JPS63297521A - 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
、レールの摩耗が切実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か長くなって、空気
源設備が大型化し、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、鋼片を水量密度２０
０〜’１００Ｏｔ／ｍ１ｎ−一で冷却した場合の、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、かなシ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
が必要であシ且つレール頭部への溶融塩量の付着量が多
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、長時間恒温に保持されるために、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
つ硬度のばらつきがない、レールの頭部組織を微細パー
ライト組織にするための、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、前記レール頭部を熱水噴流によって冷却し、この後
、前記レーに頭部を空気によって冷却し、前記噴霧水に
よる冷却から前記熱水噴流による冷却への切替え温度を
５３０℃以上とし、そして、前記熱水噴流による冷却か
ら前記空気による冷却への切替え温度を、前記噴霧水に
よる冷却から前記熱水噴流による冷却に切り替える温度
未満４２０℃以上の温度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、水噴霧冷却から熱水噴流冷却に切り
替える温度を５３０℃以上とし、熱水噴流冷却から衝風
冷却に切り替える温度を、水噴霧冷却から熱水噴流冷却
に切り替える温度未満４２０℃以上の間とした理由につ
いて説明する。

第３図に、Ｃ：０．７７％、Ｓｔ：０．２５％、Ｍｎ：
０．８５チ、Ｐ：０．０１６俤、Ｓ：０．００７チ（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く第４図に
示すように、復熱最高温度が４５０℃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％
ｔ　ｓｉ　：　０．２５％、　Ｍｎ　：０．８６チ、Ｐ
：０．０１７チ、Ｓ：０．００８％（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■の強度との関係を示
したグラフである。

そこで、長さ５００ｍの１３６ボンド／ヤードレールの
試験片（Ｃ：０．７５％、　　Ｓｉ　：　０．２４チ。

Ｍｎ：０．９０％、Ｐ：Ｏ，０１６％、８　：０．００
８％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９００℃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ＳＯＯ℃になるまで、レールを大気放冷し、この後
、第５図（Ａ）　、　（Ｂ）に示すように、冷却ゾーン
（図中！−■間）を、レール１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℃／気となるように、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１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
１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、第２表に示す〜却条件に従い、即ち、第１表にお
いて、ノズル型式を熱水噴射ノズルに代え、そして、冷
却水量を増加し、他の条件は上述した試験と同一にして
、冷却時間と冷却停止後のレール表面の復熱最高温度と
の関係を調べた。この結果を第７図（Ａ）　、　（Ｂ）
　、　（Ｃ）に示す。

第２表 第７図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）から明らかなよ
うに、第６図の場合と同様、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８図に示す。

第６図、第７図および第８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、水噴霧冷
却の場合、レール表面温度が約５３０℃に達したとき、
熱水噴流冷却の場合、レール表面温度が約４２０℃に達
したときであることがわかる。従って、この発明におい
ては、水噴霧冷却から熱水噴流冷却に切り替える温度を
５３０℃以上とし、熱水噴流冷却から衝風冷却に切り替
える温度を、水噴霧冷却から熱水噴流冷却に切シ替える
温度未満４２０℃以上の間としたのである。

次に、この発明の実施例について説明する。

長さ５００Ｈの１３６ボンド／ヤードレールの試験片（
Ｃ：０．７６％、Ｓｉ：０．２５％、　Ｍｎ　：０．９
１％、Ｐ：Ｏ，０１７％、Ｓ：０．００７％以上重量％
）の頭部上表面から５間の位置に熱電対を取υ付け、こ
の試験片を８．００’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９図（Ａ）　、　（Ｂ）
　、　（Ｃ）　、　（Ｄ）に示すように、水噴霧冷却ゾ
ーン（図中ｔ−ｎ間）を往復移動させて、レール１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
によって、レール表面温度が５５０″Ｃになるまで冷却
し、引続き、熱水噴流冷却ゾーン（図中■−■間）を往
復移動させて、レール１の頭部上方および両側に設けた
熱水噴流冷却用ノズル４からの熱水噴流によって、レー
ル表面温度が４２０℃になるまで冷却し、引続き、空気
冷却ゾーン（図中Ｆ／−Ｖ間）を往復移動させて、レー
ル１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
空冷しだ。このときの復熱最高表面温度は、３３０℃で
あった。第３表に冷却条件を示す。

そして、この試験片からレール頭部を切シ出し、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、マクロ組織は微細パー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１０図に示す。第１０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：　０．７８％、　Ｓｉ　：　０．５６％、　
Ｍｎ　：０．８６％、Ｐ：０．００２％、Ｓ：０．００
７％、Ｃｒ：０．４４７俤、Ｖ：０．０５４チ（以上重
量係）を含有する圧延終了直後の１３６ボンド／ヤード
レールを、第９図（Ｄ）に示すノズルを設けた水冷ゾー
ン、同（Ｃ）図に示すノズルを設けた熱水噴流冷却ゾー
ンおよび同（１１１１）図に示すノズルを設けた空冷ゾ
ーンを、７．２ｍ／ｍｉｎ　　の速度で移動させ、水噴
霧冷却ゾーンにおいて、レール表面温度を５５０　℃ま
で冷却し、続く熱水噴流冷却ゾーンにおいて、レール表
面温度を４５０℃まで冷却し、そして、空冷ゾーンにお
いて、レール表面温度を３００　”Ｃに冷却した。この
ときの冷却条件を第４表に示す。

第４表 そして、このようにして製造したレールの頭部上表面中
央部の表面下２０ｗａの、レール長手方向におけるビッ
カース硬度分布を調べた。この結果を第１１図に示す。

第１１図から明らかなように、この発明によれば、レー
ル頭部の硬度は均一であることがわかる。

ぼた、１更用空気量は、レールを衝風冷却のみによって
冷却する場合の３０チで済む。

〔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度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合に比
べて使用空気量が大幅に少ないので、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酵の強度との関係を示すグラフ、第５図（Ａ）は、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、水冷時の
復熱最高温度と冷却時間との関係を示すグラフ、第゛ｉ
図（Ａ）〜（Ｃ）は、熱水噴流冷却時の復熱最高温度と
冷却時間との関係を示すグラフ、第８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９図（Ａ）は
、この発明の冷却方法を示す正面図、同（Ｂ）図は、第
９図（Ａ）のＡ−Ａ夜回、同（Ｃ）図は、第９図（Ａ）
のＢ−Ｂ夜回、同（Ｄ）図は、第９図（Ａ）のＣ−Ｃ夜
回、第１０図は、ビッカース硬度と表面からの距離との
関係を示すグラフ、第１１図は、レール表面下２０調の
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　・・・　し　−　ル ２・・・水冷用ノズル、 ３・・・空冷用ノズル、 ４・・・熱水噴流冷却用ノズル。

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
   ル頭部を熱水噴流によつて冷却し、この後、前記レール
   頭部を空気によつて冷却し、前記噴霧水による冷却から
   前記熱水噴流による冷却への切替え温度を５３０℃以上
   とし、そして、前記熱水噴流による冷却から前記空気に
   よる冷却への切替え温度を、前記噴霧水による冷却から
   前記熱水噴流による冷却に切り替える温度未満４２０℃
   以上の温度とすることを特徴とする、レールの熱処理方
   法。