WO2022209293A1 - レールおよびその製造方法 - Google Patents

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啓之 福田
顕一 大須賀
悟史 上岡
友彬 佛淵
佳祐 安藤
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Ｊｆｅスチール株式会社
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Definitions

  • the present invention accelerates cooling with a cooling medium (air, water, mist, etc.) to a high-temperature rail that has been hot-rolled at or above the austenite region temperature, or heated at or above the austenite region temperature, thereby increasing the durability of the head.
  • a cooling medium air, water, mist, etc.
  • the present invention relates to a rail with improved abrasion resistance and a manufacturing method thereof.
  • Rails that have been hot-rolled at or above the austenite range temperature or heated above the austenite range temperature are brought into the heat treatment equipment in an upright state (the top of the head is up and the sole is down). .
  • it may be carried into the heat treatment apparatus with a length of about 100 m, or it may be divided (hereinafter referred to as sawing) so that the length per piece becomes, for example, about 25 m. It is sometimes brought in from If it is based on sawing and then cooling, the heat treatment apparatus may also be divided into zones of corresponding length.
  • the toes of the rail are restrained, for example, by clamps, and the top of the head, the side of the head, the sole of the foot, and, if necessary, the abdominal surface are forcibly cooled with a cooling medium (air, water, mist, etc.).
  • a cooling medium air, water, mist, etc.
  • Patent Literature 1 describes a method of controlling temperature history while monitoring transformation behavior with a thermometer installed in a cooling device.
  • Fig. 2 shows a model of the pressure schedule of the top air header and the history of the rail head surface temperature for performing the desired cooling in Patent Document 1.
  • cooling starts at the cooling start temperature in the austenite region, and temperature rise due to transformation heat starts at timing t1 in the figure. If the temperature rise is too large, the steel transforms at a high temperature, resulting in a decrease in hardness. In order to prevent this, it is necessary to increase the header pressure almost at the same time as the temperature rises or slightly before that to increase the cooling capacity. This makes it possible to reduce temperature rise due to transformation heat generation and increase hardness.
  • temperature variations include variations due to materials and variations within the cross section of the head. Due to variations in temperature and time during heating, rolling, and transportation to the accelerated cooling device, temperature variations occur depending on the material. In addition, since the rails are transported from rolling to the accelerated cooling device in an overturned state, the heat dissipation state of the rail heads is different, and a temperature difference occurs in the cross section of the heads.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to manufacture a high-hardness, high-quality rail by a simple cooling method irrespective of rail temperature variations before the start of cooling. It provides a method to Here, “high hardness” means a surface hardness of HB430 or higher and an internal hardness of HB385 or higher. Also, “high quality” means that the bainite production rate at a position 5 mm deep from the cooling surface of the rail head, which reduces wear resistance, is 15% or less.
  • the pearlite transformation is incomplete at the end of accelerated cooling, austenite remains, and even if the temperature is in the bainite formation temperature range, it reaches the pearlite transformation temperature range again during the reheating process. Most of the remaining austenite undergoes pearlite transformation during the reheating process and subsequent natural cooling. It was found that the desired pearlite structure was obtained by this.
  • a rail manufacturing method comprising a step of accelerated cooling of a rail having a temperature equal to or higher than the temperature of the austenite region, wherein the area 70 at a depth of 5 mm from the cooling surface of the rail head when the accelerated cooling is completed % or less is austenite, and the temperature of the rail head surface at the completion of reheating after accelerated cooling is within the pearlite transformation temperature range.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the relationship between the temperature history of the rail head surface from the start of accelerated cooling and the transformation rate in the range from the cooling surface of the rail head to a depth of 5 mm, according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the pressure schedule of the top air header for cooling the rail head surface and the history of the rail head surface temperature according to Patent Document 1.
  • FIG. 3 shows the temperature history of the rail head surface and the transformation rate in the range up to 5 mm deep from the cooling surface when the temperature at the time of completion of reheating that occurs after the end of accelerated cooling is in the bainite transformation temperature range, according to the comparative example. It is a schematic diagram showing the relationship of.
  • a small amount of bainite may be generated in the bainite generation temperature range during accelerated cooling and reheating. If the bainite production rate in the region at a depth of 5 mm from the cooling surface of the rail head is 15% or less, the difference from full pearlite, ie, 100% pearlite, is negligible in terms of wear resistance. It should be noted that the fact that pearlite transformation is incomplete and austenite remains after accelerated cooling can be confirmed by measurement using a transformation rate meter, reproduction of the actual temperature measured during cooling by Thermec, or the like. Alternatively, a method such as comparison with a rail in which the cooling time is intentionally extended and the temperature range after reheating is set to the bainite transformation temperature range may be adopted.
  • bainite transformation temperature range refers to a temperature range in which bainite is formed when held in an isothermal state. By preparing an isothermal transformation curve using a test piece or the like in advance, the transformation temperature range of bainite or pearlite can be grasped.
  • the temperature of the rail head surface is the value obtained by measuring the temperature of the corner of the rail head with a radiation thermometer.
  • the temperature in the cross section of the rail head becomes almost the same during the reheating process. position is no problem.
  • the area at a depth of 5 mm from the cooling surface of the rail head means the average value of the microstructure of the area at a depth of 5 mm from the central surface and both sides of the rail head.
  • the maximum temperature of the rail head in the reheating process after the end of accelerated cooling is +75°C or less from the lower limit of the pearlite transformation temperature range, the pearlite that is generated becomes finer and the hardness of the rail becomes higher, which is preferable. More preferably, it is +50° C. or less from the lower limit of the pearlite transformation temperature.
  • the rail head surface cool until the temperature reaches 200°C or less, and then cool it at a rate of 1°C/s or more. If the rail temperature is 200° C. or less, all the rails have completed their transformation, so the cooling time can be shortened without affecting the characteristics. Also, there is no effect on rail warpage due to cooling in the cooling bed. Further, when the temperature is allowed to cool to 200° C. or less, the temperature difference from the room temperature becomes small, so it takes one hour or more to cool to room temperature. By setting the cooling rate to 1° C./s or more, it is possible to greatly shorten the processing time in the cooling bed.
  • the timing of cooling in the cooling bed it is possible to determine in advance the time at which the temperature will be 200°C or less, and start cooling after a predetermined time. Also, after measuring the temperature of the rail head surface with a thermometer and confirming that it is 200° C. or less, cooling may be started.
  • the cooling method in the cooling bed there is no problem with a known method such as water spray cooling from above.
  • the temperature should be measured at a timing of 30 seconds or more and 150 seconds or less after the end of accelerated cooling. If it is less than 30 seconds, the heat recovery is not yet completed, and it is not possible to determine whether the temperature of the rail head surface is within the desired pearlite transformation temperature range, and the hardness of the rail may be reduced. . On the other hand, if it is longer than 150 seconds, the amount of temperature drop in natural cooling after the reheating process becomes large, making it difficult to grasp the temperature during the reheating process, and there is a risk that the hardness of the rail will decrease. .
  • the rail After accelerated cooling, the rail is generally transferred to a cooling bed and allowed to naturally cool to near room temperature. Therefore, it is preferable to measure the temperature during transportation to the cooling bed for 30 seconds or more and 150 seconds or less after the end of accelerated cooling. This makes it possible to measure the total length of the rail with a single thermometer.
  • the cooling amount should be adjusted for the rails after the next material. That is, if the temperature is high, in order to increase the amount of cooling, the flow rate of the coolant to be injected should be increased to increase the cooling capacity, or the cooling time should be extended. If the temperature is low, the amount of cooling can be reduced by reducing the flow rate of the coolant to be injected to lower the cooling capacity, or by shortening the cooling time.
  • the rail head surface is cooled at 1° C./s or more and 7° C./s or less, and pearlite transformation is started in the vicinity of the surface, that is, in the range from the cooling surface of the rail head surface to a depth of 5 mm. is preferred. More preferably, it is 4°C/s or more and 6°C/s or less.
  • the temperature decreases and the cooling capacity also decreases. Therefore, it is preferable to increase the air volume as the temperature of the rail decreases.
  • the temperature rise due to transformation heat generation is preferably 50° C. or less. More preferably, it is 30°C or less.
  • the temperature rise due to transformation heat generation near the surface is completed, it is preferable to cool at 1°C/s or more and 5°C/s or less. More preferably, it is 1.5°C/s or more and 2.5°C/s or less. If it is higher than 5°C/s, a larger cooling device will be required, resulting in increased equipment costs. In addition, the variation in the adjustment amount of the cooling amount also becomes large, and the control of the cooling measures with higher accuracy is required, which increases the facility cost.
  • the bainite formation rate must be 15% or less in the range from the cooling surface of the rail head cooled by the above cooling method to a depth of 5 mm.
  • the remaining structure preferably has a pearlite production rate of 85% or more. This is because if the bainite production rate is greater than 15%, the wear resistance is inferior to that of full pearlite.
  • the bainite production rate referred to here is the area ratio of bainite that can be visually recognized by observing the structure with a normal optical microscope.
  • the generation rate of structures other than bainite also means the area ratio.
  • the composition of the rail may be within a conventionally known range. Mn content: 0.20 to 1.50%, P content: 0.035% or less, S content: 0.012% or less, Cr content: 0.20 to 1.50% %, and optionally at least one selected from Cu, Ni, Mo, V, Nb, Al, Ti, and Sb in an amount of 0.01 to 1.00%, B, Ca, Mg, and REM At least one of them may be contained in an amount of 0.001 to 0.10%, and the balance is preferably iron and unavoidable impurities.
  • the steel structure of the region other than the region from the cooling surface of the rail head to a depth of 5 mm, and conventional structures may be used.
  • a long rail having the chemical composition shown in Table 1 and hot-rolled at 900°C was inserted into the cooling device almost at the same time over the entire length, and the header was brought closer when the surface temperature of the rail head was 770°C. Cooled by air. The temperature of the corner of the rail head during cooling was measured with a radiation thermometer, and the cooling rate of the rail head surface was measured. From the start of accelerated cooling until the temperature rise due to transformation heat generation near the rail surface occurs, the temperature is cooled at 5.5°C/s, and after the temperature rise due to transformation heat generation near the surface ends, the speed is 1.5°C/s. cooled. After accelerated cooling, the rail was removed from the cooling device and transported to the cooling bed.
  • the temperature of the head surface of the rail during transportation to the cooling bed was measured and used as the temperature of the rail head surface at the completion of reheating.
  • the cooling time after the end of the temperature rise due to the heat generated by the transformation near the surface was adjusted so that the temperature reached a predetermined value.
  • a sample was cut from the rail at room temperature according to JIS Z 2243, the hardness was measured at the center of the head surface and 23 mm inside, and the average pearlite formation at a depth of 5 mm from the center of the head and both sides of the head surface. rate was investigated. Table 2 shows the results. In addition, the history of the measured surface temperature was reproduced by Thermec, and the transformation behavior during cooling was investigated. All the structures other than pearlite were bainite. Incidentally, when an isothermal transformation curve for the components shown in Table 1 was created, the transformation temperature range of pearlite was 750 to 525°C. A surface hardness of HB430 or more was judged to have a good surface hardness.
  • the internal hardness was HB385 or more
  • the internal hardness was judged to be good.
  • the scope of the present invention is defined as 85% or more of pearlite formation rate at room temperature, and it was determined that the higher the pearlite formation rate at room temperature, the better the structure.
  • a value obtained by subtracting each pearlite production rate at the end of accelerated cooling from 100% is regarded as the remaining amount of austenite.
  • Example 1 the temperature of the rail head surface at the completion of reheating was 610°C, so the hardness and structure were good.
  • Example 2 the temperature of the rail head surface at the time of completion of reheating was set to 550° C., so compared with Example 1, the hardness was further increased.
  • the pearlite transformation rate on the rail surface immediately after the end of accelerated cooling was 35%, but the pearlite transformation occurred during the subsequent reheating process.
  • the pearlite transformation rate on the rail surface immediately after the end of accelerated cooling was 35%, and the temperature of the rail head surface at the end of reheating was set to 450°C. perlite did not transform.
  • a large amount of bainite was generated in the vicinity of the surface, resulting in a significant decrease in surface hardness.

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Abstract

冷却開始前のレールの長手方向の温度ばらつきによらず、高硬度で高品質のレールを簡便な冷却方法で製造する方法を提供することを目的とする。　オーステナイト域温度以上の温度を有するレールを加速冷却する工程を有する、レールの製造方法であって、前記加速冷却が終了した時点のレール頭部の冷却面から５ｍｍ深さにおける領域の一部がオーステナイトであり、加速冷却終了後に生じる復熱の完了時のレール頭部表面の温度がパーライト変態温度域である、レールの製造方法。

Description

レールおよびその製造方法
　本発明はオーステナイト域温度以上で熱間圧延された、あるいはオーステナイト域温度以上に加熱された高温レールに対し、冷却媒体（空気、水、ミストなど）によって加速冷却することにより、その頭部の耐摩耗性を向上させたレールとその製造方法に関するものである。
　レール頭部を微細なパーライト組織となしその耐摩耗性を向上させた従来の高硬度レールの一般的な製造方法について説明する。
　オーステナイト域温度以上で熱間圧延された、あるいは、オーステナイト域温度以上に加熱されたレールは、正立した（頭頂部が上方、足裏部が下方になった）状態で熱処理装置に搬入される。この場合、例えば１００ｍ程度の圧延長のまま熱処理装置に搬入されることもあるし、１本当たりの長さが例えば２５ｍ程度の長さになるように分割（以下、鋸断と称する）されてから搬入されることもある。鋸断されてから冷却することを基本としている場合には、熱処理装置もそれに応じた長さのゾーンに分割されていることもある。
　熱処理装置において、レールはその足先部を例えばクランプで拘束され、頭頂面、頭側面、足裏面、さらに必要に応じて腹部面を冷却媒体（空気、水、ミストなど）で強制冷却される。その温度履歴をコントロールすることにより、頭内部を含めた頭部全体を微細なパーライト組織としている。
　熱処理終了後には、正立または転倒した状態で冷却床に搬入され、室温程度になるまで放冷され、矯正や検査等の工程を経て製品となる。
　加速冷却によって高硬度化するためには、低い温度でパーライト変態させることが有効であり、冷却速度を大きくすることで、変態温度を低くすることが可能となる。また、頭内部まで高硬度を得ようとするには、頭表面からの熱伝導によって冷却するため、比較的長い時間の冷却が必要となる。
　しかしながら、冷却速度が高く、冷却量が大きくなりすぎると、冷却面近傍でパーライト以外の組織である、ベイナイト組織やマルテンサイト組織等が生成してしまう。パーライト組織と比較すると、ベイナイト組織は、その分率が大きくなるほど耐摩耗性を低下させ、マルテンサイト組織は靱性を大きく低下させてしまうため好ましくない。
　このため、加速冷却によって微細なパーライト組織を生成させるためには、精緻な温度履歴の制御が必要であった。特許文献１では、冷却装置内に設置した温度計で変態挙動を監視しながら温度履歴をコントロールする方法が記載されている。
国際公開第２０１４／１５７１９８号
　図２に特許文献１における所望の冷却を実施するための頭頂エアヘッダの圧力スケジュールとレール頭部表面温度の履歴の模式を示す。図２に示すように、オーステナイト域での冷却開始温度で冷却を開始し、図中ｔ１のタイミングで変態発熱による昇温が開始する。昇温が大きくなりすぎると、高温で変態し硬度が低下してしまう。これを防止するために、昇温とほぼ同じか、それより少し前にヘッダ圧力を大きくし、冷却能力を上昇させる必要がある。これにより、変態発熱による昇温を低減し、高硬度化することが可能となる。このとき、内部は表面から遅れて変態するため、内部を高硬度させるためには、表面をベイナイト生成温度域まで冷却し、熱伝導によって内部の冷却速度を高くする必要がある。しかしながら、レール表面からの冷却中の温度測定では、内部の変態の完了を把握することができない。そのため、加速冷却中の冷却量を大きくし、加速冷却終了後の復熱した頭部表面温度が、パーライト変態温度以下となることが一般的である。
　しかしながら、レール全長を冷却する場合で、冷却開始前に長手方向に温度ばらつきが発生しているレールを特許文献１に記載の方法で冷却制御しようとすると、変態開始のタイミングが温度ばらつきに応じて変化してしまう。このため、ばらつきがある位置全てに温度計を設置する必要があり、設備設置コストがかさんでしまう。また、温度計を設置できたとしても、条件によっては所望の制御ができない場合がある。例えば、衝風冷却の場合、複数の冷却ヘッダに対して１つのブロワーから冷却エアを供給していることが通常である。この中で長手方向の温度ばらつきに対応するために、冷却速度を大きく変化させる必要がある場合、ヘッダ毎に設置されている流量圧力調整弁では対応できず、変態挙動に応じた冷却制御ができなくなる。この結果、高い温度でパーライト変態し、硬度が低下したり、加速冷却中にパーライト変態が完了せず、多量のベイナイト組織やマルテンサイト組織が生成したりする。
　また、冷却開始前のレールの長手方向の温度ばらつきを修正するためにはＩＨ等による加熱も考えられるが、設備設置コストがかさんでしまう。また、全長一斉冷却とせず、冷却装置内をレールの端部から通過させて冷却する場合にも、冷却時間が長いと、冷却設備長が長くなる。その結果、ＩＨによるサーマルランダウン補償が必要である等、設備設置コストがかさんでしまう。
　さらに温度ばらつきとして、素材によるばらつきおよび頭部の断面内でのばらつきが挙げられる。加熱や圧延および加速冷却装置までの搬送における温度および時間のばらつきのため、素材により温度ばらつきが発生してしまう。また、圧延から加速冷却装置までの搬送はレールが転倒した状態でなされるため、レール頭部の放熱状態が異なり、頭部の断面内に温度差が発生してしまう。
　したがって、本発明は上述した問題を解決するためになされたものであって、その目的は、冷却開始前のレールの温度ばらつきによらず、高硬度で高品質のレールを簡便な冷却方法で製造する方法を提供するものである。ここで、「高硬度」とは、表面硬度がＨＢ４３０以上、且つ、内部硬度がＨＢ３８５以上を意味する。また、「高品質」とは、耐摩耗性を低下させる、レール頭部の冷却面から５ｍｍ深さの位置のベイナイト生成率が１５％以下を意味する。
　筆者らは鋭意調査した結果、ベイナイト組織が生成する場合は、加速冷却終了後の放冷時に多量に生成することを突き止めた。すなわち、加速冷却終了後の復熱およびその後の放冷過程の温度履歴に応じて、加速冷却時に変態しなかったオーステナイトがパーライトやベイナイトに変態することが判明した。
　図３に示すように、加速冷却が終了した時点で、加速冷却中に発生した断面内の温度分布がほぼなくなるように熱伝導によって復熱が生じ、表面は温度上昇する。加速冷却終了時にパーライト変態が未完了で、オーステナイトが残存し、復熱過程でベイナイト変態温度域であった場合には、残存していたオーステナイトがベイナイトに変態する。加速冷却中にパーライト変態がほとんど発生しなかった場合には、多量のベイナイトが生成してしまう。なお、図３の変態率のグラフにおいて、１００－変態率（％）がオーステナイトの残存率である。
　一方、図１に示すように、加速冷却終了時にパーライト変態が未完了で、オーステナイトが残存し、ベイナイト生成温度域であっても、復熱過程で再びパーライト変態温度域まで到達する。そして、残存していたオーステナイトの大部分が、復熱過程およびその後の自然放冷中にパーライト変態する。これにより、所望とするパーライト組織が得られることがわかった。
　本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
［１］　オーステナイト域温度以上の温度を有するレールを加速冷却する工程を有する、レールの製造方法であって、前記加速冷却が終了した時点のレール頭部の冷却面から５ｍｍ深さにおける領域の７０％以下がオーステナイトであり、加速冷却終了後に生じる復熱の完了時のレール頭部表面の温度がパーライト変態温度域である、レールの製造方法。
［２］　前記加速冷却終了後に生じる復熱過程における前記レール頭部表面の最高温度が、パーライト変態温度域下限以上パーライト変態温度域下限＋７５℃以下である、［１］に記載のレールの製造方法。
［３］　前記加速冷却終了後に前記レールを放冷し、前記レール頭部表面の温度が２００℃以下となった後は１℃／ｓ以上の速度で冷却する、［１］又は［２］に記載のレールの製造方法。
［４］　レール頭部の冷却面から５ｍｍ深さまでの範囲において、ベイナイト生成率が１５％以下である、レール。
　本発明の製造方法を用いることで、冷却開始前のレールの温度ばらつきによらず、高硬度で高品質のレールが製造可能となる。
図１は、本発明に係る、加速冷却開始からのレール頭部表面の温度履歴とレール頭部の冷却面から５ｍｍ深さまでの範囲における変態率の関係を表す模式図である。 図２は、特許文献１に係るレール頭部表面冷却用頭頂エアヘッダの圧力スケジュールとレール頭部表面温度の履歴の模式図である。 図３は、比較例に係る、加速冷却終了後に生じる復熱の完了時の温度がベイナイト変態温度域である場合の、レール頭部表面の温度履歴と冷却面から５ｍｍ深さまでの範囲における変態率の関係を表す模式図である。
　以下、図面を参照して、本発明の製造方法について説明する。
　図１に示すように、加速冷却終了時にレール頭部の冷却面から５ｍｍ深さにおける領域のパーライト変態が未完了で、オーステナイトが残存し、レール頭部表面の温度がベイナイト生成温度域である場合を考える。この後の復熱過程で再びパーライト変態温度域まで到達することで、残存していたオーステナイトの大部分が、復熱過程およびその後の自然放冷中にパーライト変態する。なお、残存するオーステナイトは、通常７０％以下である。この時、加速冷却終了後に生じる復熱の完了時のレール頭部表面の温度がパーライト変態温度域となるように加速冷却を制御することにより、微細なパーライト組織を得ることができる。また、オーステナイト残存量は常法にて確認可能である。
　ここで、加速冷却中および復熱過程中のベイナイト生成温度域で微量のベイナイトが生成する場合がある。レール頭部の冷却面から５ｍｍ深さにおける領域のベイナイト生成率が１５％以下であれば、耐摩耗性に関してフルパーライト、即ち、パーライト１００％との差異は無視できる程度である。なお、加速冷却後にパーライト変態が未完了でオーステナイトが残存していることの確認は、変態率計を用いた測定、冷却中に測定した温度実績のサーメックによる再現などにより行うことができる。また、冷却時間をあえて延長させ、復熱後の温度域をベイナイト変態温度域とさせたレールとの比較などの方法をとってもよい。ここでいうベイナイト変態温度域とは、等温状態で保持した時にベイナイトが生成する温度域のことである。あらかじめ、試験片などを用いて、恒温変態曲線を作成することで、ベイナイトやパーライトの変態温度域を把握することができる。
　また、レール頭部表面の温度とは、レール頭部の角の温度を放射温度計で測定することによって得られた値である。なお、加速冷却終了後にレールを正立させて搬送させる場合には、復熱過程でレール頭部断面内の温度はほぼ同じになるため、頭部中央部表面を含む両側頭角表面の範囲のいずれの位置でも問題ない。また、レール頭部の冷却面から５ｍｍ深さにおける領域とは、レール頭部の中央部表面および両側頭角表面から５ｍｍ深さの領域のミクロ組織の平均値を意味する。
　また、加速冷却終了後の復熱過程のレール頭部の最高温度がパーライト変態温度域の下限から＋７５℃以下であれば、生成するパーライトはより微細となり、レールの硬度がより高くなるため好ましい。さらに好ましくは、パーライト変態温度の下限から＋５０℃以下である。
　冷却床での室温程度までの冷却において、レール頭部表面の温度が２００℃以下になるまでは放冷とし、その後に１℃／ｓ以上の速度で冷却することが好ましい。レールの温度が２００℃以下であれば、レールは全て変態完了しているため、特性に影響を及ぼさず、放冷時間の短縮が可能となる。また、冷却床での冷却によるレールの反りへの影響もない。また、２００℃以下の放冷では、室温との温度差が小さくなるため、常温程度に冷却するのに１時間以上の時間を要する。１℃／ｓ以上の冷却速度とすることで、冷却床での処理時間が大幅に短縮することが可能となる。
　冷却床での冷却のタイミングは、２００℃以下となるような時間を予め把握して、所定時間後に冷却を開始しても良い。また、温度計でレール頭部表面の温度を測定して、２００℃以下になっていることを確認した後、冷却を開始しても良い。冷却床での冷却方法については、上方からの水スプレー冷却等公知の方法で問題ない。
　加速冷却終了後の復熱過程およびその後の自然放冷中のレール頭部の温度を常に温度測定する必要はなく、加速冷却終了後から３０ｓ以上、１５０ｓ以下のタイミングで温度を測定すればよい。３０ｓより小さいと復熱がまだ完了しておらず、レール頭部表面の温度が所望とするパーライト変態温度域の範囲内か否かを把握できず、レールの硬度が低下している恐れがある。また、１５０ｓより大きい場合には、復熱過程後の自然放冷での温度低下量が大きくなってしまい、復熱過程の温度を把握することが困難となり、レールの硬度が低下する恐れがある。レールは加速冷却終了後、冷却床に移送され、常温近くまで自然放冷されるのが一般的である。このため、加速冷却終了後から３０ｓ以上、１５０ｓ以下となるような、冷却床への搬送中に温度を測定することが好ましい。これにより温度計一台でレール全長を測定することが可能となる。
　測定結果から所望の温度となっていない場合には、次材以降のレールに対して、冷却量の調整をすればよい。すなわち、温度が高ければ、冷却量を多くするために、噴射する冷媒の流量を多くして冷却能力を上げる、もしくは、冷却時間を延ばせばよい。また、温度が低ければ、冷却量を少なくするために、噴射する冷媒の流量を少なくして冷却能力を下げるか、もしくは、冷却時間を短くすればよい。
　加速冷却中の冷却速度については、レール頭部表面を１℃／ｓ以上７℃／ｓ以下で冷却し、表面近傍、即ちレール頭部表面の冷却面から５ｍｍ深さまでの範囲をパーライト変態開始させることが好ましい。より好ましくは、４℃／ｓ以上、６℃／ｓ以下である。衝風冷却などで冷却する場合には、温度が低下するとともに、冷却能力も低下してしまうため、レールの温度低下に伴い風量を上げることが好ましい。
　表面近傍の変態が開始すると、その変態発熱で、温度が上昇する。変態発熱による温度上昇は５０℃以下とすることが好ましい。より好ましくは３０℃以下である。
　表面近傍の変態発熱による温度上昇が終了したのちは、１℃／ｓ以上、５℃／ｓ以下で冷却することが好ましい。より好ましくは、１．５℃／ｓ以上、２．５℃／ｓ以下である。５℃／ｓより大きいと、より大きな冷却装置が必要となり、設備コストがかさんでしまう。また、冷却量の調整量のバラツキも大きくなってしまい、より高精度な冷却措置の制御が要求されるため、設備コストがかさんでしまう。
　上記の冷却方法で冷却したレール頭部の冷却面から５ｍｍ深さまでの範囲において、ベイナイト生成率が１５％以下である必要がある。残部組織はパーライト生成率が８５％以上であることが好ましい。ベイナイト生成率が１５％より大きくなると、フルパーライトと比較して耐摩耗性に劣るためである。なお、ここでいうベイナイト生成率とは、通常の光学顕微鏡による組織観察で視認可能なベイナイトの面積率である。なお、ベイナイト以外の組織の生成率についても同様に、生成率とは面積率を意味する。
　なお、レールの成分組成については従来公知の範囲でよく、質量％で、例えばＣの含有量：０．７以上１．００以下％、Ｓｉの含有量：０．２０以上１．２０以下％、Ｍｎの含有量：０．２０以上１．５０以下％、Ｐの含有量：０．０３５以下％、Ｓの含有量：０．０１２以下％、Ｃｒの含有量：０．２０以上１．５０以下％、この他任意に、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｂの中から選ばれる少なくとも１種を夫々０．０１以上１．００以下％、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭの少なくとも１種を夫々０．００１以上０．１０以下％含んでも良く、残部は鉄及び不可避的不純物であることが好ましい。本発明のレール頭部の冷却面から５ｍｍ深さまでの領域以外の鋼組織については特に限定はなく、従来のものであっても良い。
　表１に示す成分組成を有し、９００℃で熱間圧延を終了させた長尺のレールを冷却装置に全長ほぼ同時に挿入し、レール頭部の表面温度が７７０℃の状態からヘッダを近づけて空気によって冷却した。冷却中のレール頭部の角の温度を放射温度計で測定し、レール頭部表面の冷却速度を測定した。加速冷却開始からレール表面近傍の変態発熱による温度上昇が発生するまでは、５．５℃／ｓで冷却し、表面近傍の変態発熱による温度上昇が終了した後は、１．５℃／ｓで冷却した。加速冷却終了後、レールを冷却装置から取り出し、冷却床へ搬送した。この際、冷却床へ搬送している途中のレールの頭部表面の温度を測定し、復熱の完了時のレール頭部表面の温度とした。この温度が所定の値になるように、表面近傍の変態発熱による温度上昇が終了した後の冷却時間を調整した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　常温となったレールから、ＪＩＳ　Ｚ　２２４３に従ってサンプルを切断し、頭部中央の表面の位置および内部２３ｍｍ位置の硬度を測定し、頭部中央および両側頭角表面から５ｍｍ深さの位置の平均パーライト生成率を調査した。結果を表２に示す。また、測定した表面温度の履歴をサーメックで再現し、冷却中の変態挙動を調査した。なお、パーライト以外の組織は全てベイナイトであった。なお、表１で示した成分の恒温変態曲線を作成すると、パーライトの変態温度域は７５０～５２５℃であった。表面硬度がＨＢ４３０以上を表面硬度が良好と判断した。また、内部硬度がＨＢ３８５以上を内部硬度が良好と判断した。常温でのパーライト生成率が８５％以上を本発明の範囲とし、常温でのパーライト生成率が高い程、より組織が良好であると判断した。なお、加速冷却終了時の各パーライト生成率を１００％から差し引いた値がオーステナイトの残存量とみなされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　実施例１では、復熱完了時のレール頭部表面の温度を６１０℃としたので、硬度と組織が良好であった。実施例２では、復熱完了時のレール頭部表面の温度を５５０℃としたので、実施例１と比較して、さらに硬度が上昇した。どちらの実施例でも、加速冷却終了直後のレール表面でのパーライト変態率は３５％であったが、その後の復熱過程でパーライト変態した。
　一方、比較例では、加速冷却終了直後のレール表面でのパーライト変態率は３５％であり、復熱完了時のレール頭部表面の温度を４５０℃としたので、加速冷却終了後の復熱過程でパーライト変態しなかった。そのため、表面近傍に多量のベイナイトが生成してしまい、表面硬度が大幅に低下した。

Claims (4)

  1. 　オーステナイト域温度以上の温度を有するレールを加速冷却する工程を有する、レールの製造方法であって、
    　前記加速冷却が終了した時点のレール頭部の冷却面から５ｍｍ深さにおける領域の７０％以下がオーステナイトであり、
    　加速冷却終了後に生じる復熱の完了時のレール頭部表面の温度がパーライト変態温度域である、レールの製造方法。
  2. 　前記加速冷却終了後に生じる復熱過程における前記レール頭部表面の最高温度が、パーライト変態温度域下限以上パーライト変態温度域下限＋７５℃以下である、請求項１に記載のレールの製造方法。
  3. 　前記加速冷却終了後に前記レールを放冷し、前記レール頭部表面の温度が２００℃以下となった後は１℃／ｓ以上の速度で冷却する、請求項１または２に記載のレールの製造方法。
  4. 　レール頭部の冷却面から５ｍｍ深さまでの範囲において、ベイナイト生成率が１５％以下である、レール。
     
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09316598A (ja) * 1996-03-27 1997-12-09 Nippon Steel Corp 耐摩耗性および溶接性に優れたパーライト系レールおよびその製造法
JP2001020040A (ja) * 1999-07-08 2001-01-23 Nippon Steel Corp 耐摩耗性、耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レールおよびその製造法
JP2003129182A (ja) * 2001-10-22 2003-05-08 Nippon Steel Corp 耐表面損傷性に優れたパーライト系レールおよびその製造法
US20110253268A1 (en) * 2010-04-16 2011-10-20 Pangang Group Co., Ltd. High carbon content and high strength heat-treated steel rail and method for producing the same
WO2015182759A1 (ja) * 2014-05-29 2015-12-03 新日鐵住金株式会社 レールおよびその製造方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014157252A1 (ja) * 2013-03-27 2014-10-02 Ｊｆｅスチール株式会社 パーライトレールおよびパーライトレールの製造方法
AU2016210107B2 (en) * 2015-01-23 2018-10-18 Nippon Steel Corporation Rail
JP6459623B2 (ja) * 2015-02-25 2019-01-30 新日鐵住金株式会社 パーライト鋼レール
EP3851549A4 (en) * 2018-09-10 2022-07-13 Nippon Steel Corporation RAIL AND RAIL MANUFACTURING METHOD
CN113966406B (zh) * 2019-06-20 2022-09-16 杰富意钢铁株式会社 钢轨及其制造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09316598A (ja) * 1996-03-27 1997-12-09 Nippon Steel Corp 耐摩耗性および溶接性に優れたパーライト系レールおよびその製造法
JP2001020040A (ja) * 1999-07-08 2001-01-23 Nippon Steel Corp 耐摩耗性、耐内部疲労損傷性に優れたパーライト系レールおよびその製造法
JP2003129182A (ja) * 2001-10-22 2003-05-08 Nippon Steel Corp 耐表面損傷性に優れたパーライト系レールおよびその製造法
US20110253268A1 (en) * 2010-04-16 2011-10-20 Pangang Group Co., Ltd. High carbon content and high strength heat-treated steel rail and method for producing the same
WO2015182759A1 (ja) * 2014-05-29 2015-12-03 新日鐵住金株式会社 レールおよびその製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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