JPS621811A - 耐損傷性にすぐれた軌条の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は耐損傷性にすぐれた鉄道用軌条の製造法に関す
るものである。

（従来の技術および問題点） 軌条に要求される重要特性は、耐摩耗性および耐損傷性
である。軌条の耐摩耗性は、海外の鉱山鉄道のような重
荷重条件下、あるいは国内の新幹線のような高速鉄道の
急曲線区間などで最も重要視されている軌条寿命の決定
因子である。しかしながら近年では、軌条の大断面化や
材質の高強度化によって耐摩耗性の改善は著るしく、軌
条寿命が大幅に延命される方向にある。

ところが、このような軌条の耐摩耗性の向上は一方では
、軌条頭部表面、あるいは最大せん断心力の作用する軌
条内部に疲労ダメージの蓄積を促し、このために頭表面
のフレーキング、スポーリング損傷およびゲージ−コー
ナー内部からのシェリング損傷、等が急増する傾向にあ
る。これらの疲労損傷はやがては軌条の横裂破断を誘発
し、摩耗に代ってこの損傷が新たな軌条の寿命決定因子
としてクローズアップされて来ている。軌条の折損は、
摩耗による寿命よりも、時としてはるかに短命なものと
なる。

このような軌条の損傷をさらに助長する傾向として近年
、機関車などの燃費向上を目的とした軌条の塗油が広範
囲に導入されようとしている。軌条塗油は燃費向上ばか
りでなく中間強度および通常強度の軌条の摩耗抑制にも
効果的である反面、一方では軌条の損傷が直線、緩曲線
区間にもおよび、軌条全体の耐損傷性の向上が急務とな
っている。

軌条の耐損傷性に影響を与える因子として、上記の摩耗
２強度など以外に特に海外の重荷重鉄道では鋼中の非金
属介在物が悪影響を与えることが広く知られている。一
方発明者らの国内旅客鉄道などの損傷軌条の詳細な調査
においても、粗大な脱酸生成物等の酸化物系介在物から
軌条内部のシェリング損傷が発生する実例を数多く見い
出すことが出来た。さらに海外の鉱山鉄道のような重荷
重条件下では、軌条頭表部の損傷が平均的に鋼中に存在
する口Ｓなどの硫化物系介在物の大きさに対応している
ことをつきとめた。しかし、これら軌条頭表部の損傷は
一般的には剥離をもたらすだけで、横裂には至らない。

むしろ軌条の横裂に継がる危険性が高いのは、軌条内部
のアルミナ（Ａ１２０３）クラスターあるいは一次脱酸
生成物などの粗大介在物から生成するシェリングと呼ば
れる損傷である。従って、列車の安全性を確保する意味
からも、粗大非金属介在物のない軌条の製造は単に軌条
の延命を図るばかりでなく、社会的な使命をも坦ってる
。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、軌条内部に点在する粗大非金属介在物をなく
して耐損傷性にすぐれた軌条を製造しようとするもので
ある。

（問題点を解決するための手段） 従来から軌条材の脱酸には特開昭５７−１９８２１８号
公報のようにＳｉ、Ｍｎなどが使用されているが、主と
してＡＩ添加が行われておし、このＡＩの添加によって
連続鋳造時のノズル詰りか生じ易くなし、鋼中にアルミ
ナ（Ａ１１０３）クラスターが混入する原因をつくって
いる。また鋼中のＡＩは軌条のガス圧接の際に低融点の
酸化物を形成し、全盛押し抜き時に圧接欠陥をもたらす
、この欠陥はＡ１含有量を５Ｑｐｐｍに低下させても、
なお完全に消滅させることは出来ない。

本発明者らは上記のような粗大介在物の有害性を排除す
るために、酸素含有量を変化させてＣａ　。

ＲＥＭ　、　Ｙ　、　Ａ　Ｉ、Ｔ　ｉ、Ｔａ、Ｎｂなど
の脱酸元素を添加して、脱酸生成物の分散形態について
種々検討した。その結果、はとんどすべての元素が微細
な脱酸生成物ばかりでなく、粗大な非金属介在物をかな
り多く含むことがわかった。しかし、Ｔｉだけはある一
定量以上の溶鋼中酸素レベルに対して適量を添加すると
、材質制御に有効な微細な２次脱酸生成物が適当量得ら
れ、かつ粗大なＴｉＮなどの介在物も存在しないことが
わかった。

この理由を明らかにするため鋭意検討した結果、５０ｐ
ｐｍ以上の溶鋼中溶解酸素量が存在する時期にＴｉある
いはＴｉ合金による脱酸を行うことによし、凝集しやす
い液状の粗大介在物を生成せしめ、これを速やかに浮上
除去させ溶解酸素量を低下させると共に、鋼中に残留し
たＴｉ酸化物は凝固時に固液界面に析出するため微細な
分散形態を採ることが明らかとなった。

本発明は、Ｔｉ脱酸を採用することによって有害なＡＩ
を多−量に添加することなく、Ｓｉ、Ｍｎなどを添加あ
るいはさらに真空脱ガス処理を施す１次脱酸を行うこと
で溶鋼中の溶解酸素を５０ｐｐｍ以上に保ち、溶解窒素
量を低減化させることによってＴｉ　あるいはＴｉ合金
による２次脱酸での粗大なＴｉＮの生成を抑制すること
が出来る。従来から行われている軌条のＴｉ脱酸との大
きな相違はＳｉ、ＭｎｍＭｔ精錬後Ｔｉ脱酸を行うこと
により低窒素化が容易となし、かつノズル詰りなどの点
で問題となる高融点のＴｉＯ含有酸化物を少なくするこ
とが出来、鋼中に微細なＴｉ酸化物の分散を得ることが
出来る。

このようにして鋼中には平均して粒子径が０．１〜６．
０　ＪＬｍ、粒子数カ５　ｘ　ｌｏ’　〜１　ｘ　１０
’ケ／】層３の微細な２次脱酸生成物が含有されるのみ
となる。これらは軌条圧延時の再加熱時あるいは軌条熱
処理時のオーステナイト粒の細粒化、およびオーステナ
イト粒内からのパーライト変態の核生成サイトとしても
作用し、パーライト組織の微細化による延性向上、変態
促進によるミクロ偏析部の島状マルテンサイト相の生成
防止、さらには合金添加軌条の溶接部マルテンサイトの
生成防止にも効果を示す。

上記のような本発明は要約して、溶鋼中の溶解酸素濃度
が５０ｐｐｍ以上となるような予備脱酸と。

ＴｉあるいはＴｉ合金で２次脱酸を行う脱酸処理を施し
て溶製したＣ　：　０．５５〜０．８！ＩＪ、Ｓ　ｉ：
ｏ、２０〜１．２０Ｚ、Ｍｎ：０．５０〜１．５０ｇ、
　Ｐ　（、０，０２５Ｚ、　Ｓ　（、０，０１０！、Ｎ
　＜　０．００４％あルＩｉ’　ｌｆ　サラニＣｒ　、
　Ｎ　ｂ　、　Ｖ　ｃ７）少量を選択的に含有し、残部
がＦｅおよび不可避不純物からなる溶鋼を、造塊・分塊
法あるいは連続鋳造法を経て７０ｐｍ以上の粗大介在物
が零、平均的には粒子径０．１〜Ｂ、Ｏμｍ　テカッ（
［１数５ｘｌｏ３〜ｌＸｌ０’ケ／ｒａｍ’の２次脱酸
生成物を含有する軌条に熱間圧延する耐損傷性にすぐれ
た軌条の製造法である。

（発明の構成） 以下本発明について詳細に説明する。

本発明は転炉あるいは電気炉等の溶解炉と後述する脱酸
処理法で下記成分範囲の軌条用鋼を製造する。

（＋）　　Ｃ：　０．５５〜０．８５％、Ｓ　ｉ：０．
２０〜１．２０ＺＭｎ：０．５０〜１．５０％、Ｐ≦０
．０２５％、　　Ｓ≦０．０１０％、　　Ｎ≦０．００
４％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる
鋼。

（２）　　Ｃ：　０．５５〜０．８５％、Ｓ　ｉ：０．
２０〜１．２０％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、Ｃｒ
：０．１５〜２．０％、　Ｐ≦０．０２５％、　Ｓ≦０
．０１０Ｌ　Ｎ≦０．００４１ヲ含有し、残部がＦｅお
よび不可避不純物からなる溶鋼。

（３）　Ｃ：　０．５５ｒ〜０．８５％、Ｓ　Ｉ：０．
２０〜１．２０％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、Ｃｒ
：ｏ、１５〜２．０％、　Ｐ≦Ｑ、０２５％、　Ｓ≦０
．０１０Ｌ　　Ｎ　≦０．００４％ヲ含有し、Ｎｂ：０
．００５〜０．０５％、Ｖ　：　０．０５〜０．２０％
の１種又は２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純
物からなる鋼。

これらの化学成分のうち、Ｃは高強度化およびパーライ
ト組織生成のための必須元素であし、また耐摩耗性およ
び耐損傷性に対して一義的に効果を示す元素であるが、
０．５５％未満ではオーステナイト粒界に耐摩耗性およ
び耐損傷性に有害な初析フェライトが多量に生成し、０
．８５＄を超えるとオーステナイト粒界に好ましくない
初析セメンタイトを生成させるばかりか熱処理層や溶接
部の微小偏析部にマルテンサイトを生成させ脆化を促す
ため０．５５〜０．８５％に限定した。

Ｓｉはパーライト組織中のフェライトに固溶することに
よって強度を上昇させ、耐摩耗性および耐損傷性の改善
に寄与する元素として０．２０％以上の添加が必要であ
し、また１、２０％を超えると脆化が生じ溶接接合性を
も減するので０．２０〜１．２０Ｘに限定した。

ＭｎはＣ同様パーライト変態温度を低下させ焼入性を高
めることによって高強度化に寄与する元素であるが、０
．５０％未満ではその寄与が小さく、また１、５０％を
超えると偏析部に、マルテンサイトを生成させやすくす
るため０．５０〜１．５０ｇに限定した。

ＰもまたＭｎ同様偏析部に濃縮する元素であし、０．０
２５＄以上の含有は偏析部にマルテンサイトを生成しや
すくするため、０．０２５Ｘ以下に限定した。

Ｓは、Ｍｎ　と結合してＭｎＳを生成させる。軌条のよ
うに過度の一方向圧延を余儀なくされることによし、Ｍ
ｎＳは長手方向に長く延ばされる。軌条内部に存在する
これらの硫化物から損傷が発生する事例は現在までに見
い出していないが、軌条頭表部の車輪によってもたらさ
れる塑性流動に沿って生成する微小なき裂にＭｎＳが関
与している。このＭｎＳの生成はＳ含有量と強い相関を
特に、０．０ＩＯＸ以上の含有Ｓによって粗大なＭｒ＋
Ｓの生成が認められる。このためＳ量をＯ，０ＩＯＸに
限定した。

Ｎは脱酸剤のＴｉ　と結合してＴｉＮを形成する。

軌条もＴｉ脱酸を行う場合もあるが、その使用は本発明
になる酸素レベルを制御して非金属介在物の量、大きさ
を規制するものでなく、ざらに固溶窒素量を考慮してい
ないため、粗大なＴｉＮの生成が認められていた。この
ＴｉＮはその形態が四角もしくは長方形をしておし、硬
度も高いことから。

軌条内部の損傷起点となる。このため本発明では予備脱
酸による溶鋼中酸素の規制とともに、ＴｉＮの生成に強
い相関を持つＮ含有量も０．ＯＱ４！に限定することが
必要である。これ以上のＮの含有はＴｉＮを粗大化させ
る。

以上が基本的な成分系に対する成分限定理由であるが、
より以上の高強度化を通して耐摩耗性および耐損傷性の
向上を図るためには、Ｃｒの添加が有効である。Ｃｒは
パーライト変態開始温度を低下させ高強度化に貢献する
ばかりか、パーライト中のセメンタイトを強化すること
によって耐摩耗性、さらには耐損傷性の改善に寄与する
ことが見い出されておし、熱処理軌条の溶接部軟化防止
に対しても欠くべからざる元素である。Ｃｒは０．１５
＄以上添加することによって加速冷却時に強度増加が顕
在化し、２．Ｏｚ以上では軌条圧延後の放冷域でマルテ
ンサイトを生成させるため、０．１５〜２、Ｏｚの成分
範囲に限定した。

Ｎｂ、Ｖは析出硬化元素であるとともに、オーステナイ
ト粒の細粒化元素である。Ｎｂは熟間圧延時に低温加熱
することによって、その析出物がオーステナイト粒成長
を抑制し細粒化に寄与する。また、高温加熱・低温仕上
圧延によって熱間圧延後のオーステナイト粒を細粒化し
、圧延後強制冷却を施す直接熱処理材の延性向上に貢献
する。同様に軌条を圧延後再加熱して矯正冷却を施す高
強度化熱処理においても、オーステナイト粒を細粒化し
、パーライト組織材の延性と相関を持つパーライトブロ
ックサイズを微細化させる。これらの細粒化によるパー
ライト変態点の上昇は強度を低下させる方向であるが、
その分Ｏｒなどの強化元素を添加することによって、強
度と延性にすぐれた熱処理母材部と、その溶接時にＯｒ
などの強化元素による溶接継手部の軟化を改善した軌条
を製造することが可能となる。このとき有効なＮｂ添加
量はＱ、００５１であし、０，０５χを超えると粗大な
ＮｂＣが生成し軌条の耐損傷性を損う。従ってＮｂの成
分範囲を０．００５〜０．０５＄に限定した。■もＮｂ
とほぼ同様の傾向を示すが、加熱中に析出す６Ｖ　（Ｃ
、Ｎ）はＮｂ　　（Ｃ、Ｎ）　ヨリ溶解度積が大きいた
め、軌条圧延時の低温加熱時のみ初期オーステナイト粒
の細粒化に寄与する。また圧延後再加熱によって溶融し
たＶ　（Ｃ、Ｎ）は冷却中に再析出して析出硬化による
強度増をもたらす。しかしＶの０．０５％以下の添加で
はその析出物の数も少なく所定の効果は期待できない。

また０、２０＄超（７）Ｖ（７）添加ｔ−ｋＶ　（Ｃ、
Ｎ）　（７）！大砲によってかえって脆化を生じさせる
。このためＶの成分範囲を０．０５〜０．２０％に限定
した。

本発明では上記の化学組成を有する軌条鋼の溶製にあた
し、望ましくはＡ）を用いない１次脱酸とＴｉ　あるい
はＴ１合金で２次脱酸を行う。しかして得られた溶鋼は
、造塊・分塊法または連続鋳造法で鋼片にした後軌条圧
延する通常の製造工程を経て、７０７ｔｍ以上の粗大介
在物が零、平均として粒子径０．１〜６．０　ルｍ、個
数５　Ｘ　１０３〜ｌＸ１０’ケ／ａｍ’の２次脱酸生
成物を含有する耐損傷性にすぐれた軌条を製造する。

また本発明においては熱間圧延を終えた軌条を、空冷す
るかあるいは直ちに急冷するか、熱処理を施すかなど通
常の製造工程を経て製品に供せられる。

ここで７０μｍ以上の粗大介在物に注目したのは、敷設
レールのゲージ・コーナー内部から生成するシェリジグ
損傷に関与している介在物が、すべて７０ｐｍ以上の粗
大介在物に起因していることによる。

軌条鋼の溶製にあたっては、１次脱酸剤としてＳｉある
いはＭｎなどによる非酸化性スラグでの攪拌精錬あるい
はさらに真空脱ガス処理を行うことにより溶鋼中溶解酸
素量を５０ｐｐ騰以上とし、次いで２次脱酸剤としてＴ
ｉおよびその合金を用いることによって微細な２次脱酸
生成物を折中させる。

このようにして生成した２次脱酸生成物は粒子径が０．
１〜６．０ルｍでかつ粒子数が５×１０〜１×１０６ケ
／ｌ１１３の範囲に抑えることが出来、鋼中に微細分散
したこれらの２次脱酸生成物好ましくはＴｉ酸化物を主
とした析出物は、微細であるため軌条の損傷になんら影
響をおよぼさないばかりか、圧延加熱時、熱処理加熱時
、および軌条溶接時にオーステナイト粒を細粒化しパー
ライト組織の延性を改善し、さらにはミクロ偏析などに
よるパーライト変態の遅れによってもたらされるマルテ
ンサイトの生成をも防止する。

（実施例） 以下に本発明の実施例を示す。

第１表に本発明鋼と比較鋼の化学成分を示す。

比較鋼は従来通りＡＩ脱酸を行った。これらの軌条頭部
のスライム電解抽出分析による１０ｋｇ当りの７０ｇｍ
以上の介在物個数を第２表に示す０本発明鋼は７０ｐｍ
以上の介在物が零であるのに対し、比較鋼の粗大介在物
は相当量におよんでいる。

第１図は本発明鋼と比較鋼の囲Ａによる微細介在物の分
布状態である。第２表、第１図から本発明軌条は、従来
比較鋼に比べて高清浄、微細分散介在物を有しているこ
とがわかる。

第２図は本発明鋼と比較鋼のころがり疲労試験結果であ
る。介在物清浄度の改善により本発明鋼の耐疲労損傷性
の向上が認められる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の実施例を示したもので、第１図は供試鋼の
微細介在物のサイズ毎の分布状態を示し、第２図はころ
がり疲労試験結果を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶鋼中の溶解酸素濃度が５０ｐｐｍ以上となるよ
   うな予備脱酸と、ＴｉあるいはＴｉ合金で２次脱酸を行
   う脱酸処理を施して溶製した重量％でＣ：０．５５〜０
   ．８５％、Ｓｉ：０．２０〜１．２０％、Ｍｎ：０．５
   ０〜１．５０％、Ｐ≦０．０２５％、Ｓ≦０．０１０％
   、Ｎ≦０．００４％を含有し、残部がＦｅおよび不可避
   不純物からなる溶鋼を、造塊・分塊法または連続鋳造法
   を経て７０μｍ以上の粗大介在物が零、平均的には粒子
   径０．１〜６．０μｍで、かつ個数５×１０＾３〜１×
   １０＾６ヶ／ｍｍ＾３の２次脱酸生成物を含有する軌条
   に熱間圧延することを特徴とする耐損傷性にすぐれた軌
   条の製造法。
2. （２）溶鋼中の溶解酸素濃度が５０ｐｐｍ以上となるよ
   うな予備脱酸と、ＴｉあるいはＴｉ合金で２次脱酸を行
   う脱酸処理を施して溶製した重量％でＣ：０．５５〜０
   ．８５％、Ｓｉ：０．２０〜１．２０％、Ｍｎ：０．５
   ０〜１．５０％、Ｐ≦０．０２５％、Ｓ≦０．０１０％
   、Ｃｒ：０．１５〜２．０％、Ｎ≦０．００４％を含有
   し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる溶鋼を、造
   塊・分塊法または連続鋳造法を経て、７０μｍ以上の粗
   大介在物が零、平均的には粒子径０．１〜６．０μｍで
   、かつ個数５×１０＾３〜１×１０＾６ヶ／ｍｍ＾３の
   ２次脱酸生成物を含有する軌条に熱間圧延することを特
   徴とする耐損傷性にすぐれた軌条の製造法。
3. （３）溶鋼中の溶解酸素濃度が５０ｐｐｍ以上となるよ
   うな予備脱酸と、ＴｉあるいはＴｉ合金で２次脱酸を行
   う脱酸処理を施して溶製した重量％でＣ：０．５５〜０
   ．８５％、Ｓｉ：０．２０〜１．２０％、Ｍｎ：０．５
   ０〜１．５０％、Ｃｒ：０．１５〜２．０％、Ｐ≦０．
   ０２５％、Ｓ≦：０．０１０％、Ｎ≦０．００４０％を
   含有し、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｖ：０．０５
   〜０．２０％の１種又は２種を含有し、残部がＦｅおよ
   び不可避不純物からなる溶鋼を、造塊・分塊法または連
   続鋳造法を経て、７０μｍ以上の粗大介在物が零、平均
   的には粒子径０．１〜６．０μｍでかつ、個数５×１０
   ＾３〜１×１０＾６ヶ／ｍｍ＾３の２次脱酸生成物を含
   有する軌条に熱間圧延することを特徴とする耐損傷性に
   すぐれた軌条の製造法。