JPH10176244A - High strength bainitic rail having low thermal expansion coefficient and its production - Google Patents

High strength bainitic rail having low thermal expansion coefficient and its production

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JPH10176244A
JPH10176244A JP33810496A JP33810496A JPH10176244A JP H10176244 A JPH10176244 A JP H10176244A JP 33810496 A JP33810496 A JP 33810496A JP 33810496 A JP33810496 A JP 33810496A JP H10176244 A JPH10176244 A JP H10176244A
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JP
Japan
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rail
thermal expansion
bainite
coefficient
hardness
Prior art date
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JP33810496A
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Japanese (ja)
Inventor
Sadahiro Yamamoto
定弘 山本
Hiroyasu Yokoyama
泰康 横山
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JFE Engineering Corp
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NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To produce a high strength bainitic rail excellent in wear resistance and damaging resistance and having a low thermal expansion coefficient equal to or below that of a pearlite type heat treated rail ant to provide a method for producing the same. SOLUTION: This high strength bainitic rail contains, by mass, 0.20 to 0.50% C, 0.10 to 0.30% Si, 0.50 to 2.50% Mn, <=0.035% P, <=0.035% S, 0.50 to 1.50% Mo, 0.30 to 2.00% Cr, 0.05 to 0.15% Nb, and the balance iron with inevitable impurities. In this case, the componental compsn. satisfies the inequality of -2.5C+2.2Si+1.6Mn+0.6Cr+0.5Mo-11.6(Nb+V)+9<=11.0 (where the elemental symbols in the inequality denote the respective mass%), the metallic structure of the rail is formed of a bainitic structure homogeneous all over the surface, the hardness of the rail is regulated to >=400Hv in all positions of the top part and the corner parts of the head part, and it has a low thermal expansion coefficient.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、従来のパーライト
型熱処理レールと同等以下の低熱膨張率を有する高強度
ベイナイト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 high-strength bainite rail having a low coefficient of thermal expansion equal to or lower than that of a conventional pearlitic heat-treated rail.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、高荷重下で使用されるレール鋼に
は耐摩耗性、耐転動疲労特性重視の観点からパーライト
鋼を用い、パーライトラメラーの微細化を主体とした高
強度化のみが指向されてきた。しかし近年、鉄道輸送に
おけるより一層の高速化、高軸重化に伴いレールの使用
条件はますます厳しいものになってきている。特にアメ
リカ、カナダにおいて鉱石を運搬する高軸重鉄道では、
曲線外軌のゲージコーナー部のシェリング損傷および曲
線内軌の頭頂面に発生するフレーキング損傷が問題視さ
れている。
2. Description of the Prior Art Conventionally, pearlite steel is used for rail steel used under high load from the viewpoint of abrasion resistance and anti-rolling fatigue characteristics, and only high strength mainly by miniaturization of pearlite lamellar is used. Have been oriented. However, in recent years, rail use conditions have become more and more severe along with higher speed and higher axle weight in rail transport. Especially in the United States and Canada, high axle heavy railways that transport ore,
Schelling damage at the gauge corner of the outer curve and flaking damage on the top surface of the inner track have been regarded as problems.

【0003】このような耐シェリング性、耐フレーキン
グ性を飛躍的に向上させる耐損傷レールとして、従来の
微細パーライト鋼から全く発想を変え、ベイナイト組織
を有する高強度ベイナイトレールが開示されている。こ
のようなベイナイトレールは、頭頂部と頭部コーナー部
に硬度差をつけることにより耐損傷性を高めたものと、
摩耗の促進により耐損傷性を高めたものに大別される。
前者の例は、特開平2-282448号公報、特開平6-336614号
公報、特開平7-34133号公報に開示されており、後者の
例は、特開平5-271871号公報、特開平8-92696号公報に
開示されている。
A high-strength bainite rail having a bainite structure is disclosed as a damage-resistant rail that dramatically improves such shelling resistance and flaking resistance, which is completely different from conventional fine pearlite steel. Such bainite rails have increased damage resistance by giving a difference in hardness between the top and the corner of the head,
They are roughly classified into those with increased damage resistance due to the promotion of wear.
The former example is disclosed in JP-A-2-282448, JP-A-6-336614, and JP-A-7-34133, and the latter example is disclosed in JP-A-5-218717 and JP-A-8-83133. -92696.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなベ
イナイトレールはいずれもC含有量を低くしMn,Cr,Moな
どの合金元素を多量に含有しているため、従来のパーラ
イト型熱処理レールに比べて熱膨張率が高いという問題
がある。特に、このような高強度ベイナイトレールを実
敷設した場合、以下の問題がある。
However, since all such bainite rails have a low C content and contain a large amount of alloying elements such as Mn, Cr, and Mo, they cannot be used with conventional pearlite-type heat-treated rails. There is a problem that the coefficient of thermal expansion is higher than that. In particular, when such a high-strength bainite rail is actually laid, there are the following problems.

【0005】(1)夏期には80℃以上にもなるような敷
設場所も多々あるため、熱による膨張に起因したレール
の座屈(湾曲)などの問題が生じやすい。
[0005] (1) Since there are many places where the temperature can reach 80 ° C. or more in summer, problems such as buckling (curving) of the rail due to expansion due to heat are likely to occur.

【0006】(2)冬季には-30℃にもなるような敷設場
所も多々あるため、低温による収縮量が無視できず、レ
ールの足部が枕木に拘束された状態で収縮することによ
る破断が生じやすい。
(2) Since there are many places where the temperature can reach -30 ° C. in winter, the amount of shrinkage due to low temperature cannot be ignored, and the rails are broken due to shrinkage while being restrained by the sleepers. Tends to occur.

【0007】(3)夏期の膨張に起因したレールの座屈
(湾曲)の防止のためレールのつなぎ目の隙間を広くし
た場合は、レール端部への車輪の衝撃が大きくなること
による損傷が生じやすい。
(3) If the gap between the rail joints is widened to prevent buckling (bending) of the rail due to summer expansion, damage occurs due to an increase in the impact of the wheel on the rail end. Cheap.

【0008】また、摩耗の促進により耐損傷性を高めた
特開平5-271871、特開平8-92696号公報記載のベイナイ
トレールについては、海外の鉱山鉄道のような高軸重条
件下で使用した場合、レール頭部の摩耗が著しく促進さ
れレールの寿命が極端に短くなるという問題もある。
The bainite rails described in JP-A-5-21871 and JP-A-8-92696, in which damage resistance is enhanced by promoting wear, were used under high axle load conditions such as overseas mining railways. In this case, there is also a problem that the wear of the rail head is remarkably promoted and the life of the rail is extremely shortened.

【0009】このように高速運転条件下における急曲線
区間、あるいは海外の鉱山鉄道のような高荷重条件下で
要求される耐摩耗性及び耐損傷性に加えて、高強度ベイ
ナイトレールにおける熱膨張率の低減は重要な課題であ
るが、従来の技術においては、このようか観点から系統
的な検討が行われた例は無い。
As described above, in addition to the wear resistance and damage resistance required under a high-curve section such as a sharply curved section under high-speed operation conditions or an overseas mining railway, the coefficient of thermal expansion of a high-strength bainite rail is also high. Although the reduction of the noise is an important issue, there is no example in the prior art in which a systematic study was performed from such a viewpoint.

【0010】本発明はこのような問題に鑑みなされたも
ので、従来のパーライト型熱処理レールに比べ耐摩耗
性、耐損傷性に優れ、パーライト型熱処理レールと同等
以下の低熱膨張率を有する高強度ベイナイトレールおよ
びその製造方法を提供する。
The present invention has been made in view of such problems, and has high wear resistance and damage resistance as compared with the conventional pearlite-type heat-treated rail, and has a low thermal expansion coefficient equal to or less than that of the pearlite-type heat-treated rail. A bainite rail and a method for manufacturing the same are provided.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、
(a)mass%で、 C:0.20〜0.50% Si:0.10〜0.30% Mn:0.50〜2.50% P:0.035%以下 S:0.035%以下 Mo:0.50〜1.50% Cr:0.30〜2.00% Nb:0.05〜0.15% を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなる成分組
成のレールであり、(b)前記成分組成は次の不等式を
満たし、 -2.5C+2.2Si+1.6Mn+0.6Cr+0.5Mo-11.6(Nb+V)+9≦11.0 (但し、式中の元素記号はそれぞれのmass%を表
す) (c)前記レールの金属組織が全面均質なベイナイト組
織であり、(d)かつ、前記レールの硬度が頭頂及び頭
部コーナー部のいずれの位置においてもHv400以上
である低熱膨張率を有する高強度ベイナイトレールであ
る。
Means for Solving the Problems The invention of claim 1 is:
(A) In mass%, C: 0.20 to 0.50% Si: 0.10 to 0.30% Mn: 0.50 to 2.50% P: 0.035% or less S: 0.035% Mo: 0.50 to 1.50% Cr: 0.30 to 2.00% Nb: 0.05 to 0.15%, with the balance being a component composition consisting of iron and inevitable impurities. , (B) the component composition satisfies the following inequality, -2.5C + 2.2Si + 1.6Mn + 0.6Cr + 0.5Mo-11.6 (Nb + V) + 9 ≦ 11.0 (where the element symbols in the formula are (C) a low heat in which the metal structure of the rail is a bainite structure that is uniform over the entire surface, and (d) the hardness of the rail is Hv 400 or more at any position of the top and the corner of the head. It is a high-strength bainite rail having an expansion coefficient.

【0012】本発明における硬度、化学成分、製造条件
についての限定理由を述べる。 (1)硬度(耐摩耗性、耐損傷性) 耐摩耗性 硬度がHv400以上ならば摩耗量が高強度微細パーライ
トレールと同程度以下になる。耐摩耗性については実際
に敷設した場合の摩耗量で評価することが最も望ましい
が、西原式摩耗試験機を用いて実敷設レールの接触条件
をシミュレートした比較試験により評価する方法も有効
である。この試験法を用いれば短期間で耐摩耗性を評価
することができる。
The reasons for limiting the hardness, chemical components and production conditions in the present invention will be described. (1) Hardness (abrasion resistance, damage resistance) Abrasion resistance If the hardness is Hv400 or more, the abrasion amount is equal to or less than that of the high-strength fine pearlite rail. It is most desirable to evaluate the wear resistance by the amount of wear when actually laid, but it is also effective to use a Nishihara type abrasion tester to simulate the contact conditions of the actual laid rail by a comparative test . With this test method, the wear resistance can be evaluated in a short period of time.

【0013】そこで、これらの点について詳細に検討す
るため、0.3C-0.5Cr-0.3Mo-0.1Nb鋼を用いて摩耗試験を
行った。鋼の硬さは、Mn添加量を変化させて変えた。表
1に、摩耗試験に用いた鋼(0.31C-0.35Si-Mn-0.5Cr-0.3
Mo-0.10Nb鋼)の成分を示す。
Therefore, in order to examine these points in detail, a wear test was performed using 0.3C-0.5Cr-0.3Mo-0.1Nb steel. The hardness of the steel was changed by changing the amount of Mn added. table
The steel used in the wear test (0.31C-0.35Si-Mn-0.5Cr-0.3
Mo-0.10Nb steel).

【0014】[0014]

【表1】 [Table 1]

【0015】摩耗試験は、外径30mm、幅8mmの西
原式摩耗試験片を用い、接触荷重250kg、すべり率
−10%、潤滑剤無しの乾燥条件で行い、50万回回転
後の摩耗減量を測定した。また熱膨張率の測定には外径
5mm、長さ50mmの丸棒試験片を用い、20℃から100
℃の平均値を求めた。
The abrasion test is performed using a Nishihara type abrasion test piece having an outer diameter of 30 mm and a width of 8 mm under a contact load of 250 kg, a sliding rate of -10%, and a dry condition without a lubricant. It was measured. The outer diameter is used for measuring the coefficient of thermal expansion.
Use a round bar specimen of 5 mm and length of 50 mm,
The average value of ° C was determined.

【0016】図1は、この摩耗試験の結果から作成し
た、硬さ(ビッカース硬さHv)の増加に伴う摩耗減量
および熱膨張率の変化を示す図である。図中には従来の
パーライト型熱処理レールの値も加えた。Mnの増加に
伴う硬さの上昇に伴い、摩耗減量は減少する。同一硬さ
で比較した場合は、ベイナイト鋼はパーライト鋼に比べ
摩耗量が多い。しかし、硬さをHv400まで高めること
により、通常のパーライト型熱処理レールと同等の耐摩
耗性が得られる。一方、熱膨張率はMnの増加に伴う硬
さの上昇に伴い連続的に増加し、この成分系の場合Hv
400ではパーライト型熱処理レールの1.08倍となる。
FIG. 1 is a graph showing changes in wear loss and coefficient of thermal expansion accompanying an increase in hardness (Vickers hardness Hv) prepared from the results of this wear test. In the figure, values of the conventional pearlite-type heat treatment rail are also added. With increasing hardness with increasing Mn, wear loss decreases. When compared at the same hardness, bainite steel wears more than pearlite steel. However, by increasing the hardness to Hv400, wear resistance equivalent to that of a normal pearlite-type heat-treated rail can be obtained. On the other hand, the coefficient of thermal expansion continuously increases with an increase in hardness with an increase in Mn.
At 400, it is 1.08 times the pearlitic heat treatment rail.

【0017】図1に示したように、摩耗減量は硬度、ミ
クロ組織の影響を受ける。硬度の増加に伴い摩耗減量が
減少し、同一硬度においてはパーライト組織よりもベイ
ナイト組織のほうが摩耗減量が大きいが、ベイナイト鋼
においても、硬さをHv400以上とすることにより、摩
耗減量が高強度微細パーライトレールと同程度以下にな
り、高強度微細パーライトレールより優れた耐摩耗性が
得られる。
As shown in FIG. 1, wear loss is affected by hardness and microstructure. The wear loss decreases with increasing hardness, and at the same hardness, the bainite structure has a larger wear loss than the pearlite structure. It is less than or equal to that of the pearlite rail, and higher wear resistance than that of the high-strength fine pearlite rail can be obtained.

【0018】 耐損傷性 ベイナイト組織において硬さがHv275以上ならば高強
度微細パーライトレールと同等以上の耐損傷性が得られ
る。
Damage Resistance If the hardness of the bainite structure is Hv 275 or more, damage resistance equal to or higher than that of a high-strength fine pearlite rail can be obtained.

【0019】各種損傷のうち、塑性変形を伴うフレーキ
ング損傷はその抑制が最も重要視されている損傷の1つ
である。フレーキング損傷はマトリックスの塑性フロー
と疲労強度が複雑に影響した現象であると考えられてお
り、その抑制には塑性フローが生じ難く疲労強度が高い
ことが重要である。
Among various types of damage, flaking damage accompanied by plastic deformation is one of the damages whose suppression is most important. Flaking damage is considered to be a phenomenon in which the plastic flow and the fatigue strength of the matrix influence in a complex manner, and it is important to suppress the plastic flow that the plastic flow hardly occurs and the fatigue strength is high.

【0020】フレーキング損傷に関しても実敷設による
評価が最も望ましいが、西原式摩耗試験機を用いてフレ
ーキング損傷の発生をシミュレートした比較試験により
評価する方法も有効である。この試験法を用いれば短期
間で耐フレーキング損傷性を評価できる。
It is most desirable to evaluate the flaking damage by actual laying, but it is also effective to use a Nishihara-type abrasion tester to simulate the occurrence of flaking damage by a comparative test. Using this test method, it is possible to evaluate flaking damage resistance in a short period of time.

【0021】図3はフレーキング損傷試験の試験片形状
と試験方法の概略を示す図である。表1に成分を示した
鋼を用い、図3に示すサンプルを用いて接触荷重50k
g、すべり率−20%、油潤滑の条件で耐フレーキング
損傷特性を調べた。
FIG. 3 is a diagram schematically showing a test piece shape and a test method in the flaking damage test. Using the steel whose components are shown in Table 1, using the sample shown in FIG.
g, a sliding rate of -20%, and an oil lubrication condition were examined for flaking resistance.

【0022】図2は、フレーキング損傷試験の結果から
作成した硬さとフレーキング発生寿命の関係を示す図で
ある。同一硬さで比較した場合、0.2%耐力の高いベ
イナイト鋼は、微細パーライト組織の高強度レール鋼よ
りもフレーキング発生寿命が長い。従ってベイナイト組
織であれば硬さがHv275以上ならば、現在使用されて
いる高強度微細パーライトレール鋼よりも優れた耐フレ
ーキング損傷性が得られる。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the hardness and the life of flaking generated based on the results of the flaking damage test. When compared at the same hardness, bainite steel having a high 0.2% proof stress has a longer flaking generation life than high-strength rail steel having a fine pearlite structure. Therefore, if the bainite structure has a hardness of Hv 275 or more, flaking damage resistance superior to that of the currently used high-strength fine pearlite rail steel can be obtained.

【0023】従って、ベイナイト組織の場合、硬度がH
v400以上であれば、前述の耐摩耗性とともに耐損傷
性も、現在使用されている高強度微細パーライトレール
と同等以上の特性が得られる。そこでこの発明では、硬
さを頭頂部、頭部コーナー部のいずれの位置においても
Hv400以上とした。また、頭頂部の一部の硬さが低下
すると、相対的に耐摩耗性、耐損傷性が低下することに
なるため、頭部は均一硬さであることが必要である。
Therefore, in the case of the bainite structure, the hardness is H
If it is v400 or more, not only the above-mentioned wear resistance but also damage resistance can be obtained which are equal to or higher than those of the currently used high-strength fine pearlite rail. Therefore, in the present invention, the hardness is set to Hv400 or more at any position of the top and the corner of the head. Also, if the hardness of a part of the crown decreases, the wear resistance and damage resistance relatively decrease, so that the head needs to have uniform hardness.

【0024】(2)化学成分 次に、熱膨張率について検討した。表2に、試験に用い
た鋼の成分を示す。ここでは、0.3C-0.5Cr-0.3Mo-0.1Nb
-0.05V鋼において、Si量を3レベル設定し、それぞれのS
iレベルにおいてMn添加量により強度を変化させた。な
お、熱膨張率の測定は、前述に同じである。
(2) Chemical Components Next, the coefficient of thermal expansion was examined. Table 2 shows the components of the steel used in the test. Here, 0.3C-0.5Cr-0.3Mo-0.1Nb
For -0.05V steel, set three levels of Si content,
At the i level, the strength was changed by the amount of Mn added. The measurement of the coefficient of thermal expansion is the same as described above.

【0025】[0025]

【表2】 [Table 2]

【0026】図4は、得られた結果から作成した硬さと
熱膨張率の関係を示す図である。Mn量の増加に伴う硬さ
の上昇とともに熱膨張率は増加するが、同一硬さで比較
した場合、Si含有量が低いほど熱膨張率が低い。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the hardness and the coefficient of thermal expansion prepared from the obtained results. Although the coefficient of thermal expansion increases with an increase in hardness with an increase in the amount of Mn, when compared with the same hardness, the lower the Si content, the lower the coefficient of thermal expansion.

【0027】同様に、Moレベルを変えた場合についても
検討した。表3に、試験に用いた鋼の成分を示す。ここ
では、0.2C-0.28Si-0.8Cr-0.1Nb-0.03V鋼においてMo量
を3レベル変化させ、それぞれのMoレベルにおいてMn添
加量により強度を変化させた。
Similarly, the case where the Mo level was changed was examined. Table 3 shows the components of the steel used in the test. Here, the Mo amount was changed by three levels in the 0.2C-0.28Si-0.8Cr-0.1Nb-0.03V steel, and the strength was changed by the amount of Mn added at each Mo level.

【0028】[0028]

【表3】 [Table 3]

【0029】図5は、得られた結果から作成した硬さと
熱膨張率の関係を示す図である。Mn量の増加に伴う硬さ
の上昇とともに熱膨張率は増加するが、同一硬さで比較
した場合、Mo含有量が高いほど熱膨張率が低い。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the hardness and the coefficient of thermal expansion prepared from the obtained results. Although the coefficient of thermal expansion increases with an increase in hardness with an increase in the amount of Mn, when compared with the same hardness, the higher the Mo content, the lower the coefficient of thermal expansion.

【0030】これらの試験結果をもとに熱膨張率に及ぼ
す成分元素の影響を鋭意検討した。その結果、ベイナイ
ト組織における熱膨張率について、次のように成分元素
の影響を整理することができた。ベイナイト組織におけ
る熱膨張率は次の式であらわされるパラメータAと良い
相関がある。
Based on these test results, the influence of the component elements on the coefficient of thermal expansion was studied diligently. As a result, the influence of the component elements on the coefficient of thermal expansion in the bainite structure could be arranged as follows. The coefficient of thermal expansion in the bainite structure has a good correlation with the parameter A represented by the following equation.

【0031】 A= -2.5C+2.2Si+1.6Mn+0.6Cr+0.5Mo-11.6(Nb+V)+9 ここで、式中の元素記号はそれぞれのmass%を表
す。
A = -2.5C + 2.2Si + 1.6Mn + 0.6Cr + 0.5Mo-11.6 (Nb + V) +9 Here, each element symbol in the formula represents each mass%.

【0032】図6は、このパラメータAと熱膨張率の関
係を示す図である。パラメータAと熱膨張率は、ほぼ同
一の直線上に乗っている。このパラメータAの値を11以
下とすることにより、高強度微細パーライトレールと同
等以下の低熱膨張率(11×10-6以下)が得られる。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between this parameter A and the coefficient of thermal expansion. The parameter A and the coefficient of thermal expansion are on substantially the same straight line. By setting the value of the parameter A to 11 or less, a low coefficient of thermal expansion (11 × 10 −6 or less) equal to or less than that of the high-strength fine pearlite rail can be obtained.

【0033】以下に、個々の成分組成の限定理由を述べ
る。Cは、パラメータAにおける係数が負であり、本発
明の重要な骨子である低熱膨張率を確保するための必須
元素である。また、硬さを確保するための必須元素であ
り、0.20%未満ではレール鋼としての硬さ、耐摩耗
性を確保することが難しい。また、0.50%を超える
とレール頭部に均一なベイナイト組織が得られずマルテ
ンサイトが生成し、これを起点とする損傷が発生するよ
うになる。従って、Cは、0.20〜0.50%に限定
する。
The reasons for limiting the composition of each component will be described below. C has a negative coefficient in the parameter A, and is an essential element for securing a low coefficient of thermal expansion, which is an important gist of the present invention. Further, it is an essential element for securing hardness, and if it is less than 0.20%, it is difficult to secure hardness and wear resistance as rail steel. On the other hand, if it exceeds 0.50%, a uniform bainite structure cannot be obtained on the rail head, and martensite is generated, and damage originating from the martensite occurs. Therefore, C is limited to 0.20 to 0.50%.

【0034】Siは、脱酸剤として有効な元素である
が、0.10%未満ではその効果が認められない。また
図4に示したように、高強度ベイナイト組織において低
熱膨張率を確保するためには、低いほうが望ましいた
め、その上限を0.30%とした。従って、Siは、
0.10〜0.30%に限定する。
Although Si is an effective element as a deoxidizing agent, its effect is not recognized at less than 0.10%. As shown in FIG. 4, in order to ensure a low coefficient of thermal expansion in a high-strength bainite structure, a lower one is desirable, so the upper limit is set to 0.30%. Therefore, Si is
Limited to 0.10 to 0.30%.

【0035】Mnは、ベイナイト変態温度を低下させ焼
入性を高めることによりレールの高強度化に寄与する元
素である。しかし、0.50%以下ではその効果が小さ
く、2.5%を超えると鋼のミクロ偏析によるマルテンサ
イト組織を生じ易く、熱処理時及び溶接時に硬化や脆化
を生じ材質劣化を来すので好ましくない。従って、Mn
は、0.50〜2.5%に限定する。
Mn is an element that contributes to increasing the strength of the rail by lowering the bainite transformation temperature and increasing the hardenability. However, if the content is less than 0.50%, the effect is small, and if it exceeds 2.5%, a martensitic structure is liable to occur due to micro-segregation of the steel, and hardening or embrittlement occurs during heat treatment and welding, resulting in deterioration of the material. Therefore, Mn
Is limited to 0.50 to 2.5%.

【0036】Moは、ベイナイト変態を促進する重要な
元素であり、また本発明で明らかにし図5に示したよう
に熱膨張率を低く抑えたまま大幅な高硬度化が達成でき
る。その効果を効率良く活用するには0.50%以上が
必要であるが、1.50%を超えると鋼のミクロ偏析に
よるマルテンサイト組織を生じ易く、熱処理時及び溶接
時に硬化や脆化を生じ材質劣化をきたすので好ましくな
い。従って、Moは、0.50〜1.50%に限定する。
Mo is an important element that promotes bainite transformation, and as shown in FIG. 5 of the present invention, can achieve a significant increase in hardness while keeping the coefficient of thermal expansion low. To effectively utilize the effect, 0.50% or more is necessary. However, if it exceeds 1.50%, a martensitic structure due to micro segregation of steel is easily generated, and hardening and embrittlement occur during heat treatment and welding. It is not preferable because the material is deteriorated. Therefore, Mo is limited to 0.50 to 1.50%.

【0037】Pは、靭性を劣化させることから、0.0
35%以下と限定する。
Since P degrades toughness, P
Limited to 35% or less.

【0038】Sは主に介在物の形態で鋼中に存在する
が、0.035%を超えるとこの介在物量が著しく増加
し、脆化による材質の劣化を引き起こすので0.035
%以下と限定する。
S is mainly present in the steel in the form of inclusions, but if it exceeds 0.035%, the amount of these inclusions increases significantly, causing material deterioration due to embrittlement.
% Or less.

【0039】Crは、ベイナイト変態を促進する重要な
元素であり、本発明鋼のようにミクロ組織をベイナイト
組織として高強度化を図るために非常に重要な元素であ
る。0.30%未満ではベイナイト焼入性が低く、ミク
ロ組織が均一なベイナイト組織とならない。一方、2.
00%を超えるとマルテンサイトが生成しやすくなり好
ましくない。従って、Crは、0.30〜2.00%に
限定する。
Cr is an important element that promotes bainite transformation, and is a very important element for achieving high strength with a microstructure as a bainite structure like the steel of the present invention. If it is less than 0.30%, the bainite hardenability is low and the microstructure does not become a uniform bainite structure. Meanwhile, 2.
If it exceeds 00%, martensite is likely to be generated, which is not preferable. Therefore, Cr is limited to 0.30 to 2.00%.

【0040】Nbは、パラメータAにおける係数が負で
あり、本発明の重要な骨子である低熱膨張率を確保する
ための必須元素である。さらに、ベイナイト変態を促進
させること、またベイナイト中のCと結び付いて圧延後
に析出することから、頭部の内部まで析出強化により硬
度を高くし耐摩耗性を向上させ、レールの寿命を延ばす
ために有効である。また耐遅れ破壊特性の向上にも効果
がある。ただし、この効果は0.05%未満の添加では
有効ではなく、0.15%を超えて添加してもその効果
は飽和してしまう。従って、Nbは、0.05〜0.1
5%に限定する。
Nb has a negative coefficient in the parameter A and is an essential element for securing a low coefficient of thermal expansion, which is an important gist of the present invention. Furthermore, since it promotes bainite transformation and also precipitates after rolling in association with C in bainite, the hardness is increased by precipitation strengthening up to the inside of the head, wear resistance is improved, and the life of the rail is extended. It is valid. It is also effective in improving delayed fracture resistance. However, this effect is not effective when the addition is less than 0.05%, and the effect is saturated even when the addition exceeds 0.15%. Therefore, Nb is 0.05-0.1
Limited to 5%.

【0041】請求項2の発明は、請求項1記載の成分組
成においてさらに、 Ni:0.10〜1.00% V:0.01〜0.10% のうち、1種以上を含有することを特徴とする請求項1
記載の低熱膨張率を有する高強度ベイナイトレールであ
る。
According to a second aspect of the present invention, the composition according to the first aspect further comprises one or more of Ni: 0.10 to 1.00% and V: 0.01 to 0.10%. Claim 1 characterized by the following:
A high-strength bainite rail having the described low coefficient of thermal expansion.

【0042】この発明では、請求項1の発明にさらにN
i又はVを添加している。以下に、個々の成分組成の限
定理由を述べる。
According to the present invention, N is added to the first aspect of the invention.
i or V is added. The reasons for limiting the individual component compositions are described below.

【0043】Niは、ベイナイト変態を促進せしめ、高
強度化するのに有効な元素であるが、上記請求範囲未満
ではその効果が認められず、請求範囲を超えた添加では
その効果が飽和してしまう。従って、上記請求範囲内で
添加することが有効である。従って、Niは、0.10
〜1.0%に限定する。
Ni is an element effective for promoting the bainite transformation and increasing the strength. However, the effect is not recognized below the above-mentioned claim, and the effect is saturated when added beyond the claim. I will. Therefore, it is effective to add within the above-mentioned claims. Therefore, Ni is 0.10
Limited to ~ 1.0%.

【0044】Vは、パラメータAにおける係数が負であ
り、本発明の重要な骨子である低熱膨張率を確保するた
めの必須元素である。さらに、ベイナイト中のCと結び
付いて圧延後に析出することから、頭部内部まで析出強
化により硬度を高くし耐摩耗性を向上させ、レールの寿
命を延ばすために有効である。ただし、この効果は0.
01%未満の添加では有効ではなく、また0.10%を
超えて添加してもその効果は飽和してしまう。従って、
Vは0.01〜0.10%に限定する。
V has a negative coefficient in the parameter A, and is an essential element for securing a low coefficient of thermal expansion, which is an important gist of the present invention. Furthermore, since it precipitates after rolling in association with C in bainite, it is effective for increasing the hardness by improving precipitation hardening to the inside of the head, improving wear resistance, and extending the life of the rail. However, this effect is 0.
Addition of less than 01% is not effective, and addition of more than 0.10% saturates the effect. Therefore,
V is limited to 0.01 to 0.10%.

【0045】請求項3記載の発明は、(a)mass%
で、 C:0.20〜0.50% Si:0.10〜0.30% Mn:0.50〜2.50% P:0.035%以下 S:0.035%以下 Mo:0.50〜1.50% Cr:0.30〜2.00% Nb:0.05〜0.15% を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなる成分組
成を有し、(b)前記成分組成が次の不等式を満たす鋼
を用いて、 -2.5C+2.2Si+1.6Mn+0.6Cr+0.5Mo-11.6(Nb+V)+9≦11.0 (但し、式中の元素記号はそれぞれのmass%を表
す) (c)前記鋼を、圧延仕上温度を750〜1000℃の
条件で熱間圧延してレールに成形し、(d)次いで、ベ
イナイト変態開始点以上の温度から400℃以下まで
を、放冷ないし5℃/s以下の冷却速度で冷却して、全体
をベイナイト変態させる低熱膨張率を有する高強度ベイ
ナイトレールの製造方法である。
The invention according to claim 3 is characterized in that (a) mass%
C: 0.20 to 0.50% Si: 0.10 to 0.30% Mn: 0.50 to 2.50% P: 0.035% or less S: 0.035% or less Mo: 0.35% 50 to 1.50% Cr: 0.30 to 2.00% Nb: 0.05 to 0.15%, with the balance being iron and unavoidable impurities. Using steel whose composition satisfies the following inequality, -2.5C + 2.2Si + 1.6Mn + 0.6Cr + 0.5Mo-11.6 (Nb + V) + 9 ≦ 11.0 (However, the element symbols in the formula are each mass (C) The steel is hot-rolled under the condition of a rolling finish temperature of 750 to 1000 ° C. to form a rail, and (d) a temperature from the bainite transformation start point or higher to 400 ° C. or lower is obtained. Method of manufacturing high-strength bainite rail with low coefficient of thermal expansion that allows the entire body to be transformed into bainite by cooling at a cooling rate of 5 ° C./s or less. It is.

【0046】この発明と次の請求項4の発明は製造方法
の発明であり、両者まとめて説明する。
This invention and the next invention of claim 4 are inventions of a manufacturing method, and both will be described together.

【0047】請求項4の発明は、請求項3記載の成分組
成においてさらに、 Ni:0.10〜1.00% V:0.01〜0.1% のうち、1種以上を含有させた請求項3記載の低熱膨張
率を有する高強度ベイナイトレールの製造方法である。
According to a fourth aspect of the present invention, the composition of the third aspect further comprises one or more of Ni: 0.10 to 1.00% and V: 0.01 to 0.1%. A method for manufacturing a high-strength bainite rail having a low coefficient of thermal expansion according to claim 3.

【0048】これらの発明では、請求項1又は請求項2
の発明と同じ成分組成の鋼を用いて高強度ベイナイトレ
ールを製造する。以下、製造条件の限定理由について説
明する。
In these inventions, claim 1 or claim 2
A high-strength bainite rail is manufactured by using steel having the same composition as that of the invention of (1). Hereinafter, the reasons for limiting the manufacturing conditions will be described.

【0049】まず、圧延仕上温度が750℃未満では未
再結晶オーステナイトからフェライトが生成し易く、強
度が著しく低下する。また圧延仕上温度が1000℃を
超えるとオーステナイト粒が粗大化し、熱間圧延後の靭
性の確保が困難になる。従って、圧延仕上温度を750
℃以上1000℃以下とする。
First, when the rolling finishing temperature is lower than 750 ° C., ferrite is easily formed from unrecrystallized austenite, and the strength is significantly reduced. If the rolling finish temperature exceeds 1000 ° C., austenite grains become coarse, and it becomes difficult to secure toughness after hot rolling. Therefore, the rolling finishing temperature is set to 750
The temperature is set to not lower than 1000C and not higher than 1000C.

【0050】冷却速度に関しては、本出願成分範囲の場
合、空冷でもベイナイト組織が得られ必要な強度が確保
できるため、加速冷却を施さなくても問題はない。加速
冷却を行った場合は同一成分で高硬度が得られるため、
耐摩耗性、耐損傷性が一層向上する。しかし、冷却速度
が5℃/sを超えるとマルテンサイトが生成し靭性が著し
く低下する。従って、冷却速度を放冷ないし5℃/s以下
とする。
With respect to the cooling rate, in the case of the component range of the present application, a bainite structure can be obtained even by air cooling, and the required strength can be secured. Therefore, there is no problem even if accelerated cooling is not performed. When accelerated cooling is used, high hardness can be obtained with the same components,
Abrasion resistance and damage resistance are further improved. However, when the cooling rate exceeds 5 ° C./s, martensite is formed and the toughness is significantly reduced. Therefore, the cooling rate is allowed to cool to 5 ° C./s or less.

【0051】なお、全体をベイナイト変態させる理由
は、部分的にベイナイト組織以外の組織が出現すること
により、耐磨耗性が損なわれることと、パラメータAと
熱膨張率との相関が失われ、成分組成の調製により目的
とする低い熱膨張率が得られなくなることを防ぐためで
ある。
The reason why the whole is transformed into bainite is that the appearance of a structure other than the bainite structure partially impairs the abrasion resistance and loses the correlation between the parameter A and the coefficient of thermal expansion. This is to prevent a desired low coefficient of thermal expansion from being obtained by preparing the component composition.

【0052】[0052]

【発明の実施の形態】この発明の高強度ベイナイトレー
ルに用いる鋼は、通常の転炉製鋼法または電気炉製鋼法
で容易に製造することができる。成分組成は、この発明
で規定するもの以外は、通常の不純物として含まれてい
てもよいことは言うまでもない。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The steel used for the high-strength bainite rail of the present invention can be easily produced by a usual converter steelmaking method or an electric furnace steelmaking method. It goes without saying that the component composition may be contained as ordinary impurities other than those specified in the present invention.

【0053】圧延は、通常のレール圧延の方法であれ
ば、いずれの方法でも可能である。圧延後は通常の空冷
でよい。なお、部分的にベイナイト組織以外の組織が出
現するような徐冷に近いような放冷を避けることは言う
までもない。通常の空冷であればベイナイト組織が得ら
れるので問題ない。
Rolling can be performed by any method as long as it is a normal rail rolling method. After rolling, ordinary air cooling may be used. Needless to say, it is possible to avoid cooling that is close to slow cooling in which a structure other than the bainite structure appears partially. With normal air cooling, there is no problem because a bainite structure can be obtained.

【0054】[0054]

【実施例】【Example】

(実施例1)表4に示す成分を有する供試鋼を1250
℃に加熱し、850℃で圧延を終了後、No.1 を除き放
冷した。No.1 については圧延後2℃/sで加速冷却し
た。耐摩耗性、耐損傷性、熱膨張率の評価法について
は、前述(1)、と同じ手法を用いた。これらの試
験結果を表4に追記する。
(Example 1) 1250 test steels having the components shown in Table 4 were used.
After the rolling was completed at 850 ° C., except for No. 1, it was allowed to cool. No. 1 was accelerated and cooled at 2 ° C./s after rolling. With respect to the evaluation methods of wear resistance, damage resistance, and coefficient of thermal expansion, the same methods as in the above (1) were used. These test results are added to Table 4.

【0055】[0055]

【表4】 [Table 4]

【0056】この表で、No.1 は従来の熱処理型パーラ
イトレール、その他はベイナイト型レールである。いず
れのベイナイト型レールにおいてもフレーキング発生寿
命は熱処理型パーライトレールよりも優れているが、本
発明の硬さの条件を満たしていないNo.7 、8は熱処理型
パーライトレールよりも耐摩耗性が劣る。
In this table, No. 1 is a conventional heat-treated pearlite rail, and the other is a bainite type rail. Although the flaking generation life is superior to the heat-treated pearlite rail in any of the bainite-type rails, No. 7 and 8 which do not satisfy the hardness requirements of the present invention have more wear resistance than the heat-treated pearlite rail. Inferior.

【0057】また、No.2 、3、4は本発明の硬さの条件
は満たしているものの、熱膨張率に関する本発明の条件
であるパラメータA≦11.0( -2.5C+2.2Si+1.6Mn+0.6Cr
+0.5Mo-11.6(Nb+V)+9≦11.0)を満たしていないため、
熱処理型パーライトレールよりも熱膨張率が高い。これ
にたいしNo.5 、6、9、10、11は、いずれも本発明条件
を満たすため、熱処理型パーライトレールよりも優れた
耐摩耗性、耐損傷性、低熱膨張率を有している。
Nos. 2, 3 and 4 satisfy the condition of hardness of the present invention, but the parameter A ≦ 11.0 (−2.5C + 2.2Si + 1.6Mn) which is the condition of the present invention relating to the coefficient of thermal expansion. + 0.6Cr
+ 0.5Mo-11.6 (Nb + V) + 9 ≦ 11.0)
Higher coefficient of thermal expansion than heat-treated pearlite rail. On the other hand, Nos. 5, 6, 9, 10, and 11 all have better abrasion resistance, damage resistance, and low coefficient of thermal expansion than the heat-treated pearlite rail because they satisfy the conditions of the present invention. .

【0058】(実施例2)表5に示す成分を有する供試
鋼を1270℃に加熱し、920℃で圧延を終了後1.
5℃/sで350℃まで加速冷却した。耐摩耗性、耐損傷
性、熱膨張率の評価法については、前述(1)、と
同じ手法を用いた。これらの試験結果を表5に追記す
る。
Example 2 A test steel having the components shown in Table 5 was heated to 1270 ° C., and after rolling at 920 ° C., 1.
Accelerated cooling was performed at 5 ° C / s to 350 ° C. With respect to the evaluation methods of wear resistance, damage resistance, and coefficient of thermal expansion, the same methods as in the above (1) were used. These test results are added in Table 5.

【0059】[0059]

【表5】 [Table 5]

【0060】この表で、No.12 は本発明の硬さの条件を
満たしているため、熱処理型パーライトレールよりも優
れた耐摩耗性、耐損傷性を有するが、熱膨張率に関する
本発明条件であるパラメータA≦11.0( -2.5C+2.2Si+
1.6Mn+0.6Cr+0.5Mo-11.6(Nb+V)+9≦11)を満たしていな
いため、熱処理型パーライトレールよりも熱膨張率が高
い。
In this table, No. 12 satisfies the hardness condition of the present invention, and therefore has better wear resistance and damage resistance than the heat-treated pearlite rail, but the present invention relates to the coefficient of thermal expansion of the present invention. Parameter A ≦ 11.0 (-2.5C + 2.2Si +
Since 1.6Mn + 0.6Cr + 0.5Mo-11.6 (Nb + V) + 9 ≦ 11) is not satisfied, the coefficient of thermal expansion is higher than that of the heat-treated pearlite rail.

【0061】また、No.13 、14は熱膨張率に関する本発
明条件は満たしているものの、本発明の硬さの条件を満
たしていないため、耐摩耗性が劣る。一方、No.15 〜19
はいずれも本発明条件を満たすため、熱処理型パーライ
トレールよりも優れた耐摩耗性、耐損傷性、低熱膨張率
を有している。
Nos. 13 and 14 satisfy the condition of the present invention relating to the coefficient of thermal expansion, but do not satisfy the condition of the hardness of the present invention, so that the abrasion resistance is poor. On the other hand, No. 15 to 19
Since all of them satisfy the conditions of the present invention, they have better wear resistance, damage resistance, and lower coefficient of thermal expansion than the heat-treated pearlite rail.

【0062】(実施例3)表6に示す成分を有する供試
鋼を1250℃に加熱し、790℃で圧延を終了後放冷
または400℃まで加速冷却を行った。耐摩耗性、耐損
傷性、熱膨張率の評価法については、前述(1)、
と同じ手法を用いた。これらの試験結果を表6に追記す
る。
Example 3 A test steel having the components shown in Table 6 was heated to 1250 ° C., rolled at 790 ° C., and allowed to cool or accelerated to 400 ° C. Regarding the methods for evaluating wear resistance, damage resistance, and coefficient of thermal expansion, see the above (1),
The same technique was used. These test results are added to Table 6.

【0063】[0063]

【表6】 [Table 6]

【0064】この表で、No.20 〜28はいずれも本発明条
件を満たすため、冷却条件にかかわらず、熱処理型パー
ライトレールよりも優れた耐摩耗性、耐損傷性、低熱膨
張率を有している。
In this table, Nos. 20 to 28 all satisfy the conditions of the present invention, and therefore have better wear resistance, damage resistance, and lower coefficient of thermal expansion than the heat-treated pearlite rail regardless of the cooling conditions. ing.

【0065】[0065]

【発明の効果】本発明により、熱間圧延後空冷又はオン
ラインで熱処理することで、従来のパーライト型熱処理
レールに比べ、耐摩耗性及び耐損傷性に優れ、かつパー
ライト型熱処理レールと同等以下の低熱膨張率を有する
高強度ベイナイトレールが得られる。
According to the present invention, by performing heat treatment by air cooling or on-line after hot rolling, it has excellent wear resistance and damage resistance as compared with the conventional pearlite-type heat-treated rail, and is equal to or less than the pearlite-type heat-treated rail. A high-strength bainite rail having a low coefficient of thermal expansion is obtained.

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

【図1】硬さの増加に伴う摩耗減量および熱膨張率の変
化を示す図である。
FIG. 1 is a graph showing changes in wear loss and coefficient of thermal expansion with an increase in hardness.

【図2】硬さとフレーキング発生寿命の関係を示す図で
ある。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between hardness and the life of flaking.

【図3】フレーキング損傷試験の試験片形状と試験方法
の概略を示す図である。
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a test piece shape and a test method in a flaking damage test.

【図4】硬さと熱膨張率の関係を示す図である。(Si
レベルの影響)
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between hardness and coefficient of thermal expansion. (Si
Level effect)

【図5】硬さと熱膨張率の関係を示す図である。(Mo
レベルの影響)
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between hardness and coefficient of thermal expansion. (Mo
Level effect)

【図6】発明のパラメータAと熱膨張率の関係を示す図
である。
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a parameter A of the invention and a coefficient of thermal expansion.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C22C 38/58 C22C 38/58 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI C22C 38/58 C22C 38/58

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 (a)mass%で、 C:0.20〜0.50% Si:0.10〜0.30% Mn:0.50〜2.50% P:0.035%以下 S:0.035%以下 Mo:0.50〜1.50% Cr:0.30〜2.00% Nb:0.05〜0.15% を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなる成分組
成のレールであり、(b)前記成分組成は次の不等式を
満たし、 -2.5C+2.2Si+1.6Mn+0.6Cr+0.5Mo-11.6(Nb+V)+9≦11.0 (但し、式中の元素記号はそれぞれのmass%を表
す) (c)前記レールの金属組織が全面均質なベイナイト組
織であり、(d)かつ、前記レールの硬度が頭頂及び頭
部コーナー部のいずれの位置においてもHv400以上
である低熱膨張率を有する高強度ベイナイトレール。
1. (a) In mass%, C: 0.20 to 0.50% Si: 0.10 to 0.30% Mn: 0.50 to 2.50% P: 0.035% or less S : 0.035% or less Mo: 0.50 to 1.50% Cr: 0.30 to 2.00% Nb: 0.05 to 0.15%, with the balance being iron and unavoidable impurities (B) the component composition satisfies the following inequality: -2.5C + 2.2Si + 1.6Mn + 0.6Cr + 0.5Mo-11.6 (Nb + V) + 9 ≦ 11.0 (wherein (C) The metal structure of the rail is a bainite structure that is uniform over the entire surface, and (d) the hardness of the rail is at any of the top and the corner of the head. A high-strength bainite rail having a low coefficient of thermal expansion of Hv400 or more.
【請求項2】 請求項1記載の成分組成においてさら
に、 Ni:0.10〜1.00% V:0.01〜0.10% のうち、1種以上を含有することを特徴とする請求項1
記載の低熱膨張率を有する高強度ベイナイトレール。
2. The composition according to claim 1, further comprising one or more of Ni: 0.10 to 1.00% and V: 0.01 to 0.10%. Item 1
A high-strength bainite rail having the low coefficient of thermal expansion described.
【請求項3】 (a)mass%で、 C:0.20〜0.50% Si:0.10〜0.30% Mn:0.50〜2.50% P:0.035%以下 S:0.035%以下 Mo:0.50〜1.50% Cr:0.30〜2.00% Nb:0.05〜0.15% を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなる成分組
成を有し、(b)前記成分組成が次の不等式を満たす鋼
を用いて、 -2.5C+2.2Si+1.6Mn+0.6Cr+0.5Mo-11.6(Nb+V)+9≦11.0 (但し、式中の元素記号はそれぞれのmass%を表
す) (c)前記鋼を、圧延仕上温度を750〜1000℃の
条件で熱間圧延してレールに成形し、(d)次いで、ベ
イナイト変態開始点以上の温度から400℃以下まで
を、放冷ないし5℃/s以下の冷却速度で冷却して、全体
をベイナイト変態させる低熱膨張率を有する高強度ベイ
ナイトレールの製造方法。
3. (a) In mass%, C: 0.20 to 0.50% Si: 0.10 to 0.30% Mn: 0.50 to 2.50% P: 0.035% or less S : 0.035% or less Mo: 0.50 to 1.50% Cr: 0.30 to 2.00% Nb: 0.05 to 0.15%, with the balance being iron and unavoidable impurities (B) using a steel having the following composition, and satisfying the following inequality: -2.5C + 2.2Si + 1.6Mn + 0.6Cr + 0.5Mo-11.6 (Nb + V) + 9 ≦ 11.0 (however, (C) The steel is hot-rolled under the condition of a rolling finish temperature of 750 to 1000 ° C. to form a rail, and (d) the bainite transformation is started. Cooling from the temperature above the point to 400 ° C or less at a cooling rate of 5 ° C / s or less from the natural cooling, a high thermal expansion coefficient with a low coefficient of thermal expansion that transforms the whole into bainite. Method of manufacturing a degree bay night rail.
【請求項4】 請求項3記載の成分組成においてさら
に、 Ni:0.10〜1.00% V:0.01〜0.1% のうち、1種以上を含有させた請求項3記載の低熱膨張
率を有する高強度ベイナイトレールの製造方法。
4. The composition according to claim 3, further comprising at least one of Ni: 0.10 to 1.00% and V: 0.01 to 0.1%. A method for producing a high-strength bainite rail having a low coefficient of thermal expansion.
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