JP6150008B2 - レールおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3および特許文献4には、セメンタイトの量を増加させた過共析レールおよびその製造方法について開示されている。さらに、特許文献5、特許文献6および特許文献7には、共析炭素レベルの鋼に対してパーライト組織のラメラー間隔を微細化することによって高硬度化を図った技術が開示されている。
なお、摩耗試験は、短時間で耐摩耗性を評価することができる西原式摩耗試験機を用いて実際のパーライト鋼レールと車輪との接触条件をシミュレートした比較試験とした。すなわち、図2に示すように、レール頭部から採取した、外径30mmの西原式摩耗試験片1をタイヤ試験片2と接触させて回転させて試験を行う。同図中の矢印は、それぞれ西原式摩耗試験片1とタイヤ試験片2の回転方向を示す。タイヤ試験片は、JIS規格E1101に記載の普通レールの頭部から直径32mmの丸棒を採取し、ブリネル硬さ(Brinell荷重29.4kN)がHB370であり、組織が焼戻しマルテンサイト組織となるように熱処理を行い、その後、 図2に示す形状に加工を施し、タイヤ試験片とした。なお、西原式摩耗試験片1は、図3に示すようにレール頭部3の2箇所から採取する。レール頭部3の表層から採取するものを西原式摩耗試験片1aとし、内部から採取するものを西原式摩耗試験片1bとする。レール頭部3の内部から採取する西原式摩耗試験片1b の長手方向の中心は、レール頭部3の上面から24〜26mm(平均値25mm)の深さに位置する。試験環境条件は乾燥状態とし、接触圧力:1.2GPa, 滑り率:−10%,回転速度: 750rpm(タイヤ試験片は750rpm)の条件で1.8×105回転後の摩耗量を測定する。摩耗量は、試験前後の試験片重量を測定し、その差によって算出した。
(1)質量%で、
C:0.60〜1.0%、
Si:0.1〜1.5%、
Mn:0.01〜1.5%、
P:0.035%以下、
S:0.030%以下および
Cr:0.1〜2.0%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有するレールであって、該レール長さ方向のレール頭部の表面硬さのばらつきが±HB15ポイント以下であるレール。
ここで、レール長さ方向の表面硬さのばらつきは、レール頭頂部を圧延長さ方向に5mピッチでレール全長(例えば25〜100m)にわたってブリネル硬さを測定し、測定結果から算出した平均値と、各測定点でのブリネル硬さの値との差のことを意味する。すなわち、レールの長さ方向の表面硬さのばらつきが±HB15ポイント以下とは、5mピッチで測定した全ての硬さの測定値(全長25mの場合は6点、全長50mの場合は11点、全長100mの場合は21点についての測定値)からブリネル硬さの平均値を求め、その平均値と各測定点についてのブリネル硬さとの差が最大で±15ポイント以内であることを意味する。なお、ブリネル硬さの測定に際しては、脱炭層をグラインダなどで予め0.5mm以上除去した後に、測定を行う。
Cu:1.0%以下、
Ni:0.5%以下、
Mo:0.5%以下および
V:0.15%以下
の1種または2種以上を含有する前記(1)に記載のレール。
C:0.60〜1.0%、
Si:0.1〜1.5%、
Mn:0.01〜1.5%、
P:0.035%以下、
S:0.030%以下および
Cr:0.1〜2.0%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成になる鋼素材を、1200℃以上に加熱した後、熱間圧延を施してレールを製造するに当たって、
前記熱間圧延において、1000℃以下の温度域にてレール長さ方向へ複数パスにわたる圧延を行い、該圧延を行う際の、レール長さ方向のパス間時間のばらつきを15s以内、レール頭部となる部分の累積減面率を40%以上、仕上げ圧延温度を900℃以上とし、該熱間圧延に引き続いて、レール頭部に、冷却開始温度:800℃以上、冷却停止温度:600℃以下および冷却速度:1〜10℃/sとした冷却を行うレールの製造方法。
Cu:1.0%以下、
Ni:0.5%以下、
Mo:0.5%以下および
V:0.15%以下
の1種または2種以上を含有する前記(5)に記載のレールの製造方法。
C:0.60〜1.0%
Cは、パーライトレールにおいてセメンタイトを形成し硬さや強度を高め、耐摩耗性を向上させる重要な元素である。しかし、0.60%未満ではそれらの効果が小さいことから、下限を0.60%とする。一方、C量の増加はセメンタイト量の増加を意味しており、硬さや強度の上昇が期待できる反面延性は低下することになる。また、C量の増加はγ+θ温度範囲を拡大させ、溶接熱影響部の軟化を助長する。これらの影響を考慮してCの上限は1.0%とする。好ましい範囲は、0.73〜0.85%である。
Siは、レール材における脱酸材として、および平衡変態温度(TE)を上昇させてパーライト組織を強化(ラメラー組織の微細化による硬さ上昇)するために添加するが、0.1%未満ではこれらの効果が小さい。一方、Siの増加は脱炭を促進させることや、レールの表面疵の生成を促進させることから、上限を1.5%とした。好ましくは、0.5〜1.3%の範囲である。
Mnは、実際のパーライト変態温度を低下させてパーライト−ラメラー間隔を緻密にする効果があり、高硬度とするために有効な元素であるが、0.01%未満ではその効果が小さい。一方、焼入れ性も向上させることから1.5%を超えての添加は、ベイナイトやマルテンサイトへ変態し易くなるため、上限を1.5%とした。好ましくは、0.3〜1.2%の範囲である。
Pは0.035%を超えると、靭性や延性を低下させる。そのため、Pの上限は0.035%とする。好適範囲としては0.025%を上限とする。一方、下限については、特殊精錬などを行うと溶製のコスト上昇を招くことから0.001%とすることが好ましい。
Sは、圧延方向に伸展した粗大なMnSを形成して、延性や靭性を低下させる。そのため、Sの含有量の上限は0.030%とした。一方、0.0005%未満にするためには、溶製処理時間の増大など溶製時のコスト上昇が著しいため、下限は0.0005%とすることが好ましい。好ましくは、0.001〜0.015%である。
Crは、平衡変態温度(TE)を上昇させ、パーライト−ラメラー間隔の微細化に寄与して、硬さや強度を上昇させる。そのためには、0.2%以上の添加を必要 とする。一方、2.0%を超えての添加は、溶接欠陥の発生を増加させるとともに、焼入れ性を増加させマルテンサイトの生成を促進させるため、上限を 2.0%とした。より好ましくは、0.26〜1.00%の範囲である。
Cu:1.0%以下
Cuは、固溶強化により一層の高硬度化を図ることができる元素である。また、脱炭抑制にも効果がある。この効果を得るためには0.01%以上で添加することが好ましい。一方、1.0%を超えての添加は連続鋳造時や圧延時に表面割れを生じ易くすることから、上限を1.0%とすることが好ましい。さらに、0.05〜0.6%の範囲がより一層好ましい。
Niは、靭性や延性を向上させるのに有効な元素である。また、Cuと複合添加することでCu割れを抑制するのに有効な元素であるため、Cuを添加する場合にはNiを添加することが望ましい。但し、0.01%未満ではこれら効果が認められないことから、添加する場合には下限を0.01%以上とすることが好ましい。一方、0.5%を超えての添加は、焼入れ性を高めマルテンサイトの生成を促進させることになるため、上限を0.5%とすることが好ましい。より好ましくは、0.05〜0.50%の範囲である。
Moは、高強度化に有効な元素であり、0.01%未満ではその効果が小さいため、下限を0.01%とすることが好ましい。一方、0.5%を超えて添加すると、焼入れ性が高まる結果としてマルテンサイトが生成するため、靭性や延性を極端に低下させる。そのため、上限は0.5%とすることが好ましい。より好ましくは、0.05〜0.30%の範囲である。
Vは、VCあるいはVNなどを形成してフェライト中へ微細に析出し、フェライトの析出強化を通して高強度化に寄与する元素である。また、VCあるいはVN の固溶温度は、TiやNbよりも十分低く、圧延時のオーステナイトの再結晶挙動に及ぼす影響も小さいため、レール長さ方向の特性ばらつきに与える影響も小さい。さらに、水素のトラップサイトとしても機能し、遅れ破壊を抑制する効果も期待できる。そのためには、0.001%以上で添加することが好ましい。一方、0.15%を超えて添加すると、上記の諸効果が飽和し合金コストの上昇も甚だしいことから、上限は0.15%とすることが好ましい。より好適には、0.005〜0.12%の範囲である。
例えば、不可避的不純物として、Nは0.006%まで、Oは0.003%まで許容できる。また、Alは脱酸材として有効であるが、クラスター状のAlNを形成し転勤疲労特性を大きく低下させるため、Alについては0.003%以下とすることが望ましい。さらに、不可避的不純物として含まれる、NbおよびTiについては、次のとおりである。
Ti:0.003%以下
NbおよびTiは、炭化物あるいは炭窒化物を形成しマトリクスを強化することから、硬さや耐摩耗性の向上に対して有効な元素である。しかしながら、レール長手方向の硬さのばらつきを促進させる有害な元素であることから基本的には無添加とするが、不可避的に混入する量としては0.003%以下であれば許容できる。すなわち、NbやTiを添加すると、素材加熱、圧延あるいは冷却条件に応じて硬さの変化が大きくなるため、これら条件のばらつきに伴う圧延 長さ方向の硬さ変化に敏感に影響を与える。冶金的には、加熱オーステナイト粒の不均一性が促進されると同時に、圧延中のオーステナイトの再結晶化の抑制とそれに伴うパーライト変態温度の変化が、NbやTiが無添加の鋼よりも極めて大きくなるため、硬さのばらつきを促進させていると考えられる。
まず、鋼素材には、高炉、溶銑予備処理、転炉、RH脱ガスなどの溶製法プロセスにて、上記した成分組成に調整された溶鋼を連続鋳造法にて鋳造して得た、鋳片を鋼素材として用いることが望ましい。
溶製された鋼素材は、1200℃以上に加熱する必要がある。ここでは、十分に変形抵抗を下げることで圧延負荷の軽減を図ることが主目的であるが、そのほか、均質化を図る目的もある。これらの効果を十分に得るには、加熱温度を1200℃以上とする必要がある。なお、上限は特に設定する必要はないが、スケールロスや脱炭の抑制の観点から1300℃以下とすることが好ましい。
こうして加熱された鋼素材は、熱間圧延によりレール形状へと成形するが、その際、1000℃以下で行う複数パスの圧延において一方向の圧延を繰り返すことによって、圧延のパス間時間のばらつきを小さくすることが肝要である。なお、圧延におけるパス間時間とは、レール圧延材の長手方向(圧延方向)のある部分がロールに噛み込んでから次のロールに噛み込むまでの時間のことを言う。そして、このパス間時間は、レール圧延材のトップ(先端)におけるものとボトム(尾端)におけるものとで最も差が大きくなる。
1000℃以下での圧延による減面率を累積で40%以上とする必要がある。なぜなら、オーステナイトの再結晶細粒化を促すためには1000℃以下で40%以上の減面加工が必要となるからである。1000℃以下の圧延での減面率が40%未満の場合には、オーステナイトの再結晶細粒化が不十分となり、部分的に粗大なオーステナイトが残存する結果、レール長さ方向(圧延方向)の硬さばらつきを増加させることになる。
一方向へ連続圧延を行うことによって、圧延材全長のパス間時間のばらつきを小さくするに当たって、仕上げ圧延温度は900℃以上とすることが望ましい。なぜなら、仕上げ圧延温度が900℃を下回ると、圧延後に引き続き実行されるオンライン熱処理の冷却開始温度が低温化すること、パーライト変態が促進する(高温化する)ことなどの理由により、全体的に硬さが低下しばらつきが大きくなるためである。こうした硬さ低下を防止するためには、仕上げ圧延温度を900℃以上とすることが好ましい。
「レール頭部に冷却開始温度:800℃以上、冷却停止温度:600℃以下、冷却速度:1〜10℃/sとした冷却を行う」
まず、冷却開始温度は、800℃以上が望ましい。すなわち、冷却開始温度が800℃未満では過冷度が十分に確保されずに十分な表面硬さを得ることができないおそれがある。冷却停止温度は600℃以下まで行う必要がある。600℃以上では十分な硬さを得ることができないためである。下限については特に規定しないが、400℃以下まで冷却しても硬さが飽和すること、加えて冷却時間が長くなるために生産性を阻害することから、400℃以上で冷却を停止することが望ましい。
冷却速度は1〜10℃/sの範囲である。冷却速度が10℃/sを超えるとパーライト変態する時間が十分確保できず、ベイナイトやマルテンサイトが生成し、靱延性や疲労損傷性を低下させる。一方、1℃/s未満では十分な硬さを得ることはできない。好ましくは、2〜8℃/sの範囲である。
さらに、圧延長手方向での冷却速度のばらつきを±1℃/s以下にすることが好ましい。冷却速度のばらつきを±1℃/s以下とすることで、パーライト−ラメラー間隔のばらつきがより小さくなり、硬さのばらつき±HB10以下を達成でき、レール長手方向で耐摩耗性や耐疲労損傷性にばらつきがより小さくなるためである。
また、上記の熱間圧延に引き続いて行う冷却は、衝風冷却あるいはミスト冷却を行うことが好ましい。ここで、衝風冷却とは、エアーを強制的にレール頭部に吹き付けることで加速冷却を行うことである。また、ミスト冷却とは、水とエアーとを混合して水を霧状にしてレール頭部に吹き付けることである。
さらに、製造されたレールについて、その頭部の表面硬さおよびミクロ組織を評価した。レール頭部表面の硬さについては、脱炭層を0.5mm以上グラインダにて除去し、レール長さ方向に5mピッチの点において、それぞれブリネル硬さを測定した。同様に顕微鏡サンプルを切り出し、ミクロ組織を観察した。
これらの評価結果を表2に示す。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.60〜1.0%、
Si:0.1〜1.5%、
Mn:0.01〜1.5%、
P:0.035%以下、
S:0.030%以下および
Cr:0.1〜2.0%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有するレールであって、該レール長さ方向のレール頭部の表面硬さのばらつきが±HB10ポイント以下であり、前記レール頭部の表面硬さがHB400以上であるレール。 - 前記成分組成はさらに、質量%で、
Cu:1.0%以下、
Ni:0.5%以下、
Mo:0.5%以下および
V:0.15%以下
の1種または2種以上を含有する請求項1に記載のレール。 - 質量%で、
C:0.60〜1.0%、
Si:0.1〜1.5%、
Mn:0.01〜1.5%、
P:0.035%以下、
S:0.030%以下および
Cr:0.1〜2.0%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成になる鋼素材を、1200℃以上に加熱した後、熱間圧延を施してレールを製造するに当たって、
前記熱間圧延において、1000℃以下の温度域にてレール長さ方向へ複数パスにわたる圧延を行い、該圧延を行う際の、レール長さ方向のパス間時間のばらつきを20s以内、レール頭部となる部分の累積減面率を40%以上、仕上げ圧延温度を900℃以上とし、該熱間圧延に引き続いて、レール頭部に、冷却開始温度:800℃以上、冷却停止温度:600℃以下、冷却速度:1〜10℃/sおよび、レールの長さ方向の冷却速度のばらつきを±1℃/s以下とした冷却を行う、レールの長さ方向のレール頭部の表面硬さのばらつきが±HB10ポイント以下であり、レール頭部の表面硬さがHB400以上であるレールの製造方法。 - 前記成分組成はさらに、質量%で、
Cu:1.0%以下、
Ni:0.5%以下、
Mo:0.5%以下および
V:0.15%以下
の1種または2種以上を含有する請求項3に記載のレールの製造方法。
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