JPH0433854B2 - - Google Patents

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JPH0433854B2
JPH0433854B2 JP13175587A JP13175587A JPH0433854B2 JP H0433854 B2 JPH0433854 B2 JP H0433854B2 JP 13175587 A JP13175587 A JP 13175587A JP 13175587 A JP13175587 A JP 13175587A JP H0433854 B2 JPH0433854 B2 JP H0433854B2
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JP
Japan
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cooling
rail
heat treatment
temperature
water
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JP13175587A
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Japanese (ja)
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JPS63297523A (en
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Toyokazu Teramoto
Teruo Fujibayashi
Ichiro Nakauchi
Masahiro Ueda
Shinichi Nagahashi
Keiji Okamoto
Juzo Kato
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JFE Engineering Corp
Original Assignee
Nippon Kokan Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20Recycling

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  • Heat Treatment Of Articles (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

〔産業上の利用分野〕 この発明は、レールの熱処理方法、特に、不均
一冷却による硬度のばらつきをなくし且つ熱処理
設備中の空気源設備を小形化できるレールの熱処
理方法に関するものである。 〔従来の技術〕 鉄道車両の重量増に伴う高軸荷重化や高速輸送
に伴つて、レールの摩耗が切実な問題となつてお
り、耐摩耗性を備えた高強度レールの供給が要望
されてきている。良く知られているように、レー
ルの摩耗部分は、レールの頭部上面および内側面
である。従つて、少なくともレール頭部の表層部
分の組織を微細パーライト組織とする必要があ
る。 この微細パーライト組織を得る熱処理方法とし
ては、第1図に示すように、主として冷却停止温
度を制御して変態温度に保持する恒温変態熱処理
と、主として冷却速度を制御して冷却を行う連続
冷却変態熱処理とがある。 冷却媒体として、衝風、噴霧水、気水混合物、
沸騰水、蒸気、溶融塩等を使用した熱処理方法
が、特開昭54−148124号公報、特開昭54−147124
号公報、特開昭57−85929号公報、特開昭59−
133322号公報、特開昭61−149436号公報等に開示
されている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかし、これらの熱処理方法は、次のような問
題を有している。 (1) 衝風による熱処理: 衝風冷却によれば均一冷却が行なえるが、そ
の冷却能力は、例えは、噴霧水による場合に比
べて小さい。従つて、耐摩耗性および強度向上
のためには、合金元素を添加する必要がある
が、レールの製造コストが上昇する。そこで、
衝風冷却用ノズルをレール表面に接近させて設
置し、ここから大量の圧縮空気をレール表面に
噴射し、これによつて、所望の冷却能力を確保
する方法があるが、圧延後のオンライン熱処理
では長い冷却域を必要とするので、空気源設備
が大形化し、設備的に不利となる。 (2) 水または気水混合物の噴霧による熱処理: これらの冷媒の冷却能力は、衝風の場合に比
べて大幅に優れている。水の冷却能力の一例と
して、鋼片を水量密度200〜1000/min・m2
で冷却した場合の、鋼片の表面温度と熱伝達係
数との関係を第2図に示すが、鋼片の表面温度
が低温になるほど熱伝達係数が増し、即ち、冷
却能力が増し、200〜350℃で最大となる。これ
は冷却水が核沸騰することによるものである。
噴霧水によつてレール表面を冷却すると、圧延
時および熱処理時にレール表面に発生したスケ
ールを核として、冷却水が核沸騰に遷移する。
この局所的な核沸騰によりこの部分の温度が急
激に降下し、これよつて、マルテンサイト組織
やベイナイト組織が発生して、レール頭部の硬
度のばらつきをもたらす。冷却能の水の噴霧量
によつて調節されるが、噴霧量の低下ととも
に、冷却の均一性の維持が困難となる。気水混
合物の噴霧の場合には、冷却の不均一性の問題
のみならず、かなりの量の空気が必要で、衝風
冷却に類似した問題点もまた有している。 (3) 沸騰中にレール頭部を浸漬することによる熱
処理: レール頭部に蒸気膜を形成し、この蒸気膜を
介して所望の冷却能力を得るものであるが、均
一に蒸気膜を形成し且つ維持していくことが不
可能に近く、現実的な方法ではない。 (4) 蒸気の噴射による熱処理: 衝風冷却に比べて冷却能力は大きいが、微細
パーライト組織を得るには、やはり大量の蒸気
を必要とし、設備的に不利である。 (5) 溶融塩浴中にレール頭部を浸漬することによ
る熱処理: これは冷却速度の制御、冷却の均一性の点で
問題はないが、熱処理後のレール表面に付着す
る溶融塩の除去装置が必要であり且つレール頭
部への溶融塩の付着量が多い。従つて、熱処理
設備およびランニングコスト面で不利である。 上記刊行物に開示された熱処理方法の中で、例
えば、特開昭54−147124号公報に開示された熱処
理方法は、前述した2つの熱処理方法のうちの恒
温変態熱処理方法であるが、この方法は、変態終
了を完全にする必要性から、長時間高温に保持さ
れるためには、自己焼鈍による軟化現象が起こり
やすく、好ましくない。 従つて、この発明の目的は、熱処理に必要な空
気源設備を小型化でき且つ硬度のばらつきをなく
して、レールの頭部組織を微細パーライト組織に
するための、レールの熱処理方法を提供すること
にある。 〔問題点を解決するための手段〕 この発明は、レール頭部に連続冷却変態熱処理
を施して、前記レール頭部の組織を微細パーライ
ト組織にするに際して、前記レール頭部を噴霧水
によつて冷却し、続いて、前記レール頭部を衝風
冷却し、噴霧水による冷却から衝風冷却に切り替
える温度を500℃以上、パーライト変態開始温度
未満の範囲内に限定し、そして、前記噴霧水によ
る冷却ゾーンの前後に、前記レール頭部上面上へ
の冷却水の滞留防止を図るための水切り用ノズル
を設けることに特徴を有するものである。 この発明において、熱処理方法を第1図に示す
連続冷却変態熱処理方法に限定したのは、この熱
処理方法は、変態処理後も速やかにレールを冷却
することができるからである。これに対して、恒
温変態熱処理方法は、前述したように、変態終了
後、自己軟化焼鈍現象が起るので好ましくない。 この発明において、レール頭部の冷却を水噴霧
冷却から衝風冷却に切り替える温度を500℃以上
とした理由について説明する。 第3図に、C:0.77%、Si:0.25%、Mn:0.85
%、P:0.016%、S:0.007%(以上重量%)を
含有するレールを、連続冷却変態熱処理したとき
の、Ac3点からの冷却時間と金属組織および硬度
との関係を示す。 第3図から明らかなように、パーライト組織と
するには、11℃/sec以下の冷却速度でオーステ
ナイト化温度以上から変態点温度以下まで、冷却
する必要がある。 また、熱処理後の自己軟化焼鈍を防止するに
は、第4図に示すように、復熱最高温度が450℃
以下になるように冷却する必要がある。なお、第
4図は、C:0.77%、Si:0.25%、Mn:0.86%、
P:0.017%、S:0.008%(以上重量%)を含有
する公知の鋼からなるレールを、冷却速度4.8
℃/secで冷却したときの、復熱温度と引張強さ
から換算した硬さおよびレール頭部下5mmの強度
との関係を示したグラフである。 そこで、長さ500mmの136ポンド/ヤードレール
の試験片(C:0.75%、Si:0.24%、Mn:0.90
%、P:0.016%、S:0.008%以上重量%)の頭
部上表面から5mmの位置に熱電対を取り付け、こ
の試験片を900℃に加熱し、この後、試験片を往
復移動可能な台車に乗せて、レール温度が800℃
になるまで、レールを大気放冷し、この後、第5
図A,Bに示すように、冷却ゾーン(図中−
間)を、レール1の頭部上方および両側に設けら
水冷用ノズル2からの噴霧水による冷却速度が
2、5、10℃/secとなるように、レール1を乗
せた台車(図示せず)を往復移動させてレール1
を冷却し、そして、この冷却を種々の時間で停止
して、その後のレール1の復熱温度を調べた。な
お、第5図Aに示すように、水冷用ノズル2から
の噴霧水による冷却ゾーンの前後には、1対の水
切り用ノズル4が垂直に設けられており、水冷用
ノズル2からの水がレール1の頭部上面上に滞留
することを防止し、かくして、レール頭部の不均
一冷却および過冷却が防止される。このときの冷
却条件を第1表に示す。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a rail heat treatment method, and particularly to a rail heat treatment method that can eliminate variations in hardness due to non-uniform cooling and downsize the air source equipment in the heat treatment equipment. [Conventional technology] Rail wear has become an urgent problem as railway vehicles have become heavier, with higher axle loads and faster transportation, and there has been a demand for the supply of high-strength rails with wear resistance. ing. As is well known, the wear parts of a rail are the top surface and inside surface of the rail. Therefore, it is necessary that at least the surface layer of the rail head has a fine pearlite structure. As shown in Figure 1, the heat treatment methods for obtaining this fine pearlite structure include isothermal transformation heat treatment, which mainly controls the cooling stop temperature and maintains the transformation temperature, and continuous cooling transformation, which mainly controls the cooling rate to perform cooling. There is heat treatment. As a cooling medium, blast air, spray water, air-water mixtures,
Heat treatment methods using boiling water, steam, molten salt, etc. are disclosed in JP-A-54-148124 and JP-A-54-147124.
Publication No. 1985-85929, Japanese Patent Publication No. 1987-85929
It is disclosed in JP-A No. 133322, JP-A-61-149436, etc. [Problems to be Solved by the Invention] However, these heat treatment methods have the following problems. (1) Heat treatment using air blast: Uniform cooling can be achieved by air blast cooling, but its cooling capacity is smaller than, for example, when using water spray. Therefore, in order to improve wear resistance and strength, it is necessary to add alloying elements, but this increases the manufacturing cost of the rail. Therefore,
There is a method of installing a blast cooling nozzle close to the rail surface and injecting a large amount of compressed air onto the rail surface to ensure the desired cooling capacity, but online heat treatment after rolling is not possible. Since this requires a long cooling area, the air source equipment becomes large, which is disadvantageous in terms of equipment. (2) Heat treatment by spraying water or air-water mixtures: The cooling capacity of these refrigerants is significantly superior to that of blast air. As an example of the cooling capacity of water, a steel billet with a water density of 200 to 1000/min・m 2
Figure 2 shows the relationship between the surface temperature of the steel slab and the heat transfer coefficient when the steel slab is cooled at Maximum at 350℃. This is due to nucleate boiling of the cooling water.
When the rail surface is cooled by spray water, the cooling water transitions to nucleate boiling, with scale generated on the rail surface during rolling and heat treatment as nuclei.
This local nucleate boiling causes the temperature in this part to drop rapidly, and as a result martensitic and bainite structures are generated, resulting in variations in the hardness of the rail head. The cooling capacity is controlled by the amount of water sprayed, but as the amount of sprayed water decreases, it becomes difficult to maintain cooling uniformity. In the case of atomization of air-water mixtures, not only is the problem of non-uniform cooling, but also a considerable amount of air is required and problems similar to blast cooling. (3) Heat treatment by immersing the rail head in boiling water: A steam film is formed on the rail head and the desired cooling capacity is obtained through this steam film, but the steam film is not uniformly formed. Moreover, it is almost impossible to maintain it and is not a realistic method. (4) Heat treatment by steam injection: Although the cooling capacity is greater than blast cooling, it still requires a large amount of steam to obtain a fine pearlite structure, which is disadvantageous in terms of equipment. (5) Heat treatment by immersing the rail head in a molten salt bath: This poses no problem in terms of cooling rate control and cooling uniformity, but it requires a device to remove the molten salt that adheres to the rail surface after heat treatment. This requires a large amount of molten salt to adhere to the rail head. Therefore, it is disadvantageous in terms of heat treatment equipment and running costs. Among the heat treatment methods disclosed in the above-mentioned publications, for example, the heat treatment method disclosed in JP-A-54-147124 is a constant temperature transformation heat treatment method of the two heat treatment methods mentioned above. Since it is necessary to complete the transformation, the steel is kept at a high temperature for a long time, which is undesirable because it tends to cause softening due to self-annealing. Therefore, an object of the present invention is to provide a rail heat treatment method that can reduce the size of the air source equipment necessary for heat treatment, eliminate variations in hardness, and turn the head structure of the rail into a fine pearlite structure. It is in. [Means for Solving the Problems] The present invention provides continuous cooling transformation heat treatment to the rail head to transform the structure of the rail head into a fine pearlite structure, by spraying the rail head with spray water. Then, the rail head is blast-cooled, and the temperature at which cooling is switched from spray water cooling to blast cooling is limited to a range of 500°C or higher and below the pearlite transformation starting temperature, and The present invention is characterized in that draining nozzles are provided before and after the cooling zone to prevent cooling water from accumulating on the upper surface of the rail head. In this invention, the heat treatment method is limited to the continuous cooling transformation heat treatment method shown in FIG. 1 because this heat treatment method allows the rail to be quickly cooled even after the transformation treatment. On the other hand, the isothermal transformation heat treatment method is not preferable because, as described above, a self-softening annealing phenomenon occurs after the transformation is completed. In this invention, the reason why the temperature at which the cooling of the rail head is switched from water spray cooling to blast cooling is set to 500° C. or higher will be explained. Figure 3 shows C: 0.77%, Si: 0.25%, Mn: 0.85
%, P: 0.016%, S: 0.007% (weight %) is subjected to continuous cooling transformation heat treatment, and shows the relationship between the cooling time from Ac 3 points, metal structure, and hardness. As is clear from FIG. 3, in order to form a pearlite structure, it is necessary to cool from above the austenitization temperature to below the transformation point temperature at a cooling rate of 11° C./sec or less. In addition, in order to prevent self-softening annealing after heat treatment, the maximum recuperation temperature must be 450℃ as shown in Figure 4.
It must be cooled to below. In addition, Fig. 4 shows C: 0.77%, Si: 0.25%, Mn: 0.86%,
A rail made of known steel containing P: 0.017% and S: 0.008% (or more by weight) was cooled at a cooling rate of 4.8%.
It is a graph showing the relationship between the recuperation temperature, the hardness calculated from the tensile strength, and the strength 5 mm below the rail head when cooling at a rate of °C/sec. Therefore, a test piece of 136 lb/yard rail with a length of 500 mm (C: 0.75%, Si: 0.24%, Mn: 0.90
%, P: 0.016%, S: 0.008% or more by weight), a thermocouple was attached at a position 5 mm from the upper surface of the head, and the test piece was heated to 900°C. After this, the test piece could be moved back and forth. When placed on a trolley, the rail temperature reaches 800℃.
The rail is left to cool in the atmosphere until
As shown in Figures A and B, the cooling zone (-
A trolley (not shown) on which the rail 1 is mounted is set so that the cooling rate by spray water from the water cooling nozzle 2 provided above and on both sides of the rail 1 is 2, 5, 10°C/sec. ) to move back and forth to rail 1.
was cooled, and this cooling was stopped at various times, and the subsequent recuperation temperature of the rail 1 was investigated. As shown in FIG. 5A, a pair of draining nozzles 4 are vertically provided before and after the cooling zone sprayed with water from the water cooling nozzle 2, so that the water from the water cooling nozzle 2 is sprayed vertically. Retention on the upper surface of the head of the rail 1 is prevented, thus preventing uneven cooling and overcooling of the rail head. The cooling conditions at this time are shown in Table 1.

【表】 第6図A,B,Cに、冷却時間と冷却停止後の
レール表面の復熱最高温度との関係を示す。 第6図A,B,Cから明らかなように、冷却速
度に応じて、レール表面の復熱最高温度がある温
度から大きくばらつくことがわかる。 次に、上述した試験条件に従つて、冷却停止時
のレール表面温度とレール復熱最高温度との関係
を、計算機によつて求めた。この結果を第7図に
示す。 第6図および第7図からわかるように、レール
表面の復熱最高温度にばらつきが生じるのは、レ
ール表面温度が500℃に達した時である。従つて、
この発明においては、レール頭部の冷却媒体とし
て、レールの頭部表面温度が高い領域で噴霧水を
使用し、少なくとも頭部表面温度が530℃になる
までに噴霧水の使用を停止し、その後、空気を使
用して安定した冷却を行なう。 次に、この発明の実施例について説明する。 長さ500mmの136ポンド/ヤード・レールの試験
片(C:0.76%、Si:0.25%、Mn:0.91%、P:
0.017%、S:0.007%、以上重量%)の頭部上表
面から5mmの位置に熱電対を取り付け、この試験
片を800℃に加熱し、この後、試験片を往復移動
可能な台車に乗せて、第8図A,B,Cに示すよ
うに、冷却ゾール(図中−間)を往復移動さ
せて、レール1の頭部上方および両側に設けた水
冷用ノズル2からの噴霧水によつて、レール表面
温度が510℃になるまで冷却し、引続き、衝風冷
却ゾーン(図中−間)を往復移動させて、レ
ール1の頭部上方および両側に設けた空冷用ノズ
ル3からの空気によつて、レール表面温度が215
℃になるまで空冷した。このときの復熱最高表面
温度は、340℃であつた。第2表に、冷却条件を
示す。
[Table] Figures 6A, B, and C show the relationship between the cooling time and the maximum recuperation temperature on the rail surface after cooling has stopped. As is clear from FIGS. 6A, B, and C, it can be seen that the maximum recuperation temperature on the rail surface varies greatly from a certain temperature depending on the cooling rate. Next, according to the test conditions described above, the relationship between the rail surface temperature at the time of cooling stop and the rail recuperation maximum temperature was determined using a computer. The results are shown in FIG. As can be seen from FIGS. 6 and 7, variations in the maximum recuperation temperature on the rail surface occur when the rail surface temperature reaches 500°C. Therefore,
In this invention, spray water is used as a cooling medium for the rail head in an area where the rail head surface temperature is high, and the use of spray water is stopped until the head surface temperature reaches at least 530°C, and then , stable cooling using air. Next, embodiments of the invention will be described. 500 mm long 136 lb/yd rail specimen (C: 0.76%, Si: 0.25%, Mn: 0.91%, P:
Attach a thermocouple at a position 5 mm from the upper surface of the head of 0.017%, S: 0.007%, or more (weight%), heat this test piece to 800°C, and then place the test piece on a trolley that can reciprocate. Then, as shown in FIG. 8A, B, and C, the cooling sol (between the two sides of the figure) is moved back and forth to spray water from the water cooling nozzles 2 provided above and on both sides of the rail 1. Then, the rail is cooled until the surface temperature reaches 510°C, and then the blast cooling zone (between the middle and the middle of the figure) is moved back and forth, and the air from the air cooling nozzles 3 provided above and on both sides of the head of the rail 1 is cooled. The rail surface temperature is 215
Air cooled to ℃. The maximum recuperation surface temperature at this time was 340°C. Table 2 shows the cooling conditions.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように、この発明によれば、レー
ル頭部を、例えば噴霧水のみによつて熱処理する
場合に比べて、均一冷却されるので硬度のばらつ
きが小さく、しかも、レール頭部を衝風冷却のみ
によつて熱処理する場合に比べて使用空気量が少
ないので、空気源設備が小型化でき、且つ、ラン
ニングコストも低減できる等種々の有用な効果が
もたらされる。
As explained above, according to the present invention, the rail head is uniformly cooled compared to the case where the rail head is heat-treated using only spray water, so the variation in hardness is small, and the rail head is exposed to blasts. Since the amount of air used is smaller than when heat treatment is performed by cooling only, various useful effects such as the ability to downsize the air source equipment and reduce running costs are brought about.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、恒温変態熱処理および連続冷却変態
熱処理における時間と温度との関係を示すグラ
フ、第2図は、水量密度をパラメーターとしたと
きの熱伝達係数と表面温度との関係を示すグラ
フ、第3図は、連続冷却変態熱処理の冷却速度と
金属組織および硬度との関係を示すグラフ、第4
図は、引張強さから換算した硬さおよび頭部下5
mmの強度と復熱温度との関係を示すグラフ、第5
図Aは、レール試験片の冷却方法を示す正面図、
同B図は、第5図AのA−A視図、第6図A〜C
は、復熱最高温度と冷却時間との関係を示すグラ
フ、第7図は、冷却速度をパラメーターとしたと
きの復熱最高温度と冷却停止時のレール表面温度
との関係を示すグラフ、第8図Aは、この発明の
冷却方法を示す正面図、同B図は、第8図AのA
−A視図、同C図は、第8図AのB−B視図、第
9図は、ビツカース硬度とレール表面からの距離
との関係を示すグラフ、第10図は、レール表面
下20mmのビツカース硬度とレール長手方向位置と
の関係を示すグラフである。 図面において、1……レール、2……水冷用ノ
ズル、3……空冷用ノズル、4……水切り用ノズ
ル。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between time and temperature in isothermal transformation heat treatment and continuous cooling transformation heat treatment, and FIG. 2 is a graph showing the relationship between heat transfer coefficient and surface temperature when water volume density is used as a parameter. Figure 3 is a graph showing the relationship between cooling rate, metal structure and hardness in continuous cooling transformation heat treatment;
The figure shows hardness converted from tensile strength and 5 below the head.
Graph showing the relationship between the strength of mm and the recuperation temperature, 5th
Figure A is a front view showing the cooling method of the rail test piece;
Figure B is a view from A-A in Figure 5A, and Figures 6A to C.
7 is a graph showing the relationship between maximum recuperation temperature and cooling time, FIG. 7 is a graph showing the relationship between maximum recuperation temperature and rail surface temperature at cooling stop when cooling rate is used as a parameter, Figure A is a front view showing the cooling method of the present invention, and Figure B is A of Figure 8A.
-A view and C are B-B views of Figure 8A, Figure 9 is a graph showing the relationship between Vickers hardness and distance from the rail surface, and Figure 10 is 20 mm below the rail surface. 3 is a graph showing the relationship between the Vickers hardness of the rail and the position in the longitudinal direction of the rail. In the drawings, 1...Rail, 2...Water cooling nozzle, 3...Air cooling nozzle, 4...Draining nozzle.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 レール頭部に連続冷却変態熱処理を施して、
前記レール頭部の組織を微細パーライト組織にす
るに際して、前記レール頭部を噴霧水によつて冷
却し、続いて、前記レール頭部を衝風冷却し、噴
霧水による冷却から衝風冷却に切り替える温度を
500℃以上、パーライト変態開始温度未満の範囲
内に限定し、そして、前記噴霧水による冷却ゾー
ンの前後に、前記レール頭部上面上への冷却水の
滞留防止を図るための水切り用ノズルを設けるこ
とを特徴とする、レールの熱処理方法。
1. Apply continuous cooling transformation heat treatment to the rail head,
When the structure of the rail head is made into a fine pearlite structure, the rail head is cooled by spray water, and then the rail head is blast cooled, and cooling by spray water is switched to blast cooling. temperature
The temperature is limited to 500°C or higher and lower than the pearlite transformation start temperature, and draining nozzles are provided before and after the cooling zone by the spray water to prevent the cooling water from accumulating on the upper surface of the rail head. A rail heat treatment method characterized by:
JP62131755A 1987-05-29 1987-05-29 Heat treatment method for rail Granted JPS63297523A (en)

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