JP6222403B1 - レール鋼および車輪鋼の選択方法 - Google Patents
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Abstract
鉄道軌道で使用されるレールおよび鉄道用車輪の疲労損傷を抑制し、レールおよび車輪の両者の寿命を延ばすことができるレール鋼および車輪鋼の選択方法を提供する。質量％で、Ｃ：０．７０％以上０．８５％未満、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、およびＣｒ：０．０５〜１．５０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するレール鋼と、質量％で、Ｃ：０．５７％以上０．８５％未満、Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、およびＣｒ：０．０５〜１．５０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する車輪鋼とを、それぞれレールおよび車輪として実軌道で使用する際に、前記レールの頭部における降伏強度ＹＳＲが８３０ＭＰａ以上であり、前記車輪のリム部における降伏強度ＹＳＷが５８０ＭＰａ以上であり、かつ、前記レールの頭部における降伏強度ＹＳＲと、前記車輪のリム部における降伏強度ＹＳＷとの比ＹＳＲ／ＹＳＷが０．８５以上１．９５以下となるように前記レール鋼および車輪鋼を選択する、レール鋼および車輪鋼の選択方法。
Description
本発明は、レール頭部における降伏強度と車輪リム部における降伏強度の比を制御することによって、前記レールおよび車輪の疲労損傷を抑制し、該レールおよび車輪の両者の寿命を延ばすことができるレール鋼および車輪鋼の選択方法に関するものである。
鉱石の運搬等を主体とする高軸重鉄道では貨車の車軸にかかる荷重は客車に比べて遙かに高く、レールや車輪の使用環境も過酷なものとなっている。このような環境下で使用されるレールや車輪としては従来、耐摩耗性重視の観点から主としてパーライト組織を有し、使用環境によって異なるが、降伏強度が８００ＭＰａ以下であるレール鋼が使用されている。同様に、鉄道用車輪には、降伏強度が５００ＭＰａ以下である車輪鋼が使用されている。
しかし、近年、鉄道による輸送の効率化のために貨車への積載重量の更なる増加が進められており、レール鋼や車輪鋼の耐久性をさらに向上させることが求められている。なお、高軸重鉄道とは、列車や貨車の積載重量の大きい（積載重量が例えば１５０トン程度の）鉄道である。
そこで、例えば特許文献１では、Ｃ含有量を０．８５〜１．２０％に増加させることによって耐摩耗性や耐熱き裂性を向上させた高炭素鉄道車両用車輪が提案されている。また、特許文献２では、レール鋼と車輪鋼の硬さの比を制御することによって、レールおよび車輪の摩耗を低減する方法が提案されている。
一方、上述したようにレールと車輪の使用環境が更に過酷化しているため、レールと車輪の疲労損傷が問題となっている。特に、高軸重鉄道の曲線区間においては、車輪による転がり応力と遠心力による滑り力とに起因する疲労損傷の発生を抑制することが求められる。
しかし、特許文献１に記載された技術では、車輪の耐摩耗性や耐熱き裂性に一定の向上が見られるものの、Ｃ含有量が０．８５〜１．２０％と高いため、耐疲労損傷性を向上させることは困難である。これは、鋼が多量のＣを含有する結果、熱処理条件によっては初析セメンタイト組織が生成し、パーライト層状組織に含まれるセメンタイト相の量が増加するためである。
また、特許文献２に記載された技術では、レールと車輪の硬度（ビッカース硬さ）の関係のみに着目しているため、摩耗を抑制することはできるものの、疲労損傷を抑制することは困難である。
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、鉄道軌道で使用されるレールおよび鉄道用車輪の疲労損傷を抑制し、レールおよび車輪の両者の寿命を延ばすことができるレール鋼および車輪鋼の選択方法を提供すること目的とする。
発明者らは、上記課題を解決するため、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、およびＣｒの含有量を変化させたレール鋼と車輪鋼を製作し、降伏強度と耐疲労損傷性の関係を鋭意調査した。その結果、レールの頭部における降伏強度ＹＳＲと、車輪のリム部における降伏強度ＹＳＷとの比ＹＳＲ／ＹＳＷを０．８５以上、１．９５以下とすることにより、レールと車輪の疲労損傷を抑制できることが見出された。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨構成は次のとおりである。
１．質量％で、
Ｃ ：０．７０％以上、０．８５％未満、
Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、
Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、および
Ｃｒ：０．０５〜１．５０％を含有し、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するレール鋼と、
質量％で、
Ｃ ：０．５７％以上、０．８５％未満、
Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、
Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、および
Ｃｒ：０．０５〜１．５０％を含有し、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する車輪鋼とを、
それぞれレールおよび車輪として実軌道で使用する際に、
前記レールの頭部における降伏強度ＹＳＲが８３０ＭＰａ以上であり、
前記車輪のリム部における降伏強度ＹＳＷが５８０ＭＰａ以上であり、かつ、
前記レールの頭部における降伏強度ＹＳＲと、前記車輪のリム部における降伏強度ＹＳＷとの比ＹＳＲ／ＹＳＷが下記（１）式に示す範囲内となるように前記レール鋼および車輪鋼を選択する、レール鋼および車輪鋼の選択方法。
記
０．８５≦ＹＳＲ／ＹＳＷ≦１．９５ …（１）
１．質量％で、
Ｃ ：０．７０％以上、０．８５％未満、
Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、
Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、および
Ｃｒ：０．０５〜１．５０％を含有し、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するレール鋼と、
質量％で、
Ｃ ：０．５７％以上、０．８５％未満、
Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、
Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、および
Ｃｒ：０．０５〜１．５０％を含有し、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する車輪鋼とを、
それぞれレールおよび車輪として実軌道で使用する際に、
前記レールの頭部における降伏強度ＹＳＲが８３０ＭＰａ以上であり、
前記車輪のリム部における降伏強度ＹＳＷが５８０ＭＰａ以上であり、かつ、
前記レールの頭部における降伏強度ＹＳＲと、前記車輪のリム部における降伏強度ＹＳＷとの比ＹＳＲ／ＹＳＷが下記（１）式に示す範囲内となるように前記レール鋼および車輪鋼を選択する、レール鋼および車輪鋼の選択方法。
記
０．８５≦ＹＳＲ／ＹＳＷ≦１．９５ …（１）
２．前記レール鋼の成分組成が、質量％で、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｖ ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｍｏ：０．５％以下、
Ｗ ：０．５％以下、
Ａｌ：０．０７％以下、
Ｔｉ：０．０５％以下、および
Ｂ ：０．００５％以下からなる群より選択される１または２以上をさらに含む、前記１に記載のレール鋼および車輪鋼の選択方法。
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｖ ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｍｏ：０．５％以下、
Ｗ ：０．５％以下、
Ａｌ：０．０７％以下、
Ｔｉ：０．０５％以下、および
Ｂ ：０．００５％以下からなる群より選択される１または２以上をさらに含む、前記１に記載のレール鋼および車輪鋼の選択方法。
３．前記車輪鋼の成分組成が、質量％で、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｖ ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｍｏ：０．５％以下、
Ｗ ：０．５％以下、
Ａｌ：０．０７％以下、
Ｔｉ：０．０５％以下、および
Ｂ ：０．００５％以下からなる群より選択される１または２以上をさらに含む、前記１または２に記載のレール鋼および車輪鋼の選択方法。
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｖ ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｍｏ：０．５％以下、
Ｗ ：０．５％以下、
Ａｌ：０．０７％以下、
Ｔｉ：０．０５％以下、および
Ｂ ：０．００５％以下からなる群より選択される１または２以上をさらに含む、前記１または２に記載のレール鋼および車輪鋼の選択方法。
本発明によれば、所定の成分組成を有するレール鋼と車輪鋼を用いるとともに、レールと車輪における降伏強度の比を制御することによって、前記レールおよび車輪の疲労損傷を抑制し、該レールおよび車輪の両者の寿命を延ばすことができる。
次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。本発明においては、レール鋼および車輪鋼が上記成分組成を有することが重要である。そこで、まず本発明において成分組成を上記のように限定する理由を説明する。なお、各成分の含有量の単位は「質量％」であるが、「％」と略記される。
［レール鋼の成分組成］
Ｃ：０．７０％以上、０．８５％未満
Ｃは、パーライト組織においてセメンタイトを形成し、降伏強度や耐疲労損傷性を確保する効果を有する元素である。Ｃ含有量が０．７０％未満であると、降伏強度が低下し、優れた耐疲労損傷性を得ることが難しい。一方、Ｃ含有量が０．８５％以上であると熱間圧延後の変態時に初析セメンタイトがオーステナイト粒界に生成し、耐疲労損傷性が著しく低下する。そのため、Ｃ含有量は０．７０％以上、０．８５％未満とする。
Ｃ：０．７０％以上、０．８５％未満
Ｃは、パーライト組織においてセメンタイトを形成し、降伏強度や耐疲労損傷性を確保する効果を有する元素である。Ｃ含有量が０．７０％未満であると、降伏強度が低下し、優れた耐疲労損傷性を得ることが難しい。一方、Ｃ含有量が０．８５％以上であると熱間圧延後の変態時に初析セメンタイトがオーステナイト粒界に生成し、耐疲労損傷性が著しく低下する。そのため、Ｃ含有量は０．７０％以上、０．８５％未満とする。
Ｓｉ：０．１０〜１．５０％
Ｓｉは、脱酸剤およびパーライト組織の強化元素として添加される元素である。Ｓｉの添加効果を得るためには、Ｓｉ含有量を０．１０％以上とする必要がある。一方、Ｓｉ含有量が１．５０％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｓｉ含有量は０．１０〜１．５０％とする。
Ｓｉは、脱酸剤およびパーライト組織の強化元素として添加される元素である。Ｓｉの添加効果を得るためには、Ｓｉ含有量を０．１０％以上とする必要がある。一方、Ｓｉ含有量が１．５０％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｓｉ含有量は０．１０〜１．５０％とする。
Ｍｎ：０．４０〜１．５０％
Ｍｎは、パーライト変態温度を低下させてラメラー間隔を細かくすることにより、レールの高降伏強度化に寄与する元素であるが、Ｍｎ含有量が０．４０％未満では十分な効果を得ることができない。一方、Ｍｎ含有量が１．５０％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｍｎ含有量は０．４０〜１．５０％とする。
Ｍｎは、パーライト変態温度を低下させてラメラー間隔を細かくすることにより、レールの高降伏強度化に寄与する元素であるが、Ｍｎ含有量が０．４０％未満では十分な効果を得ることができない。一方、Ｍｎ含有量が１．５０％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｍｎ含有量は０．４０〜１．５０％とする。
Ｃｒ：０．０５〜１．５０％
Ｃｒは、パーライト平衡変態温度を上昇させてラメラー間隔を微細化することや、固溶強化により、降伏強度を向上させる効果を有する元素であるが、Ｃｒ含有量が０．０５％未満であると十分な降伏強度が得られない。一方、Ｃｒ含有量が１．５０％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｃｒ量は０．０５〜１．５０％とする。
Ｃｒは、パーライト平衡変態温度を上昇させてラメラー間隔を微細化することや、固溶強化により、降伏強度を向上させる効果を有する元素であるが、Ｃｒ含有量が０．０５％未満であると十分な降伏強度が得られない。一方、Ｃｒ含有量が１．５０％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｃｒ量は０．０５〜１．５０％とする。
本発明における一実施形態におけるレール鋼は、以上の成分と、残部にＦｅおよび不可避不純物を有する成分組成を有する。前記不可避的不純物としては、例えば、ＰおよびＳが挙げられ、それぞれ
Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下までの含有は許容される。一方、Ｐ含有量およびＳ含有量の下限は特に限定されず０％であってよいが、工業的には０％超である。さらに、ＰおよびＳの含有量を過度に低下させると精錬コストの増加を招くため、Ｐ含有量およびＳ含有量は０．０００５％以上とすることが好ましい。なお、本発明のレール鋼の成分組成は、以上の成分と残部のＦｅおよび不可避不純物とからなるか、あるいはさらに、これらに加えて後述する任意に含むことができる成分とからなることが好ましいが、本発明の作用効果に実質的に影響しない範囲内で、他の微量元素を含有するレール鋼も本発明に属する。
Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下までの含有は許容される。一方、Ｐ含有量およびＳ含有量の下限は特に限定されず０％であってよいが、工業的には０％超である。さらに、ＰおよびＳの含有量を過度に低下させると精錬コストの増加を招くため、Ｐ含有量およびＳ含有量は０．０００５％以上とすることが好ましい。なお、本発明のレール鋼の成分組成は、以上の成分と残部のＦｅおよび不可避不純物とからなるか、あるいはさらに、これらに加えて後述する任意に含むことができる成分とからなることが好ましいが、本発明の作用効果に実質的に影響しない範囲内で、他の微量元素を含有するレール鋼も本発明に属する。
上記レール鋼の成分組成は、質量％で、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｖ ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｍｏ：０．５％以下、
Ｗ ：０．５％以下、
Ａｌ：０．０７％以下、
Ｔｉ：０．０５％以下、および
Ｂ ：０．００５％以下からなる群より選択される１または２以上を、任意に、さらに含むことができる。
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｖ ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｍｏ：０．５％以下、
Ｗ ：０．５％以下、
Ａｌ：０．０７％以下、
Ｔｉ：０．０５％以下、および
Ｂ ：０．００５％以下からなる群より選択される１または２以上を、任意に、さらに含むことができる。
Ｖ：０．３０％以下
Ｖは、炭・窒化物を形成して基地中へ分散析出することにより降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｖ含有量が０．３０％を超えると、降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。また、Ｖは高価な元素であるため、レール鋼のコストが増加する。そのため、Ｖを添加する場合にはＶ含有量を０．３０％以下とすることが好ましい。なお、Ｖ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｖ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｖは、炭・窒化物を形成して基地中へ分散析出することにより降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｖ含有量が０．３０％を超えると、降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。また、Ｖは高価な元素であるため、レール鋼のコストが増加する。そのため、Ｖを添加する場合にはＶ含有量を０．３０％以下とすることが好ましい。なお、Ｖ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｖ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｃｕ：１．０％以下
Ｃｕは、Ｃｒと同様、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｃｕ含有量が１．０％を超えるとＣｕ割れが生じやすくなるため、Ｃｕを添加する場合にはＣｕ含有量を１．０％以下とすることが好ましい。なお、Ｃｕ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｃｕ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｃｕは、Ｃｒと同様、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｃｕ含有量が１．０％を超えるとＣｕ割れが生じやすくなるため、Ｃｕを添加する場合にはＣｕ含有量を１．０％以下とすることが好ましい。なお、Ｃｕ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｃｕ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｉは、延性を劣化することなく降伏強度を向上させる効果を有する元素である。また、Ｃｕと複合添加することによりＣｕ割れを抑制することができるため、Ｃｕを添加する場合にはＮｉも添加することが望ましい。しかし、Ｎｉ含有量が１．０％を超えると焼入れ性が上昇してマルテンサイトが生成する結果、耐疲労損傷性が低下しがちとなる。そのため、Ｎｉを添加する場合にはＮｉ含有量を１．０％以下とすることが好ましい。なお、Ｎｉ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｎｉ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｎｉは、延性を劣化することなく降伏強度を向上させる効果を有する元素である。また、Ｃｕと複合添加することによりＣｕ割れを抑制することができるため、Ｃｕを添加する場合にはＮｉも添加することが望ましい。しかし、Ｎｉ含有量が１．０％を超えると焼入れ性が上昇してマルテンサイトが生成する結果、耐疲労損傷性が低下しがちとなる。そのため、Ｎｉを添加する場合にはＮｉ含有量を１．０％以下とすることが好ましい。なお、Ｎｉ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｎｉ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｎｂ：０．０５％以下
Ｎｂは、鋼中のＣやＮと結び付いて圧延中及び圧延後に炭化物、窒化物、炭窒化物として析出し、高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ｎｂを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、レールの長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ｎｂ含有量が０．０５％を超えると、降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｎｂを添加する場合にはＮｂ含有量を０．０５％以下とすることが好ましい。なお、Ｎｂ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｎｂ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｎｂは、鋼中のＣやＮと結び付いて圧延中及び圧延後に炭化物、窒化物、炭窒化物として析出し、高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ｎｂを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、レールの長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ｎｂ含有量が０．０５％を超えると、降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｎｂを添加する場合にはＮｂ含有量を０．０５％以下とすることが好ましい。なお、Ｎｂ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｎｂ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｍｏ：０．５％以下
Ｍｏは、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｍｏ含有量が０．５％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｍｏを添加する場合にはＭｏ含有量を０．５％以下とすることが好ましい。なお、Ｍｏ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｍｏ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｍｏは、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｍｏ含有量が０．５％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｍｏを添加する場合にはＭｏ含有量を０．５％以下とすることが好ましい。なお、Ｍｏ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｍｏ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｗ：０．５％以下
Ｗは、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｗ含有量が０．５％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｗを添加する場合にはＷ含有量を０．５％以下とすることが好ましい。なお、Ｗ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｗ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｗは、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｗ含有量が０．５％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｗを添加する場合にはＷ含有量を０．５％以下とすることが好ましい。なお、Ｗ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｗ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ａｌ：０．０７％以下
Ａｌは、鋼中のＮと結び付いて圧延中及び圧延後に窒化物として析出し、高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ａｌを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、レールの長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ａｌ含有量が０．０７％を超えると、鋼中に酸化物が多量に生成し、かえってレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ａｌを添加する場合にはＡｌ含有量を０．０７％以下とすることが好ましい。なお、Ａｌ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ａｌ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ａｌは、鋼中のＮと結び付いて圧延中及び圧延後に窒化物として析出し、高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ａｌを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、レールの長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ａｌ含有量が０．０７％を超えると、鋼中に酸化物が多量に生成し、かえってレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ａｌを添加する場合にはＡｌ含有量を０．０７％以下とすることが好ましい。なお、Ａｌ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ａｌ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｂ：０．００５％以下
Ｂは、圧延中および圧延後に窒化物として析出し、析出強化により高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ｂを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、レールの長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ｂ含有量が０．００５％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｂを添加する場合にはＢ含有量を０．００５％以下とすることが好ましい。なお、Ｂ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｂ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。
Ｂは、圧延中および圧延後に窒化物として析出し、析出強化により高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ｂを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、レールの長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ｂ含有量が０．００５％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｂを添加する場合にはＢ含有量を０．００５％以下とすることが好ましい。なお、Ｂ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｂ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。
Ｔｉ：０．０５％以下
Ｔｉは、圧延中及び圧延後に炭化物、窒化物、炭窒化物として析出し、析出強化により高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ｔｉを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、レールの長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ｔｉ含有量が０．０５％を超えると、粗大な炭化物、窒化物、または炭窒化物が生成する結果、かえってレールの耐疲労損傷性が低下する。そのため、Ｔｉを添加する場合にはＴｉ含有量を０．０５％以下とすることが好ましい。なお、Ｔｉ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｔｉ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｔｉは、圧延中及び圧延後に炭化物、窒化物、炭窒化物として析出し、析出強化により高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ｔｉを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、レールの長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ｔｉ含有量が０．０５％を超えると、粗大な炭化物、窒化物、または炭窒化物が生成する結果、かえってレールの耐疲労損傷性が低下する。そのため、Ｔｉを添加する場合にはＴｉ含有量を０．０５％以下とすることが好ましい。なお、Ｔｉ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｔｉ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
［車輪鋼の成分組成］
Ｃ：０．５７％以上、０．８５％未満
Ｃは、パーライト組織においてセメンタイトを形成し、降伏強度や耐疲労損傷性を確保する効果を有する元素である。Ｃ含有量が０．５７％未満であると、降伏強度が低下し、優れた耐疲労損傷性を得ることが難しい。一方、Ｃ含有量が０．８５％以上であると熱間圧延後の変態時に初析セメンタイトがオーステナイト粒界に生成し、耐疲労損傷性が著しく低下する。そのため、Ｃ含有量は０．５７％以上、０．８５％未満とする。
Ｃ：０．５７％以上、０．８５％未満
Ｃは、パーライト組織においてセメンタイトを形成し、降伏強度や耐疲労損傷性を確保する効果を有する元素である。Ｃ含有量が０．５７％未満であると、降伏強度が低下し、優れた耐疲労損傷性を得ることが難しい。一方、Ｃ含有量が０．８５％以上であると熱間圧延後の変態時に初析セメンタイトがオーステナイト粒界に生成し、耐疲労損傷性が著しく低下する。そのため、Ｃ含有量は０．５７％以上、０．８５％未満とする。
Ｓｉ：０．１０〜１．５０％
Ｓｉは、脱酸剤およびパーライト組織の強化元素として添加される元素である。Ｓｉの添加効果を得るためには、Ｓｉ含有量を０．１０％以上とする必要がある。一方、Ｓｉ含有量が１．５０％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｓｉ含有量は０．１０〜１．５０％とする。
Ｓｉは、脱酸剤およびパーライト組織の強化元素として添加される元素である。Ｓｉの添加効果を得るためには、Ｓｉ含有量を０．１０％以上とする必要がある。一方、Ｓｉ含有量が１．５０％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｓｉ含有量は０．１０〜１．５０％とする。
Ｍｎ：０．４０〜１．５０％
Ｍｎは、パーライト変態温度を低下させてラメラー間隔を細かくすることにより、車輪の高降伏強度化に寄与する元素であるが、Ｍｎ含有量が０．４０％未満では十分な効果を得ることができない。一方、Ｍｎ含有量が１．５０％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｍｎ含有量は０．４０〜１．５０％とする。
Ｍｎは、パーライト変態温度を低下させてラメラー間隔を細かくすることにより、車輪の高降伏強度化に寄与する元素であるが、Ｍｎ含有量が０．４０％未満では十分な効果を得ることができない。一方、Ｍｎ含有量が１．５０％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｍｎ含有量は０．４０〜１．５０％とする。
Ｃｒ：０．０５〜１．５０％
Ｃｒは、パーライト平衡変態温度を上昇させてラメラー間隔を微細化することや、固溶強化により、降伏強度を向上させる効果を有する元素であるが、Ｃｒ含有量が０．０５％未満であると十分な降伏強度が得られない。一方、Ｃｒ含有量が１．５０％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｃｒ量は０．０５〜１．５０％とする。
Ｃｒは、パーライト平衡変態温度を上昇させてラメラー間隔を微細化することや、固溶強化により、降伏強度を向上させる効果を有する元素であるが、Ｃｒ含有量が０．０５％未満であると十分な降伏強度が得られない。一方、Ｃｒ含有量が１．５０％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｃｒ量は０．０５〜１．５０％とする。
本発明における一実施形態における車輪鋼は、以上の成分と、残部のＦｅおよび不可避不純物とを有する成分組成を有する。前記不可避的不純物としては、例えば、ＰおよびＳが挙げられ、それぞれ
Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下までの含有は許容される。一方、Ｐ含有量およびＳ含有量の下限は特に限定されず０％であってよいが、工業的には０％超である。さらに、ＰおよびＳの含有量を過度に低下させると精錬コストの増加を招くため、Ｐ含有量およびＳ含有量は０．０００５％以上とすることが好ましい。なお、本発明の車輪鋼の成分組成は、以上の成分と残部のＦｅおよび不可避不純物とからなるか、あるいはさらに、これらに加えて後述する任意に含むことができる成分とからなることが好ましいが、本発明の作用効果に実質的に影響しない範囲内で、他の微量元素を含有するレール鋼も本発明に属する。
Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下までの含有は許容される。一方、Ｐ含有量およびＳ含有量の下限は特に限定されず０％であってよいが、工業的には０％超である。さらに、ＰおよびＳの含有量を過度に低下させると精錬コストの増加を招くため、Ｐ含有量およびＳ含有量は０．０００５％以上とすることが好ましい。なお、本発明の車輪鋼の成分組成は、以上の成分と残部のＦｅおよび不可避不純物とからなるか、あるいはさらに、これらに加えて後述する任意に含むことができる成分とからなることが好ましいが、本発明の作用効果に実質的に影響しない範囲内で、他の微量元素を含有するレール鋼も本発明に属する。
上記車輪鋼の成分組成は、質量％で、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｖ ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｍｏ：０．５％以下、
Ｗ ：０．５％以下、
Ａｌ：０．０７％以下、
Ｔｉ：０．０５％以下、および
Ｂ ：０．００５％以下からなる群より選択される１または２以上を、任意に、さらに含むことができる。
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｖ ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｍｏ：０．５％以下、
Ｗ ：０．５％以下、
Ａｌ：０．０７％以下、
Ｔｉ：０．０５％以下、および
Ｂ ：０．００５％以下からなる群より選択される１または２以上を、任意に、さらに含むことができる。
Ｖ：０．３０％以下
Ｖは、炭・窒化物を形成して基地中へ分散析出することにより降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｖ含有量が０．３０％を超えると、降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。また、Ｖは高価な元素であるため、車輪鋼のコストが増加する。そのため、Ｖを添加する場合にはＶ含有量を０．３０％以下とすることが好ましい。なお、Ｖ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｖ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｖは、炭・窒化物を形成して基地中へ分散析出することにより降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｖ含有量が０．３０％を超えると、降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。また、Ｖは高価な元素であるため、車輪鋼のコストが増加する。そのため、Ｖを添加する場合にはＶ含有量を０．３０％以下とすることが好ましい。なお、Ｖ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｖ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｃｕ：１．０％以下
Ｃｕは、Ｃｒと同様、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｃｕ含有量が１．０％を超えるとＣｕ割れが生じやすくなるため、Ｃｕを添加する場合にはＣｕ含有量を１．０％以下とすることが好ましい。なお、Ｃｕ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｃｕ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｃｕは、Ｃｒと同様、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｃｕ含有量が１．０％を超えるとＣｕ割れが生じやすくなるため、Ｃｕを添加する場合にはＣｕ含有量を１．０％以下とすることが好ましい。なお、Ｃｕ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｃｕ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｉは、延性を劣化することなく降伏強度を向上させる効果を有する元素である。また、Ｃｕと複合添加することによりＣｕ割れを抑制することができるため、Ｃｕを添加する場合にはＮｉも添加することが望ましい。しかし、Ｎｉ含有量が１．０％を超えると焼入れ性が上昇してマルテンサイトが生成する結果、耐疲労損傷性が低下しがちとなる。そのため、Ｎｉを添加する場合にはＮｉ含有量を１．０％以下とすることが好ましい。なお、Ｎｉ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｎｉ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｎｉは、延性を劣化することなく降伏強度を向上させる効果を有する元素である。また、Ｃｕと複合添加することによりＣｕ割れを抑制することができるため、Ｃｕを添加する場合にはＮｉも添加することが望ましい。しかし、Ｎｉ含有量が１．０％を超えると焼入れ性が上昇してマルテンサイトが生成する結果、耐疲労損傷性が低下しがちとなる。そのため、Ｎｉを添加する場合にはＮｉ含有量を１．０％以下とすることが好ましい。なお、Ｎｉ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｎｉ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｎｂ：０．０５％以下
Ｎｂは、鋼中のＣやＮと結び付いて圧延中及び圧延後に炭化物、窒化物、炭窒化物として析出し、高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ｎｂを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、車輪の長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ｎｂ含有量が０．０５％を超えると、降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｎｂを添加する場合にはＮｂ含有量を０．０５％以下とすることが好ましい。なお、Ｎｂ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｎｂ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｎｂは、鋼中のＣやＮと結び付いて圧延中及び圧延後に炭化物、窒化物、炭窒化物として析出し、高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ｎｂを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、車輪の長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ｎｂ含有量が０．０５％を超えると、降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｎｂを添加する場合にはＮｂ含有量を０．０５％以下とすることが好ましい。なお、Ｎｂ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｎｂ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｍｏ：０．５％以下
Ｍｏは、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｍｏ含有量が０．５％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｍｏを添加する場合にはＭｏ含有量を０．５％以下とすることが好ましい。なお、Ｍｏ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｍｏ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｍｏは、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｍｏ含有量が０．５％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｍｏを添加する場合にはＭｏ含有量を０．５％以下とすることが好ましい。なお、Ｍｏ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｍｏ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｗ：０．５％以下
Ｗは、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｗ含有量が０．５％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｗを添加する場合にはＷ含有量を０．５％以下とすることが好ましい。なお、Ｗ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｗ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｗは、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Ｗ含有量が０．５％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｗを添加する場合にはＷ含有量を０．５％以下とすることが好ましい。なお、Ｗ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｗ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ａｌ：０．０７％以下
Ａｌは、鋼中のＮと結び付いて圧延中及び圧延後に窒化物として析出し、高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ａｌを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、車輪の長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ａｌ含有量が０．０７％を超えると、鋼中に酸化物が多量に生成し、かえって車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ａｌを添加する場合にはＡｌ含有量を０．０７％以下とすることが好ましい。なお、Ａｌ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ａｌ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ａｌは、鋼中のＮと結び付いて圧延中及び圧延後に窒化物として析出し、高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ａｌを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、車輪の長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ａｌ含有量が０．０７％を超えると、鋼中に酸化物が多量に生成し、かえって車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ａｌを添加する場合にはＡｌ含有量を０．０７％以下とすることが好ましい。なお、Ａｌ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ａｌ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｂ：０．００５％以下
Ｂは、圧延中および圧延後に窒化物として析出し、析出強化により高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ｂを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、車輪の長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ｂ含有量が０．００５％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｂを添加する場合にはＢ含有量を０．００５％以下とすることが好ましい。なお、Ｂ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｂ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。
Ｂは、圧延中および圧延後に窒化物として析出し、析出強化により高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ｂを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、車輪の長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ｂ含有量が０．００５％を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Ｂを添加する場合にはＢ含有量を０．００５％以下とすることが好ましい。なお、Ｂ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｂ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。
Ｔｉ：０．０５％以下
Ｔｉは、圧延中及び圧延後に炭化物、窒化物、炭窒化物として析出し、析出強化により高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ｔｉを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、車輪の長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ｔｉ含有量が０．０５％を超えると、粗大な炭化物、窒化物、または炭窒化物が生成する結果、かえって車輪の耐疲労損傷性が低下する。そのため、Ｔｉを添加する場合にはＴｉ含有量を０．０５％以下とすることが好ましい。なお、Ｔｉ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｔｉ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
Ｔｉは、圧延中及び圧延後に炭化物、窒化物、炭窒化物として析出し、析出強化により高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Ｔｉを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、車輪の長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ｔｉ含有量が０．０５％を超えると、粗大な炭化物、窒化物、または炭窒化物が生成する結果、かえって車輪の耐疲労損傷性が低下する。そのため、Ｔｉを添加する場合にはＴｉ含有量を０．０５％以下とすることが好ましい。なお、Ｔｉ含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ｔｉ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
［降伏強度の比ＹＳＲ／ＹＳＷ］
本発明においては、上記成分組成を有するレール鋼と車輪鋼とを、それぞれレールおよび車輪として実軌道で使用する際に、前記レールの頭部における降伏強度ＹＳＲと、前記車輪のリム部における降伏強度ＹＳＷとの比ＹＳＲ／ＹＳＷが下記（１）式に示す範囲内となるように前記レール鋼および車輪鋼を選択する。
０．８５≦ＹＳＲ／ＹＳＷ≦１．９５ …（１）
ここで、レールの降伏強度ＹＳＲは、AREMA Chapter 4の2.1.3.4に記載の位置からＡＳＴＭ Ａ３７０に記載の、平行部が０．２５インチまたは０．５インチの引張試験片を採取し、引張試験を行って求める。車輪の降伏強度ＹＳＷは、AAR Specification M-107/M-208の3.1.1.に記載の位置から、レールの試験と同様の引張試験片を採集し、引張試験を行って求める。
本発明においては、上記成分組成を有するレール鋼と車輪鋼とを、それぞれレールおよび車輪として実軌道で使用する際に、前記レールの頭部における降伏強度ＹＳＲと、前記車輪のリム部における降伏強度ＹＳＷとの比ＹＳＲ／ＹＳＷが下記（１）式に示す範囲内となるように前記レール鋼および車輪鋼を選択する。
０．８５≦ＹＳＲ／ＹＳＷ≦１．９５ …（１）
ここで、レールの降伏強度ＹＳＲは、AREMA Chapter 4の2.1.3.4に記載の位置からＡＳＴＭ Ａ３７０に記載の、平行部が０．２５インチまたは０．５インチの引張試験片を採取し、引張試験を行って求める。車輪の降伏強度ＹＳＷは、AAR Specification M-107/M-208の3.1.1.に記載の位置から、レールの試験と同様の引張試験片を採集し、引張試験を行って求める。
レール鋼と車輪鋼の耐疲労損傷性は、それぞれの降伏強度に依存する。したがって、降伏強度を高めることにより、レールや車輪の疲労損傷を抑制できると考えられる。しかし、レール鋼の降伏強度と車輪鋼の降伏強度の比が適切な範囲になければ、疲労層の蓄積によりかえって耐疲労損傷性が低下する。ＹＳＲ／ＹＳＷ比が０．８５未満の場合、レール鋼の降伏強度が低くすぎるか、車輪鋼の降伏強度が高すぎるか、またはその両者である。レール鋼の降伏強度が低くいとレール鋼自体の耐疲労損傷性が低下し、レール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。また、車輪鋼の降伏強度が高いと、相手材であるレール鋼に疲労層が蓄積される結果、レール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。一方、ＹＳＲ／ＹＳＷの比が１．９５超の場合、車輪鋼の降伏強度が低くすぎるか、レール鋼の降伏強度が高くすぎるか、またはその両者である。車輪鋼の降伏強度が低いと、車輪鋼自体の耐疲労損傷性が低下し、車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。また、レール鋼の降伏強度が高いと、相手材である車輪鋼に疲労層が蓄積される結果、車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、ＹＳＲ／ＹＳＷ比を０．８５以上、１．９５以下とする。なお、ＹＳＲ／ＹＳＷ比は、０．８６以上とすることが好ましい。また、ＹＳＲ／ＹＳＷ比は、１．９０以下とすることが好ましい。
［レールの頭部における降伏強度ＹＳＲ］
レールの頭部における降伏強度ＹＳＲを高くすれば、レール自体の耐疲労損傷性をより高めることができるため、ＹＳＲを８３０ＭＰａ以上とする。一方、ＹＳＲの上限については特に限定されないが、ＹＳＲを高くしすぎると（１）式の条件を満たすことが困難となることから、１２００ＭＰａ以下とすることが好ましい。
レールの頭部における降伏強度ＹＳＲを高くすれば、レール自体の耐疲労損傷性をより高めることができるため、ＹＳＲを８３０ＭＰａ以上とする。一方、ＹＳＲの上限については特に限定されないが、ＹＳＲを高くしすぎると（１）式の条件を満たすことが困難となることから、１２００ＭＰａ以下とすることが好ましい。
レールの頭部における降伏強度ＹＳＲは、鋼素材を熱間圧延によりレール形状に成形し、その後冷却してレールを製造する際に、熱間圧延前の加熱温度や、圧延後の冷却における冷却速度を制御することにより調整できる。すなわち、降伏強度ＹＳＲは、加熱温度が高いほど、熱間圧延後の冷却速度が速い程、高くなるため、目標とするＹＳＲによって、加熱温度や冷却速度を調整すればよい。
［車輪のリム部における降伏強度ＹＳＷ］
車輪のリム部における降伏強度ＹＳＷを高くすれば、車輪自体の耐疲労損傷性をより高めることができるため、ＹＳＷを５８０ＭＰａ以上とする。一方、ＹＳＲの上限については特に限定されないが、ＹＳＷを高くしすぎると（１）式の条件を満たすことが困難となることから、１０００ＭＰａ以下とすることが好ましい。
車輪のリム部における降伏強度ＹＳＷを高くすれば、車輪自体の耐疲労損傷性をより高めることができるため、ＹＳＷを５８０ＭＰａ以上とする。一方、ＹＳＲの上限については特に限定されないが、ＹＳＷを高くしすぎると（１）式の条件を満たすことが困難となることから、１０００ＭＰａ以下とすることが好ましい。
車輪のリム部における降伏強度ＹＳＷは、熱間圧延や熱間鍛造といった熱間加工により車輪へと成形する際に、熱間加工前の加熱温度や、熱間加工後の冷却における冷却速度を制御することにより調整できる。すなわち、降伏強度ＹＳＷは、加熱温度が高いほど、熱間圧延後の冷却速度が速い程、高くなるため、目標とするＹＳＷによって、加熱温度や冷却速度を調整すればよい。
［レール鋼および車輪鋼の鋼組織］
レール鋼は、頭部における鋼組織がパーライト組織であることが好ましい。これは、パーライト組織が、焼戻しマルテンサイト組織やベイナイト組織に比べて優れた疲労損傷性を有するためである。
レール鋼は、頭部における鋼組織がパーライト組織であることが好ましい。これは、パーライト組織が、焼戻しマルテンサイト組織やベイナイト組織に比べて優れた疲労損傷性を有するためである。
また、車輪鋼は、車輪リム部における鋼組織がパーライト組織であることが好ましい。これは、パーライト組織が、上述したとおり焼戻しマルテンサイト組織やベイナイト組織に比べて優れた疲労損傷性を有するためである。
なお、レール鋼の頭部の鋼組織をパーライト組織とするには、鋼素材を１０００℃〜１３００℃に加熱後、熱間圧延を行う。次いで、冷却速度０．５℃〜３℃／ｓで４００℃までエアー冷却を行う。
また、車輪鋼のリム部の鋼組織をパーライト組織とするには、鋼素材を９００℃〜１１００℃に加熱後、熱間鍛造を行う。次いで、冷却速度０．５℃〜３℃／ｓで４００℃までエアー冷却を行う。
降伏強度の比ＹＳＲ／ＹＳＷが疲労損傷の発生におよぼす影響を評価した。なお、疲労損傷の評価は、実軌道でレールと車輪を使用して行うことが望ましいが、その方法では試験に極めて長い時間を要する。そのため、以下の実施例では、レール鋼と車輪鋼から作成した試験片を使用し、２円筒型試験機により実際のレールと車輪の接触条件をシミュレートした試験を行うことにより疲労損傷の発生を評価した。その際、レール鋼の試験片はレールの頭部を、車輪鋼の試験片は車輪のリム部を、それぞれ模擬した条件で製造した。具体的な製造条件と試験方法は以下の通りである。
（実施例１）
表１に示す成分組成を有する鋼１００ｋｇを真空溶解し、８０ｍｍ厚に熱間圧延した。得られた圧延材を１５０ｍｍ長さに切断した後、１０００〜１３００℃に加熱し、最終板厚が１２ｍｍとなるよう熱間圧延した。次いで、冷却速度０．５〜３℃／ｓで４００℃までエアー冷却し、その後、放冷してレール鋼を得た。この際、前記熱間圧延前の加熱温度や冷却速度を調整することによって、最終的に得られるレール鋼の降伏強度を制御した。
表１に示す成分組成を有する鋼１００ｋｇを真空溶解し、８０ｍｍ厚に熱間圧延した。得られた圧延材を１５０ｍｍ長さに切断した後、１０００〜１３００℃に加熱し、最終板厚が１２ｍｍとなるよう熱間圧延した。次いで、冷却速度０．５〜３℃／ｓで４００℃までエアー冷却し、その後、放冷してレール鋼を得た。この際、前記熱間圧延前の加熱温度や冷却速度を調整することによって、最終的に得られるレール鋼の降伏強度を制御した。
同様に、表２に示す成分組成を有する鋼１００ｋｇを真空溶解し、８０ｍｍ厚に熱間圧延した。得られた圧延材を１５０ｍｍ長さに切断した後、９００〜１１００℃に加熱し、最終板厚が１２ｍｍとなるよう熱間圧延した。次いで、冷却速度０．５〜３℃／ｓで４００℃までエアー冷却し、その後、放冷した。この際、前記熱間圧延前の加熱温度や冷却速度を調整することによって、最終的に得られる車輪鋼の降伏強度を制御した。
・降伏強度
得られた各レール鋼および車輪鋼の降伏強度を、ＡＳＴＭ Ａ３７０に準拠した引張試験により評価した。各レール鋼および車輪鋼から、ＡＳＴＭ Ａ３７０に定められた、平行部の直径が０．２５インチ（６．３５ｍｍ）である引張試験片を採取し、引張速度：１ｍｍ／分で引張試験を行い、応力−歪み曲線から求められた０．２％耐力を降伏強度とした。測定された値を表２に示す。
得られた各レール鋼および車輪鋼の降伏強度を、ＡＳＴＭ Ａ３７０に準拠した引張試験により評価した。各レール鋼および車輪鋼から、ＡＳＴＭ Ａ３７０に定められた、平行部の直径が０．２５インチ（６．３５ｍｍ）である引張試験片を採取し、引張速度：１ｍｍ／分で引張試験を行い、応力−歪み曲線から求められた０．２％耐力を降伏強度とした。測定された値を表２に示す。
・鋼組織
得られた各レール鋼および車輪鋼の表面を鏡面に研磨後、ナイタールで腐食し、倍率１００倍で組織観察を実施した。
得られた各レール鋼および車輪鋼の表面を鏡面に研磨後、ナイタールで腐食し、倍率１００倍で組織観察を実施した。
・疲労損傷
得られた各レール鋼および車輪鋼から、接触面を曲率半径１５ｍｍの曲面とした直径３０ｍｍの試験片を作製し、表３に示したレール鋼と車輪鋼の組み合わせにおける疲労損傷の発生を、２円筒型試験機を用いて評価した。接触圧力：２．２ＧＰａ、すべり率：−２０％、油潤滑条件で試験を実施し、剥離（疲労損傷）が発生した時点での回転数を表３に示した。前記回転数の値は、レールおよび車輪の疲労損傷寿命の指標と見なすことができる。なお、剥離が発生するまで試験を続けると長時間かかるため、本実施例では、１７２８０００回転未満でレール鋼に剥離が生じたもの、および２１６００００回転未満で車輪鋼に剥離が生じたものについては、そのレール鋼と車輪鋼の組み合わせでは十分な耐疲労損傷性が得られないと判断し、試験を中断した。この場合、剥離が生じなかった方の部材については、表２の回転数の欄を「−」とした。また、前記回転数が、レール鋼では１７２８０００回転以上、車輪鋼では２１６００００回転以上であれば、耐疲労損傷性が良好であると判断し、表３中では「剥離せず」と記載した。
得られた各レール鋼および車輪鋼から、接触面を曲率半径１５ｍｍの曲面とした直径３０ｍｍの試験片を作製し、表３に示したレール鋼と車輪鋼の組み合わせにおける疲労損傷の発生を、２円筒型試験機を用いて評価した。接触圧力：２．２ＧＰａ、すべり率：−２０％、油潤滑条件で試験を実施し、剥離（疲労損傷）が発生した時点での回転数を表３に示した。前記回転数の値は、レールおよび車輪の疲労損傷寿命の指標と見なすことができる。なお、剥離が発生するまで試験を続けると長時間かかるため、本実施例では、１７２８０００回転未満でレール鋼に剥離が生じたもの、および２１６００００回転未満で車輪鋼に剥離が生じたものについては、そのレール鋼と車輪鋼の組み合わせでは十分な耐疲労損傷性が得られないと判断し、試験を中断した。この場合、剥離が生じなかった方の部材については、表２の回転数の欄を「−」とした。また、前記回転数が、レール鋼では１７２８０００回転以上、車輪鋼では２１６００００回転以上であれば、耐疲労損傷性が良好であると判断し、表３中では「剥離せず」と記載した。
表３に示した結果より、成分組成と降伏強度比ＹＳＲ／ＹＳＷとが本願発明の条件を満たすようにレール鋼と車輪鋼とを選択することにより、レールと車輪の疲労損傷を効果的に抑制できることが分かる。一方、本願発明の条件を満たさない組み合わせにおいては、短時間で剥離が発生しており、疲労損傷が生じやすいことが分かる。
（実施例２）
表４に示す成分組成のレール鋼と、表５に示す成分組成の車輪鋼とを使用した以外は、実施例１と同様の条件で試験を行った。用いたレール鋼と車輪鋼の組み合わせと、評価結果とを表６に示す。この結果からもより、成分組成と降伏強度比ＹＳＲ／ＹＳＷとが本願発明の条件を満たすようにレール鋼と車輪鋼とを選択することにより、レールと車輪の疲労損傷を効果的に抑制できることが分かる。
表４に示す成分組成のレール鋼と、表５に示す成分組成の車輪鋼とを使用した以外は、実施例１と同様の条件で試験を行った。用いたレール鋼と車輪鋼の組み合わせと、評価結果とを表６に示す。この結果からもより、成分組成と降伏強度比ＹＳＲ／ＹＳＷとが本願発明の条件を満たすようにレール鋼と車輪鋼とを選択することにより、レールと車輪の疲労損傷を効果的に抑制できることが分かる。
（実施例３）
表７に示す成分組成のレール鋼と、表８に示す成分組成の車輪鋼とを使用した以外は、実施例１と同様の条件で試験を行った。加えて、最終的に得られたレール鋼のビッカース硬さＨＲと、最終的に得られた車輪鋼のビッカース硬さＨＷとを、ビッカース硬さ試験機で荷重９８Ｎにより測定し、レール鋼の硬さＨＲと車輪鋼の硬さＨＷとの比ＨＲ／ＨＷを求めた。用いたレール鋼と車輪鋼との組み合わせと、評価結果とを表９に示す。
表７に示す成分組成のレール鋼と、表８に示す成分組成の車輪鋼とを使用した以外は、実施例１と同様の条件で試験を行った。加えて、最終的に得られたレール鋼のビッカース硬さＨＲと、最終的に得られた車輪鋼のビッカース硬さＨＷとを、ビッカース硬さ試験機で荷重９８Ｎにより測定し、レール鋼の硬さＨＲと車輪鋼の硬さＨＷとの比ＨＲ／ＨＷを求めた。用いたレール鋼と車輪鋼との組み合わせと、評価結果とを表９に示す。
この結果からも、成分組成と降伏強度比ＹＳＲ／ＹＳＷとが本発明の条件を満たすようにレール鋼と車輪鋼とを選択することにより、レールと車輪の疲労損傷を効果的に抑制できることが分かる。また、特許文献２に記載されているように、レール鋼の硬さＨＲと車輪鋼の硬さＨＷとの比ＨＲ／ＨＷが１．００以上１．３０以下となるレール鋼と車輪鋼の組み合わせであっても、レール鋼の降伏強度が８３０ＭＰａ未満である場合、車輪鋼の降伏強度が５８０ＭＰａ未満である場合、および降伏強度比ＹＳＲ／ＹＳＷが本発明の範囲０．８５〜１．９５内にない場合には、レールと車輪の耐疲労損傷性が劣ることがわかる。また、車輪鋼の鋼組織がパーライトでない場合には、車輪の耐疲労損傷性が劣ることがわかる。
１ 車輪材
２ レール材
２ レール材
Claims (3)
- 質量％で、
Ｃ ：０．７０％以上、０．８５％未満、
Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、
Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、および
Ｃｒ：０．０５〜１．５０％を含有し、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するレール鋼と、
質量％で、
Ｃ ：０．５７％以上、０．８５％未満、
Ｓｉ：０．１０〜１．５０％、
Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、および
Ｃｒ：０．０５〜１．５０％を含有し、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する車輪鋼とを、
それぞれ頭部における鋼組織がパーライトであるレールおよびリム部における鋼組織がパーライトである車輪として実軌道で使用する際に、
前記レールの頭部における降伏強度ＹＳRが８３０ＭＰａ以上であり、
前記車輪のリム部における降伏強度ＹＳWが５８０ＭＰａ以上であり、かつ、
前記レールの頭部における降伏強度ＹＳRと、前記車輪のリム部における降伏強度ＹＳWとの比ＹＳR／ＹＳWが下記（１）式に示す範囲内となるように前記レール鋼および車輪鋼を選択する、レール鋼および車輪鋼の選択方法。
記
０．８５≦ＹＳR／ＹＳW≦１．９５ …（１） - 前記レール鋼の成分組成が、質量％で、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｖ ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｍｏ：０．５％以下、
Ｗ ：０．５％以下、
Ａｌ：０．０７％以下、
Ｔｉ：０．０５％以下、および
Ｂ ：０．００５％以下からなる群より選択される１または２以上をさらに含む、請求項１に記載のレール鋼および車輪鋼の選択方法。 - 前記車輪鋼の成分組成が、質量％で、
Ｃｕ：１．０％以下、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｖ ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、
Ｍｏ：０．５％以下、
Ｗ ：０．５％以下、
Ａｌ：０．０７％以下、
Ｔｉ：０．０５％以下、および
Ｂ ：０．００５％以下からなる群より選択される１または２以上をさらに含む、請求項１または２に記載のレール鋼および車輪鋼の選択方法。
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