JPS6117886B2

JPS6117886B2 -

Info

Publication number: JPS6117886B2
Application number: JP5443478A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Kunioka; Takao Noguchi
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1978-05-10
Filing date: 1978-05-10
Publication date: 1986-05-09
Also published as: JPS54147124A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、レールの熱処理方法、特に、Ｃ：
0.60〜0.81％、Mn：0.5〜1.10％、残部：鉄及び
不可避不純物からなる一般のレールに微細パーラ
イト組織を与え、優れた耐摩耗性を付与する熱処
理方法に関するものである。

従来から微細パーライト組織を有する鋼材は耐
摩耗性に富んでいることが知られている。そのた
め最近では、第１図に一例として示されてるＣ：
0.74％、Si：0.21％、Mn：0.96％、Ｐ：0.014
％、Ｓ：0.006％、残部：鉄及び不可避不純物か
らなる鋼のC.C.T曲線上でａで示されるように、
オーステナイト化されたレール頭部を特定温度域
まで何ら変態を行なわせることなく連続的に冷却
し、冷却停止後、ほぼ一定の温度にレールを保持
してパーライトに恒温変態させる試みがなされつ
つある。

これまでの比較的速い冷却速度を必要とする熱
処理方法は、同図ｂで示されるように、オーステ
ナイト化されたレールを噴霧水や噴流水によつて
ほぼ常温まで連続冷却するものであるが、このよ
うな熱処理方法では、図から明らかなようにパー
ライトのみからなる組織は得がたく、フエライ
ト、ベーナイト或いはマルテンサイト等のうち一
種以上との混合組織となる。このような混合組織
からなる鋼材は、微細パーライト組織からのみな
る鋼材と比較して耐摩耗性が劣ることは云うまで
もない。

そして、第１図ａに示される如く、レール用鋼
において、少なくともレール頭部表層下の所定深
さ位置をオーステナイト域からフエライト、ベー
ナイトなどが生じないように特定温度域まで冷却
するには、経済性を考慮に入れると水を冷却剤と
して使用することになるが、水を冷却剤として使
用し、連続冷却する場合には、レール用鋼が所定
目標温度となつたところで冷却を停止することが
非常に困難となる。

これについて説明すれば、一例として水１〜２
tan/min、m²で冷却した場合の冷却能力特性が第
２図に示されているが、図からわかるように、水
の冷却特性は被冷却材の温度によつて変化し、低
温になるほど冷却能力が増加し、200〜350℃のと
ころで最大値を示すような熱伝達率の増加持性を
もつている。すなわち、この鋼材表面温度がこの
近傍にある場合には、水が均一にかからないこと
によりむらが生じると冷却速度には大きな差が生
じることになるだけでなく、冷却操作停止後に鋼
材表面に付着水が存在すると、冷却操作そのもの
は停止しても鋼材自体の冷却は進行することとな
り、鋼材の被冷却部表層が一様な所定目標温度と
なつたところで鋼材自体の冷却を停止させること
を一層困難にしている。

一方、レール頭部をオーステナイト域からパー
ライト変態領域まで変態を起させぬ所定冷却速度
で水により連続冷却し、ここで冷却を停止して、
前記温度領域で変態完了まで保持しようとする場
合には、表層ならびに表層下の所定深さ位置とも
第１図ａに示される如き温度−時間曲線とはなら
ず、実際には第３図に示される如く冷却操作停止
後には、レール頭部表層は微細なパーライト変態
領域以下の温度まで過冷されることが多く、冷却
操作停止後の復熱を待つて前記変態温度領域を通
過させなければならない。すなわち、恒温槽を用
いずに水で途中まで連続冷却を行ない、冷却操作
停止後の復熱現象を利用してパーライト恒温変態
を行なわせるには、第２図において示される水の
冷却能力が最大値を示す表面温度付近で、レール
表面温度が所定目標温度になつたところで安定し
て冷却を停止することが必要となる。しかし、前
述の如く冷却むらや被冷却材に付着した水等の影
響により、これが不可能になつているのが現状で
ある。

上記所定温度で冷却を停止する困難さは、冷却
速度が大きくなるほど増大するのであり、第４図
に示される如くオーステナイト域から前記目標停
止温度まで何ら変態を起させぬような冷却速度、
すなわち、所定の深さ位置、例えば表層下５〜10
mmの位置のそれを上記の如き冷却速度で冷却した
場合には、かなりのばらつきをもつてしか停止で
きない。

この発明は、上述した如くオーステナイト化さ
れたレール頭部を水により途中まで冷却し、復熱
を待つてレール表層あるいは表層下の所定深さま
でを微細パーライトへと変態させる方法であつ
て、主として従来技術による問題点として挙げた
冷却むらの防止、特に強冷却停止温度付近におけ
る冷却むらの防止ならびに強冷却操作停止後の付
着水によよる過冷却の防止を計ることにより、所
定目標停止温度でレール全長（被冷却部全体）の
冷却を安定して停止せしめるとともに所定の微細
パーライト変態領域での恒温変態を可能ならしめ
るものである。

すなわち、レール頭部をＡ_c3点以上に加熱した
後、ミストジエツト冷却によりレール表面温度が
600℃〜Ｍ_s点以上になるまで、レール頭部の所定
深さ位置においてフエライト、ベーナイト変態を
生ぜしめることなく強冷却し、冷却後、熱水蒸気
をレール頭部に吹付け徐冷するとともに、前記ミ
ストジエツト冷却により付着した水分を除去し、
前記徐冷操作停止に伴なう復熱を待つて420〜600
℃の温度域で微細パーライト変態を行なわしめる
ことに特徴を有する。

この発明を更に詳細に説明する。

第５図には、この発明の方法によつて熱処理を
施した場合の時間−温度曲線の一例が示されてい
て、オーステナイト状態に加熱されたレールは、
一定速度で送られつつ図中ａ点でミストジエツト
強冷ゾーンに入る。この例は耐摩耗性を必要とす
る深さを表層化５mmとした例であつて、ミストジ
エツトによる強冷ゾーンでの冷却は、表層下５mm
の位置の温度−時間曲線ａ，b′がC.C.T図上少な
くともフエライト、ベーナイト変態領域を通過し
ないものとするよう調整されねばならないことは
云うまでもない。ミストジエツトによる強冷ゾー
ンを通過したレールは次いで熱水蒸気による徐冷
ゾーンに入り冷却が停止されるが（第５図におい
てｂ点で示す。）この冷却停止温度はレール表面
が600℃以下、Ｍ_s点以上の温度範囲でなければな
らない。

この発明が対象とするレール用鋼では表面温度
が600℃以上の温度で強冷却を停止し、徐冷に移
つたのではフエライト変態がおこつてしまい微細
パーライトのみからなる組織は得られないし、上
述したような冷却速度で表面をＭ_s点以下まで強
冷却したのではマルテンサイト変態がおこるので
ミストジエツト冷却はレール表面温度が600℃以
下、Ｍ_s点以上の範囲にしなければならない。

第６図ａ，ｂ及びｃには、ミストジエツト冷却
用のミストジエツトノズルの一実施例が示されて
いる。ミストジエツトでは空気中に微細な水滴が
均一に浮遊した状態で被冷却面にかかるので第７
図ａ中実線で示されるように冷却長さ方向の冷却
も均一な状態となる。これに対して水のスプレー
冷却では、同図中点線で示される如く冷却が不均
一であつて、前述した如く強冷却停止温度が水の
冷却能力が最大値を示す温度に近いことと相俟つ
て被冷却面を一様な温度の状態で冷却を停止する
ことを非常に困難にしている。

ミストジエツトによる強冷ゾーンでの冷却速度
は冷却開始温度（第５図中ａ）、レールの送り速
度及び第６図に示されるミストジエツトノズルの
冷却長ｌの変更などによりある程度調整可能であ
るが第７図ｂに示される如く単位時間当りに噴出
させる空気と水との比を変更することにより冷却
速度を容易に変更し得ることもミストジエツトを
採用する上での１つの利点である。尚、第７図ｂ
は、空気吐出量４Kg/min.ノズル面積300mm²の場
合である。

レールはミストジエツトによる均一強冷ゾーン
を出ると、前述した如く熱水蒸気噴射ゾーンに入
り、ここでレール頭部に付着した水分が蒸気によ
つて吹き飛ばされるとともに、その蒸発が促進さ
れるため頭部表面の過冷却は最小限にくい止めら
れ、内部からの熱伝導により表面温度は第５図に
おいて、ｂ−ｃで示される如く一度復熱後、ｃ−
ｄのように徐冷されることになる。熱水蒸気によ
る除冷ゾーンを出ると（第５図上ｄ点）高温の内
部からの熱伝導によつて復熱をはじめ温度が上昇
し、レール頭部内部表面で熱の授受が無くなつた
ところで、その温度は一定時間維持されたと見做
せる状態となる。（第５図ｅ）。この状態での冷却
速度は、0.1〜0.2℃/secである。

第８図には、加熱した136ポンドレールを送り
速度400mm/min.で移動させながら冷却開始温度
を820℃、噴射水量1.5m³/min・m²、噴射〔水量／
空気重量比５〕をもつジエツト条件下で冷却長ｌ
を夫々20mm．、30mm．、35mm（巾は全て75mm）とし
た強冷ゾーンを通過せしめ、次いでノズル圧力２
Kg/cm²Gの飽和蒸気噴霧冷却する徐冷ゾーンを通
した際に得られる保持温度（第５図においてｅ）
が示されている。

前述のように熱水蒸気噴射ゾーンがないと付着
水、或いは濡れにより強冷停止後の過冷が避けら
れず、場合によつては表面がＭ_s点温度をきる場
合もあり、その結果第８図斜線で示されるように
保持温度も不安定となる。一方、熱水蒸気噴射ゾ
ーンを設けた場合は、第８図黒点で示されるよう
に保持温度が安定し、また、強冷停止温度が同一
であつても徐冷ゾーン長さを調整することにより
保持温度を変えることが可能である。すなわち、
保持温度を正確にコントロールできることがわか
る。

次に本発明方式により熱処理した結果を説明す
る。強冷条件を噴射水量15m³/minm²、噴射水
量／空気重量比５、徐冷条件をノズル圧力２Kg/
cm²Ｇの飽和蒸気噴霧とし、送り速度400mm/min、
冷却開示温度820℃で136ボンドレールの熱処理を
行つた。第９図はこの冷却条件の基に強冷ゾーン
長さを1.5mmから40mm、徐冷ゾーン長さを30mmか
ら120mmの範囲で変化させ、保持温度とレール表
面のビツカース硬さ、及び表面から５mmまでの組
織との関係を調べた結果である。保持温度420〜
600℃の範囲ではビツカース硬さがおおよそ340〜
400で微細パーライト組織が得られたが、この範
囲以外では保持温度を変えるとビツカース硬さが
急激に変化し、この範囲以下ではベイナイト組
織、この範囲以上では粗パーライト組織となつ
た。

上述のように、この発明はオーステナイト域に
加熱したレール頭部を途中まで急冷し、表面と内
部が一様になる復熱現象によつて、微細パーライ
ト組織に恒温変態させるものであるが恒温変態さ
せる際の保持温度は、急冷却開始温度、急冷速
度、急冷停止温度、徐冷長さ等によつて決定され
る。

以上説明したように、この発明によれば、急冷
速度はミストジエツトの採用により、急冷停止温
度は水蒸気の噴射により、徐冷長は水蒸気の噴射
長を調整することにより夫々コントロールが可能
であるので、微細パーライト変態域を確実にとら
える保持温度とすることが可能となり、この結
果、優れた耐摩耗性を有する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、Ａ_c3からの冷却時間と温度との関係
を示す図、第２図は、表面温度と熱伝達率との関
係を示す図、第３図は、表層と内部の冷却温度と
時間との関係を示す図、第４図は、冷却速度と冷
却停止温度との関係を示す図、第５図は、この発
明の方法により熱処理を施した場合の表層と内部
の冷却温度と時間との関係を示す図、第６図ａ，
ｂ及びｃは、ミストジエツトノズルの正面図、側
面及び底面図、、第７図ａは、ｘ（第６図に示さ
れるノズルにおける任意の冷却長）／冷却面長さ
と熱伝達率との関係を示す図、第７図ｂは、噴射
と熱伝達率との関係を示す図、第８図は、徐冷長
さと冷却停止温度との関係を示す図、第９図は保
持温度とビツカース硬さ及び組織との関係を示す
図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１レール頭部をＡ_c3点以上に加熱した後、ミス
トジエツト冷却によりレール表面温度が600℃〜
Ｍ_s点以上になるまで、レール頭部の所定深さ位
置においてフエライト、ベーナイト変態を生ぜし
めることなく強冷却し、冷却後、熱水蒸気をレー
ル頭部に吹付け徐冷するとともに、前記ミストジ
エツト冷却により付着した水分を除去し、前記徐
冷操作停止に伴なう復熱を待つて420〜600℃の温
度域で微細パーライト変態を行なわしめるように
したことを特徴とするレールの熱処理方法。