JPH06240361A - グラインダー特性と耐表面疲労損傷性を向上するレール頭頂部の熱処理法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、レール頭頂部のグラインダー削正
特性、耐表面疲労損傷性を向上させたレールの熱処理方
法を提供する。 【構成】 オーステナイト域以上の熱を保有するレール
頭部の側面部に指向する左右の分割ノズルから気体また
は気液体を噴射しながら、該レール頭側部の８００〜４
５０℃の間を１〜４℃/sの速さで強制冷却し、レール頭
頂部のＨｖ硬度をレール頭部ゲージコーナー部より２０
〜１００低くすることを特徴とするグラインダー特性と
耐表面疲労損傷性を向上するレールの熱処理方法。 【効果】 頭頂部のグラインダー特性、耐表面疲労損傷
性に優れた熱処理レールを安定して製造することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レール頭頂部のグライ
ンダー削正特性、耐表面疲労損傷性を向上させたレール
の熱処理方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、鉄道輸送は高軸重化、高速化を指
向し、それにともなってレール頭部の摩耗や疲労損傷が
増加しており、レールの高強度化が求められている。こ
のような要求を満足し得るレールは、これまでの研究か
ら、微細なパーライト組織を有するレールであり、かか
るレールは耐摩耗性や耐疲労損傷性などの点で優れた特
性を示すことが知られている。

【０００３】このようなレールとして、たとえば、特開
昭５０−１４０３１６号公報で開示されるような「炭素
鋼にＳｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｔｉなどの元素を
添加して得られる成分系を有する、圧延ままの合金鋼レ
ール」や、特公昭５５−２３８８５号公報に開示される
ような「特段の合金成分を添加することなく、レール頭
部を高温度に加熱し、所定の温度域から冷却するととも
に、ある温度区間を冷却制御して得られる熱処理レー
ル」などがある。このように熱処理レールの製造は様々
であるが、比較的安定して微細パーライト組織が得られ
る熱処理方法に、レールの断面頭部を囲むように配置し
たノズルから気体または気液体冷却媒体を、レール頭部
に指向して噴射する一体のレール頭部熱処理用冷却装置
もある。

【０００４】また上記のような従来の熱処理方法を改善
したものとして、特公平２−７３７１号公報で開示され
るような「レール頭頂面側および両頭側面側の３方から
それぞれ独立に噴射する３方向ノズルで、レール頭頂面
と頭側面およびあご下部を直接冷却制御し、その冷却に
用いた冷媒体をレールの両ゲージコーナー部および両頭
部付根部から排出させ、過冷却になりやすいゲージコー
ナー部の硬度過上昇またはマルテンサイト、ベイナイト
などの異組織生成を防ぎながら、頭頂面およびあご下面
の硬度分布を均質化する熱処理方法」もある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、最近鉄道各
社において、レール／車輪の接触状況最適化と表面疲労
損傷抑制の目的からグラインダー削正が行われたり、レ
ールの頭頂部自身が摩耗により自然に微細き裂を除去し
たり、車輪との接触によるホワイトフェーズの生成を摩
耗により除去する目的で、レール頭頂部の硬さをレール
ゲージコーナー部より低めに制御したレールを製造する
必要が生じてきた。頭頂部の硬さが低いレールがグライ
ンダー削正特性に優れている理由は、少しでも硬さが低
いほうがグラインダーにかかる負担を軽減し、砥石寿命
の延長や、一度に削正できる量を増加させることができ
るからである。また表面疲労損傷に関しては、頭頂面の
硬さが低いほうが、摩耗によるホワイトフェーズやき裂
の除去作用を有効に活用しやすい。また、き裂は必ずし
もホワイトフェーズと関係なく発生した場合でも、摩耗
による除去効果は同様に期待できる。一方これらの場
合、ゲージコーナー部は、頭頂部に比べて局所的な大き
な圧力がかかり、かつ車輪フランジと大きなすべり率で
接触するため、通常の高強度レールの、必要とされる硬
さを保持することが耐摩耗、耐疲労損傷性の観点から重
要である。

【０００６】特開平２−２８２４４８号公報に開示され
ている「耐ころがり疲労損傷性を向上したレール」はそ
の１例で、「ホワイトフェーズの生成をおさえるためレ
ールの含有炭素量を下げると同時に、レール頭頂部の硬
度がＨｖ２００〜３５０、頭部コーナー部の硬度がＨｖ
２５０〜４１０にすること」を特徴として、頭頂部の摩
耗によるホワイトフェーズならびにき裂の除去作用を有
効に利用している。

【０００７】このようにレール頭部断面内で硬度を変化
させるレールを、従来の熱処理方法で製造するには以下
に述べるような問題がある。すなわち、高温度に加熱さ
れたレール頭部に、気体などの冷却媒体をレール断面の
頭部を囲む形のノズルから噴射し、高温域から強制冷却
するレールの製造方法は、一定の強度ノズルのみの製造
方法であり、図６（ａ），（ｂ）に示すようなレール７
の頭部中央頭頂面および頭側面を連続に囲んだ一体のノ
ズルカッター８が用いられる。したがって頭頂部とゲー
ジコーナー部の冷却速度を変えることはできず、頭部ゲ
ージコーナー部の硬度より頭頂面の硬度が低いレールを
製造することはできない。

【０００８】また、冷却媒体の排気効率を向上させた図
７に示す３分割ノズル９の場合も、頭頂部とコーナー部
の冷却速度を変化させるためには、頭頂側ノズルと頭側
側ノズルの冷却強度を別々に制御する必要が生じ、設備
的に大掛かりな制御装置が必要となり、簡便に頭部ゲー
ジコーナー部の硬度より頭頂面の硬度が低いレールを製
造することはできない。

【０００９】本発明は、上記した従来の問題点を解消す
るものであり、冷却ノズルの配置を工夫し、適切な冷却
速度を確保することによって、レール頭頂面のグライン
ダー削正特性、表面疲労損傷性を向上させたレールの熱
処理方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明の要旨とすると
ころは、オーステナイト域以上の熱を保有するレール頭
部の側面部に指向する左右の分割ノズルから気体または
気液体を噴射しながら、該レール頭側部の８００〜４５
０℃間を１〜４℃/sの速さで強制冷却し、レール頭頂部
のＨｖ硬度をレール頭部ゲージコーナー部より２０〜１
００低くするグラインダー特性と耐表面疲労損傷性を向
上するレールの熱処理方法にある。

【００１１】以下に本発明について図面に示す実施形態
を参照しながら詳細に説明する。まず図１に、レール頭
部における各部位の称呼を表示した。図２は、本発明を
実施するときのノズルヘッダー構成の一例を示す概略図
である。図２において、１はレールであり、熱間圧延を
終え、あるいは熱処理する目的で加熱され、オーステナ
イト域以上の温度域に保持される。この場合のオーステ
ナイト域以上の温度域は加速冷却後、耐摩耗性、耐疲労
損傷性に富んだ微細パーライト組織を得るために必要で
ある。２，３はレール頭側面あご下面冷却用ヘッダー
で、レール長手方向に沿って、それぞれ分離して設けら
れ、かつレール頭側面あご下面冷却用ノズル４，５はレ
ール頭側面とあご下部に指向して気体および気液体冷却
冷媒（空気、Ｎ₂ 、ミスト）を噴射するようにセットさ
れ、頭側面上部分の冷却に使用した冷媒は上部へ、頭側
面下部分およびあご下部の冷却に使用した冷媒は頭部付
根部より排出するようになっている。

【００１２】左右に分割配置したノズルを用いてレール
頭側面およびあご下面のみを冷却する理由は、硬度を一
番高くする必要のあるレールゲージコーナー部および頭
側部を有効に冷却し、なおかつ、硬度を低く抑える必要
がある頭頂面とノズル間の距離を離し、頭頂面の冷却速
度を小さくするためである。

【００１３】６は、必要に応じて使用されるレール底面
冷却用ノズルヘッダーであり、頭側部ヘッダー２，３と
同様に高温度レール１の長手方向に沿って設けられ、該
レール１の底面に冷媒を噴射する。下部ヘッダー６は図
２に示すように高温度レール１の底面中央部に向けて設
けられており、該レール１の形状制御を行うべく機能を
する。

【００１４】次に８００〜４５０℃の温度間のレール頭
側部の冷却速度を１〜４℃/sに限定した理由について述
べる。本冷却方法では、頭頂部も加えた３方向冷却方式
に比べて直接ノズルから冷媒がかかる面積が小さい。し
たがってゲージコーナー部を各種鉄道の曲線部、緩和曲
線部における摩耗、疲労損傷に耐え得る硬さに維持する
ためには冷却速度を１℃/s以上を確保する必要がある。
これにより、左右分割ノズルを用いてレール頭側部を冷
却すると、ノズルに近いレールゲージコーナー部と、ノ
ズルから離れている頭頂面の硬度差Ｈｖ２０〜１００が
確保できる。しかし、４℃/sを超えるとマルテンサイト
などの異組織が生成してレールの疲労損傷などの原因と
なり、またノズルに近いレールゲージコーナー部と、ノ
ズルから離れている頭頂面の冷却速度の差が小さくなっ
て、硬度差Ｈｖ２０を確保できない場合が生じる。した
がって、冷却速度をこの範囲に限定する必要がある。

【００１５】続いてレール頭頂部の硬さをゲージコーナ
ー部よりＨｖ２０〜１００低くすることに限定した理由
について述べる。鉄道各社において必要とされるレール
のゲージコーナー部の硬さは、レールの使用環境によっ
て異なる。列車重量の重い、海外の重荷重鉄道の特に曲
線外軌レールでは、激しい摩耗や表面疲労損傷や内部損
傷に耐え得る高硬度（通常Ｈｖ３８０以上）のレールが
要求される。一方国内外の旅客用鉄道においては、やや
低めの硬度（Ｈｖ３５０以上）のレールが多く用いられ
る。したがって優れたグラインダー削正特性や耐表面疲
労損傷性を確保するために必要な頭頂部の硬さは、ゲー
ジコーナー部の硬さとの差によって決められ、最低Ｈｖ
２０以上頭頂面の硬さがゲージコーナーの硬さより低い
必要がある。Ｈｖ２０未満より硬度差が小さい場合は、
グラインダー効率が均一高硬度レールと差がなく、また
頭頂部の摩耗速度がゲージコーナー部などの他の位置と
同一になり、耐表面損傷性が向上しない。また、いずれ
の使用環境においても頭頂部の硬さとゲージコーナーの
差がＨｖ１００を超えると、レールが摩耗により不均一
な形状となり、レール／車輪の接触状況に悪影響を及ぼ
し、また頭頂部の硬度が低くなり過ぎることによる耐表
面損傷性の低下が生じるので、頭頂部とゲージコーナー
部の硬度差はＨｖ２０〜１００に限定する必要がある。

【００１６】本発明は実施態様に説明したように、レー
ルの頭側部を冷却することにより、レールゲージコーナ
ー部に比較してノズルから離れている頭頂部の硬さが低
くなり、レール頭頂部のグラインダー削正特性および耐
表面損傷性を向上させたレールの製造が可能となる。ま
た３方向に比べて２方向では冷媒噴出量が落ちるが、頭
頂部の冷却ヘッダーからの冷媒の噴射がないことによ
り、冷媒の排気は容易になり、冷却効率の低下が少なく
てすむ傾向も確認し、実用化に至ったものである。

【００１７】

【実施例】次に本発明の実施例について説明する。表１
に示される記号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの化学成分を含有せしめ
た１３２ＲＥレール（１３２ポンド／ヤード）を用い、
圧延ままでオーステナイト域以上の高温域にあるこれら
のレールを表１に示す本発明条件および比較試験条件に
より熱処理した。

【００１８】

【表１】

【００１９】圧延レールは、ゲージコーナー部表面下１
０mmまでを、記号Ａ，Ｂ，ＣレールはＨｖ３８０以上、
記号ＤレールはＨｖ３５０以上、頭頂部表面下１０mmま
でを、記号Ａ，Ｂ，ＣレールはＨｖ３４５程度（硬度差
Ｈｖ３０以上）、記号ＤレールはＨｖ３３０程度（硬度
差Ｈｖ２０以上）を製造目標として、熱処理した。従来
法すなわち図７に示す冷却装置を用いて得られた記号
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄレール頭部断面硬度分布を図３（ａ），
（ｂ），（ｃ），（ｄ）に、本発明法で得られた記号
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄレール頭部断面硬度分布を図４（ａ），
（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示す。

【００２０】結果は、本発明によると目標とした頭頂部
とゲージコーナー部の硬さが得られており、全断面微細
パーライトであり、マルテンサイト、ベイナイトなどの
有害な組織は認められない。

【００２１】一方本発明タイプのノズルを用いて、表１
に示した比較試験条件すなわち、記号Ｅ，Ｆにおいて得
られたレール頭部断面硬度分布を図５（ａ），（ｂ）に
示す。冷却速度が０．５℃/sでは十分なゲージコーナー
と頭頂部の硬度差を得ることができず、また冷却速度が
４．５℃/sでは異組織が発生し、目的とするレールが得
られないことが確認された。

【００２２】補足として本発明に通常用いられるレール
成分は、安定してパーライト組織が得られる成分系、す
なわち、Ｃ：０．５５〜０．８５％、Ｓｉ：０．２０〜
１．２０％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、もしくはこ
れにＣｒ：０．１０〜０．８０％を加えた成分系を基本
とし、必要に応じてＮｂ，Ｖ，Ｔｉなどの一種または二
種以上、残部Ｆｅからなる成分系の鋼を指す。

【００２３】

【発明の効果】本発明は、以上述べたように構成した結
果、頭頂部のグラインダー特性、耐表面疲労損傷性に優
れた熱処理レールを安定して製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レール頭部断面表層部の呼称名を示す図であ
る。

【図２】本発明のノズルヘッダー構成例と気体冷却媒体
の流れを示す断面図である。

【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は従来法（図
７タイプ）によって得られたレール頭部断面の硬度分布
測定結果を示す図である。

【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は本発明の実
施により得られたレール頭部断面の硬度分布測定結果を
示す図である。

【図５】（ａ），（ｂ）は比較条件で得られたレール頭
部断面の硬度分布測定結果を示す図である。

【図６】（ａ），（ｂ）は従来法のレール頭部断面囲み
型ノズルヘッダーと気体冷却媒体の流れを示す図であ
る。

【図７】３分割型ノズルヘッダーと気体冷却媒体の流れ
を示す図である。

【符号の説明】

１ 高温度レール ２，３ レール頭側面冷却ヘッダー ４，５ レール頭側面冷却ノズル ６ レールベース床面冷却用ノズルヘッダー

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

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 オーステナイト域以上の熱を保有するレ
   ール頭部の側面部に指向する左右の分割ノズルから気体
   または気液体を噴射しながら、該レール頭側部の８００
   〜４５０℃間を１〜４℃/sの速さで強制冷却し、レール
   頭頂部のＨｖ硬度をレール頭部ゲージコーナー部より２
   ０〜１００低くすることを特徴とするグラインダー特性
   と耐表面疲労損傷性を向上するレールの熱処理方法。