JP6610844B1 - レール - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、レール敷設後の初期使用段階で車輪とのなじみを良くする必要が生じる。この初期使用段階は、図1に示すように、レール1の頭部表面から少なくとも0.5mm深さまでの表層部2が対象となる。なお、0.5mmの深さとは、レールの頭部表面から法線方向へ0.5mmで隔たる位置である。この表層部の組織がパーライト組織のみであると、レールの摩耗が少なくなり、却って疲労が蓄積し、亀裂(例えば、きしみ割れ)が発生する。亀裂発生後も継続して使用すると、亀裂が進展して連結し、最後には剥離に至るため、パーライト組織以外の別の手法で抑制する必要がある。
1.レールの頭部の表面から少なくとも0.5mmの深さまでの表層部にパーライト組織とパーライト組織以外の組織とからなる金属組織を有し、
前記パーライト組織はビッカース硬さが420HV以上520HV以下および、前記パーライト組織以外の組織はビッカース硬さが350HV以上420HV以下であるレール。
C:0.60〜1.20%、
Si:0.10〜1.50%、
Mn:0.10〜1.50%、
P:0.025%以下、
S:0.010%以下および
Cr:0.10〜1.50%
を含み、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成からなる前記1に記載のレール。
V :0.30%以下、
Cu:1.0%以下、
Ni:1.0%以下、
Nb:0.05%以下、
Mo:0.5%以下、
Al:0.07%以下、
W :1.0%以下、
Sb:0.1%以下、
Sn:0.1%以下、
B :0.005%以下および
Ti:0.05%以下
の群より選択される1種以上を含有する前記2に記載のレール。
さて、レール敷設直後の初期使用段階にてレールの車輪とのなじみを良くして亀裂の発生を回避するには、上記した表層部である、少なくとも0.5mmの深さまでの範囲は車輪とのなじみを良くする必要がある。
次に、本発明のレールに好ましい成分組成について、成分毎に含有量の限定理由を説明する。なお、各成分の含有量の「%」表示は、特に断らない限り「質量%」を意味する。
C:0.60%以上1.00%以下
Cは、パーライト組織においてセメンタイトを形成し、硬さを向上させる効果を有する元素である。したがって、レールの耐摩耗性や耐疲労損傷性を確保するためにCの添加は必要であり、C含有量の増加に伴い硬さが向上する。すなわち、C含有量が0.60%未満であると硬さが低下するため、レールの耐摩耗性が低下しやすくなる。よって、C含有量は、0.60%以上とすることが好ましく、0.62%以上であることがより好ましい。一方、C含有量が1.00%を超えると、レールの硬さが増加するため耐摩耗性が向上し、却って疲労が蓄積し、レールの耐疲労損傷性が低下する。したがって、C含有量は1.00%以下とすることが好ましく、0.95%以下であることがより好ましい。
Siは、脱酸剤としての効果を有する元素である。また、Siは、パーライト中のフェライトへの固溶強化により、レールの硬さを向上させる効果を有している。そのためには、Si含有量を0.10%以上とすることが好ましく、0.15%以上であることがより好ましい。一方、Si含有量が1.5%を超えると、Siが有する酸素との高い結合力により、酸化物系介在物が多量に生成するため、耐疲労損傷性が低下する。したがって、Si含有量は1.50%とすることが好ましい。
Mnは、変態温度を低下させてラメラー間隔を小さくすることにより、レールの硬さを向上させる元素である。しかし、Mn含有量が0.10%未満では十分な効果が得られない。よって、Mn含有量は0.10%以上であることが好ましく、0.15%以上であることがより好ましい。一方、Mn含有量が1.50%を超えると、鋼のミクロ偏析によりマルテンサイト組織を生じ易くなり、その結果、耐疲労損傷性が低下する。したがって、Mn含有量は1.50%以下とすることが好ましい。
P含有量が0.025%を超えると、レールの延性が低下する。そのため、P含有量は0.025%以下とすることが好ましい。一方、P含有量の下限は特に限定されず0%であってもよいが、工業的には0%超となるのが通例である。なお、P含有量を過度に低下させることは、精錬コストの増加を招くため、経済性の観点からは、P含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
Sは、主にA系(硫化物系)介在物の形態で鋼中に存在する。S含有量が0.010%を超えると、前記介在物の量が著しく増加するとともに、粗大な介在物が生成するため、耐疲労損傷性が低下する。よって、Sは0.010%以下とすることが好ましく、0.009%以下であることがより好ましい。一方、S含有量の下限は特に限定されず0%であってもよいが、工業的には0%超となるのが通例である。なお、S含有量を0.0005%未満とするには、精錬コストの増加を招くため、経済性の観点からは、S含有量を0.0005%以上とすることが好ましい。
Crは、パーライト中のセメンタイトへの固溶強化により、レールの硬さを向上させる効果を有する元素である。この効果を得るために、Cr含有量を0.10%以上とすることが好ましく、0.15%以上とすることがより好ましい。一方、Cr含有量が1.50%を超えると、Crの固溶強化によりマルテンサイト組織が生成するため、却って耐疲労損傷性が低下する。したがって、Cr含有量は1.50%以下とすることが好ましい。
V :0.30%以下、
Cu:1.0%以下、
Ni:1.0%以下、
Nb:0.05%以下、
Mo:0.5%以下、
Al:0.07%以下、
W :1.0%以下、
Sb:0.1%以下、
Sn:0.1%以下、
B :0.005%以下および
Ti:0.05%以下
からなる群より選択される1種以上を、必要に応じてさらに含有することができる。各成分量の限定理由は次のとおりである。
Vは、圧延中および圧延後に炭窒化物として析出し、析出強化によりレールの硬さを向上させる効果を有する元素である。そのためには、0.001%以上で添加することが好ましい。一方、V含有量が0.30%を超えると、粗大な炭窒化物が多量に析出するため、耐疲労損傷性の低下を招く。したがって、Vを添加する場合は、V含有量を0.30%以下とすることが好ましい。
Cuは、Crと同様に、固溶強化によりレールの硬さを向上させる効果を有する元素である。そのためには、0.001%以上で添加することが好ましい。一方、Cu含有量が1.0%を超えるとCu割れが生じる。したがって、Cuを添加する場合は、Cu含有量を1.0%以下とすることが好ましい。
Niは、延性を劣化することなくレールの硬さを向上させる効果を有する。そのためには、0.001%以上で添加することが好ましい。また、NiをCuと複合添加することによってCu割れを抑制できるため、Cuを添加する場合にはNiも添加することが望ましい。一方、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する。したがって、Niを添加する場合は、Ni含有量を1.0%以下とすることが好ましい。
Nbは、圧延中及び圧延後に炭窒化物として析出し、レールの硬さを向上させる。そのためには、0.001%以上で添加することが好ましい。一方、Nb含有量が0.05%を超えると、粗大な炭窒化物が多量に析出するため、延性が低下する。したがって、Nbを添加する場合は、Nb含有量を0.05%以下とすることが好ましい。
Moは、圧延中及び圧延後に炭化物として析出し、析出強化によりレールの硬さを向上させる。そのためには、0.001%以上で添加することが好ましい。一方、Mo含有量が0.5%を超えるとマルテンサイトが生成し、その結果、耐疲労損傷性が低下する。したがって、Moを添加する場合は、Mo含有量を0.5%以下とすることが好ましい。
Alは、脱酸剤として添加される元素である。そのためには、0.001%以上で添加することが好ましい。一方、Al含有量が0.07%を超えると、Alの有する高い酸素との結合力のため、酸化物系介在物が多量に生成する結果、耐疲労損傷性が低下する。したがって、Al含有量は0.07%以下とすることが好ましい。
Wは、圧延中及び圧延後に炭化物として析出し、析出強化によりレールの硬さを向上させる。そのためには、0.001%以上で添加することが好ましい。一方、W含有量が1.0%を超えるとマルテンサイトが生成する結果、耐疲労損傷性が低下する。したがって、Wを添加する場合は、W含有量を1.0%以下とすることが好ましい。
Sbは、レール鋼素材を加熱炉で再加熱する際に、その再加熱中の脱炭を防止し、パーライト組織中のセメンタイト量の減少を防止し、硬さの向上に寄与する元素である、そのためには、0.001%以上で添加することが好ましい。一方、Sbを0.1%超えて添加すると、加熱時にオーステナイト粒界に濃化し割れを生ずる。したがって、Sbを添加する場合は、Sb添加量を0.1%以下とすることが好ましい。
Snは、レール鋼素材を加熱炉で再加熱する際に、その再加熱中の脱炭を防止し、パーライト組織中のセメンタイト量の減少を防止し、硬さの向上に寄与する元素である、そのためには、0.001%以上で添加することが好ましい。一方、Snを0.1%超えて添加すると、加熱時にオーステナイト粒界に濃化し割れを生ずる。したがって、Snを添加する場合は、Sn含有量を0.1%以下とすることが好ましい。
Bは、圧延中及び圧延後に窒化物として析出し、析出強化によりレールの硬さを向上させる。そのためには、0.0001%以上で添加することが好ましい。しかし、B含有量が0.005%を超えると、マルテンサイトが生成する結果、耐疲労損傷性が低下する。そのため、Bを添加する場合は、B含有量を0.005%以下とすることが好ましい。
Tiは、圧延中及び圧延後に炭化物、窒化物あるいは炭窒化物として析出し、析出強化によりレールの硬さを向上させる。そのためには、0.001%以上で添加することが好ましい。一方、Ti含有量が0.05%を超えると、粗大な炭化物、窒化物あるいは炭窒化物が生成する結果、耐疲労損傷性が低下する。そのため、Tiを添加する場合は、Ti含有量を0.05%以下とすることが好ましい。
次に、本発明に従うレールは、定法に従って、熱間圧延、次いで冷却により製造することができる。例えば、以下に示す製造条件を適用することが好ましい。すなわち、連続鋳造により鋳造されたブルームを、加熱温度:1000℃以上1350℃以下で3600秒以上に再加熱し、熱間圧延を行い、その後冷却することが好ましい。このとき、冷却では700℃以上の温度域から2℃/s以上10℃/s以下の冷却速度で冷却(第1の冷却処理)を行い、この冷却中に460℃以上600℃以下の温度範囲に5秒以上60秒以下で保持(第1の保持)し、その後、1℃/s以下7℃/s以上の冷却速度で冷却(第2の冷却処理)を行い、350℃以上450℃以下の温度範囲で60秒以上保持(第2の保持)することが好ましい。その後の冷却方法は特に限定されず、例えば自然放冷すればよい。
・冷却開始温度:750℃
・第1の冷却速度:5℃/s
・第1の保持温度:550℃
・第1の保持時間:20秒
・第2の冷却速度:2℃/s
・第2の保持温度:430℃/s
・第2の保持時間:300秒
すなわち、表1に示す組成を有するレール用鋼100kgを真空溶解にて溶製し、80mm厚に熱間圧延した。さらに、この圧延材を150mm長さに切断後、1000〜1300℃に加熱し、最終板厚を12mm厚とする熱間圧延を施し、その後、放冷した。得られたレール鋼材から、図2に示す直径32mmおよび厚み5mmの円筒型試験片を採取した。次いで、採取した円筒型試験片に表2に示す条件に従う熱処理を行った。すなわち、まず、円筒試験片を加熱した後、自然放冷し、所定の冷却開始温度から自然放冷よりも速い第1の冷却速度で冷却を実施した。次いで、所定の第1の保持温度に到達した時点で冷却を中断して、試験片を所定の第1の保持温度において所定の保持時間だけ保持した。
この第1の保持温度における保持の後、試験片を自然放冷よりも速い第2の冷却速度で冷却し、所定の第2の保持温度に到達した時点で冷却を中断して試験片を所定の第2の保持温度において所定の保持時間だけ保持した。この第2の保持温度における保持の後、試験片を自然放冷した。この熱処理後に、図3に示す試験片に加工した。
上記したように、レールの耐摩耗性および耐疲労損傷性に関しては、実際に敷設使用して評価するのが最も望ましいが、それでは試験に長時間を要する。そこで、本発明では、短期間で耐摩耗性および耐疲労損傷性を評価することができる、2円筒型試験機を用いて実際の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により評価した。なお、このとき使用した車輪材は、耐摩耗性および耐疲労損傷性試験ともに370HVの硬さでパーライト組織からなる車輪である。
表層部の硬さ測定は、下記に示す方法にて実施した。
図3に示した耐摩耗性評価試験で使用した試験片において、該耐摩耗性評価試験前に、3%ナイタルにて試験片の両面のエッチングを行ってから、図5に示す硬度測定面の組織観察を行って、本発明に従う表層部を確認する。すなわち、組織観察において、パーライト組織とパーライト以外の組織とは色調により識別することが可能である。このため、パーライト組織とパーライト以外の組織とを有する表層部を、表層部以外の部分と識別することが可能である。その後、株式会社アカシ製 微小硬さ試験機(HM−115、ビッカース硬さ)で荷重0.98Nでパーライト組織とパーライト組織以外の組織の硬さの測定を、それぞれ20点において行った。その測定結果のうち、最大値および最小値を表3に示す。
上述した硬さ測定用にエッチングした試験片において、パーライト組織とパーライト以外の組織とを有する表層部における20視野を、光学顕微鏡にて倍率:100倍で撮影した。次いで、撮影された組織写真において、パーライト組織以外の組織のトレースを行い、画像解析ソフトImage−Pro(株式会社 日本ローパー)を使用して、パーライト組織以外の組織分率を下記式に基づいて計算し、観察した全視野の値の平均値を求めた。
パーライト組織以外の組織分率={(パーライト組織以外の面積)/(パーライト組織の面積+パーライト以外の組織の面積)}×100
Claims (4)
- レールの頭部の表面から少なくとも0.5mmの深さまでの表層部に、パーライト組織とパーライト組織以外の組織とからなる金属組織を有し、
前記パーライト組織はビッカース硬さが420HV以上520HV以下および、前記パーライト組織以外の組織はビッカース硬さが350HV以上420HV以下であり、
前記表層部における前記パーライト組織以外の組織の面積分率が3%以上12.5%未満であるレール。 - 質量%で、
C:0.60〜1.20%、
Si:0.10〜1.50%、
Mn:0.10〜1.50%、
P:0.025%以下、
S:0.010%以下および
Cr:0.10〜1.50%
を含み、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成からなる請求項1に記載のレール。 - 前記成分組成が、さらに質量%で、
V :0.30%以下、
Cu:1.0%以下、
Ni:1.0%以下、
Nb:0.05%以下、
Mo:0.5%以下、
Al:0.07%以下、
W :1.0%以下、
Sb:0.1%以下、
Sn:0.1%以下、
B :0.005%以下および
Ti:0.05%以下
の群より選択される1種以上を含有する請求項2に記載のレール。 - 前記表層部における前記パーライト組織以外の組織の面積分率が3%超である請求項1から3のいずれかに記載のレール。
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