労損傷は生じなかった。 In Examples D1 to D6 in which the temperature of the dieburn part was heated to a range of 250 ° C. to the solidus temperature or less, the martensite structure in the dieburn part was 20% or less. No damage occurred.
一方、比較例D1はダイバーン部の再加熱を行っておらず、マルテンサイトがそのままレールに残存しており、疲労試験において早期破断した。 On the other hand, Comparative Example D1 did not reheat the dieburn part, and martensite remained on the rail as it was, and it broke early in the fatigue test.
比較例D2、D3はダイバーン部の再加熱温度が低く、マルテンサイトが多量にレールに残存しており、疲労試験において早期破断した。 In Comparative Examples D2 and D3, the reheating temperature of the die burn portion was low, and a large amount of martensite remained on the rail, and early fracture occurred in the fatigue test.
比較例D4はダイバーン部の再加熱温度が高すぎ、レール柱の表面が一部、溶け、疲労試験において早期破断した。 In Comparative Example D4, the reheating temperature of the die burn part was too high, and a part of the surface of the rail column melted, resulting in early fracture in the fatigue test.
1・・・レールの頭部、2・・・レールの柱部、3・・・レールの足部、4・・・レールの頭頂部、5・・・レールの足表、6・・・レール足裏、7・・・溶接部、8・・・溶接ビード、9・・・電極、9A・・・凹部を有する電極、9B・・・凹部を有する電極の凹部、10・・・被溶接レール、11・・・アップセットによる溶接ビード、12・・・トリマー、13・・・電源、14A・・・表面損傷、14B・・・疲労亀裂、15・・・車輪、16・・・車輪とレールの接触面、17、18・・・接触面内の接線方向の応力、19・・・枕木、20・・・電極が装着されるレールの表層部分、21・・・ダイバーンによるアーク、22・・・電極の接触範囲、23・・・電極の凹部が存在した相当位置、24・・・組織検査断面、25・・・ダイバーンによって生じたマルテンサイト組織、26・・・ダイバーンによって生じたマルテンサイト組織周囲の細粒組織帯、27・・・実施例における再加熱範囲、28・・・再加熱による熱影響組織、29・・・検鏡範囲,30・・・硬度測定位置、31・・・損傷評価試験機の車輪駆動モーター、32・・・垂直荷重、33・・・水平移動台車、34・・・ローラー、35・・・定盤、36・・・移動台車を往復動方向を示す矢印、37・・・曲げ応力の分布、38・・・試験片支持台、39・・・加圧治具、P・・・試験荷重、40・・・水平方向に柱に装着する形式の電極、40A・・・水平方向に柱に装着する形式で、凹部を有する電極
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