JP5867263B2 - Rail with excellent delayed fracture resistance - Google Patents

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Description

本発明は、海外の貨物鉄道で使用される高強度レールにおいて、靭性と耐遅れ破壊特性を向上させることを目的としたレールに関するものである。   The present invention relates to a rail intended to improve toughness and delayed fracture resistance in a high-strength rail used in overseas freight railways.

経済発展に伴い石炭などの天然資源の新たな開発が進められている。具体的にはこれまで未開であった自然環境の厳しい地域での採掘が進められている。これに伴い、資源を輸送する海外の貨物鉄道では軌道環境が著しく厳しくなっている。レールに対しては、これまで以上の耐摩耗性が求められるようになってきた。このような背景から、現用の高強度レール以上の耐摩耗性を有したレールの開発が求められるようになってきた。   Along with economic development, new development of natural resources such as coal is underway. Specifically, mining is being carried out in areas that have been undeveloped until now and have severe natural environments. Along with this, the track environment has become extremely severe in overseas freight railroads that transport resources. For rails, higher wear resistance has been demanded. Against this background, there has been a demand for the development of a rail having wear resistance higher than that of current high-strength rails.

レール鋼の耐摩耗性を改善するため、下記に示すようなレールが開発された。これらのレールの主な特徴は、耐摩耗性を向上させるため、鋼の炭素量を増加し、パーライトラメラ中のセメタイト相の体積比率を増加させ、同時に高強度化している(例えば、特許文献1、2参照)。   In order to improve the wear resistance of rail steel, the following rails have been developed. The main features of these rails are to increase the carbon content of the steel, to increase the volume ratio of the cemetite phase in the pearlite lamella, and to increase the strength at the same time to improve wear resistance (for example, Patent Document 1). 2).

特許文献1の開示技術では、過共析鋼(C:0.85超〜1.20%)を用いて、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト体積比率を増加させ、耐摩耗性に優れたレールを提供することができる。   In the disclosed technique of Patent Document 1, a hypereutectoid steel (C: more than 0.85 to 1.20%) is used to increase the cementite volume ratio in the lamellae in the pearlite structure, and the rail has excellent wear resistance. Can be provided.

特許文献2の公開技術では、過共析鋼(C:0.85超〜1.20%)を用いて、パーライト組織中のラメラ中のセメンタイト体積比率を増加させ、同時に、硬さを制御し、耐摩耗性に優れたレールを提供することができる。   In the published technology of Patent Document 2, hypereutectoid steel (C: more than 0.85 to 1.20%) is used to increase the cementite volume ratio in the lamellae in the pearlite structure and at the same time control the hardness. A rail having excellent wear resistance can be provided.

しかし、特許文献1、2の開示技術では、パーライト組織中のセメタイト相の体積比率を増加させ、同時に、高強度化することにより、耐摩耗性の向上が図れる。しかし、高強度化すると鋼中の残留水素による遅れ破壊の発生の危険性が高まり、レールの折損が発生しやすくなるいという問題点があった。   However, in the disclosed techniques of Patent Documents 1 and 2, the wear resistance can be improved by increasing the volume ratio of the cemetite phase in the pearlite structure and simultaneously increasing the strength. However, when the strength is increased, the risk of delayed fracture due to residual hydrogen in the steel increases, and there is a problem that the rail is liable to break.

一般に残留水素による遅れ破壊の発生を抑制するには、鋼中の水素のトラップサイトを増加させ、水素の集積場所を分散させ、鋼中の水素量を低減させることが有効であると言われている。   In general, to suppress the occurrence of delayed fracture due to residual hydrogen, it is said that it is effective to increase the number of hydrogen trap sites in the steel, disperse the hydrogen accumulation sites, and reduce the amount of hydrogen in the steel. Yes.

そこで、水素の集積場所である介在物を分散させた高強度レールの開発が求められるようになってきた。この問題を解決するため、下記に示すような高強度レールが開発された。これらのレールの主な特徴は、鋼中の水素のトラップサイトを増加させ、水素の集積場所を分散することにより、遅れ破壊を抑制している(例えば、特許文献3、4参照)。   Therefore, development of a high-strength rail in which inclusions, which are hydrogen accumulation sites, are dispersed has been demanded. In order to solve this problem, the following high-strength rails have been developed. The main features of these rails are to suppress delayed fracture by increasing the number of hydrogen trap sites in the steel and dispersing the hydrogen accumulation sites (see, for example, Patent Documents 3 and 4).

特許文献3、4の開示技術では、パーライト組織中に水素のトラップサイトであるA系(MnS)やC系(SiO、CaO)の介在物を分散させ、さらに、鋼中の水素量を制御することにより、耐遅れ破壊特性に優れたレールを提供することができる。 In the disclosed technologies of Patent Documents 3 and 4, the inclusion of A-based (MnS) and C-based (SiO 2 , CaO) inclusions, which are hydrogen trap sites, is dispersed in the pearlite structure, and the amount of hydrogen in the steel is controlled. By doing so, a rail excellent in delayed fracture resistance can be provided.

しかし、特許文献3、4の開示技術では、介在物の種類によっては破壊の起点となることや、介在物の量を制御しても遅れ破壊が安定的に抑制できず、レール折損が発生しやすくなる問題があった。   However, in the disclosed technologies of Patent Documents 3 and 4, depending on the type of inclusions, the failure may be a starting point, and even if the amount of inclusions is controlled, delayed fracture cannot be suppressed stably, and rail breakage occurs. There was a problem that made it easier.

特開平08−144016号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-144016 特開平08−246100号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-246100 特開2007−277716号公報JP 2007-277716 A 特開2008−050684号公報JP 2008-050684 A 特開平09−111352号公報Japanese Patent Laid-Open No. 09-111352

本発明の一態様は、上述した問題点に鑑み案出されたものであり、特に、海外の貨物鉄道のレールで要求される、耐遅れ破壊特性を向上させることを目的としたレールを提供することを目的とする。   One aspect of the present invention has been devised in view of the above-described problems, and in particular, provides a rail aimed at improving delayed fracture resistance required for rails of overseas freight railroads. For the purpose.

(1)質量%で、C:0.88〜1.20%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.10〜2.00%、P≦0.0100%、S:0.0250〜0.0350%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼レールにおいて、質量%で式1に示すU値が50〜200の範囲であり、かつ、前記鋼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深さ20mmまでの範囲である頭表部の95%以上がパーライト組織であることを特徴とするレール。
U=P×S×10 ・・・式1
(1) By mass%, C: 0.88 to 1.20%, Si: 0.10 to 2.00%, Mn: 0.10 to 2.00%, P ≦ 0.0100%, S: 0 In a steel rail containing 0.0250 to 0.0350%, the balance being Fe and inevitable impurities, the U value shown in Formula 1 in mass% is in the range of 50 to 200, and the head of the steel rail A rail characterized in that 95% or more of the head surface part in a range up to a depth of 20 mm starting from the surface of the corner part and the top of the head part is a pearlite structure.
U = P × S × 10 6 Formula 1

(2)質量%で、さらに、式1に示すU値が50〜150の範囲であることを特徴とする(1)に記載のレール。
(3)質量%で、さらに、H≦2.0ppm以下であることを特徴とする(2)に記載のレール。
(2) The rail according to (1), characterized in that, in mass%, the U value shown in Formula 1 is in the range of 50 to 150.
(3) The rail as set forth in (2), characterized in that, in mass%, H ≦ 2.0 ppm or less.

(4)また、上記(1)〜(3)いずれかのレールには、質量%で、さらに、下記(a)〜(o)の成分の1種または2種以上を選択的に含有させることができる。
(a)Mg:0.0005〜0.0200%、
(b)Ca:0.0005〜0.0200%、
(c)REM:0.0005〜0.0500%、
(d)Cr:0.01〜2.00%、
(e)Mo:0.01〜0.50%、
(f)Co:0.01〜1.00%、
(g)B:0.0001〜0.0050%、
(h)Cu:0.01〜1.00%、
(i)Ni:0.01〜1.00%、
(j)V:0.005〜0.50%、
(k)Nb:0.001〜0.050%、
(l)Ti:0.0030〜0.0500%、
(m)Zr:0.0001〜0.0200%、
(n)N:0.0060〜0.0200%
(o)N:0.0060〜0.0200%
(4) In addition, the rail in any one of the above (1) to (3) may selectively contain one or more of the following components (a) to (o) in mass%. Can do.
(A) Mg: 0.0005 to 0.0200%,
(B) Ca: 0.0005 to 0.0200%,
(C) REM: 0.0005 to 0.0500%,
(D) Cr: 0.01 to 2.00%
(E) Mo: 0.01 to 0.50%
(F) Co: 0.01 to 1.00%,
(G) B: 0.0001 to 0.0050%,
(H) Cu: 0.01 to 1.00%,
(I) Ni: 0.01-1.00%
(J) V: 0.005 to 0.50%,
(K) Nb: 0.001 to 0.050%,
(L) Ti: 0.0030 to 0.0500%,
(M) Zr: 0.0001 to 0.0200%,
(N) N: 0.0060 to 0.0200%
(O) N: 0.0060 to 0.0200%

本発明の一態様によれば、レール鋼の成分、組織を制御し、鋼中のMnS系硫化物の量、すなわち、Sの含有量と不純物元素であるPの含有量を制御することにより、海外の貨物鉄道で使用されるレールの耐遅れ破壊特性を向上させ、使用寿命を大きく向上させることが可能となる。   According to one aspect of the present invention, by controlling the composition and structure of rail steel, the amount of MnS sulfide in the steel, that is, the content of S and the content of P which is an impurity element, It is possible to improve the delayed fracture resistance of rails used in overseas freight railways and greatly improve the service life.

S添加量と限界応力値の関係を示した図。The figure which showed the relationship between S addition amount and a limit stress value. S添加量0.0200%、0.0250%、0.0350%におけるP添加量と遅れ破壊の限界応力値の関係を示した図。The figure which showed the relationship between the amount of P addition in S addition amount 0.0200%, 0.0250%, 0.0350%, and the critical stress value of delayed fracture. S添加量0.0200%、0.0250%、0.0350%におけるS添加量とP添加量の積(P×S×10)と遅れ破壊の限界応力値の関係を示した図。S amount 0.0200%, 0.0250%, shows the relationship between the S amount and P addition amount of the product (P × S × 10 6) and delayed threshold stress fracture in 0.0350%. 本発明の耐遅れ破壊特性に優れたレールの頭部断面表面位置での呼称、および、パーライト組織が必要な領域を示した図。The figure in the head cross-sectional surface position of the rail excellent in the delayed fracture resistance of this invention, and the figure which showed the area | region where a pearlite structure | tissue is required. 表1〜2に示す本発明レール鋼(符号A1〜A51)と比較レール鋼(符号B11〜B20)のS添加量と遅れ破壊の限界応力値の関係をS添加量とP添加量の積(P×S×10)の値の範囲で整理した図。The relationship between the S addition amount and the critical stress value of delayed fracture of the present rail steel (reference symbols A1 to A51) and comparative rail steel (reference symbols B11 to B20) shown in Tables 1 and 2 is the product of the S addition amount and the P addition amount ( The figure arranged in the range of the value of P × S × 10 6 ). 表1に示す本発明レール鋼((符号A12〜A13、A16〜A17、A21〜A22、A24〜A25、A27〜A28、A32〜A33、A36〜A37、A40〜A43、A46〜A47、A50〜A51)のS添加量と遅れ破壊の限界応力値の関係をS添加量とP添加量の積(P×S×10)の値の範囲、すなわち、S添加量とP添加量の制御と水素量制御の関係で示した図。The present invention rail steels shown in Table 1 ((code A 12 ~A13, A16~A17, A 21 ~A22, A 24 ~A25, A 27 ~A28, A 32 ~A33, A 36 ~A37, A 40 ~A43, The relationship between the S addition amount of A 46 to A47 and A 50 to A51) and the critical stress value of delayed fracture is the range of the product of the S addition amount and the P addition amount (P × S × 10 6 ), that is, S addition The figure shown by the relationship between the control of the amount and P addition amount and the hydrogen amount control. 遅れ破壊試験方法を示した模式図。The schematic diagram which showed the delayed fracture test method.

以下では、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
本実施形態として、耐遅れ破壊特性に優れたレールにつき、詳細に説明する。以下、組成における質量%は、単に%と記載する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below.
As this embodiment, a rail excellent in delayed fracture resistance will be described in detail. Hereinafter, the mass% in the composition is simply described as%.

まず、本発明者らは、レールの耐遅れ破壊特性を改善するため、まず、水素のトラップサイトである介在物の特性を改善することを検討した。レールの諸特性に影響が少なく、最も安価な介在物を検討した結果、鉄の不純物として含有するSと強化元素として一般的に添加するMnから生成する軟質なMnS系硫化物は、破壊の起点にならず、安価であり、水素のトラップサイトと有望であることが判明した。   First, in order to improve the delayed fracture resistance of the rail, the present inventors first studied to improve the characteristics of inclusions that are hydrogen trap sites. As a result of investigating the cheapest inclusions that have little influence on the properties of the rail, the soft MnS sulfide produced from S contained as an iron impurity and Mn generally added as a strengthening element is the starting point of fracture. However, it was found to be cheap and promising as a hydrogen trap site.

次に、本発明者らはMnS系硫化物の量、すなわち、S添加量の最適範囲を実験により検討した。炭素量1.0%(0.25%Si−1.0%Mn−0.0010〜0.0200%P)をベース成分として、水素量2.5ppm、S添加量を0.0050〜0.0400%に変化させた鋼を溶解し、レール圧延・熱処理を行い、頭表部(頭部外郭表面を起点として深さ20mmまでの範囲)をパーライト組織としたレールを用いて、頭部に引張応力を負荷する3点曲げ試験により遅れ破壊特性を評価した。遅れ破壊特性は、頭部に引張応力が作用するように3点曲げ(スパン長:1.5m)方式で行った。応力条件は200〜400MPa、応力負荷時間は500時間とし、500時間負荷した場合に未破断であった場合の応力の最大値を限界応力値とした。   Next, the inventors examined the amount of MnS-based sulfide, that is, the optimum range of the amount of S added through experiments. Carbon amount 1.0% (0.25% Si-1.0% Mn-0.0010-0.0200% P) as a base component, hydrogen amount 2.5ppm, S addition amount 0.0050-0. The steel changed to 0400% is melted, rail rolling and heat treatment are performed, and the head surface (the range from the outer surface of the head up to a depth of 20 mm) is pulled to the head using a rail with a pearlite structure. Delayed fracture characteristics were evaluated by a three-point bending test under stress. The delayed fracture characteristics were performed by a three-point bending (span length: 1.5 m) method so that a tensile stress acts on the head. The stress condition was 200 to 400 MPa, the stress load time was 500 hours, and the maximum value of the stress when not broken when loaded for 500 hours was defined as the critical stress value.

図1にMnS系硫化物の量、すなわち、S添加量と限界応力値の関係を示す。S含有量が0.0200%以上になると、MnS系硫化物が水素のトラップサイトとして有効に作用し、遅れ破壊の限界応力値が250MPa以上まで増加し、S含有量の増加にともない限界応力値が増加する傾向を示した。また、S含有量が0.0350%を超えると、MnS系硫化物が過剰となり、MnS系硫化物の粗大化や生成密度の増加により、応力集中の促進や組織の脆化が発生し、遅れ破壊の限界応力値が250MPa以下まで低下した。これらの結果から、S添加量、すわなち、MnS系硫化物の量には最適範囲があり、耐遅れ破壊特性を向上させるには、S添加量を0.0200〜0.0350%に範囲に制御する必要があることを確認した。   FIG. 1 shows the relationship between the amount of MnS sulfide, that is, the amount of S added and the critical stress value. When the S content is 0.0200% or more, the MnS sulfide effectively acts as a hydrogen trap site, the critical stress value of delayed fracture increases to 250 MPa or more, and the critical stress value with the increase of the S content. Showed a tendency to increase. In addition, when the S content exceeds 0.0350%, MnS-based sulfides become excessive, and MnS-based sulfides become coarse and increase in the generation density, thereby promoting stress concentration and embrittlement of the structure. The critical stress value for fracture decreased to 250 MPa or less. From these results, there is an optimum range for the amount of added S, that is, the amount of MnS-based sulfide, and in order to improve delayed fracture resistance, the amount of added S is in the range of 0.0200 to 0.0350%. Confirmed that you need to control.

さらに、本発明者らは遅れ破壊特性をより一層向上させる方法を検討した。最適なS添加量である0.0200〜0.0350%の範囲において、耐遅れ破壊特性を詳細に分析した。その結果、図1に示すように、S添加量0.0200〜0.0350%の範囲において、遅れ破壊の限界応力値が大きく変動しており、遅れ破壊特性のバラツキが生じていることがわかった。   Furthermore, the present inventors examined a method for further improving the delayed fracture characteristics. In the range of 0.0200 to 0.0350%, which is the optimum S addition amount, the delayed fracture resistance was analyzed in detail. As a result, as shown in FIG. 1, it was found that the critical stress value of delayed fracture greatly fluctuated in the range of S addition amount of 0.0200 to 0.0350%, and variation in delayed fracture characteristics occurred. It was.

そこで、本発明者らはこのバラツキの原因を調査した。その結果、遅れ破壊が発生した起点部には、遅れ破壊特有の水素脆化の破面とその後に瞬間的に破壊が発生した通常の脆性破面が存在していた。破面の形態を詳細に見ると、遅れ破壊特性のバラツキが生じたレールでは、水素脆化の破面の面積が著しく小さいことがわかった。   Therefore, the present inventors investigated the cause of this variation. As a result, the hydrogen embrittlement fracture surface peculiar to the delayed fracture and the normal brittle fracture surface where the fracture occurred instantaneously existed at the starting point where the delayed fracture occurred. When the fracture surface morphology was examined in detail, it was found that the area of the hydrogen embrittlement fracture surface was remarkably small in the rails with variations in delayed fracture characteristics.

さらに、本発明者らは水素脆化の破面の面積が著しく小さくなる原因を調査した。水素脆化の破面の面積が著しく小さいレールの成分分析を行った結果、鋼中の不純物、特に、Pの含有量が著しく高いことが確認された。   Furthermore, the present inventors investigated the cause of the remarkably reduced area of the hydrogen embrittlement fracture surface. As a result of the component analysis of the rail having a remarkably small fracture surface area of hydrogen embrittlement, it was confirmed that the content of impurities, particularly P, in the steel was remarkably high.

これらの結果から、耐遅れ破壊特性が大きく変動し、遅れ破壊特性のバラツキが生じる原因は、鋼中のPの含有量の増加により、鋼の脆化が促進され、水素脆化の破面形成後に生成する通常の脆性破壊が促進されためと推定した。   From these results, the delayed fracture resistance greatly fluctuates, and the cause of the variation in delayed fracture characteristics is that the increase in the P content in the steel promotes the embrittlement of the steel and the formation of hydrogen embrittlement fracture surfaces. It was presumed that the normal brittle fracture generated later was promoted.

この結果を検証するため、本発明者らはP添加量の最適範囲を実験により検討した。炭素量1.0%(0.25%Si−1.0%Mn−0.0005〜0.0200%P)をベース成分として、水素量2.5ppm、S添加量を0.0200%、0.0250%、0.0350%に変化させた鋼を溶解し、レール圧延・熱処理を行い、頭表部(頭部外郭表面を起点として深さ20mmまでの範囲)をパーライト組織としたレールを用いて、頭部に引張応力を負荷する3点曲げ試験により遅れ破壊特性を評価した。遅れ破壊特性は、頭部に引張応力が作用するように3点曲げ(スパン長:1.5m)方式で行った。応力条件は200〜400MPa、応力負荷時間は500時間とし、500時間負荷した場合に未破断であった場合の応力の最大値を限界応力値とした。   In order to verify this result, the present inventors examined the optimal range of P addition amount by experiment. Carbon amount 1.0% (0.25% Si-1.0% Mn-0.005-0.0200% P) as a base component, hydrogen amount 2.5ppm, S addition amount 0.0200%, 0 0.02% and 0.0350% steel is melted, rail rolling and heat treatment are performed, and a rail with a pearlite structure in the head surface (the range from the outer surface of the head to a depth of 20 mm) is used. The delayed fracture characteristics were evaluated by a three-point bending test in which tensile stress was applied to the head. The delayed fracture characteristics were performed by a three-point bending (span length: 1.5 m) method so that a tensile stress acts on the head. The stress condition was 200 to 400 MPa, the stress load time was 500 hours, and the maximum value of the stress when not broken when loaded for 500 hours was defined as the critical stress value.

図2にP添加量と限界応力値の関係を示す。P含有量を0.0100%以下の範囲に制御すると、いずれのS含有量の鋼においても、耐遅れ破壊特性が大きく向上し、限界応力値が300MPa以上まで増加した。また、いずれのS含有量の鋼においても、P含有量がある一定範囲まで低減すると、限界応力値が頭打ちとなり、P量の低減効果を得るには、P含有量に下限値が存在することがわかった。   FIG. 2 shows the relationship between the P addition amount and the critical stress value. When the P content was controlled within the range of 0.0100% or less, the delayed fracture resistance was greatly improved and the critical stress value increased to 300 MPa or more in any steel with S content. Further, in any steel with S content, when the P content is reduced to a certain range, the limit stress value reaches a peak, and in order to obtain the effect of reducing the P content, there is a lower limit value for the P content. I understood.

この結果をさらに詳細に調査した結果、P含有量0.0100%以下において、限界応力値が大きく向上する範囲は、鋼のS含有量との相関が強く、耐遅れ破壊特性を効率的に向上させるには、鋼のS含有量とP含有量を相互に考慮した制御が必要なことを見出した。   As a result of investigating this result in more detail, when the P content is 0.0100% or less, the range in which the critical stress value is greatly improved has a strong correlation with the S content of steel, and effectively improves the delayed fracture resistance. In order to make it, it discovered that the control which considered S content and P content of steel mutually was required.

そこで、本発明者らは、鋼のS含有量とP含有量を相互に考慮した最適範囲の検討を行った。様々な数値解析を行った結果、S添加量(質量%)とP添加量(質量%)の積からなる下記に示した式1のU値を50〜200の範囲に収めることにより、鋼のS含有量とP含有量を相互に考慮して、限界応力値の向上が効果的に図れることがわかった。
U=P×S×10 ・・・式1
Therefore, the present inventors have studied the optimum range in consideration of the S content and P content of steel. As a result of various numerical analyses, the U value of Formula 1 shown below consisting of the product of the S addition amount (mass%) and the P addition amount (mass%) falls within the range of 50 to 200. It was found that the critical stress value can be effectively improved by considering the S content and the P content.
U = P × S × 10 6 Formula 1

図3に図2の遅れ破壊試験の結果をS添加量とP添加量の積の関係で整理して示す。式1のU値が200以下になると、いずれのS含有量の鋼においても、限界応力値が増加し、耐遅れ破壊特性が大きく向上する。また、いずれのS含有量の鋼においても、式1のU値が50前後になると、いずれのS含有量の鋼においても、限界応力値が飽和し、耐遅れ破壊特性のより一層の向上が望めない。   FIG. 3 shows the results of the delayed fracture test in FIG. 2 organized by the relationship between the product of the S addition amount and the P addition amount. When the U value of Equation 1 is 200 or less, the critical stress value increases and the delayed fracture resistance is greatly improved in any steel with any S content. Further, in any steel with S content, when the U value of Formula 1 reaches around 50, the critical stress value is saturated in steel with any S content, and the delayed fracture resistance is further improved. I can't hope.

さらに、本発明者らは、式1のU値と限界応力値の関係を詳細に検討した。その結果、式1のU値をさらに150以下に制御することにより、いずれのS含有量の鋼においても、耐遅れ破壊特性が大きく向上することを見出した。   Furthermore, the present inventors have examined in detail the relationship between the U value of Equation 1 and the critical stress value. As a result, it was found that by controlling the U value of Formula 1 to 150 or less, the delayed fracture resistance is greatly improved in any S-content steel.

これらのMnS系硫化物の制御に加えて、本発明者らは遅れ破壊特性さらに向上する方法を検討した。溶鋼の二次精錬(脱ガス)強化や鋼片での脱水素処理を適用し、鋼中の水素量を2.0ppm以下に制御することにより、いずれのS含有量の鋼においても、遅れ破壊の限界応力値がさらに向上し、耐遅れ破壊特性がより一層向上することを確認した。   In addition to controlling these MnS-based sulfides, the present inventors have studied a method for further improving delayed fracture characteristics. By applying secondary refining (degassing) strengthening of molten steel and dehydrogenation treatment with steel slabs, the hydrogen content in the steel is controlled to 2.0 ppm or less, thereby delaying fracture in any steel with any S content. It was confirmed that the critical stress value of the steel was further improved and the delayed fracture resistance was further improved.

すなわち、本発明は、レール鋼の成分、組織を制御し、鋼中のMnS系硫化物の量、すなわち、Sの含有量と不純物元素であるPの含有量を相互に制御し、さらに、水素の含有量を低減することにより、海外の貨物鉄道で使用されるレールの耐遅れ破壊特性を向上させ、使用寿命を大きく向上させることを目的としたレールに関するものである。   That is, the present invention controls the composition and structure of rail steel, controls the amount of MnS sulfide in the steel, that is, controls the content of S and the content of P which is an impurity element, The present invention relates to a rail intended to improve the delayed fracture resistance of rails used in overseas freight railways and greatly improve the service life by reducing the content of.

次に、本発明の限定理由について詳細に説明する。以下、鋼組成における質量%は、単に%と記載する。   Next, the reason for limitation of the present invention will be described in detail. Hereinafter, the mass% in the steel composition is simply described as%.

(1)鋼の化学成分の限定理由
本発明のレールにおいて、鋼の化学成分を前述した数値範囲に限定する理由について詳細に説明する。
(1) Reasons for limiting chemical components of steel In the rail of the present invention, the reasons for limiting the chemical components of steel to the above-described numerical ranges will be described in detail.

Cは、パーライト変態を促進させて、かつ、耐摩耗性を確保する有効な元素である。C量が0.85%以下になると、本成分系では、レールに要求される最低限の強度や耐摩耗性が維持できない。さらに、軟質で歪を蓄積し易い初析フェライト組織が生成し、遅れ破壊を発生し易くする。また、C量が1.20%を超えると、靭性の低い初析セメンタイト組織が多量に生成し、遅れ破壊を発生し易くする。このため、C添加量を0.88〜1.20%に限定した。なお、パーライト組織の生成を安定化し、耐遅れ破壊特性を向上させるには、C添加量を0.85超〜1.10%とすることが望ましい。
C is an effective element that promotes pearlite transformation and ensures wear resistance. If the C content is 0.85% or less, the present component system cannot maintain the minimum strength and wear resistance required for the rail. Further, a pro-eutectoid ferrite structure that is soft and easily accumulates strain is formed, and delayed fracture is likely to occur. On the other hand, when the C content exceeds 1.20%, a large amount of pro-eutectoid cementite structure with low toughness is generated, and delayed fracture is likely to occur. For this reason, C addition amount was limited to 0.88 to 1.20%. In addition, in order to stabilize the formation of the pearlite structure and improve the delayed fracture resistance, it is desirable that the amount of C added is more than 0.85 to 1.10%.

Siは、パーライト組織のフェライト相に固溶し、レール頭部の硬度(強度)を上昇させ、耐摩耗性を向上させる元素である。さらに、靭性の低い初析セメンタイト組織の生成を抑制し、遅れ破壊の発生を抑制する元素である。しかし、Si量が0.10%未満では、これらの効果が十分に期待できない。また、Si量が2.00%を超えると、熱間圧延時に表面疵が多く生成する。さらに、焼入性が著しく増加し、頭表部に靭性の低いマルテンサイト組織が生成し、遅れ破壊が発生しやすくなる。このため、Si添加量を0.10〜2.00%に限定した。なお、パーライト組織の生成を安定化し、耐遅れ破壊特性を向上させるには、Si添加量を0.20〜1.50%とすることが望ましい。   Si is an element that dissolves in the ferrite phase of the pearlite structure, increases the hardness (strength) of the rail head, and improves the wear resistance. Furthermore, it is an element that suppresses the formation of a pro-eutectoid cementite structure with low toughness and suppresses the occurrence of delayed fracture. However, if the Si amount is less than 0.10%, these effects cannot be expected sufficiently. Moreover, when the amount of Si exceeds 2.00%, many surface defects are generated during hot rolling. Further, the hardenability is remarkably increased, and a martensitic structure with low toughness is generated in the head surface portion, so that delayed fracture is likely to occur. For this reason, Si addition amount was limited to 0.10 to 2.00%. In addition, in order to stabilize the production | generation of a pearlite structure | tissue and to improve a delayed fracture resistance, it is desirable to make Si addition amount 0.20 to 1.50%.

Pは、鋼中に不可避的に含有される元素である。転炉での精錬を行うと、P含有量は0.0010〜0.0250%まで低減する。P含有量と遅れ破壊の限界応力値にはよい相関あり、P含有量が0.0100%を超えると、限界応力値の向上が期待できず、耐遅れ破壊特性の安定的な向上が困難となる。このため、P含有量を0.0100%以下に限定した。なお、P含有量の下限値については限定していないが、精錬工程での脱燐能力を考慮すると、P含有量は0.0020%程度が実際に製造する際の限界になると考えられる。   P is an element inevitably contained in steel. When refining in a converter, the P content is reduced to 0.0010 to 0.0250%. There is a good correlation between the P content and the critical stress value of delayed fracture. If the P content exceeds 0.0100%, improvement of the critical stress value cannot be expected, and stable improvement of delayed fracture resistance is difficult. Become. For this reason, the P content is limited to 0.0100% or less. The lower limit of the P content is not limited, but considering the dephosphorization ability in the refining process, it is considered that the P content is about 0.0020% which is the limit in actual production.

Sは、鋼中に不可避的に含有される元素である。溶銑鍋での脱硫を行うと、S含有量は0.0030〜0.0500%まで低減する。S含有量とMnS系硫化物の生成量には相関があり、S含有量が増加するとMnS系硫化物が増加する。S含有量が0.0200%未満ではMnS系硫化物の生成量の増加が期待できず、耐遅れ破壊特性の確保が困難となる。また、S含有量が0.0350%を超えると、MnS系硫化物の粗大化や生成密度の増加により、応力集中の促進や組織の脆化が発生し、遅れ破壊が発生しやすくなる。このため、S含有量を0.0200〜0.0350%に限定した。
また、MnS系硫化物の生成量を増加させ、耐遅れ破壊特性を確実に向上させるには、本発明の一態様に限定したようにS含有量を0.0250〜0.0350%に限定する。
S is an element inevitably contained in steel. When desulfurization is performed in the hot metal ladle, the S content is reduced to 0.0030 to 0.0500%. There is a correlation between the S content and the amount of MnS sulfide produced, and as the S content increases, MnS sulfide increases. If the S content is less than 0.0200%, an increase in the amount of MnS sulfide produced cannot be expected, and it is difficult to ensure delayed fracture resistance. On the other hand, if the S content exceeds 0.0350%, the coarsening of MnS-based sulfides and the increase in the generation density cause stress concentration and embrittlement of the structure, and delayed fracture tends to occur. For this reason, S content was limited to 0.0200-0.0350%.
Moreover, in order to increase the production amount of MnS-based sulfides and to reliably improve the delayed fracture resistance, the S content is limited to 0.0250 to 0.0350% as limited to one embodiment of the present invention. .

Mnは、焼き入れ性を高め、パーライト変態を安定化すると同時に、パーライト組織のラメラ間隔を微細化し、パーライト組織の硬度を確保し、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、Mn量が0.10%未満では、その効果が小さく、軟質で歪を蓄積し易い初析フェライト組織の生成を誘発し、耐摩耗性や耐遅れ破壊特性の確保が困難となる。また、Mn量が2.00%を超えると、焼入性が著しく増加し、頭表部に靭性に有害なマルテンサイト組織が生成し、遅れ破壊を発生し易くする。このため、Mn添加量を0.10〜2.00%に限定した。なお、パーライト組織の生成を安定化し、耐遅れ破壊特性を向上させるには、Mn添加量を0.20〜1.50%とすることが望ましい。   Mn is an element that enhances hardenability and stabilizes the pearlite transformation, and at the same time, refines the lamella spacing of the pearlite structure, secures the hardness of the pearlite structure, and improves the wear resistance. However, if the amount of Mn is less than 0.10%, the effect is small, the formation of a pro-eutectoid ferrite structure that is soft and easily accumulates strain is induced, and it becomes difficult to ensure wear resistance and delayed fracture resistance. On the other hand, if the amount of Mn exceeds 2.00%, the hardenability is remarkably increased, and a martensite structure that is harmful to toughness is generated in the head surface portion, which easily causes delayed fracture. For this reason, Mn addition amount was limited to 0.10 to 2.00%. In order to stabilize the formation of the pearlite structure and improve the delayed fracture resistance, the Mn addition amount is desirably 0.20 to 1.50%.

Hは、遅れ破壊の原因となる元素である。レール圧延前の鋼片(ブルーム)のH含有量が2.0ppmを超えると、MnS系硫化物の界面に集積するH量が増加し、遅れ破壊の発生が促進される。このため、本発明の一態様において、H含有量を2.0ppm以下に限定した。なお、H含有量の下限値については限定していないが、精錬工程での二次精錬(脱ガス)能力や鋼片の脱水素処理能力を考慮すると、H含有量1.0ppm程度が実製造での限界になると考えられる。   H is an element that causes delayed fracture. When the H content of the steel slab (bloom) before rail rolling exceeds 2.0 ppm, the amount of H accumulated at the interface of the MnS-based sulfide increases, and the occurrence of delayed fracture is promoted. Therefore, in one embodiment of the present invention, the H content is limited to 2.0 ppm or less. The lower limit of the H content is not limited, but considering the secondary refining (degassing) capacity in the refining process and the dehydrogenation capacity of the steel slab, the H content of about 1.0 ppm is actually produced. It is thought that it will be the limit at.

また、上記の成分組成で製造されるレールは、MnS系硫化物の微細分散化による耐遅れ破壊性の向上、パーライト組織の硬度(強度)の増加による耐摩耗性の向上、靭性の向上、溶接熱影響部の軟化の防止、レール頭部内部の断面硬度分布の制御を図る目的で、Mg、Ca、REM、Cr、Mo、Co、B、Cu、Ni、V、Nb、Ti、Zr、Nの元素を必要に応じて1種または2種以上を添加する。   In addition, rails manufactured with the above component composition have improved delayed fracture resistance due to fine dispersion of MnS-based sulfides, improved wear resistance due to increased hardness (strength) of pearlite structure, improved toughness, welding Mg, Ca, REM, Cr, Mo, Co, B, Cu, Ni, V, Nb, Ti, Zr, N for the purpose of preventing softening of the heat affected zone and controlling the cross-sectional hardness distribution inside the rail head One or more elements are added as required.

ここで、Mg、Ca、REMは、MnS系硫化物を微細分散させる。Cr、Moは、平衡変態点を上昇させ、パーライト組織のラメラ間隔を微細化し、硬度を向上させる。Coは、摩耗面の基地フェライト組織を微細化し、摩耗面の硬度を高める。Bは、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、レール頭部の硬度分布を均一にする。Cuは、パーライト組織中のフェライトに固溶し、硬度を高める。Niは、パーライト組織の靭性と硬度を向上させ、同時に、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止する。V、Nb、Tiは、熱間圧延やその後の冷却課程で生成した炭化物や窒化物により、オーステナイト粒の成長を抑制し、さらに、析出硬化により、パーライト組織の靭性と硬度を向上させる。また、再加熱時に炭化物や窒化物を安定的に生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止する。Zrは、凝固組織の等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、初析セメンタイト組織やマルテンサイト組織の生成を抑制する。Nは、オーステナイト粒界に偏析することによりパーライト変態を促進させ、パーライト組織を微細化することが主な添加目的である。   Here, Mg, Ca, and REM finely disperse MnS-based sulfides. Cr and Mo raise the equilibrium transformation point, refine the lamella spacing of the pearlite structure, and improve the hardness. Co refines the base ferrite structure of the wear surface and increases the hardness of the wear surface. B reduces the cooling rate dependency of the pearlite transformation temperature and makes the hardness distribution of the rail head uniform. Cu dissolves in the ferrite in the pearlite structure and increases the hardness. Ni improves the toughness and hardness of the pearlite structure, and at the same time prevents softening of the heat-affected zone of the weld joint. V, Nb, and Ti suppress the growth of austenite grains by carbides and nitrides generated by hot rolling and the subsequent cooling process, and further improve the toughness and hardness of the pearlite structure by precipitation hardening. In addition, carbides and nitrides are stably generated during reheating, and softening of the weld joint heat-affected zone is prevented. Zr increases the equiaxed crystallization rate of the solidified structure, thereby suppressing the formation of a segregation zone at the center of the slab and suppressing the formation of proeutectoid cementite structure and martensite structure. N is mainly added for the purpose of promoting pearlite transformation by segregating at austenite grain boundaries and making the pearlite structure fine.

Mgは、Sと結合して微細な硫化物を形成し、MgSがMnSを微細に分散させ、水素のトップサイトを増加させ、耐遅れ破壊性を向上させる元素である。しかし、0.0005%未満ではその効果は弱く、0.0200%を超えて添加すると、Mgの粗大酸化物が生成し、応力集中によりレール折損が発生しやすくなる。このため、Mg量を0.0005〜0.0200%に限定した。   Mg is an element that combines with S to form fine sulfides, and MgS finely disperses MnS, increases the top sites of hydrogen, and improves delayed fracture resistance. However, if it is less than 0.0005%, the effect is weak, and if added over 0.0200%, a coarse oxide of Mg is generated, and rail breakage is likely to occur due to stress concentration. For this reason, the amount of Mg was limited to 0.0005 to 0.0200%.

Caは、Sとの結合力が強く、CaSとして硫化物を形成し、さらに、CaSがMnSを微細に分散させ、水素のトップサイトを増加させ、耐遅れ破壊性を向上させる元素である。しかし、0.0005%未満ではその効果は弱く、0.0200%を超えて添加すると、Caの粗大酸化物が生成し、応力集中によりレール折損が発生しやすくなる。このため、Ca量を0.0005〜0.0200%に限定した。   Ca is an element that has a strong bonding force with S and forms a sulfide as CaS. Further, CaS finely disperses MnS, increases the top sites of hydrogen, and improves delayed fracture resistance. However, if it is less than 0.0005%, the effect is weak, and if added over 0.0200%, a coarse oxide of Ca is generated, and rail breakage is likely to occur due to stress concentration. For this reason, the amount of Ca was limited to 0.0005 to 0.0200%.

REMは、脱酸・脱硫元素であり、添加によりREMのオキシサルファイド(REMS)を生成し、Mn硫化物系介在物の生成核となる。また、この核であるオキシサルファイド(REMS)の融点が高いため、圧延後のMn硫化物系介在物の延伸を抑制する。この結果、MnSを微細に分散させ、水素のトップサイトを増加させ、耐遅れ破壊性を向上させる元素である。しかし、REM量が0.0005%未満では、その効果が小さく、MnS系硫化物の生成核としては不十分となる。また、REM量が0.0500%を超えると、硬質なREMのオキシサルファイド(REMS)が生成し、応力集中によりレール折損が発生しやすくなる。このため、REM添加量を0.0005〜0.0500%に限定した。 REM is a deoxidation / desulfurization element. When added, REM generates REM oxysulfide (REM 2 O 2 S), which serves as a nucleus of Mn sulfide inclusions. In addition, since the melting point of oxysulfide (REM 2 O 2 S) as the nucleus is high, stretching of Mn sulfide inclusions after rolling is suppressed. As a result, it is an element that finely disperses MnS, increases the top site of hydrogen, and improves delayed fracture resistance. However, if the amount of REM is less than 0.0005%, the effect is small, and it is insufficient as a production nucleus of MnS-based sulfide. When the amount of REM exceeds 0.0500%, hard REM oxysulfide (REM 2 O 2 S) is generated, and rail breakage easily occurs due to stress concentration. For this reason, the amount of REM added is limited to 0.0005 to 0.0500%.

なお、REMとはCe、La、PrまたはNd等の希土類金属である。上記添加量はこれらの全REMの添加量を限定したものである。全添加量の総和が上記範囲内であれば、単独、複合(2種類以上)のいずれの形態であっても同様な効果が得られる。   Note that REM is a rare earth metal such as Ce, La, Pr, or Nd. The above addition amount is limited to the addition amount of all these REMs. As long as the total sum of the total addition amounts is within the above range, the same effect can be obtained regardless of whether the form is single or composite (two or more types).

Crは、平衡変態温度を上昇させ、過冷度の増加により、パーライト組織のラメラ間隔を微細化し、パーライト組織やベイナイト組織の硬度(強度)を向上させる元素である。しかし、Cr量が0.01%未満ではその効果は小さく、レール鋼の硬度を向上させる効果が全く見られなくなる。また、Cr量2.00%を超える過剰な添加を行うと、焼入れ性が著しく増加し、レール頭表部等に靭性に有害なマルテンサイト組織が生成し、遅れ破壊を発生し易くする。このため、Cr添加量を0.01〜2.00%に限定した。   Cr is an element that raises the equilibrium transformation temperature, refines the lamella spacing of the pearlite structure by increasing the degree of supercooling, and improves the hardness (strength) of the pearlite structure and bainite structure. However, if the Cr content is less than 0.01%, the effect is small, and the effect of improving the hardness of the rail steel is not seen at all. Further, if excessive addition exceeding the Cr amount of 2.00% is performed, the hardenability is remarkably increased, and a martensite structure harmful to toughness is generated on the rail head surface portion and the like, and delayed fracture is likely to occur. For this reason, Cr addition amount was limited to 0.01 to 2.00%.

Moは、Crと同様に平衡変態温度を上昇させ、過冷度の増加により、パーライト組織のラメラ間隔を微細化し、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、レール鋼の硬度を向上させる効果が全く見られなくなる。また、Mo量が0.50%を超える過剰な添加を行うと、変態速度が著しく低下し、レール頭表部等に靭性に有害なマルテンサイト組織が生成し、遅れ破壊を発生し易くする。このため、Mo添加量を0.01〜0.50%に限定した。   Mo, like Cr, is an element that raises the equilibrium transformation temperature, refines the lamella spacing of the pearlite structure by increasing the degree of supercooling, 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 the effect of improving the hardness of the rail steel is not seen at all. Further, if the Mo amount exceeds 0.50%, the transformation rate is remarkably reduced, and a martensite structure harmful to toughness is generated in the rail head surface portion and the like, and delayed fracture is likely to occur. For this reason, Mo addition amount was limited to 0.01 to 0.50%.

Coは、パーライト組織のフェライト相に固溶し、レール頭表部の摩耗面において、車輪との接触により形成させる微細なフェライト組織をより一層微細化し、硬さを高めることにより耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、Co量が0.01%未満では、フェライト組織の微細化が促進せず、耐摩耗性の向上効果が期待できない。また、Co量が1.00%を超えると、上記の効果が飽和し、添加量に応じたフェライト組織の微細化が図れない。また、合金添加コストの増大により経済性が低下する。このため、Co添加量を0.01〜1.00%に限定した。   Co is dissolved in the ferrite phase of the pearlite structure, and on the wear surface of the rail head surface, the fine ferrite structure formed by contact with the wheel is further refined and the wear resistance is improved by increasing the hardness. It is an element to be made. However, if the Co content is less than 0.01%, refinement of the ferrite structure is not promoted, and an effect of improving wear resistance cannot be expected. On the other hand, when the Co content exceeds 1.00%, the above effects are saturated, and the ferrite structure cannot be refined according to the added amount. In addition, the economic efficiency decreases due to the increase in the alloy addition cost. For this reason, Co addition amount was limited to 0.01 to 1.00%.

Bは、オーステナイト粒界に鉄炭ほう化物(Fe23(CB))を形成し、パーライト変態の促進効果により、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、頭表面から内部までより均一な硬度分布をレールに付与し、レールを高寿命化する元素である。しかし、B量が0.0001%未満では、その効果が十分でなく、レール頭部の硬度分布には改善が認められない。また、B量が0.0050%を超えると、粗大な鉄炭ほう化物が生成し、応力集中によりレール損傷が発生しやすくなる。このため、B添加量を0.0001〜0.0050%に限定した。 B forms an iron boride (Fe 23 (CB) 6 ) at the austenite grain boundary, reduces the cooling rate dependence of the pearlite transformation temperature due to the effect of pearlite transformation, and is more uniform from the head surface to the inside. It is an element that imparts a hardness distribution to the rail and extends the life of the rail. However, if the amount of B is less than 0.0001%, the effect is not sufficient, and no improvement is observed in the hardness distribution of the rail head. On the other hand, if the amount of B exceeds 0.0050%, coarse ferrocarbon borides are generated, and rail damage is likely to occur due to stress concentration. For this reason, B addition amount was limited to 0.0001 to 0.0050%.

Cuは、パーライト組織のフェライト相に固溶し、固溶強化により硬度(強度)を向上させ、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、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、著しい焼入れ性向上により、レール頭表部等に靭性に有害なマルテンサイト組織が生成し、遅れ破壊を発生し易くする。このため、Cu添加量を0.01〜1.00%に限定した。   Cu is an element that dissolves in the ferrite phase of the pearlite structure, improves hardness (strength) by solid solution strengthening, and improves wear resistance. However, if it is less than 0.01%, the effect cannot be expected. On the other hand, when the Cu content exceeds 1.00%, a martensitic structure that is harmful to toughness is generated in the rail head surface portion and the like due to remarkable hardenability improvement, and delayed fracture is likely to occur. For this reason, Cu addition amount was limited to 0.01 to 1.00%.

Niは、パーライト組織の靭性を向上させ、同時に、固溶強化により硬度(強度)を向上させ、耐摩耗性を向上させる元素である。さらに、溶接熱影響部においては、Tiと複合でNiTiの金属間化合物が微細に析出し、析出強化により軟化を抑制する元素である。また、Cu添加鋼において粒界の脆化を抑制する元素である。しかし、Ni量が0.01%未満では、これらの効果が著しく小さく、また、Ni量が1.00%を超えると、著しい焼入れ性向上により、レール頭表部等に靭性に有害なマルテンサイト組織が生成し、遅れ破壊を発生し易くする。このため、Ni添加量を0.01〜1.00%に限定した。 Ni is an element that improves the toughness of the pearlite structure and at the same time improves the hardness (strength) by solid solution strengthening and improves the wear resistance. Further, in the weld heat affected zone, Ni 3 Ti intermetallic compound is finely precipitated in combination with Ti, and is an element that suppresses softening by precipitation strengthening. Moreover, it is an element which suppresses the embrittlement of a grain boundary in Cu addition steel. However, when the Ni content is less than 0.01%, these effects are remarkably small. When the Ni content exceeds 1.00%, martensite is harmful to the toughness of the rail head surface due to a significant improvement in hardenability. Tissue is generated, making delayed fracture easier to occur. For this reason, Ni addition amount was limited to 0.01 to 1.00%.

Vは、通常の熱間圧延や高温度に加熱する熱処理が行われる場合に、V炭化物やV窒化物が析出し、ピンニング効果によりオーステナイト粒を微細化し、パーライト組織の靭性を向上させるのに有効な元素である。さらに、熱間圧延後の冷却課程で生成したV炭化物、V窒化物による析出硬化により、パーライト組織の硬度(強度)を高め、耐摩耗性を向上させる元素である。また、Ac1点以下の温度域に再加熱された熱影響部において、比較的高温度域でV炭化物やV窒化物を生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。しかし、V量が0.005%未満ではこれらの効果が十分に期待できず、靭性や硬度(強度)の向上は認められない。また、V量が0.50%を超えると、Vの炭化物や窒化物の析出硬化が過剰となり、パーライト組織が脆化し、レールの靭性が低下する。このため、V添加量を0.005〜0.50%に限定した。   V is effective for improving the toughness of the pearlite structure by refining the austenite grains by the pinning effect by precipitation of V carbides and V nitrides when normal hot rolling or heat treatment at a high temperature is performed. Element. Furthermore, it is an element that increases the hardness (strength) of the pearlite structure and improves the wear resistance by precipitation hardening with V carbides and V nitrides generated in the cooling process after hot rolling. Moreover, in the heat affected zone reheated to a temperature range below the Ac1 point, it is an element effective for generating V carbide and V nitride in a relatively high temperature range and preventing softening of the heat affected zone of the weld joint. is there. However, if the V content is less than 0.005%, these effects cannot be expected sufficiently, and no improvement in toughness or hardness (strength) is observed. On the other hand, if the V content exceeds 0.50%, precipitation hardening of V carbide and nitride becomes excessive, the pearlite structure becomes brittle, and the toughness of the rail is lowered. For this reason, V addition amount was limited to 0.005-0.50%.

Nbは、Vと同様に、通常の熱間圧延や高温度に加熱する熱処理が行われる場合に、Nb炭化物やNb窒化物のピンニング効果によりオーステナイト粒を微細化し、パーライト組織の靭性を向上させるのに有効な元素である。さらに、熱間圧延後の冷却課程で生成したNb炭化物、Nb窒化物による析出硬化により、パーライト組織の硬度(強度)を高め、耐摩耗性を向上させる元素である。また、Ac1点以下の温度域に再加熱された熱影響部において、低温度域から高温度域までNbの炭化物やNb窒化物を安定的に生成させ、溶接継ぎ手熱影響部の軟化を防止するのに有効な元素である。しかし、その効果は、Nb量が0.0010%未満では、これらの効果が期待できず、パーライト組織の靭性や硬度(強度)の向上は認められない。また、Nb量が0.050%を超えると、Nbの炭化物や窒化物の析出硬化が過剰となり、パーライト組織が脆化し、レールの靭性が低下する。このため、Nb添加量を0.0010〜0.050%に限定した。   Nb, like V, refines austenite grains by the pinning effect of Nb carbide or Nb nitride and improves the toughness of the pearlite structure when normal hot rolling or heat treatment heated to a high temperature is performed. Is an effective element. Furthermore, it is an element that increases the hardness (strength) of the pearlite structure and improves the wear resistance by precipitation hardening with Nb carbide and Nb nitride generated in the cooling process after hot rolling. Further, in the heat-affected zone reheated to a temperature range below the Ac1 point, Nb carbide and Nb nitride are stably generated from a low temperature range to a high temperature range, and softening of the weld joint heat-affected zone is prevented. It is an effective element. However, if the Nb content is less than 0.0010%, these effects cannot be expected, and an improvement in the toughness and hardness (strength) of the pearlite structure is not recognized. On the other hand, if the amount of Nb exceeds 0.050%, precipitation hardening of Nb carbides and nitrides becomes excessive, the pearlite structure becomes brittle, and the toughness of the rail decreases. For this reason, Nb addition amount was limited to 0.0010 to 0.050%.

Tiは、通常の熱間圧延や高温度に加熱する熱処理が行われる場合に、Ti炭化物やTi窒化物が析出し、ピンニング効果によりオーステナイト粒を微細化し、パーライト組織の靭性を向上させるのに有効な元素である。さらに、熱間圧延後の冷却課程で生成したTi炭化物、Ti窒化物による析出硬化により、パーライト組織の硬度(強度)を高め、耐摩耗性を向上させる元素である。また、溶接時の再加熱において析出したTiの炭化物、Tiの窒化物が溶解しないことを利用して、オーステナイト域まで加熱される熱影響部の組織の微細化を図り、溶接継ぎ手部の脆化を防止するのに有効な成分である。しかし、Ti量が0.0030%未満ではこれらの効果が少ない。また、Ti量が0.0500%を超えると、粗大なTiの炭化物、Tiの窒化物が生成し、応力集中によりレール折損が発生しやすくなる。このため、Ti添加量を0.0030〜0.0500%に限定した。   Ti is effective for improving the toughness of pearlite structure by refining austenite grains due to the pinning effect when Ti carbide or Ti nitride precipitates during normal hot rolling or heat treatment at high temperatures. Element. Furthermore, it is an element that increases the hardness (strength) of the pearlite structure and improves the wear resistance by precipitation hardening with Ti carbide and Ti nitride generated in the cooling process after hot rolling. In addition, by utilizing the fact that Ti carbide and Ti nitride precipitated during reheating during welding do not dissolve, the structure of the heat affected zone heated to the austenite region is refined and the weld joint becomes brittle. It is an effective ingredient to prevent However, when the Ti content is less than 0.0030%, these effects are small. If the Ti content exceeds 0.0500%, coarse Ti carbides and Ti nitrides are generated, and rail breakage is likely to occur due to stress concentration. For this reason, Ti addition amount was limited to 0.0030-0.0500%.

Zrは、ZrO2介在物がγ−Feとの格子整合性が良いため、γ−Feが凝固初晶である高炭素レール鋼の凝固核となり、凝固組織の等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、レール偏析部に生成するマルテンサイトや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%未満では、ZrO2系介在物の数が少なく、凝固核として十分な作用を示さない。その結果、偏析部にマルテンサイトや初析セメンタイト組織が生成し、レールの靭性が低下する。また、Zr量が0.0200%を超えると、粗大なZr系介在物が多量に生成し、応力集中によりレール折損が発生しやすくなる。このため、Zr添加量を0.0001〜0.0200%に限定した。   Zr has a good lattice matching with γ-Fe because the ZrO2 inclusion is a solidified nucleus of high-carbon rail steel that is a solidified primary crystal, and by increasing the equiaxed crystallization rate of the solidified structure, It is an element that suppresses the formation of a segregation zone at the center of the slab and suppresses the formation of martensite and proeutectoid cementite structure generated in the rail segregation part. However, if the amount of Zr is less than 0.0001%, the number of ZrO2 inclusions is small and does not exhibit a sufficient effect as a solidification nucleus. As a result, martensite and a pro-eutectoid cementite structure are generated in the segregated portion, and the toughness of the rail is lowered. On the other hand, if the amount of Zr exceeds 0.0200%, a large amount of coarse Zr-based inclusions are generated, and rail breakage is likely to occur due to stress concentration. For this reason, the Zr addition amount is limited to 0.0001 to 0.0200%.

Nは、オーステナイト粒界に偏析することにより、オーステナイト粒界からのパーライト変態を促進させ、主に、組織を微細化することにより、靭性を向上させるのに有効な元素である。また、VやAlと同時に添加することで、VNやAlNの析出を促進させ、通常の熱間圧延や高温度に加熱する熱処理が行われる場合に、VNやAlNのピンニング効果によりオーステナイト粒を微細化し、パーライト組織やベイナイト組織の靭性を向上させるのに有効な元素である。しかし、N量が0.0060%未満では、これらの効果が弱い。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し、レール折損が発生し易くなる。このため、N添加量を0.0060〜0.0200%に限定した。   N is an element effective for improving the toughness by promoting the pearlite transformation from the austenite grain boundary by segregating at the austenite grain boundary and mainly by refining the structure. Also, by adding simultaneously with V and Al, the precipitation of VN and AlN is promoted, and when a normal hot rolling or heat treatment is performed at a high temperature, the austenite grains are made fine by the pinning effect of VN or AlN. It is an element effective for improving the toughness of pearlite structure and bainite structure. However, when the N content is less than 0.0060%, these effects are weak. On the other hand, when the N content exceeds 0.0200%, it is difficult to make a solid solution in the steel, and bubbles that become the starting point of fatigue damage are generated, and rail breakage is likely to occur. For this reason, N addition amount was limited to 0.0060-0.0200%.

Alは、脱酸材として必須の成分である。また、共析変態温度を高温側へ移動させる元素であり、パーライト組織の高硬度(強度)化に寄与し、パーライト組織の耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、Al量が0.0100%未満では、その効果が弱い。また、Al量が1.00%を超えると、鋼中に固溶させることが困難となり、粗大なアルミナ系介在物が生成し、この粗大な析出物から疲労損傷が発生し、脆性破壊を冗長し、レールの靭性が低下する。さらに、溶接時に酸化物が生成し、溶接性が著しく低下する。このため、Al添加量を0.0100〜1.00%に限定した。   Al is an essential component as a deoxidizing material. Further, it is an element that moves the eutectoid transformation temperature to the high temperature side, contributes to increasing the hardness (strength) of the pearlite structure, and improves the wear resistance of the pearlite structure. However, when the Al content is less than 0.0100%, the effect is weak. Further, if the Al content exceeds 1.00%, it becomes difficult to make a solid solution in the steel, and coarse alumina inclusions are generated, fatigue damage is generated from the coarse precipitates, and brittle fracture is redundant. As a result, the toughness of the rail decreases. Furthermore, oxides are generated during welding, and weldability is significantly reduced. For this reason, Al addition amount was limited to 0.0100 to 1.00%.

上記のような成分組成で構成されるレール鋼は、転炉、電気炉などの通常使用される溶解炉で溶製を行い、この溶鋼を造塊・分塊法あるいは連続鋳造法、次に、熱間圧延を経てレールとして製造される。さらに、必要に応じてレール頭頂部の金属組織を制御する目的から熱処理を行う。   Rail steel composed of the above component composition is melted in a commonly used melting furnace such as a converter, electric furnace, etc., and this molten steel is ingot / bundled or continuous casting, It is manufactured as a rail through hot rolling. Furthermore, heat treatment is performed for the purpose of controlling the metal structure of the rail head as necessary.

(2)金属組織の限定理由
本発明のレールにおいて、レールの頭表部の少なくとも一部がパーライト組織に限定する理由について詳細に説明する。
(2) Reason for limiting metal structure In the rail of the present invention, the reason why at least a part of the head surface of the rail is limited to the pearlite structure will be described in detail.

まず、パーライト組織に限定した理由について説明する。
車輪と接触するレール頭表部では耐摩耗性の確保が最も重要である。金属組織と耐摩耗性の関係を調査した結果、パーライト組織が最もよいことが確認された。さらに、耐遅れ破壊特性についても、パーライト組織を用いることにより、その低下がないことが実験により確認された。そこで、耐摩耗性および耐遅れ破壊特性を確保する目的からパーライト組織に限定した。
First, the reason for limiting to the pearlite structure will be described.
It is most important to ensure wear resistance at the rail head surface that comes into contact with the wheels. As a result of investigating the relationship between the metal structure and the wear resistance, it was confirmed that the pearlite structure was the best. Furthermore, it was confirmed by experiment that the delayed fracture resistance does not decrease by using a pearlite structure. Therefore, it was limited to a pearlite structure for the purpose of ensuring wear resistance and delayed fracture resistance.

ここで、図4に本発明の耐遅れ破壊特性に優れたレールの頭部断面表面位置での呼称、および、パーライト組織が必要な領域を示す。レール頭部3は、頭頂部1と、前記頭頂部1の両端に位置する頭部コーナー部2を有する。頭部コーナー部2の一方は、車輪と主に接触するゲージコーナー(G.C.)部である。   Here, FIG. 4 shows the designation of the rail head section surface position excellent in delayed fracture resistance of the present invention, and the area where pearlite structure is required. The rail head portion 3 includes a top portion 1 and head corner portions 2 located at both ends of the top portion 1. One of the head corner portions 2 is a gauge corner (GC) portion that mainly contacts the wheel.

前記頭部コーナー部2および前記頭頂部1の表面を起点として深さ20mmまでの範囲を頭表部(3a、斜線部)と呼ぶ。図4に示すように、頭部コーナー部2及び頭頂部1の表面を起点として深さ20mmまでの頭表部にパーライト組織が配置されていれば、レール頭表部において、耐摩耗性の確保および耐遅れ破壊特性の向上が図れる。   A range from the surface of the head corner portion 2 and the top of the head 1 to a depth of 20 mm is referred to as a head surface portion (3a, hatched portion). As shown in FIG. 4, if the pearlite structure is arranged on the head surface part up to a depth of 20 mm starting from the surface of the head corner part 2 and the top of the head part 1, the wear resistance is ensured in the rail head surface part. In addition, the delayed fracture resistance can be improved.

したがって、パーライト組織は、車輪とレールが主に接し、耐摩耗性と耐遅れ破壊特性が要求される頭表部に配置することが望ましく、これらの特性が必要とされないそれ以外の部分はパーライト組織以外の金属組織であってもよい。   Therefore, it is desirable to place the pearlite structure on the head surface where the wheels and rails are mainly in contact with each other, and wear resistance and delayed fracture resistance are required. The other parts where these characteristics are not required are pearlite structures. Other metal structures may be used.

なお、これらの金属組織の硬さについては特に限定しない。敷設される軌道条件に応じて硬さを調整することが望ましい。なお、耐摩耗性を十分に確保するには、硬さはHv300〜500程度に制御することが望ましい。硬さHv300〜500のパーライト組織を得る方法としては、適切な合金選択を行い、圧延後、または、再加熱後のオーステナイト領域のある高温のレール頭部に加速冷却を行うことが望ましい。加速冷却の方法としては、引用文献2、引用文献5等に記載されているような方法で熱処理を行うことにより、所定の組織と硬さを得ることができる。   The hardness of these metal structures is not particularly limited. It is desirable to adjust the hardness according to the track condition to be laid. In order to ensure sufficient wear resistance, it is desirable to control the hardness to about Hv 300 to 500. As a method for obtaining a pearlite structure having a hardness of Hv 300 to 500, it is desirable to select an appropriate alloy and perform accelerated cooling on a high-temperature rail head having an austenite region after rolling or reheating. As a method of accelerated cooling, a predetermined structure and hardness can be obtained by performing heat treatment by a method as described in Cited Document 2, Cited Document 5, and the like.

また、本発明レールの頭表部の金属組織は、上記限定のようなパーライト組織であることが望ましい。しかし、レールの成分系や熱処理製造方法によっては、これらの組織中に面積率で5%以下の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織やマルテンサイト組織が混入することがある。しかし、これらの組織が混入しても、レールの耐遅れ破壊特性や頭表部の耐摩耗性には大きな悪影響を及ぼさないため、耐遅れ破壊特性に優れたレールの組織としては、5%以下の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織、マルテンサイト組織の混在も含んでいる。言い換えれば、本発明レールの頭表部の金属組織は、95%以上がパーライト組織であれば良く、耐遅れ破壊特性を確保し、耐摩耗性を十分に向上させるには、頭表部金属組織の98%以上をパーライト組織とすることが望ましい。なお、表1及び表2におけるミクロ組織の欄でパーライト組織以外の組織が記載されているものは全て面積率で5%超の量を意味する。   The metal structure of the head surface portion of the rail of the present invention is desirably a pearlite structure as described above. However, depending on the component system of the rail and the heat treatment production method, a very small amount of pro-eutectoid ferrite structure, pro-eutectoid cementite structure, bainite structure and martensite structure with an area ratio of 5% or less may be mixed in these structures. However, even if these structures are mixed, there is no significant adverse effect on the delayed fracture resistance of the rail and the wear resistance of the head surface. Also included is a small amount of pro-eutectoid ferrite structure, pro-eutectoid cementite structure, bainite structure, and martensite structure. In other words, the metal structure of the head surface portion of the rail of the present invention may be 95% or more if it is a pearlite structure. To ensure delayed fracture resistance and sufficiently improve the wear resistance, the head surface metal structure is sufficient. It is desirable to make 98% or more of the pearlite structure. In Tables 1 and 2, all the structures other than the pearlite structure described in the microstructure column mean an area ratio exceeding 5%.

(3)質量%で式1に示すU値の数の限定理由
本発明の一態様において質量%で式1に示すU値を50〜200の範囲に限定した理由について詳細に説明する。
(3) Reason for limiting number of U values shown in Formula 1 in mass% The reason why the U value shown in Formula 1 in mass% in one embodiment of the present invention is limited to a range of 50 to 200 will be described in detail.

鋼のS含有量とP含有量を相互に考慮し、遅れ破壊特性の向上を図る最適範囲の検討を行った。様々な数値解析を行った結果、S添加量とP添加量の積からなる下記に示した式1のU値を制御することにより、鋼のS含有量とP含有量を相互に考慮して、遅れ破壊の限界応力値の向上が効果的に図れることがわかった。   Considering the S content and P content of steel, the optimum range for improving delayed fracture characteristics was studied. As a result of various numerical analyses, the S content and P content of the steel are mutually considered by controlling the U value of Equation 1 shown below consisting of the product of the S addition amount and the P addition amount. It was found that the critical stress value of delayed fracture can be improved effectively.

さらに、その最適範囲を検討した結果、式1に示すU値が200を超えると、鋼中のPの含有量が過剰となり、遅れ破壊の限界応力値の向上が認められなくなる。また、式1に示すU値が50未満になると、鋼中のPの含有量の低減効果が飽和し、過剰遅れ破壊の限界応力値が頭打ちになり、効果の改善が認められなくなる。このため、式1に示すS添加量とP添加量の積からなる下記に示した式1のU値を50〜200の範囲に限定した。   Furthermore, as a result of examining the optimum range, when the U value shown in Formula 1 exceeds 200, the P content in the steel becomes excessive, and improvement in the critical stress value of delayed fracture is not recognized. Moreover, when the U value shown in Formula 1 is less than 50, the effect of reducing the P content in the steel is saturated, the limit stress value of excess delayed fracture reaches a peak, and improvement of the effect is not recognized. For this reason, U value of Formula 1 shown below which consists of the product of S addition amount shown in Formula 1 and P addition amount was limited to the range of 50-200.

次に、本発明の一態様において、S:0.0250〜0.0350%の範囲に制御することに加えて、質量%で式1に示すU値を50〜150の範囲に限定した理由について詳細に説明する。   Next, in one embodiment of the present invention, in addition to controlling S: 0.0250 to 0.0350%, the reason why the U value shown in Formula 1 in mass% is limited to the range of 50 to 150 is described below. This will be described in detail.

式1に示す値を150以下に制御すると、水素のトラップサイトであるMnS系硫化物量の確保、Pの含有量の低減が可能となり、水素脆化の抑制、水素脆化の破壊から最終的な脆性破壊へ遅延が生じ、耐遅れ破壊特性が大幅に向上する。このため、式1に示すS添加量とP添加量の積からなる下記に示した式1のU値を50〜150の範囲に限定した。
U=P×S×10 ・・・式1
When the value shown in Formula 1 is controlled to 150 or less, it becomes possible to secure the amount of MnS sulfide, which is a hydrogen trap site, and to reduce the content of P, and ultimately control hydrogen embrittlement and destroy hydrogen embrittlement. A delay occurs in brittle fracture, and the delayed fracture resistance is greatly improved. For this reason, the U value of Formula 1 shown below consisting of the product of the S addition amount and the P addition amount shown in Formula 1 is limited to a range of 50 to 150.
U = P × S × 10 6 Formula 1

(4)P量の制御方法
P量を制御する望ましい製造方法を説明する。
溶銑段階ではPは不純物として多量に含まれている。P量の制御は転炉で行われるのが一般的である。転炉ではCaOを添加し、CaO・PとしてPをスラグへ排出する。一般的な転炉での精錬を行うとP量は0.0020〜0.0300%まで低減する。この転炉での脱燐処理の時間やCaOの添加量を制御することにより、P量を0.0100以下に制御することが望まし。この結果、限界応力値が向上し、耐遅れ破壊特性が安定的に向上する。
(4) P amount control method A desirable manufacturing method for controlling the P amount will be described.
In the hot metal stage, P is contained in a large amount as an impurity. In general, the amount of P is controlled in a converter. In the converter, CaO is added and P is discharged into the slag as CaO · P 2 O 5 . When refining in a general converter, the amount of P is reduced to 0.0020 to 0.0300%. It is desirable to control the P content to 0.0100 or less by controlling the time of dephosphorization treatment in this converter and the amount of CaO added. As a result, the critical stress value is improved, and the delayed fracture resistance is stably improved.

(5)S量の制御方法
S量を制御する望ましい製造方法を説明する。
溶銑段階ではSは不純物として多量に含まれている。S量の制御は転炉での精錬前の溶銑鍋で行われるのが一般的である。溶銑鍋ではCaOを添加し、CaSとしてSをスラグへ排出する。一般的な溶銑鍋での脱硫を行うとS量は0.0030〜0.0500%まで低減する。この脱硫処理の時間やCaOの添加量を調整することにより、S量を0.0200〜0.0350%または0.0250〜0.0350%に制御することが望まし。この結果、MnS系硫化物の生成量が増加し、耐遅れ破壊特性が向上する。
(5) S amount control method A desirable manufacturing method for controlling the S amount will be described.
In the hot metal stage, S is contained in a large amount as an impurity. In general, the amount of S is controlled in a hot metal ladle before refining in a converter. In the hot metal ladle, CaO is added and S is discharged into the slag as CaS. When desulfurization is performed in a general hot metal ladle, the amount of S is reduced to 0.0030 to 0.0500%. It is desirable to control the amount of S to 0.0200 to 0.0350% or 0.0250 to 0.0350% by adjusting the desulfurization time and the amount of CaO added. As a result, the amount of MnS-based sulfide generated is increased and the delayed fracture resistance is improved.

(6)S添加量とP添加量の積の制御方法(U=P×S×10
S添加量とP添加量の積(U=P×S×10)の制御方法を説明する。
溶銑の精錬は、転炉精錬前の溶銑鍋での脱硫、転炉での脱燐の順で行われるのが一般的である。溶銑鍋での脱硫後、溶鋼の分析を行い、そのS量をベースに転炉での脱燐量を定め、脱燐処理の時間やCaOの添加量を制御することにより、S添加量とP添加量の積のU値を制御する。この結果、MnS系硫化物の生成量の確保、Pの含有量の低減が可能となり、水素脆化の抑制、水素脆化の破壊から最終的な脆性破壊へ遅延が生じ、耐遅れ破壊特性が大幅に向上する。
(6) Control method of product of S addition amount and P addition amount (U = P × S × 10 6 )
A method for controlling the product of S addition amount and P addition amount (U = P × S × 10 6 ) will be described.
In general, hot metal refining is performed in the order of desulfurization in a hot metal ladle before refining the converter and dephosphorization in the converter. After desulfurization in the hot metal ladle, the molten steel is analyzed, and the dephosphorization amount in the converter is determined based on the amount of S. By controlling the dephosphorization time and the amount of CaO added, the S addition amount and P Control U value of product of addition amount. As a result, it is possible to secure the amount of MnS-based sulfide generated and reduce the P content, suppress hydrogen embrittlement, delay from hydrogen embrittlement to final brittle fracture, and have delayed fracture resistance. Greatly improved.

(7)H量の制御方法
遅れ破壊特性をさらに改善するH量の制御について望ましい製造方法を説明する。
溶銑段階ではHは不純物して含まれている。H量の制御は転炉の後の二次精錬(脱ガス)で行われるのが一般的である。二次精錬ではレードルを真空状態にし、鋼中のHを排出する。この二次精錬での処理時間を制御することにより、H量を2.0ppm以下に制御し、さらに耐遅れ破壊特性を向上させることが望ましい。
(7) Control method of H amount A desirable manufacturing method for controlling the H amount that further improves the delayed fracture characteristics will be described.
In the hot metal stage, H is contained as an impurity. Control of the amount of H is generally performed by secondary refining (degassing) after the converter. In secondary refining, the ladle is evacuated and H in the steel is discharged. It is desirable to control the amount of H to 2.0 ppm or less by controlling the treatment time in this secondary refining and to further improve the delayed fracture resistance.

また、水素は上記の精錬後に大気から侵入し、鋳造後の鋼片の水素量を増加させる場合もある。このような場合は、鋼片を除冷または鋼片を再加熱することにより鋼片内部の水素を外部へ拡散させる方法を適用することが望ましい。   In addition, hydrogen may enter from the atmosphere after the refining and increase the amount of hydrogen in the steel slab after casting. In such a case, it is desirable to apply a method of diffusing hydrogen inside the steel slab by cooling the steel slab or reheating the steel slab.

次に、本発明の実施例について説明する。
表1に本発明レールの化学成分と諸特性を示す。表1には、化学成分値、S添加量とP添加量の積(U=P×S×10)の値、頭表部のミクロ組織、頭表部の硬さを示す。さらに、図7に示す方法で行った遅れ破壊試験の結果(限界応力値)も併記した。尚、頭表部のミクロ組織は、面積率で5%以下の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織やマルテンサイト組織が混入しているものも含んでいる。
Next, examples of the present invention will be described.
Table 1 shows the chemical composition and various characteristics of the rail of the present invention. Table 1 shows the chemical component value, the product of the S addition amount and the P addition amount (U = P × S × 10 6 ), the microstructure of the head surface portion, and the hardness of the head surface portion. Furthermore, the result (limit stress value) of the delayed fracture test performed by the method shown in FIG. 7 is also shown. Note that the microstructure of the head surface part includes a mixture of a very small amount of pro-eutectoid ferrite structure, pro-eutectoid cementite structure, bainite structure and martensite structure of 5% or less in area ratio.

表2に比較レールの化学成分と諸特性を示す。表1には、化学成分値、S添加量とP添加量の積(U=P×S×10)の値、頭表部のミクロ組織、頭表部の硬さを示す。さらに、図7に示す方法で行った遅れ破壊試験の結果(限界応力値)も併記した。尚、頭表部のミクロ組織は、面積率で5%以下の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織やマルテンサイト組織が混入しているものも含んでいる。 Table 2 shows the chemical composition and various properties of the comparative rail. Table 1 shows the chemical component value, the product of the S addition amount and the P addition amount (U = P × S × 10 6 ), the microstructure of the head surface portion, and the hardness of the head surface portion. Furthermore, the result (limit stress value) of the delayed fracture test performed by the method shown in FIG. 7 is also shown. Note that the microstructure of the head surface part includes a mixture of a very small amount of pro-eutectoid ferrite structure, pro-eutectoid cementite structure, bainite structure and martensite structure of 5% or less in area ratio.

なお、表1、表2に示した本発明レールおよび比較レールの製造工程および製造条件の概略は下記に示すとおりである。   In addition, the outline of the manufacturing process and manufacturing conditions of the rails of the present invention and the comparative rail shown in Tables 1 and 2 are as shown below.

溶鋼⇒成分調整(溶銑鍋:脱硫、転炉:脱燐、二次精錬:脱水素)⇒鋳造(ブルーム)⇒再加熱(1250℃)⇒熱間圧延(仕上げ温度950℃)⇒熱処理(開始温度800℃、加速冷却)⇒放冷   Molten steel ⇒ component adjustment (hot metal ladle: desulfurization, converter: dephosphorization, secondary refining: dehydrogenation) ⇒ casting (bloom) ⇒ reheating (1250 ° C) ⇒ hot rolling (finishing temperature 950 ° C) ⇒ heat treatment (starting temperature) 800 ℃, accelerated cooling) ⇒ Cooling

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<水素量分析の方法>
表1、表2に示した本発明レールおよび比較レールの水素量分析の方法は下記のとおりである。
(1)分析工程:鋼片鋳造時のモールド内より溶鋼をサンプリング
(2)サンプル保持方法:サンプリング後、急速冷却⇒液体窒素に浸漬
(3)分析方法 熱伝導度法
サンプルサイズ:直径6mm、厚さ1mmの円筒
加熱温度:1900℃(黒鉛るつぼ上でサンプルをインダクションヒーティング)
雰囲気:不活性ガス(Ar)
キャリアガス:N2
分析装置:熱伝導度検出器
<Method of hydrogen content analysis>
The method of analyzing the hydrogen amount of the rails of the present invention and the comparative rail shown in Tables 1 and 2 is as follows.
(1) Analytical process: Sample molten steel from the mold at the time of steel piece casting (2) Sample holding method: Rapid cooling after sampling ⇒ Immersion in liquid nitrogen (3) Analytical method Thermal conductivity method
Sample size: A cylinder with a diameter of 6 mm and a thickness of 1 mm Heating temperature: 1900 ° C. (Induction heating of a sample on a graphite crucible)
Atmosphere: Inert gas (Ar)
Carrier gas: N2
Analyzer: Thermal conductivity detector

<硬度の測定方法>
表1、表2に示した本発明レールおよび比較レールの頭表部のミクロ組織、頭表部の硬さは、レール頭表部表面から3mm深さの位置で行った。また、硬さはビッカース硬度計で測定した。測定方法は下記に示すとおりである。
(1)事前処理:レール切断⇒横断面研摩。
(2)測定方法:JIS Z 2244に準じて測定。
(3)測定機:ビッカース硬度計(荷重98N)。
(4)測定箇所:レール頭表部表面から3mm深さの位置。
(5)測定数:5点以上測定し、平均値を鋼レールの代表値とすることが望ましい。
<Measurement method of hardness>
The microstructure of the head surface part of the present invention rail and the comparative rail shown in Tables 1 and 2 and the hardness of the head surface part were performed at a position 3 mm deep from the surface of the rail head surface part. The hardness was measured with a Vickers hardness meter. The measuring method is as shown below.
(1) Pretreatment: Rail cutting ⇒ Cross section polishing.
(2) Measuring method: Measured according to JIS Z 2244.
(3) Measuring machine: Vickers hardness meter (load 98N).
(4) Measurement location: a position 3 mm deep from the rail head surface.
(5) Number of measurements: It is desirable to measure 5 or more points and use the average value as the representative value of the steel rail.

<遅れ破壊試験の条件>
表1、表2に示した本発明レールおよび比較レールの遅れ破壊試験の条件は下記に示すとおりである。
(1)レール形状:136ポンドレール(67kg/m)
(2)遅れ破壊試験
試験方法:3点曲げ(スパン長:1.5m、図6参照)
試験姿勢:レール底部に荷重負荷(頭部に引張応力作用)。
応力条件:200〜500MPa(レール頭部表面)
応力負荷時間:500時間
(3)限界応力値 :所定の応力で500時間負荷した場合に未破断であった場合の応力の最大値
<Conditions for delayed fracture test>
The conditions of the delayed fracture test of the rails of the present invention and the comparative rail shown in Tables 1 and 2 are as shown below.
(1) Rail shape: 136 pound rail (67 kg / m)
(2) Delayed fracture test
Test method: 3-point bending (span length: 1.5 m, see FIG. 6)
Test posture: Load applied to the bottom of the rail (tensile stress acting on the head).
Stress condition: 200 to 500 MPa (rail head surface)
Stress load time: 500 hours (3) Limit stress value: Maximum value of stress when unstressed when loaded for 500 hours at a predetermined stress

表1、表2に示した本発明レールおよび比較レールの詳細は下記に示すとおりである。
(1)本発明レール(49本)
符号 A1〜A51:化学成分値、S添加量とP添加量の積(P×S×10)の値、頭表部のミクロ組織が本願発明範囲内のレール。
(2)比較レール(20本)
符号 B1〜B10(10本):C、Si、Mn、P、Sの添加量、頭表部のミクロ組織が本願発明範囲外のレール。
符号 B11〜B20:S添加量とP添加量の積(P×S×10)の値が本願発明範囲外のレール。
Details of the rails of the present invention and comparative rails shown in Tables 1 and 2 are as shown below.
(1) Invention rail (49)
Symbols A1 to A51: Rails in which the chemical component value, the product of the addition amount of S and the addition amount of P (P × S × 10 6 ), and the microstructure of the head surface portion are within the scope of the present invention.
(2) Comparison rail (20)
Symbols B1 to B10 (10): A rail in which the addition amount of C, Si, Mn, P, and S and the microstructure of the head surface part are outside the scope of the present invention.
Symbols B11 to B20: rails whose product of the S addition amount and the P addition amount (P × S × 10 6 ) is outside the scope of the present invention.

表1、表2に示すように、本発明レール(符号A1〜A51)は、比較レール(符号B1〜B10)と比べて、鋼のC、Si、Mn、P、Sの添加量を限定範囲内に収めることにより、初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織、マルテンサイト組織の生成を抑制し、頭表部をパーライト組織に制御することにより、遅れ破壊特性を向上させることができる。   As shown in Tables 1 and 2, the present invention rails (reference symbols A1 to A51) have a limited range of addition amounts of steel C, Si, Mn, P, and S compared to the comparative rails (reference symbols B1 to B10). By accommodating the inner surface, the formation of pro-eutectoid ferrite structure, pro-eutectoid cementite structure, bainite structure, and martensite structure can be suppressed, and by controlling the head surface part to pearlite structure, the delayed fracture characteristics can be improved.

また、表1、表2、さらに、図5に示すように、本発明レール鋼(符号A1〜A51)は、比較レール鋼(符号B11〜B20)と比べて、C、Si、Mn、P、Sの添加量に加えて、S添加量とP添加量の積(U=P×S×10)の値を限定範囲内に収めることにより、同一S添加量において、遅れ破壊特性を向上させることができる。 In addition, as shown in Tables 1 and 2 and FIG. 5, the rail steel of the present invention (reference symbols A1 to A51) is C, Si, Mn, P, compared to the comparative rail steel (reference symbols B11 to B20). In addition to the addition amount of S, the product of the addition amount of S and the addition amount of P (U = P × S × 10 6 ) is kept within a limited range, thereby improving delayed fracture characteristics at the same addition amount of S. be able to.

また、表1、表2、図6に示すように、本発明レール鋼(符号A12〜A13、A16〜A17、A21〜A22、A24〜A25、A27〜A28、A32〜A33、A36〜A37、A40〜A43、A46〜A47、A50〜A51)は、S添加量とP添加量の積(U=P×S×10)の値をさらに制御し、これに加えて、H添加量を制御することにより、遅れ破壊特性をより一層向上させることができる。

Also, Table 1, Table 2, as shown in FIG. 6, the present invention rail steels (code A 12 ~A13, A16~A17, A 21 ~A22, A 24 ~A25, A 27 ~A28, A 32 ~A33, a 36 ~A37, a 40 ~A43, a 46 ~A47, a 50 ~A51) further controls the value of the S amount and P addition amount of the product (U = P × S × 10 6), in which In addition, the delayed fracture characteristics can be further improved by controlling the H addition amount.

1:頭頂部
2:頭部コーナー部
3:レール頭部
3a:頭表部(頭部コーナー部および頭頂部の表面を起点として深さ20mmまでの範囲、斜線部)
1: head portion 2: head corner portion 3: rail head portion 3a: head surface portion (range up to a depth of 20 mm starting from the head corner portion and the surface of the head portion, hatched portion)

Claims (4)

質量%で、C:0.88〜1.20%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.10〜2.00%、P≦0.0100%、S:0.0250〜0.0350%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼レールにおいて、質量%で式1に示すU値が50〜200の範囲であり、かつ、前記鋼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深さ20mmまでの範囲である頭表部の95%以上がパーライト組織であることを特徴とするレール。
U=P×S×10 ・・・式1
In mass%, C: 0.88 to 1.20%, Si: 0.10 to 2.00%, Mn: 0.10 to 2.00%, P ≦ 0.0100%, S: 0.0250 to In a steel rail containing 0.0350% and the balance being Fe and inevitable impurities, the U value shown in Formula 1 in mass% is in the range of 50 to 200, and the head corner portion of the steel rail and A rail characterized in that 95% or more of the head surface portion, which has a depth of 20 mm starting from the surface of the top of the head, is a pearlite structure.
U = P × S × 10 6 Formula 1
質量%で、さらに、式1に示すU値が50〜150の範囲であることを特徴とする請求項1に記載のレール。 The rail according to claim 1, wherein the U value shown in Formula 1 is in the range of 50 to 150 in terms of mass%. 質量%で、さらに、H:2.0ppm以下であることを特徴とする請求項2に記載のレール。   The rail according to claim 2, further comprising, by mass%, H: 2.0 ppm or less. 質量%で、さらに、
Mg:0.0005〜0.0200%、
Ca:0.0005〜0.0200%、
REM:0.0005〜0.0500%、
Cr:0.01〜2.00%、
Mo:0.01〜0.50%、
Co:0.01〜1.00%、
B:0.0001〜0.0050%、
Cu:0.01〜1.00%、
Ni:0.01〜1.00%、
V:0.005〜0.50%、
Nb:0.0010〜0.050%、
Ti:0.0030〜0.0500%、
Zr:0.0001〜0.0200%、
N:0.0060〜0.0200%、
Al:0.0100〜1.00%
の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1項に記載のレール。
In mass%,
Mg: 0.0005 to 0.0200%,
Ca: 0.0005 to 0.0200%,
REM: 0.0005 to 0.0500%,
Cr: 0.01 to 2.00%
Mo: 0.01 to 0.50%,
Co: 0.01-1.00%,
B: 0.0001 to 0.0050%,
Cu: 0.01 to 1.00%,
Ni: 0.01-1.00%,
V: 0.005 to 0.50%,
Nb: 0.0010 to 0.050%,
Ti: 0.0030 to 0.0500%,
Zr: 0.0001 to 0.0200%,
N: 0.0060-0.0200%,
Al: 0.0100 to 1.00%
The rail according to any one of claims 1 to 3, comprising one or more of the following.
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