JPS5818966B2 - レ−ルの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、レールの製造方法、特に高軸重下における
摩耗の低減及び高速運転時におけるシエリング疵の発生
防止を計ったレールの製造方法に関するものである。

近年、鉄道輸送は高軸重下、高速化に向いつつあり、レ
ールの使用条件は苛酷になる傾向−にある。

この結果、レール頭部の摩耗や疲労が激しく、このため
レール寿命が短かくメンテナンスに支障を来しており、
レール頭部の材質改善が要求されている。

一般に、レール頭部の材質を改善するには、（１）熱間
圧延状態では合金元素を添加して高強度化を計る。

（２）熱処理により高強度化を計る。

等の方法がある。

しかし、（りの方法では合金元素添加によりコスト高と
なり、また、合金元素添加によって水素割れ感受性が増
大するため脱水素処理等の製造工程を付加する必要が生
じ、これまたコスト高となり、必らずしも経済的に有利
な方法ではない。

一方、（２）の方法による熱処理レールは、レール頭部
の硬化法とじて適しており、 ■焼入れ一焼戻し法（第１図ｅ照） ■ スラツククエンチ法による焼入れ法（第１図■参照
） 等の種々の方法がある。

尚、第１図の例は、Ｃ：０．７２ 、 Ｓｉ ： ０．
２２ 、Ｍｎ ： ０．９０ 、 Ｐ ：０．０１５
．Ｓ：０．０１０からなる銅の場合である。

これらの方法は、何れもＡＣ３点以上の温度にレール頭
部を高周波または火炎により加熱し、この後、空気また
は水で冷却し、高強度を得る方法である。

一般に耐摩耗性は鋼材の硬さおよび組織に依存する。

その結果が第２図に示されている。すなわち、高硬度及
びパーライト組織の方が耐摩性において優れていること
がわかる。

上記■の焼入れ一焼戻し法では、レール頭頂より約５ｍ
ｍの深さまで焼戻マルテンサイト組織を呈し、耐摩耗性
に大きな効果は期待できない。

上記σり方法を改良した方法が上記ｑ辺スラツククエン
チ法である。

この方法では狭いパーライトラメラ−間隔を有する微細
パーライト鋼が得られる。

現在実施されている上記■の方法としては、例えば、Ｕ
Ｓスチールその他の技術がある。

これはＣ：０．６９％７０．８２％、Ｓｉ：０．１０％
７０．２５係及びＭｎ ： ０．７０ ％／ １． Ｏ
０％からなる共析鋼成分のレールを表面が約１０００℃
の高温になるまで高周波により急速加熱し、連続冷却的
に空気冷却する方法である。

上記方法は、高温７ＪＤ熱によりオーステナイト粒度を
大きくし、焼入れ性を増し、連続冷却変態させるもので
あるが、第１図中■から明らかなように、この方法では
微細パーライトのみからなる均一組織を得ることは非常
に困難である。

ｔなわち連続冷却において、微細パーライト組織を得る
ために冷却速度を比較的太にすると、その冷却曲線は第
１図中Ｐ（パーライト）ゾーンだけでなく、中間組織勾
ゾーンも通過することとなり、中間組織（特に硬度が低
い上部ベイナイト組織）と微細パーライト組織との混合
組織となってしまう。

一方、冷却速度を緩かにすれば粗いラメラ−間隙を有す
るパーライトとなってしまう。

このような理由により上記■の方法で微細パーライトの
みからなる組織を得るためには、冷却速度を厳しく管理
する必要がある。

さらに、この方法では高周波による急速力ロ熱のために
表層からの均一硬化層の深さが浅い。

従って、所要の硬度を得る領域が狭く摩耗を防止してレ
ール寿命を長くする効果は小さい。

（第３図参照） この発明は、上述のような観点から従来のスタッククエ
ンチ法の有する問題点を解決するためになされたもので
あって、 Ｃ：０．６０〜０．８２係、 Ｓｉ：０．１〜１．０％、 Ｍｎ ： ０．４０〜０．６０％、 残部：鉄及び不可避不純物 を基本組成とし、必要に応じて、 Ｃｒ ： ０．２〜１．０％、 Ｖ：０．０２〜０．１０％（以上重量％）のうちの１種
または２種を含有してなるレール用鋼を、ＡＣ３点以上
に卯熱し、オーステナイト域から４５０〜６００℃の湿
度域まで８〜３０°Ｃ／ｓｅｃの冷却速度で冷却し、前
記４５０〜６００℃の湿度域で恒湿変態を行なわしめる
ことに特徴を有する。

第３図には、レール頭頂面からの距離と硬さとの関係が
示されている。

尚、第３図において、−〇−印は後記する第１表中、比
較鋼である１の鋼に第１図中■で示した方法により熱履
歴を付与した試料の結果であり一■−以は第１表中、本
発明鋼である４の鋼にこの発明による熱履歴を付与した
試料の結果である。

図から明らかなように、この発明の方法によれば、レー
ル表層からの均一硬化層の深さが深く、上記従来のスタ
ッククエンチ法の欠点を解決することができることがわ
かる。

一方、第４図には、この発明の方法によって製造したレ
ールの疲労限と強度との関係が熱間王延ままの材料と対
比して示されている。

図から明らかなように、耐シエリング性は疲労限の高い
ものが大きいことが知られているので、この発明による
レールは耐シエリング性も優れているということができ
る。

この発明をさらに詳細に説明する。

恒湿変態によってパーライト組織を得るに当っては、第
５図に模式的に示される変態温度と硬さとの関係を示す
図から明らかなように、低温域（図中Ａ点）で変態を起
させる方が微細なパーライトを呈し高硬度が得られる。

しかし、低塩側寄り（図中Ａ−Ｂ点）で変態させると中
間組織（特に上部ベイナイト）が発生しやすく、逆に硬
度低下を来たす虞れがある。

本発明者等の研究するところによれは、６００℃を越え
た温度で恒温変態・させた場合には、ラメラ−間隔の大
きなパーライトしか得られず、多少の合金元素を加えて
も高い硬度を期待し得す、また、４５０℃未満の塩度で
恒湿変態させた場合には、耐摩耗性に優れない中間組織
が得られるようになることがわかった。

従つて、この発明では恒温変態の温度域を４５０〜６０
０℃の範囲に限定したのである。

上記のことから、上記４５０〜６００℃の温度域でしか
も可能な限り低高側までパーライト恒温変態を確保でき
る化学成分を有する鋼の選択が重要となる。

次に、この発明において鋼の成分を上記の如く限定した
理由を実施例とともに説明する。

第１表には、夫々の組成を有するレール用鋼を各々８２
０℃に火焔により刃口熱した後、本発明鋼５については
５５０℃まで、その他の鋼については５００℃まで夫々
１０°Ｃ／ｓｅｃ の冷却速度でミスト冷却し、次い
で熱水蒸気で付着水を除去し、過度の冷却を防止すると
ともに夫々の温度はぼ５分間恒温保持した場合に得られ
る鋼の組織及び硬度が示されている。

Ｃを０．６０〜０．８２％に限定した理由。

Ｃは共析鋼としての強度確保のため０．６０％以上必要
であるが、０．８２％を越えると粒界に初析セメンタイ
トが析出し、材質 化を生ずるので好ましくない。

従って、この発明ではＣの含有成分範囲を０．６０〜０
．８２％に限定したのである。

Ｓｉを０．１〜１．０％に限定した理由。

Ｓｉは脱酸元素として０．１％以上添加する必要があり
、Ｓｉ添卯量を増やすと平衡変態流度が上昇し、過冷度
が大きく取れ、結果としてラメラ−間隔が挟まり高硬度
が得られる。

しかし、Ｓｉ添卯量が１係を越えると溶接性に悪影響を
及ぼすので奸才しくない。

従って、この発明においてはＳｉの添加含有成分範囲を
０．１〜１．０係に限定したのである。

好ましい範囲は、０．４〜０．６ ％である。（第１表
参照）尚、前記第１表において本発明鋼４のように、低
ＭｎとＳｉ 添刃口の成分糸にすると５００℃以下でも
微細パーライトが得られ高硬度となる。

（第６図中−△−印参照）Ｍｎを０．４０〜０．６０％
に限定した理由。

この発明の特徴は、Ｍｎ量を第１図■で示した如き通常
のスラツククエンチに用いられている場合よりも低目と
することによって、恒湖変態温度を低く採り、ラメラ−
間隙の小さな高硬度のパーライト組織のレールを製造す
ることにある。

Ｃｒおよび／またば■を添加すると恒温変態で中間組織
（ベーナイト）が生成する温度域が高湿側にづれるので
、この場合においてもＭｎ量を通常のものよりも上記本
発明の範囲の如く低目にしておかないと上記４５０〜６
００℃の温度域で恒湿変態させてもパーライト組織が得
られなくなり、その添刀り効果が十分発揮できない。

尚１．Ｍｎ量が通常の範囲でＣｒおよび／または■を添
加した鋼では、オーステナイト域から恒温保持に入るま
での必要な冷却速度も、この発明で必要とする冷却速度
よりも小となってくる。

すなわち、ＭｎはＳｉ と同様に鋼の脱酸に不可欠の
元素であり、０．４０％以上は必要である。

−方、この発明のように均一硬化層を深めにすることを
目的とする場合、すなわち、低温域（４５０〜６００℃
）で変態させる場合、Ｍｎ量は低めの方が好ましい。

このためＭｎ量の添加量の上限を０．６０％とした。

Ｍｎ添加量の上限を０．６０％に限定した理由を更に詳
しく説明する。

すなわち、前記第１表において比較鋼１は通常のスラッ
ジクエンチ法に供されるもので、本発明鋼２及び比較鋼
３はＭｎの品質特性に及ぼす影響を調べたものであり、
これらの結果が第７図に示されている。

尚、第７図において、−△−印は第１表において、比較
鋼１に場合であり、−〇−印は第１表において、本発明
鋼２の場合であり、−ロー印は第１表において、比較鋼
３の場合である。

図から明らかなように、５２５℃以上の高温域の変態温
度では、Ｍｎ量を増すと、硬度がやや高めとなり、一方
、５２５°Ｃ以下の低温域ではＭｎ量を増すと焼入れ性
が良いために上部ベイナイトなどの中間組織が出現し、
このために逆に硬度が低下する。

従って、この発明においてはＭｎ量を０．４０〜０．６
０％の範囲に限定したのである。

Ｃｒ量を０．２〜１．０％と限定した理由。

Ｃｒは０．２％以上添加するとパーライトラメラ−間隔
が狭くなり高硬度が得られる。

前記第１表において本発明鋼５の如く、低ＭｎとＳｉ添
卯とＣｒ添加の成分系にすると硬度の上昇が顕著となる
。

（第６図中−〇−印参照）一方、Ｃｒ量が１．０％を越
えると、脱水素処理等製造上の問題及び溶接性に悪影響
を及ぼすので好ましくない。

従って、この発明においてはＣｒ添加量を０．２〜１゜
１．０％に限定したのである。

■の添刃口量を０．０２〜０．１０％に限定した理由。

■は析出硬化型元素であり、０．０２％以上添加すると
硬度上昇が見られる。

前記第１表における本発明鋼６の如くｖ添加によりＨＶ
＝＝２０の硬度上昇となる。

（第６図中−ロー印参照）一方、ｏ、１ｏ％を越えると
経済的に不利となる。

従って、この発明では■の添加量を０．０２〜０．１０
％ニ限定したのである。

次に、この発明において、冷却速度を８〜３０’Ｃ／
ｓｅｃの範囲に限定した理由について説明す本この発明
における冷却に関して重要なことは、冷却速度と冷却停
止温度、すなわち変態温度である。

第１表において、冷却速度については前述の如く８２０
〜５００℃間を１０℃／Ｓｅｃの冷却速度で冷却（５０
０℃で恒温変態）した場合であるが、比較鋼３を除きパ
ーライｌ織が得られている。

尚、別の実験を行ない各鋼１〜７において所定の微細パ
ーライト組織が得られるオーステナイト域からの冷却速
度について検討したところ比較鋼１，３と本発明鋼２及
び本発明鋼４は８°Ｃ／ｓｅｃ、本発明鋼５及び６は３
℃／ｓｅｃが下限の冷却速度であることが判った。

第８図には、本発明鋼２において５００℃で恒温変態さ
せた場合の一例が示されている。

但し、３０°Ｃ／ｓｅｃを越える冷却速度になると、レ
ール表面に水漏れ現象が生じやすく、バードスポットを
呈するためレール長手方向及び巾方向に硬度むらができ
好ましくない。

第８図から明らかなように、８℃／ｓｅｃ以上の冷却速
度で微細パーライト組織が得られることがわかる。

従って、この発明においては、確実に微細パーライト組
織を得ることができるようにするために、冷却速度を８
〜ｂ ｂ 一方、冷却停止温度は硬度と強い相関を示すので重要な
因子である。

低温域までパーライト組織を呈する低いＭｎの本発明鋼
２の場合、４５０℃において微細パーライトで高硬度の
品質が得られる。

Ｓｉ、Ｃｒ及び■を添加すると最適停止湯度は高温側に
移行し、５００〜５５０℃となる。

６００℃以上では粗いなパーライト組織となり高硬度は
期待できない。

従って、この発明では前述の如く、）４５０℃以上６０
０℃以下の温度で冷却停止せしめ、変態終了俊速やかに
冷却させる必要がある。

この発明においてレールのオーステナイト域までの加熱
手段は誘導加熱、火焔加熱の倒れでも良く、また加熱状
態も少なくともレール所定深部までをオーステナイトま
で刃口熱するものであれば、レール頭部表面からレール
頭部にかけて温度勾配をつけた加熱であっても一様な温
度に刃口熱するものであっても良い。

さらに、オーステナイト域から４５０〜６００℃までの
冷却もミスト冷却ある；いは衝風冷却であっても要は所
定冷却速度が得られれば特にその手段は問わない。

また、恒温に保持する手段も如何なる手段によっても良
いが、例えば、本願出願人が特願昭５２−１２３４５３
号あるいは特願昭５３−５４４３４号として提案した方
法によるのが好ましい。

これらの方法による場合には５分以上概懸度に保持する
ことが可能であり、恒幅変態も完了させることができる
。

以上説明したように、この発明によれば、安定してパー
ライト組織が得られる特定成分の鋼をＡＣ３点以上の湿
度まで７１１１熱し、４５０〜６００℃の温度域まで８
〜３０°Ｃ／ｓｅｃの冷却速度で冷却し、前記４５０〜
６００℃の湿度域で恒温変態させることによりＨｖ〉３
４０の微細パーライト組織を有し、しかも１０ｎｏ以、
上の深い均一硬化層を有する高張力レールの製造が可能
となるという極めて有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ＡＣ３点からの冷却時間と湿度との関係を示
す図、第２図は、ビッカース硬さと摩耗微との関係を示
す図、第３図は、レール頭頂面からの距離とビッカース
硬さとの関係を示す図、第４図は、引張強さと疲労限と
の関係を示す図、第５図は、変態湿度と硬さとの関係を
示す図、第６図は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｖを添加した場合の変
態温度とビッカース硬さとの関係を示す図、第７図は、
Ｍｎを添加した場合の変態湿度とビッカース硬さとの関
係を示す図、第８図は、冷却速度とビッカース硬さとの
関係を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ：０．６０〜０，８２％。 Ｓｉ：０．１〜１．０係。 Ｍｎ ： ０．４０〜０．６０％。 残部：鉄及び不可避不純物 を基本組成とし、必要に応じて、 Ｃｒ ’ Ｏ−２〜Ｌ Ｏ％ ｔ Ｖ：０．０２〜０．１０％（以上重量係）のうちの１種
   または２種を含有してなるレール用鋼を、ＡＣ３点以上
   に刃口熱し、オーステナイト域から４５０〜６００℃の
   温度域まで８〜３００Ｃ／ｓｅｃの冷却速度で冷却し、
   前記４５０〜６００℃の湛度域で恒温変態を行なわしめ
   耐摩耗性及び耐シエリング性を付与したことを特徴とす
   るレールの製造方法。