JP6265267B2 - 熱処理レールの製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱間圧延された高温のレール、あるいは高温に加熱されたレールに対し、空気、水、ミスト等の冷却媒体を用いて強制冷却することにより、レールの頭部を微細なパーライト組織とする熱処理レールの製造方法および製造装置に関する。

鉄道用等に用いられるレールのうち、例えば石炭の天然資源採掘場等の厳しい環境下で用いられるレールは、高い耐摩耗性と高い靱性とが求められる。このようなレールは、レール頭部の組織が微細なパーライト組織からなることで、高い耐摩耗性、高い靱性および高い硬度を有する。頭部の組織が微細なパーライト組織となるレールは、一般的に以下の製造方法を用いて製造される。

まず、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール、あるいはオーステナイト域温度以上に加熱されたレールを、正立した状態で熱処理装置に搬入する。ここで、正立した状態とは、レールの頭部が上方、足裏部が下方になった状態をいう。レールを熱処理装置に搬入する際、例えば１００ｍ程度の圧延長のままレールを熱処理装置に搬入する場合や、レール１本当たりの長さが例えば２５ｍ程度の長さになるように切断（以下では、鋸断とも称する。）してから熱処理装置に搬入する場合がある。なお、レールを鋸断してから熱処理装置に搬入する場合、熱処理装置が鋸断されたレールに応じた長さのゾーンに分割されていることもある。

次いで、熱処理装置において、レールの足先部をクランプで拘束し、レールの頭頂部、頭側部、足裏部、さらに必要に応じて腹部を、冷却媒体を用いて強制冷却する。冷却媒体には、空気、水、ミスト等が用いられる。このようなレールの製造方法では、強制冷却時の冷却速度をコントロールすることにより、レールの内部を含めた頭部全体を微細なパーライト組織とすることができる。また、レールを強制冷却する際、レールの頭部の温度が３５０℃〜４５０℃程度となるまで冷却が行われる。

さらに、クランプでのレールの拘束を解除し、レールを冷却床まで搬送する。冷却床へ搬送されたレールは、室温程度になるまで冷却される。
レール頭部の組織としては、耐摩耗性の低いベイナイトや靱性の低いマルテンサイトでは、高い摩耗性と高い靱性とを同時に達成することが難しいため、頭部全体がパーライト組織を有する必要がある。また、パーライト組織のラメラー間隔が微細な組織である程、摩耗性及び靱性が共に向上するため、レール頭部の組織は、微細なラメラー間隔を有する必要もある。微細なラメラー間隔のパーライト組織とするためには、強制冷却時における冷却速度の設定が重要となる。

例えば、特許文献１には、質量％で、Ｃ：０．６５〜１．２％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜２．００％を含有していて残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるパーライト系レールを製造する方法において、圧延温度と頭部累積減面率を規定し、その後、レール頭部表面を冷却速度２〜３０℃／ｓｅｃで少なくとも５５０℃まで加速冷却又は自然放冷する方法が示されている。

また、特許文献２には、質量％で、Ｃ：０．６０〜１．２０％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜２．００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる熱間圧延後レールを、Ａ_３またはＡｃｍ線〜１０００℃の温度を有したレール頭部表面を、冷却速度２〜２０℃／ｓｅｃで４５０〜６８０℃まで急冷し、その後、Ａ_３またはＡ_ｃｍ線〜９５０℃の温度域まで昇温速度２〜５０℃／ｓｅｃで温度上昇させ、その後、当該温度範囲内で１．０〜９００ｓｅｃ間保持し、さらにその後、冷却速度５〜３０℃／ｓｅｃで４５０〜６５０℃まで加速冷却する方法が示されている。
さらに、特許文献３，４には、オーステナイト域から概ね６００℃程度のパーライト変態温度まで３０℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で冷却した後、パーライト変態がほぼ終了するまで表面温度を保定し、その後、常温域まで冷媒を用いてできるだけ速く冷却する方法が示されている。

特開２００８−０５０６８７号公報 特開２０１０−２５５０４６号公報 特許第５３９１７１１号公報 特許第３９５０２１２号公報

ところで、近年、パーライト系レールでは、頭部の硬度をより向上させるため、種々の合金元素が添加されるようになってきている。
しかし、特許文献１に開示された方法では、合金元素の添加量が増えた場合に、冷却速度範囲内のうち冷却速度が遅い領域において、十分な硬度向上効果を得ることができない。

また、特許文献２に開示された方法についても同様に、合金元素の添加量が増えた場合に、冷却速度範囲内のうち冷却速度が遅い領域において、十分な硬度向上効果を得ることができない。また、特許文献２に開示された方法では、冷却目標温度範囲のうち５５０℃以下の低温範囲において、表面の靱性が著しく低下するという問題があった。
さらに、特許文献３，４に開示された方法は、炭素量が０．８５質量％以上の過共析鋼を対象としたものであるが、共析鋼についても同様に表層硬度を向上させることができる。一方、近年、レールの内部硬度および延性の向上が重要となっているが、特許文献３，４に記載の方法では、共析鋼の内部硬度および延性を十分に向上させることができなかった。

そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、種々の合金元素が添加され、頭部表層の硬度および靱性に優れた熱処理レールの製造方法および製造装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る熱処理レールの製造方法は、熱間圧延された高温のレール、または加熱された高温のレールの少なくとも頭部を強制冷却する際に、レールの頭部の表面温度がオーステナイト域温度以上の状態から強制冷却を開始し、強制冷却を開始してから表面温度が５００℃以上７００℃以下となるまで、１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で強制冷却することを特徴とする。

また、本発明の一態様に掛かる熱処理レールの製造装置は、レールの少なくとも頭部を強制冷却する冷却手段と、冷却手段を制御する制御部とを有し、制御部は、レールの頭部の表面温度がオーステナイト域温度以上の状態から強制冷却を開始させ、強制冷却を開始してから表面温度が５００℃以上７００℃以下となるまで１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で強制冷却させることを特徴とする。

本発明に係る熱処理レールの製造方法によれば、種々の合金元素が添加され、頭部表層の硬度および靱性に優れた熱処理レールを製造することができる。また、共析鋼の成分組成のレールについても、頭部表面でなく頭部内部の硬度や延性が改善できる。

本発明の一実施形態における熱処理装置を示す模式図である。 レールの各部位を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜熱処理装置の構成＞
はじめに、図１および図２を参照して本発明の一実施形態に係る熱処理レールの製造装置である熱処理装置２について説明する。熱処理装置２は、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール、またはオーステナイト域温度以上に加熱されたレールを強制冷却する装置であり、熱間圧延ラインの下流側、またはレールを加熱する加熱装置の下流側に連続して設けられる。

熱処理装置２は、図１に示すように、上部ヘッダ３と、下部ヘッダ４と、頭部温度計５と、足部温度計６と、クランプ７ａ，７ｂと、制御部８とを有する。ここで、図１および図２に示すように、レール１は、頭部１ａと、足部１ｂと、腹部１ｃとからなり、頭部１ａが上方および足部１ｂが下方に配された状態で熱処理装置２に搬入される。頭部１ａは、上下方向の上端面である頭頂面１ｄと、左右方向の両端面でありそれぞれ対向する頭側面１ｅ，１ｆとを有する。また、足部１ｂは、上下方向の下端面である足裏面１ｇを有する。なお、上下方向とは、レール１の長手方向に垂直な断面視において、腹部１ｃが延在する方向である。また、左右方向とは、レール１の長手方向に垂直な断面視において、上下方向に垂直な方向であり、頭部１ａおよび足部１ｂが延在する方向である。

上部ヘッダ３は、一端面に設けられた不図示の複数のノズルからレールの頭部１ａに冷却媒体を吐出することで主に頭部１ａを冷却する冷却手段であり、不図示の配管を介して冷却媒体供給装置に接続される。冷却媒体には、空気、スプレー水、およびミスト等が用いられる。本発明の一実施形態における熱処理装置２は、図１に示すようにレール１の長手方向に垂直な断面視において、上部ヘッダ３として３個の上部ヘッダ３ａ，３ｂ，３ｃを有する。上部ヘッダ３ａは、ノズルが設けられた一端面が頭頂面１ｄに対向して設けられ、ノズルから冷却媒体を吐出することで頭頂面１ｄを冷却する。上部ヘッダ３ｂ，３ｃは、ノズルが設けられた一端面が頭側面１ｅ，１ｆにそれぞれ対向して設けられ、ノズルから冷却媒体を吐出することで、頭側面１ｅ，１ｆをそれぞれ冷却する。

下部ヘッダ４は、一端面に設けられた不図示の複数のノズルからレールの足裏面１ｇに冷却媒体を吐出することで主に足部１ｂを冷却する冷却手段であり、不図示の配管を介して冷却媒体供給装置に接続される。冷却媒体には、上部ヘッダ３と同様に空気、スプレー水、およびミスト等が用いられる。下部ヘッダ４は、ノズルが設けられた一端面が足裏面１ｇに対向して設けられる。

上部ヘッダ３および下部ヘッダ４は、冷却媒体の吐出量、吐出圧、温度、さらに、冷却媒体がミストである場合には水分量のうち、少なくともいずれか一つが変更可能に構成される。また、冷却媒体の吐出量、吐出圧、温度および水分量は、後述するように、制御部８によって調整される。また、上部ヘッダ３および下部ヘッダ４は、レール１の長手方向の長さに応じて、レール１の長手方向に並んでそれぞれ複数設けられる。

頭部温度計５は、非接触型の温度計であり、頭部１ａの表面温度として頭頂面１ｄの少なくとも一箇所の表面温度を測定する。
足部温度計６は、頭部温度計５と同様に非接触型の温度計であり、足部１ｂの表面温度として、足裏面１ｇの少なくとも一箇所の表面温度を測定する。
頭部温度計５および足部温度計６での測定結果は、制御部８へ送られる。

クランプ７ａ，７ｂは、レール１の長手方向に垂直な断面視において、足部１ｂの左右方向の端部をそれぞれ挟持することでレール１を固定する装置であり、レール１の長手方向に並んでそれぞれ複数設けられる。このため、クランプ７ａ，７ｂは、レール１が長手方向に曲がりを有する場合であっても、レール１を拘束することができる。例えば、クランプ７ａ，７ｂは、レール１の長手方向に並んで５ｍ程度の設置間隔でレール１の全長に渡って設けられる。

制御部８は、頭部温度計５および足部温度計６の測定結果に基づいて、後述する冷却媒体供給装置を制御することで冷却媒体の吐出量、吐出圧、温度および水分量のうち少なくともいずれか一つを変更することで、レール１の冷却速度および昇温速度を調整する。ここで、熱処理装置２は、制御部８と上部ヘッダ３および下部ヘッダ４との間に、不図示の配管と、冷却媒体供給装置とをそれぞれ有する。冷却媒体供給装置は、上部ヘッダ３および下部ヘッダ４にそれぞれ配管を介して接続され、制御部の指示に基づいて吐出する冷却媒体の吐出量、吐出圧、温度および水分量のうち少なくともいずれか一つを変更可能に構成される。

＜熱処理レールの製造方法＞
次に、本発明の一実施形態に係る熱処理レールの製造方法について説明する。本発明の一実施形態に係る熱処理レールの製造方法では、まず、熱間圧延されたレール１、または加熱されたレール１が熱処理装置２に搬送される。熱間圧延されたレール１を用いる際には、予め鋼素材が加熱炉等で所定の温度まで加熱された後に、熱間圧延されることでレール１の形状に圧延加工される。一方、加熱されたレール１を用いる際には、予め、加熱炉や加熱装置等を用いてレール１が所定の温度まで加熱される。なお、所定の温度は、上記いずれの場合においても、頭部１ａの表面温度が、後述する第１冷却工程における強制冷却の開始時において、オーステナイト域温度以上となる温度である。

レール１は、合金元素が添加された鋼であり、少なくとも合金成分としてＣｒを含有する。具体的に、レール１の成分組成は、質量％で、Ｃ：０．６０％以上１．０％以下、Ｓｉ：０．１％以上１．５％以下、Ｍｎ：０．０１％以上１．５％以下、Ｐ：０．００１％以上０．０３５％以下、Ｓ：０．０００５％以上０．０３０％以下、およびＣｒ：０．１％以上２．０％以下を含有し、さらに必要に応じてＣｕ：０．０１％以上１．０％以下、Ｎｉ：０．０１％以上０．５％以下、Ｍｏ：０．０１％以上０．５％以下、Ｖ：０．００１％以上０．０３０％以下、Ｎｂ：０．００１％以上０．０３０％以下、Ｔｉ：０．００１％以上０．０２０％以下、Ｍｇ：０．００５％以上０．１％以下、Ｚｒ：０．００５％以上０．１％、Ｃａ：０．０００５％以上０．０１０％以下、およびＲＥＭ：０．００５％以上０．１％以下のうち少なくとも１種以上をさらに含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。しかし、レールが、質量％で、Ｃ：０．６０％以上１．２０％以下、Ｓｉ：０．０５％以上２．００％以下、およびＭｎ：０．０５％以上２．００％以下をさらに含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるような成分組成の場合、後述する第１冷却工程〜第２冷却工程による頭部１ａの表層硬度の向上効果が小さくなる。このため、このような成分構成のレールにおいては、本実施形態に係る熱処理レールの製造方法の適用は好ましくない。なお、不可避的不純物とは、各種鉱石やスクラップなどの鋼の原材料に含まれるもの、鋼の製造工程において不可避的に混入するものである。

さらに、レール１の特に好ましい成分組成は、質量％で、Ｃ：０．７５％以上０．８５％以下、Ｓｉ：０．５％以上１％以下、Ｍｎ：０．５％以上１％以下、Ｃｒ：０．５％以上１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成、あるいはさらにＶ：０．００２％以上０．０１％以下を含有する組成である。
以下、この成分組成が好ましい理由を説明する。なお、以下の説明において、各元素の含有量［％］は、質量％を意味する。

Ｃ含有量が０．７５％未満となる場合、その効果が低下するため、Ｃ含有量は０．７５％以上であることが好ましい。一方、Ｃ含有量が０．８５％超となる場合、Ｃ含有量の増加にともないセメンタイト量が増加して、硬さや強度の上昇が期待できるが、逆に延性が低下する。また、Ｃ含有量の増加は、鋼組織がγ＋θとなる温度範囲を拡大させ、これは溶接熱影響部の軟化を助長することに繋がる。このため、Ｃ含有量は０．８５％以下であることが好ましい。

Ｓｉは、レール材精錬における脱酸、および、パーライト組織の強化に有用であるが、Ｓｉ含有量が０．５％未満となる場合、その効果が薄れるため、Ｓｉ含有量は０．５％以上であることが好ましい。一方、Ｓｉ含有量が１％超となる場合、レール１の脱炭を促進させることや、レール１の表面疵の生成を促進させることから、Ｓｉ含有量は１％以下であることが好ましい。
Ｍｎは、鋼のパーライト変態温度を低下させ、パーライトラメラー間隔を緻密にする作用を有するため、Ｍｎを添加することによりレール内部まで高硬度を維持し易くなる。Ｍｎ含有量が０．５％未満となる場合、その効果が低減するため、Ｍｎ含有量は０．５％以上であることが好ましい。一方、Ｍｎ含有量が１％超となる場合、パーライトの平衡変態温度（ＴＥ）を低下させるとともにマルテンサイト変態が生じ易くなるため、Ｍｎ含有量は１％以下であることが好ましい。

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する元素であり、Ｃｒを添加することで硬さや強度を上昇させる効果がある。また、Ｃｒは、Ｓｂと併用して添加することで、脱炭層の生成抑制にも有効である。Ｃｒ含有量が０．５％未満となる場合、その効果が低減するため、Ｃｒ含有量は０．５％以上であることが好ましい。一方、Ｃｒ含有量が１％超となる場合、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、Ｃｒ含有量は１％以下であることが好ましい。

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鋼の高強度化に寄与する元素である。また、水素のトラップサイトとしても機能し、レール１の遅れ破壊を抑制する作用を有するため含有させることができる。この作用を発現させるには、０．００２％以上のＶを含有させることが好ましい。一方、Ｖ含有量が０．０１％超となると、それらの効果が飽和するのに対して、合金コストの上昇が甚だしいため、Ｖを含有させる場合には、Ｖ含有量は０．０１％以下であることが好ましい。

レール１を熱処理装置２に搬送した後、レール１の足部１ｂがクランプ７ａ，７ｂに挟持されることで熱処理装置２に固定される。
次いで、上部ヘッダ３から冷却媒体が吐出されることで、強制冷却が開始される（第１冷却工程）。強制冷却の開始時点におけるレール１の頭部１ａの表面温度は、オーステナイト域温度以上である必要があり、８００℃以上となることが好ましい。強制冷却開始時点の温度がオーステナイト域温度以上、特に８００℃以上となることで、頭部１ａの表層硬度を高くすることができる。すなわち、強制冷却開始時点の表面温度を８００℃以上とすることで、軟質なフェライト相の析出を抑え、硬度をより高く保つことができる。また、第１冷却工程では、強制冷却を開始してから頭部１ａの表面温度が５００℃以上７００℃以下となるまで、１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度でレール１が冷却される。ここで、第１冷却工程において、頭部１ａの表面温度が５００℃未満となるまで冷却してしまうと、ベイナイトやマルテンサイトといったパーライト以外の組織が生じるため、頭部１ａの硬度や靱性が低下してしまう。

第１冷却工程において、制御部８は、頭部温度計５の測定結果から、頭部１ａの冷却速度を算出し、冷却速度が１０℃／ｓｅｃ以上となるように、冷却媒体の吐出量、吐出圧、温度および水分量のうち少なくともいずれか一つを段階的または継続的に変更する。第１冷却工程では、冷却速度を１０℃／ｓｅｃ以上とすることでパーライト組織のラメラー間隔が微細になることから、頭部１ａの表層硬度を向上させることができる。また、このときの冷却速度は、設備能力が十分であれば２０℃／ｓｅｃ以上とすることが好ましく、さらに３０℃／ｓｅｃ以上とすることがより好ましい。冷却速度が大きいほど、ラメラー間隔がより微細になるため、表層硬度が向上する。さらに、１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度を得るための好適な冷却媒体として、スプレー水またはミストを用いることが好ましい。なお、第１冷却工程において、不可避的に冷却速度が１０℃／ｓｅｃを下回ることがあっても、第１冷却工程を通して平均の冷却速度が１０℃／ｓｅｃ以上となっていれば差し支えはない。

第１冷却工程の後、レール１は、頭部１ａの表面温度が均熱になるように均熱処理される（均熱工程）。均熱工程の際、制御部８は、−５℃／ｓｅｃ以上５℃／ｓｅｃ以下となるように冷却速度を調整する。冷却速度の調整方法は、第１冷却工程と同様である。冷却速度におけるマイナスは、パーライト変態に伴う発熱量が、冷却媒体による冷却能よりも高いために昇熱している状態である。均熱工程では、冷却速度が上記範囲内となる緩冷や昇熱を含む均熱処理が行われることで、頭部１ａの表面においてパーライト変態が進行する。さらに、上記の冷却速度の範囲の中でも、冷却速度を−２℃／ｓｅｃ以上２℃／ｓｅｃとすることが好ましい。

均熱工程では、冷却速度を上記範囲とすることにより、頭部１ａの表層組織を高硬度のパーライト組織にすることができる。なお、第１冷却工程から均熱工程に移行する際、不可避的に冷却速度が徐々に低下する状態が発生してもよい。但し、均熱中に表面温度が５００℃を下回らないようにすることが好ましい。
また、均熱工程は、レール１の頭部１ａのパーライト変態が終了するまで行われることが好ましい。ここで、パーライト変態の終了は、急激な温度低下として顕在化する。このため、この急激な温度低下を頭部温度計５の測定結果から検出することにより、パーライト変態の終了を検出することができる。

均熱工程の後、レール１は、頭部１ａが２０℃以上４５０℃以下となるまで強制冷却される（第２冷却工程）。この第２冷却工程における強制冷却後の頭部１ａの表面温度である冷却停止温度は、５０℃以上とすることが望ましく、さらに望ましくは３００℃以上である。第２冷却工程の際、制御部８は、１℃／ｓｅｃ以上１５℃／ｓｅｃ以下となるように冷却速度を調整する。冷却速度の調整方法は、第１冷却工程と同様である。第２冷却工程では、冷却速度を１℃／ｓｅｃ以上１５℃／ｓｅｃ以下、冷却停止温度を４５０℃以下とすることで、レール１の延性を向上させることができる。また、第２冷却工程における冷却停止温度を２０℃以上、望ましくは５０℃以上、さらに望ましくは３００℃以上とすることで、冷却後の割れを防止できると同時に、熱処理時間を短くすることができる。さらに、第２冷却工程では、頭部１ａの表面温度の変化量が大きい程、つまり冷却停止時の温度が低い程、復熱を防止することができる。

第２冷却工程の後、クランプ７ａ，７ｂの固定が解除され、レール１が熱処理装置２から搬出される。そして、搬出されたレール１の温度が常温よりも高い場合には、必要に応じて冷却床などの設備にて、常温程度となるまで放冷によってレール１が常温となるまで冷却される。
以上の工程を経ることで、表面硬度および靱性に優れ、種々の２合金元素が添加されたパーライト系の熱処理レールを製造することができる。

なお、本発明の一実施形態に係る熱処理レールの製造方法では、レール１の足部１ｂは、下部ヘッダ４から吐出される冷却媒体によって冷却される。足部１ｂは、第１冷却工程〜第２冷却工程が行われる間に冷却される。この際、最終的に第２冷却工程が終わる際に頭部１ａと同程度の温度なっていればよく、足部１ｂの冷却パターンには、通常用いられる冷却パターンが適用されてもよい。また、頭部１ａと同様な温度履歴となるように冷却が行われてもよい。なお、足裏面１ｇの冷却速度を調整する際には、第１冷却工程〜第２冷却工程と同様に、足部温度計６の測定結果が用いられる。また、レール１の腹部１ｃは、頭部１ａおよび足部１ｂが冷却されることによって間接的に冷却される。

＜変形例＞
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、冷却速度を調整する際に、制御部８は頭部温度計５の測定結果を用いて、冷却媒体の吐出量、吐出圧、温度および水分量のうち少なくともいずれか一つを変更するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、制御部８は、冷却実績による学習によって、予め第１冷却工程〜第２冷却工程の工程毎に上部ヘッダ３から吐出される冷却媒体の吐出量、吐出圧、温度および水分量のうち少なくともいずれか一つを段階的に、または断続的に変更するプログラムを用いて冷却速度を調整してもよい。

また、上記実施形態では均熱工程の際に、パーライト変態の終了を、頭部温度計５を用いて検出するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、予め予備冷却を行うことにより、冷却開始から変態完了までの時間を決定し、決定した時間に応じて均熱工程を終了してもよい。また、伝熱シミュレーション等により予測したパーライト変態終了までの時間に応じて、均熱工程を終了してもよい。

さらに、頭部温度計５および足部温度計６は、それぞれ複数設けられてもよい。この場合、複数の頭部温度計５および足部温度計６は、頭頂面および足裏面のそれぞれ異なる箇所を測定し、測定結果の平均値等を頭頂面および足裏面の表面温度として算出してもよい。

さらに、熱処理装置２は、上部ヘッダ３および下部ヘッダ４、またはクランプ７ａ，７ｂのうち少なくとも一方に、レール１の長手方向にオシレーションするオシレーション機構を有してもよい。オシレーション機構は、第１冷却工程〜第２冷却工程のうち、少なくとも一つの工程において、上部ヘッダ３および下部ヘッダ４、またはクランプ７ａ，７ｂのうち少なくとも一方をオシレーションさせる。これにより、レール１に対する冷却媒体の吐出領域が相対的に移動することで、レール１をより均一に冷却することができる。

さらに、熱処理装置２は、レール１を冷却する手段として、上部ヘッダ３および下部ヘッダ４を有するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、熱処理装置２は、必要に応じてさらに腹部１ｃを冷却するための中部ヘッダをさらに有してもよい。中部ヘッダは、上部ヘッダ３および下部ヘッダ４と同様な構成をしており、中部ヘッダのノズルから吐出される冷却媒体が腹部１ｃに当たるように構成される。

さらに、上記実施形態では、第２冷却工程にて、２０℃以上４５０℃以下となるまで強制冷却するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。第２冷却工程では、強制冷却ではなく放冷によって、レール１を冷却してもよい。なお、第２冷却工程において強制冷却を行うことにより、放冷によってレール１を冷却する場合に比べ、内部硬度が上昇するという利点がある。

＜本発明の実施形態の効果＞
本発明の実施形態の効果について以下に説明する。
（１）本発明の実施形態に係る熱処理レールの製造方法は、熱間圧延された高温のレール１、または加熱された高温のレール１の少なくとも頭部を強制冷却する際に、レール１の頭部１ａの表面温度がオーステナイト域温度以上の状態から強制冷却を開始し、強制冷却を開始してから頭部１ａの表面温度が５００℃以上７００℃以下となるまで、１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で強制冷却する（第１冷却工程）。
上記の構成によれば、オーステナイト域温度以上の状態からパーライト変態が生じる温度域まで急激に冷却することで、パーライト組織のラメラー間隔が微細化する。このため、種々の合金元素が添加された場合においても、頭部１ａの表層が硬度および靱性に優れた熱処理レールを製造することができる。また、上記の構成によれば、特許文献２に記載の方法のように、冷却と加熱を繰り返すような冷却パターンに比べ、生産性の向上効果や、エネルギー原単位の削減効果を得ることができる。

（２）強制冷却を開始する時の頭部１ａの表面温度を８００℃以上とする。
上記の構成によれば、硬度や靱性に優れた熱処理レールを製造することができる。
（３）強制冷却を開始してから頭部１ａの表面温度が５００℃以上７００℃以下となるまで、１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で強制冷却した後、パーライト変態が終了するまで−５℃／ｓｅｃ以上５℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で頭部１ａを冷却する（均熱工程）。
上記の構成によれば、頭部１ａ全体の表層組織をパーライト組織にすることができる。このため、種々の合金元素が添加された場合においても、頭部１ａの表層が硬度および靱性に優れた熱処理レールを製造することができる。

（４）パーライト変態が終了するまで−５℃／ｓｅｃ以上５℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で強制冷却した後、表面温度が４５０℃以下となるまで１５℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で強制冷却する。
上記の構成によれば、レールの延性を向上させることができる。
（５）レール１は、質量％で、Ｃ：０．７５％以上０．８５％以下、Ｓｉ：０．５％以上１％以下、Ｍｎ：０．５％以上１％以下、Ｃｒ：０．５％以上１％以下、Ｖ：０％以上０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成の鋼からなる。
上記構成によれば、（１）〜（３）の熱処理条件の下、硬度、延性、溶接性などに優れたパーライトレールを得ることができる。
（６）レール１は、Ｖ：０．００２％以上０．０１％以下を含有する鋼からなる。
上記構成によれば、さらに水素の残留に起因した遅れ破壊を防止することができる。

（７）本発明の実施形態に係る熱処理レールの製造装置は、レール１の少なくとも頭部１ａを強制冷却する冷却手段３と、冷却手段３を制御する制御部８とを有し、制御部８は、レール１の頭部１ａの表面温度がオーステナイト域温度以上の状態から強制冷却を開始させ、強制冷却を開始してから表面温度が５００℃以上７００℃以下となるまで１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で強制冷却させる。
上記の構成によれば、（１）と同様な効果を得ることができる。

次に、本発明者らが行った実施例について説明する。
実施例では、上記実施形態と同様に、９００℃で熱間圧延した長尺のレール１を、熱処理装置２を用いて強制冷却し、その後、表面組織および硬度を調査した。レール１には、Ｃ：０．７５％以上０．８５％以下、Ｓｉ：０．５％以上１％以下、Ｍｎ：０．５％以上１％以下、Ｃｒ：０．５％以上１％以下、およびＶ：０．００２％以上０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を用いた。なお、上記の成分範囲は、後述する複数の実施例および比較例における成分のばらつきを示す。

まず、９００℃で熱間圧延した長尺のレール１を、熱処理装置２に搬送し、クランプ７ａ，７ｂでレール１の足部１ｂを固定した。
次いで、第１冷却工程〜第２冷却工程を行い、レール１を強制冷却した。冷却媒体には、冷却速度の絶対値が１０℃／ｓｅｃ未満の範囲については空気を用い、冷却速度の絶対値が１０℃／ｓｅｃ以上の範囲についてはミストを用いた。また、頭部温度計５の測定結果から、冷却媒体が空気の場合には噴射圧力、また冷却媒体がミストの場合は投入水分量（気水比）を目標温度履歴となるように調整することで、冷却速度を調整した。さらに、均熱工程の終了のタイミングは、頭部温度計５の測定結果から冷却速度が急速に大きくなるタイミングとした。

さらに、レール１を熱処理装置２から取り出し、常温になるまでさらに自然放冷することで熱処理レールを製造した。その後、頭部１ａ全体の表層組織をＳＥＭで観察し、表面ブリネル硬さ試験によって頭部１ａの表層の硬度を測定した。
また、比較例として、強制冷却開始時の表面温度、第１冷却工程における冷却速度、第１冷却工程終了時の表面温度および均熱工程における冷却速度のうちいずれかが、上記実施形態の範囲から外れた条件についても同様に実施し、得られた熱処理レールについて表面組織および硬度を調査した。

表１に実施例１〜４、比較例１〜５についての、製造条件、表層組織の観察結果、および表層硬度の測定結果をそれぞれ示す。実施例１〜４では、強制冷却開始時の頭部１ａの表面温度が７３０℃以上とオーステナイト域温度以上、第１冷却工程における冷却速度が１０℃／ｓｅｃ以上、第１冷却工程終了時の頭部１ａの目標表面温度である目標均熱温度が５００℃以上、および均熱工程における冷却速度範囲が−５℃／ｓｅｃ以上５℃／以下の条件で製造を行った。なお、実施例１〜４および比較例１〜５において、第１冷却工程終了時、つまり均熱工程開始時の頭部１ａの表面温度は、目標均熱温度と同じ温度となった。

一方、比較例１では、第１冷却工程を開始する際の頭部１ａの表面温度が７００℃とオーステナイト域温度以下であり、上記実施形態よりも強制冷却開始時の表面温度が低い条件で熱処理レールを製造した。比較例２では、第１冷却工程を終了する際の頭部１ａの目標表面温度が７２０℃と、上記実施形態よりも第１冷却工程終了時の表面温度が高い条件で熱処理レールを製造した。比較例３では、第１冷却工程を終了する際の頭部１ａの目標表面温度が４５０℃と、上記実施形態よりも第１冷却工程終了時の表面温度が低い条件で熱処理レールを製造した。比較例４では、第１冷却工程における冷却速度が５℃／ｓｅｃと、上記実施形態よりも冷却速度が低い条件で熱処理レールを製造した。比較例５では、均熱工程における冷却速度が−８℃／ｓｅｃ以上８℃／ｓｅｃ以下と、実施例１〜４の範囲を外れた広い範囲の条件で熱処理レールを製造した。なお、比較例１〜５における上記以外の製造条件は、実施例と同様の範囲とした。

表層組織の観察結果、実施例１〜４の熱処理レールでは、頭部１ａ全体の表層組織が、マルテンサイト組織に比べ靱性に優れた１００％パーライト組織となることを確認した。また、表層硬度の測定結果、実施例１〜４の熱処理レールでは、目標とするＨＢ３８０以上の硬度が得られたことを確認した。一方、比較例１，２，４，５の熱処理レールでは、表層組織はパーライト組織となったものの、表層硬度がいずれもＨＢ３８０未満となり、目標とする硬度が得られないことを確認した。また、比較例３の熱処理レールでは、表層組織はベイナイト組織となり目的とするパーライト組織が得られず、硬度もＨＢ３８０未満となった。

以上の結果から、本発明に係る熱処理レールの製造方法によれば、表面硬度および靱性に優れ、種々の合金元素が添加されたパーライト系の熱処理レールを製造することができることが確認できた。

さらに、本発明者らは、第２冷却工程における冷却速度および冷却停止温度がレール１の頭部１ａの内部硬度およびレール１の延性に及ぼす影響を調査した。この調査では、強制冷却開始温度、目標均熱温度および第１冷却工程における平均冷却速度を、表１中の実施例２と同一の条件とし、第２冷却工程後の表面温度(冷却停止温度)、平均冷却速度を表２に示す条件とした。また、得られたレール１について、頭頂対角中心位置における硬度（内部硬度）測定、および、頭頂対角中心位置から引張方向がレール長手方向となるように採取した丸棒引張試験片により、伸び（全伸びＥｌ）の調査を行った。表２に、内部硬度と伸びの調査結果を併せて示す。

実施例２，５〜１１のいずれにおいても、表層硬度は高い値を示している。そして、第２冷却工程の冷却停止温度が５０℃以上４５０℃以下で、かつ、第２冷却工程のおける平均冷却速度が１５℃／ｓｅｃ以下である実施例２および実施例５〜８および１２は、ＨＢ３１０以上の内部硬度、および、１３％以上の伸びを満足した。一方、第２冷却工程の平均冷却速度が１５℃／ｓｅｃを超える実施例９、および、第２冷却工程の冷却停止温度を４５０℃超とした実施例１１では、伸びがそれぞれ８％，９％であった。これらの結果から、レール１の延性の観点からは、実施例２，５〜８の条件が優れていることが確認できた。また、第２冷却工程の冷却停止温度を５０℃未満とした実施例１０では、冷却直後には問題がなかったものの、保管中の実験サンプルに水素の残留に起因すると推定される割れが生じたものがあった。
以上の結果から、第２冷却工程の冷却速度を１５℃／ｓｅｃ以下、冷却停止温度を２０℃以上、望ましくは５０℃以上、さらに望ましくは３００℃以上で、かつ、４５０℃以下の範囲とすることで、レール１の延性が確保できることが確認できた。

１ ：レール
１ａ ：頭部
１ｂ ：腹部
１ｃ ：足部
１ｄ ：頭頂面
１ｅ，１ｆ ：頭側面
１ｇ ：足裏面
２ ：熱処理装置
３，３ａ，３ｂ，３ｃ ：上部ヘッダ
４ ：下部ヘッダ
５ ：頭部温度計
６ ：足部温度計
７ａ，７ｂ ：クランプ
８ ：制御部

Claims (5)

1. 熱間圧延された高温のレール、または加熱された高温のレールの少なくとも頭部を強制冷却する際に、
   前記レールの頭部の表面温度がオーステナイト域温度以上の状態から強制冷却を開始し、
   前記強制冷却を開始してから前記表面温度が５００℃以上７００℃以下となるまで、１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で強制冷却した後、パーライト変態が終了するまで−５℃／ｓｅｃ以上５℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で前記頭部を冷却し、
   前記レールは、質量％で、Ｃ：０．７５％以上０．８５％以下、Ｓｉ：０．５％以上１％以下、Ｍｎ：０．５％以上１％以下、Ｃｒ：０．５％以上１％以下、Ｖ：０％以上０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成の鋼からなることを特徴とする熱処理レールの製造方法。
2. 前記強制冷却を開始する時の前記表面温度を８００℃以上とすることを特徴とする請求項１に記載の熱処理レールの製造方法。
3. 前記パーライト変態が終了するまで−５℃／ｓｅｃ以上５℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で強制冷却した後、前記表面温度が５０℃以上４５０℃以下となるまで１℃／ｓｅｃ以上１５℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で強制冷却することを特徴とする請求項１または２に記載の熱処理レールの製造方法。
4. 前記レールは、Ｖ：０．００２％以上０．０１％以下を含有する前記鋼からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱処理レールの製造方法。
5. レールの少なくとも頭部を強制冷却する冷却手段と、前記冷却手段を制御する制御部とを有し、
   前記制御部は、前記レールの頭部の表面温度がオーステナイト域温度以上の状態から強制冷却を開始させ、前記強制冷却を開始してから前記表面温度が５００℃以上７００℃以下となるまで１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で強制冷却させた後、パーライト変態が終了するまで−５℃／ｓｅｃ以上５℃／ｓｅｃ以下の冷却速度で前記頭部を冷却させ、
   前記レールは、質量％で、Ｃ：０．７５％以上０．８５％以下、Ｓｉ：０．５％以上１％以下、Ｍｎ：０．５％以上１％以下、Ｃｒ：０．５％以上１％以下、Ｖ：０％以上０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成の鋼からなることを特徴とする熱処理レールの製造装置。

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