WO2020189232A1 - レール - Google Patents

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WO2020189232A1
WO2020189232A1 PCT/JP2020/008606 JP2020008606W WO2020189232A1 WO 2020189232 A1 WO2020189232 A1 WO 2020189232A1 JP 2020008606 W JP2020008606 W JP 2020008606W WO 2020189232 A1 WO2020189232 A1 WO 2020189232A1
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column
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上田　正治
照久 宮▲崎▼
拓也 棚橋
優介 前田
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日本製鉄株式会社
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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/009—Pearlite

Definitions

  • the present invention relates to a rail having excellent damage resistance used in a freight railway.
  • the present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2019-048809 filed in Japan on March 15, 2019, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • high-strength rails as shown in Patent Documents 1 and 2 have been developed.
  • the main feature of these rails is to improve the wear resistance by heat treatment to reduce the pearlite lamella spacing at the rail head and increase the hardness of the steel, or to increase the carbon content of the steel and rail. It is to increase the volume ratio of the cementite phase in the pearlite lamella of the head.
  • Patent Document 1 describes wear resistance by accelerating and cooling the rail head after rolling or reheating from the temperature in the austenite region to 850 to 500 ° C. at a cooling rate of 1 to 4 ° C./sec. It is disclosed that excellent rails can be obtained.
  • the wear resistance of the rail head is increased by increasing the hardness by reducing the lamellar spacing in the pearlite structure of the rail head and increasing the volume ratio of the cementite phase in the pearlite structure lamellar.
  • the properties have been improved, and the service life has been improved to a certain extent.
  • no study has been made on the fatigue damage resistance to prevent fatigue damage of the rail column portion.
  • Patent Document 3 discloses that a rail having improved toughness of the rail column portion can be obtained by controlling the amount of pro-eutectoid cementite structure formed in the rail column portion.
  • Patent Document 4 discloses that a rail having improved fatigue characteristics of a rail column portion can be obtained by reducing residual stress by cooling the rail welded joint portion immediately after welding. There is.
  • Patent Document 4 by controlling the residual stress of the rail welded joint portion, the fatigue characteristics of the rail column portion are improved, the rail breakage is suppressed, and the service life is improved to a certain extent.
  • the rail welded joint is targeted, and the prevention of fatigue damage of the rail base material has not been studied at all.
  • the technique disclosed in Patent Document 4 controls residual stress, and the relationship between the material and hardness of the rail column portion and the fatigue characteristics has not been studied in Patent Document 4.
  • Patent Document 5 the hardness of the rail column portion is specified in order to ensure toughness in the heat treatment method for the rail.
  • the prevention of fatigue damage of the rail column portion has not been studied at all.
  • Patent Document 5 only shows the range of the average value of the hardness of the column portion, and no study has been made on the hardness distribution that affects the suppression of fatigue damage of the rail column portion.
  • An object of the present invention is to provide a rail having excellent fatigue breakage resistance, which is required for a rail of a freight railroad and can suppress the occurrence of fatigue damage from a pillar portion.
  • the gist of the present invention is as follows.
  • the rail according to one aspect of the present invention has a mass% of C: 0.75 to 1.20%, Si: 0.10 to 2.00%, Mn: 0.10 to 2.00%, Cr: 0 to 2.00%, Mo: 0 to 0.50%, Co: 0 to 1.00%, B: 0 to 0.0050%, Cu: 0 to 1.00%, Ni: 0-1 .00%, V: 0 to 0.50%, Nb: 0 to 0.050%, Ti: 0 to 0.0500%, Mg: 0 to 0.0200%, Ca: 0 to 0.0200%, REM : 0 to 0.0500%, Zr: 0 to 0.0200%, N: 0 to 0.0200%, Al: 0 to 1.00%, P: 0.0250% or less, S: 0.0250% or less ,
  • the balance has a steel component composed of Fe and impurities, 90 area% or more of the metal structure of the cross section of the rail
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the hardness of the cross section of the rail column portion is Hv40 or less.
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the hardness of the cross section of the rail column portion may be Hv20 or less.
  • the steel component is, in terms of mass%, Cr: 0.01 to 2.00%, Mo: 0.01 to 0.50%.
  • Co 0.01 to 1.00%
  • B 0.0001 to 0.0050%
  • Cu 0.01 to 1.00%
  • Ni 0.01 to 1.00%
  • V 0.005 ⁇ 0.50%
  • Nb 0.0010 to 0.050%
  • Ti 0.0030 to 0.0500%
  • Mg 0.0005 to 0.0200%
  • Ca 0.0005 to 0.0200%
  • Zr 0.0001 to 0.0200%
  • N 0.0060 to 0.0200%
  • Al 0.0100 to 1.00%. It may contain one kind or two or more kinds.
  • the rail having excellent fatigue damage resistance of the column portion (sometimes referred to as the rail according to the present embodiment) according to the embodiment of the present invention will be described in detail below.
  • % in the composition is mass%.
  • the present inventors investigated in more detail the cause of fatigue damage from rail columns in the current freight railway.
  • the rail of the pearlite structure in which fatigue damage occurred it was found that there is a correlation between the cross-sectional hardness of the column and the fatigue damage of the rail.
  • the cross section of the rail column portion it was confirmed that fatigue damage was generated from the rail column portion in the rail in which a region having a hardness of less than Hv300 was present.
  • the present inventors investigated the rails in which fatigue damage occurred in more detail. As a result, it was confirmed that in a curved section where the usage environment is harsh, fatigue damage may occur from the column portion even if the rail does not have a region where the hardness is less than Hv300 in the cross section of the rail column portion.
  • the present inventors have investigated in detail the cause of fatigue damage from the column even if there is no region where the hardness is less than Hv300 in the cross section of the rail column by trial evaluation of the actual rail. did.
  • the present inventors decided to perform a fatigue damage test that simulates a curved section in the trial evaluation. This is because there is a peculiar situation that bending stress is easily applied to the column portion in the curved section.
  • the rail has a rail column portion 1, a rail head portion 2, and a rail foot portion 3. Since the rail column portion 1 does not come into contact with the wheels, it has not always been regarded as important in the prior art.
  • the stress toward the outside of the curved section is applied to the rail head 2, so that the bending stress is applied to the rail column 1.
  • the present inventors presume that the rail column 1 is likely to be fatigue-damaged in the curved section due to the repeated occurrence of this bending stress, and the fatigue damage test should be carried out so as to reproduce the above-mentioned bending stress. I thought there was. The details of the trial evaluation means are shown below.
  • Rail rolling and heat treatment under various conditions were performed on a steel material (hypereutectoid steel) having the following steel components, and rails with various rail column cross-sectional hardness were prototyped and their fatigue damage resistance was evaluated. .. Then, the relationship between the cross-sectional hardness of the rail column and the fatigue damage resistance was investigated.
  • the rail rolling conditions, heat treatment conditions, and fatigue test conditions are as shown below. In order to change the cross-sectional hardness of the rail column, controlled cooling was performed on the column.
  • Accelerated cooling was carried out by injecting a refrigerant such as air or cooling water onto either or both of the rail head surface and the column surface.
  • a refrigerant such as air or cooling water
  • the heat rise and temperature retention due to the generation of reheat were controlled by repeating minute acceleration cooling according to the amount of temperature rise.
  • Measurement test piece collection A sample is cut out from the cross section of the rail column. Pretreatment: The cross section is polished with diamond abrasive grains with an average particle size of 1 ⁇ m. Measurement method: Measured according to JIS Z 2244: 2009. ⁇ Measurement position A cross section within a range of ⁇ 15 mm in the vertical direction of the rail from the middle line between the bottom of the rail and the top of the rail (see Fig. 1).
  • the hardness distribution was measured by continuously indenting in the thickness direction of the column portion at a pitch of 1.0 mm starting from a position at a depth of 1.0 mm from the outer surface of the column portion. Hardness measurements were made on at least 5 lines. In addition, in order to eliminate the mutual influence of indentations, an interval of 1.0 mm or more was provided between each measurement line.
  • ⁇ Method of organizing hardness The minimum and maximum values of the measured hardness were set as the minimum and maximum values of the cross-sectional hardness of the rail column, respectively. [Hardness characteristics of test rail] ⁇ Minimum range of cross-sectional hardness of rail column: Hv300-500 ⁇ Difference between the minimum and maximum cross-sectional hardness of the rail column: Hv10-80
  • Crack judgment The test is stopped regularly, and the presence or absence of cracks on the surface of the rail column is confirmed by detecting magnetic particles on the surface of the rail column.
  • Pass judgment A rail that repeats load fluctuations up to crack occurrence is 2 million times or more, or that does not generate cracks until the end of the test (load fluctuation 3 million times) is judged to be a rail with excellent fatigue breakage resistance.
  • FIG. 3 shows the rail fatigue test results.
  • FIG. 3 shows the relationship between the difference between the maximum value and the minimum value of the cross-sectional hardness of the rail column portion and the number of repetitions of the load fluctuation until the crack occurs in the fatigue test.
  • the maximum value of the cross-sectional hardness As the difference between the minimum values becomes smaller, the number of times the load fluctuation is repeated until the crack occurs tends to increase.
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the cross-sectional hardness is Hv40 or less, the number of repeated load fluctuations reaches 2 million times, cracks do not occur, and the damage resistance of the column is greatly improved. The inventors confirmed.
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the cross-sectional hardness of the column portion is Hv20 or less, the number of repetitions of load fluctuation until the occurrence of cracks further increases, and cracks do not occur up to 3 million times.
  • the present inventors have confirmed that the damage resistance is further improved.
  • the present inventors set the maximum value and the minimum value of the hardness in the cross section of the rail column portion. It was newly found that it is necessary to suppress the difference between the rail columns and the concentration of strain in the cross section of the rail column.
  • FIG. 4 is a schematic view of a rail cross section according to this embodiment.
  • the rail column portion (rail column portion 1) according to the present embodiment will be described again with reference to FIG.
  • a rail pillar portion 1 A portion having a width larger than the width of the constricted portion and located below the constricted portion is referred to as a rail foot portion 3, and a portion located above the constricted portion is referred to as a rail head portion 2.
  • the rail pillar portion 1 is an area sandwiched between the rail head portion 2 and the rail foot portion 3.
  • C 0.75 to 1.20% C is an element that promotes pearlite transformation and contributes to improvement of fatigue resistance.
  • the amount of C is less than 0.75%, the minimum strength and fatigue damage resistance required for the rail cannot be ensured.
  • the amount of C is less than 0.75%, a soft proeutectoid ferrite structure is likely to be formed on the rail column portion, the hardness difference in the cross section of the rail column portion becomes large, and the fatigue damage resistance is lowered. ..
  • the amount of C exceeds 1.20%, a hard proeutectoid cementite structure is likely to be formed on the rail column portion, the hardness difference in the cross section of the rail column portion becomes large, and the fatigue damage resistance is lowered.
  • the amount of C is set to 0.75 to 1.20%. In order to further stabilize the formation of the pearlite structure and further improve the fatigue damage resistance, it is desirable that the amount of C is 0.80% or more, 0.85% or more, or 0.90% or more. For the same reason, it is desirable that the amount of C is 1.15% or less, 1.10% or less, or 1.05% or less.
  • Si 0.10 to 2.00%
  • Si is an element that dissolves in the ferrite phase in the pearlite structure, increases the cross-sectional hardness (strength) of the rail column portion, and improves fatigue damage resistance.
  • Si is also an element that suppresses the formation of pro-eutectoid cementite structure, suppresses the difference in hardness in the cross section of the rail column portion, and improves fatigue damage resistance.
  • the amount of Si is less than 0.10%, these effects cannot be sufficiently obtained.
  • the amount of Si exceeds 2.00%, many surface defects are generated during hot rolling.
  • the amount of Si is set to 0.10 to 2.00% in order to promote the formation of a pearlite structure and secure fatigue damage resistance and toughness.
  • the amount of Si is 0.15% or more, 0.20% or more, or 0.40% or more. For the same reason, it is desirable that the amount of Si is 1.80% or less, 1.50% or less, or 1.30% or less.
  • Mn 0.10 to 2.00% Mn enhances hardenability, suppresses the formation of a soft proeutectoid ferrite structure, stabilizes the pearlite transformation, and at the same time, finens the lamellar spacing of the pearlite structure and secures the hardness of the pearlite structure to withstand it. It is an element that improves fatigue damage. However, when the amount of Mn is less than 0.10%, the effect is small, a soft proeutectoid ferrite structure is likely to be formed on the rail column portion, the hardness difference in the cross section of the rail column portion becomes large, and fatigue damage resistance Decreases.
  • the amount of Mn exceeds 2.00%, the hardenability is remarkably increased, a hard martensite structure is easily generated in the rail column portion, the hardness difference in the cross section of the rail column portion becomes large, and fatigue resistance is increased. Damage is reduced. Therefore, the amount of Mn is set to 0.10 to 2.00% in order to promote the formation of a pearlite structure and secure fatigue damage resistance and toughness. In order to stabilize the formation of pearlite structure and further improve fatigue damage resistance and toughness, it is desirable that the amount of Mn is 0.20% or more, 0.30% or more, or 0.40% or more. For the same reason, it is desirable that the amount of Mn is 1.80% or less, 1.50% or less, or 1.20% or less.
  • P 0.0250% or less
  • P is an impurity element contained in steel. It is possible to control the content by refining in a converter. It is preferable that the amount of P is small, but especially when the amount of P exceeds 0.0250%, the concentration of P in the segregation zone of the rail column is promoted, the hardness of the segregation increases, and the cross section of the rail column is cross-sectioned. The difference in hardness inside becomes large, and the fatigue damage resistance decreases. Therefore, the amount of P is limited to 0.0250% or less. In order to stably secure the fatigue damage resistance of the rail column portion, it is desirable that the P amount is 0.0200% or less, 0.0180% or less, or 0.0150% or less.
  • P does not contribute to solving the problem of the invention, it is not necessary to limit the lower limit of the amount of P, and it may be set to 0%, for example. However, considering the dephosphorization ability in the refining process, it is economically advantageous to set the lower limit of the amount of P to about 0.0050%.
  • S 0.0250% or less
  • S is an impurity element contained in steel.
  • the content can be controlled by desulfurization in a hot metal pot. It is preferable that the amount of S is small, but when the amount of S exceeds 0.0250%, the formation of MnS-based sulfide is promoted and the Mn concentration in the steel is lowered. As a result, a negative segregation portion is generated, the hardness of the negative segregation portion is reduced, the hardness difference in the cross section of the rail column portion is increased, and the fatigue damage resistance is reduced. Therefore, the amount of S was limited to 0.0250% or less.
  • the S amount is 0.0200% or less, 0.0180% or less, or 0.0150% or less. Since S does not contribute to solving the problem of the invention, it is not necessary to limit the lower limit of the amount of S, and it may be set to 0%, for example. However, considering the desulfurization capacity in the refining process, it is economically advantageous to set the lower limit of the S amount to about 0.0030%.
  • the rail according to this embodiment basically contains the above chemical components and the balance is composed of Fe and impurities. However, instead of a part of the remaining Fe, if necessary, the purpose is to further improve the fatigue damage resistance by increasing the hardness (strength) of the pearlite structure, and in particular, to control the cross-sectional hardness distribution of the rail column portion. Then, one or more selected from the group consisting of Cr, Mo, Co, B, Cu, Ni, V, Nb, Ti, Mg, Ca, REM, Zr, N, and Al can be selected in the range described later. It may be contained. Specifically, Cr and Mo reduce the lamella spacing and improve the hardness of the pearlite structure.
  • B reduces the cooling rate dependence of the pearlite transformation temperature and makes the hardness distribution in the cross section of the rail column uniform.
  • Cu dissolves in ferrite in the pearlite structure to increase the hardness of the pearlite structure.
  • Ni dissolves in ferrite in the pearlite structure to improve the hardness of the pearlite structure.
  • V, Nb, and Ti increase the hardness of the pearlite structure by precipitation hardening of carbides and nitrides produced in the hot rolling and subsequent cooling processes.
  • Mg, Ca and REM finely disperse MnS-based sulfides and promote pearlite transformation.
  • Zr suppresses the formation of segregation zones in the center of the slab, suppresses the formation of proeutectoid ferrite structure and proeutectoid cementite structure, and promotes pearlite transformation.
  • N promotes pearlite transformation by segregating at austenite grain boundaries.
  • Al shifts the eutectoid transformation temperature to the higher temperature side and improves the hardness of the pearlite structure. Therefore, in order to obtain the above effects, these elements may be contained in the range described later. Even if these elements are contained within the range described later, they do not impair the characteristics of the rail according to the present embodiment. Further, since these elements do not necessarily have to be contained, the lower limit thereof is 0%.
  • Cr 0 to 2.00% Cr raises the equilibrium transformation temperature and increases the degree of supercooling, thereby reducing the lamellar spacing of the pearlite structure and improving the hardness (strength) of the pearlite structure.
  • Cr is an element that improves hardenability, suppresses the formation of a soft proeutectoid ferrite structure, and stabilizes the pearlite transformation to improve fatigue damage resistance.
  • the amount of Cr is preferably 0.01% or more, 0.02% or more, or 0.10% or more.
  • the amount of Cr exceeds 2.00%, the hardenability is remarkably increased, a hard martensite structure is likely to be generated in the rail column portion, the hardness difference in the cross section of the rail column portion becomes large, and fatigue resistance damage resistance There is a risk of reduced sex. Therefore, when it is contained, the amount of Cr is preferably 2.00% or less, 1.80% or less, or 1.50% or less.
  • Mo 0 to 0.50% Like Cr, Mo raises the equilibrium transformation temperature and increases the degree of supercooling, thereby reducing the lamellar spacing of the pearlite structure and improving the hardness (strength) of the pearlite structure.
  • Mo is an element that increases the hardness of the soft pearlite structure of the rail column, reduces the difference in hardness of the pearlite structure, and improves the fatigue damage resistance of the rail column.
  • the amount of Mo is preferably 0.01% or more, 0.02% or more, or 0.10% or more.
  • the amount of Mo is preferably 0.50% or less, 0.40% or less, or 0.30% or less.
  • Co refines the lamellar structure of the pearlite structure and improves the hardness (strength) of the pearlite structure.
  • Co is an element that increases the hardness of the soft pearlite structure of the rail column, reduces the difference in hardness of the pearlite structure, and improves the fatigue damage resistance of the rail column.
  • the amount of Co is preferably 0.01% or more, 0.02% or more, or 0.10% or more.
  • the amount of Co is preferably 1.00% or less, 0.80% or less, or 0.50% or less.
  • B 0 to 0.0050%
  • B is an element that reduces the cooling rate dependence of the pearlite transformation temperature by forming an iron charcoal boron compound (Fe 23 (CB) 6 ) at the austenite grain boundaries and promoting the pearlite transformation.
  • the amount of B is preferably 0.0001% or more, 0.0005% or more, or 0.0010% or more.
  • the amount of B is preferably 0.0050% or less, 0.0040% or less, or 0.0030% or less.
  • Cu 0 to 1.00% Cu dissolves in the ferrite phase of the pearlite structure, and the hardness (strength) is improved by strengthening the solid solution.
  • Cu is an element that increases the hardness of the soft pearlite structure of the rail column, reduces the difference in hardness of the pearlite structure, and improves the fatigue damage resistance of the rail column.
  • the amount of Cu is preferably 0.01% or more, 0.02% or more, or 0.10% or more.
  • the amount of Cu exceeds 1.00%, a hard martensite structure is likely to be formed on the rail column portion due to a remarkable improvement in hardenability, the difference in hardness in the cross section of the rail column portion becomes large, and fatigue damage resistance becomes large. May decrease. Therefore, when it is contained, the amount of Cu is preferably 1.00% or less, 0.80% or less, or 0.50% or less.
  • Ni improves the toughness of the pearlite structure and at the same time improves the hardness (strength) by strengthening the solid solution.
  • Ni is an element that increases the hardness of the soft pearlite structure of the rail column, reduces the difference in hardness of the pearlite structure, and improves the fatigue damage resistance of the rail column.
  • the amount of Ni is preferably 0.01% or more, 0.02% or more, or 0.10% or more.
  • the amount of Ni exceeds 1.00%, a hard martensite structure is likely to be formed on the rail column due to a remarkable improvement in hardenability, and the difference in hardness in the cross section of the rail column becomes large, resulting in fatigue damage resistance. May decrease. Therefore, when it is contained, the amount of Ni is preferably 1.00% or less, 0.80% or less, or 0.50% or less.
  • V 0 to 0.50% V increases the hardness (strength) of the pearlite structure by precipitation hardening with V carbides and V nitrides generated in the cooling process after hot rolling.
  • V is an element that increases the hardness of the soft pearlite structure of the rail column portion, reduces the difference in hardness of the pearlite structure, and improves the fatigue damage resistance of the rail column portion.
  • the amount of V is preferably 0.005% or more, 0.010% or more, or 0.050% or more.
  • the amount of V is preferably 0.50% or less, 0.40% or less, or 0.30% or less.
  • Nb 0 to 0.050% Similar to V, Nb increases the hardness (strength) of the pearlite structure by precipitation hardening with Nb carbides and Nb nitrides generated in the cooling process after hot rolling.
  • Nb is an element that increases the hardness of the soft pearlite structure of the rail column portion, reduces the difference in hardness of the pearlite structure, and improves the fatigue damage resistance of the rail column portion.
  • the amount of Nb is preferably 0.0010% or more, 0.0050% or more, or 0.010% or more.
  • the amount of Nb is preferably 0.050% or less, 0.040% or less, or 0.030% or less.
  • Ti 0-0.0500% Ti precipitates as Ti carbides and Ti nitrides produced in the cooling process after hot rolling, and the hardness (strength) of the pearlite structure is increased by precipitation hardening.
  • Ti is an element that increases the hardness of the soft pearlite structure of the rail column, reduces the difference in hardness of the pearlite structure, and improves the fatigue damage resistance of the rail column.
  • the Ti amount is preferably 0.0030% or more, 0.0100% or more, or 0.0150% or more.
  • the amount of Ti exceeds 0.0500%, coarse Ti carbides and Ti nitrides are generated, and stress concentration may easily cause fatigue damage to the rail column portion. Therefore, when it is contained, the Ti amount is preferably 0.0500% or less, 0.0400% or less, or 0.0300% or less.
  • Mg 0 to 0.0200%
  • Mg is an element that combines with S to form fine sulfides (MgS).
  • MgS finely disperses MnS.
  • this finely dispersed MnS becomes the core of the pearlite transformation, promotes the pearlite transformation, suppresses the formation of proeutectoid ferrite and proeutectoid cementite structure formed on the rail column, and reduces the difference in hardness of the pearlite structure.
  • the fatigue damage resistance of the rail column is improved.
  • the amount of Mg is preferably 0.0005% or more, 0.0010% or more, or 0.0050% or more.
  • the amount of Mg is preferably 0.0200% or less, 0.0150% or less, or 0.0100% or less.
  • Ca 0-0.0200% Ca is an element that has a strong binding force with S and forms a sulfide (CaS). This CaS finely disperses MnS. Fine MnS becomes the core of pearlite transformation, promotes pearlite transformation, suppresses the formation of proeutectoid ferrite and proeutectoid cementite structure formed on the rail column, reduces the difference in hardness of the pearlite structure, and reduces the difference in hardness of the rail column. Improves fatigue damage resistance.
  • the amount of Ca is preferably 0.0005% or more, 0.0010% or more, or 0.0050% or more.
  • the Ca amount is preferably 0.0200% or less, 0.0150% or less, or 0.0100% or less.
  • REM 0-0.0500% REM is a deoxidizing / desulfurizing element, and when it is contained, REM oxysulfide (REM 2 O 2 S) is produced and becomes a formation nucleus of Mn sulfide-based inclusions. Further, since the melting point of this core, oxysulfide (REM 2 O 2 S), is high, the stretching of Mn sulfide-based inclusions after rolling is suppressed. As a result, due to the inclusion of REM, MnS is finely dispersed, MnS becomes the core of the pearlite transformation, and the pearlite transformation is promoted.
  • the REM amount is preferably 0.0005% or more, 0.0010% or more, or 0.0050% or more.
  • the REM amount is preferably 0.0500% or less, 0.0400% or less, or 0.0300% or less.
  • REM is a rare earth metal such as Ce, La, Pr or Nd.
  • the above content is a limitation of the total content of all these REMs. As long as the total content of all REM elements is within the above range, the same effect can be obtained regardless of whether the contained REM is in the form of a single element or a plurality of elements.
  • Zr 0-0.0200% Zr combines with O to form ZrO 2 inclusions. Since this ZrO 2 inclusion has good lattice consistency with ⁇ -Fe, ⁇ -Fe becomes a solidified nucleus of high carbon rail steel which is a solidified primary crystal, and by increasing the equiaxed crystallization rate of the solidified structure, Suppresses the formation of segregation zones in the center of the slab, suppresses the formation of martensite and proeutectoid cementite structure generated in the rail column, reduces the difference in hardness of the pearlite structure, and resists fatigue damage in the rail column. Improve sex.
  • the amount of Zr is preferably 0.0001% or more, 0.0010% or more, or 0.0050% or more.
  • the amount of Zr exceeds 0.0200%, a large amount of coarse Zr-based inclusions may be generated, and fatigue damage may easily occur in the rail column portion due to stress concentration. Therefore, when it is contained, the amount of Zr is preferably 0.0200%, 0.0150%, or 0.0100%.
  • N 0-0.0200%
  • the amount of N is preferably 0.0060% or more, 0.0080% or more, or 0.0100% or more.
  • the N content exceeds 0.0200%, it may be difficult to dissolve N in the steel. In this case, air bubbles that are the starting point of fatigue damage may be generated, and fatigue damage of the rail column portion may easily occur. Therefore, when it is contained, the amount of N is preferably 0.0200% or less, 0.0180% or less, or 0.0150% or less.
  • Al 0 to 1.00%
  • Al is a component that functions as a deoxidizing material.
  • Al is an element that shifts the eutectoid transformation temperature to the high temperature side, contributes to increasing the hardness (strength) of the pearlite structure, and further increases the hardness of the soft pearlite structure of the rail column, and pearlite. It is an element that reduces the difference in the hardness of the structure and improves the fatigue damage resistance of the rail column.
  • the amount of Al is preferably 0.0100% or more, 0.0500% or more, or 0.1000% or more. On the other hand, if the amount of Al exceeds 1.00%, it may be difficult to dissolve Al in the steel.
  • the Al content is preferably 1.00% or less, 0.80% or less, or 0.60% or less.
  • the "metal structure of the cross section of the rail column portion” means a cross section of the column portion and has a metal structure within a range of ⁇ 15 mm in the vertical direction of the rail from the intermediate line between the bottom of the rail and the top of the rail.
  • the pearlite structure is a structure that is advantageous for improving fatigue damage resistance because strength (hardness) can be easily obtained even if the amount of alloying elements is low. Furthermore, the strength (hardness) of the pearlite structure can be easily controlled. Therefore, in order to improve the fatigue damage resistance of the rail column cross section, the amount of pearlite structure is limited to a predetermined amount or more.
  • FIG. 5 shows the required range of the pearlite structure of the pillar portion. At least 90 area% or more of the metal structure in the range of ⁇ 15 mm in the vertical direction of the rail from the intermediate line between the bottom of the rail and the top of the rail may be a pearlite structure.
  • the metal structure of the column cross section of the rail according to the present embodiment is preferably a pearlite structure as described above, but depending on the component system of the rail and the heat treatment manufacturing method, the area ratio in the pearlite structure is 10% or less.
  • a small amount of proeutectoid ferrite structure, proeutectoid cementite structure, bainite structure and martensite structure may be mixed. However, even if these structures are mixed in, if the amount is small, the hardness of the rail column portion is not significantly affected, and the fatigue damage resistance of the rail column portion is not significantly adversely affected.
  • the structure of the column portion of the rail having excellent fatigue damage resistance a mixture of a trace amount of proeutectoid ferrite structure, proeutectoid cementite structure, bainite structure, and martensite structure of 10 area% or less is allowed.
  • 90 area% or more of the metal structure of the cross section of the column portion of the rail according to the present embodiment may be a pearlite structure.
  • the method for observing and quantifying the cross section of the rail column is as follows. [Method of observing and quantifying the structure of the cross section of the rail column] ⁇ Observation method Equipment: Optical microscope Observation test piece collection: A sample is cut out from the cross section (see FIG. 5) within a range of ⁇ 15 mm in the vertical direction of the rail from the intermediate line between the bottom of the rail and the top of the rail. Pretreatment: The cross section is polished with diamond abrasive grains with an average particle size of 1 ⁇ m, and nightal etching is performed. Observation magnification: 200 times ⁇ Observation position position: 1.0 mm from the outer surface of the rail column and the center of the thickness of the column.
  • Quantification of tissue Number of observations: 5 or more visual fields at a position 1.0 mm from the outer surface and at the center of the thickness of the pillar. Quantification: The value obtained by averaging the area ratio of pearlite (total of 10 fields of view or more) at the position 1.0 mm from the outer surface (5 fields of view or more) and the position of the center of the thickness of the column (5 fields of view or more) is the rail column. It is the area ratio of pearlite contained in the metal structure of the cross section of the part.
  • the "minimum value of the cross-sectional hardness of the rail column” is the cross section of the column, and is the minimum hardness in the range of ⁇ 15 mm in the vertical direction of the rail from the intermediate line between the rail bottom and the rail top. Means a value.
  • the minimum cross-sectional hardness of the column portion is limited to the range of Hv300 or more. In order to stably secure the fatigue damage resistance of the rail column portion, it is desirable that the minimum value of the cross-sectional hardness of the column portion is Hv320 or more, Hv340 or more, or Hv360 or more.
  • the maximum value of the cross-sectional hardness of the column is not particularly limited as long as the requirements for the hardness difference described later are satisfied, but in order to prevent deterioration of the toughness of the rail column, the minimum value of the cross-sectional hardness of the column is Hv450.
  • Hv is 420 or less, or Hv 400 or less.
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the cross-sectional hardness of the rail column portion is Hv40.
  • the reason for limiting the scope to the following will be described.
  • the "difference between the maximum and minimum values of the cross section of the rail column” is the cross section of the column, which is ⁇ 15 mm in the vertical direction of the rail from the intermediate line between the bottom of the rail and the top of the rail. It means the difference between the maximum and minimum values of hardness in the range.
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the cross-sectional hardness of the column portion exceeds Hv40, the strain of the column portion acting on the rail column portion is concentrated in the part where the hardness is not uniform in the heavy load railway. Due to the occurrence of cracks, the fatigue damage resistance of the rail column portion is reduced. Therefore, the difference between the maximum value and the minimum value of the cross-sectional hardness of the rail column portion is limited to the range of Hv40 or less.
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the cross-sectional hardness of the rail column portion should be limited to the range of Hv30 or less, Hv20 or less, or Hv15 or less. Is desirable.
  • the lower limit of the difference between the maximum value and the minimum value of the cross-sectional hardness of the rail column portion does not need to be limited and may be Hv0, but the maximum value and the minimum value of the cross-sectional hardness of the rail column portion.
  • the difference from is usually Hv10 or more.
  • the cross-sectional hardness of the rail column is measured under the following conditions.
  • Measurement method of cross-sectional hardness of rail column, measurement conditions and method of organizing hardness ⁇ Measuring device and method Equipment: Vickers hardness tester (load 98N)
  • Measurement test piece collection A sample is cut out from the cross section of the rail column.
  • Pretreatment The cross section is polished with diamond abrasive grains with an average particle size of 1 ⁇ m.
  • Measurement method Measured according to JIS Z 2244: 2009. ⁇ Measurement position A cross section within a range of ⁇ 15 mm in the vertical direction of the rail from the middle line between the bottom of the rail and the top of the rail (see Fig. 1).
  • indentation is continuously performed in the thickness direction of the column at a pitch of 1.0 mm, and the hardness is measured. Hardness measurement is performed on at least 5 lines. In addition, in order to eliminate the mutual influence of indentations, a distance of 1.0 mm or more is provided between each measurement line.
  • ⁇ Method of organizing hardness The minimum and maximum values of measured hardness shall be the minimum and maximum values of cross-sectional hardness of the rail column.
  • the cross-sectional hardness of the rail column can be controlled by, for example, adjusting the rolling conditions, the head after rolling, and the control cooling conditions of the column. ..
  • the rail according to the present embodiment is provided with the above-mentioned components, metal structure, and hardness, so that the effect can be obtained regardless of the manufacturing method.
  • rail steel having the above-mentioned composition is melted in a commonly used melting furnace such as a converter or an electric furnace, and the molten steel is produced by an ingot / slab method or a continuous casting method.
  • a commonly used melting furnace such as a converter or an electric furnace
  • the molten steel is produced by an ingot / slab method or a continuous casting method.
  • it in order to control the cross-sectional hardness of the rail column portion by hot rolling, it can be obtained by performing controlled cooling on the surface of the rail column portion.
  • the rail manufacturing method according to the present embodiment molten steel after component adjustment is cast into bloom, the bloom is heated to 1250 to 1300 ° C., and hot-rolled to form a rail shape. Then, the rail according to the present embodiment can be obtained by controllingly cooling the surface of the rail column after rolling, or by controllingly cooling the surface of the rail column after hot rolling and allowing to cool and then reheating.
  • hot rolling conditions in order to adjust the cross-sectional hardness of the column portion, hot rolling conditions, controlled cooling conditions after hot rolling, reheating conditions after hot rolling, and controlled cooling conditions after reheating are manufactured.
  • the conditions may be controlled.
  • the manufacturing temperature conditions described below should all be applied to the surface of the rail column (the outer surface of the rail column). Even if these manufacturing temperature conditions are applied to the surface of the rail head, it is considered that the thermal history of the surface of the rail column is not preferably controlled. Since the rail head and the rail column have different thicknesses, for example, the degree of reheat during cooling is different. Therefore, the heat history of the surface of the rail head and the rail column is inevitably different.
  • the final rolling temperature of the column is set to 750 to 1000 ° C (the temperature of the outer surface of the rail column). It is possible to secure the minimum value of the cross-sectional hardness of.
  • the hot rolling method for example, a steel piece is roughly rolled with reference to the method described in Patent Document 6 and the like. After that, it is desirable to perform intermediate rolling by a reverse rolling mill over a plurality of passes, and then perform finish rolling by a continuous rolling mill in two or more passes.
  • the reheating conditions are set to, for example, a reheating temperature of the rail column portion of 800 to 1100 ° C. (the outer surface of the rail column portion). By reheating, it is possible to secure the minimum value of the cross-sectional hardness of the rail column portion.
  • the controlled cooling means for the rail column is not particularly limited. In order to impart fatigue damage resistance and control the cross-sectional hardness, air injection cooling, mist cooling, mixed injection cooling of water and air, or a combination of these is used to perform controlled cooling of the rail column during heat treatment. Just do it.
  • the cooling rate and the cooling temperature range in the controlled cooling are controlled based on the temperature of the outer surface of the rail column as described above.
  • Control cooling is performed for the purpose of making the cross-sectional hardness of the rail column uniform.
  • a segregation zone exists in the column portion, and non-uniformity of hardness is likely to occur. Therefore, in the controlled cooling, in order to suppress the increase in the hardness of the segregation zone, after the acceleration cooling of the first stage, the acceleration cooling is temporarily stopped, and the temperature rise due to the internal double heat and a small amount of acceleration cooling are used. The temperature is maintained and the increase in hardness of the segregated portion is suppressed.
  • the refrigerant is sprayed so that the temperature rise on the outer surface of the column due to reheating and the temperature decrease on the outer surface of the column due to the spraying of the refrigerant are balanced so that the temperature on the outer surface of the column becomes substantially constant.
  • the preferred cooling condition range is as shown below.
  • the average cooling rate of accelerated cooling is the average cooling rate during refrigerant spraying, that is, the value obtained by dividing the difference between the refrigerant spraying start temperature and the refrigerant spraying end temperature by the refrigerant spraying time.
  • Controlled cooling of the columns was carried out by injecting a refrigerant such as air or cooling water onto the surface of the rail columns, the surface of the head, or both. Further, as described above, the temperature holding can be controlled by repeating minute acceleration cooling according to the amount of temperature rise due to the generation of reheat.
  • the part to be controlled and cooled is the rail column, but when the rail is erected (head up) and cooled, the refrigerant flows to the rail column surface by injecting the refrigerant onto the rail head surface for cooling. Therefore, it is not always necessary to directly cool the surface of the rail column portion as described above. However, it goes without saying that the temperature of the outer surface of the column is controlled even when the refrigerant is injected onto the surface of the rail head.
  • the rail head and rail foot materials are not particularly limited. It is desirable to have a structure in which strength (hardness) can be easily obtained even with a low amount of alloying elements, and wear resistance and fatigue damage resistance are ensured.
  • a pearlite structure having a hardness of Hv340 or higher is desirable in order to ensure wear resistance.
  • a metal structure having a hardness of Hv300 or more is desirable in order to ensure fatigue damage resistance. Since it is not necessary to ensure wear resistance, the foot portion may be not limited to a pearlite structure but may be a metal structure such as bainite having an excellent balance of strength and ductility.
  • the hardness of the rail head in order to secure the hardness of the rail head, it is desirable to perform heat treatment after rolling or reheating.
  • the hardness of the rail head can be ensured by performing accelerated cooling by the method described in Patent Document 1, Patent Document 7, and the like. It is desirable to perform acceleration cooling similar to the rail head in order to secure the hardness of the rail foot, balance it with the head during heat treatment, and suppress bending.
  • Table 1 shows the chemical composition (steel composition) of the rail which is an example of the present invention.
  • the balance of the chemical components is iron and impurities, and the content of the element not intentionally added is described as "-”.
  • Table 3 shows the pearlite fraction (area%) of the cross-section of the column, the minimum value of the cross-sectional hardness of the column (Hv), and the difference between the maximum and minimum values of the cross-sectional hardness of the column (Hv). .. Further, Table 3 also shows the results of the fatigue test conducted by the method shown in FIG.
  • the area ratio of the pearlite structure in the cross section of the rail column is 90%, and a trace amount of proeutectoid ferrite structure, proeutectoid cementite structure, and bainite structure with an area ratio of 10%.
  • it also includes those containing one or more types of martensite tissue.
  • Table 2 shows the chemical composition of the rail as a comparative example.
  • the balance of the chemical components is iron and impurities, and the content of the element not intentionally added is described as "-".
  • Table 4 shows the pearlite fraction (area%) of the cross-section of the column, the minimum value of the cross-sectional hardness of the column (Hv), and the difference between the maximum and minimum values of the cross-sectional hardness of the column (Hv). .. Further, Table 4 also shows the results of the fatigue test conducted by the method shown in FIG.
  • the area ratio of the pearlite structure in the cross section of the rail column is 86%, and the area ratio is 14%, which is a trace amount of proeutectoid ferrite structure, proeutectoid cementite structure, and bainite structure.
  • it also includes those containing one or more types of martensite tissue.
  • Rails of the present invention (37 rails)
  • Examples 1 to 37 Rails in which the chemical composition value, the pearlite fraction of the cross section of the column, the minimum value of the cross section hardness of the column, and the difference between the maximum value and the minimum value of the cross section hardness of the column are within the scope of the present invention.
  • Inventive Examples 1 to 18 and 23 to 37 are rails manufactured under basic conditions (direct control cooling is performed after rolling), and Invention Examples 19 to 22 are rails manufactured under reheating conditions.
  • Comparative Examples A to C (3) Any of the pearlite fraction of the cross section of the column, the minimum value of the cross section hardness of the column, and the difference between the maximum value and the minimum value of the cross section hardness of the column are outside the scope of the present invention.
  • Rail Here, the comparative example rail A had an average cooling rate of 0.2 ° C./sec in the first stage accelerated cooling, but other than that, the same manufacturing conditions as the rail of the present invention were used.
  • the final rolling temperature of the comparative example rail B was 700 ° C., but other than that, the same manufacturing conditions as those of the rail of the present invention were used.
  • the temperature holding time of the comparative example rail C was 10 seconds, but other than that, the same manufacturing conditions as those of the rail of the present invention were used. Further, all of the rails A to C of Comparative Examples were directly subjected to controlled cooling after rolling. Comparative Examples D to K (8 rails): Rails in which the content of any of C, Si, Mn, P, and S is outside the scope of the present invention. Comparative Examples All of the rails D to K were directly subjected to controlled cooling after rolling.
  • the method of observing the structure of the cross section of the rail column is as follows. [Method of observing the cross section of the rail column] ⁇ Observation method Equipment: Optical microscope Observation test piece collection: A sample is cut out from the cross section (see FIG. 5) within a range of ⁇ 15 mm in the vertical direction of the rail from the intermediate line between the bottom of the rail and the top of the rail. Pretreatment: The cross section is polished with diamond abrasive grains with an average particle size of 1 ⁇ m, and nightal etching is performed. Observation magnification: 200 times ⁇ Observation position position: 1.0 mm from the outer surface of the rail column and the center of the thickness of the column.
  • Quantification of tissue Number of observations: More than 5 visual fields each at the position 1.0 mm from the outer surface of the rail column and the position of the center of the thickness of the column. Quantification: The average value of the area ratio of pearlite (total of 10 fields of view or more) at the position 1.0 mm from the outer surface of the rail column (4 fields of view or more) and the position of the center of thickness of the column (5 fields of view or more). Is the area ratio of pearlite contained in the metal structure of the cross section of the rail column portion.
  • the method and conditions for measuring the hardness of the cross section of the rail column are as follows. [Measuring method of cross-sectional hardness of rail column, measurement conditions and method of organizing hardness] ⁇ Measuring device and method Equipment: Vickers hardness tester (load 98N) Measurement test piece collection: A sample is cut out from the cross section of the rail column. Pretreatment: The cross section is polished with diamond abrasive grains with an average particle size of 1 ⁇ m. Measurement method: Measured according to JIS Z 2244: 2009. ⁇ Measurement position A cross section within a range of ⁇ 15 mm in the vertical direction of the rail from the middle line between the bottom of the rail and the top of the rail (see Fig. 1).
  • indentation is continuously performed in the thickness direction of the column at a pitch of 1.0 mm, and the hardness is measured. Hardness measurement is performed on at least 5 lines. In addition, in order to eliminate the mutual influence of indentations, a distance of 1.0 mm or more is provided between each measurement line.
  • ⁇ Method of organizing hardness The minimum and maximum values of measured hardness shall be the minimum and maximum values of cross-sectional hardness of the rail column.
  • the rail fatigue test conditions are as follows. [Rail fatigue test (see Fig. 2)] Test method: 3-point bending of the actual rail (span length: 650 mm). Load conditions: Variable in the range of 2 to 20 tons. Frequency of load fluctuation: 5Hz. Test posture: An eccentric load was applied to the rail head. The position where the load was applied was set to a position deviated from the center of the rail head in the width direction of the rail by 1/3 of the width of the rail head (see FIG. 2). (Tensile stress is applied to the rail column to reproduce the curved track). Stress measurement: Measured with a strain gauge attached to the rail column. Number of repeated load fluctuations: Up to 3 million times (no cracks) or up to cracks.
  • Crack judgment The test is stopped regularly, and the presence or absence of cracks on the surface of the rail column is confirmed by detecting magnetic particles on the surface of the rail column.
  • Pass judgment A rail that repeats load fluctuations up to crack occurrence is 2 million times or more, or that does not generate cracks until the end of the test (load fluctuation 3 million times) is judged to be a rail with excellent fatigue breakage resistance.
  • test results are organized as follows. ⁇ Passed material evaluation S: No cracks occurred up to 3 million times at the end of the test. Evaluation A: The number of cracks generated is 2.5 million or more and less than 3 million. Evaluation B: The number of cracks generated is 2.3 million or more and less than 2.5 million. Evaluation C: The number of cracks generated is 2 million or more and less than 2.3 million. ⁇ Rejected material evaluation X: The number of cracks is less than 2 million.
  • the evaluation results of the invention examples are shown in Table 3, and the evaluation results of the comparative examples are shown in Table 4.
  • the rails of the present invention were evaluated as rails having excellent fatigue breakage resistance capable of suppressing the occurrence of fatigue damage from the pillars.
  • the rails of the present invention (Invention Examples 1 to 12) have a content of C, Si, Mn, P, and S of steel within a limited range as compared with the comparative rails (Comparative Examples D to K).
  • the comparative rails Comparative Examples D to K.
  • the fatigue strength of the rail column is improved.
  • the fatigue damage resistance of the rail is improved.
  • the rails of the present invention have a pearlite content in the cross section of the columns by appropriately controlling the rolling conditions and the heat treatment conditions of the rail columns as compared with the comparative rails (Comparative Examples A to C).
  • the rate By controlling the rate, the minimum value of the cross-sectional hardness of the column, and the difference between the maximum and minimum values of the cross-sectional hardness of the column, the fatigue strength of the rail column is improved and the fatigue damage resistance of the rail is improved. are doing.
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the cross-sectional hardness of the column portion is further increased by more appropriately controlling the control cooling conditions of the rail column portion. Reduce. As a result, the fatigue strength of the rail column portion is improved, and the fatigue damage resistance of the rail is further improved.
  • Comparative Examples Rails A to K the chemical composition, the metal structure of the cross section of the rail column, the minimum value of the cross section hardness of the rail column, and the maximum and minimum values of the cross section hardness of the rail column are included. Any one or more of the differences became inappropriate, and the fatigue damage property was impaired.
  • the composition of the rail steel as the material of the rail is controlled, the metal structure of the rail column portion, the minimum value of the hardness of the rail column portion, and the maximum value of the hardness in the cross section thereof.
  • Rail pillar part 2 Rail head part 3: Rail foot part

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Abstract

このレールは、所定の化学成分を有し、レール柱部の断面の金属組織の９０面積％以上がパーライト組織であり、レール柱部の断面の硬さの最小値がＨｖ３００以上であり、レール柱部の断面の硬さの最大値と最小値の差がＨｖ４０以下である。

Description

レール
　本発明は、貨物鉄道で使用される、耐損傷性に優れるレールに関する。
　本願は、２０１９年３月１５日に、日本に出願された特願２０１９－０４８８０９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　経済発展に伴い、石炭などの天然資源の新たな開発が進められている。具体的にはこれまで未開であった自然環境の厳しい地域での採掘が進められている。これに伴い、資源を輸送する貨物鉄道では軌道環境が著しく厳しくなっている。そのため、レールに対しては、これまで以上の耐摩耗性が求められるようになってきた。このような背景から、耐摩耗性を向上させたレールの開発が求められるようになってきた。
　また、近年、鉄道輸送のさらなる過密化が進み、レール柱部から疲労損傷が発生する可能性が指摘されている。そのため、レール使用寿命の更なる向上のため、レールには、頭部の耐摩耗性に加えて柱部の耐疲労損傷性の向上が求められるようになってきた。このような要求は、特に曲線区間で用いられるレールに対して顕著である。曲線区間では、カーブ外側に向かう応力がレール頭部にかかることにより、レール柱部に曲げ応力が負荷されるので、柱部を起点とした疲労損傷が生じやすい、ということが近年の調査で明らかになったからである。
　レール鋼の耐摩耗性を改善するため、例えば、特許文献１、２に示すような高強度レールが開発されている。これらのレールの主な特徴は、耐摩耗性を向上させるため、熱処理によりレール頭部のパーライトラメラ間隔を微細化し、鋼の硬さを増加させること、または、鋼の炭素量を増加し、レール頭部のパーライトラメラ中のセメンタイト相の体積比率を増加させていることにある。
　特許文献１には、圧延終了後あるいは、再加熱したレール頭部をオーステナイト域の温度から８５０～５００℃までの間を１～４℃／秒の冷却速度で加速冷却することによって、耐摩耗性に優れたレールが得られることが開示されている。
　また、特許文献２には、過共析鋼（Ｃ：０．８５超～１．２０％）を用いて、レール頭部のパーライト組織中のラメラ中のセメンタイト体積比率を増加させることによって、耐摩耗性に優れたレールが得られることが開示されている。
　特許文献１、２の開示技術では、レール頭部のパーライト組織中のラメラ間隔の微細化による高硬度化、パーライト組織ラメラ中のセメンタイト相の体積比率を増加させることにより、レール頭部の耐摩耗性の向上が図れ、一定の使用寿命の向上が図られている。しかしながら、特許文献１、２に開示されたレールでは、レール柱部の疲労損傷を防止する耐疲労損傷性について何ら検討されていない。
　また、例えば、特許文献３には、レール柱部の初析セメンタイト組織の生成量を制御することによって、レール柱部の靭性を向上させたレールが得られることが開示されている。
　特許文献３の開示技術では、パーライト組織中のセメンタイト組織の生成量を制御することにより、レール柱部の靭性が向上し、レール折損が抑制され、一定の使用寿命の向上が図られている。しかしながら、特許文献３に開示されたレールでは、レール柱部の疲労損傷を防止する耐疲労損傷性について何ら検討されていない。
　また、例えば、特許文献４には、溶接直後のレール溶接継手部を冷却することにより、残留応力を低減することによって、レール柱部の疲労特性を向上させたレールが得られることが開示されている。
　特許文献４の開示技術では、レール溶接継手部の残留応力を制御することによって、レール柱部の疲労特性が向上し、レール折損が抑制され、一定の使用寿命の向上が図られている。しかしながら、特許文献４に開示されたレールでは、レール溶接継ぎ手が対象であり、レール母材の疲労損傷の防止について何ら検討されていない。また、特許文献４の開示技術は、残留応力を制御するものであり、レール柱部の材質及び硬さと疲労特性との関係については特許文献４においてなんら検討されていない。
　また、特許文献５の開示技術では、レールの熱処理方法において、靭性を確保するためにレール柱部の硬度が規定されている。しかしながら、特許文献５に開示されたレールでは、レール柱部の疲労損傷の防止について何ら検討されていない。また、特許文献５では柱部の硬さの平均値の範囲を示しているのみであり、レール柱部の疲労損傷の抑制に影響のある硬さ分布については、なんら検討されていない。
日本国特公昭６３－０２３２４４号公報 日本国特開平８－１４４０１６号公報 日本国特開２００４－４３８６３号公報 日本国特許第４８１９１８３号公報 日本国特開平８－１７０１２０号公報 日本国特開２００２－２２６９１５号公報 日本国特開平８－２４６１００号公報
　本発明は上記の課題に鑑みてなされた。本発明は、貨物鉄道のレールに要求される、柱部からの疲労損傷の発生を抑制できる、耐疲労折損性に優れるレールを提供することを課題とする。特に本発明は、疲労折損が生じやすい曲線軌道に適用されても疲労損傷の発生を抑制可能なレールを提供することを課題とする。
　本発明の要旨は以下の通りである。
（１）本発明の一態様に係るレールは、質量％で、Ｃ：０．７５～１．２０％、Ｓｉ：０．１０～２．００％、Ｍｎ：０．１０～２．００％、Ｃｒ：０～２．００％、Ｍｏ：０～０．５０％、Ｃｏ：０～１．００％、Ｂ：０～０．００５０％、Ｃｕ：０～１．００％、Ｎｉ：０～１．００％、Ｖ：０～０．５０％、Ｎｂ：０～０．０５０％、Ｔｉ：０～０．０５００％、Ｍｇ：０～０．０２００％、Ｃａ：０～０．０２００％、ＲＥＭ：０～０．０５００％、Ｚｒ：０～０．０２００％、Ｎ：０～０．０２００％、Ａｌ：０～１．００％、Ｐ：０．０２５０％以下、Ｓ：０．０２５０％以下、を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼成分を有し、レール柱部の断面の金属組織の９０面積％以上がパーライト組織であり、前記レール柱部の前記断面の硬さの最小値がＨｖ３００以上であり、前記レール柱部の前記断面の硬さの最大値と前記最小値の差がＨｖ４０以下である。
（２）上記（１）に記載のレールでは、前記レール柱部の前記断面の硬さの前記最大値と前記最小値の差がＨｖ２０以下であってもよい。
（３）上記（１）～（２）のいずれかに記載のレールでは、前記鋼成分が、質量％で、Ｃｒ：０．０１～２．００％、Ｍｏ：０．０１～０．５０％、Ｃｏ：０．０１～１．００％、Ｂ：０．０００１～０．００５０％、Ｃｕ：０．０１～１．００％、Ｎｉ：０．０１～１．００％、Ｖ：０．００５～０．５０％、Ｎｂ：０．００１０～０．０５０％、Ｔｉ：０．００３０～０．０５００％、Ｍｇ：０．０００５～０．０２００％、Ｃａ：０．０００５～０．０２００％、ＲＥＭ：０．０００５～０．０５００％、Ｚｒ：０．０００１～０．０２００％、Ｎ：０．００６０～０．０２００％、Ａｌ：０．０１００～１．００％、からなる群から選択される１種または２種以上を含有してもよい。
　本発明の上記態様によれば、貨物鉄道の曲線区間に適用されるレールの柱部に要求される耐疲労損傷性に優れるレールを提供できる。
レール柱部の断面の硬さの測定位置を示す図である。 レールの疲労試験の概要を示す図である。 レール柱部の断面の硬さの最大値と最小値との差と、レールの疲労試験におけるき裂発生時の繰り返し回数との間の関係を示すグラフである。 本実施形態に係るレールの断面の模式図である。 柱部のパーライト組織の必要範囲である。
　以下に本発明の一実施形態に係る、柱部の耐疲労損傷性に優れたレール（本実施形態に係るレールと言う場合がある）につき、詳細に説明する。以下、組成における％は、質量％である。
　まず、本発明者らは、現行の貨物鉄道においてレール柱部から疲労損傷が発生する原因をさらに詳細に調査した。疲労損傷が発生したパーライト組織のレールを詳細に調査した結果、柱部の断面硬さとレールの疲労損傷との間には相関があることが判明した。レール柱部の断面において、硬さがＨｖ３００未満である領域が存在するレールでは、レール柱部から疲労損傷が発生していることが確認された。
　さらに、本発明者らは、疲労損傷が発生したレールをさらに詳細に調査した。その結果、使用環境が過酷な曲線区間では、レール柱部の断面において硬さがＨｖ３００未満である領域が存在しないレールでも、柱部から疲労損傷が発生する事例があることを確認した。
　そこで、本発明者らは、レール柱部の断面において硬さがＨｖ３００未満になる領域が存在しないレールであっても柱部から疲労損傷が発生する原因を、実レールの試作評価により詳細に調査した。
　ここで本発明者らは、試作評価において、曲線区間を模擬するような疲労損傷試験を行うこととした。なぜなら、曲線区間では、柱部に曲げ応力がかかりやすいという特有の事情があるためである。図４に示されるように、レールはレール柱部１、レール頭部２、及びレール足部３を有する。レール柱部１は、車輪と接触しないので、従来技術において必ずしも重要視されていなかった。しかし曲線区間では、列車通過の際に、曲線区間の外側に向かう応力がレール頭部２に負荷されることにより、レール柱部１に曲げ応力が負荷される。この曲げ応力が繰り返し生じることにより、曲線区間でレール柱部１が疲労損傷しやすいのではないかと本発明者らは推定し、疲労損傷試験も上述の曲げ応力を再現するように実施すべきであると考えた。試作評価の手段の詳細を以下に示す。
　下記の鋼成分を有する鋼材（過共析鋼）に、様々な条件のレール圧延及び熱処理を行い、様々なレール柱部断面硬さを有するレールを試作し、これらの耐疲労損傷性を評価した。そして、レール柱部の断面硬さと、耐疲労損傷性との間の関係を調査した。レール圧延条件、熱処理条件、及び疲労試験条件は下記に示すとおりである。なお、レール柱部の断面硬さを変化させるため、柱部には制御冷却を実施した。
［実レール圧延、熱処理条件］
●鋼成分
　０．９０％Ｃ－０．５０％Ｓｉ－０．７０％Ｍｎ－０．０１５０％Ｐ－０．０１２０％Ｓ（残部Ｆｅ及び不純物）
●レール形状
　１４１ポンド（重さ：７０ｋｇ／ｍ）。
●圧延・熱処理条件
　最終圧延温度（柱部外郭表面）：９００℃。
　熱処理条件：圧延→加速冷却
　制御冷却条件（柱部外郭表面）：８００℃から５００℃までの温度範囲を、平均冷却速度０．５～５℃／ｓｅｃで加速冷却、または、８００℃から５８０～６８０℃まで加速冷却した。その後、復熱発生による昇熱および温度保持を経た後に、再度、加速冷却を実施した。
　なお、加速冷却は空気、冷却水などの冷媒をレール頭部表面、柱部表面のいずれか、または両方に噴射することにより実施した。また、復熱発生による昇熱および温度保持は、昇温量に応じて微小な加速冷却を繰り返すことにより制御した。
［レール柱部の断面硬さの測定方法、測定条件および硬さの整理方法］
●測定装置および方法
　装置：ビッカース硬度計（荷重９８Ｎ）
　測定用試験片採取：レール柱部の横断面からサンプルを切り出し。
　事前処理：横断面を平均粒径１μｍのダイヤモンド砥粒で研磨。
　測定方法：ＪＩＳ　Ｚ　２２４４：２００９に準じて測定。
●測定位置
　レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲の横断面（図１参照）。
　柱部外郭表面から深さ１．０ｍｍの位置を起点として、１．０ｍｍピッチで、柱部の厚さ方向に連続して圧痕づけを行うことにより、硬さの分布を測定した。硬さ測定は少なくとも５ラインで行った。
　なお、圧痕の相互影響を排除するために、各測定ラインの間には１．０ｍｍ以上の間隔を設けた。
●硬さの整理方法
　測定された硬さの最小値及び最大値を、それぞれ、当該レール柱部の断面硬さの最小値及び最大値とした。
［試験レールの硬度特性］
●レール柱部の断面硬さの最小値の範囲：Ｈｖ３００～５００
●レール柱部の断面硬さの最小値と最大値との差：Ｈｖ１０～８０
［レール柱部の疲労試験方法および試験条件］
●レールの疲労試験
　試験方法：実物レールの３点曲げ（スパン長：６５０ｍｍ、図２参照）。
　荷重条件：２～２０トンの範囲で変動させた。
　荷重負荷の変動の周波数：５Ｈｚ。
　試験姿勢：レール頭部に偏芯荷重を負荷した。荷重を負荷する位置は、レール頭部の幅の１／３だけ、レール頭部の中心からレールの幅方向にずれた位置とした（図２参照）。
　応力測定：レール柱部に貼り付けた歪ゲージにより測定。
　荷重変動の繰り返し数：最大３００万回（き裂発生なし）、またはき裂発生まで。
　き裂判定：定期的に試験を停止し、レール柱部の表面を磁粉探傷することにより、レール柱部表面のき裂有無を確認。
　合格判定：き裂発生までの荷重変動の繰り返し数が２００万回以上、または、試験終了（荷重変動３００万回）までき裂発生なしのレールを、耐疲労折損性に優れるレールと判断。
　図２に示されるように、一定周期で変動する偏芯荷重をレールに加えた場合、レール柱部に曲げ応力が一定周期で負荷される。これにより、曲線区間を通過する列車の遠心力によってレール柱部に負荷される曲げ応力（レール柱部の、カーブの外側に当たる側に負荷される上下方向の引張応力）を、模擬することができる。
　荷重変動の繰り返し数が２００万回に達する前にき裂発生したレールの柱部を詳細に調査した結果、き裂は、断面硬さの不均一が著しい（即ち、断面の硬さの最大値と最小値との差が大きい）レールで発生していることを確認した。この結果から、き裂の発生は、断面硬さの著しい不均一により、柱部の断面内において局所的に歪が集中することに起因する旨を本発明者らは知見した。
　図３に、レールの疲労試験結果を示す。図３は、レール柱部の断面硬さの最大値及び最小値の差と、疲労試験におけるき裂発生までの荷重変動の繰り返し回数との間の関係を示す。図３の結果から分かるように、断面硬さの最大値と最小値の差と、疲労試験におけるき裂発生まで荷重変動の繰り返し回数との間には相関があり、断面硬さの最大値と最小値の差が小さくなると、き裂発生までの荷重変動の繰り返し回数が増加する傾向を示す。特に、断面硬さの最大値と最小値との差がＨｖ４０以下になると、荷重変動の繰り返し数が２００万回までき裂が発生せず、柱部の耐損傷性が大きく向上することを本発明者らは確認した。
　さらに、柱部の断面硬さの最大値と最小値との差がＨｖ２０以下になると、き裂発生までの荷重変動の繰り返し数がさらに伸び、３００万回までき裂発生せず、柱部の耐損傷性がさらに向上することを本発明者らは確認した。
　材料の疲労破壊を防止するためには、材料の高硬度化（硬質化）が有効であると言われている。しかしながら、本発明者らは、レール柱部の高硬度化に加えて、レール柱部に生成する疲労損傷を抑制するためには、レール柱部の断面内の硬さの最大値と最小値との差を抑制し、レール柱部の断面内における歪の集中を抑制する必要があることを、新たに知見した。
　図４は、本実施形態に係るレール断面の模式図である。図４を参照し、本実施形態に係るレールの柱部（レール柱部１）について再度説明する。
　レールの長さ方向の垂直断面で見た場合、レールの高さ方向中央にレールの幅が括れた部分がある。この括れた部分をレール柱部１という。この括れ部の幅よりも大きな幅を有する部分であって、括れ部より下側に位置する部分をレール足部３といい、括れ部より上側に位置する部分をレール頭部２という。レール柱部１は、レール頭部２とレール足部３との間に挟まれた領域である。
（１）レール鋼の化学成分（鋼成分）の限定理由
　本実施形態に係るレールにおいて、鋼の化学成分（鋼成分）を限定する理由について詳細に説明する。
　Ｃ：０．７５～１．２０％
　Ｃは、パーライト変態を促進させて、かつ、耐疲労性の向上に寄与する元素である。しかしながら、Ｃ量が０．７５％未満であると、レールに要求される最低限の強度や耐疲労損傷性を確保できない。さらに、Ｃ量が０．７５％未満であると、レール柱部に軟質な初析フェライト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下する。一方、Ｃ量が１．２０％を超えると、レール柱部に硬い初析セメンタイト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下する。したがって、パーライト組織の生成を促し、耐疲労損傷性を確保するため、Ｃ量を０．７５～１．２０％とする。パーライト組織の生成を更に安定化し、耐疲労損傷性をより向上させるには、Ｃ量を０．８０％以上、０．８５％以上、又は０．９０％以上とすることが望ましい。また、同じ理由で、Ｃ量を１．１５％以下、１．１０％以下、又は１．０５％以下とすることが望ましい。
　Ｓｉ：０．１０～２．００％
　Ｓｉは、パーライト組織中のフェライト相に固溶し、レール柱部の断面硬さ（強度）を上昇させ、耐疲労損傷性を向上させる元素である。さらに、Ｓｉは初析セメンタイト組織の生成を抑制し、レール柱部の断面内の硬度差を抑制し、耐疲労損傷性を向上させる元素でもある。しかしながら、Ｓｉ量が０．１０％未満では、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｓｉ量が２．００％を超えると、熱間圧延時に表面疵が多く生成する。さらに、Ｓｉ量が２．００％を超えると、焼入性が著しく増加し、レール柱部に硬いマルテンサイト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下する。したがって、パーライト組織の生成を促し、耐疲労損傷性や靭性を確保するため、Ｓｉ量を０．１０～２．００％とする。パーライト組織の生成を更に安定化し、耐疲労損傷性や靭性をより向上させるには、Ｓｉ量を０．１５％以上、０．２０％以上、又は０．４０％以上とすることが望ましい。同じ理由で、Ｓｉ量を１．８０％以下、１．５０％以下、又は１．３０％以下とすることが望ましい。
　Ｍｎ：０．１０～２．００％
　Ｍｎは、焼き入れ性を高め、軟質な初析フェライト組織の生成を抑制し、パーライト変態を安定化させると同時に、パーライト組織のラメラ間隔を微細化し、パーライト組織の硬度を確保することによって、耐疲労損傷性を向上させる元素である。しかしながら、Ｍｎ量が０．１０％未満では、その効果が小さく、レール柱部に軟質な初析フェライト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下する。一方、Ｍｎ量が２．００％を超えると、焼入性が著しく増加し、レール柱部に硬いマルテンサイト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下する。したがって、パーライト組織の生成を促し、耐疲労損傷性や靭性を確保するため、Ｍｎ量を０．１０～２．００％とする。パーライト組織の生成を安定化し、耐疲労損傷性や靭性をより向上させるには、Ｍｎ量を０．２０％以上、０．３０％以上、又は０．４０％以上とすることが望ましい。同じ理由で、Ｍｎ量を１．８０％以下、１．５０％以下、又は１．２０％以下とすることが望ましい。
　Ｐ：０．０２５０％以下
　Ｐは、鋼中に含有される不純物元素である。転炉での精錬を行うことにより、その含有量を制御することが可能である。Ｐ量は少ない方が好ましいが、特にＰ量が０．０２５０％を超えると、レール柱部の偏析帯のＰの濃化が助長され、偏析部の硬さが増加し、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下する。このため、Ｐ量を０．０２５０％以下に限定する。なお、レール柱部の耐疲労損傷性を安定的に確保するには、Ｐ量は０．０２００％以下、０．０１８０％以下、又は０．０１５０％以下とすることが望ましい。Ｐは発明の課題の解決に貢献しないので、Ｐ量の下限を限定する必要はなく、例えば０％としてもよい。ただし、精錬工程での脱燐能力を考慮すると、Ｐ量の下限を０．００５０％程度とすることは経済上有利である。
　Ｓ：０．０２５０％以下
　Ｓは、鋼中に含有される不純物元素である。溶銑鍋での脱硫を行うことにより、その含有量を制御することが可能である。Ｓ量は少ない方が好ましいが、特にＳ量が０．０２５０％を超えると、ＭｎＳ系硫化物の生成を助長し、鋼中のＭｎ濃度を低下させる。その結果、負偏析部が生成し、負偏析部の硬さが低下し、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下する。このため、Ｓ量を０．０２５０％以下に限定した。なお、レール柱部の耐疲労損傷性を一層安定的に確保するには、Ｓ量は０．０２００％以下、０．０１８０％以下、又は０．０１５０％以下とすることが望ましい。Ｓは発明の課題の解決に貢献しないので、Ｓ量の下限を限定する必要はなく、例えば０％としてもよい。ただし、精錬工程での脱硫能力を考慮すると、Ｓ量の下限を０．００３０％程度とすることは経済上有利である。
　本実施形態に係るレールは、上記の化学成分を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなることを基本とする。しかしながら、残部のＦｅの一部に代えて、必要に応じてさらに、パーライト組織の硬さ（強度）の増加による耐疲労損傷性の向上、特に、レール柱部の断面硬度分布の制御を図る目的で、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｂ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｚｒ、Ｎ、Ａｌからなる群から選択される１種または２種以上を、後述する範囲で含有させてもよい。具体的には、Ｃｒ、Ｍｏは、ラメラ間隔を微細化し、パーライト組織の硬さを向上させる。Ｃｏは、ラメラ組織を微細化し、パーライト組織の硬度を高める。Ｂは、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させ、レール柱部の断面内の硬度分布を均一にする。Ｃｕは、パーライト組織中のフェライトに固溶し、パーライト組織の硬さを高める。Ｎｉは、パーライト組織中のフェライトに固溶し、パーライト組織の硬さを向上させる。Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉは、熱間圧延やその後の冷却過程で生成した炭化物や窒化物の析出硬化により、パーライト組織の硬さを高める。Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭは、ＭｎＳ系硫化物を微細分散し、パーライト変態を促進する。Ｚｒは、凝固組織の等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、初析フェライト組織や初析セメンタイト組織の生成を抑制し、パーライト変態を促進する。Ｎは、オーステナイト粒界に偏析することによりパーライト変態を促進させる。Ａｌは、共析変態温度を高温側へ移動させ、パーライト組織の硬さを向上させる。そのため、上記の効果を得るため、これらの元素を後述する範囲で含有させてもよい。なお、これらの元素は後述する範囲以下で含有されていても、本実施形態に係るレールの特性を損なうものではない。また、これらの元素は必ずしも含有させる必要がないので、その下限は０％である。
　Ｃｒ：０～２．００％
　Ｃｒは、平衡変態温度を上昇させ、過冷度を増加させることにより、パーライト組織のラメラ間隔を微細化し、パーライト組織の硬度（強度）を向上させる。また、Ｃｒは、焼き入れ性を高め、軟質な初析フェライト組織の生成を抑制し、パーライト変態を安定化させることによって、耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｃｒ量を０．０１％以上、０．０２％以上、又は０．１０％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｒ量が２．００％を超えると、焼入れ性が著しく増加し、レール柱部に硬いマルテンサイト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｃｒ量を２．００％以下、１．８０％以下、又は１．５０％以下とすることが好ましい。
　Ｍｏ：０～０．５０％
　Ｍｏは、Ｃｒと同様に平衡変態温度を上昇させ、過冷度を増加させることにより、パーライト組織のラメラ間隔を微細化し、パーライト組織の硬度（強度）を向上させる。特に、Ｍｏは、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｍｏ量を０．０１％以上、０．０２％以上、又は０．１０％以上とすることが好ましい。一方、Ｍｏ量が０．５０％を超えると、変態速度が著しく低下し、レール柱部に硬いマルテンサイト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｍｏ量を０．５０％以下、０．４０％以下、又は０．３０％以下とすることが好ましい。
　Ｃｏ：０～１．００％
　Ｃｏは、パーライト組織のラメラ組織を微細化し、パーライト組織の硬度（強度）を向上させる。特に、Ｃｏは、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｃｏ量を０．０１％以上、０．０２％以上、又は０．１０％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｏ量が１．００％を超えると、上記の効果が飽和する上、合金添加コストの増大により経済性が低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｃｏ量を１．００％以下、０．８０％以下、又は０．５０％以下とすることが好ましい。
　Ｂ：０～０．００５０％
　Ｂは、オーステナイト粒界に鉄炭ほう化物（Ｆｅ２３（ＣＢ）６）を形成し、パーライト変態を促進することにより、パーライト変態温度の冷却速度依存性を低減させる元素である。パーライト変態温度の冷却速度依存性が低減されると、レール柱部の断面内の硬度分布が均一となり、耐疲労損傷性が向上する。この効果を得るためには、Ｂ量を０．０００１％以上、０．０００５%以上、又は０．００１０％以上とすることが好ましい。一方、Ｂ量が０．００５０％を超えると、粗大な鉄炭ほう化物が生成し、応力集中によりレール柱部に疲労損傷が発生しやすくなるおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｂ量を０．００５０％以下、０．００４０％以下、又は０．００３０％以下とすることが好ましい。
　Ｃｕ：０～１．００％
　Ｃｕは、パーライト組織のフェライト相に固溶し、固溶強化により硬度（強度）を向上させる。特に、Ｃｕは、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｃｕ量を０．０１％以上、０．０２％以上、又は０．１０％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｕ量が１．００％を超えると、著しい焼入れ性向上により、レール柱部に硬いマルテンサイト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｃｕ量を１．００％以下、０．８０％以下、又は０．５０％以下とすることが好ましい。
　Ｎｉ：０～１．００％
　Ｎｉは、パーライト組織の靭性を向上させると同時に、固溶強化により硬度（強度）を向上させる。特に、Ｎｉは、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｎｉ量を０．０１％以上、０．０２％以上、又は０．１０％以上とすることが好ましい。一方、Ｎｉ量が１．００％を超えると、著しい焼入れ性向上により、レール柱部に硬いマルテンサイト組織が生成し易くなり、レール柱部の断面内の硬度差が大きくなり、耐疲労損傷性が低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｎｉ量を１．００％以下、０．８０％以下、又は０．５０％以下とすることが好ましい。
　Ｖ：０～０．５０％
　Ｖは、熱間圧延後の冷却過程で生成するＶ炭化物及びＶ窒化物による析出硬化により、パーライト組織の硬度（強度）を高める。特に、Ｖは、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｖ量を０．００５％以上、０．０１０％以上、又は０．０５０％以上とすることが好ましい。一方、Ｖ量が０．５０％を超えると、Ｖの炭化物や窒化物による析出硬化が過剰となり、パーライト組織が脆化し、レール柱部の耐疲労損傷性が低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｖ量を０．５０％以下、０．４０％以下、又は０．３０％以下とすることが好ましい。
　Ｎｂ：０～０．０５０％
　Ｎｂは、Ｖと同様に、熱間圧延後の冷却過程で生成したＮｂ炭化物及びＮｂ窒化物による析出硬化により、パーライト組織の硬度（強度）を高める。特に、Ｎｂは、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｎｂ量を０．００１０％以上、０．００５０％以上、又は０．０１０％以上とすることが好ましい。また、Ｎｂ量が０．０５０％を超えると、Ｎｂの炭化物や窒化物の析出硬化が過剰となり、パーライト組織が脆化し、レール柱部の耐疲労損傷性が低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｎｂ量を０．０５０％以下、０．０４０％以下、又は０．０３０％以下とすることが好ましい。
　Ｔｉ：０～０．０５００％
　Ｔｉは、熱間圧延後の冷却過程で生成したＴｉ炭化物及びＴｉ窒化物として析出し、析出硬化によってパーライト組織の硬度（強度）を高める。特に、Ｔｉは、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ｔｉ量を０．００３０％以上、０．０１００％以上、又は０．０１５０％以上とすることが好ましい。一方、Ｔｉ量が０．０５００％を超えると、粗大なＴｉ炭化物、Ｔｉ窒化物が生成し、応力集中により、レール柱部に疲労損傷が発生しやすくなるおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｔｉ量を０．０５００％以下、０．０４００％以下、又は０．０３００％以下とすることが好ましい。
　Ｍｇ：０～０．０２００％
　Ｍｇは、Ｓと結合して微細な硫化物（ＭｇＳ）を形成する元素である。ＭｇＳはＭｎＳを微細に分散させる。また、この微細に分散したＭｎＳはパーライト変態の核となり、パーライト変態を促進させ、レール柱部に生成する初析フェライトや初析セメンタイト組織の生成を抑制し、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる。この効果を得るためには、Ｍｇ量を０．０００５％以上、０．００１０％以上、又は０．００５０％以上とすることが好ましい。一方、Ｍｇ含有量が０．０２００％を超えると、Ｍｇの粗大酸化物が生成し、応力集中により、レール柱部に疲労損傷が発生しやすくなるおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｍｇ量を０．０２００％以下、０．０１５０％以下、又は０．０１００％以下とすることが好ましい。
　Ｃａ：０～０．０２００％
　Ｃａは、Ｓとの結合力が強く、硫化物（ＣａＳ）を形成する元素である。このＣａＳはＭｎＳを微細に分散させる。微細なＭｎＳはパーライト変態の核となり、パーライト変態を促進させ、レール柱部に生成する初析フェライトや初析セメンタイト組織の生成を抑制し、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる。この効果を得るためには、Ｃａ量を０．０００５％以上、０．００１０％以上、又は０．００５０％以上とすることが好ましい。一方、Ｃａ含有量が０．０２００％を超えると、Ｃａの粗大酸化物が生成し、応力集中により疲労損傷が発生しやすくなるおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｃａ量を０．０２００％以下、０．０１５０％以下、又は０．０１００％以下とすることが好ましい。
　ＲＥＭ：０～０．０５００％
　ＲＥＭは、脱酸・脱硫元素であり、含有させることによりＲＥＭのオキシサルファイド（ＲＥＭ２Ｏ２Ｓ）を生成し、Ｍｎ硫化物系介在物の生成核となる。また、この核であるオキシサルファイド（ＲＥＭ２Ｏ２Ｓ）の融点は高いので、圧延後のＭｎ硫化物系介在物の延伸を抑制する。この結果、ＲＥＭの含有により、ＭｎＳが微細に分散し、ＭｎＳがパーライト変態の核となり、パーライト変態が促進する。その結果、レール柱部に生成する初析フェライトや初析セメンタイト組織の生成を抑制し、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる。この効果を得るためには、ＲＥＭ量を０．０００５％以上、０．００１０％以上、又は０．００５０％以上とすることが好ましい。一方、ＲＥＭ含有量が０．０５００％を超えると、粗大なＲＥＭのオキシサルファイド（ＲＥＭ２Ｏ２Ｓ）が生成し、応力集中により、レール柱部の疲労損傷が発生しやすくなるおそれがある。このため、含有させる場合には、ＲＥＭ量を０．０５００％以下、０．０４００％以下、又は０．０３００％以下とすることが好ましい。
　ここで、ＲＥＭとはＣｅ、Ｌａ、ＰｒまたはＮｄ等の希土類金属である。上記含有量はこれらの全ＲＥＭの含有量の合計量を限定したものである。全ＲＥＭ元素の含有量の総和が上記範囲内であれば、含有されるＲＥＭが単一元素の形態であっても、複数元素の形態であっても、同様な効果が得られる。
　Ｚｒ：０～０．０２００％
　Ｚｒは、Ｏと結合してＺｒＯ２介在物を生成する。このＺｒＯ２介在物は、γ－Ｆｅとの格子整合性が良いので、γ－Ｆｅが凝固初晶である高炭素レール鋼の凝固核となり、凝固組織の等軸晶化率を高めることにより、鋳片中心部の偏析帯の形成を抑制し、レール柱部に生成するマルテンサイトや初析セメンタイト組織の生成を抑制し、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる。この効果を得るためには、Ｚｒ量を０．０００１％以上、０．００１０％以上、又は０．００５０％以上とすることが好ましい。一方、Ｚｒ量が０．０２００％を超えると、粗大なＺｒ系介在物が多量に生成し、応力集中によりレール柱部に疲労損傷が発生しやすくなるおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｚｒ量を０．０２００％、０．０１５０％、又は０．０１００％とすることが好ましい。
　Ｎ：０～０．０２００％
　Ｎは、オーステナイト粒界に偏析することにより、オーステナイト粒界からのパーライト変態を促進させ、レール柱部に生成する初析フェライトや初析セメンタイト組織の生成を抑制し、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる。また、ＮをＶと同時に含有させると、熱間圧延後の冷却過程でＶの炭窒化物の析出を促進させ、パーライト組織の硬度（強度）を高め、レール柱部の疲労損傷性を向上させる。この効果を得るためには、Ｎ量を０．００６０％以上、０．００８０％以上、又は０．０１００％以上とすることが好ましい。一方、Ｎ含有量が０．０２００％を超えると、Ｎを鋼中に固溶させることが困難となるおそれがある。この場合、疲労損傷の起点となる気泡が生成し、レール柱部の疲労損傷が発生し易くなるおそれがある。このため、含有させる場合には、Ｎ量を０．０２００％以下、０．０１８０％以下、又は０．０１５０％以下とすることが好ましい。
　Ａｌ：０～１．００％
　Ａｌは、脱酸材として機能する成分である。また、Ａｌは、共析変態温度を高温側へ移動させる元素であり、パーライト組織の高硬度（強度）化に寄与し、さらに、レール柱部の軟質なパーライト組織の硬さを増加させ、パーライト組織の硬さの差を低減し、レール柱部の耐疲労損傷性を向上させる元素である。この効果を得るためには、Ａｌ量を０．０１００％以上、０．０５００％以上、又は０．１０００％以上とすることが好ましい。一方、Ａｌ量が１．００％を超えると、鋼中にＡｌを固溶させることが困難となるおそれがある。この場合、粗大なアルミナ系介在物が生成し、この粗大な析出物から疲労き裂が発生し、レール柱部に疲労損傷が発生し易くなるおそれがある。さらにこの場合、レールの溶接時に酸化物が生成し、溶接性が著しく低下するおそれがある。このため、含有させる場合には、Ａｌ量を１．００％以下、０．８０％以下、又は０．６０％以下とすることが好ましい。
（２）金属組織
　本実施形態に係るレールにおいて、柱部断面の金属組織の９０面積％以上をパーライト組織に限定する理由について詳細に説明する。なお、「レール柱部の断面の金属組織」とは、柱部の断面であって、レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲の金属組織を意味する。
　まず、９０面積％以上をパーライト組織に限定した理由について説明する。
　パーライト組織は、合金元素の量が低くとも強度（硬さ）が得られ易く、耐疲労損傷性を向上させるのに有利な組織である。さらに、パーライト組織は、強度（硬さ）の制御が容易である。そこで、レール柱部断面の耐疲労損傷性を向上させる目的から、パーライト組織の量を所定量以上とするように限定した。
　また、レール柱部断面の金属組織を制御する領域は、レール柱部において耐疲労損傷性が要求される部位である。図５に柱部のパーライト組織の必要範囲を示す。少なくとも、レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲の金属組織の９０面積％以上がパーライト組織であればよい。
　本実施形態に係るレールの柱部断面の金属組織は、上述のようにパーライト組織であることが望ましいが、レールの成分系や熱処理製造方法によっては、パーライト組織中に面積率で１０％以下の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織やマルテンサイト組織が混入することがある。しかし、これらの組織が混入しても、少量であれば、レール柱部の硬さに大きな影響を与えず、レール柱部の耐疲労損傷性には大きな悪影響を及ぼさない。そのため、耐疲労損傷性に優れたレールの柱部の組織としては、１０面積％以下の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織、マルテンサイト組織の混在を許容する。言い換えれば、本実施形態に係るレールの柱部断面の金属組織は、９０面積％以上がパーライト組織であればよい。耐疲労損傷性を十分に向上させるには、柱部断面の金属組織の９２面積％以上、９５面積％以上、又は９８面積％以上をパーライト組織とすることが望ましい。
　レール柱部の断面の組織観察および定量化方法は下記のとおりである。
［レール柱部の断面の組織の観察および定量化方法］
●観察方法
　装置：光学顕微鏡
　観察用試験片採取：レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲の横断面（図５参照）からサンプルを切り出し。
　事前処理：横断面を平均粒径１μｍのダイヤモンド砥粒で研磨、ナイタールエッチ。
　観察倍率：２００倍
●観察位置
　位置：レール柱部の外郭表面から１．０ｍｍの位置、及び柱部の厚さ中心の位置。
●組織の定量化
　　観察数：前記外郭表面から１．０ｍｍの位置、及び柱部の厚さ中心の位置で各５視野以上。
　　定量化：外郭表面から１．０ｍｍの位置（５視野以上）、及び柱部の厚さ中心の位置（５視野以上）におけるパーライトの面積率（合計１０視野以上）を平均した値を、レール柱部の断面の金属組織に含まれるパーライトの面積率とする。
（３）柱部の断面硬さの最小値の限定理由
　本実施形態に係るレールにおいて、レール柱部の断面の硬さの最小値をＨｖ３００以上の範囲に限定した理由について説明する。なお、「レール柱部の断面の硬さの最小値」とは、柱部の断面であって、レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲における硬さの最小値を意味する。
　柱部の断面硬さの最小値がＨｖ３００未満では、重荷重鉄道の使用環境では、柱部から疲労き裂が発生し、疲労強度を確保できず、レール柱部の耐疲労損傷性が低下する。このため、柱部の断面硬さの最小値をＨｖ３００以上の範囲に限定する。なお、レール柱部の耐疲労損傷性を安定的に確保するには、柱部の断面硬さの最小値をＨｖ３２０以上、Ｈｖ３４０以上、又はＨｖ３６０以上とすることが望ましい。柱部の断面硬さの最大値は、後述する硬さ差の要件を満たす限り特に限定されないが、レール柱部の靭性の悪化を防止するには、柱部の断面硬さの最小値はＨｖ４５０以下、Ｈｖ４２０以下、又はＨｖ４００以下とすることが望ましい。
（４）レール柱部の断面の硬さの最大値と最小値との差の限定理由
　本実施形態に係るレールにおいて、レール柱部の断面の硬さの最大値と最小値のと差をＨｖ４０以下の範囲に限定した理由について説明する。なお、「レール柱部の断面の硬さの最大値と最小値との差」とは、柱部の断面であって、レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲における硬さの最大値と最小値との差を意味する。
　柱部の断面硬さの最大値と最小値との差がＨｖ４０を超えると、重荷重鉄道において、レール柱部に作用する柱部の歪が、硬さの不均一が著しい部位に集中し、き裂が発生することにより、レール柱部の耐疲労損傷性が低下する。このため、レール柱部の断面硬さの最大値と最小値との差をＨｖ４０以下の範囲に限定する。
　さらに、レール柱部の耐疲労損傷性をより一層向上させるには、レール柱部の断面硬さの最大値と最小値との差をＨｖ３０以下、Ｈｖ２０以下、又はＨｖ１５以下の範囲に限定することが望ましい。なお、レール柱部の断面硬さの最大値と最小値との差の下限値については限定する必要がなく、Ｈｖ０であってもよいが、レール柱部の断面硬さの最大値と最小値との差はＨｖ１０以上となることが通常である。
　上記のレール柱部の断面硬さは下記の条件で測定する。
［レール柱部の断面硬さの測定方法、測定条件および硬さの整理方法］
●測定装置および方法
　装置：ビッカース硬度計（荷重９８Ｎ）
　測定用試験片採取：レール柱部の横断面からサンプルを切り出し。
　事前処理：横断面を平均粒径１μｍのダイヤモンド砥粒で研磨。
　測定方法：ＪＩＳ　Ｚ　２２４４：２００９に準じて測定。
●測定位置
　レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲の横断面（図１参照）。
　柱部外郭表面から深さ１．０ｍｍの位置を起点として、１．０ｍｍピッチで柱部の厚さ方向に連続して圧痕づけを行い、硬さを測定する。硬さ測定は少なくとも５ライン行う。
　なお、圧痕の相互影響を排除するために、各測定ラインの間には１．０ｍｍ以上の間隔を設ける。
●硬さの整理方法
　測定された硬さの最小値及び最大値を、当該レール柱部の断面硬さの最小値及び最大値とする。
（５）レール柱部の断面硬さの制御方法
　レール柱部の断面硬さは、例えば、圧延条件、圧延後の頭部、柱部の制御冷却条件を調整することで、制御が可能である。
　本実施形態に係るレールは、上記の成分、金属組織、及び硬さを備えることで、製造方法に関わらず、その効果を得ることができる。しかしながら、例えば、上記のような成分組成で構成されるレール鋼を、転炉、電気炉などの通常使用される溶解炉で溶製を行い、この溶鋼を造塊・分塊法あるいは連続鋳造法、次に、熱間圧延を行い、レール柱部の断面硬さを制御するため、レール柱部表面に制御冷却を行うことで得ることができる。
　例えば、本実施形態に係るレールの製造方法においては、成分調整後の溶鋼を鋳造してブルームとし、ブルームを１２５０～１３００℃に加熱し、熱間圧延してレール形状に成形する。そして、圧延後にレール柱部表面に制御冷却するか、熱間圧延して放冷した後に再加熱してからレール柱部表面に制御冷却することで、本実施形態に係るレールが得られる。
　これら一連の工程において、柱部の断面硬さを調整するには、熱間圧延条件、熱間圧延後の制御冷却条件、熱間圧延後の再加熱条件、再加熱後の制御冷却条件の製造条件を制御すればよい。なお、以下に説明する製造温度条件は、全てレール柱部の表面（レール柱部外郭表面）に適用されるべきものである。これら製造温度条件をレール頭部の表面に適用したとしても、レール柱部の表面の熱履歴等が好ましく制御されることはないと考えられる。レール頭部及びレール柱部は、厚さが異なるので、例えば冷却時の復熱の度合いなどが異なる。そのため、レール頭部とレール柱部とでは、その表面の熱履歴が必然的に異なる。
●好ましい熱間圧延条件、再加熱条件
　レール柱部の断面硬さを確保するために、柱部における最終圧延温度を７５０～１０００℃（レール柱部外郭表面の温度）とすることで、柱部の断面硬さの最小値の確保が可能である。
　熱間圧延方法は、例えば特許文献６等に記載されている方法を参考にして、鋼片を粗圧延する。その後、リバース圧延機による中間圧延を複数パスに渡って行い、続いて連続圧延機による仕上げ圧延を２パス以上行う方法が望ましい。
　また、熱間圧延後にレールを一旦冷却した後再加熱する場合は、再加熱条件としては、例えば、レール柱部の再加熱温度８００～１１００℃（レール柱部外郭表面）の範囲となるように再加熱することで、レール柱部の断面硬さの最小値の確保が可能になる。
●好ましい熱間圧延後の制御冷却条件、再加熱後の制御冷却条件
　レール柱部の制御冷却手段については特に限定しない。耐疲労損傷性を付与し、断面硬さを制御するために、空気噴射冷却、ミスト冷却、水及び空気の混合噴射冷却、あるいはこれらの組み合わせにより、熱処理時のレール柱部の制御冷却を実施すればよい。なお、制御冷却における冷却速度及び冷却温度範囲は、上述のようにレール柱部外郭表面の温度を基準にして制御する。
　制御冷却は、レール柱部の断面硬さを均一化する目的で行う。柱部には偏析帯が存在し、硬さの不均一が発生し易い。そこで、制御冷却においては、偏析帯の硬さ上昇を抑えるために、第１段の加速冷却後に、加速冷却を一旦停止し、内部の複熱による昇温と微量の加速冷却とを利用して温度保持し、偏析部の硬さ上昇を抑制する。具体的には、復熱による柱部外郭表面の温度上昇と、冷媒の吹付による柱部外郭表面の温度下降とが釣り合って、柱部外郭表面の温度が略一定となるように、冷媒吹付による微量の加速冷却（制御冷却）を行う。温度保持終了後は、硬さを確保するため第２段の加速冷却を実施する。好ましい冷却条件範囲は下記に示すとおりである。なお、加速冷却の平均冷却速度とは、冷媒吹付中の平均冷却速度、即ち、冷媒吹付開始温度と冷媒吹付終了温度との差を冷媒吹付時間で割った値である。
（１）圧延後に制御冷却を行う場合
制御部位：レール柱部外郭表面
第１段の加速冷却　平均冷却速度：０．５～５．０℃／ｓｅｃ
　　　　　　　　　冷却停止温度範囲：５８０～６８０℃
温度保持：５８０～６８０℃の範囲内で２０～２００ｓｅｃ（微量の加速冷却実施）
第２段の加速冷却　平均冷却速度：２．０～５．０℃／ｓｅｃ
　　　　　　　　　冷却停止温度範囲：５００℃以下
（２）再加熱後に制御冷却を行う場合
制御部位：レール柱部外郭表面
第１段の加速冷却　平均冷却速度：１．０～６．０℃／ｓｅｃ
　　　　　　　　　冷却停止温度範囲：５８０～６８０℃
温度保持：５８０～６８０℃の範囲内で２０～２００ｓｅｃ（微量の加速冷却実施）
第２段の加速冷却　平均冷却速度：２．０～５．０℃／ｓｅｃ
　　　　　　　　　冷却停止温度範囲：５００℃以下
　柱部の制御冷却は、空気、冷却水などの冷媒をレール柱部表面、頭部表面のいずれか、または両方に噴射することにより実施した。また、温度保持は、上述のように、復熱発生による昇温量に応じて微小な加速冷却を繰り返すことにより制御することが可能である。
　なお、制御冷却する部位はレール柱部であるが、レールを立てて（頭が上）冷却する場合は、レール頭部表面に冷媒を噴射することによりレール柱部表面にも冷媒が流れ、冷却される場合もあるため、上記のように必ずしもレール柱部表面を直接冷却する必要はない。ただし、レール頭部表面に冷媒を噴射する場合であっても、制御対象が柱部外郭表面の温度であることは言うまでもない。
●好ましいレール頭部、足部の材質および製造条件
　レール頭部、及びレール足部の材質については特に限定しない。低い合金元素量であっても強度（硬さ）が得られ易く、耐摩耗性や耐疲労損傷性が確保される組織が望ましい。
　レール頭部については、耐摩耗性を確保するために、硬さＨｖ３４０以上のパーライト組織が望ましい。
　レール足部についても、耐疲労損傷性を確保するために、硬さＨｖ３００以上の金属組織が望ましい。足部は耐摩耗性確保が必要ないため、パーライト組織に限らず、強度延性バランスの優れたベイナイト等の金属組織であってもよい。
　また、レール頭部は硬さ確保のため、圧延後または再加熱後、熱処理を行うことが望ましい。特許文献１、特許文献７等に記載の方法で加速冷却を行うことでレール頭部は硬さ確保が可能となる。レール足部は硬さ確保、熱処理時の頭部とのバランスを図り、曲りを抑制するため、レール頭部と同様な加速冷却を行うことが望ましい。
　上記のレール頭部の硬さの制御方法と、本発明者らが得た新たな知見と組み合わせて活用することにより、本実施形態に係るレールの製造が可能となる。
　次に、本発明の実施例について説明する。
　表１には、本発明例であるレールの化学成分（鋼成分）を示す。表１において、化学成分の残部は鉄及び不純物であり、意図的に添加されていない元素の含有量は「－」と記載した。
　表３には、柱部断面のパーライト分率（面積％）、柱部の断面硬さの最小値（Ｈｖ）、柱部の断面硬さの最大値と最小値との差（Ｈｖ）を示す。さらに表３には、図２に示す方法で行った疲労試験結果も併記した。柱部断面のパーライト分率９０％と記載した場合、レール柱部断面のパーライト組織の面積率が９０％であり、面積率で１０％の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織またはマルテンサイト組織の１種または２種以上が混入しているものも含んでいる。
　一方、表２には、比較例であるレールの化学成分を示す。表２において、化学成分の残部は鉄及び不純物であり、意図的に添加されていない元素の含有量は「－」と記載した。
　表４には、柱部断面のパーライト分率（面積％）、柱部の断面硬さの最小値（Ｈｖ）、柱部の断面硬さの最大値と最小値との差を示す（Ｈｖ）。さらに表４には、図２に示す方法で行った疲労試験結果も併記した。柱部断面のパーライト分率８６％と記載した場合、レール柱部断面のパーライト組織の面積率が８６％であり、面積率で１４％の微量な初析フェライト組織、初析セメンタイト組織、ベイナイト組織またはマルテンサイト組織の１種または２種以上が混入しているものも含んでいる。
　なお、表１～表４に示した本発明レールおよび比較レールの製造工程および製造条件の概略は下記の２通りである。
［本発明レールの製造工程］
●基本条件（圧延後に、冷却及び再加熱をすることなく、直接制御冷却を実施）
　溶鋼→成分調整→鋳造（ブルーム）→再加熱（１２５０～１３００℃）→熱間圧延→制御冷却。
●再加熱条件
　溶鋼→成分調整→鋳造→再加熱→熱間圧延→放冷→再加熱（レール）→制御冷却。
　また、表１及び表３に示した本発明レールの製造条件の概略は下記に示すとおりである。表２及び表４の比較レールの製造条件については、比較例Ｄ～Ｋは下記の本発明レールの基本条件（圧延後に制御冷却）で製造し、比較例Ａ～Ｃについては、本発明レールの製造条件からいずれかの条件が外れた条件で製造した。
［本発明レールの製造条件］
●基本条件（圧延後に制御冷却）
　圧延条件
制御部位：レール柱部外郭表面
最終圧延温度：７５０～１０００℃
制御冷却条件
制御部位：レール柱部外郭表面
第１段の加速冷却　平均冷却速度：０．５～５．０℃／ｓｅｃ
　　　　　　　　　冷却停止温度範囲：５８０～６８０℃
温度保持：５８０～６８０℃の範囲内で２０～２００ｓｅｃ（微量の加速冷却実施）
第２段の加速冷却　平均冷却速度：２．０～５．０℃／ｓｅｃ
　　　　　　　　　冷却停止温度範囲：５００℃以下
●再加熱条件（再加熱後に制御冷却）
　加熱条件
制御部位：レール柱部外郭表面
加熱温度８００～１１００℃
制御冷却条件
制御部位：レール柱部外郭表面
第１段の加速冷却　平均冷却速度：１．０～６．０℃／ｓｅｃ
　　　　　　　　　冷却停止温度範囲：５８０～６８０℃
温度保持：５８０～６８０℃の範囲内で２０～２００ｓｅｃ
（微小の加速冷却実施）
第２段の加速冷却　平均冷却速度：２．０～５．０℃／ｓｅｃ
　　　　　　　　　冷却停止温度範囲：５００℃以下
　なお、表１～表４に示した本発明レールおよび比較レールの詳細は下記に示すとおりである。
（１）本発明レール（３７本）
　発明例１～３７：化学成分値、柱部断面のパーライト分率、柱部の断面硬さの最小値、柱部の断面硬さの最大値と最小値の差が本願発明範囲内のレール。
　なお、発明例１～１８、２３～３７は基本条件（圧延後に直接制御冷却を実施）で製造したレール、発明例１９～２２は再加熱条件で製造したレールである。
（２）比較レール（１１本）
　比較例Ａ～Ｃ（３本）：柱部断面のパーライト分率、柱部の断面硬さの最小値、柱部の断面硬さの最大値と最小値の差のいずれかが本願発明範囲外のレール。
　ここで、比較例レールＡは、第１段の加速冷却における平均冷却速度が０．２℃／秒であったが、それ以外は本発明レールと同じ製造条件とした。比較例レールＢは、最終圧延温度が７００℃であったが、それ以外は本発明レールと同じ製造条件とした。比較例レールＣは、温度保持時間が１０秒であったが、それ以外は本発明レールと同じ製造条件とした。また、比較例レールＡ～Ｃのいずれも、圧延後に直接制御冷却に供した。
　比較例Ｄ～Ｋ（８本）：Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓのいずれかの含有量が本願発明範囲外のレール。比較例レールＤ～Ｋのいずれも、圧延後に直接制御冷却に供した。
　レール柱部の断面の組織観察方法は下記のとおりである。
［レール柱部断面の組織観察方法］
●観察方法
　装置：光学顕微鏡
　観察用試験片採取：レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲の横断面（図５参照）からサンプルを切り出し。
　事前処理：横断面を平均粒径１μｍのダイヤモンド砥粒で研磨、ナイタールエッチ。
　観察倍率：２００倍
●観察位置
位置：レール柱部の外郭表面から１．０ｍｍの位置、及び柱部の厚さ中心の位置。
●組織の定量化
　　観察数：レール柱部の外郭表面から１．０ｍｍの位置、柱部の厚さ中心の位置で各５視野以上。
　　定量化：レール柱部の外郭表面から１．０ｍｍの位置（４視野以上）、及び柱部の厚さ中心の位置（５視野以上）におけるパーライトの面積率（合計１０視野以上）を平均した値を、レール柱部の断面の金属組織に含まれるパーライトの面積率とする。
　レール柱部の断面の硬さの測定方法および測定条件は下記のとおりである。
［レール柱部の断面硬さの測定方法、測定条件および硬さの整理方法］
●測定装置および方法
　装置：ビッカース硬度計（荷重９８Ｎ）
　測定用試験片採取：レール柱部の横断面からサンプルを切り出し。
　事前処理：横断面を平均粒径１μｍのダイヤモンド砥粒で研磨。
　測定方法：ＪＩＳ　Ｚ　２２４４：２００９に準じて測定。
●測定位置
　レール底部とレール頂部との中間線から、レール上下方向に±１５ｍｍの範囲の横断面（図１参照）。
　柱部外郭表面から深さ１．０ｍｍの位置を起点として、１．０ｍｍピッチで柱部の厚さ方向に連続して圧痕づけを行い、硬さを測定する。硬さ測定は少なくとも５ライン行う。
　なお、圧痕の相互影響を排除するために、各測定ラインの間には１．０ｍｍ以上の間隔を設ける。
●硬さの整理方法
　測定された硬さの最小値及び最大値を、当該レール柱部の断面硬さの最小値及び最大値とする。
　また、レールの疲労試験条件は下記のとおりである。
［レールの疲労試験（図２参照）］
　試験方法：実物レールの３点曲げ（スパン長：６５０ｍｍ）。
　荷重条件：２～２０トンの範囲で変動させた。
　荷重負荷の変動の周波数：５Ｈｚ。
　試験姿勢：レール頭部に偏芯荷重を負荷した。荷重を負荷する位置は、レール頭部の幅の１／３だけ、レール頭部の中心からレールの幅方向にずれた位置とした（図２参照）。（曲線軌道を再現するためレール柱部に引張応力を作用させる）。
　応力測定：レール柱部に貼り付けた歪ゲージにより測定。
　荷重変動の繰り返し数：最大３００万回（き裂発生なし）、またはき裂発生まで。
　き裂判定：定期的に試験を停止し、レール柱部の表面を磁粉探傷することにより、レール柱部表面のき裂有無を確認。
　合格判定：き裂発生までの荷重変動の繰り返し数が２００万回以上、または、試験終了（荷重変動３００万回）までき裂発生なしのレールを、耐疲労折損性に優れるレールと判断。
　試験結果の整理は下記とした。
　　●合格材
　　　評価Ｓ：試験終了の３００万回までき裂発生なし。
　　　評価Ａ：き裂発生回数２５０万回以上～３００万回未満。
　　　評価Ｂ：き裂発生回数２３０万回以上～２５０万回未満。
　　　評価Ｃ：き裂発生回数２００万回以上～２３０万回未満。
　　●不合格材
　　　評価Ｘ：き裂発生回数２００万回未満。
　発明例の評価結果を表３に示し、比較例の評価結果を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表１～表４に示すように、本発明レール（発明例１～３７）は、柱部からの疲労損傷の発生を抑制できる、耐疲労折損性に優れるレールであると評価された。
　具体的には、本発明レール（発明例１～１２）は、比較レール（比較例Ｄ～Ｋ）と比べて、鋼のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓの含有量を限定範囲内に収め、さらに柱部断面のパーライト分率、柱部の断面硬さの最小値、柱部の断面硬さの最大値と最小値の差を制御することにより、レール柱部の疲労強度が向上し、レールの耐疲労損傷性が向上している。
　さらに、本発明レール（発明例１３～２２）は、比較レール（比較例Ａ～Ｃ）と比べて、レール柱部の圧延条件、熱処理条件を適正に制御することにより、柱部断面のパーライト分率、柱部の断面硬さの最小値、柱部の断面硬さの最大値と最小値の差を制御することにより、レール柱部の疲労強度が向上し、レールの耐疲労損傷性が向上している。
　また、本発明レール（発明例１６～１８、２０～２２）は、レール柱部の制御冷却条件をさらに適切に制御することにより、柱部の断面硬さの最大値と最小値の差をさらに低減する。その結果、レール柱部の疲労強度が向上し、レールの耐疲労損傷性がより一層向上している。
　一方、比較例レールＡ～Ｋは、化学成分、レール柱部の断面の金属組織、レール柱部の断面の硬さの最小値、及びレール柱部の断面の硬さの最大値と最小値との差のいずれか一つ以上が不適切となり、疲労損傷性が損なわれた。
　本発明によれば、レールの素材となるレール鋼の成分を制御するとともに、レール柱部の金属組織、さらに、レール柱部の硬さの最小値、当該の断面内の硬さの最大値と最小値の差を抑制することにより、レール柱部の断面内の歪の集中を抑制し、貨物鉄道の曲線区間で用いられるレール柱部に要求される耐疲労損傷性に優れるレールを提供できる。
１：レール柱部
２：レール頭部
３：レール足部

Claims (3)

  1. 　質量％で、
    Ｃ：０．７５～１．２０％、
    Ｓｉ：０．１０～２．００％、
    Ｍｎ：０．１０～２．００％、
    Ｃｒ：０～２．００％、
    Ｍｏ：０～０．５０％、
    Ｃｏ：０～１．００％、
    Ｂ：０～０．００５０％、
    Ｃｕ：０～１．００％、
    Ｎｉ：０～１．００％、
    Ｖ：０～０．５０％、
    Ｎｂ：０～０．０５０％、
    Ｔｉ：０～０．０５００％、
    Ｍｇ：０～０．０２００％、
    Ｃａ：０～０．０２００％、
    ＲＥＭ：０～０．０５００％、
    Ｚｒ：０～０．０２００％、
    Ｎ：０～０．０２００％、
    Ａｌ：０～１．００％、
    Ｐ：０．０２５０％以下、
    Ｓ：０．０２５０％以下、
    を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼成分を有し、
    　レール柱部の断面の金属組織の９０面積％以上がパーライト組織であり、
    　前記レール柱部の前記断面の硬さの最小値がＨｖ３００以上であり、
    　前記レール柱部の前記断面の硬さの最大値と前記最小値との差がＨｖ４０以下である
    ことを特徴とするレール。
  2. 　前記レール柱部の前記断面の硬さの前記最大値と前記最小値との差がＨｖ２０以下である
    ことを特徴とする請求項１に記載のレール。
  3. 　前記鋼成分が、質量％で、
    Ｃｒ：０．０１～２．００％、
    Ｍｏ：０．０１～０．５０％、
    Ｃｏ：０．０１～１．００％、
    Ｂ：０．０００１～０．００５０％、
    Ｃｕ：０．０１～１．００％、
    Ｎｉ：０．０１～１．００％、
    Ｖ：０．００５～０．５０％、
    Ｎｂ：０．００１０～０．０５０％、
    Ｔｉ：０．００３０～０．０５００％、
    Ｍｇ：０．０００５～０．０２００％、
    Ｃａ：０．０００５～０．０２００％、
    ＲＥＭ：０．０００５～０．０５００％、
    Ｚｒ：０．０００１～０．０２００％、
    Ｎ：０．００６０～０．０２００％、
    Ａｌ：０．０１００～１．００％、
    からなる群から選択される１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のレール。
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