JPH10280098A - 耐摩耗性に優れた高靭性レール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 重荷重鉄道の寒冷地用レールに要求される耐
摩耗性と靭性を同時に向上させる。 【解決手段】 レール軸断面において、頭部コーナー部
および頭頂部の該頭部表面を起点として少なくとも深さ
２０ｍｍの範囲の部分の金属組織が耐摩耗性に優れたＨ
ｖ３２０以上の高炭素（Ｃ：０．８５超〜１．２０％）
パーライト組織を呈し、その他の部分の金属組織が靭性
の高いベイナイト組織を呈する二層構造からなることを
特徴とする耐摩耗性に優れた高靭性レール。 【効果】 本発明レールは、従来レールと比較して耐摩
耗性が向上しており、同時に、レール低部（柱部、底
部）の耐破壊靭性の改善により、冷温落重特性が大きく
向上している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、重荷重鉄道に敷設
されたレールに要求されるレール頭部での耐摩耗性を有
し、かつ、重荷重鉄道の寒冷地に敷設されたレールに要
求される柱部および底部での耐破壊靭性を兼ね備えた耐
摩耗性および靭性に優れた高強度レールに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】鉄道輸送の高効率化の手段として、海外
鉱山鉄道などにおいては列車速度の向上や列車積載重量
の増加が図られている。このような鉄道輸送の効率化は
レール使用環境の過酷化を意味し、レール材質の一層の
改善が要求されるに至っている。具体的には、海外の重
荷重鉄道の曲線区間に敷設されたレールでは摩耗が急激
に増加し、レールの摩耗寿命の点で問題視されるように
なった。

【０００３】しかしながら、最近のレール高強度化熱処
理技術の向上により、共析炭素鋼を用いた微細パーライ
ト組織を呈した下記に示すような高強度（高硬度）レー
ルが開発され、重荷重鉄道のレール寿命を飛躍的に改善
してきた。 頭部がソルバイト組織、または、微細なパーライト組
織の超大荷重用の熱処理レール（特公昭５４−２５４９
０号公報参照）。 Ｃｒ、Ｎｂなどの合金を添加し、耐摩耗性ばかりでな
く溶接部の硬度低下を改善した低合金熱処理レールの製
造法（特公昭５９−１９１７３号公報参照）。 これらのレールの特徴は、共析炭素含有鋼による微細パ
ーライト組織を呈する高強度（高硬度）の単一組織レー
ルであり、その目的とするところはレール頭部の耐摩耗
性のみを向上させるところにあった。

【０００４】また、天然資源の枯渇により、海外鉱山鉄
道などにおいては自然環境の苛酷な地域までレールが敷
設されるようになってきた。このような鉄道輸送環境に
変化にともない、特に、海外の寒冷地の重荷重鉄道で
は、レール頭部での耐摩耗性に加えて、頭部内部および
足裏部に発生した疲労き裂から２次的に発生する脆性き
裂に対して、き裂伝播抵抗性（耐破壊靭性）のより一層
の向上が必要となってきた。そこで、これらの対策とし
て下記に示すようなレールが開発された。 レール頭部から発生し底部へ伝播する不安定破壊や底
部を水平方向に伝播する不安定破壊に対するき裂伝播停
止特性に優れた耐摩耗高強度熱処理レール（特公平４−
７４４２４号公報参照）。 レール頭部の耐摩耗性を確保し、さらに、レール柱部
および底部の耐破壊靭性を向上させた耐摩耗・高靭性レ
ール（特開平５−３４５９５６号公報参照）。

【０００５】これらのレールの特徴は、レール頭部に従
来レールと同様の耐摩耗性に優れた共析炭素含有の高強
度（高硬度）微細パーライト鋼を配置し、レール柱部お
よび底部についてはパーライト鋼よりも耐破壊靭性に優
れた焼戻しマルテンサイト鋼、焼戻しベイナイト鋼およ
びフェライト・パーライト鋼などを配置することによ
り、レール頭部での耐摩耗性の確保とレール柱部および
底部での耐破壊靭性の向上を図ったものであった。

【０００６】しかし、近年海外の重荷重鉄道ではより一
層の鉄道輸送の高効率化のために、貨物の高積載化を強
力に進めており、特に寒冷地に敷設された急曲線のレー
ルでは上記開発のレールを使用しても、レール頭部での
耐摩耗性が十分に確保できず、摩耗によるレール寿命の
低下が問題となってきた。

【０００７】このような背景から、レール頭部において
現状の共析炭素含有の高強度レール以上の耐摩耗性の向
上を図り、さらに、レール柱部および底部ついては耐破
壊靭性の抜本的な向上を図った、耐摩耗性および靭性に
優れた高強度レールの開発が求められるようになってき
た。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の共析炭素成分の
パーライト組織を呈したレール鋼においては、耐摩耗性
を向上させるため、パーライト組織中のラメラ間隔を微
細化し、硬さを向上させる方法が用いられている。しか
し、共析炭素成分のパーライト組織を呈したレール鋼で
は現状の硬さが上限（Ｈｖ４２０）であり、硬さの向上
を狙って熱処理冷却速度や合金の添加量を増加させる
と、パーライト組織中にベイナイトやマルテンサイト組
織が生成し、レールの耐摩耗性や靭性を低下させるとい
った問題点があった。

【０００９】また、もう一つの解決方法としてはパーラ
イト組織より耐摩耗性が高い金属組織を呈した材料をレ
ール鋼として使用する方法が考えられるが、レールと車
輪のようなころがり摩耗環境下では微細パーライト組織
よりも安価で耐摩耗性に優れた材料は見いだされていな
いのが現状である。

【００１０】従来レール鋼として用いられている共析炭
素成分のパーライト組織は硬さの低いフェライト組織と
板状の硬いセメンタイト組織の層状構造になっている。
本発明者らはパーライト組織の摩耗機構を解析した結
果、まずはじめに車輪の通過により柔らかなフェライト
相が絞り出され、その後ころがり面直下に硬いセメンタ
イト相のみが積層化し、耐摩耗性が確保されていること
を確認した。

【００１１】そこで、本発明者らは耐摩耗性を向上させ
るためパーライト組織の硬さを向上させると同時に、炭
素量を高くし、耐摩耗性を確保しているパーライト組織
中の板状の硬いセメンタイト相の比率を増加させ、ころ
がり面直下でのセメンタイト相密度を高めることによ
り、耐摩耗性が飛躍的に向上することを実験により見い
だした。

【００１２】しかし、炭素量を高くし、パーライト組織
中のセメンタイト密度を高める上記方法では、レール頭
部の耐摩耗性の向上は図れるものの、靭性が要求されて
いるレール柱部および底部については耐破壊靭性の向上
が殆ど望めず、また、このような高炭素材料では鋳片の
中心偏析部の濃化が激しい場合には、圧延後のレール柱
部に初析セメンタイトが多量に生成し易く、かえって柱
部の靭性が低下するといった問題点があった。

【００１３】一般に、鋼の靭性を向上させる手段として
金属組織の微細化が有効である言われている。この金属
組織の細粒化は、オーステナイト粒の細粒化や粒内変態
などの方法によって可能であり、このオーステナイト粒
の細粒化には、低温加熱による圧延や制御圧延・制御冷
却が利用されている。しかし、レールにおいてはその圧
延成型性確保の観点から低温での圧延が非常に困難であ
り、また、レールの断面形状の複雑さから、制御圧延・
制御冷却も困難であった。

【００１４】また、現状ではパーライト組織を呈するレ
ール鋼の靭性を向上させる手段として、低温再加熱熱処
理により靭性を向上させる方法がある。しかし、この低
温再加熱処理はレール頭部の耐摩耗性の大幅な低下を引
き起こし、また、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、さらに、再加熱のために
レール製造における生産性も大きく低下するなど問題点
があった。

【００１５】そこで、本発明者らはこの問題を解決する
ために、レール頭部においては現状の共析炭素含有の高
強度（高硬度）レール以上の耐摩耗性の向上を図り、さ
らに、レール柱部および底部については耐破壊靭性の抜
本的な向上を図るため、まず、レール頭部コーナー部お
よび頭頂部の該頭部表面を、従来レール鋼よりも炭素量
を増加させたパーライト組織を呈した材料とし、その他
の部分をベイナイト組織を呈した材料との二層構造とす
ることで、レール頭部での耐摩耗性の向上とレール柱部
および底部での耐破壊靭性の向上を同時に達成できるこ
とを実験により確認した。

【００１６】すなわち本発明は、レール頭部コーナー部
および頭頂部の該頭部表面の部分と他の部分とが異なる
二層組織を特徴とした耐摩耗性および靭性に優れた高強
度レールを提供することを目的とするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたものであって、その要旨とするとこ
ろは、レール軸断面において、頭部コーナー部および頭
頂部の該頭部表面を起点として少なくとも深さ２０ｍｍ
の範囲の部分が重量％で、Ｃ ：０．８５超〜１．２０
％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜
１．５０％を含有し、必要に応じてさらに、Ｃｒ：０．
０５〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、Ｖ
：０．０２〜０．３０％、Ｎｂ：０．００２〜０．０
５０％、Ｃｏ：０．１０〜２．００％、Ｂ ：０．００
０５〜０．００５％の１種または２種以上を含有し、残
部が鉄および不可避的不純物からなり、かつ、その金属
組織がパーライト組織を呈し、前記範囲のパーライト組
織の硬さがＨｖ３２０以上であり、その他の部分は重量
％で、Ｃ ：０．０５〜０．４５％、Ｓｉ：０．１５〜
２．００％、Ｍｎ：０．５０〜３．００％、Ｃｒ：０．
５０〜３．００％を含有し、必要に応じてさらに、Ｃ
ｕ：０．０５〜０．５０％、 Ｎｉ：０．０５〜
４．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．６０％、 Ｖ
：０．０２〜０．３０％、Ｎ ：０．０１０〜０．０
２５％、 Ｎｂ：０．００２〜０．０５％、Ｂ ：０．
０００５〜０．００５％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％
の１種または２種以上を含有し、残部が鉄および不可避
的不純物からなり、かつ、その金属組織がベイナイト組
織を呈する二層構造からなることを特徴とする耐摩耗性
に優れた高靭性レールである。

【００１８】以下に本発明について図面を用いながら説
明する。図１は本発明のレール軸断面であって、ａは頭
頂部であり、ｂは頭部コーナー部（頭側部のほぼ半分或
いは全部を含んだ総称として用いる）である。また、斜
線部１はパーライト組織を呈し、硬さがＨｖ３２０以上
である最小範囲（表面を起点としてこれより２０mm）を
示しており、斜線部２はベイナイト組織を呈する他の材
料部分を示している。

【００１９】図２(a) 、(b) 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２において１の斜線
部分は、Ｃ ：０．８５超〜１．２０％、 Ｓｉ：
０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％を
含有し、必要に応じてさらに、Ｃｒ：０．０５〜１．０
０、 Ｍｏ：０．０１〜０．２０、Ｖ ：０．０
２〜０．３０、 Ｎｂ：０．００２〜０．０５
０、Ｃｏ：０．１０〜２．００、 Ｂ：０．００
０５〜０．００５％の１種または２種以上を含有し、残
部が鉄および不可避的不純物からなり、かつ、その金属
組織がパーライト組織を呈し、前記範囲のパーライト組
織の硬さがＨｖ３２０以上の材料である。

【００２０】図２(b）に示すように、パーライト組織を
呈した硬さＨｖ３２０以上の材料をレール頭頂部ａ及び
頭部コーナー部ｂ（頭側部全体を含む）に配置させる
か、あるいは、図２(a) に示すように、レール頭頂部
ａ、頭部コーナー部ｂから柱部ｃ及び底部ｄのレール表
面全体をパーライト組織を呈した硬さＨｖ３２０以上の
材料で覆うなど種々の形態をとりうる。すなわち、パー
ライト組織を呈した硬さＨｖ３２０以上の材料１は、レ
ール軸断面において、少なくとも車輪とレールが接触す
るレール頭頂部ａおよび頭部コーナー部ｂに存在し、そ
の被覆厚さがレール頭部コーナー部および頭頂部の該頭
部表面を起点として少なくとも深さ２０ｍｍの範囲とす
る。

【００２１】本発明において、パーライト組織を呈した
Ｈｖ３２０以上の材料１の範囲を、レール頭部コーナー
部および頭頂部の該頭部表面を起点として少なくとも深
さ２０ｍｍの範囲に限定した理由について説明する。２
０ｍｍ未満では、レール頭部に要求されている耐摩耗範
囲が少なく、摩耗の進行により十分な寿命改善効果が得
られないためである。また、前記パーライト組織を呈し
たＨｖ３２０以上の材料１の範囲がレール頭部コーナー
部および頭頂部の該頭部表面を起点として深さ３０ｍｍ
以上の範囲であれば、さらに寿命改善効果が得られより
望ましい。

【００２２】次に、本発明において、レール頭部コーナ
ー部および頭頂部の該頭部表面を起点として少なくとも
深さ２０ｍｍの範囲を従来レール鋼よりも炭素量を増加
させたパーライト組織に限定した理由を説明する。従来
の共析炭素含有のパーライト鋼よりも炭素量を増加させ
ることにより、パーライト組織の耐摩耗性を確保してい
る板状の硬いセメンタイト組織比率が増加し、車輪との
接触で形成されるころがり面直下でのセメンタイト密度
が高まり、結果として耐摩耗性が飛躍的に向上するから
である。

【００２３】材料１の金属組織としては、パーライト組
織であることが望ましいが、レールの冷却方法や素材の
偏析状態によってはパーライト組織中に微量なマルテン
サイト組織や初析セメンタイト組織が生成することがあ
る。しかし、パーライト組織中に微量なマルテンサイト
組織や初析セメンタイト組織が生成してもレールの靭
性、耐摩耗性および強度に大きな影響をおよぼさないた
め、本パーライト系レールの組織としては若干の初析セ
メンタイト組織の混在も含んでいる。

【００２４】また、この部分における各成分を限定した
理由は以下の通りである。Ｃはパーライト変態を促進さ
せて、かつ、耐摩耗性を確保する有効な元素であり、通
常のレール鋼としてはＣ量０．６０〜０．８５％が添加
されているが、Ｃ量０．８５％以下では耐摩耗性の向上
を図るためのパーライト組織中のセメンタイト密度が確
保できず、さらに、レール頭部内部疲労損傷の起点とな
る初析フェライトが生成し易くなる。また、Ｃ量１．２
０％を超えると、熱処理後のレール頭部に初析セメンタ
イトが多く生成し、延性および靱性が低下するため、Ｃ
量を０．８５超〜１．２０％に限定した。

【００２５】Ｓｉはパーライト組織中のフェライト相へ
の固溶体硬化により強度を向上させる元素であるが、
０．１０％未満ではその効果が十分に期待できず、ま
た、１．００％を超えるとレールの脆化をもたらし溶接
性も低下するので、Ｓｉ量を０．１０〜１．００％に限
定した。

【００２６】Ｍｎはパーライト変態温度を低下させ、焼
き入れ性を高めることによって高強度化に寄与し、さら
に、初析セメンタイトの生成を抑制する元素であるが、
０．１０％未満の含有量ではその効果が小さく、熱処理
後のレール頭部の硬さが低下し、初析セメンタイトが生
成しやすくなる。また、１．５０％を超えるとレールの
靭性に有害なマルテンサイト組織を生成させ易くするた
め、Ｍｎ量を０．１０〜１．５０％に限定した。なお、
Ｍｎが１．００％を超えると、高炭素の本成分系では、
添加元素の組み合わせや冷却条件によっては、偏析部に
微量なマルテンサイト組織が生成する場合がある。この
微量なマルテンサイト組織はレールの靭性や耐摩耗性に
大きな影響におよぼさないが、熱処理においてパーライ
ト組織を安定的に生成させるには、Ｍｎ量を０．１０〜
１．００％の範囲とすることがより望ましい。

【００２７】また、上記の成分組成で製造されるレール
は強度、延性、靭性を向上させる目的で以下の元素を必
要に応じて１種または２種以上を添加する。Ｃｒ：０．
０５〜１．００、 Ｍｏ：０．０１〜０．２０、Ｖ
：０．０２〜０．３０、 Ｎｂ：０．００２〜０．
０５０、Ｃｏ：０．１０〜２．００、 Ｂ ：０．０
００５〜０．００５％

【００２８】次に、これらの化学成分の上記のように定
めた理由について説明する。Ｃｒはパーライトの平衡変
態点を上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にし
て高強度化に寄与すると同時に、パーライト組織中のセ
メンタイト相を強化することによって耐摩耗性を向上さ
せる元素であるが、０．０５％未満ではその効果が小さ
く、１．００％を超える過剰な添加はマルテンサイト組
織を多量に生成させ、鋼を脆化させるため、Ｃｒ添加量
を０．０５〜１．００％に限定した。なお、Ｃｒが０．
６０％を超えると、高炭素の本成分系では、添加元素の
組み合わせや冷却条件によっては、偏析部に微量なマル
テンサイト組織が生成する場合がある。この微量なマル
テンサイト組織はレールの靭性や耐摩耗性に大きな影響
におよぼさないが、熱処理においてパーライト組織を安
定的に生成させるには、Ｃｒ量を０．０５〜０．６０％
の範囲とすることがより望ましい。

【００２９】ＭｏはＣｒ同様パーライトの平衡変態点を
上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にすること
により高強度化に寄与し、耐摩耗性を向上させる元素で
あるが、０．０１％未満ではその効果が小さく、０．２
０％を超える過剰な添加は、パーライト変態速度を低下
させて靭性に有害なマルテンサイト組織が生成し易くな
るため、Ｍｏ添加量を０．０１〜０．２０％に限定し
た。

【００３０】Ｖは熱間圧延時の冷却課程で生成したＶ炭
・窒化物による析出硬化で強度を高め、さらに、高温度
に加熱する熱処理が行われる際に結晶粒の成長を抑制す
る作用によりオーステナイト粒を微細化させ、レールに
要求される強度と靭性を向上させるのに有効な成分であ
るが、０．０２％未満ではその効果が期待できず、０．
３０％を超えて添加してもそれ以上の効果が期待できな
いことから、Ｖ量を０．０２〜０．３０％に限定した。

【００３１】ＮｂはＶと同様にＮｂ炭・窒化物を形成し
てオーステナイト粒を細粒化する有効な元素であり、そ
のオーステナイト粒成長抑制効果はＶよりも高温度域
（１２００℃近傍）まで作用し、レールの延性と靭性を
改善する。その効果は、０．００２％未満では期待でき
ず、また、０．０５０％を超える過剰な添加を行っても
それ以上の効果が期待できない。従って、Ｎｂ量を０．
００２〜０．０５０％に限定した。

【００３２】Ｃｏはパーライトの変態エネルギーを増加
させて、パーライト組織を微細にすることにより強度を
向上させる元素であるが、０．１０％未満ではその効果
が期待できず、また、２．００％を超える過剰な添加を
行ってもその効果が飽和域に達するため、Ｃｏ量を０．
１０〜２．００％に限定した。

【００３３】Ｂは旧オーステナイト粒界から生成する初
析セメンタイトを抑制する効果があり、パーライト組織
を安定的に生成させるために有効な元素である。しか
し、０．０００５％未満ではその効果が弱く、０．００
５０％を越えて添加するとＢの粗大な炭ほう化物が生成
し、レールの延性および靱性等を劣化させるため０．０
００５〜０．００５０％に限定した。

【００３４】図における他の部分２は、Ｃ ：０．０５
〜０．４５％、 Ｓｉ：０．１５〜２．００％、Ｍ
ｎ：０．５０〜３．００％、 Ｃｒ：０．５０〜
３．００％を含有し、必要に応じてさらに、Ｃｕ：０．
０５〜０．５０％、 Ｎｉ：０．０５〜４．００
％、Ｍｏ：０．０５〜０．６０％、 Ｖ ：０．０
２〜０．３０％、Ｎ ：０．０１０〜０．０２５％、
Ｎｂ：０．００２〜０．０５％、Ｂ ：０．０００５〜
０．００５％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％の１種また
は２種以上を含有し、ベイナ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頂部
ａ、頭部コーナー部ｂおよび柱部ｃ、底部ｄの表面以外
の部分に配置される。

【００３５】本発明においてベイナイト組織を呈した材
料２をレール頭部コーナー部および頭頂部の表面以外の
部分に配置した理由について説明する。鋼中の介在物お
よびレールの表面疵などを起点として、レール頭部内部
および足裏部に発生した疲労き裂から２次的に発生する
脆性き裂に対して、その脆性き裂の発生位置およびき裂
伝播経路にパーライト鋼と比較して耐破壊靭性が高いベ
イナイト鋼を配置することにより、レールのき裂伝播抵
抗性（耐破壊靭性）を高めることが可能となるからであ
る。

【００３６】なお、材料２の金属組織としては、ベイナ
イト組織であることが望ましいが、レールの冷却方法や
素材の偏析状態によってはベイナイト組織中に微量なフ
ェライト・パーライト組織やマルテンサイト組織が生成
することがある。しかし、ベイナイト組織中に微量なフ
ェライト・パーライト組織やマルテンサイト組織が生成
してもレールの靭性および強度に大きな影響をおよぼさ
ないため、材料２の金属組織としては若干のフェライト
・パーライト組織やマルテンサイト組織の混在も含んで
いる。

【００３７】次に、本発明においてベイナイト組織を呈
した材料に限定した理由は、ベイナイト鋼はパーライト
鋼と比較して靭性が高く、圧延ままでも十分な強度と靭
性を確保することが可能であり、また、パーライト鋼と
の界面での接合性も良好であることからベイナイト組織
を呈する材料を選んだ。

【００３８】また、この部分における各成分を限定した
理由は以下の通りである。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、レールとし
ての最低限度の強度を確保することが難しくなり、０．
４５％を越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、Ｃ量を０．１５〜０．４５％に限
定した。

【００３９】Ｓｉはベイナイト組織中のフェライト地に
固溶することによって強度を向上させる元素であり、脱
酸元素としても０．１５％以上の添加が必要である。ま
た、２．００％を越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、
Ｓｉ量を０．１５〜２．００％に限定した。

【００４０】Ｍｎは鋼の焼入れ性を高め、Ｃｒとの相乗
作用でベイナイト変態を促進し、強度と靭性を同時に向
上させる効果を持つが、０．５０％未満ではベイナイト
変態が安定せず、また、３．００％を越えると、ベイナ
イトの変態速度が大きく低下し、破壊靭性の低いマルテ
ンサイト組織が多く生成してしまうため、Ｍｎ量を０．
５０〜３．００％に限定した。

【００４１】Ｃｒはベイナイト組織中のセメンタイトを
微細に分散させ、微細化によりベイナイト鋼の強度と靱
性を同時に向上させる元素であるが、０．５０％未満で
はその効果が小さく、また、３．００％を越える添加
は、Ｍｎと同様にベイナイトの変態速度が大きく低下
し、破壊靭性の低いマルテンサイト組織が多く生成して
しまうため、Ｃｒ量を０．５０〜３．００％の範囲に限
定した。

【００４２】また、上記の成分組成で製造されるレール
は強度、延性、靭性を向上させる目的で以下の元素を必
要に応じて１種または２種以上を添加する。

【００４３】Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、 Ｎ
ｉ：０．０５〜４．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．６０
％、 Ｖ ：０．０２〜０．３０％、Ｎ ：０．０
１０〜０．０２５％、 Ｎｂ：０．００２〜０．０５
％、Ｂ ：０．０００５〜０．００５％、Ｔｉ：０．０
１〜０．０５％

【００４４】Ｃｕはベイナイト鋼の靭性を損なわず強度
を向上させる元素であるが、その効果は０．０５〜０．
５０％の範囲で最も大きく、また、０．５０％を越えと
赤熱脆性を生じることから、Ｃｕ量を０．０５〜０．５
０％の範囲に限定した。

【００４５】Ｎｉはオーステナイトを安定化する元素で
あり、ベイナイト変態温度を下げ、ベイナイト組織を微
細化させ、靱性を向上させる元素であるが、０．０５％
未満ではその効果が著しく小さく、また、４．００％を
越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、Ｎｉ量を０．０５〜４．００％の範囲に限定
した。

【００４６】ＭｏはＣｒと同様に、ベイナイト変態の安
定化およびベイナイト組織の微細化に有効な元素である
が、０．０５％未満ではその効果が小さく、また、０．
６０％を超える過剰な添加はベイナイト変態速度を低下
させ、靭性に有害なマルテンサイト組織を多く生成させ
るため、Ｍｏ量を０．０５〜０．６０％の範囲に限定し
た。

【００４７】ＶはＮと結合してＶＮの窒化物を生成する
ことにより、圧延および再加熱時のγ粒を細かくし、さ
らに、析出硬化によりベイナイト組織の靱性や強度を向
上させる元素であるが、０．０２％未満では、窒化物の
生成が困難になり、また、０．３０％を越えると析出物
の粗大化により靭性を低下させるため、Ｖ量を０．０２
〜０．３０％に限定した。

【００４８】ＮはＶと結合してＶＮの窒化物を生成する
ことにより、圧延および再加熱時のγ粒を細かくし、さ
らに、析出硬化によりベイナイト組織の靱性や強度を向
上させる元素であるが、０．０１０％未満では、窒化物
の生成が困難になり、また、０．０２５％を越えると、
溶鋼溶製時に、Ｎによるブローホールなどの内部欠陥を
生成させ易いため、Ｎ量を０．０１０〜０．０２５％以
下に限定した。

【００４９】Ｎｂは圧延時のγ再結晶を抑制することに
より、オーステナイト粒度を微細化し、靭性を改善し、
さらに、Ｖと同様の析出硬化によりベイナイト組織の強
度を向上させる元素であるが、０．００２％未満ではそ
の効果が小さく、０．０５％を越えるＮｂの金属間化合
物や粗大析出物が生成して靭性を低下させることから、
Ｎｂ量を０．００２〜０．０５％の範囲に限定した。

【００５０】Ｂは旧オーステナイト粒界から生成するフ
ェライトの生成を抑制し、ベイナイト変態を安定化する
のに有効な元素であるが、０．０００５％未満ではその
効果が弱く、０．００５０％を越えて添加するとＢの粗
大な炭ほう化物が生成し、レール靭性を低下させるため
０．０００５〜０．００５０％に限定した。

【００５１】Ｔｉは、溶解・凝固時に析出したＴｉ
（Ｃ，Ｎ）がレール圧延時加熱の高温でも溶解しないこ
とを利用して、レール圧延加熱時のオーステナイト結晶
粒の微細化を図り、また、溶接継ぎ手部の靭性改善にも
寄与する元素であるが、０．０１％未満ではその効果が
少なく、０．０５％を越えると粗大なＴｉ（Ｃ，Ｎ）が
生成して、レール使用中の疲労損傷の起点となるため、
Ｔｉ量を０．０１〜０．０５％に限定した。

【００５２】以上のように、レール頭部コーナー部およ
び頭頂部の該頭部表面を起点として少なくとも深さ２０
ｍｍの範囲の部分に、Ｃ：０．８５超〜１．２０％、Ｓ
ｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０
％を含有し、さらに必要に応じて、Ｃｒ：０．０５〜
１．００、Ｍｏ：０．０１〜０．２０、Ｖ：０．０２〜
０．３０、Ｎｂ：０．００２〜０．０５０、Ｃｏ：０．
１０〜２．００、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、Ｔ
ｉ：０．０１〜０．０５％の１種または２種以上を含有
し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、かつ、そ
の金属組織がパーライト組織を呈し、前記範囲のパーラ
イト組織の硬さがＨｖ３２０以上である材料１を配置
し、その他の部分に、Ｃ ：０．０５〜０．４５％、Ｓ
ｉ：０．１５〜２．００％、Ｍｎ：０．５０〜３．００
％、Ｃｒ：０．５０〜３．００％を含有し、さらに必要
に応じて、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．０
５〜４．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．６０％、Ｖ：
０．０２〜０．３０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５
％、Ｎｂ：０．００２〜０．０５％、Ｂ：０．０００５
〜０．００５％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％の１種ま
たは２種以上を含有し、残部が鉄および不可避的不純物
からなり、その金属組織がベイナイト組織を呈する材料
２を配置した理由は、レール頭部コーナー部および頭頂
部の該頭部表面に従来レールよりも炭素量が高いパーラ
イト組織を呈した材料を配置することで、レール頭部で
の耐摩耗性の向上を図り、さらに、その内部にベイナイ
ト組織を呈する材料を配置することにより、レール柱部
や底部の耐破壊靭性を向上させ、レール頭部および足裏
部に発生した疲労き裂から２次的に発生する脆性き裂に
対して、耐破壊靭性を大きく向上させることができるか
らである。

【００５３】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。

【００５４】さらに、必要によっては、本レールの頭部
および底部など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、重荷重鉄道
の寒冷地のレールに要求される頭部での耐摩耗性と柱部
および底部での耐破壊靭性を兼ね備えている。

【００５５】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。表
１には、本発明レールと比較レールの化学成分、軸断面
形状（本発明レールのみ）、熱処理条件を示す。さら
に、表１にはレール頭表部（耐摩耗材料）、柱部・底部
（高靭性材料：本発明レールのみ）の硬さ、組織、およ
び、図３に示す西原式摩耗試験機によるレール頭表部材
料（耐摩耗材料）の摩耗試験結果も併記した。また、図
４は表１に示す本発明レールと比較レールのレール頭表
部材料（耐摩耗材料）の摩耗試験結果を硬さと摩耗量の
関係で比較したものである。表２には、本発明レールと
比較レールの実レールによる落重試験結果を示す。な
お、レールの構成は以下のとおりである。

【００５６】・本発明レール（１４本） 符号：Ａ〜Ｎ ：上記成分範囲で、レール頭部コーナー部および頭頂部
の該頭部表面を起点として少なくとも深さ２０ｍｍの範
囲の部分の金属組織がパーライト組織を呈し、前記範囲
のパーライト組織の硬さがＨｖ３２０以上であり、その
他の部分の金属組織がベイナイト組織を呈する二層構造
からなる耐摩耗性に優れた高靭性レール。 ・比較レール（４本） 符号：Ｏ〜Ｒ ：共析炭素含有鋼による比較レール。

【００５７】摩耗試験条件は次のとおりとした。 ・試験機 ：西原式摩耗試験機 ・試験片形状：円盤状試験片（外径：３０ｍｍ、厚さ：
８ｍｍ） ・試験荷重 ：６８６Ｎ ・すべり率 ：２０％ ・相手材 ：パーライト鋼（ＨＶ３８０） ・雰囲気 ：大気中 ・冷却 ：空気による強制冷却（流量：１００Ｎｌ
／ｍｉｎ） ・繰返し回数：７０万回

【００５８】落重試験条件は次のとおりとした。 ・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℃

【００５９】

【表１】

【００６０】

【表２】

【００６１】

【表３】

【００６２】

【表４】

【００６３】

【表５】

【００６４】

【表６】

【００６５】

【発明の効果】図４に示したように、本発明レールは比
較レールよりも炭素量を高めることにより、比較レール
よりも同一硬さにおいて摩耗量が少なく、耐摩耗性が大
きく向上している。また、表２に示すように、本発明レ
ールは柱部および底部に耐破壊靭性が高いベイナイト鋼
を配置したことにより、比較レールが−４０℃で全て破
断するのに対して、本発明レールは−７０℃の低温度域
まで全てのレールが破断せず、レールの耐破壊靭性が大
きく向上している。このように本発明によれば、重荷重
鉄道の寒冷地においても耐摩耗性と靭性に優れたレール
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレール軸断面における各部の呼称と、
レールの二層状態を軸断面で模式的に示した図。

【図２】（ａ）、（ｂ）はともに本発明の実施例であ
り、各部におけるレール二層状態を模式的に示した図。

【図３】西原式摩耗試験機の概略図。

【図４】表１に示す本発明レールと比較レールの頭表部
材料（耐摩耗材料）の摩耗試験結果を硬さと摩耗量の関
係で比較した図。

【符号の説明】

１：パーライト組織を呈するＨｖ３２０以上の材料 ２：ベイナイト組織を呈する材料 ａ：レール頭頂部 ｂ：レール頭部コーナー部 ｃ：レール柱部 ｄ：レール底部 ３：レール試験片 ４：相手材 ５：冷却ノズル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レール軸断面において、頭部コーナー部
   および頭頂部の該頭部表面を起点として少なくとも深さ
   ２０ｍｍの範囲の部分が重量％で、 Ｃ ：０．８５超〜１．２０％、 Ｓｉ：０．１０〜１．００％、 Ｍｎ：０．１０〜１．５０％ を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、か
   つ、その金属組織がパーライト組織を呈し、前記範囲の
   パーライト組織の硬さがＨｖ３２０以上であり、その他
   の部分は重量％で、 Ｃ ：０．０５〜０．４５％、 Ｓｉ：０．１５〜２．００％、 Ｍｎ：０．５０〜３．００％、 Ｃｒ：０．５０〜３．００％ を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、か
   つ、その金属組織がベイナ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摩耗性に優れた高靭性レー
   ル。
2. 【請求項２】 レール軸断面において、頭部コーナー部
   および頭頂部の該頭部表面を起点として少なくとも深さ
   ２０ｍｍの範囲の部分が重量％で、 Ｃ ：０．８５超〜１．２０％、 Ｓｉ：０．１０〜１．００％、 Ｍｎ：０．１０〜１．５０％ を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、か
   つ、その金属組織がパーライト組織を呈し、前記範囲の
   パーライト組織の硬さがＨｖ３２０以上であり、その他
   の部分は重量％で、 Ｃ ：０．０５〜０．４５％、 Ｓｉ：０．１５〜２．００％、 Ｍｎ：０．５０〜３．００％、 Ｃｒ：０．５０〜３．００％ を含有し、さらに、 Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、 Ｎｉ：０．０５〜
   ４．００％、 Ｍｏ：０．０５〜０．６０％、 Ｖ ：０．０２〜
   ０．３０％、 Ｎ ：０．０１０〜０．０２５％、 Ｎｂ：０．００２
   〜０．０５％、 Ｂ ：０．０００５〜０．００５％、Ｔｉ：０．０１〜
   ０．０５％ の１種または２種以上を含有し、残部が鉄および不可避
   的不純物からなり、かつ、その金属組織がベイナイト組
   織を呈する二層構造からなることを特徴とする耐摩耗性
   に優れた高靭性レール。
3. 【請求項３】 レール軸断面において、頭部コーナー部
   および頭頂部の該頭部表面を起点として少なくとも深さ
   ２０ｍｍの範囲の部分が重量％で、 Ｃ ：０．８５超〜１．２０％、 Ｓｉ：０．１０〜１．００％、 Ｍｎ：０．１０〜１．５０％ を含有し、さらに、 Ｃｒ：０．０５〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．２
   ０％、 Ｖ ：０．０２〜０．３０％、Ｎｂ：０．００２〜０．
   ０５０％、 Ｃｏ：０．１０〜２．００％、Ｂ ：０．０００５〜
   ０．００５％ の１種または２種以上を含有し、残部が鉄および不可避
   的不純物からなり、かつ、その金属組織がパーライト組
   織を呈し、前記範囲のパーライト組織の硬さがＨｖ３２
   ０以上であり、その他の部分は重量％で、 Ｃ ：０．０５〜０．４５％、 Ｓｉ：０．１５〜２．００％、 Ｍｎ：０．５０〜３．００％、 Ｃｒ：０．５０〜３．００％ を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、か
   つ、その金属組織がベイナ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摩耗性に優れた高靭性レー
   ル。
4. 【請求項４】レール軸断面において、頭部コーナー部お
   よび頭頂部の該頭部表面を起点として少なくとも深さ２
   ０ｍｍの範囲の部分が重量％で、 Ｃ ：０．８５超〜１．２０％、 Ｓｉ：０．１０〜１．００％、 Ｍｎ：０．１０〜１．５０％ を含有し、さらに、 Ｃｒ：０．０５〜１．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．２
   ０％、 Ｖ ：０．０２〜０．３０％、Ｎｂ：０．００２〜０．
   ０５０％、 Ｃｏ：０．１０〜２．００％、Ｂ ：０．０００５〜
   ０．００５％ の１種または２種以上を含有し、残部が鉄および不可避
   的不純物からなり、かつ、その金属組織がパーライト組
   織を呈し、前記範囲のパーライト組織の硬さがＨｖ３２
   ０以上であり、その他の部分は重量％で、 Ｃ ：０．０５〜０．４５％、 Ｓｉ：０．１５〜２．００％、 Ｍｎ：０．５０〜３．００％、 Ｃｒ：０．５０〜３．００％ を含有し、さらに、 Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、 Ｎｉ：０．０５〜
   ４．００％、 Ｍｏ：０．０５〜０．６０％、 Ｖ ：０．０２〜
   ０．３０％、 Ｎ ：０．０１０〜０．０２５％、 Ｎｂ：０．００２
   〜０．０５％、 Ｂ ：０．０００５〜０．００５％、Ｔｉ：０．０１〜
   ０．０５％ の１種または２種以上を含有し、残部が鉄および不可避
   的不純物からなり、かつ、その金属組織がベイナイト組
   織を呈する二層構造からなることを特徴とする耐摩耗性
   に優れた高靭性レール。