WO2017104719A1 - レール鋼および車輪鋼の選択方法 - Google Patents
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- C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
- C21D9/04—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rails
Definitions
- the present invention controls the yield strength of the rail head and the yield strength of the wheel rim, thereby suppressing fatigue damage to the rail and the wheel and extending the life of both the rail and the wheel.
- the present invention relates to a method for selecting steel and wheel steel.
- the high-axle railway is a railway with a large loading weight of trains and wagons (with a loading weight of, for example, about 150 tons).
- Patent Document 1 proposes a wheel for a high carbon railway vehicle in which wear resistance and heat crack resistance are improved by increasing the C content to 0.85 to 1.20%.
- Patent Document 2 proposes a method for reducing the wear of rails and wheels by controlling the ratio of the hardness of rail steel to wheel steel.
- Patent Document 1 shows a certain improvement in the wear resistance and heat cracking resistance of the wheel
- the C content is as high as 0.85 to 1.20%. It is difficult to improve the performance. This is because as a result of the steel containing a large amount of C, a pro-eutectoid cementite structure is generated depending on the heat treatment conditions, and the amount of cementite phase contained in the pearlite layered structure increases.
- the present invention has been made in view of the above circumstances, and rail steel and wheel steel capable of suppressing fatigue damage of rails and rail wheels used on railroad tracks and extending the life of both rails and wheels. It is an object to provide a selection method.
- the inventors manufactured rail steel and wheel steel in which the contents of C, Si, Mn, and Cr were changed, and intensively investigated the relationship between yield strength and fatigue damage resistance.
- the ratio YS R / YS W between the yield strength YS R at the head of the rail and the yield strength YS W at the rim portion of the wheel 0.85 or more and 1.95 or less, the rail and wheel It has been found that fatigue damage can be suppressed.
- the component composition of the rail steel is mass%, Cu: 1.0% or less, Ni: 1.0% or less, V: 0.30% or less, Nb: 0.05% or less, Mo: 0.5% or less, W: 0.5% or less, Al: 0.07% or less,
- the component composition of the wheel steel is mass%, Cu: 1.0% or less, Ni: 1.0% or less, V: 0.30% or less, Nb: 0.05% or less, Mo: 0.5% or less, W: 0.5% or less, Al: 0.07% or less,
- the rail steel and the wheel steel having a predetermined composition are used, and the ratio of the yield strength in the rail and the wheel is controlled to suppress the fatigue damage of the rail and the wheel. It is possible to extend the life of both.
- Component composition of rail steel] C 0.70% or more and less than 0.85%
- C is an element that forms cementite in a pearlite structure and has an effect of ensuring yield strength and fatigue damage resistance. If the C content is less than 0.70%, the yield strength decreases, and it is difficult to obtain excellent fatigue damage resistance. On the other hand, if the C content is 0.85% or more, pro-eutectoid cementite is generated at the austenite grain boundaries during transformation after hot rolling, and the fatigue damage resistance is significantly reduced. Therefore, the C content is 0.70% or more and less than 0.85%.
- Si 0.10 to 1.50%
- Si is an element added as a deoxidizer and a strengthening element of the pearlite structure.
- the Si content needs to be 0.10% or more.
- the Si content is set to 0.10 to 1.50%.
- Mn 0.40 to 1.50%
- Mn is an element that contributes to increasing the yield strength of the rail by reducing the pearlite transformation temperature and reducing the lamellar spacing, but if Mn content is less than 0.40%, a sufficient effect cannot be obtained. . On the other hand, if the Mn content exceeds 1.50%, the yield strength becomes too high, and fatigue damage is likely to occur in the wheel steel that is the counterpart material. Therefore, the Mn content is set to 0.40 to 1.50%.
- Cr 0.05 to 1.50% Cr is an element that has the effect of increasing the pearlite equilibrium transformation temperature to refine the lamellar spacing and improving the yield strength by solid solution strengthening, but the Cr content is less than 0.05%. Sufficient yield strength cannot be obtained. On the other hand, if the Cr content exceeds 1.50%, the yield strength becomes too high, and fatigue damage is likely to occur in the wheel steel that is the counterpart material. Therefore, the Cr content is 0.05 to 1.50%.
- the rail steel in one embodiment of the present invention has the above components and a component composition having Fe and inevitable impurities in the balance.
- the inevitable impurities include P and S, and the contents of P: 0.025% or less and S: 0.025% or less are allowed.
- the lower limit of the P content and the S content is not particularly limited and may be 0%, but industrially it is over 0%.
- the P content and the S content are preferably set to 0.0005% or more.
- the component composition of the rail steel of the present invention is preferably composed of the above components and the remaining Fe and unavoidable impurities, or in addition to these, components that can be optionally included as described later. Rail steels containing other trace elements also belong to the present invention within a range that does not substantially affect the operational effects of the present invention.
- the component composition of the rail steel is mass%, Cu: 1.0% or less, Ni: 1.0% or less, V: 0.30% or less, Nb: 0.05% or less, Mo: 0.5% or less, W: 0.5% or less, Al: 0.07% or less, One or more selected from the group consisting of Ti: 0.05% or less and B: 0.005% or less can optionally be further included.
- V 0.30% or less
- V is an element having an effect of improving yield strength by forming charcoal / nitride and dispersing and depositing it in the matrix.
- the V content exceeds 0.30%, the yield strength becomes too high, and fatigue damage is likely to occur in the wheel steel that is the counterpart material.
- V is an expensive element, the cost of rail steel increases. Therefore, when adding V, it is preferable to make V content 0.30% or less.
- the minimum of V content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable to make V content 0.001% or more.
- Cu 1.0% or less
- Cu like Cr, is an element having an effect of improving yield strength by solid solution strengthening.
- the Cu content is preferably 1.0% or less.
- the minimum of Cu content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable to make Cu content 0.001% or more.
- Ni 1.0% or less
- Ni is an element having an effect of improving yield strength without deteriorating ductility.
- Cu cracking can be suppressed by adding together with Cu, it is desirable to add Ni when Cu is added.
- the Ni content exceeds 1.0%, the hardenability is increased and martensite is generated. As a result, the fatigue damage resistance tends to decrease. Therefore, when adding Ni, it is preferable to make Ni content into 1.0% or less.
- the minimum of Ni content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable that Ni content shall be 0.001% or more.
- Nb 0.05% or less Nb is combined with C and N in steel and precipitates as carbide, nitride and carbonitride during and after rolling, and effectively acts to increase the yield strength. Therefore, by adding Nb, the fatigue damage resistance can be greatly improved and the longevity of the rail can be further extended. However, if the Nb content exceeds 0.05%, the yield strength becomes too high, and fatigue damage tends to occur in the wheel steel that is the counterpart material. Therefore, when Nb is added, the Nb content is preferably 0.05% or less. In addition, although the minimum of Nb content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable that Nb content shall be 0.001% or more.
- Mo 0.5% or less Mo is an element having an effect of improving yield strength by solid solution strengthening. However, if the Mo content exceeds 0.5%, the yield strength becomes too high, and fatigue damage is likely to occur in the wheel steel that is the counterpart material. Therefore, when adding Mo, it is preferable to make Mo content into 0.5% or less. In addition, although the minimum of Mo content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable to make Mo content into 0.001% or more.
- W 0.5% or less W is an element having an effect of improving yield strength by solid solution strengthening. However, if the W content exceeds 0.5%, the yield strength becomes too high, and fatigue damage is likely to occur in the wheel steel that is the counterpart material. Therefore, when adding W, it is preferable to make W content into 0.5% or less. In addition, although the minimum of W content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable that W content shall be 0.001% or more.
- Al 0.07% or less Al is combined with N in the steel and precipitates as a nitride during and after rolling, and effectively acts to increase the yield strength. Therefore, by adding Al, the fatigue damage resistance can be greatly improved, and the long life of the rail can be further extended. However, when the Al content exceeds 0.07%, a large amount of oxide is generated in the steel, and fatigue damage is likely to occur in the rail steel. Therefore, when adding Al, it is preferable to make Al content into 0.07% or less. In addition, although the minimum of Al content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable to make Al content 0.001% or more.
- B 0.005% or less B precipitates as a nitride during and after rolling, and effectively acts to increase the yield strength by precipitation strengthening. Therefore, by adding B, the fatigue damage resistance can be greatly improved, and the longevity of the rail can be further extended. However, if the B content exceeds 0.005%, the yield strength becomes too high, and fatigue damage is likely to occur in the wheel steel that is the counterpart material. Therefore, when adding B, it is preferable to make B content 0.005% or less.
- the minimum of B content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable that B content shall be 0.0001% or more.
- Ti 0.05% or less Ti precipitates as carbide, nitride, carbonitride during and after rolling, and effectively acts to increase the yield strength by precipitation strengthening. Therefore, by adding Ti, fatigue damage resistance can be greatly improved and the longevity of the rail can be further extended. However, if the Ti content exceeds 0.05%, coarse carbides, nitrides, or carbonitrides are generated, and as a result, the fatigue damage resistance of the rail is lowered. Therefore, when adding Ti, it is preferable to make Ti content 0.05% or less. In addition, although the minimum of Ti content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable to make Ti content 0.001% or more.
- Component composition of wheel steel 0.57% or more and less than 0.85%
- C is an element that has the effect of forming cementite in a pearlite structure and ensuring yield strength and fatigue damage resistance. If the C content is less than 0.57%, the yield strength decreases, and it is difficult to obtain excellent fatigue damage resistance. On the other hand, if the C content is 0.85% or more, pro-eutectoid cementite is generated at the austenite grain boundaries during transformation after hot rolling, and the fatigue damage resistance is significantly reduced. Therefore, the C content is 0.57% or more and less than 0.85%.
- Si 0.10 to 1.50%
- Si is an element added as a deoxidizer and a strengthening element of the pearlite structure.
- the Si content needs to be 0.10% or more.
- the Si content exceeds 1.50%, the yield strength becomes too high, and fatigue damage is likely to occur in the rail steel as the counterpart material. Therefore, the Si content is set to 0.10 to 1.50%.
- Mn 0.40 to 1.50%
- Mn is an element that contributes to increasing the yield strength of the wheel by reducing the pearlite transformation temperature and reducing the lamellar spacing, but if the Mn content is less than 0.40%, a sufficient effect cannot be obtained. . On the other hand, if the Mn content exceeds 1.50%, the yield strength becomes too high, and fatigue damage is likely to occur in the rail steel as the counterpart material. Therefore, the Mn content is set to 0.40 to 1.50%.
- Cr 0.05 to 1.50% Cr is an element that has the effect of increasing the pearlite equilibrium transformation temperature to refine the lamellar spacing and improving the yield strength by solid solution strengthening, but the Cr content is less than 0.05%. Sufficient yield strength cannot be obtained. On the other hand, if the Cr content exceeds 1.50%, the yield strength becomes too high, and fatigue damage is likely to occur in the rail steel as the counterpart material. Therefore, the Cr content is 0.05 to 1.50%.
- the wheel steel in one embodiment of the present invention has a component composition having the above components, the remaining Fe and unavoidable impurities.
- the inevitable impurities include P and S, and the contents of P: 0.030% or less and S: 0.030% or less are allowed.
- the lower limit of the P content and the S content is not particularly limited and may be 0%, but industrially it is over 0%.
- the P and S contents are preferably set to 0.0005% or more.
- the component composition of the wheel steel of the present invention is preferably composed of the above components and the remaining Fe and unavoidable impurities, or further composed of components that can be optionally included in addition to these components.
- Rail steels containing other trace elements also belong to the present invention within a range that does not substantially affect the operational effects of the present invention.
- the component composition of the wheel steel is mass%, Cu: 1.0% or less, Ni: 1.0% or less, V: 0.30% or less, Nb: 0.05% or less, Mo: 0.5% or less, W: 0.5% or less, Al: 0.07% or less, One or more selected from the group consisting of Ti: 0.05% or less and B: 0.005% or less can optionally be further included.
- V 0.30% or less
- V is an element having an effect of improving yield strength by forming charcoal / nitride and dispersing and depositing it in the matrix.
- the V content exceeds 0.30%, the yield strength becomes too high, and fatigue damage is likely to occur in the wheel steel that is the counterpart material.
- V is an expensive element, the cost of the wheel steel increases. Therefore, when adding V, it is preferable to make V content 0.30% or less.
- the minimum of V content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable to make V content 0.001% or more.
- Cu 1.0% or less
- Cu like Cr, is an element having an effect of improving yield strength by solid solution strengthening.
- the Cu content is preferably 1.0% or less.
- the minimum of Cu content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable to make Cu content 0.001% or more.
- Ni 1.0% or less
- Ni is an element having an effect of improving yield strength without deteriorating ductility.
- Cu cracking can be suppressed by adding together with Cu, it is desirable to add Ni when Cu is added.
- the Ni content exceeds 1.0%, the hardenability is increased and martensite is generated. As a result, the fatigue damage resistance tends to decrease. Therefore, when adding Ni, it is preferable to make Ni content into 1.0% or less.
- the minimum of Ni content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable that Ni content shall be 0.001% or more.
- Nb 0.05% or less Nb is combined with C and N in steel and precipitates as carbide, nitride and carbonitride during and after rolling, and effectively acts to increase the yield strength. Therefore, by adding Nb, the fatigue damage resistance can be greatly improved and the longevity of the wheel can be further extended. However, if the Nb content exceeds 0.05%, the yield strength becomes too high, and fatigue damage tends to occur in the rail steel that is the counterpart material. Therefore, when Nb is added, the Nb content is preferably 0.05% or less. In addition, although the minimum of Nb content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable that Nb content shall be 0.001% or more.
- Mo 0.5% or less Mo is an element having an effect of improving yield strength by solid solution strengthening. However, if the Mo content exceeds 0.5%, the yield strength becomes too high, and fatigue damage tends to occur in the rail steel that is the counterpart material. Therefore, when adding Mo, it is preferable to make Mo content into 0.5% or less. In addition, although the minimum of Mo content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable to make Mo content into 0.001% or more.
- W 0.5% or less W is an element having an effect of improving yield strength by solid solution strengthening. However, if the W content exceeds 0.5%, the yield strength becomes too high, and fatigue damage tends to occur in the rail steel that is the counterpart material. Therefore, when adding W, it is preferable to make W content into 0.5% or less. In addition, although the minimum of W content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable that W content shall be 0.001% or more.
- Al 0.07% or less Al is combined with N in the steel and precipitates as a nitride during and after rolling, and effectively acts to increase the yield strength. Therefore, by adding Al, the fatigue damage resistance can be greatly improved and the longevity of the wheel can be further extended. However, if the Al content exceeds 0.07%, a large amount of oxide is generated in the steel, and on the contrary, fatigue damage tends to occur in the wheel steel. Therefore, when adding Al, it is preferable to make Al content into 0.07% or less. In addition, although the minimum of Al content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable to make Al content 0.001% or more.
- B 0.005% or less B precipitates as a nitride during and after rolling, and effectively acts to increase the yield strength by precipitation strengthening. Therefore, by adding B, the fatigue damage resistance can be greatly improved, and the longevity of the wheel can be further extended. However, if the B content exceeds 0.005%, the yield strength becomes too high, and fatigue damage tends to occur in the rail steel that is the counterpart material. Therefore, when adding B, it is preferable to make B content 0.005% or less.
- the minimum of B content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable that B content shall be 0.0001% or more.
- Ti 0.05% or less Ti precipitates as carbide, nitride, carbonitride during and after rolling, and effectively acts to increase the yield strength by precipitation strengthening. Therefore, by adding Ti, fatigue damage resistance can be greatly improved and the longevity of the wheel can be further extended. However, when the Ti content exceeds 0.05%, coarse carbides, nitrides, or carbonitrides are formed, and as a result, the fatigue damage resistance of the wheels is lowered. Therefore, when adding Ti, it is preferable to make Ti content 0.05% or less. In addition, although the minimum of Ti content is not specifically limited, From a viewpoint of improving yield strength, it is preferable to make Ti content 0.001% or more.
- the rail steel and wheel steels having the above component composition when used in actual track as a rail and a wheel, respectively, and yield strength YS R in the head of the rail, the yield in the rim portion of the wheel the ratio YS R / YS W between the intensity YS W selects the rail steel and wheel steels to be within the range shown in the following equation (1).
- the fatigue damage resistance of rail steel and wheel steel depends on the yield strength of each. Therefore, it is considered that fatigue damage of rails and wheels can be suppressed by increasing the yield strength. However, if the ratio between the yield strength of the rail steel and the yield strength of the wheel steel is not in an appropriate range, the fatigue damage resistance is reduced due to the accumulation of the fatigue layer. If YS R / YS W ratio is less than 0.85, or yield strength of the rail steel is too low, or the yield strength of the wheel steel is too high, or both. If the yield strength of the rail steel is low, the fatigue damage resistance of the rail steel itself decreases, and fatigue damage is likely to occur in the rail steel.
- the yield strength of the wheel steel is high, a fatigue layer is accumulated in the rail steel that is the counterpart material, so that fatigue damage is likely to occur in the rail steel.
- the ratio of YS R / YS W is more than 1.95, the yield strength of the wheel steel is too low, the yield strength of the rail steel is too high, or both.
- the yield strength of the wheel steel is low, the fatigue damage resistance of the wheel steel itself is lowered, and the fatigue damage is likely to occur in the wheel steel.
- the yield strength of the rail steel is high, a fatigue layer is accumulated in the wheel steel that is the counterpart material, so that fatigue damage is likely to occur in the wheel steel.
- the YS R / YS W ratio is set to 0.85 or more and 1.95 or less.
- the YS R / YS W ratio is preferably 0.86 or more.
- the YS R / YS W ratio is preferably 1.90 or less.
- Yield strength YS R at rail head If higher yield strength YS R in the head of the rail, it is possible to improve the fatigue resistance of the rails themselves, the YS R be at least 830 MPa. On the other hand, YS is not particularly limited on the upper limit of R, since it becomes difficult to satisfy the too high YS R (1) formula, it is preferably not more than 1200 MPa.
- Yield strength YS W at wheel rim If higher yield strength YS W at the rim portion of the wheel, it is possible to improve the fatigue resistance of the wheel itself, the YS W and higher 580 MPa.
- YS is not particularly limited on the upper limit of R, since it becomes difficult to satisfy the too high YS W (1) formula, it is preferably not more than 1000 MPa.
- the yield strength YS W at the rim of the wheel is determined by the heating temperature before hot working and the cooling rate in cooling after hot working when forming into a wheel by hot working such as hot rolling or hot forging. It can be adjusted by controlling. That is, since the yield strength YS W increases as the heating temperature increases and the cooling rate after hot rolling increases, the heating temperature and the cooling rate may be adjusted according to the target YS W.
- the steel structure in the head is preferably a pearlite structure. This is because the pearlite structure has excellent fatigue damage properties compared to the tempered martensite structure and the bainite structure.
- the steel structure in the wheel rim portion is preferably a pearlite structure. This is because the pearlite structure has fatigue damage superior to the tempered martensite structure and bainite structure as described above.
- the steel material is heated to 1000 ° C. to 1300 ° C. and then hot rolled. Next, air cooling is performed to 400 ° C. at a cooling rate of 0.5 ° C. to 3 ° C./s.
- the steel material is heated to 900 ° C. to 1100 ° C. and then hot forged.
- air cooling is performed to 400 ° C. at a cooling rate of 0.5 ° C. to 3 ° C./s.
- Example 1 100 kg of steel having the composition shown in Table 1 was melted in vacuum and hot rolled to a thickness of 80 mm. The obtained rolled material was cut into a length of 150 mm, heated to 1000 to 1300 ° C., and hot-rolled so that the final plate thickness was 12 mm. Subsequently, air cooling was performed to 400 ° C. at a cooling rate of 0.5 to 3 ° C./s, and then allowed to cool to obtain rail steel. Under the present circumstances, the yield strength of the rail steel finally obtained was controlled by adjusting the heating temperature and the cooling rate before the said hot rolling.
- each obtained rail steel and wheel steel was evaluated by the tensile test based on ASTM A370. From each rail steel and wheel steel, a tensile test piece having a parallel part diameter of 0.25 inch (6.35 mm) as defined in ASTM A370 was taken, and a tensile test was performed at a tensile speed of 1 mm / min. The 0.2% yield strength obtained from the stress-strain curve was taken as the yield strength. The measured values are shown in Table 2.
- the rail steel was peeled off at less than 1728,000 revolutions, and the wheel steel was peeled off at less than 216,000 revolutions, It was judged that sufficient fatigue damage resistance could not be obtained with the combination of the rail steel and wheel steel, and the test was suspended.
- the rotation speed column in Table 2 was set to “ ⁇ ”. Further, if the number of revolutions was 1728000 revolutions or more for rail steel and 216,000 revolutions or more for wheel steel, it was judged that the fatigue damage resistance was good, and in Table 3, “not peeled” was described.
- Example 2 The test was performed under the same conditions as in Example 1 except that rail steel having the component composition shown in Table 4 and wheel steel having the component composition shown in Table 5 were used.
- Table 6 shows the combinations of rail steel and wheel steel used and the evaluation results. From these results, the rail and wheel fatigue damage is effectively suppressed by selecting the rail steel and the wheel steel so that the component composition and the yield strength ratio YS R / YS W satisfy the conditions of the present invention. I understand that I can do it.
- Example 3 The test was performed under the same conditions as in Example 1 except that rail steel having the component composition shown in Table 7 and wheel steel having the component composition shown in Table 8 were used.
- Table 9 shows the combinations of rail steel and wheel steel used and the evaluation results.
- a rail steel the ratio H R / H W of the hardness H R and the wheel steel hardness H W of the rail steel is 1.00 to 1.30
- the yield strength of the rail steel is less than 830 MPa
- the yield strength of the wheel steel is less than 580 MPa
- the yield strength ratio YS R / YS W is within the range of 0.85 of the present invention.
- it is not within ⁇ 1.95 it can be seen that the fatigue resistance of the rail and wheel is poor.
- the steel structure of wheel steel is not pearlite, it turns out that the fatigue damage resistance of a wheel is inferior.
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Abstract
Description
1.質量%で、
C :0.70%以上、0.85%未満、
Si:0.10~1.50%、
Mn:0.40~1.50%、および
Cr:0.05~1.50%を含有し、
残部Fe及び不可避的不純物からなる成分組成を有するレール鋼と、
質量%で、
C :0.57%以上、0.85%未満、
Si:0.10~1.50%、
Mn:0.40~1.50%、および
Cr:0.05~1.50%を含有し、
残部Fe及び不可避的不純物からなる成分組成を有する車輪鋼とを、
それぞれレールおよび車輪として実軌道で使用する際に、
前記レールの頭部における降伏強度YSRが830MPa以上であり、
前記車輪のリム部における降伏強度YSWが580MPa以上であり、かつ、
前記レールの頭部における降伏強度YSRと、前記車輪のリム部における降伏強度YSWとの比YSR/YSWが下記(1)式に示す範囲内となるように前記レール鋼および車輪鋼を選択する、レール鋼および車輪鋼の選択方法。
記
0.85≦YSR/YSW≦1.95 …(1)
Cu:1.0%以下、
Ni:1.0%以下、
V :0.30%以下、
Nb:0.05%以下、
Mo:0.5%以下、
W :0.5%以下、
Al:0.07%以下、
Ti:0.05%以下、および
B :0.005%以下からなる群より選択される1または2以上をさらに含む、前記1に記載のレール鋼および車輪鋼の選択方法。
Cu:1.0%以下、
Ni:1.0%以下、
V :0.30%以下、
Nb:0.05%以下、
Mo:0.5%以下、
W :0.5%以下、
Al:0.07%以下、
Ti:0.05%以下、および
B :0.005%以下からなる群より選択される1または2以上をさらに含む、前記1または2に記載のレール鋼および車輪鋼の選択方法。
C:0.70%以上、0.85%未満
Cは、パーライト組織においてセメンタイトを形成し、降伏強度や耐疲労損傷性を確保する効果を有する元素である。C含有量が0.70%未満であると、降伏強度が低下し、優れた耐疲労損傷性を得ることが難しい。一方、C含有量が0.85%以上であると熱間圧延後の変態時に初析セメンタイトがオーステナイト粒界に生成し、耐疲労損傷性が著しく低下する。そのため、C含有量は0.70%以上、0.85%未満とする。
Siは、脱酸剤およびパーライト組織の強化元素として添加される元素である。Siの添加効果を得るためには、Si含有量を0.10%以上とする必要がある。一方、Si含有量が1.50%を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Si含有量は0.10~1.50%とする。
Mnは、パーライト変態温度を低下させてラメラー間隔を細かくすることにより、レールの高降伏強度化に寄与する元素であるが、Mn含有量が0.40%未満では十分な効果を得ることができない。一方、Mn含有量が1.50%を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Mn含有量は0.40~1.50%とする。
Crは、パーライト平衡変態温度を上昇させてラメラー間隔を微細化することや、固溶強化により、降伏強度を向上させる効果を有する元素であるが、Cr含有量が0.05%未満であると十分な降伏強度が得られない。一方、Cr含有量が1.50%を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Cr量は0.05~1.50%とする。
P:0.025%以下、S:0.025%以下までの含有は許容される。一方、P含有量およびS含有量の下限は特に限定されず0%であってよいが、工業的には0%超である。さらに、PおよびSの含有量を過度に低下させると精錬コストの増加を招くため、P含有量およびS含有量は0.0005%以上とすることが好ましい。なお、本発明のレール鋼の成分組成は、以上の成分と残部のFeおよび不可避不純物とからなるか、あるいはさらに、これらに加えて後述する任意に含むことができる成分とからなることが好ましいが、本発明の作用効果に実質的に影響しない範囲内で、他の微量元素を含有するレール鋼も本発明に属する。
Cu:1.0%以下、
Ni:1.0%以下、
V :0.30%以下、
Nb:0.05%以下、
Mo:0.5%以下、
W :0.5%以下、
Al:0.07%以下、
Ti:0.05%以下、および
B :0.005%以下からなる群より選択される1または2以上を、任意に、さらに含むことができる。
Vは、炭・窒化物を形成して基地中へ分散析出することにより降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、V含有量が0.30%を超えると、降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。また、Vは高価な元素であるため、レール鋼のコストが増加する。そのため、Vを添加する場合にはV含有量を0.30%以下とすることが好ましい。なお、V含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、V含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
Cuは、Crと同様、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Cu含有量が1.0%を超えるとCu割れが生じやすくなるため、Cuを添加する場合にはCu含有量を1.0%以下とすることが好ましい。なお、Cu含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Cu含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
Niは、延性を劣化することなく降伏強度を向上させる効果を有する元素である。また、Cuと複合添加することによりCu割れを抑制することができるため、Cuを添加する場合にはNiも添加することが望ましい。しかし、Ni含有量が1.0%を超えると焼入れ性が上昇してマルテンサイトが生成する結果、耐疲労損傷性が低下しがちとなる。そのため、Niを添加する場合にはNi含有量を1.0%以下とすることが好ましい。なお、Ni含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ni含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
Nbは、鋼中のCやNと結び付いて圧延中及び圧延後に炭化物、窒化物、炭窒化物として析出し、高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Nbを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、レールの長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Nb含有量が0.05%を超えると、降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Nbを添加する場合にはNb含有量を0.05%以下とすることが好ましい。なお、Nb含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Nb含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
Moは、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Mo含有量が0.5%を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Moを添加する場合にはMo含有量を0.5%以下とすることが好ましい。なお、Mo含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Mo含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
Wは、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、W含有量が0.5%を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Wを添加する場合にはW含有量を0.5%以下とすることが好ましい。なお、W含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、W含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
Alは、鋼中のNと結び付いて圧延中及び圧延後に窒化物として析出し、高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Alを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、レールの長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Al含有量が0.07%を超えると、鋼中に酸化物が多量に生成し、かえってレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Alを添加する場合にはAl含有量を0.07%以下とすることが好ましい。なお、Al含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Al含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
Bは、圧延中および圧延後に窒化物として析出し、析出強化により高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Bを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、レールの長寿をさらに延ばすことができる。しかし、B含有量が0.005%を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Bを添加する場合にはB含有量を0.005%以下とすることが好ましい。なお、B含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、B含有量を0.0001%以上とすることが好ましい。
Tiは、圧延中及び圧延後に炭化物、窒化物、炭窒化物として析出し、析出強化により高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Tiを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、レールの長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ti含有量が0.05%を超えると、粗大な炭化物、窒化物、または炭窒化物が生成する結果、かえってレールの耐疲労損傷性が低下する。そのため、Tiを添加する場合にはTi含有量を0.05%以下とすることが好ましい。なお、Ti含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ti含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
C:0.57%以上、0.85%未満
Cは、パーライト組織においてセメンタイトを形成し、降伏強度や耐疲労損傷性を確保する効果を有する元素である。C含有量が0.57%未満であると、降伏強度が低下し、優れた耐疲労損傷性を得ることが難しい。一方、C含有量が0.85%以上であると熱間圧延後の変態時に初析セメンタイトがオーステナイト粒界に生成し、耐疲労損傷性が著しく低下する。そのため、C含有量は0.57%以上、0.85%未満とする。
Siは、脱酸剤およびパーライト組織の強化元素として添加される元素である。Siの添加効果を得るためには、Si含有量を0.10%以上とする必要がある。一方、Si含有量が1.50%を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Si含有量は0.10~1.50%とする。
Mnは、パーライト変態温度を低下させてラメラー間隔を細かくすることにより、車輪の高降伏強度化に寄与する元素であるが、Mn含有量が0.40%未満では十分な効果を得ることができない。一方、Mn含有量が1.50%を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Mn含有量は0.40~1.50%とする。
Crは、パーライト平衡変態温度を上昇させてラメラー間隔を微細化することや、固溶強化により、降伏強度を向上させる効果を有する元素であるが、Cr含有量が0.05%未満であると十分な降伏強度が得られない。一方、Cr含有量が1.50%を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Cr量は0.05~1.50%とする。
P:0.030%以下、S:0.030%以下までの含有は許容される。一方、P含有量およびS含有量の下限は特に限定されず0%であってよいが、工業的には0%超である。さらに、PおよびSの含有量を過度に低下させると精錬コストの増加を招くため、P含有量およびS含有量は0.0005%以上とすることが好ましい。なお、本発明の車輪鋼の成分組成は、以上の成分と残部のFeおよび不可避不純物とからなるか、あるいはさらに、これらに加えて後述する任意に含むことができる成分とからなることが好ましいが、本発明の作用効果に実質的に影響しない範囲内で、他の微量元素を含有するレール鋼も本発明に属する。
Cu:1.0%以下、
Ni:1.0%以下、
V :0.30%以下、
Nb:0.05%以下、
Mo:0.5%以下、
W :0.5%以下、
Al:0.07%以下、
Ti:0.05%以下、および
B :0.005%以下からなる群より選択される1または2以上を、任意に、さらに含むことができる。
Vは、炭・窒化物を形成して基地中へ分散析出することにより降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、V含有量が0.30%を超えると、降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材である車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。また、Vは高価な元素であるため、車輪鋼のコストが増加する。そのため、Vを添加する場合にはV含有量を0.30%以下とすることが好ましい。なお、V含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、V含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
Cuは、Crと同様、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Cu含有量が1.0%を超えるとCu割れが生じやすくなるため、Cuを添加する場合にはCu含有量を1.0%以下とすることが好ましい。なお、Cu含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Cu含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
Niは、延性を劣化することなく降伏強度を向上させる効果を有する元素である。また、Cuと複合添加することによりCu割れを抑制することができるため、Cuを添加する場合にはNiも添加することが望ましい。しかし、Ni含有量が1.0%を超えると焼入れ性が上昇してマルテンサイトが生成する結果、耐疲労損傷性が低下しがちとなる。そのため、Niを添加する場合にはNi含有量を1.0%以下とすることが好ましい。なお、Ni含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ni含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
Nbは、鋼中のCやNと結び付いて圧延中及び圧延後に炭化物、窒化物、炭窒化物として析出し、高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Nbを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、車輪の長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Nb含有量が0.05%を超えると、降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Nbを添加する場合にはNb含有量を0.05%以下とすることが好ましい。なお、Nb含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Nb含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
Moは、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、Mo含有量が0.5%を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Moを添加する場合にはMo含有量を0.5%以下とすることが好ましい。なお、Mo含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Mo含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
Wは、固溶強化により降伏強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、W含有量が0.5%を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Wを添加する場合にはW含有量を0.5%以下とすることが好ましい。なお、W含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、W含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
Alは、鋼中のNと結び付いて圧延中及び圧延後に窒化物として析出し、高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Alを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、車輪の長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Al含有量が0.07%を超えると、鋼中に酸化物が多量に生成し、かえって車輪鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Alを添加する場合にはAl含有量を0.07%以下とすることが好ましい。なお、Al含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Al含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
Bは、圧延中および圧延後に窒化物として析出し、析出強化により高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Bを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、車輪の長寿をさらに延ばすことができる。しかし、B含有量が0.005%を超えると降伏強度が高くなりすぎ、かえって相手材であるレール鋼に疲労損傷が発生しやすくなる。そのため、Bを添加する場合にはB含有量を0.005%以下とすることが好ましい。なお、B含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、B含有量を0.0001%以上とすることが好ましい。
Tiは、圧延中及び圧延後に炭化物、窒化物、炭窒化物として析出し、析出強化により高降伏強度化に有効に作用する。したがって、Tiを添加することにより、耐疲労損傷性を大きく向上させ、車輪の長寿をさらに延ばすことができる。しかし、Ti含有量が0.05%を超えると、粗大な炭化物、窒化物、または炭窒化物が生成する結果、かえって車輪の耐疲労損傷性が低下する。そのため、Tiを添加する場合にはTi含有量を0.05%以下とすることが好ましい。なお、Ti含有量の下限は特に限定されないが、降伏強度を向上させるという観点からは、Ti含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
本発明においては、上記成分組成を有するレール鋼と車輪鋼とを、それぞれレールおよび車輪として実軌道で使用する際に、前記レールの頭部における降伏強度YSRと、前記車輪のリム部における降伏強度YSWとの比YSR/YSWが下記(1)式に示す範囲内となるように前記レール鋼および車輪鋼を選択する。
0.85≦YSR/YSW≦1.95 …(1)
ここで、レールの降伏強度YSRは、AREMA Chapter 4の2.1.3.4に記載の位置からASTM A370に記載の、平行部が0.25インチまたは0.5インチの引張試験片を採取し、引張試験を行って求める。車輪の降伏強度YSWは、AAR Specification M-107/M-208の3.1.1.に記載の位置から、レールの試験と同様の引張試験片を採集し、引張試験を行って求める。
レールの頭部における降伏強度YSRを高くすれば、レール自体の耐疲労損傷性をより高めることができるため、YSRを830MPa以上とする。一方、YSRの上限については特に限定されないが、YSRを高くしすぎると(1)式の条件を満たすことが困難となることから、1200MPa以下とすることが好ましい。
車輪のリム部における降伏強度YSWを高くすれば、車輪自体の耐疲労損傷性をより高めることができるため、YSWを580MPa以上とする。一方、YSRの上限については特に限定されないが、YSWを高くしすぎると(1)式の条件を満たすことが困難となることから、1000MPa以下とすることが好ましい。
レール鋼は、頭部における鋼組織がパーライト組織であることが好ましい。これは、パーライト組織が、焼戻しマルテンサイト組織やベイナイト組織に比べて優れた疲労損傷性を有するためである。
表1に示す成分組成を有する鋼100kgを真空溶解し、80mm厚に熱間圧延した。得られた圧延材を150mm長さに切断した後、1000~1300℃に加熱し、最終板厚が12mmとなるよう熱間圧延した。次いで、冷却速度0.5~3℃/sで400℃までエアー冷却し、その後、放冷してレール鋼を得た。この際、前記熱間圧延前の加熱温度や冷却速度を調整することによって、最終的に得られるレール鋼の降伏強度を制御した。
得られた各レール鋼および車輪鋼の降伏強度を、ASTM A370に準拠した引張試験により評価した。各レール鋼および車輪鋼から、ASTM A370に定められた、平行部の直径が0.25インチ(6.35mm)である引張試験片を採取し、引張速度:1mm/分で引張試験を行い、応力-歪み曲線から求められた0.2%耐力を降伏強度とした。測定された値を表2に示す。
得られた各レール鋼および車輪鋼の表面を鏡面に研磨後、ナイタールで腐食し、倍率100倍で組織観察を実施した。
得られた各レール鋼および車輪鋼から、接触面を曲率半径15mmの曲面とした直径30mmの試験片を作製し、表3に示したレール鋼と車輪鋼の組み合わせにおける疲労損傷の発生を、2円筒型試験機を用いて評価した。接触圧力:2.2GPa、すべり率:-20%、油潤滑条件で試験を実施し、剥離(疲労損傷)が発生した時点での回転数を表3に示した。前記回転数の値は、レールおよび車輪の疲労損傷寿命の指標と見なすことができる。なお、剥離が発生するまで試験を続けると長時間かかるため、本実施例では、1728000回転未満でレール鋼に剥離が生じたもの、および2160000回転未満で車輪鋼に剥離が生じたものについては、そのレール鋼と車輪鋼の組み合わせでは十分な耐疲労損傷性が得られないと判断し、試験を中断した。この場合、剥離が生じなかった方の部材については、表2の回転数の欄を「-」とした。また、前記回転数が、レール鋼では1728000回転以上、車輪鋼では2160000回転以上であれば、耐疲労損傷性が良好であると判断し、表3中では「剥離せず」と記載した。
表4に示す成分組成のレール鋼と、表5に示す成分組成の車輪鋼とを使用した以外は、実施例1と同様の条件で試験を行った。用いたレール鋼と車輪鋼の組み合わせと、評価結果とを表6に示す。この結果からもより、成分組成と降伏強度比YSR/YSWとが本願発明の条件を満たすようにレール鋼と車輪鋼とを選択することにより、レールと車輪の疲労損傷を効果的に抑制できることが分かる。
表7に示す成分組成のレール鋼と、表8に示す成分組成の車輪鋼とを使用した以外は、実施例1と同様の条件で試験を行った。加えて、最終的に得られたレール鋼のビッカース硬さHRと、最終的に得られた車輪鋼のビッカース硬さHWとを、ビッカース硬さ試験機で荷重98Nにより測定し、レール鋼の硬さHRと車輪鋼の硬さHWとの比HR/HWを求めた。用いたレール鋼と車輪鋼との組み合わせと、評価結果とを表9に示す。
2 レール材
Claims (3)
- 質量%で、
C :0.70%以上、0.85%未満、
Si:0.10~1.50%、
Mn:0.40~1.50%、および
Cr:0.05~1.50%を含有し、
残部Fe及び不可避的不純物からなる成分組成を有するレール鋼と、
質量%で、
C :0.57%以上、0.85%未満、
Si:0.10~1.50%、
Mn:0.40~1.50%、および
Cr:0.05~1.50%を含有し、
残部Fe及び不可避的不純物からなる成分組成を有する車輪鋼とを、
それぞれレールおよび車輪として実軌道で使用する際に、
前記レールの頭部における降伏強度YSRが830MPa以上であり、
前記車輪のリム部における降伏強度YSWが580MPa以上であり、かつ、
前記レールの頭部における降伏強度YSRと、前記車輪のリム部における降伏強度YSWとの比YSR/YSWが下記(1)式に示す範囲内となるように前記レール鋼および車輪鋼を選択する、レール鋼および車輪鋼の選択方法。
記
0.85≦YSR/YSW≦1.95 …(1) - 前記レール鋼の成分組成が、質量%で、
Cu:1.0%以下、
Ni:1.0%以下、
V :0.30%以下、
Nb:0.05%以下、
Mo:0.5%以下、
W :0.5%以下、
Al:0.07%以下、
Ti:0.05%以下、および
B :0.005%以下からなる群より選択される1または2以上をさらに含む、請求項1に記載のレール鋼および車輪鋼の選択方法。 - 前記車輪鋼の成分組成が、質量%で、
Cu:1.0%以下、
Ni:1.0%以下、
V :0.30%以下、
Nb:0.05%以下、
Mo:0.5%以下、
W :0.5%以下、
Al:0.07%以下、
Ti:0.05%以下、および
B :0.005%以下からなる群より選択される1または2以上をさらに含む、請求項1または2に記載のレール鋼および車輪鋼の選択方法。
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