KR100202251B1

KR100202251B1 - 우수한 내마모성을 가지는 펄라이트강 레일 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100202251B1
Application number: KR1019960703803A
Authority: KR
Inventors: 마사하루 우에다; 히데아끼 가게야마; 고우이찌 우찌노; 고지 바바조노; 겐 구따라기
Original assignee: 다나카 미노루; 신니뽄 세이데스 가부시키가이샤
Priority date: 1994-11-15
Filing date: 1995-11-13
Publication date: 1999-06-15
Also published as: WO1996015282A1; CN1044826C; RU2112051C1; CN1140473A; DE69523149T2; USRE40263E1; CA2181058A1; EP0754775A1; AU687648B2; EP0754775A4; DE69523149D1; BR9506522A; CA2181058C; AU3856495A; USRE42360E1; US5762723A; EP0754775B1; USRE41033E1; KR970700783A; USRE42668E1

Abstract

본 발명은 중하중 철도의 급격하게 휘어진 구역의 레일에 요구되는 내마모성과 내손상성을 개선하는 것을 목적으로 0.85 초과 1.20%까지의 C, 0. 10에서 1.00%의 Si, 0.40에서 1.50%의 Mn, 그리고 필요하다면 Cr, Mo, V, Nb, Co, 그리고 B으로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 종으로 이루어지고 열간 압연의 고온을 유지하거나 또는 열처리의 목적으로 고온까지 가열된 강 레일에 관한 것으로 본 발명은 양호한 내마모성과 양호한 내손상성을 가지는 펄라이트 강 레일을 제공하고, 상기 강 레일의 헤드부가 1에서 10/초의 속도로 오스테나이트 구역 온도로부터 700에서 500

Description

우수한 내마모성을 가지는 펄라이트강 레일 및 그 제조방법

제1도은 니시하라 마모 시험기로 시험한 통상의 공석 조성 펄라이트 레일 강 및 본발명에 따른 과공석 조성의 펄라이트 레일 강의 마모 시험 특성을 보여주는 도표.

제2도는 1000에서 가열 후 공석 레일 강 및 과공석 레일 강의 연속 냉각 변태(CCT)를 보여주는 도표.

제3도는 비교예인 레일 강 및 본 발명에 따른 레일 강에 있어서 층상 간격과 세멘타이트 두께/페라이트 두께 사이의 관계를 보여주는 도표.

제4도는 비교예인 레일 강 및 본 발명에 따른 레일 강의 마모 시험 결과로써 층상간격과 마모량 사이의 관계를 보여주는 도표.

제5도는 본 발명에 따른 레일 강에 있어서 세멘타이트/페라이트 층간의 공간의 예를 보여주는 사진.

제6도는 레일 헤드부의 단면으로 표면부 호칭을 보여주는 개략도.

제7도는 니시하라 마모 시험기를 보여주는 개략도.

제8도는 본 발명에 따른 레일 강 및 비교예인 레일 강의 마모 시험 결과로써 경도와 마모량 사이의 관계를 보여주는 도표.

제9도는 본 발명의 일 실시예에 따른 레일 헤드부 단면의 경도 분포 예를 보여주는 도표.

제10도는 구름(rolling) 피로 시험기의 외관을 보이는 개략도.

제11도는 구름 피로 시험에서 궤간 구석부(gage corner portion)의 경도와 마모량 사이의 관계를 보여주는 도표.

제12도는 용접부로부터의 거리와 본 발명에 따른 레일 강 및 비교예인 레일 강의 경도 분포 사이의 관계를 보여주는 도표.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 헤드상부 2 : 헤드 구석부

3 : 레일 시편 4 : 짝 재료

5 : 냉각 노즐 6 : 디스크형 레일 시편

7 : 디스크형 바퀴 시편 8 : 모터(레일측)

9 : 모터(바퀴측) 10 : 수윤활장치

본 발명은 중(重)하중 철도 곡선부의 레일에 요구되는 내마모성 및 내파단성을 향상시켜, 상기 레일의 사용수명을 현저히 향상시키는 펄라이트강 레일과 상기 레일의 제조 방법에 관한 것이다.

철도 운송의 고효율을 이루기 위한 수단의 하나로 열차의 속도와 하중을 향상시키려는 시도가 있어 왔다. 상기 철도 운송의 효율 향상은 레일의 가혹한 사용을 의미하고, 레일 재료에 있어서의 현저한 진전이 요구된다. 더욱 상세하게는 중하중 철도의 곡선부에 깔리는 레일에는 마모가 극심하게 증가하여 상기 레일의 사용수명 측면에서 문제를 발생시킨다.

그러나, 공석 탄소강을 사용하여 미세 펄라이트 구조를 가지는 고강도(고경도) 레일이 이하에서 서술하는 최근의 고강도 레일 열처리 기술의 진전으로 개발되어, 중하중 철도 곡선부에서의 사용수명이 현저하게 개선되었다.

(1) 레일 헤드부에 미세 펄라이트 구조의 소르바이트(sorbite) 구조를 가지는 초중하중용 열처리 레일(일본특허공보 No. 54-25490) ;

(2) Cr, Nb 등과 같은 합금원소를 첨가하여 내마모성과 용접부에서의 경도저하를 개선시킨 저합금 열처리 레일의 생산방법(일본특허공보 No. 59-19173) ;

(3) 압연이 행해진 후 또는 재열 오스테나이트 구역 온도로부터 850에서 500사이에서 1에서 4/초의 속도로 가속 열처리를 행하여 생산된 강도가 적어도 130kgf/mm²인 고강도 레일의 생산방법.

상기 레일들의 특징은 상기의 것들이 공석 탄소 함유 강의 미세 펄라이트 구조가 보여주는 고강도(고경도) 레일이라는 것과 상기 레일들은 내마모성의 개선에 목적을 두고 있다는 점이다.

그러나, 최근의 중하중 철도에 있어서는 철도 운송의 효율을 더욱 향상시키기 위해 화차의 축하중 증가(열차의 하중 증가)가 현저하게 이루어졌다. 상기 레일이 급격하게 휘어져 있는 경우, 상술한 바와 같이 개발된 레일이 사용되더라도 상기 내마모성은 확보되어질 수 없어서 마모에 기인하는 레일 사용수명의 저하가 큰 문제로 되어 왔다. 그러한 배경에서 현존하는 공석 탄소강의 내마모성에 비해 큰 내마모성을 가지는 레일의 개발이 요구되었다.

바퀴와 레일간의 접촉 상태는 복잡하다. 특히 내부 트랙 레일에서의 바퀴의 접촉상태는 곡선부의 외부 트랙 레일에 비교해서 매우 다르다. 예를 들면 중하중 철도의 급격하게 휘어진 부분의 외부 트랙 레일위에 상기 바퀴 플랜지가 원심력에 의해 궤간의 구석부로 강하게 밀려서 미끄러지듯 접촉하게 된다. 반면에 휘어진 부분의 내부 트랙 레일의 헤드상부(上部)에서 상기 레일은 바퀴로부터 큰 접촉 압력을 가지는 큰 활주(滑走) 접촉을 받는다. 결과적으로 레일 헤드부의 단면 내부로 상기 헤드 표면 경도가 균일한 종래 기술에 따른 고강도 내마모성 레일의 경우, 내부 트랙 레일의 활주 접촉을 받는 헤드상부에 비해 외부 트랙 레일의 미끄러지는 접촉을 받는 궤간 구석부에서 마모가 훨씬 촉진된다. 반면에, 궤간 구석부에 비해서 내부 트랙 레일의 헤드상부에서 상기 마모의 진행이 항상 더 느리고, 상기 바퀴의 접촉 표면 압력은 항상 최대이다. 따라서, 닳아버리기 전에 상기 헤드 윗 부분에 피로 손상이 일어난다.

종래 기술에 따른 균일한 마모 특성을 가지는 고강도 내마모성 레일에 있어서 레일 헤드부에서의 바퀴와의 접촉 상태는 상술한 접촉상태로 되기 쉽다. 따라서, 레일을 깐 후 레일의 바퀴에의 맞음(fitting)이 초기 마모 상태에서 즉시 빠르게 이루어지지 않는다면, 국부적이고 초과적인 접촉 표면 압력이 연속적으로 레일에 작용하여 피로에 기인하는 표면 손상이 일어나기 쉽다. 또, 심지어 맞음이 레일과 바퀴간에 이루어진 경우라도, 큰 접촉 표면 압력이 항상 상기 헤드상부에 작용하므로 일반적으로 궤간 구석부에서 발생하는 소위 헤드 체크(head check)와 유사한 표면 손상이 마모가 덜하기 때문에 소성 변형과 함께 일어난다.

상기 문제에 적응하기 위해, 상기 구름 피로 막이 형성되기 전에 상기 레일 헤드상부의 표면막을 제거하는 방법이 있다. 상기 제거 작업은 많은 시간을 요하므로 가격이 비싸기 때문에 다음의 레일이 개발되었다.

(4) 궤간 구석부에서 단면으로 균일한 헤드 표면 경도를 가지는 전형적인 고강도 내마모성 레일의 것과 동등한 내마모성을 보장하고, 헤드부에서의 경도를 감소시켜 최대 표면 압력을 줄이고(접촉면적을 증가시키기 위해서), 마모 촉진 거동에 기인하는 표면 내손상성을 개선하기 위해서; 경도의 차이가 있으면서 공석 탄소 함유강의 미세 펄라이트 구조를 보이는 고강도 및 내손상성 레일을 제공하여 레일 헤드부의 단면에 따른 경도 분포에 있어서 궤간 구석부의 경도가 표면 헤드부의 것보다 크게 한다.

그러나, 철도 운송의 고효율을 이루기 위해 화차의 축하중 증가(철도 하중의 증가)가 최근 급격하게 이루어져 왔고, 심지어 상술한 바와 같이 개발된 레일이 사용되는 경우에도, 비록 급격하게 휘인 부분에 내부 트랙 레일에 있어서의 헤드상부의 주기적인 그라인딩으로 표면손상을 막을 수는 있을지라도 외부 트랙 레일의 궤간 구석부에서의 충분한 내마모성이 확보될 수 없다.

과거 레일 강으로 사용되어 왔던 공석 탄소 조성의 펄라이트 구조는 낮은 경도를 가지는 페라이트층과 관상의 경한 세멘타이트층으로 이루어진 층상구조를 가진다. 펄라이트 구조의 마모 기구의 관찰 결과, 본 발명의 발명자들은 연한 페라이트 구조가 바퀴가 반복적으로 통과하기 때문에 먼저 쭈글어들고, 단지 경한 세멘타이트만이 그 후 압연 표면직하에서 형성되어지고, 전자에 가공 경화가 가해져서 그에 의해 내마모성을 보장하는 것으로 확인되었다.

따라서, 본 발명자들은 고내마모성을 얻기 위해 펄라이트 구조의 경도를 증가시키고, 상기 경한 관상의 세멘타이트층의 비율를 증가시키기 위해 동시에 탄소 조성을 증가시켜서 압연 표면직하에서의 세멘타이트의 밀도를 증가시키는 것에 의해 내마모성이 현저하게 향상될 수 있음을 일련의 실험을 통해 알아냈다.

또, 본 발명의 발명자들은 내마모성의 향상에 직접적으로 영향을 주는 탄소 조성의 증가에 특별한 관심을 가져 과공석강에서 펄라이트 구조를 안정적으로 얻을 수 있는 열처리법을 개발하였다. 제1도는 실험적으로 얻어진 공석강과 과공석강 사이의 내마모성의 비교 결과를 보여준다. 본 발명자들은 같은 경도(강도)에서 탄소 조성의 증가에 의해 과공석강에 있어서의 내마모성이 현저하게 개선됨을 알아냈다. 상기 열처리법에서 주목할 만한 점은 탄소 조성이 증가하는 경우, 펄라이트 변태의 코(시작)가 공석강 조성 재료의 경우에 비해 훨씬 많이 단시간 구역쪽으로 이동하고, 공석강과 과공석강의 연속 냉각 변태 도표인 제2도에 나타난 것처럼 펄라이트 변태가 훨씬 일어나기 쉽다는 것에 있다. 환언하면, 본 발명자들은 과공석강 레일의 열처리에서 고강도를 얻기 위해서는, 전형적인 공석 조성의 강의 경우에 비해 가속 냉각율이 훨씬 많이 증가되어야 한다는 것을 알게 되었다. 과공석강의 또 다른 문제점인 취성을 일으키는 초석(proeutectoid) 세멘타이트의 형성을 막기 위해서 가속 냉각율의 개선이 유효하다. 결과적으로, 본 발명자들은 고탄소 조성에 기인하는 내마모성의 개선이 오스테나이트 입계에서의 초석 세멘타이트 형성을 방지하는것에 의해 기대될 수 있다는 것을 알게 되었다.

또, 본 발명자들은 헤드부 단면 내부로의 경도 차이가 있는 공석 탄소-함유 강에 의한 통상적인 레일에서의 문제점인 궤간 구석부의 내마모성은 궤간 구석부의 경도가 헤드상부의 것보다 더 커지게 되는 형식으로 상술한 고탄소 조성을 갖는 펄라이트 구조의 레일 헤드부에 경도의 차이를 주어 더욱 개선될 수 있고, 초기 마모 상태하에서 바퀴와 레일간의 맞음이 접촉 표면 압력과 헤드상부의 마모를 감소시키는 것에 의해 동시에 개선될 수 있고, 그로 인해 압연 피로 층의 성장이 방지될 수 있음을 확인하게 되었다. 헤드상부의 경도를 궤간 구석부의 경도에 비해 낮은 값으로 정하는 것에 의해 생기는 효과는 외부 트랙 레일의 궤간 구석부의 국부 마모를 방지하기 위해서 그리고 중하중 철도위에 주기적으로 가해지는 구석부 내부위의 응력 집중에 기인하는 내부 피로 손상을 방지하기 위해서 레일 헤드 단면 그라인딩이 행해지는 경우 절단 작업이 더욱 용이해지게 된다는 것이다. 이 효과는 내부 트랙 레일의 헤드상부 절단이 행해지는 경우 유사하게 얻어질 수 있다.

본 발명은 레일의 사용 수명을 현저하게 향상시키고 저가로 상기 레일을 공급하기 위해 중하중 철도의 급격하게 휘는 지역에 요구되는 내마모성과 내손상성의 개선에 목적이 있다.

레일 용접에 광범위하게 응용되는 저항 플래쉬 버트 용접(resistance flash butt welding)의 경우에, 열처리에 의해 고강도를 가지는 기지 금속부는 열처리 때문에 연결 부분에서 연화되어 그 곳에서 국부 연화를 유발하고, 연결부분의 탈락은 소음과 진동의 유발 원인이 될 뿐만 아니라 노반의 손상과 레일의 파단으로 이어진다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고 다음에 그 핵심을 갖는다.

(1) 펄라이트 강 레일에 있어서, 중량 퍼센트로 0.85 초과 1.20%까지의 탄소를 포함하며, 여기서 상기 강 레일의 구조가 펄라이트이고, 상기 펄라이트의 펄라이트 층상 간격이 100nm 이하이고, 펄라이트의 페라이트 두께에 대한 세멘타이트 두께의 비가 적어도 0.15인 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일.

(2) 펄라이트 강 레일에 있어서, 중량 퍼센트로 0.85 초과 1.20%까지의 탄소를 포함하고, 여기서 상기 강 레일에 있어서 헤드부 표면을 시점으로하여 레일 헤드부로부터 20mm의 깊이 범위 내에서의 구조가 펄라이트이고, 상기 펄라이트의 펄라이트 층상 간격이 100nm 이하가 되고, 상기 펄라이트의 페라이트 두께에 대한 세멘타이트 두께의 비가 적어도 0. 15인 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일.

(3) 펄라이트 강 레일에 있어서, 중량 퍼센트로

C : 0.85 초과 1.20%까지,

Si : 0.10에서 1.00%,

Mn : 0.40에서 1.50%, 그리고

Fe 및 피할 수 없는 불순물로 구성되는 잔부로 이루어지고, 여기서 상기 강 레일의 구조가 펄라이트이고, 상기 펄라이트의 펄라이트 층상 간격이 100nm 이하이고, 상기 펄라이트의 페라이트 두께에 대한 세멘타이트 두께의 비가 적어도 0.15인 양호한 내마모성을 가지는 펄라리트 강 레일.

(4) 펄라이트 강 레일에 있어서, 중량 퍼센트로

C : 0.85 초과 1.20%까지,

Si : 0.10에서 1.00%,

Mn : 0.40에서 1.50%, 그리고

Fe 및 피할 수 없는 불순물로 구성되는 잔부로 이루어지고, 여기서 상기 강 레일에 있어서 헤드부 표면을 시점으로하여 헤드부의 표면으로부터 20mm의 깊이 범위 내에서의 구조가 펄라이트이고, 상기 펄라이트의 펄라이트 층상 간격이 100nm 이하이고, 상기 펄라이트의 페라이트 두께에 대한 세멘타이트 두께의 비가 적어도 0.15인 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일.

(5) 펄라이트 강 레일에 있어서, 중량 퍼센트로

C : 0.85 초과 1.20%까지,

Si : 0.10에서 1.00%,

Mn : 0.40에서 1.50%,

다음으로 구성되는 군으로부터 선택되는 종들 중 적어도 하나:

Cr : 0.05에서 0.50%,

Mo : 0.01에서 0.20%,

V : 0.02에서 0.30%,

Nb : 0.002에서 0.05%,

Co : 0.10에서 2.00%,

B : 0.0005에서 0.005%, 그리고

Fe 및 피할 수 없는 불순물로 구성되는 잔부로 이루어지고, 여기서 상기 강 레일의 구조가 펄라이트이고, 상기 펄라이트의 펄라이트 층상 간격이 100nm 이하이고, 상기 펄라이트의 페라이트 두께에 대한 세멘타이트 두께의 비가 적어도 0.15인 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일.

(6) 펄라이트 강 레일에 있어서, 중량 퍼센트로

C : 0.85 초과 1.20%까지,

Si : 0.10에서 1.00%,

Mn : 0.40에서 1.50%,

Cr : 0.05에서 0.50%,

Mo : 0.01에서 0.20%,

V : 0.02에서 0.30%,

Nb : 0.002에서 0.05%,

Co : 0.10에서 2.00%,

B : 0.0005에서 0.005%, 그리고

(7) 용접 연결부와 기지 금속간의 경도 차이가 Hv 30 이하인, (1)번 또는 (2)번에 따른 양호한 용접성과 고내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일.

(8) 화학적 조성이 추가적으로 중량 퍼센트로 Si + Cr + Mn : 1.5에서 3.0%의 관계를 만족시키는 (3)번 내지 (6)번 중 어느 것에 따른 양호한 용접성과 고내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일.

(9) 용융되어 주조된 강을 열간 압연하는 단계, 열간 압연 직후에 압연 열을 보유하고 있는 강 레일 또는 오스테나이트 온도로부터 1에서 10/초의 냉각 속도인 열처리를 위하여 가열된 강 레일물 가속 냉각하는 단계, 상기 강 레일 온도가 오스테나이트 온도로부터 700에서 500에 이르는 경우 가속 냉각을 멈추는 단계, 그리고 그 후 상기 강 레일을 냉각되도록 하는 단계로 이루어지고, 여기서 상기 강 레일의 헤드부의 표면으로부터 20mm의 깊이 범위 내에서의 경도가 적어도 Hv 320인 (1)번에서 (6)번 중 어느 하나에 따른 화학적 조성으로 이루어지는 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일의 제조방법.

(10) 용융되어 주조된 강을 열간 압연하는 단계, 열간 압연 직후에 압연 열을 보유하고 있는 강 레일 또는 오스테나이트 온도로부터 10에서 30/초의 냉각 속도인 열처리를 위하여 가열된 강 레일을 가속 냉각하는 단계, 상기 강 레일의 펄라이트 변태가 적어도 70% 진행된 경우 가속 냉각을 멈추는 단계, 그리고 그 후 상기 강 레일을 냉각되도록 하는 단계로 이루어지고, 여기서 상기 강 레일의 헤드부의 표면으로부터 20mm의 깊이 범위 내에서의 경도가 적어도 Hv 320인 (1)번에서 (6)번 중 어느 하나에 따른 화학적 조성으로 이루어지는 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일의 제조방법.

(11) 용융되어 주조된 강을 열간 압연하는 단계, 열간 압연 직후에 압연 열을 보유하고 있는 강 레일 또는 오스테나이트 온도로부터 1에서 10/초의 냉각 속도인 열처리를 위하여 가열된 강 레일의 궤간 구석부를 가속 냉각하는 단계, 상기 강 레일의 궤간 구석부 온도가 오스테나이트 온도로부터 700에서 500에 이르는 경우 가속 냉각을 멈추는 단계, 그리고 그 후 상기 강 레일을 냉각되도록 하는 단계로 이루어지고, 여기서 상기 강 레일의 궤간 구석부의 경도가 적어도 Hv 360이고 헤드상부의 경도가 Hv 250에서 320인 (1)번에서 (6)번 중 어느 하나에 따른 화학적 조성으로 이루어지는 양호한 내마모성과 양호한 내손상성을 가지는 펄라이트 강 레일의 제조방법.

(12) 용융되어 주조된 강을 열간 압연하는 단계, 열간 압연 직후에 압연 열을 보유하고 있는 강 레일 또는 오스테나이트 온도로부터 10에서 30/초의 냉각 속도인 열처리를 위하여 가열된 강 레일의 궤간 구석부를 가속 냉각하는 단계, 상기 강 레일의 궤간 구석부의 펄라이트 변태가 적어도 70% 진행된 경우 가속 냉각을 멈추는 단계, 그리고 그 후 상기 강 레일을 냉각되도록 하는 단계로 이루어지고, 여기서 상기 강 레일의 궤간 구석부 경도가 적어도 Hv 360이고 상기 헤드상부의 경도가 Hv 250에서 320인 (1)번에서 (6)번 중 어느 하나에 따른 화학적 조성으로 이루어지는 양호한 내마모성과 양호한 내손상성을 가지는 펄라이트 강 레일의 제조방법.

(13) 용융되어 주조된 강을 열간 압연하는 단계, 열간 압연 직후에 압연 열을 보유하고 있는 강 레일 또는 오스테나이트 온도로부터 1에서 10/초의 냉각 속도인 열처리를 위하여 가열된 강 레일을 가속 냉각하는 단계, 상기 강 레일 온도가 700에서 500에 이르는 경우 가속 냉각을 멈추는 단계, 그리고 그 후 상기 강 레일을 냉각되도록 하는 단계로 이루어지고, 여기서 상기 강 레일의 헤드부의 표면으로부터 20mm의 깊이 범위 내에서의 경도가 적어도 Hv 320인 (1)번에서 (6)번 중 어느 하나에 따른 화학적 조성으로 이루어지는 양호한 용접성과 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일의 제조방법.

과거 레일 강으로 사용되어져 왔던 공석 탄소 조성의 펄라이트 구조는 낮은 경도를 가지는 페라이트 층과 관형의 경한 세멘타이트 층으로 이루어지는 층상 구조를 가진다. 상기 펄라이트 구조의 내마모성의 개선 방법은 일반적으로 층상간격 :[=(페라이트 두께: t₁) + (세멘타이트 두께: t₂)]을 감소시키고 상기 경도를 증가시키는 것이다. 예를 들면, Metallurgical Transactions, Vol. 7A(1976)의 1217쪽에 있는 그림 1에 나와있는 것처럼, 경도는 펄라이트 구조의 층상 간격을 미세하게 바꿔줌으로해서 현저하게 향상될 수 있다.

공석 탄소 강의 미세 펄라이트 구조를 보이는 고경도 레일에 있어서, 현존하는 펄라이트의 경도는 상한이다. 열처리에서 냉각 속도를 증가시키거나 합금원소를 첨가하는 것에 의해 상기 펄라이트 층상 간격을 좀 더 미세화시키려는 시도가 행해지는 경우, 펄라이트 구조내에 경한 마르텐사이트 구조가 형성되어 상기 레일의 인성 및 내마모성 양자 모두가 떨어진다.

또 다른 해법은 펄라이트 구조의 것보다 더 나은 내마모성을 가지는 금속 조직을 가지는 재료를 사용하는 것이다. 그러나, 레일과 바퀴 간의 압연 마모의 경우에, 미세 펄라이트 구조보다 더 경제적이고 더 나은 내마모성을 가지는 재료는 아직 알려지지 않았다.

펄라이트 구조의 마모기구는 다음과 같다. 상기 바퀴가 접촉하게되는 레일 표면 층에서, 상기 바퀴에 반복적인 접촉을 받는 가공 층은 열차의 진행 방향에 반대되는 방향으로 먼저 소성 변형을 받게 되고, 상기 세멘타이트 판 사이에 끼워진 연한 페라이트 층이 쭈글어들고, 동시에 상기 세멘타이트 판이 상기 가공을 받는 즉시 절단된다. 또, 상기 절단된 세멘타이트는 상기 바퀴의 반복 하중을 받아서 구상으로 변하고, 그 후 단지 경한 세멘타이트만이 상기 바퀴의 압연 표면 직하에 쌓이게 된다. 상기 바퀴에 의한 가공 경화에 부가하여, 상기 세멘타이트의 밀도는 내마모성을 확보하는데 중요한 역할을 한다. 따라서, 본 발명의 발명자들은 탄소 조성을 증가시켜 강도(경도)를 얻고, 동시에 펄라이트 구조의 내마모성을 확보하는 관상의 경한 세멘타이트 구조의 비를 증가시키기 위해서 상기 펄라이트 층상 간격을 미세하게 만들었다. 이러한 방법으로, 상기 세멘타이트는 심지어 가공을 받아 구상이 되더라도 절단되기가 더 어려워지게 된다. 인성과 연성을 희생하지 않고도 압연 표면 직하에서의 세멘타이트의 밀도를 증가시킴으로 해서 내마모성이 급격하게 향상될 수 있음을 본 발명자들은 실험을 통해 확인하였다.

이 이후로 본 발명이 더욱 상세하게 설명될 것이다.

우선, 상기 레일의 화학적 조성이 본 발명에서 상술한 것처럼 제한된 이유가 설명될 것이다.

탄소는 펄라이트 구조를 만들고 내마모성을 확보하는데 효과적인 원소이다. 일반적으로는 0.60에서 0.85%의 탄소가 레일 강에 사용된다. 만약 탄소 조성이 0.85% 이하라면, 내마모성을 확보하는 적어도 0.15의 펄라이트 구조에 있어서 세멘타이트 두께 t₂의 페라이트 두께 t₁에 대한 비 Rc(Rc= t₂/t₁)가 확보될 수 없고, 이에 부가하여, 층상 간격이 경화능이 떨어지기 때문에 펄라이트 구조에서 100nm 미만으로 유지될 수 없다. 만약 탄소 조성이 1.20%를 초과하는 경우, 오스테나이트 입계에서의 초석 세멘타이트의 양이 증가하고 연성 및 인성 양자 모두가 현저하게 떨어진다. 따라서, 탄소 조성은 0.85 초과에서 1.20%까지의 범위로 제한된다.

다음은 C 이외의 원소들이 설명될 것이다.

실리콘은 펄라이트 구조에서 페라이트 상에 고용 경화에 강도를 개선하고, 비록 제한적이기는 하지만, 레일 강의 인성을 개선한다. 만약 상기 Si 조성이 0.10% 미만이라면 그 효과는 충분치 못하고, 상기 Si 조성이 1.20%를 초과하는 경우 취성을 유발하고 용접성을 떨어뜨린다. 따라서, 상기 실리콘 조성은 0.10에서 1.20%로 제한된다.

망간은 유사하게 펄라이트 변태 온도를 낮추는 원소로 경화능을 향상시켜 강도를 높이는데 기여하고, 공정 세멘타이트의 형성을 제한한다. 만약 상기 Mn 조성이 0.40% 미만이라면, 그 효과는 작고 1.50%를 초과한다면 마르텐사이트 구조가 편석부에 생기기 입다. 따라서, 상기 Mn 조성은 0.40에서 1.50%로 제한된다.

또, 강도, 연성 및 인성을 개선하기 위하여 필요한 경우 상술한 조성 성분으로 만들어지는 레일에 후술하는 원소 중 적어도 하나가 가해진다 :

Cr : 0.05에서 0.50%, Mo : 0.01에서 0.20%,

V : 0.02에서 0.30%, Nb : 0.002에서 0.05%,

Co : 0.10에서 2.00%, B : 0.0005에서 0.005%.

다음에 상기 화학 성분이 요구되어지는 이유가 설명될 것이다.

크롬은 펄라이트의 평형 변태점을 올려 결국에는 펄라이트 조직을 미세하게 만들어 강도를 높이는데 기여한다. 동시에, 펄라이트 구조에 있는 세멘타이트상을 강화하고 내마모성을 개선한다. 만약 크롬 함량이 0.05% 미만이라면, Cr의 효과는 작고, 만약 0.50%를 초과한다면 Cr의 과잉 첨가가 마르텐사이트 구조의 형성과 상기 강의 취성을 유발한다. 따라서, 상기 Cr 성분은 0.05에서 0.50%로 제한된다.

몰리브덴은 Cr과 같은 형태로 펄라이트의 평형 변태점을 올려서 결국에는 상기 펄라이트 구조를 미세하게하여 강도를 높이는데 기여한다. Mo 역시 내마모성을 개선한다. 그러나, 만약 Mo 성분이 0.01% 미만이라면 그 효과는 작고, 0.20%를 초과한다면 과잉 첨가가 펄라이트 변태 속도의 저하와 인성에 치명적인 마르텐사이트 구조의 형성을 유발한다. 따라서, Mo 성분은 0.01에서 0.20%로 제한된다.

바나듐은 열간 압연시 냉각과정 중 형성되는 바나듐 탄화물과 질화물 때문에 석출 경화에 의해서 소성 변형능을 개선하고, 열처리가 고온에서 행해지는 경우 오스테나이트 입자의 성장을 제한하여 그에 의해 상기 오스테나이트 입자를 미세하게 만들고, 냉각 후 펄라이트 구조를 강화하고 레일에 요구되는 강도와 인성을 개선한다. 만약 V 성분이 0.03% 미만이라면 그 효과가 기대될 수 없고, 0.30%를 초과한다면 그 효과가 역시 기대될 수 없다. 따라서, V 성분은 0.03에서 0.30%로 제한된다.

니오븀은 바나듐과 같은 형태로 니오븀 탄화물과 질화물을 형성하고 오스테나이트 입자를 미세화하는데 효과적이다. Ni의 오스테나이트 입자 성장 제한효과는 V에 비해 더 높은 온도(거의 1200)까지 지속되고, Nb는 상기 강의 연성과 인성을 개선한다. 그러나, 만약에 Nb 성분이 0.002% 미만이라면 Nb의 효과는 기대될 수 없고, 0.050%를 초과한다면 과잉 첨가가 상기 효과를 증가시키지 못한다. 따라서, Nb 성분은 0.002에서 0.050%로 제한된다.

코발트는 펄라이트의 변태 에너지를 증가시키고 펄라이트 구조를 미세하게 만들어 강도를 개선한다. 그러나, 만약에 Co 성분이 0. 10% 미만이라면 그 효과는 기대될 수 없고, 2.00% 를 초과한다면 과잉의 첨가는 포화된다. 따라서, Co 성분은 0.10에서 2.00%로 제한된다.

붕소는 원래 오스테나이트 입계로부터 발생되는 초석 세멘타이트를 제한하는 효과를 제공하고, 펄라이트 구조를 안정적으로 형성하게 하는데 유효한 원소이다. 그러나, 만약 B 성분이 0.0005% 미만이라면 그 효과가 약해지고, 만약 B 성분이 0.0050%를 초과한다면 조악한 B 화합물이 형성되고 상기 레일 성질이 열화된다. 따라서, B 성분은 0.0005에서 0.0050%로 제한된다.

용접부 개선과 관련하여, 본 발명은 플래쉬 버트 용접 등으로 전형적인 레일 강을 용접할 때 용접 연결부의 경도 분포에서 일어나는 연결부의 경도 저하를 막기 위한 레일 조성으로써 Si, Cr 및 Mn에 특히 관심을 가졌다. 환언하면, 플래쉬 버트 용접등에 의한 연결부의 경도 저하는 기지 금속에 Hv 30 이하의 경도를 유발하고, 만약 상기 예에 있어서 Si + Cr + Mn 값이 1.5% 미만이라면 용접 연결부의 경도 저하는 억제될 수 있다. 반면에, 만약 상기 Si + Cr + Mn 값이 3.0%를 초과한다면 마르텐사이트 구조가 용접 연결부에 섞이고 상기 연결부는 열화된다. 따라서, 본 발명에 있어서 상기 Si + Cr + Mn 값은 1.5에서 3.0%로 제한된다.

상술한 성분 조성을 가지는 레일 강이 전로, 전기로 등과 같이 통상 사용되어지는 용융로에 의해 용융되고, 레일은 상기 용융 강에 잉고트로 만들어 분괴하는법이나 연속 주조법을 적용한 후 열간 압연을 적용시켜 만들어진다. 다음으로, 열간 압연의 고온 열을 보유하고 있는 상기 레일의 헤드부 또는 열처리 목적으로 고온까지 가열된 상기 레일의 헤드부가 가속 냉각되고, 상기 레일 헤드부의 펄라이트 구조의 층상 간격이 미세하게 된다.

다음으로, 펄라이트 구조가 확보되는 범위는 바람직하게는 상기 강 레일에 있어서 헤드부 표면을 시점(始點)으로하여 레일 헤드부로부터 20mm의 깊이 범위로 정해지는데 그 이유는 다음과 같다. 왜냐하면, 만약 상기 깊이가 20mm 미만이라면 상기 레일 헤드부의 내마모 범위가 작아지고 장기간의 사용 수명이 충분하게 얻어질 수 없기 때문이다. 만약 상기 펄라이트 구조가 확보되는 범위가 상기 강 레일에 있어서 헤드부 표면을 시점으로하여 레일 헤드부로부터 30mm의 깊이 범위를 초과한다면 상기 레일의 바람직하게 긴 사용 수명이 충분하게 얻어질 수 없다.

그런데, 레일 헤드 표면이라는 용어는 레일 헤드상부 및 레일 헤드측부를 의미하거나, 또는 바꿔말하면 상기 바퀴 접촉면과 열차의 플랜지가 레일과 접촉하게되는 부분을 의미한다.

다음으로, 펄라이트 구조에 있어서 펄라이트 층상 간격(=페라이트 두께 t₁+ 세멘타이트 두께 t₂) 및 세멘타이트 두께 t₂의 페라이트 두께 t₁에 대한 비 Rc (Rr = t₂/t₁)가 상술한 바와 같이 제한되는 이유가 설명될 것이다.

먼저, 펄라이트 층상 간격이 100nm 이하로 제한되는 이유가 설명될 것이다.

층상 간격이 100nm를 초과하는 경우, 펄라이트 구조의 경고를 확보하기 곤란하고, 심지어 적어도 0.15의 세멘타이트 두께의 비 Rc (Rc = t₂/t₁)가 확보되는 경우에도, 15 톤 정도로 큰 바퀴 무게를 가지는 급격한 곡선의 중하중 철도의 레일에 요구되는 내마모성이 확보될 수 없다. 소성 변형으로부터 유래하는 크리크(creak) 균열 등과 같은 표면 손상이 레일 헤드 표면에 생기게 되므로, 펄라이트 층상 간격는 100nm 이하로 제한되어야 한다.

다음으로, 펄라이트 구조에 있어서 세멘타이트 두께_t2의 페라이트 두에 t₁에 대한 비 Rc (Rc = t₂/t₁)가 적어도 0.15로 제한되는 이유는 다음과 같다. 만약 Rc가 0.15이하이라면, 펄라이트 강의 내마모성을 확보하는 구름 표면 직하에서 세멘타이트의 강도(분리하여 구상화되지 못하게 하는 것)를 확보하고, 세멘타이트 밀도를 개선하기가 곤란하고, 내마모성에 있어서의 개선이 있다고 통상의 공석 레일과 비교하여 인정할 수 없다. 따라서, Rc는 적어도 0.15로 제한되어진다.

그런테, 펄라이트 층상 간격, 페라이트 두께 t₁및 세멘타이트 두께 t₂는 다음과 같은 방법으로 측정된다. 시편이 우선 니탈(nital) 또는 피크랄(picral) 등과 같은 미리 정해진 에칭액으로 에칭을 하고, 어떤 경우에는 에칭된 샘플의 표면으로부터 두 단계의 복사본이 얻어진다. 상기 시편은 주사 전자 현미경(SEM)으로 10 장(場)에서 조사되고,, t₁및 t₂가 각 가시 장에서 측정된다. 얻어진 상기 측정 값을 그 후 평균낸다.

비록 상기 레일의 금속 구조가 바람직하게도 펄라이트 구조라 하더라도, 미량의 초석 세멘타이트가 상기 레일의 냉각법 또는 미처리 재료의 편석 상태에 따라 종종 펄라이트 구조에서 형성된다. 심지어 미량의 초석 세멘타이트가 펄라이트 구조에 형성되더라도, 상기 레일의 내마모성, 강도 및 인성에 큰 영향을 주지 못한다. 이러한 이유 때문에 본 발명에 따른 펄라이트 강 레일의 구조는 상당량의 초석 세멘타이트를 혼합상에 함유한다.

다음으로, 본 발명에 있어서의 각 레일부에서의 경도가 설명될 것이다.

제6도는 본 발명에 있어서 상기 레일의 헤드부의 단면으로 표면의 호칭을 보여준다. 레일 헤드부는 헤드상부1과 헤드 구석부2를 포함한다. 헤드 구석부 중 하나의 일부는 주로 바퀴의 플랜지와 접촉하게 되는 궤간 구석부(gage corner portion, G.C. 부) 이다.

본 발명에 따른 펄라이트 구조의 경도에 있어서 바람직한 범위는 적어도 Hv 320이다. 만약 상기 경도가 Hv 320 미만이라면, 본 발명에 의하여 중하중 철도의 레일에 요구되는 내마모성을 확보하기 곤란하고, 급격하게 휘인 구역에 있는 상기 레일 G.C. 부에서 상기 레일과 바퀴간의 강한 접촉 때문에 금속적 소성 흐름이 일어나게 되어서 헤드 체크(head check) 또는 플레이킹(flaking) 등과 같은 표면 손상이 일어나게 된다.

상술한 궤간 구석부에서의 내손상성을 개선하기 위하여, 본 발명에 있어서 상기 구석부의 손상이 고려되는 경우 상기 레일 궤간 구석부의 경도가 적어도 Hv 360이 되는 것이 바람직하다. 만약 상기 경도가 Hv 360 미만이라면, 본 발명에 따른 구성 시스템에 의해 중하중 철도의 급격하게 휘인 구역에서 상기 레일의 궤간 구석부에 요구되는 내마모성을 확보하기 곤란하다. 또, 금속적 소성 흐름이 상기 레일과 바퀴간의 강한 접촉 때문에 상기 G. C.부에서 일어나고, 헤드 체크 또는 플레이킹 등과 같은 표면 손상이 거기에서 일어난다.

궤간 구석부의 강도를 개선하는 것은 상기 구석부의 내부로부터 발생하는 내부 피로에 기인하는 손상을 막는데 역시 효과적이고, 탄소 성분이 높아져서 얻어지는 고경도는 내부 피로 손상의 출발점 중의 하나인 초석 페라이트의 형성을 막을 수 있다. 상기 두 가지 면으로부터 마모뿐만 아니라 내부 피로 손상도 역시 개선될 수 있고 사용 수명의 향상도 얻어질 수 있다.

상기 경우에, 레일 헤드상부의 경도는 Hv 250에서 320인 것이 바람직하다. 상기 경도가 Hv 250 미만이라면 접촉 표면 압력의 감소와 마모의 촉진에 의해 구름 피로층의 축적이 방지 가능하나 헤드상부의 강도는 현저하게 불충분하다. 따라서, 구름 피로층이 마모에 의해 제거되기 전에 헤드 체크와 같은 소성 변형이 현저하게 진행하고, 이에 부가하여 주름진 마모가 야기된다. 따라서, 헤드상부의 경도는 적어도 Hv 250으로 제한되어진다. 만약 상기 경도가 Hv 320을 초과한다면 상기 레일 헤드 상부의 접촉면 압력의 감소와 마모의 촉진이 불충분하게 되고, 구름 피로층이 헤드 상부에 생기게 된다.

여기에서, 마모에 기인하는 레일의 사용 수명을 고려할 때, 각 부의 표면을 시점으로하여 적어도 20mm의 깊이 범위가 궤간 구석부와 헤드상부의 경도에 관하여 미리 정해진 경도를 가진다.

다음으로, 냉각 정지 온도 범위 및 가속 냉각 속도가 상술한 바와 같이 제한되는 이유가 설명될 것이다.

우선, 다음의 이유 때문에 오스테나이트 구역 온도로부터의 가속 냉각이 1에서 10/초의 냉각 속도로 제한되고 상기 냉각 정지 온도가 700에서 500의 온도 범위로 제한된다.

가속 냉각이 700를 초과하는 온도에서 정지되는 경우, 펄라이트 변태는 가속 냉각 직후에 일어나기 시작하고, 낮은 경도를 가지는 조악한 펄라이트가 형성되어서 상기 레일 헤드부의 경도가 Hv 320 미만으로 된다. 따라서, 700이하로 제한된다. 가속 냉각이 500미만의 온도에서 행해지는 경우, 레일 내부로부터의 충분한 회복이 냉각 후에 기대되기 어려워서, 상기 레일의 인성과 내마모성에는 나쁜 마르텐사이트 구조가 편석부에 생기게 된다. 따라서, 500이상의 온도로 제한된다. 상기 냉각 정지 온도가 적어도 500라는 것의 기술적 중요성은 상기 레일 내부의 미세 편석부가 양호한 펄라이트 구조로 바뀔 수 있고, 적어도 90%의 레일 헤드부가 전체로써 펄라이트 변태를 완료한다는 것이다.

가속 냉각 속도가 1/초 미만인 경우, 펄라이트 변태는 가속 냉각 중에 일어나기 시작한다. 결과적으로 낮은 경도를 가지는 조악한 펄라이트 구조가 형성되어 상기 레일 헤드부의 경도가 Hv 320 미만이 된다. 또, 상기 레일의 인성과 연성에 나쁜 대량의 초석 세멘타이트가 형성된다. 따라서, 가속 냉각 속도는 적어도 1/초로 제한된다. 10/초를 초과하는 냉각 속도는 열처리 측면에서 가장 경제적이고 가장 안정한 냉각매인 공기를 사용하여 얻을 수 없는 것이다. 따라서, 냉각 속도는 10/초까지로 제한된다.

따라서, 적어도 320의 경도와 내마모성을 가지는 펄라이트 구조의 레일을 생산하기 위해, 가속 냉각은 오스테나이트 구역의 온도로부터 700에서 500의 냉각 정지 온도까지 1에서 10/초의 속도로 행해져야 하고, 고경도를 가지는 펄라이트 구조는 낮은 온도 범위에서 형성되는 것이 바람직하다.

다음으로, 안개, 원자화된 물 등과 같은 물 이외의 냉각매가 사용되는 경우 가속 냉각은 후술하는 이유 때문에 오스테나이트 온도 구역으로부터 10에서 30/초를 초과하는 냉각 속도가 정해지고, 펄라이트 변태가 적어도 70% 진행되었을 때의 점에서 정지한다.

우선, 10/초 이하의 냉각 속도에서 상기 조성은 항상 펄라이트 코를 거치게 되고, 단지 제한 C%를 가지는 것들만이 코 위치를 10/초 밑으로 거치게 된다. 후자에 경우에, 과냉은 냉각 속도가 증가함에 따라 커지게 되고, 만약 냉각이 그렇게 계속되는 경우 다량의 마르텐사이트 구조가 펄라이트 구조에 섞이게 된다. 반면에, 만약 과냉이 크다면 상기 레일 헤드부의 펄라이트 변태는 심지어 냉각이 어떤 특정 온도에서 정지하는 경우에도, 펄라이트 변태의 발열에 의해 전체로써 완료되어서, 펄라이트 변태가 미리 정해진 범위까지 진행되도록 한다. 펄라이트 변태를 완료하기 위한 한계 펄라이트 변태량은 세밀한 실험에 기초로 하면 적어도 70%이고, 제2도에 보여진 0.95%의 예가 CCT 도표에 겹쳐져서 개념적으로 나타나 있다. 75% 변태점에 다다른 경우 펄라이트 변태 구역을 거치는 것은 가속 냉각을 정지에 의한 회복과, 레일 그 자체에 회복을 유발하는 것과, 10/초 이하의 냉각 곡선에 가능하면 가깝도록 냉각 특성을 가져가는 것에 의해 얻어질 수 있다.

이러한 점이 다음에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.

우선, 물 등이 냉각매로 사용되는 경우 오스테나이트 구역 온도로부터 냉각 속도가 10 초과 30/초까지로 제한되는 이유는 다음과 같다. 이러한 경우에 있어서, 열처리의 생산성이 냉각이 1에서 10/초의 속도로 행해지는 것에 비해 훨씬 크고, 제2도의 연속 냉각 변태도에 나와있는 것처럼 펄라이트 코가 공석 레일에서 보다 과공석 레일 강에서 더 짧은 시간쪽으로 이동한다. 코의 위치는 본 발명의 구성 범위에 있어서는 10 초과 30/초의 속도에 대응하는 것이다. 연속 냉각의 경우, 펄라이트 변태열은 강제적으로 억제되고, 그렇게 냉각이 미리 정해진 속도로 행해지는 경우, 마르텐사이트 구조가 펄라이트 구조로 섞이게 된다. 그러나, 실제 레일의 열처리에 있어서, 일단 상기 레일 헤드부의 체적이 상기 펄라이트 변태 코에 이르는 경우, 상기 레일의 무게가 펄라이트 변태는 충분히 촉진한다. 물 등과 같은 상기 냉각매가 사용되는 경우 10/초 미만의 속도에서 수량 조절이 안정적으로 냉각을 제어할 수 없기 때문에, 하한이 10/초로 제한된다. 냉각이 30/초를 초과하는 속도로 행해지는 경우, 상기 조성은 펄라이트 코를 지나치지 않아서 주된 비율이 마르텐사이트로 바뀌게 된다. 심지어 펄라이트 코에이르는 경우, 70%보다 많은 펄라이트 변태는 기대되기 어렵고, 상기 펄라이트 변태는 불충분한 것으로되어 냉각 후 마르텐사이트 구조가 섞이게 된다.

냉각이 적어도 70% 펄라이트 변태에서 정지되는 이유는 만약 10초과 30/초까지의 가속 냉각이 저온에까지 계속된다면, 상기 레일 헤드부의 전체로써의 펄라이트 변태의 완료는 심지어 냉각을 정지하여 펄라이트 변태에 의한 발열이 고려된다하여도 얻어지기 어렵다. 결과적으로, 다량의 마르텐사이트가 레일 헤드부에 형성되고 미세 편석이 존재하는 레일 헤드부의 내부는 비록 아직 변태를 겪지 않았지만 냉각되어서 섬 모양의 마르텐사이트 구조가 얼룩 형태로 존재하여 레일에 해롭게 작용한다. 따라서, 적어도 70%의 펄라이트 변태가 행해진 펄라이트 코 내부의 점에서 가속 냉각을 정지하고, 레일 헤드부의 열에 의해 펄라이트 변태를 충분히 촉진시킬 필요가 있다. 여기서, 적어도 70%의 펄라이트 변태를 판단하는 기준은 다음과 같다. 즉, 냉각 속도가 레일 헤드부의 표면에 설치된 열전대에 의해 측정되고, 상기 펄라이트 변태의 발열이 일어나고, 변태 정지에 의한 발열 때문에 온도가 올라가는 점 직전의 점이 약 70%의 펄라이트 변태량에 해당한다.

가속 냉각 속도의 범위는 상술한 가속 냉각 속도와 가속 냉각의 정지 타이밍의 개념 터 10 초과 30/초로 제한되고, 가속 냉각의 정지 타이밍은 적어도 70%의 펄라이트 변태로 제한된다. 우연히도 10 초과 30/초까지의 냉각 속도를 얻기 위한 수단은 안개 냉각, 물-공기 혼합물 스프레이 냉각 또는 그 조합, 또는 상기 레일 헤드부 또는 전체를 기름, 온수, 폴리머 플러스 물, 염욕 등에 담그는 것이다.

가속 냉각이 정지된 후, 점진적 냉각이 상기 레일을 세워둔 채로 행해진다. 이 경우 냉각 속도는 일반적으로 1/초 이하이고, 마르텐사이트 변태가 실제 심지어 낮은 온도에서도 일어나지 않는다.

그런데, 본 발명에 따른 용접부를 개선하려는 목적은 가속 냉각의 냉각 속도를 1에서 10/초로 맞추고 가속 냉각을 700에서 500의 온도에서 정지함으로해서 충분하게 얻어질 수 있다. 또, 궤간 구석부의 내손상성의 개선은 상술한 가속 냉각 조건을 만족시킴으로해서 얻어질 수 있다.

이 이후로, 본 발명이 첨부한 도면에 나온 실시예를 참고하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.

[실시예 1]

표 1은 본 발명에 따른 실시예 1의 펄라이트 구조를 가지는 레일 강의 화학 성분과 비교예 레일 강의 화학 성분을 표로 나타낸 것이다. 표 2는 층상 간격(=페라이트 두께 t₁+ 세멘타이트 두께 t₂), 비 Rc (Rc =t₂/t₁) 및 각 강의 각각에 대하여 니시하라 형 마모 시험기에 의해 건조건에서 500,000회 반복한 후의 마모량 측정 결과를 표로 나타내었다.

또, 제3도 및 제4도는 층상 간격()과 페라이트 두께에 대한 세멘타이트 두께의 비 사이의 관계와 층상 간격()과 비교예인 레일 강 및 본 발명의 레일 강(No. 8)의 마모량 사이의 관계를 보여준다. 제5도는 본 발명에 의한 강을 5% 니탈 용액을 에칭하여 그것을 주사전자현미경으로 관찰하여 얻은 것이다. 도면 중 흰 부분은 세멘타이트층을 나타내고 검은 부분은 페라이트층을 나타낸다.

부수적으로, 상기 레일의 상세는 다음과 같다.

* 본 발명의 레일(10개의 강, Nos. 1에서 10)

헤드부에 가속 냉각이 적용되어지고 상술한 범위 내에서의 조성을 가지고 100nm 이하의 펄라이트 층상 간격(=페라이트 두께 t₁+ 세멘타이트 두께 t₂)과 펄라이트 구조내에 페라이트 두께 t₁에 대한 세멘타이트 두께 t₂의 비 Rc (Rc =t₂/t₁)가 적어도 0.15인 열처리된 레일.

* 비교예(6개의 레일, Nos. 11에서 16)

공석 탄소 함유 레일에 의한 비교예

마모 시험은 다음과 같다. 제7도는 니시하라형 마모 시험기이다. 상기 도면에서 도면 부호 3은 레일 시편을 나타내고, 4는 짝(mating) 재료를 나타내고, 5는 냉각 노즐을 나타낸다.

시험기 : 니시하라 형 마모 시험기

시편의 형태 : 디스크 형 시편(외경= 30mm, 두께= 8mm)

시험 하중 : 686N

미끄러짐율 : 9%

바퀴 재료 : 템퍼링한 마르텐사이트 강(Hv 350)

분위기 : 공기 중

압축액에 의한 강제 냉각(유속 : 100 Nl/min)

반복 회수 : 700,000회

* 비 Rc = 세멘타이트 두께 t: 페라이트 두께 t

표 1 및 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 레일 강은 층상 간격을 미세하게 하고 동시에 비교예의 레일 강에 비해 페라이트 두께 t에 대한 세멘타이트 두께 t의 비 Rc (Rc =t/t)를 증가시킨다. 따라서, 본 발명에 따른 강은 같은 층상 간격에서 비교예의 레일 강에 비해 더 적은 마모량을 가지고 내마모성이 급격하게 개선된다.

[실시예 2]

표 3은 본 발명에 따른 레일 강의 화학 성분과 가속 냉각 조건을 보여주고, 표 4는 비교예의 레일강의 화학 성분과 가속 냉각 조건을 보여준다. 또, 표 3과 표 4는 역시 가속 냉각 후 경도 및 제7도에 나타난 니시하라 형 마모 시험기에서 압축 공기에 의해 강제 냉각 조건하에서 700,000회 반복 후에 마모량 측정 결과를 보여준다.

제8도는 표 1 내지 표 4에 나타난 본 발명에 따른 레일 강과 비교예의 레일 강 사이의 마모 시험 결과를 경도와 마모량간의 관계에 관하여 도식적으로 비교한 것이다.

그런데, 상기 레일의 상세는 다음과 같다.

* 본 발명에 따른 레일(16개의 레일) Nos. 17 내지 32

상술한 범위내에 있는 성분을 가지고, 상기 레일의 궤간 구석부의 표면 및 헤드상부 시점으로하여 그로부터 적어도 20mm의 깊이 범위까지는 펄라이트 구조를 보이고, 상술한 범위내에 있는 펄라이트 구조에 있어서 적어도 Hv 320의 경도를 가지는 상기 헤드부에 가속 냉각을 적용한 열처리된 레일.

* 비교예의 레일(6개의 레일) Nos. 33 내지 38

제8도에 보여진 것처럼, 본 발명에 따른 레일 강은 비교예의 레일 강에 비해 더 많은 양의 탄소 조성을 가지고 동시에 경도가 개선하고 있다. 이러한 방법으로, 본 발명에 따른 레일 강은 같은 경도에서 마모량이 더 적으면서 내마모성을 현저하게 개선한다.

* 밑바닥이 제어 냉각된 경우 밑바닥 표면의 1mm 아래 지점에서의 경도

[실시예 5]

표 5는 본 발명에 따른 레일 강과 비교예의 레일 강 각각에 대한 화학 성분, 상기 레일을 열처리할 때의 가속 냉각 속도 및 가속 냉각을 정지했을 때의 펄라이트 구조의 분율을 표로 나타낸 것이다. 또, 표 6은 본 발명에 따른 레일 강과 비교예의 레일 강 각각에 대해서, 상기 레일의 열처리 후 헤드부의 경도(Hv) 및 미시하라 형 마모 시험 후 마모량을 표로 난타낸 것이다. 제7도에 나타난 니시하라형 마모 시험기에 의한 상기 레일 헤드 재료의 마모 시험 결과가 나와있다.

그런데, 마모 시험 조건은 다음과 같다.

시험기 : 니시하라 형 마모 시험기

시편의 형태 : 디스크 형 시편(외경= 30mm, 두께= 8mm)

시험 하중 : 686N

미끄러짐율 : 20%

바퀴 재료 : 펄라이트 강(Hv 3900)

분위기 : 공기 중(압축 공기에 의한 강제 냉각)

반복 회수 : 700,000회

종래 기술에 의한 공석 펄라이트 강과 비교할 때, 본 발명에 따른 과공석 펄라이트 레일은 같은 경도에서 내마모성이 더 크고, 곡선 구역의 외부 트랙 레일의 내마모성을 현저하게 개선하고, 매우 급격하게 휘인 구역에 깔린 외부 트랙 레일의 궤간 구석부 안쪽에 형성되는 내부 피로 균열의 출발점이 되는 초석 페라이트의 형성이 존재하지 않기 때문에 더 큰 내부의 내피로손상성을 가지고, 빠른 가속 냉각과 냉각의 정지를 결합하여 상기 레일의 열처리 성질을 현저하게 개선한다.

* 냉각후 레일헤드부로 마르텐사이트 구조와 베이나이트 구조가 섞였음.

[실시예4]

표 7은 본 발명에 따른 레일 강 및 비교예의 레일 강의 화학 성분을 표로 나타낸 것이다. 표 8은 상기 레일 궤간 구석부의 가속 냉각 속도와 궤간 구석부 및 헤드상부의 경도를 표로 나타낸 것이다. 도 9 는 본 발명에 따른 레일(No, 46)의 헤드부의 단면에 있어서의 경도 분포의 예를 보여준다.

또, 표 8은 역시 제10도에 나타난 상기 레일의 정확한 크기의 1/4로 줄인 디스크형의 시편 6 및 7과 바퀴를 사용하여 수(水)윤활 구름 피로 시험기에 의한 상기 레일 시편의 궤간 구석부의 최대 마모량과 헤드상부에서의 표면 손상의 발생을 나타낸다. 제11도는 본 발명에 의한 레일 강 및 비교예의 레일 강의 궤간 구석부의 최대 마모량을 비교하여 보여준다.

그런데, 상기 레일의 상세는 다음과 같다.

본 발명에 의한 레일(10개의 레일) Nos. 54 내지 63

궤간 구석부에서는 Hv 360 이상의 경도를 가지고 헤드상부에서는 Hv 250 내지 320의 경도를 가지고, 상술한 범위내의 조성을 가지며, 그 궤간 구석부에 가속 냉각을 적용한 열처리된 레일.

비교예의 레일 (6개의 레일) Nos. 64 내지 69

공석 탄소 함유 강에 의한 비교예의 레일.

구름 피로 시험의 조건은 다음과 같다.

시험기 : 구름 피로 시험기 (제10도를 보라)

시편의 형상 : 디스크형의 시편(외경 =200mm, 레일 재료의 단면 모양, 136파운드 레일의 1/4 모델)

시험 하중

반지름 하중 : 2.0 톤

추력 하중 : 0.5 톤

비틈 각도 : 0.5(급격한 휘는 것을 재생하는 것임)

분위기 : 건(乾) + 수(水) 윤활 (60cc/분)

히전수 : (건윤활 : 100 rpm, 수윤활 : 300 rpm)

반복회수: 건 상태에서 5,000회, 그리고나서 수윤활로 시험이 700,000회 행해짐

표 7에 나와 있는 것처럼, 본 발명에 의한 레일 강은 비교예의 레일 강에 비교하여 탄소 성분이 더 많고, 동시에 열처리에 의해 단면에 따른 경도 분표에 있어서 경도의 차이가 생기게 되므로 제9도에 나와 있는 것처럼 궤간 구석부의 경도가 헤드상부의 것보다 크게 된다. 따라서, 궤간 구석부의 최대 마모량은 비교예의 레일의 것보다 더 작게 되고, 헤드상부에서의 표면 내손상성은 궤간 구석부에서의 경도가 헤드상부에서의 것보다 큰 비교예의 레일과 동등하게 된다.

[실시예 5]

본 실시예는 용접 연결부의 개선에 관한 것이다. 표 9는 본 실시예의 본 발명에 의한 레일강과 비교예의 레일강에 있어서의 주요 화학적 조성을 표로 나타낸 것이다.

부수적으로, 각 레일의 상세는 다음과 같다.

* 본 발명에 의한 라일 강 :

상술한 조성과 100nm 이하의 펄라이트 층상 간격을 가지는 열처리된 레일. 가속 냉각이 펄라이트 구조에서의 페라이트 두께에 대한 세멘타이트 두께의 비의 값을 적어도 0.15로 가지는 헤드부에 적용되었다.

* 비교예의 레일 강 :

공석 탄소 함유 강에 의한 비교예의 강.

플래쉬 버트 용접 조건은 다음과 같다.

용접기 : 모델 K-355

용량 : 150 KVA

이차 전류 : 20,000 amp, 최대

죔력(clamp force) : 125t, 최대

뒤집힌 양 : 10mm

제12도는 경도와 용접선으로부터의 거리 사이의 관계에 의해 용접 후 본 실시예의 상기 강에 있어서의 경도 값을 보여준다. 이 도표로부터 본 발명에 따른 레일 강에 있어서, 탈탄으로 인한 용접선에서의 경도의 저하가 개선될 수 있고, 열에 영향받은 구역에서의 구상화에 의한 경도의 저하가 감소하는 경향이 있음을 알 수 있다.

또, 극심한 경도 저하가 발생하는 지점에서와는 다른 용접부에서 상기 경도의 기지 금속 경도에 대한 차이가 Hv로 30 이하이다.

본 발명에 따른 레일강은 통상의 레일 강 보다 높은 조성까지 탄소성분을 증가시키고, 펄라이트 구조에 있어서 층상 간격을 좁히고, 이에 부가하여 페라이트 두께에 대한 세멘타이트 두께를 억제하여서 펄라이트의 가공에 의한 내파단성을 개선하고 용접부에서의 경도의 저하에 의해 높은 내마모성과 높은 내손상성을 얻을 수 있다.

또, 본 발명은 열처리 공정을 단축하고 생산성을 향상시키는 것을 가능하게 한다.

Claims

중량 퍼센트로 0.85 초과 1.20%까지의 탄소를 포함하는 펄라이트 강 레일에 있어서, 상기 강 레일의 구조가 펄라이트이고, 상기 펄라이트의 펄라이트 층상 간격이 100nm 이하이고, 펄라이트의 페라이트 두께에 대한 세멘타이트 두께의 비가 적어도 0.15인 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일.
중량 퍼센트로 0.85 초과 1.20%까지의 탄소를 포함하는 펄라이트 강 레일에 있어서, 상기 강 레일에 있어서 헤드부 표면을 시점으로 하여 레일 헤드부로부터 20mm의 깊이 범위내에서의 구조가 펄라이트이고, 상기 펄라이트의 펄라이트 층상 간격이 100nm 이하가 되고, 상기 펄라이트의 페라이트 두께에 대한 세멘타이트 두께의 비가 적어도 0.15인 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일.
중량 퍼센트로 C : 0.85 초과 1.20%까지, Si : 0.10에서 1.00% Mn : 0.40에서 1.50%, 그리고 Fe 및 피할 수 없는 불순물로 구성되는 잔부로 이루어지는 펄라이트 강 레일에 있어서, 상기 강 레일의 구조가 펄라이트이고, 상기 펄라이트의 펄라이트 층상 간격이 100nm 이하이고, 상기 펄라이트의 페라이트 두께에 대한 세멘타이트 두께의 비가 적어도 0.15인 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일.
중량 퍼센트로 C : 0.85 초과 1.20%까지, Si : 0.10에서 1.00%, Mn : 0.40에서 1.50%, 그리고 Fe 및 피할 수 없는 불순물로 구성되는 잔부로 이루어지는 펄라이트 강 레일에 있어서, 상기 강 레일에 있어서 헤드부 표면을 시점으로 하여 헤드부의 표면으로부터 20mm의 깊이 범위 내에서의 구조가 펄라이트이고, 상기 펄라이트의 펄라이트 층상 간격이 100nm 이하이고, 상기 펄라이트의 페라이트 두께에 대한 세멘타이트 두께의 비가 적어도 0.15인 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일.
중량 퍼센트로 C : 0.85 초과 1.20%까지, Si : 0.10에서 1.00%, Mn : 0.40에서 1.50%, 다음으로 구성되는 군으로부터 선택되는 종들 중 적어도 하나: Cr : 0.05에서 0.50%, Mo : 0.01에서 0.20%, V : 0.02에서 0.30%, Nb : 0.002에서 0.05%, Co : 0.10에서 2.00%, B : 0.0005에서 0.005%, 그리고 Fe 및 피할 수 없는 불순물로 구성되는 잔부로 이루어지는 펄라이트 강 레일에 있어서, 상기 강 레일의 구조가 펄라이트이고, 상기 펄라이트의 펄라이트 층상 간격이 100nm 이하이고, 상기 펄라이트의 페라이트 두께에 대한 세멘타이트 두께의 비가 적어도 0.15인 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일.
중량 퍼센트로 C : 0.85 초과 1.20%까지, Si : 0.10에서 1.00%, Mn : 0.40에서 1.50%, 다음으로 구성되는 군으로부터 선택되는 종들 중 적어도 하나 Cr : 0.05에서 0.50%, Mo : 0.01에서 0.20%, V : 0.02에서 0.30%, Nb : 0.002에서 0.05%, Co : 0.10에서 2.00%, B : 0.0005에서 0.005%, 그리고 Fe 및 피할 수 없는 불순물로 구성되는 잔부로 이루어지는 펄라이트 강 레일에 있어서, 상기 강 레일의 있어서 헤드부 표면을 시점으로 하여 헤드부의 표면으로부터 20mm의 깊이 범위 내에서의 구조가 펄라이트이고, 상기 펄라이트의 펄라이트 층상 간격이 100nm 이하이고, 상기 펄라이트의 페라이트 두께에 대한 세멘타이트 두께의 비가 적어도 0.15인 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일.
용접 연결부와 기지 금속간의 경도 차이가 Hv 30 이하인, 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 양호한 용접성과 고내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일.
화학적 조성이 추가적으로 중량 퍼센트로 Si + Cr + Mn = 1.5 내지 3.0%의 관계를 만족시키는 제3항 내지 제6항 중 어느 하나에 따른 양호한 용접성과 고내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일.
펄라이트 강 레일의 제조 방법에 있어서, 용응되어 주조된 강을 열간 압연하는 단계, 열간 압연 직후에 압연 열을 보유하고 있는 강 레일 또는 오스테나이트 온도로부터 1에서 10/초의 냉각 속도인 열처리를 위하여 가열된 강 레일을 가속 냉각 하는 단계 ; 상기 강 레일 온도가 오스테나이트 온도로부터 700에서 500에 이르는 경우 가속 냉각을 멈추는 단계; 그리고 그 후 상기 강 레일을 냉각되도록 하는 단계;로 이루어지고, 여기서 상기 강 레일의 헤드부의 표면으로부터 20mm의 깊이 범위 내에서의 경도가 적어도 Hv 320인 제1항에서 제6항 중 어느 하나에 따른 화학적 조성으로 이루어지는 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일의 제조방법.
펄라이트 강 레일의 제조 방법에 있어서, 용융되어 주조된 강을 열간 압연하는 단계; 열간 압연 직후에 압연 열을 보유하고 있는 강 레일 또는 오스테나이트 온도로부터 1에서 30/초의 냉각 속도인 열처리를 위하여 가열된 강 레일을 가속 냉각 하는 단계 ; 상기 강 레일의 펄라이트 변태가 적어도 70% 진행된 경우 가속 냉각을 멈추는 단계 ; 그리고 그 후 상기 강 레일을 냉각되도록 하는 단계;로 이루어지고, 여기서 상기 강 레일의 헤드부의 표면으로부터 20mm의 깊이 범위 내에서의 경도가 적어도 Hv 320인 제1항에서 제6항 중 어느 하나에 따른 화학적 조성으로 이루어지는 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일의 제조방법.
펄라이트 강 레일의 제조방법에 있어서, 용융되어 주조된 강을 열간 압연하는 단계; 열간 압연 직후에 압연 열을 보유하고 있는 강 레일 또는 오스테나이트 온도로부터 1에서 10/초의 냉각 속도인 열처리를 위하여 가열된 강 레일을 궤간 구석부를 가속 냉각하는 단계; 상기 강 레일의 궤간 구석부 온도가 오스테나이트 온도로부터 700에서 500에 이르는 경우 가속 냉각을 멈추는 단계; 그리고 그 후 상기 강 레일을 냉각되도록 하는 단계;로 이루어지고, 여기서 상기 강 레일의 궤간 구석부의 경도가 적어도 Hv 360이고 헤드상부의 경도가 Hv 250에서 320인 제1항에서 제6항 중 어느 하나에 따른 화학적 조성으로 이루어지는 양호한 내마모성과 양호한 내손상성을 가지는 펄라이트 강 레일의 제조방법.
펄라이트 강 레일의 제조방법에 있어서, 용융되어 주조된 강을 열간 압연하는 단계; 열간 압연 직후에 압연 열을 보유하고 있는 강 레일 또는 오스테나이트 온도로부터 10에서 30/초의 냉각 속도인 열처리를 위하여 가열된 강 레일을 궤간 구석부를 가속 냉각하는 단계; 상기 강 레일의 궤간 구석부의 펄라이트 변태가 적어도 70% 진행된 경우 가속 냉각을 멈추는 단계; 그리고 그 후 상기 강 레일을 냉각되도록 하는 단계;로 이루어지고, 여기서 상기 강 레일의 궤간 구석부의 경도가 적어도 Hv 360이고 상기 헤드상부의 경도가 Hv 250에서 320인 제 1 항에서 제6항 중 어느 하나에 따른 화학적 조성으로 이루어지는 양호한 내마모성과 양호한 내손상성을 가지는 펄라이트 강 레일의 제조방법.
펄라이트 강 레일의 제조방법에 있어서, 용융되어 주조된 강을 열간 압연하는 단계; 열간 압연 직후에 압연 열을 보유하고 있는 강 레일 또는 오스테나이트 온도로부터 1에서 10/초의 냉각 속도인 열처리를 위하여 가열된 강 레일을 가속 냉각하는 단계; 상기 강 레일 온도가 700에서 500에 이르는 경우 가속냉각을 멈추는 단계; 그리고 그 후 상기 강 레일을 냉각되도록 하는 단계;로 이루어지고, 여기서 상기 강 레일의 헤드부의 표면으로부터 20mm의 깊이 범위 내에서의 경도가 적어도 Hv 320인 제1항에서 제6항 중 어느 하나에 따른 화학적 조성으로 이루어지는 양호한 용접성과 양호한 내마모성을 가지는 펄라이트 강 레일의 제조방법.