KR20110060962A - 펄라이트계 레일 - Google Patents

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다꾸야 다나하시
데루히사 미야자끼
가쯔야 이와노
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신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
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Abstract

이 펄라이트계 레일은 질량％로, C : 0.65 내지 1.20％와, Si : 0.05 내지 2.00％와, Mn : 0.05 내지 2.00％를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하고, 헤드부의 적어도 일부 및 바닥부의 적어도 일부가 펄라이트 조직이고, 상기 펄라이트 조직인 부위의 표면 경도가 Hv 320 내지 500의 범위이고 또한 최대 표면 거칠기가 180㎛ 이하이다.

Description

펄라이트계 레일 {PEARLITE RAIL}
본 발명은 레일의 헤드부나 바닥부의 내피로 손상성을 향상시킨 펄라이트계 레일에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 국내의 급곡선이나 해외의 화물 철도에서 사용되는 펄라이트계 레일에 관한 것이다.
본원은 2009년 8월 18일에, 일본에 출원된 일본특허출원 제2009-189508호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
해외의 화물 철도에서는 철도 수송의 고효율화를 도모하기 위해 화물의 고적재화를 진행시키고 있다. 특히, 통과하는 열차의 개수가 많은 구간이나 급곡선의 레일에서는, 레일의 헤드 정상부나 헤드부 코너부(차륜 플랜지부와의 접촉이 심한 레일 헤드부의 코너 부근)의 마모가 현저하게 진행되어, 마모량의 증가에 의한 사용 수명의 저하가 문제이다.
또한, 국내의 여객 철도에 있어서도, 특히 급곡선의 레일에서는, 해외의 화물 철도와 마찬가지로 마모가 현저하게 진행되기 때문에, 마모량의 증가에 의한 사용 수명의 저하가 문제이다.
이와 같은 배경으로부터, 높은 내마모성을 갖는 레일의 개발이 요구되어 왔다. 이들 문제를 해결하기 위해, 특허문헌 1에 개시한 바와 같은 레일이 개발되어 있다. 이 레일의 주된 특징은 펄라이트 조직을 고경도화하기 위해, 열처리를 행하여, 펄라이트 조직(라멜라 간격)을 미세하게 한 점에 있다.
특허문헌 1에서는 고탄소강 함유의 강 레일에 열처리를 실시하여, 금속 조직을 솔바이트 조직 또는 미세 펄라이트 조직으로 하는 기술이 개시되어 있다. 이에 의해, 강 레일의 고경도화를 도모하여, 내마모성이 우수한 레일을 제공할 수 있다.
그러나, 최근, 해외의 화물 철도나 국내의 여객 철도에서는 철도 수송의 가일층의 고효율화를 도모하기 위해, 화물의 가일층의 고적재화나 열차의 고속화를 진행시키고 있다. 특허문헌 1에 기재된 레일에서는, 레일 헤드부의 내마모성의 확보가 곤란해져, 레일 사용 수명의 저하가 크게 저하되는 등의 문제가 있었다.
따라서, 이 문제를 해결하기 위해, 고탄소화된 강의 레일이 검토되었다. 이 레일의 특징은 펄라이트 조직의 라멜라 중의 시멘타이트 체적 비율을 증가시켜, 내마모성을 향상시키고 있는 점에 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조).
특허문헌 2에서는 강 레일의 탄소량을 과공석 영역까지 향상시켜, 금속 조직을 펄라이트 조직으로 한 레일이 개시되어 있다. 이에 의해, 펄라이트 라멜라 중의 시멘타이트상의 체적 비율을 높이고, 내마모성을 향상시켜, 보다 고수명의 레일을 제공할 수 있다. 특허문헌 2에 기재된 레일에 의해, 레일의 내마모성이 향상되어, 일정한 사용 수명의 향상이 도모되었다. 그러나, 최근, 철도 수송의 가일층의 과밀화가 진행되어, 레일 헤드부나 바닥부로부터의 피로 손상의 발생이 건재화되게 되었다. 그 결과, 특허문헌 2에 기재된 레일을 가져도, 레일 사용 수명이 충분하지 않은 등의 문제가 있다.
일본공개특허 소51-002616호 공보 일본공개특허 평08-144016호 공보 일본공개특허 평08-246100호 공보 일본공개특허 평09-111352호 공보
이와 같은 배경으로부터, 고탄소 함유의 펄라이트 조직을 나타내는 강 레일에 있어서, 레일 헤드부나 바닥부로부터의 내피로 손상성을 향상시킨 레일의 제공이 요망되게 되었다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 해외의 화물 철도나 국내의 여객 철도의 레일의 내피로 손상성을 향상시킨 펄라이트계 레일의 제공을 목적으로 한다.
(1) 본 발명의 일 형태에 관한 펄라이트계 레일은 질량％로, C : 0.65 내지 1.20％와, Si : 0.05 내지 2.00％와, Mn : 0.05 내지 2.00％를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하고, 헤드부의 적어도 일부 및 바닥부의 적어도 일부가 펄라이트 조직이고, 상기 펄라이트 조직인 부위의 표면 경도가 Hv 320 내지 500의 범위이고 또한 최대 표면 거칠기가 180㎛ 이하이다.
(2) 상기 (1)에 기재된 펄라이트계 레일에서는, 최대 표면 거칠기에 대한 표면 경도의 비가 3.5 이상인 것이 바람직하다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 펄라이트계 레일에서는, 최대 표면 거칠기를 측정한 부위에 있어서의, 바닥부로부터 헤드부를 향하는 레일 연직 방향(높이 방향)의 거칠기의 평균값에 대한 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수가, 헤드부 및 바닥부의 표면의 레일 길이 방향의 길이 5㎜당 40개 이하인 것이 바람직하다.
(4) 내지 (14) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 펄라이트계 레일에서는, 질량％로, 하기 (a) 내지 (k)의 성분을 선택적으로 더 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.
(a) Cr : 0.01 내지 2.00％, Mo : 0.01 내지 0.50％의 1종 또는 2종
(b) V : 0.005 내지 0.50％, Nb : 0.002 내지 0.050％의 1종 또는 2종
(c) Co : 0.01 내지 1.00％의 1종
(d) B : 0.0001 내지 0.0050％의 1종
(e) Cu : 0.01 내지 1.00％의 1종
(f) Ni : 0.01 내지 1.00％의 1종
(g) Ti : 0.0050 내지 0.0500％의 1종
(h) Ca : 0.0005 내지 0.0200％, Mg : 0.0005 내지 0.0200％의 1종 또는 2종
(i) Zr : 0.0001 내지 0.0100％의 1종
(j) Al : 0.0100 내지 1.00％의 1종
(k) N : 0.0060 내지 0.0200％의 1종
(15) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 펄라이트계 레일에 따르면, 질량％로, Cr : 0.01 내지 2.00％, Mo : 0.01 내지 0.50％의 1종 또는 2종과, V : 0.005 내지 0.50％, Nb : 0.002 내지 0.050％의 1종 또는 2종과, Co : 0.01 내지 1.00％와, B : 0.0001 내지 0.0050％와, Cu : 0.01 내지 1.00％를 함유하고, Ni : 0.01 내지 1.00％를 함유하고, Ti : 0.0050 내지 0.0500％와, Mg : 0.0005 내지 0.0200％, Ca : 0.0005 내지 0.0200％와, Zr : 0.0001 내지 0.2000％와, Al : 0.0040 내지 1.00％와, N : 0.0060 내지 0.0200％를 더 함유하는 것이 바람직하다.
상기 (1)에 기재된 펄라이트계 레일에 따르면, C량 : 0.65 내지 1.20％, Si량 : 0.05 내지 2.00％, Mn량 : 0.05 내지 2.00％를 함유하고 있으므로, 펄라이트 조직의 경도(강도)를 유지하여, 내피로 손상성을 향상시킬 수 있다. 또한, 피로 특성에 유해한 마르텐사이트 조직이 생성되기 어려워, 피로 한도 응력 범위의 저하를 억제할 수 있으므로, 피로 강도를 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 이 펄라이트계 레일에 따르면, 헤드부의 적어도 일부 및 바닥부의 적어도 일부가 펄라이트 조직이고, 헤드부의 적어도 일부 및 바닥부의 적어도 일부의 표면 경도가 Hv 320 내지 500의 범위이고, 최대 표면 거칠기가 180㎛ 이하이므로, 해외의 화물 철도나 국내의 여객 철도의 레일의 내피로 손상성을 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 (2)에 기재된 펄라이트계 레일의 경우, 최대 표면 거칠기에 대한 표면 경도의 비가 3.5 이상이므로, 피로 한도 응력 범위를 상승시키고, 피로 강도를 향상시키는 것이 가능해진다. 또한, 펄라이트계 레일의 내피로 손상성을 더욱 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 (3)에 기재된 펄라이트계 레일의 경우, 요철수가 40개 이하이므로, 피로 한도 응력 범위가 상승하여, 피로 강도가 크게 향상된다.
상기 (4)에 기재된 펄라이트계 레일의 경우, Cr : 0.01 내지 2.00％, Mo : 0.01 내지 0.50％의 1종 또는 2종을 함유하므로, 펄라이트 조직의 라멜라 간격이 미세화되고, 펄라이트 조직의 경도(강도)가 향상되어 피로 특성에 유해한 마르텐사이트 조직의 생성이 억제된다. 그 결과, 펄라이트계 레일의 내피로 손상성을 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 (5)에 기재된 펄라이트계 레일의 경우, V : 0.005 내지 0.50％, Nb : 0.002 내지 0.050％의 1종 또는 2종을 함유하므로, 오스테나이트 입자가 미세화되어, 펄라이트 조직의 인성이 향상된다. 또한, V 및 Nb는 용접 조인트 열영향부의 연화를 방지할 수 있으므로, 펄라이트 조직의 인성이나 경도(강도)를 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 (6)에 기재된 펄라이트계 레일의 경우, Co : 0.01 내지 1.00％를 함유하고 있으므로, 페라이트 조직이 보다 한층 미세화되어, 내마모 특성이 향상된다.
상기 (7)에 기재된 펄라이트계 레일의 경우, B : 0.0001 내지 0.0050％를 함유하므로, 펄라이트 변태 온도의 냉각 속도 의존성이 저감되어, 보다 균일한 경도 분포가 펄라이트계 레일에 부여된다. 그 결과, 펄라이트계 레일의 고수명화를 도모하는 것이 가능해진다.
상기 (8)에 기재된 펄라이트계 레일의 경우, Cu : 0.01 내지 1.00％를 함유하므로, 펄라이트 조직의 경도(강도)가 향상되어, 피로 특성에 유해한 마르텐사이트 조직의 생성이 억제된다. 그 결과, 펄라이트계 레일의 내피로 손상성을 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 (9)에 기재된 펄라이트계 레일의 경우, Ni : 0.01 내지 1.00％를 함유하므로, 펄라이트 조직의 인성이 향상되어, 피로 특성에 유해한 마르텐사이트 조직의 생성이 억제된다. 그 결과, 펄라이트계 레일의 내피로 손상성을 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 (10)에 기재된 펄라이트계 레일의 경우, Ti : 0.0050 내지 0.0500％를 함유하므로, 오스테나이트 입자가 미세화되어, 펄라이트 조직의 인성이 향상된다. 또한, 용접 조인트부의 취화를 방지할 수 있으므로, 펄라이트계 레일의 내피로 손상성을 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 (11)에 기재된 펄라이트계 레일의 경우, Mg : 0.0005 내지 0.0200％, Ca : 0.0005 내지 0.0200％의 1종 또는 2종을 함유하므로, 오스테나이트 입자가 미세화되어, 펄라이트 조직의 인성이 향상된다. 그 결과, 펄라이트계 레일의 내피로 손상성을 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 (12)에 기재된 펄라이트계 레일의 경우, Zr : 0.0001 내지 0.2000％를 함유하므로, 펄라이트계 레일의 편석부에 마르텐사이트나 초석 시멘타이트 조직의 생성이 억제된다. 이에 의해, 펄라이트계 레일의 내피로 손상성을 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 (13)에 기재된 펄라이트계 레일의 경우, Al : 0.0040 내지 1.00％를 함유하므로, 공석 변태 온도를 고온측으로 이동시킬 수 있다. 이에 의해, 펄라이트 조직이 고경도(강도)로 되어, 내피로 손상성을 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 (14)에 기재된 펄라이트계 레일의 경우, N : 0.0060 내지 0.0200％를 함유하므로, 오스테나이트 입계로부터 펄라이트 변태가 촉진되어, 펄라이트 블록 사이즈를 미세화한다. 이에 의해, 인성이 향상되어, 펄라이트계 레일의 내피로 손상성을 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 (15)에 기재된 펄라이트계 레일의 경우, Cr, Mo, V, Nb, Co, B, Cu, Ni, Ti, Ca, Mg, Zr, Al, N을 첨가함으로써, 내피로 손상성의 향상, 또한, 내마모성의 향상, 인성의 향상, 용접 열영향부의 연화의 방지, 펄라이트계 레일의 헤드부 내부의 단면 경도 분포의 제어를 도모하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 펄라이트계 레일의 피로 시험의 결과로, 상기 펄라이트계 레일의 바닥부 표면의 금속 조직이나 경도와 피로 한도 응력 범위의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 상기 펄라이트계 레일의 바닥부 표면의 최대 표면 거칠기(Rmax)와 피로 한도 응력 범위의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 상기 펄라이트계 레일의 바닥부 표면에 있어서의 SVH/Rmax와 피로 한도 응력 범위의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 상기 펄라이트계 레일의 요철의 수와 피로 한도 응력 범위의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 상기 펄라이트계 레일에 있어서의, 경도 Hv 320 내지 500의 펄라이트 조직이 필요한 영역을 나타낸 종단면도이다.
도 6a는 상기 펄라이트계 레일의 헤드부 표면의 피로 시험의 개요의 모식도이다.
도 6b는 상기 펄라이트계 레일의 바닥부 표면의 피로 시험의 개요의 모식도이다.
도 7은 상기 펄라이트계 레일의 최대 표면 거칠기(Rmax)에 대한 표면 경도(SVH)의 비마다에 있어서의, 헤드부의 표면 경도와 피로 한도 응력 범위의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 상기 펄라이트계 레일의 최대 표면 거칠기(Rmax)에 대한 표면 경도(SVH)의 비마다에 있어서의, 바닥부의 표면 경도와 피로 한도 응력 범위의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 상기 펄라이트계 레일의 헤드부의 표면 경도와 피로 한도 응력 범위의 관계를, 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수로 구별하여 나타낸 그래프이다.
도 10은 상기 펄라이트계 레일의 바닥부의 표면 경도와 피로 한도 응력 범위의 관계를, 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수로 구별하여 나타낸 그래프이다.
이하에, 본 발명의 일 실시 형태로서, 내마모성 및 내피로 손상성이 우수한 펄라이트계 레일을 상세하게 설명한다. 단, 본 실시 형태는 이하의 설명만으로 한정되지 않고, 본 실시 형태의 취지 및 그 범위로부터 일탈하지 않고 그 형태 및 상세를 다양하게 변경할 수 있는 것은, 당업자라면 용이하게 이해된다. 따라서, 본 실시 형태는 이하에 나타내는 기재 내용만으로 한정하여 해석되는 것은 아니다. 이하, 조성에 있어서의 질량％는 단순히 ％로 기재한다. 또한, 본 실시 형태에 관한 펄라이트계 레일을 필요에 따라서 강 레일이라고 칭한다.
우선, 본 발명자들은 실궤도에서의 강 레일의 피로 손상의 발생 상황을 조사하였다. 그 결과, 강 레일의 헤드부의 피로 손상은 차륜과 접촉하는 구름면이 아니라, 그 주위의 비접촉부의 표면으로부터 발생하고 있는 것을 확인하였다. 또한, 강 레일의 바닥부의 피로 손상은 비교적 응력이 높은 바닥부의 폭 방향의 중앙부 부근의 표면으로부터 발생하고 있는 것을 확인하였다. 따라서, 실궤도에서의 피로 손상은 제품 레일의 헤드부, 바닥부의 표면으로부터 발생하고 있는 것이 명백해졌다.
또한, 본 발명자들은 이 조사 결과에 기초하여, 강 레일의 피로 손상의 발생 인자를 해명하였다. 강의 피로 강도는 일반적으로 강의 인장 강도(경도)와의 상관이 있는 것이 알려져 있다. 따라서, C량 : 0.60 내지 1.30％, Si량 : 0.05 내지 2.00％, Mn량 : 0.05 내지 2.00％의 강을 사용하여, 레일 압연 및 열처리를 행하여, 강 레일을 제조하고, 실궤도의 사용 조건을 재현한 피로 시험을 행하였다. 또한, 시험 조건은 하기에 나타내는 바와 같다.
(x1) 레일 형상 : 136파운드의 강 레일(67㎏/m)을 사용한다.
(x2) 피로 시험
시험 방법 : 실물의 강 레일을 사용하여 3점 굽힘(스팬 길이 : 1m, 주파수 : 5㎐)에 의한 시험을 행한다.
하중 조건 : 응력 범위 제어(최대-최소, 최소 하중은 최대 하중의 10％)를 행한다.
(x3) 시험 자세 : 레일 헤드부에 하중 부하(바닥부에 인장 응력 작용)를 가한다.
(x4) 반복 횟수 : 200만회, 미파단인 경우의 최대 응력 범위를 피로 한도 응력 범위로 한다.
실물의 강 레일의 3점 굽힘에 의한 피로 시험의 결과를 도 1에 나타낸다. 도 1은 강 레일의 바닥부 표면의 금속 조직이나 경도와 피로 한도 응력 범위의 관계를 나타낸 그래프이다. 여기서, 강 레일의 바닥부의 표면이라 함은, 도 5에 도시하는 발바닥부(3)이다. 피로 한도 응력 범위라 함은, 상기 (x2)에 나타낸 바와 같이, 피로 시험에 있어서 최대 응력과 최소 응력으로 하중을 변동시켜 시험을 행하였을 때에, 최대 응력과 최소 응력의 차를 피로 시험에 있어서의 응력 범위로 하고, 그 중에서, 상기 (x4)에 나타낸 바와 같이, 미파단인 경우의 최대 응력 범위를 피로 한도 응력 범위로 한다.
도 1로부터, 강의 피로 특성을 정하는 피로 한도 응력 범위는 강의 금속 조직과 상관이 있는 것이 확인되었다. 펄라이트 조직 중에 미량의 페라이트 조직이 혼재하는 도 1의 화살표 A로 나타내는 영역(바닥부 표면 경도 : Hv 250 내지 300)의 강 레일 및 미량의 마르텐사이트 조직이나 초석 시멘타이트 조직이 혼재하는 도 1의 화살표 C로 나타내는 영역(바닥부 표면 경도 : Hv 530 내지 580)의 강 레일은, 피로 한도 응력 범위가 크게 저하되고, 또한 피로 강도가 크게 저하되는 것이 명백해졌다.
또한, 펄라이트 단상 조직인 도 1의 화살표 B로 나타내는 영역(바닥부 표면 경도 : Hv 300 내지 530)에서는, 표면 경도가 상승하는 것에 따라서 피로 한도 응력 범위가 증가하는 경향을 나타낸다. 그러나, 바닥부 표면 경도가 Hv 500을 초과하면 피로 한도 응력 범위가 크게 저하된다. 따라서, 소정의 피로 강도를 확실하게 확보하기 위해서는, 표면 경도를 일정한 범위에 들어가게 할 필요가 있는 것이 명백해졌다.
또한, 본 발명자들은 강 레일의 피로 강도를 확실하게 향상시키기 위해, 동일한 경도의 강 레일의 피로 한도 응력 범위가 크게 변동되는 요인을 검증하였다. 도 1에 도시한 바와 같이, 경도가 동일한 펄라이트 조직에 있어서도 피로 한도 응력 범위가 200 내지 250㎫ 정도 변동된다. 따라서, 피로 시험에 있어서 파단한 강 레일의 기점을 조사하였다. 그 결과, 기점에는 요철이 있고, 이 요철로부터 피로 손상이 발생하고 있는 것이 확인되었다.
따라서, 본 발명자들은 강 레일의 피로 강도와 표면의 요철의 관계를 상세하게 조사하였다. 도 2에 그 결과를 나타낸다. 도 2는 C량 : 0.65 내지 1.20％, Si량 : 0.50％, Mn량 : 0.80％, 경도 Hv 320 내지 500의 강 레일의 바닥부 표면의 조도를 조도계로 측정하여, 최대 표면 거칠기(Rmax)와 피로 한도 응력 범위의 관계를 나타낸 그래프이다. 여기서, 최대 표면 거칠기라 함은, 측정 기준 길이에 있어서 바닥부로부터 헤드부를 향하는 레일 연직 방향(높이 방향)의 평균값을 기준으로 하여, 최대의 골의 깊이와 최대의 마루의 높이의 합이고, 상세하게는 JIS B 0601에 기재된 거칠기 곡선의 최대 높이(Rz)를 나타낸다. 또한, 표면 조도의 측정 시에는 사전에 레일 표면의 스케일(산화막)을 산세 또는 샌드블라스트 제거하였다.
강의 피로 강도는 최대 표면 거칠기(Rmax)와 상관이 있고, 도 2로부터, 최대 표면 거칠기(Rmax)가 180㎛ 이하이면, 피로 한도 응력 범위가 대폭으로 상승한다. 이에 의해, 레일에 필요로 하는 최저한의 피로 강도(≥300㎫)가 확보되는 것이 명백해졌다. 또한, 경도 Hv 320의 레일에서는 최대 표면 거칠기(Rmax)가 90㎛ 이하이면, 피로 한도 응력 범위가 더욱 상승하고, 경도 Hv 400의 레일에서는 최대 표면 거칠기(Rmax)가 120㎛ 이하이면, 피로 한도 응력 범위가 더욱 상승하고, 경도 Hv 500의 레일에서는 최대 표면 거칠기(Rmax)가 150㎛ 이하이면, 피로 한도 응력 범위가 더욱 상승한다.
이들 결과로부터, 고탄소 함유의 강 레일의 피로 강도를 향상시키기 위해서는, 금속 조직적으로는 펄라이트 단상 조직으로 하고, 강 레일의 표면 경도 Hv 320 내지 500의 범위에 들어가고, 또한 최대 표면 거칠기(Rmax)를 180㎛ 이하에 들어가게 할 필요가 있는 것을 새롭게 발견하였다.
여기서, 미량이면 펄라이트 조직에 페라이트, 마르텐사이트, 초석 시멘타이트가 혼재되어 있어도, 대폭으로 피로 강도를 저하시키는 경우는 없다. 그러나, 가장 피로 강도를 향상시키기 위해서는, 펄라이트 조직이 단상 조직인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명자들은 강 레일의 피로 한도 응력 범위와 표면 경도(SVH : Surface Vickers Hardness), 최대 표면 거칠기(Rmax)의 관계를 상세하게 조사하였다. 그 결과, 최대 표면 거칠기(Rmax)에 대한 강 레일의 표면 경도(SVH)의 비, 즉 SVH/Rmax와 피로 한도 응력 범위 사이에는 상관이 있는 것을 발견하였다. 도 3은 C량 : 0.65 내지 1.20％, Si량 : 0.50％, Mn량 : 0.80％, 경도 Hv 320 내지 500의 강 레일의 SVH/Rmax와 피로 한도 응력 범위의 관계를 나타낸 그래프이다. Hv 320, Hv 400, Hv 500 중 어떤 경도의 강 레일에 있어서도, SVH/Rmax의 값이 3.5 이상인 강 레일의 피로 한도 응력 범위는 380㎫ 이상으로 상승하여, 피로 강도가 크게 향상되는 것이 새롭게 발견되었다.
이들 실시 형태에 추가하여, 본 발명자들은 강 레일의 피로 강도를 향상시키기 위해, 강 레일의 표면의 거칠기와 피로 강도의 상관에 관하여 검토하였다. 도 4는 C량 : 1.00％, Si량 : 0.50％, Mn량 : 0.80％, 경도 Hv 400일 때의, 최대 표면 거칠기(Rmax)가 150㎛와 50㎛인 강 레일에 있어서의 피로 시험을 행한 결과이다. 바닥부 표면의 거칠기와 피로 한도 응력 범위의 관계를 상세하게 검토하기 위해, 바닥부로부터 헤드부를 향하는 레일 연직 방향(높이 방향)의 평균값에 대해 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수와 피로 한도 응력 범위의 상관을 조사하였다. 또한, 요철의 수는 바닥부의 레일 길이 방향의 길이 5㎜에 있어서의 개수이다. 최대 표면 거칠기(Rmax)가 150㎛와 50㎛ 중 어떤 경도의 강 레일에 있어서도, 요철의 수가 40개 이하, 바람직하게는 10개 이하의 강 레일을 사용함으로써, 피로 한도 응력 범위가 더욱 상승하여, 피로 강도가 크게 향상되는 것을 발견하였다.
즉, 본 실시 형태는 강 레일의 헤드부 및 바닥부의 표면 경도(SVH)를 Hv 320 내지 500의 범위로 하고, 최대 표면 거칠기(Rmax)를 180㎛ 이하인 고탄소 함유의 펄라이트 조직을 나타내는 강 레일을 사용함으로써, 해외의 화물 철도나 국내의 여객 철도에 사용되는 펄라이트계 레일의 내피로 손상성을 향상시킬 수 있다. 또한, 최대 표면 거칠기에 대한 표면 경도(SVH/Rmax)의 비를 3.5 이상으로 되는 고탄소 함유의 펄라이트 조직을 보이는 펄라이트계 레일이나, 요철의 수가 40개 이하로 되는 고탄소 함유의 펄라이트 조직을 나타내는 펄라이트계 레일을 사용함으로써, 피로 한도 응력 범위를 상승시키고, 피로 강도도 크게 향상시키는 것이 가능해진다.
본 실시 형태에서는 펄라이트계 레일의 바닥부 표면에 대한 결과를 도 1 내지 도 4에 나타내고 있지만, 펄라이트계 레일의 헤드부 표면에 대해서도, 도 1 내지 도 4와 동일한 결과가 얻어지고 있다.
또한, C량, Si량, Mn량은 상기한 값만으로 한정되지 않고, C량은 0.65 내지 1.20％의 범위, Si량은 0.05 내지 2.00％의 범위, Mn량은 0.05 내지 2.00％의 범위이면, 동일한 결과가 얻어진다.
또한, 펄라이트 조직인 부분, 표면 경도(SVH)가 Hv 320 내지 500의 범위인 부분, 최대 표면 거칠기(Rmax)가 180㎛ 이하인 부분은, 펄라이트계 레일의 헤드부의 적어도 일부 및 바닥부의 적어도 일부이면 된다.
또한, 최대 표면 거칠기(Rmax)에 대한 표면 경도(SVH)의 비(SVH/Rmax)는 반드시 3.5 이상이 아니라도 좋고, 요철의 수는 반드시 40개 이하가 아니라도 좋지만, (SVH/Rmax)를 3.5 이상, 요철의 수를 40개 이하로 함으로써, 상술한 바와 같이 새로운 피로 강도의 향상을 도모할 수 있다.
다음에, 본 실시 형태의 한정 이유에 대해 상세하게 설명한다. 이하, 강 조성에 있어서의 질량％는 단순히 ％로 기재한다.
(1) 화학 성분의 한정 이유
펄라이트계 레일의 화학 성분을 C량이 0.65 내지 1.20％의 범위, Si량이 0.05 내지 2.00％의 범위, Mn량이 0.05 내지 2.00％의 범위로 한정한 이유에 대해, 상세하게 설명한다.
C는, 펄라이트 변태를 촉진시키고, 또한 내마모성을 확보할 수 있다. 펄라이트계 레일에 함유되는 C량이 0.65％ 미만에서는, 펄라이트 조직 중에 피로 특성에 유해한 초석 페라이트가 생성되기 쉬워지고, 또한 펄라이트 조직의 경도(강도)를 유지하는 것이 곤란해진다. 그 결과, 레일의 내피로 손상성이 저하된다. 또한, 펄라이트계 레일에 함유되는 C량이 1.20％를 초과하면, 펄라이트 조직 중에 피로 특성에 유해한 초석 시멘타이트 조직이 생성되기 쉬워진다. 그 결과, 레일의 내피로 손상성이 저하된다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 C 첨가량을 0.65 내지 1.20％로 한정하였다.
Si는, 탈산재로서 필수의 성분이다. 또한, Si는 펄라이트 조직 중의 페라이트상으로의 고용 강화에 의해 펄라이트 조직의 경도(강도)를 상승시키고, 펄라이트 조직의 내피로 손상성을 향상시킬 수 있다. 또한, Si는 과공석강에 있어서, 초석 시멘타이트 조직의 생성을 억제하여, 피로 특성의 저하를 억제할 수 있다. 그러나, 펄라이트계 레일에 함유되는 Si량이 0.05％ 미만에서는, 이들 효과를 충분히 기대할 수 없다. 또한, 펄라이트계 레일에 함유되는 Si량이 2.00％를 초과하면, 켄칭성이 현저하게 증가하여, 피로 특성에 유해한 마르텐사이트 조직이 생성되기 쉬워진다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 Si 첨가량을 0.05 내지 2.00％로 한정하였다.
Mn은, 켄칭성을 높여, 펄라이트 조직의 라멜라 간격을 미세화함으로써, 펄라이트 조직의 경도(강도)를 확보하여, 내피로 손상성을 향상시킨다. 그러나, 펄라이트계 레일에 함유되는 Mn량이 0.05％ 미만에서는 그 효과가 작아, 레일에 필요로 하는 내피로 손상성의 확보가 곤란해진다. 또한, 펄라이트계 레일에 함유되는 Mn량이 2.00％를 초과하면, 켄칭성이 현저하게 증가하여, 피로 특성에 유해한 마르텐사이트 조직이 생성되기 쉬워진다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 Mn 첨가량을 0.05 내지 2.00％로 한정하였다.
또한, 상기한 성분 조성으로 제조되는 펄라이트계 레일에는 펄라이트 조직의 경도(강도)의 향상, 즉 내피로 손상성의 향상, 또한 내마모성의 향상, 인성의 향상, 용접 열영향부의 연화의 방지, 레일 헤드부 내부의 단면 경도 분포의 제어를 도모하는 목적으로, Cr, Mo, V, Nb, Co, B, Cu, Ni, Ti, Ca, Mg, Zr, Al, N의 원소가 필요에 따라서 첨가된다.
여기서, Cr, Mo은, 펄라이트의 평형 변태점을 상승시키고, 주로, 펄라이트 라멜라 간격을 미세화함으로써 펄라이트 조직의 경도를 확보한다. V, Nb는 열간 압연이나 그 후의 냉각 과정에서 생성된 탄화물이나 질화물에 의해, 오스테나이트 입자의 성장을 억제하고, 또한 석출 경화에 의해, 펄라이트 조직의 인성과 경도를 향상시킨다. 또한, 재가열 시에 탄화물이나 질화물을 안정적으로 생성시켜, 용접 조인트 열영향부의 연화를 방지한다. Co는, 마모면의 라멜라 구조나 페라이트 입경을 미세화하여, 펄라이트 조직의 내마모성을 높인다. B는, 펄라이트 변태 온도의 냉각 속도 의존성을 저감시켜, 레일 헤드부의 경도 분포를 균일하게 한다. Cu는, 페라이트 조직이나 펄라이트 조직 중의 페라이트에 고용하여, 펄라이트 조직의 경도를 높인다. Ni는, 페라이트 조직이나 펄라이트 조직의 인성과 경도를 향상시키고, 동시에, 용접 조인트 열영향부의 연화를 방지한다. Ti는, 열영향부의 조직의 미세화를 도모하여, 용접 조인트부의 취화를 방지한다. Ca, Mg은, 레일 압연 시에 있어서 오스테나이트 입자의 미세화를 도모하고, 동시에, 펄라이트 변태를 촉진하여, 펄라이트 조직의 인성을 향상시킨다. Zr은, 응고 조직의 등축 정화율을 높이는 것에 의해, 주조편 중심부의 편석대의 형성을 억제하여, 초석 시멘타이트 조직의 두께를 미세화한다. Al은, 공석 변태 온도를 고온측으로 이동시켜, 펄라이트 조직의 경도를 높인다. N을 첨가하는 주목적은, 오스테나이트 입계에 편석함으로써 펄라이트 변태를 촉진시켜, 펄라이트 블록 사이즈를 미세화함으로써, 인성을 향상시키는 것이다.
이들 성분의 펄라이트계 레일에 있어서의 각 첨가량의 한정 이유에 대해, 이하에 상세하게 설명한다.
Cr은, 평형 변태 온도를 상승시켜, 결과적으로 펄라이트 조직의 라멜라 간격을 미세화하여, 고경도(강도)화에 기여한다. 이것과 동시에, 시멘타이트상을 강화하여, 펄라이트 조직의 경도(강도)를 향상시키고, 펄라이트 조직의 내피로 손상성을 향상시킨다. 그러나, 펄라이트계 레일에 함유되는 Cr량이 0.01％ 미만에서는 그 효과는 작아, 펄라이트계 레일의 경도를 향상시키는 효과가 전혀 보이지 않게 된다. 또한, 펄라이트계 레일에 함유되는 Cr량 2.00％를 초과하면, 켄칭성이 증가하여, 펄라이트 조직 중에 피로 특성에 유해한 마르텐사이트 조직이 생성되기 쉬워진다. 그 결과, 레일의 내피로 손상성이 저하된다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 Cr 첨가량을 0.01 내지 2.00％로 한정하였다.
Mo은, Cr과 마찬가지로 평형 변태 온도를 상승시켜, 결과적으로 펄라이트 조직의 라멜라 간격을 미세화하여, 고경도(강도)화에 기여하고, 펄라이트 조직의 내피로 손상성을 향상시킨다. 그러나, 펄라이트계 레일에 함유되는 Mo량이 0.01％ 미만에서는 그 효과가 작아, 펄라이트계 레일의 경도를 향상시키는 효과가 전혀 보이지 않게 된다. 또한, 펄라이트계 레일에 함유되는 Mo량이 0.50％를 초과하여 과잉으로 첨가되면, 변태 속도가 현저하게 저하되어, 펄라이트 조직 중에 피로 특성에 유해한 마르텐사이트 조직이 생성되기 쉬워진다. 그 결과, 레일의 내피로 손상성이 저하된다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 Mo 첨가량을 0.01 내지 0.50％로 한정하였다.
V는, 통상의 열간 압연이나 고온도로 가열하는 열처리가 행해지는 경우에, V 탄화물이나 V 질화물이 석출되어, 피닝 효과에 의해 오스테나이트 입자를 미세화한다. 이에 의해, 펄라이트 조직의 인성을 향상시킬 수 있다. 또한, V는 열간 압연 후의 냉각 과정에서 생성된 V 탄화물, V 질화물에 의한 석출 경화에 의해, 펄라이트 조직의 경도(강도)를 높여, 펄라이트 조직의 내피로 손상성을 향상시킬 수 있다. 또한, V는 Ac1점 이하의 온도 영역에 재가열된 열영향부에 있어서, 비교적 고온도 영역에서 V 탄화물이나 V 질화물을 생성시켜, 용접 조인트 열영향부의 연화를 방지하는 데 유효하다. 그러나, V량이 0.005％ 미만에서는 이들 효과를 충분히 기대할 수 없어, 펄라이트 조직의 인성이나 경도(강도)의 향상은 인정되지 않는다. 또한, V량이 0.50％를 초과하면, V의 탄화물이나 질화물의 석출 경화가 과잉으로 되어, 펄라이트 조직의 인성이 저하되고, 레일의 인성이 저하된다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 V 첨가량을 0.005 내지 0.50％로 한정하였다.
Nb는, V와 마찬가지로, 통상의 열간 압연이나 고온도로 가열하는 열처리가 행해지는 경우에, Nb 탄화물이나 Nb 질화물의 피닝 효과에 의해 오스테나이트 입자를 미세화하여, 펄라이트 조직의 인성을 향상시킨다. 또한, 열간 압연 후의 냉각 과정에서 생성된 Nb 탄화물, Nb 질화물에 의한 석출 경화에 의해, 펄라이트 조직의 경도(강도)를 높여, 펄라이트 조직의 내피로 손상성을 향상시킬 수 있다. 또한, 열간 압연 후의 냉각 과정에서 생성된 Nb 탄화물, Nb 질화물에 의한 석출 경화에 의해, 펄라이트 조직의 경도(강도)를 높인다. 또한, Nb는 Ac1점 이하의 온도 영역에 재가열된 열영향부에 있어서, 저온도 영역으로부터 고온도 영역까지 Nb의 탄화물이나 Nb 질화물을 안정적으로 생성시켜, 용접 조인트 열영향부의 연화를 방지한다. 그러나, 그 효과는, 펄라이트계 레일에 함유되는 Nb량이 0.002％ 미만에서는 이들 효과를 기대할 수 없어, 펄라이트 조직의 인성이나 경도(강도)의 향상은 인정되지 않는다. 또한, 펄라이트계 레일에 함유되는 Nb량이 0.050％를 초과하면, Nb의 탄화물이나 질화물의 석출 경화가 과잉으로 되어, 펄라이트 조직의 인성이 저하되고, 레일의 인성이 저하된다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 Nb 첨가량을 0.002 내지 0.050％로 한정하였다.
Co는, 펄라이트 조직 중의 페라이트상에 고용하여, 레일 헤드부의 마모면에 있어서, 차륜과의 접촉에 의해 형성시키는 미세한 페라이트 조직을 보다 미세화하여, 내마모성을 향상시킨다. 펄라이트계 레일에 함유되는 Co량이 0.01％ 미만에서는, 페라이트 조직의 미세화가 도모되지 않아, 내마모성의 향상 효과를 기대할 수 없다. 또한, 펄라이트계 레일에 함유되는 Co량이 1.00％를 초과하면, 상기한 효과가 포화되어, 첨가량에 따른 페라이트 조직의 미세화가 도모되지 않는다. 또한, 합금 첨가 비용의 증대에 의해 경제성이 저하된다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 Co 첨가량을 0.01 내지 1.00％로 한정하였다.
B는, 오스테나이트 입계에 철탄붕소화물[Fe23(CB)6]을 형성하여, 펄라이트 변태의 촉진 효과에 의해, 펄라이트 변태 온도의 냉각 속도 의존성을 저감시킨다. 이에 의해, 헤드 표면으로부터 내부까지 보다 균일한 경도 분포를 레일에 부여하여, 레일의 고수명화를 도모하는 것이 가능해진다. 그러나, 펄라이트계 레일에 함유되는 B량이 0.0001％ 미만에서는, 그 효과가 충분하지 않아, 레일 헤드부의 경도 분포에는 개선이 인정되지 않는다. 또한, 펄라이트계 레일에 함유되는 B량이 0.0050％를 초과하면, 조대한 철탄붕소화물이 생성되어, 인성의 저하를 초래한다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 B 첨가량을 0.0001 내지 0.0050％로 한정하였다.
Cu는, 펄라이트 조직 중의 페라이트에 고용하여, 고용 강화에 의해 펄라이트 조직의 경도(강도)를 향상시키고, 펄라이트 조직의 내피로 손상성을 향상시킨다. 그러나, 펄라이트계 레일에 함유되는 Cu의 양이 0.01％ 미만에서는 그 효과를 기대할 수 없다. 또한, 펄라이트계 레일에 함유되는 Cu량이 1.00％를 초과하면, 현저한 켄칭성 향상에 의해, 펄라이트 조직 중에 피로 특성에 유해한 마르텐사이트 조직이 생성되기 쉬워진다. 그 결과, 레일의 내피로 손상성이 저하된다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 Cu량을 0.01 내지 1.00％로 한정하였다.
Ni는, 펄라이트 조직의 인성을 향상시키고, 동시에, 고용 강화에 의해 고경도(강도)화하여, 펄라이트 조직의 내피로 손상성을 향상시킨다. 또한, Ni는 용접 열영향부에 있어서는, Ti와 복합으로 Ni3Ti의 금속간 화합물이 미세하게 석출되어, 석출 강화에 의해 연화를 억제한다. 또한, Ni는 Cu 첨가 강에 있어서 입계의 취화를 억제한다. 그러나, 펄라이트계 레일에 함유되는 Ni량이 0.01％ 미만에서는, 이들 효과가 현저하게 작고, 또한 펄라이트계 레일에 함유되는 Ni량이 1.00％를 초과하면, 현저한 켄칭성 향상에 의해, 펄라이트 조직 중에 피로 특성에 유해한 마르텐사이트 조직이 생성되기 쉬워진다. 그 결과, 레일의 내피로 손상성이 저하된다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 Ni 첨가량을 0.01 내지 1.00％로 한정하였다.
Ti는, 통상의 열간 압연이나 고온도로 가열하는 열처리가 행해지는 경우에, Ti탄화물이나 Ti 질화물이 석출되어, 피닝 효과에 의해 오스테나이트 입자를 미세화하여, 펄라이트 조직의 인성을 향상시킨다. 또한, Ti는 열간 압연 후의 냉각 과정에서 생성된 Ti탄화물, Ti 질화물에 의한 석출 경화에 의해, 펄라이트 조직의 경도(강도)를 높여, 펄라이트 조직의 내피로 손상성을 향상시킨다. 또한, Ti는 용접시의 재가열에 있어서 석출된 Ti의 탄화물, Ti의 질화물이 용해되지 않는 것을 이용하여, 오스테나이트 영역까지 가열되는 열영향부의 조직의 미세화를 도모하여, 용접 조인트부의 취화를 방지한다. 그러나, 펄라이트계 레일에 함유되는 Ti량이 0.0050％ 미만에서는 이들 효과가 적다. 또한, 펄라이트계 레일에 함유되는 Ti량이 0.0500％를 초과하면, 조대한 Ti의 탄화물, Ti의 질화물이 생성되어, 조대한 석출물로부터 피로 손상이 발생하여, 레일의 내피로 손상성이 저하된다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 Ti 첨가량을 0.0050 내지 0.0500％로 한정하였다.
Mg은, O, 또는 S나 Al 등과 결합하여 미세한 산화물이나 황화물을 형성하고, 레일 압연 시의 재가열에 있어서, 결정립의 입성장을 억제하여, 오스테나이트 입자의 미세화를 도모하여, 펄라이트 조직의 인성을 향상시킨다. 또한, Mg은 MgS가 MnS를 미세하게 분산시키고, MnS의 주위에 페라이트나 시멘타이트의 핵을 형성하여, 펄라이트 변태의 생성에 기여한다. 그 결과, 펄라이트 블록 사이즈를 미세화함으로써, 펄라이트 조직의 인성을 향상시킨다. 그러나, 펄라이트계 레일에 함유되는 Mg량이 0.0005％ 미만에서는 그 효과는 약하고, 펄라이트계 레일에 함유되는 Mg량이 0.0200％를 초과하면, Mg의 조대 산화물이 생성되어, 조대한 산화물로부터 피로 손상이 발생하여, 레일의 내피로 손상성이 저하된다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 Mg량을 0.0005 내지 0.0200％로 한정하였다.
Ca는, S와의 결합력이 강하고, CaS로서 황화물을 형성하고, 또한 CaS가 MnS를 미세하게 분산시켜, MnS의 주위에 Mn의 희박대를 형성하여, 펄라이트 변태의 생성에 기여한다. 그 결과, 펄라이트 블록 사이즈를 미세화함으로써, 펄라이트 조직의 인성을 향상시킨다. 그러나, 펄라이트계 레일에 함유되는 Ca량이 0.0005％ 미만에서는 그 효과는 약하고, 펄라이트계 레일에 함유되는 Ca량이 0.0200％를 초과하면, Ca의 조대 산화물이 생성되고, 조대한 산화물로부터 피로 손상이 발생하여, 레일의 내피로 손상성이 저하된다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 Ca량을 0.0005 내지 0.0200％로 한정하였다.
Zr은, ZrO2 개재물이 γ-Fe와의 격자 정합성이 양호하기 때문에, γ-Fe가 응고 초정인 고탄소의 펄라이트계 레일의 응고핵으로 되어, 응고 조직의 등축 정화율을 높이는 것에 의해, 주조편 중심부의 편석대의 형성을 억제하고, 레일 편석부에 생성되는 마르텐사이트나 초석 시멘타이트 조직의 생성을 억제한다. 그러나, 펄라이트계 레일에 함유되는 Zr량이 0.0001％ 미만에서는, ZrO2계 개재물의 수가 적어, 응고핵으로서 충분한 작용을 나타내지 않는다. 그 결과, 편석부에 마르텐사이트나 초석 시멘타이트 조직이 생성되어, 레일의 내피로 손상성이 저하된다. 또한, 펄라이트계 레일에 함유되는 Zr량이 0.2000％를 초과하면, 조대한 Zr계 개재물이 다량으로 생성되고, 이 조대한 Zr계 개재물을 기점으로 한 피로 손상이 발생하여, 레일의 내피로 손상성이 저하된다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 Zr량을 0.0001 내지 0.2000％로 한정하였다.
Al은, 탈산재로서 필수의 성분이다. 또한, 공석 변태 온도를 고온측으로 이동시켜, 펄라이트 조직의 고경도(강도)화에 기여하여, 펄라이트 조직의 내피로 손상성을 향상시킨다. 그러나, 펄라이트계 레일에 함유되는 Al량이 0.0040％ 미만에서는, 그 효과가 약하다. 또한, 펄라이트계 레일에 함유되는 Al량이 1.00％를 초과하면, 강 중에 고용시키는 것이 곤란해져, 조대한 알루미나계 개재물이 생성되고, 이 조대한 석출물로부터 피로 손상이 발생하여, 레일의 내피로 손상성이 저하된다. 또한, 용접 시에 산화물이 생성되어, 용접성이 현저하게 저하된다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 Al 첨가량을 0.0040 내지 1.00％로 한정하였다.
N은, 오스테나이트 입계에 편석함으로써, 오스테나이트 입계로부터의 펄라이트 변태를 촉진시켜, 주로, 펄라이트 블록 사이즈를 미세화함으로써, 인성을 향상시킨다. 또한, N은 V나 Al과 동시에 첨가함으로써, VN이나 AlN의 석출을 촉진시켜, 통상의 열간 압연이나 고온도로 가열하는 열처리가 행해지는 경우에, VN이나 AlN의 피닝 효과에 의해 오스테나이트 입자를 미세화하여, 펄라이트 조직의 인성을 향상시킨다. 그러나, 펄라이트계 레일에 함유되는 N량이 0.0060％ 미만에서는, 이들 효과가 약하다. 펄라이트계 레일에 함유되는 N량이 0.0200％를 초과하면, 강 중에 고용시키는 것이 곤란해져, 피로 손상의 기점이 되는 기포가 생성되어, 레일의 내피로 손상성이 저하된다. 이로 인해, 펄라이트계 레일에 있어서의 N 첨가량을 0.0060 내지 0.0200％로 한정하였다.
상기와 같은 성분 조성으로 구성되는 펄라이트계 레일은 전로, 전기로 등의 통상 사용되는 용해로에서 용제를 행한다. 그리고, 조괴ㆍ분괴법 혹은 연속 주조법에 의해, 용해로에서 용해된 용강으로부터 강편이 만들어지고, 또한 열간 압연을 거쳐서 펄라이트계 레일로서 제조된다.
(2) 금속 조직의 한정 이유
펄라이트계 레일의 헤드부 표면, 바닥부 표면의 금속 조직을 펄라이트 조직으로 한정한 이유에 대해 설명한다.
펄라이트 조직 중에 페라이트 조직, 초석 시멘타이트 조직, 마르텐사이트 조직이 혼재하면, 비교적 경도(강도)가 낮은 페라이트 조직에서는 변형이 집중되어, 피로 균열의 발생을 유발한다. 또한, 비교적 인성이 낮은 초석 시멘타이트 조직, 마르텐사이트 조직에서는, 미소한 취성적인 균열이 발생하여, 피로 균열의 발생을 유발한다. 또한, 펄라이트계 레일의 헤드부에 있어서는, 내마모성을 확보할 필요가 있으므로, 펄라이트 조직인 것이 바람직하다. 이로 인해, 헤드부의 적어도 일부 및 바닥부의 적어도 일부의 금속 조직을 펄라이트 조직으로 한정하였다.
또한, 본 실시 형태의 펄라이트계 레일의 금속 조직은 페라이트 조직, 초석 시멘타이트 조직, 마르텐사이트 조직이 혼재하지 않는 펄라이트 단상 조직인 것이 바람직하다. 그러나, 펄라이트계 레일의 성분계나 열처리 제조 방법에 따라서는, 펄라이트 조직 중에 면적률로 3％ 이하인 미량의 초석 페라이트 조직, 초석 시멘타이트 조직이나 마르텐사이트 조직이 혼입되는 경우가 있다. 이들 조직이 혼입되어도, 레일 헤드부의 내피로 손상성이나 내마모성에는 큰 악영향을 미치지 않는다. 따라서, 펄라이트계 레일에 3％ 이하의 미량의 초석 페라이트 조직, 초석 시멘타이트 조직이나 마르텐사이트 조직이 혼재되어 있어도, 내피로 손상성이 우수한 펄라이트계 레일을 제공하는 것이 가능하다.
바꿔 말하면, 본 실시 형태의 펄라이트계 레일의 헤드부의 금속 조직은 97％ 이상이 펄라이트 조직이면 된다. 내피로 손상성이나 내마모성을 충분히 확보하기 위해서는, 헤드부의 금속 조직의 99％ 이상을 펄라이트 조직으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 표 1-1, 표 1-2, 표 1-3, 표 1-4, 표 2-1, 표 2-2, 표 3-1 및 표 3-2에 있어서의 마이크로 조직의 란에, 「펄라이트」라고 기재되어 있는 강 레일(펄라이트계 레일)은 펄라이트 조직이 97％ 이상인 것을 의미한다.
(3) 표면 경도의 한정 이유
다음에, 펄라이트계 레일의 레일 헤드부, 바닥부의 펄라이트 조직의 표면 경도(SVH)를 Hv 320 내지 500의 범위로 한정한 이유에 대해 설명한다.
본 실시 형태에서는, 펄라이트 조직의 표면 경도(SVH)가 Hv 320 미만으로 되면, 펄라이트계 레일의 헤드부 표면, 바닥부 표면의 피로 강도가 저하되어, 레일의 내피로 손상성이 저하된다. 또한, 펄라이트 조직의 표면 경도(SVH)가 Hv 500을 초과하면, 펄라이트 조직의 인성이 현저하게 저하되어, 미소한 취성적인 균열이 발생하기 쉬워진다. 그 결과, 피로 균열의 발생을 유발한다. 이로 인해, 펄라이트 조직의 표면 경도(SVH)를 Hv 320 내지 500의 범위로 한정하였다.
또한, SVH(Surface Vickers Hardness)는 본 실시 형태의 레일의 헤드부, 바닥부의 펄라이트 조직의 표면 경도를 나타내는 것으로, 구체적으로는 레일 표면으로부터 1㎜ 깊이의 위치를 비커스 경도계로 측정했을 때의 값이다. 측정 방법은 하기에 나타내는 바와 같다.
(y1) 사전 처리 : 펄라이트계 레일을 절단한 후, 횡단면을 연마한다.
(y2) 측정 방법 : JIS Z 2244에 준하여 SVH를 측정한다.
(y3) 측정기 : 비커스 경도계(하중 98N)에 의해 SVH를 측정한다.
(y4) 측정 개소 : 레일 헤드부 표면, 바닥부 표면으로부터 1㎜ 깊이의 위치이다.
※ 레일 헤드부 표면, 바닥부 표면의 구체적인 위치는 도 5의 표시에 따른다.
(y5) 측정수 : 5점 이상 측정하여, 평균값을 펄라이트계 레일의 대표값으로 하는 것이 바람직하다.
다음에, 표면 경도(SVH) Hv 320 내지 500의 펄라이트 조직의 필요 범위를 펄라이트계 레일의 헤드부 표면, 바닥부 표면의 적어도 일부로 한정한 이유를 설명한다.
여기서, 도 5에 본 실시 형태의 내피로 손상성이 우수한 펄라이트계 레일의 헤드부 단면 표면 위치에서의 호칭 및 표면 경도(SVH) Hv 320 내지 500의 펄라이트 조직이 필요한 영역을 도시한다.
펄라이트계 레일(10)의 헤드부(11)에 있어서, 도 5의 1점 쇄선으로 나타내는 중앙선(L)으로부터 폭 방향의 좌우의 측면을 향하는 코너부(1A)까지를 포함하는 영역이 헤드 정상부(1)이고, 이 헤드 정상부(1)의 양측의 코너부(1A)로부터 측면까지를 포함하는 영역이 헤드부 코너부(2)이다. 헤드부 코너부(2)의 한쪽은 차륜과 주로 접촉하는 게이지 코너(G.C.)부이다. 본 실시 형태에 있어서의 「레일의 헤드부의 표면」이라 함은, 헤드 정상부(1)의 표면(1S)이다.
또한, 펄라이트계 레일(10)의 바닥부(12)에 있어서, 중앙선(L)으로부터 폭 방향의 좌우에 발 폭(폭) 치수(W)의 1/4의 영역을 포함하는 부분이 발바닥부(3)이다. 본 실시 형태에서는, 「레일의 바닥부의 표면」이라 함은 발바닥부(3)의 표면(3S)이다.
펄라이트계 레일(10)의 헤드부(11)에 있어서, 헤드부(11)의 적어도 일부, 즉 헤드 정상부(1)의 표면(1S)을 기점으로 하여 깊이 5㎜까지의 영역(R1)에, 표면 경도(SVH) Hv 320 내지 500 범위의 펄라이트 조직이 배치되어 있으면, 헤드부(11)의 내피로 손상성을 확보할 수 있다. 또한, 깊이 5㎜는 일례에 지나지 않고, 5㎜ 내지 15㎜의 범위이면, 펄라이트계 레일(10)의 헤드부(11)의 내피로 손상성을 확보할 수 있다.
또한, 펄라이트계 레일(10)의 바닥부(12)에 있어서, 바닥부(12)의 적어도 일부, 즉 발바닥부(3)의 표면(3S)을 기점으로 하여 깊이 5㎜까지의 영역(R3)에, 표면 경도(SVH) Hv 320 내지 500 범위의 펄라이트 조직이 배치되어 있으면, 바닥부(12)의 내피로 손상성을 확보할 수 있다. 또한, 깊이 5㎜는 일례에 지나지 않고, 5㎜ 내지 15㎜의 범위이면, 펄라이트계 레일(10)의 바닥부(12)의 내피로 손상성을 확보할 수 있다.
따라서, 표면 경도(SVH) Hv 320 내지 500의 펄라이트 조직은 레일 헤드 정상부(1)의 표면(1S), 발바닥부(3)의 표면(3S)에 배치하는 것이 바람직하고, 그 이외의 부분은 펄라이트 조직 이외의 금속 조직이라도 좋다.
또한, 헤드부(11)의 헤드 정상부(1)를 펄라이트 조직으로 하였지만, 헤드부(11) 전체의 표면을 기점으로 한 영역이 펄라이트 조직이라도 좋다. 또한, 바닥부(12)의 발바닥부(3)를 펄라이트 조직으로 하였지만, 바닥부(12) 전체를 기점으로 한 영역이 펄라이트 조직이라도 좋다.
특히, 레일 헤드부는 차륜과의 접촉에 의해 마모되므로, 헤드 정상부(1), 코너부(2)를 포함시켜, 내마모성 확보를 위해 상기한 펄라이트 조직을 배치하는 것이 바람직하다. 내마모성의 관점에서는, 상기한 펄라이트 조직은 표면을 기점으로 하여 깊이 20㎜의 범위에 배치하는 것이 바람직하다.
표면 경도(SVH) Hv 320 내지 500의 펄라이트 조직을 얻는 방법으로서는, 압연 후에 자연 냉각, 압연 후, 또는 필요에 따라서 재가열 후의 오스테나이트 영역이 있는 고온의 레일 헤드부 표면이나 바닥부 표면에 가속 냉각을 행하는 것이 바람직하다. 가속 냉각의 방법으로서는, 특허문헌 3, 특허문헌 4 등에 기재되어 있는 방법으로 열처리를 행함으로써, 소정의 조직과 경도를 얻을 수 있다.
(4) 최대 표면 거칠기의 한정 이유
다음에, 펄라이트계 레일(10)의 헤드부의 표면, 바닥부의 표면의 최대 표면 거칠기(Rmax)를 180㎛ 이하로 한정한 이유에 대해 설명한다.
본 실시 형태에서는 펄라이트계 레일의 헤드부의 표면, 바닥부의 표면의 최대 표면 거칠기(Rmax)가 180㎛를 초과하면, 레일 표면에서의 응력 집중이 과잉으로 되어, 레일 표면으로부터의 피로 균열의 발생을 유발한다. 이로 인해, 펄라이트계 레일의 헤드부의 표면, 바닥부의 표면의 최대 표면 거칠기(Rmax)를 180㎛ 이하로 한정하였다.
또한, 최대 표면 거칠기(Rmax)의 하한은 특별히 한정되어 있지 않지만, 열간 압연으로 레일을 제조하는 것을 전제로 하면, 공업 제조상 20㎛ 정도가 하한으로 된다. 또한, 최대 표면 거칠기가 20㎛ 내지 180㎛의 범위인 영역은, 도 5에 도시한 바와 같이, 레일(10)의 헤드 정상부(1)의 표면(1S), 발바닥부(3)의 표면(3S)이고, 그 최대 표면 거칠기가 180㎛ 이하이면, 레일의 내피로 손상성을 확보할 수 있다.
최대 표면 거칠기(Rmax)의 측정은 하기의 요령으로 행하는 것이 바람직하다.
(z1) 사전 처리 : 레일 표면의 스케일을 산세 또는 샌드블라스트 제거한다.
(z2) 거칠기 측정 : JIS B 0601에 준하여 최대 표면 거칠기(Rmax)를 측정한다.
(z3) 측정기 : 2차원 또는 3차원의 일반적인 거칠기 측정기에 의해 최대 표면 거칠기(Rmax)를 측정한다.
(z4) 측정 개소 : 도 5에 도시한 레일 헤드부(11)의 헤드 정상부(1)의 표면(1S), 바닥부(12)의 발바닥부(3)의 표면(3S)의 임의의 3개소이다.
(z5) 측정수 : 각 개소 3회 측정하여, 그 평균값(측정수 : 9)을 펄라이트계 레일의 대표값으로 하는 것이 바람직하다.
(z6) 측정 길이(측정 1회당) : 측정면의 레일 길이 방향 5㎜
(z7) 측정 조건 : 스캔 스피드 : 0.5㎜/sec
또한, 최대 표면 거칠기(Rmax)의 정의는 하기에 나타내는 바와 같다.
(z8) 최대 표면 거칠기(Rmax) : 측정 기준 길이에 있어서 바닥부로부터 헤드부를 향하는 레일 연직 방향(높이 방향)의 평균값을 기초로 최대의 골의 깊이와 마루의 높이의 합이고, JIS 2001년에서는 「Rmax」는 「Rz」로 명칭 변경되었다.
(5) 최대 표면 거칠기(Rmax)에 대한 표면 경도(SVH)의 비(SVH/Rmax)가 3.5 이상의 한정 이유
다음에, 최대 표면 거칠기(Rmax)에 대한 표면 경도(SVH)의 비(SVH/Rmax)가 3.5 이상으로 한정된 이유에 대해 설명한다.
본 발명자들은 펄라이트계 레일의 피로 한도 응력 범위와 표면 경도(SVH)와, 최대 표면 거칠기(Rmax)의 관계를 상세하게 조사하였다. 그 결과, 펄라이트계 레일 최대 표면 거칠기(Rmax)에 대한 표면 경도(SVH)의 비, 즉 SVH/Rmax와 피로 한도 응력 범위에는 상관이 있는 것을 발견하였다.
또한 실험을 진행시킨 결과, 도 3에 도시한 바와 같이, 레일의 헤드부 표면이나 바닥부 표면 경도에 관계없이, 최대 표면 거칠기(Rmax)에 대한 표면 경도(SVH)의 비인 SVH/Rmax의 값이 3.5 이상으로 되면, 피로 한도 응력 범위가 상승하여, 피로 강도가 더욱 향상되는 것을 발견하였다.
이들 실험적 사실에 기초하여, 표면 경도(SVH)와 최대 표면 거칠기(Rmax)의 비, 즉 SVH/Rmax의 값을 3.5 이상으로 한정하였다.
(6) 거칠기의 레일 연직 방향(높이 방향)의 평균값에 대해 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수를 길이 5㎜당 40개 이하로 하는 한정 이유
다음에, 거칠기의 높이 방향의 평균값에 대해 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수가, 헤드부(11) 및 바닥부(12)의 레일 길이 방향의 길이 5㎜당 40개 이하로 한정된 이유에 대해 설명한다. 여기서 말하는 요철수라 함은, 헤드부(11)로부터 바닥부(12)를 향하는 레일 연직 방향(높이 방향)의 거칠기의 평균값으로부터 상하 방향(높이 방향)으로 최대 표면 거칠기의 0.30배까지의 범위를 초과하는 마루와 골의 수이다.
본 발명자들은 펄라이트계 레일의 피로 강도를 향상시키기 위해, 펄라이트계 레일의 표면의 거칠기를 상세하게 조사하였다. 그 결과, 거칠기의 높이 방향의 평균값에 대해 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수와 피로 한도 응력 범위에는 상관이 있는 것을 발견하였다. 실험을 더 진행시킨 결과, 도 4에 도시한 바와 같이, 최대 표면 거칠기(Rmax)가 150㎛와 50㎛ 중 어떤 경도의 펄라이트계 레일에 있어서도, 요철의 수가 40개를 초과하면 피로 한도 응력이 저하되므로 피로 강도가 크게 저하되고, 40개 이하로 되면 피로 한도 응력 범위가 상승하므로 피로 강도가 크게 향상되는 것을 발견하였다. 또한, 요철수가 10개 이하로 되면, 또한 피로 한도 응력 범위가 상승하여 피로 강도가 크게 향상되는 것을 발견하였다. 따라서, 이들 실험적 사실에 기초하여, 거칠기의 높이 방향의 평균값에 대해 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수가, 헤드부 및 바닥부의 연장 방향의 길이 5㎜당 40개 이하인 것이 바람직하고, 또한 10개 이하인 것이 바람직하다.
최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수의 측정 방법은 최대 표면 거칠기(Rmax)의 측정 방법에 준한다. 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수는 거칠기 데이터를 상세하게 해석하여 구한다. 각 개소 3회 측정한 요철의 수의 평균값(측정수 : 9)을 펄라이트계 레일의 대표값으로 하는 것이 바람직하다.
(7) 최대 표면 거칠기를 제어하는 제조 방법에 대해
레일 표면의 요철은 열간 압연 시의 압연 롤에 의한 스케일의 소재측으로의 압입에 의해 발생하고, 그 결과, 표면의 조도가 커지는 것이 확인되어 있다.
따라서, 표면 조도를 저하시키기 위해서는, 가열로 내에서 생성되는 강편의 1차 스케일 생성을 경감, 제거한다. 또한, 압연 중에 생성되는 강편의 2차 스케일을 제거하는 것이 유효한 수단으로 된다.
가열로 내에서 생성되는 강편의 1차 스케일의 경감에 대해서는, 가열로의 가열 온도의 경감, 보유 지지 시간의 단축, 가열로의 분위기 제어, 가열로로부터 추출한 강편으로의 메커니컬 디스케일링, 압연 전의 고압수나 에어에 의한 디스케일링이 유효하다.
강편의 가열 온도의 경감, 보유 지지 시간의 단축에 대해서는, 압연조 형성 확보의 관점으로부터, 강편 중심부까지 균일하게 가열하는 것을 전제로 하면 제약이 크다. 이로 인해, 실용적인 수단으로서는, 가열로의 분위기 제어, 가열로로부터 추출한 강편으로의 메커니컬 디스케일링, 압연 전의 고압수나 에어에 의한 디스케일링이 바람직하다.
압연 중에 생성되는 강편의 2차 스케일의 제거에 대해서는, 각 압연 전에서의 고압수나 에어에 의한 디스케일링이 유효하다.
(8) 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수를 제어하는 제조 방법에 대해
레일의 헤드부의 표면 및 바닥부의 표면의 큰 요철의 수는, 상기한 1차 스케일을 경감시키는 강편으로의 메커니컬 디스케일링, 압연 전의 고압수의 적용, 2차 스케일을 제거하는 각 압연 전에서의 고압수나 에어에 의한 디스케일링에 의해 변화된다.
따라서, 표면의 스케일을 균일하게 박리시켜, 과잉의 디스케일링에 의해 생성되는 새로운 표면 요철을 억제하는 목적으로부터, 메커니컬 디스케일링, 고압의 물이나 에어의 분사에 있어서의 분무 매체의 치수나 투사 속도나 분사 압력의 제어나 투사, 분사에 의한 요동에 의해, 요철의 수를 소정수 이하로 하는 것이 바람직하다.
이하, 각각의 조건에 대해 상세하게 설명하지만, 이하의 조건은 바람직한 조건이고, 이들 조건만으로 한정되는 것은 아니다.
(A) 가열로의 분위기 제어
가열로의 분위기 제어에 대해서는, 강편 주위의 산소를 가능한 한 배제하여, 강재의 특성으로의 영향이 없고, 저렴한 것으로서 질소 분위기가 바람직하다. 가열로에서의 질소의 첨가량으로서는, 체적 비율로 30 내지 80％ 정도가 바람직하다. 가열로에서의 질소의 체적 비율이 30％ 미만으로 되면, 가열로 내에서의 1차 스케일의 생성량이 증가하고, 그 후에 디스케일링을 행해도, 1차 스케일의 제거가 불충분해져, 표면 조도가 증가한다. 또한, 질소의 체적 비율이 80％를 초과하는 첨가를 행해도, 효과가 포화되는 것이나 경제성이 저하된다. 이로 인해, 질소의 첨가량은 체적 비율로 30 내지 80％ 정도가 바람직하다.
(B) 메커니컬 디스케일링
강편으로의 메커니컬 디스케일링에 대해서는, 1차 스케일이 생성되어 있는 레일용 강편의 재가열 직후에 쇼트 블라스트를 행하는 것이 바람직하다. 쇼트 블라스트의 조건으로서는, 하기에 나타내는 방법이 바람직하다.
(a) 쇼트재 : 경구의 경우
직경 : 0.05 내지 1.0㎜, 투사 속도 : 50 내지 100m/sec, 투사 밀도 : 5 내지 10㎏/㎡ 이상
(b) 쇼트재 : 철제의 다각형 파편(그리드)의 경우
장편 치수 : 0.1 내지 2.0㎜, 투사 속도 : 50 내지 100m/sec, 투사 밀도 : 5 내지 10㎏/㎡
(c) 쇼트재 : 알루미나 및 실리콘 카바이드를 포함하는 다각형 파편(그리드)의 경우
장편 치수 : 0.1 내지 2.0㎜, 투사 속도 : 50 내지 100m/sec, 투사 밀도 : 5 내지 10㎏/㎡
상기한 범위의 가열로의 분위기 제어, 메커니컬 디스케일링, 또한 이것에 이어서, 후술하는 고압수나 에어에 의한 디스케일링을 행함으로써, 표면의 조도를 저하시켜, 최대 표면 거칠기(Rmax)를 180 이하로 제어하는 것이 가능해진다.
또한, 가열로의 분위기 제어, 메커니컬 디스케일링은 고압수나 에어에 의한 디스케일링을 기본으로 하여, 내피로 손상성의 향상을 목표로 하여 표면 경도(SVH)/최대 표면 거칠기(Rmax)를 3.5 이상으로, 즉 내피로 손상성을 더욱 향상시키는 경우에, 고압수나 에어에 의한 디스케일링을 부가적으로 행하는 것이 바람직하다.
(C) 고압수나 에어에 의한 디스케일링
고압수나 에어에 의한 디스케일링에 대해서는, 1차 스케일이 생성되어 있는 레일용 강편의 재가열 추출 직후 및 조압연 중, 2차 스케일이 생성하는 레일 마무리 압연 중이 바람직하다. 고압수나 에어에 의한 디스케일링의 조건으로서는 하기에 나타내는 방법이 바람직하다.
(a) 고압수
분사 압력 : 10 내지 50㎫
디스케일링 온도 범위(분사 강편 온도)
재가열 추출 직후 및 조압연 중(1차 스케일 제거) : 1250 내지 1050℃
마무리 압연 중(2차 스케일 제거) : 1050 내지 950℃
(b) 에어
분사 압력 : 0.01 내지 0.10㎫
디스케일링 온도 범위(분사 강편 온도)
재가열 추출 직후 및 조압연 중(1차 스케일 제거) : 1250 내지 1050℃
마무리 압연 중(2차 스케일 제거) : 1050 내지 950℃
(D) 메커니컬 디스케일링, 고압의 물이나 에어에 의한 디스케일링 상세 제어
레일의 헤드부의 표면 및 바닥부의 표면의 스케일을 균일하게 박리시키고, 또한 디스케일링 시에 생성되는 새로운 표면 요철을 억제하여, 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수를 소정수 이하로 하기 위해서는, 하기의 조건으로 행하는 것이 바람직하다.
메커니컬 디스케일링의 경우에는, 쇼트재인 강구, 철제의 다각형 파편(그리드), 알루미나 및 실리콘 카바이드를 포함하는 다각형 파편(그리드)의 치수(직경, 길이)를 미세화하여, 투사 속도를 과잉으로 하지 않는 등의 대책이 필요하다.
또한, 고압의 물이나 에어의 분사의 경우에는, 분무 매체의 치수를 결정하는 분사 구멍을 미세화하여, 분사 압력을 과잉으로 하지 않는 등의 대책이 필요하다.
또한, 투사, 분사의 노즐의 요동에 대해서는, 강편이나 레일의 이동 속도에 맞추어 주기적인 노즐의 요동을 행하는 것이 바람직하다. 요동 속도는 한정하지 않지만, 레일 헤드부 표면, 바닥부 표면에 상당하는 부위에 균일하게 분사 매체가 접촉하도록 요동 속도를 제어하는 것이 바람직하다.
(E) 디스케일링 온도 범위
레일용 강편의 재가열 추출 직후 및 조압연에서의 디스케일링 온도 범위로서는 1250 내지 1050℃가 바람직하다. 디스케일링은 강편의 재가열(1250 내지 1300℃) 추출 직후에 행하기 때문에, 디스케일링 온도는 실질적으로 1250℃가 상한으로 된다. 또한, 디스케일링 온도가 1050℃ 이하로 되면, 1차 스케일이 견고해져, 제거가 곤란해진다. 이로 인해, 디스케일링 온도 범위로서는 1250 내지 1050℃가 바람직하다.
레일 마무리 압연 중의 디스케일링 온도 범위로서는, 1050 내지 950℃가 바람직하다. 2차 스케일은 1050℃ 이하에서 생성되므로, 실질적으로 1050℃가 상한으로 된다. 또한, 디스케일링 온도가 950℃ 이하로 되면, 레일 자체의 온도가 저하되기 쉬워져, 특허문헌 3, 특허문헌 4에 개시된 열처리 시의 열처리 개시 온도를 확보할 수 없다. 이에 의해, 레일의 경도가 저하되어, 내피로 손상성이 크게 저하된다. 이로 인해, 디스케일링 온도 범위로서는 1050 내지 950℃가 바람직하다.
(F) 디스케일링 횟수
재가열 추출 직후 및 조압연에서의 1차 스케일 제거를 충분히 행하기 위해서는, 압연 직전에 디스케일링을 4 내지 12회 정도 행하는 것이 바람직하다. 디스케일링이 4회 미만으로 되면, 1차 스케일을 충분히 제거할 수 없어, 스케일의 소재측으로의 압입에 의해, 레일 표면에 요철이 발생하여, 표면의 조도가 커진다. 즉, 레일 표면의 최대 표면 거칠기(Rmax)가 180 이하로 되는 것은 곤란해진다. 한편, 디스케일링이 12회를 초과하면, 레일 표면의 거칠기는 작아지지만, 레일 자체의 온도가 저하되어, 특허문헌 3, 특허문헌 4에 개시된 열처리 시의 열처리 개시 온도를 확보할 수 없다. 그 결과, 레일의 경도가 저하되어, 내피로 손상성이 크게 저하된다. 이로 인해, 재가열 추출 직후 및 조압연에서의 디스케일링 횟수는 4 내지 12회 행하는 것이 바람직하다.
마무리 압연에서의 2차 스케일 제거를 충분히 행하기 위해서는, 압연 직전에 디스케일링을 3 내지 8회 정도 행하는 것이 바람직하다. 디스케일링이 3회 미만으로 되면, 2차 스케일을 충분히 제거할 수 없어, 스케일의 소재측으로의 압입에 의해 발생하여, 표면의 조도가 커진다. 한편, 디스케일링이 8회를 초과하면, 레일 표면의 거칠기는 작아지지만, 레일 자체의 온도가 저하되어, 특허문헌 3, 특허문헌 4에 개시된 열처리 시의 열처리 개시 온도를 확보할 수 없다. 그 결과, 레일의 경도가 저하되어, 내피로 손상성이 크게 저하된다. 이로 인해, 마무리 압연에서의 디스케일링 횟수는 3 내지 8회 행하는 것이 바람직하다.
내피로 손상성의 가일층의 향상을 목표로 하여, 펄라이트계 레일의 표면 경도(SVH)/최대 표면 거칠기(Rmax)가 3.5 이상을 되기 위해서는, 디스케일링을 조압연 온도 1200 내지 1050℃에서 8 내지 12회, 마무리 압연 온도 1050 내지 950℃에서 5 내지 8회의 디스케일링을 행하는 것이 바람직하다.
디스케일링을 행하는 부위로서는, 레일 압연용 강편에 있어서, 레일 헤드부 표면, 바닥부 표면에 상당하는 위치에 행하는 것이 바람직하다. 그 이외의 부위에 대해서는, 적극적인 디스케일링을 행해도 내피로 손상성의 향상은 요망되지 않고, 레일이 과잉 냉각되어, 반대로 레일의 재질을 악화시킬 우려가 있다.
표 3-1 및 표 3-2에, 열간 압연 시의 가열로 분위기 제어의 유무, 메커니컬 디스케일링의 유무, 재가열 추출 직후의 조압연에서의 디스케일링 마무리 압연에서의 디스케일링의 조건, 고압수 에어 및 메커니컬 디스케일링 제어의 유무, 열처리 개시 온도, 열처리의 유무와 강 레일(펄라이트계 레일) A8, A17의 제특성의 관계를 나타낸다. 표 3-1 및 표 3-2의 비고에 기재한 「디스케」라 함은 디스케일링이다.
분위기 제어, 메커니컬 디스케일링이나 고압수나 에어에 의한 디스케일링을 어느 일정한 조건으로 행하고, 필요에 따라서 적절한 열처리를 행함으로써, 레일 헤드부 표면, 바닥부 표면 경도(SVH)를 확보하고, 또한 최대 표면 거칠기(Rmax)를 작게 하여, 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수를 소정수 이하로 할 수 있다. 이에 의해, 최대 표면 거칠기(Rmax)에 대한 표면 경도(SVH)의 비를 크게 할 수 있고, 또한 요철의 수를 40개, 바람직하게는 10개 이하로 할 수 있으므로, 레일의 내피로 손상성을 크게 향상시킬 수 있다.
(실시예)
다음에, 본 실시 형태의 실시예에 대해 설명한다.
표 1-1 내지 표 1-4에 본 실시예의 강 레일(펄라이트계 레일)의 화학 성분과 제특성을 나타낸다. 표 1-1(강 레일 A1 내지 A19), 표 1-2(강 레일 A20 내지 A38), 표 1-3(강 레일 A39 내지 A52), 표 1-4(강 레일 A53 내지 A65)에는 화학 성분값, 레일 헤드부 표면, 바닥부 표면의 마이크로 조직, 표면 경도(SVH), 최대 표면 거칠기(Rmax), 표면 경도(SVH)/최대 표면 거칠기(Rmax)의 값, 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수(NCC : Number of Concavo-Convex), 피로 한도 응력 범위(FLSR : Fatigue Limit Stress Range)를 나타낸다. 또한, 도 6a 및 도 6b에 도시하는 방법으로 행한 피로 시험의 결과도 병기하였다.
표 2-1(강 레일 a1 내지 a10) 및 표 2-2(강 레일 a11 내지 a20)에 본 실시예의 강 레일(A1 내지 A65)과 비교하는 강 레일의 화학 성분과 제특성을 나타낸다. 표 2-1 및 표 2-2에는 화학 성분값, 레일 헤드부 표면, 바닥부 표면의 마이크로 조직, 표면 경도(SVH), 최대 표면 거칠기(Rmax), 표면 경도(SVH)/최대 표면 거칠기(Rmax), 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수의 값(NCC), 피로 한도 응력 범위(FLSR)를 나타낸다. 또한, 도 6a 및 도 6b에 도시하는 방법으로 행한 피로 시험의 결과도 병기하였다.
표 1-1 내지 표 1-4, 표 2-1 및 표 2-2에 기재된 레일은, (A) 가열로의 분위기 제어, (B) 메커니컬 디스케일링, (C) 고압수나 에어에 의한 디스케일링을 선택적으로 실시한 것이다.
고압수나 에어에 의한 디스케일링은 조압연 온도 1250 내지 1050℃에서 4 내지 12회, 마무리 압연 온도 1050 내지 950℃에서 3 내지 8회 실시하였다.
압연 후의 열처리에 대해서는, 특허문헌 3, 특허문헌 4 등에 기재되어 있는 가속 냉각을 필요에 따라서 실시하였다.
본 실시예의 강 레일 A1 내지 A6, 비교 레일 a1 내지 a6에 대해서는, 분위기 제어 없음, 메커니컬 디스케일링 없음, 조압연 온도 1250 내지 1050℃에서 6회, 마무리 압연 온도 1050 내지 950℃에서 4회의 고압수나 에어에 의한 디스케일링을 행하고, 압연 후에, 특허문헌 3, 특허문헌 4 등에 기재되어 있는 바와 같은 가속 냉각을 행하여, 일정한 조건으로 제조하여, 성분의 영향을 조사하였다.
[표 1-1]
Figure pct00001
[표 1-2]
Figure pct00002
[표 1-3]
Figure pct00003
[표 1-4]
Figure pct00004
[표 2-1]
Figure pct00005
[표 2-2]
Figure pct00006
[표 3-1]
Figure pct00007
[표 3-2]
Figure pct00008
또한, 표 3-1 및 표 3-2에는 표 1-1 내지 표 1-4에 기재된 강의 제조 조건과 제특성을 나타낸다. 표 3-1 및 표 3-2에는 열간 압연 시의 가열로 분위기 제어의 유무, 메커니컬 디스케일링의 유무, 재가열 추출 직후, 조압연, 마무리 압연에서의 고압수나 에어에 의한 디스케일링 온도 영역이나 횟수, 고압수 에어 및 메커니컬 디스케일링 제어의 유무, 열처리 개시 온도, 열처리의 유무, 레일 헤드부 표면, 바닥부 표면의 마이크로 조직, 표면 경도(SVH), 최대 표면 거칠기(Rmax), 표면 경도(SVH)/최대 표면 거칠기(Rmax), 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수(NCC), 피로 한도 응력 범위(FLSR)의 값을 나타낸다. 또한, 도 6a 및 도 6b에 도시하는 방법으로 행한 피로 시험의 결과도 병기하였다.
또한, 각종 시험 조건은 하기와 같다.
<피로 시험>
레일 형상 : 136파운드의 강 레일(67㎏/m)을 사용한다.
피로 시험(도 6a 및 도 6b 참조)
시험 방법 : 실물의 강 레일을 사용하여 3점 굽힘(스팬 길이 : 1m, 주파수 : 5㎐)에 의한 시험을 행한다.
하중 조건 : 응력 범위 제어(최대-최소, 최소 하중은 최대 하중의 10％)를 행한다.
시험 자세(도 6a 및 도 6b 참조)
헤드부 표면의 시험 : 바닥부에 하중 부하(헤드부에 인장 응력 작용).
바닥부 표면의 시험 : 헤드부에 하중 부하(바닥부에 인장 응력 작용).
반복 횟수 : 200만회, 미파단인 경우의 최대 응력 범위를 피로 한도 응력 범위로 한다.
(1) 본 실시예 레일(65개)
강 레일 A1 내지 A65는 화학 성분값, 헤드부의 표면, 바닥부의 표면의 마이크로 조직, 표면 경도(SVH), 최대 표면 거칠기(Rmax)의 값이 본 실시예의 범위 내에서는 레일이다.
강 레일 A9, A27, A50, A58, A65의 화학 성분값, 레일 헤드부 표면, 바닥부 표면의 마이크로 조직, 표면 경도(SVH), 최대 표면 거칠기(Rmax)에 추가하여, 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수가 본 실시예의 가장 적합한 조건인 10개 이하의 레일이다.
강 레일 A10, A11, A14, A15, A17, A19, A21, A23, A25, A28, A32, A34, A38, A40, A42, A45, A48, A51, A56, A59, A61은 화학 성분값, 레일 헤드부 표면, 바닥부 표면의 마이크로 조직, 표면 경도(SVH), 최대 표면 거칠기(Rmax)에 추가하여, 표면 경도(SVH)/최대 표면 거칠기(Rmax)의 값이 본 실시예의 범위 내인 레일이다.
강 레일 A12, A18, A35, A52, A62는 화학 성분값, 레일 헤드부 표면, 바닥부 표면의 마이크로 조직, 표면 경도(SVH), 최대 표면 거칠기(Rmax)에 추가하여, 표면 경도(SVH)/최대 표면 거칠기(Rmax)의 값, 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수(NCC)가 본 실시예의 가장 적합한 조건인 10개 이하의 레일이다.
표 1-1 내지 표 1-4에 기재된 표면 경도(SVH)/최대 표면 거칠기(Rmax)의 값이 3.5 이상인 레일은, (A) 가열로의 분위기 제어, (B) 메커니컬 디스케일링, (C) 고압수나 에어에 의한 압연 중의 디스케일링을 선택적으로 실시하였다.
특히, 고압수나 에어에 의한 디스케일링에서는, 그 횟수를 늘려, 조압연 온도 1250 내지 1050℃에서 8 내지 12회, 마무리 압연 온도 1050 내지 950℃에서 5 내지 8회의 디스케일링을 행하고, 그 후, 특허문헌 3, 특허문헌 4 등에 기재되어 있는 바와 같은 압연 후 가속 냉각을 실시하였다.
(2) 비교 레일(20개)
강 레일 a1 내지 a6은 화학 성분이 본 발명의 범위 외인 레일이다.
강 레일 a7 내지 a20은 레일 헤드부 표면, 바닥부 표면의 표면 경도(SVH), 최대 표면 거칠기(Rmax)의 값이 본 발명의 범위 외인 레일이다.
표 1-1, 표 1-2, 표 2-1 및 표 2-2에 나타낸 바와 같이, 강 레일 a1 내지 a6에 있어서, 강의 C, Si, Mn의 화학 성분이 본 발명의 범위 외이기 때문에, 페라이트 조직, 초석 시멘타이트 조직, 마르텐사이트 조직이 생성되어 있다. 즉, 본 실시예의 강 레일 A1 내지 A65에 함유되는 C가 0.65 내지 1.20％의 범위이고, Si가 0.05 내지 2.00％의 범위이고, Mn이 0.05 내지 2.00％의 범위이므로, 강 레일 a1 내지 a6에 비해, 내피로 손상성에 악영향을 미치는 페라이트 조직, 초석 시멘타이트 조직, 마르텐사이트 조직을 생성시키는 경우가 없다. 따라서, 강 레일의 헤드부의 표면 및 바닥부의 표면에 일정한 경도 범위 내의 펄라이트 조직을 안정적으로 얻을 수 있다. 이에 의해, 강 레일에 필요한 피로 강도(피로 한도 응력 범위가 300㎫ 이상)를 확보하여, 레일의 내피로 손상성을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 표 1-1 내지 표 1-4, 표 2-1 및 표 2-2에 나타낸 바와 같이, 강 레일 a7 내지 a20은 헤드부의 표면 및 바닥부의 표면 경도(SVH)나 최대 표면 거칠기(Rmax)가, 본 발명의 범위 외이기 때문에, 레일에 필요한 피로 강도(피로 한도 응력 범위가 300㎫ 이상)를 확보할 수 없다. 즉, 본 실시예의 강 레일 A1 내지 A65는 헤드부의 표면 및 바닥부의 표면 경도가 Hv 320 내지 500의 범위이고, 최대 표면 거칠기(Rmax)가 180㎛ 이하이므로, 레일에 필요한 피로 강도(피로 한도 응력 범위 300㎫ 이상)를 확보하여, 레일의 내피로 손상성을 향상시키는 것이 가능해진다.
도 7에 본 실시예의 강 레일(표 1-1 및 표 1-2에 나타내는 강 레일 A8, A10 내지 A11, A13 내지 A17, A19 내지 A26, A28, A31 내지 A34, A37 내지 A42, A44 내지 A45, A47 내지 A49, A51, A55 내지 A57, A59 내지 A61, A64)의 헤드부의 표면 경도와 피로 한도 응력 범위의 관계를 표면 경도(SVH)/최대 표면 거칠기(Rmax)의 값으로 구별하여 나타낸다.
도 8에 본 실시예의 강 레일(표 1-1 내지 표 1-4에 나타내는 강 레일 : A8, A10 내지 A11, A13 내지 A17, A19 내지 A26, A28, A31 내지 A34, A37 내지 A42, A44 내지 A45, A47 내지 A49, A51, A55 내지 A57, A59 내지 A61, A64)의 바닥부의 표면 경도와 피로 한도 응력 범위의 관계를 표면 경도(SVH)/최대 표면 거칠기(Rmax)의 값으로 구별하여 나타낸다.
도 7, 도 8에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 강 레일은 표면 경도(SVH)/최대 표면 거칠기(Rmax)의 값을 일정 범위 내에 들어가게 함으로써, 펄라이트 조직을 나타낸 레일의 피로 강도(피로 한도 응력 범위)를 더욱 향상시켜, 내피로 손상성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 도 9에 본 실시예의 강 레일(표 1-1 내지 표 1-4에 나타내는 강 레일 : A8 내지 A9, A11 내지 A12, A17 내지 A18, A26 내지 A27, A34 내지 A35, A49 내지 A50, A51 내지 A52, A57 내지 A58, A61 내지 A62, A64 내지 A65)의 헤드부의 표면 경도와 피로 한도 응력 범위의 관계를 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수로 구별하여 나타낸다.
도 10에 본 실시예의 강 레일(표 1-1 내지 표 1-4에 나타내는 강 레일 : A8 내지 A9, A11 내지 A12, A17 내지 A18, A26 내지 A27, A34 내지 A35, A49 내지 A50, A51 내지 A52, A57 내지 A58, A61 내지 A62, A64 내지 A65)의 바닥부의 표면 경도와 피로 한도 응력 범위의 관계를 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수로 구별하여 나타낸다.
도 9, 도 10에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 강 레일은 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수를 일정 범위 내에 들어가게 함으로써, 펄라이트 조직을 나타낸 레일의 피로 강도(피로 한도 응력 범위)를 보다 한층 향상시킬 수 있다. 그 결과, 내피로 손상성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 표 3-1 및 표 3-2에 나타낸 바와 같이, 분위기 제어, 메커니컬 디스케일링이나 고압수나 에어에 의한 디스케일링을 어느 일정한 조건으로 행한다. 그리고, 필요에 따라서 적절한 열처리를 행함으로써, 헤드부의 표면, 바닥부의 표면 경도를 확보하여, 최대 표면 거칠기(Rmax)를 작게 하고, 표면 경도(SVH)/최대 표면 거칠기(Rmax)의 값, 또한 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수를 일정 범위 내에 들어가게 함으로써, 펄라이트 조직을 나타낸 레일의 피로 강도(피로 한도 응력 범위)를 보다 한층 향상시킬 수 있다. 그 결과, 내피로 손상성을 크게 향상시킬 수 있다.
1 : 헤드 정상부
2 : 헤드부 코너부
3 : 발바닥부
10 : 펄라이트계 레일
11 : 헤드부
12 : 바닥부
1S : 헤드 정상부의 표면
3S : 발바닥부의 표면
R1 : 1S로부터 5㎜의 영역
R3 : 3S로부터 5㎜의 영역
1A : 헤드 정상과 코너부의 경계

Claims (15)

  1. 질량％로,
    C : 0.65 내지 1.20％와,
    Si : 0.05 내지 2.00％와,
    Mn : 0.05 내지 2.00％
    를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하고,
    헤드부의 적어도 일부 및 바닥부의 적어도 일부가 펄라이트 조직이고,
    상기 펄라이트 조직인 부위의 표면 경도가 Hv 320 내지 500의 범위이고 또한 최대 표면 거칠기가 180㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 펄라이트계 레일.
  2. 제1항에 있어서, 상기 최대 표면 거칠기에 대한 상기 표면 경도의 비가 3.5 이상인 것을 특징으로 하는, 펄라이트계 레일.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 최대 표면 거칠기를 측정한 부위에 있어서의, 상기 바닥부로부터 상기 헤드부를 향하는 레일 연직 방향의 거칠기의 평균값에 대한 상기 최대 표면 거칠기의 0.30배를 초과하는 요철의 수가, 상기 헤드부 및 상기 바닥부의 표면의 레일 길이 방향의 길이 5㎜당 40개 이하인 것을 특징으로 하는, 펄라이트계 레일.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로, Cr : 0.01 내지 2.00％, Mo : 0.01 내지 0.50％의 1종 또는 2종을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 펄라이트계 레일.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로, V : 0.005 내지 0.50％, Nb : 0.002 내지 0.050％의 1종 또는 2종을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 펄라이트계 레일.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로, Co : 0.01 내지 1.00％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 펄라이트계 레일.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로, B : 0.0001 내지 0.0050％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 펄라이트계 레일.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로, Cu : 0.01 내지 1.00％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 펄라이트계 레일.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로, Ni : 0.01 내지 1.00％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 펄라이트계 레일.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로, Ti : 0.0050 내지 0.0500％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 펄라이트계 레일.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로, Mg : 0.0005 내지 0.0200％, Ca : 0.0005 내지 0.0200％의 1종 또는 2종을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 펄라이트계 레일.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로, Zr : 0.0001 내지 0.2000％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 펄라이트계 레일.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로, Al : 0.0040 내지 1.00％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 펄라이트계 레일.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로, N : 0.0060 내지 0.0200％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 펄라이트계 레일.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로,
    Cr : 0.01 내지 2.00％, Mo : 0.01 내지 0.50％의 1종 또는 2종과,
    V : 0.005 내지 0.50％, Nb : 0.002 내지 0.050％의 1종 또는 2종과,
    Co : 0.01 내지 1.00％와,
    B : 0.0001 내지 0.0050％와,
    Cu : 0.01 내지 1.00％와,
    Ni : 0.01 내지 1.00％와,
    Ti : 0.0050 내지 0.0500％와,
    Mg : 0.0005 내지 0.0200％, Ca : 0.0005 내지 0.0200％와,
    Zr : 0.0001 내지 0.2000％와,
    Al : 0.0040 내지 1.00％와,
    N : 0.0060 내지 0.0200％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 펄라이트계 레일.
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