WO1995017532A1

WO1995017532A1 - Rail a resistance elevee a l'abrasion et a haute tenacite possedant une structure metallographique perlitique et procede de production dudit rail

Info

Publication number: WO1995017532A1
Application number: PCT/JP1994/002137
Authority: WO
Inventors: Kouichi Uchino; Toshiya Kuroki; Masaharu Ueda
Original assignee: Nippon Steel Corporation
Priority date: 1993-12-20
Filing date: 1994-12-19
Publication date: 1995-06-29
Also published as: DE69427189D1; AU680976B2; EP0685566B2; DE69427189T3; EP0685566A1; CA2154779C; EP0685566B1; KR100186793B1; DE69427189T2; CN1118174A; CN1041443C; RU2107740C1; EP0685566A4; BR9406250A; CA2154779A1; US5658400A; ATE201054T1; AU1201395A

Description

明細書パーライト金属組織を呈した高耐摩耗性 ·高靱性レ一ルおよびその製造法技術分野

本発明は、鉄道その他産業機械用として使用される強度と耐摩耗性に優れた高炭素のパーラィト組織を呈した鋼に、高 L、靱性を付与した高靱性レールとその製造方法に関するものである。技術

高炭素でパーライトの金属組織を呈した鋼は強度力 <高く、耐摩耗性が良好なことから構造材料として使用され、中でも鉄道車両の重量増加に伴う高軸荷重化や高速輸送化に対応してレールが特に多く使用されている。

このような鋼材の製造法としては、例えば特開昭 5 5 - 2 7 6 8号公報には「パーライト組織を呈しやすい特定成分の一鋼を A c ₃ 点以上の加熱温度から冷却して 4 5 0〜6 0 0。Cの温度で恒温変態させて、パーライト組織を生成させる硬質レールの製造法」が記述され、また特開昭 5 8— 2 2 1 2 2 9号公報には「C : 0. 6 5〜0. 8 5 %、 M n : 0. 5〜2. 5 %を含有して高温度の熱を保有したレールを急、冷し、レールまたはレールへッドの組織をなパーライトとして耐摩耗性を改善したレールの熱処理法」が提示され、さらに特開昭 5 9 - 1 3 3 3 2 2号公報は「安定してパーライト組織力得られる特定成分の圧延レ —ルを、 A r ₃点以上の温度から特定温度の溶融塩浴中に浸漬して、レール頭頂部表面下約 1 0腿までに H v > 3 5 0の硬さをもつ微細なパーラト組織を呈するレールの熱処理方法」が開示されているごとく、高性能なレールを得るために多くの技術が知られている。

しかしながら、パーライト鋼の強度ゃ耐摩耗性は合金元素の添加によって所要の規格品のレールが容易に得られるとは言え、靱性はフェライト組織を主体とした鋼に比較して著しく低く、例えば共析炭素鋼のパ一ライト組織を呈するレールでは J I S 3号 Uノツチシャルピー試験での常温試験値で 1 0〜2 O J/cm²程度、共析点以上の炭素を含有するレールでは 1 O J/cm² であり、 J I S 4号引張試験での伸び値でも 1 0 %未満である。このように靱性の低い鋼を繰り返し荷重や振動の懸かる分野で構造部材として使用した場合、微小な初期欠陥や疲労き裂から低応力脆性破壊を引き起こす問題があった。

一般に、鋼の靱性を向上させる手段には金属組織の細粒化つまりオーステナィト組織の細粒化や粒内変態によって達成されるものと言われている。従って、ォ —ステナイト組織の細粒化は、例えば圧延時の低温加熱あるいは特開昭 6 3— 2 7 7 7 2 1号公報に開示されているように制御圧延と加熱処理の組合せ、また圧延後の低温加熱処理などが利用されている。しかし、レールの製造法においては、成形性確保の観点から圧延時の低温加熱や制御圧延における低温圧延、大圧下圧延の適用が困難な理由から、今日においても従来から低温加熱処理法による靱性向上が図られている。ところ力この方法も、近来の各鋼製品における省力化 · 性向上技術の開発が進められる中で製造コストが高く、生産性も低いなどの問題があり、これらの問題の早期解決力望まれている。

本発明は上記した問題点を解消しょうとするものであり、レール成形上、低温あるいは大圧下に依っていた制御圧延の問題を克服し、共析鋼或いは共析点以上の炭素含有鋼に適した鋼成分にし、パーライト結晶粒を調整する制御圧延を行い、耐摩耗性のみならず、延 ·靱性を向上させる方法を提供することを目的とする。発明の開示

本発明者らは、細粒のパ一ライト組織を得て靱性を向上させた鋼を製造するために、鐧成分とその製造法から多くの実験を試みた結果、次の事を見出だした。すなわち、レールの頭部は耐摩耗性、底部は曲げ疲労性および延性が主として求められ、この部分を共析或いは過共析 C成分とし、かつ細粒パーライトブロックサイズを制御することによって、耐摩耗性或いはこれと共に延 ·靱性に優れたレールが得られること、および高炭素の鋼はそのオーステナイト状態での加工において、比較的低温で、かつ小さい圧下量でも圧延直後に再結晶し、小圧下でかつ圧延パス間を短縮する連 ^延を施すことによって整粒のオーステナイト粒となり、その結果、細粒のパーライト組織が得られることを知見した。ここでパ一ライトブロックとは、図 1に示すように、結晶方位の同じパ一ライ卜の集合で、結晶方位もラメラの方向も同じパーライトのコロニーの集合である。なおラメラとは、パーライトを構成するフェライトとセメンタイト力積層した縞模様状の組織である。そして、該パ一ライトブロックがパーライト粒破壊時の破壊単位となる。

本発明はこのような知見に基づくものであって以下の構成を要旨とする。

すなわち重量％で

C ： 0. 60〜1. 20%、 S i ： 0. 10〜丄. 20%、

Mn： 0. 40〜1. 50%を含有し、必要に応じて、

C r ： 0. 05〜2. 00%、 Mo ： 0. 01〜0· 30%、

V ： 0. 02〜0. 10%、 Nb： 0. 0.02〜0. 01%、

Co： 0. 1〜2. 0%の 1種または 2種以上を含有し、

残部が F eおよび不可避的不純物からなる炭素鋼或いは低合金鋼レールであってパーライト組織を有し、レール断面内のパーライトブロック平均粒径が、レール頭頂表面より該レール頭頂表面を起点として少なくとも 20mmの範囲、およびレ ―ル底面より該レ一ノレ底面を起点として少なくとも 15 mmの範囲で 20〜 50 ^ m、それ以外の部位で 35〜100 /zmであり、前記レールのパーライトブロック平均粒径が 20〜50 //mの部位における伸び値が 10%以上、 Uノツチシャルビー値が 15J/cm²以上であることを特徴とするパ一ライト金属組織を呈した高靭性 ·高耐摩耗レールである。

また、本発明は上記成分を含有する炭素鋼または低合金鋼の鋼片をレール形状に粗圧延した後、該レールの表面 ¾J¾が 850〜1000°Cの間を 1パス当たり断面減少圧下率が 5〜30%の圧延を 3パス以上でかつ圧延パス間を 10秒以下とする連続仕上圧延を施し、続いて放冷あるいは 700°C以上め温度から 700 〜500°Cの間を 2〜15°CZ秒で冷却することを特徴とするパーライト金属組織を呈した高靱性レールの製造法であり、これによつてパーライトブロックのサィズを調整できて機械的性質、特に延性と靭性を向上することができる。

上記レールにおいて、成分のうち、 C含有量を 0. 60〜0. 85重量％とした炭素鋼或いは低合金鋼レールでは、上記パーライトプロック平均粒径の 20〜 50// m部位における伸び値が 12 %以上、 Uノッチシャルピ一値が 25 J/cm² 以上の高靭性とすることができ、さらに、 C含有量を 0. 85超〜1. 20重量 %とした炭素鋼或いは低合金鐧レ一ルでは、高い耐摩耗性を付与できる。図面の簡単な説明

図 1はパ一ライト結晶粒を示す模式図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明について詳細に説明する。

先ず、本発明において鋼成分を上記のように限定した理由について説明する。 C：パ一ライト組織を生成させて耐摩耗性を確保する有効な成分であり、通常、レール鐧としては 0. 60〜0. 85%が用いられ、 C量をこの範囲にすることで高靭性が得られる。この時、パーライト組織中のァ粒界に初析フェライ卜が生成する場合があり、耐摩耗性の向上に加え、レール内部疲労損傷の起点抑制の観点からも、 C量は 0. 85%以上含有させることが好ましい。一方、炭素の増加に伴い、オーステナィト粒界の初析セメンタイ卜の量も増加し、 C量が 1. 2% を超えると、後述するパーライト組織の細粒化をもってしても延性 *靱性の劣ィ匕は看過できなくなる。従って、 C量を 0. 60%〜1. 20%とした。

S i ：パーライト組織中のフェライトを強化するに有効な成分として 0. 1% 以上を含有させる。しかし 1. 20%を超える含有量はマルテンサイト組織を生成して鋼を脆ィ匕させる問題がある。従って、 S i量を 0. 10〜1. 20%とした。 .

Mn：パーライト組織の強ィ匕に加え、パ一ライト変態温度を低下させ、初析セメンタイ卜の生成を抑制する元素である。 0. 40%より少ない含有量ではその効果が小さく、反対に 1. 50%を超えるとマルテンサイト組織を生成させ、鐧を脆化させる。従って、 Mn量を 0. 4ひ〜 1. 50%とした。

C r ：パ一ライ卜の平衡変態点を上昇させ、結果としてパーライト組織を■ にし、かつ初析セメンタイトの生成を抑制する有効な元素であり、必要に応じ選択添加を行う。 0. 05%未満ではその効果が小さく、 2. 0%を超える翻な

- 4 - ΙΠΕされた ffi紙 ll91)i 添加はマルテンサイト組織を生成させ、鋼を脆化させる。従って、 C r量は 0. 05〜2. 00%とした。

Mo, Nb ： Moおよび Nbはパーライ卜の強ィ匕に有効な元素であり、必要に応じ選択添加を行う。それぞれ 01%、 0. 0ひ 2%未満ではその効果が小ざい。一方、れぞれ 0. 30%、 0. 01%を超える添加では、後述するように金属組織の細粒化に効果のある圧延中のオーステナイト粒の再結晶を抑制し、伸長粗大ォ一ステナイト粒を生ぜしめ、パーライト鐧を脆ィ匕させる。従って、 M o量を 0. ひ 1〜0. 30%、 Nb量を 0. 002〜0. 01%とした。

V, 〇0 : ¥の0. 02〜ひ. 1%、 Coの 0. 10〜2. 0%は、各成分がパ一ライト組織を強化する有効な含有量であって、必要に応じ選択添加を行う。下限未満の量では強化効果が小さく、また上限を超える量は強化の効果力 <飽和域に達する o

本発明は上記のような共析炭素鋼或いはそれ以上の炭素を含有し、かつ高炭素鋼特有のオーステナイトの再結晶挙動の知見に基づいているため、必要に応じて上記各種成分を添加しても金属組織が/ 一ライトを呈する範囲では何ら差し幛りはない。

パーライトブロック平均粒径が 20〜50 となる範囲を、レール頭頂表面より該レール頭頂表面を起点に 0〜20腿の範囲或いはそれ以上、およびレール底面より該レール底面を起点に 0〜15腿の範囲或いは以上としたのは、列車のによつて、レール頭部に車輪との接触によつて損傷問題を起こす範囲はレール摩耗を考慮してレール頭頂表面より 20腿未満であり、また底部に発生する引つ張り応力が及んで損傷に影響する範囲はレール底面より 15ram未満であること ί る o

上記レール頭頂表面および底面付近のパーライトプロック平均粒径を 20〜5 0 jwmの範囲としたのは、 20 m未満に細粒化すると、レールの基本特性である耐摩耗性確保に必要な硬度が得られず、 50 mを超えると延性 ·靱性が劣化するからである。

レール頭頂表面および底面付近以外の部位のパーライトプロック平均粒径を 3 5〜100/zmとしたのは、 35 m未満に細粒化すると、レール母材の具備すべき力得られず、 1 0 0 z mを超えるとレーノレ母材の延性 ·靱性が劣化するからである。

パ一ライトブロック平均粒径が 2 0〜5 0 mの範囲にある、この部分におけるレールの伸びを 1 0 %以上、 Uノツチシャルピ一値が 1 5 J/cm²以上としたのは、伸びが 1 0 %未満では列車通過時の伸び歪みに対応できず長期使用によってクラック発生の懸念があり、また Uノツチシャルビ一値が 1 5 J/cm²未満ではやはり列車通過時の衝撃に対応できず長期使用によつて破壊する懸念があるからである。なお、 C含有量が低く 0. 6 0〜0. 8 5重量の場合には、前記レ —ルの伸びを 1 2 %以上、 Uノツチシャルビ一値を 2 5 J/cm² 以上とすることができ、従来のレールよりさらに高い靭性を持つレールとなる。

上記および特性を有する本発明レールは以下の方法で製造することができ通常の溶解炉で溶製された溶鋼を連造法あるいは造塊分塊法の工程を経て製造された炭素鋼片、あるいはさらに C Γ , M o, V, N b, C oなどの^ ¾靱性向上元素を少量含有した低合金鐦片は、 1 0 5 0°Cを超える通常の高- に加熱した後レール形状に ffiffi延し、続いて連続仕上圧延をする。粗圧赚了温度については特に限定するものではないが、仕上圧 E 程の成形性を考慮して 1 0 0 0°C以上がよい。連続仕上圧延は ¾ ^サイズのレール形状に成形し仕上げるもので、粗圧延を終了した高い温度から連続仕上圧延を開始し、レールの表面温度が 8 5 0〜1 0 0 0°Cの間を、 1パス当たり 5〜3 0 %の断面縮少率で連続的に仕上圧延をする。

こめ連続仕上圧延条件は細粒なパーラィト金属組織を得るのに必要な整粒でかつ細粒オーステナイト金属組織が得られる範囲である。すなわち本発明は、比較的多量の Cを含有するため、

①低い温度と圧下率で、細粒オーステナイト金属組織が再結晶し易いこと、

②圧延後、完全再結晶に要する時間力非常に短いため、再結晶挙動が早く完了し易いこと、

③小さな圧下率でも連続的に圧延を施す度に再結晶を繰り返し、次パスの圧延までオーステナイト金属組織の粒成長が抑制される、などの理由から、細粒ォーステナイト金属組織が得られる。

ところで、パーライトはオーステナイト粒界を起点に成長するため、パーライトプロックサイズを «化するにはオーステナイト粒を■化する必要があり、オーステナイ卜温度域で鋼を熱間加工することによって、該ォ一ステナイト粒の微細化を行う。このオーステナィト粒は熱間加工毎に再結晶するため、熱間加工を繰り返すことによりまた圧下率を大きくすることによって化する。一方、該ォ一ステナイト結晶粒は圧延後短時間で粒成長を始めるため、圧延間隔を短くする必要がある。

このような現象が得られる連続仕上圧延法として、本発明はレールの表面温度で 8 5 0〜1 0 0 0°Cの範囲に限定した。すなわち、 8 5 0°C未満の低い仕上温度ではオーステナイト金属組織が未再結晶状態となり、 ■なパ一ライ卜金属組織の^^が損なわれる。また、 1 0 0 0°Cを超える仕上圧延ではオーステナイト金属組織が粒成長し、続いてパ一ライト組織変態時に粗粒なオーステナイト金属組織が^ ^して均一でかつ,なパーライト金属組織が得られないからである。この間の 1パス当たりの断面縮少率で 5〜 3 0 %の圧下率は細粒オーステナイ卜金属組織を生成せしめるに有効な加工度であつて、 5 %未満の軽度の圧下率ではオーステナイト金属組織が再結晶するに十分な歪加工度でなく、その反対に 3 0 %を超える ϋ¾な圧下率ではレールの ¾加工が困難となる。また連続仕上圧延においては、 3 0 %以下の断面縮少率で細粒オースチナイト金属組織を容易に ^^せしめるために、オーステナィト金属組織の再結晶と長を抑制するように、 3パス Ri:の圧延を行うがある。

しかも圧延されるパス間のレールは、高の熱を保有するためオーステナイト金属組織力成長し粗大な粒をして ¾¾、靱性などレールに要求される特性を劣化する。従って本発明においては圧延パス間の時間を： L 0秒以下に短縮して次の圧延を直ちに行い、オーステナイト金属組織の微細化、延いては機細なパーライト金属組織をさせる連続仕上圧延を行う必要がある。通常のリバ一ス庄延のパス間時間は 2 0〜2 5秒程度である。従ってこの間に圧延されたオーステナイト金属組織粒はひずみの回復、再結晶、さらには粒成長ができなくなる程に大きくなり、圧延再結晶によるオーステナイト粒の細粒化効果が減じ、本発明が目的とする微細化きれたパ一ライトブロックサイズのレールを製造することができなくなる。そのため、圧延パス間の時間をできるだけ短縮する必要がある。このような圧延条件で所定のサイズに成形され高温度の熱を保有するレールは、直ちに低温度まで放冷されて製品に供される。

さらにまた、強度の高いレールが要求される場合は、連続仕延後変態強化機能をもつ 7 0 0°C以上の温度から、冷却速度が鋼の変態に係わる範囲すなわち 7 0 0〜5 0 0°Cの範囲を 2〜1 5でノ秒の速度で冷却する。この時の速度が 2 °C /秒未満では緩冷却ととなつて放冷と同等程度の変態強化が得られて強化不十分となり、その反対に 1 5 °CZ秒を超える急 JI冷却ではべイナィトゃマルテンサイトなどの金属異常組織が生成して靱性を著しく阻害し、脆化したレ一ルとなる。

上記のような本発明法によれば、細粒なパーライト組織を得て靱性を向上させたレ一ルを製造することができる。

醜例]

表 1に金属組織がパーライトを呈する供試鐧の化学成分を示す。表 2は表 1に示した成分の鋼をレ一ルに加工するに際しての加熱条件と仕上圧延条件を本発明および比較法と共に示す。表 3は圧延後の冷却条件を示す。

表 4に表 1から表 3に示した鋼、圧延条件および冷却条件を組み合わせてレールをした場合の本発明法および比較法におけるレール鋼の a«的性質を示す o

本発明法では鋼成分および冷却条件によりレールのは変化するが延性値 (伸び）、靱性値 (2 U E + 2 0°C) は比較法のそれに比較して著しく高い値を示すことがわかる。

【表 1】

C S i Mn C r Mo V Nb Co

A 0.62 0.20 0.90 ― ― ― ― . —■

B 0.80 0.50 1.20 0.20 ― 0.05 ― ―

C 0.75 0.80 0.80 0.50 ― ― 0.01 0.10

D 0.83 0.25 0.90 1.20 0.20 ― ― ―

E 0.86 0.20 0.70 ― ― ― —— ―

F 0.90 0.50 1.20 0.50 0.05 0.01 0.10

G 1.00 0.50 1.00 0· 20

H 1.19 0.20 0.90

【表 2】

0 一 3】

符冷却開始冷却速度号温度 °c °c s

I 800 2

Π 800 4 m 720 10

IV 680 12

一

2 - 【表 4— 2】

産 n の利用可 t¾

以上のように本発明法によって得られたレールは、特定された条件の仕上圧延さらには冷却によつて製造されることによつて maaなパーラィト組織を持ち、耐摩耗性を有すると共に、延性 *靭性にも極めて優れており、特に鉄道車両の重量増加に伴う高軸荷重化や高速輸送化に対応できる極めて有用な強靭レールである。

Claims

請求の範囲

1. 重量％で、

C ： 0. 60〜1. 20%、

S i ： 0. 1 0〜1. 20%、

Mn ： 0. 40〜1. 50%

を含有して残部が F eおよび不可避的不純物からなる鋼でパーライト組織を有し、レール断面内のパ一ライトブロック平均粒径力レール頭頂表面より該レ一ノレ頭頂表面を起点として少なくとも 20mmの範囲、およびレ一ノレ底面より該レーノレ底面を起点として少なくとも 15腿の範囲で 20〜 50 // m、それ以外の部位で 3 5〜100 mであり、前記レールのパーライトブロック平均粒径が 2ひ〜 50 の部位における伸び値が 10%以上、 Uノツチシャルピー値が 15 J/cm² 以上であることを特徴とするパーライト金属組織を呈した高耐摩耗性 ·高靭性レール。

2. 重量％で、

C ： 0. 60 20%、

S i ： 0. 10 20%、

Mn： 0. 40 50%

を含有し、さらに

C r ： 0. 05 2. 00%、

Mo ： 0. 01〜0. 30%、

V ： 0. 02-0. 10%、

Nb ： 0. 002-0 01%、

C o ： 0. 〜2. 0%の 1種または 2種以上

を含有して残部が F eおよび不可避的不純物からなる鋼でパ一ライト組織を有し、レール断面内のパーライトプロック平均粒径力 Vレール頭頂表面より該レーノレ頭頂表面を起点として少なくとも 2 Oramの範囲、およびレール底面より該レ一ゾレ底面を起点として少なくとも 15讓の範囲で 20〜50 βτη^ それ以外の部位で 3 5〜 100 mであり、前記レールのパーライトブロック平均粒径が 20〜 50

4 一 Aimの部位における伸び値が 10%以上、 Uノッチシャルビ一値が 15J/cm²以上であることを特徴とするパ一ライト金属組織を呈した高耐摩耗性 ·高靭性レ一ル。

3. 含有成分の内、 C含有量を 0. 85超〜1. 20重量％としことを特徴とする請求の範囲第 1項或 L、は第 2項記載のパ一ライト金属組織を呈した高耐摩耗性レール。

4. 含有成分の内、 C含有量を 0. 60〜0. 85重量％とし、前記レールのパ —ライトブロック平均粒径の 20〜50 /zm部位における伸び値が 12%以上、 Uノツチシャルピー値が 25J/cm²以上であることを特徴とする請求の範囲第 1 項或いは第 2項記載のパーライト金属組織を呈した高靭性レール。

5. 重量％で、

C ： 0. 60-1. 20%、

S i ： 0. 10〜1. 20%、

Μη : 0· 40〜1. 50%

を含有し、必要に応じてさらに

C r : 0. 05〜2. 00%、

Mo : 0. 01-0. 30%、

V ： 0. 02〜0. 10%、

Nb : 0. 002〜0. 01%、

Co： 0. 1〜2. 0%の 1種または 2種以上

を含有する炭素鋼または低合金鋼の鋼片をレール形状に ffiffi延した後、該レールの表面温度が 85ひ〜 1000 °Cの間を 1パス当たり断面減少圧下率が 5〜 30 %の圧延を 3パス以上でかつ圧延パス間を 10秒以下とする連続仕上圧延を施し、続いて放冷し、パ一ライトブロックのサイズおよび觀的性質を調整することを特徴とするパーライト金属組織を呈した高耐摩耗性 ·高靱性レ一ルの製造法。

6. 重量％で、

C : 0. 60〜1. 20%、

S i : 0. 10〜 . 20%、

Mn： 0. 40〜1. 50%

5 一を含有し、必要に応じてさらに

C r ： 0. 05-2. 00%、

Mo： 0. 01〜0. 30%、

V ： 0. 02〜0. 10%、

Nb： 0. 002-0. 01%、

Co： 0. 1〜2. 0%の 1種または 2種以上

を含有する炭素鋼または低合金鋼の鋼片をレール皿に粗圧延した後、該レールの表面温度が 850〜： L 000°Cの間を 1パス当たり断面減少圧下率が 5〜 30 %の圧延を 3パス以上でかつ圧延パス間を 10秒以下とする連続仕上圧延を施し、続いて 700°C以上の温度から 700〜500°Cの間を 2〜15°CZ秒で冷却し、パーライトブロックのサイズおよび的性質を調整することを特徴とするパーライト金属組織を呈した高耐摩耗性.高靱性レールの製造法。

7. 含有 β ^の内、 C含有量を 0. 85超〜1. 20重量％としことを特徴とする請求の範囲第 5項或、は第 6項記載のパーライト金属組織を呈した高耐摩耗レールの製造方法。

8. 含有成分の内、 C含有量を 0. 60〜0. 85重量％としたことを特徵とする請求の範囲第 5項或いは第 6項記載のパ一ライト金属組織を呈した高靭性レ一ルの製造方法。

6 一