JPS6034610B2 - レールの熱処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、優れた耐摩耗性をもつ微細パーラィト組成
を、鋼製レールの頭部表面から所定深さ（以下これを表
層下という）の位置まで形成するための熱処理方法に関
するものである。

一般にレール頭部、とくにその表面部には、車輪が接触
するので、優れた耐摩耗性をもつことが要求される。

ところで、レール頭部に優れた耐摩耗性をもたせるため
には、頭部の焼入、焼戻し処理を施してこれをマルテン
サイトあるいは焼戻しべーナイト（ソルバィト）組織と
するよりも、微細パーラィトにすればよいということが
知られている。

当然のことながら、レール（頚部）の耐用回数を増すた
めには、車輪の接触する表面だけでなく、第１図にレー
ルの断面図で示されるように、その表面から所定表層下
ｔ（このｔは、当然顧客の要求やレール使用状態によっ
て変化するが、通常最大２仇肋程度である）の位置まで
を、一様に耐摩耗性の優れた微細パーラィト組織にする
ことが必要である。したがって、レール頭部の所定表層
下までの部分を、微細パーラィト組織にするためには、
少なくともこの部分を、Ａ，変態点以上の温度になるよ
うに加熱してオーステナィト化した後、冷却して該組織
に変態させればよいことになる。

第２図に、通常のレール製造に用いられている、Ｃ：０
．６０〜０．８１重量％、およびＭＷ：０．５０〜１．
１の重量％を含有した鋼の変態曲線を示すが、このよう
な鋼に微細パーラィト組成を得るためには、オーステナ
ィト化した鋼を、べ−ナイト（Ｚｗ）変態領域と接する
パーラィト（Ｐ）変態領域の下部部分の微細パーラィト
変態領域（図中斜線で囲まれた部分、上限：６００つ○
、下限：４５０ｑ○）を通過せしめる処理を行なう必要
がある。しかしオーステナィト化したレールに連続冷却
を施したのみで、微細パ−ライトのみからなる（即ち粗
大パーライト、或し、はべ−ナイト、マルテンサィトの
混入のない）組織とするためには変態曲線から明らかな
ように極めて限定された冷却速度を選ばなければならず
これは実操業上不可能である。

そこで本発明は第２図に於て曲線ｅで示すような垣温変
態を行わしめることにより微細パーラィトを得んとする
ものである。垣溢変態により該組織を得んとするときに
は６００〜４５０こ０の温度城で十分な保持時間さえ取
れるならばオーステナィト城から該温度城までの冷却は
第２図に於ける曲線ａで示される平均冷却速度〔オース
テナィト域から４５０〜６００ｏｏの温度まで、または
これ以下の温度まで冷却した際に、粗いパーラィト組成
の生成をもたらさないところの最少の平均冷却速度（ほ
ゞ５℃／ｓｅｃである）であって以下これを臨界冷却速
度と云う〕以上でありさえすればよいことになり、連続
冷却を施したのみで該組織を得ようとする場合よりも冷
却条件は大中に緩和されるところとなる。本発明は優れ
た耐摩耗性を有するレールの熱処理方法に係り、より具
体的に云えば、Ｃ：０．６０〜０．８１％、 Ｍｎ：０．５０〜１．１０％、 Ｆｅおよび不可避不純物：残り、 （以上重量％）からなる組成をもった銅製し−ルの頭部
全体を、３６０〜５５０００の温度範囲内の所定温度に
ほぼ均一加熱し、ついで前記レール頭部を、その表面か
ら所定深さ位置の温度がＡ，変態点以上のオーステナイ
ト化温度になると共に、前記所定深さ位置を中心として
その表面側から頚部側に向って５℃／肋以上の温度勾配
となるように加熱した後、前記レールの表面を強制冷却
し、その表面温度が４５０〜６００ｑｏの温度になった
ところで前記強制冷却を停止することにより、前記レー
ル・頭部の表面から所定深さ位置までを微細パーラィト
組成とすることに特徴を有するものである。

以下本発明について詳細に説明する。本発明の第一の特
徴はしール頭部の冷却開始前のオーステナィト城での加
熱状態にある。

即ちレール頭部をその表面から所定深さ位置までの温度
がＡ，変態点以上のオーステナィト化温度になると共に
前記所定深さ位置を中心として頭部表面から頚部に向っ
て５℃／側以上の温度勾配があるように加熱することで
ある。これについて言及すると先に触れたように本発明
はしール頭部表面から所定深さまでに対して第２図曲線
ｅで示すような熱履歴を与えるものであるから、当然先
ずこの部分を少くともＡ，変態点以上に加熱してオース
テナィト化する必要がある。

ついでこの部分を６００〜４５０ｑＣの温度城まで前記
臨界冷却速度以上の速度で冷却することが必要となるが
、所定深さ位置においても臨界冷却速度以上のそれが容
易に得られるようにするためには、レール頭部を、一様
の温度に加熱（均一加熱）するのではなく表面の温度を
高く表面からの位置が深くなるにつれて温度が順次低下
するような一定の温度勾配をつけた状態に加熱して、こ
の状態から表面に対して加速冷却を行うことが肝要であ
る。このようにレール頭部の熱処理に当り、表面の温度
を高く、表面から深い位置ほど温度を低く、しかも所定
深さ位置はオーステナイトになるように一定の温度勾配
をつけた状態（第５図参照）から、頭部表面を加速冷却
する場合と、所定深さ位置までをオーステナィト化温度
を確保した一様（均一）の温度の状態から加速冷却する
場合とを比較すると後者では冷却がその表面からのみ進
行するのに対し前者では表面を介しての冷却が進行する
のは勿論、同時に表面下任意の位置におる熱がそれより
も深部の低温の位置へと拡散していく結果、レール頚部
方向からも冷却が進行するところとなって表面からの加
速冷却条件が同一であっても後者よりも格段に前者の方
が大きな冷却速度が得られるのである。

従って均一加熱において必要としていた加速冷却よりも
ゆるやかな加速冷却でもつて所定深さ位置の冷却速度を
臨界冷却速度以上とすることが可能となる。

即ち従来必要としていた水量よりも少量の水でもつて同
一の冷却速度が得られるようになるし、冷却開始前につ
ける温度勾配を大とすれば衝風冷却によってさえ目標と
する平均冷却速度が得られるようになる。このことは冷
却コストの低減上或いは設備の簡易化上も大きなメリッ
トをもたらす。また一定の温度勾配をつけた状態から表
面を加速冷却すると、加速冷却停止時におけるレール断
面深さ方向の温度分布を一様（均一）加熱後の加速冷却
の場合に比して大中に均一化する方向に改善することが
できる。

第２図曲線ｅで代表されるように垣温変態を行わせるに
はオーステナィト域から加熱冷却し（臨界冷却速度以上
の平均冷却速度でもつて）、所定温度域（この発明にお
いては４５０〜６００ｏｏ）に入った時点で加速冷却を
停止し、ついで温度保定に入らねばならぬが、従来のご
とく表面からの冷却だけに頼った冷却では、冷却停止時
の温度分布は冷却剤が直接接触する表面の温度はどうし
ても深部のそれよりも相当低下するのは避けられず、所
定深さ位置で臨界冷却速度以上のそれを得ようとして、
表面からの冷却を強くすればするほど表面と深部との温
度ギャップは大きくなる。

従って後述のごとく所定深さ位置の温度が、当該温度城
に入った（なった）時点で表面からの加速冷却を停止せ
んとすると、例えば表面の温度は３００℃程度まで一度
過冷されざるを得ぬという好ましからざる事態をひきお
こす。これに対して本発明の如く一定の温度勾配をつけ
た状態から加速冷却を行うときは前述のごとくレール頭
部表面から任意深さ位置においては、表面方向からと頚
部方向から同時に冷却され、しかも、ほぼ一定の温度勾
配が表面から頚部にかけてついていることも手伝って加
速冷却停止時のレール断面内の温度の均一性が著しく改
善されるのである。

しかして、レール頭部表面から頚部にかけての温度勾配
を、５００ノ肋以上としたのは、現有の冷却中、最大の
冷却が得られると考えられる加速冷却手段でレール頭部
表面から加速冷却を行っても表層下１０側の位置で（レ
ールとしては少なくとも１比吻程度の耐摩耗層が必要）
臨界冷却速度が得られぬためである。本発明の第２の特
徴はしール頚部から所定深さ位置までをオーステナィト
化する前に予めレール頭部全体を３６０〜５５０ｏｏの
温度範囲にほぼ均一加熱する点にある。

既述のごとく垣温変態させるためには、臨界冷却速度以
上の速度で所定温度城まで加速冷却を行い、この加速冷
却を停止後この温度域内で前記レール頭部表面から所定
深さ位置までの部分の変態が完了するまで、この部分を
保温する必要がある。

陣温変態を利用する熱処理は工具鋼その他で広く行われ
ている。

これらの場合の陣温保持は対象物が比較的小さいので、
一定温度に保つた鉛格、塩格などを用いて容易に行うこ
とが可能であるが、レールの如き大きなものでは、これ
を利用することは不可能である。また一定の温度に保っ
た加熱炉などで恒温変態を行わせることも可能であろう
が、設備の大型化は避けられない。本発明は予め所定温
度城（３６０〜５５０ｑ０）にレール頭部全体をほぼ均
一に加熱し、次いでその表面から所定深さ位置までをＡ
，変態点以上にしかも一定の温度勾配がつくように加熱
し、加速冷却するのであるが、Ａ，変態点以上の加熱及
び加速冷却を遠に行うことによって、値温変態を行わせ
るための特別な保温装置を不要とするものである。即ち
所定温度への均熱後の時間経過に伴って、レールの温度
は低下するので、オーステナィト化のための加熱及びこ
れにつづく加速冷却を遠に完了せしめて、レール頭部断
面深部における温度低下を最小限におさえる必要がある
。

そのため、オーステナィト化のための加熱は火焔加熱或
いは高周波加熱によって大きな投入熱量を短時間に与え
、その加熱停止後、すみやかに加速冷却を開始するもの
である。このような大投入熱による短時間加熱によって
レール頭部表面から頚部にわたって一定の温度勾配が生
ずるとともに加熱停止直後に加速冷却を行うことにより
前記のごとくレール内に所定温度勾配がある状態で表面
からの冷却が実現され所定深部で速い平均冷却速度が得
られ、加速冷却時間も短縮化されるのである。ここで均
一加熱温度を３６０〜５５０ｏｏとし、第２図における
微細パ−ライト変態温度域である４５０〜６００ｑｏよ
り若干ひくめにしたのは、次いで行われる温度勾配つき
加熱と、冷却とに際して表層部からの熱がレール頚部方
向に流れるためである。

そして３６０ｑｏ未満の子熱温度では、後述するように
レールの頚部に近い部分から、頚部方向に向っての熱拡
散量が多く、したがって、熱量が不足するため表面から
の加速冷却を４５０〜６００００で停止しても、表面か
ら所望表層下の位置までを所定時間微細パーライト変態
温度域に保持することができず、このため該部分を一様
に微細パーラィト組織とすることができず、一方５５０
ｑｏをこえて子熱すると、熱量が多すぎて所望表層下の
位置をレール頭部表面およびこれに近い部分などと同時
に微細パーラィト変態温度城まで冷却することができず
粗いパーラィト組織となってしまうからである。以下に
、この発明をなすに至った研究試験過程を説明する。試
験 １ Ｃ：０．７の重量％、Ｎｎ：０．９の重量％を含有した
鋼製レール頭部全体を、Ａ，変態点以上である７５００
０にほぼ均一加熱してオーステナィト化した後、現状で
得られる最高の冷却条件である４０００夕／ｍｉｎ・あ
の水量による冷却で、その表面が５００℃になるまで加
速冷却し、以後表面からの冷却を停止して、その表層下
５肋、１仇肋、および２比肋の温度降下状態を調べた。

この結果を第３図に示すが、この結果から算出すると、
表層下５肌では６℃／ｓｅｃが得られているものの、同
１０肌では４００／ｓｅｃ、および同２功ゆでは２℃／
ｓｅｃの冷却速度しかそれぞれ得られてし、ない。した
がって、前述の５℃／ｓｅｃの臨界冷却速度に達してい
ないため、かような冷却方法によるときは粗いパーラィ
ト組織しか得られないことになる。試験 ２ つぎに、前記同様、レール頭部全体を７５０ｑｏにほぼ
均一化熱した後、表層下２仇奴の位置を、その温度が５
２０ｏｏになるまで平均冷却速度：５℃／ｓｅｃ以上に
なるように加速冷却し、２０側の位置が５２０℃になっ
たところで前記加速冷却を停止した。

この結果の各表層下の温度降下状態が第４図に示されて
いる。図示されるように、表層下５側では９℃／ｓｅｃ
、同１仇ゆでは８００／ｓｅｃ、また同２仇舷では６℃
／ｓｅｃ、並びに表面では前記表層下５肌の速度以上の
冷却速度がそれぞれ得られており、冷却速度そのものは
前記臨界冷却速度以上であるので問題はない。しかしな
がら、図からも明らかなように、表層下２０側を５２０
ｑｏまで所定の平均冷却速度で冷却すると表面は必然的
に前記表層下２仇吻が５２０ｑｏになるよりも早い時間
で５２０ｑｏ以下（たとえば図では３００ｏｏ）になる
ので、表面およびこれに近い部分は、マルテンサィト組
織、べ−ナイト組織になってしまう危険性が十分にある
。以上のことから、レール頭部を均一温度に加熱し、つ
いで冷却したのでは、その表面から所定表層下までを、
臨界冷却速度以上の冷却速度を確保し、かつ表面および
これに近い部分にマルテンサイト、ベーナィトの硬化組
織を生ぜしめないように冷却することは不可能であると
いう検討結果を得た。

試験 ３ レール頭部高さ４仇舷及び中７５側のサイズのレール頭
部を、火焔及び高周波により夫々３×１び、５．２×１
び、８×１び、１×１ぴ、１．２×１ぴＫｃａｌ／れｈ
の投入熱量で、夫々ほぼ３．７分、２．１分、１．４分
、１．８分、１．５分加熱した。

加熱終了直後のレール頭部表面から頚部にかけての温度
分布を第５図に示す。この図から明らかなように表面か
ら２仇吻の位置の温度は約７５０ｑ○でほぼ一定である
が単位時間当りの投入熱量の大なるものほど表面温度は
高いが、レール頭部表面から３仇吻の位置では逆に温度
が低くなっており、投入熱量、投入時間のコントロール
により、表面から頚部にかけてほぼ一定の温度勾配を与
えうろことが可能であることがわかる。試験 ４ 試験３にもとずき第５図に示すように表層下２０欄の位
置をほぼ７５０午０にしかも表面から頚部にかけて各種
温度勾配をつけた状態から、試験１で使用した水量４０
００夕／ｍｉｎ・めで表面が５００００になるまで強制
冷却を行い、表面が５００℃になった時点で強制冷却を
停止した。

このときに得られた温度勾配と冷却速度の関係を表層下
各位暦別に示したのが第６図である。第６図から明らか
なように、表層下２仇舷の冷却速度を、５００／ｓｅｃ
の臨界冷却速度以上にするためには、約１３ｑｏ／柳以
上の温度勾配を、前記表層下２物岬を中心にして与えれ
ばよいことになる。

同様に、７５０ｑｏに加熱した表層下５側および１物収
の冷却速度を５℃／ｓｅｃの臨界冷却速度にするために
は、それぞれ２００／側および５℃／側以上の温度勾配
を、それぞれの位置を中心にして与えればよいことにな
る。第６図は表層下２仇舷の位置を７５０℃とした場合
の表層下各位層において得られる平均冷却速度と温度勾
配との関係図であるが、表層下１仇舷或いは５柳の位置
を７５０ｏｏにした場合においても、温度勾配と得られ
る平均冷却速度の関係はほぼ同一であった。

試験 ５ ２０ｑｏ／側の温度勾配を与えたレールに種々の加速冷
却を行って、そのとき表層下５、１０およびび２物肋の
位置で得られる平均冷却速度を求めてみた。

この結果を第９図に示す。これを試験１と比べるといか
に温度勾配をつけた状態からの表面加速冷却が表層下所
定位置の平均冷却速度を向上させるかがわかる。

即ち２０００／側の温度勾配をつけた際には５０夕／ｍ
ｉｎ・あという水量でも臨界冷却速度以上の平均冷却速
度が表層下２仇肌の位置で得られている。又同図で例示
したように衝風エアー冷却によっても所定位置で臨界冷
却速度が得られている。温度勾配をつけた状態からの表
面加速冷却はこのように所定位置において容易に臨界冷
却速度が得られるだけでなく、冷却をできる丈短時間に
完了せしめる上でも効果があることがわかる。なお、第
１０図には、５０ｋ９／机のレール頭部の、衛風冷却態
様を斜視図で示してある。

レール１の頂部と上部冷却器２との間は５仇肋、および
前記し−ル１の側部と、側部冷却器３との間は３仇奴の
間隔をそれぞれ設けてあり、各冷却器２，３の噴射口は
、ギャップが１肌の長孔となっており、その冷却風量を
、一例して、それぞれｌｋ９／鮒Ｇ．とすることによっ
て、水量密度１００そ／ｍｉｎ力のときと同様の冷却速
度が得られた。試験 ６ そこで上記に示される結果にもとづいて、上記組成の鋼
製レールの表層下２仇吻の位置を中心にして２０００／
柳の温度勾配を与えて、この位置を７５０℃に加熱し、
ついで前記レール頭部の表面を、５００そ／ｍｉｎあの
水量の噴霧水で、５００ｑｏまで冷却し、以後表面から
の冷却を停止した。

この場合のレール頭部表面、表層下１仇肋および２仇帆
の温度降下状態が第７図に示されている。図示される結
果から、表層下１０側の冷却速度は、９．９ｑｏ／ｓｅ
ｃ、また同２仇奴の冷却速度は７．１℃／ｓｅｃである
ことが算出された。しかしながら図示されるように、レ
ール頭部の表面から表層下２仇枕まの部分は、微細パー
ラィト組織を得るための、臨界冷却速度（５℃ノｓｅｃ
）以上の冷却速度で冷却しても、微細パーラィト変態領
域を通過せず、マルテンサィトやべーナィト組織になっ
てしまう（このような状態が第２図に曲線ｃ，，ｃ２で
示されている。）が、微細パーラィト変態領域を短時間
で通過してしまい一部は微細パーラィトとべ‐ナイトの
混合組織になってしまう。この現象は、レール頭部加熱
に際しての温度勾配付与が、レール頭部の高さ方向全域
に亘つて行なわれる結果、レール頭部の表面からの深さ
の深い部分ほど熱容量が不足して、レール頭部表面から
内部に向って（とくに、レールの頚部に近い部分は、頚
部に向っての熱の拡散量が大きく、したがって、第５図
に示されるような一様な温度勾配付与は、レール頭部の
表層下３仇吻の位位置程度までしか行なえず、これより
深い部分は、さらに急峻な温度勾配となってしまう）の
熱拡散量が過多になって、表面から所望表層下までを、
所定の時間微細パーラィト変態温度城に保持できなくな
ることに原因するものであることは明らかである。つい
で実施例について説明する。

Ｃ：０．７０重量％、Ｍｎ：０．９０重量％を含有した
頭部中７５肋、高さ４仇肋のサイズの鋼製レール頭部を
、５分間で４５０ｑｏに昇温し、２分間保持した後、表
層下２仇舷の位置における温度が７５０ｑｏ以上にして
、この位置を中心として２０００／肌の温度勾配が付与
されるように急速加熱し、直ちにその表面をミスト冷却
により５００℃の温度までｌｏｏ０そ／ｍｉｎ・あの水
流密度で冷却した。

この結果、表面、表層下１仇奴および２仇駁の位置は、
第８図に示される温度分布を示した。第８図に示される
結果から、７００〜５５０ｏｏまでの範囲の冷却速度は
、表層下１０柳の位置で、８．６ｏｏ／ｓｅｃ、同２０
肌の位置で６．４ｏｏ／ｓｅｃが算出された。また、い
ずれの表層下においても、微細パーラィト変態領域を通
過する温度分布となっているため、表層下２仇肋の位置
までの組織は、完全均一な微細パーラィト組織となつて
いた。上述のように、この発明においては、レール頭部
全体を子熱することによって、微細パーラィト ’変態
領域を通過させるために必要な熱量を与え、ついで、所
望の微細パーラィト組織を得るのに必要な臨界冷却速度
が、急速加熱による温度勾配付与によって得られるので
、所望の微細パーラィト組織を、確実に、レール頭部の
表面から所望の表層下まで形成することができるのであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はしールの断面図、第２図は銅の変態図、第３図
、第４図、第７図、および第８図は、レール頭部の各種
冷却過程における温度降下状態図、第５図はしール頭部
の温度勾配図、第６図はしール頭部の各表層下における
、冷却速度と温度勾配との関係図、第９図はしール頭部
の各表層下における冷却速度と冷却水量との関係図、第
１０図はしール頭部の衝風冷却態様図である。 １・・・・・・レール、２，３・・・・・・冷却器。 器′図第２図 第３図 弟４図 第５図 第６図 発’０図 素ア図 第８図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ：０．６０〜０．８１％、 Ｍｎ：０．５０〜１．１０％、 Ｆｅおよび不可避不純物：残り、 （以上重量％）からなる組成をもつた鋼製レールの頭
   部全体を、３６０〜５５０℃の温度範囲内の所定温度に
   ほぼ均一加熱し、 ついで前記レール頭部を、その表面
   から所定深さ位置の温度がＡ＿１変態点以上のオーステ
   ナイト化温度になると共に、前記所定深さ位置を中心と
   してその表面側から頚部側に向つて５℃／ｍｍ以上の温
   度勾配となるように加熱した後、前記レールの表面を強
   制冷却し、その表面温度が４５０〜６００℃の温度にな
   つたところで前記強制冷却を停止することにより、前記
   レール頭部の表面から所定深さ位置までを微細パーライ
   ト組織とすることを特徴とするレールの熱処理方法。