JPS63293115A - レ−ルの熱処理方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、レールの熱処理方法、特に、不均一冷却に
よる硬度のばらつきをなくし且つ熱処理設備を小形化で
きるレールの熱処理方法に関するものである。　　　　
　　　　　　　　　−〔従来の技術〕 鉄道車両の重量増に伴う高軸荷重化や高速輸送に伴って
、レールの摩耗が憫笑な問題となっており、耐摩耗性を
備えた高強度レールの供給が要望されてきている。良く
知られているように、レールの摩耗部分は、レールの頭
部上面および内側面である。従って、少なくともレール
頭部の表層部分の組織を微細パーライト組織とする必要
がある。

この微細パーライト組織を得る熱処理方法としては、第
１図に示すように、主として冷却停止温度を制御して変
態温度に保持する恒温変態熱処理と、主として冷却速度
を制御して冷却を行う連続冷却変態熱処理とがある。

冷却媒体として、衝風、噴霧水、気水混合物、沸騰水、
蒸気、溶融塩等を使用した熱処理方法が、特開昭５４−
１４８１２４号公報、特開昭５４−１４７１２４号公報
、特開昭５７−８５９２９号公報、特開昭５９−１３３
３２２号公報、特開昭６１−１４９４３６号公報等に開
示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、これらの熱処理方法は、次のような問題を有し
ている。

（１）衝風による熱処理： 衝風冷却によれば均一冷却が行なえるが、その冷却能力
は、例えば、噴霧水による場合に比べて小さい。従って
、耐摩耗性および強度向上のためには、合金元素を添加
する必要があるが、レールの製造コストが上昇する。そ
こで、衝風冷却用ノズルをレール表面に接近させて設置
し、ここから大量の圧縮空気をレール表面に噴射し、こ
れによって、所望の冷却能力を確保する方法があるが、
圧延後のオンライン熱処理の冷却域が長くなって、空気
源設備が大形化し、設備的に不利となる。

（２）　　水または気水混合物の噴霧による熱処理：こ
れらの冷媒の冷却能力は、衝風の場合に比べて大幅に優
れている。水の冷却能力の一例として、−片を水量密度
２００　＝　ｌ　ＯＯＯＬ／　ｍｉｎ　”−で冷却した
場合の、鋼片の表面温度と熱伝達係数との関係を第２図
に示すが、鋼片の表面温度が低温になるほど熱伝達係数
が増し、即ち、冷却能力が増し、２００〜３５０℃で最
大となる。これは冷却水が核沸騰することによるもので
ある。噴霧水によってレール表面を冷却すると、圧延時
および熱処理時にレール表面に発生したスケールを核と
して、冷却水が核沸騰に遷移する。この局所的な核沸騰
によりこの部分の温度が急激に降下し、これによって、
マルテンサイト組織やベイナイト組織が発生して、レー
ル頭部の硬度のばらつきをもたらす。冷却能は水の噴霧
量によって調節されるが、噴霧量の低下とともに、冷却
の均一性の維持が困難となる。気水混合物の噴霧の場合
には、冷却の不均一性の問題のみならず、かなりの量の
空気が必要で、衝風冷却に類似した問題点もまた有して
いる。

（３）沸騰水中にレール頭部を浸漬することによる熱処
理： レール頭部に蒸気膜を形成し、この蒸気膜を介して所望
の冷却能力を得るものであるが、均一に蒸気膜を形成し
且つ維持していくことが不可能に近く、現実的な方法で
はない。

（４）蒸気の噴射による熱処理： 衝風冷却に比べて冷却能力は大きいが、微細パーライト
組織を得るには、やはり大量の蒸気を必要とし、設備的
に不利である。

（５）溶融塩浴中にレール頭部を浸漬することによる熱
処理： これは冷却速度の制御、冷却の均一性の点で問題はない
が、熱処理後のレール表面に付着する溶融塩の除去装置
が必要であり且つレール頭部への溶融塩囁の付着量が多
い。従って、熱処理設備およびランニングコスト面で不
利である。

上記刊行物に開示された熱処理方法の中で、例えば、特
開昭５４−１４７１２４号公報に開示された熱処理方法
は、前述した２つの熱処理方法のうちの恒温変態熱処理
方法であるが、この方法は、変態終了を完全にする必要
性から、長時間恒温に医持されるだめに、自己焼鈍によ
る軟化現象が起こりやすく、好ましくない。

従って、この発明の目的は、熱処理設備を小型化でき且
つ硬度のばらつきをなくして、レールの頭部組織を微細
パーライト組織にするだめの、レールの熱処理方法を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、レール頭部に連続冷却変態熱処理を施して
、前記レール頭部の組織を微細パーライト組織にするに
際して、前記レール頭部を噴霧水によって冷却し、続い
て、前記レール頭部を衝風冷却し、噴霧水による冷却か
ら衝風冷却に切り替える温度を５３０℃以上とすること
に特徴を有するものである。

この発明において、熱処理方法を第１図に示す連続冷却
変態熱処理方法に限定したのは、この熱処理方法は、変
態処理後も速やかにレールを冷却することができるから
である。これに対して、恒温変態熱処理方法は、前述し
たように、変態終了後、自己軟化焼鈍現象が起るので好
ましくない。

この発明において、水噴霧冷却から衝風冷却に切り替え
る温度を５３０℃以上とした理由について説明する。

第３図に、ｃ　：　０．７１％、　ｓｌ：　０．２５１
％、　Ｍｎ：０．８５％、Ｐ：０．０１６％、８：０．
００７１％（以上重量％）を含有するレールを、連続冷
却変態熱処理したときの、Ａｃ３点からの冷却時間と金
属組織および硬度との関係を示す。

第３図から明らかなように、パーライト組織とするには
、１１℃／ｓｅＣ以下の冷却速度でオーステナイト化温
度以上から変態点温度以下まで、冷却する必要がある。

また、熱処理後の自己軟化焼鈍を防止するには、第４図
に示すように、復熱最高温度が４５０　’Ｃ以下になる
ように冷却する必要がある。なお、第４図は、Ｃ：０．
７７％、　Ｓｉ　：　０．２５　％、　Ｍｎ　：０．８
６％、Ｐ：Ｏ，０１７％、ｓ：ｏ、ｏｏｓ％（以上重量
％）を含有する公知の鋼からなるレールを、冷却速度４
．８℃／ｓｅｃで冷却したときの、復熱温度と引張強さ
から換算した硬さおよびレール頭部下５諺の強度との関
係を示したグラフである。

そこで、長さ５００■の１３６ポンド／ヤ一ドレールノ
試験片（ｃ：ｏ、ｙ５％、　ｓｔ　：ｏ、ｚ＋％。

Ｍｎ：ｏ、９ｏ％、ｐ：ｏ、ｏｌｅ％、ｓ　：ｏ、ｏｏ
ｓ％以上重量％）の頭部上表面から５１１１１１の位置
に熱電対を取り付け、この試験片を９００　’Ｃに加熱
し、この後、試験片を往復移動可能な台車に乗せて、レ
ール温度が８００　”（：になるまで、レールを大気放
冷し、この後、第５図（４）、（Ｂ）に示すように、冷
却ゾーン（図中夏−厘間）を、レールｌの頭部上方およ
び両側に設けた水冷用ノズル２からの噴霧水による冷却
速度が２　、５　、１０　℃／ｓｅｃ　となるように、
レールｌを乗せた台車（図示せず）を往復移動させてレ
ールｌを冷却し、そして、この冷却を種々の時間で停止
して、その後のレールｌの復熱温度を調べた。このとき
の冷却条件を第１表に示す。

第１表 第６図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）に、冷却時間と
冷却停止後のレール表面の復熱最高温度との関係を示す
。

第６図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）から明らかなよ
うに、冷却速度に応じて、レール表面の復熱最高温度が
ある温度から大きくばらつくことがわかる。

次に、上述した試験条件に従って、冷却停止時のレール
表面温度とレール復熱最高温度との関係を、計算機によ
って求めた。この結果を第７図に示す。

第６図および第７図かられかるように、レール表面の復
熱最高温度にばらつきが生じるのは、レール表面温度が
約５３０　’（：に達した時である。従って、この発明
においては、レール頭部の冷却媒体として、レールの頭
部温度が少なくとも５３０℃になるまでは噴霧水を使用
し、その後、空気を使用する。

次に、この発明の実施例について説明する。

長さ５００．の１３６ポンド／ヤード−Ｌ’−／ＭＤ試
験片（ｃ：ｏ、ｔｅｔ４．ｓｌ：０．２５％、　Ｍｎ　
：０．９１％、Ｐ：０．０１７％、Ｓ：０．００７％以
上重量％）の頭部上表面から５１１１１の位置に熱電対
を取り付け、この試験片を８００　’Ｃに加熱し、この
後、試験片を往復移動可能な台車に乗せて、第８図（Ａ
）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）に示すように、冷却ゾーン
（図中！−Ｕ間）を往復移動させて、レールｌの頭部上
方および両側に設けた水冷用ノズル２がらの噴霧水によ
って、レール表面温度が５４０　’Ｃになるまで冷却し
、引続き、衝風冷却ゾーン（図中■−■間）を往復移動
させて、レールｌの頭部上方および両側に設けた空冷用
ノズル３からの空気によって、レール表面温度が２００
℃になるまで空冷した。

このときの復熱最高表面温度は、３３０℃であった。第
２表に、冷却条件を示す。

第２表 そして、この試験片からレール頭部を切り出し、そのマ
クロ組織およびビッカース硬度を調べた。

この結果、マクロ組織は微細ノ（−ライト組織になって
おり、異常組織は認められなかった。また、ビッカース
硬度分布の結果を第９図に示す。第９図から明らかなよ
うに、レール頭部のビッカース硬度は、ばらつきが小さ
く且つその値も十分な耐摩耗性を有するものであること
がわかる。

次に、ｃ　：　０．７　ｓｌ、　ｓｌ：　０．５６％、
　Ｍｎ　：０．８６％、Ｐ：０．００２チ、！３：０．
００７％。

Ｃｒ：０．４４７％、ｖ：ｏ、ｏ５＊％（以上重量％）
を含有する圧延終了直後の１３６ボンド／ヤードレール
を、第８図（Ｂ）に示す水冷用ノズルを設けた水冷ゾー
ン（長さ１４．４ｍ）および第８図（Ｃ）に示す空冷用
ノズルを設けた空冷ゾーン（長さ１５．６ｍ）をそれぞ
れ７．２　ｍ／ｍｉｎの速度で通過させ、水冷ゾーンに
おいてレールをその表面温度が５６０℃になるまで冷却
し、続いて、空冷ゾーンにおいて表面温度が３００℃に
なるまで冷却した。そして、比較のために、同種類のレ
ールを、水冷ゾーン（長さ３０Ｆｌｌ）のみにて冷却し
、レール頭部上表面中央部の表面下２０１１ＩＩの、レ
ール長手方向のビッカース硬度分布を調べた。

この結果を第１０図に示す。第１０図から明らかなよう
に、本発明法は比較法に比べて、レール長手方向のビッ
カース硬度分布のばらつきが大幅に小さいことがわかる
。なお、本発明法によれ眠水使用量は２２ｎ？／ｈｒで
あったが、比較法によれば、３８？Ｆ／／ｈｒであり水
使用量が大幅に減少することもわかった。また、このと
きの空冷ゾーンにおける空気使用量は、９８００　Ｎｍ
’／ｈｒであった。

これは、衝風冷却のみによる場合の空気使用量の約４８
チ減である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、レール頭部を
、例えば噴霧水のみによって熱処理する場合に比べて、
均一冷却されるので硬麓のばらつきが小さく、しかも、
レール頭部を衝風冷却のみによって熱処理する場曾に比
べて使用空気量が少ないので、冷却ゾーンを短縮するこ
とができる等種々の有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、恒温変態熱処理および連続冷却変態熱処理に
おける時間と温度との関係を示すグラフ、第２図は、水
量密度をパラメーターとしたときの熱伝達係数と表面温
度との関係を示すグラフ、第３図は、連続冷却変態熱処
理の冷却速度と金属組織および硬度との関係を示すグラ
フ、第４図は、引張強さから換算した硬さおよび頭部下
５順の強度％を示すグラフ、第５図（相、レール試験片
の冷却方法を示す正面図、同（Ｂ）図は、第５図のＡ−
Ａ夜回、第６図（Ａ）〜（Ｃ）は、復熱最高温度と冷却
時間との関係を示すグラフ、第７図は、冷却速度をパラ
メーターとしたときの復熱最高温度と冷却停止時のレー
ル表面温度との関係を示すグラフ、第８図（Ａ）は、こ
の発明の冷却方法を示す正面図、同（Ｂ）図は、第８図
（、Ａ）のＡ−Ａ夜回、同（Ｃ）図は、第８図（Ａ）の
Ｂ−Ｂ夜回、第９図は、ビッカース硬ｉ％からの距離と
の関係を示すグラフ、第１０図は、レール表面下２０ｍ
のビッカース硬度とレール長手方向位置との関係を示す
グラフである。 図面において、 １・・・レール ２・・・水冷用ノズル、 ３・・・空冷用ノズル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レール頭部に連続冷却変態熱処理を施して、前記レール
   頭部の組織を微細パーライト組織にするに際して、前記
   レール頭部を噴霧水によつて冷却し、続いて、前記レー
   ル頭部を衝風冷却し、そして、噴霧水による冷却から衝
   風冷却に切り替える温度を５３０℃以上とすることを特
   徴とする、レールの熱処理方法。