JP7070697B2 - レールおよびその製造方法 - Google Patents
レールおよびその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP7070697B2 JP7070697B2 JP2020554326A JP2020554326A JP7070697B2 JP 7070697 B2 JP7070697 B2 JP 7070697B2 JP 2020554326 A JP2020554326 A JP 2020554326A JP 2020554326 A JP2020554326 A JP 2020554326A JP 7070697 B2 JP7070697 B2 JP 7070697B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- rail
- hardness
- less
- temperature
- internal region
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
- C21D8/06—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires
- C21D8/065—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires of ferrous alloys
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/02—Hardening articles or materials formed by forging or rolling, with no further heating beyond that required for the formation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21B—ROLLING OF METAL
- B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
- B21B1/08—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling structural sections, i.e. work of special cross-section, e.g. angle steel
- B21B1/085—Rail sections
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21B—ROLLING OF METAL
- B21B37/00—Control devices or methods specially adapted for metal-rolling mills or the work produced thereby
- B21B37/74—Temperature control, e.g. by cooling or heating the rolls or the product
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
- C21D1/19—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering by interrupted quenching
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments
- C21D11/005—Process control or regulation for heat treatments for cooling
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
- C21D6/002—Heat treatment of ferrous alloys containing Cr
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
- C21D6/005—Heat treatment of ferrous alloys containing Mn
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
- C21D6/008—Heat treatment of ferrous alloys containing Si
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
- C21D8/005—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment of ferrous alloys
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
- C21D9/04—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rails
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/20—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with copper
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/24—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with vanadium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/26—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with niobium or tantalum
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/28—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with titanium or zirconium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/32—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with boron
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/42—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with copper
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/46—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with vanadium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/48—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with niobium or tantalum
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/50—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with titanium or zirconium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/54—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with boron
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/60—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing lead, selenium, tellurium, or antimony, or more than 0.04% by weight of sulfur
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
- E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
- E01B5/00—Rails; Guard rails; Distance-keeping means for them
- E01B5/02—Rails
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
- C21D2211/001—Austenite
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
- C21D2211/002—Bainite
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
- C21D2211/009—Pearlite
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Architecture (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Description
「質量%で、C :0.85超~1.20%、Si:0.10~1.00%、Mn:0.10~1.50%、V :0.01~0.20%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐摩耗性、耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レール。」
が開示されている。
「質量%で、C:0.60~0.86%、Si:0.10~1.20%、Mn:0.40~1.50%、Cr:0.05~2.00%を含有し、下記式(1)で定義されるCeqが1.00以上、下記式(2)で定義されるQPが7.0以下をそれぞれ満足し、残部がFeおよび不可避的不純物である鋼よりなり、レール頭部全面がパーライトの金属組織を呈し、レール頭頂表面を起点として20mm内部に入った点までの硬度がHB370以上であり、レール頭頂表面と該表面を起点として少なくとも20mm内部に入った点の硬度差がHB30以下であり、かつ、レール頭部とレール柱部の境界領域がパーライト金属組織であることを特徴とする高内部硬度レール。
Ceq=C+Si/10+Mn/4.75+Cr/5.0 ・・・ 式(1)
QP=(0.06+0.4×C)×(1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+2.33×Cr) ・・・ 式(2)
ここで、C、Si、Mn、Crは、各元素の含有量の質量%の値である。」
が開示されている。
「レールであって、
前記レールの延伸方向に沿ってレール頭部の頂部に延在する平坦な領域である頭頂部と、前記レールの前記延伸方向に沿って前記レール頭部の側部に延在する平坦な領域である側頭部と、前記頭頂部と前記側頭部との間に延在する丸められた角部および前記側頭部の上半分を併せた領域である頭部コーナー部とを有する前記レール頭部を備え、
質量%で、C :0.70~1.00%、Si:0.20~1.50%、Mn:0.20~1.00%、Cr:0.40~1.20%、P:0.0250%以下、S:0.0250%以下、Mo:0~0.50%、Co:0~1.00%、Cu:0~1.00%、Ni:0~1.00%、V:0~0.300%、Nb:0~0.0500%、Mg:0~0.0200%、Ca:0~0.0200%、REM:0~0.0500%、B:0~0.0050%、Zr:0~0.0200%、およびN:0~0.0200%を含有し、残部がFeおよび不純物からなる化学成分を有し、
前記頭頂部の表面と前記頭部コーナー部の表面とから構成される頭部外郭表面から深さ10mmまでの領域において、パーライト組織とベイナイト組織との合計量が95面積%以上であり、且つ前記ベイナイト組織の量が20面積%以上50面積%未満であり、
前記頭部外郭表面から深さ10mmまでの前記領域の平均硬さがHv400~500の範囲内であることを特徴とするレール。」
が開示されている。
また、本発明は、上記のレールの有利な製造方法を提供することを目的とする。
まず、発明者らは、特許文献1~3に開示されるレールにおいて、累積摩耗量が交換基準値に近づくにつれ、摩耗が急激に進行する理由について、調査・検討を重ねた。
その結果、以下の知見を得た。
(1)特許文献1~3に開示されるレールは、通常、連続鋳造法によって鋳造された鋼素材(ブルーム)を1100℃~1250℃程度の温度域に加熱した後、熱間圧延を施して、レールとし、ついで、空気、水またはミスト等の冷却媒体を当該レールに噴射して、当該レールを冷却することにより、製造される。
(2)しかし、上記の冷却媒体の噴射による冷却では、レールの表面から熱を奪うことになるため、レールの内部では表面ほどの冷却速度が得られない。そのため、レールの頭部表面から内部に向かって硬度が徐々に低下する。
(3)すなわち、パーライトの硬度は、パーライト変態中の温度に大きく影響を受ける。特に、パーライト変態開始から終了までの温度が全体的に低くなるほど、パーライトの硬度は高くなる。
しかし、上述したように、上記の冷却媒体の噴射による冷却では、レールの表面から熱を奪うことになるため、レールの内部では表面ほどの冷却速度が得られない(図4参照)。
また、パーライト変態開始温度およびパーライト変態終了温度は、図1のTTT図に示すように、同じ成分組成であっても、鋼を加熱してからの時間によって変化する。
そのため、熱間圧延後に、単に冷却媒体の噴射による冷却を行うと、レールの頭部表面近傍では、比較的低い温度でパーライト変態が起こるものの、レールの内部、特に、レールの頭部表面から深くなるにつれ、パーライト変態中の温度が高くなる。
その結果、レールの頭部表面から内部に向かって硬度が徐々に低下することになって、累積摩耗量が交換基準値に近づくにつれ、摩耗が急激に進行する。
(4)レール頭部表面の硬度、および、レール頭部表面からレールの交換基準置に相当する深さ位置(以下、レールの交換基準位置ともいう)までの硬度を担保し、かつ、
レール頭部表面からレールの交換基準位置までの領域における硬度分布を調整する、具体的には、レールの交換基準位置近傍の頭部表面側の領域(以下、第2の内部領域ともいう)、特には、レール頭部表面からの深さで10.0~16.0mmの領域の硬度を、当該第2の内部領域よりもさらに頭部表面側の深さ:4.0~8.0mmの領域(以下、第1の内部領域ともいう)の硬度よりも高める、
ことにより、上記の課題を有利に解決できるのではないかと考えるに至った。
(5)第2の内部領域の硬度を、第1の内部領域の硬度よりも高めるには、熱間圧延後のレールの冷却に際し、レールの頭部表面の温度を、図2のように制御する、
すなわち、熱間圧延後の冷却において、レール頭部表面の温度を、パーライト変態開始温度の下限近傍、具体的には、図1のTTT図におけるパーライト変態開始曲線とベイナイト変態開始曲線の交点の温度近傍まで急冷したのち、冷却を一旦停止または弱めて、復熱および変態発熱により、レール頭部表面の温度を上昇させ、その後、再度、レールを冷却する(または冷却を強める)
ことが有効である。
(6)これにより、図3に示すように、レールの内部、特に、第2の内部領域におけるパーライト変態中の温度(特には、変態開始から変態終了までの中間温度)を、第1の内部領域におけるパーライト変態中の温度(特には、変態開始から変態終了までの中間温度)よりも低下させつつ、第2の内部領域におけるパーライト変態中の冷却速度を速めることが可能となる。
その結果、レール頭部表面の硬度、および、レール頭部表面からレールの交換基準位置までの硬度を担保しつつ、第2の内部領域、特には、レール頭部表面からの深さで10.0mm~16.0mmの位置の硬度を、第1の内部領域の硬度よりも高めることが可能となる。これにより、累積摩耗量が交換基準値に近づいた際の摩耗の急激な進行を防止できる。
なお、図3は、相変態による発熱を考慮した2次元の差分伝熱計算を用いて、図2の冷却条件でレールを冷却したときのレール各部の温度変化を計算(シミュレーション)し、その計算結果(温度変化)のうち幅方向対称面位置の頭頂表面から特定の深さ方向位置をプロットしたものである。また、図中、レール各部の変態開始温度は、部位ごとの潜伏期(所定温度に到達してから変態開始までの時間)を考慮して算出したものである。ここで、潜伏期は、TTT(Time-Temperature-Transformation)図の変態開始時間よりScheilの式に則り、算出した。さらに、レール各部の変態終了温度は、パーライト変態が98%終了した時点での温度である。ここで、パーライト変態が98%終了した時点での温度は、TTT図の変態開始時間および変態終了時間からJMAK(Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov)の式より計算した変態速度を用いて、算出した。また、図4も、図3と同様、上記計算フローによってレール各部の温度変化を計算(シミュレーション)し、その計算結果(温度変化)をプロットしたものである。
本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。
1.質量%で、
C :0.60~1.00%、
Si:0.10~1.50%、
Mn:0.20~1.50%、
P :0.035%以下、
S :0.035%以下および
Cr:0.20~2.00%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
レール頭部表面から深さ:16.0mmまでの領域における硬度分布において、
深さ:4.0~8.0mmの第1の内部領域における硬度の最小値をV1としたとき、該第1の内部領域よりも深い位置の第2の内部領域に、該V1よりも硬度の高い位置が存在し、かつ、
前記レール頭部表面の硬度がHBW400~520であり、前記レール頭部表面から深さ:16.0mmまでの領域における硬度の平均値がHBW350以上である、
レール。
V :0.30%以下、
Cu:1.0%以下、
Ni:1.0%以下、
Nb:0.050%以下、
Mo:0.5%以下、
Al:0.07%以下、
W :1.0%以下、
B :0.005%以下、
Ti:0.05%以下および
Sb:0.5%以下
からなる群より選択される1種または2種以上を含有する、前記1に記載のレール。
前記1または2に記載の成分組成を有する鋼素材に、熱間圧延を施してレールとし、
ついで、該レールを、平均冷却速度:1~20℃/sで、オーステナイト温度以上の温度から、A-25℃~A+25℃の第1冷却温度まで冷却し、
ついで、該レールの温度が、A+30℃~A+200℃の中間温度に到達するまで保持し、
ついで、該レールを、平均冷却速度:0.5~20℃/sで10秒以上冷却する、
レールの製造方法。
ここで、Aは、上記成分組成の鋼のTTT図におけるパーライト変態開始曲線とベイナイト変態開始曲線の交点の温度である。また、レールの温度および平均冷却速度はそれぞれ、レール頭部表面における温度および平均冷却速度である。
まず、本発明の一実施形態に係るレールの成分組成について説明する。なお、成分組成における単位はいずれも「質量%」であるが、以下、特に断らない限り、単に「%」で示す。
C(炭素)は、パーライト系レールにおいて、セメンタイトを形成して硬さや強度を高め、耐摩耗性を向上させる重要な元素である。このような効果を十分に得るため、C含有量の下限は0.60%とする。C含有量は、好ましくは0.70%以上である。一方、Cを過剰に含有させると、セメンタイト量の増加を招く。そのため、硬さや強度については上昇するものの、延性が低下する。また、C含有量の増加は、γ+θ域の温度範囲を拡大させ、溶接熱影響部の軟化を助長する。そのため、C含有量の上限は1.00%とする。C含有量は、好ましくは0.97%以下である。
Si(シリコン)は、脱酸材として、及び、パーライト組織強化のために、添加する。このような効果を十分に得るため、Si含有量の下限は0.10%とする。Si含有量は、好ましくは0.20%以上である。一方、Siを過剰に含有させると、脱炭が助長され、また、レールの表面疵の生成を招く。そのため、Si含有量の上限は1.50%とする。Si含有量は、好ましくは1.30%以下である。
Mn(マンガン)は、パーライト平衡変態温度(TE)を低下させ、パーライトラメラー間隔を緻密にする効果がある。そのため、Mnは、レールの内部において高い硬度を得るうえで、有用な元素である。このような効果を十分に得るため、Mn含有量の下限は0.20%とする。Mn含有量は、好ましくは0.40%以上である。一方、Mn含有量が1.50%を超えると、パーライト平衡変態温度(TE)が過度に低下し、マルテンサイト変態しやすくなる。そのため、Mn含有量の上限は1.50%とする。Mn含有量は、好ましくは1.30%以下である。
P(リン)は、靭性や延性を低下させる元素である。そのため、P含有量は、0.035%以下とする。P含有量は、好ましくは0.025%以下である。
なお、P含有量は極力低減した方が好ましいが、そのために特殊な精錬などを行うと、溶製時のコスト上昇を招く。よって、P含有量の下限は、0.001%とすることが好ましい。
S(硫黄)は、圧延方向に伸展し、延性や靭性を低下させる粗大なMnSを形成する。そのため、S含有量は0.035%以下とする。S含有量は、好ましくは0.030%以下、より好ましくは0.015%以下である。
なお、S含有量は極力低減した方が好ましいが、そのためには、溶製処理時間や媒溶材の増大などが必要であり、溶製時のコスト上昇を招く。よって、S含有量の下限は、0.0005%とすることが好ましい。
Cr(クロム)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、高度や強度を上昇させる。また、Crに加え、後述するSbを同時に含有させることで、脱炭層の生成抑制に有効に寄与する。このような効果を十分に得るため、Cr含有量の下限は0.20%とする。Cr含有量は、好ましくは0.25%以上、より好ましくは0.30%以上である。一方、Cr含有量が2.00%を超えると、溶接欠陥が発生する可能性が増加する。また、焼き入れ性が増加し、マルテンサイトの生成が助長される。そのため、Cr含有量の上限は2.00%とする。Cr含有量は、好ましくは1.50%以下である。
V(バナジウム)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、Vは、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。このような効果を得るためには、V含有量を0.001%以上とすることが好ましい。V含有量は、より好ましくは0.005%以上である。一方、V含有量が0.30%を超えると、上記の効果は飽和する。また、合金コストの過度の上昇を招く。従って、Vを含有させる場合、その含有量は0.30%以下とする。V含有量は、より好ましくは0.15%以下、さらに好ましくは0.12%以下である。
Cu(銅)は、固溶強化により高硬度化に寄与する元素である。また、Cuは脱炭を抑制する効果もある。このような効果を得るためには、Cu含有量を0.01%以上とすることが好ましい。Cu含有量は、より好ましくは0.05%以上である。一方、Cu含有量が1.0%を超えると、連続鋳造時や圧延時に脆化による表面割れが生じやすくなる。そのため、Cuを含有させる場合、その含有量は1.0%以下とする。Cu含有量は、より好ましくは0.6%以下、さらに好ましくは0.5%以下である。
Ni(ニッケル)は、靭性や延性を向上させるのに有効な元素である。また、Niは、Cuを含有させた場合に懸念される表面割れ(連続鋳造時や圧延時に発生する、脆化による表面割れ)を抑制するのにも有効な元素である。そのため、Cuを含有させる場合には、Niも同時に含有させることが好ましい。このような効果を得るためには、Ni含有量を0.01%以上とすることが好ましい。Ni含有量は、より好ましくは0.05%以上である。一方、Ni含有量が1.0%を超えると、焼き入れ性が過度に高まり、マルテンサイトの生成が促進される。そのため、Niを含有させる場合、その含有量は1.0%以下とする。Ni含有量は、より好ましくは0.5%以下、さらに好ましくは0.3%以下である。
Nb(ニオブ)は、延性および靭性の向上に有効な元素である。すなわち、Nbは、オーステナイト未再結晶温度域を高温側に上昇させて、圧延時に、オーステナイト組織に対して加工ひずみを導入することを促進する。そのため、パーライトコロニーやブロックサイズが微細化され、延性および靭性が向上する。このような効果を得るためには、Nb含有量を0.001%以上とすることが好ましい。Nb含有量は、より好ましくは0.003%以上である。一方、Nb含有量が0.050%を超えると、ブルーム等のレール鋼素材の鋳造時における凝固工程において、Nb炭窒化物が晶出し、清浄性が低下する。そのため、Nbを含有させる場合、その含有量は0.050%以下とする。Nb含有量は、より好ましくは0.030%以下、さらに好ましくは0.025%以下である。
Mo(モリブデン)は、高強度化に有効な元素である。このような効果を得るためには、Mo含有量を0.001%以上とすることが好ましい。一方、Mo含有量が0.5%を超えると、焼き入れ性が過度に高まる。その結果、多量のマルテンサイトが生成して、靭性や延性が低下する。そのため、Moを含有させる場合、その含有量は0.5%以下とする。Mo含有量は、より好ましくは0.3%以下である。
Al(アルミニウム)は、脱酸材として有効な元素である。このような効果を得るためには、Al含有量を0.01%以上とすることが好ましい。一方、Al含有量が0.07%を超えると、粗大な酸化物や窒化物が生成して、耐疲労損傷性の低下を招く。そのため、Alを含有させる場合、その含有量は0.07%以下とする。
W(タングステン)は、炭化物を形成し、鋼中に微細分散および析出し、耐摩耗性の向上に寄与する。また、Wは、耐疲労損傷性の向上にも寄与する。このような効果を得るためには、W含有量を0.01%以上とすることが好ましい。一方、W含有量が1.0%を超えると、耐摩耗性および耐疲労損傷性の向上効果は飽和する。そのため、Wを含有させる場合、その含有量は1.0%以下とする。
B(ホウ素)は、圧延中および/または圧延後に窒化物として析出し、析出強化によって0.2%耐力の向上に寄与する。このような効果を得るためには、B含有量を0.0005%以上とすることが好ましい。一方、B含有量が0.005%を超えると、焼入れ性が過度に高まり、マルテンサイトが生成して、結果的に耐疲労損傷性の低下を招く。そのため、Bを含有させる場合、その含有量は0.005%以下とする。
Ti(チタン)は、圧延中および/または圧延後に炭化物、窒化物および/または炭窒化物として析出し、析出強化によって0.2%耐力の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Ti含有量を0.005%以上とすることが好ましい。一方、Ti含有量が0.05%を超えると、析出する炭化物、窒化物および/または炭窒化物が粗大化して、耐疲労損傷性の低下を招く。そのため、Tiを含有させる場合、その含有量は0.05%以下とする。
Sb(アンチモン)は、レール鋼素材を加熱炉で加熱する際に、その加熱中の脱炭を防止するという効果を有する。特に、Sbを、前述したCrと同時に含有させることで、脱炭層の生成抑制に有効に寄与する。このような効果を得る観点から、Sb含有量は0.005%以上とすることが好ましい。Sb含有量は、より好ましくは0.01%以上である。ただし、Sb含有量が0.5%を超えると、その効果が飽和する。そのため、Sbを含有させる場合、その含有量は0.5%以下とする。Sb含有量は、より好ましくは0.3%以下である。
上述したように、レールの頭部表面から内部に向かって硬度が徐々に低下すると、レールの累積摩耗量が交換基準値に近づくにつれ、摩耗が急激に進行して、安全性の面で問題となるおそれがある。この点、レール頭部表面からレールの交換基準位置近傍までの領域における硬度分布を調整して、レールの交換基準位置近傍の頭部表面側の領域である第2の内部領域(特には、レール頭部表面からの深さで10.0~16.0mmの領域)において、第1の内部領域(当該第2の内部領域よりも頭部表面側に位置する、レール頭部表面からの深さで4.0~8.0mmの領域)の硬度の最小値V1よりも、硬度の高い位置を設ければ、レールの累積摩耗量が交換基準値に近づいた際の摩耗の急激な進行を防止することができる。そのため、第2の内部領域において、第1の内部領域の硬度の最小値V1よりも、硬度の高い位置を設けるものとする。
すなわち、JIS Z 2243(2008)に準拠して、レール断面(長手方向(圧延方向)に対して垂直な断面)において、レール頭頂部(幅方向中心位置)表面から深さ2.0mmの位置を始点として、深さ(高さ)方向に、2.0mm間隔で、深さ16.0mmの位置まで、ブリネル硬さを測定する。
なお、使用する圧子の直径は10mm、試験力は29400N、試験力の保持時間は15秒とする。
また、V1は、レール頭頂部表面から深さ4.0mm、6.0mmおよび8.0mmの位置で測定した硬度のうちの最小値である。
レールの累積摩耗量が交換基準値に近づいた際の摩耗の急激な進行を防止する観点から、V2(第2の内部領域の硬度の平均値)とV1の差(V2-V1)をHBW5以上とすることが好ましい。V2とV1の差は、より好ましくはHBW10以上、さらに好ましくはHBW20以上である。また、V2とV1の差は、好ましくはHBW60以下である。
ここで、V2(第2の内部領域の硬度の平均値)は、レール頭頂部表面から深さ10.0mm、12.0mm、14.0mmおよび16.0mmの位置における硬度の算術平均値とする。
レールの累積摩耗量が交換基準値に近づいた際の摩耗の急激な進行を防止する観点からは、V1よりも硬度の高い位置が、第2の内部領域にわたり存在することが好ましい。ここで、V1よりも硬度の高い位置が、第2の内部領域にわたり存在するとは、レール頭頂部表面から深さ10.0mm、12.0mm、14.0mmおよび16.0mmの位置における硬度がいずれも、V1よりも高いことを意味する。
加えて、レールの累積摩耗量が交換基準値に近づいた際の摩耗の急激な進行を防止する観点からは、第2の内部領域における硬度が、レール頭部表面から深さ方向に向かって連続的に増加することが好ましい。ここで、第2の内部領域における硬度が、レール頭部表面から深さ方向に向かって連続的に増加するとは、レール頭頂部表面から深さ10.0mm、12.0mm、14.0mmおよび16.0mmの位置における硬度(以下、深さ10.0mmの硬度などともいう)が、
[深さ10.0mmの硬度]≦[深さ12.0mmの硬度]≦[深さ14.0mmの硬度]≦[深さ16.0mmの硬度]
となることを意味する。
レール頭部表面の硬度がHBW400未満になると、貨物輸送や鉱山鉄道などの高軸重環境に敷設される場合に、十分な耐摩耗性を確保することが困難となる。一方、レール頭部表面の硬度がHBW520を超えると、レール頭部表面と車輪のなじみ性が低下し、レールの表面損傷を招くおそれがある。そのため、レール頭部表面の硬度は、HBW400~520の範囲とする。
なお、使用する圧子の直径は10mm、試験力は29400N、試験力の保持時間は15秒とする。
平均内部硬度1がHBW350未満になると、貨物輸送や鉱山鉄道などの高軸重環境に敷設される場合に、十分な耐摩耗性を確保することが困難となる。そのため、平均内部硬度1は、HBW350以上とする。
なお、平均内部硬度1は、レール頭頂部(幅方向中心位置)表面から深さ2.0mmの位置を始点として、深さ(高さ)方向に、2.0mm間隔で、深さ16.0mmの位置まで、ブリネル硬さを測定して得られた硬度の算術平均値とする。
なお、平均内部硬度2は、レール頭頂部(幅方向中心位置)表面から深さ2.0mmの位置を始点として、深さ(高さ)方向に、2.0mm間隔で、深さ24.0mmの位置まで、ブリネル硬さを測定して得られた硬度の算術平均値とする。なお、各位置での硬度は、上記した硬度分布の測定と同様にして測定すればよい。
そのため、本発明の一実施形態に係るレールの鋼組織は、高い耐摩耗性と高い靭性を得る観点から、レール頭部表面から深さ:24.0mmまでの領域において、パーライトを面積率で98%以上含む組織とすることが好ましい。また、パーライト以外の残部組織としては、マルテンサイトやベイナイトが挙げられるが、残部組織は面積率で2%以下とすることが好ましい。より好ましくはパーライトの面積率が100%である。
すなわち、レールから、鋼組織観察用の試験片を採取する。試験片は、レール頭部表面から深さ0.5mm、5.0mm、10.0mm、15.0mm、20.0mmおよび24.0mmの各位置が観察位置となるように、レール1つにつき6カ所から採取する。ついで、採取した試験片の表面を研磨し、ナイタールで腐食する。ついで、光学顕微鏡を用いて、各試験片を、倍率200倍で1視野観察して組織の種類を同定し、画像解析によりパーライトの面積率を求める。そして、各深さにおけるパーライトの面積率の算術平均値を、レール頭部表面から深さ:24.0mmまでの領域におけるパーライトの面積率とする。
なお、残部組織の面積率は、100%から上記のようにして求めたパーライトの面積率を減じることにより、求める。
まず、鋼素材には、鋳片、例えば、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(ブルーム)を、用いることが好ましい。
なお、熱間圧延における仕上げ圧延温度は特に限定する必要はないが、レール頭部表面の温度で800℃以上とすることが好ましい。これは、レールが高温であるほど、変形抵抗が低下し、圧延負荷が低減するからである。
なお、以下の第1冷却工程、中間保持工程および第2冷却工程でいうレールの温度および平均冷却速度はそれぞれ、レール頭部表面における温度および平均冷却速度である。
・第1冷却工程における冷却開始温度:オーステナイト温度以上
第1冷却工程における冷却開始温度は、レール頭部表面の温度でオーステナイト温度以上とする。ラメラー間隔が微細な高硬度のパーライト主体の組織(以下、高硬度のパーライト組織ともいう)を得るためには、加速冷却を行う必要がある。しかし、加速冷却を行う前に、自然放冷によりレール頭部表面の温度が低下すると、上記の高硬度のパーライトが得られなくなる。そのため、第1冷却工程における冷却開始温度は、レール頭部表面の温度でオーステナイト温度以上とする。
ここで、オーステナイト温度は次のようにして求める。
[オーステナイト温度]=750.8-26.6C+17.6Si―11.6Mn-22.9Cu―23Ni+24.1Cr+22.5Mo-39.7V-5.7Ti+232.4Nb-169.4Al-894.7B
ここで、式中の元素記号は、レールの成分組成における各元素の含有量(質量%)である。また、レールの成分組成に含有されない元素については、「0」として計算すればよい。
なお、熱処理装置への搬送の際に、レールの温度が低下した場合には、再加熱を行えばよい。
レール頭部表面で所望の硬度を得るには、レール頭部表面近傍の組織を、高硬度のパーライト組織とする必要がある。そのため、第1冷却工程における平均冷却速度は、1℃/s以上とする。第1冷却工程における平均冷却速度は、好ましくは5℃/s以上である。一方、第1冷却工程における平均冷却速度が20℃/sを超えると、レール頭部表面近傍でベイナイトやマルテンサイトが多量に生成して、耐摩耗性や耐疲労損傷性が低下する。そのため、第1冷却工程における平均冷却速度は20℃/s以下とする。第1冷却工程における平均冷却速度は、好ましくは15℃/s以下である。
第1冷却温度(第1冷却工程での到達温度)は、A-25℃~A+25℃とする。
上述したように、レール頭部表面からレールの交換基準位置近傍までの領域において、所望の硬度分布を得るには、図1のTTT図におけるパーライト変態開始曲線とベイナイト変態開始曲線の交点の温度であるA近傍まで急冷したのち、冷却を一旦停止または弱めて、復熱および変態発熱により、レール頭部表面の温度を上昇させることが重要である。これによって、図3に示すように、第2の内部領域におけるパーライト変態中の温度(変態開始から変態終了までの中間温度)を、第1の内部領域におけるパーライト変態中の温度(変態開始から変態終了までの中間温度)よりも低下させつつ、第2の内部領域におけるパーライト変態中の冷却速度を速める(具体的には、当該冷却速度を、通常の冷却(図4のような従来の熱間圧延後の冷却)を行った場合における、第2の内部領域での第2の冷却工程に相当する温度域での冷却速度よりも速める)ことが可能となる。その結果、第2の内部領域の硬度を、第1の内部領域の硬度よりも高めることが可能となる。また、レール頭部表面近傍(具体的には、表面から深さ:5mm程度までの位置)のパーライト変態が早期に終了して、後述の第2冷却工程において、当該位置での変態発熱が発生しなくなる。そのため、レール内部、特には、第2の内部領域に相当する位置で、十分な冷却速度が得られるようになり、高硬度のパーライト組織が得られる。
ここで、第1冷却温度がA-25℃未満になると、上記のような制御ができず、第2の内部領域の硬度を、第1の内部領域の硬度よりも高めることができなくなる。一方、第1冷却温度がA+25℃を超えても、やはり上記のような制御ができず、第2の内部領域の硬度を、第1の内部領域の硬度よりも高めることができなくなる。
そのため、第1冷却温度はA-25℃~A+25℃の範囲とする。第1冷却温度は、好ましくはA-15℃~A+15℃の範囲である。
また、TTT図は、所定の試験片を、オーステナイト温度以上に加熱し、ついで、圧延を模擬するため圧縮し、ついで、種々の試験温度まで急冷後、それぞれの試験温度で保持したときの、試験片の膨張・収縮(変位量)を測定することにより、作成することができる。
例えば、鋳造後、熱間圧延前の鋼素材の所定位置(熱間圧延後のレール頭部に相当する位置)から、Φ8mm×長さ12mmの円柱型の試験片を採取する。採取した試験片を、窒素雰囲気の熱処理炉にて、上記した鋼素材の加熱温度まで、加熱速度:10℃/秒で加熱し、5分間保持する。ついで、当該試験片を冷却速度:1℃/秒で冷却し、試験片の温度が1100℃で長さ12mm→10mm、1000℃で長さ10mm→8mm、900℃で長さ8mm→6mmにそれぞれ圧下する。ついで、試験片を、900℃から各試験温度まで30℃/秒で冷却し、各試験温度で3600秒保持して、試験を終了する。なお、試験中は、連続的に試験片の長さ方向の変位を測定する。
ついで、横軸を試験温度に到達してからの時間:t(秒)、縦軸を試験片の長さ(mm)として、DILATと呼ばれる試験片の長さ方向の変化曲線を作成する。そして、変態開始前の試験片の長さをX1、変態終了後の試験片の長さをX2として、DILATを次式により近似する。
そして、上掲式により、時刻tにおけるfの値(変態率f)を導出する。ここで、変態率fが0.02となる時点を変態開始時点と、変態率fが0.98となる時点を変態終了時点と定義し、各試験温度における変態開始時点の時刻(横軸を試験温度に到達してからの時間)と、変態終了時点の時刻(横軸を試験温度に到達してからの時間)を特定する。また、上記の試験後、各試験片をナイタールなどでエッチングし、光学顕微鏡で組織撮影をすることによって、変態の種類(パーライト変態、ベイナイト変態、または、マルテンサイト変態)を確認する。
ついで、横軸を試験温度に到達してからの時間をt(秒)、縦軸を温度(℃)として、各試験温度で得られた変態開始時点の時刻と変態終了時点の時刻を、プロットすることにより、図1に示すようなパーライト変態開始曲線(Ps)およびベイナイト変態開始曲線(Bs)(必要であれば、パーライト変態終了曲線(Pf))を作成する。そして、パーライト変態開始曲線(Ps)とベイナイト変態開始曲線(Bs)の交点の温度を、Aとする。
・中間温度:A+30℃~A+200℃
上述したように、レール頭部表面からレールの交換基準位置近傍までの領域において、所望の硬度分布を得るには、上記の第1冷却工程においてA近傍まで急冷したのち、冷却を一旦停止または弱めて、復熱および変態発熱により、レール頭部表面の温度を上昇させることが重要である。
特に、中間温度がA+30℃未満になると、レール頭部表面近傍のパーライト変態を早期に終了させることができない。そのため、変態発熱により、後述の第2冷却工程において、第2の内部領域に相当する位置で十分な冷却速度が得られず、第2の内部領域の硬度を、第1の内部領域の硬度よりも高めることができなくなる。一方、中間温度がA+200℃を超えると、当該中間保持工程で第2の内部領域に相当する位置においても、パーライト変態が過度に進行して、第2の内部領域の硬度を、第1の内部領域の硬度よりも高めることができなくなる。
そのため、中間保持温度はA+30℃~A+200℃の範囲とする。中間保持温度は、好ましくはA+40℃~A+100℃の範囲である。
・第2冷却工程における平均冷却速度:0.5~20℃/s
第2の内部領域の硬度を、第1の内部領域の硬度よりも高めるには、上記の中間保持後、急冷を行って、第2の内部領域で高硬度のパーライト組織を形成することが重要である。そのため、第2冷却工程における平均冷却速度は、0.5℃/s以上とする。第2冷却工程における平均冷却速度は、好ましくは、1.0℃/s以上である。一方、第2冷却工程における平均冷却速度が20℃/sを超えると、第1の内部領域や第2の内部領域でベイナイトやマルテンサイトが多量に生成して、耐摩耗性や耐疲労損傷性が低下する。そのため、第2冷却工程における平均冷却速度は20℃/s以下とする。第2冷却工程における平均冷却速度は、好ましくは5℃/s以下である。
第2の内部領域で十分な量の高硬度のパーライト組織を形成する観点から、第2冷却工程における冷却時間は10秒以上とする。第2冷却工程における冷却時間は、好ましくは150秒以上である。なお、第2冷却工程における冷却時間の上限は特に限定されるものではないが、300秒とすることが好ましい。
なお、第2冷却停止温度の下限は特に限定されるものではないが、300℃以下まで冷却を行っても25mm深さ位置は既に変態しているため、硬度に与える実質的な影響はない。よって、リードタイムや冷却媒体噴射コストなどを考慮すると、第2冷却停止温度の下限は300℃程度とすることが好ましい。
ついで、鋳造した鋼素材を、加熱炉にて1100℃以上の温度に再加熱し、ついで、加熱炉より搬出して、断面形状が最終のレール形状(AREMA規格の141ポンドレール)となるように、ブレイクダウン圧延機、粗圧延機及び仕上げ圧延機により、熱間圧延して、レールとした。
ついで、得られたレールを、熱処理装置に搬送して、表2に示す条件で冷却した。なお、表1の鋼種ごとに、事前にTTT図を作成してA(℃)を求めた。鋼種ごとのAを、表2に併記する。なお、TTT図の作成に際しては、等温保持温度を10℃ずつ変化させた。
ついで、レールを、熱処理装置から搬出テーブルへ取り出して、冷却床へと搬送し、冷却床で50℃となるまで冷却した。ついで、レールを、ローラー矯正した。
なお、製造したレールから、所定の試験片を作成し、上述した方法により鋼組織の観察を行ったところ、発明例ではいずれも、レール頭部表面から深さ:24.0mmまでの領域において、パーライトを面積率で98%以上含む組織が得られていた。
一方、比較例では、レール頭部表面およびレールの内部で十分な硬度が得られないか、または、第2の内部領域において、第1の内部領域から連続的に硬度が低下していた。
Claims (6)
- 質量%で、
C :0.60~1.00%、
Si:0.10~1.50%、
Mn:0.20~1.50%、
P :0.035%以下、
S :0.035%以下および
Cr:0.20~2.00%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
レール頭部表面から深さ:16.0mmまでの領域における硬度分布において、
深さ:4.0~8.0mmの第1の内部領域における硬度の最小値をV1としたとき、該第1の内部領域よりも深い位置の第2の内部領域に、該V1よりも硬度の高い位置が存在し、かつ、
前記レール頭部表面の硬度がHBW400~520であり、前記レール頭部表面から深さ:16.0mmまでの領域における硬度の平均値がHBW350以上である、
レール。 - 質量%で、
C :0.60~0.85%、
Si:0.10~1.50%、
Mn:0.20~1.50%、
P :0.035%以下、
S :0.035%以下および
Cr:0.20~2.00%
を含有し、
さらに、
V :0.30%以下、
Cu:1.0%以下、
Ni:1.0%以下、
Nb:0.050%以下、
Mo:0.5%以下、
Al:0.07%以下、
W :1.0%以下、
B :0.005%以下、
Ti:0.05%以下および
Sb:0.5%以下
からなる群より選択される1種または2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
レール頭部表面から深さ:16.0mmまでの領域における硬度分布において、
深さ:4.0~8.0mmの第1の内部領域における硬度の最小値をV1としたとき、該第1の内部領域よりも深い位置の第2の内部領域に、該V1よりも硬度の高い位置が存在し、かつ、
前記レール頭部表面の硬度がHBW400~520であり、前記レール頭部表面から深さ:16.0mmまでの領域における硬度の平均値がHBW350以上である、
レール。 - 前記第2の内部領域の硬度の平均値をV2としたとき、該V2と前記V1の差であるV2-V1がHBW5以上である、請求項1または2に記載のレール。
- 前記V1よりも硬度の高い位置が、前記第2の内部領域にわたり存在する、請求項1~3のいずれかに記載のレール。
- 前記第2の内部領域における硬度が、前記レール頭部表面から深さ方向に向かって連続的に増加する、請求項1~4のいずれかに記載のレール。
- 請求項1~5のいずれかに記載のレールを製造するための方法であって、
請求項1または2に記載の成分組成を有する鋼素材に、熱間圧延を施してレールとし、
ついで、該レールを、平均冷却速度:1~20℃/sで、オーステナイト温度以上の温度から、A-25℃~A+25℃の第1冷却温度まで冷却し、
ついで、該レールの温度が、A+30℃~A+200℃の中間温度に到達するまで保持し、
ついで、該レールを、平均冷却速度:0.5~20℃/sで10秒以上冷却する、
レールの製造方法。
ここで、Aは、上記成分組成の鋼のTTT図におけるパーライト変態開始曲線とベイナイト変態開始曲線の交点の温度である。また、レールの温度および平均冷却速度はそれぞれ、レール頭部表面における温度および平均冷却速度である。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019114890 | 2019-06-20 | ||
JP2019114890 | 2019-06-20 | ||
PCT/JP2020/022743 WO2020255806A1 (ja) | 2019-06-20 | 2020-06-09 | レールおよびその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2020255806A1 JPWO2020255806A1 (ja) | 2021-09-13 |
JP7070697B2 true JP7070697B2 (ja) | 2022-05-18 |
Family
ID=74040471
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020554326A Active JP7070697B2 (ja) | 2019-06-20 | 2020-06-09 | レールおよびその製造方法 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20220307101A1 (ja) |
EP (1) | EP3988677A4 (ja) |
JP (1) | JP7070697B2 (ja) |
CN (1) | CN113966406B (ja) |
WO (1) | WO2020255806A1 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114774804B (zh) * | 2022-03-07 | 2023-09-15 | 江阴兴澄特种钢铁有限公司 | 一种600hb级热轧低成本耐磨钢板及其制造方法 |
CN115537651B (zh) * | 2022-08-30 | 2023-10-20 | 鞍钢股份有限公司 | 一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨及其生产方法 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003129181A (ja) | 2001-10-19 | 2003-05-08 | Nippon Steel Corp | 耐表面損傷性および靭性に優れた熱処理パーライト系レールおよびその製造法 |
JP2005171327A (ja) | 2003-12-11 | 2005-06-30 | Nippon Steel Corp | 耐表面損傷性および耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レールの製造方法およびレール |
JP2009263753A (ja) | 2008-04-28 | 2009-11-12 | Nippon Steel Corp | 高内部硬度レール |
US20140246130A1 (en) | 2009-12-14 | 2014-09-04 | Arcelormittal Investigacion Y Desarrollo, S.L. | Method of making a hypereutectoid, head hardened steel rail |
WO2014157252A1 (ja) | 2013-03-27 | 2014-10-02 | Jfeスチール株式会社 | パーライトレールおよびパーライトレールの製造方法 |
US20170349986A1 (en) | 2016-06-07 | 2017-12-07 | Colorado School Of Mines | Copper Containing Rail Steel |
Family Cites Families (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3731934B2 (ja) * | 1996-03-11 | 2006-01-05 | 新日本製鐵株式会社 | 高深度高強度レールの製造法 |
JP2000178690A (ja) * | 1998-03-31 | 2000-06-27 | Nippon Steel Corp | 耐摩耗性、耐内部疲労損傷性に優れたパ―ライト系レ―ルおよびその製造法 |
JP2000226636A (ja) * | 1999-02-04 | 2000-08-15 | Nippon Steel Corp | 耐摩耗性と耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レールおよびその製造方法 |
JP3513427B2 (ja) | 1999-05-31 | 2004-03-31 | 新日本製鐵株式会社 | 耐摩耗性、耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レールおよびその製造方法 |
JP4267267B2 (ja) * | 2002-07-10 | 2009-05-27 | 新日本製鐵株式会社 | 耐摩耗性および耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レールの熱処理方法 |
JP2006263753A (ja) * | 2005-03-22 | 2006-10-05 | Nissan Motor Co Ltd | 液圧成形方法と装置 |
JP5532789B2 (ja) * | 2008-09-25 | 2014-06-25 | Jfeスチール株式会社 | フラッシュバット溶接継手特性に優れた内部高硬度型パーライト鋼レールおよびその溶接方法 |
KR101263102B1 (ko) * | 2008-10-31 | 2013-05-09 | 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤 | 내마모성 및 인성이 우수한 펄라이트계 레일 |
US8980019B2 (en) * | 2010-06-07 | 2015-03-17 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Steel rail and method of manufacturing the same |
CN104884645B (zh) * | 2012-11-15 | 2018-09-11 | 安赛乐米塔尔研发有限公司 | 制造高强度起重机钢轨的方法 |
WO2015182759A1 (ja) | 2014-05-29 | 2015-12-03 | 新日鐵住金株式会社 | レールおよびその製造方法 |
-
2020
- 2020-06-09 WO PCT/JP2020/022743 patent/WO2020255806A1/ja active Application Filing
- 2020-06-09 CN CN202080043914.XA patent/CN113966406B/zh active Active
- 2020-06-09 US US17/596,437 patent/US20220307101A1/en active Pending
- 2020-06-09 EP EP20826602.3A patent/EP3988677A4/en active Pending
- 2020-06-09 JP JP2020554326A patent/JP7070697B2/ja active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003129181A (ja) | 2001-10-19 | 2003-05-08 | Nippon Steel Corp | 耐表面損傷性および靭性に優れた熱処理パーライト系レールおよびその製造法 |
JP2005171327A (ja) | 2003-12-11 | 2005-06-30 | Nippon Steel Corp | 耐表面損傷性および耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レールの製造方法およびレール |
JP2009263753A (ja) | 2008-04-28 | 2009-11-12 | Nippon Steel Corp | 高内部硬度レール |
US20140246130A1 (en) | 2009-12-14 | 2014-09-04 | Arcelormittal Investigacion Y Desarrollo, S.L. | Method of making a hypereutectoid, head hardened steel rail |
WO2014157252A1 (ja) | 2013-03-27 | 2014-10-02 | Jfeスチール株式会社 | パーライトレールおよびパーライトレールの製造方法 |
US20170349986A1 (en) | 2016-06-07 | 2017-12-07 | Colorado School Of Mines | Copper Containing Rail Steel |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPWO2020255806A1 (ja) | 2021-09-13 |
US20220307101A1 (en) | 2022-09-29 |
EP3988677A4 (en) | 2023-04-05 |
CN113966406A (zh) | 2022-01-21 |
WO2020255806A1 (ja) | 2020-12-24 |
CN113966406B (zh) | 2022-09-16 |
EP3988677A1 (en) | 2022-04-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5892289B2 (ja) | パーライトレールの製造方法 | |
US20190338402A1 (en) | Method for manufacturing railway vehicle wheel | |
JP4824141B2 (ja) | 耐摩耗性および靭性に優れたパーライト系レール | |
JP6872616B2 (ja) | 耐水素誘起割れ性に優れた圧力容器用鋼材及びその製造方法 | |
US20040187981A1 (en) | Pealite base rail excellent in wear resistance and ductility and method for production thereof | |
CN104884645B (zh) | 制造高强度起重机钢轨的方法 | |
RU2676374C1 (ru) | Рельс | |
JP7070697B2 (ja) | レールおよびその製造方法 | |
JP5267306B2 (ja) | 高炭素鋼レールの製造方法 | |
JP6769579B2 (ja) | レールおよびその製造方法 | |
CN105102659A (zh) | 氮化处理用钢板及其制造方法 | |
US20210395847A1 (en) | Rail and method of manufacturing rail | |
JP5326343B2 (ja) | 高内部硬度レールの製造方法 | |
JP2007291413A (ja) | 耐摩耗性および延性に優れたパーライト系レールの製造方法 | |
CN113453812B (zh) | 燃料喷射管用钢管及使用其的燃料喷射管 | |
JP6064515B2 (ja) | レール | |
CN113557312B (zh) | 钢轨 | |
JP6137043B2 (ja) | レールの製造方法 | |
JP7063400B2 (ja) | レール及びその製造方法 | |
WO2022004247A1 (ja) | 耐疲労き裂伝播特性に優れるレールおよびその製造方法 | |
WO2024121606A1 (en) | Forged and hot rolled steel and a method of manufacturing thereof | |
JP2001059138A (ja) | 熱膨張の少ない耐摩耗性に優れたレール | |
JPH06279925A (ja) | 耐ころがり疲労損傷性に優れた高強度レールおよびその製造法 | |
JPH06279929A (ja) | 靭性および延性に優れた高強度レールおよびその製造法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20201002 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20211019 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20211122 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20220405 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220418 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7070697 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |