JPS63297522A - 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１、
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
気源設備が大型化し、設備的に不利となる。

（２）水まだ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２０
０〜ｌ　ＯＯＯ２７ｍ１ｎ−ｉ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７、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太きいが、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、前記レール頭部を熱水噴流によって冷却し、続
いて、前記レール頭部を衝風冷却し、熱水噴流による冷
却から衝風冷却に切り替える温度を４２０°Ｃ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、レール頭部の冷却を熱水噴流冷却か
ら衝風冷却に切り替える温度を４２０°Ｃ以上とした理
由について説明する。

第３図に、ｃ　：　０．７７％、　ｓｔ　：　０．２５
％、　Ｍｎ：０．８５　　％、Ｐ：Ｏ，Ｏ１６％、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は、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：　０．７
７　％、　ｓｉ　：　０．２５　％、　Ｍｎ：０．８６
係、Ｐ：０．０１７チ、ｓ：ｏ、ｏｏｅ％（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５００．の１３６ボンド／ヤードレールの
試験片（Ｃ：０．７５％、Ｓｉ：０．２４％。

Ｍｎ：０．９０％、　　Ｐ：Ｏ，０１６％、　　Ｓ　　
：０．００８％以上重量％）の頭部上表面から５＋＋Ｉ
ｌｌ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ＳＯＯｏＣ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熱水噴流冷却用ノズル２からの熱
水による冷却速度が２．５．１０℃／ｓｅｃ　となるよ
うに、レール１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後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４２０℃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４２０℃になるまでは熱水噴流を使用し、
その後、空気を使用すれば、安定した冷却が行なえる。

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・レールの試験片
（Ｃ：０．７６％、Ｓｉ：０．２５％、　Ｍｎ　：０．
９１％、Ｐ：０．０１７％、Ｓ：０．００７％以上重量
％）の頭部上表面から５ｍｓ＋の位置に熱電対を取り付
け、この試験片を８００℃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、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２からの熱水に
よって、レール表面温度が４２０℃になるまで冷却し、
引続き、衝風冷却ゾーン（図中Ｉ［−Ｆｌ／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２
２０℃になるまで空冷した。このときの復熱最高表面温
度は、３５０℃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：０．７８％、　Ｓｉ　：　０．５６％、　Ｍ
ｎ　：０．８６チ、Ｐ：０．００２チ、８：０．００７
％。

Ｃｒ：０．４４’ｙ％、Ｖ：０．０５４％（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）に示す熱水噴流冷却用ノズルを設け
た熱水噴流冷却ゾーン（長さ２１ｍ）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９ｍ）
をそれぞれ７．２　ｍ　／　ｍ　ｌ　Ｈの速度で通過さ
せ、熱水噴流冷却シー：／、（熱水温度１４５℃）にお
いてレールをその表面温度が４５０°Ｃ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３ｏｍ）のみにて冷却しく水
温２５℃）、レール頭部上表面中央部の表面下２０晴の
、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、本発明法によれば、熱水使用量は１９ｎ？／ｈ
ｒであり、比較法によれば、水使用量は３　Ｂ　？Ｐ／
／ｈｒであった。また、このときの空冷ゾーンにおける
空気使用量は、５７０ＯＮ　ｒｒ？／　ｈ　ｒ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７
０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
べて使用空気量が少ないので、熱処理設備を短縮するこ
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
５ｍの強度と復熱温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（→〜（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
度とレール表面からの距離との関係を示すグラフ、第１
０図は、レール表面下２０■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・・・熱水噴流冷却用ノズル 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
   レール頭部を熱水噴流によつて冷却し、続いて、前記レ
   ール頭部を衝風冷却し、熱水噴流による冷却から衝風冷
   却に切り替える温度を４２０℃以上とすることを特徴と
   する、レールの熱処理方法。