JP3117915B2 - 高耐摩耗パーライトレールの製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、重荷重鉄道のレー
ルに要求される耐摩耗性を大きく向上させたパーライト
レールの製造法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鉄道輸送の高効率化の手段として、列車
速度の向上や列車積載重量の増加が図られている。この
ような鉄道輸送の効率化はレール使用環境の過酷化を意
味し、レール材質の一層の改善が要求されるに至ってい
る。具体的には、海外の重荷重鉄道の曲線区間に敷設さ
れたレールでは摩耗が急激に増加し、レールの摩耗寿命
の点で問題視されるようになった。

【０００３】しかしながら、最近のレール高強度化熱処
理技術の向上により、共析炭素鋼を用いた微細パーライ
ト組織を呈した下記に示すような高強度（高硬度）レー
ルが開発され、重荷重鉄道の曲線区間のレール寿命を飛
躍的に改善してきた。 頭部がソルバイト組織、または、微細なパーライト組
織の超大荷重用の熱処理レール（特公昭５４−２５４９
０号公報参照）。 Ｃｒ，Ｎｂなどの合金を添加し、耐摩耗性ばかりでな
く溶接部の硬度低下を改善した低合金熱処理レールの製
造法（特公昭５９−１９１７３号公報参照）。 これらのレールの特徴は、共析炭素含有鋼による微細パ
ーライト組織を呈する高強度（高硬度）レールであり、
その目的とするところは耐摩耗性を向上させるところに
あった。

【０００４】しかし、近年、海外の重荷重鉄道ではより
一層の鉄道輸送の高効率化のために、貨物の高積載化を
強力に進めており、特に急曲線のレールでは上記開発の
レールを用いても耐摩耗性が確保できず、摩耗によるレ
ール寿命の低下が問題となってきた。このような背景か
ら、現状の共析炭素含有の高強度レール以上の耐摩耗性
を有するレールの開発が求められるようになってきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の共析炭素成分の
パーライト組織を呈したレール鋼においては、耐摩耗性
を向上させるため、パーライト組織中のラメラ間隔を微
細化し、硬さを向上させる方法が用いられている。しか
し、共析炭素成分のパーライト組織を呈したレール鋼で
は現状の硬さが上限（Ｈｖ４２０）であり、硬さの向上
を狙って熱処理冷却速度や合金の添加量を増加させる
と、パーライト組織中にベイナイトやマルテンサイト組
織が生成し、レールの耐摩耗性や靭性を低下させるとい
った問題点があった。また、もう一つの解決方法として
はパーライト組織より耐摩耗性が高い金属組織を呈した
材料をレール鋼として使用する方法が考えられるが、レ
ールと車輪のようなころがり摩耗環境下では微細パーラ
イト組織よりも安価で耐摩耗性に優れた材料は見いださ
れていないのが現状である。

【０００６】従来レール鋼として用いられている共析炭
素成分のパーライト組織は硬さの低いフェライト組織と
板状の硬いセメンタイト組織の層状構造になっている。
本発明者らはパーライト組織の摩耗機構を解析した結
果、まずはじめに車輪の通過により柔らかなフェライト
相が絞り出され、その後ころがり面直下に硬いセメンタ
イト相のみが積層化し、耐摩耗性が確保されていること
を確認した。そこで、本発明者らは耐摩耗性を向上させ
るためパーライト組織の硬さを向上させると同時に、炭
素量を高くし、耐摩耗性を確保しているパーライト組織
中の板状の硬いセメンタイト相の比率を増加させ、ころ
がり面直下でのセメンタイト相密度を高めることによ
り、耐摩耗性が飛躍的に向上することを実験により見い
だした。

【０００７】しかし、耐摩耗性を向上させるため炭素量
を増加させると、レール頭部に初析セメンタイトが生成
し易く、レールの延性および靭性が大きく低下するとい
った問題点があった。

【０００８】炭素量を増加させた時に生成するこの初析
セメンタイトは、冷却速度の遅い、パーライト変態が始
まる前の高温度域で生成することが知られている。そこ
で、この初析セメンタイトの生成を防止する方法とし
て、熱間圧延直後のレールまたは再加熱されたレールに
加速冷却を施す方法もある。しかし、成分系や鋳片の偏
析状態によっては、加速冷却を行っても旧オーステナイ
ト粒界に微量な初析セメンタイトが生成し、レールの基
本性能として重要なレール頭部での靭性および延性を低
下させるといった問題点があった。しかし、このような
問題点があるにも関わらず、この微量な初析セメンタイ
トの生成を防止し、かつ、セメンタイト比率が高く、硬
さの高いパーライト組織を安定的に生成させるレール製
造法については十分な検討が行われていなかった。

【０００９】そこで、本発明者らはこの初析セメンタイ
トの生成を抑制する冷却方法を実験により検討した。そ
の結果、熱間圧延直後または再加熱されたレール頭部を
初析セメンタイトが生成するパーライト変態開始直前の
高温度域を１０超〜３０℃/secの高冷却速度で加速冷却
することにより、初析セメンタイトの生成を抑制できる
ことを確認した。さらに、本発明者らは初析セメンタイ
ト生成抑制後にパーライト組織を高硬度化する方法を検
討した。その結果、パーライト変態開始までの加速冷却
の直後に、１〜１０℃/secの冷却速度で制御冷却するこ
とにより、高硬度の耐摩耗性に優れたパーライト組織が
安定的に生成することを実験により確認した。

【００１０】以上の結果から、本発明者らはレールの耐
摩耗性の向上と靭性および延性の確保を図るため、ま
ず、レール鋼の炭素量を増加させ、同時に、熱間圧延直
後または再加熱されたレール頭部に加速冷却を行い、引
き続き、制御冷却を行うことにより、レールの靭性およ
び延性に有害な初析セメンタイトの生成を防止し、セメ
ンタイト比率が高く、耐摩耗性に優れたパーライト組織
を呈した高強度レールが製造できることを確認した。す
なわち本発明は、重荷重鉄道のレールに要求される耐摩
耗性を大きく向上させたレールを低コストで提供するこ
とを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するものであって、その要旨とするところは、重量％
で、Ｃ ：０．８５超〜１．４０％、 Ｓｉ：０．１０
〜１．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％を含有し
て、さらに必要に応じて、Ｃｒ：０．０５〜１．００
％、 Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、Ｖ ：０．０２
〜０．３０％、 Ｎｂ：０．００２〜０．０５％、Ｃ
ｏ：０．１０〜２．００％、 Ｂ ：０．０００５〜
０．００５％の１種または２種以上を含有し、残部が鉄
および不可避的不純物からなる鋼を熱間圧延した、高温
度の熱を保有する鋼レール、あるいは熱処理する目的で
高温に加熱された鋼レールの頭部を、オーステナイト域
温度から７５０〜６００℃の間の温度までを１０超〜３
０℃/secで加速冷却し、引き続き、７５０〜６００℃の
間の温度から５５０〜４５０℃の間の温度までを１〜１
０℃/sec未満で制御冷却することを特徴とする高耐摩耗
パーライトレールの製造法である。

【００１２】以下本発明について詳細に説明する。ま
ず、本発明においてレールの化学成分を上記のように限
定した理由について説明する。Ｃはパーライト変態を促
進させて、かつ、耐摩耗性を確保する有効な元素であ
り、通常のレール鋼としてはＣ量０．６０〜０．８５％
が添加されているが、Ｃ量０．８５％以下では耐摩耗性
の向上を図るためのパーライト組織中のセメンタイト密
度が確保できず、さらに、レール頭部内部疲労損傷の起
点となる初析フェライトが生成し易くなる。また、Ｃ量
が１．４０％を超えると上記熱処理を行ってもレール頭
部に初析セメンタイトが生成し、延性および靭性が低下
するため、Ｃ量を０．８５超〜１．４０％に限定した。

【００１３】Ｓｉはパーライト組織中のフェライト相へ
の固溶体硬化により強度を向上させる元素であるが、
０．１０％未満ではその効果が十分に期待できず、ま
た、１．００％を超えるとレールの脆化をもたらし溶接
性も低下するので、Ｓｉ量を０．１０〜１．００％に限
定した。

【００１４】Ｍｎはパーライト変態温度を低下させ、焼
き入れ性を高めることによって高強度化に寄与し、さら
に、初析セメンタイトの生成を抑制する元素であるが、
０．１０％未満の含有量ではその効果が小さく、熱処理
後のレール頭部の硬さが低下し、初析セメンタイトが生
成し易くなる。また、１．５０％を超えるとレールの靭
性に有害なマルテンサイト組織を生成させ易くするた
め、Ｍｎ量を０．１０〜１．５０％に限定した。なお、
Ｍｎが１．００％を超えると、高炭素の本成分系では、
添加元素の組み合わせや冷却条件によっては、偏析部に
微量なマルテンサイト組織が生成する場合がある。この
微量なマルテンサイト組織はレールの靭性や耐摩耗性に
大きな影響を及ぼさないが、熱処理においてパーライト
組織を安定的に生成させるには、Ｍｎ量を０．１０〜
１．００％の範囲とすることが望ましい。

【００１５】また、上記の成分組成で製造されるレール
は強度、延性、靭性を向上させる目的で以下の元素を必
要に応じて１種または２種以上を添加する。 Ｃｒ：０．０５〜１．００％、 Ｍｏ：０．０１〜
０．２０％、Ｖ ：０．０２〜０．３０％、 Ｎｂ：
０．００２〜０．０５％、Ｃｏ：０．１０〜２．００
％、 Ｂ ：０．０００５〜０．００５％

【００１６】次に、これらの化学成分を上記のように定
めた理由について説明する。Ｃｒはパーライトの平衡変
態点を上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にし
て高強度化に寄与すると同時に、パーライト組織中のセ
メンタイト相を強化することによって耐摩耗性を向上さ
せる元素であるが、０．０５％未満ではその効果が小さ
く、１．００％を超える過剰な添加はマルテンサイト組
織を多量に生成させ、鋼を脆化させるため、Ｃｒ添加量
を０．０５〜１．００％に限定した。なお、Ｃｒが０．
６０％を超えると、高炭素の本成分系では、添加元素の
組み合わせや冷却条件によっては、偏析部に微量なマル
テンサイト組織が生成する場合がある。この微量なマル
テンサイト組織はレールの靭性や耐摩耗性に大きな影響
を及ぼさないが、熱処理においてパーライト組織を安定
的に生成させるには、Ｃｒ量を０．０５〜０．６０％の
範囲とすることが望ましい。

【００１７】ＭｏはＣｒ同様パーライトの平衡変態点を
上昇させ、結果としてパーライト組織を微細にすること
により高強度化に寄与し、耐摩耗性を向上させる元素で
あるが、０．０１％未満ではその効果が小さく、０．２
０％を超える過剰な添加は、パーライト変態速度を低下
させ、靭性に有害なマルテンサイト組織が生成し易くな
るため、Ｍｏ添加量を０．０１〜０．２０％に限定し
た。

【００１８】Ｖは熱間圧延時の冷却過程で生成したＶ炭
・窒化物による析出硬化で強度を高め、さらに、高温度
に加熱する熱処理が行われる際に結晶粒の成長を抑制す
る作用によりオーステナイト粒を微細化させ、レールに
要求される強度と靭性を向上させるのに有効な成分であ
るが、０．０２％未満ではその効果が期待できず、０．
３０％を超えて添加してもそれ以上の効果が期待できな
いことから、Ｖ量を０．０２〜０．３０％に限定した。

【００１９】ＮｂはＶと同様にＮｂ炭・窒化物を形成し
てオーステナイト粒を細粒化する有効な元素であり、そ
のオーステナイト粒成長抑制効果はＶよりも高温度域
（１２００℃近傍）まで作用し、レールの延性と靭性を
改善する。その効果は０．００２％未満では期待でき
ず、また、０．０５０％を超える過剰な添加を行っても
それ以上の効果が期待できない。従って、Ｎｂ量を０．
００２〜０．０５０％に限定した。

【００２０】Ｃｏはパーライトの変態エネルギーを増加
させて、パーライト組織を微細にすることにより強度を
向上させる元素であるが、０．１０％未満ではその効果
が期待できず、また、２．００％を超える過剰な添加を
行ってもその効果が飽和域に達するため、Ｃｏ量を０．
１０〜２．００％に限定した。

【００２１】Ｂは旧オーステナイト粒界から生成する初
析セメンタイトを抑制する効果があり、パーライト組織
を安定的に生成させるために有効な元素である。しか
し、０．０００５％未満ではその効果が弱く、０．００
５％を超えて添加するとＢの粗大な炭ほう化物が生成
し、レールの延性および靭性等を劣化させるため０．０
００５〜０．００５％に限定した。

【００２２】上記のような成分組成で構成されるレール
鋼は、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、
さらに熱間圧延を経てレールとして製造される。次に、
この熱間圧延した高温度の熱を保有するレール、あるい
は熱処理する目的で高温に加熱されたレールの頭部を加
速冷却し、引き続き、制御冷却を行うことにより、レー
ル頭部のパーライト組織の硬さを向上させる。

【００２３】次に、各冷却停止温度範囲および加速冷却
速度を上記のように定めた理由を詳細に説明する。ま
ず、オーステナイト域温度から加速冷却停止温度７５０
〜６００℃の間の温度までを１０〜３０℃/secで加速冷
却する理由について説明する。

【００２４】７５０℃を超える温度で加速冷却を停止す
ると、その後の制御冷却途中の高温度域で初析セメンタ
イトが生成し、レールの靭性および延性が大きく低下す
るため、７５０℃以下に限定した。また、６００℃未満
まで加速冷却を行うと、その後の制御冷却時にパーライ
ト変態が終了せず、レールの靭性、耐摩耗性に有害なマ
ルテンサイトやベイナイトなどの異組織が生成し易くな
るため、６００℃以上に限定した。

【００２５】加速冷却速度を１０超〜３０℃/secに限定
したのは、１０℃/sec以下になると、成分系によっては
加速冷却途中の高温度域で微量な初析セメンタイトが生
成し、レール頭部での靭性および延性が低下するため、
１０℃/sec超に限定した。また、３０℃/secを超える冷
却速度で加速冷却を行うと、その後の制御冷却時にパー
ライト変態が終了せず、レールの靭性、耐摩耗性に有害
なマルテンサイトやベイナイトなどの異組織が生成し易
くなるため、１〜１０℃/secに限定した。

【００２６】次に、７５０〜６００℃の間の温度から制
御冷却停止温度５５０〜４５０℃の間の温度までを１〜
１０℃/sec未満で制御冷却する理由について説明する。
５５０℃を超える温度で制御冷却を停止すると、制御冷
却直後に粗大で、かつ硬さの低いパーライト組織が多く
生成し、レール頭部の耐摩耗性に必要な硬さが確保でき
ないため、５５０℃以下に限定した。また、４５０℃未
満まで制御冷却を行うと、加速冷却後にレール内部から
の十分な自然復熱が期待できず、偏析部などにレールの
靭性に有害なマルテンサイト組織が生成するため、４５
０℃以上に限定した。

【００２７】制御冷却速度を１〜１０℃/sec未満に限定
したのは、制御冷却速度が１℃/sec未満になると、制御
冷却途中の高温度域で粗大で、かつ、硬さの低いパーラ
イト組織が多く生成し、レール頭部の耐摩耗性に必要な
硬さが確保できないため、１℃/sec以上に限定した。ま
た、１０℃/sec以上の冷却速度で制御冷却を行うと、制
御冷却中にパーライト変態が終了せず、制御冷却途中や
その後の自然復熱領域でレールの靭性、耐摩耗性に有害
なマルテンサイトやベイナイトなどの異組織が生成する
ため、１〜１０℃/sec未満に限定した。

【００２８】従って、パーライト組織を呈した耐摩耗性
に優れたレールを製造するには、図１に示すようにレー
ルの靭性および延性に有害な初析セメンタイトが生成し
ないように、オーステナイト域温度から７５０〜６００
℃の間の温度までを１０超〜３０℃/secで加速冷却し、
さらに、粗大で、かつ、硬さの低いパーライト組織およ
び靭性、耐摩耗性に有害なマルテンサイトやベイナイト
組織が生成しないように、７５０〜６００℃の間の温度
から５５０〜４５０℃の間の温度までを１〜１０℃/sec
未満で制御冷却し、低温度域で硬さの高いパーライト組
織を安定的に生成させる必要がある。

【００２９】なお、成分系および冷却速度の選択によっ
ては、オーステナイト域温度からの加速冷却中にパーラ
イト変態が始まり、その後の制御冷却領域で変態を完了
する場合と、制御冷却中およびその後の自然復熱領域に
おいてパーライト変態が始まり、変態を完了する場合が
ある。しかし、本加速冷却停止温度範囲および制御冷却
停止範囲に生成するパーライト組織はいずれも高硬度で
あり、レールの耐摩耗性に大きな影響をおよぼさないた
め、本発明のパーライト組織としては、オーステナイト
域温度からの加速冷却領域において生成するパーライト
組織と、加速冷却後の制御冷却領域および自然復熱領域
において生成するパーライト組織の両方を含んでいる。

【００３０】加速冷却時の冷却媒体としては空気あるい
はミストなどの気液混合物を用いることが望ましく、ま
た、加速冷却、制御冷却後のレール頭部の硬さについて
は耐摩耗性を確保する点でＨｖ３２０以上とすることが
望ましい。また、このＨｖ３２０以上の硬さの領域は、
レール寿命を確保する点で、図２に示すように、レール
頭頂部ａおよびレール頭部コーナー部ｂにおいて頭部表
面（頭側部全体を含む）を起点として少なくとも深さ２
０mmの範囲であることが望ましい。

【００３１】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。表
１−１、表１−２に本発明レール鋼の化学成分および冷
却条件を示す。さらに、表２には冷却後のレール頭部の
硬さ、組織、および、図３に示す西原式摩耗試験機によ
るレール頭部材料の摩耗特性評価結果、シャルピー衝撃
試験機によるレール頭部衝撃特性評価結果も併記した。
図において、１はレール試験片、２は相手材、３は冷却
ノズルである。また、表３−１に比較レール鋼の化学成
分および冷却条件を示す。さらに、表３−２には冷却後
のレール頭部の硬さ、組織、および、図３に示す西原式
摩耗試験機によるレール頭部材料の摩耗特性評価結果、
シャルピー衝撃試験機によるレール頭部衝撃特性評価結
果も併記した。

【００３２】なお、レールの構成は以下のとおりであ
る。 ・本発明レール鋼（１６本） 符号：Ａ〜Ｐ ：上記成分範囲でレール頭部に上記限定範囲内の加速冷
却と引き続き制御冷却を施した熱処理レール。 ・比較レール鋼（７本） 符号：Ｑ〜Ｗ ：共析炭素含有鋼による比較レール（Ｑ〜Ｓ）および上
記成分範囲内でレール頭部に上記限定範囲外の加速冷却
または制御冷却を施した熱処理レール（Ｔ〜Ｗ）。

【００３３】摩耗試験条件は以下のとおりとした。 ・試験機 ：西原式摩耗試験機（図３参照） ・試験片形状：円盤状試験片（外径：３０mm、厚さ：８mm） ・試験荷重 ：６８６Ｎ ・すべり率 ：２０％ ・相手材 ：パーライト鋼（Ｈｖ３９０） ・雰囲気 ：大気中 ・冷却 ：圧搾空気による強制冷却（流量：１００Ｎｌ/min） ・繰返し回数：７０万回

【００３４】また、衝撃試験条件は以下のとおりとし
た。 ・試験片 ：ＪＩＳ３号２mmＵノッチシャルピー衝撃試験片 ・試験温度 ：常温（＋２０℃）

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】

【表３】

【００３８】

【表４】

【００３９】

【表５】

【００４０】

【発明の効果】本発明および比較レール鋼の頭部硬さ
（Ｈｖ）と摩耗量（ｇ／７０万回）の関係を図４に示
し、また、衝撃値と耐摩耗量の関係を図５に示した。図
４に示したように本発明レール鋼は共析炭素含有の比較
レール鋼（符号：Ｑ〜Ｓ）よりも炭素量を高め、同時に
熱処理を行うことにより、比較レール鋼よりも同一硬さ
で摩耗量が少なく、耐摩耗性が大きく向上している。ま
た、図５に示すように本発明レール鋼は頭部に適切な熱
処理を行うことにより、比較レール鋼（符号：Ｔ〜Ｗ）
と比べて高炭素成分においても安定的にパーライト組織
が得られ、耐摩耗性と十分な靭性を確保することが可能
となる。このように本発明によれば、重荷重鉄道におい
て耐摩耗性に優れたレールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レール熱処理製造方法の模式図。

【図２】レール頭部軸断面における各部の呼称を示す
図。

【図３】西原式摩耗試験機の概略図。

【図４】表１に示す本発明レール鋼と表２に示す比較レ
ール鋼（符号：Ｑ〜Ｓ）の摩耗試験結果を頭部の硬さと
摩耗量の関係で比較した図。

【図５】表１に示す本発明レール鋼と表２に示す比較レ
ール鋼（符号：Ｔ〜Ｗ）の頭部の衝撃値と摩耗量の関係
を示した図。

【符号の説明】

ａ：レール頭頂部 ｂ：レール頭部コーナー部 １：レール試験片 ２：相手材 ３：冷却ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−3842（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C21D 9/00 - 9/44 C21D 9/50 C22C 38/00 - 38/60

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ ：０．８５超〜１．４０％、 Ｓｉ：０．１０〜１．００％、 Ｍｎ：０．１０〜１．５０％を含有し、残部が鉄および
   不可避的不純物からなる鋼を熱間圧延した、高温度の熱
   を保有する鋼レール、あるいは熱処理する目的で高温に
   加熱された鋼レールの頭部を、オーステナイト域温度か
   ら７５０〜６００℃の間の温度までを１０超〜３０℃/s
   ecで加速冷却し、引き続き、７５０〜６００℃の間の温
   度から５５０〜４５０℃の間の温度までを１〜１０℃/s
   ec未満で制御冷却することを特徴とする高耐摩耗パーラ
   イトレールの製造法。
2. 【請求項２】 重量％で、 Ｃ ：０．８５超〜１．４０％、 Ｓｉ：０．１０〜１．００％、 Ｍｎ：０．１０〜１．５０％を含有し、さらに Ｃｒ：０．０５〜１．００％、 Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、 Ｖ ：０．０２〜０．３０％、 Ｎｂ：０．００２〜０．０５％、 Ｃｏ：０．１０〜２．００％、 Ｂ ：０．０００５〜０．００５％の１種または２種以
   上を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼
   を熱間圧延した、高温度の熱を保有する鋼レール、ある
   いは熱処理する目的で高温に加熱された鋼レールの頭部
   を、オーステナイト域温度から７５０〜６００℃の間の
   温度までを１０超〜３０℃/secで加速冷却し、引き続
   き、７５０〜６００℃の間の温度から５５０〜４５０℃
   の間の温度までを１〜１０℃/sec未満で制御冷却するこ
   とを特徴とする高耐摩耗パーライトレールの製造法。