JPH0451277B2

JPH0451277B2 -

Info

Publication number: JPH0451277B2
Application number: JP62265341A
Authority: JP
Inventors: Mutsumi Okazaki; Nobutaka Yurioka; Makoto Okumura; Hiroyuki Koike; Hitoshi Nishimura
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-10-22
Filing date: 1987-10-22
Publication date: 1992-08-18
Also published as: JPH01107998A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は鉄道用またはクレーンレール用レール
を突き合わせ溶接または肉盛溶接する際に用いら
れる自動溶接用ワイヤーに関するものである。（従来の技術）第１図はレールの断面を示し、１は足部、２は
腹部、３は頭部、４は頭表面である。従来からレ
ールを突合せ溶接または肉盛溶接するには、接合
レール端面を開先加工して逐次多層溶接する方
法、あるいは型開先で突き合わせた後レール足
部１を多層溶接し、その後腹部２と頭部３をエン
クローズド当金材で取り囲み、連続的に溶接する
エンクローズドアーク溶接法が用いられている。
また、レールの肉盛溶接には突き合せ溶接部のレ
ール頭表面４を硬化肉盛したり、レールの局部的
な表面きずまたは摩耗部分を肉盛補修する方法が
ある。しかしながら、これらの溶接技術は被覆アーク
溶接棒を使用する手溶接法であり、溶接用ワイヤ
ーを用いる自動溶接法は未だ実用に供されたもの
がない。従つて上記の既存溶接技術では作業に
熟練を要する、予熱温度が高いため作業環境が
悪い、作業能率が劣る、等の問題があり、熟練
を必要としない自動溶接法およびそれに適用する
溶接材料が開発が要望されている。レールはその使用目的から頭表面では車輪との
ころがり接触に対する耐摩耗性と疲労亀裂に対す
る抵抗力すなわち耐疲労損傷性の大きい性質が要
求されている。一方、足部と腹部では車輪通過時
の衝撃あるいは曲げ荷重に耐え得るだけの静的強
度と疲労強度が必要とされており、さらに溶接割
れ等の溶接欠陥についても皆無または実用的にさ
しつかえない程度以下に極力少なくなつていなけ
ればならない。現在世界の鉄道用普通レールの化学成分は第１
表に示すように重量％でＣ；0.40〜0.82％、Si；
0.05〜0.35％、Mn；0.60〜1.25％を含有してお
り、その金属組織はパーライトで、引張り強さは
70Kg／mm²以上である。最近、レール使用性能に関する研究は多く、耐
摩耗性と疲労損傷性はパーライト組織が最も優
れ、マルテンサイト組織は有害で、同じパーライ
ト組織であれば硬さが大きくＣ含有量の多い方が
優れていることが明らかにされている。

【表】（発明が解決しようとする問題点）これらの性能をさらに高めるため前記の普通レ
ールの頭表部または全体を熱処理した硬頭レール
または前記普通レールの成分にSi；1.1％以下、
Mn；1.6％以下まで高めさらにCr，Ni，Mo，
Ｖ，Nb，Cuのうち一種または二種以上でCr；
1.3％以下、MoまたはＶ；0.3％以下、Nb；0.1以
下、Cu；0.3％以下添加した合金鋼レールおよび
両方を併用した合金鋼熱処理レールが実用化され
ている。従来、レールを突合せ溶接または肉盛溶接する
際に用いられている被覆アーク溶接棒は第２表に
示すようにJIS Ｚ 3213低合金高張力鋼用被覆ア
ーク溶接棒である。これらの溶接棒は通常厚鋼等
に使用されるため、JIS Ｚ 3503被覆アーク溶接
棒心線用線材またはJIS Ｇ 3505軟鋼線材で定め
られるＣ；0.25％以下、Mn；0.65％以下の線材
にNi，CrおよびMoの１種または二種以上の合金
成分剤を含有するフラツクスを被覆したものであ
る。従つて、このような溶接棒をレールに適用し
た場合に形成される溶接金属はＣ；0.3％以下で、
Si，Mnの他に、Ni，Cr，Moの一種または二種
以上を0.1％以上含有する。このためレール母材
の溶融境界部近傍に高温割れが発生する。この高
温割れはレール鋼の溶融点が約1470℃であるのに
対し、溶接金属はそれより高く約1530℃であるた
めに理論的に避けられない。さらにこの溶融境界
部近傍には溶接のままで多量のマルテンサイト組
織を生成し、疲労強度が著しく低下するので、通
常溶接後710℃以下の温度で焼き戻しまたは焼き
なましをしなければならない。その結果、溶接金
属の組織は耐摩耗性の低い焼き戻しマルテンサイ
トを生成するため、前記の溶接棒を用いたレール
の溶接部はたとえ硬さが母材レールと同じでも溶
接金属層が局部的に早期に摩耗する。このような
高温割れおよび局部摩耗は母材レールが高Ｃで合
金鋼化、すなわち高強度化すればするほど顕著に
なり、高強度レールにおいては実際に溶接不能の
状態になつていた。またレールの肉盛溶接法には第２表で示すよう
なJIS Ｚ 3251硬化肉盛用被覆アーク溶接棒の
DF2AまたはDF2Bに該当する溶接棒が用いられ
ている。DF2Aに該当する溶接棒は前記低合金高
張力鋼用溶接棒とほとんど変ないので、前記の問
題がそのまま当てはまる。DF2Bで形成される溶
接金属は溶接のままではマルテンサイト組織を生
成するので、溶接後焼き戻し処理を施さざるを得
ない。このため、溶接金属は焼き戻しマルテンサ
イト組織となつてパーライト組織が得られないだ
けでなく、熱処理レールではこのような後熱処理
をすると、この熱影響を受ける母材レール頭表部
が軟化し、かえつて摩耗が著しくなるという事態
が発生していた。本発明は前記の従来技術における問題点を本質
的に解決すると共に熱処理または合金鋼レールの
ような高強度レールにも良好な継手性能を安定し
て確保する事ができ、さらに自動化により、特に
熟練技術を必要とせずに作業能率の増大を計るこ
とができ、かつ溶接欠陥発生を皆無にすることの
できる鉄道用レールまたはクレーンレールに用い
る溶接用ワイヤーを提供するものである。この目的のために本発明者らは広範囲な研究を
行つた結果、第２表に示すような従来の被覆アー
ク溶接棒によつて形成された溶着金属は母材レー
ルと著しく異なつた成分となるため前記のような
問題が発生することを知見し、溶着金属が従来溶
接には不適当とされてきた母材レールと類似の高
Ｃ型パーライト組織となる全く新しいレール用溶
接ワイヤーを発明した。

【表】

【表】（問題点を解決するための手段）本発明の要旨は重量％でＣ；0.4〜1.0％、Si；
0.05〜1.1％、Mn0.3〜1.6％あるいは更にCr；0.05
〜1.3％、Ni；0.05〜2.0％、Mo，Ｖ；夫々0.01〜
0.3％、Nb；0.01〜0.1％、Cu；0.05〜0.3％を一種
または二種以上含有し残部がFeおよび不可避不
純物からなることを特徴とするレール溶接用ワイ
ヤーである。（作用）本発明による溶接用ワイヤーで得られる溶接金
属はＣ；0.4〜0.9％、Si；0.1〜1.0％、Mn；0.6〜
1.5％あるいは更にCr，Ni，Mo，Ｖ，Nb，Cuの
うち一種または二種以上でCr；1.3％以下、Ni；
2.0％以下、Mo；0.3％以下，Ｖ；0.3％以下、
Nb；0.1％以下、Cu；0.3％以下残部ががFeおよ
び不可避不純物となるために、その成分は母材レ
ールと類似の高炭素成分で母材レールの溶融境界
層に高温割れの発生がなく、適切な後熱処理を施
すことにより、母材レールと類似のパーライト組
織、硬さ、引張り強さおよび耐食性等の継手性能
が得られる。以下に本発明のレール溶接用ワイヤーにおける
各合金成分の添加理由とその限定値について詳細
に説明する。Ｃは溶着金属にレール鋼と類似のパーライト組
織を生成させるための必須成分であると同時に、
溶着金属を高炭素成分系すなわちＣ；0.4〜0.9％
に調整して、この凝固温度をレール鋼とほぼ同等
にすることによつて、従来技術で発生していた母
材レールの溶融境界層における高温液化割れを防
止するもので本発明の最大の特徴をなすものであ
る。更に、溶着金属のＣ含有量が増加するに従い
継手引張り強さおよび硬さが増加するため溶接金
属の耐摩耗性および耐疲労損傷性を向上させるこ
とができる。溶接ワイヤーのＣ含有量が0.4％未
満では溶着金属のＣ量も0.4％未満となる場合が
生じ、母材レールの溶融境界層に高温割れが発生
すると共に溶接金属のパーライト組織が少なくな
り継手引張り強さの70Kg／mm²以上が得られない。
一方溶接ワイヤーのＣ含有量が1.0％超では溶着
金属のＣ量が0.9％超となり、溶接金属に初析セ
メンタイトが析出し、溶接金属が著しく脆化す
る。 Siは通常溶着金属の脱酸剤として含有されるも
のであるが、サブマージドアーク溶接またはエレ
クトロスラグ溶接の場合フラツクスから添加され
る場合もあり、必要に応じてその量をコントロー
ルし溶着金属中のSi含有量を0.1〜1.0％の範囲に
入るようにする。レール鋼では通常0.1％以上の
Siが含有されており、その役割はパーライト組織
においてフエライトを強化して強度を上昇させる
と同時に耐疲労損傷性を向上させる点にある。一
方Si成分はパーライト変態の開始時間、温度にお
よぼす影響がそれ程大きくないので溶着金属のSi
量がレール鋼より多く含有しても1.0％以下であ
れば有害にはならない。従つて母材希釈およびフ
ラツクスが含有するSi源を考慮して溶接ワイヤー
のSi含有量は0.05〜1.1％の範囲に入るようにする
必要がある。 MnはSi同様溶着金属の脱酸剤として添加され
る。レール鋼のMn含有量は0.6％以上であり、
Mnはパーライト変態を遅滞させる元素であつて
添加量によりパーライト変態の開始が変化し強度
も変化するので、溶着金属のMn含有量はレール
鋼とほぼ対応したものでなければならない。溶接
ワイヤー中のMn量が0.3％未満では溶着金属の
Mn量が低くなり、溶着金属の引張り強さまたは
伸びすなわち延性が低下する。一方溶接ワイヤー
中のMn量が1.6％超では溶着金属のMn量が増加
し、溶接金属中に形成されたマルテンサイトをパ
ーライトに変態させる後熱処理が著しく困難とな
る。母材レールが前記Ｃ，Si，Mnの他にCr，Mo，
Ｖ，Nb，Cuのうち一種または二種以上含有する
場合には、溶着金属にもこれらの合金成分を母材
レールと同等もしくはそれ以上の量だけ含有しな
ければならない場合がある。すなわちCr，Mo，
ＶはMnと同様パーライト変態を遅滞させる元素
であつて、添加量によりパーライト変態の開始が
変化し強度も変化するので、母材レールがこれら
の合金成分を含有する合金鋼である場合には、す
くなくともレール頭頂面に用いる溶接用ワイヤー
にもこれらの合金成分を含有していないと、溶接
のまま、または溶接後の熱処理によつて母材レー
ルと類似の金属組織、硬さおよび継手引張り強さ
が得られない。従つて溶接ワイヤーのCr，Mo，
Ｖ含有量はCr；0.05〜1.3％、Mo，Ｖ；夫々0.01
〜0.3％以下にする。 Nbはパーライト変態の終了時間を大幅に短縮
させる元素であるため、溶接後の冷却中に生成す
る有害なマルテンサイトを防止する効果がある。
しかし溶着金属のNb含有量が0.1％を超えると巨
大な炭・窒化物を生じ、勒性・疲労強度を低下さ
せるので、溶接ワイヤーのNb含有量は0.01〜0.1
％とする。 Cuはレール鋼の耐食性を向上するのに効果の
ある合金成分であり、耐食性レールには0.3％以
下含有される。従つて、然食性レールの溶接には
溶着金属にも0.3％以下のCuを含有しないと母材
レールと同様の耐食性が得られない。しかし溶着
金属のCu含有量が0.3％超では、熱間脆性を起こ
し表面きずが発生するので、溶接ワイヤーのCu
含有量は0.05〜0.3％とする。 Niはレール鋼の延性または勒性を向上する合
金成分であるが、レール鋼はもともと延性または
勒性が低くても使用可能な鋼材であるため、レー
ルに添加する場合は少ない。しかし溶着金属に
2.0％以下含有すると溶接部の延性または勒性が
向上するので、溶接金属にNiを添加する必要の
ある場合がある。しかし溶着金属がNiを2.0％超
含有すると、溶接金属に高温凝固割れが発しやす
くなるので、溶接ワイヤーのNi含有量は0.05〜
2.0％とする。以上詳述したように、本発明溶接用ワイヤーを
用い、自動溶融溶接（サブマージドアーク溶接、
エレクトロスラグ溶接およびCO₂ガスシールドア
ーク溶接等）を通常の溶接条件のもとで、レール
鋼に対して行つても、高温割れ等の溶接欠陥が発
生することなく施工でき、溶接後適切な後熱処理
を組み合わせることにより有害組織がなく母材レ
ールと同等の硬さとパーライト組織を有する溶接
継手を得ることができる。以下に実施例によつて本発明の効果をさらに具
体的に説明する。（実施例）使用したレール鋼を第３表に示す。足部の溶接は潜弧溶接法（サブマージドアーク
溶接）または水平エレクトロスラグ溶接法および
両者の併用もしくはCO₂ガスシールドアーク溶接
法で行い、次いで銅当金で溶接部周囲を囲つた
後、腹部・頭頂部の溶接を立向上進エレクトロス
ラグ溶接法またはCO₂Bガスシールドアーク溶接
法で溶接した。溶接条件を第４表に示す。なお、いずれの場合も溶接施工開始時点でレー
ル足部の開先面を400℃から500℃に予熱し、溶接
完了後レール断面全周を均等に加熱する多孔ノズ
ルバーナーを用いて800℃から1000℃に加熱し放
冷した。第５表に使用したワイヤーを示す。ワイヤーＷ
−１からＷ−20は本発明のワイヤー、Ｗ−21から
Ｗ−25は比較例のワイヤーである。第６表に試験
結果を示す。割れ発生の有無は溶接中央部の縦断
面マクロ試験片を採取し、研磨後カラーチエツ
ク、検鏡により確認した。本発明例として示した
ワイヤーＷ−１からＷ−20は、溶接割れが発生せ
ず金属組織も母材レールと同様微細パーライトと
なり、十分実用に耐えうることが分かる。一方、
比較例として示したＷ−21、Ｗ−22、Ｗ−25はＣ
含有量が低いため組織はベーナイトとなり、溶接
金属には割れが発生しないがHAZに高温液化割
れが生じた。また、Ｃ含有量が多いＷ−23および
Cr，Ni，Mo，Nb，Cuが本発明の範囲より多く
含有されているＷ−24においてはミクロ組織がマ
ルテンサイト＋ベーナイトとなり溶接金属の延性
が低下し、しかも溶接金属凝固割れが発生しとて
も実用に供しうるものではない。

【表】

【表】（発明の効果）以上述べたように、本発明の溶接用ワイヤーに
より割れ発生のない健全なレールの溶接ができ、
溶接継手の信頼性を大幅に向上しうる。

【図面の簡単な説明】

第１図はレール鋼の断面図である。１：レール足部、２：レール腹部、３：レール
頭部、４：レール頭表面。

Claims

【特許請求の範囲】１重量％でＣ；0.4〜1.0％ Si；0.05〜1.1％ Mn；0.3〜1.6％残部がFeおよび不可避不純物からなることを
特徴とするレール溶接用ワイヤー２重量％でＣ；0.4〜1.0％ Si；0.05〜1.1％ Mn；0.3〜1.6％さらに、 Cr；0.05〜1.3％ Ni；0.05〜2.0％ Mo；0.01〜0.3％Ｖ；0.01〜0.3％ Nb；0.01〜0.1％ Cu；0.05〜0.3％を一種または二種以上含有し残部がFeおよび不
可避不純物からなることを特徴とするレール溶接
用ワイヤー。