JPS6299438A - 不安定破壊伝播停止能力を有する耐摩耗性高性能レ−ル - 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】 「発明の目的」 本廃明は不安定破壊体幅停止能力を何重る耐摩耗性高性
能レールに係り、鉄道線路の曲線部等に用いられる耐摩
耗性高強度微細パーライト組織鋼レールに関し疲労亀裂
あるいは偶発的に発生した欠陥を起点として頭部から腹
部に進む横方向不安定破壊や腹部を水平方向に伝播する
不安定破壊を停止する能力を備え、レールの破断や連続
的な大規模破千ロを防止することのできる高性能レール
を提供しようとするものであ４》。

産業上の利用分野 鉄道線路の曲線部などに用いられる耐摩耗性高強度レー
ル。

従来の技術 レールの破壊は大きな列車事故に結びつくことが多く、
このような破壊原因としては車輪との接触によって生じ
るシエリング損傷、継目から発生する亀裂、レール中に
存在するシャータークラック或いは巨大な酸化物系介在
物、深い表面疵などがあり、レールの種々の位置に存在
する各種の亀裂から長期間使用の間の疲労により補装欠
陥あるいは水平製欠陥などとなり、経時的に伝播拡張を
続け、レールのもつ固有の破壊靭性値（伝受ばＡＳＴＭ
Ｅ３９９に定められているＫＴＣ値）になり、急激に不
安定な破壊を起してレール破断に到る。多数の死傷者を
出した脱線事故などにおいて、例えはガス切断時に発生
した亀裂を有する耐摩耗性合金鋼レールの端部から列車
車輪による衝撃荷車に誘発された不安定破壊亀裂が第６
図に不すよ５なレール１０における腹部１１を水平方向
にＩｏｎ以上にも目、つて伝播し、途中で頭部１２或い
は脚部１３に分岐した亀裂となり、偶発的に大きく破壊
した場合がある。

然してこのような場合に対処すべく用いられている従来
の耐摩耗用レールは、車輪との接触部である頭部１２を
普通レールに比し高強用の微細ノぞ−ライト和イ織とし
て耐摩耗性を置めムニものである。

発明が解決しようとする問題点 しかしｌ　ｔｋ：のような従来の耐鰺耗用レールにおけ
る倣Ｉ！Ｈバーライ）　１１緑は面１犀刺１１ｔ１にお
いて優れている反面において脆く、」−記のような不安
定破壊発生に対する抵抗が劣る。従ってこのようなレー
ルの使用に当っては表面と共に内部欠陥の発生に當に注
ｉすることが必要で、欠陥発生の賜金には不安定破壊に
到るＭＩＪに超音波探傷などによる定期探傷な行い、欠
陥部の検出、除去に努めることが要梢される。

然しであるも定部位、例えばｌ１１４１部、紙面側など
から発生し１こ疲労欠陥に対応した不安定破壊（を７ 発生抵抗な尚め、欠陥部における発見率を」二げるよう
な工夫かなされているとしても光分な効果を必すしも求
め難く、何れにしても欠陥部４と不安定破壊亀裂伝播に
関して常に性急する必要がある。

しかもなおこのような不安定破壊亀裂伝怖開始とそれに
続く僧ないし犬用模破損が僻けら才１ない。

１発明の構ｈν」 問題点を解決するための手段 Ｃ：　０．５〜０．８５　ｗｔ％、　　Ｓｔ　：　０．
１〜１．（］　ｗ　ｔ％、Ｍｎ　：　０．５　Ｑ〜１．
５０ｗｔ％、　　Ｐ　：　０，０３５ｗｔ％以下、８：
０．０３５％以下、　　　　Ａｌ　：　０．（１５０ｗ
ｔ％以下を含有し、残株、がＦ・および不可避的不＠物
からなるレールであって、腹部か市靭性焼戻しベイナイ
ト組織であり、頭部は高輪度倣卸トセーライト組絵であ
ることを％輩とする不安定破礒伝喰停止能力を有する耐
摩耗件部性能レール。

作　　用 Ｃを０．５０　ｗｔ％以上とすることにより耐摩耗性を
得しめ、又Ｓｔを０．１０％以上、−を０，５０％以上
とすることにより強度を上昇する。Ｃを０．８５％以下
、＆を１．００％以下とすることによって延性低下をな
からしめ、ｐ、ｓを夫々０、０３５％以下として延性、
靭性の劣化をなからしめる。Ｍｎを１．５０以下とする
ことで＃抜性劣化を避け、Ｍを００５０％以下として疲
労性能の劣化なｔ「からｉ−ぬる。

腹部が高靭性焼戻しベイナイトａ４ｈ、、マルテンサイ
ト組織ｋ）るいはベイナイト・マルテンサイト混合組成
とされることによって不安定＜ｔｔｔｗを有効に停止す
る機能をこの腹部において得しめる。頭部が亮強度微細
パーライト組織とされることによってレールの耐摩耗性
を充分に筒く維持する。

実施例 −Ｆ記したような本発明について更に具体的に説明する
と、疲労によって成長した頭部横裂欠陥あるいは腹部水
平製欠陥を起点として発生する不安定破壊亀裂の伝播に
よる破断や偶発的に生じた不安定破壊亀裂の伝播、特に
腹部を生亀裂が伝播し、頭部、脚部に亀裂が分岐・進行
することで頭部が欠落することなどによる大規模破損の
如きに対して、この筒速で伝播する不安定破壊亀裂を停
止する能力を腹部に与えることが厚木であると１える。

そこで本発明者等はこの目的を達成するものとして、レ
ール腹部に従来の耐摩耗用レールに比較して高靭性な金
属組織を付与することＫついて検討を重ね、レール鋼の
成分と金属組織な柚々変化させて不安定破壊亀裂伝播停
止性能を研知した結果、焼戻しベイナイト縮締、焼戻し
マルテンサイト組織、および前渚の混合和餓である焼戻
しベイナイト・マルテンサイト混合組織が生体である金
属組織が最も優れた性能を示し、劇摩耗用し−ル麹部に
見らオ上るパーライトｍ緘あるいは焼戻しパーライト組
織に比較しても格段に優れていることを見い出した。即
ち頭部を尚強度微細ノｆ−ライト組織腹部を焼戻しベイ
ナイト組線、焼戻しマルテンサイト組城あるいは焼戻し
ベイナイト・マルテンサイト混合縮瞳とし１こ、本発明
レールを試作し、破壊試験を実施した結果、不安定破壊
亀裂伝播停止性能の際立った向上が、レールの破断ある
いは大規模破損防止に効果を示すことを確認した。

上記のような本発明レールの詳細について説明すると、
先ず本発明レールの化学成分を限定した理由は以下の通
りである。

Ｃは、耐摩粍性上必要不可欠な元素であり、ｗｔ％（以
下単に％という）で０．５０％０％以上摩耗が激しく、
実用的な耐摩耗鋼となり得ない。

一方０８５％以上では金桟組織中に初析セメンタイトが
生成し、延性が劣化する。よってＣ量を０．５０〜０．
８５％に限定した。

＆は、脱酸元素であると共に強度向上に必須の元素であ
る。従って、脱酸元素として最低０．１０％はキルド鋼
として必要であるか、−ツノ強度上昇には添加量゛が多
い力が効果も大きいが１．００％以上では延性の低下が
太きいためこれを上限とした。

−は、強度向上に必須の元素であって、０．５０％以下
ではその効果が小さく、又１．５０％以十では浴接性の
劣化が顕著となるので０．５０〜１．５０％に限定した
。

Ｐ、Ｓは不純物元素で、０．０３５％以上になると延性
、靭性が劣化するため何れもこれを上限とした。〃は脱
酸元素として＆と併用される。

しかし０．０５０％以上では、４４０．の発生量が多く
なり疲労性能が劣化するためこれを上限とした。

上記のような成分組成は本発明レールとして必要不可欠
な元素で、特に頭部を高強度微細パーライト組織とする
のに重要であり、また腹部にとっては最低限の焼入性を
確促している。

史に本発明レールを効率よく、かつ効果的に製造するた
めに以下の元素を必要に応じて１種以上を添加″′ｆる
。

Ｃｒ　：　０．０５〜１．５０　％、　　Ｍｏ　：　０
．０５〜０．２０％、Ｖ　：　０．０３〜０．１０％、
　　Ｎｉ　：　０．１０〜１．００％％Ｎｂ：ｏ、ｏｏ
５〜０．０５０％ 即ちこれらの限定理由は以下の通りである。

Ｃｒは、焼入性向上により、頭部を微細バーライ）組織
とするのを容易にすると共に、パーライトｆ１に、の焼
なまし軟化抵抗を高め、筒強度微細ノ＋−ライト組織を
得られ易くする。又、焼入性の向上は、腹部をベイナイ
トあるいはマルチンサイト組織にする場合、パーライト
ノーズを長時間側に移すため、／ｆ−ライト組録の混、
人を抑える効果がある。したがって、焼入性の１十効果
を示す０．０５％を下限とし、１．５０％以上では溶接
性を劣化させるためこれを上限とし、０．０５〜１．５
０％に限定した。

周は、　　Ｃｒと同様に焼入に１・の向上と、ノ！−ラ
イト組織の焼なまし軟化抵抗による強度上昇を示しその
限定理由も同じである。つまり焼入性の効果を示す下限
値として０（）５％は必要で、又溶接性から上限を０．
２０％とした。

Ｖ、Ｎｂ　　は焼入性の向上をボす。同時に析出硬化を
示す元素であり、強度上昇に効果を示す。

このため下限として析出硬化示す最低音であるｖ：０．
０３％、Ｎｂ：　０．００５　％を必要トシ、父上Ｉｌ
ｌ　＆！、この効果が飽和する童であって、Ｖ：０．１
０％、Ｎｂ：０．０５％とした。

Ｎｉは、焼入性向上および強度上昇と靭性向上に効果が
あり、０．１０％以下では焼入性が小さく、１．００％
以上では、その効果は飽和する。

・へ　　　　　　　　　　　（１０） したがって０１０％〜１．（１０％に限宇した。

上記の化学成分をするレール鋼は、又本発明レールの特
徴とする金ＰＡ紹織にするための熱処理条件として以下
のように処理される。

即ち圧ｆｆｆｉｉｋ後に圧延顕熱を利用し、必要であわ
ば保熱炉を設け、あるいは圧延放冷後ＡＣ，以上に書加
熱するなどによる、ＡＣ，点以上の温度のレールを冷却
する。つまり頭部は、緩速焼入し、冒強度微細パーライ
ト組練となり、腹部は急速冷却し、）量−ライトノーズ
より短時間狽むを冷却し、ＩｇＴ要の金属組織とするた
め冷却条件を変更する。ベイナイト組織とするためには
Ｍ。

点以上、ＢＢ点（ベイナイトの生成する上限温度）以下
の温度範囲で恒温保持して充分変態を進める。マルテン
サイト組織とするためには室温付近まで任意の冷却速度
で冷却する。必要に応じてマルクエンチする。ベイナイ
ト・マルテンサイト混合組織とするためには、ＭＳ点以
下でマルテンサイトを、Ｍ−以上Ｂ總以下の温度範囲で
ベイナイトをそれぞれ適量生成せしめる。

マルテンサイト生成１゛は初めにベイナイトｇを恒温保
持時間で制御するか、もしくはマルテンサイト生成旬は
温度依存型であるので、初めにマルテンサイトｙを鞠点
からの過冷度で制側］する。

このようにして得られたベイナイト知識、マルテンサイ
ト組織あるいはベイナイト・マルテンサイトｍ合糾絨と
した膝部を変態後きれぬなく連続して焼戻しを行ない、
もしくは一旦室虎付近まで冷却後焼戻しを行なうことな
どにより高靭性な金鵬組織と１−る。

レール膝部を熱処理するに当って、脚部の腹部つけ根付
近も腹部と同様の金属組織となることがあり、又不可避
的に３０％未南のパーライト組織が混入することも実際
上ある。架に頭部と腹部を同時に熱処理するか、若しく
は別々に熱処理するかしても目的の金楓組吐と１−るこ
とかできる。なお脚部の金属組織については特に限定し
ないが脂６＋１と同じ組織とする方が好ましいが、通常
はノ！−ライト絹雌となる。

上記したような本発明によるものは、場合によっては普
通レールの腹部に高靭性な金属組織を与える場合にも応
用することができる。

本発明によるものの具体的な製造例について説明すると
以下の通りである。

即ち本発明者等が具体的に用いた鋼の化学的な成分却紗
は次の第１表の如くである。

然してこのような鋼に対する製造方法としては次の■〜
■となる。

■　頭部を高強用微細パーライト耕織、腹部を焼戻しベ
イナイト組線とする本発明レールの製造は、ＡＣ，以」
二の温度より、頭部は２〜１　（１’Ｃ；／ｓｅｃで５
００℃以下まで冷却する。同時に腹部を１５℃／　ｓｅ
ｃ以上の急冷を行ない３　（１０〜４５０　’Ｃの温度
に停止し、恒温保持し、少なくとも５０％以上ベイナイ
ト変態したところで、１℃／　ｓｅｃ以上の加熱速度で
６００〜７　（＋　（＋　’Ｃに加熱して、焼戻した後
放冷する。

脚部は放冷である。

■　頭部な島強度倣細パーライト組織、腹部を炉１戻【
、マルテンサイト組織とする本発明レールの装造は、Ａ
Ｃ，以上の温度より、頭部は２〜１０°Ｇ　／　ｓｅｃ
で５００℃以下まで冷却する。

同時に腹部を１５℃／　ｓｅｃ以上の急冷を行ない、Ｍ
Ｓ点（２４０℃）以下、少なくとも５０％以上マルテン
サイト変態する温１（２００℃以−ト）まで冷却する。

必要に応じてＭＳ点直上で弱冷却に変更してマルクエン
チする。その後連続して腹部を６００〜７００℃に１℃
／　ｓｅｃ以上で加熱し焼戻しだ後放冷する。腹部は放
冷である。

■　頭部な＾強度微細パーライト組織、腹部を焼戻しベ
イナイト・マルテンサイト朝練とする本発明レールの製
造は、ＡＣ１以上の温度より、頭部は２〜ｂ で冷却する。同時に腹部を１５℃／　ｓｅｃ以上の急冷
を行ない、２５０〜４５０℃の温度に冷却停止し、恒温
保持しベイナイト変態が３０％以上になったところでＭ
Ｓ点以下筺で冷却してマルテンサイト変態させる。もし
くは腹部を急冷して３０％以上のマルテンサイト佼態す
る温度（２００〜１００℃）に冷却停止し７、その後連
続して３００〜４５０℃に加熱保持してベイナイト変態
させる。ベイナイト・マルテンサイト混合組織とした後
連続して６０ｆ１〜７００℃に加熱して焼戻した後放冷
する。

脚部は放冷である。

前記した第１表のＢ−Ｄのように、Ｃｒ、Ｍｏ。

Ｖ、　Ｎｉ、Ｎｂを添加した場合には焼入性の向上によ
って頭部緩速焼入れと腹部急冷時の冷却速度を少くする
ことができると共に、既述したように強度上昇が得られ
る。

上記した■〜■のように断面形状１３６ＲＥのレールを
熱処理し、不安定破壊亀裂伝播停止性能を次の１）、１
１）の方法によって評価した。

１）切欠句曲げ試験方法。

長さ１．５ｍの第２図に示すようなレール１０の頭部中
央部分に第３図に示すように深さ２０簡で幅３鯨の切欠
１６を鋸によって施し、頭部１２を下にして支点間距離
１０００ｍとすると共に切欠１６を支点間の中心に設置
し、静的に曲げて行って切欠１６より不安定破壊亀裂を
発生伝播させる。伝播停止性能はレールが破断−４゛る
か否かによって判定し、破断しなかったものを停止性能
ありとする。

１１）腹部水平製試験方法 レール腹部水平方向き裂停止性能を評価す（１７）　　
　　　　　　　　　　１ｏ゛るため、第４図に示す試験
片７を第５図に示すレール１０の位揄から採取した。試
験１１ＡＳＴＭ亀裂停止）二鞠性値試験方法に準拠し、
Ｋ＆値を求めた。ここで亀裂停止靭性値を測定に用いた
荷車試験は第６図に示す。通りで、基板６上に試験片Ｔ
を皺き、試験片７の開口部８にスゾリトピン９ａを有す
るくさび９を打込み試験する。

試験片Ｔは板厚が１６ＷｒＩｒｌ、板幅Ｗは１２８請、
開口部８を通る切欠４の幅Ｎは］（１１ｍ。

切欠４の開口部８よりの切込深さａ。は４５能、開口部
８の直径りは２５．５ｍである。

然してこの腹部水平製試験で求めたＫａ値互 （亀裂停止靭性値）が２００に９／ｍ２以上であるとき
は不安定破壊亀裂伝播停止性能があると評価する。

即ち上記したような試験結果を本発明の前記製造例によ
るものと、その比較例について要約して示すと次の第２
表の通りであって、不発明によるものは従来の耐摩耗用
レールに比し非常に優れた不安定亀裂伝播停止性能を有
していることが確認された。

発明の詳細 な説明しｙ＝ようｔｒ本発明によると〆は向・１摩耗用
茜強度像細パーライト紹狐鋼レールに関（−頭角から摺
部に進む横力向不安定破截や酸部を水平力向に伝崩する
不安定破壊を有効に停止する機能を腹部に与え、この釉
レールの破断や連続、的な大規模級（Ｈを増刷に防止イ
ることができるものであって、工業的にその効果の大き
い発明である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の技術的内容を示すものであって、第１図
はレールの断面的説明図、第２図は切欠何曲げ試験片の
斜面図、第３図はその切欠部についての部分的断面図、
第４図は腹部水・平袋試験片の正１１１１図、第５図は
＃試験片のレールにおける採取位Ｉｉ！ｒ説明図、第６
図は腹部水平製試験の状態を示した斜面図である。 然してこれらの図面ＶＣおいて、４は切欠、６は基板、
Ｔは試験片、８は開口部、Ｂはくさび、１０はレール、
１１は腹部、１２は頭部、１３は脚部、１６は切欠を示
すものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃ：０．５〜０．８５ｗｔ％、Ｓｉ：０．１〜１．
   ０ｗｔ％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０ｗｔ％、Ｐ：０．
   ０３５ｗｔ％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ａｌ：０．
   ０５０ｗｔ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的
   不純物からなるレールであつて、腹部が高靭性焼戻しベ
   イナイト組織であり、頭部は高強度微細パーライト組織
   であることを特徴とする不安定破壊伝播停止能力を有す
   る耐摩耗性高性能レール。 ２、Ｃｒ：０．０５〜１．５０ｗｔ％、Ｍｏ：０．０５
   〜０．２０ｗｔ％、Ｖ：０．０３〜０．１０ｗｔ％、Ｎ
   ｉ：０．１０〜１．００ｗｔ％、Ｎｂ：０．００５〜０
   ．０５０ｗｔ％ の何れか１種又は２種以上をも含有した特許請求の範囲
   第１項に記載の不安定破壊伝播停止能力を有する耐摩耗
   性高性能レール。 ３、腹部が高靭性焼戻しベイナイト・マルテンサイト混
   合組織である特許請求の範囲第１項に記載の不安定破壊
   伝播停止能力を有する耐摩耗性高性能レール。