JPH0730401B2

JPH0730401B2 - 靭性の優れた高強度レ−ルの製造方法

Info

Publication number: JPH0730401B2
Application number: JP61271798A
Authority: JP
Inventors: 耕三福田; 典巳和田; 一郎中内; 新一永橋; 義郎斉藤; 清孝森岡; 譲片岡; 有三加藤; 豊和寺本; 晃夫藤林; 正博上田
Original assignee: 日本鋼管株式会社
Priority date: 1986-11-17
Filing date: 1986-11-17
Publication date: 1995-04-05
Anticipated expiration: 2010-04-05
Also published as: JPS63128123A; US4933024A

Description

【発明の詳細な説明】「発明の目的」（産業上の利用分野）本発明は、軌道用レールの製造、特に重荷重鉄道もしく
は線路の曲線部等に用いられる高強度鋼製レールの製造
方法に関するもので、高強度且つ高靭性の軌道用レール
を高生産性を確保して適切に製造することのできる方法
を提供しようとするものである。

（従来の技術）従来、高強度微細パーライト系鋼製レールの高能率な生
産方法として、熱間圧延の完了したレールを直接冷却装
置に装入し、レール頭部を強制冷却して高強度の製品を
得る方法が開発され実用化されつつある。しかし乍らこ
の方法は単に圧延後の冷却手段が従来の放冷と異なるに
過ぎないため、普通レールと類似した程度の靱性しか得
られておらず、近年、高強度レールにも、優れた耐摩耗
性に加えて鉄道の安全性の面からより靱性の高いものが
要求されてきている。靱性に優れた高強度レールの比較
的生産性の高い方法として制御圧延法が提唱されている
が、この方法は、熱間圧延における圧延温度、圧下率を
特定の条件に設定して行なう製法であって、圧延仕上り
時のオーステナイト粒の細粒化を図り、圧延終了後直ち
に強制冷却を行なうことを特徴として高強度、高靱性を
得る方法である。

なお、高強度微細パーライト系鋼製レールの高能率な生
産方法として特開昭51−66221には熱間圧延の完了した
レールを直接冷却装置に装入し、レール頭部を強制冷却
し高強度の製品を得る方法が発表されている。

更に特開昭46−3202（米国特許第3726724号）において
は熱間圧延、冷却、再加熱、冷却のプロセスを採る熱処
理法も開示されている。

（発明が解決しようとする問題点）前記した高強度レールを得るための制御圧延法は圧延温
度が制御される関係で圧延中待機放冷を実施する必要か
ら生産能率の面ではまだ問題のあること、更にオーステ
ナイト低温域で圧延を行なうためレール形状の複雑さか
ら圧延形状の精度を出すのが困難であり、又、低温圧延
による圧延荷重の増大に起因するロール折損を生ずる危
険もあった。

また特開昭51−66221によるものは圧延後の冷却手段が
単に従来の放冷と異なるにすぎないので普通レールと同
レベルの靭性しか得られないことになり、近年における
高強度レールに加えて安全面から要求される靭性を満足
しない。

更に特開昭46−3202（米国特許第3726724号）によるも
のは再加熱後の冷却が空冷であるから生産性に劣る不利
があると共に、靭性なども劣る欠点がある。

「発明の構成」（問題点を解決するための手段）本発明は、上述したような現状に鑑み検討を重ねて創案
されたものであって、通常圧延のままもしくは制御圧延
後の熱片レールを用い圧延の生産能率を維持しつつ、熱
延に続く連続的な熱処理により単なる高速冷却法より優
れた靱性を有する高強度微細パーライト系鋼製レールの
製造方法を得ることに成功したものであって、以下の如
くである。

（１）重量％で C:0.50〜0.85％ Si:0.10〜1.00％ Mn:0.50〜1.50％ P:0.035％以下 S:0.035％以下 Al:0.050％以下を含有し、残部がFeと不可避的な不純物からなる鋼を熱
間圧延し、熱間圧延完了直後の熱片レールを、Ar₃点以
下400℃以上の温度に冷却してレール全体のパーライト
変態を終了せしめ、次いで加熱炉に装入しAc₃点以上950
℃以下のオーステナイト域における低温加熱を行ない、
しかる後該レールの頭部を強制冷却して微細パーライト
組織となし、腹部および底部を放冷もしくは強制冷却し
て通常のパーライト組織もしくは微細パーライト組織と
する処理を連続熱処理で行うことを特徴とする靱性の優
れた高強度レールの製造方法。

（２）重量％で C:0.50〜0.85％ Si:0.10〜1.00％ Mn:0.50〜1.50％ P:0.035％以下 S:0.035％以下 Al:0.50％以下を含有し、更に Cr:0.05〜1.50％ Mo:0.01〜0.20％ Ni:0.10〜1.00％ V:0.01〜0.10％ Nb:0.005〜0.050％ Ti:0.001〜0.015％の１種もしくは２種以上を含有し、残部がFeと不可避的
な不純物とからなる鋼を熱間圧延し、熱間圧延完了直後
の熱片レールを、Ar₃点以下400℃以上の温度に冷却して
レール全体のパーライト変態を終了せしめ、次いで加熱
炉に装入しAc₃点以上950℃以下のオーステナイト域にお
ける低温加熱を行ない、しかる後該レールの頭部を強制
冷却して微細パーライト組織となし、腹部および底部を
放冷もしくは強制冷却して通常のパーライト組織もしく
は微細パーライト組織とする処理を連続熱処理で行うこ
とを特徴とする靱性の優れた高強度レールの製造方法。

（作用）本発明による場合、靭性に優れると共に高生産性も重要
な条件であり、熱延の完了後の熱片レールはAr₃点以下
まで冷却して変態を完全に終了せしめる必要はあるが、
必要以上に時間をかけて冷却する必要は無く、むしろ時
間短縮と顕熱の有効利用の見地から可及的速やかに加熱
炉に装入すべきであって、その下限を400℃とすること
により顕熱の有効利用と時間短縮を適切に得しめる。し
かして加熱炉に装入された熱片レールは、加熱によりAc
₃点において再度オーステナイトに変態するが、この時
は圧延状態のオーステナイト粒に比較して非常に微細な
アーステナイト粒となり、この微細な組織を得る条件と
しては前述の熱延後のAr₃点以下まで冷却し変態を完了
しておくことである。

なお、この変態直後のオーステナイトには未溶解セメン
タイトが残留するためレール鋼の焼入性に不均一さと焼
入性の低下という現象を生ずるので、この未溶解セメン
タイトを溶かし安定した焼入性を確保するためには、加
熱温度をAc₃点より更らに昇温する必要がある。しか
し、微細粒化したオーステナイト粒は、加熱温度を上げ
るとともに粒の成長により粗大化するため粗大化の激し
くなる950℃を超えない温度で加熱する必要がある。

このようにして微細粒化されたオーステナイト状態にあ
るレール鋼の頭部は強制冷却することにより高強度の微
細パーライト組織となるものであり、この微細パーライ
ト組織はオーステナイト粒の細かさを受け継いでおり高
靱性を生ずる原因となり一方腹部、底部は放冷して高靱
性の通常のパーライト組織もしくは頭部と同様に強制冷
却して微細パーライト組織を得る。このように頭部も腹
底部も共にパーライト組織であることによってレール全
般に好ましい靭性を確保する。

尚、本発明は通常の圧延終了後の熱片レールもしくは制
御圧延の終了した熱片レールの何れにも適用しうるもの
であり、比較的無理な圧延を行なったものでも本発明の
熱処理によりその歪を是正できる効果もある。

次に本発明方法の実施に適合する鋼の組成について、特
に成分範囲の限定理由について述べる。

C:0.50〜0.85％。

Ｃは、耐摩耗性上必要不可欠な元素であり、wt％（以下
単に％という）で0.50％未満では摩耗が激しく、実用的
な耐摩耗鋼となり得ない。一方0.85％を超えると金属組
織中に初析セメンタイトが生成し、延性が劣化する。そ
こでＣ量は0.50〜0.85％に限定した。

Si:0.10〜1.00％。

Siは、脱酸元素であると共に強度向上に必須の元素であ
る。従って、脱酸元素として最低0.10％はキルド鋼とし
て必要であり、一方強度上昇には添加量が多い方が効果
も大きいが1.00％を超えると延性の低下が著しいためこ
れを上限とした。

Mn:0.50〜1.50％。

Mnは、強度向上に必須の元素であって、0.50％未満では
その効果が小さく、また1.50％を超えると溶接性の劣化
が顕著となるので0.50〜1.50％に限定した。

Ｐ、S:0.035％以下。

Ｐ、Ｓは、不純物元素で、0.035％を超えると延性も靱
性も共に劣化するため何れもこれを上限とした。また
Ｐ、Ｓは含有量が低いほど延性、靱性が良好であり、特
に0.010％以下でその効果が大きく、溶接性も改善され
る。

Al:0.050％以下。

Alは、脱酸元素としてSiと併用される。しかし0.050％
を超えると、Al₂O₃の発生量が多くなり疲労性能が劣化
するためこれを上限とした。

上記のような成分組織は本発明の連続製造公定に適した
レール鋼として必要不可欠なもので、特に頭部を高強度
微細パーライト組織とするのに重要である。更に本レー
ル鋼を効率よく、且つ効果的に製造するために添加する
添加元素についての限定理由は以下の通りである。

Crは、焼入性向上により、微細パーライト組織とするの
を容易にすると共に、パーライト組織の焼なまし軟化抵
抗を高め、高強度微細パーライト組織を得られ易くし、
焼入性向上の効果を示す0.05％を下限とする。また1.50
％を超えると溶接性を劣化させるためこれを上限とし、
0.05〜1.50％に限定した。

Moは、Crと同様に焼入性の向上と、パーライト組織の焼
なまし軟化抵抗による強度上昇を示しその限定理由も同
じである。つまり焼入性の効果を示す下限値として0.01
％は必要であり、また溶接性から上限を0.20％とした。

Niは、焼入性向上および強度上昇と靱性向上に効果があ
り、0.10％未満では焼入性向上が小さく、1.00％を超え
るとその効果は飽和する。従って0.10〜1.00％に限定し
た。

Ｖ、Nb、Tiは、950℃以下の低温加熱において大部分Ｃ
又はＮとの析出物として鋼中に存在し、Ac₃点から950℃
のオーステナイト中にあって、微細オーステナイト粒の
粒成長を抑制して高靭化に大きく寄与する。従ってオー
ステナイト粒成長抑制効果を示す最低量として、V:0.01
％、Nb:0.005％、Ti:0.001％を必要とし、また上限は、
この効果の飽和する限界量であるからV:0.10％、Nb:0.0
5％、Ti:0.015％とした。

尚、本発明の方法による連続製造工程の要点について説
明すると、熱延終了後放冷もしくは強制冷却によってAr
₃点以下まで冷却するが、変態が完全に終了する温度は
放冷の場合が最も高く約720〜600℃であり、又、加熱炉
へ装入するレールの顕熱利用の効果は少なくとも400℃
以上であることが好ましく、一般的には720〜400℃の範
囲であり、適用し易い温度範囲は650〜400℃であると云
える。加熱炉においてはAc₃点〜950℃の温度域で加熱す
るが、保持時間は２時間以内であればオーステナイト粒
の成長も少なく、最適条件は１〜30分間である。続いて
行う頭部の強制冷却により引張り強さ100kgf/mm²以上が
得られる。

又、前述したような靱性の優れた高強度の微細パーライ
ト組織のレール頭部を得るためにはパーライト変態温度
域において１〜15℃/secの冷却速度を必要とする。腹
部、底部はレールの使用箇所に応じ放冷もしくは15℃/s
ec以下の冷却温度で強制冷却する必要がある。

第１図は本発明におけるレールの断面図で、頭部１、頭
部２、底部３、底部中央４より成っている。

（実施例）第１表に記載する本発明方法に適合する化学成分組成を
有するＡ〜Ｍの合計13種類の鋼種について連続熱処理を
行なった。

第２表は上記第１表に示したＡ〜Ｍの各供試鋼毎に従来
一般的に公知の熱延直後の強制冷却した従来法の場合
と特開昭46−3202号に従った従来法および本発明方法
の熱処理方法を用いた場合の比較を、熱処理条件（冷却
方法、変態温度、加熱炉装入温度、加熱炉内保持温度×
時間、冷却速度〔頭頂下と底部中央〕）、機械的性質
（引張強さ〔頭頂下と底部中央〕）、2uE＋20℃〔頭頂
下と底部中央〕）等について行った実測値を示すもので
ある。

第２図は従来の製造工程と本発明の製造工程を示し、第
３図は従来の製造工程と共に本発明の製造工程を温度と
経過時間との関連で表示した概略図であり、本発明によ
るものは該第３図に実線で示すように連続熱処理（オン
ライン）で行うもので、その○印の中の数字は第２表の
熱処理条件の項目欄に記入した○印の中の数字と対応さ
せてある。第２表中の冷却速度0.3℃/secは放冷を示
し、冷却速度は750℃と500℃の平均冷却速度をとった。
又、機械的性質の内で腹部、底部については引張り試験
値も衝撃試験値も部位間に差はなく略同一値を示したの
で底部中央を代表点とした。冷却速度も同一傾向のため
これに準じて底部中央を代表値とした。

第２表から本発明方法による場合は、レール頭部につい
ては従来工程と同等の極限の強度を微細パーライト組織
により得ることができ、腹底部にも充分な強度と共に高
靭性が付与されていることがわかる。即ち本発明の目的
とする靱性については2uE＋20℃が2kgf・ｍ以上の値を
示しており従来工程に対して約２倍の高靱性化が達成さ
れている。合金添加の効果としてはCr,Mo,Niによりレー
ル鋼の焼入性が向上し、冷却速度を小さくすることがで
き、γ粒微細化による焼入性低下が損なわれていること
がわかる。Ｖについても一部溶解したＶ（CN）により焼
入性が向上、Cr,Mo,Ni,V,Nb,Tiの複合添加は焼入性の向
上とγ粒微細化に非常に有効であることが確かめられ
た。

「発明の効果」以上詳述したように、本発明方法は通常の圧延を完了し
たものもしく制御圧延の完了したもの何れの熱片レール
にも適用でき、しかもこの独得の熱処理を行なうことに
より従来の圧延完了後の高速冷却法より遥かに靱性の優
れた高強度微細パーライト組織を有する高強度鋼製レー
ルが得られることが明らかになった。また一般的には本
発明法による圧延の生産性は通常圧延と略同一程度であ
り、必ずしも制御圧延法の如きオーステナイト低温域で
の圧延を必要としないのでこれに伴なう弊害を防止でき
ることはもちろん、仮りに無理な圧延を行なったとして
も熱処理によりその歪も解消でき、しかも顕熱を有効に
利用した連続熱処理で行い得るので高生産性を確保し得
る等の効果をも併せ持つことになるので、本願発明は業
界に益するところ大なる発明と云うべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図はレールの断面図、第２図は従来法と本発明法の
製造工程を示す略図、第３図は前図における各工程にお
ける温度変化と時間経過を示す概略図である。然してこれらの図面において、1:頭部、2:腹部、3:底
部、4:底部中央を示すものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者永橋新一東京都千代田区丸の内１丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者斉藤義郎東京都千代田区丸の内１丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者森岡清孝東京都千代田区丸の内１丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者片岡譲東京都千代田区丸の内１丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者加藤有三東京都千代田区丸の内１丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者寺本豊和東京都千代田区丸の内１丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者藤林晃夫東京都千代田区丸の内１丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者上田正博東京都千代田区丸の内１丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (56)参考文献特開昭46−3202（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−66221（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−133322（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−2768（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−103154（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で C:0.50〜0.85％ Si:0.10〜1.00％ Mn:0.50〜1.50％ P:0.035％以下 S:0.035％以下 Al:0.050％以下を含有し、残部がFeと不可避的な不純物からなる鋼を熱
間圧延し、熱間圧延完了直後の熱片レールを、Ar₃点以
下400℃以上の温度に冷却してレール全体のパーライト
変態を終了せしめ、次いで加熱炉に装入しAc₃点以上950
℃以下のオーステナイト域における低温加熱を行ない、
しかる後該レールの頭部を強制冷却して微細パーライト
組織となし、腹部および底部を放冷もしくは強制冷却し
て通常のパーライト組織もしくは微細パーライト組織と
する処理を連続熱処理で行うことを特徴とする靱性の優
れた高強度レールの製造方法。
【請求項２】重量％で C:0.05〜0.85％ Si:0.10〜1.00％ Mn:0.50〜1.50％ P:0.035％以下 S:0.035％以下 Al:0.50％以下を含有し、更に Cr:0.05〜1.50％ Mo:0.01〜0.20％ Ni:0.10〜1.00％ V:0.01〜0.10％ Nb:0.005〜0.050％ Ti:0.001〜0.015％の１種もしくは２種以上を含有し、残部がFeと不可避的
な不純物とからなる鋼を熱間圧延し、熱間圧延完了直後
の熱片レールを、Ar₃点以下400℃以上の温度に冷却して
レール全体のパーライト変態を終了せしめ、次いで加熱
炉に装入しAc₃点以上950℃以下のオーステナイト域にお
ける低温加熱を行ない、しかる後該レールの頭部を強制
冷却して微細パーライト組織となし、腹部および底部を
放冷もしくは強制冷却して通常のパーライト組織もしく
は微細パーライト組織とする処理を連続熱処理で行うこ
とを特徴とする靱性の優れた高強度レールの製造方法。