JPH05345955A - Rail with surface damage resistance and high toughness - Google Patents

Rail with surface damage resistance and high toughness

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JPH05345955A
JPH05345955A JP8251692A JP8251692A JPH05345955A JP H05345955 A JPH05345955 A JP H05345955A JP 8251692 A JP8251692 A JP 8251692A JP 8251692 A JP8251692 A JP 8251692A JP H05345955 A JPH05345955 A JP H05345955A
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JP
Japan
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rail
layer
hardness
damage
ferrite
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Withdrawn
Application number
JP8251692A
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Japanese (ja)
Inventor
Masaharu Ueda
正治 上田
Koichi Uchino
耕一 内野
Hideaki Kageyama
英明 影山
Kazuo Sugino
和男 杉野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp filed Critical Nippon Steel Corp
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Abstract

PURPOSE:To prevent the occurrence of rolling fatigue damage at the surface of a railhead and to improve the fracture toughness of a rail. CONSTITUTION:The rail having surface damage resistance and high toughness can be formed by providing a two-layer structure where, in the cross section of a rail axis, the surface of the railhead is coated with a material constituting a layer between a railhead surface (a) and a position at a depth of 2-15mm from the railhead surface (a) and having a metallic structure composed of bainite structure with 370 Hv hardness, and further, the other part is formed of a high VN added material 2 having ferrite-pearlite structure and also having high toughness. As compared with the conventional rail, this rail has superior rolling fatigue damage resistance at the railhead surface and excellent electric conductivity, and further, the fracture toughness of the rail can remarkably be improved.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、鉄道に敷設される耐表
面損傷性を有しかつ高靭性のレールに関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a rail which is laid on a railway and has a surface damage resistance and a high toughness.

【0002】[0002]

【従来の技術】鉄道輸送の高能率化や高速化にともな
い、列車の載荷重量の増加や列車運転速度の向上が図ら
れている。このような鉄道輸送環境の変化にともない、
レールの使用環境は苛酷化を呈し、急曲線区間に敷設さ
れたレールでは、レ−ル頭表面部の摩耗が急激に増加
し、レールと車輪の主接触位置であるレールゲージ・コ
ーナー(GC)部の内部から発生する疲労損傷が頻発す
るようになった。この対策として従来から、Cr,Mo
などの合金元素を多く添加した圧延ままの合金レール
(特開昭50−140316号公報)、合金を添加せず
に、レール頭部あるいは全体を加速冷却することによっ
て製造される熱処理レール(特開昭55−23885号
公報)、比較的低い含有量の合金を添加して、耐摩耗
性、耐損傷性ばかりでなく、溶接部の硬度低下を改善し
た低合金熱処理レール(特公昭59−19173号公
報)、などのレールが開発されており、これらレールの
特徴は、耐摩耗性・耐内部疲労損傷性を向上させた高炭
素含有鋼によるパーライト組織を呈する単一組織の高強
度レールであった。
2. Description of the Related Art With the increase in efficiency and speed of railway transportation, the load capacity of trains and the operating speed of trains are being improved. With such changes in the railway transportation environment,
The environment in which rails are used has become severe, and in rails laid in sharp curves, the wear of the rail head surface increases sharply, and rail gauge corners (GC), which are the main contact points between rails and wheels. Fatigue damage that occurs from the inside of the part has become more frequent. As a countermeasure against this, conventionally, Cr, Mo
As-rolled alloy rails added with a large amount of alloying elements such as (Japanese Patent Laid-Open No. 50-140316), heat-treated rails manufactured by accelerating cooling of the rail head or the whole without adding alloys (Japanese Patent Publication No. 55-23885), a low alloy heat-treated rail (Japanese Patent Publication No. 59-19173) in which not only the wear resistance and the damage resistance but also the hardness decrease of the welded portion is improved by adding an alloy having a relatively low content. , Etc., and the characteristic of these rails is that they are single-strength high-strength rails exhibiting a pearlite structure made of high-carbon steel with improved wear resistance and internal fatigue damage resistance. ..

【0003】近年、摩耗あるいは内部疲労損傷が大きな
問題とならない高速運転の直線区間レールにおいて、車
輪とレールの繰り返し接触によりレール頭部表面にころ
がり疲労損傷が発生し、剥離損傷やレール頭表面から発
生した疲労き裂が、レール頭部内部で分岐し横裂損傷
(ダークスポット損傷)を引き起こす事例が散見されて
いる。さらに、列車の超高速化にともないレールに作用
する列車走行時の動的荷重が増加し、レールの強度のみ
ならず破壊靭性の向上も同時に求められるようになっ
た。しかし、このような区間では、レール頭表面部での
損傷の発生が顕在化し、レールの破壊靭性の向上が求め
られているにもかかわらず、従来からのパーライト組織
を呈した単一組織の圧延ままレールが使用されている。
In recent years, in a straight section rail for high speed operation in which wear or internal fatigue damage does not become a big problem, rolling fatigue damage occurs on the rail head surface due to repeated contact between the wheel and the rail, and peeling damage or rail head surface occurs. There are some cases in which fatigue cracks branch off inside the rail head and cause lateral crack damage (dark spot damage). Furthermore, as the train speed has increased, the dynamic load that acts on the rails while the train is running has increased, and it has become necessary to improve not only the strength of the rails but also the fracture toughness at the same time. However, in such a section, the occurrence of damage on the surface of the rail head becomes apparent, and although the fracture toughness of the rail is required to be improved, rolling of a single structure having a conventional pearlite structure is performed. Rails are still used.

【0004】本発明者らは、上記レール頭表面部の損傷
発生原因を調査した結果、この原因としては、車輪とレ
ールの繰り返し接触によってもたらされた疲労ダメージ
層がレール頭表部に蓄積するためであることを確認し
た。この対策としては、レール頭表面の疲労ダメージ層
をグラインダー等で研削する方法があるが、グラインダ
ー作業費が高価なことや作業時間が夜間に限定されるな
どのコストや時間制約の問題点があった。また、もう一
つの方法として、レール頭表面の摩耗速度を向上させ
て、疲労ダメージが蓄積する前に、摩耗によりこの疲労
層を除去する方法がある。しかし、従来のパーライト組
織を呈する材料では、摩耗速度を向上させることは同時
に強度低下をもたらし、レール頭部表面での塑性変形
(メタルフロー)にともなうき裂(きしみ割れ)などの
レール頭表面損傷の発生が多発した。
As a result of investigating the cause of damage to the rail head surface portion, the present inventors have found that the cause is that a fatigue damage layer caused by repeated contact between the wheel and the rail accumulates on the rail head surface portion. It was confirmed that it was because. As a countermeasure against this, there is a method of grinding the fatigue damage layer on the rail head surface with a grinder or the like, but there are problems of cost and time constraints such as high grinder work cost and working time limited to night. It was Another method is to improve the wear rate of the rail head surface and remove the fatigue layer by wear before fatigue damage is accumulated. However, with conventional materials that exhibit a pearlite structure, increasing the wear rate also causes a decrease in strength, and rail head surface damage such as cracks (creaking cracks) accompanying plastic deformation (metal flow) on the rail head surface. Was frequently generated.

【0005】また、従来のパーライト組織を呈するレー
ルの破壊靭性を向上させるには、レール脚部を低温加熱
熱処理することによって靭性を向上させる方法がある。
しかし、この低温加熱処理は、レールの再加熱を必要と
するために、レール製造コストが高くなり、また、再加
熱のために、レール製造における生産性が大きく低下す
るなど問題点があった。このように、従来のパーライト
組織を呈する単層レールでは上記レール頭表面部の損傷
発生を防止し、同時にレールの破壊靭性の向上を図るこ
とが困難であった。
Further, in order to improve the fracture toughness of the rail having the conventional pearlite structure, there is a method of improving the toughness by heat-treating the rail leg portion at a low temperature.
However, this low-temperature heat treatment has a problem that the rail manufacturing cost is high because the rail needs to be reheated, and the productivity in rail manufacturing is significantly reduced due to the reheating. As described above, in the conventional single-layer rail having the pearlite structure, it is difficult to prevent damage to the rail head surface portion and simultaneously improve the fracture toughness of the rail.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記のようなレール頭
表面部の損傷発生を防止するためには、適度の摩耗によ
りレール頭表面の疲労ダメージ層を取り去り、かつ、塑
性変形(メタルフロー)を抑制した高強度の材料を用い
たレールを製造することも可能である。しかし、このよ
うな特性を満たす材料は、従来のパーライト鋼に比べ
て、CrやMoなどの合金を多く添加して強度の向上を
図らなければならないために、レール成分コストが高く
なり、同時に、この合金添加により電気伝導性が著しく
低下し、信号の不通や故障の原因になるいう問題点があ
った。また、上記のような材料では、パーライト鋼と比
較して強度を向上させているために、レール頭表面部の
損傷の発生は防止可能であるが、同時に破壊靭性の向上
が期待できなかった。
In order to prevent the occurrence of damage to the rail head surface portion as described above, the fatigue damage layer on the rail head surface is removed by moderate wear, and plastic deformation (metal flow) is applied. It is also possible to manufacture rails using restrained high strength materials. However, materials satisfying such characteristics have to be added with more alloys such as Cr and Mo in order to improve the strength as compared with conventional pearlite steels, resulting in high rail component cost, and at the same time, The addition of this alloy causes a significant decrease in electrical conductivity, which causes a problem of signal interruption or failure. Further, in the above-mentioned materials, since the strength is improved as compared with the pearlite steel, it is possible to prevent the occurrence of damage on the rail head surface portion, but at the same time, improvement in fracture toughness could not be expected.

【0007】そこで、本発明者らはこの問題を解決する
ために、レール頭部をHv硬度が370以上のベイナイ
ト組織を呈した材料とそれ以外の部位をフェライト・パ
ーライト組織を呈する材料との二層組織とすることでこ
の問題が解決できることを実験により確認した。すなわ
ち本発明は、レール頭表面部分と他の部分とが異る二層
組織とした耐表面損傷性に優れた高靭性レールを提供す
ることを目的とするものである。
Therefore, in order to solve this problem, the inventors of the present invention used a rail head having a bainite structure having an Hv hardness of 370 or more and a material having a ferrite / pearlite structure at other portions. It was confirmed by experiments that this problem can be solved by using a layered structure. That is, an object of the present invention is to provide a high toughness rail having a double-layered structure in which the rail head surface portion and other portions are different and which is excellent in surface damage resistance.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するものであって、その要旨とするところは、レール軸
断面の少なくともレールの頭表面部および頭側面部がレ
ール外郭表面部より2mm〜15mmの深さでHv硬度が3
70以上のベイナイト組織を呈し、その他の部分は重量
%で、C:0.15〜0.45%、Si:0.15〜
1.20%、Mn:0.50〜2.00%、V:0.0
35〜0.100%、N:0.010〜0.025%を
含有し、あるいは必要に応じてCu,Ni,Cr,M
o,Nbの1種または2種以上を含有して、その金属組
織がフェライト・パーライト組織を呈した二層構造から
なることを特徴とする耐表面損傷・高靭性レールであ
る。
The present invention achieves the above object, and the gist thereof is that at least the rail head surface portion and the head side surface portion of the rail axial section are 2 mm from the rail outer surface surface portion. Hv hardness of 3 at a depth of ~ 15mm
It exhibits a bainite structure of 70 or more, and the other parts are wt%, C: 0.15 to 0.45%, Si: 0.15 to
1.20%, Mn: 0.50 to 2.00%, V: 0.0
35 to 0.100%, N: 0.010 to 0.025%, or if necessary Cu, Ni, Cr, M
A surface damage-resistant and high-toughness rail characterized in that it contains one or more of o and Nb and has a metal structure of a two-layer structure exhibiting a ferrite-pearlite structure.

【0009】以下に本発明について図面を用いながら説
明する。図1,図2は、本発明の一実施例をレール軸断
面で示したものである。図において1はHv硬度が37
0以上のベイナイト組織を呈した材料である。図1に示
すように、Hv硬度が370以上のベイナイト組織を呈
した材料をレール頭表部aに配置させるか、あるいは、
図2に示すように、レール頭表部aおよびレール頭側部
bからレール脚部cの表面全体をHv硬度が370以上
のベイナイト組織を呈した材料で覆うなど、種々の形態
をとりうる。すなわち、Hv硬度が370以上のベイナ
イト組織を呈した材料1は、レール軸断面において、少
なくとも、車輪がレールに接触するレール頭表部aおよ
びレール頭側部bのみに存在し、その被覆厚さがレール
の頭表部およびその頭側部から2mm〜15mmまであれば
よい。なお、Hv硬度が370以上のベイナイト組織を
呈した材料1としては、ベイナイトの金属組織を呈し、
かつ圧延後または熱処理後の硬さがHv370以上を有
する金属材料であれば特に成分を限定するものではな
い。
The present invention will be described below with reference to the drawings. 1 and 2 show an embodiment of the present invention in a cross section of a rail shaft. In the figure, 1 has an Hv hardness of 37
It is a material exhibiting a bainite structure of 0 or more. As shown in FIG. 1, a material having a bainite structure having an Hv hardness of 370 or more is arranged on the rail head surface portion a, or
As shown in FIG. 2, various forms can be adopted, such as covering the entire surface of the rail head surface portion a and the rail head side portion b to the rail leg portion c with a material having a bainite structure having an Hv hardness of 370 or more. That is, the material 1 exhibiting a bainite structure having an Hv hardness of 370 or more exists in at least only the rail head surface portion a and the rail head side portion b where the wheel comes into contact with the rail in the rail shaft cross section, and the coating thickness thereof. Is 2 mm to 15 mm from the head surface and the head side of the rail. The material 1 having a Hv hardness of 370 or more and a bainite structure has a bainite metal structure,
In addition, the components are not particularly limited as long as the hardness is Hv370 or more after rolling or heat treatment.

【0010】2は、C:0.15〜0.45%、Si:
0.15〜1.20%、Mn:0.50〜2.00%、
V:0.035〜0.100%、N:0.010〜0.
025%を含有し、必要に応じてCu,Ni,Cr,M
o,Nbの1種または2種以上を含有して、フェライト
・パーライト組織を呈した材料で、パーライト組織を呈
した材料1で覆われたレール頭表部aおよびレール頭側
部bからレール脚部cの表面以外の部位に配置される。
2 is C: 0.15 to 0.45%, Si:
0.15 to 1.20%, Mn: 0.50 to 2.00%,
V: 0.035 to 0.100%, N: 0.010 to 0.
Contains 025%, and if necessary Cu, Ni, Cr, M
a material containing one or more of O and Nb and having a ferrite-pearlite structure, and covered with the material 1 having a pearlite structure from the rail head surface part a and the rail head side part b to the rail leg. It is arranged on a portion other than the surface of the portion c.

【0011】また、これらの化学成分のうち、Cは一定
の強度を確保するための必須元素であり、0.15%未
満では、レール鋼としての強度を確保することが難しく
なり、0.45%を超えると破壊靭性の低いパーライト
組織が多く生成してしまうため、0.15〜0.45%
に限定した。Siはフェライト組織に固溶することによ
って強度を向上させる元素であるが、脱酸元素としても
0.15%以上の添加が必要であり、また、1.20%
を超えるとレール製造時の表面きずの問題や、レール溶
接時の接合性に不都合をもたらすため、0.15〜1.
20%に限定した。Mnは鋼の焼入れ性を高めフェライ
ト粒を細かくし、強度と靭性を同時に向上させる効果を
持つが、0.50%未満ではその効果が少なく、また、
2.00%を超えると、パーライト組織が多く生成して
しまい靭性を低下させるため、0.50〜2.00%に
限定した。
Further, among these chemical components, C is an essential element for ensuring a certain strength, and if it is less than 0.15%, it becomes difficult to secure the strength as rail steel, and 0.45 %, A large amount of pearlite structure with low fracture toughness is generated, so 0.15 to 0.45%
Limited to. Si is an element that improves strength by forming a solid solution in the ferrite structure, but it is also necessary to add 0.15% or more as a deoxidizing element, and 1.20%
When the value exceeds 0.1, problems of surface flaws at the time of rail manufacturing and inconvenience to the bondability at the time of rail welding are brought about.
Limited to 20%. Mn has the effect of enhancing the hardenability of the steel and making the ferrite grains fine, and at the same time improving the strength and toughness, but if it is less than 0.50%, the effect is small, and
If it exceeds 2.00%, a large amount of pearlite structure is generated and the toughness is lowered, so the content is limited to 0.50 to 2.00%.

【0012】VはNと結合してVNの窒化物を生成する
ことにより、圧延再加熱時のγ粒を細かくし、さらにフ
ェライト変態時のフェライト粒を細かくする(γ/α変
換比を大きくする)ことによって靭性を著しく向上さ
せ、また同時に析出硬化により強度を向上させる元素で
あるが、0.035%未満では、窒化物の生成が困難に
なるために0.035%以上に限定した。また、0.1
00%を超えるとVNの窒化物を生成させる化学的に当
量であるNの添加量が0.025%を超え、溶鋼溶製時
に、Nによるブローホールなどの内部欠陥を生成しやす
いために0.100%以下に限定した。NはVと結合し
てVNの窒化物を生成することにより、圧延再加熱時の
γ粒を細かくし、さらにフェライト変態時のフェライト
粒を細かくすることによって靭性を著しく向上させ、ま
た同時に析出硬化により強度を向上させる元素である
が、0.010%未満では、窒化物の生成が困難になる
ために0.010%以上に限定した。また、0.025
%を超えると、溶鋼溶製時に、Nによるブローホールな
どの内部欠陥を生成しやすいために0.025%以下に
限定した。Cuは鋼の靭性を損なわず強度を向上させる
元素である。その効果は0.05〜0.50%の範囲で
最も大きく、また、0.50%を超える添加は強度の向
上が過大となり靭性の低下を招くことから0.05〜
0.50%の範囲に限定した。Niも鋼の靭性を損なわ
ず強度を向上させる効果を持つが、0.05%未満では
その効果が著しく小さく、また、1.00%を超える添
加を行ってもその効果の向上が十分に期待できないため
に0.05〜1.00%の範囲に限定した。Cr,Mo
は強度の向上に効果があるが、0.05%未満ではその
効果が小さく、また、0.50%を超える添加は靭性の
低下を招くことから0.05〜0.50%の範囲に限定
した。NbはVと同様の析出硬化により強度を向上させ
る元素であり、0.01%以上でその効果が大きく、
0.05%を超える添加は先に述べたVとNの効果を減
じるため0.01〜0.05%の範囲に限定した。
By combining V with N to form a nitride of VN, the γ grains at the time of reheating by rolling are made finer, and further the ferrite grains at the time of ferrite transformation are made finer (the γ / α conversion ratio is increased. However, if the content is less than 0.035%, it is difficult to form a nitride, so the content is limited to 0.035% or more. Also, 0.1
When it exceeds 00%, the amount of N, which is a chemically equivalent amount for forming a VN nitride, exceeds 0.025%, and when molten steel is melted, internal defects such as blowholes are easily generated by N. It was limited to 100% or less. N combines with V to form a VN nitride, thereby making the γ grains during rolling reheating finer, and by further refining the ferrite grains during ferrite transformation, significantly improving toughness, and at the same time precipitation hardening However, if it is less than 0.010%, it becomes difficult to form a nitride, so the content is limited to 0.010% or more. Also, 0.025
%, The content is limited to 0.025% or less because internal defects such as blowholes due to N are likely to be generated during molten steel melting. Cu is an element that improves the strength without impairing the toughness of steel. The effect is the largest in the range of 0.05 to 0.50%, and the addition of more than 0.50% causes an excessive increase in the strength and a decrease in the toughness.
The range was limited to 0.50%. Ni also has the effect of improving the strength without impairing the toughness of the steel, but if it is less than 0.05%, the effect is remarkably small, and if it is added in excess of 1.00%, the effect is expected to be sufficiently improved. Since it cannot be performed, the range is limited to 0.05 to 1.00%. Cr, Mo
Is effective in improving the strength, but if less than 0.05%, the effect is small, and addition in excess of 0.50% causes a decrease in toughness, so it is limited to the range of 0.05 to 0.50%. did. Nb is an element that improves strength by precipitation hardening similar to V, and its effect is large at 0.01% or more,
The addition of more than 0.05% is limited to the range of 0.01 to 0.05% in order to reduce the effects of V and N described above.

【0013】本発明において、圧延後または熱処理後の
Hv硬度が370以上を有するベイナイト組織を呈する
金属材料を選んだ理由は、従来のパーライト組織を呈す
る材料では、直線および緩曲線区間において、一定の列
車通過トン数後にレール頭表面を起点とする表面損傷
(ダークスポット損傷)が生成する。この対策として、
レールの硬さを増加させる方法があるが、硬さを増加さ
せても本損傷の発生防止効果は認められず、Hv硬度3
70以上パーライト組織を呈する材料では、逆に、本損
傷を多発させる傾向が認められた。レールの摩耗量と本
損傷発生状況の相関から本損傷の発生原因を考えると、
レール頭表面の摩耗が抑制されることによって、レール
頭表部に、レールと車輪のころがり接触による疲労ダメ
ージが蓄積することにより疲労き裂が発生し、本損傷が
発生するものと考えられる。また、パーライト組織を呈
する材料を軟化させて、レール頭表部の摩耗の促進を図
ると、レール頭表面が列車の輪重やレールとの車輪の接
線力に対して強度不足になり、塑性変形(メタルフロ
ー)を起こし、このレール頭表面塑性変形層からき裂が
発生し、レール頭表部での剥離損傷を生成する。そこ
で、パーライト組織を呈する材料と比較して、同等もし
くはそれ以上の強度を有し、かつ、同一硬度において摩
耗量が大きいベイナイト鋼を選んだ。しかし、Hv硬度
370以下のベイナイト鋼では、レール頭表面の塑性変
形による表面損傷が発生するためにHv硬度を370以
上に限定した。
In the present invention, the reason why the metal material exhibiting a bainite structure having an Hv hardness of 370 or more after rolling or heat treatment is selected is that a material exhibiting a conventional pearlite structure has a constant value in straight and gentle curve sections. Surface damage starting from the rail head surface (dark spot damage) occurs after the train passes tonnage. As a measure against this,
There is a method of increasing the hardness of the rail, but even if the hardness is increased, the effect of preventing the occurrence of this damage is not recognized.
On the contrary, in the case of the material exhibiting a pearlite structure of 70 or more, the tendency of causing this damage frequently was found. Considering the cause of this damage from the correlation between the amount of rail wear and the condition of this damage,
It is considered that by suppressing the wear of the rail head surface, fatigue damage due to rolling contact between the rail and the wheel accumulates on the rail head surface portion, causing a fatigue crack and causing the main damage. In addition, if the material exhibiting the pearlite structure is softened to promote the wear of the rail head surface part, the rail head surface becomes insufficient in strength against the wheel load of the train and the tangential force of the wheel with the rail, resulting in plastic deformation. (Metal flow) occurs, and a crack is generated from the plastic deformation layer on the surface of the rail head, causing peeling damage at the surface of the rail head. Therefore, a bainite steel having strength equal to or higher than that of a material exhibiting a pearlite structure and having a large amount of wear at the same hardness was selected. However, in bainite steel having an Hv hardness of 370 or less, the Hv hardness is limited to 370 or more because surface damage occurs due to plastic deformation of the rail head surface.

【0014】また、本発明において、Hv硬度が370
以上のベイナイト組織を呈した材料1の被覆厚さをレー
ル頭表面およびレール頭側部から2mm〜15mmに限定し
た理由は、レールと車輪のころがり接触によるレール内
部の最大せん断応力作用位置がレール外郭頭表面から1
mm〜2mmの位置である。被覆厚さを2mm未満にした場
合、このレール内部の最大せん断応力作用位置近傍に二
層の界面が存在する場合があり、この界面近傍の材料強
度分布が大きく変化する位置でころがり疲労損傷が発生
する。このため、このような界面近傍でのころがり損傷
の発生を防止するために被覆厚さを2mm以上に限定し
た。また、被覆厚さを15mm以上にした場合は、レール
軸断面内での表層部の面積比率が大きくなり、レールの
電気伝導特性が低下し、信号区間において、信号の不通
や故障の原因となる。また、レールの寿命は、レール頭
部の最大摩耗量によって規定されており、その限界摩耗
量が15mm程度であるため、耐表面損傷性に優れた材料
を15mm以上被覆しても、摩耗によりそのレール寿命が
決定され、15mm以上の被覆厚さは必要ではなく、被覆
厚さを15mm以下に限定した。
In the present invention, the Hv hardness is 370.
The reason why the coating thickness of the material 1 having the above bainite structure is limited to 2 mm to 15 mm from the rail head surface and the rail head side portion is that the maximum shear stress acting position inside the rail due to rolling contact between the rail and the wheel is the rail contour. From the head surface 1
The position is from mm to 2 mm. If the coating thickness is less than 2 mm, there may be a two-layer interface near the position where maximum shear stress is applied inside the rail, and rolling fatigue damage occurs at the position near the interface where the material strength distribution changes significantly. To do. Therefore, in order to prevent the occurrence of rolling damage near such an interface, the coating thickness is limited to 2 mm or more. Also, when the coating thickness is 15 mm or more, the area ratio of the surface layer portion in the rail axial cross section becomes large, the electric conduction characteristic of the rail is deteriorated, and it may cause signal interruption or failure in the signal section. .. The life of the rail is defined by the maximum amount of wear of the rail head, and its limit wear amount is about 15 mm. Therefore, even if a material with excellent surface damage resistance is coated for 15 mm or more, the The rail life was determined and a coating thickness of 15 mm or more was not necessary, limiting the coating thickness to 15 mm or less.

【0015】また、レール頭表面部および頭側面部にH
v硬度が370以上のベイナイト組織を呈した材料1を
配置し、その他の部分にC:0.15〜0.45%、S
i:0.15〜1.20%、Mn:0.50〜2.00
%、V:0.035〜0.100%、N:0.010〜
0.025%を含有し、あるいはさらに必要に応じてC
u,Ni,Cr,Mo,Nbの1種または2種以上を含
有して、その金属組織がフェライト・パーライト組織を
呈した材料2を配置した理由は、レール頭表面部分にH
v硬度が370以上のベイナイト組織を呈した材料1を
配置することで、パーライト組織を呈したレールで問題
となっていた車輪とレールの繰り返し接触に伴うレール
頭表面のころがり疲労損傷を防止し、従来のパーライト
組織を呈した単層レールよりもレール寿命を大きく改善
することができる。また、その内部にフェライト・パー
ライト組織を呈する材料を配置することによって、レー
ルの破壊靭性を大きく向上させることができ、同時に、
廉価なフェライト・パーライト組織を呈した材料との二
層構造とすることで、レール成分コストの低減を図るこ
とができる。さらに、ベイナイト組織を呈する単層レー
ルよりも合金成分を低減できるため、電気伝導特性につ
いても普通レールと同等の特性を確保することができ
る。
Further, H is provided on the rail head surface portion and the head side surface portion.
Material 1 having a v hardness of 370 or more and exhibiting a bainite structure is arranged, and C: 0.15 to 0.45%, S in other portions.
i: 0.15 to 1.20%, Mn: 0.50 to 2.00
%, V: 0.035 to 0.100%, N: 0.010
Contains 0.025% or, if necessary, C
The reason for disposing the material 2 containing one or more of u, Ni, Cr, Mo, and Nb and having a metal structure exhibiting a ferrite / pearlite structure is that H is formed on the rail head surface portion.
By arranging the material 1 having a bainite structure having a v hardness of 370 or more, rolling fatigue damage on the rail head surface due to repeated contact between the wheel and the rail, which has been a problem in a rail having a pearlite structure, is prevented, The rail life can be greatly improved as compared with the conventional single layer rail having the pearlite structure. In addition, by arranging a material exhibiting a ferrite-pearlite structure inside thereof, the fracture toughness of the rail can be greatly improved, and at the same time,
The cost of the rail component can be reduced by using a two-layer structure with a low-priced ferrite / pearlite material. Further, since the alloy component can be reduced as compared with the single-layer rail exhibiting the bainite structure, it is possible to secure the electric conductivity characteristic equivalent to that of the ordinary rail.

【0016】上記のように、レール軸断面において異種
金属の二層構造からなる本発明は、爆着圧延、クラッド
法、鋳ぐるみ鋳造法、積層分散鋳造法、複層連続鋳造法
など任意の方法でブルームあるいはスラブを製造したの
ち、通常の熱間成型圧延法によってレールに製造され
る。さらに、必要によっては、本レールの頭部やその他
の部分の材質を改善するために熱処理が施される。この
ようにして製造された本レールは、鉄道用のレールとし
て要求される耐表面損傷性や耐破壊靭性を具備し、さら
には、電気伝導特性についても普通レールと同等の特性
を確保する。
As described above, the present invention having a two-layer structure of dissimilar metals in the axial section of the rail can be applied to any method such as explosive-rolling, clad method, cast-in-fill casting method, laminated dispersion casting method, and multi-layer continuous casting method. After the bloom or slab is manufactured in, the rail is manufactured by the normal hot forming and rolling method. Further, if necessary, a heat treatment is performed to improve the material of the head and other parts of the rail. The rail manufactured in this manner has surface damage resistance and fracture toughness required for rails for railways, and also secures electrical conductivity characteristics equivalent to those of ordinary rails.

【0017】[0017]

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。本
発明の6種類の二層構造レールと5種類の比較レールを
用いて、実レールと実車輪によるレール頭表面でのころ
がり疲労試験と実レールによる落重試験を行った。 符号A;断面形状図1の二層構造レール レール頭頂面での部位1の初期表層厚さ;5.2mm レール頭表部;ベイナイト組織を呈するHv硬度370
以上の材料 それ以外の部位;フェライト・パーライト組織を呈する
材料 符号B;断面形状図2の二層構造レール レール頭頂面での部位1の初期表層厚さ;5.4mm レール頭表部;ベイナイト組織を呈するHv硬度370
以上の材料 それ以外の部位;フェライト・パーライト組織を呈する
材料 符号C;断面形状図1の二層構造レール レール頭頂面での部位1の初期表層厚さ;10.2mm レール頭表部;ベイナイト組織を呈するHv硬度370
以上の材料 それ以外の部位;フェライト・パーライト組織を呈する
材料 符号D:断面形状図2の二層構造レール レール頭頂面での部位1の初期表層厚さ;11.2mm レール頭表部;ベイナイト組織を呈するHv硬度370
以上の材料 それ以外の部位;フェライト・パーライト組織を呈する
材料 符号E;断面形状図1の二層構造レール レール頭頂面での部位1の初期表層厚さ;14.9mm レール頭表部;ベイナイト組織を呈するHv硬度370
以上の材料 それ以外の部位;フェライト・パーライト組織を呈する
材料 符号F;断面形状図2の二層構造レール レール頭頂面での部位1の初期表層厚さ;14.7mm レール頭表部;ベイナイト組織を呈するHv硬度370
以上の材料 それ以外の部位;フェライト・パーライト組織を呈する
材料 符号G;断面形状図2の二層構造レール レール頭頂面での部位1の初期表層厚さ;1.8mm レール頭表部;ベイナイト組織を呈するHv硬度370
以上の材料 それ以外の部位;フェライト・パーライト組織を呈する
材料 符号H;ベイナイト組織を呈するHv硬度370以上の
単層レール 符号I;ベイナイト組織を呈するHv硬度370以下の
単層レール 符号J;パーライト組織を呈する普通高炭素鋼単層レー
ル 符号K;パーライト組織を呈する頭部熱処理高炭素鋼単
層レール ころがり疲労試験条件(全試験片とも共通) ・試験機;ころがり疲労試験機 ・試験荷重;ラジアル荷重8.0t、スラスト荷重0t ・試験速度;車輪走行速度210km/h ・繰り返し回数(通過トン数);損傷発生まで、また
は、2億通トンまで ・雰囲気;水雰囲気 落重試験条件(全試験片とも共通) ・試験機;落重試験機 ・試験片長さ;1.3m ・支点間の距離;1.0m ・支持方法;頭部を上にして試験する(頭部に落錘を落
とす) ・落錘の重さ;1000kg ・落錘の高さ;10m ・試験温度;+20〜−100℃
EXAMPLES Next, examples of the present invention will be described. Using 6 types of double-layered rails of the present invention and 5 types of comparative rails, a rolling fatigue test on a rail head surface by an actual rail and an actual wheel and a drop weight test by an actual rail were performed. Reference symbol A: Two-layer structure rail of cross-sectional shape Fig. 1 Initial surface layer thickness of part 1 on rail top surface; 5.2 mm Rail head surface part; Hv hardness 370 exhibiting bainite structure 370
Materials other than the above; Material exhibiting ferrite-pearlite structure Code B; Cross-sectional shape dual-layer rail in Fig. 2 Initial surface layer thickness of part 1 on rail top surface; 5.4 mm Rail head surface part; Bainite structure Hv hardness of 370
Materials other than the above; Material exhibiting ferrite / pearlite structure Code C; Cross-sectional shape dual-layer rail of Fig. 1 Initial surface layer thickness of part 1 on rail top surface; 10.2 mm Rail head surface part; Bainite structure Hv hardness of 370
Materials other than the above; Materials exhibiting ferrite / pearlite structure Code D: Cross-sectional shape dual-layer rail in Fig. 2 Initial surface thickness of part 1 at rail top surface; 11.2 mm Rail head surface; Bainite structure Hv hardness of 370
Materials other than the above; Material exhibiting ferrite-pearlite structure Code E; Cross-sectional shape dual-layer rail of Fig. 1 Initial surface layer thickness of part 1 on rail top surface; 14.9 mm Rail head surface part; Bainite structure Hv hardness of 370
Materials other than the above; Material exhibiting ferrite-pearlite structure Code F; Two-layer structure rail of cross-sectional shape Fig. 2 Initial surface thickness of part 1 at rail top surface; 14.7 mm Rail head surface part; Bainite structure Hv hardness of 370
Materials other than the above; Material exhibiting ferrite-pearlite structure Code G; Cross-sectional shape dual-layer rail of Fig. 2 Initial surface layer thickness of part 1 on rail top surface; 1.8 mm Rail head surface part; Bainite structure Hv hardness of 370
Material other than the above: Material having ferrite / pearlite structure Code H: Single layer rail having Hv hardness of 370 or more exhibiting bainite structure Code I: Single layer rail having Hv hardness of 370 or less exhibiting bainite structure Code J: Perlite structure Ordinary high carbon steel single layer rail with K code; Head heat treated high carbon steel single layer rail with pearlite structure Rolling fatigue test conditions (common to all test pieces) ・ Testing machine; Rolling fatigue testing machine ・ Test load; Radial load 8.0t, thrust load 0t ・ Test speed; wheel traveling speed 210km / h ・ Number of repetitions (passage tonnage); until damage occurs or up to 200 million tons ・ Atmosphere; water atmosphere Drop weight test conditions (all test pieces・ The tester; Drop weight tester ・ Length of test piece: 1.3m ・ Distance between fulcrums; 1.0m ・ Support method: Head up Experience to (dropping the drop weight on the head) and weight of the falling weight; of 1000 kg, falling weight height; 10 m-test temperature; +. 20 to-100 ° C.

【0018】表1にころがり疲労試験結果を示す。表1
に示すように、従来のパーライト組織を呈する普通高炭
素鋼単層レールJ、および、従来のパーライト組織を呈
する頭部熱処理高炭素鋼単層レールKでは、実線路にお
ける場合と同様にレール頭表部に表面損傷(ダークスポ
ット損傷)が発生した。また、ベイナイト組織を呈する
硬さHv370以下単層レールIでは、レール頭表面の
塑性変形(メタルフロー)に伴う表面損傷が発生し、さ
らに、ベイナイト組織を呈する硬さHv370以上の単
層レールHでは、2億通トンまで、レール頭表部の表面
損傷は認められなかったものの、レールの電気比抵抗値
が普通高炭素単層レールJ,Kに比較して非常に高く、
電気伝導特性が著しく悪化する。また、レール頭頂部の
部位1の初期表層厚さが2mm未満の二層構造のレールG
には、二層の界面からの疲労き裂の発生にともなう剥離
損傷が発生した。一方、本発明の二層構造のレールA,
B,C,D,E,Fは、従来レールと比較してレール頭
表面のころがり疲労損傷を防止することによりレール寿
命を大きく改善し、同時に、電気比抵抗も従来レールと
同等の特性を確保する。
Table 1 shows the rolling fatigue test results. Table 1
As shown in Fig. 2, the conventional high carbon steel single layer rail J exhibiting the conventional pearlite structure and the head heat treated high carbon steel single layer rail K exhibiting the conventional pearlite structure have the same rail head table as in the case of the actual line. Surface damage (dark spot damage) occurred on the part. Further, in the single-layer rail I having a hardness of Hv370 or less exhibiting a bainite structure, surface damage occurs due to plastic deformation (metal flow) of the rail head surface, and in the single-layer rail H having a hardness of Hv370 or more exhibiting a bainite structure. Although no surface damage was observed on the rail head surface up to 200 million tons, the electric resistivity value of the rail was very high compared to the high carbon single layer rails J and K,
The electric conduction characteristics are significantly deteriorated. In addition, the rail G has a two-layer structure in which the initial surface layer thickness of the rail top portion 1 is less than 2 mm.
Peeling damage was caused by the initiation of fatigue cracks from the interface between the two layers. On the other hand, the two-layer rail A of the present invention,
Compared with conventional rails, B, C, D, E, and F greatly improve rail life by preventing rolling fatigue damage on the rail head surface, and at the same time ensure electrical resistivity equivalent to conventional rails. To do.

【0019】表2に落重試験結果を示す。各試験条件と
もに、4本のレールの落重試験後の破断の有無について
表中に示す。表2に示すように本発明の二層構造のレー
ルA,B,C,D,E,Fおよび比較レールGは、−9
0℃まで4本全てのレールが破断しないことが明らかに
なった。
Table 2 shows the results of the drop weight test. For each test condition, the presence or absence of breakage of the four rails after the drop weight test is shown in the table. As shown in Table 2, the rails A, B, C, D, E, and F of the two-layer structure of the present invention and the comparative rail G are −9.
It was revealed that all four rails did not break up to 0 ° C.

【0020】ころがり疲労試験と落重試験の結果から、
本発明の二層構造のレールA,B,C,D,E,Fは、
従来レールと比較してレール頭表面のころがり疲労損傷
を防止することによりレール寿命を大きく改善し、か
つ、耐破壊靭性についても大きく向上している。
From the results of the rolling fatigue test and the drop weight test,
The rails A, B, C, D, E and F of the two-layer structure of the present invention are
By preventing rolling fatigue damage on the rail head surface compared to conventional rails, rail life is greatly improved and fracture toughness is also greatly improved.

【0021】[0021]

【表1】 [Table 1]

【0022】[0022]

【表2】 [Table 2]

【0023】[0023]

【表3】 [Table 3]

【0024】[0024]

【表4】 [Table 4]

【0025】[0025]

【発明の効果】以上のように本発明ではレール頭表面部
分をベイナイト組織を呈せしめ、パーライト・フェライ
ト組織を呈する他の部分との二層組織とすることによ
り、すぐれた耐摩耗性を有し、しかも高い耐破壊靭性を
持つ高靭性レールを製造できる。
As described above, according to the present invention, the rail head surface portion has a bainite structure and has a two-layer structure with the other part having a pearlite / ferrite structure so that it has excellent wear resistance. Moreover, it is possible to manufacture a high toughness rail having high fracture toughness.

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

【図1】本発明レールの一例を示す断面説明図。FIG. 1 is a cross-sectional explanatory view showing an example of a rail of the present invention.

【図2】本発明レールの他の例を示す断面説明図であ
る。
FIG. 2 is a sectional explanatory view showing another example of the rail of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 パーライト組織を呈する材料部分 2 フェライト・パーライト組織を呈する材料部分 a レール頭表部 b レール頭側部 c レール脚部 1 Material part showing pearlite structure 2 Material part showing ferrite / pearlite structure a Rail head surface part b Rail head side part c Rail leg part

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉野 和男 福岡県北九州市戸畑区飛幡町1番1号 新 日本製鐵株式会社八幡製鐵所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kazuo Sugino 1-1 Hibahata-cho, Tobata-ku, Kitakyushu-shi, Fukuoka New Nippon Steel Corporation Yawata Works

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 レール軸断面において少なくともレール
の頭表面部および頭側表面部はレール外郭表面部より2
mm〜15mmの深さまでの層の金属組織がHv硬度が37
0以上のベイナイト組織を呈し、その他の部分は重量%
で、C:0.15〜0.45%、Si:0.15〜1.
20%、Mn:0.50〜2.00%、V:0.035
〜0.100%、N:0.010〜0.025%を含有
し、その金属組織がフェライト・パーライト組織を呈す
る二層構造からなることを特徴とする耐表面損傷・高靭
性レール。
1. At least a head surface portion and a head-side surface portion of the rail in the rail shaft cross section are 2 more than the rail outer surface portion.
The metallographic structure of the layer up to the depth of 15 mm to 15 mm has an Hv hardness of 37.
It has a bainite structure of 0 or more, and the other parts are wt%.
, C: 0.15 to 0.45%, Si: 0.15 to 1.
20%, Mn: 0.50 to 2.00%, V: 0.035
˜0.100%, N: 0.010 to 0.025%, and the metal structure thereof has a two-layer structure exhibiting a ferrite / pearlite structure, which is a surface damage resistant / high toughness rail.
【請求項2】 レール軸断面において少なくともレール
の頭表面部および頭側表面部はレール外郭表面部より2
mm〜15mmの深さまでの層の金属組織がHv硬度が37
0以上のベイナイト組織を呈し、その他の部分は重量%
で、C:0.15〜0.45%、Si:0.15〜1.
20%、Mn:0.50〜2.00%、V:0.035
〜0.100%、N:0.010〜0.025%を含有
し、さらに、Cu:0.05〜0.50%、Ni:0.
05〜1.00%、Cr:0.05〜0.50%、M
o:0.05〜0.50%、Nb:0.01〜0.05
%の1種または2種以上を含有して、その金属組織がフ
ェライト・パーライト組織を呈する二層構造からなるこ
とを特徴とする耐表面損傷・高靭性レール。
2. In the rail axial cross section, at least the head surface portion and the head side surface portion of the rail are more than 2 from the rail outer surface portion.
The metallographic structure of the layer up to the depth of 15 mm to 15 mm has an Hv hardness of 37.
It has a bainite structure of 0 or more, and the other parts are wt%.
, C: 0.15 to 0.45%, Si: 0.15 to 1.
20%, Mn: 0.50 to 2.00%, V: 0.035
.About.0.100%, N: 0.010 to 0.025%, Cu: 0.05 to 0.50%, Ni: 0.
05-1.00%, Cr: 0.05-0.50%, M
o: 0.05 to 0.50%, Nb: 0.01 to 0.05
%, And a metal structure having a two-layer structure exhibiting a ferrite / pearlite structure is contained, and a surface damage resistant and high toughness rail.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999036583A1 (en) * 1998-01-14 1999-07-22 Nippon Steel Corporation Bainite type rail excellent in surface fatigue damage resistance and wear resistance
EP1873263A1 (en) * 2006-06-30 2008-01-02 Deutsche Bahn AG Method for manufacturing a high-strength frog tongue profile and frog tongue profile
EP1873262A1 (en) * 2006-06-30 2008-01-02 Deutsche Bahn AG Method for manufacturing high-strength guide devices, guide rails and/or stick rails and guide device, guide rail and/or stick rail

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