JP7063400B2 - レール及びその製造方法 - Google Patents
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Description
[1] 足部と、腹部と、頭部とを備えたレールであって、
前記腹部の成分組成が、
C:0.70~1.20質量%、
Si:0.20~1.20質量%、
Mn:0.20~1.50質量%、
P:0.035質量%以下、
S:0.0005~0.012質量%、
Cr:0.20~2.50質量%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
前記腹部におけるパーライトの面積率は、95%以上であり、
パーライトブロックの平均サイズは、60μm以下であるレール。
[2] さらに、Cu:1.0質量%以下、Ni:1.0質量%以下、Nb:0.05質量%以下、Mo:1.0質量%以下およびV:0.005~0.10質量%、W:1.0質量%以下、B:0.005質量%以下のいずれか1種または2種以上を含有する[1]に記載のレール。
[3] 応力拡大係数ΔK=20MPa・m1/2における前記腹部のき裂進展速度da/dN(m/cycle)は、8.0×10-8以下である[1]または[2]に記載のレール。
[4] [1]から[3]のいずれかに記載の成分組成を有する鋼片からレールを製造するレールの製造方法であって、
仕上温度が1000℃以下であって、前記腹部の減面率が10%以上になるように仕上げ圧延し、
仕上げ圧延後の前記腹部をパーライト変態開始温度以上の温度から400~600℃の温度域までを1~5℃/sの冷却速度で冷却するレールの製造方法。
[5] 前記仕上温度が800~900℃の範囲内で前記腹部の仕上げ圧延を行う[4]に記載のレールの製造方法。
Cはパーライト組織の強度すなわち耐疲労損傷性を確保するための必須元素であり、含有量の増加に伴い耐疲労損傷性が向上する。しかし、0.70質量%未満では従来の熱処理型パーライト鋼レールと比較して優れた耐疲労損傷性を得ることが難しい。また、1.20質量%を超えると熱間圧延後のパーライト変態時に多量の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。なお、初析セメンタイトは1.20質量%以下の場合にも存在するが、生成する量が微量であるため、耐疲労損傷性への影響は軽微である。したがって、C量は0.70~1.20質量%とする。好ましくは0.75~1.00質量%である。さらに好ましくは0.75~0.85%である。
Siは脱酸素剤及びパーライト組織の強化元素として0.20質量%以上必要であるが、1.20質量%を超えるとレールの表面疵の生成を促進させる。したがってSi量は0.20~1.20質量%とする。好ましくは0.50~1.00質量%である。
Mnはパーライト変態温度を低下させてラメラー間隔を緻密にする効果があるため、レール1の内部まで高硬度を維持するために有効な元素である。0.20質量%未満では十分な効果が得られない。1.50質量%を超えるとマルテンサイト組織が生じ易く、熱処理時及び溶接時に硬化や脆化を生じ材質が劣化し易い。また、Mnの高い焼入れ性のため、内部高硬度型レールの表層に多量のベイナイト組織が生成され、耐摩耗性が低下する。さらに、過剰な添加はパーライトの平衡変態温度を低下させ、過冷度が小さくなりラメラー間隔が粗大化する。したがって、Mn量は0.20~1.50質量%とする。好ましくは0.40~1.20質量%である。
0.035%を超えるPの含有は延性を劣化する。したがって、P量は0.035質量%以下とする。好ましくは0.020質量%以下である。なお、0.001%未満とするためには、製鋼コストの増加が余儀なくされることから、0.001%以上の含有は許容される。
Sは主にA系介在物の形態で鋼材中に存在するが、0.012質量%を超えるとこの介在物量が著しく増加し、同時に粗大な介在物を生成するため、鋼材の清浄性が悪化する。また、0.0005質量%未満にすると、製鋼コストが増加する。したがって、S量は0.0005~0.012質量%とする。好ましくは0.0005~0.010質量%である。より好ましくは0.0005~0.008質量%である。
Crはパーライト平衡変態温度を上昇させ、ラメラー間隔の微細化に寄与すると同時に、固溶強化によりさらなる高強度化をもたらす元素である。しかし、0.20質量%未満では十分な内部硬度が得られない。一方、2.50質量%を超えて添加すると焼入れ性が高くなり、マルテンサイト組織が生成し易くなる。また、マルテンサイト組織が生成しない条件で製造した場合、旧オーステナイト粒界に初析セメンタイトが生成する。そのため、耐摩耗性および耐疲労損傷性が低下する。したがって、Cr量は0.20~2.50質量%とする。好ましくは0.60~1.30質量%である。
Cuは、Crと同様に固溶強化により鋼の更なる高強度化を図ることができる元素である。ただし、その含有量が1.0質量%を超えるとCu割れが生じ易くなる。したがって、成分組成がCuを含有する場合は、Cu量は1.0質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.005~0.5質量%である。
Niは、延性を劣化することなく鋼の高強度化を図ることができる元素である。また、レール1がCuを含有する場合、Niを添加するとCu割れを抑制することができるため、NiをCuとともに複合添加することが望ましい。ただし、Ni含有量が1.0質量%を超えると、鋼の焼入れ性がより上昇し、マルテンサイトが生成するようになり、耐疲労損傷性と耐疲労損傷性が低下する傾向がある。したがって、Niが含有される場合は、Ni含有量は1.0質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.005~0.5質量%である。
Nbは、鋼中のCと結び付いてレールを成形するための熱間圧延中および熱間圧延後に炭化物として析出し、旧オーステナイト粒径の微細化に有効に作用する。その結果、耐疲労損傷性、耐疲労損傷性及び延性が大きく向上し、レールの長寿命化に大きく寄与する。ただし、Nb量が0.05質量%超えても、耐摩耗性、耐疲労損傷性の向上効果が飽和し、含有量上昇に見合う効果が得られない。したがって、Nbは、その含有量の上限を0.05質量%として含有してもよい。なお、Nb量は0.001質量%未満では、上記のレールの長寿命化に対して十分な効果が得られにくい。0.001質量%以上で長寿命化の効果が得られる。したがって、Nbを含有させる場合は、Nb含有量は0.001質量%以上であることが好ましい。より好ましくは0.001~0.03質量%である。
Moは焼入れ性を向上させ、固溶強化によってさらなる鋼の高強度化を図ることができる元素である。ただし、Mo量が1.0質量%を超えると、鋼中にマルテンサイトが生成するようになり、耐摩耗性と耐疲労損傷性とが低下する傾向がある。したがって、レールの成分組成がMoを含有する場合は、Mo量は1.0質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.005~0.5質量%である。
Vは炭窒化物を形成し、基地中へ分散析出し、耐疲労損傷性および耐遅れ破壊特性を向上させる元素である。V量が0.005質量%未満ではその効果が少ない。一方、V量が0.10質量%を超えると、加工性が劣化し、合金コストも増加するため、レール材の製造コストが増加する。したがって、V量は0.005~0.10質量%以下とする。好ましくは0.01~0.08質量%である。
Wは、レール形状への成形を行う熱間圧延中及び熱間圧延後に炭化物として析出し、析出強化によりレールの強度や延性を向上させる元素である。しかし、W量が1.0質量%を超えると鋼中にマルテンサイトが生成し、その結果、延性が低下する。そのため、Wを添加する場合、W量を1.0質量%以下とすることが好ましい。一方、W量の下限は特に限定されないが、上記の強度や延性を向上させる作用を発現させるためには0.001質量%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.005~0.5質量%である。
Bは、旧オーステナイト粒界に偏析することで、焼入れ性を向上させレールの強度を向上させる元素である。しかし、B含有量が0.005質量%を超えるとマルテンサイト組織が生成され、その結果、耐摩耗性と耐疲労損傷性が低下する。そのため、Bを含有する場合、B含有量を0.005質量%以下とすることが好ましい。一方、B量の下限は特に限定されないが、上記の強度や延性を向上させる作用を発現させるためには0.001質量%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.001~0.003質量%である。
レール1の腹部3は、95%以上の面積率のパーライト組織からなっている。なお、レール1の腹部3には、合計5%以下の微量なベイナイト組織、マルテンサイト組織、初析セメンタイト組織、初析フェライト組織が含まれていてもよい。パーライト組織(パーライトブロック)はフェライトとセメンタイトとが層状に配列されたラメラー組織であって、パーライトブロックは同一方位を有するパーライト粒の集団からなるものである。パーライト組織とき裂進展との間には関連性があり、パーライト粒界はき裂進展の障壁となる機能を有する。腹部3のパーライト組織の面積率が95%未満である場合、き裂進展の障害になるパーライト粒界が不足する。このため、レール1の腹部3は、95%以上の面積率のパーライト組織を含有したものになっている。
図3は、レール製造装置の一例を示す模式図である。図3のレール製造装置10は、BD(ブレークダウン)圧延機11、粗圧延機12、13、仕上げ圧延機14及び冷却設備15を有する。このBD圧延機11、粗圧延機12、13及び仕上げ圧延機14が鋼片に熱間圧延を行い、冷却設備15が熱間圧延された鋼片を冷却する。仕上げ圧延機14は、例えば孔型圧延法により圧延を行うものであって、上下2つのロールに所望の断面形状に応じた孔型を配置し、腹部3、頭部4ならびに足部2に直接圧下を加える。この上下ロールに設ける孔型の形状を調整することで、腹部3、頭部4ならびに足部2の圧下量が制御される。
はじめに、組成成分の異なる鋼A1~A15、B1~B6が作製される。下記表1に鋼A1~A15、B1~B6の成分を示す。なお、表1において空白の部分は含有されてない、もしくは含有量が不可避不純物の範疇であって無視できることを意味する。
図4の試験片を用いて応力比R=0.1の条件で疲労き裂伝播試験を行い、応力拡大係数ΔK=20MPa・m1/2における、疲労き裂伝播速度da/dN(m/cycle)を測定し、腹部の耐表面損傷性を評価した。この数値が8.0×10-8以下であればき裂伝播抑止性能があると評価した。
2 足部(底部)
3 腹部
4 頭部
10 レール製造装置
11 BD圧延機
12、13 粗圧延機
14 仕上げ圧延機
15 冷却設備
SS 鋼片
Claims (5)
- 足部と、腹部と、頭部とを備えたレールであって、
前記腹部の成分組成が、
C:0.70~1.20質量%、
Si:0.20~1.20質量%、
Mn:0.20~1.50質量%、
P:0.035質量%以下、
S:0.0005~0.012質量%、
Cr:0.20~2.50質量%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
前記腹部におけるパーライトの面積率は、95%以上であり、
パーライトブロックの平均サイズは、30μm以下であるレール。 - さらに、Cu:1.0質量%以下、Ni:1.0質量%以下、Nb:0.05質量%以下、Mo:1.0質量%以下およびV:0.005~0.10質量%、W:1.0質量%以下、B:0.005質量%以下のいずれか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。
- 応力拡大係数ΔK=20MPa・m1/2における前記腹部のき裂進展速度da/dN(m/cycle)は、8.0×10-8以下である請求項1または2に記載のレール。
- 請求項1から3のいずれか1項に記載のレールの製造方法であって、
仕上温度が1000℃以下であって、前記腹部の減面率が10%以上になるように仕上げ圧延し、
仕上げ圧延後の前記腹部をパーライト変態開始温度以上の温度から400~600℃の温度域までを1~5℃/sの冷却速度で冷却するレールの製造方法。 - 前記仕上温度が800~900℃の範囲内で前記腹部の仕上げ圧延を行う請求項4に記載のレールの製造方法。
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