KR20220160695A - 내피로 균열 전파 특성이 우수한 레일 및 그 제조 방법 - Google Patents

내피로 균열 전파 특성이 우수한 레일 및 그 제조 방법 Download PDF

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게이스케 안도
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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Abstract

내피로 손상성, 특히 내피로 균열 전파 특성이 우수한 레일을 그 바람직한 제조 방법과 함께 제공한다. 질량 기준으로, C : 0.80 ∼ 1.30 %, Si : 0.10 ∼ 1.20 %, Mn : 0.20 ∼ 1.80 %, P ≤ 0.035 %, S : 0.0005 ∼ 0.012 %, Cr : 0.20 ∼ 2.50 % 를 함유하고, 잔부가 Fe 와 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고, CP = X/RA 를 2500 이하로 하는 (여기서, X = {(10 × [%C]) ＋ ([%Si]/12) ＋ ([%Mn]/24) ＋ ([%Cr]/21)}5, [%Y] 는, 원소 Y 의 함유량 (질량%) 이고, RA 는, 구오스테나이트 입경 (㎛) 이다) 레일이다. 강 소재를, 1350 ℃ 이하로 가열한 후, 마무리 온도가 900 ℃ 이상이 되도록 열간 압연하는 레일의 제조 방법이다.

Description

내피로 균열 전파 특성이 우수한 레일 및 그 제조 방법
본 발명은 레일 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 내피로 균열 전파 특성을 향상시킨 레일과, 그 레일을 유리하게 제조할 수 있는 레일의 제조 방법에 관한 것이다.
광석의 운반 등을 주체로 하는 고축중 (高軸重) 철도에서는, 화차의 차축에 가해지는 하중은 객차에 비해 훨씬 높고, 레일의 사용 환경도 가혹한 것으로 되어 있다. 이와 같은 환경하에서 사용되는 레일은 종래부터, 내마모성 중시의 관점에서 주로 펄라이트 조직을 갖는 강이 사용되어 왔다. 그러나, 최근에 있어서는 철도에 의한 수송의 효율화를 위해서 화차에 대한 적재 중량의 추가적인 증가가 진행되고 있어, 레일에는, 한층 더 내마모성과 내피로 손상성의 향상이 요구되고 있다. 또한, 고축중 철도란, 열차나 화차의 1 대의 화차의 적재 중량이 큰 (적재 중량이 예를 들어 150 톤 정도 이상의) 철도이다.
그래서, 추가적인 내마모성 향상을 목표로 하여 다양한 연구가 실시되고 있다. 예를 들어 특허문헌 1 이나 특허문헌 2 에서는 C 함유량을 0.85 질량% 초과 1.20 질량% 이하로 증가하고 있다. 또, 특허문헌 3 이나 특허문헌 4 에서는 C 함유량을 0.85 질량% 초과 1.20 질량% 이하로 함과 함께 레일 헤드부에 열 처리를 실시하고 있다. 이들 기술에서는, C 함유량의 증가에 의해, 시멘타이트 분율을 증가시킴으로써 내마모성의 향상을 도모하는 등의 연구가 이루어지고 있다.
한편, 고축중 철도의 곡선 구간의 레일에는, 차륜에 의한 구름 응력과 원심력에 의한 미끄러짐력이 가해지기 때문에 레일의 마모가 보다 심해짐과 함께, 미끄러짐에 기인한 피로 손상이 발생한다. 그 때문에, 특허문헌 5 에서는 Al, Si 의 첨가에 의해 초석 시멘타이트 생성을 억제하고, 내피로 손상성을 향상시키는 기술이 제안되어 있다. 또 특허문헌 6 에서는, 펄라이트의 라멜라 간격을 적정 범위로 제어함으로써, 피로 균열 전파 속도를 저하시키는 기술이 제안되어 있다.
일본 공개특허공보 평8-109439호 일본 공개특허공보 평8-144016호 일본 공개특허공보 평8-246100호 일본 공개특허공보 평8-246101호 일본 공개특허공보 2002-69585호 일본 공개특허공보 2010-185106호
그러나, 상기 종래의 기술에는, 여전히 해결해야 할 이하와 같은 문제가 있었다.
특허문헌 1 ∼ 4 에 기재된 기술과 같이, 단순히 C 함유량을 0.85 질량% 초과 1.20 질량% 이하로 하면, 열 처리 조건에 따라서는 초석 시멘타이트 조직이 생성되고, 또 무른 펄라이트 층상 조직의 시멘타이트층의 양이 증가하기 때문에, 내피로 손상성의 향상은 기대할 수 없다. 또, 특허문헌 5 에 기재된 기술에서는, Al 의 첨가에 의해 피로 손상의 기점이 되는 산화물이 생성되기 때문에, 특히 피로 균열의 발생을 억제하는 것이 곤란하였다. 또한, 특허문헌 6 에 기재된 기술에서는, 성분과 제조 조건의 조합에 따라서는 초석 시멘타이트 조직이 생성되는 경우가 있어, 결과적으로 피로 균열 전파 속도가 증가해 버리기 때문에, 재질 제어가 충분하다고는 말하기 어렵다.
본 발명은 상기 서술한 문제를 유리하게 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 내피로 손상성, 특히 내피로 균열 전파 특성이 우수한 레일을 그 바람직한 제조 방법과 함께 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명자들은, 상기의 과제를 해결하기 위해서, C, Si, Mn 및 Cr 의 함유량을 변화시킨 레일을 제조하고, 조직이나 내피로 균열 전파 특성을 예의 조사하였다. 그 결과, 초석 시멘타이트 양에 대응하는 성분 파라미터 X 및 구오스테나이트 입경 RA 로부터 파라미터 CP 를 도출하였다. 그리고, 파라미터 CP 를 소정 범위로 제어함으로써, 만일 초석 시멘타이트가 다량으로 존재하는 경우이더라도, 우수한 내피로 균열 전파 특성이 얻어지는 것을 알아내었다.
상기 과제를 해결하고, 상기의 목적을 실현하기 위해서 개발한 본 발명에 관련된 내피로 균열 전파 특성이 우수한 레일은, C : 0.80 ∼ 1.30 질량%, Si : 0.10 ∼ 1.20 질량%, Mn : 0.20 ∼ 1.80 질량%, P : 0.035 질량% 이하, S : 0.0005 ∼ 0.012 질량%, Cr : 0.20 ∼ 2.50 질량% 를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고, 하기 (1) 식으로 나타내는 CP 가 2500 이하인, 여기서, [%Y] 는, 원소 Y 의 함유량 (질량%) 이고, RA 는, 구오스테나이트 입경 (㎛) 인, 것을 특징으로 한다.
CP = X/RA … (1)
X = {(10 × [%C]) ＋ ([%Si]/12) ＋ ([%Mn]/24) ＋ ([%Cr]/21)}5 … (2)
또한, 본 발명에 관련된 내피로 균열 전파 특성이 우수한 레일에 대해서는,
a. 상기 성분 조성이, 또한, V : 0.30 질량% 이하, Cu : 1.0 질량% 이하, Ni : 1.0 질량% 이하, Nb : 0.05 질량% 이하 및 Mo : 2.0 질량% 이하에서 선택되는 적어도 1 종을 함유하는 것,
b. 상기 성분 조성이, 또한, Al : 0.07 질량% 이하, W : 1.0 질량% 이하, B : 0.005 질량% 이하, Ti : 0.05 질량% 이하 및 Sb : 0.05 질량% 이하에서 선택되는 적어도 1 종을 함유하는 것,
등이 보다 바람직한 해결 수단이 될 수 있는 것으로 생각된다.
상기 과제를 해결하고, 상기의 목적을 실현하기 위해서 개발한 본 발명에 관련된 내피로 균열 전파 특성이 우수한 레일의 제조 방법은, 상기 어느 것의 성분 조성을 갖는 강 소재에, 1350 ℃ 이하의 가열을 실시한 후, 열간 압연을 실시하여 레일을 제조하는 방법으로서, 마무리 온도가 900 ℃ 이상이 되도록 열간 압연하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관련된 내피로 균열 전파 특성이 우수한 레일의 제조 방법에 대해서는, 상기 열간 압연 후, 900 ℃ 에서 750 ℃ 까지를 0.4 ∼ 3 ℃/s 범위의 냉각 속도로 가속 냉각시키고, 750 ℃ 에서 400 ∼ 600 ℃ 의 냉각 정지 온도까지를 1 ∼ 10 ℃/s 범위의 냉각 속도로 가속 냉각시키는 것이 보다 바람직한 해결 수단이 될 수 있는 것으로 생각된다.
본 발명에 관련된 레일 및 그 제조 방법에 의하면, 우수한 내피로 균열 전파 특성을 갖는 내피로 손상 레일을 안정적으로 제조하는 것이 가능해져, 고축중 철도용 레일의 고수명화나 철도 사고 방지에 기여하여, 산업상 유익한 효과가 초래된다.
게다가, 열간 압연 후의 열 처리 조건을 적정화함으로써 내피로 손상성을 향상시킬 수 있으므로 바람직하다.
도 1 은, 피로 균열 전파 속도에 미치는 초석 시멘타이트의 영향을 나타내는 모식도이며, (a) 는, 구오스테나이트 입경과 소성역 치수가 거의 동등한 경우를 나타내고, (b) 는 구오스테나이트 입경이 소성역 치수보다 큰 경우를 나타낸다.
도 2 는, 구오스테나이트 입경 관찰용의 시험편을 채취한 위치를 나타내는 도면이다.
도 3 은, 피로 균열 전파 시험편을 채취한 위치를 나타내는 도면이다.
도 4 는, 피로 균열 전파 시험에 사용한 시험편 형상을 설명하는 도면이며, (a) 는 정면도를 나타내고, (b) 는 측면도를 나타내고, (c) 는 노치부 확대 정면도를 나타낸다.
도 5 는, 내피로 손상 시험에 사용한 시험편 형상을 설명하는 도면이며, (a) 는 측면도를 나타내고, (b) 는 정면도를 나타낸다.
도 6 은, 내피로 손상 시험편을 채취한 위치를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 구체적으로 설명한다. 먼저, 본 발명에 있어서, 레일 소재가 되는 강의 성분 조성을 상기의 범위로 한정한 이유에 대해서 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서의 「%」 는, 특별히 언급하지 않는 한 「질량%」 를 나타내는 것으로 한다.
C : 0.80 ∼ 1.30 %
C 는 펄라이트 조직의 강도 즉 내피로 손상성을 확보하기 위한 필수 원소이다. 그러나, 0.80 % 미만에서는 우수한 내피로 균열 전파 특성을 얻는 것이 어렵다. 또, 1.30 % 를 초과하면, 열간 압연 후의 냉각 중에 다량의 초석 시멘타이트가 오스테나이트 입계에 생성되어, 피로 균열 전파 속도의 증가를 초래한다. 또한, 초석 시멘타이트는 1.30 % 이하의 경우에도 존재하지만, 후술하는 관계식에 기초하여, 구오스테나이트 입경을 제어함으로써, 그 영향을 회피할 수 있다. 따라서, C 함유량은 0.80 ∼ 1.30 % 의 범위로 한다. 또한, C 함유량의 상한은 1.00 % 가 바람직하고, 0.90 % 가 더욱 바람직하다.
Si : 0.10 ∼ 1.20 %
Si 는, 탈산제로서의 효과에 더하여, 펄라이트 평형 변태 온도를 상승시켜, 라멜라 간격을 세밀하게 함으로써, 피로 균열 전파 속도의 저하에 기여한다. 그 때문에 0.10 % 이상 필요하지만, 1.20 % 를 초과하면 Si 가 갖는 높은 산소와의 결합력 때문에, 용접성이 열화한다. 또한, Si 는, 공석점을 저(低) C 측으로 이동시키는 작용을 갖기 때문에, 과도한 첨가는 초석 시멘타이트의 생성을 조장하고, 피로 균열 전파 속도의 증가를 초래한다. 따라서, Si 함유량은 0.10 ∼ 1.20 % 의 범위로 한다. 또한, Si 함유량의 하한은 0.20 % 가 바람직하고, Si 함유량의 상한은 0.80 % 가 바람직하고, 0.60 % 가 더욱 바람직하다.
Mn : 0.20 ∼ 1.80 %
Mn 은, 펄라이트 변태 온도를 저하시켜 라멜라 간격을 세밀하게 함으로써, 피로 균열 전파 속도의 저하에 기여한다. 그러나, Mn 함유량이 0.20 % 미만에서는, 충분한 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Mn 함유량이 1.80 % 를 초과하면 마텐자이트 조직을 발생하기 쉽고, 레일의 열 처리 시 및 용접 시에 경화나 취화 (脆化) 를 일으켜 재질이 열화하기 쉽다. 또한, Mn 은, 공석점을 저 C 측으로 이동시키는 작용을 갖기 때문에, 과도한 첨가는 초석 시멘타이트의 생성을 조장하고, 피로 균열 전파 속도의 증가를 초래한다. 따라서, Mn 함유량은 0.20 ∼ 1.80 % 의 범위로 한다. 또한, Mn 함유량의 하한은 0.30 % 가 바람직하고, Mn 함유량의 상한은 1.00 % 가 바람직하고, 0.60 % 가 더욱 바람직하다.
P : 0.035 % 이하
0.035 % 를 초과하는 P 의 함유는 연성 (延性) 을 열화한다. 따라서, P 함유량은 0.035 % 이하로 한다. 바람직하게는 0.020 % 이하이다. 한편, P 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않고 0 % 여도 되지만, 공업적으로는 0 % 초과가 되는 것이 통례이다. 또한, P 함유량을 과도하게 저하시키는 것은, 정련 비용의 증가를 초래하기 때문에, 경제성의 관점에서는, P 함유량을 0.001 % 이상으로 하는 것이 바람직하다.
S : 0.0005 ∼ 0.012 %
S 는, 주로 A 계 개재물의 형태 (가공에 의해 점성 변형을 받는 것) 로 강 중에 존재하지만, 그 함유량이 0.012 % 를 초과하면 이 개재물량이 현저하게 증가하고, 동시에 조대 (粗大) 한 개재물을 생성하기 때문에, 강재의 청정성이 악화된다. 또, S 함유량을 0.0005 % 미만으로 하면, 정련 비용의 증가를 초래한다. 따라서, S 함유량은 0.0005 ∼ 0.012 % 의 범위로 한다. 또한, S 함유량의 상한은 0.010 % 가 바람직하고, 0.008 % 가 더욱 바람직하다.
Cr : 0.20 ∼ 2.50 %
Cr 은, 펄라이트 평형 변태 온도를 상승시켜, 라멜라 간격을 세밀하게 함으로써, 피로 균열 전파 속도의 저하에 기여한다. 그러나, Cr 함유량이 0.20 % 미만에서는, 피로 균열 진전을 충분히 억제할 수 없고, 한편, Cr 함유량이 2.50 % 를 초과하면 강의 ??칭성이 높아져, 마텐자이트가 생성되기 쉬워진다. 또, 마텐자이트가 생성되지 않는 조건으로 제조했을 경우, 구오스테나이트 입계에 초석 시멘타이트가 생성된다. 그 때문에, 피로 균열 전파 속도가 증가한다. 따라서, Cr 함유량은 0.20 ∼ 2.50 % 의 범위로 한다. 또한, Cr 함유량의 하한은 0.40 % 가 바람직하고, 0.50 % 가 더욱 바람직하고, Cr 함유량의 상한은 1.50 % 가 바람직하고, 1.00 % 가 더욱 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 각각의 원소가 단순히 상기의 범위를 만족하는 것만으로는 불충분하고, 하기 (2) 식에 나타내는 초석 시멘타이트 양에 대응하는 성분 파라미터 X 와 구오스테나이트 입경 RA 로부터 도출된 하기 (1) 식으로 나타내는 CP 값을 2500 이하로 제어하는 것이 중요하다.
CP = X/RA … (1)
X = {(10 × [%C]) ＋ ([%Si]/12) ＋ ([%Mn]/24) ＋ ([%Cr]/21)}5 … (2)
단, [%Y] : 원소 Y 의 함유량 (질량%),
RA : 구오스테나이트 입경 (㎛)
을 나타낸다.
발명자들은, 초석 시멘타이트의 존재에 의해 피로 균열 전파 속도가 증가하는 원인에 대해서 조사를 실시하였다. 그 결과, 도 1(a) 의 모식도에 나타내는 바와 같이, 피로 균열 (23) 의 선단에서 초석 시멘타이트 (24) 가 선행하여 취성 적으로 파괴되는 것이, 피로 균열 전파 속도 증가 (26) 의 요인이 되고 있다는 지견을 얻었다. 또한, 초석 시멘타이트의 생성량에 따라, 당해 조직의 생성 사이트가 되는 구오스테나이트 입경을 조정함으로써, 피로 균열 선단에 형성되는 소성역 (22) 과 초석 시멘타이트의 조우 빈도가 저하되어, 취성적인 균열 진전을 억제할 수 있는 것을 알 수 있었다. 구체적으로는, 초석 시멘타이트가 다량으로 존재하는 경우이더라도, 도 1(b) 에서 나타내는 바와 같이, 균열 선단의 소성역 (22) 의 크기보다 구오스테나이트립 (21) 을 충분히 조대화시킴으로써, CP 값을 2500 이하로 제어하는 것이 가능해진다. 그에 따라, 전술한 피로 균열 전파 속도의 억제 효과를 안정적으로 얻을 수 있다. 또한, 상기 CP 값은 2000 이하로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 레일의 성분 조성은, 이상 설명한 성분 외에, 이하의 A 군 중에서 선택되는 적어도 1 종, B 군 중에서 선택되는 적어도 1 종의, 어느 것 또는 양방을 임의로 함유하고 있어도 된다.
A 군 : V : 0.30 % 이하, Cu : 1.0 % 이하, Ni : 1.0 % 이하, Nb : 0.05 % 이하 및 Mo : 2.0 % 이하
B 군 : Al : 0.07 % 이하, W : 1.0 % 이하, B : 0.005 % 이하, Ti : 0.05 % 이하 및 Sb : 0.05 % 이하
이하, 상기 A 군 및 B 군에 속하는 원소의 함유량을 특정한 이유를 설명한다.
V : 0.30 % 이하
V 는, 강 중에서 탄질화물을 형성하여 기지 중으로 분산 석출하고, 강의 내마모성을 향상시킨다. 그러나, 그 함유량이, 0.30 % 를 초과하면, 가공성이 열화하고, 제조 비용이 증가한다. 또, V 함유량이 0.30 % 를 초과하면, 합금 비용이 증가하기 때문에, 내부 고경도형 레일의 비용이 증가한다. 따라서, V 는, 0.30 % 를 상한으로 하여 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 상기의 내마모성을 향상시키는 효과를 발현시키기 위해서는, V 는 0.001 % 이상으로 함유되는 것이 바람직하다. 또한, V 함유량의 상한은 0.15 % 가 보다 바람직하다.
Cu : 1.0 % 이하
Cu 는, Cr 과 마찬가지로 고용 강화에 의해 강의 추가적인 고강도화를 도모할 수 있는 원소이다. 단, 그 함유량이 1.0 % 를 초과하면 Cu 균열이 생기기 쉬워진다. 따라서, 성분 조성에 Cu 를 함유하는 경우에는, Cu 함유량은 1.0 % 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, Cu 함유량의 하한은 0.005 % 가 보다 바람직하고, Cu 함유량의 상한은 0.5 % 가 보다 바람직하다.
Ni : 1.0 % 이하
Ni 는, 연성을 열화하는 일 없이 강의 고강도화를 도모할 수 있는 원소이다. 또, Cu 와 복합 첨가함으로써 Cu 균열을 억제할 수 있기 때문에, 성분 조성에 Cu 를 함유하는 경우에는 Ni 도 함유하는 것이 바람직하다. 단, Ni 함유량이 1.0 % 를 초과하면, 강의 ??칭성이 보다 상승하고, 마텐자이트나 베이나이트의 생성량이 많아져, 내마모성과 내피로 손상성이 저하되기 쉬워진다. 따라서, Ni 를 함유하는 경우에는, Ni 함유량은 1.0 % 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, Ni 함유량의 하한은 0.005 % 가 보다 바람직하고, Ni 함유량의 상한은 0.5 % 가 보다 바람직하다.
Nb : 0.05 % 이하
Nb 는, 레일을 성형하기 위한 열간 압연 중 및 열간 압연 후에, 강 중의 C 와 결부되어 탄화물로서 석출되고, 펄라이트 콜로니 사이즈의 미세화에 유효하게 작용한다. 그 결과, 내마모성이나 내피로 손상성, 연성을 크게 향상시켜, 내부 고경도형 레일의 장수명화에 크게 기여한다. 단, Nb 함유량이 0.05 % 를 초과해도, 내마모성이나 내피로 손상성의 향상 효과가 포화하여, 함유량 상승에 알맞은 효과가 얻어지지 않는다. 따라서, Nb 는, 그 함유량의 상한을 0.05 % 로 하여 함유되어 있어도 된다. 또한, Nb 함유량이 0.001 % 미만에서는, 상기의 레일의 장수명화에 대하여 충분한 효과가 얻어지기 어렵다. 따라서, Nb 를 함유하는 경우에는, Nb 함유량은 0.001 % 이상인 것이 바람직하다. 또한, Nb 함유량의 상한은 0.03 % 가 보다 바람직하다.
Mo : 2.0 % 이하
Mo 는, 고용 강화에 의해 추가적인 강의 고강도화를 도모할 수 있는 원소이다. 또, Mo 는, 공석점을 고 C 측으로 이동시키는 작용을 갖기 때문에, 초석 시멘타이트의 생성을 억제하는 작용도 갖는다. 단, 2.0 % 를 초과하면, 강 중에 발생하는 베이나이트 양이 많아져, 내마모성이 저하된다. 따라서, 레일의 성분 조성이 Mo 를 함유하는 경우에는, Mo 함유량은 2.0 % 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, Mo 함유량의 하한은 0.005 % 가 보다 바람직하고, Mo 함유량의 상한은 1.0 % 가 보다 바람직하다.
Al : 0.07 % 이하
Al 은, 탈산제로서 첨가할 수 있는 원소이다. 그러나, Al 함유량이 0.07 % 를 초과하면, Al 이 갖는 높은 산소와의 결합력 때문에, 강 중에 산화물계 개재물이 다량으로 생성되고, 그 결과, 강의 연성이 저하된다. 그 때문에, Al 함유량은 0.07 % 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, Al 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 탈산을 위해서는 0.001 % 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, Al 함유량의 상한은 0.03 % 가 보다 바람직하다.
W : 1.0 % 이하
W 는, 레일 형상으로의 성형을 실시하는 열간 압연 중 및 열간 압연 후에 탄화물로서 석출되고, 석출 강화에 의해 레일의 강도나 연성을 향상시킨다. 그러나, W 함유량이 1.0 % 를 초과하면 강 중에 마텐자이트가 생성되고, 그 결과, 연성이 저하된다. 그 때문에, W 를 첨가하는 경우, W 함유량을 1.0 % 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, W 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 상기의 강도나 연성을 향상시키는 작용을 발현시키기 위해서는 0.001 % 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, W 함유량의 하한은 0.005 % 가 보다 바람직하고, W 함유량의 상한은 0.5 % 가 보다 바람직하다.
B : 0.005 % 이하
B 는, 레일 형상으로의 성형을 실시하는 열간 압연 중 및 열간 압연 후에, 강 중에서 질화물로서 석출되고, 석출 강화에 의해 강의 강도나 연성을 향상시킨다. 그러나, B 함유량이 0.005 % 를 초과하면 마텐자이트가 생성되고, 그 결과, 강의 연성이 저하된다. 그 때문에, B 를 함유하는 경우, B 함유량을 0.005 % 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, B 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 상기의 강도나 연성을 향상시키는 작용을 발현시키기 위해서는 0.001 % 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, B 함유량의 상한은 0.003 % 가 보다 바람직하다.
Ti : 0.05 % 이하
Ti 는, 레일 형상으로의 성형을 실시하는 열간 압연 중 및 열간 압연 후에 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물로서 강 중에서 석출되고, 석출 강화에 의해 강의 강도나 연성을 향상시킨다. 그러나, Ti 함유량이 0.05 % 를 초과하면 조대한 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물이 생성되고, 그 결과, 강의 연성이 저하된다. 그 때문에, Ti 를 함유하는 경우, Ti 함유량을 0.05 % 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, Ti 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 상기의 강도나 연성을 향상시키는 작용을 발현시키기 위해서는 0.001 % 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, Ti 함유량의 하한은 0.005 % 가 보다 바람직하고, Ti 함유량의 상한은 0.03 % 가 보다 바람직하다.
Sb : 0.05 % 이하
Sb 는, 열간 압연 전에 레일 강 소재를 가열로에서 재가열할 때에, 그 재가열 중의 강의 탈탄을 방지한다는 현저한 효과를 갖는다. 그러나, Sb 함유량이 0.05 % 를 초과하면, 강의 연성 및 인성 (靭性) 에 악영향을 미치기 때문에, Sb 를 함유하는 경우, Sb 함유량을 0.05 % 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, Sb 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 탈탄층을 경감하는 효과를 발현시키기 위해서는 0.001 % 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, Sb 함유량의 하한은 0.005 % 가 보다 바람직하고, Sb 함유량의 상한은 0.03 % 가 보다 바람직하다.
본 발명의 레일의 재료가 되는 강 소재의 성분 조성은, 이상의 성분 및 잔부의 Fe 및 불가피 불순물을 포함하는 것이다. 본 발명에 관련된 조성 중의 잔부 Fe 의 일부 대신에 본 발명의 작용 효과에 실질적으로 영향을 미치지 않는 범위 내에서 다른 미량 성분 원소를 함유하는 것으로 한 레일도, 본 발명에 속한다. 여기서, 불가피적 불순물로는, N, O 등을 들 수 있으며, N 은 0.008 % 까지, O 는 0.004 % 까지 허용될 수 있다.
또한, 본 발명에 관련된 레일의 마이크로 조직에 있어서의, 펄라이트 이외의 조직은 특별히 한정되지 않는다. 합계 면적률로 5 % 이하이면, 내피로 균열 전파 특성에 큰 영향을 미치지 않기 때문에, 다른 조직이 존재하는 것이 허용된다. 상기 다른 조직으로는, 예를 들어, 페라이트, 초석 시멘타이트, 베이나이트 및 마텐자이트를 들 수 있다.
다음으로, 이상 설명한 본 발명에 관련된 레일의 제조 방법에 대해서 설명한다. 본 발명의 레일은, 상기 서술한 성분 조성을 갖는 강 소재에 대하여, 하기 (1) ∼ (3) 의 처리를 순차 실시함으로써 제조할 수 있다.
(1) 열간 압연
(2) 1 차 냉각
(3) 2 차 냉각
레일 소재로서 사용하는 강 소재는 임의의 방법으로 제조할 수 있지만, 일반적으로는, 주조, 특히 연속 주조에 의해 상기 강 소재를 제조하는 것이 바람직하다.
(1) 열간 압연
먼저, 상기 강 소재를 열간 압연하여 레일 형상으로 한다. 본 발명에서는, 상기 열간 압연에 있어서의 압연 마무리 온도를 제어함으로써 최종적으로 얻어지는 레일의 구오스테나이트 입경을 컨트롤할 수 있기 때문에, 상기 열간 압연의 방법은 특별히 한정되지 않고, 임의의 방법으로 실시할 수 있다.
가열 온도 : 1350 ℃ 이하
열간 압연에 앞서 실시하는 강 소재의 가열에 있어서, 가열 온도는 1350 ℃ 이하로 할 필요가 있다. 가열 온도가 상한 초과에서는, 과도한 승온에 의해 강 소재가 부분적으로 용융되어, 레일 내부에 결함이 발생할 우려가 있다. 한편, 가열 온도의 하한에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 압연 시의 변형 저항을 저감 하기 위해서, 1150 ℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
압연 마무리 온도 : 900 ℃ 이상
상기 열간 압연에 있어서의 압연 마무리 온도가 900 ℃ 보다 낮은 경우, 오스테나이트 저온역에서 압연이 실시됨으로써, 오스테나이트 결정립에 가공 변형이 도입될 뿐만 아니라, 오스테나이트 결정립의 신장이 현저해진다. 오스테나이트 입계 면적의 증가에 의해 초석 시멘타이트의 핵 생성 사이트가 증가하고, 그 결과, 내피로 균열 전파 특성이 저하된다. 그 때문에, 압연 마무리 온도는 900 ℃ 이상으로 한다. 한편, 압연 마무리 온도의 상한에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 구오스테나이트 입경이 극단적으로 조대화하면, 연성이나 인성이 저하되어 버리기 때문에, 1050 ℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 여기서 말하는 압연 마무리 온도는, 최종 압연 밀 입측에 있어서의 레일 헤드부 측면의 온도이며, 방사 온도계로 측정 가능하다.
(2) 1 차 냉각
900 ℃ 에서 750 ℃ 까지의 평균 냉각 속도 : 0.4 ∼ 3 ℃/s
다음으로, 가속 냉각을 실시한다. 그 때, 1 차 냉각으로서, 초석 시멘타이트의 생성 온도역인 900 ℃ 에서 750 ℃ 에 있어서의 평균 냉각 속도가 0.4 ℃/s 미만이면, 초석 시멘타이트 양이 증가한다. 그 때문에, 초석 시멘타이트 조직에 균열이 발생하기 쉬워져, 레일의 내피로 손상성이 저하될 우려가 있다. 따라서, 상기 1 차 냉각의 평균 냉각 속도의 하한은 0.4 ℃/s 로 하는 것이 바람직하고, 0.7 ℃/s 가 보다 바람직하다. 한편, 상기 1 차 냉각의 평균 냉각 속도가 3 ℃/s 를 초과하는 경우에는, 마텐자이트 조직이 생성되고, 연성이나 내피로 손상성이 저하될 우려가 있다. 그 때문에, 상기 1 차 냉각의 평균 냉각 속도의 상한은 3 ℃/s 로 하는 것이 바람직하고, 2 ℃/s 가 보다 바람직하다.
(3) 2 차 냉각
750 ℃ 에서 400 ∼ 600 ℃ 의 온도역까지의 평균 냉각 속도 : 1 ∼ 10 ℃/s
상기 1 차 냉각의 정지 후, 2 차 냉각을 실시한다. 2 차 냉각 개시 온도인 750 ℃ 에서 400 ∼ 600 ℃ 의 온도역에 있는 2 차 냉각의 냉각 정지 온도까지의 평균 냉각 속도가 1 ℃/s 미만이면, 펄라이트 조직의 라멜라 간격이 엉성해진다. 그 때문에, 펄라이트 조직의 경도가 저하되어, 레일의 내피로 손상성이 저하될 우려가 있다. 게다가, 저온역에서의 냉각 시간이 증대하기 때문에 생산성이 저하되고, 레일의 제조 비용이 증가할 우려가 있다. 한편, 상기 2 차 냉각의 평균 냉각 속도가 10 ℃/s 를 초과하는 경우에는, 마텐자이트 조직이 생성되고, 연성이나 내피로 손상성이 저하될 우려가 있다. 그 때문에, 상기 2 차 냉각의 평균 냉각 속도는 1 ∼ 10 ℃/s 의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 2 차 냉각의 평균 냉각 속도의 상한은, 5 ℃/s 가 보다 바람직하다.
또한, 상기 서술한 1 차, 2 차 냉각에 있어서, 평균 냉각 속도를 결정하는 데 있어서의 온도는, 모두 레일 헤드부 측면의 표면 온도이며, 방사 온도계로 측정 가능하다. 여기서, 2 차 냉각 시의 냉각 정지 온도는, 가속 냉각 정지 후 (복열 (復熱) 전) 의 레일 헤드부 측면의 온도를 방사 온도계로 측정한 온도로 한다.
실시예
이하, 실시예에 따라서, 본 발명의 구성 및 작용 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명은 하기의 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니고, 본 발명의 취지에 적합할 수 있는 범위 내에서 적절히 변경하는 것도 가능하며, 이들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
표 1 에 나타내는 성분 조성을 갖는 강 소재에 대해, 표 2 에 나타내는 조건으로 열간 압연, 및 열간 압연 후의 가속 냉각을 실시하여, 레일재를 제조하였다. 가속 냉각은 레일 헤드부에만 실시하고, 냉각 정지 후에는 방랭하였다. 표 2 중의 압연 마무리 온도란, 최종 압연 밀 입측의 레일 헤드부 측면 표면의 온도를 방사 온도계로 측정한 값을 압연 마무리 온도로서 나타내고 있다. 표 2 중의 냉각 정지 온도는, 2 차 냉각의 냉각 정지 시의 레일 헤드부 측면 표층의 온도를 방사 온도계로 측정한 값을 냉각 정지 온도로서 나타내고 있다. 냉각 속도는, 1 차 냉각 및 2 차 냉각에 대해, 냉각 개시부터 냉각 정지까지의 사이의 온도 변화를 단위시간 (초) 당으로 환산하여 냉각 속도 (℃/s) 로 하였다.
[표 1-1]
Figure pct00001
[표 1-2]
Figure pct00002
[표 2-1]
Figure pct00003
[표 2-2]
Figure pct00004
얻어진 레일에 대해, 구오스테나이트 입경 RA, 내피로 균열 전파 특성 그리고 내피로 손상성을 평가하였다. 이하에 각각의 평가 내용에 대해서 상세하게 설명한다.
＜구오스테나이트 입경 RA＞
열간 마무리 압연 후의 레일 선단부를 절단 후, 그 절단재에 대하여 즉시 수랭 처리를 실시하였다. 얻어진 수랭재에 대하여, 도 2 에 나타내는 레일 헤드부 (1) 의 표면으로부터 5 ㎜ 깊이 위치의 압연 길이 방향으로부터, 조직 관찰용의 시험편을 채취하였다. 얻어진 시험편에 대하여, 경면 연마 후 γ 립 에칭을 실시하고, 광학 현미경을 사용하여 200 배의 단면 (斷面) 관찰을 실시하였다. 구오스테나이트 입경 RA 는 화상 해석 소프트를 사용한 트레이스 작업에 의해 400 개 이상의 입경을 측정하고, 그 평균값을 구함으로써 평가하였다.
＜내피로 균열 전파 특성＞
도 3 에 나타내는 레일 두정부 (頭頂部) 와 게이지 코너 (GC) 부의 2 개 지점으로부터, 피로 균열 전파 시험편을 채취하고, 피로 균열 전파 시험을 실시하였다. 도 4 는 시험편의 일례를 나타내는 모식도이며, 도 4(a) 는 정면도를, 도 4(b) 는 측면도를, 도 4(c) 는 노치부 확대 정면도를 나타낸다. 도 4 에 있어서, 시험편은 예를 들어 폭 W = 20 ㎜, 높이 H = 100 ㎜, 두께 B = 5 ㎜ 의 판상의 것으로서, 높이 H 의 중앙 H/2 부분의 일방의 폭 끝에 노치부가 형성되어 있다. 노치부의 길이 L = 2 ㎜, 폭 C = 0.2 ㎜ 이고, 노치부의 단부 (端部) 는 곡률 R = 0.1 ㎜ 로 형성되어 있다. 응력비 (R 비 = 최소 응력/최대 응력) 는 0.1 로 하고, 응력 확대 계수 ΔK = 20 ㎫·m1/2 에 있어서의, 피로 균열 전파 속도 da/dN (m/cycle) 을 측정하고, 내피로 균열 전파 특성을 평가하였다. da/dN 의 값이 8.0 × 10-8 이하이면, 피로 균열 전파 억제 성능이 있는 것으로 평가하였다.
＜내피로 손상성＞
내피로 손상성에 관해서는, 레일을 실제로 부설하여 평가하는 것이 가장 바람직하지만, 그러면 시험에 장시간을 필요로 한다. 그래서, 단시간에 내피로 손상성을 평가할 수 있는 니시하라식 마모 시험기를 사용하였다. 여기서는, 실제의 레일과 차륜의 접촉 조건을 시뮬레이트한 비교 시험에 의해 내피로 손상성을 평가하였다. 구체적으로는, 접촉면을 곡률 반경 R = 15 ㎜ 의 곡면으로 하여 레일 헤드부 (1) 로부터 직경 30 ㎜ 의 니시하라식 마모 시험편 (17) 을 채취하고, 도 5 에 나타내는 바와 같이 차륜 시험편 (18) 과 접촉시켜 회전시켜 시험을 실시하였다. 차륜 시험편 (18) 은, 먼저, JIS 규격 E1101 : 2012 에 기재된 보통 레일의 헤드부로부터 직경 32 ㎜ 의 환봉을 채취하였다. 그리고, 그 환봉에, 비커스 경도 (하중 98 N) 가 Hv 390 이고, 조직이 템퍼드 마텐자이트 조직이 되도록 열 처리를 실시한 후, 직경 30 ㎜ 의 원기둥 모양으로 가공하여 시험에 제공하였다. 또한, 니시하라식 마모 시험편 (17) 은 도 6 에 나타내는 바와 같이 레일 헤드부 (1) 의 표층의 내피로 손상 시험편 채취부 (14) 로부터 채취하였다. 도 5(a) 중의 화살표는, 각각 니시하라식 마모 시험편 (17) 과 차륜 시험편 (18) 의 회전 방향을 나타낸다. 시험 환경은 기름 윤활 조건으로 하고, 접촉 압력 : 1.8 GPa, 미끄러짐율 : -20 %, 회전 속도 : 600 rpm (차륜 시험편은 750 rpm) 으로, 2.5 × 104 회마다 시험편 표면을 관찰하고, 0.5 ㎜ 이상의 균열이 발생한 시점에서의 회전수를 가지고, 피로 손상 수명으로 하였다. 이 수치가 8 × 105 회 이상이면 내피로 손상성이 있는 것으로 판정하였다.
표 2 에 상기 조사의 결과를 아울러 나타낸다. 본 발명의 성분 조성 그리고 CP 가 2500 이하를 만족하는 적합 강을 사용하고, 본 발명 범위의 제조 방법 (가열 온도, 압연 마무리 온도) 으로 제조한 레일재의 시험 결과 (표 2 중의 시험 No.1 ∼ 20, …) 의 피로 균열 전파 속도는 모두 ΔK = 20 ㎫·m1/2 에 있어서의 피로 균열 전파 속도 da/dN (m/cycle) 이 8.0 × 10-8 이하를 만족하였다. 또, 1 차 냉각 및 2 차 냉각 조건이 적합 범위에 있는 시험 No. 1 ∼ 20 은, 피로 균열 전파 속도 da/dN (m/cycle) 이 8.0 × 10-8 이하, 또한, 피로 손상 수명이 8 × 105 회 이상 모두 만족하였다. 한편, 레일재의 성분 조성이 본 발명의 조건을 만족하지 않거나, 혹은, 본 발명 범위의 제조 방법에 적용하지 않았던 비교예 (표 2 중의 시험 No. 21 ∼ 28, 30) 는, CP 가 2500 을 초과해 버려 피로 균열 전파 속도 da/dN (m/cycle) 이 8.0 × 10-8 초과가 되거나, 또는, 피로 손상 수명이 8 × 105 회 미만에 그쳤다. 또한, 시험 No. 29 는, 가열 온도가 지나치게 높았기 때문에, 가열 시에 강 소재의 일부가 용융되었다. 이 때문에, 압연 시의 파단이 우려되기 때문에 압연에 제공할 수 없어, 특성 평가까지 이르지 않았다.
본 발명에 관련된 레일 및 그 제조 방법에 의하면, 우수한 내피로 균열 전파 특성을 갖는 내피로 손상 레일을 안정적으로 제조하는 것이 가능해져, 고축중 철도용 레일의 고수명화나 철도 사고 방지에 기여하고, 산업상 유익한 효과가 초래된다.
1 : 레일 헤드부
11 : 구오스테나이트 입경 관찰용 시험편 채취부
12 : 게이지 코너 (GC) 부
13 : 두정부
14 : 내피로 손상 시험편 채취부
15 : 피로 균열 전파 시험편
16 : 노치부
17 : 니시하라식 마모 시험편
18 : 타이어 시험편
21 : 구오스테나이트립
22 : 소성역
23 : 피로 균열
24 : 초석 시멘타이트
25 : 벽개 파괴
26 : 피로 균열 전파 속도 증가
27 : 피로 균열 전파 속도 저하
RA : 구오스테나이트 입경
RP : 소성역 치수

Claims (5)

  1. C : 0.80 ∼ 1.30 질량%, Si : 0.10 ∼ 1.20 질량%, Mn : 0.20 ∼ 1.80 질량%, P : 0.035 질량% 이하, S : 0.0005 ∼ 0.012 질량%, Cr : 0.20 ∼ 2.50 질량% 를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고, 하기 (1) 식으로 나타내는 CP 가 2500 이하인 것을 특징으로 하는 내피로 균열 전파 특성이 우수한 레일.
    CP = X/RA … (1)
    X = {(10 × [%C]) ＋ ([%Si]/12) ＋ ([%Mn]/24) ＋ ([%Cr]/21)}5 … (2)
    단, [%Y] : 원소 Y 의 함유량 (질량%),
    RA : 구오스테나이트 입경 (㎛)
    을 나타낸다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 성분 조성이, 또한, V : 0.30 질량% 이하, Cu : 1.0 질량% 이하, Ni : 1.0 질량% 이하, Nb : 0.05 질량% 이하 및 Mo : 2.0 질량% 이하에서 선택되는 적어도 1 종을 함유하는 것을 특징으로 하는 내피로 균열 전파 특성이 우수한 레일.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 성분 조성이, 또한, Al : 0.07 질량% 이하, W : 1.0 질량% 이하, B : 0.005 질량% 이하, Ti : 0.05 질량% 이하 및 Sb : 0.05 질량% 이하에서 선택되는 적어도 1 종을 함유하는 것을 특징으로 하는 내피로 균열 전파 특성이 우수한 레일.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 성분 조성을 갖는 강 소재에, 1350 ℃ 이하의 가열을 실시한 후, 열간 압연을 실시하여 레일을 제조하는 방법으로서, 마무리 온도가 900 ℃ 이상이 되도록 열간 압연하는 것을 특징으로 하는 내피로 균열 전파 특성이 우수한 레일의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열간 압연 후, 900 ℃ 에서 750 ℃ 까지를 0.4 ∼ 3 ℃/s 범위의 냉각 속도로 가속 냉각시키고, 750 ℃ 에서 400 ∼ 600 ℃ 의 냉각 정지 온도까지를 1 ∼ 10 ℃/s 범위의 냉각 속도로 가속 냉각시키는 것을 특징으로 하는 내피로 균열 전파 특성이 우수한 레일의 제조 방법.
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