JPS63297523A - 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ｒＩＸ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２００〜ｌ　ＯＯＯ４７ｍ１ｎ−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々る。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Ｍしている
。

（３）ｓ房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。

〔問題点を解決するだめの手段〕

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５００℃以上とし、そし
て、前記噴霧水による冷却ゾーンの前後に、前記レール
頭部上面上への冷却水の滞留防止を図るための水切り用
ノズルを設けた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。こねに対して、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水噴霧冷却から
衝風冷却に切り替える温度を５００℃以上とした理由に
ついて説明する。

第３図に、Ｃ：０．７７％、Ｓｉ：０．２５％、　Ｍｎ
：０．８５％、Ｐ：Ｏ，０１６％、Ｓ：０．００７％（
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、Ａｃ５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　：　０．８６％、
Ｐ：０．０１７％、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５ｆｉ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チ。

Ｍｎ：０．９０　％、　　ｐ　　：　　０．０　１　６
％　　　Ｓ　　：　　ｏ、ｏｏｓ％以上重量％）の頭部
上表面から５＋ｍ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ｓ　ｏ　Ｏ℃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１−１１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℃／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。なお、第５図（Ａ）に示すように、水冷用ノズ
ル２からの噴霧水による冷却ゾーンの前後には、１対の
水切り用ノズル４が垂直に設けられており、水冷用ノズ
ル２からの水がレール１の頭部上面上に滞留することを
防止し、かくして、レール頭部の不均一冷却および過冷
却が防止される。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
５００℃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５００℃になるまでは噴霧水を使用し、その
後、空気を使用して安定した冷却を行なう。

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％、　　Ｓｔ　：　０．２５　％、　Ｍ
ｎ　：０．９１％、Ｐ：０．０１７％、Ｓ：０．００７
チ、・堀重量％）の頭部上表面から５鴫の位置に熱電対
を取シ付け、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、冷却ゾーン（図
中Ｉ−ｕ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５１０℃になるまで冷却し、引続き
、衝風冷却ゾーン（図中Ｉ−Ｍ間）を往復移動させて、
レール１０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２１５℃になる
まで空冷した。

このときの復熱最高表面温度は、３４０℃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％、　ｓｔ　：　０．５６％、
　Ｍｎ　：０．８６％、Ｐ：０．００２％、Ｓ：０．０
０７％。

ｃｒ：ｏ、４４７％、Ｖ：０．０５４％（以上重量％）
を含有する圧延終了直後の１３６ポント７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１７．ｃｍ）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１２．６ｍ）をそれぞ
れ７．２ｍ／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５１０℃になるまで冷却し
、続いて、空冷ゾーンにおいてレールの表面温度が３０
０℃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３０２Ｋ）のみにて冷却し、レール頭部上表面中
央部の表面下２０３１１１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
。この効果は、水切りノズル４からの噴射空気によって
、レール頭部上面上に冷却水が滞留しないことによって
、一層顕著に現われている。なお、本発明法によれば、
水使用量は２２ｎ／／ｈｒであυ、比較法によれば、３
８−／ｈｒであり水使用量が大幅に減少する。また、こ
のときの空冷ゾーンにおける空気使用量は、７９４ＯＮ
ｙｌ／　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５８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、熱処理設備の長さを短縮
することができる等積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＋ｎ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桃色、第６図（Ｎ〜（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（→のＡ−Ａ桃色、同（Ｃ）図は
、第８図（Ａ）のＢ−Ｂ桃色、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＋ａ＋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、 ５・・・空冷用ノズル、 ４・・・水切り用ノズル。

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、噴霧水による冷却から衝風冷却に
   切り替える温度を５００℃以上とし、そして、前記噴霧
   水による冷却ゾーンの前後に、前記レール頭部上面上へ
   の冷却水の滞留防止を図るための水切り用ノズルを設け
   たことを特徴とする、レールの熱処理方法。