JPH02282426A - 脆性き裂進展特性の優れたレールの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は脆性き裂進展特性の優れたレールの製造方法に
関するものである。

［従来の技術］ １９８３年、米国テキサス州で、レールの脆性破壊から
列車が脱線し死亡者を出す事故にまで発展した。本事故
の主原因はレール補修上に問題があったものの、レール
腹部に発生した脆性き製がレール腹部を約Ｉｏｎに渡っ
て進展し、き裂はレール頭部側へも進展してレール頭部
が欠損したために列車脱線事故に発展したためと解析さ
れた。本事故を契機に、米国鉄道協会はレールの脆性き
裂進展特性について注目し、レールの脆性き裂進展試験
法を規定しようとする動きにある。そして、レールの脆
性き裂進展特性をレール使用性能の重要な特性の１つと
して提示を求めてきている。

そこで発明者らは現在使用している各種レールについて
、米国鉄道協会の推奨する試験法でレールの腹部脆性き
裂進展特性の調査を行った。その結果、一部の熱処理レ
ールをのぞいて殆んどのレールは第１図（ｂ）に例示す
るように、脆性き裂はレールの腹部の中央を真っ直ぐに
進展するか、あるいはレール頭部側へ進展してレール頭
部が欠損する形態をとることが分かり、脆性き裂の進展
形態を改善する必要があることが判明した。レール腹部
の脆性き裂は理想的には進展しないことが望ましいが、
高炭素鋼であるレールでは脆性き裂の進展は避けられな
いので、脆性き裂が進展する場合、その進展はできるだ
け短く、しかもレール底部側へ進展することがレールの
最も望ましい脆性き裂進展特性であると考えられる。

［発明が解決しようとする課題］ そこで発明者らはレール腹部の脆性き裂進展特性を最も
望ましい形態に改善するために、まず、レール腹部の脆
性き裂の進展を支配する主因子は何か、どうして脆性き
裂が腹部の中央を真っ直ぐあるいはレール頭部側へ進展
するかについて諸検討を行った。その結果、レール腹部
の脆性き裂進展特性は主にレールに存在する残留応力に
大きく影響されることを明らかにした。即ち、脆性き裂
が腹部の中央を真っ直ぐに進展するレールおよび頭部側
へ進展するレールでは、第２図のようなレール頭部と底
部に引張残留応力（＋σｒ）、腹部中央に圧縮残留応力
（−ｏｒ）を示す分布を有することを明らかにし、この
場合、レール腹部中央に脆性き裂が発生した場合、レー
ルは頭部と底部の引張残留応力のために第２図のａのよ
うに変形して脆性き裂が真っ直ぐ、且つより長く進展し
たり、あるいはレール頭部と底部の引張残留応力の大き
さによって脆性き裂が頭部側へ進展したりすることが分
かった。したがってレール底部側へ脆性き裂を進展させ
るためにはレール中央から頭部側に圧縮残留応力、底部
側に引張残留応力を付与すれば良いことが分かった。

［課題を解決するための手段］ 本発明はこの知見に基づいてなされたもので、その要旨
は第１の発明の場合、圧延終了後の自己保有熱または外
部からの加熱により、Ａ、変態点以上の温度にあるレー
ル全体またはレール頭部からレールあご下を高圧の気体
または含水気体によってパーライト変態が終了するまで
冷却して微細パーライト組織を得て高強度化し、レール
耐摩耗性および耐疲労性を向上させ、その後レールあご
下から腹部中立軸までを急速冷却して該部に圧縮残留応
力を付与せしめてレール腹部の脆性き裂進展特性を改善
しようとするものである。

第２の発明では圧延ままレールあるいはすでに熱処理さ
れたレールを対象に、圧延終了後の自己保有熱または外
部からの加熱により、４００℃〜Ａ１変態点直下の温度
にあるレールのレールあご下部から腹部を急速冷却して
該部に圧縮残留応力を付与せしめてレール腹部の脆性き
裂進展特性を改善しようとするものである。

［作　　　用］ 以下に本発明について詳細に説明する。まず説明の便宜
上、第１図（ａ）によりレール各部の名称を述べる。１
の部分はレール頭部、２の部分はあご下、３の部分は腹
部、４の部分は底部である。５はレールの軸芯すなわち
中立軸である。

第１の発明は圧延終了後の自己保有熱または外部からの
加熱により、Ａ１変態点以上の温度にあるレール全体ま
たはレール頭部からレールあご下を高圧の気体または含
水気体によってパーライト変態が終了するまで冷却し、
その後レールあご下から腹部中立軸までを急速冷却する
ことを特徴とする脆性き裂進展特性の優れたレールの製
造法である。

本発明において、まず冷却開始前の温度をＡ、変態点以
上に設定する理由は、被冷却部をオーステナイト状態か
ら急冷してパーライト変態させ、微細パーライト組織を
得て高強度化してレールの耐摩耗性および耐疲労性を付
与するためであり、そのためには冷却開始前にＡ１変態
点以上に保ってオーステナイト状態とする必要がある。

圧延終了後の自己保有熱によらず、外部からの加熱によ
りＡ、変態点以上とする場合、最高加熱温度は１３００
℃以下とすることが望ましい。すなわち１３００℃を越
えるような温度に加熱すると結晶粒が粗大化して延性が
低下し、また焼割れが発生し易くなり、レールの耐久性
が損なわれるからである。さらにこの場合レールの加熱
範囲はレール全体の耐久性の観点からレール全体が望ま
しいが、レール頭部からレールあご下の範囲でもレール
の耐摩耗性および耐疲労性は充分に向上する。なお、上
記温度範囲に加熱するには火焔あるいは高周波誘導加熱
等を使用することができる。

高圧の気体または含水気体によってパーライト変態が終
了するまで冷却するのは、これらの冷媒で冷却すること
によって微細パーライト組織を得るためである。これら
の冷媒より冷却速度が早い冷媒を用いると、マルテンサ
イトが発生して被加熱部脆化し、逆に冷却速度の遅い冷
媒の場合、あるいは単なる空冷では、微細パーライト組
織を得ることができず、高強度化されない。

微細パーライト組織を得て高強度化するのは、最も良好
な耐摩耗性を得るためと、高強度化により高い疲労強度
を得るためである。

パーライト変態終了後急速冷却する理由は、できるだけ
大きい圧縮残留応力を得るためである。なお、この場合
、室温まで急冷しても良いが、約２００℃位まで急冷し
、その後放冷してもかまわない、レールあご下から頭部
に圧縮残留応力を付与すると、レール底部側には引張残
留応力が発生するので、レール腹部に脆性き裂が発生し
た場合レール底部に引張残留応力が存在しているので、
レール底部側が開口するように変形し、き裂はレール底
部側へ直ちに進展することになる。なお、レール頭部の
圧縮残留応力はローラー矯正により引張残留応力に変化
するが、レールあご下からレール腹部には依然として圧
縮残留応力が残存すること、レール底部の引張残留応力
はローラー矯正によりさらに太きくなることにより、き
裂はやはりレール底部側に進展することになり、レール
あご下からレール腹部に圧縮残留応力を残存させること
がポイントとなる。

第２の発明は頭部硬化レールを、４００℃〜Ａ１変態点
直下の温度に加熱してレールのあご下から腹部中立軸ま
でを急速冷却することを特徴とする脆性ぎ裂進展特性の
優れたレールの製造法である。

本発明は圧延終了後の自己保有熱冷却過程で熱処理ある
いは圧延終了後再加熱して熱処理をしてレールの頭部表
面が硬質化された頭部硬化レールを対象にしたもので、
本発明において、まず急速冷却開始温度を４００℃〜Ａ
、変態点直下に設定する理由は、レールに組織変化を起
こさせることなくレールあご下から腹部中立軸に圧縮残
留応力を可及的に大きく、且つ容易に付与せしめてレー
ル腹部に発生した脆性き裂をレール底部側へ進展させる
に必要な温度範囲であって、　４００℃に満たない低い
温度では脆性き裂をレール底部側へ進展させるに必要な
充分な圧縮残留応力が得られない。その反対にＡ１変態
点を越える高い温度では急速な冷却によってマルテンサ
イト組織を生成させたり、既に熱処理されたレールの場
合は再加熱による熱影響が生成したりしてレールの脆化
を高めることになる。

冷却の範囲をレールあご下から腹部中立軸までに限定す
る理由はレールあご下から腹部中立軸に大きな圧縮残留
応力を発生させ、これとバランスする引張残留応力を腹
部中立軸からレール底部側に発生させて、腹部に発生し
た脆性き裂をレール底部側に進展させるためである。な
おレール頭部についても冷却してもかまわないが、レー
ル頭部の残留応力はその後のローラー矯正で引張残留応
力に変化するので冷却の意味がない。

急速冷却する理由は急速冷却に基づく熱ひずみにより発
生する圧縮残留応力をできるだけ大きくするためであり
、水冷の如き大きな冷却能を有する冷媒が望ましい。こ
の場合、室温まで急冷しても良いが、約２００℃まで急
冷し、その後放冷してもかまわない。

なおレールは、レール全体を加熱する必要がある。レー
ルあご下から腹部中立軸の範囲のみを加熱すると、レー
ル頭部および底部は室温のため剛性が大きくレールあご
下から腹部中立軸の範囲の加熱によって変形しないが、
加熱部のレールあご下から腹部中立軸の範囲は加熱によ
って熱膨張する。しかし、レール頭部および底部が変形
しないためレールあご下から腹部中立軸の範囲の熱膨張
は圧縮の塑性変形になる。

そして、その後の急速冷却によって収縮するので、レー
ルあご下から腹部中立軸の範囲には弓張残留応力を生成
してしまうことになる。

加熱は火焔あるいは高周波誘導等を使用することができ
る。

上記のような本発明法を施したレールはレール中立軸か
ら頭部側にかけて圧縮残留応力が存在しており、レール
底部側は逆に引張残留応力が発生しているので、レール
腹部に発生した脆性き裂は直ちに引張残留応力の存在し
ているレール底部側へ進展し、レールの底部の一部が欠
損するのみで列車が脱線することのない脆性き農道展特
性の優れたレールである。

［実施例及び発明の効果］ つぎに本発明の一実施例を述べる。

第１の発明の場合、実験に用いたレールは炭素鋼成分系
のＡＲＥＡ　１３６１ｂのレールである。圧延終了後的
９００’Ｃにあるレール全体を、高圧の空気によりパー
ライト変態が終了する　５７０を位まで冷却し、その後
レールあご下から腹部中立軸の範囲を水に浸漬して室温
まで急速冷却を行った。その結果、第１表中に示す如く
本発明レールはレール全体が高強度化し、さらに腹部か
らレールあご下に大きな圧縮残留応力が付与されている
。本発明レールの熱処理ままおよびローラー矯正したも
のについて、米国鉄道協会の推奨する試験法によりレー
ル腹部脆性き農道展特性を調査した。その結果、第１表
中に示すようにいずれの本発明レールも従来のレールに
比較して脆性き農道展長さが短く、腹部脆性き裂はすぐ
にレール底部側に進展して、本発明レールは脆性き農道
展特性が優れていることが分かる。

第２の発明の場合、実験に用いたレールは第１の発明の
場合と同様、炭素鋼成分系のＡＲＥＡ１３６１ｂのレー
ルである。レール全体を高周波誘導加熱により　６５０
℃に加熱し、その後レールあご下から腹部中立軸の範囲
を水中に浸漬して室温まで急冷した。その結果、第１表
中に示す如く本発明レールは硬さは従来レールと変わら
ないが、レール腹部からあご下にかけて大きな圧縮残留
応力が付与されており、レール腹部脆性き農道展特性も
第１の発明のレールと同様に優れた特性を有することが
分かる。

なお、本発明レールの場合、第１の発明および第２の発
明いずれもレール底部に約２０ｋｇｆ／ｍ＋ｎ２の引張
残留応力が存在するが、この引張残留応力はローラー矯
正時に発生したもので従来レールにも見られるものであ
り、この引張残留応力が悪影響してレールが破損に至っ
た例は過去には見当たらない。従って、レール底部の引
張残留応力については特に懸念には及ばない。

以上の如く、本発明レールは脆性き農道展特性の優れた
レールである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明を説明するために使用したレール
各部の名称を説明するための図、（ｂ）はレール内き裂
進展方向を示す図、第２図はレール断面の応力状況とき
裂進展方向を示す図である。 １・・・レール頭部、　　　　２・・・あご下、３・・
・腹部、　　　　　　　４・・・底部、５・・・中立軸
。 他４名 （ａ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　圧延終了後の自己保有熱または外部からの加熱によ
   り、Ａ＿１変態点以上の温度にあるレール全体またはレ
   ール頭部からレールあご下を高圧の気体または含水気体
   によってパーライト変態が終了するまで冷却し、その後 レールあご下から腹部中立軸までを急速冷却することを
   特徴とする脆性き裂進展特性の優れたレールの製造方法
   。 ２　頭部硬化レールを４００℃〜Ａ＿１変態点直下の温
   度に加熱してレールのレールあご下から腹部中立軸まで
   を急速冷却することを特徴とする脆性き裂進展特性の優
   れたレールの製造方法。