JPS63128123A - 靭性の優れた高強度レ−ルの製造方法 - 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】 「発明の目的」 （産業上の利用分野） 本発明は、軌道用レールの製造、特に重荷重鉄道もしく
は線路の曲線部等に用いられる高強度鋼製レールの製造
方法に関するものである。

（従来の技術） 従来、高強度微細パーライト系鋼製レールの高能率な生
産方法として、熱間圧延の完了したレールを直接冷却装
置に装入し、レール頭部を強制冷却して高強度の製品を
得る方法が開発され実用化されつつある。しかし乍らこ
の方法は単に圧延後の冷却手段が従来の放冷と異なるに
過ぎないため、普通レールと類似した程度の靭性しか得
られておらず、近年、高強度レールにも、優れた耐摩耗
性に加えて鉄道の安全性の面からより靭性の高いものが
要求されてきている。靭性に優れた高強度レールの比較
的生産性の高い方法として制御圧延法なるものが提唱さ
れているが、この方法は、熱間圧延における圧延温度、
圧下率を特定の条件に設定して行なう製法であって、圧
延仕上り時のオーステナイト粒の細粒化を図り、圧延終
了後直ちに強制冷却を行なうことを特徴とする高強度、
高靭性をうる方法である。しかし乍ら、この方法は圧延
温度が制御される関係で圧延中待機放冷を実施する必要
から生産能率の面ではまだ問題のあること、更にオース
テナイト低温域で圧延を行なうためレール形状の複雑さ
から圧延形状の精度を出すのが困難であり、又、低温圧
延による圧延荷重の増大に起因するロール折損を生ずる
危険もあった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上述したような現状に鑑み創案されたもので
あり、通常圧延のままもしくは制御圧延後の熱片レール
を用い圧延の生産能率を維持しつつ、熱延に続（連続的
な熱処理により単なる高速冷却法より優れた靭性を有す
る高強度微細パーライト系鋼製レールの製造方法を提供
することを目的とする。

「発明の構成」 （発明が問題点を解決するための手段）本発明は前記目
的を達成せしめるために（１）　　熱間圧延完了直後の
熱片レールを、Ａｒ３点以下まで冷却して変態を終了せ
しめ、次いで加熱炉に装入しＡｃ、点以上９５０℃以下
のオーステナイト域における低温加熱を行ない、しかる
後該レールの頭部を強制冷却し腹部および底部を放冷も
しくは強制冷却することを特徴とする靭性の優れた高強
度レールの製造方法。

（２）重量％で Ｃ：　０．５０−０．８５％　　Ｓｔ　：　０．１０〜
１．００％Ｍｎ　：　０．５０〜１．５０％　　Ｐ　：
　０．０３５％以下Ｓ　：　０．０３５％以下　　八１
：　０．０５０％以下を含有し、残部がＦｅと不可避的
な不純物からなる熱間圧延完了直後の熱片レールを、Ａ
ｒ３点以下まで冷却して変態を終了せしめ、次いで加熱
炉に装入しＡｃ３点以上９５０℃以下のオーステナイト
域における低温加熱を行ない、しかる後該レールの頭部
を強制冷却し腹部および底部を放冷もしくは強制冷却す
ることを特徴とする靭性の優れた高強度レールの製造方
法。

（３）　　重量％で Ｃ：　０．５０〜０．８５％　　Ｓｉ　：　０．１０〜
１．００％Ｍｎ　：　０．５０〜１．５０％　　Ｐ　：
　０．０３５％以下Ｓ　：　０．０３５％以下　　Ａ’
　：　０．５０％以下を含有し、更に Ｃｒ　：　０．０５〜１．５０％　　Ｍｏ　：　０．０
１〜０．２０％Ｎｉ　：　０．１０〜１．００％　　Ｖ
　：　０．０１〜０．１０％Ｎｂ　：　０．００５〜０
．０５０％　Ｔｉ　：　０．００１〜０．０１５％の１
種もしくは２種以上を含有し、残部がＦｅと不可避的な
不純物とからなる熱間圧延完了直後の熱片レールをｗＡ
ｒ３点以下まで冷却して変態を終了せしめ、次いで加熱
炉に装入しＡｃ、点以上９５０℃以下のオーステナイト
域における低温加熱を行ない、しかる後該レールの頭部
を強制冷却し腹部および底部を放冷もしくは強制冷却す
ることを特徴とする靭性の優れた高強度レールの製造方
法。

をここに提案する。この手段を採用することにょり通常
の圧延スピードを落すことな〈従来の高強度鋼製レール
より靭性の優れた微細パーライト系鋼製レールを得るこ
とができる。

（作　用） 本発明による場合、高生産性も重要な条件であり、熱延
の完了後の熱片レールはＡｒｚ点以下まで冷却して変態
を完全に終了せしめる必要はあるが、必要以上に時間を
かけて冷却する必要は無く、むしろ時間短縮と顕熱の有
効利用の見地から可及的速やかに加熱炉に装入すべきで
ある。しかし乍ら加熱炉に装入された熱片レールは、加
熱によりＡｃ３点において再度オーステナイトに変態す
るが、この時は圧延状態のオーステナイト粒に比較して
非常に微細なオーステナイト粒となり、この微細な組織
をうる条件としては前述の熱延後のＡｒ３点以下まで冷
却する変態を完了しておくことが必須条件となる。尚、
この変態直後のオーステナイトには未溶解セメンタイト
が残留するためレール鋼の焼入性に不均一さと焼入性の
低下という現象を生ずるので、この未溶解セメンタイト
を溶かし安定した焼入性を確保するためには、加熱温度
をＡｃ３点より更らに昇温する必要がある。しがし、微
細粒化したオーステナイト粒は、加熱温度を上げるとと
もに粒の成長により粗大化するため粗大化の激しくなる
９５０℃を超えない温度で加熱する必要がある。このよ
うにして微細粒化されたオーステナイト状態にあるレー
ル鋼の頭部は強制冷却することにより高強度の微細パー
ライト組織となるものであり、この微細パーライト組織
はオーステナイト粒の細かさを受は継いでおり高靭性を
生ずる原因となり一方腹部、底部は放冷して高靭性の通
常のパーライト組織もしくは頭部と同様に強制冷却して
微細パーライト組織を得ることが大切である。尚、本発
明は通常の圧延終了後の熱片レールもしくは制御圧延の
終了した熱片レールの何れにも適応しうるものであり、
比較的無理な圧延を行なったものでも本発明の熱処理に
よりその歪を是正できる効果もある。

次に本発明方法の実施に適合する鋼の組成について、特
に成分の限定理由について述べる。

Ｃ：Ｃは、耐摩耗性上必要不可欠な元素であり・ｗｔ％
（以下単に％という）で０．５０％以下では摩耗が激し
く、実用的な耐摩耗鋼となり得ない。

一方０．８５％以上では金属組織中に初析セメンタイト
が生成し、延性が劣化する。そこでＣ量は０．５０〜０
．８５％に限定した。

Ｓｉ：　Ｓｔ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り、一方強度上昇には添加量
が多い方が効果も大きいが１．００％以上では延性の低
下が著しいためこれを上限とした。

Ｍｎ：　Ｍｎ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、また１、５０％以上
では溶接性の劣化が顕著となるので０．５０〜１．５０
％に限定した。

Ｐ、Ｓ：　Ｐ、Ｓは、不純物元素で、０．０３５％以上
になると延性も靭性も共に劣化するため何れもこれを上
限とした。またＰ、Ｓは含有量が低いほど延性、靭性が
良好であり、特に０．０１０％以下でその効果が大きく
、溶接性も改善される。

ＡＩ　Ａｌは、脱酸元素としてＳｔと併用される。

しかし０．０５０％以上ではＡｌ２Ｏ，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の連続製造工程に適した
レール鋼として必要不可欠なもので、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る。

更に本し−ル調を効率よく、且つ効果的に製造するため
に添加する添加元素についての限定理由は以下の通りで
ある。

Ｃｒ：　Ｃｒは、焼入性向上により、微細パーライト組
織とするのを容易にすると共に、パーライト組織の焼な
まし軟化抵抗を高め、高強度微細パーライト組織を得ら
れ易くする。従って、焼入性向上の効果を示す０．０５
％を下限とし、また１、５０％以上では溶接性を劣化さ
せるためこれを上限とし、０．０５〜１．５０％に限定
した。

Ｍｏ：　Ｍｏは、Ｃｒと同様に焼入性の向上と、パーラ
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０．０１％は必要であり、また溶接性から上限
を０．２０％としな。

Ｎｉ：　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％以下では焼入性向上が小さく
、１．００％以上ではその効果は飽和する。従って０．
１０〜１．００％に限定した。

Ｖ＋　Ｎｂ＋　Ｔｔ：　Ｖ＋　Ｎｂ＋　Ｔｉは９５０℃
以下の低温加熱において大部分Ｃ又はＮとの析出物とし
て鋼中に存在し、Ａｃ２点から９５０℃のオーステナイ
ト中にあって、微細オーステナイト粒の粒成長を抑制し
て高靭化に大きく寄与する。従ってオーステナイト粒成
長抑制効果を示す最低量として、Ｖ：０．０１％、Ｎｂ
：０．００５％、Ｔｉ：Ｏ，００１％を必要とし、また
上限は、この効果の飽和する量であってＶ：０．１０％
、Ｎｂ：０．０５％、Ｔｉ：０．０１５％とした。

尚、本発明の方法による連続製造工程の要点について記
載すれば、熱延終了後放冷もしくは強制冷却によってＡ
ｒｚ点以下まで冷却するが、変態が完全に終了する温度
は放冷の場合が最も高く約７２０〜６００℃であり、又
、加熱炉へ装入するレールの顕熱利用の効果は少な（と
も３００℃以上であるから一般的には７２０〜３００℃
の範囲であり、適用し易い温度範囲は６５０〜４００℃
であると云える。加熱炉においてはＡＣ３点〜９５０℃
の温度域で加熱するが、保持時間は２時間以内であれば
オーステナイト粒の成長も少なく、最適条件は１〜３０
分間である。続いて行う頭部の強制冷却により引張り強
さ１００　ｋｇｆ／ｍ”以上が得られる。又、前述した
ような靭性の優れた高強度の微細パーライト組織のレー
ル頭部を得るためにはパーライト変態温度域において１
〜ｂの冷却速度を必要とする。腹部、底部はレールの使
用箇所に応じ放冷もしくは１５℃／ｓｅｃ以下の冷却速
度で強制冷却する必要がある。

尚、本発明の製造工程はレール頭部を高強度微細パーラ
イト組織、腹部、底部を焼戻しマルテンサイト・ベイナ
イト組織あるいは焼戻しベイナイト組織とした高性能レ
ールについても、冷却装置の変更と焼戻し炉の設置によ
り容易に応用可能である。又、本発明で使用する設備に
隣接して焼戻し炉を設置し更に高靭性化は図る方式への
応用も可能である。又、当然のこと乍ら普通レールの製
造方法においても高靭化のみを目的として本発明の連続
製造工程を応用できることは云うまでもない。

第１図は本明細書で使用するレールの各部位の名称を記
入したレールの断面図で、頭部１、腹部２、底部３、底
部中央４を示す。

（実施例） 第１表に記載する本発明方法に適合する化学成分組成を
有するＡ−Ｍの合計１３種類の鋼種について連続熱処理
を行なった。

第２表はＡ−Ｍの各供試銅銀に従来公知の熱延直後の強
制冷却した場合と本発明方法の熱処理方法を用いた場合
の比較を、熱処理条件（冷却方法、変態温度、加熱炉装
入温度、加熱炉内保持温度Ｘ時間、冷却速度〔頭頂下と
底部中央〕）、機械的性′Ｍ（引張強さ〔頭頂下と底部
中央〕）、２ｕＥ＋２０℃〔頭頂下と底部中央〕）等に
ついて行った実測値を示すものである。

第２図は従来の製造工程と本発明の製造工程を示し、第
３図は従来の製造工程と本発明の製造工程を温度と経過
時間との関連で表示した概略図であり、○印の中の数字
は第２表の熱処理条件の項目欄に記入した○印の中の数
字と対応させである。

第２表中の冷却速度０．３℃／ｓｅｃは放冷を示し、冷
却速度は７５０℃と５００℃の平均冷却速度をとった。

又、機械的性質の内で腹部、底部については引張り試験
値も衝撃試験値も部位間に差はなく略同−値を示したの
で底部中央を代表点と（７た。

冷却速度も同一傾向のためこれに準じて底部中央を代表
値とした。

第２表から本発明方法による場合は、゛レール頭部につ
いては従来工程と同等の極限の強度を微細パーライト組
織により得ることができ、腹底部にも充分な強度が付与
されていることがわかる。特に本発明の目的とする靭性
については２　ｕＥ　＋　２０℃が２ｋｇ１ｍ以上の値
を示しており従来工程に対して約２倍の高靭性化が達成
されている。合金添加の効果としてはＣｒ、　Ｍｏ、　
Ｎｉによりレール鋼の焼入性が向上し、冷却速度を小さ
くすることができ、γ粒微細化による焼入性低下が補な
われていることがわかる。■についても一部溶解したＶ
（ＣＮ）により焼入性が向上、Ｃｒ＋　ＭＯ，Ｎｔ、　
ｖ、　ＮｂＩ　Ｔｉの複合添加は焼入性の向上とγ粒微
細化に非常に有効であることが確かめられた。

「発明の効果」 以上詳述したように、本発明方法は通常の圧延を完了し
たものもしく制御圧延の完了したちの何れの熱片レール
にも適用でき、しかもこの独得の熱処理を行なうことに
より従来の圧延完了後の高速冷却法より温かに靭性の優
れた高強度微細パーライト組織を存する高強度鋼製レー
ルが得られることが明らかになった。しかも一般的には
本発明法による圧延の生産性は通常圧延と略同−程度で
あり、必らずしも制御圧延法の如きオーステナイト低温
域での圧延を必要としないのでこれに伴なう弊害を防止
できることはもちろん、仮りに無理な圧延を行なったと
しても熱処理によりその歪も解消できる等の効果をも併
せ持つことになるので、本願発明は業界に益するところ
大なる発明と云うべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図はレールの断面図、第２図は従来法と本発明法の
製造工程を示す略図、第３図は前回における各工程にお
ける温度変化と時間経過を示す概略図であり、１：頭部
、２：腹部、３：底部、４：底部中央を示す。 特許出願人　　　日本鋼管株式会社 発　　明　　　者　　　　福　　１）　耕　　三同　　
　　　　　　　　　　和　　１）　典　　８同　　　　
　　　　　　　　　中　　内　　−略同　　　　　　　
　　　　　永　　橋　　新　　−同　　　　　　　　　
　　　斉　　藤　　義　　略同　　　　　　　　　　　
　森　　岡　　清　　孝同　　　　　　　　　　　　片
　　岡　　　　　譲同　　　　　　　　　　　　加　　
藤　　有　　三同　　　　　　　　　　　　寺　　本　
　豊　　相同　　　　　　　　　　　　藤　　林　　晃
　　夫９　１　　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱間圧延完了直後の熱片レールを、Ａｒ＿３点以
   下まで冷却して変態を終了せしめ、次いで加熱炉に装入
   しＡｃ＿３点以上９５０℃以下のオーステナイト域にお
   ける低温加熱を行ない、しかる後該レールの頭部を強制
   冷却し腹部および底部を放冷もしくは強制冷却すること
   を特徴とする靭性の優れた高強度レールの製造方法。
2. （２）重量％で Ｃ：０．５０〜０．８５％　　Ｓｉ：０．１０〜１．０
   ０％Ｍｎ：０．５０〜１．５０％　Ｐ：０．０３５％以
   下Ｓ：０．０３５％以下　　　　Ａｌ：０．０５０％以
   下を含有し、残部がＦｅと不可避的な不純物からなる熱
   間圧延完了直後の熱片レールを、Ａｒ＿３点以下まで冷
   却して変態を終了せしめ、次いで加熱炉に装入しＡｃ＿
   ３点以上９５０℃以下のオーステナイト域における低温
   加熱を行ない、しかる後該レールの頭部を強制冷却し腹
   部および底部を放冷もしくは強制冷却することを特徴と
   する靭性の優れた高強度レールの製造方法。
3. （３）重量％で Ｃ：０．５０〜０．８５％　　Ｓｉ：０．１０〜１．０
   ０％Ｍｎ：０．５０〜１．５０％　Ｐ：０．０３５％以
   下Ｓ：０．０３５％以下　　　　Ａｌ：０．５０％以下
   を含有し、更に Ｃｒ：０．０５〜１．５０％　　　Ｍｏ：０．０１〜０
   ．２０％Ｎｉ：０．１０〜１．００％　　　Ｖ：０．０
   １〜０．１０％Ｎｂ：０．００５〜０．０５０％　Ｔｉ
   ：０．００１〜０．０１５％の１種もしくは２種以上を
   含有し、残部がＦｅと不可避的な不純物とからなる熱間
   圧延完了直後の熱片レールを、Ａｒ＿３点以下まで冷却
   して変態を終了せしめ、次いで加熱炉に装入しＡｃ＿３
   点以上９５０℃以下のオーステナイト域における低温加
   熱を行ない、しかる後該レールの頭部を強制冷却し腹部
   および底部を放冷もしくは強制冷却することを特徴とす
   る靭性の優れた高強度レールの製造方法。