JPS6324045A - 不安定破壊伝播停止能力に優れた耐摩耗性高性能レ−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」 本発明は不安定破壊伝播停止能力に優れた耐摩耗性高性
能レールに係り、疲労亀裂あるいは偶発的に発生した欠
陥部を起点として発生する不安定破壊などを停止する能
力を腹底部に附与し、レール破断や連続的大規模破損を
防止することのできる耐摩耗性高性能レールを提供しよ
うとするものである。

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性能レー
ル。

従来の技術 鉄道線路におけるレールの破壊は大きな列車事故に結び
つくことが多い。従って従来このようなレール破壊を防
止するために実施されていることはレール頭部の欠陥や
継目穴から発生した疲労亀裂が起点となって、レールの
頭部からその腹底部に進展する横方向の不安定破壊や腹
部を水平方向に頭底部に分岐しながら伝播する不安定破
壊などの限界大きさに成長する以前に定期的な超音波探
傷や巡視などで検出し除去することであった。この理由
はレールの靭性が極めて低（、−旦不安定な亀裂進展が
起こると、レールの破壊に到ってしまい、途中で停止す
ることが殆どないためである。

従って不安定破壊に到る以前、つまり疲労亀裂程度で存
在する内に探傷することに努めざるを得ないわけである
。

発明が解決しようとする問題点 しかし上記のような従来のレールはなお問題点の多いこ
とは明らかである。即ち従来のレールにおいてはその疲
労亀裂の探傷検出に常に細心且つ入念な努力を必要とす
る。

しかもそのような探傷努力にも拘らず、レール破断によ
る列車運行障害が発生しており、場合によっても列車脱
線事故による死傷者の発生を見る。

なおこのような疲労亀裂からのレール破壊の外に、偶発
的に発生した欠陥、例えばガストーチによるレール切断
時に発生した大きな切欠状欠陥などに運行列車による衝
撃荷重が加わり不安定亀裂が頭、底部に分岐伝播して連
続的大規模破損となり重大事故を発生する事例などがあ
る。

即ち従来レールにおいて普通レールをも含め、−旦発生
した不安定破壊に対し、その伝播を停止する能力が非常
に小さいものであり、このことによる不利は特に曲線部
あるいは高軸重鉄道などの厳しい条件下で使用される耐
摩耗性レールにおいて大きく顕ねれ、鉄道の安全性を■
害している。

「発明の構成」 問題点を解決するための手段 Ｃ：　０．５０〜０．８５ｗｔ％、　Ｓｉ　：　０．１
０〜１．００ｗｔ％。

Ｍｎ　：　０．５０〜１．５０ｗｔ％、　　Ｐ　：　０
．０３５　ｗｔ％以下１Ｓ　：　０．０３５　ｗｔ％以
下、Ａｌ　：　０．０５０　ｗｔ％以下を含有し、腹底
部が高靭性焼戻しベイナイト組織で、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
停止能力に優れた耐摩耗性高性能レール。

および、 Ｃ；　０．５０〜０．８５ｗｔ％、　Ｓｔ　：　０．１
０〜１．００ｗｔ％。

Ｍｎ　：　０．５０〜１．５０ｗｔ％、　　Ｐ　：０．
０３５　ｗｔ％以下。

Ｓ　’　０．０３５　ｗｔ％以下、Ａ　Ｎ　：　０．０
５０匈Ｌ％以下を含有し、腹底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、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
止能力に優れた耐摩耗性高性能レール。

作用 ｗｔ％（以下車に％という）で、Ｃを０．５０％以上と
して耐摩耗性を得しめ、又Ｃ：　０．８５％以下、Ｓｉ
：　１．００％以下、ＰおよびＳをそれぞれ０．０３５
％以下として延性劣化を回避する。

Ｓｔ　：　０．１〜１．０％、Ｍｎを０．５％以上含存
せしめて強度向上を図り、Ｓｉを０．１％以上として脱
酸を図る。

Ｍｎを１．５％以下とし、又任意元素としてのＣｒを１
．５％以下、Ｍｏを０．２０％以下として溶接性を良好
にする。

ＰおよびＳを夫々０．０３５％以下として靭性劣化を避
け、又Ａ１を０．０５０％以下として疲労性能劣化を防
止する。

任意元素として、Ｃｒ　：　０．０５％以上、Ｍｏ　：
　０．０２％以上、Ｖ　：　０．０１％以上、Ｎｂ　：
　０．００５％以上、：４１：０．１０％以上の何れか
１種または２種以上を含有させることにより焼入性を向
上する。

高強度微細パーライト組織とされた頭部は好ましい耐摩
耗性を示し、又高靭性焼戻しベイナイト組織または高靭
性焼戻しベイナイト・マルテンサイト混合Ｍｉ織とされ
た腹底部は優れた靭性を具備し不安定破壊伝播停止能力
を得しめる。

実施例 上記したような本発明について更に説明すると、レール
（１０）は一般的に頭部（１２）が腹部（１１）により
底部（１３）と一体に形成されたもので、本発明ではこ
のような頭部（１２）を高強度微細パーライト組織とし
た耐摩耗性のものとし、腹部（１１）および底部（１３
）を焼戻しベイナイト組織として、高靭化することによ
り不安定破壊伝播停止能力を付与した耐摩耗性高性能レ
ールを得たものである。

即ち、従来の耐摩耗用レールの頭部は耐摩耗特性を付与
するために高炭素鋼レールをスラノク・クエンチ処理す
るか、合金元素を添加した合金鋼レールとすることで、
微細パーライト組織としている。またこのような頭部に
対し腹底部は圧延ままの粗いパーライト組織あるいは熱
処理を受けた微細パーライト組織である。

本発明者等は、レール鋼に各種熱処理を施して得られる
各種の金属組織の靭性を研究した結果、靭性は、焼戻し
ベイナイト・マルテンサイト混合組織≧焼戻しマルテン
サイト組織≧焼戻しベイナイト組織〉〉ベイナイト組織
〉パーライト組織の順で優れていることが確認され、特
に焼戻しされた前３者の金属組織は、焼戻しされていな
い後２者に比べて非常に高い靭性を示した。ところが上
述したように従来のレールはパーライト組織であり、上
記したような各種金属中でも極めて靭性の低いものであ
ることが判明した。このような従来のものに対し、焼戻
しベイナイト・マルテンサイト混合組織、焼戻しマルテ
ンサイト組織、焼戻しベイナイト組織であれば、非常に
靭性が高く、不安定破壊伝播停止性能が高いことから、
この焼戻し金属Ｕ織を耐摩耗用レールの腹底部に形成す
ることにより従来レールの不安定破壊伝播停止能力の欠
如という問題点を解決できることを見出した。

腹底部を靭性に優れたレールとする場合の腹底部の金属
組織は、焼戻しベイナイト・マルテンサイト組織、焼戻
しマルテンサイト組織および焼戻しベイナイト組織であ
る。しかし、腹底部をマルテンサイト組織とするために
は、７０°Ｃ以下室温まで冷却する必要があり、この場
合、レール形状および熱処理の複雑さから、熱および変
態歪とマルテンサイト組織の脆さが原因して、腹部中央
に水平裂が発生、伝播することが判明した。腹部をパー
ライト組織とし、底部のみをマルテンサイト組織とした
場合には、この腹部の水平裂は発生せず焼割れを防ぐこ
とができる。しかし、本発明は腹部と底部を高靭性な金
属組織にし、横裂あるいは腹部水平方向の不安定破壊伝
播停止能力を付与することを目的としており、腹部の高
靭化は絶対の要件である。従って本発明においては、焼
戻しマルテンサイト組織は高靭性な金属組織ではあるが
、工業上の困難を伴うことから、腹底部には焼戻しベイ
ナイト・マルテンサイト混合組織あるいは焼戻しベイナ
イト組織を形成して耐摩耗性高性能レールとした。

また本発明者等は本発明によるレールを試作し、破壊試
験を実施した結果、不安定破壊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。

尚、本発明レールは以下の化学成分を有するものである
。即ち、Ｃ：　０．５０〜０．８５匈仁％、　Ｓｉ　：
　０．１０〜１．００ｗｔ％、　Ｍｎ　：　０．５０〜
１．５０ｗｔ％、　　Ｐ　：　０．０３５　ｗｔ％以下
、　Ｓ　：　０．０３５　ｗｔ％以下、　Ａｌ　：　０
．０５０　ｗｔ％以下。

また必要に応じて下記の元素の１種以上を添加すること
も可能である。

Ｃｒ　　二　０．０５〜１．５０＋−Ｌ％、　　Ｍｏ　
　：　　０．０２〜０．２０ｗｔ　％１　　■：　ｏ、
ｏｉ〜０．１０皆ｔ％、　Ｎｉ　：　０．１０〜１．０
０匈ｔ％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０　ｗｔ％。

上記のような本発明レールの詳細について更に説明する
と、先ず上述の如く本発明レールの必須化学成分を限定
した理由は以下の通りである。

Ｃは、耐摩耗性上必要不可欠な元素であり、皆Ｌ％（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。よってｃｌは０．５０〜０．８５％に限定した。

Ｓｉは、脱酸元素と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大き
いためこれを上限とした。

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０．５０〜１６５０％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。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。

Ａｌは、脱酸元素としてＳｉと併用される。しかし０．
０５０％以上ではＡ　ｌ　ｚｏｚ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
のに重要であり、また腹底部にとっては最低限の焼入性
を確保している。

更に本発明レールを効率よく、且つ効果的に製造するた
めに添加する既述の任意添加元素についての限定理由は
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。また焼入性の向上は、腹底部をベイナイトあ
るいはベイナイト・マルテンサイト混合組織にする場合
、パーライトノーズを長時間側に移すため、バーライ）
＆［の混入を抑え、靭性劣化を抑える効果がある。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
０．０２％は必要であり、また溶接性から上限を０．２
０％とした。

Ｖ、Ｎｂは、焼入性の向上を示し、同時に析出硬化を示
す元素であり、また強度上昇にも効果を示す。このため
下限として析出硬化を示す最低量として、Ｖ：Ｏ，０１
％、Ｎｂ　：　０．００５％を必要とし、また上限はこ
の効果が飽和する量であって、■二〇、１０％、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％以下では焼入性向上が小さく、１．０
０％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。

上記のような化学成分組織をもったレール鋼は、また本
発明レールの特徴とする金属組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。

即ち圧延直後に圧延顕熱を利用し、必要であれば保熱炉
または加熱炉を設け、あるいは圧延放冷後Ａｃｔ点以上
に再加熱するなどによる、Ａｃ３点以上の温度のレール
を冷却する。つまり頭部は、緩速焼入あるいは合金添加
する場合には放冷もしくは緩速焼入し、少な（とも引張
強さ１００ｋｇｆ／璽璽２の高強度微細パーライト組織
とする。腹底部は急速冷却し、パーライトノーズより短
時間側を冷却し、次に所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。

点板上、８３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。

またベイナイト・マルテンサイト混合組織とするために
は、Ｍ８点以下でマルテンサイトを、Ｍ。

点以上Ｂ、点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量は初めにベイナ
イト量を恒温保持変態時間で制御するか、もしくはマル
テンサイト生成量は温度依存型であるので、初めにマル
テンサイト量をＭｓ点からの過冷度で制御する。

このようにして得られたベイナイト組織あるいはベイナ
イト・マルテンサイト混合組織とした腹底部を変態後き
れめなく連続した焼戻しを行なうか、もしくは必要に応
じて一旦Ｍ５点以上の温度に加熱して歪取り焼鈍した後
室温付近まで冷却後焼戻しを行なうことなどにより、焼
戻しされた高靭性な金属組織とする。

また、前記した腹底部の熱処理に当り、不可避的に３０
％未満のパーライト組織が混入することも実際上ある。

更に頭部と瓶底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属組織とすることができ
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
通レールの瓶底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。

先ず本発明者等が具体的に用いた鋼の化学的な成分組成
は次の第１表の如くである。

然してこのような鋼Ａに対する製造方法の例としては次
の■〜■に示す通りである。

■　頭部を高強度微細パーライト組織、瓶底部を焼戻し
ベイナイト組織とする本発明レールの製造は、Ａｃ、以
上の温度より、頭部は１〜１０°Ｃ／ｓｅｃで５００″
Ｃ以下まで冷却する。同時に瓶底部を１５℃／ｓｅｃ以
上の急冷を行ない２５０〜４５０℃の温度に停止、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°Ｃ／ｓｅｃ以上の加熱速度で６００〜７００
℃に加熱して、焼戻した後放冷する。

■　頭部を高強度微細パーライト組織、瓶底部を焼戻し
ベイナイト・マルテンサイト混合Ｍｉ織とする本発明レ
ールの製造は、Ａｃ３以上の温度より、頭部は１〜ｂ で冷却する。同時に瓶底部を１５°Ｃ／ｓｅｃ以上の急
冷を行ない、２５０〜４５０°Ｃ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、点く約２４０’Ｃ）以下まで冷却してマルテンサ
イト変態させる。もしくは瓶底部を急冷して３０％以上
のマルテンサイト変態する温度（２００〜１００°Ｃ）
に冷却停止し、その後連続して２５０〜４５０　’Ｃに
加熱保持して残部オーステナイトを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６００〜７００℃に加熱して焼戻した後放冷する。

尚、初めにマルテンサイト変態させた場合には、焼戻し
昇温速度が１０°Ｃ／ｓｅｃ以下であれば、ベイナイト
変態のための加熱保持する必要なく焼戻しを行ない得る
。これは焼戻し昇温中にベイナイト変態が進行しヘイナ
イトが形成されるためである。

また、前記した第１表のｉＢ〜Ｄのように、Ｃｒ、　Ｍ
ｏ、　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と腹底部急冷時の冷却速度を
少な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。場合によっては頭部放冷でも高強度化が
達成される。

次に、鋼Ａに対して前記した処理法■〜■のように、断
面形状１３６ＲＥのレールを熱処理し、不安定破壊伝播
停止性能を評価するために次のｉ）、ｉｉ）の方法で試
験を行なった。その結果、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後述する第２
表の通りであって、本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破壊伝播停止性能を存
していることが確認された。

ｉ）　切欠付面げ試験方法 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１５１ｍで幅３鶴
の切欠（１６）を鋸によって施し、頭部（１２）を下に
して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す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。

ｉｉ　）　　腹部水平製試験方法 レール腹部水平方向亀裂停止性能を評価するため、第４
図に示す試験片（７）を第５図に示すレール（１０）の
位置から採取した。試験はＡＳＴＭ亀裂停止靭性値試験
方法に＄拠し、Ｋａ値を求めた。ここで亀裂停止靭性値
の測定に用いた荷重試験は第６図に示す通りで、基板（
６）上に試験片（７）を置き、試験片（７）の開口部（
８）にスブリトピン（９ａ）を有するくさび（９）を打
込み試験する。

試験片（７）は板厚が１６ｎ、板幅Ｗは１２８關、開口
部（８）を通る切欠（４）の幅Ｎは１０１１、切欠（４
）の開口部（８）よりの切込深さａｏは４５１璽、開口
部（８）の直径りは２５．５ｉｉである。

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

「発明の効果」 以上説明したような本発明によるときは耐摩耗用高強度
微細パーライト組織鋼レールに関して頭部から腹底部に
進む横方向不安定破壊や腹部を水平方向に伝播しつつ頭
底部に分岐しながら伝播する不安定破壊を有効に停止す
る機能を腹底部に与え、この種のレールの破断や連続的
な大規模破損を適切に防止す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図は切欠付曲げ試験片の
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図は腹部水平製試験片の正面図、第５図は該試験片
のレールにおける採取位置説明図、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において、（４）は切欠、（６）は
基板、（７）は試験片、（８）は開口部、（９）はくさ
び、（１０）はレール、（１１）は腹部、（１２）は頭
部、（１３）は底部、（１６）は切欠を示すものである
。 特許　出　願人　　日本鋼管株式会社 発　　　　明　　　　者　　　　福　　　１）　　耕　
　　三周　　　　　　　　　　　　　　　和　　　１）
　　典　　　部同　　　　　　　　　　　　　　　　中
　　　内　　　一部間　　　　　　　　　　　　　　　
加　　　胚　　　有　　三周　　　　　　　　　　　　
　　　斉　　　藤　　　義　　部間　　　　　　　　　
　　　　　　森　　　岡　　　清　　　部同　　　　　
　　　　　　　　　　義　　　之　　　鷹　　　離開　
　　　　　　　　　　　　　　上　　　１）　　正　　
　部同　　　　　　　　　　　　　　　寺　　　本　　
　豊　　相同　　　　　　　　　　　　　　　藤　　　
林　　　晃　　　部同　　　　　　　　　　　　　　　
岡　　　本　　　圭　　　肩代　理　人　弁理士　　　
白　　川　　−−第１図 手続補正書（０灼 昭和　６−・１０．頑　日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃ：０．５０〜０．８５ｗｔ％、Ｓｉ：０．１０〜
   １．００ｗｔ％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０ｗｔ％、Ｐ
   ：０．０３５ｗｔ％以下、Ｓ：０．０３５ｗｔ％以下、
   Ａｌ：０．０５０ｗｔ％以下を含有し、腹底部が高靭性
   焼戻しベイナイト組織で、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に
   優れた耐摩耗性高性能レール。 ２、Ｃｒ：０．０５〜１．５０ｗｔ％、Ｍｏ：０．０２
   〜０．２０ｗｔ％、Ｖ：０．０１〜０．１０ｗｔ％、Ｎ
   ｉ：０．１０〜１．００ｗｔ％、Ｎｂ：０．００５〜０
   ．０５０ｗｔ％ の何れか１種または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に優れた耐摩
   耗性高性能レール。 ３、Ｃ：０．５０〜０．８５ｗｔ％、Ｓｉ：０．１０〜
   １．００ｗｔ％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０ｗｔ％、Ｐ
   ：０．０３５ｗｔ％以下、Ｓ：０．０３５ｗｔ％以下、
   Ａｌ：０．０５０ｗｔ％以下を含有し、腹底部が高靭性
   焼戻しベイナイト・マルテンサイト混合組織で、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に優れた耐摩耗性高性能レール。 ４、Ｃｒ：０．０５〜１．５０ｗｔ％、Ｍｏ：０．０２
   〜０．２０ｗｔ％、Ｖ：０．０１〜０．１０ｗｔ％、Ｎ
   ｉ：０．１０〜１．００ｗｔ％、Ｎｂ：０．００５〜０
   ．０５０ｗｔ％ の何れか１種または２種以上をも含有した特許請求の範
   囲第３項に記載の不安定破壊伝播停止能力に優れた耐摩
   耗性高性能レール。